안녕하세요! Dr.WG입니다. 이번 글에서는 송전선로보호에서 주보호방식에 대해 살펴보고자 합니다.
각각의 설비를 운영하는 주체자(사업자)가 보호방식을 사업장의 여건에 맞게 자율적으로 구성할 수 있으나 한 국가의 중요 망인 전력계통은 국민들의 생계와 국가 안보 등과도 직결되기 때문에 국가차원에서 최소한 갖춰야 할 가이드라인을 제시할 수 있습니다. 이는 준정부기관인 '한국전력거래소(이하 'KPX')'에서 '산업통상자원부'에서 고시한 법령에 따라 기준을 정하여 제시하고 있고, 이에 따라 전력설비들의 보호방식이 어느 정도 통일된 방법으로 구성된다고 볼 수 있습니다.
이번 글에서는 KPX에서 게시한 "보호방식 적용방안"과 "보호장치 운영기준"근거하여 (전력거래소가 운영하는 송전망은 154kV 이상급) 송전선로 보호방식에 대해 살펴보고자 합니다.
※ 기준에 대한 문서는 아래의 KPX사이트에서 다운로드하여보실 수 있습니다.
보호방식 적용방안(20.10.27. 개정) | 기타 | 전력시장운영규칙 및 세부규정 | 열린경영 : 전력거래소 (kpx.or.kr)
보호장치 운영기준(20.10.27. 개정) | 기타 | 전력시장운영규칙 및 세부규정 | 열린경영 : 전력거래소 (kpx.or.kr)
◎ 송전선로 보호방식
"보호방식 적용방안"의 내용에 따르면 다음과 같습니다.
○ 765kV 계통의 중요도를 고려하여 보호장치는 2계열로 구성하고, 각 계열별로 주보호 및 후비보호를 각각 구비한다.
○ 345kV 계통은 지역 간 간선 계통으로써 계통의 중요성을 고려하여 주보호는 2계열화 하고, 후비보호는 주보호계전기의 종류, 신뢰도 등에 따라 1계열 또는 2계열로 구성한다.
○ 154kV 계통의 보호장치는 1계열로 구성하고, 주보호와 후비보호를 구비한다.
○ 공통적으로 주보호는 동작속도가 빠르고 보호구간 내에서 발생하는 고장에 대해서 순시 차단하도록 신뢰성이 높은 Pilot 계전방식으로 한다. 후비보호는 주보호계전기 기능정지 또는 동작실패에 대비하고 인근단 보호장치와 협조할 수 있는 3단계 한시거리계전방식으로 한다.
적용방안에서 제시하고 있는 송전선로 보호방식에 대한 가이드라인에 따라 두 방식에 대해 한 번 살펴보겠습니다.
Ⅰ. Pilot 계전방식
Ⅰ-1. 전류차동방식
흔히 전기 관련 학과 공부나 자격증 준비 혹은 전력산업분야 취업을 준비해보신 분들은 전류차동계전기(87)에 대해서 많이 들어보셨을 겁니다. 87계전기를 이용한 보호방식으로 보시면 되겠습니다. 전류차동계전기는 보호하고자 하는 설비의 양쪽에 설치된 변류기(Current Transformer)로부터 계측된 전류의 값을 비교하여 Setting(이하 '정정') 해놓은 전류치보다 더 큰 값의 전류 차가 발생될 때 동작하는 계전기입니다. 보호방식에 대해 간단히 살펴보면 아래와 같습니다.
정상적인 상황에서의 전류의 흐름이 [그림1]과 같다면 양쪽의 전류는 감극성으로 인해 서로 반대의 위상(두 전류의 위상각 차이가 180˚)을 가지는 전류가 87계전기로 유입될 것입니다. 두 전류의 Vector합을 구하면 이론상으로는 '0A'의 값을 가지게 됩니다.
고장 상황에서의 전류의 흐름이 [그림2]와 같다면 양쪽의 전류는 서로 같은 위상(두 전류의 위상각 차이가 0˚)을 가지는 전류가 87계전기로 유입되며, 두 전류의 Vector합을 구하면 어떤 유의미한 값을 계전기에서 읽어 들이고 있을 것입니다.
간단한 기본원리는 설명드린 바와 같지만, 실제로 현업에서 적용하고 있는 전류차동계전기(87)는 계전기를 만드는 회사마다 계산방식이 다양하며, 실제로 송전선로에 흐르는 전류의 크기에 따라 양쪽의 계측되는 전류의 크기에 오차가 있을 수 있기 때문에 이를 감안한 전류차동보호방식을 채택하고 있습니다. 우선 이번 글에서는 이 정도만 다루고 자세한 원리는 "전류차동보호"에 대한 글에서 다루겠습니다.
Ⅰ-2. 방향비교방식(Blocking 방식)
Blocking 즉, 무엇인가를 막는다는 것입니다. 거리계전기(21)에 대해서 익히 다들 들어보셨을텐데요. 위의 전류차동방식의 신뢰성이 높아 주요 보호방식으로 채택되면서 역사속으로 사라지고 있는 중이지만 한 번 살펴보겠습니다.
거리계전기(Distance Protection Relay)는 거리를 구하여 계전기가 보호하고자 하는 구간의 거리에 포함되면 동작하는 계전기입니다. 그렇다면 거리는 어떻게 계산하는건지 궁금해하실 수도 있는데 간략히 설명드리면 100m짜리 전선이 100Ω의 저항을 가진다고 가정할 때 30Ω에 해당되는 길이는 30m로 가늠할 수 있습니다. 즉, 거리계전기는 전압과 전류값을 통해 구해지는 임피던스를 이용한 임피던스 계전기로 볼 수 있습니다.
그렇다면 방향비교방식을 통해 송전선로를 보호하는 방식은 어떻게 동작하는 것일까요?
거리계전기의 정정에 따라 자기구간을 보는 영역의 크기가 달라질 수 있으며, [그림3]의 경우처럼 고장이 발생했을 때 A변전소와 B변전소를 잇는 선로를 보호하는 거리계전기는 자기구간으로 판단하여 동작할 것입니다. 문제는 C변전소에서 B변전소를 바라보고 있는 거리계전기인데 정정한 영역내로 임피던스가 계산되면 C변전소의 거리계전기도 동작할 여지가 있습니다. 이를 저지하기 위해 C변전소를 바라보고 있는 B변전소의 거리계전기가 전압, 전류의 위상값을 통해 감시하는 방향의 반대방향임을 인지하고 C변전소의 거리계전기가 동작하지 않도록 저지하는 신호를 보내게 됩니다. 이렇게 고장 설비에 대한 정확한 차단을 도모하여 선로를 보호하는 방식이 방향비교방식, Blocking 방식이라고 하며 Carrier 계전방식이라고도 합니다.
아마도 보시면서 거리계전기의 임피던스 영역의 정정을 정확하게 하면 되지 않을까하는 의문이 생길 수도 있는데요. 계전기가 고장 당시 계측된 전압, 전류를 통해 임피던스를 계산하기 때문에 허용범위 내에서의 계전기, 변성기(PT, CT)의 오차와 복잡하게 연계된 전력계통의 상황에서 임피던스 계산을 통해 정확한 고장지점을 파악하는 것은 불가능에 가까우며, 거리계전기의 단점으로도 꼽힙니다.
[그림4]와 같이 실제 자기구간 내의 고장이지만 오차로 인해 고장으로 인식못하고 고장난 부분을 전력계통에서 차단하지 못해 고장이 더 커지는 상황이 발생할 수도 있고, 반대로 자기구간 밖의 고장임에도 오차로 인해 고장으로 인식하여 불필요하게 차단하여 전력계통의 운영에 악영향을 줄 수도 있습니다. 거리계전기에 대해서는 이 정도만 다루도록 하고, 자세한 원리는 "거리계전방식"에 대한 글에서 자세히 다뤄보겠습니다.
이번 글에서는 송전선로 보호방식에서 주보호에 사용되는 보호방식에 대해서 살펴봤습니다.
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