2013. 2학기

Ø 10.1 계통 보호 구성요소

Ø 10.2 계기용 변성기

Ø 10.3 과전류 계전기

Ø 10.4 방사상 계통 보호

Ø 10.5 재폐로기 및 퓨즈

Ø 10.6 방향 계전기

Ø 10.7 방향 계전기와 2개 전원계통의 보호

Ø 10.8 보호영역

Ø 10.9 임피던스 계전기와 선로 보호

Ø 10.10 차동 계전기

Ø 10.11 차동 계전기와 모선 보호

Ø 10.12 차동 계전기와 변압기 보호

Ø 10.13 표시선 계전

Ø 10.14 디지털 계전

¨ 전력계통 보호의 정의 및 기본적 아이디어¡ 고장 및 바람직하지 않은 조건에 대해 최대의 감도를 제공¡ 허용할 수 있거나, 견딜 수 있는 조건하에서 운전을 피함¡ 계전기 및 퓨즈를 적용하고 정정하는 과학, 기술, 예술

¡ 차단기가 바람직하지 않는 조건과 허용 가능조건의 차이를 구함¡ 고장이 발생한 부분만 차단(나머지는 정상동작)

¨ 보호기기의 역할¡ 사고범위의 축소(사고구간 제거)¡ 사고파급 방지(탈조, 주파수 저하)¡ 신속한 복구

¨ 차단기 및 계전기의 해당 범위¡ HV(115~230kV) 및 EHV(345~765kV) 전력계통 보호

¨ 보호기기 자체 문제¡ 주 계전기(Primary Relay)의 문제 발생 가능¡ 후비 계전기(Backup Relay)로 보호

¨ 구성 요소¡ 계기용 변성기 (Instrument Transformers)¡ 계전기 (Relay)¡ 차단기 (Circuit Breaker)

¨ 보호 계통은 3개의 기본 구성요소를 가짐¡ 계기용 변성기¡ 계전기¡ 차단기

¨그림 10.1은 다음의 3가지를 갖는 간단한 과전류 보호개념도¡ 계기용 변류기(CT), 과전류 계전기(OC), 차단기(CB)

그림 10.1 : 과전류 보호 개념도

건전지

단상선로 차단기 접점

계전기 동작 코일

계전기 접점

수동 트립

차단기트립 코일

¨ 계기용 변류기(CT)의 기능 : kA범위의 1차 전류 à 0~5A 범위의 2차 전류로 변환

¨ 계기용 변류기(CT)의 장점 :

(1) 안전성 : 안전한 환경에서 작업하도록 전기적인 절연 제공

(2) 경제성 : 더 낮은 레벨의 입력 è 작고, 단순 è 저렴

(3) 정밀도 : 전류, 전압 정확하게 재생

¨ 계전기의 기능 : 정상 운전과 고장 조건 사이를 구별하는 것

¡ 그림 10.1 : |I’|가 지정된 ‘동작(pick up)’값을 초과할 때, 동작 코일은 상시개방 접점(normally open contact)을 닫히도록 함

¡ 계기용 변성기의 정보에 기초하여 결정되며, 차단기 트립 코일에 ＇전달됨(relayed)’이 이루어짐 à 이름이 계전기(relay)인 이유

¨ 전력계통 보호 구성요소의 설계 판정기준

¡ 신뢰도 : 장기간 이후에도 동작할 수 있어야 함¡ 선택도 : 불필요한 차단을 피함(false trip)

¡ 속 도 : 신속한 동작 또는 설정된 시간 지연¡ 경제성 : 최소의 비용으로 최대의 보호 제공(비용 절감)¡ 단순성 : 보호기기 및 회로의 최소화(단순화)

¨ 계기용 변성기의 두 가지 기본 형태¡ 계기용 변압기(Voltage Transformers : VTs) à potential transformer(PTs)

¡ 계기용 변류기(Current transformers : CTs)

¨그림 10.2 : VT 및 CT에 대한 개념도 표현(schematic representation)

(b) 계기용 변류기 (CT)

그림 10.2 : 계기용 변압기 및 계기용 변류기 개념도

(a) 계기용 변압기 (VT)

1차 도선

¨ 변압기 1차 측은 전력계통에 또는 전력계통 내부에서 연결되어 있으며 전력계통 전압에 대하여 절연됨

¨ 계기용 변압기는 1차 측 전압을 감소시킴

¨ 계기용 변류기는 1차 측 전류를 운전에 적합하도록 감소시킴

¨ 계기용 변압기 및 계기용 변류기의 사진은 그림 10.3~10.6에 나타나 있음

¨ Transformer

¨ 종 류¡ 전위 변압기=계기용 변압기(VT=PT)¡ 계기용 변류기(CT)

115Vmax

5 or 10Amax

¨ 전력계통 보호 목적을 위하여 계기용 변압기는 정밀해야 함¡ 그러므로 계기용 변압기는 일반적으로 이상(ideal) 변압기로 모델링 함

V’ = (1/n)V (10.2.1)

¡ V’ 는 V 의 강압된(scaled-down) 표현이며 V 와 동상(in phase)임

¡ 표준 계기용 변압기 2차 측 전압 정격은 115 V(선간전압)

¡ 표준 계기용 변압기 비(ratio)는 표 10.1에 나타남

¨ 이상적으로 계기용 변압기는 2차 측 전압 전체가 감지 장치를 통과하도록 무한 임피던스를 갖는 감지 장치에 연결됨

표준 계기용 변압기 비

표 10.1

¨ 계기용 변류기의 여자 임피던스는 여자 전류를 최소화하기 위해 높게 설정됨

¨ CT 2차 측의 정상적인 전류 정격은 미국의 경우 5A로 표준화 되었으며 유럽 및 일부 다른 지역에서는 1A가 표준

¨ 단락 고장 시 정상상태 정격의 10~20배 이상의 큰 전류가 CT권선에발생

¨ 표준 CT 비(ratio)는 표 10.2에 주어짐

표 10.2 : 표준 CT 비

전류 비

그림 10.3 : 일리노이 Lisle 변전소의 34.5 kV : 115/67 V VT 비를 갖는 3개의34.5 kV 계기용 변압기

그림 10.4 : Westing 500 kV 개폐용 변전소의 303.1 kV : 115/67V VT 비를 갖는 3개의 500 kV 결합 커패시터 계기용 변압기

그림 10.5 : 3개의 25 kV급 계기용 변류기-window design

¨ 이상적으로, 계기용 변류기의 감지 장치는 2차 측 전류 전체가 흐르도록 0Ω의 임피던스를 가짐

¨ 그림 10.7 : 계기용 변류기의 근사 등가회로

그림 10.7 : CT 등가 회로

Z’=계기용 변류기 2차 누설 임피던스Xe=계기용 변류기 여자 리액턴스(saturable)ZB=종단 장치의 임피던스(계전기, 도선 포함)

Z’=계기용 변류기 2차 누설 임피던스Xe=계기용 변류기 여자 리액턴스(saturable)ZB=종단 장치의 임피던스(계전기, 도선 포함)

¨ 종단 장치의 전체 임피던스 ZB는 부담(burden)이라 부르며, 전형적으로 1 ohm보다적은 값으로 표시

¨ 그림 10.8 : 계기용 변류기의 등가회로와 관련하여, 계기용 변류기 2차 측 전압 E’과여자 전류 Ie사이의 관계를 결정하는 여자 곡선

그림 10.7 : CT 등가 회로

¨ ANSI 분류 C100을 갖는 다중비 부싱(multiratio bushing)계기용 변류기에 대한 여자 곡선은 그림 10.8에 나타나 있음

그림 10.8 : C100 ANSI 정밀도 등급을 갖는 다중비(multiratio) busing CT에 대한 여자곡선

2차 저항 ΩCT 비

2차 여자전류-Ie

2 차 여

자전

압-E

’

¨ 계기용 변류기의 성능은 1차 측 전류 I를 정확하게 재생하여 2차 측 전류 I ‘로전달하는 능력에 따라 결정됨¡ 계기용 변류기의 성능 : 포화 없이 재생 가능한 최대 전류에 의해 결정됨

¨ 다음의 과정들과 계기용 변류기 등가회로 및 여자 곡선을 이용하면 계기용 변류기 성능을 결정할 수 있음¡ 1단계 : 계기용 변류기 2차 측 출력전류 I‘ 를 가정¡ 2단계 : E’= (Z’+ZB)I’를 계산¡ 3단계 : E’을 이용하여 여자 곡선으로 부터 Ie를 구함¡ 4단계 : I = n(I’+Ie)를 계산¡ 5단계 : I’의 다른 값에 대해 1~4단계를 반복하고 I’ 와 I 그래프를 작성

그림 10.7 : CT 등가 회로

¨ 간단히 하기 위해 근사계산은 전류의 페이저가 아닌 크기만 가지고수행

¨ 또한 계기용 변류기 오차는 (I’+Ie)과 I’사이의 차이를 percent로 나타내며 식 (10.2.2)로 주어짐

(10.2.2)100%II'

ICTe

eerror ´

+=

¨ 다음의 2차 출력전류 및 부담(burden)에 대하여, 100:5 계기용 변류기 비에 대한 그림10.8의 다중비 계기용 변류기의 성능을 평가하라 : (a) I’=5 A 및 ZB=0.5 Ω, (b) I’=8 A 및ZB=0.8 Ω, (c) I’=15 A 및 ZB=1.5 Ω. 또한, 각 출력전류에 대하여 계기용 변류기 오차를계산하라.

¡ 풀이

a. I’=5 A 및 ZB=0.5 Ω

그림 10.8로부터 100:5 계기용 변류기 비를

갖는 계기용 변류기는 2차 저항 Z’=0.082Ω을

갖는다.

1단계: I’=5 A

2단계: 그림 10.7로부터

E’=(Z’+ZB)I’=(0.082+0.5)(5)=2.91 V

3단계: 그림 10.8로부터, Ie=0.25 A

4단계: 그림 10.7로부터, I=(100/5)(5+0.25)=105 A

계기용 변류기 오차 =

그림 10.8 : C100 ANSI 정밀도 등급을 갖는 다중비(multiratio) busing CT에 대한 여자곡선

%8.410025.525.0

=´ 그림 10.7 : CT 등가회로

b. I’=8 A 및 ZB=0.8 Ω1단계: I’=8 A

2단계: 그림 10.7로부터

E’=(Z’+ZB)I’=(0.082+0.8)(8)=7.06 V

3단계: 그림 10.8로부터, Ie=0.4 A

4단계: 그림 10.7로부터, I=(100/5)(8+0.4)=168 A

계기용 변류기 오차 =

§

§ 표준에서는 최대 정상부하에서 2차 측 전류가 5-A미만이 되도록 CT ratio를 결정

§ (a)에서 100A의 1차 측 최대 전류에 대하여 100:5의 CT ratio와 0.5 Ω의 부담으로 설정하는 것이 적합

%8.41004.84.0

=´

c. I’=15 A 및 ZB=1.5 Ω1단계: I’=15 A

2단계: 그림 10.7로부터E’=(Z’+ZB)I’=(0.082+1.5)(15)=23.73 V

3단계: 그림 10.8로부터, Ie=20 A4단계: 그림 10.7로부터, I=(100/5)(15+20)=700 A

계기용 변류기 오차 = 57.1%1003520

=´

그림 10.8 : C100 ANSI 정밀도 등급을 갖는 다중비(multiratio) busing CT에 대한 여자곡선

b. c.

b.

c.

¨ 8A에서 동작하도록 정정된 과전류 계전기가 100:5의 CT비를 가지고 그림 10.8의 다중비계기용 변류기에 연결되어 있다. 만일 부담 ZB가 (a) 0.8 Ω, (b) 3.0 Ω이라면, 계전기가200A의 1차 고장전류를 검출할 수 있는가?

¨풀이

만일 이상적인 계기용 변류기(ideal CT)로 가정한다면, (100/5)ⅹ8=160 A의 1차 측 전류는 계전기 동작을 야기시킬 수 있음에 주의하라.

a. 0.8 Ω예제 10.1(b)로부터 ZB=0.8 Ω을 갖는 168A의 1차 측 전류는 8A의 2차 측 출력전류를 재생한다. 이것은계전기를 동작하도록 할 것이다. 그러므로 200A보다 높은 고장 전류에서 계전기가 동작한다.

그림 10.8 : C100 ANSI 정밀도 등급을 갖는 다중비(multiratio) busing CT에 대한 여자곡선

b. 3.0 Ω1단계: I’=8 A

2단계: 그림 10.7로부터

E’=(Z’+ZB)I’=(0.082+3.0)(8)=24.656 V

3단계: 그림 10.8로부터, Ie=30 A

4단계: 그림 10.7로부터, I=(100/5)(8+30)=760 A

§ 3.0 Ω의 부담을 갖는 계전기는 760A이상에서 동작하므로 200A의 고장전류에 대해서는 동작하지 않는다.

그림 10.8 : C100 ANSI 정밀도 등급을 갖는 다중비(multiratio) busing CT에 대한 여자곡선

그림 10.7 : CT 등가회로

¨ 그림 10.1에서 CT 2차 측 전류 I ’은 과전류 계전기 동작코일에 입력되는 전류

¨ 순시 과전류 계전기(Instantaneous overcurrent relays) : 그림 10.9의트립 및 차단 영역에 의해 나타난 것과 같이 입력전류 크기에 응답

그림 10.9 : 순시 과전류 계전기 차단 및 트립 영역

그림 10.1 : 과전류 보호 개념도

전자석이 되어 스위치가 b접점에서 a접점에 붙음a 접점에 붙을 때 코일에 흐르는 전류=IP

I’=IP 이 되는 순간 Relay Contacts가 연결됨

큰 과전류가 발생되면 더 빠르게 트립 시킴전류양에 따라 Time Delay를 다르게 설정함

¨ 전류 크기 I’=| I’ |가 정해진 전류크기 IP (pickup current)를 초과à계전기 접점은 차단기 트립 코일을 여기(energize)하기 위해 순간적으로 닫힘

¨ I’ < IP : 계전기 접점 개방 유지(blocking the trip coil)

¨ 시간지연 과전류 계전기(Time-delay overcurrent relays) : 입력전류의 크기에 응답

¨ 그림 10.10 : 시간지연(time delay)은 계전기 입력전류의 크기에 의존

그림 10.10 : 시간 지연 과전류 계전기 차단 및 트립 영역

¨ I’/ IP가 큰 값을 갖는다면 è 계전기는 짧은 시간지연으로 동작(트립)

¨ 만일 I’ < IP이라면, è계전기는 차단(blocking)에서 유지

그림 10.10 : 시간 지연 과전류 계전기 차단 및 트립 영역

¨ 그림 10.11 : 시간 지연 과전류 계전기(a) Westinghouse 전자 기계형 CO 계전기

(b) Basler Electric 디지털 계전기

그림 10.11 : 시간 지연 과전류 계전기

¨ 그림 10.12 : CO-8 시간 지연 과전류 계전기의 특성 곡선

그림 10.12 : CO-8 시간 지연 과전류 계전기 특성

계전

기 동

작 시

간( 초

)

전류 탭 정정값의 배수로 나타낸 계전기 입력전류

¡ 전류 탭 정정(Current tap setting) : 암페어 단위의 동작 전류

¡ 시간-다이얼 정정(Time-dial setting): 시간 지연 조절

Current Tap Setting : Pickup currentTime Dial Setting : Time delay

¨ 계전기는 다음과 같은 두 가지 설정을 가짐¡ 전류 탭 정정(Current tap setting) : 암페어 단위의 동작 전류

¡ 시간-다이얼 정정(Time-dial setting) : 시간 지연 조절

¨ 시간-전류 특성곡선(그림 10.13)은 동작전류의 배수에 해당하는 계전기 입력전류에 따른 시간지역을 보여줌

시간

( 초)

그림 10.13 : CO 계전기 특성의 비교

계전기 특성

CO-6 정한시(Definite)CO-7 일반 한시(Moderately

inverse)CO-8 반한시(Inverse)CO-9 강 반한시(Very Inverse)CO-11 초 반한시(Extremely

inverse)

동작(pickup) 전류의 배수

¨ 모든 계전기는 20배 동작 전류에서 0.2초에 동작

¨ 계전기 시간-전류 특성은 전원, 선로 및 부하에 의존

¨ 정한시(definite; CO-6) 및 일반 한시(moderately inverse; CO-7)계전기는 10배 동작전류 이상에서는 비교적 일정한 동작 시간을 유지

¨ 반한시(inverse; CO-8), 강 반한시(very inverse; CO-9) 및 초 반한시(extremely inverse; CO-11)계전기는 고장전류가 클 수록 빠르게 동작

시간

( 초)

그림 10.13 : CO 계전기 특성의 비교

계전기 특성

CO-6 정한시CO-7 일반 한시CO-8 반한시CO-9 강 반한시CO-11 초 반한시

동작(pickup)의 배수

¨ 그림 10.14 : 전자 기계형 시간 지연 과전류 계전기의 동작 원리

¨ 계전기 동작 코일에 입력되는 교류 전류는 도전성 알루미늄 원판에 수직인 자계(magnetic field)를 형성

¨ 회전 가능한 원판은 나선형 스프링에 의해 억제됨¡ 입력 전류가 동작 전류보다 작을 경우 접점이 닫히지 않도록

¨ 원판에 유도된 전류는 자계와의 상호작용으로 토크를 발생시킴¡ 입력 전류가 동작 전류를 초과하면, 원판은 계전기 접점이 닫히는 각도 Θ만큼 회전

그림 10.14 : 전자기계 방식 시간 지연 과전류 계전기-유도 원판형

나선형 스프링

입력 원판

(a) 평면도 (b) 측면도

¨ 그림 10.15 : 전자 기계형 계전기 사이에 놓여진, 정지형 방식 계전기 패널

그림 10.15 : 각 측면에 전자 기계형 계전기를 갖는 345 kV 송전선로용 정지형 계전기 패널

¨ 6A의 전류 탭 정정값 및 1의 시간–다이얼 정정값을 갖는 CO-8 계전기를 사용하여 각경우에 대한 계전기 동작 시간을 결정하시오. a)5A, b)8A, C) 15A.(예제 10.1의 100:5의 계기용 변류기 사용)

¡ 풀이a. I’=5 A

계전기는 동작하지 않으며, 차단위치에서

유지된다.

b. I’=8 A

그림 10.12의 곡선 1을 이용하여 toperating =6초

c. I’=15 A

곡선 1로부터 toperating =1.2초 그림 10.12 : CO-8 시간 지연 과전류 계전기 특성

계전

기 동

작 시

간( 초

)전류 탭 정정값의 배수로 나타낸 계전기 입력전류

0.8365

II 5A,Ip

'' ===

1.3368

II 8A,Ip

'' ===

2.56

15II 15A,Ip

'' ===

c.

b.

Current Tap Setting : Pickup currentTime Dial Setting : Time delay

¨ CO-8 시간 지연 과전류 계전기 동작시간¡ 6A의 전류 탭 정정값 및 1의 시간 다이얼 정정값을 갖는 CO-8 계전기는

100:5 계기용 변류기를 사용한다. 계전기 동작 시간을 구하라. (IP=6A)Ÿ I’=5A I’/IP= 0.83 동작 안함Ÿ I’=8A I’/IP= 1.33 6초 에 동작Ÿ I’=15A I’/IP= 2.5 1.2초 에 동작

Westinghouse CO-8 Relay

Current Tap Setting : Pickup currentTime Dial Setting : Time delay

1.2sec

6sec