[전력계통 현상과 보호·억제 대책 ②] 정지형 릴레이와의 과전류 보호 협조

배전선 용량의 대형화와 함께 최근 배전용 변전소뿐만 아니라, 수용가에서도 디지털 릴레이의 보급이 활발하게 이루어지고 있다. 여기에는 기존의 유도 원반형에 비해 다양한 정정(整定)이 가능하고 협조 검토가 용이하다는 장점이 있지만, 보호협조를 확실히 정리해두지 않으면 불필요한 동작 등 예기치 못한 트러블이 초래되기도 한다. 본고에서는 디지털 릴레이를 전제로 한 도쿄전력 관내의 배전용 변전소 OCR과 비교적 대형의 고압수용가 수전용 OCR 간의 협조 개념을 중심으로 그 개요를 소개한다.
 

번역·정리 김대근 기자

전력회사의 발전소에서 발전된 전력은 거대한 송전계통과 배전계통을 거쳐 각 수용가로 공급되고 있다. 특고 수용가, 고압 수용가, 일반 저압 수용가 등 모든 수용가는 이 거대한 전력시스템으로 통합되어 실시간 연계된다. 고압 수용가는 전력회사의 배전선에 연결되어 있기 때문에 수용가 구내에서 발생한 전기사고를 구내에서 차단하지 않으면 배전용 변전소의 피더(송출) 차단기(VCB)를 트립시켜 다른 수용가에 정전을 파급시킨다. 그 사회적 손해는 막대하다. 이를 방지하기 위해서는 전기사고를 예방하는 대책은 물론, 배전용 변전소 피더용 VCB의 과전류 계전기(Over Current Relay: OCR)와 고압 수용가의 수전용 VCB의 OCR로 보호협조(동작협조)를 도모하는 것이 중요하다. 배전선은 사고나 공사에 의한 운용 전환이 이루어지는 경우도 있어 전력회사와의 협의가 중요하다. [그림 1]에 단순 모델을 나타냈다. 고압 수용가의 피더용 VCB 직하(사고점 F)에서 단락사고가 발생했다면, 사고점 극한화(極限化)의 원칙하에 피더용 VCB나 수전용 VCB를 개방하여 사고점을 제거하길 바란다. 가급적이면 배전용 변전소의 피더용 VCB를 차단시키는 일은 피하길 바란다. 그렇게 함으로써 배전용 변전소 OCR F와 고압 수용가의 OCR R 및 OCR F의 보호협조를 도모하는 의미가 있게 된다. 보호협조의 이해는 주임기술자에게 있어 무엇보다 중요한 직무이다.





최근의 배전용 변전소 OCR 정정 
도쿄전력 관내의 배전용 변전소는 2대 내지 3대의 20MVA 트랜스가 각각 단독으로 운전되고 있고, 그 모선에서 피더(궤전선(饋電線))가 5~8회선 나와 있다. 최근의 배전용 변전소 피더용 OCR의 정정(整定)은 디지털화에 수반하여 2단 한시(限時)가 보급되고 있으며, CT비 600/1, 1단 TAP=1.2(720A)에서 0.5초, 2단 TAP=2.4(1440A)에서 0.2초의 정정이 많다.([그림 2] 참조) 1단째의 720A는 그 배전선에 직렬로 연결되는 배전선이나 기기에 장애를 일으키는 허용전류의 150%를 기준으로 정해진다. 수용가에 공업단지가 있을 법한 대용량 변전소에서는 30(MVA) 트랜스가 운용되고 있으며, 1단째의 정정이 TAP=1.2(720A)에서 1.0초인 곳도 있다.([그림 3] 참조) 수용가의 지역성을 고려하여 CT비 600/1, 1단째 TAP=1.3(780A)에서 0.5초 또는 1.0초, 2단째 TAP=2.6(1560A)에서 0.2초 정정인 경우도 있다. 이처럼 배전용 변전소의 2단 한시라 해도 획일적이지 않다. 또 기존의 특성인 반한시 특성(전류가 커질수록 동작시간이 빨라지는 특성)을 정지형 릴레이에 채용하고 있는 배전용 변전소도 있다.([그림 4] 참조) [그림 2~4]의 OCR R과 OCR F1의 특성곡선은 [그림 1]에서의 수용가 정정 예(개념도)이다.  




최근의 범용 OCR에 대해
[그림 2~4]의 OCR R과 OCR F1의 특성은 강반한시의 일례이다. 반한시 특성의 경향은 전기학회 전기규격조사회 표준규격 JEC-2510-1989에 의해 [표 1]과 같이 정해져 있다. 각 제조업체는 이를 기준으로 제품을 상품화하고 있다. [그림 5]에 그 일례를 나타낸다. 특성을 다이얼 및 딥 스위치로 전환할 수 있는 유형도 많이 나와 있다. 




각 특성의 개요에 대해서는
· 초반한시 EI(Extremely Inverse): 전류의 2승에 비례한 시한특성 때문에 발열(줄열) 특성에 맞아 전기기기의 과부하 보호에 적합하다. 또 열동형의NFB, 퓨즈 등 보호기기의 특성에도 맞기 때문에 이러한 기기들과의 보호협조가 용이하다. 

· 강반한시 VI(Very Inverse): 전기기기의 과부하 내량 특성에 맞기 때문에 배전선의 보호 및 변압기의 보호에 적합하다.

· 보통 반한시 NI(Normal Inverse): 동일지점의 고장으로 전류가 대폭 변동하는 경우 송전선의 단락보호에 적합하다. 

· 정한시 DT(Definite-Time): 입력전류가 일정치 이상이 되면, 전류의 크기에 관계없이 그 동작시간이 일정한 특성이다.

보호협조 검토 시 중점사항
보호협조를 도모한다는 것은 [그림 2~4]에서와 같이 가로축이 전류(A), 세로축이 시간(초)인 양대수 그래프를 이용해 각 OCR의 동작전류에 대한 동작시간을 플롯하는 경우, 전원에 가까운 상위(이 경우는 배전용 변전소 피더용)의 OCR 특성곡선(배전용 변전소의 대부분은 계단상의 2단한시)보다 검토대상인 OCR(이 경우는 고압 수용가의 수전 OCR)의 특성곡선이 원칙상 전전류(全電流) 영역에 있어서 아래쪽에 오도록 하는 것이다. 또한, 수용가 구내의 하위 피더 OCR과 변압기 보호용 파워퓨즈(PF)와의 협조를 도모할 필요가 있다.

배전용 변전소 OCR과 수전 OCR의 협조 검토
배전용 변전소 OCR이 720A-0.5초, 1440A-0.2초의 2단 한시로, 고압 수용가의 일례([그림 6] 참조)를 통해 수전 OCR(이하 「51R」)의 정정 예를 생각해 본다. OCR의 정정은 △시동 전류치(A)(탭치) △다이얼(레버) △순시치(A)의 3요소가 일반적이다. 그밖에 한시특성, 상용주파수(50·60Hz)의 전환 타입도 있다. 현장에서 사용되는 「탭」이나 「레버」라고 하는 말은 유도형 시대의 잔재이다.




① 탭치를 정한다.

과전류 보호를 목적으로 한 OCR 한시요소의 동작전류치를 정정한다. 따라서 불필요한 동작을만들지 않고 과부하 보호가 가능한 적절한 값으로 한다.

탭치의 계산식




α값의 기준으로는 △계약전력이 1000kW 이하인 경우: 1.5 △1000kW 이상인 경우: 1.2~1.3 △고압전동기 등 변동부하가 있는 경우: 1.5~2.0으로 한다. 

탭치의 정정은 계산한 전류치의 가장 가까운 하위로 한다. 계약설비전력이란 부하의 사용상황이 미정인 경우, 전력회사가 이용하는 산출방법에 의한 값이다.([표 2] 참조)




이를 바탕으로 계산하면,
계약설비전력 P=1800×0.4+105
                          =825(kW)







따라서 탭치=3.0(A)(1차측 환산으로 120(A))

식에서 (5÷200)은 CT비이다. 변류기(Current Transformer)에 의해 CT비의 비율로 1차측의 고압전류는 소전류로 변환된다. 

최종적으로는 전력회사와의 협의로 결정된다

② 다이얼 D를 정한다

다이얼 D를 정한다는 것은 사고전류에 대한OCR의 동작시간을 결정하는 것이다. 배전용 변전소 OCR이 동작하기 전에 51R의 동작으로 차단기를 개방시켜 사고전류를 차단할 수 있도록 하는 정정이 필요하다.

배전용 변전소의 2단 한시특성과 협조를 취할 시 51R의 특성은 하위와의 동작협조를 고려하면 초반한시 또는 강반한시가 유리하다. 여기서는 양쪽 모두 검토하기로 한다. 







I: 탭치 배수

※ 도시바(東芝)는 D값을 타 제조업체의 10분의 1로 표기하고 있으므로 10으로 나눌 필요가 없다.

다이얼 D의 검토에는 이하 4가지 점(a~d)을 고려할 필요가 있다.

a. 수전용 차단기의 차단시간
수전용 VCB(52R)가 51R에서 트립신호를 받아 개극동작에 들어가 아크 차단에 이르기까지의 시간이다. 현재는 대부분이 3사이클 차단(개극시간  2사이클+아크시간 1사이클)이다. 따라서 50Hz의 경우는 1사이클이 0.02초이므로 51R의 동작시간에 0.02×3=0.06(초)를 더한 시간으로 검토한다.(OCB는 5사이클 및 8사이클로, 8사이클은 협조가 불가능하므로 주의가 필요하다)

b. 배전용 변전소 OCR의 관성특성을 0.9로 한다
배전용 변전소 OCR의 1단째 한시정정 0.5초에 대해 정정 탭치 이상의 사고전류가 0.5×0.9=0.45(초) 이상 흐르면, 배전용 변전소 OCR이 동작하여 송출 VCB에 트립신호를 내보낸다. 따라서 배전용변전소 OCR의 한시특성은 관성특성 0.9를 고려한 시간으로 검토한다. 전력용 규격 B-402에 따르면 단한시(段限時) 디지털 릴레이에서는 관성특성에 대한 기술이 따로 없어 관성특성을 고려할 필요는 없을 것으로 판단되지만, JEC-2510에 정지형 릴레이의 정한시 관성특성이 0.9로 기재되어 있기 때문에 안전 측면에서 관성특성을 0.9로 하여 검토를 진행할 필요가 있다. 참고로 반한시 특성의 정지형 릴레이의 경우는 JEC-2510에 기술되어 있는 0.85로 검토한다.

c. 여유도(tolerance, 裕度)로서 동작시간차 0.03초를 고려한다
수전 OCR의 동작시간(상기 ①,②)과 배전용 변전소 OCR의 한시특성 간의 시간차 0.03초를 고려한다. 

720A에서는 0.5×0.9-(0.06+0.03)=0.36(초) 이하, 1440A에서는 0.2×0.9-(0.06+0.03)=0.09(초) 이하로 OCR이 동작하도록 다이얼 D를 결정한다.

이를 토대로 계산하면,