직접접지 및 비접지(고저항 접지) 방식의 보호 방법
직접접지 및 비접지(고저항 접지) 방식의 보호 방법에 대한 이해
직접접지 및 비접지(고저항 접지) 방식은 전력 계통에서 지락하고(Earth Fault)가 발생했을 때, 계통의 안정성을 유지하고 사고 구간을 신속하게 차단하기 위해서는 접지방식에 따라 적절한 보호계전기를 적용하는 것이 중요하다. 접지방식은 크게 중성적 직접접지 방식과 중성적 고저항 접지방식으로 나눌 수 있으며, 각각의 방식에 따라 보호 계전기의 구성과 정정 방법이 달라진다.
중성적 직접접지의 경우
① 지락사고 검출 방식
중성점을 직접 접지한 경우에는 지락전류가 대전류로 유입되므로, 보통 OCGR(Over Current Ground Relay, 지락 과전류 계전기)을 사용하여 제 락사고를 검출한다. 그림과 같이 지락 사고가 발생하면 해당 구간의 차단기가 동작하여 사고 부분을 분리하게 된다.
② 정정 방법(감도 조정)
중요한 점은 계전기의 동작 순서이다. 예를 들어, CKT-1 구간에서 지락 사고가 발생했을 때, 상위 계통에 있는 OCGR-3이 먼저 동작해서는 안 되고, 반드시 OCGR-1이 먼저 동작하여 사고 지점을 국부적으로 차단해야 한다.
따라서 OCGR-3은 OCGR-1보다 감도를 둔하게 정정하고, OCGR-1은 보다 예민하게 설정한다. 이렇게 보호 계전기의 동작 순서를 보장함으로써 계통 전체의 불필요한 정전을 방지할 수 있다.
고저항 접지의 경우
① 지락사고 검출 방식
중성점을 고저항으로 접지하는 방식은 대전류 지략이 아닌 고전류 지락 계통을 구성하는 방식이다. 이 경우 지락전류가 작게 흐르므로 검출 방법도 달라진다. 일반적으로 ZCT(Zero Current Transformer, 영상변류기) 또는 GPT(Ground Potential Transformer, 접지전위 변압기)을 사용한다.
또한 두 가지를 모두 사용하는 SGR(System Ground Relay) 방식을 적용하기도 하는데, 이 경우 단 선도에 따라 여러 개의 보호 계전기가 설치되어 사고 구간을 검출하고 차단한다.
② 정정 방법(감도 조정)
고저항 접지방식에서도 보호계전기의 동작 순서가 중요하다. 예를 들어 CKT-2에서 지락 사고가 발생했을 때, 상위 보호계전기인 SGR-1이나 SGR-2가 먼저 동작하면 불필요하게 광역 정전이 발생할 수 있다.
따라서 보호 계전기의 감도는 SGR-4 → SGR-2 → SGR-1 순서로 점차 둔하게 정정하여, 사고 지점과 가장 가까운 계전기가 먼저 동작하도록 해야 한다. 이는 직접접지 계통에서의 OCGR 정정 원리와 동일하며, 보호협조 개념을 반드시 준수해야 한다.
향후 전망
중성적 직접접지 방식과 고저항 접지방식은 모두 전력 계통의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위해 필수적으로 고려되는 접지방식이다. 그러나 이 두 방식은 단순히 접지 방법만 다를 뿐 아니라, 계통의 사고 양상, 지락전류의 크기, 계전기의 동작 방식과 정정 절차까지 근본적으로 다른 특징을 지니고 있다. 따라서 설비 설계자와 운영자는 해당 계통의 특성을 정확히 이해하고, 이에 적합한 보호 방법을 적용해야만 한다.
첫째, 중성적 직접접지 방식은 대전류 지략이 발생하기 때문에 사고 검출이 상대적으로 용이하고 차단도 신속하게 이루어진다는 장점이 있다. 그러나 이러한 장점은 동시에 광역 정전의 위험으로 이어질 수 있다. 하위 계통에서의 지락 사고에도 상위 계전기가 먼저 동작해버리면, 필요 이상으로 넓은 구간이 정전되는 문제가 발생한다. 따라서 보호협조의 개념을 철저히 적용하여 하위 계전기가 먼저 동작하도록 감도를 정밀하게 조정해야 하며, 이를 통해 사고 구간을 최소화하는 것이 필수적이다.
둘째, 고저항 접지방식은 고전류 지락 계통의 장점을 살려 계통 전체가 안정적으로 운전될 수 있도록 한다. 지락전류를 제한하기 때문에 설비 손상이나 아크 발생 가능성을 줄일 수 있고, 운전의 연속성을 확보할 수 있다는 점에서 직접접지 방식보다 유리한 경우가 많다. 그러나 지락전류가 매우 작게 흐르므로 사고 검출이 쉽지 않으며, ZCT, GPT, SGR 등 특수한 보호계전기를 사용해야만 정확한 검출이 가능하다. 또한 이 경우에도 보호협조가 확보되지 않으면 상위 계전기가 불필요하게 먼저 동작하여 광역 정전으로 이어질 수 있다. 따라서 계전기의 감도 정정은 더욱 세밀하게 조정되어야 하며, 현장의 부하 분포와 전력망 구조를 종합적으로 고려해야 한다.
셋째, 보호협조의 중요성을 다시 강조할 필요가 있다. 전력 계통에서의 보호는 단순히 사고를 차단하는 것만이 목적이 아니라, 사고의 영향을 최소화하고 정상적인 설비의 운전을 보장하는 것에 있다. 즉, 어느 한 구간에서 사고가 발생하더라도 나머지 구간은 정상적으로 전력을 공급받아야 하며, 이를 위해서는 계전기의 정정 순서와 감도 설정이 논리적으로 일관되어야 한다. 중성적 직접접지방식에서는 OCGR 계전기의 단계적 정정이, 고저항 접지 방식에서는 SGR 계전기의 감도 조절이 이를 보장하는 핵심 수단이다.
넷째, 장기적인 설비 운영 관점에서 보면, 접지방식의 선택은 단순히 사고 대응만을 위한 것이 아니라 설비 수명, 유지보수 비용, 전력품질까지도 좌우한다. 직접접지방식은 신속하고 확실한 사고 제거가 가능하지만, 반복적인 대전류 지락 사고는 설비에 큰 부담을 줄 수 있다. 반대로 고저항 접지방식은 설비의 보호와 계통 안정성을 강화하는 효과가 있지만, 계전기의 설치 비용과 정정의 복잡성이 뒤따른다. 따라서 두 방식은 어느 하나가 절대적으로 우월하다기보다는, 계통의 특성과 요구 조건에 맞추어 선택·적용되어야 한다.
결론적으로, 직접접지와 고저항 접지 방식 모두 보호협조를 기반으로 한 정밀한 계전기 정정이 반드시 요구되며, 이를 통해 사고 구간은 신속히 제거하고 계통의 나머지 부분은 안정적으로 유지할 수 있다. 이는 곧 전력 설비의 신뢰성과 안전성을 보장하고, 산업 현장 및 사회 전반에 걸친 전력 공급의 연속성을 지켜내는 핵심 요건이라 할 수 있다. 따라서 설계자와 운영자는 접지방식의 차이를 명확히 이해하고, 계전기의 특성과 정정 방법을 면밀히 검토하여 최적의 보호 체계를 구축해야 할 것이다.