이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

분산형 전원 계통 연계의 보호

TMT&D 주식회사_바바 유타카(馬場 裕)

수요자와 독립 발전 사업자 등의 지역에 분산 설치되는 분산 전원의 시장 확대가 가속화되고 있다. 분산형 전원에는 발전 시에 전력만 공급하는 발전 전용 시스템, 전력과 열원을 공급하는 열병합 발전 시스템(이하 CGS)이 존재하는데 경제성이 뛰어난 CGS가 주류다.

CGS는 <그림1>과 같이 1차 에너지로 발전하는 한편 그 폐열을 이용해 급탕과 공조 등을 하는 열 수요에 맞는 시스템이다.

CGS 도입이 확대되고 있는 배경에는 전략 에너지법 개정 등의 환경 규제 강화와 절약 에너지, 환경 의식의 사회적 확대가 있다.

따라서 지금은 사업 활동을 할 때 환경에 대처하는 것은 사업 PR의 큰 포인트가 된다.

당초에는 산업용 중심으로 도입되었지만 최근에는 사업용, 가정용으로 급속히 확대되고 있다.

또 CGS 사업자도 다양한 업종에서 들어와 활발해지고 있다.

CGS 발전 설비 용량에 대해서는 2003년도 말경에 일본 내 총 발전 설비 용량에 점한 비율은 약 3%를 넘는다고 추측하고 있다.

본고에서는 CGS를 시작으로 한 분산 전압 도입의 계통 연계 보호의 개념과 구성에 대해서 소개한다.

계통 연계

1. 계통 연계란

 계통 연계란 디젤 엔진과 가스 엔진 등의 회전기를 이용한 CGS 설비 등의 전원 및 연료 전지, 태양광 등의 직류 발전 설비로 역변환 장치를 이용한 전원을 상용 전력 계통과 연계한다는 것을 말한다.

2. 계통 연계할 경우의 기술적 요건

 전기 사업법에 기초한 기술 기준을 준수하면서 자가용 발전 설비를 상용 전력 계통과 연계할 경우 필요한 요건이 경제산업성 자원 에너지청 공익 사업부 감수 ‘전력 계통 연계 기술 요건 가이드라인’(이하 가이드라인) 및 일본전기협회 발행 ‘분산형 전원 계통 연계 기술 지침’(이하 기술 지침)으로 나타나고 있다.

가이드라인의 기본적 사고는 다음과 같다.

① 공중 및 작업자의 안전 확보 및 전력 공급 설비 또는 다른 수요자의 설비에 악영향을 주지 않을 것.

② 공급 신뢰도(정전 등) 및 전기 품질(전압, 주파수 등) 면에서 다른 수요자에 악영향을 주지 않을 것.

이러한 것을 실현하기 위해 연계를 희망하는 수요자(이하 발전 설비 설치자)와 전력 계통을 운용하는 전기 사업자와의 사이에서 계통 연계를 위한 협의를 실시한다.

가이드라인은 규칙이 아니라 연계 협의에서의 투명성, 공평성 및 원활함 등을 높이기 위한 표준적 지표다.

한편 기술 지침은 가이드라인을 토대로 계통 연계에 종사하는 실무자를 위해 내용을 보다 구체적으로 나타낸 것이다.

3. 계통 연계에 필요한 보호계전기

 가이드라인은 발전 설비 설치자의 구내 사고 또는 전력 계통 사고 시에 사고를 없애고 사고 범위를 국한시키기 위해 다음과 같은 기본적 사고를 제시하고 있다.

① 구내 사고 시에는 구내에서 확실하게 검출·제거하고 연계 계통에 사고가 파급되지 않게 할 것. 또 CGS는 즉시 계통에서 이탈할 것.

② 연계된 전력 계통의 사고 시에는 빠르고 확실하게 계통에서 CGS를 이탈해 어떤 부분 계통에서도 단독 운전(전력 계통 송출 차단기 개방으로 인해 잘린 상태에서 발전 설비 설치자의 전원을 운전해 전력 계통의 부하에 충전하고 있는 상태)이 발생하지 않을 것.

③ 연계된 계통 이외(동일 뱅크 다른 피더)의 사고 시에는 CGS는 이탈하지 않을 것.

④ 상위 송전 계통 사고 시 등 당해 운계 계통의 전원이 상실했을 때 CGS는 고속으로 이탈될 것.

지금까지 말한 대로 종래의 전력을 받기만한 전력 수요자와 크게 달라 전력 회사 송출 차단기가 개방되어도 CGS의 발전기에서 사고 전류 공급을 계속하기 때문에 발전 설비 설치자는 구내 및 해당 전력 계통의 모든 것을 보호할 필요가 있다(<그림2>).

아래에 각 사고 대책에 필요한 보호 계전기를 나타낸다.

가. 발전 설비 설치자 구내 사고 대책

 구내의 단락 사고 검출용으로(순시 요소 부착) 과전류 계전기를 사용하고 지락 사고 검출용으로는 지락 과전류 계전기를 사용한다. 일반적으로 고압 배전 계통은 비접지 방식, 특별 고압 계통은 고저항 접지 방식이 채택되고 있기 때문에 각각에 적합한 지락 계전기를 선정해야 한다. 또 구내 충전 전류가 많을 경우 지락 방향 계전기를, 빠른 속도가 요구되는 경우에는 트랜스의 여자 돌입 전류에 의한 불필요 동작을 방지하기 위해 제2고조파 억지 부지락 계전기 사용을 추천하고 장려한다.

나. 전력 계통 사고 대책

 연계 계통으로 단락 사고가 발생했을 때 CGS가 같은 기 발전기일 때는 발전기에서 사고점을 향해 단락 전류가 흐르지만 일반적으로 발전기의 단락 용량이 적기 때문에 단락 전류는 작아 구내 사고 대책용 과전류 계전기로는 검출할 수 없다. 이 때문에 고감도 단락 방향 계전기를 이용해 검출한다. 그리고 단락 방향 계전기에는 단락 사고가 VT 근처에서 발생해 2차 전압이 거의 0이 되면 동작할 수 없는 기종이 있기 때문에 전압 메모리 기능을 가진 지근단 단락 대책 부계전기를 선정해 후비보호로 부족 전압 계전기를 조합시키는 것이 바람직하다.

 한편 유도 발전기일 때는 단락 전류가 단시간 흐르지만 단락에 의해 계통에서 여자가 소실되기 때문에 급격히 단락 전류가 감쇄해 단락 방향 계전기로는 검출할 수 없다. 여기는 계통 전압의 저하를 검출하는 부족 전압 계전기로 보호한다.

연계 계통으로 지락 사고가 발생했을 때 CGS 측에서 유출되는 지락 전류는 작아 지락 과전류 계전기로는 검출할 수 없기 때문에 지락 과전압 계전기로 검출한다.

지락 과전압 계전기는 고압수전일 경우에는 ZVT와 합한 계전기를, 특별 고압수전일 때는 EVT와 합한 계전기를 이용한다.

또 특별 고압수전일 경우, 루프 송전 계통과 연계할 때는 전력 회사와의 협의를 통해 표시선 계전 장치를 이용해 단락 지락 사고를 보호한다.

다. 상위 계통 사고 대책

 상위 송전 계통에서 사고가 발생해 해당 변전소의 전원이 상실되고 CGS가 단독 운전 상태가 되었을 때는 빠르고 확실하게 CGS를 이탈해야 한다.

CGS가 단독 운전 상태로 되었을 때 CGS 측에서 전력 계통 측으로 유효 전력이 유출되기 때문에 역조류가 인허되어 있지 않는 발전 설비 설치자는 역전력 계전기를 이용해 검출한다.

역조류가 인허되어 있는 발전 설비 설치자는 역전력 계전기를 사용할 수 없기 때문에 주파수 저하 계전기로 보호한다. 이 경우 계통 계획일 때는 어떤 경우라도 변전호 뱅크 단위로 역조류가 있는 CGS 발전 출력보다 부하가 커지게 되어 있어 단독 운전 상태가 되면 주파수가 저하해 주파수 저하 계전기로 검출할 수 있다.

 특별 고압 계통에 연계되었을 때는 발전 용량도 일반적으로 크고 상위 계통 사고 시의 전압 저하에 따른 차단기 개방 등으로 부하가 탈락하면서 발전기 출력과 부하의 불균형으로 인해 주파수가 상승하기도 하기 때문에 주파수 상승 계전기를 설치해 검출한다.

라. 선로 무전압 확인 장치의 설치

 전력 계통 사고 시에 자동 재폐로를 하는 계통(고압 일반 배전선으로 통상 실시)은 CGS가 단독 운전 상태로 남아 있다면 비동기 투입이 되어 발전기의 손상 등 발전 설비 설치자를 포함한 전력 수요자 기기에 큰 손상을 줄 우려가 있기 때문에 발전 설비 설치자의 부담으로 전력 회사의 변전소에 선로 무전압 확인 장치 설치를 신청해야 한다.

마. 선로 무전압 확인 장치의 생략 요건

 선로 무전압 확인 장치는 <표1>에 나타냈듯이 기본적으로 설치가 필요하지만 역조류의 유무에 의해 생략 가능하다.

역조류가 있을 때는 설치가 필요하거나 또는 단독 운전 검출 기능으로 대체 가능(고압 연계)해 결과적으로 뭔가의 설비가 필요하게 되지만 역조류가 없을 때는 보호 장치를 이중화함에 따라 생략 가능해진다.

이중화의 원칙은 계통 연계에서 필요한 보호 계전기, 변성기 및 차단기를 1계열째의 것과 2계열째의 것을 동종으로 함에 따라 신뢰성을 향상시키지만 2계열째의 것을 부족 전력 계전기(2상 검출 이상)로 하는 것도 가능하다.

게다가 2계열째의 변성기 및 차단기를 생략하는 것도 가능하다.

바. 종별마다의 보호 구성

 지금까지의 사고 대책에서 보호 계전기를 <표1>처럼 한눈에 볼 수 있게 정리하면 종별마다 필요 보호 계전기가 대강 결정된 것을 알 수 있다.

i) 연계점 계통 전압(저압·고압·특고)

ii) 발전기종별(동기·유도·역변화장치부)

iii) 역조류 유무(있음·없음)

위의 종별 조합에 의해 필요 보호 계전기를 추출해 구성을 선정 검토하는 것이 일반화되어 있어 전력 계통을 운용하는 전기 사업자에서도 이들 보호 계전기의 정정값을 연계 협의할 때마다 검토하고 있다.

위의 종별중 일본 내에서의 계통 연계 구성으로는 ‘고압 연계, 동기 발전기, 역조류 없음’이 가장 보급되어 있는데 이 조건에서의 보호 구성을 <그림3>에 나타낸다.

4. 계통 연계 보호 계전기의 예

 계통 연계 보호 계전기의 대표적인 예로 당사의 MELPRO-D시리즈 CPP1형(디지털 형)의 장점을 소개한다(<그림4>).

① 고압/특고 연계, 역조류 없는 조건에서 UPR에 의한 개략화를 휴대용에 올인원화, CPP1형 1대에서 연계 조건을 만족한다.

② 장시간 전력 보호 계전기 제조로 배양된 고도의 자기 감시 기능을 넣고 있다. 이것에 의해 3의 마에서 설명한 보호 장치의 이중화 효과를 충분히 발휘할 수 있다. 즉 고도의 자기 감시 기능을 탑재하지 않을 때 정기 점검 동안 보호 계전기의 고장이 발생해도 발견할 수 없을 가능성이 높고 고장 발생·계속 시에는 실질적으로 이중화가 성립되지 않는다.

③ 충실한 자기 감시 기능 내장에 의해 점검 주기의 연장화 및 간소화가 가능하다.

④ 보호 요소 복합 내장에 의해 반점유 면적의 축소화, 인력 신호의 공용화에 의해 CT, VT는 낮은 정가 부담품의 선정이 가능하다.

⑤ 고 정밀도 디지털 연산 방식 채택으로 고 신뢰도를 실현하고 있다. 게다가 자기 감시 기능에 의해 불필요한 미스트립 방지와 고장을 빨리 파악할 수 있게 되어 설비의 이동률이 향상된다.

⑥ 아날로그·디지털 필터 채택을 통해 고조파 입력에 대해서도 안정된 특징을 얻을 수 있다.

⑦ 단락 방향 요소는 기술 지침을 만족한 메모리 기능을 내장해 지근단 단락 사고도 확실히 검출 동작한다. 또 역률 변동에 의한 불필요 동작 대책으로 선형 위상 특성을 채택하고 있다.

⑧ 역률 계측 기능 내장에 의해 전력 동요 시의 역률 일탈 상황을 판단할 수 있다.

⑨ 정정 범위의 와이드화, 상세 스텝화에 의해 각종 정정 조건에 최적 정정이 가능하다.

⑩ 프로그래머블 출력 접점 채택에 의해 외부 시퀀스의 생략화, 시스템 구축 공수 삭감 및 고장률 저감이 가능하다.

⑪ 보호 계전기 동작 시의 동작값 외의 것을 기록하는 사고 기록 기능 장치에 일부 보호 기능을 내장한 PCS부 전원 대응 보호 계전기로 MELPRO-S 시리즈 CVG/CRV형 보호 계전기를 라인업해 역조류 유/무 조건에 각각 1대로 연계 조건을 만족한다(<그림5>).

앞으로의 전개

 앞으로도 분산형 전원은 확대 방향으로 나아가면서 다양한 분산형 전원이 계속 성장할 것으로 예상된다. 한편으로 가이드라인 등의 지표도 개정이 예정되어 있어 보호 구성의 재검토도 예상된다. 당사는 신기술 도입과 가이드라인 개정에 신속하게 대응하고 분산 전원 도입에서 항상 최적한 보호 계전기를 공급해 갈 계획이다.