22. 변압기 여자 돌입전류의 발생원인과 대책

이 시간에는 변압기 여자 돌입전류에 대해서 살펴보도록 하겠습니다 변압기 여자 돌입전류란 무부하 상태에서 변압기에 급격히 전전압을 인가하게 되면 순간적으로 흐르는 큰 전류를 말합니다 일반적으로 무부하 변압기에 차단기를 투입하면 무부하 전류 즉 여자 전류만 흐르게 되며 정격전류 수%에 불과한 작은 전류가 1차측만을 흐르게 됩니다 그러나 인가전압이 투입된 위상이 어떤 시점에서는 정격전류 수배에서 수십배의 전류가 흐르게 되는 경우가 발생하는데 이것을 여자 돌입전류라고 합니다 이 과도 여자 전류는 무전압에서 순간 전전압으로 여자되면서 발생하는 것으로서 인가전압의 투입위상이나 변압기 철심 잔류자속의 크기에 따라 그 크기가 결정이 됩니다 변압기 여자 돌입전류 억제 대책 개요 보시겠습니다 먼저 여자 전류요 여자 전류는 변압기의 2차측을 무부하 상태로 전압만 가했을 때 1차측에 흐르는 전류를 말하며 무부하 전류라고 한다 여자전류는 철심내에 자속을 발생하기 위한 자화전류와 히스테리시스손, 와류손 등 철손을 공급하기 위한 전류합계이다. 여자 돌입전류 파형은 철심의 자기포화 현상 및 히스테리시스 현상 때문에 왜형이 되며 이것은 기본파와 기수고조파로 구분이 되며 실제로는 기본파와 제3고조파만을 고려해도 된다 여자 돌입전류 변압기에 무부하로 전원을 투입하면 전원 투입 순간의 전압의 위상, 철심의 잔류자속의 정격전류 8에서 12배에 달하는 돌입전류가 순간적으로 1차측에 흐르게 된다. 그래서 계속시간 즉 지속시간은 0.5초에서 수초 그리고 긴 것은 수십 초 이상이 되는 수도 있다 그랬습니다. 여자 돌입전류 성분을 분해를 해보면 기본파 대비로 비교했을 때 직류성분은 50에서 60% 상당히 크죠 그 다음에 제2고조파가 30에서 50% 제3고조파는 제2고조파의 약 2분의 1 15%에서 25% 정도 되겠죠 자 그 파형을 보면은 인가전압이 이렇게 인가했을 때요 유기기전력은 역기전력이니까 그 역위상으로 되구요 그리고 이제 여자 돌입전류 파형은 이와 같이 생깁니다 약간 제3고조파가 함유된 그런 모양입니다 영향입니다. 여자 돌입전류는 전원측에만 흐름으로 차전류를 사용하는 비율차동계전기의 오동작이 발생한다. 그래서 차동계전기나 비율차동계전기 같은 경우는 CT를 2개를 설치해서 또는 그 이상을 설치해서 들어가는 전류와 나가는 전류 차 또는 비율을 비교를 하게 되는데 무부하 가압중인 변압기의 경우는 1차측은 전류가 자화전류 무부하 전류가 흐르지요 그렇게 되는데 2차측은 흐르지가 않습니다 특히 돌입전류가 생긴 경우는 아주 큰 전류가 흐르게 되는데 2차측에는 흐르지 않기 때문에 비율차동계전기는 아무 대책도 취하지 않는다면 오동작하게 되어 있습니다 자 여자 돌입전류 발생 메커니즘 그랬습니다 지금 자속에 대한 곡선이 이렇게 되죠 이렇게 되구요 그 다음에 전압 곡선은 이렇게 됩니다 그래서 자속이 전압에 대해서 좀 뒤지죠 뒤진 90도 만큼 뒤진 회로가 되겠습니다 우측에 보시면 S1을 투입한 순간 2차측은 무부하기 때문에 전류가 흐를 수가 없지만 1차측은 이와 같이 RL 직렬 회로가 되서요 돌입전류가 흐르게 됩니다 그리고 X 성분 때문에 90도 만큼 위상이 뒤지게 되죠 그래서 자속 위상이 전원 위상보다 90도 만큼 뒤지고요 자 먼저 전압 0. 에서 차단기 투입시 그랬습니다 자속 0. 이니까요 a점이 되겠습니다 a점 자속 0. 여기서 그림 2에서 철심에 잔류자기가 없고 전압이 파고치에 도달한 점 a점에서 스위치가 투입될 경우 자속은 0에서 출발하여 정형파로 되어 운전상태와 같아 여자전류는 보통때와 같은 작은 값이 된다 그랬습니다 자속이 0인데서 출발하게 되면 평상시에 여자전류 정도 수준 정격전류의 4% 정도 기껏해야 4 5% 이런 정도 밖에 흐르지 않게 될 겁니다 파이는 L에서 파이는 i에 비례해서 L성분에 의해서 전압보다 90도만큼 지진전류가 흐름으로 자속도 90도만큼 지진파형이 된다 즉 자속의 영점에서는 여자 돌입전류가 생기지 않는다 라고 이해해 주시면 되구요 자 다음 자속이 마이너스 90도에서 차단기 투입 c점은 a점. 되겠죠 a점. 즉 마이너스 파이m이 되는 시점에 아까는 0. 에서 투입을 했는데요 이번에는 0점이 아닌 마이너스 파이m 지점 a 지점에서 이 a 지점에서 차단기가 스위치가 들어갔다 이거죠 그랬을 때는 당장의 철심에 잔류자기도 없이 아무것도 없는 상태였는데 이 회로 조건을 만족하기 위해서는 자속이 마이너스 파이m이 필요합니다 그래서 이 자속을 급하게 만들려다 보니까 돌입전류가 흐르게 되는데요 특히 이제 시간이 좀 흘러가면서 반사이클 후에는 플러스 파이m으로 또 변화가 됩니다 그래서 여기 파이m 또 플러스 쪽에 파이m 그래서 합이 2파이m 만큼 급격하게 변화가 됩니다 자 읽어보겠습니다 철심에 잔류자기가 없고 전압 0점 a에서 스위치가 투입될 경우는 최초 변압기 자속은 0 이었으나 1차측에 가해진 전압과 같은 역기전력을 유기하기 위해서 자속이 마이너스 파이m의 정현파로 급변하여야만 한다 이어서 a 에서 b 에 이르는 반주기 동안 반사이클 동안 자속은 마이너스 파이m 에서 파이m 까지 변화함으로써 2파이m 의 자속 변화를 겪어야 하는데 이 과정에서 철심이 포화되고 큰 전류가 흐르게 된다 이것을 여자 돌입 전류 라고 한다 방금 설명드린 바와 같이 이 구간에서 정말 여기서 여기까지 2파이m 의 변화를 겪게 되는 거죠 차단기가 투입되는 순간 자속이 없다가 갑자기 마이너스 파이m이 돼야 되고 또 시간적 여유없이 반사이클 후에는 또 플러스 파이m으로 옮겨 갔습니다 그와 같은 급격한 자속 변화에 의해서 전류 생성이 과도하게 되는 거죠 자 대책입니다 대책 시험에 자주 나오는 항목들인데요 3가지가 있습니다 감도저하법 그리고 고조파 억제법 비대칭파 억제법 이렇게 세가지가 있는데요 먼저 감도저하법 UVR을 사용해서 트립 일정시간동안 바이패스 시킨다 그랬습니다 보호설비 TR, 오퍼레이팅코일, 억제코일, 비율차동계전기 동작원리 거기에 이제 감도저하용 저항을 달구요 거기에 직렬로 타이머 b접점을 답니다 그래서 언더볼티지 릴레이에 접점을 달겠죠 그래서 언더볼티지 릴레이에 의해서 동작되는 타이머 b접점을 연결해 놓구요 그러면은 차단기를 투입하는 순간에 이렇게 투입하는 순간에요 돌입전류가 흐르겠죠 돌입전류 흐르고 여기는 i는 0 돌입전류가 흐르게 되면은 자 최초의 언더볼티지 릴레이는 상황이 어떻습니까 a 접점이 떨어져 있죠 b 접점이 붙어 있습니다 b 접점이 붙어 있고 a 접점은 떨어져 있고 그래서 b 접점은 붙어 있는데요 결국은 여자 돌입전류가 흐르는 기간 t초 동안 감도를 떨어뜨리면 되는데요 지금 언더볼티지 릴레이는 순식간에 가압이 되자마자 b접점 같은 경우는 떨어집니다 이게 이렇게 떨어져요 그래서 회로가 분리된다는 얘기죠 오픈이 된다는 얘기죠 그런데 여기다가 이제 이 오퍼레이팅 코일에 여자 돌입전류가 변성되서 2차측 CT 2차측 전류로 낮은 수준으로 변성되서 흘러야 되는데 이것을 차전류로 동작하기 때문에 1 2차측에 차전류로 동작하기 때문에 비율 차동계전기가 오동작하게 된다 말씀드렸구요 따라서 이것을 이렇게 바이패스 시키면 되겠죠 바이패스 시켜서 감도저하용 저항쪽으로 흐르게 하면 되겠죠 그런데 언더볼티지 릴레이가 살자마자 바로 b접점은 떨어지니까 여기다 한시접점을 달았습니다 한시접점 그래서 아주 큰 전류만 보내도 상관이 없겠죠 뭐 이런식으로 해서 일정 시간을 여자 돌입전류가 지나가기를 기다리는 그 시간 충분한 시간을 주고 떨어질 수 있도록 그래서 언더볼티지 릴레이는 벌써 동작을 했지만 타이머가 b접점이 관성이 있죠 그래서 좀 붙어 있으면서 여자 돌입전류가 지나간 후에는 떨어집니다 떨어지고 이제 TR이 살아있는 동안에는 계속 언더볼티지 릴레이가 살아 있으니까 b접점은 계속 떨어져 있죠 그래서 오퍼레이팅 코일만의 회로가 되겠죠 이쪽 바이패스 회로는 차단이 됐구요 자 다음 고조파 억제법 입니다 기본파에 대한 고조파 함유율이 일정치 이상이 되면 기본파분은 동작력으로 고조파분은 억제력을 발생하여 오동작하지 않게 하는 방법이다 그랬습니다 서두에 말씀드렸다시피 여자 돌입전류에는 직류분도 있고요 제2고조파 성분이 가장 크고요 그 다음에 제3고조파가 있었죠 그런데 이 제2고조파를 억제력으로 쓴다 이거죠 기본파분은 동작력으로 그리고 제2고조파 성분은 억제력으로 한다 그리고 그 크기는 약 15에서 20% 이상씩 억제회로를 동작을 시킨다 그랬습니다 제2고조파가 30에서 50% 정도 였었죠 그런데 10에서 20% 정도로 설정을 해주면 된다 자 회로를 보시겠습니다 보호 대상인 변압기가 있구요 여자 돌입전류는 1차만 흐른다 그랬죠 1차만 흐르고 2차측은 흐르지 않게 됩니다 그러면 필연적으로 이 오퍼레이팅 코일 쪽으로 전류가 흐르게 될 텐데요 여자 돌입전류의 가령 기본파와 이와 같은 고조파가 같이 들어간다고 치면요 기본파는 1이 흐르고요 고조파는 빨간색으로 처리하겠습니다 고조파는 이렇게 갑니다 그러면 기본파는 동작력으로 오퍼레이팅 코일의 동작력으로 작용을 하지만 이 고조파 부분이 고조파 억제코일이 있습니다 그래서 이 억제코일에 전류가 흐르면 동작력을 흡수해서 상쇄를 시키는 쪽으로 갑니다 그래서 계전기가 동작을 하지 않게 되겠죠 여자 돌입전류가 흐를 때만 그렇게 가능한 현상이죠 평상시에는 기본파만 흐를 테니까 결국 이 기본파 통과필터에 의해서 비율차동 계전기의 고유 기능인 비대칭파 억제법입니다. 변압기 투입 후 발생하는 여자 돌입전류의 비대칭파 성분을 억제력으로 하여 트립회로를 개방시킨다. 여자 돌입전류 파형은 비대칭입니다 이것은 심화학습에서 더 자세히 다뤄보겠습니다만 비대칭이기 때문에 비율차동계전기의 동작코일과 직렬로 저지코일을 삽입하면 비대칭 전류가 흐를 때 이 저지계전기가 동작해서 비율차동계전기의 트립회로를 락을 시키는 방법입니다. 즉, 정상전류나 외부 사고 등에 있는 고조파 성분들은 비대칭이 아니고 대칭분 고조파 성분들이 포함됩니다. 그러한 때에는 저지계전기가 동작하지 않게 되고요 변압기에 여자 돌입전류가 흐를 때에만 이 여자 돌입전류에 포함된 비대칭파 즉 반파정류처럼 플러스 성분만의 파형입니다 그래서 이 저지회로가 그것을 감지해서 트립회로를 락시키는 방법입니다 즉 정상회로에서 여자 돌입전류가 아닌 상황에서는 비율 차동 계전기 오퍼레이팅 코일에 흐르는 CT 2차 전류들은 서로 반대방향으로 상쇄되는 방향으로 작용해서 비율 차동 계전기가 동작하지 않게 되죠 그리고 내부 사고 시에는 이러한 저지회로와 상관없이 기존의 비율차동계전기와 똑같은 원리로 동작하게 됩니다 원리적으로 이렇게 구성이 된다 라고 까지만 아시고 제가 설명드렸던 내용들을 기억하셔서 저지계전기가 있어서 여자 돌입전류의 비대칭성을 이용해서 오퍼레이팅 코일과 직렬로 연결된 저지계전기가 이 여자 돌입전류를 억제하게 된다 트리퍼를 락시켜서 억제하게 된다 이렇게까지만 기술하시면 되겠습니다 수고하셨습니다