고압 전동기의 보호 시스템 중에서 중요하게 고려되는 비율차동 계전방식과 지락 보호에 대하여 중요한 자료가 있어서 포스팅을 올립니다. EEP의 원본 자료를 번역한 자료입니다. 여러 가지의 비율차동계전방식을 설명하고 있으며 지락보호에 대하여도 상세한 설명이 되어있어 도움이 되는 자료입니다.
본 포스팅은 아래의 EEP 자료를 번역한 것입니다. 원 자료는 아래 링크를 참조 바랍니다.
https://electrical-engineering-portal.com/medium-voltage-motor-fault-protection
고압 전동기의 보호에 대한 전반적인 내용을 다루고 있습니다. 그중에서 먼저 Differential protection (차동 계전기 보호)와 Ground overcurrent protection (지락 과전류 계전기 보호)에 대해서 다룹니다. 다른 과전류 보호나 기타 전동기의 다른 보호 시스템에 대해서는 추후 따로 다루도록 하겠습니다. 참조한 EEP의 자료에 언급된 내용을 위주로 하기 때문에 전동기 보호 모두를 다루지는 않을 예정입니다. 참조 바랍니다.
Similar to LV motors, but different (저압 전동기와 유사하지만 다른 보호방식)
원칙적으로 고압 전동기의 보호는 저압 전동기와 유사하지만 요구 사항이 더 까다롭습니다. 고압 전동기는 유틸리티 소스에 가까울수록 더 높은 고장 전류 및 서지, 재폐로 및 순간 전압 강하에 더 취약합니다.
버스 전압 및 부하 전류가 높기 때문에 보호 계전기를 연결하기 위하여 계기용 변성기를 이용하여 전압/전류를 낮추어야 합니다. 가장 일반적인 계기용 변성기의 이차 정격은 전압 변성기(VT)의 경우 110V이고 전류 변성기 (CT)의 경우 5A입니다.
차단기(공기, SF6, 진공), 계기 변압기 및 보호 계전기가 MV SWGR (고압배전반)에 장착되어 있습니다.
목 차
1. 전동기 차동 과전류 계전기 (87)
(1) Phase differential overcurrent relay (상 차동 계전기)
(2) Self-balancing differential relay using window CTs (자기 평형 차동 계전기)
2. 분리 권선 전류 불평형 (Split winding current unbalancing) 계전기 (87)
(1) CT와 계전기의 배치
(2) 분리 권선 전류 불평형 보호 방식의 검증
(3) 분리 권선 보호 방식의 적용
3. 지락 보호 (Grounding fault protection)
(1) 순시 지락 보호
(2) 한시 지락 과전류 보호
(3) 지락 보호를 위한 케이블 설치
(4) 잔류 회로 CT 결선과 지락 계전기
(5) 저 저항 접지를 위한 저항기의 선택
MV Motor Fault Protection (고압 전동기 고장 보호)
1. 전동기 차동 과전류 계전기 (87)
전동기 차동 과전류 보호는 부하로 흐르는 전류를 측정하여 그 값을 전동기의 중성 측에서 측정된 전류와 비교합니다. 여기서 전류 차이가 발생하면 고장으로 감지됩니다. 이러한 방식은 기술적으로 모든 전동기 부하에 적용될 수 있지만 보통 전동기 손상 시 조치 비용이 크거나 교체가 어려운 대형 전동기 또는 중요 부하의 전동기에만 적용됩니다. (낮은 전류에서 고장을 감지하면 고장으로 인한 피해가 전동기 권선에 제한될 수 있습니다)
차동 과전류 보호를 적용하기 위한 세 가지 일반적인 권장 사항은 다음과 같습니다:
- 비접지 계통에 사용되는 750kW 이상의 모든 전동기
- 적용된 지락 고장 보호가 충분하지 않다고 여겨지는 접지 계통에 설치된 750kW 이상의 모든 전동기
- 2400V 이상의 보다 작은 전동기
두 가지 방식이 주로 적용되는데 아래의 그림에서 그 차이를 보여주고 있습니다. 일반적인 상 차동 과전류 보호 방식이 있고 다른 하나는 Self-balancing differential protection (자율 균형 차동 보호 방식)입니다.
1.1 Phase differential overcurrent relay (상 차동 과전류 계전기)
상 차동 과전류 계전기는 낮은 수준의 상 고장을 검출하기 위해서 사용되며. 광범위한 손상이 발생하기 전에 전동기 회로를 신속하게 차단합니다.
이 방식은 6개의 동일한 CT를 (상당 한 쌍씩) 사용합니다. CT는 외부 또는 내부 고장 시 지속적으로 최대 부하 전류를 전달할 수 있고 포화되지 않도록 선정되어야 합니다. (그림 2 참조). 정상적인(즉, 무고장) 상태에서는 각 CT 쌍의 전류가 계전기 억제 권선을 통해 순환합니다.
전동기 권선이나 케이블에 고장이 발생하면 CT 2차 전류에서 크기나 극성의 차이가 발생하고 각 차 전류가 더해져서 전동기 차단기를 트립 시키도록 87 계전기를 동작시킵니다.
때때로 델타 결선 전동기에도 적용되지만, 이 방식은 주로 와이 결선 전동기에 적용됩니다. 와이 결선 전동기가 대형 용량에서 델타 결선 전동기보다 훨씬 더 일반적으로 사용됩니다.
와이 결선 전동기를 사용하면 일반적으로 세 개의 CT가 전동기 제어반 (또는 전동기 SWGR)에 설치되고 나머지 세 개는 전동기 권선 중성단 측의 삼상에 설치됩니다. (아래 그림 참조)
1.2 Self-balancing differential using window CTs (자기 평형 차동 계전기)
일반적으로 3개의 윈도우(또는 토로이드) CT가 전동기에 설치됩니다. 상당 1개의 CT에 전동기 라인선과 그 상의 중성 인출 선이 통과되어 두 전류의 자속이 CT 내에서 정상적으로 서로 상쇄되도록 합니다. 권선 상 간 고장 또는 지락 고장은 관련된 상의 CT에서 출력으로 나타납니다. 이 전류는 관련 계전기를 작동시킵니다 (그림 3 참조).
여기에 사용되는 CT 및 계전기는 일반적으로 영상 순시 지락 과전류 보호에서 사용되는 CT 및 계전기와 동일합니다(계전기가 0.25A에서 1.0A 사이로 설정된 경우).
따라서 이 차동 방식은 일반적인 방식의 차동 보호보다 CT 비가 더 크기 때문에 보통 일반적인 차동 보호용 CT에 비해서 1차 검출 전류가 더 낮습니다.
이 차동 방식은 접지 고장을 감지하는 방식에 있어서 그림 2에 비해 약간 유리합니다. 접지 계통에 설치된 전동기의 경우 대부분의 고장이 접지 고장으로 시작하기 때문에 이 차이가 의미가 있습니다. 전동기 고장 보호의 일반적인 목적은 고정자 철심이 크게 손상되기 전에 고장을 제거하는 것입니다.
이 방식을 적용할 때 하나의 문제점이 있습니다. 그것은 고장 전류가 아주 크고 차동 계전기가 한류 퓨즈가 동작하기 전에 기동기를 보호하기 위해서 차단기 트립 신호를 보내는 경우에 발생합니다. (낮은 정격의 전자접촉기가 OPEN 되다가 고장 전류가 커서 차단을 못하는 경우가 발생할 수 있음) 이러한 이유로 전동기 기동반이 낮은 고장 차단 정격을 가지고 있을 때 일부 엔지니어는 낮은 수준의 고장과 단락을 구분하기 위해서 계전기의 동작을 지연시키거나 다른 형태의 계전기로 바꾸는 등의 방식으로 동작을 늦추려고 할 것입니다.
일반적으로 이런 현상은 발생하지 않는데 이는 계전기를 통한 VCS의 동작 시간이 Fuse 동작 시간보다 빠르지 않기 때문입니다. 여기서는 특별히 언급하고 있지만 실제 현장에서 문제가 된 경우는 경험하지 못했습니다. 참조 바랍니다.
CT가 전동기 단자함 내에 위치한 경우 이 방식은 전동기에 전원을 공급하는 케이블의 고장을 감지하지 못합니다. 이러한 케이블의 고장은 일반적으로 과전류 보호에 의해 감지됩니다.
대형 전동기의 경우, 전원 측 과전류 보호와 전동기 과전류 보호를 보호 협조 시키는데 종종 문제가 발생합니다. 전동기 차동 보호를 하게 되면 이러한 보호 협조하지 않아도 보호에 문제가 없습니다. 이와 관련하여, 일반적인 차동 보호 방식이 전동기 케이블을 보호 범위에 포함시키기 때문에 Self-balancing differential protection (자기 평형 차동 보호) 방식 보다 더 좋습니다. 즉 전동기의 과전류 보호를 할 필요가 없어집니다.
따라서 전동기 차동 보호와 전원 측 과전류 계전기 간의 보호 협조가 완벽하게 되어집니다.
시운전 중에 영상 지락 과전류 보호를 시험할 때, 전체 CT와 계전기의 조합에 대해 시험하는 것은 매우 중요합니다. 테스트 도체의 전류는 각 CT를 관통해야 합니다. 일반적으로 계전기는 전류를 전달하지 않기 때문에 이 전체 테스트를 통해 CT 2차에서나 또는 계전기까지의 배선에서 단선이나 개방 회로를 발견할 수 있습니다.
2. Split winding current unbalance (87) (분할 권선 전류 불평형)
분할 권선 전류 불평형 계전기의 목적은 작은 고장 전류를 빨리 검출하는 것입니다. 이 보호는 또한 순간적인 상 과전류 및 지락 고장 과전류 보호에 대한 백업 역할을 합니다.
이 보호는 일반적으로 상당 병렬로 2개(또는 3개)의 권선 경로를 갖는 전동기에만 적용됩니다(그림 4 참조).
2.1 CT와 계전기의 배치
일반적인 용도는 상당 병렬로 두 개의 권선을 가진 전동기에 적용하는 것입니다. 전동기의 6개 라인 리드(즉, 상당 2개) 각각에 하나의 CT를 연결합니다. CT의 1차 전류 정격은 최대 부하 전류를 전달하도록 선택해야 합니다.
CT는 일반적으로 전동기 단자함에 설치할 수 있으며 이것이 더 편리하다고 볼 수 있습니다. 그러나 6개의 리드를 모두 전동기 기동반에 연결하는 경우에는 CT를 전동기 기동반에 설치해야 합니다.
동일한 상에 연결된 각 CT 쌍의 전류가 서로 상쇄되고, 그 차 전류는 반한시 과전류 계전기 (Short-time Inverse Time Overcurrent Relay)에 공급됩니다. 이러한 계전기 3개가 필요하며(즉, 상당 1개), 각각은 1.0 타임 다이얼 및 0.5A와 2.5 A 사이에서 설정됩니다.
계전기는 어떤 전동기 부하 조건에서도 두 병렬 권선 사이에서 발생할 수 있는 최대 전류 불균형 이상으로 설정되어야 합니다.
2.2 Evaluation of Split winding current unbalance protection (분할 권선 전류 불평형 보호의 평가)
다음의 요소들을 평가 시 고려해야 합니다.
- 전체 비용이 일반적인 차동 보호 방식보다는 일정 부분 작지만 자율 균형 차동 방식에 비하면 클 수 있습니다.
- 이 보호 방식에서 1차 검출 전류는 일반적인 차동 방식의 CT 비의 절반 정도가 되는데 이는 양 방식이 모두 전부하 전류를 검출해야 하기 때문입니다. 반면에 자율 균형 차동 방식은 1차 검출 전류가 작습니다.
- 이 보호 방식은 일반적인 차동 방식에 비해서 약간의 시간 지연이 있습니다.
- CT가 전동기 기동반에 설치되면 이 보호 방식도 일반적인 차동 방식과 동일하게 전동기 케이블에 대한 보호를 할 수 있게 됩니다. 그래서 전원단 과전류 계전기와 보호 협조가 쉽게 됩니다.
- 이 보호 방식이 제공되고 다른 보호가 없는 돌극형에서는 단락 코일을 검출할 수 있는 능력이 있습니다.
단락이 검출되기 전에 몇 개의 코일 단락이 발생해야 하는지는 권선의 배치와 검출 감도 및 CT 비등에 좌우됩니다. 이 보호 방식의 가치에 대한 분석이 권선의 형태 별로 수행될 필요가 있습니다. 단락 코일은 지락을 유발하고 이는 분할 권선 전류 불평형 계전 방식이 검출하기 전에 자율 균형 차동 방식에 의해서 검출될 수 있습니다.
6. 이 보호 방식은 상당 4개의 병렬 권선이 있는 전동기에 도 적용될 수 있는데 이때는 두 개의 권선을 하나의 그룹으로 보고 전체 6개의 CT와 3개의 계전기가 있는 방식을 적용하게 됩니다. 분할 권선 전류 불평형 방식은 하나의 CT로 한 쌍의 권선을 커버하고 다른 하나는 전체 부하 전류를 검출하는 방식으로도 효과적으로 사용됩니다.
2.3 Application of split winding protection (분할 권선 보호의 적용)
분할 권선 보호 방식은 거의 적용되지 않습니다. 그러나 3700kW 이상의 전동기에서 상당 두 개나 네 개의 병렬 권선을 가지는 매우 중요한 전동기에 대해 적용될 수 있습니다.
3. Ground falut protection (지락 보호)
접지 고장 보호의 목적은 의도적인 지연 없이 접지 고장 상태를 감지하여 전동기를 보호하고 불평형 전류가 실제 지락 고장을 나타내는지 확인하는 것입니다 (즉, 기본 전류의 비대칭이나 CT 포화도 때문이 아님).
지락 전류 감지 후에는 전압 및 설비 작동 방식에 따라 보호 장치가 전동기 회로를 차단하거나 경보만 울릴 수 있습니다.
3.1 순시 지락 고장 보호
순시 지락 고장 보호를 위해 설계되고 또한 특정 지락 고장 계전기와 함께 검증된 영상(또는 윈도우) CT를 사용하는 것이 좋습니다(그림 5 참조).
고압 전동기에 적용하는 경우 전력 계통은 저항 접지가 적용되고, 50G 계전기가 10A에서 30A 범위의 1차 지락 고장 전류에 대해 작동하도록 설정해야 합니다. 설치 시 전동기에 서지 보호 기능이 있는 경우 적절한 시간 지연이 추가되어야 합니다.
3.2 한시 지락 고장 보호
대부분의 전동기에는 전동기 단자에 서지 보호 기능이 있으며, 서지흡수기(Surge Arrester)를 통한 서지 방전은 순시 계전기의 오작동을 유발할 수 있습니다. 이러한 오작동을 피하기 위해서 그림 5의 50G 위치에 51G를 설치하여야 하며 고장 감지후 몇 초 이내에 트립이 되도록 설정합니다.
3.3 지락 고장 보호를 위한 케이블의 설치
계전기 및 영상 CT를 설치하고 CT를 통과하는 케이블을 설치할 때는 다음 주의 사항을 준수해야 합니다:
1. 케이블이 CT 윈도우를 통과하여 CT 전원 측의 접속단에서 종료되는 경우 접속단은 대지와 절연된 브래킷에 장착되어야 합니다. 그런 다음 접속단은 접지되어야 하는데 이 접지선은 CT 윈도우를 통과하여 접속단에 연결되어야 합니다.
2. 금속 피복 케이블이 CT 윈도우를 통과하는 경우, 금속 피복은 CT의 소스 측에서 접지로부터 절연된 상태를 유지해야 합니다. 금속 피복 단자는 접지 도체를 CT 윈도우에 통과시킨 후 금속 피복 단자에 연결하여 접지될 수 있습니다.
3. 케이블 실드는 접지 도체를 CT 윈도우에 통과시킨 후 그림 6에 따라 실드에 연결하여 접지해야 합니다.
4. 전체 CT와 지락 계전기를 테스트하기 위해서 도체의 전류를 CT 윈도우에 통과시켜 테스트해야 합니다. 정상 상태에서는 계전기에 전류가 흐르지 않기 때문에 이 전체 테스트를 통해 CT 2차 측이나 또는 CT에서 계전기까지의 배선의 단선을 발견할 수 있습니다.
3.4 잔류 회로 방식의 지락 계전기
3개의 CT를 잔류 회로 방식으로 연결하고 이를 계전기에 연결합니다. 이러한 방식은 기동전류나 단락 전류 등의 높은 전류가 동일하지 않은 CT의 포화도에 의해 잘못된 잔류 전류를 생성할 수 있기 때문에 이상적이지 않습니다.
지락 계전기로 인해 불필요한 트립이 발생하고 이로 인해 생산이나 공정이 위태롭게 되기 때문에 50N 계전기는 잔류 회로 방식에는 추천되지 않습니다.
이러한 방식에서는 잔류 연결부에 51N을 설치하는 것이 더 적합합니다.
3.5 저 저항 접지 계통에서의 접지 저항 선정
저항 접지의 목적은 계전기가 접지 고장을 감지하여 작동하기에 충분한 전류를 제공하는 것이지만 또한 전동기의 손상을 제한할 수 있고 고장 전류의 크기도 제한할 정도로 충분히 낮은 값이어야 합니다.
예를 들면, 광산에서는 저항기의 목적이 안전을 위해 기기 외함과 대지 간의 전압을 낮추는 것입니다. 그러나 그 값은 변압기 중성점의 끝부분의 권선이 보호되지 않을 정도로 제한되면 안 됩니다.
접지 저항의 선택은 또한 지락 과전류 보호 협조에서 단계의 수를 고려해야 합니다. 이를 기초로 시스템 중성점 접지에 대해 선택된 접지 저항은 일반적으로 지락 고장 전류를 400A에서 2000 A 범위 내로 제한합니다.
그러나 일부 회사는 200A에서 800A로 제한된 중성점 지락 고장 전류를 선호합니다. 이러한 차이는 시스템 보호 협조의 필요성을 강조합니다. 일반적으로 10초 정격의 저항을 선택합니다.
저항 접지 시스템은 직접 접지 시스템에 비하여 많은 장점을 가지고 있습니다. 아크 플래시 위험 감소, 지락 고장으로 인한 기계적 및 열 손상 제한, 과도 과전압 제어 등이 그것입니다. 서비스 연속성을 유지하고 고장의 원인을 찾는 데 도움을 주기 위해 고 저항 접지 시스템이 사용될 수도 있습니다.
접지 시스템에서 접지 저항을 고려하는 경우, 엔지니어는 다음의 여러 사항을 고려해야 합니다. 도체 절연 정격 (Conductor insulating rating), 서지 흡수기 정격(Surge arrester rating), 차단기 단상 의무 정격(Breaker single-pole duty rating), 상과 중성선의 부하를 공급하는 방법(Method of serving of phase-to-neutral loads) 등이 있습니다.
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