1. 보호계전기 종류
보호계전기는 크게 정수장 및 취수장 등 수도사업장의 수전설비에 적용되는 보호계 전기와 수력발전소의 발전설비에 적용되는 보호계전기는 구분된다.
1) 수전설비의 보호계전기
| 구분 | 종류 | 용도 |
| 수전설비 보호 | 과전류계전기 지락과전류계전기 과전압계전기 부족전압계전기 |
단락보호, 과부하 보호 지락 보호 단락보호 저전압 보호 |
| 주변압기 보호 | 비율차동계전기 과전류계전기 지락과전류계전기 |
(대용량)단락보호 후비 보호 및 과부하 지락전류 검출 |
| 전동기 보호 | 과전류계전기 지락 과전류계전기 부족 전압계전기 차동 계전기 역상 과전류계전기 전류 불평형계전기 선택지락계전기 지락과전압계전기 |
단락보호, 과부하 보호 지락 보호 저전압 보호 대형 모터 단락보호 역상 필터 이용 불평형 전류에 의한 손상방지 비접지계통의 지락시 선택 차단 비접지계통의 지락보호 |
① 설비별 보호계전기
| 구분 | 관련 보호계전기 | 용도 |
| 발전기 보호 | 비율차동계전기 과전압계전기 지락과전압계전기 계자상실계전기 역전력계전기 속도계전기 결상계전기 |
단락보호 과전압보호 권선지락보호 계자상실보호 발전기모터링보호 과속도, 저속도 보호 계상보호 |
| 주변압기 보호 | 비율차동계전기 과전류계전기 지락과전류계전기 |
단락보호 후비 보호 및 과부하 지락전류 검출 |
| 여자변압기 보호 | 비율차동계전기 과전류계전기 지락과전압계전기 |
단락보호 단락 및 과부하 보호 지락 보호 |
② 사고발생 종류별 보호계전기
| 사고 내용 | 관련 보호계전기 |
| 비상정시[86-1] : 발전기 내부 전기적 사고 : 발전기 주차단기(52)와 계자차단기(41) 차단 |
발전기, 변압기 내부단락사고 (87G, 877) 발전기 권선 지락 (64N) 발전기 계자 상실 (40G) 발전기 역상 과전류 2차 (46G) 1차:경보 발전기 역전력 2차 (67G) 1차:경보 발전기 과전압 (59G) 발전기 과전압 (51V) 변압기 부흐홀쯔 2차 (96-2) |
| 급정지[86-2] : 원동기 관련 기계적 사고 : 원동기 입력 감소 후 주차단기 및 계자차단기 차단 |
과속도(12) 수력 : 130% 조속기 고장, 유압장치 이상 등 |
| 무부하 무여자[86-3] : 외부사고시 발전기를 보호 : 주차단기 및 계자차단기 차단 후 무부하 무여자로 정격속도 운전 |
여자계통 고장 |
| 경보[30F] : 경미한 사고들로 경보 발생 조치 유도 |
계자회로 지락 (64D) 소내 보조기기 고장 압력, 온도 1차 고장 등 |
2. 보호계전기 종류별 특성
1) 과전류계전기(OCR:Over Current Relay)
계기용변류기(CT)의 2차측에 접속(2CT나 3CT 사용)되어 전류가 계전기의 정정 전류 치를 초과할 때 동작하는 계전기로 단락이나 과부하시 동작한다. 한시 및 순시 기능이 있다.
2) 지락과전류계전기(OCGR:Over Current Ground Relay)
계기용변류기(CT)의 2차측에 접속되어 중성선에 흐르는 전류가 계전기의 정정 전류 치를 초과할 때 동작하는 계전기로 지락 발생이나 상불평형이 심한 경우에 동작한다. 한시 및 순시 기능이 있다.
3) 과전압계전기(OVR, Over Voltage Relay)
전압의 크기가 일정치 이상으로 되었을 때 동작하는 계전기이며 지락사고 시 발생 되는 영상전압의 크기에 응동하도록 한 것을 특히 지락과전압계전기라하고 각각 OVR(Over Voltage Relay) 및 OVCR(Over Voltage Ground Relay)이라 한다.
4) 부족전압계전기(UVR, Under Voltage Relay) 전압의 크기가 일정치 이하로 되었을 때 동작하는 계전기이며, 계통의 정전 발생시 동작한다.
5) 전력계전기(Power Relay)
전력의 크기가 일정치 이상으로 되었을 때 동작하는 계전기로 교류용은 유효전력계 전기와 무효전력계전기 2종류가 있다.
6) 방향계전기(DR, Directional Relay)
전압과 전류의 위상을 이용하는 계전기로 전압 벡터를 기준으로 전류의 흐르는 방향이 일정범위 안에 있을 때 응동하는 계전기이며 전압 벡터가 아닌 일정방향의 전류 벡터로 사용하는 경우도 있다.
7) 지락방향과전류계전기(DOCCR, Directional Over Current Ground Relay)
영상 전압을 기준으로 지락고장전류의 방향이 일정범위 안에 있을 때 동작하는 계전기이며 지락보호용으로 사용되며 소수력발전소의 경우 계통의 부하 불평형에 따른 일정 값 이상의 불평형 전류가 중성선에 흐를 경우에 발생하는 발전기 트립을 방지하기 위해 적용하고 있다.
8) 전압억제부과전류계전기(Voltage Restrained Over Current Relay)
과전류계전기에 전압제어요소를 부가한 것으로 전압의 크기에 따라 동작전류치가 다르며 전압이 낮을수록 동작전류도 낮아지는 특성을 가진 계전기로 일부 대수력 발전소에서 적용하고 있다.
9) 비율차동계전기(RDR, Ratio Differential Realy)
발전기나 변압기 1,2차측에 흐르는 전류의 차가 일정비율 이상이 되었을 때 동작하는 계전기로 단락사고 보호용으로 응동 특성이 우수하여 일정 규모 이상의 발전기나 변압기에 널리 적용되고 있다.
10) 역상계전기(NSR, Negative Sequence Relay)
역상분 전압 또는 전류의 크기에 따라 응동하는 계전기로 역상분만을 통과시키는 filter 회로를 가지며 동작부분은 일반의 전압 또는 전류계전기와 같은 것으로 각각 역상과전압계전기 및 역상과전류계전기라 하며 전력설비의 불평형 운전 또는 차상 운전 방지를 위한 보호계전기로 사용된다.
11) 주파수계전기(FR, Frequency Relay)
교류의 주파수에 따라 응동하는 계전기이며 주파수가 일정치 보다 높을 경우 동작 하는 것을 과주파수계전기(OFB, Over Breguency Relay)라 하며, 낮을 때 동작하는 것을 저주파수계전기(UFE, Under Frequency Relay)라 한다. 전력계통 보호용으로는 저주파수계전기가 많이 사용되고 과주파수계전기는 주로 회전기기의 과속도 운전에 대한 보호용으로 사용된다.
12) 속도계전기(SR, Speed Relay)
회전기기의 회전속도에 따라 응동하는 계전기로 주로 과속도 운전 방지나 속도 조정용으로 사용된다.
13) 결상계전기(POR, Phase Open Relay)
3상 회로에 설치된 기기에 평형 3상 입력이 가해지지 않는 경우에(3상 중 1상의 입력이 가해지지 않은 경우) 기기 또는 회로를 보호하기 위해 결상상태를 검출하여 차단 또는 경보토록 하는 계전기를 말한다.
14) 계자상실계전기(Loss of Field Relay)
동기기의 계자회로에 이상(단락, 단선 등)이 발생되어 계자자속이 상실되었을 때 동작되어 기기를 보호할 목적으로 사용되는 계전기를 말하며 종전에는 계자회로에 부족 전류계전기를 사용하였으나 최근에는 전기자권선이 연결된 주 회로에 off set mho형 거리계전기를 이용하고 있다.
15) 선택지락계전기(SCR, Selective Ground Relay)
비접지 계통에서 지락 사고를 검출하여 사고 회로만을 선택 차단하는 방향성 계전기로써 지락 사고시 계전기 설치점에 나타나는 영상전압과 영상전류를 검출하여 선택 차단한다. 영상전압은 모선에 설치하는 접지용변압기(GPT) 3차측 권선을 개방 델타 결선하여 사용하고 영상전류는 선로에 설치하는 영상변류기(ZCT)를 사용한다.
3. 접지방식별 보호계전시스템
1선 지락전류는 계통접지 방식의 운영에 의해 결정된다. 일반적으로 전력계통의 사고는 3상 단락에 비해 1선 지락사고가 대부분을 차지하고 있으며 적절한 접지를 통해 대지전압의 이상상승을 억제하고, 보호계전기에 의한 지락고장 검출, 고장구간을 자동 선택 차단하여 전력기기의 손상과 사고 파급을 방지하고 있다. 계통 접지는 중성점 접지방식에 따라 비접지, 직접접지, 저항접지 등으로 나눌 수 있다.
1) 비접지방식의 지락보호
① 영상전류 검출
절연이 문제가 되지 않은 계통, 즉 비접지 계통에서는 지락전류가 미세하기 때문에 영상변류기(ZCT)를 이용하여 전선을 3상 일괄하여 통과시켜 영상전류를 검출한다. 영상변류기(ZCT)의 정격은 200/1.5mA로 되어 있다. 여기서 주의해야 할 사항은 케이블 전원측에 영상변류기(ZCT)를 설치하고 케이블 시스를 접지할 경우 영상 변류기(2CT)를 관통시켜 접지하고 케이블 부하측에 영상변류기(ZCT)를 설치하고 케이블 시스를 접지할 경우 영상변류기(ZCT)를 관통하지 아니하고 접지한다.
② 영상전압 검출
비접지 계통에서 계통의 지락 사고시 영상전압 검출은 접지형계기용변압기(GPT)의
3차 오픈 델타 방식을 이용하여 검출한다. 여기에 지락계전기(OVCR)를 설치하여 비접지 계통의 지락발생시 차단하여 설비를 보호한다.
③ 지락보호방식
비접지 방식을 적용하고 있는 취수장의 경우 여러 대의 전동기가 있는 경우 전동기 등의 지락 사고 발생시 고장회로만을 차단시켜 고장으로 인한 사고 파급을 방지해야 한다. 이때 접지용변압기(GPT) 3차의 영상전압과 영상변류기(2CT)에서 검출된 영상전류와의 위상을 비교하여 고장 상만을 검출 차단하기 위해 선택지락계전기(SGR)을 사용한다.
2) 직접 접지방식의 지라보호
직접접지방식의 지락보호는 지락시 지락전류가 크기 때문에 계기용변류기(GT)를 통해 지락전류를 감지하여 지락을 보호하며 지락전류를 검출하는 방식은 다음과 같다.
① 잔류회로방식
단상 계기용변류기(CT) 3대를 각 상별로 설치하고 Y결선하여 잔류회로(중성선)에서 영 상전류를 얻는 방식으로 지락전류가 큰 경우에 적용된다. 여기서 각 상에는 과전류계전기를 설치하고 잔류회로(중선선)에는 지락과전류계전기를 설치하여 고장으로부터 기기를 보호한다.
② 3권선 CT 이용법(영상분로방식)
전원의 중성점을 고저항 접지한 회로에 적용되는 방식으로 3권선 CT는 동일 철심에 과전류계전기를 결선하도록 되어 있는 2차 권선과 지락 영상전류를 검출하는 3차 권 선이 동시에 감겨져 있는 계기용 변류기(CT)이다. 이와 같은 규격의 계기용 변류기 (CT)는 일본에서만 사용하고 있고 유럽이나 미국 등에서는 거의 사용하지 않는다.