보호계전시스템에 대해 설명해보세요.

[보호계전시스템이란]

여러 보호계전기들을 적절히 사용하여 전기 등 보호를 받고자 하는 계통에서 고장이 발생하였을 때 보호하고자 하는 기기의 손상을 방지하고 고장의 범위를 최소화하여 공급신뢰도를 향상시키기 위한 방법이다. 전력 설비의 사고를 재빨리 검출, 제거하여 사고의 확대나 파급을 방지하기 위한 보호계전기를 주축으로 한다. 보호계전 시스템을 구축하는 것은 전력계통의 안정운전에 매우 중요한 요소이며 각 설비 별 보호협조는 정전범위의 최소화 및 설비의 보호 등에 가장 기본적인 사항이다. 따라서 보호계전시스템을 적절하게 구성하여야 하는 것은 대단히 중요하나 전력계통 구성에 정형화된 규정이 없고 따라서 보호계전 시스템 구성에도 일정한 규정이나 형태가 없으며 다음과 같은 개념을 기준으로 구성하는 것이 주로 적용되는 기준이다. 이와 같이 일정한 규정이 없으므로 각 계통에 적절하게 구성하여 주어진 기능을 수행하도록 하여야 하며 이러한 사유로 보호계전시스템의 구성을 과학(Science)이 아닌 예술(Art)이라고 부르기도 한다.

[보호계전 시스템 구성 시 고려사항]

보호계전 시스템을 구성할 경우 역시 정해진 틀은 없으나 주요 고려사항은 다음과 같다.

(1) 경제성

: 초기 투자비 및 운전 및 유지보수에 따른 비용을 고려하여 결정

(2) 예상되는 고장에 따른 적절한 구성

: 고장전류의 크기에 따른 CT & PT 의 적절한 위치를 선정하여 구성

(3) 동작특성

: 효율적인 전력계통의 운용을 보장할 수 있도록 구성

(4) 보호계전시스템의 운용경험

: 전력계통에서 발생 가능한 고장에 대한 이력과 예측을 통해 적합하게 구성

[보호계전기 선정의 기본개념]

앞의 고려사항을 기준으로 보호계전기를 선정하고 구성하는 데는 다음과 같은 기본적인 개념이 적용된다.

(1) 신뢰성 (Reliability)

: 불필요한 오 동작 방지를 위해 신뢰도가 확보되어야 한다.

(2) 동작속도 (Speed)

: 신속한 고장구간의 차단을 위해 빠른 동작특성이 요구된다.

(3) 선택성 (Selectivity)

: 고장 구간만을 선택 차단하여 파급을 최소화 하도록 선택성이 요구된다.

(4) 경제성 (Economics)

: 최소비용으로 최대효과를 얻을 수 있도록 선정하여야 한다.

(5) 단순성 (Simplicity)

: 가장 단순하게 구성하여 동작의 신뢰성을 높여야 한다.

[보호계전 시스템의 구성]

위에서 기술한 내용을 바탕으로 보호계전 시스템을 구성하는데 각 설비별로 그에 적합한 보호계전기를 채택하고 보호구간을 정하고 이들이 서로 잘 협조하여 (Relay Coordination) 최적의 동작특성과 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.

(1) 보호범위

신뢰성 있는 동작과 신속한 고장 구간의 선택차단을 위해 각 설비 별로 그에 적합한 보호계전시스템 및 보호범위를 가져야 하며 설비를 기준으로 구분하면 다음과 같다.

- 발전기 보호 (Generator Protection)

- 변압기 보호 (transformer Protection)

- 모선 보호 (Bus Protection)

- 송배전선 보호 (Line Protection)

- 전동기 보호 (Motor Protection)

(2) 주보호와 후비보호

신뢰성 있는 동작 및 보호계전기의 오부동작에 따른 파급을 방지하기 위해 앞의 보호범위가 서로 중첩되도록 구성하여야 한다.

- 주보호 (Primary Protection)

: 보호범위내의 고장을 가장 먼저 검출하여 선택 차단할 수 있도록 동작하는 보호계전기

- 후비보호 (Backup Protection)

: 주보호가 실패할 경우 확대파급 방지를 위해 동작하는 보호계전기

(3) 설비별 보호협조 (Relay Coordination)

앞에서 기술한 내용을 기준으로 보호계전 시스템을 구성했다면 이제는 각 보호범위에 따라 보호계전기가 지정된 조건에서 신뢰성 있는 동작을 하여 고장구간을 신속히 선택 차단하고 파급을 최소화할 수 있도록 상호간 동작시간을 적절하게 해줄 필요가 있는데 이를 보호협조라 한다.

이 Relay Coordination 을 올바르게 하기 위해서는 고장발생 시 각 모선 및 Feeder 에 흐르는 전류의 크기를 알아야 하므로 단락전류 계산이 필수적인 요소로 되며 이를 기준으로 각 설비 보호계전기의 동작시간이 결정된다. 따라서 Relay Coordination 을 수행하는 기술자는 Relay 각각의 동작특성에 대한 깊은 전문지식과 함께 전력계통의 동적 특성에 대해서도 폭 넓게 알고 있어야 함은 당연하다. 이 Relay Coordination 에는 각 설비의 보호특성에 따라 다양한 기법들이 있으나 모든 내용을 열거할 수는 없으므로 여기서는 과전류 협조 (OverCurrent Coordination : OCR) 에 대한 내용을 중심으로 설명한다.

(4) Relay Coordination 의 기본 개념

OCR 의 동작시간을 올바르게 결정하는 것은 고장구간을 신속히 선택 차단하여 파급을 최소화 하데 목적이 있으므로 고장지점에 가장 가까운 보호계전기가 가장 빠르게 동작될 수 있도록 동작시간이 주어져야 하는 것은 당연하다. 또한 고장이 발생하면 대전류의 유입으로 인해 고장지점과 접속된 모선에서는 커다란 전압강하가 발생하게 되므로 이로 인해 운전 중인 설비의 영향이 최소화될 수 있도록 동작시간이 결정되어야 한다. 이 개념을 그림으로 나타내면 다음과 같다.