국내 송전선 보호 계전 방식은 어떻게 이루어질까요?

국내에는 154kV, 345kV, 그리고 765kV 송전선이 있습니다. 이 송전선들은 모두 디지털 형식의 보호계전기를 사용합니다. 154kV 송전선의 보호 계전방식은 방향비교 트립저지방식 또는 PCM전송 전류차동방식을, 345kV와 765kV 송전선의 제1주 보호는 방향비교 트립저지방식, 제2주 보호는 제어언더리치 전송 차단방식(PUTT) 또는 PCM전송전류차동방식을 적용하고 있습니다. 오늘은 이러한 국내 송전선에 대한 보호 계전 방식을 포스팅해보려 합니다.

<목차> 1. 154kV 송전선 보호 계전 방식  1.1 154kV 송전선 보호 계전 방식의 변화  1.2 154kV 송전선 보호 계전 방식의 주요 구성과 특징 2. 345kV 이상 초고압 계통 송전선 보호 계전 방식  2.1 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 형태  2.2 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 보호  2.3 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 차단 실패 보호

1. 154kV 송전선 보호 계전 방식

1.1 154kV 송전선 보호 계전 방식의 변화

154kV 송전선 보호는 1968년 11월 3일, 계통의 중성점을 직접 접지로 변경하면서 거리계 전기와 전력선 반송 방향 비교 방식을 적용하기 시작했습니다. 초기에 사용한 보호 계전기는 전자기계식(Electro Mechanical Type)이었으며, 단락 보호에는 거리계 전기를, 지락 보호에는 거리계 전기 또는 방향 지락과 전류계 전기를 적용했습니다.

1987년부터는 정지형 아날로그(Static Analog)형 계전기가 도입되었으며, 1992년부터는 정지형 디지털(Digital) 계전기를 사용하기 시작했습니다. 지중 송전선로나 단거리 가공선로에는 표시선 계전기(Pilot Wire Relay)가 적용되었으나, 표시선 Cable의 고장 전류에 의한 유도작용 등으로 오•부동작하는 사례가 많아 사용을 중지하고 1993년부터 지중 송선 보호에 광 통신을 이용한 PCM 전송 전류 차동 방식을 적용하기 시작했습니다. PCM 전송 전류 차동 방식의 성능이 우수하여 그 후로는 가공 송전선로에도 광 통신이 부설되면 PCM 전송 전류 차동 방식을 시설하여 보호 신뢰도를 향상시켰으며, 근래에는 거의 이 방식을 사용하고 있습니다. 한편, 거리계 전기의 동작 특성은 제작사별로 다소 상이하며, 최근 적용하는 디지털 계전기의 경우 4변형 특성 또는 변형 모-특성(Variable Mho)을 적용하며, 단락, 지락 공히 별 개의 3단계 한시 특성(Full Scheme)을 가진 거리계 전기를 사용하고 있습니다. 

 

1.2 154kV 송전선 보호 계전 방식의 주요 구성과 특징

현재 사용되는 154kV 송전선용 디지털 보호 시스템(방향 비교 방식)의 주요 구성과 특성을 보면 다음과 같습니다.

 

1) 주 보호(Main Protection)

• 보호 방식: 방향 비교 Trip 저지 방식
• 내부 고장 검출 요소 (C/R Trip 용): Zone-2 요소를 겸용하거나 별도로 구비
• C/R Trip 저지 신호 송출 요소: 별도로 구비 (외부 방향 거리 계전기)
• 통신 장치 결합: ON/OFF 접점 결합 방식

2) 후방 보호(Backup Protection)

• 3단계(Zone-123)에서 한 시 방향 거리 계산 방식

3) Trips

• 3상 Trip

4) 동기탈조 검출 기능

• 별도 요소에 의해 동기탈조 검출
• 탈조 시 2-1.2-2. C/R Tip은 저지, 2-3 Top은 허용

5) PT Fuse 불량 검출

• PT 전압 상실 시 거리계 전기 동작 저지 및 경보 발생

6) 영상 전류 보상 기능 있음

7) 2선 지락 시 앞선 상 Over-reach 방지 대책 구비

8) 병행 2회신선로에서 고장 전류 반전에 의한 C/R 오동작 방지 대책 구비

9) 선로 고장 시 고장점 표정 기능(Line Fault Location)

10) 중조류(Heavy Load Current)에 의한 오동작 방지 대책 구비

11) 선로 단선 고장(Open Line Fault) 검출 경보

12) 고장 검출 요소를 구비하여 거리계 전기 오동작 방지 기능 구비

13) DC 전원 이상 시 계전기의 오동작 방지 및 경보

14) Pilot Channel을 수동 및 자동 절환 기능 구비

15) 자동 재폐로 기능

• 고속도 1회 3상 재폐로

16) 상시 감시 및 자동 점검 기능

• CT, PT 회로 및 입력부(T/D Filter, S/H, MUX, A/D Converter)
• CPU
• 기억 장치(RAM, EOM)
• 정정부
• 디지털 신호 입·출력부(DI, DO 회로)
• 차단 회로(Tip Output)
• 전원 회로

2. 345kV 이상 초고압 계통 송전선 보호 계전 방식

2.1 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 형태

전력 계통이 대형 복잡해짐에 따라 현재 345kV 및 765kV 계통이 전력 수송의 기간 선로로 사용되어 안정적인 전력 공급을 위해 계통 보호 신뢰도가 매우 중요합니다. 예를 들어 345kV 송전선로 고장 시 고장 구간이 신속하고 정확하게 제거되지 않으면 계통 안정도의 위협은 물론 고장 선로 후방에서 후비 보호로 차단되어 넓은 지역의 광역 정전을 초래할 수 있습니다. 따라서 초고압(345kV 및 765kV) 계통 보호는 154kV 계통보다 한층 높은 성능과 신뢰도를 확보해야 합니다.

또한, 초고압 이상의 변전소는 공급 신뢰도 향상을 위해 1.5CB 모선 방식을 채택하고 있으며(일부 Ring 모선도 있음) 하위 계통(154kV)과의 연계에 단권변압기(Auto Tr.)를 사용하고 있어 보호 계전 방식도 이들과 조화될 수 있도록 구성해야 합니다.

2.2 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 보호

보호신뢰도를 향상하기 위해 모든 보호계전시스템(계전기, VT, PT, DC, 차단기, Trip Coil 등)은 독립된 2 계열로 구성됩니다. 따라서 보호계전방식은 제1주 보호와 제2주 보호의 기본 방식이 서로 다른 방식을 적용하여 서로 상호보완이 가능합니다.

디지털 계전기 도입 이전에 설치된 것은 제1주보호에 정지형 아날로그(Static Analog)로 방향비교 Trip 저지방식(Blocking Scheme)을 적용하고, 제2주 보호에는 전자기계식(Electro-mechanical Type)의 제어언더리치 전송차단방식(Permissive Under-reach Transfer Trip; PUTT scheme)을 적용했습니다.

91년 이후 디지털계전기를 도입하여 모든 보호에 디지털형계전기를 적용하였습니다. 제1주 보호는 종전과 같이 방향비교 Trip 저지방식을, 제2주 보호는 광통신 이용 가능 여부에 따라 제어언더리치 전송차단 방식(PUTT) 또는 PCM전송 전류차동방식을 적용합니다.

345kV 송전선 보호에 사용하는 최근 도입된 디지털 보호시스템은 다음과 같은 특성을 가집니다. 기존에 사용하던 방식과는 다소 차이가 있습니다.

 

1) 제1, 제2 주 보호 시스템 공통 사항 (방향 비교, 전송 차단 방식)

① 거리 계전기의 특성은 사변형(Quadrilateral) 또는 변형 모형(Variable Mho)을 사용

② 후비 보호는 3단계(Zone-1, 2, 3)의 단일 시방식을 사용

③ 3상 및 1상 Trip 기능이 구비

④ 고장 선로 수동 투입(Switch Onto Fault) 보호 기능

⑤ Stub Protection(맹점 보호) 기능을 구비

⑥ PT Fuse 불량 검출 기능

⑦ 영상 전류 보상 기능

⑧ 2상 지락 시 앞선 상 Overreach 방지 대책

⑨ 선로 고장점 표정(Line Fault Location)

⑩ 중조류로 인한 오동작 방지 기능

⑪ 송전선 단선 고장(Open Line Fault) 검출 기능

⑫ 자동 재폐로 기동 기능

⑬ 거리 계전기 오동작 방지를 위한 감시(Supervising) 기능

⑭ 동기 탈조 시 C/R, Zone-1.2 Trip을 저지하고 Zone-3 Trip은 허용

⑮ DC 전원 감시 기능

⑯ 계전기는 상시 감시 및 자동 점검 기능(154kV 송전선용과 동일)

 

2) 제1주 보호 시스템의 고유 특성 (방향 비교 방식)

① C/R Trip을 위한 내부 방향 요소로 Zone-2 요소 겸용 또는 별도 설치

② C/R Tnp 저지 신호 송출용 외부 방향 별도 설치

③ 동기 탈조 시 Tnp 기능 구비

④ 병행 2회선에서 고장 전류 반전에 의한 C/R 오동작 방지 기능

⑤ Pilot Channel 자동 점검 기능

 

3) 제2 주 보호 시스템 고유 특성 (전송 차단 방식)

① 통신 회선은 광통신을 이용하며(Micro Wave도 가능), 결합 수단은 CCITT G703에 따르며 전송 속도는 61 kbit/sec임.

② 각 상별로 독립된 전류 비율 차동 계전기 요소를 구하며, 3상, 1상+3상, Multi Phase Trip 기능을 구비하여 스위치로 선택 가능

③ 영상 전류를 검출하는 기능이 구비

④ Stub Protection 기능이 구비

⑤ 외부 신호에 의한 전송 차단 기능을 수행

⑥ 전송 회로 이상 시 오동작 방지 기능

⑦ 전력선 단선 고장 검출 기능

⑧ 양단이 동시에 Sampling하도록 자동 동기 검정 기능 및 전송 시간 지연 자동 보상 기능이 구비

⑨ 선로 충전 전류 보상 기능

⑩ 3상, 1상+3상, Multi Phase 자동 재폐로 기능을 구비하고 선택할 수 있음

⑪ 상시 감시 및 자동 점검 기능이 구비(154kV 송전선에 사용하는 디지털 계전기 동일 범위 감시)

 

2.3 345kV 이상 초고압 계통 송전선의 차단 실패 보호 (Breaker Failure Protection: B/F) 

초고압 이상의 송전선로에서 고장이 생길 경우 차단기가 정상적으로 동작하지 않으면 설비에 손상이 생길 수 있고 전력망이 불안정해질 수 있습니다. 이를 최소화하기 위해 가장 가까운 인접 차단기를 신속히 차단하여 고장을 제거합니다. 차단기 고장 시 인접 차단기를 Trip 시키는 Local Back Up 방식과, 후단에서 Zone-2, Zone-3 요소로 차단하는 Remote Back Up 방식이 있으며, 두 가지 방식이 모두 적용됩니다. Local Back Up 방식이 동작하지 않을 경우 Remote Back Up 방식이 동작합니다.

아래 그림에서 선로 고장 시 차단기 "A"가 차단에 실패하면, 차단기 "A"를 통해 고장점에 전류가 계속 공급되므로 인접 차단기인 "C" 및 상대적인 선로 차단기도 모두 차단합니다.

설비(선로, 변압기, 모선 등) 보호 계전기가 동작하여 Tnp 신호가 송출됩니다. 일정 시간(12Cycle 내외)이 지나도 차단기에 고장 전류가 흐르면 고장 검출용 과전류 계전기(50)가 동작한 상태로 있게 됩니다. 이로서 당해 차단기가 차단되지 못한 것으로 판정하여 차단 실패(B/F) 차단 기능을 수행합니다.

차단 방법은 동일 장소(변전소)의 인접 차단기는 중앙 차단기(”-00' CB: A CB)가 Fall 시 중앙 차단기 보호반의 Look Out 접점에 의해 양 모선 측 차단기(B와 C 차단기)를 직접 차단함과 동시에 이들 차단기 사이에 연결된 선로(또는 전력 설비)의 상대 단측 변전소 차단기가 차단되도록 전송 Tip 지령을 송출합니다. Tip 지령은 PUTT 방식의 경우 2nd main 전송 신호(2set 동시에 송출)에 의해 송출되며, PCM 전류 차동 방식에서는 PCM 계전기의 전송 차단 기능에 의해 차단됩니다.

한편 모선 측 차단기("-71" CB: BCB 또는 "72" CB: CCB)가 차단 실패인 경우는 실패 차단기가 연결된 모선에 연결된 모든 다른 차단기를 Trip 시켜야 하며, 실행 방법은 모선 보호반의 Look Out 계전기(8GB)를 기동시켜 모선 사고가 발생된 것처럼 차단시킵니다.

그림. B/F 보호 개념도