동력설비 - 전동기 보호계전방식

동력설비 - 전동기 보호계전방식

 

 

1. 전동기 보호계전방식의 개요

전동기는 여러가지의 형식, 용량, 전압을 가지고 있어 그 적용방식도 매우 다양하기 때문에 그 보호방식도 발전기 보호만큼 표준화되어있지 않다. 따라서 극히 간략화된 보호에서부터 발전기 보호와 비슷한 정도의 복잡한 보호까지 여러가지 형태가 있다.

 

1) 전동기 고장현상과 원인

 

2) 전동기 보호의 종류 및 적용보호기기

 

 

 

2. 전동기 전류차단방식

전동기의 회로차단방식은 A)차단기+계전기, B)배선용차단기+전자접촉기+계전기, C)퓨즈+전자접촉기+계전기의 방식이 있으며, B),C)의 방식은 소형전동기에 주로 적용되는데 단락전류를 배선용차단기 또는 퓨즈로 차단하고 부하전류를 전자접촉기로 차단.A)은 고압, 중형이상의 전동기에 주로 적용하며, 모든 전류차단은 차단기로 하게 된다.

 

★ 역율보상용 콘덴서를 각각의 전동기에 설치하는 경우 과전류 계전기(열동계전기 또는 전자식으로서 과전류 검출기를 말한다)또는 전류계가 있는 경우 과전류계전기 및 전류계의 전원측에서 분기하여 설치하는 것을 원칙으로 한다.

 

3. 전동기 고장의 종류

· 권선이나 관련회로의 고장(단락, 지락)

· 과도한 과부하

· 전원전압의 저하나 상실

· 전원상순의 (A,B,C상)의 역순

· 상 불평형

· 동기 전동기인 때 동기탈조, 계자상실 등

 

4. 고압전동기의 보호

1) 고정자 권선의 상 간 단락보호

전동기 단자의 단락전류는 일반적으로 기동전류나 외부단락시의 전동기 유출전류보다 훨씬 크기 때문에 고정정의 순시요소를 쓰면 고속도로 경제적인 보호를 할 수 있다. 그러나 기동전류가 단락전류와 크기가 비슷한 전동기에는 비율차동계전기를 적용하여야 한다.

차동계전기의 검출감도는 기동전류와 무관하지만 순시차단 요소인 경우에는 기동전류(DC off set 포함)보다 크게 정정하여야 한다.

· 일반적으로 전동기 KVA(또는 HP) 1/2 공급변압기 KVA이면, 차동보호를 적용한다.

· 순시요소의 p.u전류 IT는 전동기 단자 3상 단락전류의 1/3 이하이어야 확실한 동작을 기대할 수 있으며 대체로

· IT 정정치>1.6 ILR

· IT 정정치>1/2Iφφmin으로 정정하는 것이 바람직하다.

 

2) 고정자 보호용 과전류계전기

고정자 단락과 과열은 많은 경우에 같은 과전류 계전기로 보호된다.

일반용도의 전동기는 사고검출이 되면 전원에서 자동으로 분리되지만 특히 중요한 부하를 갖는 전동기는 되도록 분리시키지 않고 강제운전을 하는 경우가 많다.

 

2-1) 일반용도의 전동기 보호

일반용도의 전동기 단락보호에는 위에서 말한 고정정의 순시요소와 반한시 요소를 갖는 과전류계전기를 쓰며 반한시 요소는 전동기 연속 정격전류의 110% 동작시간은 시동시의 돌입전류로 동작하지 않도록 충분한 한시로 정정한다.

통상 기동전류는 정격전류의 5배 정도이고 계속시간은 2-20초 정도된다. 이 값은 전동기의 시동방식과 부하특성에 따라 변한다. 또 순시요소의 동작치는 앞서 설명한 것과 같이 정정한다.

 

2-2) 중요용도 전동기의 보호

화력발전소나 화학공장 등에서 쓰는 전동기 중에는 보통이면 차단시켜야 하는 과부하 상태에서도 Process의 정지를 피하기 위하여 운전원의 감시하에서 운전을 계속하여야 할 경우도 있다.

차단기 트립을 최소한으로 억제하기 위해 단락보호는 고정정의 순시요소에 의한 트립만으로 하고 장한시의 변환시 요소 동작은 경보만으로 하는 과전류 보호방식을 쓴다. 이들 계전기의 정정은 일반용도 전동기 보호의 경우와 동일하다.

회전자가 정지할 우려가 있는 경우에는 전동기 연속 정격전류의 200-300%에 동작하는 저정정의 순시동작 과전류요소를 추가하여 그림에서와 같이 저 정정의 순시요소와 장한시의 과전류요소를 모두 동작했을 때에는 차단시킨다. 이 자 정정 순시요소는 시동돌입전류(기동전류)가 줄어들어 전류가 정상부하 값으로 돌아갔을 때는 확실하게 복귀할 필요가 있다. 따라서 동작치에 대해 복귀치가 높은 High Drop Out 특성을 가진 계전기를 사용하여야 한다.

 

2-3) 고정자 권선의 지락보호

전동기는 통상 비 접지로 쓰이므로 지락보호는 전원측의 개통접지 방식에 따라 보호방식도 달라진다.

전원측이 비 접지 또는 고 저항접지 계통이면 전동기 단자에 영상전압과 영상전류로 동작하는 지락방향계전기를 설치한다. 이 방식은 일반 배전선 보호에 쓰이는 방식을 그대로 적응할 수 있다. 또 전동기까지의 케이블 길이가 짧고 충전전류가 적으면 고 감도의 영상과전류 계전방식으로 선택성이 있는 보호를 할 수 있다.

전원측이 직접 접지계통이면 영상전류로 동작하는 순시 요소부 반 한시 과전류 계전기를 쓴다. 순시요소의 동작치는 전동기 정격전류의 20% 또는 최대지락 전류의 10%의 값 중 적은 값으로 정정한다.

 

2-4) 부족전압(저전압) 보호

전동기는 저 전압상태에서는 회전력의 부족이나 고정자 전류의 증가를 가져오며 정전시에는 전원에서 분리해 두지 않으면 전원이 다시 회복했을 때 자동적으로 재 시동하는데 나쁜 영향을 주게 된다. 따라서 적어도 1상에 대한 부족전압보호가 필요하며, 1,500KVA 이상의 전동기에는 3상분 부족전압 계전기에 의한 보호가 바람직하다.

3상 부족전압 계전기를 차단기보다 전원측에 설치하면 단상 시동을 방지할 수 있으나 전동기 운전 중에 생긴 1선 단선에 의한 결상운전을 방지할 수 없다.

Y-△ 변압기의 1차측 단선으로 전동기에 단상전원이 공급되면 전동기의 한 상에는 다른 2상 전류의 2배 전류가 흐르므로 이를 검출하려면 전류 불평형을 검출할 수 있는 역상 전류계전기를 설치해야 한다.

부족전압 계전기에는 반드시 한시특성을 갖게 해야 하며 전동기 운전에 지장이 없는 단시간의 전압강하에는 전동기가 해열되지 않도록 해야 한다.

화력발전소의 소 내 전동기 등에서는 전원사고에 의한 전압강하시에 급속히 다른 전원으로 전환할 필요가 있다. 이 경우에 전동기의 잔류전압에 주의하지 않으면 전동기에 허용치 이상의 시동 과전압을 인가할 수 있다. 이를 막기 위해 적절한 시간 경과 후에 전동기에 전압을 인가하는 방법이나 전동기 잔류전압과 전원전압의 위상을 조회하고 전동기를 투입하는 방법 등을 써서 충격을 방지한다.

그 밖에 동기전동기에 있어서는 계자 지락보호, 동기탈조보호, 계자상실보호 등이 그 중요도에 따라 설치되기도 하는데, 발전기 보호에서와 같은 방법이다. 또 그 외에 전동기의 과부하, 결상, 역상사고를 한 개의 계전기로 보호하는 3E Relay도 있다.

 

2-5) 동기기 보호

이상은 모든 교류전동기에 공통이지만 동기발전기와 전동기의 특유한 보호방식을 이하에 기술한다.

 

2-5-1) 탈조보호

동기발전기나 전동기는 탈출토크 이상의 부하가 가해졌을 경우 고정자 전압이 저하하고 탈출 토오크가 저하한 경우 또는 계자전류가 저하해서 탈출 토오크가 저하한 경우는 탈조하고 회전자 회전수가 급속히 저하하며, 구속상태가 되어서 고정자에 과전류가 흐르는 것뿐이 아니고 댐파권선에 대전류를 유기한다. 댐파권선 용량은 고정자 열용량에 비해서 매우 적은 까닭에 고정자 회로를 과전류계전기에 의해 보호차단하는 동안에 댐파권선을 소손시키는 경우가 있다. 따라서 역율계전기, 무효전력계전기, 또는 오프셋 리액턴스 계전기에 의해 탈조를 검출하고 보호차단한다.

 

2-5-2) 댐파권선 보호

댐파권선은 구조상 그 열적용량을 크게 취하지 못하고 있어서 시동 혹은 재 가속시에 시동토크가 크면 과열하는 경우가 있다. 이것을 보호하기 위해 서머 릴레이에 의해 댐파권선을 보호한다.