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보호계전기

비율차동계전기

비율차동계전기

상결선이 Dyn1인 변압기 보호를 위해 사용하는 기계식 비율차동계전방식의 변류기 결선도를 그리고, 계전기의 동작원리와 적용시 유의사항에 대하여 설명하시오.

Y-△ 결선 또는 △-Y결선 특별고압 변압기에 대한 보호계전방식으로 비율차동계전기가 사용되는 경우에 이 계전기용 변류기(CT)는 변압기 결선과 반대로 하는데 그 이유를 설명하시오.

변압기보호(전기적, 기계적)방식을 나열하고 각각 설명하시오.

비율차동계전기의 오동작을 방지하기 위한 3가지 방법을 그림을 그리고 설명하시오.

비율차동계전기

CT비의 부정합(Mismatch), CT의 오차, ULTC의 사용 등에 의해서 내부고장이 아닌 경우에도 차전류가 발생하여 계전기가 오동작하는 것을 막기위해서 억제코일을 설치하여 억제전류에 대한 차전류의 비율이 설정값 이상에서만 동작하는 계전기

비율차동계전기의 원리

비율차동계전기의 원리

① 동작전류:

\[I_d=|\dot{I}_1+\dot{I}_2|\]

② 억제전류:

\[I_r=|\dot{I}_1|+|\dot{I}_2|\]

③ 동작설정:

\[K\gt\frac{I_d}{I_r}\times 100[\%]\]
\[|\dot{I}_1|=|\dot{I}_2|=I라고하면\]


① 내부사고:

\[K=\frac{2I}{2I}\times100=100[\%](동작)\]


② 외부사고:

\[K=\frac{0}{2I}\times100=0[\%](부동작)\]

실제는 CT비의 부정합, CT의 오차(±5%) 등에 의해서 |I1|=/=|I2| 이므로, 억제전류와 동작전류의 비를 가지고 동작한다. 일반적으로 변압기에서 비율차동계전기 적용할 때, 비율치설정은 30% 내외로 하며, 발전기의 경우 5~10%로 적용한다.

동작특성 곡선

동작특성 곡선

Minimum pick-up(Imin)은 변압기의 자화전류 등 상시오차를 고려한 것이고, Slope1(25~35%)은 변류기 및 계전기 오차 등을 고려한 것으로 각 오차요인에 의해 계전기가 오동작하지 않도록 설정된다. Slope2(60~80%)는 대전류 영역의 정정비율로 외부 고장시 변류기 포화에 의한 차전류에 의해서 계전기가 오동작하지 않도록 동작감도를 낮추는 방향으로 설정된다.

비율차동계전기 결선

1) Dyn11 변압기

Dyn11 변압기는 1차측이 Delta 결선이고 2차측은 Y결선인 변압기로 2차측 전압의 위상이 30°앞선 결선이다.

Dyn11 변압기
Dyn11 변압기

※ 먼저 전류의 흐름도를 그린다. 그러기 위해서 전류는 부하가 있어야 흐르기 때문에 부하측(2차측) 전류를 먼저 그리고 단상 변압기 자체에서 전류가 반대방향이라는 것을 적용하여 전류를 그려나간다.

※ CT의 극성점을 찍을 때 변압기의 경우는 1, 2차 전류가 180° 위상차가 발생하기 때문에 1차측과 동일한 방향의 전류를 얻기 위해서 2차측 CT를 뒤집어 놓는다. 발전기 보호에 사용되는 비율차동계전기의 CT는 그렇지 않음을 유의하자.

Dyn11 변압기

2) Dyn1 변압기

Dyn1 변압기

※ △결선에서 머리에서 꼬리결선하는 방식은 결선이 꼬이는 것이 싫다면 아래처럼 변압기의 극성을 뒤집어서 배치하면 더 보기에 좋다.

Dyn1 변압기

※ 변압기의 △결선이 머리에서 꼬리로 결선되면 변류기의 △결선도 머리에서 꼬리로 동일하게 결선하면 위상보정이 올바르게 된다.

비율차동계전기 적용상 고려사항

CT비의 부정합(CT ratio mismatch)

변압기는 권수비에 의해서 1, 2차측 정격전류는 다르기 때문에, 동일한 사양의 CT를 사용할 수 없으며, 표준품 CT를 적용할 때, 두 CT의 2차전류를 정확하게 일치시키는 것은 곤란하다. 디지털계전인 경우에는 이론적으로 정확하게 부정합을 해결할 수 있지만, 기계식 계전기는 보정탭이나 보조변류기를 적용하여 이를 보완하여야 한다.

– 변압기의 변압비 :

\[V_1/V_2=N_1/N_2\]

– CT의 변류비 : n1/5 (변압기 1차측), n2/5 (변압기 2차측)

– CT의 부정합이 없는 변류비 선정 : N1×n=N2×n

예를 들면, 22.9kV/6.6kV 변압기의 1차측 CT의 변류비 200/5A라면, CT의 부정합이 없는 2차측 CT의 변류비?22.9×200=6.6×n2 -> 693.9/5A

ULTC 운전

부하운전시 운전중 ULTC의 동작으로 전압비가 자동으로 변경되어 변압기의 1, 2차측의 CT의 2차전류 부정합이 발생된다. 동작비율정정시 ULTC 장착된 변압기는 오차 ±10%를 반영한다.

변압기 1차, 2차 각변위

△-Y, Y-△결선의 변압기가 사용된 경우에는 1, 2차간의 전압의 각변위가 30°가 발생된다. 그러므로 1, 2차측의 전류의 위상차가 발생되어 차전류로 작용되므로 오동작하지 않도록 1, 2차측 계전기에 입력되는 전류의 위상이 동상이 되도록 변압기 Y결선측의 CT는 △로 하고, △결선측의 CT는 Y로 결선해 주어야 한다.

여자 돌입전류

무부하시 변압기에 1차측 전원을 투입하면 정격전류의 8~12배에 달하는 돌입전류가 흐르며, 대용량 변압기에서는 그 지속시간도 20~30초가 소요되는 특징을 나타낸다.

여자돌입전류는 전원측에만 흐르기 때문에 비율차동계전기의 동작코일에 차전류가 흘러 오동작하는 원인이 되기도 한다. 오동작을 방지하기 위한 방법으로 고조파억제법, 감도저하법, 비대칭저지법이 있으며, 일반적으로 2고조파의 함유비율을 고려하여 변압기 무부하 투입시 오동작을 방지하는 고조파 억제법을 적용한다.

이 방법은 전류의 파형중에 2고조파 함유비율이 정정된 값보다 큰 경우에 비율차동계전기의 트립을 저지한다.

여자 돌입전류

CT의 포화

변압기의 1, 2차측 CT는 동일한 사양이 아니므로 외부 고장전류가 흐르는 경우에 한측의 CT 포화가 발생되면 차전류를 발생시킬 수 있다. 그림은 CT가 포화 되었을 때 CT 2차전류이다.

CT의 포화

비율차동계전기의 비율 정정

다음과 같은 특성을 가지고 있는 주 변압기에 비율차동계전기 적용시, 1) 비율차동계전기 보호회로의 결선도를 그리고 2) 동작비율치(%)를 구하시오. 또한 3) 고압측 및 저압측의 CT 결선방법 및 극성에 대하여 설명하시오.
(단, 계전기는 기계식임)
고압측저압측
변압기 권선2권선 변압기
변압비154kV22.9kV
변압기 결선Y
변압기 용량30/40MVA @ ONAN/ONAF
CT 배율200/5A1200/5A
변압기 Tap무부하 탭 절환 장치부
Relay Current Tap [A]2.9-3.2-3.8-4.2-4.6-5.0-8.7

단, 오차는 변압기 탭 절환: ±10%, CT 오차: 10%, 여유: ±5% 만을 고려한다.

1) 비율차동계전기의 전류탭(보상탭)을 이용하는 방법

\[부정합률(\%)=\frac{|전류비-정정탭비|}{전류비와 정정탭비 중에서 작은 값}\times 100\]

2) 보조변류기(CCT)를 이용하는 방법

※ 부정합률이 5% 이내가 되도록 선정한다.

보상탭을 이용하는 방법

(1) 전부하전류 및 CT 2차측 전류 계산

① 변압기 1차측 전부하전류 및 변류기 2차측 전류

-전부하전류

\[I_1=\frac{40\times 10^3}{\sqrt3\times154}≃150[A]\]

-변류기 2차측 전류

\[i_1=150\times\frac{5}{200}=3.75[A]\]

-계전기 유입전류

\[i_1=\sqrt3\times3.75≃6.5[A]\to\Delta결선이므로\]

② 변압기 2차측 전부하전류 및 변류기 2차측 전류

-전부하전류

\[I_2=\frac{40\times 10^3}{\sqrt3\times22.9}≃1,009[A]\]

-변류기 2차측 전류

\[i_2=1,009\times\frac{5}{1,200}≃4.2[A]\]

-계전기 유입전류

\[i_2=4.2[A]\to Y결선이므로\]

(2) 전류비

\[\frac{i_1}{i_2}=\frac{6.5}{4.2}=1.5476\]

(3) 정정탭 선정

\[\frac{T_1}{T_2}=\frac{5.0}{3.2}=1.5625\]

(4) 부정합률 계산

\[부정합률[\%]=\frac{|1.5476-1.5625|}{1.5476}\times 100=0.97[/%]\]

CT의 부정합률(0.96%), CT 오차(10%), 탭 절환(10%), 여유(5%)를 고려하면 총 오차는 약 25.96[%]를 고려한다.
∴ 비율차동계전기의 동작 비율치 정정은 30%를 적용하는 것이 합리적임

CCT(보상변류기를 적용하는 경우)

보상변류기(Compensating Current Transformer)는 차동계전기 결선과 같은 곳에 변류기의 변류비를 보상하기 위한 보조변류기

CCT(보상변류기를 적용하는 경우)

CCT는 총 100턴에 5턴당 탭이 있는 경우를 고려하면,
변압기에서 턴수와 전류는 반비례, 전류가 작은 쪽을N2=100 으로 하고 보상탭을 선정하면

\[\frac{i_1}{i_2}=\frac{N_2}{N_1}\to\frac{6.5}{4.2}=\frac{100}{N_1}\to N_1=64.6\]

CCT탭을 65으로 선정하면

\[i_1=6.5\times\frac{65}{100}=4.225[A]\]
\[부정합률[\%]=\frac{|4.2-4.225|}{4.2}\times 100≃0.6[\%]\]

CT의 부정합률(0.6%), CT 오차(10%), 탭 절환(10%), 여유(5%)를 고려하면 총 오차는 약 25.6[%]를 고려한다.
∴ 비율차동계전기의 동작 비율치 정정은 30%를 적용하는 것이 합리적임

※ 변압기와 발전기 비율차동계전기를 적용상 차이점

1. 변압기

1) 변압기의 결선방식에 따라서 각변위 오차를 제거하기 위해서 각측에 변류기는 Y 또는 △결선 적용함
2) 변압비의 차이로 1, 2차는 다른 정격의 변류기 사용함
3) 정정비율은 대략 30% 내외 -> 변류기 오차 10%, 탭변환 오차 10%, 부정합, 여유 5%
4) 여자돌입전류에 대한 대책이 필요함
5) 1, 2차 전류의 위상이 180° 차이가 나므로 2차측 변류기의 극성을 반대로 결선

2. 발전기

1) 변류기는 Y결선만을 사용한다.
2) 대부분 Y결선의 발전기로 전기자 권선의 양측의 전류가 동일하므로 비율차동기 전용의 변류기를 채용 -> 1, 2차에 특성이 동일한 변류기(오차, 정격부담, 변류비) 사용함
3) 정정 비율율 5~10% 수준 적용함
4) 여자돌입전류에 대한 오동작 대책이 필요가 없음
5) 양측의 전류는 동일한 크기와 위상을 갖기 때문에 한측의 변류기의 극성을 바꿀필요가 없음.

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