보호계전기의 고려 사항 및 정정치
보호계전기의 고려 사항 및 정정치
보호계전기는 전력 계통의 안정적 운영과 전력 설비 보호는 현대 전력 시스템에서 중요한 요소 중 하나이다. 송배전 설비와 수용가 설비는 다양한 전기적 사고, 특히 단락 사고, 과전류, 지 락사고, 이상전압 등에 취약할 수 있으며, 이러한 사고가 발생할 경우 전력손실, 설비손상, 나아가 인명피해까지 초래될 수 있다. 따라서 이러한 사고를 조기에 검출하고 신속히 차단할 수 있는 장치가 필요하며, 그것이 바로 보호계전기(Protective Relay)이다. 보호계전기는 특정 전기적 조건을 감지하여 전기회로를 차단하거나 경보를 발생시키는 장치로, 변압기, 수전설비, 배전반 등 다양한 전력 설비에서 핵심적인 역할을 수행한다. 그러나 단순히 계전기를 설치하는 것만으로는 충분하지 않으며, 각 계전기의 특성에 맞는 정정(Calibration)이 필요하다. 정정이란 계전기가 실제 설비 상황에서 적절히 동작하도록 전류, 전압, 시간 등의 설정값을 조정하는 과정으로, 이를 통해 사고 발생 시 계전기가 과민하게 또는 늦게 동작하는 문제를 예방할 수 있다. 아래에서는 대표적인 보호계전기인 OCR, OCGR, OVR, UVR에 대한 고려 사항과 정정치를 상세히 살펴본다.
OCR(Over current Relay, 과전류계전기)
과전류계전기는 수전설비에서 가장 기본적이며 많이 사용되는 계전기로, 회로에 흐르는 전류가 설정치을 초과할 때 동작하여 사고를 차단한다. OCR은 크게 순시 탭(Instantaneous Tap)과 한시 탭(Time Tap) 및 Time Lever로 구성되어 있으며, 이를 적절히 정정하는 것이 중요하다.
정정 시 고려 사항
⒜ 순시 탭과 한시 탭, Time Lever를 설비 및 보호 목적에 맞게 조정해야 한다.
⒝ CT가 변압기 1차 측에 설치된 경우, 순시 탭은 변압기 1차 측 단락 사고에는 확실히 동작하되, 2차 측 단락 사고나 변압기 여자 돌입 전류에는 동작하지 않도록 설정해야 한다.
⒞ 한시 탭은 T-C Curve(Time-Current Curve)를 검토하여 사고 전류에 대응하도록 적정 시간 내 동작하도록 정정해야 한다.
⒟ 보호협조(Selectivity) 측면에서, 설비 사고 발생 시 수용가 차단기는 상위 전력망의 변전소 차단기보다 먼저 동작해야 한다. 이는 불필요한 광역 정전을 방지하기 위함이다.
⒠ 비율차동계전기 사용 시, 고조파 억제 부가 적용된 계전기를 선택하여 여자 돌입전류와 같은 고조파 전류에 의한 오동작을 방지한다.
정정치
⒜ 한시 탭 = 전 부하전류 × 1.5 ÷ CT Ratio
⒝ 순시 탭 = 변압기 2차 측 단락 사고 시 1차 측 전류 × 1.5 ÷ CT Ratio
이와 같은 정정치를 적용하면, 과전류 계전기는 사고 전류 발생 시 빠르고 정확하게 동작하면서, 정상 운전 중 불필요한 동작을 최소화할 수 있다.
OCGR(Over current Ground Relay, 지락 과전류계전기)
OCGR은 지락 사고를 검출하여 보호하는 계전기로, 설치되는 계통의 중성점 접지 방식에 따라 정정 방식이 달라진다. 특히 직접접지계통(예: 154kV, 22.9kV)에서는 지락전류가 크므로 이를 검출할 수 있는 OCGR이 필요하다.
정정 시 고려 사항
⒜ 지락보호 계전기의 설정은 계통의 접지방식(직접접지, 저항접지, 불법지 등)에 따라 달라져야 한다.
⒝ OCGR(51N)은 직접접지계통에서 발생하는 큰 지락전류를 효과적으로 검출하기 위해 설계된다.
정정치
⒜ 한시 탭 = 전 부하전류 × 0.3 ÷ CT Ratio
⒝ 순시 탭은 일반적으로 최소치로 설정하여, 사고 발생 시 지락을 빠르게 검출할 수 있도록 한다.
이처럼 정정하면 OCGR은 지락 사고에 민감하게 반응하면서 정상 부하 상태에서는 오동작을 방지할 수 있다.
OVR(Over voltage Relay, 이상 전압계전기)
OVR은 설비에 이상전압이 발생했을 때 보호 동작을 수행하며, GPT(Voltage Transformer) 전압을 이용해 정정한다.
정정 시 고려 사항
⒜ GPT 2차 전압(110V)은 UVR 및 OVR에 사용하고, GPT 3차 전압(완전 지락 시 190V)은 OVGR 및 SGR의 영상 전압 검출용으로 사용한다.
⒝ 정격전압의 130%에서 동작하도록 정정하고, Time Lever는 일반적으로 정정치! 전압의 150%에서 2초 정도에 동작하도록 설정한다.
정정치
⒜ 정격전압의 130%에서 계전기가 동작하도록 설정
⒝ Time Lever: 정정치! 전압의 150%에서 약 2초 후 동작
이를 통해 OVR은 과전압 사고 시 설비 보호와 안정적 전력 공급을 동시에 확보할 수 있다.
UVR(Under voltage Relay, 저전압계전기)
UVR은 전압 강하가 발생했을 때 차단기 트립으로 인한 광역 정전을 방지하기 위해 사용된다. 일반적으로 전동기 부하를 제외하고 경보용으로 사용하여 정전 시간을 최소화하는 것이 바람직하다.
정정 시 고려 사항
⒜ 순간적인 전압강하(Voltage Dip)에 의해 차단기가 여행 되지 않도록 전동기 부하를 제외한 설비에서 경보용으로 활용
⒝ 정전 확산을 방지하고, 설비 보호 및 안정적 운전을 보장
정정치
⒜ Drop-out Voltage = 정격전압 × 0.7
즉, 110V × 0.7 = 77V
이를 적용하면, UVR은 전압 강하 상황에서 불필요한 차단을 방지하고, 최소한의 정전으로 설비를 보호할 수 있다.
결론 및 향후 전망
보호계전기는 단순한 사고 차단 장치를 넘어, 전력 설비와 전력 계통 전체의 신뢰성과 안정성을 확보하는 핵심 장치로서 기능한다. 전력 계통은 다양한 사고 위험에 상시 노출되어 있으며, 특히 단락 사고, 지 락사고, 이상전압 및 저전압 사고는 설비 손상, 발전소 및 변전소의 광역 정전, 심지어는 인명 사고로까지 이어질 수 있다. 이러한 위험으로부터 설비와 사용자, 나아가 전력 계통 전체를 보호하기 위해서는 보호계전기가 정확히 동작해야 한다. 이를 위해 각 계전기의 특성과 설치 위치, 계통 조건을 고려한 정정(Calibration) 과정이 필수적이다. 정정은 단순히 전류나 전압, 시간 설정을 맞추는 행위가 아니라, 계전기가 실제 사고 상황에서 적시에 동작하고, 정상 운전 중에는 불필요한 동작을 방지하도록 설계하는 정밀한 과정이다.
OCR의 경우, 순시 탭과 한시 탭, Time Lever를 적절히 정정함으로써 변압기 1차 단락 사고와 2차 측 단락 사고 및 여자 돌입 전류에 대한 오동작을 방지할 수 있으며, 보호협조(Selectivity)를 고려하여 상위 차단기보다 먼저 동작하도록 설정함으로써 광역 정전 방지와 사고 확대 최소화가 가능하다. 또한 OCGR은 계통의 접지방식에 따라 지락 전류 검출 민감도를 조정함으로써, 직접접지 계통에서 발생할 수 있는 큰 지락 사고를 신속히 검출할 수 있으며, 순시 탭과 한시 탭의 적절하고 정정치를 통해 오동작을 최소화한다. OVR과 UVR은 설비의 이상전압 및 저전압 상황에서 불필요한 차단을 방지하고, 설비 보호와 전체 전력 계통 안정성 확보를 동시에 달성하도록 설계된다. 특히 UVR은 순간 정전 시 전동기 부하를 제외하고 경보용으로 활용하여, 설비 운전 중 전체 정전으로 확대되는 상황을 예방할 수 있다는 점에서 운영 안정성 측면에서 매우 중요하다.
보호계전기의 정정 과정은 단순 계산에 그치지 않고, 실제 설비 운전 특성과 사고 유형을 반영하여 수행해야 한다. 예를 들어 과전류계전기의 T-C Curve 검토, 지락계전기의 최소치 설정, OVR의 시간 지연(Time Lever) 설정 등은 모두 설비와 계통의 안전을 보장하기 위한 필수 과정이다. 이러한 정밀한 정정 작업을 통해 보호계전기는 사고 시 빠르고 정확하게 동작하며, 설비 손상을 최소화하고, 필요 이상의 전력 차단으로 인한 공급 중단을 예방할 수 있다. 나아가 전력 계통 전체의 신뢰성과 안정성을 확보함으로써 전력 수용가에 안정적인 전력을 공급하는 기반이 된다.
결국 보호계전기의 설계와 설치, 그리고 정정 과정은 단순한 장치 설치가 아닌, 전력 계통 운영의 근간을 지탱하는 핵심 요소라 할 수 있다. 설비 특성과 계통 조건, 사고 유형을 면밀히 분석하고 이에 맞는 정정치를 설정함으로써, 보호계전기는 전력 계통 사고 발생 시 정확하고 신속하게 대응하며, 설비 손상과 광역 정전, 그리고 경제적 손실을 최소화한다. 따라서 전력 설비 설계자와 운영자는 계전기의 설치뿐만 아니라 정정 및 보호협조 검토까지 포함한 전반적인 보호 계획 수립이 필요하며, 이를 통해 전력 계통의 안전성, 신뢰성, 효율성을 동시에 확보할 수 있다.