발전설비 보호계전방식의 종류 및 특징

발전설비 보호계전방식의 종류 및 특징

 

1. 발전기 보호계전방식

발전소의 설비는 기계 및 전기기로 대별된다.

기계관계는 화력 및 원자력 발전소의 증기발생장치 외에 원동기인 수차, 증기터빈 및 보조기기가 포함되며 전기관계는 발전기, 변압기, 송전선, 소내기기와 이와 같은 주요접속회로를 말하며 구성되는 각 기기에 적당한 보호장치가 설치가 된다.

[표] 5.2 발전설비 보호항목과 조치

● : 비상정지 ○ :급정지 △ : 무부하무여자 × : 경보

 

교류 발전기의 사고종류는 절연열화의 진전 등에 의한 자발적인 것과 외부요인에 의한 돌발적인 것이 있으며 전기적 보호계전장치는 이들 사고를 전기적 변화에 의해 검출하는 것으로서 사고 발생 개소와 사고의 종류를 구분해서 사후의 대책을 용이하게 할 필요가 있다.

따라서 보호계전과 고장 기록 장치가 설치 운용되며 표 5.2에 발전소의 보호 종목과 조치에 대해 표시하였다.

1) 비 상 정 지

발전기의 전기적 사고로 계통측으로부터 유입되는 사고전류와 발전기 자체에서 발생하는 사고 전류를 고속도로 차단하여 사고의 확대를 방지하기 위한 조치이며 발전기의 차단기 및 계자 차단기를 개방하고 원동기를 급정거 시킴.

2) 급 정 지

발전기의 기계적 사고 때의 조치이며 원동기 입력을 급속히 줄이고 다음에 발전기의 주회로 및 계자 차단기를 개방시킴.

3) 무부하 무여자

외부 사고시의 발전기 보호이며 원동기에 의한 회전은 그대로 두고 병렬용 차단기 및 계자 차단기를 개방하여 무부하 운전하고 사고 원인 해소시 즉시 계통 병입 하도록 한다.

4) 경보

경미한 사고로서 운전원의 진단으로 조치하도록 경보와 표시창에 나타낸다.

 

2. 전기자 권선의 보호

1) 단락보호

이 사고는 교류회로의 단락사고로 되기 때문에 계통과 병렬 운전하고 있는 경우 정상적인 계통에서는 각상의 전류가 권선의 어느 부분에서도 동일한 값으로 흐르고 있으나 사고 발생 순간부터 중성점 측과 발전기 출력 단자측의 전류가 사고 장소를 경계로 해서 변화한다. 또한, 계통과 병열운전하고 있지 않은 경우(발전기용 변압기와 접속되어 있지 않은 경우)는 내부 유기전압에 의해서 중성점 측에서 사고전류를 검출하거나 중성점측 전류와 발전기 출력단자측 전류를 비교하면 검출할 수가 있다.

전기자 권선의 상간 단락보호에는 비율차동계전방식이 가장 일반적으로 사용되며 계전기의 접속방법은 그림 5.17과 같다.

· 이것은 보호구간 내에 유입하는 전류와 전류의 벡터차(동작전류)와 출입하는 전류(억제전류)의 비율로서 동작하게되며 외부사고시의 변류기 오차전류에 의한 오동작을 방지하기 위하여 동작 비율은 일반적으로 5∼10% 정도이며 동작시간은 50∼l00ms 범위이다.

· 계전기회로 구성상 유의할 점은 변류기는 동일형식, 구조, 특성을 갖는 것을 조합 사용할 것과 변류기의 2차 부담은 과도시의 변성비 오차를 감소시키기 위해 되도록 평형을 유지시켜야하며, 고속도 비율차동계전기를 사용하는 경우 전용의 계전기용 변류기회로를 사용하는 것이 바람직하다.

 

2) 지 락 보 호

발전기 권선에 이상전압 또는 외부에서의 침입파가 생긴 때 권선절연을 보호하기 위해 중성점을 접지하며 접지하는 경우 과대한 지락 전류로 인한 권선의 손상을 방지하기 위하여 중성점에 저항 또는 접지용 변압기를 설치 최대지락전류를 10∼100A정도로 제한하는 것이 일반적이다.

한편 보호방식에도 다음과 같은 몇 가지 방법들이 이용된다.

 

- 비율 차동 계전방식

사고시 전류치가 적으므로 단락보호용의 차동계전기로서는 감도가 부족하므로 지락보호 전용의 차동계전기를 그림 5.18과 같이 사용한다.

 

· 단락보호용과 다른 점은 발전기 양단의 변류기는 3차 권선을 오픈 델타로 결선 차동회로에 흐르는 영상전류로 동작하는 것이며 또한 외부사고 및 각상 전류의 불평형에 의한 오동작을 막기 위해 중성점의 전압 또는 전류로 억제토록 하고 정동작시에는 부세되어 동작시간을 더욱 빠르게 하고 있다. 이 계전기에 의한 보호범위는 90% 이상에 달하며 통상감도는 20∼25% 이상으로 사용된다.

· 중성점 접지저항 R의 값은 아래식에 의하는 것이 일반적이며, 영상전류에 의한 차동 보호방식으로 고감도의 지락보호를 한다.

· 발전기단자에서 1선지락사고 발생시 지락전류를 100A로 억제하는 경우에 단자에서 중성점 방향으로 90%까지의 권선에 생긴 지락전류를 검출하려면 계전기의 동작전류는 10A 이하가 되어야 한다. 이 전류 값은 발전기용량과 무관하므로 대용량 발전기에서는 CT 1차 정격전류에 대해 극히 적은 값으로 CT의 오차 범위보다 적을 수 있다. 따라서 계전방식상 필요한 감도를 얻을 수 있는가의 여부와 오동작에 대한 검토가 필요하다.

 

- 과전류 계전 방식

 

· 공통 모선방식에서 사용되는 방식이다.

그림과 같이 발전기 중성점 전류를 소세력 과전류 계전기로 검출하는 것이며, 고장전류가 적거나 중성점에 가까운 권선에서 지락사고가 발생할 경우는 확실한 동작을 기대하기 어렵다. 따라서 최대 고장전류가 발전기 정격전류의 20% 이상이 되는 경우 또는 후비보호로 사용되며 보호범위는 80∼85% 정도이다.

 

- 지락 과전압에 의한 보호방식

· 발전기-변압기가 Unit화 되었을 때 적용하는 방식이며 그림(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 중성점을 접지변압기로 접지한 경우에 이용된다. 이때 지락전류는 최대 10∼15A(대용량인 경우에도 같음)이하로 억제되며 기기손상을 최대한으로 줄인다. 여기서 접지변압기의 2차저항(R)은 이상전압 방지를 고려한 일정기준에 의거 결정한다.(지락전류를 전대지 충전전류와 같은 값으로 한다. 계산예 참고)

· 보호계전기로는 접지변압기 2차에 과전압 계전기를 적용하며 발전기 전기자와 연결된 전 회로의 지락사고를 보호하게 되며, 계전기동작 전압치는 정격전압에서의 최대 영상전압의 5∼20%로 하며 최고 95%정도의 보호범위를 갖는다.

· 평상시 제3고조파에 오동작하지 않도록 감도를 낮추고 주변압기의 고압측 접지사고 시에 변압기의 권선 정전용량에 의한 이행전압으로 오동작하지 않도록 그림(c)과 같이 고압측 영상전압을 억제코일에 넣어 이용하기도 한다.

· 접지용 변압기 고압측 정격전압은 발전기 정격 상전압의 1.5배 이상으로 하며 저압측의 정격전압은 일반적으로 220V 로 한다.

· 접지용 변압기의 저압측 저항기의 값은 소호시 발생할 수 있는 이상과전압을 막기 위해 설치하며, 그 값은 아래 식에 의하는 경우 대지과도전압의 최고 순시치를 상전압의 2.6배 이하로 억제할 수 있고 또한 1선지락전류는 10A 정도로 제한된다.

- Xc : 서지 업서버, 발전기 본체외 변압기의 발전기측 권선 및 접속도체 등의 1상당 대지용량리액턴스의 합

- N ; 변압기 권수비

· 접지용 변압기와 저항기의 시간정격은 계전기 동작으로 경보만 발할 경우에는 연속정격으로 하는 것이 좋으나, 보통 경보시 발전기를 해열시키게 되므로 5분 정격으로 만족할 수 있다.

 

3. 계자회로의 보호

1) 계자권선 지락보호

발전기의 계자회로는비접지이므로 1개소에 접지가 발생해도 별 문제가 없으나 그대로 방치하면 다른 곳에 접지가 또 생긴 경우 그 부분이 단락 되어 큰 전류가 흘러 대형사고로 되던가 일부의 계자권선의 단락으로 회전자에 자기적 불평형이 생겨 진동이 발생하므로 되도록 빨리 검출 경보로 처리토록 한다. 검출방법으로는 그림 보호원리와 같이 고저항의 지락계전기로 계자회로를 접지하여 검출하늘방법이 있으며 이 방법은 간단한 반면 계자권선의 중간부근 지락사고 사고에는 동작하지 못하는 결점이 있다.

 

· 그림 5.20은 계자권선의 중간부근 지락사고를 고감도로 검출할 수 있는 방법이며 이 방식은 직류 중첩식으로 계자회로에 지락사고가 발생하면 지락개소와 검출장치의 접지개소 간에 직류 전류계전기를 통하여 전류가 흘러 검출계전기를 동작시킨다.

· 검출감도는 검출장치 접속측 극성에서는 별도 전원회로 전류에 의한 검출이되기 때문에 지락점 저항 0.5∼1.0㏀ 정도까지의 검출이 가능하며 반대극성에서는 여자기 전압이 가해지기 때문에 검출감도는 상승하고 여자기 전압과 지락개소에 따라 달라지나 5∼10㏀ 정도까지 검출하게 된다.

· 계전기의 전원은 소내 교류전원을 정류해서 사용하고 있다. 교류 그 자체만으로서는 회전자 권선과 철심간의 정전용량을 통하여 축수로부터 대지에 미소전류가 흘러 축수면을 파손할 우려가 있다. 또한 계자회로의 일괄 대지간 정전용량에 의하여 상시 검출 계전기회로에 전류가 흐르게 된다.

이 때문에 공진주파수 계전기의 감도저하 등의 문제가 있어 적용이 곤란하게 되기 때문에 일반적으로 정류하여 사용하고 있다.

대용량 발전기에서는 주로 이 방법이 많이 적용되고 있다.

 

- 계자상실 보호

동기발전기의 계자상실은 계자개폐기의 개방, 슬립링 또는 브러시 접촉부의 사고, 여자기의 사고 등으로 계자가 아주 약하게 되던가 상실되면 마지막에는 동기 탈조되어 특히, 비돌기극에서는 철심이 흐르는 유도전류로 급격하게 과열된다. (5∼10초) 또 전기자 권선에서도 정격의 2∼4배에 달하는 전류가 흘러 과열하며 더 나아가서 동기탈조로 계통전압이 저하하고 계통동요가 생길 염려가 있으므로 신속히 발전기를 계통에서 분리시켜야만 한다.

· 보호방식으로 계자회로에 부족전류계전기를 넣어 부족전류를 검출하는 방법도 사용하였으나 외부사고시 계자회로에 계자전류가 일시적으로 감소할 때 오동작 할 우려가 많아 현재에는 쓰이지 않으며 그림 5,21에서와 같이 발전기 전기자에서 본 계자상실시의 임피던스 궤적이 ½·Xd 와 Xd 사이로 이동하는 것을 착안하여 Off-Set Mho형 거리계전기로 검출하는 방식을 적용한다. 즉, 발전기의 단자에서 본 최소임피던스는 ½·Xd 이므로 계자상실이 아닌 탈조 때에 오동작하지 않도록½·Xd' 이상으로 계전기 동작 임피던스를 off-set 시킨다. 또 발전기의 동기 임피던스 Xd를 최대 임피던스로 조정한다.

· 계자상실시 발전기단에서 본 임피던스궤적이 계자상실 보호계전기의 동작 범위내로 이동하면 한시요소를 동작시켜 일정시간 지연 후 발전기를 정지시킨다. 여기서의 한시요소는 계통의 과도현상에 의한 오동작을 방지하기 위함이다.

· 계자상실을 즉시 차단하여야 하는 이유

발전기가 계자를 상실하면 KW 출력은 나가더라도 KVAR가 계통에서 유입하여 유도발전기가 되며 동기속도 이상으로 회전하게 된다. 이 때문에 회전자에는 큰 유도전류가 흐르며 회전자 철심은 급속히 과열되어 2분 정도만에 위험상태에 도달하는 온도가 된다.(단, 수차 발전기는 돌극형 회전자로서 제동권선으로 유도전류를 흐르게 하므로 회전자 과열은 문제가 되지 않는다) 또한, 발전기가 유도발전기로 운전되는 동안 슬립에 따라 고정자전류도 정격의 2~4배가 흘러 고정자도 과열의 우려가 있다.

계통상태에 따라서는 발전기전압이 감소하여 계통의 안정도를 위협하며 2~6초 정도에 탈조한다.