1강 보호계전기 역할과 구비조건

강의 대본

안녕하십니까? 박권배입니다. 이번 시간부터는 보호계전기에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다. 첫 번째 주제로는요. 보호계전기의 역할과 구비조건에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다. 본문으로 들어가 봅니다. 보호계전기라고 하는 걸 갖다가 이제 설명하기전에 이제 이거를 먼저 설명을 드려보면, 여기가 이제 계전기겠죠. 여기가 이제 보호계전기인데, 계전기에 의해서 차단기의 동작 여부를 갖다가 결정을 하는거죠. 여기서 이제, 어떤 판정을 할 수가 있는 거죠. 차단기를 갖다가 열지 아니면, 그대로 둘지를 갖다가 계전기가 이제 판정을 하는 거죠. 그래서 트립코일을 갖다가 여자시킴으로써, 차단기를 갖다가 동작 시킬 수도 있는 거죠. 근데 어떤 근거가 있어야 되잖아요. 그렇죠? 그래서 근거를 얻기 위해서 데이터를 확보해야 하는데 이제 그 근거가 되어주는 게 계통에 흐르는 전류가 될 것이고 또는 뭐냐면 계통의 현재 전압 상태가 될 겁니다. 그래서 PT나 CT로부터 정보를 받아서 그 정보를 연산해서 판정을 하는 것이죠. 그래서 전류의 신호만 가지고 동작을 하는 계전기도 있고요, 예를 들어서 OCR 같은 게 있어요. OCR 같은 게 그런거죠. 과전류계전기잖아요. 그렇죠? 이게 가장 많이 사용되는 계전기입니다. 전력계통에서 사용하는 계전기 중에서 가장 많이 사용되는 계전기예요. 전압만 가지고 우리가 판정하는 계전기도 있겠죠. 예를 들어서 OVR 뭐 이런 거 있고, 과전압 계전기죠. 그렇죠? 이런 계전기도 있죠. 그러면, 나는 OVR이다 그러면 이 신호만 필요할 거고, 나는 OCR이다 그러면 이 신호만 필요한 것이죠. 그런데 이런 계전기 말고 또 이런 계전기도 있죠. 전압 전류의 정보를 갖다가 동시에 필요로 하는 계전기들도 있어요. 이런 계전기를 뭐라고 하냐면 방향성 계전기다. 이렇게 얘기를 합니다. 방향성 계전기요. 이런 분류로 따지면 얘들은 뭐냐면 무방향성 계전기가 되는 거예요. 방향성 없이 크기만 보고 동작을 하는거죠. 뭐 OCR 같으면 우리가 어떤 세팅을 했겠죠. 어떤 전류가 이상이 되면 동작을 해라. 그러면 그 전류 크기만 넘어가면 무조건 동작 하는거죠. OVR은 그러면 전압이 어떤 값 이상 넘어가면 무조건 동작을 해라. 이렇게 되는거죠. 그러니까 무방향성은 크기만 보고 동작을 하는 계전기고 그다음에 방향성 계전기는 크기만 보고 동작 하는게 아니라 거기에다가 뭐냐면 위상 특성을 보면서 동작을 하는 거죠. 그래서 위상 특성을 보면서 동작을 했다고 해서 이걸 갖다가 방향성이라고 얘기를 합니다. 그래서 우리가 송전 같은 경우에는 양단 전원이죠. 그러다 보니까 크기만 보고 동작을 하다 보면 정전 범위가 너무 넓어지는 그런 특성이 나타납니다. 그래서 꼭 필요한 부분만 차단시키기 위해서는 반드시 이 방향성 계전기라는 걸 써줘야 합니다. 방향성 계전기는 크기만 보는 게 아니라 위상 특성을 보면서 꼭 거기 필요한 부분만 차단 시키는 것이죠. 이런 것들이 이제 필요하다는 겁니다. 그래서 보호계전기 개요에 이런 그림을 넣고 필요하다 하면 이런 설명들도 넣어주면 좋겠죠. 자, 보호계전기의 역할은 크게 3가지로 이야기하고 있습니다. 그중에 첫 번째, 가장 중요한 건 이거죠. 신속하게 고장을 제거하는 부분이죠. 단락이 났다. 근데 제거되지 않으면 전력계통은 열적, 기계적 데미지를 받죠. 그 중에서 열적인 데미지는 빨리, 시간이 중요하잖아요. 그렇죠? I 제곱 R, 항상 이야기 하지만 이거잖아요. 그래서 이 고장 전류가 흐르는 시간이 매우 중요할 텐데, 시간을 갖다가 매우 작게 해줘야만 전력 계통의 설비들이 살아남을 수가 있다. 이런거죠. 그래서 이게 가장 중요한 부분이다 보시면 돼요. 그다음에 사고파급을 방지하는 부분이죠. 그래서 고장 난 부분만 빨리 잘라내고 그다음에 다른 쪽으로 건전한 쪽으로 고장이 파급되지 않도록, 정전이 확대되지 않도록 그런 기능들도 가지고 있다. 그 다음에 다시 신속하게 복구하는 기능도 일부는 가지고 있는 거죠. 자동재폐로 기능 같은 걸 넣다 보면 고장을 차단하고 어느 정도 기다렸다가 다시 이제 신속하게 복구 시키는 그런 부분도 있다라는 것 입니다. 자, 이런 세 가지가 있는데 그 중에서 가장 중요한 것은 바로 이겁니다. 신속하고 정확하게 고장을 제거하는 것이 보호계전기의 역할이다. 라고 보시면 되겠습니다. 자 그다음에, 보호계전기의 구비조건 이라는게 나오는데 첫 번째, 신속성. 빠르게 동작해야 된다는 거죠. 스피드예요. 고장이 발생하면 설비의 손상을 최소화 하는 것이, 최소화한다는 것이 망가지긴 망가졌더라도 빨리 끊어내면 비싼 발전기나 변압기나 이런 것들은 수리비용을 최소화할 수도 있고, 이런 부분도 있습니다. 송전 같은 경우는 빨리 제거가 돼야 하는데 계통의 안정도도 유지할 수가 있습니다. 이런 부분 때문에 빨리 제거 할 필요가 있는 거죠. 설비의 손상도를 최소화하고 그 다음에 전력계통에서 송전 같은 경우는 전력계통에서 고장이 늦게 제거되면 안정도가 이제 불안정한 상태로 동기탈조 같은 그런 현상이 발생 할 수가 있습니다. 그래서 과도 안정도가 나빠지게 되거든요. 그래서 차단 시간을 빠르게 가져가는 것이 매우 중요한 겁니다. 차단 시간을 빠르게 가져간다 라는 것은 차단기는 스스로 동작할 수 없는 녀석이 아니니까 보호계전기가 빨리 끊으라고 명령을 줘야되는 거죠. 보호계전기의 스피드가 매우 중요한 부분이 되겠습니다. 두 번째 검출감도입니다. 검출감도는 고장을 검출할 수 있는 최소한의 감도 이상이어야 된다는 얘기고요. 그다음에 선택성. 선택성은 고장 구간만 선택해서 차단해야 한다. 건전한 구간을 갖다가 차단하면 안 된다는 거죠. 그러니까, 전력 계통에서 가장 중요한 의무는 뭐냐면, 필요 없는 전기를 만들지 않는 거죠. 그러니까 무슨 이야기냐면, 부하의 안정적인 전력을 공급하는 게 우선이에요. 근데 고장난 부분은 거긴 잘라 내야 되겠죠. 그래서 그 부분만 신속하게 잘라내는 거. 선택적으로 잘라 내는 것이 매우 중요하다는 거죠. 그러니까 보호계전기의 구비조건에서 선택성은 매우 중요한 것이죠. 선택성을 위에서 아까도 설명했지만 여기서 어떤 방향성 계전기라는 것도 사용하는 거잖아요. 방향성 계전기가 아니고 크기만 보고 자르다 보니까 선택성이 너무 없어져. 그러니까 뭐냐면 여기저기 자르지 말아야 할 데도 다 끊어지고 그래. 그러면 정전이 굉장히 넓어지는 거잖아요. 그런 부작용이 발생할 수가 있다는 거예요. 그다음 과전류계전 방식 같은 경우는, 과전류계전방식 같은 경우는 어떻습니까? 예를 들어서 이런 거잖아요. 여기는 수배전계통인데, 이렇게 차단기가 있고, 차단기가 있으면 반드시 계전기가 있다고 생각하시면 돼요. 여기 부하들이 이렇게 있어요. 이렇게 부하들이 있으면, 여기 같은 경우는 이제 단순하게 과전류계전방식이기 때문에, 전류 크기만 보고 동작을 한단 말이에요. 그러니까 여기에서 고장이 나게 되면, 여기가 고장이 나면 이렇게 고장 전류가 흐를 거 아닙니까? 그러면 이 계전기하고 이 계전기가 동일한 특성을 가지고 동작을 하다 보면, 여기도 끊어질 수도 있고, 여기도 끊어질 수도 있잖아요. 그러면 여기서 만약에 끊어졌다고 하면 정전 범위가 이렇게 넓어지는 거잖아요. 그러니까 이런 걸 원하지 않는 거잖아요. 여기서 고장이 났다 그러면 여기 차단기만 끊어져서 건전 구간은 정상적으로 운전되는 걸 원하는 거죠. 이런 선택성을 가져야 한단 말이에요. 그래서 이제 우리가 이런 걸 하기 위해서 시간 협조라는 걸 하게 되죠. 이 두 개의 동작 시간을 좀 다르게 둬서 얘가 동작 시간을 짧게 두고 애는 좀 있다가 지연을 두고서 만약에 얘가 동작을 못 하면 얘가 백업으로, 후비보호로 동작할 수 있도록 이런 부분들도 선택성에 해당되는 대표적인 예라고 볼 수 있습니다. 그래서 보호계전기 구비조건에서 굉장히 중요한 것 중 하나가 선택성이다 라고 보시면 되겠습니다. 자, 그다음에 신뢰성이죠. 당연히 보호계전기가 신뢰성이 없으면 당연히 안 되겠죠. 보호구간 내 고장에 대해 오동작하지 않고 정동작, 반드시 정동작을 해야 한다는 게 특징이죠. 그래서 이제 4가지 용어를 이야기하는데요. 이 부분도 잘 알아두시길 바랍니다. 이 4가지 용어입니다. 정동작이라는 것은 계전기가 동작해야 될 때, 정상적으로 동작하는걸 정동작이라고 이야기를 합니다. 정부동작이라는 것은, 계전기가 동작하지 말아야 할 때 정확히 동작하지 않는 걸 정부동작. 이 두 가지는 이제 문제가 없는 거죠. 동작 해야될 때 정확히 동작 하는 건 정동작이고, 동작하지 말아야 할 때 동작하지 않으면 정부동작이니까, 이 두 가지는 정확하게 동작을 하고 있는 상황이라고 보면 되죠. 문제는 이거죠, 이런 상황이죠. 오동작을 하거나 오부동작을 하는 경우가 문제가 되겠죠. 그러면 오동작이라는 것은 무엇이냐 하면 계전기가 동작하지 말아야 되는데 동작하는 걸 오동작이라고 이야기합니다. 오동작이라는 말은 많이 쓰잖아요. 그렇죠? 이 기기가 오동작이다. 그런 말 많이 쓰죠. 동작하지 말아야 하는데 동작했다. 그런 뜻입니다. 그거의 반대 용어는 오부동작입니다. 계전기가 동작을 해야 되는데 동작을 하지 않는 거죠. 반대예요. 동작을 해야 되는데 동작하지 않는 걸 오부동작. 이 두 개는 다 잘못된 거죠. 계전기는 100% 신뢰성을 가지면 좋겠지만, 사실 100%라는 건 존재하지 않죠. 그래서 반드시 오동작도 할 수가 있고, 오부동작도 할 수가 있습니다. 그런데 어떤 계통은 오동작을 굉장히 싫어해요. 또 어떤 계통은 오부동작을 더 싫어해요. 그러니까 산업용 계통 같은 경우에는 절대로 오동작이 나는 걸 바라지 않아요. 오동작이 나는 것을. 오동작이 날 수도 있지만 오동작이 나는 걸 가장 싫어한다는 얘기예요. 설비가 멈추니까. 쓸데없이 설비가 멈추면 그거에 대한 경제적인 피해가 크기 때문에 오동작을 가장 싫어한다는 거예요. 그래서 오동작을 막기 위해선 이런 조치들을 해요. 일반 공장이라고 생각하면 돼요. two out of two나 two out of three 같은 경우. 이거는 다 and 조건이에요. 예를 들어서 이런 거예요. 오동작을 막기 위해서, 얘는 산업용 계통, 오동작 하는 걸 가장 싫어하니까. A 릴레이가 있고, B 릴레이가 있고, C 릴레이가 있으면, 이렇게 여기에서만 동작하도록 하는 거죠. 최소한 이 3개 중에서, 3개 릴레이 중에서 두 대 이상이 동작 했을 때만 동작하는게 이게 AND 조건이죠. 두 대 이상이죠. 여기가 되든지 이건 3개가 다 동시에 동작하는 거고, 이런 식으로. 그래서 이런 것이 뭐냐면 three of two라고 이야기하죠. 3개 중에서 최소한 2개가 동작을 해야지만 동작을 하는 거죠. 이렇게 되면 오동작이 날 가능성이 낮아지죠. 하나는 오동작을 할 수가 있는데. 그래서 오동작이 나는 걸 가장 싫어하는 이 유틸리티 같은 경우에는 이런 식으로 짓는단 말이에요. 오동작이 절대 나타나지 않도록. three of two 이런 방식이에요. 또 이렇게도 하죠. 이런 식으로요. CB로 TRIP이 나가는 구조죠. 이 접점이 두 개가 연속으로 붙어야지만 CB Trip이 나갈 수가 있는 구조죠. 그래서 A릴레이는 이 두 접점을 잡고 있고 B릴레이는 이 두 접점을 잡고 있고 C 릴레이는 이 두 접점을 잡고 있으면 되는 거죠. 자, 그러면 이것도 뭐냐면 two out of three가 되는거죠. 그래서 A 계전기가 하나 동작하면 여기랑 여기랑 붙겠죠. 그래도 여기가 CB Trip이 안 나가죠. 그중에서 이제, A랑 동시에 C나 B가 둘 중에 하나가 최소한 들어와야지만 CB Trip이 나가는 구조죠. 이것 같은 경우도 two out of three 구조라고 라고 볼 수가 있습니다. 이런 것은 공장, 산업용 계통에서 오동작이 나지 않기 위해서, 거기 나름대로 신뢰성을 확보하기 위해서 하는 어떤 방식이다 라고 보시면 되겠습니다. 그다음에 오부동작을 싫어하는 계통이, 오부동작이 절대 나지 않아야 하는 계통이 무엇이냐 하면 유틸리티 계통입니다. 즉, 한전 계통이죠. 한전 계통은 동작 해야 될 상황에서 동작하지 않는 것이 가장 큰 피해라는 거죠. 그래서 고장이 났다 그러면 반드시 동작하도록, 유틸리티는 그렇게 운영을 해야된다는 것이죠. 한전과 같은 계통에서 계전기가 반드시 동작해야 되는 사고에서 동작하지 못했다. 그러면 굉장히 큰 사고파급이 일어나고 광역정전이 일어날 수 있는 그럼 위험이 있거든요. 그래서 유틸리티 같은 경우는 하지 말아야 될 오동작은 무엇이냐 하면 오부동작이에요. 그러려면 얘들처럼 and 조건으로 동작하는 게 아니라, 얘 같은 경우는 무엇이냐 하면 or 조건이에요. one out of two인데, 이걸로 해놓고 둘 중에 하나만 동작 하더라도 동작하도록 하는거죠. 그러니까 그 계통에 문제가 발생했다. 그러면 계전기가 만약에 한 대만 있으면 오부동작 할 수 있잖아요. 그러면 한 대가 더 있으면, 한 개가 더 있으면 둘 중에 하나만 동작하더라도 동작하게끔 한다면, 둘 중에 어느 것이든 하나만 동작해도 동작할 수 있도록 한다면 오부동작을 막을 수가 있는 거죠. 그래서 한전 같은 경우는 보호를 칠 때 2계열로 씁니다. 주보도 2계열로 하고 후비보호도 2계열로. 이런 식으로 신뢰성을 확보하기도 합니다. 그래서 어떤 계통이냐에 따라서 신뢰성을 갖추는 방법들이 조금 더 차이가 난다는 거죠. 어떤 동작의 실패가 더 데미지가 큰지를 가지고 우리가 신뢰성을 확보하는 측면이 조금 차이가 난다. 이런 부분도 조금 이해가 됐으면 좋겠습니다. 그다음에 후비보호 있죠. 반드시 백업이 필요하다는 거죠. 계전기나 고장구간의 계전기나 차단기 등이 불량으로 부동작 할 수가 있죠. 고장구간의 계전기나 차단기가 불량해가지고 Fail이 날 수가 있는 거죠. 그래서 Fail이 나면 이제, 고장을 차단해줄 장치가 없다 그러면 전 계통으로 파급이 돼 버리겠죠. 그러면 안 되니까, 반드시 차단기가 동작을 못 한다고 하면 다음 차단기가 동작을 할 수 있도록 주보호의 후비보호의 계층을 만들어서 운용을 할 필요가 있는 것이죠. 예를 들어서 조금 전에 설명했듯이 이런 거죠. 수변전계통에서, 차단기에서 이거는 주회로가 되고, 그다음에 여기가 분기회로가 되겠죠. 여기서 이제 각각 부하로 들어간다고 그러면 여기서 고장이 났다 그러면 고장전류가 이렇게 흐르는 방식이잖아요. 그렇게 되면 여기 있는 계전기랑 여기 있는 계전기랑 조금 시간차를 둬서 협조를 해서 동작을 하면 된다. 선택성을 갖게 해주면 된다는 이야기죠. 근데 이제 뭐냐면 순서는 정해준다. 이거를 주보호로 두고 이걸 후비보호로 두는 거죠. 여기서 나는 사고에 대해서 얘가 주보호가 되고 얘가 후비보호가 되는 거죠. 그래서 만약에 여기에 있는 계전기나 차단기가 실패했다. 그러면 이 후비보호가 끊어져서 더 큰 계통으로, 여기서 더 큰 사고파급으로 이루어지지 않도록 막는 그런 구조죠. 그래서 이런 것들은 반드시 필요하다는 거. 백업의 백업의 백업이 계속 필요하다는 이야기를 하고 있습니다. 고장은 어디서든지 반드시 끊어질 수 있는 구조로 우리가 만들어줘야 된다는 이야기죠. 그래서 후비보호의 후비보호의 후비보호 이렇게 가는 거죠. 물론 이렇게 되면 정전 범위는 점점 넓어지지만 광역 정전으로 갈 수 있는 피해는 막아준다. 더 큰 피해는 막아준다. 이런 개념으로 생각하시면 되겠습니다. 송전과 같은 경우는 이런 경우도 있어요. 송정과 같은 경우를 한번 설명을 드려 보면, 이렇게 되어있다고 가정을 해봐요. 이게 하나의 변전소죠. 그다음에 여기도 변전소가 되죠. 여기는 발전소가 되겠죠. 이런 식으로. 여기서 이제 고장이 났다고 가정을 해봐요. 여기서 고장이 났을 때, 사실은 이렇게 되는 거죠. 양단 전원이기 때문에 반드시 차단기는 이 차단기하고 이 차단기가 끊어지면, 고장은 제거가 되는 겁니다. 근데 차단기가 실패할 수 있죠. 계전기나 차단기나 실패해서, 예를 들어서 얘는 정상적으로 끊었는데, 얘가 실패했다고 해봐요. 실패를 했다고 하면 또 후비보호를 해줘야 하는 거죠. 그래서 같은 변전소, 여기가 이제 동일한, 주보호랑 같은 변전소에 있는 차단기가 끊어지는 걸 로컬 백업이라고 얘기하거든요. Local backup이라고 합니다. 이 차단기하고 이 차단기가 열리면 되겠죠. 그럼 이렇게 같은 변전소에 있는 차단기가 백업해주면 로컬 백업이라고 얘기하고 이제 얘네들도 문제가 생겼다 그러면 여기 다른 변전소에 있는 차단기들이, 다른 변전소에 있는 차단기들이 끊어져야지만 고장이 해제가 되잖아요. 이런 경우는 뭐라고 하냐면 Remote backup이라고 이야기합니다. 원단백업, 현장백업 이렇게 얘기를 하는 거죠. 이런 식으로 송전에서는 백업을 이야기하고 있습니다. 그래서 어쨌든 간 뭐냐면 주보호가 있고 백업이 있어서 반드시 발생된 고장은 제거되도록 해야 한다. 안 그러면 전 계통이 죽어버릴 수도 있다는 이야기죠. 그래서 그런 피해를 막기 위해서 반드시 주보호에 대한 후비보호 구조를 잘 만들어준다. 근데 주보호와 후비보호 사이에는 반드시, 뭐가, 그것은 무엇이냐 하면 같이 동작하면 안 되니까. 주보호와 후비보호 사이는 뭐가 존재해야 되냐면 지연시간이, 동작에 대한 지연시간이 존재해야 하죠. 그래서 일정 시간이 지났는데도 그 고장이 계속 남아있다 그러면 후비보호들이 시나리오에 따라서 동작하게 된다. 이렇게 보시면 될 것 같습니다. 그다음에 중첩성이라는 부분이 있죠. 보호구간을 Overlapping 하라는 것이죠. 차단기가 있다 그러면, 방향성 보호를 하죠. 송전 같은 경우는. 여기 차단기가 이렇게 있는데 당연히 CT를 양측에다가 설치를 하죠. 여기는 둘 다 보호용이죠. 물론 여기다 미터링 용도 별도로 설치합니다. 보호용 일 때 당연히 이제 방향성 계전기인데 CT만 가지고 방향성 이야기하지 않아요. 당연히 이제 PT 신호를 받아서 우리가 방향성을 결정한다고 보시면 돼요. 그래서 앞에서 설명을 드렸습니다. 방향성 계전기는 전압 시그널을 기준으로 전압 시그널을 기준으로 해서 방향성을 결정 하기 때문에 전압 시그널이 반드시 있어야 해요. 그래서 CT가 볼 때 보호구간을, 얘의 보호구간을 이렇게 잡고 이렇게 잡아가고, 얘의 보호구간을 이렇게 잡아가면 어떤 문제가 생기냐면, 여기 CB 근처. CB 근처에서 고장이 났을 때는 어느 누구도 이 고장을 보지 못하는, 여기가 뭐가 되냐면 보호 맹점이 생긴다는 거죠. 그래서 항상 여기가 중첩이 되도록, 여기가 서로 중첩이 되도록 이렇게 가져간다. 보호구간을 얘가 이렇게 가져가고 얘가 이렇게 가져가고. 여기를 중첩해서 보호하게 되면 여기서 이제 고장이 나게 되면 이쪽 보호가 되든, 이쪽 보호가 되든 둘 다 잡을 수가 있죠. 그러니까 이런 보호 맹점을 없애기 위해서 항상 중첩해서 보호하도록 한다. 이렇게 보시면 되겠습니다. 보호되지 않는 구간, 이걸 Blind zone이라고 얘기합니다. 사각지대죠. 차를 타고 가다 보면 어느 구간은 백미러로 잘 안 보이는 그런 구간이 있지 않습니까? 전체를 이렇게 하다 보면 이런 구간이 존재할 수도 있다는 얘기예요. 그런 구간을 막기 위해서 보호구간을 중첩을 시킨다. 이런 이야기가 되고요, 그다음에 CT의 설치위치는 차단기의 보호구간을 포함한다. CT의 설치위치는 차단기의 보호구간을 포함한다. 차단기까지 항상 포함하도록 우리가 설정을 하게 되면 보호 맹점이 사라진다. 그런 뜻이 되겠습니다. 마지막으로 경제성인데요. 경제성을 늘 어떤 기기를 선정함에 있어서 반드시 필요한 요소가 되죠. 현실에서 가장 중요한 부분이라고 볼 수 있죠. 나중에 다 좋았는데 경제성이 맞지 않으면 선택하지 않는 경우도 많이 있죠. 그래서 여러분들 답안지 쓸 때 마지막에 경제성도 가볍게 언급해주는 것 괜찮을 것 같습니다. 이번 시간엔 여기까지 이야기 하도록 하겠습니다. 그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.