2-1  주보호(主保護, Main Protection)

2-2  1차 주보호(1st Main Protection)

2-3  2차 주보호(2nd Main Protection)

2-4  후비보호(後備保護, Back Up Protection)

2-5  단락보호(短絡保護, Short Circuit Protection)

2-6  지락보호(地絡保護, Earth Fault Protection)

2-7  층간단락보호

(Protection Against Turn To Turn Fault)

2-8  과부하보호(過負荷保護, Overload Protection)

2-9  과전압보호

(過電壓保護, Overvoltage Protection)

2-10  부족전압보호(不足電壓保護,

Undervoltage Protection)

2-11  역전력보호(逆電力保護,

Reverse Power Protection)

2-12  모터링보호(Anti-motoring보호)

2-13  계자상실보호(界磁喪失保護,

Loss of Field  Protection)

2-14  동기탈조보호(同期脫調保護,

Out of Step Protection)

2-15  저주파수보호(低周波數保護,

Under Frequency Protection)

2-16  과속도보호(過速度保護,

Overspeed Protection)

2-17  결상보호(缺相保護)

2-18  역상보호(逆相保護,

Negative Phase Sequence Protection)

2-19  과열보호(過熱保護,

Overheating Protection)

2-20  역류보호(逆流保護,

Reverse Current Protection)

2-21  맹점보호(盲點保護,

Blind Point  Protection)

2-22  보호범위(保護範圍, Zones of Protection)

2-23  선로가압시 고장검출

(SOFT; Switch On to Fault Trip)

2-24  Stub Protection

2-25  VT 이상검출(VT Failure Detection)

2-1 주보호(主保護, Main Protection)

전력계통에서 고장이 발생했을 경우 1차적으로 보호해야 할 보호장치(the first line of defense)에 의하여 보호되는 것을 주보호라 한다. 따라서 주보호는 보호범위 내의 고장만을 신속히 선택, 검출하는 보호장치를 중첩, 적용하고 각 전력설비 간에 차단기를 설치함으로써 전력계통 사고시 고장 구간만을 신속 정확하게 계통에서 분리할 수 있도록 적용하는 것이 원칙이다.

2. 보  호

Ⅳ. 보호계전실무분야

2-2 1차 주보호(1st Main Protection)

전력설비의 중요도에 따라 한 개의 전력설비에 2가지 이상의 주보호장치가 적용되는 경우가 있으며 그중 하나를 1차 주보호라 한다. 우리 계통의 345kV송전선 보호에 적용되는 2중 주보호방식중 1차 주보호에는 전력선반송 방향비교방식을 사용하고 있다.

2-3 2차 주보호(2nd Main Protection)

중요 전력설비의 보호를 위하여 2중 주보호방식을 적용할 경우, 나머지 1개의 주보호 방식을 2차 주보호라 한다. 우리의 345kV 송전선보호에 적용되는 2차 주보호 방식은 전력선반송 제어 언더리치 전송차단방식이며, 최근에는 PCM 방식을 적용하고 있다.

2-4 후비보호

(後備保護, Back Up Protection)

후비보호는 주보호장치의 실패 또는 운휴에 대비하여 2차적인 보호기능(the second line of defense)을 수행하며 그 적용방법을 분류하면 다음과 같다.

가. 계전기 후비보호(Relay back up) : 주보호계전기의 동작실패 또는 운휴에 대비한 보호로서 가급적 주보호 방식과 다른 보호방식을 사용하며 주보호방식에서와 같은 차단기를 차단시킨다.(예, 주보호로서 pilot relaying을 사용하는 154   kV 송전선 보호중 3단계 한시 거리계전방식)

나. 차단기 후비보호(Breaker back up) : 어느 fee- der의 차단기가 차단실패 됐을 때 같은 모선에 접속된 차단기 또는 관련 회로의 차단기들을 차단시켜 고장을 제거한다.(예, 우리 345kV 계통의 차단실패보호)

다. 원방 후비보호(Remote back up) : 고장구간 보호장치에 의한 고장제거가 실패할 경우, 다음 구간의 보호장치에 의하여 고장을 제거한다.(예, 송배전 계통 보호에 적용되는 반한시형 과전류계전방식 또는 3단계 한시 거리계전방식에서의 Zone 2, 3요소)

2-5 단락보호(短絡保護, Short Circuit

Protection)

단락고장에 대한 보호를 단락보호라 한다. 단락고장이란 정상상태에서의 전위가 서로 다르고, 대지전위가 다른 전기회로가 서로 접촉되는 고장을 말한다.(예, 송전선에서 a상 도체와 b상 도체의 접촉)

2-6 지락보호

(地絡保護, Earth Fault Protection)

지락고장에 대한 보호를 지락보호라 한다. 지락고장이란 정상상태에서 대지전위와 다른 전기회로가 대지전위를 갖는 점과 접촉되는 고장을 말한다.

(예, 송전선에서 a상 도체가 대지 또는 철탑과 접촉)

2-7 층간(層間)단락보호(Protection

Against Turn To Turn Fault)

3상 전력기기에서 동일한 상의 권선간의 단락고장을 층간단락 고장이라 하며, 이에 대한 보호를 층간단락 보호라 한다. 일반적으로 1상당 2개 이상의 회로(split phase)를 갖는 발전기 전기자 권선의 보호에 적용되는데 회로구성은 아래 그림(1)과 같다.

【그림 1】 전기자권선의 층간단락보호회로

2-8 과부하보호(過負荷保護, Overload

Protection)

전력기기 또는 송배전선로의 과부하 상태에 대한 보호로서 보호장치로는 주로 반한시형 과전류계전기 또는 온도계전기(thermal relay)가 사용된다. 온도계전기는 기기에 흐르는 전류의 크기로써 온도상승을 추정하는 replica type과 저항 온도 검출기(resistance temperature detector)로써 필요한 부분의 실제온도를 측정하는 방법이 있는데 후자는 냉각계통의 고장으로 인한 과열현상도 검출하며 일반적으로 대형 기기보호에 적용된다. 한편 송전선의 단락보호용 거리계전기(Zone 3)로서 선로 과부하 보호를 겸하는 경우도 있다.

2-9 과전압 보호(過電壓保護,

Overvoltage Protection)

과전압으로 인한 절연파괴 또는 철손(iron loss) 증가 등에 대한 보호로서 발전기, 동기조상기(rotary condenser), 정전축전기(static condenser), 분로리액터(shunt reactor)등의 기기에 적용되며 이 보호장치의 동작시간 특성은 순시형, 반한시형, 정한시형이 있다. 한편 지락보호의 한 방법으로서 영상전압회로에 지락 과전압계전기를 접속하는 방식도 있다.

2-10 부족전압 보호(不足電壓保護,

Undervoltage Protection)

부족전압 보호는 전원전압의 저하 또는 무전압 상태를 검출하여 부하설비를 보호 또는 전원절체 등의 조치를 취하기 위하여 적용된다. 특히 전동기는 전원전압이 저하되면 기동이 곤란하고 운전중에 속도가 저하되거나 과부하가 될수 있으므로 저전압에 대한 보호가 필요하며, 한편 한개의 전원에 다수의 전동기가 접속되는 계통에서는 정전후 전원이 회복될때 전동기들의 동시기동에 따른 전원측 과부하로 재정전될 수 있으므로 정전시는 부족전압 보호장치로서 전동기를 전원으로부터 분리하는 방식도 적용된다. 부족전압 보호는 관련 계통사고에 의한 순간적인 저전압에 동작치 않도록 한시형이 널리 사용된다. 이밖에 모선보호장치 또는 송전선보호장치등에서 부족전압계전기가 고장검출용으로 사용되는 경우가 있으며 이때에는 순시형이 쓰인다.

2-11 역전력보호(逆電力保護, Reverse

Power Protection)

교류전력이 상시와 반대로 흐를 경우에 대한 보호다. 발전기 보호방식에서 모터링 보호를 말하는 경우도 있다.

2-12 모터링 보호

(Anti-motoring Protection)

계통과 병렬운전중인 동기발전기의 원동기 입력이 감소하여 발전기 무부하 운전에 필요한 값 이하가 되면 발전기는 계통으로부터 전력을 받아 동기전동기로서 운전된다. 이 경우 증기 터빈 발전기에서는 풍손에 의한 열이 축척되어 터빈이 과열되고, 디젤엔진 발전기에서는 불완전 연소된 연료에 인화되거나, 폭발할 우려가 있는 등 원동기의 종류에 따라 각각의 바람직하지 못한 현상이 나타나므로 모터링에 대한 보호장치가 적용된다. 보호장치로는 유효전력으로 동작하는 방향성 전력계전기가 사용되며 동작시간 특성은 발전기의 계통병입시 또는 계통동요에 의한 순간적인 역전력 현상에 동작치 않도록 충분한 지연동작을 시킨다.

2-13 계자상실보호(界磁喪失保護,

Loss of Field  Protection)

동기발전기의 계자가 상실되면 동기속도를 벗어나 유도발전기로 운전되며 이때 유기되는 회전자 전류를 흘려줄 제동권선이 없는 증기 터빈 발전기에서는 회전자 끝부분이 급속히 과열된다. 수력기에는 대부분 제동권선(damper winding)이 있으므로 이와 같은 과열은 일어나지 않으나 발전기의 종류에 관계없이 전기자전류는 정격의 2∼4배까지 증가하여 전기자가 과열되고, 무효전력을 계통으로부터 취하게 되므로 계통전압이 떨어지고 계통동요가 생긴다. 보호방식은 계자상실시 발전기 단자에서 본 임피던스 궤적의 변화를 이용하여 off set mho형 거리계전기로서 검출한다. [그림(2)참조] 한편, 동기전동기 에서는 동기탈조 보호장치가 없이 무부하 상태로 기동되는 전동기와 자동전압조정기(AVR)가 없는 경우에 계자회로에 직렬로 저전류계전기(under current relay)를 사용하기도 한다.

【그림 2】 계자상실계전기의 특성

2-14 동기탈조 보호(同期脫調保護,

Out of Step Protection)

동기탈조 보호는 송전선 보호 또는 동기기 보호에 적용된다. 송전계통에서 동기탈조가 발생하여 어느 선로의 양단 전압 위상차가 180도가 되면 계통의 전압, 전류는 전기적 중성점에서 3상 단락사고가 발생한 경우와 같게 되므로 그 점을 동작범위로 하는 송전선 보호계전기가 오동작할 수 있다. 따라서 동기탈조시에는 거리계전기에 의한 차단을 저지하는 방식을 채용하고 있으며, 우리 계통에서는 일반적으로 송전선 주보호와 Zone-1,2 차단을 저지시키고 최종 후비보호인 Zone-3의 차단은 허용한다. 동기탈조 검출방법은 그림(3)에서와 같이 계전기가 보는 임피던스 궤적이 동기탈조시에는 서서히 이동되지만 고장시에는 순간적으로 이동되는 것을 이용하고 있다.

【그림 3】 동기탈조 보호방식(Trip 저지)

고장시에는 OS 및 M에는 동시에 동작하여 차단되나, 탈조시에는 OS요소가 동작한 후 M요소가 동작할 때까지 약간의 시간이 소요되기 때문에(4∼5 cycle) 그 사이에 Trip 회로는 개방된다. 한편 우리 345kV 송전선 보호에는 블라인더(Blinder)형의 계전기를 추가하여 회복 불가능한 동기탈조시에 차단지령을 내리는 방식도 함께 쓰고 있다. 동기기에서 보면, 부하상태로 기동되는 동기전동기의 경우 동기탈조보호가 반드시 필요하지만 동기발전기는 계자상실이 되지 않는 한 동기탈조의 가능성은 희박하며, 발전소간의 동기탈조는 송전선 보호에 포함된 탈조 보호장치로 검출이 가능하기 때문에 일반적으로 발전기에는 계자상실 계전기 이외에 별도의 동기탈조계전기는 생략되어 왔다. 그러나, 최근 전력계통의 대형화에 따라 선로 임피던스가 감소하는 반면 발전기의 임피던스는 증가하는 추세에 있어 동기탈조시 전기적 중성점이 발전기에 근접되는 경우가 나타나므로 동기발전기에 동기탈조보호를 적용하는 경우도 있으며 계전기의 특성은 블라인더형의 거리계전기가 주로 사용된다.

2-15 저주파수 보호(低周波數保護,

Under Frequency Protection)

저주파수 보호는 대략 아래의 두가지 경우에 적용된다.

가. 계통주파수 저하시 부하차단용 : 발전력 탈락등으로 계통주파수가 저하되면 증기터빈 발전기의 터빈이 진동으로 손상을 받게 되고, 계통에 운전중인 모든 회전기의 속도가 떨어지는 등 계통이 불안정하게 되며 심한 경우에는 계통이 붕괴될 수도 있다. 이에 대비하여 계통주파수 저하시에는 미리 정해진 몇 단계의 주파수에서 각각 일정량의 부하를 차단하므로써 계통의 발전력 부족을 상쇄시켜 계통주파수를 회복시키는 방법이 적용된다.

나. 발전기 보호용 : 앞에 설명한 바와 같이 계통주파수가 저하하여 증기 터빈 발전기의 공진속도에 접근하면 터빈 날개 (특히 저압터빈의 최종단 날개)는 심한 진동으로 손상되며 발전소 소내 보조기기의 속도가 떨어져 정상운전이 곤란하게 된다. 따라서 발전기 보호용 저주파수계전기(under frequency relay UFR)를 설치하여 발전기를 정지시키는 방식도 적용된다. 발전기 보호용 UFR동작으로 발전기가 정지되면 계통 주파수는 더욱 저하되므로 이 용도의 UFR 정정시에는 그 발전기의 저주파수 운전한계(off frequ- ency limit)외에 계통의 부하 차단용 UFR 정정치와 협조되도록 검토해야 한다.

2-16 과속도 보호(過速度保護,

Overspeed Protection)

과속도 보호는 원동기로 구동되는 모든 발전기에 적용된다. 발전기에는 조속기(governor)가 있어 평상시 속도를 제어하고 정격출력 운전중 부하가 갑자기 탈락되어도 속도가 위험치에 이르지 않도록 설계되어 있으나 과속도에 대한 추가 보호로써 과속도 보호장치가 사용된다. 과속도 검출 방법으로는 원심 스위치를 이용하는 기계적인 방법과 속도에 비례하는 전압을 발생시키는 tacho- meter dynamo를 발전기 축에 설치하고 여기에 과전압계전기를 접속하거나 overfrequency relay로서 과속도를 검출하는 전기적인 방법이 있다. 과속도 보호장치는 전부하 탈락속도 보다 3∼5% 높게 정정하는 것이 일반적이며 turbo generator는 정격속도의 110% 정도가 된다.

2-17 결상보호(缺相保護)

교류3상 전력계통에서 1상이 결상되면 불평형전류가 흐르거나 단상전력이 공급되므로써 전력계통에 큰 피해를 줄 수 있다. 따라서 각 설비별로 아래와 같은 보호방식이 적용된다.

가. 차단기 : 차단기의 보조접점을 이용하여 3극이 동시에 투입 또는 개방되지 않을 경우를 검출하여 차단기를 trip시킨다.

나. 1차측 퓨즈로 보호되는 주변압기 : 1상의 fuse만이 용단될 경우에 대비하여 역상 과전류계전기를 설치하고 이 계전기가 동작하면 주변압기 2차측의 차단기로서 3상을 모두 차단시킨다.

다. 전동기 : connector failure 또는 fuse failure등으로 1상만 개방될 수 있는 대용량 motor 또는 소용량 motor group을 공급하는 feeder에 적용된다. 검출 방법으로는 Ia와 Ib, Ib와 Ic가 각각 반대방향의 torque를 발생시키는 2개의 요소를 두어 결상에 의한 전류 불평형시 동작토록 하는 방법과 역상과전류 계전기를 사용하는 방법이 있다.

라. 발전기 : 발전기에는 별도의 결상 보호장치를 사용치는 않으나 역상과전류계전기로서 결상에 대하여 보호가 가능하다.

2-18 역상보호(逆相保護, Negative

Phase Sequence Protection)

역상보호는 결상, 부하 불평형, 상회전 방향의 반전 등의 원인으로 3상 계통에 역상분 전류가 흐르게 되는데 대한 보호로서, 적용되는 경우는 대략 아래와 같다.

가. 1차측이 fuse로 보호되는 주변압기 1상의 fuse만이 용단되어 단상공급이 될 경우에 대비하여 역상과전류계전기를 설치하고, 이 계전기가 동작하면 주변압기 2차측 차단기로써 3상을 모두 차단시킨다.

나. motor보호 전원의 상회전방향이 바뀔 우려가 있고 따라서 motor가 역회전하면 큰 위험이 따르는 경우에는 역상과전압계전기가 사용된다. 이 계전기로부터 전원측에서 차단이 될 경우는 결상검출도 가능하나 motor측에서의 결상에는 역상분전압이 적어서 검출이 곤란하므로 결상에 대한 보호에는 불평형 전류를 이용, 검출하는 방식이 더 좋다(결상보호의 다. 항 참조)

다. 발전기 보호 동기발전기의 전기자전류가 불평형이 되어 역상분이 포함되면 이 전류는 회전자를 계통주파수의 2배의 속도로 끊게 되고 따라서 회전자에는 기전력이 유기되고 이 기전력에 의한 전류가 회전자 철심에 흘러 과열된다. 따라서 발전기의 역상분 전류에 대한 보호에는 역상filter와 역상분 전류에 의한 회전자 과열특성에 맞는 반한시형 과전류계전기 요소로서 구성된 역상과전류계전기가 사용된다.

2-19 과열보호(過熱保護, Overheating

Protection)

전력기기의 온도가 허용치 이상으로 상승하는 경우에 대한 보호로서 검출방법으로는 저항온도 검출기 (R.T.D) 또는 열전대로 온도를 검출하고자 하는 장소에 매설하고 여기에 wheatstone bridge와 방향성 계전기를 접속하는 방법과 과열상태를 검출하고자 하는 회로의 전류를 직접 또는 C.T를 통하여 피보호설비와 가급적 같은 비율로 가열 및 냉각되는 특성의 온도차단기에 가하는 replica type의 보호장치가 있다. 전자의 방법은 주로 대용량 회전기보호에 사용되며 후자는 변압기 보호 및 비교적 소용량 회전기보호에 적용되는데 기기 냉각계통의 고장으로 인한 과열은 검출되지 않는 단점이 있다.

2-20 역류보호(逆流保護, Reverse

Current Protection)

직류전류가 상시와 반대방향으로 흐르는 경우에 대한 보호이다.

2-21 맹점보호(盲點保護, Blind Point

Protection)

완전한 고장제거를 위하여 보호구간은 차단기 bushing CT사용 등으로 차단기의 양쪽에 걸쳐 중첩시키는 것이 이상적이나(그림 4-a 참조) 보호구간 중첩을 위한 CT가 모두 차단기의 한쪽에 위치하게 될 경우(예 차단기와 단독형 CT를 사용할 경우, 그림 4-b,c 참조)는 CT와 차단기 사이의 고장시 완전한 고장제거가 불가능한 보호맹점이 생기며 이에 대한 대책이 필요하게 된다. 맹점보호방식으로는 그림(4-b)에서는 모선보호장치 동작시 feeder 보호용 pilot 계전방식을 단락 또는 평형을 깨뜨리는 방법 등으로 feeder의 상대단 차단기도 동시에 차단시킨다. 그림(4-c)와 같은 구성에서는 고장검출 계전기와 timer를 이용하여 차단기가 trip된 후 일정 시간 고장이 지속되면 모선보호장치 동작시와 같이 관련 차단기를 차단시킨다.

【그림 4】 보호맹점

2-22 보호범위

(保護範圍, Zones of Protection)

보호계전기에 의하여 보호되는 구간을 보호범위라 한다. 보호범위는 사고로 인한 계통 분리구간을 최소로 줄이고, 전력 계통의 일부분이라도 무보호상태로 남지 않도록 인접된 전력설비의 보호범위를 서로 중첩, 적용하는 것이 원칙이다.

2-23 선로가압시 고장검출

(SOFT; Switch On to Fault Trip)

송전선 보호용 거리계전기의 전압 입력으로 선로측 PT를 사용하는 보호계전기는 유지 보수후 접지장치를 제거하지 않거나 고장이 제거되지 않은 상태에서 차단기를 투입하면 3상이 접지된 상태에서는 고장 전압이 거의 0이고 기억 작용이 되지 않으므로 거리계전기는 동작할 수 없다. 이 경우에 계전기 고장 검출이 가능하도록 하는 것이 SOFT기능이다. 통상 차단기 투입후 일정시간(약 500ms 정도)까지 기능이 동작하며 이 목적을 위해 CB 보조계전기 접점 신호가 사용된다.

2-24 Stub protection

거리계전기의 전압 입력으로 선로측 PT를 사용한 경우에 사용되는 보호방법이다. 선로용 DS가 열리고 차단기 CB1, CB2가 닫힌 상태에서는 선로 전압은 0이며 거리계전기는 동작할수 없다. 따라서 이 맹점구간 보호를 위하여 선로 조건(선로용 CB 투입 및 DS 개방)이 만족되고 과전류 계전기로써 차단기를 차단시키는 방식이다.

2-25 VT 이상검출

(VT Failure Detection)

VT(voltage transformer)회로의 불량(단락, 지락 등)이 발생될 경우 거리계전기는 동작하게 된다. 그러므로 VT (voltage transformer) 불량이 발생될 경우 거리계전기 동작을 저지시켜야 한다. 제작사별로 여러 종류의 검출 방법이 사용되고 있으나 일반적으로 VT이상시에는 영상전압이 발생되고 영상전류는 발생되지 않는 원리를 이용하여 VT의 이상을 검출하고 있다.