전기 전문 블로그 "전기만 33년"입니다. 이번 포스팅에서는 계통보호에서 아주 중요한 개념인 선택성 (Selectivity)에 대해서 다루어 보겠습니다. 이 선택성이 보장되지 않으면 불필요한 차단기가 트립 되어 정전 부위가 확대되고 피해가 커지게 됩니다. 이 포스팅을 통해서 선택성에 대한 확실한 이해를 얻으시길 바랍니다.
적절한 선택성 확보의 핵심
전력계통에 대한 선택성 연구는 대개 계전기 보호 기술자들인 고급 기술자들의 진보된 직업으로 여겨집니다. 이 글에서는 몇 가지 중요한 선택성 원리들을 간단한 방법으로 접근하려고 노력할 것입니다. 보호장치들이 전력계통 구조와 그 접지 시스템과 연관되어 논리적 체계를 구성한다는 것을 충분히 이해하는 것이 중요합니다.
보호 장치는 사고가 난 파트와 사고의 영향을 받는 네트워크의 부분을 가능한 한 빨리 격리하고 네트워크의 다른 모든 영향을 받지 않는 부분은 활성화된 상태로 유지하는 선택성 원칙을 기반으로 하는 전력 시스템의 두뇌입니다.
전기 네트워크 보호에서 적절한 선택성을 보장하는 다양한 방법이 있습니다:
1. Time-graded selectivity (시간 등급 선택성)
시간 등급 선택성은 네트워크 전체에 분산되어 있는 과전류 보호 장치에 대해 서로 다른 시간 지연을 설정하는 것으로 구성됩니다. 보호가 소스에 가까울수록 시간 지연이 길어집니다. 그림 1을 참조하십시오.
따라서 그림 1에서 표시된 고장은 모든 보호 장치(A, B, C 및 D)에 의해 감지됩니다. D에 있는 시간 지연 보호 장치는 B에 설치된 보호 장치보다 더 빨리 반응하는 C에 설치된 보호 장치보다 접점을 더 빨리 닫습니다.
회로 차단기 D가 트립 되어 고장 전류가 제거되면 전류가 더 이상 통과하지 않는 보호 장치 A, B, C가 대기 위치로 돌아갑니다.
보호장치는 전류가 미리 정의된 정정값 이상으로 상승하면 동작됩니다. 그러므로 임계 정정치는 일관성이 있어야 합니다. 두개의 연속되는 보호장치들 간의 동작 시간에서의 차이는 선택성을 위한 간격입니다.
이 시간 간격은 다음을 고려한 것입니다.
- 차단기의 차단 시간 tc
- 시간 지연 오차 δt
- 상위 보호 장치의 기억 시간 tm
- 안전 마진
그러므로 Δt는 이 수식을 만족해야 합니다.
Δt >= tc + tm + 2δt + margin
SWGR와 보호 장치의 현재의 성능을 고려하여 Δt는 0.3초로 설정됩니다. (상세한 검증 후엔 이 시간은 0.25초로 설정할 수도 있습니다.)
예를 들어 고압 회로 차단기와 관련된 보호 릴레이의 독립적인 시간 위상 과전류 보호 장치의 경우(그림 2 참조):
이 선택성은 두가지 이점이 있습니다.
- 스스로 백업을 제공합니다. 만약 보호장치 D가 고장 나면 보호장치 C가 보호를 제공합니다. (건전 파트를 함께 제거함)
- 단순합니다.
그러나 많은 수의 연속된 계전기가 있는 경우에는 고장 차단 시간이 제한적이어서 설비의 단락전류 내력과 상충되거나 가장 먼 상위 보호 장치가 가장 긴 시간 지연을 가지게 되어 전력 공급사의 요구 조건을 맞추지 못하게 됩니다. 그러면 가장 큰 고장 전류가 가능 긴 시간 지연 후에 차단되게 됩니다.
1.1 독립 시간 과전류 보호로 시간 등급 선택성 구현 (Time-graded Selectivity with independent time overcurrent protection)
보호 시간 지연은 일정하며 전류와 무관합니다. 보호 트립 곡선은 Fig. 3에 나타나 있습니다.
1.2 반한시 과전류 보호로 시간 등급 선택성 구현 (Time-graded Selectivity with inverse time overcurrent protection)
전류가 클수록 시간 지연이 짧아집니다. 보호 트립 곡선은 그림 4에 나와 있습니다.
전류 임계값을 정격전류 In에 가까운 값으로 설정하면 과부하에 대한 보호와 단락에 대한 보호가 모두 보장됩니다. 예를 들어 다음과 같은 값을 취합니다:
2. 논리적 선택성 (Logic Selectivity)
우리가 방금 본 것처럼, 시간 등급 선택성에는 몇 가지 약점이 있습니다. 이런 결점 때문에 논리 선택성 시스템이 설계되었습니다. 이 시스템을 사용하면 트립이 발생할 때 완벽한 선택성을 얻을 수 있고, 더욱이 소스에 가장 가까운 곳에 위치한 회로 차단기의 트립 시간 지연이 상당히 줄어듭니다.
방사형 네트워크에서 고장이 발생하면 고장 전류가 소스와 고장 지점 사이에 위치한 회로를 통해 흐릅니다:
- 전류는 고장 지점의 상단 보호 장치를 통해서 흐릅니다.
- 전류는 고장 지점의 하단 보호 장치로는 흐르지 않습니다.
- 고장 지점의 직 상단 보호 장치가 동작되어야 합니다.
각 회로 차단기는 논리 대기 명령을 주고받을 수 있는 보호 장치와 연결되어 있습니다. 보호 장치에 고장 전류가 흐를 때 다음과 같습니다:
- 상단 보호 장치에 로직 대기 명령을 보냅니다.
- 만약 다른 보호 장치로부터 로직 대기 명령을 받지 못했다면 연관된 차단기를 트립 시킵니다.
A점에서 고장이 발생했을 때의 동작
고장 전류는 보호 장치 1,2,3,4를 통해서 흐릅니다.
보호 장치 1번은 상단 2번 보호 장치에 로직 대기 명령을 보내고 연관된 차단기를 트립 시킵니다.
보호 장치 2번은 상단 3번 보호 장치에 로직 대기 명령을 보내고 보호 장치 1번으로부터 로직 대기 명령을 수신하고 연관된 차단기 CB2로 보내는 트립 명령을 봉쇄합니다.
보호 장치 3번은 상단 4번 보호 장치에 로직 대기 명령을 보내고 보호 장치 2번으로부터 로직 대기 명령을 수신하고 연관된 차단기 CB3로 보내는 트립 명령을 봉쇄합니다.
보호 장치 4번은 보호 장치 3번으로부터 로직 대기 명령을 수신하고 연관된 차단기 CB4로 보내는 트립 명령을 봉쇄합니다.
차단기 CB1은 시간 간격 tCB1 = t1 + tc, CB1의 끝에서 A 지점에서의 고장을 해소합니다.
B점에서 고장이 발생했을 때의 동작
고장 전류는 보호 장치 2,3,4를 통해서 흐릅니다.
보호 장치 2번과 3번은 상단으로 로직 대기 명령을 보냅니다.
단지 보호 장치 2번만이 로직 대기 명령을 받지 않으며 연관된 차단기를 트립 시킵니다.
차단기 CB2은 시간 간격 tCB2 = t2 + tc, CB2의 끝에서 B 지점에서의 고장을 해소합니다.
보호 장치의 시간 지연 t1, t2, t3, t4는 선택성에 포함되지 않으며 단지 보호를 제공하기 위해 사용된 시간입니다. 이 세팅은 로직 대기 명령을 주고받는 시간이 허용하는 한 짧게 할 수 있습니다. 즉 장치에 따라 01에서 0.2초 가 소요됩니다.
로직 선택성 시스템을 사용하면 고장 제거 시간을 줄일 수 있고 스테이지 수에 무관합니다. 부하 근처보다 소스에서 더 짧은 시간 지연을 설정하여 시간 지연이 짧은 업스트림 보호와 시간 지연이 긴 다운스트림 보호 사이에서 선택성을 얻을 수 있습니다.
주) 안전을 확신하기 위해서, 로직 대기 시간은 제한되는데, 상단 보호 장치가 고장 난 하단 보호 장치의 백업으로 동작하는 것을 허용하기 위해서입니다.
혼합된 선택성의 동작
로직 선택성은 각 스위치보드의 들어오는 피더와 나가는 피더 사이에 설정됩니다. 로직 링크 와이어는 차단기 또는 릴레이를 동일한 스위치보드 내에 연결하기 때문에 비용이 적게 듭니다. 따라서 서로 다른 스위치보드 사이에는 시간 등급 선택성이 설정해서 스위치보드 간의 긴 로직 링크는 고려하지 않습니다.
로직 대기 시간은 대기 명령을 주는 보호 장치의 시간 지연 이후로 200ms 까지로 제한됩니다. 이것은 상단 보호 장치가 고장 난 하단 보호 장치의 백업으로 동작하는 것을 허용해야 하기 때문입니다.
①에서의 고장시 동작
F, D, B 보호장치는 각각 0.1초로 시간이 지연될 수 있는 논리 대기 명령을 보호장치 E, C, A에 보냅니다. 차단기 F는 0.1초의 시간 지연 후 트립 됩니다. 차단기 D와 B의 트립 되지 않는 것은 시간 등급 선택성에 의해 보장됩니다. tD = tF + 0.3s, tB = tD + 0.3s
F의 보호 또는 관련 회로 차단기의 장애가 발생한 경우, 논리 대기 시간 즉 0.1 + 0.2 = 0.3초 이후에 E의 보호가 활성화됩니다. D에서 0.4초의 시간 지연 보호도 활성화됩니다(D의 시간 지연이 증가하지 않는 한 F에서 장애가 발생한 경우 E와 D 사이에 선택성이 없습니다).
3. 방향성 선택성 (Directional Selectivity)
양단이 고장을 공급하는 그물망식 네트워크에서 고장의 위치를 파악하고 이를 제거하기 위해서는 고장전류의 흐름 방향에 민감한 보호장치가 사용되어야 하는데, 이를 위해서는 방향성 과전류 보호장치가 사용됩니다.
우리는 두 개의 들어오는 피더가 있는 네트워크에서 상간 고장의 방향 선택성의 예를 보여줄 것입니다. 그림 7을 참조하십시오.
차단기 CB3 및 CB4에는 위상 과전류 보호 장치가 장착된 반면에 차단기 CB1 및 CB2에는 방향성 과전류 보호 장치가 장착되었습니다.
A 지점에서의 고장
- 단락전류 Isc1 과 Isc2는 동시에 발생합니다.
- CB2에서 방향성 보호는 동작하지 않는데 이는 그것의 보호 감지에 반대되는 방향으로 순환 전류가 흐르기 때문입니다.
- CB1에서 방향성 보호가 동작하는데 이는 그것의 보호 감지와 같은 방향으로 순환 전류가 흐르기 때문입니다. 그래서 CB1은 트립 되고 전류 Isc2는 차단됩니다. 교차 트립 시스템이 작동해서 CB3도 오픈되고 Isc1도 차단됩니다.
- CB4에서의 보호는 더 이상 활성화되지 않습니다.
CB1에서의 방향성 보호와 CB4에서의 보호 사이에는 시간 등급이 있습니다. 비슷하게 CB2에서의 방향성 보호와 CB3에서의 보호 사이에도 시간 등급이 있습니다.
4. 비율 차동 보호에 의한 선택성 (Selectivity by Differential Protection)
이 형식의 보호는 감시되는 네트워크의 양단에서의 전류를 비교합니다. (그림 8 참조) 이러한 전류 간의 차이는 고장이 있음을 나타냅니다. 보호는 모니터링된 영역 내의 고장에만 반응하고 외부 고장에는 둔감합니다. 따라서 자체적으로 선택적입니다.
보호되는 장비는 다음과 같습니다.
- 전동기
- 발전기
- 버스
- 케이블 혹은 라인
- 변압기
다음과 같은 특성을 가집니다.
- 정상 전류보다 낮은 고장 전류를 감지할 수 있습니다.
- 시간 지연이 제로는 아니지만 아주 작을 수 있는데 이는 선택성이 시간 지연과 관계없이 감지에 기초하기 때문입니다.
참고 자료: https://electrical-engineering-portal.com/proper-selectivity-mv-hv-electrical-network-protection
Selectivity study of a power system is usually considered as an advanced job for advanced engineers, mostly relay protection engineers
electrical-engineering-portal.com
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