충격압력계전기(96P)
여기서 말하는 변압기란 전력계통에서 연계되어 운전하고 있는 대용량 전력용 변압기를 일컫습니다.
변압기의 보호 방식에는 크게 기계적 보호와 전기적 보호로 나뉘며, 기계적 보호장치는 765kV, 345kV, 154kV 변압기 모두 비슷한 구조이기 때문에 154kV 변압기에 중점을 두고 살펴보겠습니다.
변압기에서 사용되고 있는 기계적 보호장치는 기구 번호로는 96으로 쓰고 뒤에 문자를 추가하여 각 장치들에 명칭을 부여하고 있습니다.
⊙ 96P : 충격압력계전기
⊙ 96D : 방압변
⊙ 96G : 가스검출계전기
⊙ 96B : 부흐홀쯔계전기
⊙ 96T : OLTC보호계전기
변압기를 기계적으로 보호하겠다는 것은 변압기 고장이 발생했을 때 물리적인 변화를 감지하여 고장으로부터 보호하겠다는 것이 기본 컨셉입니다. 그럼 변압기에 고장이 발생했을 때 변압기에 생길 수 있는 물리적인 변화가 무엇이 있을까요?
변압기 내부 고장으로 인해 큰 고장전류가 유입되면 옴의 법칙으로 인한 열손실로 인해 권선의 온도도 높아지게 됩니다. 급격한 온도 상승으로 인해 절연유의 팽창으로 변압기 내부 압력의 상승과 내부 고장 시 발생한 아크(Arc)로 인해 절연유에 화학반응이 발생하면서 기체도 발생하는 현상이 일어납니다. 이런 순간적인 압력 상승과 발생하는 기체(가스)를 감지하여 변압기를 보호하겠다는 것이 기계적 보호장치들의 1차적인 목적이 되겠습니다.
◎ 96P, 충격압력계전기
IEEE(보통 I Triple E라고 읽더라고요. 참고로 알아두세요^^) PSRC의 Sudden Pressure Protection for Transformers의 제목으로 작성된 문서입니다. Microsoft Word - K6_SPR_Final.docx (pes-psrc.org)
위의 문서에서는 충격압력계전기는 두 가지 타입이 있다고 언급을 하고 있습니다.
[1] One method is where the sudden pressure sensing relay is located on the top of the transformer such that the sensing connection is located in the gas space of a pressurized transformer.
▶ 한 가지 방법은 충격압력계전기가 변압기 상단에 위치하여 센서 연결부가 변압기의 가스 공간 쪽에 위치하고 있다는 것입니다.
즉, 변압기 상부 측에 있는데 변압기 내부 고장으로 가스 발생 시 가스 발생으로 인한 압력을 감지하여 동작할 수 있도록 설치되는 가스형 타입이라고 보시면 될 것 같습니다.
[2] A second method is where the sudden pressure sensing relay is located on the side of the transformer below the minimum level of the oil in the tank.
▶ 두 번째 방법은 충격압력계전기가 변압기 측면에 있는데 탱크(변압기 몸체) 안에 있는 절연유의 최소 레벨 아래에 위치한다는 것입니다.
여기서 절연유의 최소 레벨이라는 것이 조금 의아한데요. 절연유의 팽창에 의한 압력을 감지하기 때문에 아마 평소 탱크 안에 채워져 있는 절연유의 높이가 최소 레벨이라 보고, 그 아래에 설치된다는 의미인 것 같습니다.
작성된 문서 내에서는 Gas Type과 Oil Type의 기능적 원리는 비슷하다고 언급하고 있으며 가스에 의한 압력, 절연유에 의한 압력 어떤 것을 이용하는지에 따라 나뉜다고 볼 수 있을 것 같습니다.
◎ 충격압력계전기 구조도
※사진출처(왼쪽) : QUALITROL 910-006-01 SUDDEN PRESSURE RELAY TRANSFORMER 91000601 | eBay
※사진출처(오른쪽) : Microsoft Word - K6_SPR_Final.docx (pes-psrc.org)
열심히 찾아보아도 충격압력계전기의 구동에 대한 영상이 없어 글로 밖에 설명을 드리지 못하는 점 대단히 죄송합니다..ㅜㅠ 하지만 이해하시는 데에는 도움이 될 수 있도록 최선을 다해보겠습니다.
1. 순간적인 압력 상승으로 충격압력계전기가 동작을 했다면 이 정보는 어떻게 전달할까?
순간적으로 압력이 증가하면 계전기 내에 설계된 구동 메커니즘에 의해 축이 움직이면서 뭔가를 건드리게 됩니다. 그 뭔가가 이제 바로 왼쪽에 빨간 원으로 표시한 부분의 ①Electrical Switch가 되겠습니다.
Electrical Switch가 붙게 되면 흔히 제어 시퀀스 도면에서 볼 수 있는 a접점(평소에는 떨어져 있지만 동작하면 붙는 접점)이 붙게 되면서 도통 회로가 구성이 됩니다. 해당 접점은 ⑪CONNECTOR라는 곳에서 케이블로 연결되어 최종적으로는 변압기를 보호하기 위해 설치되는 보호배전반까지 연결이 됩니다.
2. 평소 운전 중인 상태의 미세한 압력 변화에서는 왜 계전기가 동작하지 않을까?
충격압력계전기는 굉장히 민감한 계전기로 알려져 있습니다. 상당히 민감하여 신뢰도도 상당히 높은 것으로 정평이 나있는데요. 변압기를 운전하다 보면 변압기에 걸리는 부하(Load)에 따라 변압기 온도도 달라지고 절연유의 상태도 조금씩 다를 것입니다. 그렇다면 분명 압력의 변화가 있을 테지만 충격압력계전기가 동작할 수 있는 최소치를 넘지 않기 때문에 분명 동작하지 않을 텐데요. 그 부분은 해당 계전기에서 어떻게 감지하는지에 대해서 한 번 살펴보겠습니다.
더 좋은 내용이 있는 사이트가 있어 해당 사이트에 등록되어 있는 내용을 해석하여 보았습니다.
Maitenance of transformer (slideshare.net)
Maitenance of transformer
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www.slideshare.net
[1] Modern sudden pressure relays consist of three bellows with silicone sealed inside.
▶ 요즘 사용되는 충격압력계전기는 실리콘으로 처리된 3개의 벨로우즈가 내부에 구성이 되어 있습니다.
벨로우즈는 네이버 사전에 따르면 '압력계 등의 1차 변환소자로서 사용되는 주름 통 모양의 탄성소자로. 내 · 외압에 의해 축방향으로 신축하는 것을 이용하여 압력-변위 변환을 한다.'라고 정의되어 있는데 그냥 압력에 따라서 줄었다가 늘었다가 하는 정도로 이해하면 될 것 같습니다.
[2] Changes in pressure in the transformer deflect the main sensing bellows.
▶ 변압기 내부의 압력 변화 감지는 ⑨번 sensing bellows가 담당한다고 하네요.
[3] Silicone inside acts on two control bellows arranged like a balance beam, one on each side. One bellows senses pressure changes through a small orifice. The opening is automatically changed by a bimetallic strip to adjust for normal temperature changes of the oil. The orifice delays pressure changes in this bellows. The other bellows responds to immediate pressure changes and is affected much more quickly. Pressure difference tilts the balance beam and activates the switch. This type relay automaically resets when the two bellows again reach pressure equillibrium. If this relay operates, do not re-energize the transformer until you have determined the exact cause and corrected the problem.
▶ 다소 장황한 글인데요... 결론은 ④번과 ⑫번 벨로우즈가 있는데 압력의 변화로 두 벨로우즈의 균형이 깨지면서 구동 메커니즘에 의해 ①Electrical Switch가 붙으면서 충격압력계전기가 동작한다고 합니다.
일단 ④번과 ⑫번 벨로우즈에 전달되는 힘에 대해서 먼저 알아봐야 될 것 같은데요. ⑨번 sensing bellows가 급격한 압력 변화로 압축하게 되면 그 압축력에 비례하는 실리콘유가 ④,⑫번이 있는 control bellows 쪽으로 흐르게 됩니다. 이 흐름의 세기에 따라 벨로우즈가 확장이 되면서 구동력을 가지게 되는 것인데요.
조금 더 자세히 들여다보면 ④번 벨로우즈의 경우 ⑤오리피스(orifice : 유체를 분출시키는 기구)라는 녀석을 통해 압력 변화를 감지하고 움직이게 되는데, 오리피스는 평상시에는 절연유의 온도 변화에 따라 휘어지는 바이메탈(bimetal : 열팽창 계수가 서로 다른 2개의 얇은 금속판을 포개어 1장으로 만든 부품) 강판에 의해서 자동으로 분사구가 조절되나 봅니다.
반면에 ⑫번 벨로우즈의 경우 급격한 압력 변화에 매우 빠르게 동작하게 되는데, 평소 운전하면서 발생하는 미세한 온도, 압력 변화에는 두 벨로우즈가 균형을 맞추고 있어 ①Electrical Switch를 붙일 만큼의 구동력이 없는 상태이다가 급격한 압력 변화가 발생하면 좌측의 ④번 벨로우즈보다 우측의 ⑫번 벨로우즈가 더 빠르고 강한 구동력을 가질 것 같네요.
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