비율차동계전기의 동작 원리 및 특성

비율차동계전기의 동작 원리 및 특성의 이해

 

 

 

비율차동계전기는 전력 시스템에서 변압기는 안정적 전력 공급을 위해 반드시 보호되어야 하는 핵심 설비이다. 변압기 고장 발생 시, 적절한 시간 내에 고장 구간을 차단하지 않으면 변압기 자체 손상뿐만 아니라 계통 전체의 안정성에도 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유로 변압기 보호용 계전기는 신속하고 정확한 동작 특성을 요구하며, 다양한 사고 상황에서도 오동작을 최소화하는 기술이 필요하다. 변압기 보호를 위한 대표적인 계전기 방식 중 하나가 바로 비율차동계전기(Percentage Differential Relay, PDR)이다. 이 계전기는 변압기의 내부 고장을 감지하고, 외부 고장이나 부하 전류 변화로 인한 오동작을 억제하는 구조를 가지고 있어 대용량 변압기 보호에 널리 사용된다.

 

비율차동계전기의 동작 원리 및 특성

 

비율차동계전기 개요

 

비율차동계전기는 기본적으로 차동계전기(Differential Relay)의 원리를 기반으로 한다. 차동계전기는 변압기의 1차와 2차 측 CT(Current Transformer, 전류 변류기)에서 감지한 전류를 비교하여, 정상 운전 시에는 두 전류가 같아 차 동전류가 0이 되도록 설계되어 있다. 변압기 내부에 고장이 발생하면 1차와 2차 전류의 합과 차가 달라지므로 차 동전류가 발생하며, 이때 계전기가 동작하여 차단기를 작동시키게 된다.

그러나 일반 차동계전기는 CT 오차, 부하 전류, 외부 단락 등으로 인한 대전류 상황에서 발생하는 불일치에 민감하여 오동작할 가능성이 있다. 예를 들어, 1차와 2차 CT의 비가 완전히 동일하지 않거나 CT의 포화 특성이 다를 경우, 정상 운전 중에도 차 동전류가 흐를 수 있으며, 이에 따라 변압기 외부 고장에서도 계전기가 동작할 수 있다.

이를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 비율차동계전기이다. 비율차동계전기는 동작 코일(Operation Coil) 외에 억제 코일(Restraint Coil, RC)을 장착하여, 차 동전류가 억제 전류의 일정 비율 이상일 때만 계전기가 동작하도록 설계되어 있다. 즉, 억제 코일은 정상 운전 전류, 부하 전류, CT 불일치 등으로 인한 미세한 차 동전류를 억제하고, 실제 변압기 내부 고장이 발생했을 때만 동작하도록 하는 기능을 수행한다.

비율차동계전기는 동작 특성에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 유도 원판형 비율차동계전기는 동작 시간이 약 0.1초로 설계되어 있으며, 고속도 비율차동계전기는 1~2사이클로 매우 빠른 동작 속도를 갖는다. 또한, 변압기 고조파 전류에 의한 오동작을 방지하기 위한 고조파 억제부터 비율차동계전기도 존재한다. 이러한 다양한 형태의 계전기를 통해 변압기 용량이 큰 설비(일반적으로 5000kVA 이상)에 대해서도 안정적인 보호가 가능하다.

 

비율차동계전기의 동작 원리 및 특성

 

 

 

비율차동계전기의 동작 원리

 

비율차동계전기의 핵심 원리는 차 동전류와 억제 전류의 비율 관계를 이용한 동작 제어이다. 이를 이해하기 위해 먼저 CT의 특성을 살펴볼 필요가 있다. CT는 1차 전류와 2차 전류 사이의 비를 일정하게 유지하도록 설계되어 있으나, 전류가 크거나 단락 사고가 발생하면 CT의 포화 및 부하 특성 때문에 이상 전류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 100/5A CT를 사용한 경우, 1차 전류가 100A 이하일 때는 CT 비가 20(100÷5)도 일정하지만, 1차 전류가 2000A와 같이 매우 큰 대전류가 흐르면 2차 전류는 이상적으로 100A가 되어야 하나 실제로는 90A 정도밖에 흐르지 못한다.

문제는 변압기 1차 측 CT와 2차 측 CT가 각각 설치된 위치, 제조 특성, 포화 특성 등에 따라 2차 전류가 불일치할 수 있다는 점이다. 단락 사고 상황에서, 예를 들어 변압기 1차 측 CT 2차에는 95A가 흐르고 2차 측 CT 2차에는 90A가 흐른다면, 차동계전기에는 5A의 차 동전류가 발생하게 된다. 일반적인 차동계전기라면 이 정도의 차 동전류만으로도 외부 고장에서 동작할 수 있으며, 이는 변압기 보호의 신뢰성을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

비율차동계전기는 이러한 문제를 해결하기 위해 억제 전류와 동작 전류의 비율을 사용한다. 억제 코일에 흐르는 전류는 1차와 2차 전류의 합 또는 평균으로 설정되어, 외부 고장이나 부하 변화로 인한 미세한 차 동전류를 억제한다. 차 동전류가 억제 전류의 설정된 비율(예: 20%~30%) 이상일 때만 계전기가 동작하여 차단기를 작동시키는 방식이다. 따라서 변압기 내부 고장과 외부 고장을 구분할 수 있으며, 오동작을 최소화하면서 신뢰성을 높일 수 있다.

 

비율차동계전기의 장점과 적용

 

 

비율차동계전기는 외부 고장에 대한 면역성이 높고, CT의 비율 오차나 부하 전류 변화로 인한 오동작을 억제할 수 있다는 점에서 변압기 보호용으로 매우 적합하다. 특히 대용량 변압기(5000kVA 이상)에서는 내부 고장의 손실을 최소화하고, 변압기와 계통의 안전성을 동시에 확보할 수 있다. 또한 동작 속도와 고조파 억제 기능에 따라 다양한 형태로 적용할 수 있으며, 계전기의 구조와 설정을 적절히 조정하면 변압기 보호뿐만 아니라 변전소 전체 보호 시스템과 연계하여 계통 안정성을 강화할 수 있다.

 

 

 

결론 및 향후 적용 가능성

 

 

비율차동계전기는 단순한 차동계전기의 한계를 극복하기 위해 개발된 고도화된 보호 계전기로, 변압기 내부 고장을 정확히 감지하면서 외부 고장이나 부하 변화, CT 오차 등에 의한 오동작을 효과적으로 억제할 수 있는 특징을 가지고 있다. 변압기는 전력 계통에서 핵심 설비로서, 단 한 번의 내부 고장만으로도 심각한 손상을 입고나 장기적인 운전 불능 상태에 이를 수 있으므로, 변압기의 신뢰성 있는 보호는 전력 시스템 전체의 안정성을 보장하는 데 있어서 필수적이다.

비율차동계전기는 억제 코일과 동작 코일 간의 전류 비율을 이용한 동작 제어를 통해, 외부 고장 시에는 계전기가 동작하지 않도록 설계되어 있으며, 동시에 내부 고장이 발생했을 때는 신속하게 차단기를 작동시켜 변압기의 손상을 최소화한다. 이러한 구조는 CT의 비율 오차나 포화 특성으로 인해 발생할 수 있는 차종 전류 불일치를 충분히 보상할 수 있으며, 부하 전류 증가나 비정상적인 계통 전압 변화에도 안정적으로 대응할 수 있다. 특히 대용량 변압기에서 내부 고장이 발생할 경우, 계전기가 신속하게 동작하지 않으면 화재, 절연 파괴, 설비 손상 등 막대한 경제적 피해와 계통 정전 위험을 초래할 수 있으므로, 비율차동계전기의 존재는 변압기 보호를 넘어 계통 안전의 핵심 요소라 할 수 있다.

또한, 현대의 비율차동계전기는 단순히 내부 고장만을 검출하는 것을 넘어 고조파 억제 기능, 고속 동작 기능, 다양한 동작 특성 조정이 가능하여, 변압기의 운전 조건이나 계통 특성에 맞춰 최적화할 수 있다. 예를 들어, 고조파 억제 기능은 변압기 운전 시 발생하는 제5 고조파 전류와 같은 정상 전류 변동으로 인한 오동작을 방지하며, 고속 동작 계전기는 중대한 내부 고장 발생 시 단 1~2사이클 만에 차단기를 개방해 설비 손상을 최소화할 수 있다. 이러한 기능들은 단순한 전류 감지 기능을 넘어 계통 보호의 정밀성과 신뢰성을 한층 강화한다.

실무적으로, 변압기 보호를 설계할 때 비율차동계전기의 선택과 설정은 단순히 계전기의 용량이나 전류 등급만을 고려하는 것이 아니라, CT 특성, 변압기 용량, 계통 구성, 사고 시 전류 변화 패턴 등을 종합적으로 고려해야 한다. 올바른 설정 없이는 오히려 계전기의 장점이 상쇄되어 외부 사고에도 동작하거나 내부 사고에 늦게 동작할 수 있으며, 이는 변압기와 계통 전체의 안정성에 심각한 영향을 미친다. 따라서 비율차동계전기는 계통 운전자의 전문적인 이해와 세심한 설계가 동반되어야 그 진가를 발휘할 수 있다.

결론적으로, 비율차동계전기는 변압기 내부 고장을 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 변압기 보호의 핵심 장치이자, 계통 안전성을 보장하는 중요한 수단이다. 억제 코일과 동작 코일의 비율 기반 설계, 고속 및 고조파 억제 기능, CT 오차 보정 능력 등을 통해 외부 사고나 부하 변화에 의한 오동작을 최소화하면서, 변압기와 계통의 안전 운전을 보장한다. 변압기 보호뿐만 아니라 전력 계통 전체의 신뢰성과 안정성을 강화하는 필수 장치로서, 현대 전력 설비에서는 반드시 갖추어야 할 핵심 보호 계전기라고 할 수 있다.