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보호계전기

발전기 보호

발전기 보호

[발95-3]
대용량 발전기 보호를 위해 사용되는 비율차동계전기와 지락과전압계전기의 사용목적에 대해 설명하고 보호 결선도를 그리시오.

[발86-4]
상업용 화력 동기발전기에 대해서 승압변압기를 포함한 다음의 발전기 및 주변의 보호계전기 단선도를 그리고, 각 보호계전기 종류에 대한 보호목적과 원리에 대하여 설명하시오. (단, 중성점접지 보호방식은 접지변압기를 사용하는 것)
계전기의 종류: 87G, 59, 40, 32, 24, 81, 51V, 46, 64F, 59GN, 60, 87T, 87U

[발84-3]
대용량 유입식 전력용 변압기를 위한 보호계전기의 종류와 정정기준에 대해 설명하시오.

[발83-1]
대용량 발전기보호에 사용하는 다음 계전기(IEEE Device No.)의 보호목적을 간단히 답하시오.
① 46 ② 59/81 ③ 21 ④ 32 ⑤ 60

[발81-2]
발전기 고장의 종류를 제시하고 이를 위한 보호계전기의 종류와 역할을 설명하시오.

간의수변전도
No명 칭보호 목적
24과여자계전기(59/81)발전기의 과여자로 인한 발전기, 변압기 철심의 과열을 보호
32역전력계전기발전기 모터링 보호/역전류에 의한 원동기 보호
40계자상실계전기발전기 계자상실에 대한 보호로 상실시 발전기과속함으로 유도전동기로 이행되어 회전자 철심이 과열되는 것을 막음
46역상(불평형) 계전기불평형에 의한 역상전류가 기인하는 회전자의과열로부터 보호
21
51V
거리계전기전압억제형 과전류계전기인접계통 고장시 주보호장치 동작이 실패할 경우고장전류원이 되는 발전기를 보호(후비보호)
59과전압계전기충전전류로 인한 발전기 자기여자로 과전압 보호
60전압평형계전기PT의 퓨즈용단에 대한 보호(PT 전원 상실보호)
59G(N)지락과전압계전기(64)전기자 권선 지락사고에 대한 보호
64F계자지락계전기계자회로 지락보호
78동기탈조계전기발전기 동기탈조를 보호
81주파수계전기발전기의 규정주파수 이탈시 보호(UFR, OFR)
87비율차동계전기발전기 내부 단락 및 지락에 대한 보호

1. 개요

발전기는 전력계통의 중요한 기기로 매우 비싸다. 만일 보호에 실패할 경우 큰 비용 손실과 긴 운전 정지를 야기할 수 있다. 이 때 손상에 대한 복구 비용 뿐만 아니라 전력 생산을 하지 못함으로 인한 손실과 부족한 전력을 타 발전 회사에서 구매해야 하는 2중의 손실이 발생한다. 따라서 발전적 보호에 있어서 적절한 보호는 필수적이다. 발전기 보호에 있어서 전기적인 고장에 대한 보호뿐만 아니라 동기기의 동적 특성으로 인한 비정상조건(여자상실, 역상전류, 동기상실 등)에 대한 보호가 필요하고, 기계적인 보호(과속도, 저압력 등) 역시 필요하다.

2. 발전기의 이상 상태

(1) 과열: 고정자(과부하 또는 냉각기 고장), 회전자(과여자 또는 냉각기 고장)
(2) 권선고장: 고정자(단락 또는 지락), 회전자(지락 또는 권선간 단락)
(3) 과속도와 저속도, 과전압, 여자상실, 모터링, 불평형 전류, 동기탈조

발전기의 이상 상태

3. 발전소 계통의 구성

발전소 계통의 구성

4. 발전기 중성점 접지

1) 접지방식 결정시 고려할 점

① 발전기 주회로 지락 고장시 고장전류 제한
② 지락고장시 과전압 억제

2) 중성점 접지방식: 일반적으로 고저항 접지방식 적용

3) 고저항 접지방식의 실제회로는 발전기 중성점을 단상변압기를 통하여 접지하고 접지변압기 2차측에 저항을 접속

4) 저항값 결정: 지락전류가 15A 내외가 되도록 선정

5. 발전기 보호계전기

1) 비율차동계전기 [87]

발전기의 내부 단락사고 즉 전기자 권선의 상간단락, 층간단락이 발생한 경우에 동작하여, 전기자 권선 및 철심 손상 확대를 방지한다. 외부 사고시에는 부동작한다.

비율차동계전기 [87]

2) 과전류계전기 [51]

발전기의 과부하 또는 외부 단락사고에 의해 발전기의 과전류 보호를 위한 것으로서, 발전기에 과전류가 흐를 경우 동작하여 발전기 전기자 권선의 소손을 방지함과 동시에 사고점에 고장전류공급을 방지한다. 그 다음으로서 발전기 비율차동계전기의 후비보호로서, 발전기 내부사고 확대를 방지한다.

3) 역상(불평형) 계전기 [46]

발전기에 상간 단락, 계통의 1선 지락, 2선 지락, 단선고장, 차단기 불완전 투입 및 개방, 계통 임피던스의 불평형(연가 불충분), 불평형 부하 등으로 불평형이 발생되면 전기자에 역상전류가 흘러서 만드는 회전자계는 회전자 회전방향과 반대이기 때문에 2배의 주파수에 의한 와전류가 회전자에 유기된다. 특히 과도안정도 향상을 위해서 설치된 제동권선(Damper winding)에 매우 큰 전류가 유기되며, 계자전류 의한 온도상승이 더해져 회전자 표면의 과열 및 회전자의 심한 진동을 일으킨다. 그러므로 발전기의 역상내량(연속 및 단시간) 이상의 역상전류에 대하여 보호한다.

발전기는 고유의 역상전류 허용한계를 가지며, 역상과전류계전기로 이를 검출하여 1단계 경보, 2단계 트립을 수행한다.

역상(불평형) 계전기 [46]

역상전류의 단시간 허용한계(ANSI)

\[K=I_2^2t\]\[K:회전자의 열용량에 의해 정해지는 계수\]\[(수소냉각 증기터빈:30)\] \[I_2:역상전류, t:허용시간\]

4) 지락보호 계전방식 [64/59G, 51N]

이상전압으로부터 발전기 전기자 권선을 보호하기 위해 중성점을 접지하며, 직접접지하면 과도한 지락전류에 의해서 전기자 권선 및 철심의 손상을 방지하기 위하여 중성점에 저항 또는 접지용 변압기를 설치하여 최대 지락전류를 10-15A 정로로 제한하여 접지한다. 발전기의 전기자 권선의 지락발생시 보호를 위해 접지변압기에 지락과전압계전기 또는 중성점 NGR 설치하고 지락과전류계전기로 보호한다.

5) 계자상실계전기 [40]

발전기가 운전 중에 계자가 상실되면 회전자가 가속되어 회전자(표면, 댐퍼권선)에 매우 큰 와전류가 흘려 과열되며, 회전자는 동기속도 보다 크게 되어 유도발전기가 되므로 고정자 권선에도 과전류가 흐르게 된다. 또한 대량의 무효전력을 흡수로 인한 계통 전압강하를 발생시켜 계통전체의 안정도에 악영향을 미치게 된다. 그러므로 계자상실이 발생되면 신속히 계통으로부터 분리시킨다.

동기발전기에 사용되는 계자상실계전기에는 발전기 모선전압과 발전기의 전기자 전류(부하전류)에 응동하는 방식의 off-set mho형 거리계전기를 적용한다.

계자상실계전기는 10-20[MW]이상의 발전기에 채용되며, 계자 상실원인은 슬립링의 Flash over, AVR 여자시스템의 고장, 계자차단기의 오조작 등이다.

6) 계자회로 지락보호 [64F(E)]

계자회로에 지락이 발생되면 계자회로는 비접지 회로이므로 1개소 지락시 발전기에 직접적인 손상은 없다. 하지만 2개소 이상에서 지락이 발생되면 계자권선의 일부단락으로 인한 자기적 불평형으로 회전자의 진동, 베어링의 손상 또는 고정자와의 접촉, 단락부분의 아크로 인한 회전자가 손상된다.

계자회로 지락보호 [64F(E)]

7) 과여자계전기 [24]/[59/81]

발전기의 과여자는 계통주파수 저하나 AVR용 PT의 퓨즈가 용단된 경우, 또는 AVR의 오동작 등에 의해서 발생된다. 대형 증기발전기인 경우 V/Hz 1.05이상일때 과여자가 나타난다. 과여자는 발전기 철심의 과열 뿐만아니라 승압변압기 및 보조 변압기에 영향을 크게 미치는데, V/Hz의 비가 일정치 정정치 이상이면 동작

(1) 철심에 과잉 자속은 히스테리시스 및 와류손으로 과열
(2) 변압기 정격전압의 140% 정도에서 여자전류는 전부하전류와 비슷한 크기로 증가(더욱이 여자전류는 고조파 분을 많이 포함하고 있어 온도상승에 미치는 영향이 대단히 큼)

\[\frac{E}{f} ∝\Phi_f\]

8) 역전력계전기 [32]

발전기가 계통에 병입된 상태에서 터빈의 증기량 저감 및 중단시에 부족한 동력을 계통으로부터 유효전력을 흡수하는 운전한다. 즉 발전기가 동기전동기로 전환된다.

역전력이 발전기에 유입되는 경우 발전기 보다 원동기에 영향을 크게 미치는데, 터빈 블레이드의 풍손증가로 인한 과열의 문제, 수차의 경우에는 유량부족으로 캐비테이션이 발생하여 기계적 손상을 발생시킨다.

역전력에 보호는 역전력계전기로 검출하여 경보 또는 트립시킨다.

발전기 역전력은 복수터빈의 경우 명판정격의 3%가 동작의 기준(제작사 제시)이 되며, 계전기의 정정은 이 값의 50%에 정정한다.

9) 주파수계전기 [81]

저주파수계전기(UFR)은 계통의 주파수가 저하되어 터빈 발전기의 고유 진동수와 공진하는 경우 심한진동에 의한 터빈날개(특히, 저압터빈의 종단날개)의 손상을 방지하기 위한 목적으로 사용되며, 과주파수계전기(OFR)은 회전자의 과속도 운전에 대한 보호를 위해 사용된다.

주파수계전기 [81]

10) 전압평형계전기 [60]

전압평형계전기 [60]

(1) 2개의 PT는 계전기, AVR의 전원으로 사용되며, PT 2차측 전압을 비교하여 그 전압차로 검출하여 응동하는 계전기이다.

(2) 조치

① 40, 21등 PT 전원상실시 오동작 가능한 계전기의 트립회로 개방
② AVR의 동작 저지
③ PT fuse failure 경보

11) 과전압계전기 [59]

발전기에서 과전압 보호는 송전선의 부하차단 및 충전전류로 인한 발전기 자기여자 현상, 전압조정장치 오조작 또는 AVR의 오동작 등에 의한 과전압으로부터 보호

12) 외부고장에 대한 후비보호 [51V/21]

인접계통 모선 및 송전선로의 사고가 주보호 장치의 동작이 실패할 경우 발전기는 계속해서 고장전류를 공급하기 때문에 발전기를 개방하는 후비보호 조치가 필요하다. 이를 위해서 사용되는 계전기는전압억제부 과전류계전기(51V) 또는 거리계전기(21)를 적용한다.

※ 유도발전기

1) 유도전동기 상태 [0<SLIP≤1]

터빈의 밸브를 닫은 상태 즉, 기계적 입력이 없는 상태에서 유도발전기에 전력이 공급되면 고정자 회전자계가 발생되어 회전자에 유도전류가 흘러 회전자가 회전을 시작하며, 동기속도보다 약간 낮은 속도로 회전시킨다.

이 경우에는 전력계통 측으로부터 회전토크를 얻기위한 유효전력(P)와 고정자 회전자계를 만들기 위한 무효전력(Q)를 모두 흡수(소모)한다.

유도발전기

[전동기 상태] [발전기 상태]

2) 유도발전기로 이행 [SLIP<0]

입력밸브를 동작시켜 터빈의 토크를 서서히 증가시켜, 회전자의 속도를 동기속도를 지나 그 이상으로 증가시킨다. 이 상태에서는 회전자의 회전자계의 속도가 보다 빠른상태가 되어 “회전자의 회전자계가 고정자 권선에 유기기전력”을 주도적으로 유기시킨다.

이 경우에는 회전자에 유도전류가 선행하여 흘러야 되기 때문에 전력계통으로부터 무효전력을 지속적으로 흡수하고, 반대로 유효전력은 계통측으로 공급하는 발전기 상태로 이행이 된다.

동기발전기와 마찬가지로 부하가 증가되면 역토크가 증가되어 원동기의 입력에너지를 증가시켜야 된다.

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