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보호계전기

보호계전기 정정

보호계전기 정정

[표] 산업용 계통의 보호계전기의 정정지침

계전기의 종류용 도동작치 정정한시 정정
과전류계전기(OCR-50/51)단락보호과부하보호1) 한시
계약 최대전력의150~200%
2) 순시
수전변압기 2차 3상단락전류의 150~160%
수전변압기 3상 단락시 0.6초 이내 동작
지락과전류계전기
(OCGR-51G/51G)
지락보호1) 한시
전부하전류의 30%
또는 불평형전류의 150%
2) 순시
최소치에 정정
수전보호구간 최대 1선지락전류에서 0.2초 이내 동작
과전압계전기(OVR-59)과전압 운전방지정격전압의 130%정정치의 150%에서 2초 정도 정정
저전압계전기(UVR-27)무전압 또는 저전압분리용정격전압의 70%정격치의 70%에서 2초
지락과전압계전기
(OVGR-64G)
지락보호(후비/경보)완전지락시 영상전압의 30%SGR후비로 0.5초 수준
그림과 같은 수변전단선결선도에서 50/51(1)과 50/51(2)의 보호계전기 정정치를 구하시오
(1) 한전측은 무시한다.
(2) 역률은 0.9 이다.
(3) 한시 OCR의 탭 : 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12(A)
(4) 순시 OCR의 탭 : 20∼80A
수변전단선결선도

전부하전류

1) 변압기 1차측

\[I_{FL(1)}=\frac{1500}{\sqrt3\times6.6}=131[A]\]

2) 변압기 2차측

\[I_{FL(2)}=\frac{1500}{\sqrt3\times0.46}=1883[A]\]

변압기 2차측 3상 단상전류

1)변압기 2차측 3상 단락전류

\[I_{3s}=\frac{100}{\%Z}\times I_{FL(2)}=\frac{100}{6}\times1883=31383[A]\]

2)1차측으로 환산하면

\[I’_{3s}=I_{3s}\times\frac{0.46}{6.6}=31383\times\frac{0.46}{6.6}=2187[A]\]

계전기 정정

1차측

(1) 한시정정(51)
① 동작전류: 전부하전류의 150% 적용

\[I_s=131\times1.5\times\frac{5}{200}=4.91[A]\to 5A탭 선정\]


② 타임레버: 2차 3상 단락전류(2,187[A])에서 0.6초 이내로 동작하도록 선정

(2) 순시정정(50): 2차측 3상 단락전류의 150% 적용

\[I=2,187\times1.5\times\frac{5}{200}=82[A]\to 80A탭 선정\]

(3) 검토사항
① 변압기의 여자돌입전류에 동작하지 않도록 -> 전부하 전류의 10배, 0.1초

\[I_{rush}=131\times10=1,310[A]\]

② 변압기의 열적한계에 대해 보호될 수 있도록(ANSI POINT)

\[I_{ANSI}=\frac{100}{\%Z}\times I_{FLC(1)}=\frac{100}{6}\times131=2,183[A]\] \[t_{ANSI}=(\%Z-2)=(6-2)=4[sec]\]

2차측

(1) 한시정정(51)
① 동작전류: 전부하전류의 150% 적용

\[I_s=1,883\times1.5\times\frac{5}{2,500}=5.65[A]\to 6A탭 선정\]


② 타임레버: 3상 단락전류(31,838[A])에서 0.5초 이내로 동작하도록 선정

(2) 순시정정(50): 2차측은 Incoming으로 정전확대를 방지하기위해서 순시를 사용하지 않는다

※ 변압기 열적한계에 대한 보호

변압기에 대한 열적한계(Thermal limit)는 일반적으로 ANSI point로 표현되며, 변압기 %Z에 따라 다음과 같이 적용할 수 있다.
(IEEE Std. 241-1974, ANSI/IEEE C57.109-1985)
– 변압기 임피던스가 4~7 % 인 경우

\[I_{ANSI}=\frac{100}{\%Z}\times I_{FLC}[A],t_{ANSI}=(\%Z-2)[sec]\]

– 변압기 임피던스가 4% 이하인 경우 tANSI=2[sec]: 에서 전부하 전류의 25배
– 변압기 임피던스가 7% 이상인 경우 tANSI=5[sec]: 에서 전부하 전류의 14.3배

다음 수변전 설비 단선도에서 보호계전기를 정정하고 협조곡선을 그려라.
수변전 설비 단선도

전부하전류

1) 변압기 1차측

\[I_{FL(1)}=\frac{20\times 10^3}{\sqrt3\times154}=75[A]\]

2) 변압기 2차측

\[I_{FL(2)}=\frac{20\times10^3}{\sqrt3\times6.6}=1,750[A]\]

변압기 2차측 3상 단락전류

1) 변압기 2차측 3상 단락전류

\[I_{3s}=\frac{100}{\%Z}\times I_{FL(2)}=\frac{100}{5}\times1,750=35,000[A]\]

2) 1차측으로 환산

\[I’_{3s}=I_{3s}\times\frac{6.6}{154}=35,000\times\frac{6.6}{154}=1,500[A]\]

계전기 정정

1) 변압기 1차측

(1) 한시정정(51)
① 동작전류: 전부하전류의 150% 적용

\[I_s=75\times1.5\times\frac{5}{200}=2.81[A]\to 3A탭 선정\]


② 타임레버: 2차 3상 단락전류(1,500[A])에서 0.6초 이내로 동작하도록 선정

(2) 순시정정(50): 2차측 3상 단락전류의 150% 적용

\[I=1,500\times1.5\times\frac{5}{200}=56.3[A]\to 60A탭 선정\]

(3) 검토사항
① 변압기의 여자돌입전류에 동작하지 않도록 -> 전부하 전류의 10배, 0.1초

\[I_{rush}=75\times10=750[A]\]

② 변압기의 열적한계에 대해 보호될 수 있도록(ANSI POINT)

\[I_{ANSI}=\frac{100}{\%Z}\times I_{FLC(1)}=\frac{100}{6}\times75=1,500[A]\] \[t_{ANSI}=(\%Z-2)=(5-2)=3[sec]\]

2) 변압기 2차측

(1) 한시정정(51)
① 동작전류: 전부하전류의 150% 적용

\[I_s=1,750\times1.5\times\frac{5}{200}=5.65[A]\to 6A탭 선정\]


② 타임레버: 3상 단락전류(31,838[A])에서 0.5초 이내로 동작하도록 선정

(2) 순시정정(50): 2차측은 Incoming으로 정전확대를 방지하기위해서 순시를 사용하지 않는다

3) 모터 Feeder

(1) 5[MVA] 모터의 전부하전류(IFL) 및 기동전류(ILR)

\[I_{FL}=\frac{5\times10^3}{1.732\times6.6}=437[A]\] \[I_{LR}=437\times6=2,622[A]\]

전부하의 6배 고려

(2) 한시정정(51)
① 동작전류: 전부하전류의 125% 적용

\[I_s=437\times1.25\times\frac{5}{600}=4.55[A]\to 5A탭 선정\]

② 타임레버: 모터의 기동시간에서 3~4초 여유를 두고, 모터의 SST(Safe Stall Time) 하단에 오도록 선정한다.
(3) 순시정정(50): 모터의 기동전류의 200% 적용(모터의 돌입전류 및 2상 단락전류에 동작하지 않도록)

\[I=2,622\times2.0\times\frac{5}{600}=43.7[A]\to 45A 탭 선정\]

※ 모터의 기동특성 곡선과 협조

한시요소는 전동기 전부하전류(FLC)의 105~125%에 동작하도록 선정하고 타임레버는 전동기 기동시간에서 3~4초 정도 여유를 주어 선정하되, 열적한계 시간(Safe Stall Time)하단에 위치하도록 선정한다. 일반적으로 에서 1~2초 여유를 준다.

모터의기동특성 곡선과 협조

협조 곡선

협조 곡선
수전변전소에 3상 변압기(용량 25MVA, 154/11kV, X=5%, R=0) 2차측에 주차단기(정격 25kAsym rms, 1sec)가 설치되어 있다. 고장직전의 변압기 2차측 전압은 11kV이고, 154kV 수전전원 측의 고장용량은 5,000MVA(X/R=무한대)이다.
아래와 같은 조건에서 2차측 모선에 3상 단락 고장전류 발생시 다음사항을 설명하시오.
1) 계산을 통하여 차단기 정격선정의 적정성 여부
2) 순시과전류계전기의 동작여부
3) 한시과전류계전기의 동작여부와 차단기 정격내에서 단락전류 차단 가능여부

(조건) 차단기에 설치된 변류기의 정격: 2,000/5A, C200
순시과전류계전기의 정정치: CT 2차전류 50A에 정정
강반한시 과전류계전기 정정치: CT 2차전류 40A, 1초
CT 2차측 전선사양: 왕복거리 10m, 0.2Ω/m
순시/한시 과전류계전기 총 임피던스: 3Ω

단선도

단선도

F점 단락전류 계산

-> 기준용량 Pb=100[MVA]

1) 전원 임피던스

\[P_s=\sqrt3 VI_s=\sqrt3V\times\frac{100}{\%Z}\times I_b=P_b\times\frac{100}{\%Z}\] \[\%Z_g=\frac{P_b}{P_s}\times100=\frac{100}{5,000}\times100=2[\%]\]

2) 변압기 임피던스

\[\%Z_{tr}=5\times\frac{100}{25}=20[\%]\]

3) F점 3상단락전류

\[I_s=\frac{100}{\%Z}\times I_b=\frac{100}{(20+2)}\times\frac{100\times10^3}{1.732\times 11}=23,858[A]\]

4) 3상 단락전류를 변류기(2,000/5) 2차측으로 환산

\[I_2=23,858\times\frac{5}{2,000}≃60[A]\]

∴ 변류기 정격의 약 12배

CT의 부담

1) 과전류계전기 전류코일 임피던스 : 3[Ω]
2) CT 2차측 전선 임피던스 :

\[0.2[\Omega/m]\times10[m]=2[\Omega]\]

3) 합계 부담 :

\[Z_b=3+2=5[\Omega]\]

4) CT의 포화없이 흘릴수 있는 2차전류의 한계

\[I_{2max}=\frac{V}{Z_b}=\frac{200}{5}=40[A]\]

∴ 변류기 정격의 8배

※ C-200 변류기

– C : 관통형(부싱형) 변류기, T : 권선형 변류기
– 표준부담 2[Ω], 2차전류 5[A]시 :

\[2[\Omega]\times5[A]\times 과전류정수(20)=200[V]\]

– CT의 정격부담

\[=I^2Z_b=5^2\times2=50[VA]\]

결론

1) 계산을 통하여 차단기의 정격선정의 적정성 여부

계산된 대칭분 3상단락전류는 23,858[A]로 약간 여유분을 고려한 비대칭 계수 1.2배(28,630[A])를 감안하면 차단기의 차단정격전류는 25[kA]의 한단계 상위정격인 31.5[kA]차단기를 적용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

차단기의 정격선정의 적정성 여부

2) 순시 과전류계전기의 동작여부

C200 변류기는 5[Ω]의 부담조건하에서 포화없이 흐를 수 있는 2차전류는 40[A]이다. 하지만 순시계전기의 정정은 50[A]로 되어 있으므로, 변류기의 포화로 순시계전기는 동작할 수 없다.

3) 한시 과전류계전기의 동작여부와 차단기 정격내에서 단락전류 차단 가능여부

C200 변류기는 5[Ω]의 부담조건하에서 포화없이 흐를 수 있는 2차전류는 40[A]이므로, 한시계전기의 정정은 40[A], 1초로 정정되어 있다.

변류기의 2차전류 40A(1차전류 환산=16[kA])까지는 한시특성 곡선에 의해서 동작하여 차단기의 단시간내전류 25[kA]/1s 이내로 고장의 제거가 가능하지만, 40A(1차전류 환산=16[kA])를 초과하는 고장전류가 흐르는 경우는 변류기의 포화로 한시계전기도 동작하지 않아 차단기는 동작할 수 없다.

※ 변압기 2차측 변류기의 변류비는 전부하전류의 150%(1,968A)보다 커서 문제가 되지 않지만, 2,000/5A, C300 이상의 변류기의 사용이 바람직할 것으로 판단된다.

※ C400 변류기의 2차 여자포화곡선

변류기 1차측을 개방하고, 2차측 권선에 정격주파수 교류전압을 인가하여 2차전류를 측정한 것이다.

2차 여자전압[V]2차 여자전류[A]여자 임피던스[Ω]
3.00.0013,000
7.50.0023,750
12.50.0034,167
180.0044,500
600.016,000
1500.027,500
2350.037,833
2760.046,900
3000.056,000
3560.084,450
4000.22,000
4471.0447
4664.0117
4726.079
4861049
C400 변류기의 2차 여자포화곡선
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