전력계통는 어떻게 보호되는가?(feat.보호계전 시스템)

전기차의 시대가 도래되고 전기 제품들이 많아지면서 그런 전기기기 및 전기를 공급하는 전력 계통을 보호하는  보호계전기는 어떠한 성능이 있어야 하는지, 그리고 이런 보호계전 시스템은 어떻게 구성되는지에 대해 포스팅해보겠다.

목차 1. 전력 계통 보호와 보호계전기 2. 보호계전기가 구비해야 할 성능 3. 보호계전 시스템의 구성

1. 전력 계통 보호와 보호계전기

오랫동안의 꾸준한 전력기술의 발달은 전력 에너지의 막대한 수요 증가에도 불구하고 경제적이고 신뢰성 있는 전력 계통을 구성할 수 있는 밑받침이 되어 왔다. 이러한 발달 중에서 보호계전기 및 자동 제어 분야의 기술 발전은 매우 큰 역할을 담당하였으며, 규모가 큰 전력기기가 도입되고 복잡한 구조의 전력 계통이 구성됨에 발맞추어 진보를 거듭하여 오늘날의 전력 설비들과 전력 계통이 안정적으로 운용되게 하는 신경계통을 이루고 있다. 여기서 "보호"라는 말은 전력기기나 전력 계통의 입장에서 볼 때 안전을 확보하기 위한 총체적인 의미로 사용되며 "보호계전기"라 함은 원칙적으로 예방적인 기능을 갖는 것은 아니며 일단 고장상태로 된 이후에 그 상태를 신속히 판단하는 장치로서 사실상 긴박 한순간에 기능을 발휘해야 하는 장치로서 일명 "무언의 초병(Silent Sentinel)"이라고 불리기도 한다. 보호계전기, 전압 전류 변성기, 차단기를 합하여 보호계전 시스템이라 하고 이들이 팀을 이루어 보호기능을 발휘한다.

보호계전 시스템은 보호 대상 기기의 각종 사고에 대비하여 항상 대기상태로 사용되고 일순간의 불연속도 없이 상태를 감시하고 있다가 사고상태로 돌입되면 사고기기 또는 고장 부위를 계통으로부터 차단하여 계통 전체의 안전 운전 사고기기의 손상을 억제하는 역할을 해야 한다. 마치 도마뱀이 자기 꼬리가 밝혔을 때 그 부분을 속히 끊어버리고 도망하여 생명을 유지하는 것과 매우 유사하다.

 

이와 같이 보호계전기의 사용목적은 아래와 같이 정리할 수 있다.

• 기기 손상의 억제 및 방지
• 전력 계통의 안전 운전
• 전력공급 신뢰도 확보

하지만 최근에는 전력 계통 및 설비의 규모가 증대되고 복잡화됨에 따라서 사고가 미치는 영향이 커져 보호계전 시스템은 전력 계통 전반에 관한 안정유지 및 공급 신뢰도 확보라는 면에 중점을 두게 되었으며 전력 계통의 일정 지역이나 일정 전압계통을 감시하여 사고 유무 및 파급 방지를 판단하는 특별 보호계전시스템(SPS : Special Protection System)을 구성하여 사고가 전력 계통 전체에 파급되는 일이 없도록 하기 위하여 적용되는 경우가 많아졌다. 이런 의미에서 볼 때 보호계전 시스템은 사고 시 대규모 계통을 제어하는 성격도 갖게 되었다. 

2. 보호계전기가 구비해야 할 성능

보호계전기가 역할을 담당하기 위하여 기본적으로 갖추어야 할 성능으로는 아래와 같이 구분할 수 있다.
• 신뢰성(Reliability)
• 신속성(Speed)
• 선택성(Selectivity)
• 경제성 및 단순성(Economics and Simplicity)

1) 신뢰성(Reliability)
보호계전 시스템에서 신뢰성은 의존성(Dependability)과 안전성(Security)으로 나누어 생각하는 것이 편리하며 의존성은 '마땅히 동작해야 할 사고에 대하여 얼마나 정확히 동 각할 수 있느냐?" 하는 것을 나타내며, 안전성은 사고 또는 이상 상태가 아닌 경우 즉 '동작해서는 안 될 때 동작하지 않는 성능을 나타내는 것이다. 그러나 실제로 이 두 가지 사항들은 상반되어 나타나서 안전성을 높이려면 의존성이 저하되고 의존성을 높이려면 안정성이 떨어지게 되어 보호 시스템이나 보호 방식을 설계할 때 두 가지를 서로 잘 절충하여 고려해야 한다.

 

2) 신속성(Speed)
사고를 예측할 수 있는 계기가 있다면 매우 이상적일 것이다. 그러나 그것이 가능하다 하여도 실제로 차단기를 동작시킬 것인지 아니면 그대로 둘 것인지 또 차단기를 언제 동작시켜야 좋을지 하는 점들이 의문으로 남게 된다. 그것은 사고가 어떠한 성격의 것이냐 하는 점에 따라 계전기의 동작시간을 결정하여야 한다. 피해를 억제하려 면 가능한 한 빠른 속도의 계전기를 사용해야 하겠지만 만약 사고가 아니고 유사현상에 지나지 않는 과도기적 상태라면 오히려 오동작으로 인한 계통 안전성 및 공급신뢰도 저하를 초래하므로 이러한 때에는 동작 속도가 느린 계전기를 선택하는 것이 유리한 결과가 될 것이다. 그리하여 신속한 계전기가 필요할 경우에는 안전성 보장이 있는 것을 선택하여야 한다.
일반적으로 고속도 계전기라 하면 동작시간이 동작 개시 값의 200% 입력에서 40ms 이 내인 것을, 순시 동작 계전기라 하면 동작 기구 상에 의도적으로 시간 지연 요소를 부가하지 않은 것을 말하며 실제로는 이 두 가지가 같은 의미로 사용될 때가 많다. 최근에는 반도체 및 디지털 소자의 응용 기술의 발달로 신뢰성이 높고 동작 속도도 수 ms 정도의 초고속 계전기가 등장하고 있어 계전기 자체만의 속도는 거의 문제가 없는 편이지만 차단기의 동작(고장제거) 시간이 수십 ms에 이르러 차단기의 성능 개선도 요구되는 실정이다.

3) 선택성(Selectivity)
전력 계통 또는 연결된 전력기기들을 전체로 생각할 때 어떤 위치에 어떠한 계전기를 사용하여 사고 시 전력공급의 시장을 최소화하고 계몽 안정 위험을 방지할 수 있는가 하는 점을 결정짓는 능력이라 할 수 있다. 선택성이 좋은 계기는 담당하는 보호범위가 주어질 때 그 내부 사고와 외부 사고를 뚜렷하게 구분할 수 있게 되며, 시스템화된 보호 장치에서는 그때마다의 상태에 따라서 차단해야 할 최적 구간을 선택하는 능력까지도 갖게 된다. 계전기 개체의 선택성을 말할 때 선택성이 있는 것은 보통 선택성 계전기 또는 방향성 전기라 하며 사용 시에는 그 계기에 적합하도록 입력회로 결선해 주어야 한다. 한편 보호 시스템들은 거의 다 선택성을 갖도록 구성되며 예를 들면 송전선로에 사용되는 파일롯 계전 및 단계 한시 거리계 시스템이 그러한 것들이다.

 

4) 경제성 및 단순성(Economics and Simplicity) 
어떤 분야에서나 마찬가지로 저렴한 비용으로 최고의 효과를 기대하는 것은 보호계전기 분야에서도 예외일 수는 없다. 그러나 실제는 어떤 계전기를 사용하였을 때 얻을 수 있는 효과를 사전에 수치적으로 평가한다는 것은 매우 어렵다. 따라서 보호하고자 하는 기기의 중요도, 용량 및 가격 등을 고려하는 동시에 계전기 측으로는 고신뢰도, 고속도 및 다기능의 것을 우선하여 선택하고 비슷한 조건인 경우에는 가격이 낮은 것을 택하는 것이 일반적이다. 그리고 계전기나 시스템을 구성할 때 많은 요소를 사용하거나 회로 구성이 복잡해지면 그 자체에 결함이나 오차가 발생하기 쉬워 결국 계전기의 수명 기간 중 신뢰도 저하 요인이 많게 되며 유지 보수 면에서도 불리하게 된다. 따라서 동일한 성능을 갖는 것이라면 단순한 구조, 단순한 방식을 채용하는 것이 유리하다.

 

3. 보호계전 시스템의 구성

보호 시스템은 피 보호기기의 상태를 감지하기 위하여 전류 또는 전압 기타 필요한 정보를 취하고 이를 비교 또는 분석하여 사고인지 아닌지 또는 차단할 것인지 (1) 아니 면 그대로 둘 것인지 (0)의 판정에 따라 해당 차단기를 동작시킨다. 이와 같은 기능을 발휘하기 위하여 입력 장치로서 전류변성기(CT: Current Transformer) 및 전압변성기(PT : Potential Transformer)가 있어야 하며 사고를 판별하는 기구인 계전기(Replay)가 필요하고 또 최종적으로는 계전기의 판별 결과에 따라 해당 전력기기 또는 일부 계통을 전체 계통으로부터 차단시켜 주는 구동자(Actuator)인 차단기가 있어야 한다.

이와 같이 변성기, 계전기 및 차단기가 하나의 팀을 이루어 전력기기를 보호하게 되며, 어떤 경우에는 이렇게 구조상으로 3개 부분이 뚜렷이 구별되지 않는 경우도 있으며 주로 저압 선로나 간단한 기기를 보호하는 데 사용하는 퓨즈류(Fuse) 배선용 차단기인 NFB(No Fuse Breaker) MCCB(Molded Case Circuit Breaker), ACB(Air Circuit Breaker) 등이 있다.
한편 송전선로와 같이 길이가 긴 전력 설비에서는 선택성 있는 보호를 위하여 양단의 정보를 교환하게 되는데 이때 필요한 통신수단이 보호 계전 시스템의 중요한 구성요소가 되기도 하며 이러한 통신로를 보통 파일럿 채널(Pilot Channel)이라고 하며 최근에는 보호계전기 디지털화 되어 일반 데이터 통신 채널을 사용하기도 한다.
실제로 보호 계전 시스템을 설계하기 위하여 도면을 그리거나 현장에서 결선작업을 할 때 변성기로부터 시작된 AC 신호가 흐르는 부분을 그린 것을 AC Schematic 또는 AC Sequence 도면이라 하고 계전기의 동작점이나 출력신호로부터 연결되어 차단기 동작 회로에 이르는 제어회로를 DC 신호가 흐르므로 DC Schematic 또는 DC Sequence 도면이라 한다. 

따라서 구성하고자 하는 보호계전 시스템을 얻기 위해서는 변성기의 극성에 맞춰 정확히 결선되어야 하며 자칫 잘못하여 오결선 되어 전혀 예기치 못한 동작특성을 나타내는 경우가 종종 있어 실무자들에게 주의를 요하는 부분이라 하겠다.