전력계통의 보호계전기 동작원리

전력계통의 보호계전기는 전기 안전을 유지하기 위해 매우 중요한 역할을 합니다. 보호계전기는 전기 고장으로부터 전기 장치와 인명을 보호하는 역할을 하며, 계전기 형태별로 다양한 방식으로 동작합니다. 이 글에서는 전력계통의 보호계전기 동작 원리에 대해 자세히 알아보겠습니다.

<목차> 1. 보호계전기 대표적인 형식에 대한 원리 2. 보호계전기 형태별 동작원리  1) 가동철심형 계전기  2) 유도형 계전기  3) 전력계전기 및 방향계전기  4) 디지털계전기

1. 보호계전기 대표적인 형식에 대한 원리

보호 계전기는 형태상으로 아날로그(Analog)형과 디지털(Digital)형으로 구분할 수 있습니다. 아날로그형은 다시 전자기계형(Electro-mechanical Type)과 정지형(Static Type)으로 분류됩니다. 전자기계형 계전기는 변성기 2차 회로에 유기되는 전기량에 의해 직접 웅동하는 계기를 말하며, 유도원판형이나 가동철심형과 같은 형태를 갖습니다. 정지형 계전기는 변성기 2차 회로에 유기되는 전기량을 소세력화하여 논리회로, Level 검출 회로, 적분 회로, 시간 지연 회로, Switching 회로 등을 이용하여 비교 판단하는 계전기를 말합니다. 또한, 디지털형은 변성기 2차 회로의 전기량을 디지털 신호로 변환시켜 정해진 프로그램에 따라 동작하는 계기를 말합니다.

전자기계형 계전기는 서지 전압이나 노이즈에 강하지만 기능이 한정되어 있고 신뢰성이 낮습니다. 반면, 정지형 계전기는 기능이 다양하지만 서지 전압이나 노이즈에 약하며, 소자의 경년 변화 등으로 인해 신뢰성이 낮아지는 단점이 있습니다. 이러한 이유로, 저부담, 신뢰성, 융통성, 경제성이 뛰어난 디지털형 계전기로 교체되고 있습니다.

디지털형 보호 계전기는 자가 진단 기능을 갖추고 있어, 계전기 불량 발생 시 사용자에게 경보 신호를 출력하여 점검할 수 있도록 합니다. 이러한 기능은 정상 운전 시간(MTTE, Mean Time To Failure)을 증가시키는 데 도움이 되며, 전력 계통 고장 발생 시 고장 기록 기능(Black Box 기능)을 이용하여 고장 전류, 전압, 형태, 보호 계전기 내부 요소 동작 상황(Event), 입·출력 정보 신호 사항 등을 그대로 기억하고 분석할 수 있습니다.

 

2. 보호계전기 형태별 동작원리

1) 가동철심형 계전기

가장 오래된 계전기 형식으로, 기본적인 원리는 철심 위에 코일을 감아 입력(전압계전기 코일은 가늘고 권수가 많으며, 전류계전기의 코일은 굵고 권수가 적음)을 인가하면 입력의 자승에 비례하는 흡인력이 발생하여 가동철심을 점점 동작시킵니다. 동작 레벨을 조정하려면 코일에 알맞도록 단자를 내어 필요한 입력에 사용할 수 있도록 합니다.

발생되는 흡인력(F)는 다음과 같이 표현됩니다.

여기서 NI : 코일의 암페어 턴, A : 자로의 단면적[m2], d: 자극과 철심 간의 갭 간격[m]

 

이 형식의 보호계전기는 순시형 전류 또는 전압 계전기를 제작하는데 사용됩니다. 또한, 자동 제어 회로나 전화기 회로에서 많이 사용되어왔던 전자식 다접촉 보조 계전기 대부분이 이러한 형식을 취합니다. 그러나 디지털 장치의 도입으로 사용이 급감하였습니다. 이러한 보조 계전기들은 가격은 저렴하지만 정밀도가 낮은 편입니다. 프런저(Plunger)형과 힌지(Hinged)형으로 구성되어 있지만, 동작 원리는 동일합니다.

 

2) 유도형 계전기

유도형 계전기는 회전용 알루미늄 원판이나 원통에 위상이 다른 두 교류 자속을 통과시키면 유도 작용에 의해 와전류가 발생됩니다. 이 와전류와 서로 다른 교류 자속과 상호작용하여 프레밍의 왼손법칙에 따라 해당하는 회전력이 발생하여 회전합니다.

좀 더 자세히 설명하면 자속 ø1에 의해 원관에 유도 와전류 iø1이 발생되고 같은 원리로 자속 ø2에 의해 유도전류 iø2가 발생됩니다. 동시에 자속 ø1와 전류 iø2가 작용하여 FI의 힘이 발생하고, 자속 ø2 외 전류 iø1가 작용하여 F2의 힘이 발생됩니다. 그런데 두 자속 간에 크기가 같고 위상이 동일하면 그림에서 보는 바와 같이 FI=F2가 되어 움직이지 않습니다. 하지만 ø1 위상이 ø2 위상보다 빠르고 크기도 크다면 매 순간의 힘은 F1 < F2로 되어 원판은 회전 방향으로 회전하게 됩니다.

이것을 수식으로 전개하면 입력인 자소기 정현파인 것으로 보고 θ만큼 위상차가 있으므로 다음식과 같이 됩니다.

이로부터 유도된 전류  iø1,  iø2는 파라데이 전자유도법칙에 따라 각각 아래와 같이 발생됩니다.

이어서 한쪽의 자속과 다른 쪽의 유도전류 간에 상호작용에 따라 플레밍의 왼손법칙에 따라 각각 힘 F1과 F2가 발생하며, 결국 구동력(τ)은 다음과 같이 일정한 크기를 가지며 위상각차 θ의 정현값에 비례합니다.

실제로 위상이 다른 자속을 만들어주는 구조는 세이딩 코일(Shading Coil)형, 전력계형 및 분상형 등이 있으며 이들의 차이는 단일 입력에서 어떻게 위상이 다른 자속 ø1, ø2 를 만들어 주느냐에 있습니다.

 

3) 전력계전기 및 방향계전기

위에서 설명한 유도형 계전기의 동작 원리에 따르면, 위상이 다른 두 종류의 자속(ø1, ø2) 중 하나는 전압(V)에 의한 자속이고, 다른 하나는 전류(I)에 의한 자속을 원판이나 원통에 통과시며, 발생하는 토크(τp)는 다음과 같습니다.

여기서 전압회로 임피던스를 조정하여 위상각 δ = 0 이 되도록 하면 이 계전기에 발생하는 토크(τp)는 아래와 같이 되어 바로 유효전력에 비례하는 토크를 발생하는 전력계전기가 됩니다.

또한, 전압을 기준으로 볼 때 전류가 반대 방향으로 흐르면 토크가 (-) 값이 되어 계전기가 반대 방향으로 움직입니다. 이러한 특성으로 방향계 전기로 사용할 수 있습니다. 방향계 전기는 일반적으로 반대 방향 토크가 발생하면 기계적으로 가동 접점이 움직이지 못하도록 그 방향에 정지 장치를 두어 사용합니다. 그러나 필요한 경우 반대 방향에도 접점을 설치하여 방향을 지시할 수 있습니다.

 

4) 디지털계전기

전력계통의 CT, PT로부터 공급되는 전류와 전압을 받아들여 입력 조절 장치를 통해 반도체 소자에서 취급할 수 있는 ±10[V] 이하 레벨로 조정한 후 고조파 및 노이즈를 제거하기 위한 필터 회로를 거칩니다. 그 다음에는 신호를 샘플 & 홀드 회로를 통해 주어진 주기마다 캡처하고 이를 멀티플렉서 회로를 통해 순서대로 아날로그 디지털 컨버터(A/D 변환기)에 보냅니다.

이렇게 하여 이진수(Binary)로 표현된 정보가 버퍼를 거쳐 중앙처리부에 있는 RAM 메모리에 저장되어 ROM에 탑재된 계전기 알고리즘을 수행하는 프로그램 순서와 절차를 따라 처리에 이용됩니다.

이와 같이 아날로그 신호로 직접 보호계전기의 역할을 수행하는 것을 아날로그형(Analog Type) 보호계전기라 하며, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로프로세서에서 연산 프로그램으로 보호계전기 기능을 수행하는 장치를 디지털(Digital)형 보호계전기라고 하며, 수치해석 계전기(Numerical Relay)라고도 합니다

보호계전기를 디지털화하는 목적은 크게 다음과 같습니다.

• 전력계통이 대형 복잡화됨에 따라 직류분, 저차고조파 발생 등에 대한 기존 아날로그 (전자기계식 포함)형 보호계전기의 한계성 극복
• 자기진단 기능 등 다기능화 함으로써 유지보수 편의 및 신뢰성 향상
• 반도체 및 전기통신 기술의 적극적인 이용 가능

디지털 계전기의 동작 원리의 기본적인 기법은 아래와 같이 구분할 수 있습니다.

• 진폭 계산형(면적법)
• 페이저(Phasor) 연산에 기초한 방식
• 모델(Model)에 기초한 계전기