전력용 변압기를 보호하기 위해 반드시 필요한 전문 지식

 

변압기는 전력 계통이나 자가용 수전 설비에서 매우 중요한 전력 기기입니다. 고장이 발생하면 전력 공급이 중단되거나 각종 시설이 정지되어 사고 발생 시 손해 정도가 매우 큽니다. 이러한 변압기 사고를 방지하기 위해서는 전문적인 지식이 필요한데, 사고 유형 파악 및 보호 방법에 대해 알아보고자 합니다.

 

<목차> 1. 변압기 사고 유형 2. 보호계전장치별 보호 역활  2.1 전기적 보호계전기   1) 과전류 계전기(51)   2) 차동보호 계전기(87)   3) 지락보호 계전기  2.2 기계적 보호계전기   1) 부츠홀츠(Buchholz) 계전기(96P)   2) 충격 가스 압력 계전기(63G)   3) 충격 유압 압력 계전기(63Q)   4) 방압장치   5) 경보 접점부 온도계(26D)   6) 경보 접점부 유면계(33Q)

 

 

1. 변압기 사고 유형

변압기는 보통 대량의 기름(절연유)을 사용하기 때문에 내부 고장으로 인한 화재 위험도가 높으며, 사고 시 손해 정도가 다른 전력기기에 비해 매우 큽니다. 이에 변압기의 보호계전장치들은 이러한 사고의 확대 방지를 위해 고감도의 확실한 동작이 요구됩니다. 변압기의 사고종류를 살펴보면 아래의 표 1과 같습니다. 사고를 크게 분류하면 내부사고, 외부사고, 보조기기 사고, 외부 계통사고에 의한 파급 그리고 과부하사고로 분류할 수 있으며, 권선의 단락 및 지락, 절연파괴, 부싱 사고 등은 중대고장으로 취급하며, 과부하, 과열, 냉각계통고장에 의한 온도상승 등은 가벼운 고장으로 취급하는 것이 일반적입니다. 이러한 사고들 중에 발생 빈도가 상대적으로 높은 것은 권선의 층간단락 사고와 지락사고입니다. 법규에 정해져 있는 특별고압용 변압기의 보호장치 설치기준은 전기설비기술기준령 제54조에 명시되어 있으며, 그 내용을 요약하면 표 2와 같습니다. 변압기의 사고에는 전기적으로 검출 가능한 것과 기계적인 방법에 의해 검출할 수 있는 것이 있으며, 변압기 내부사고에 대해서는 전기적인 보호장치와 기계적인 보호장치를 병용하는 것이 일반적입니다.

 

[표 1. 변압기 사고 종류]

사고구간	사고부위	사고 내용
내부	권선(Coil)	단락, 지락, 층간단락, 고전압권선 혼촉, 단선
	철심(Core)	절연파괴, 과열
	연결부(Lead)	단락, 지락, 단선
	탭(Tap) 절환부	단락, 접촉자 과열, 자재불량
	절연유	이상과열, 유량부족, 열화
외부		부싱(Bushing) 절연파괴, 단자과열, 기계적파손
보조장치		냉각 팬(Fan) 고장, 순환펌프(Pump) 고장

 

[표 2. 특별고압 변압기의 보호장치]

용량 및 냉각방식		보호대상 사고 종류	보호장치 기능
변압기 용량 5,000kVA ~ 10,000kVA		내부 사고	O
변압기 용량 10,000kVA 이상		내부 사고	O
냉각방식	송유풍냉식	송풍기 정지	O
	송유자냉식	유압펌프 정지	O
	수냉식	냉각용수 단수	O

 

2. 보호계전장치별 보호 역할

2.1 전기적 보호계전기

변압기의 과전류 보호는, 변압기를 정지시켜 온도 상승에 의한 절연물의 열화를 방지하면서도, 변압기의 정격 용량이나 단시간 과부하 운전을 계속할 수 있도록 설정값 이상의 과대한 전류를 검출합니다. 변압기의 수명은 보통 주위 온도가 25℃에서 정격 부하로 연속 운전 시, 변압기의 최고 온도가 95℃인 경우 약 30년으로 추정됩니다.

 

1) 과전류 계전기(51)

변압기의 1차 또는 2차(경우에 따라서는 3차 측)에 설치하며, 보통 특고용 변압기에 사용됩니다. 이 계전기는 설치된 회로의 단락 사고에 대한 주보호 또는 후비보호를 담당하고, 과부하에 의한 손상을 방지합니다. 따라서, 순수한 부하 측을 제외한 계통 전원이 연결된 단자 측(주로 1차 측)에는, 순시 동작요소(50)를 갖는 과전류 계전기를 채용하며, 이때 50 요소는 변압기 붓싱으로부터 차단기까지의 연결부위의 단락사고에 충분히 동작되도록 하되, 상대측의 단락사고에는 확실히 동작되지 않도록 조정(Setting)하여 고. 저압 측의 단락사고를 구분할 수 있도록 합니다. 또한, 한시 동작요소(51)는, 변압기 자체의 과부하 보호는 물론이고 상대측(예: 저압 측) 단락사고의 후비보호 역할을 담당하도록 해야 합니다. 계전기 동작시간은 변압기의 단시간 과부하 허용시간 이내가 되도록 설정합니다.

 

2) 차동보호 계전기(87)

변압기 내부 사고 방지를 위한 전기적인 보호 계전 장치로 타 전력기기와 마찬가지로 전류 차동 계전기가 널리 사용됩니다. 그러나 변압기에서 특별히 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 위상각 보정: 변압기의 결선이 A-Y 또는 Y-A로 되어 있으면 각 상 전류의 위상각이 각 변위에 따라 ±30도씩 다르게 됩니다. 따라서, 변류기(CT) 2차 회로의 접속을 △측은 Y, Y 측은 로 하여 계전기로 유입되는 전류들이 각 상별로 동위상이 되도록 보정해 주어야 합니다.
• 전류값 보정: 변압기의 변압비와 변류기의 변류비가 서로 일치하지 않는 것이 일반적입니다. 따라서 이를 그대로 차동 계전기에 연결하면 차동 회로에 전류가 흐르게 됩니다. 이를 방지하기 위해서는 별도의 보상 변류기를 사용하거나 보정용 변류기가 내장된 전류 차동 계전기 (87)를 사용해야 합니다. 이렇게 하면 평소에 차전류가 흐르지 않도록 조정할 수 있습니다.
• 변류기 특성 불일치: 각 회로의 변류기 형식, 정격 등이 다르며, 과전류 정수도 다른 경우에는 그대로 사용하면, 큰 전류가 흐르는 외부 사고 시 차동 회로에 전류가 흘러 오동 작할 우려가 있습니다. 따라서, 변압기의 통과 전류로 억제력을 발생시켜 주는 비율 차동 특성을 갖는 계전기를 사용할 필요가 있습니다.
• 여자 돌입 전류(Inrush Current) 대책: 변압기를 가압할 때 흐르는 여자 전류는 변압기 철심의 B-H 특성의 비직선성과 철심에 잔존하는 잔유 자기, 그리고 차단기 투입 순간의 전압 위상각에 따라 자기 회로 상에 큰 쇄교자속 변화가 일어나게 됩니다. 이에 의해 과도기 돌입 전류가 흐르게 되며, 이 여자 전류는 전류 차동 계전기에서 차전류로서 차동 회로의 동작 코일에 흐르게 됩니다. 이 여자 전류의 파고 값은 변압기 정격 전류의 수 배 ~ 십 수 배에 달하며, 대용량의 경우 감쇄 시간은 수 초(일반적으로 1초 이내)가 걸릴 수 있습니다. 이러한 여자 돌입 전류로 인한 문제를 해결하기 위한 대책이 필요합니다.

 

3) 지락보호 계전기

변압기의 지락 보호는 해당 변압기의 중성점 접지방식과 권선이 연결된 계통의 중성점 접지방식에 따라 다릅니다. 표 3은 일반적으로 사용되는 보호 계전장치를 보여줍니다.

 

[표 3. 변압기 지락보호계전 장치]

변압기 권선 연결 계통			보호계전기 장치명
비접기계통	66kV 22kV 3.3kV		- 지락과전압계전기(64: OVGR) - 선택지락계전기(67N: SGR) - 탱크지락계전기
직접접지계통 또는 저항접지계통	154kV 22.9kV 11.4kV	당해변압기 중성점비접지	- 지락과전류계전기(51N: OCGR) - 탱크지락계전기
		당해변압기 중성점접지	- 방향지락과전류계전기(67N: DOCGR) - 지락차동계전기(87N) - 탱크지락계전기

 

2.2 기계적 보호계전기

주로 절연유를 사용하는 변압기의 내부사고 보호에 사용되며, 변압기 내부의 절연불량, 국부 가열 등에 의한 절연유의 온도 상승 또는 절연유의 분해로 인한 가스화 현상을 감지하여 내부사고를 검출합니다.

 

1) 부츠홀츠(Buchholz) 계전기(96P)

이 계전기는 절연유가 흐르는 동로 일부에 가스가 모일 수 있도록 하고, 그곳에 플로트 스위치와 흐름 계전기를 조합하여 설치합니다. 변압기 내부 고장으로 인해 절연유에 가스가 발생하면, 그 가스가 계전기의 상단에 집적되어 있는 플로트가 유면 저하로 인해 기울어지면 내장된 은 접점이 동작되어 경보 등을 발생시킵니다.

일반적으로 변압기 탱크와 콘서베이터와의 연결 접속관 도중에 설치하며, 급격한 사고 진행의 경우는 가스는 물론 절연유의 급격한 분출로 인해 아래에 있는 플로트가 동작하여 변압기를 정지시킵니다.

이 계전기의 특징은 변압기 절연유 내에서의 사고에 대해서만 동작하고, 붓싱, 변압기와 차단기간의 사고에 대해서는 동작하지 않으며 여자 돌입 전류 현상에는 영향이 없습니다. 또한, 제1단계인 경보접점에 의해 철심 층간 절연 파괴, 권선의 층간(Turn-to-Turn) 단락 등 미세한 사고도 조기에 감지할 수 있는 장점이 있습니다.

한편, 지진이나 외부의 강한 충격에 의해 오동작될 수 있는 단점도 있었으나, 최근에는 많은 개선이 이루어진 제품들이 사용되고 있습니다.

 

2) 충격 가스 압력 계전기(63G)

변압기의 내부 사고로 인한 급격한 가스 압력 상승을 이용한 계전기입니다. 이 계전기는 질소 봉입식 변압기나 개방형 변압기 등의 콘서베이터나 방압관의 가스실에 설치하여 사용합니다. 가스 압력의 변화량을 감지하여 동작하면, 중대한 사고로 간주되어 변압기를 정지시킵니다.

 

3) 충격 유압 압력 계전기(63Q)

충격 가스 압력 계전기와 유압을 이용하는 것은 원리가 다릅니다. 이 계전기는 절연유와 외기 사이를 고무 등으로 차폐한 무압 밀봉식 변압기에 적용됩니다. 변압기의 측면에 설치하여 탱크 내의 유압 변화를 검출합니다. 보통 압력이 평형 상태로 유지되어 Float가 정위치에 있지만, 내부 사고로 Bellows가 급격히 압축되면 Float가 상승하여 접점이 동작하는 원리로 이 계전기는 동작 시 변압기를 정지시킵니다.

 

4) 방압장치

변압기 내부 사고로 인해 탱크 내부에서 가스가 다량 발생한 경우, 변압기 상단에 가스 방출관을 설치하여 탱크의 변형이나 파열을 방지합니다. 그리고 방출관 선단에 방압판을 부착합니다. 압력 차이가 0.5-0.8kg/cm² 이상 발생하면, 자동으로 파괴되어 탱크 내부의 압력을 조절합니다. 이 방압판이 변형되거나 파괴될 경우, 마이크로 스위치가 작동하여 변압기를 중지시킵니다.

 

5) 경보 접점부 온도계(26D)

변압기의 과부하나 절연유 열화로 인한 상승된 온도를 감지하여 경보를 발생시켜, 변압기 과열 사고를 미연에 방지합니다. 일반적으로 다이얼 온도계에 내장된 접점을 사용하며, 필요에 따라 변압기를 차단하거나 부하를 제한하기도 합니다. 이 온도계의 감온부는 변압기의 최고 유온부에 설치되며, 일반적으로 접점 동작 온도는 80-90도 정도입니다.

 

6) 경보 접점부 유면계(33Q)

변압기의 안정적인 운전을 위해서는 변압기 내부의 절연유가 유지되어야 합니다. 그러나 누설이나 증발로 인해 절연불량과 냉각 불량이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 예방하기 위해서, 유면 감시용 계기에 정보 접점을 부착하여 절연유의 누설 및 증발을 감지할 수 있도록 하는 것이 좋습니다. 따라서, 정기적인 유지보수와 점검을 통해 변압기의 안전한 운전을 유지할 수 있습니다.