보호 계전기

전기공학에서 보호 계전기(protective relay)는 고장이 감지되면 회로 차단기를 트립시키도록 설계된 전자계전기 장치이다. 최초의 보호 계전기는 전자기 장치로, 코일이 움직이는 부품에 작동하여 과전류, 과전압, 역전력, 과주파수, 저주파수와 같은 비정상적인 작동 조건을 감지하였다.

마이크로프로세서 기반의 솔리드 스테이트 디지털 보호 계전기는 이제 원래의 장치를 에뮬레이션할 뿐만 아니라, 전기 기계식 계전기로는 비실용적이었던 보호 및 감시 유형을 제공한다. 전기 기계식 계전기는 고장의 위치와 원인에 대한 기본적인 표시만 제공한다. 많은 경우 단일 마이크로프로세서 계전기가 두 개 이상의 전기 기계식 장치가 수행할 기능을 제공한다. 여러 기능을 하나의 케이스에 통합함으로써, 수치 계전기는 전기 기계식 계전기보다 자본 비용과 유지보수 비용을 절감한다. 그러나 매우 긴 수명 덕분에 수만 개의 이러한 "침묵하는 보초병"이 여전히 전 세계의 송전선과 전기 장치를 보호하고 있다. 중요한 송전선과 발전기는 보호 전용 큐비클을 가지고 있으며, 많은 개별 전기 기계식 장치 또는 하나 또는 두 개의 마이크로프로세서 계전기를 사용한다.

이러한 보호 장치의 이론과 적용은 전력 계통 보호를 전문으로 하는 전력 엔지니어 교육의 중요한 부분이다. 회로와 장비를 보호하기 위해 신속하게 조치해야 할 필요성 때문에 보호 계전기는 종종 몇천 분의 1초 이내에 응답하여 차단기를 트립시켜야 한다. 어떤 경우에는 이러한 차단 시간이 법률이나 작동 규칙에 명시되어 있다. 유지보수 또는 시험 프로그램은 보호 시스템의 성능과 가용성을 결정하는 데 사용된다.

최종 적용 및 해당 법규에 따라 ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3, IAC와 같은 다양한 표준이 발생할 수 있는 고장 조건에 대한 계전기의 응답 시간을 규정한다.

작동 원리
전기 기계식 보호 계전기는 자기 흡인 또는 전자기 유도에 의해 작동한다. 고정되어 있고 일반적으로 불분명한 작동 전압 임계값과 작동 시간을 가진 스위칭형 전기 기계식 전자계전기와 달리, 보호 계전기는 잘 정립되고 선택 가능하며 조정 가능한 시간 및 전류(또는 기타 작동 매개변수) 작동 특성을 가진다. 보호 계전기는 유도 원판 배열, 음영극, 자석, 작동 및 억제 코일, 솔레노이드형 작동기, 전화 계전기 접점 및 위상 변이 네트워크를 사용할 수 있다.

보호 계전기는 측정 유형에 따라 분류될 수도 있다. 보호 계전기는 전압이나 전류와 같은 양의 크기에 반응할 수 있다. 유도 계전기는 두 필드 코일에서 두 양의 곱에 반응할 수 있으며, 이는 예를 들어 회로의 전력을 나타낼 수 있다.

"두 교류 양의 몫과 동일한 토크를 생성하는 계전기를 만드는 것은 실용적이지 않다. 그러나 이것은 중요하지 않다. 계전기의 유일하게 중요한 조건은 설정이며, 이 설정은 넓은 범위의 구성 요소 값에 관계없이 비율에 대응하도록 만들 수 있다."

여러 개의 작동 코일은 계전기에 "바이어스"를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 한 회로의 응답 감도를 다른 회로에 의해 제어할 수 있도록 한다. 계전기에서는 "작동 토크"와 "억제 토크"의 다양한 조합을 생성할 수 있다.

자기 회로에 영구 자석을 사용하여 계전기는 한 방향의 전류에 다른 방향과 다르게 반응하도록 만들 수 있다. 이러한 극성 계전기는 직류 회로에서 예를 들어 발전기로 역류를 감지하는 데 사용된다. 이러한 계전기는 쌍안정으로 만들어질 수 있으며, 코일 전류가 없을 때 접점을 닫힌 상태로 유지하고 재설정하려면 역류가 필요하다. 교류 회로의 경우 기준 전압원에 연결된 편광 권선을 사용하여 원리가 확장된다.

가벼운 접점은 민감하고 빠르게 작동하는 계전기를 만들지만, 작은 접점은 무거운 전류를 운반하거나 차단할 수 없다. 종종 측정 계전기는 보조 전화 유형 아마추어 계전기를 트리거한다.

전기 기계식 계전기가 대규모로 설치된 경우, 회로를 트립시킨 신호의 원천을 결정하기 어려울 것이다. 이 정보는 작동 요원에게 고장의 예상 원인을 결정하고 재발을 방지하는 데 유용하다. 계전기에는 계전기가 작동할 때 해제되는 "표적" 또는 "플래그" 장치가 장착될 수 있으며, 이는 계전기가 트립되었을 때 특유의 색상 신호를 표시한다.Protective Relays Application Guide 3rd Edition, GEC Alsthom Measurements Ltd. 1987, no ISBN, pages 9-10, 83-93

구조에 따른 유형

전기 기계식
전기 기계식 계전기는 다음과 같이 여러 가지 다른 유형으로 분류될 수 있다.
흡인 아마추어
가동 코일유도
모터 작동기계식
열
"아마추어" 유형 계전기는 힌지 또는 나이프 엣지 피벗에 지지된 회전 레버를 가지고 있으며, 이 레버는 움직이는 접점을 운반한다. 이러한 계전기는 교류 또는 직류에서 작동할 수 있지만, 교류의 경우 폴에 음영 코일을 사용하여 교류 주기 내내 접촉력을 유지한다. 계전기가 작동했을 때 고정 코일과 움직이는 아마추어 사이의 공극이 훨씬 작아지기 때문에, 계전기를 닫힌 상태로 유지하는 데 필요한 전류는 처음 작동시키는 데 필요한 전류보다 훨씬 작다. "복귀 비율" 또는 "차동"은 계전기를 재설정하는 데 전류를 얼마나 줄여야 하는지를 나타내는 척도이다.

흡인 원리의 변형 적용은 플런저형 또는 솔레노이드 작동기이다. 리드 계전기는 흡인 원리의 또 다른 예이다.

"가동 코일" 미터는 검류계와 유사하게 고정된 자석 내에 감긴 와이어 루프를 사용하지만, 포인터 대신 접점 레버가 있다. 이들은 매우 높은 감도로 만들 수 있다. 또 다른 유형의 가동 코일은 코일을 두 개의 전도성 인대에 매달아 코일의 매우 긴 이동을 허용한다.

유도 원판 과전류 계전기
섬네일|upright|입력 전류가 전류 제한을 초과하면 디스크가 회전하고 접점이 왼쪽으로 이동하여 고정 접점에 닿는다. 플레이트 위의 스케일은 지연 시간을 나타낸다.

"유도" 디스크 미터는 회전할 수 있는 디스크에 전류를 유도하여 작동한다. 디스크의 회전 운동은 접점을 작동시킨다. 유도 계전기는 교류 전류가 필요하다. 두 개 이상의 코일이 사용되는 경우, 동일한 주파수여야 한다. 그렇지 않으면 순 작동력이 생성되지 않는다. 이러한 전자기 계전기는 19세기 후반 갈릴레오 페라리스가 발견한 유도 원리를 사용한다. 유도 디스크 과전류 계전기의 자기 시스템은 전력 시스템의 과전류를 감지하고 특정 과전류 한계에 도달했을 때 미리 정해진 시간 지연으로 작동하도록 설계되었다. 작동을 위해 계전기의 자기 시스템은 다음 기본 전류/토크 방정식에 따라 금속 디스크에 작용하여 접점을 만들도록 토크를 생성한다.

여기서 와 는 두 개의 자속이고 는 자속 사이의 위상각이다.

위 방정식에서 다음의 중요한 결론을 도출할 수 있다.
 토크 생성에는 위상 변이가 있는 두 개의 교류 자속이 필요하다.
 두 교류 자속이 90도 떨어져 있을 때 최대 토크가 생성된다.
 결과 토크는 안정적이며 시간 함수가 아니다.

계전기의 1차 권선은 플러그 브릿지를 통해 전력 시스템 변류기로부터 공급받으며, 이를 플러그 설정 승수(psm)라고 한다. 일반적으로 7개의 등간격 태핑 또는 작동 밴드가 계전기의 감도를 결정한다. 1차 권선은 상부 전자석에 위치한다. 2차 권선은 상부 전자석에 1차 권선에서 에너지를 공급받아 하부 전자석에 연결된다. 상부 및 하부 전자석이 에너지를 공급받으면 금속 디스크에 유도되어 자속 경로를 통해 흐르는 와전류가 생성된다. 이 와전류와 자속의 관계는 두 자속 경로가 90° 위상차를 가지므로 1차 권선의 입력 전류에 비례하는 토크를 생성한다.

과전류 조건에서, 스핀들 및 제동 자석에 가해지는 제어 스프링 압력을 극복하는 전류 값이 도달하면 금속 디스크가 고정 접점 쪽으로 회전하게 된다. 디스크의 이러한 초기 움직임은 종종 디스크 측면에 잘려 있는 작은 슬롯에 의해 임계 양의 전류 값까지 억제된다. 접점을 만들 때까지의 회전 시간은 전류뿐만 아니라 스핀들의 백스톱 위치(시간 승수(tm)로 알려짐)에도 따라 달라진다. 시간 승수는 전체 회전 시간의 10개의 선형 분할로 나뉜다.

계전기에 먼지가 없는 한, 금속 디스크와 접촉이 있는 스핀들은 고정 접점에 도달하여 설계된 시간 및 전류 사양 내에서 회로를 트립하고 분리하라는 신호를 보낸다. 계전기의 차단 전류는 작동 값보다 훨씬 낮으며, 일단 도달하면 제동 자석에 의해 조절되는 제어 스프링의 압력으로 역방향 움직임으로 계전기가 재설정된다.

정지형
보호 계전기에 전자 증폭기를 적용하는 것은 일찍이 1928년에 진공관 증폭기를 사용하여 설명되었고 1956년까지 계속되었다. 전자관을 사용하는 장치들이 연구되었으나, 진공관 증폭기의 한계 때문에 상업용 제품으로 적용되지는 못했다. 관 필라멘트 온도를 유지하기 위해 상대적으로 큰 대기 전류가 필요하고, 회로에 불편한 고전압이 필요하며, 진공관 증폭기는 노이즈 교란으로 인한 오작동에 어려움을 겪었다.

정지형 계전기는 움직이는 부품이 없거나 거의 없으며, 트랜지스터의 도입으로 실용화되었다. 정지형 계전기의 측정 요소는 다이오드, 제너 다이오드, 애벌랜치 다이오드, 단접합 트랜지스터, p-n-p 및 n-p-n 양극성 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터 또는 이들의 조합으로 성공적이고 경제적으로 구성되었다. 정지형 계전기는 출력 접점을 작동시키는 전력이 신호 회로가 아닌 별도의 공급 장치에서 파생되기 때문에 순수 전기 기계식 계전기보다 높은 감도라는 이점을 제공한다. 정지형 계전기는 접촉 바운스를 제거하거나 줄였고, 빠른 작동, 긴 수명 및 낮은 유지보수를 제공할 수 있었다.

디지털

디지털 보호 계전기는 1960년대 후반에 초기 단계에 있었다. 실험적인 디지털 보호 시스템은 1970년대 초에 실험실과 현장에서 시험되었다. 위에서 언급된 계전기와 달리 디지털 보호 계전기는 하드웨어와 소프트웨어라는 두 가지 주요 부분을 가지고 있다. 세계 최초의 상업적으로 이용 가능한 디지털 보호 계전기는 1984년 워싱턴주 풀만에 본사를 둔 슈바이처 엔지니어링 연구소(SEL)에 의해 전력 산업에 도입되었다. 보호 기능을 구현하기 위한 복잡한 알고리즘 개발에도 불구하고 1980년대에 출시된 마이크로프로세서 기반 계전기는 이를 통합하지 않았다.
마이크로프로세서 기반 디지털 보호 계전기는 많은 개별 전기 기계식 장비의 기능을 대체할 수 있다. 이러한 계전기는 전압과 전류를 디지털 형태로 변환하고 마이크로프로세서를 사용하여 결과 측정값을 처리한다. 디지털 계전기는 하나의 장치에서 많은 개별 전기 기계식 계전기의 기능을 에뮬레이션할 수 있으므로, 보호 설계 및 유지보수를 간소화한다. 각 디지털 계전기는 자체 테스트 루틴을 실행하여 준비 상태를 확인하고 고장이 감지되면 경보를 울릴 수 있다. 디지털 계전기는 또한 통신(스카다) 인터페이스, 접점 입력 모니터링, 계량, 파형 분석 및 기타 유용한 기능도 제공할 수 있다. 예를 들어, 디지털 계전기는 여러 보호 매개변수 세트를 저장할 수 있으며, 이를 통해 연결된 장비 유지보수 중 계전기의 동작을 변경할 수 있다. 디지털 계전기는 또한 전기 기계식 계전기로는 구현 불가능한 보호 전략을 제공할 수 있다. 이는 장거리 고전압 또는 다단자 회로 또는 직렬 또는 병렬 보상된 선로에서 특히 그렇다. 또한 자체 테스트 및 감시 제어 시스템과의 통신에도 이점을 제공한다.

섬네일|upright|배전망을 위한 디지털(수치) 다기능 보호 계전기. 이러한 단일 장치는 많은 단일 기능 전기 기계식 계전기를 대체할 수 있으며, 자체 테스트 및 통신 기능을 제공한다.

수치형

디지털 및 수치 보호 계전기 간의 구분은 미세한 기술적 세부 사항에 달려 있으며, 보호 분야 외에서는 거의 발견되지 않는다. 수치 계전기는 디지털 계전기 기술 발전의 산물이다. 일반적으로 여러 가지 다른 유형의 수치 보호 계전기가 있다. 그러나 각 유형은 유사한 아키텍처를 공유하므로 설계자는 비교적 적은 수의 유연한 구성 요소를 기반으로 전체 시스템 솔루션을 구축할 수 있다. 이들은 적절한 알고리즘을 실행하는 고속 프로세서를 사용한다. 대부분의 수치 계전기는 다기능적이며 여러 설정 그룹을 가지며 각 그룹은 종종 수십 또는 수백 개의 설정을 포함한다.

기능별 계전기
주어진 계전기에서 사용 가능한 다양한 보호 기능은 표준 ANSI 기계기구 번호로 표시된다. 예를 들어, 기능 51을 포함하는 계전기는 시간 지연 과전류 보호 계전기가 된다.

과전류 계전기
과전류 계전기는 부하 전류가 픽업 값을 초과할 때 작동하는 보호 계전기의 한 유형이다. 이는 즉시 동작 과전류(IOC) 계전기와 한시 동작 과전류(DTOC) 계전기의 두 가지 유형이 있다.

IOC 계전기 또는 DTOC 계전기의 ANSI 기계기구 번호는 50이다. 일반적인 적용에서 과전류 계전기는 변류기에 연결되며 특정 전류 레벨 이상에서 작동하도록 교정된다. 계전기가 작동하면 하나 이상의 접점이 작동하여 회로 차단기를 트립시키기 위해 에너지를 공급한다. DTOC 계전기는 영국에서 광범위하게 사용되었지만, 전원에 가까운 고장에 대해 더 느리게 작동하는 내재적 문제로 인해 IDMT 계전기 개발로 이어졌다.

한시 동작 과전류(DTOC) 계전기는 전류가 픽업 값을 초과하면 정해진 시간 후에 작동하는 계전기이다. 따라서 이 계전기는 전류 설정 범위뿐만 아니라 시간 설정 범위도 가지고 있다.

순시 과전류 계전기는 작동에 의도적인 시간 지연이 없는 과전류 계전기이다. 계전기 내부의 전류가 작동 값을 초과하면 계전기의 접점이 즉시 닫힌다. 순시 픽업 값과 계전기의 접점 닫힘 사이의 시간 간격은 매우 짧다. 작동 시간이 짧고 전류 값이 계전기 설정보다 많으면 즉시 작동하기 시작한다. 이 계전기는 전원과 계전기 사이의 임피던스가 해당 섹션에 제공된 것보다 작을 때만 작동한다.

반한시 과전류(ITOC) 계전기는 작동 전류의 크기가 여자량의 크기에 반비례할 때만 작동하는 과전류 계전기이다. 계전기의 작동 시간은 전류 증가에 따라 감소한다. 계전기의 작동은 전류의 크기에 따라 달라진다.

반한시 정한시(IDMT) 계전기는 한시 동작 과전류(DTOC) 계전기의 단점을 극복하기 위해 개발된 보호 계전기이다.

소스 임피던스가 일정하게 유지되고 계전기에서 멀어질수록 고장 전류가 현저하게 변하는 경우, 보호되는 회로의 넓은 영역에 걸쳐 고속 보호를 달성하기 위해 IDMT 과전류 보호를 사용하는 것이 유리하다. 그러나 소스 임피던스가 피더 임피던스보다 훨씬 큰 경우 IDMT 계전기의 특성을 활용할 수 없으며 DTOC가 사용될 수 있다. 둘째로, 소스 임피던스가 변하고 가벼운 부하 동안 발전량이 적어지면서 약해지면, 이는 더 느린 차단 시간으로 이어져 IDMT 계전기의 목적을 무효화한다.

IEC 표준 60255-151은 아래와 같이 IDMT 계전기 곡선을 명시한다. 표 1의 네 가지 곡선은 현재는 폐지된 영국 표준 BS 142에서 파생되었다. 표 2의 다른 다섯 가지 곡선은 ANSI 표준 C37.112에서 파생되었다.

전류 보호에는 IDMT 계전기를 사용하는 것이 더 일반적이지만, 전압 보호를 위해 IDMT 작동 모드를 활용할 수 있다. 일부 보호 계전기에서는 맞춤형 곡선을 프로그래밍할 수 있으며 다른 제조업체는 계전기 고유의 특수 곡선을 가지고 있다. 일부 수치 계전기는 반한시 과전압 보호 또는 역상 과전류 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다.

+ 표 1. BS 142에서 파생된 곡선 계전기 특성  IEC 방정식 표준 반한시 (SI)   매우 반한시   극히 반한시 (EI)   장시간 표준 지락  

+ 표 2. ANSI 표준에서 파생된 곡선 (북미 IDMT 계전기 특성) 계전기 특성  IEEE 방정식 IEEE 중도 반한시   IEE 매우 반한시 (VI)   극히 반한시 (EI)   US CO8 반한시   US CO2 단시간 반한시  

Ir = 고장 전류와 계전기 설정 전류의 비율 또는 플러그 설정 승수이다. "플러그"는 전기 기계식 계전기 시대를 참고한 것으로, 개별 단계로 제공되었다. TD는 시간 다이얼 설정이다.

위 방정식들은 서로 다른 시간 승수 설정(TMS)을 사용하여 "곡선군"을 생성한다. 계전기 특성 방정식에서 더 큰 TMS는 주어진 PMS(I) 값에 대해 더 느린 차단 시간을 초래한다는 것이 분명하다.

거리 계전기
거리 계전기는 임피던스 계전기라고도 불리며, 보호되는 회로의 전류 또는 전압의 크기가 아닌 이 두 양의 비율에 의해 성능이 결정된다는 점에서 다른 형태의 보호와 원리가 다르다. 거리 계전기는 실제로 전압에 의해 여자되는 코일과 전류에 의해 여자되는 코일 두 개를 가진 이중 작동량 계전기이다. 전류 요소는 양의 또는 픽업 토크를 생성하는 반면, 전압 요소는 음의 또는 재설정 토크를 생성한다. 계전기는 V/I 비율이 미리 정해진 값(또는 설정 값) 아래로 떨어질 때만 작동한다. 송전선에 고장이 발생하면 고장 전류가 증가하고 고장 지점의 전압은 감소한다. V/I 비율은 변류기와 계기용 변압기의 위치에서 측정된다. 계기용 변압기 위치에서의 전압은 계기용 변압기와 고장 지점 사이의 거리에 따라 달라진다. 측정된 전압이 낮을수록 고장 지점이 더 가깝다는 의미이며 그 반대도 마찬가지이다. 따라서 이 보호를 거리 계전기라고 한다. 선로를 통해 흐르는 부하는 계전기에는 임피던스로 나타나며, 충분히 큰 부하(임피던스는 부하에 반비례하므로)는 고장이 없는 상태에서도 계전기를 트립시킬 수 있다.

전류 차동 보호 방식
섬네일

차동 방식은 보호 영역(모선, 발전기, 변압기 또는 기타 장치일 수 있음)으로 들어가는 전류와 그 영역을 떠나는 전류의 차이에 따라 작동한다. 영역 외부의 고장은 영역의 입구와 출구에서 동일한 고장 전류를 발생시키지만, 영역 내부의 고장은 전류의 차이로 나타난다.

"차동 보호는 100% 선택적이므로 보호 영역 내의 고장에만 반응한다. 보호 영역의 경계는 변류기의 위치에 의해 고유하게 정의된다. 따라서 다른 보호 시스템과의 시간 등급은 필요하지 않으며, 추가 지연 없이 트립이 가능하다. 따라서 차동 보호는 모든 중요한 설비 항목의 빠른 주 보호에 적합하다."

차동 보호는 다중 터미널을 가진 영역을 보호하는 데 사용될 수 있으며, 선로, 발전기, 모터, 변압기 및 기타 전기 설비를 보호하는 데 사용될 수 있다.

방향성 계전기
방향성 계전기는 고장의 방향을 결정하기 위해 추가적인 전압 또는 전류의 편극원을 사용한다. 방향성 요소는 편극량과 작동량 사이의 위상 변화에 반응한다. 고장은 계전기 위치의 상류 또는 하류에 위치할 수 있으며, 보호 영역 내부 또는 외부에서 적절한 보호 장치를 작동시킬 수 있다.

동기화 확인
동기화 확인 계전기는 두 전원의 주파수와 위상이 허용 오차 범위 내에서 유사할 때 접점 폐쇄를 제공한다. "동기화 확인" 계전기는 종종 두 전력 시스템이 상호 연결되는 곳, 예를 들어 두 전력망을 연결하는 스위치 야드 또는 발전기 차단기에서 발전기가 연결되기 전에 시스템과 동기화되었는지 확인하는 데 적용된다.

전원

계전기는 전원 유형별로 분류될 수도 있다.
섬네일|CT에 의해 선로에서 얻은 전류로 전력을 공급받는 이중 전원 보호 계전기. 스트라이커도 표시되어 있다.

 자체 전원 계전기는 선로 전류를 측정하는 데 사용되는 변류기를 통해 보호되는 회로에서 파생된 에너지로 작동한다. 자체 전원 계전기는 별도의 전원 공급 장치가 필요 없으므로 비용과 신뢰성 면에서 유리하다.
 보조 전원 계전기는 배터리 또는 외부 AC 공급 장치에 의존한다. 일부 계전기는 AC 또는 DC를 모두 사용할 수 있다. 보조 전원은 계전기가 작동할 수 있도록 시스템 고장 시 매우 신뢰할 수 있어야 한다.
 이중 전원 계전기는 보호되는 회로에서 전력을 공급받고 백업 역할을 하는 보조 전원 공급 장치를 통해서도 전력을 공급받는다.

 각주 

출처


 외부 링크 
 Silent Sentinels 1949 edition online text

분류:전력장치