과전류 계전기(OCR) 픽업 전류(Pick-up Current, Is) 상세 설정 기준

과전류 계전기(OCR) 픽업 전류(Pick-up Current, Is) 상세 설정 기준

 

 

 

과전류 계전기(OCR)의 픽업 전류 설정과 한시 특성 곡선에 대해 실무 및 설계 관점에서 더 깊이 있게 살펴보겠습니다. 전기 설계와 보호 협조(Protection Coordination)를 완벽히 이해하기 위한 핵심 내용을 정리했습니다.

 

1. 픽업 전류(Pick-up Current, Is) 상세 설정 기준

픽업 전류는 계전기가 동작을 개시하는 문턱(Threshold) 값입니다. 보호 대상의 종류와 부하 특성에 따라 산정 방식이 달라집니다.

■ 일반 부하 및 케이블 회로

• 기준: 선로의 허용전류 또는 최대 부하전류(IL)
• 설정 방식: Is = IL x (1.2 ~ 1.5)
• 이유: 일시적인 돌입 전류나 부하 변동으로 인한 불필요한 오동작(Nuisance Tripping)을 방지합니다.

■ 변압기(Transformer) 회로

• 기준: 변압기 정격전류(In)
• 설정 방식: 보통 정격전류의 1.5배 ~ 2.0배 수준으로 설정합니다.
• 고려사항: 변압기 가압 시 발생하는 여자 돌입 전류(Inrush Current)(정격의 10~12배, 수 십 ms~수 초 지속)에 의해 오동작하지 않도록 반한시 특성과 연계하여 픽업 값을 조율해야 합니다.

■ 전동기(Motor) 회로

• 기준: 전동기 전부하 전류(FLC)
• 설정 방식: 전동기 기동 시 흐르는 기동 전류(6 ~ 8 x FLC)를 피할 수 있도록 픽업을 높게 잡거나, 별도의 기동 정지 타이머/한시 특성을 적용합니다. (보통 단락 보호용 OCR은 기동전류를 회피하기 위해 정격의 2.5배 이상으로 설정하기도 합니다.)

 

 

2. 한시 특성 곡선(Inverse Time Characteristic)과 표준 수식

고장 전류의 크기가 커질수록 동작 시간이 빨라지는 반한시 특성은 IEC 60255 및 IEEE C37.112 표준에 따라 수학적으로 정의됩니다.

■ IEC 표준 곡선 수식

• t : 동작 시간 (초)
• TDM (또는 TMS) : 시간 정정 다이얼 (Time Dial Multiplier)
• I : 실제 흘러 들어오는 고장 전류
• Is : 픽업 설정 전류
• k, α : 곡선 종류별 상숫값

 

■ 특성 곡선별 세부 특징

• 표준 반한시 (Normal Inverse, α = 0.02, k = 0.14)

- 전류가 증가함에 따라 동작 시간이 완만하게 감소합니다. 하류측에 퓨즈나 다른 반한시 계전기가 있을 때 협조하기 용이합니다.

• 심반한시 (Very Inverse, α = 1.0, k = 13.5)

- 반한시보다 곡선의 기울기가 가파릅니다. 전원측과 부하측의 고장 전류 크기 차이가 비교적 작을 때 계전기 간 시간 간격을 확보하기 좋습니다.

• 극반한시 (Extremely Inverse, α = 2.0, k = 80)

- 고장 전류가 클 때 동작 시간이 극적으로 단축됩니다. 케이블이나 변압기의 열손실($I^2t$) 특성과 유사하여 설비의 열화 방지에 매우 유리합니다.

 

 

3. 시간 정정 다이얼(TMS 또는 TDS)과 곡선 이동

픽업 전류가 계전기의 수평 방향(동작 개시점)을 결정한다면, TMS(Time Multiplier Setting)는 곡선 전체를 상하로 평행이동시키는 역할을 합니다.

• TMS 값을 낮추면(예: 0.1 -> 0.05) 곡선이 아래로 내려가 전체적인 동작 시간이 빨라집니다.
• TMS 값을 높이면 곡선이 위로 올라가 동작 시간이 느려집니다.
• 보호 협조의 핵심: 계단식 보호 협조를 할 때, 상류측(전원측) 계전기와 하류측(부하측) 계전기 사이에 시간 여유폭(CTI, Coordination Time Interval, 보통 0.2초 ~ 0.3초)을 확보하기 위해 TMS를 조절합니다.

 

 

4. 보호 협조 시 핵심 체크포인트

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• 변성기(CT) 포화(Saturation) 고려 : 단락 사고 시 고장 전류가 너무 크면 CT가 포화되어 정확한 파형을 전달하지 못하므로, 최대 단락전류 영역에서의 계전기 동작 오차를 염두에 두어야 합니다.
• 백업 보호 : 주 보호(Primary Protection) 계전기가 고장 등으로 동작하지 않을 때를 대비해 상류측 계전기가 백업 역할을 할 수 있도록 시한과 픽업을 검토해야 합니다.

 

 

5. 과전류 계전기(OCR) 운영 시 반드시 알아야 할 추가적인 핵심 사항

1) OCR 50/51 복합 동작 (한시와 순시의 조화)

• 순시 요소(50)의 병행 : 실제 현장의 OCR은 반한시 한시 요소(51)와 즉시 동작하는 순시 요소(50)가 결합된 50/51 계전기로 운용됩니다.
• 적용 목적 : 변전소 인근이나 선로 초입에서 대규모 단락 사고가 발생했을 때는 지연 시간 없이 순시 요소가 즉시 동작하여 설비 소손을 방지합니다.

 

2) CT 비(Ratio)와 탭(Tap) 설정의 연계

• 1차 및 2차 환산 : 계전기에 입력되는 전류는 CT(변류기)를 거친 2차 전류이므로, 실제 보호하려는 선로의 1차 전류 기준으로 픽업 설정값을 정확히 환산해야 합니다.
• 디지털 vs 아날로그 : 최신 디지털 계전기는 1차 전류 값(A)으로 직접 설정이 가능하지만, 구형 아날로그 계전기는 CT 탭(Tap)과 플러그 셋팅 멀티플라이어(PSM) 조합을 수동으로 계산해야 합니다.

 

3) CTI(보호협조 시간차)와 여유 시간 산정

• 시간 여유 확보 : 상류측과 하류측 계전기 간 CTI(Coordination Time Interval)는 일반적으로 0.2초 ~ 0.3초를 확보해야 합니다.
• 오동작 방지 : CTI가 너무 짧으면 하류측 차단기가 완전히 개방되기 전에 상류측 계전기가 먼저 동작하여 정전 범위가 넓어지는 협조 불량이 발생합니다.

 

4) 디지털 계전기의 고급 기능 활용

• 표준 외 커스텀 곡선 : 마이크로프로세서 기반 디지털 계전기는 IEC/IEEE 표준 곡선 외에도 현장 특성에 맞춘 사용자 정의 곡선을 프로그래밍할 수 있습니다.
• 고조파 억제 기능 : 비선형 부하(인버터, 정류기 등)로 인한 고조파 영향으로 오동작하는 것을 막기 위해 2고조파 억제(Harmonic Restraint) 기능 등을 함께 연계하여 설정합니다.