디지털 보호계전기

정의

디지털 보호계전기는 전압과 전류를 숫자로 바꾸어 고장을 판단하는 계전기다.

이를 수치형 계전기라고도 부른다. 과거에는 기계적 힘으로 동작했지만 지금은 소프트웨어가 판정을 맡는다.

고장을 가려내 차단기를 트립시키고, 여러 보호 기능을 한 장치에 담은 다기능 보호장치다.

구성과 동작 흐름

디지털 계전기의 동작은 입력, 필터, A/D 변환, 연산, 판정, 출력 순서로 진행된다.

CT와 PT로 받은 신호는 고주파를 걸러낸 뒤 A/D 변환기가 숫자로 바꾼다.

마이크로프로세서가 보호 알고리즘으로 판정하고, 조건이 맞으면 트립 접점이 신호를 보낸다.

기억부에는 정정값과 기록이 저장되고, 통신부로 SCADA 원격 감시가 가능하다.

기본파 추출 원리

디지털 계전기는 이산 푸리에 변환으로 기본파의 크기와 위상을 구한다.

표본값에 cos와 sin을 곱해 더하면 실수부 a_k와 허수부 b_k가 나온다.

기본파 크기는 루트(a1² + b1²), 위상은 arctan(b1/a1)로 계산한다.

이 값을 정정값과 비교해 동작 여부를 판정한다.

IDMT 계산 예제

정정 예제로 IDMT 과전류 계전기의 동작 시간을 계산해 본다.

동작 시간은 시간 승수 TMS와 전류 배율 I/I_s로 정해지며, 배율이 클수록 짧아진다.

탭 전류 400 A, 고장 전류 2000 A이므로 전류 배율은 5배다.

분모는 5의 0.02승에서 1을 뺀 0.0327이고, 분자는 0.1 × 0.14 = 0.014다.

따라서 동작 시간은 약 0.43초이며, 배율 5배에서 0.5초 안팎은 상식 범위의 값이다.

계전기 유형 비교

전자기계형, 정지형, 수치형 계전기를 같은 기준으로 비교한다.

전자기계형은 구조가 단순하지만 설정 변경과 기능 확장이 어렵다.

수치형은 디지털 신호처리로 판정하며 계측, 기록, 통신 기능을 갖춘다.

자기진단도 자체 테스트 루틴으로 수행하는 것이 수치형의 특징이다.

장단점과 설치 환경

디지털 계전기의 장점은 기능 통합, 설정 유연성, 자기진단, 통신 연동이다.

반면 전원이나 전자 부품이 고장 나면 보호 기능 전체가 멈출 수 있다.

서지와 노이즈에 민감하므로 차폐, 접지, 입력 필터 같은 대책이 필요하다.

설치 환경은 온도, 습도, 진동, 먼지를 관리하고 제어반을 환기하는 것이 중요하다.

핵심 정리

디지털 보호계전기를 정리한다. 전압과 전류를 A/D 변환해 마이크로프로세서로 판정하는 계전기다.

동작 순서는 입력, 아날로그 필터, A/D 변환, 디지털 연산, 판정, 차단 순서다.

기능은 보호 통합, 계측, 통신, 자기진단, 파형 기록이며 서지 대책도 함께 살펴야 한다.

정정할 때는 계통 조건과 CT 비를 기준으로 탭과 시간 승수를 함께 정한다.