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보호계전기

모선 보호방식

모선 보호방식

[발72-1]
우리나라 전력계통에서 적용하고 있는 154kV계통보호 방식을 가공선로와 모선으로 구분하여 설명하시오.

[발72-3]
154kV이상 변전소에서 적용하고 있는 모선 구성의 종류와 모선 형태를 도시하시오.

[발75-3]
변전소를 2중모선으로 하는 경우 계통운영상의 특징을 그림으로 표시하시고 동작원리를 서술하시오. [단, 변압기, 차단기, 기타(PT/CT)삽입]

[발78-3]
일반적으로 기간계통의 중요 변전소에 적용하는 2중모선(Double bus)방식의 종류를 열거하고 각각의 장ㆍ단점을 설명하시오.

1. 개요

송전선로의 구성방식은 모선의 구성방식에 따라서 결정이 되며, 모선이란 주변압기, 발전기, 조상설비, 송전선 등이 공통으로 접속되는 공통의 도체이다. 변전소에서 모선은 전력의 조류의 집중과 배분을 담당한다.

모선보호 방식에는 전류차동 방식, 전류 비율차동 방식, 전압차동 방식(고 임피던스 차동 방식), 공심 리액터 방식, 위상비교 방식 등이 있다.

2. 모선 보호방식

1) 전류 차동방식

이 방식은 차동회로에 과전류를 검출하는 방식인데, CT의 특성의 불평형에 의해서 오동작하는 경우가 많아서 중요한 변전소에서는 사용하지 않는다. 사고선로의 CT는 포화가 되어 오동작 우려가 크다.

전류 차동방식

2) 전류 비율차동방식

이 방식은 회전기, 변압기와 마찬가지로 모선 보호에도 사용될 수 있다. 각선로마다 변류기(CT)를 설치하여 동상간을 병렬로 결선하여 차동회로에 동작 요소(OC)와 억제요소(RC)를 설치하여 비율에 따라 동작하는 방식, 비율차동계전기를 모선보호에 사용하는 방식으로 외부사고시 변류기의 오차에 의한 차동회로 전류로 오동작하지 않도록 회선전류로 억제한다. 모선에 흐르는 고장전류는 변압기등과 같이 내부임피던스가 없어서 고장지점에 따라 전류의 변화가 많으므로 모선보호용 억제를 비 직선형으로 하여 통과전류가 클수록 억제력을 증가시키는 방법을 쓰며 이것을 포화비율차동이라 한다.

전류 비율차동방식

3) 전압 차동방식(High impedance differential protection system)

(1) 개요

전압 차동방식(High impedance differential protection system)

이 방식은 모선 보호 방식 중에서 가장 선택성이 높다. 이 방식은 계전기의 임피던스를 1,500~3,000Ω로 매우 크게 하여 임의의 변류기가 포화되더라도 차동계전기의 오동작을 줄이는 방식으로 사용한다. 전압계전기에는 기본파 통과 필터를 사용하여 기본파 성분(선택성)이 유입되고 전파 정류회로를 사용하여 저항분을 차동회로에 삽입한 것이다. 즉, CT 2차 전류의 기본파 성분에 의해서만 동작한다. 모선 고장시에 회로 전압을 제한할 목적으로 Varistor 같은 비선형 저항을 전압계전기 회로와 병렬로 삽입하고 그곳에 직렬로 전류계전기를 삽입하여 큰 내부 고장전류가 흐를 때 동작한다.

(2) 원리

① 모선사고(내부사고)

모선내부에서 사고가 발생된 경우에는 모선보호를 위해서 연결된 모든 CT의 2차측 전류가 고임피던스 차동계전기의 내부의 고임피던스를 통해서 흐른다. 이때 모든 CT는 매우 큰 임피던스 부하에 의해서 개방된 것과 유사하게 동작한다.

모선사고(내부사고)

이 경우에는 모선보호에 관여한 모든 병렬 연결된 CT의 전류가 고임피던스 계전기의 내부의 큰 임피던스에 모두 흘러 매우 큰 전압이 발생하여 과전압에 노출되기 때문에 이를 억제하기 위해서 병렬로 MOV와 같은 전압억제 소자를 사용하여 보호한다. 또한 고임피던스 계전기의 내부 임피던스가 매우 크므로 CT는 개방된 상태와 유사하게 되어 모든 CT는 완전포화되어 1/2주기 마다 큰 스파이크 전압이 나타난다. 이 전압은 MOV 소자에 의해서 제한되고, 필터를 통과시켜 지정된 전압이상이 되면 내부고장을 검출토록 한다.

② 선로사고(외부사고)

선로에서 사고가 난 경우에 선로의 수가 많은 경우에 모든 전류가 고장선로측으로 유입되어 그 선로의 변류기가 완전하게 포화될 수 있어 이 경우를 고려하더라도 고임피던스의 차동회로보다 포화된 변류기의 여자 임피던스가 매우 작아서 대부분의 전류는 여자 임피던스를 통해서 흐르므로 계전기에는 낮은 전압강하만 발생되어 오동작하지 않는다. 이때 발생되는 전압강하보다 큰 값으로 동작전압을 정정하여 사용한다.

선로사고(외부사고)

4) 공심리액터 방식

CT의 포화문제로 인한 오동작을 방지하기 위해서 철심이 없는 공심 리액터를 사용한 방식이다.

공심리액터 방식

5) 기타 위상 비교 방식

3. 모선 보호방식 적용시 유의점

1) 변류기 → 전류(비율) 차동계전 방식 및 전압차동방식에 한함

(1) 모선전용의 보호용 변류기 적용할 것

CT의 포화에 의한 오차를 막기 위해서 CT에 보호용 및 계측기용으로 사용하면 부담이 증가하여 오차가 증가되기 때문이다.

(2) 변류기의 권수비를 일치

보조CT(CCT)를 사용하여 권수비 조정이 가능하나 과전류 특성까지 일치해야 하므로 권수비가 일치한 변류기를 사용한다.

(3) 변류기의 선정시

→ 최대고장전류가 변류기의 과전류 정수 이하에 있을 것

→ 변류기의 부담이 정격부담 이하 일 것(제어 Cable + 계전기류 + …)

(4) 변류기의 위치

→ 차단기를 중심으로 모선측 혹은 선로측에 설치하는 방법이 있으나, 선택성을 위해서 차단기를 중심으로 양측에 설치하는 것이 바람직하다.

2) 모선의 선택 차단

모선 보호계전기는 과도안정도 유지, 공급지장을 최소화하는데 목적이 있으므로 고장 모선만을 분리하는 선택차단을 하는 것이 바람직하다.

3) 고장검출 계전기 겸용

모선 보호계전기의 동작은 계통에 미치는 영향이 막대하므로 어떠한 경우라도 오동작하지 않아야 한다. 그러므로 보호방식의 선정 문제도 있으나, 점검, 보수 및 인출선로의 절환 조작시에 오동작 우려가 있으므로 이를 방지하기 위해서 별도의 고장 검출 계전기와 조합해서 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 신뢰도가 높은 저전압계전기(27)를 고장검출 계전기로 사용한다.

4) 2계열 구성

우리나라의 경우 1계열에 전류차동방식 또는 전압차동방식을 적용하고, 2계열에도 동일하게 전류차동방식 또는 전압차동방식을 적용한다. 그리고 고장검출 계전기로 저전압계전기를 적용한다.

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