전력계통 보호 계전기의 분류 기준 및 특징

최근 전력 수요 증가로 인해 전력계통 보호를 위한 계전기의 종류가 다양해졌으며, 그 분류 방법도 동작 기구, 동작 특성, 용도 등에 따라 여러 가지로 구분됩니다. 이에 대해 보호 계전기의 분류 기준 및 특징에 대해 포스팅하려고 합니다.

<목차> 1. 동작 기구상의 분류 기준 2. 동작 시간에 의한 분류 기준 3. 용도 별 분류 기준

1. 동작 기구상의 분류 기준

보호 계전기를 동작 기구 형식으로 크게 분류하면 다음과 같은 3 종류가 있습니다.

• 전자기계형(Electro-mechanical Type)
• 정지형(Solid-Static Type)
• 기계형(Mechanical Type)

동작 기구의 형식에 따라 분류한 부분에 대해서는 위와 같이 언급하였습니다. 이제, 세부적인 보호 계전기 형태는 아래와 같이 구분할 수 있습니다.

1) 전자기계형(Electro-mechanical Type)

㉮ 가동 철심형 계전기

가동 철심형 계전기는 전자형과 유극형 두 가지로 구분됩니다. 전자형은 전류 코일의 전자력으로 철심을 운동시키며, 유극형은 전자 코일에 흐르는 전류의 극성에 따라 철편의 흡인력 방향을 변화시킵니다. 구조는 간단하지만 정밀성이 약간 떨어지기 때문에 보조 계전기로 사용됩니다.

 

㉯ 유도형 계전기

유도형 계전기는 이동 자게 또는 회전 자계에 의한 유도 작용으로 원판 또는 원통에 토크(Torque)가 발생하여 점진적으로 개폐하는 구조입니다. 이는 전기 기계의 한 종류입니다.

 

㉰ 전류계형 계전기

고정 코일과 가동 코일에 전류를 흘려서 양자 사이에 작용하는 토크를 이용하는 구조로, 고속 동작이 가능하며 전자기계의 한 종류입니다.

 

㉱ 가동 코일형 계전기

가동 코일형 계전기는 가동 코일형 계기와 같은 원리로 작동합니다. 이는 영구 자석의 자기장을 이용하여 가동 코일을 회전시키는 것입니다. 이 계전기는 소비 전력은 작지만 토크도 작아서, 주로 직류 계전기로 많이 사용됩니다.

2) 정지형(Solid-Static Type)

앞의 전자기계형은 기계적으로 움직이는 부분이 있지만, 이와 달리 본 정지형은 외형상 움직이는 부분이 없으며 반도체 회로로 구성되어 있습니다. 이러한 구성으로 인해, 정지형 전자기기는 기계적으로 움직이는 부품이 없기 때문에 더욱 가볍고 작아질 수 있습니다. 또한, 반도체 회로의 발달로 인해 더욱 정교한 기능을 수행할 수 있게 되었으며, 에너지 소비량도 줄일 수 있어 환경 친화적인 제품으로 평가받고 있습니다.

 

㉮ 전자형(Electronic Type) 계전기

과거에는 진공관과 트랜지스터를 사용한 여러 가지 종류의 계전기가 개발되어 왔습니다. 그리고 근래까지 마이크로 일렉트로닉스의 진보로 소형 경량이면서 성능이 좋은 IC 등의 회로 소자가 개발됨에 따라 각종 논리 회로 및 전자 부품을 이용한 고성능의 전자형 계전기가 실용화되고 있었으나 디지털형이 개발되면서 더 이상 발전은 없는 실정입니다. 전자형 계전기에는 정류형, 위상 비교형 등이 있습니다.

 

㉯ 디지털(Digital) 계전기

계기용 변성기(CT, PT)는 전기기기에서 전류와 전압을 측정하는 중요한 부품입니다. 이러한 아날로그 값을 일정한 시간 간격으로 샘플링하고 디지털로 변환하여 데이터를 처리합니다. 이 데이터는 마이크로프로세서로 구성된 연산 처리부에서 미리 구현된 프로그램(알고리즘)에 의해 처리하여 계전기 특성을 구현합니다. 이 방식은 최근 대부분의 계전기에 적용되어 실용화되었으며, 앞으로도 더욱 다양하고 성능이 우수한 전기기기가 출시될 것으로 예상됩니다. 계전기는 전기기기의 중요한 구성 요소 중 하나이며, 이러한 기술의 발전은 우리 생활의 편의성과 안전성을 향상시키는 데 기여할 것입니다.

 

㉰ IED형계전기

이 형식은 디지털 형식에 속하며, 양방향 통신이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특징으로 인해 어떤 네트워크에 연결하면 입출력을 주고 받을 수 있으며, IED(Intelligent Electronic Device) 또는 IED형 계전기라고 불리는 기능이 탑재된 장치를 활용할 수 있습니다. 최근에는 자동화용 국제 표준 네트워크들이 등장하면서 이러한 명칭과 분류가 보다 확대적으로 사용되고 있습니다. 또한, 변전소 자동화용 국제 규격인 IEC 61850이 실현되면서, 전기라는 명칭 대신 IED라는 호칭이 보다 많이 사용되고 있습니다.

3) 기계형 (Mechanical Type)

전기기기의 과부하나 고장 시 나타나는 온도, 압력, 유체의 흐름 등을 감지하는 보호 계전기는 비교적 단순한 작동 원리를 가지고 있습니다. 이러한 기계형 보호 계전기는 기체, 액체, 고체 형태에 따라 다양한 종류로 나뉘어집니다.

 

㉮ 기체형 계전기

공기나 가스 등을 감지하여 보호 동작을 합니다.

 

㉯ 액체형 계전기

유체의 높이나 레벨을 감지할 수 있습니다. 감지된 상태를 통해 보호 동작을 합니다.

 

㉰ 고체형 계전기

물체의 접촉을 감지하여 보호 동작을 합니다.

2. 동작 시간에 의한 분류 기준

보호계전기는 송배전 계통에서 고장 발생을 빠르게 감지합니다. 계전기는 정해진 최소 동작값 이상의 전압 또는 전류가 인가될 경우, 차단기에게 신호를 보내어 작동을 중지시킵니다. 이를 한시 또는 시한(Tme Limit)이라고 합니다. 계전기를 동작시키는 최소 전류를 최소 동작 전류라고 하며, 한시 특성에 따라 분류됩니다.

1) 순시 계전기

정정(set)된 최소 동작 전류 이상의 전류가 흐르면 즉시 동작합니다. 이 때, 한도를 넘은 양의 크기와 동작 시간과는 아무런 관계가 없습니다. 이러한 고속도 계전기는 보통 0.3초 이내에 동작하지만, 특히 0.5~2.0 사이클 정도의 짧은 시간에서 동작하는 것을 의미합니다. 가동철심형 동작기구는 그 자체로 순시계전기에 속하는 것으로 분류됩니다.

2) 정한시 계전기

정정(set)된 값 이상의 전류가 흐를 때, 동작 전류의 크기와는 관계없이 항상 정해진 시간이 경과한 후에 동작하는 것으로, 가동철심형에 타이머를 추가하여 구현할 수 있습니다.

3) 반한시 계전기

동작시간이 입력값에 반비례하는 동작특성의 계전기를 말합니다. 이러한 계전기는 고장이 크거나 피해가 많을 경우 신속히 검출하여 차단해야 하는 보호 임무에 잘 부합합니다. 예를 들어 고장 전류값이 클수록 더 빨리 동작하고, 전류값이 작을수록 더 느리게 동작하는 특성을 가지며, 이러한 특성으로 인해 전기기기의 과부하 및 단락 사고 보호에 적합합니다.

4) 반한시성 정한시 계전기

위에서 설명한 정한시 계전기와 반한시 계전기의 특성을 조합한 것으로, 어느 전류값까지는 반한시성이지만 그 이상이 되면 정한시로 변하는 것으로 실용상 가장 적절한 한시 특성이라고 할 수 있습니다. 그러나 이러한 특성을 적용하는 것은 전기 회로의 용도와 목적에 따라 다르게 결정됩니다. 예를 들어, 고장 전류가 큰 단락 사고 등에는 신속한 동작을 위해 고속도 순시 또는 정한시 특성을 적용하여 보호하는 것이 적절합니다. 이러한 상황에서는 전류 증가에 따라 빠르게 동작하여 전기 장치를 보호해야 합니다. 반면, 과부하나 전방사고에 대한 후비보호 등에는 반한시성 지연 특성으로 동작하여 보호하는 것이 적절합니다. 이 경우 전류가 일시적으로 증가하더라도 장치가 동작하지 않고 해당 문제를 해결하도록 시간을 주는 것이 중요합니다.

3. 용도 별 분류 기준

전력계통 보호 대상 및 용도 면에서 분류하면, 전력 설비 보호용과 일정 범위의 전력 계통을 보호하는 특별 보호용으로 크게 구분할 수 있습니다.

1) 전력 설비 보호용 (Equipment Protection Relays)

㉮ 과전류계전기(Over Current Relay: OCR)

일정 값 이상의 전류가 흐를 때 동작하는 계전기를 일명 과부하 계전기 또는 단락 계전기라고 합니다. 이는 송전선로뿐만 아니라 발전기, 변압기, 배전선로, 배전반 등 각종 기기에 많이 사용되는 극히 일반적인 계기입니다.

 

㉯ 지락 과전류 계전기 (Over Current Ground Relay: OCGR)

일정 값 이상의 집전류(영상 전류가 흐를 때 동작)으로 작동하는 것으로, OCR보다는 소전에서 작동하며, 변류기와의 결선도 다릅니다.

 

㉰ 부족 전압 계전기 (Under Voltage Relay: UVR)

대형 유도 전동기 등에서 갑자기 공급 전압이 일정 값 이하로 떨어졌을 때, 과전류가 흐를 수 있으며 이로 인해 전동기가 손상될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 저전압 보호장치가 작동합니다. 전압이 낮아지면 사고가 발생할 가능성이 높아지므로, 보통 고장 검출용으로도 널리 사용됩니다.

 

㉱ 과전압 계전기(Over Voltage Relay, OVR)

전압이 일정 값 이상이면 동작합니다. 일반적으로 과전압이 계속되면, 절연 노화 및 절연 파괴 등을 방지하기 위한 보호용으로 많이 사용됩니다.

 

㉲ 방향성과 전류계전기(Directional Over Current Relay: DOCR)

일정 방향으로 일정 값 이상의 과전류가 흐를 때 동작하는 과전류 계전기이며, 방향 검출 요소를 추가하여 구현합니다.

 

㉳ 방향성 지락 과전류 계전기 (Directional Over Current Ground Relay: DOCGR) 

지락 과전류 계전기는 방향성을 가지고 있습니다.

 

㉴ 단락 거리 계전기 (Short Circuit Distance Relay: SDZ)

계전기는 고장점까지의 전기적 거리에 비례한 임피던스 크기에 동작합니다. 주로 고압 이상의 송전선 단락 보호에 사용됩니다. 고장점으로부터 일정한 거리 이내일 경우 순간적으로 동작하여, 기본적인 속도는 고속입니다. 필요에 따라 타이머를 추가해 한 시간 후에 동작하도록 설정하여, 단계적으로 시간 지연 거리 계전 방식을 구현할 수 있습니다.

 

㉵ 지락 거리 계전기(Ground Distance Relay: GDZ)

지락 사고 시에는 설정한 위치까지의 임피던스 이하일 때 동작하는 거리 계전기를 사용합니다. 정확한 거리 측정을 위해서는 영상 전류로 적절한 보상이 필요합니다.

 

2) 특별 보호 시스템 (SPS: Special Protection System)

앞서 설명한 보호 계전기는 개별 전력 설비 또는 기기에 대한 보호를 목적으로 합니다. 반면에, 본 특별 보호 용은 일정 범위 또는 전체의 안정 운전을 위해 사용되는 계전기 또는 보호 시스템을 의미합니다. 이를 영어로 Special Protection System이라 하며, 전력 계통 분야에서는 고장 파급 장치라고도 널리 사용됩니다. 또한, 계통적인 불안정, 일정 지역 계통의 전압 불안정 및 연쇄 차단 과부하 파급 사고를 예방하기 위해, 해당 계통의 상황에 맞게 디자인되어 사용됩니다. 이는 일정한 형태가 주어지지 않습니다. 이러한 특별 보호 시스템용 계전기는 크게 4가지로 구분됩니다.

 

㉮ 동기탈조보호 계전기(Out-of-Step Protection Relay: OS)

송전 계통에서 발생한 고장, 대용량 발전기군의 탈락 또는 대규모 부하 급증 등의 원인으로 일부 계통의 각속도가 동기를 벗어나려고 할 경우, 이를 검출하고 해당 계통을 분리하기 위해 차단해야 합니다.

 

㉯ 과/저주파수 계전기(Over/Under Frequency Relay: O/UFR)

계통의 주파수가 허용 폭 이상으로 높아지거나 낮아졌을 때 동작하는 계전기입니다. 계통 주파수는 발전력과 부하량의 과부족에 의해 발생됩니다. 실제로 계통 주파수를 규정치보다 낮은 저주파수에서 계속 운전하면 전력 품질이 낮아져 수용가에 피해가 발생할 수 있습니다. 특히 화력발전이나 원자력 발전 등에서는 증기터빈에 악영향을 끼칠 수 있어 방치할 수 없으며, 심한 경우 전계통 Black Out될 수도 있습니다. 이러한 경우에 대비해서 전력 회사에서는 일정한 부하들에 저주파수 계전기들을 설치하여 주파수저하에 따라 계통부하를 단계적으로 자동차단 시켜줌으로써 주파수를 회복시키는 보호방식(저주파수 계전기에 의한 자동부하차단 방식)을 적용합니다. 과주파수 계전기는 회전기의 과속방지에도 쓰입니다.

 

㉰ 연쇄 차단 방지 보호장치 (Cascade Tip Protection)

중부하 선로가 갑자기 차단되면 인근의 다른 선로도 곧 과부하로 차단될 수 있습니다. 이러한 연쇄 현상을 방지하기 위해, 특수 목적의 보호 장치를 사용합니다. 이 장치들은 해당 계통의 구조와 특성에 맞게 설계되어야 합니다. 대개 전력 유입 측 계통에서 발전기 출력을 감소시키거나 자동으로 차단하여, 연쇄 과부하를 방지합니다.

 

㉱ 계통안정화 보호장치(System Stability Monitoring & Protection)

전력 계통이 불안정한 원인을 감지하고 안정화하기 위해서는 자동 또는 수동적인 방법을 사용해야 합니다. 최근에는 GPS를 이용한 동시 측정 기술이 발전하여 전력 계통 요소에 대한 전압의 크기와 위상각을 측정, 비교할 수 있는 PMU(Phasor Measurement Units)가 설치되어 계통을 감시하고 보호하는 역할을 하고 있습니다.