송전선 보호계전방식

가. 개요

1. 계전방식의 결정시 고려사항

계통의 구성
중성선 접지방식
안정도
중요도
경제성

나. 송전선보호방식의 종류

1. 과전류 계전방식

평상시 부하전류에 비해 고장전류가 큰 전력계통에 주로 사용하며 전류의 크기에 의해 동작하는 방식으로 장치가 간단하고 가격이 싸기 때문에 일반적으로 널리 사용되고 있으나, 단순히 고장전류의 크기와 계전장치의 동작시간 만으로 선택성을 의존하고 있기 때문에 적용상의 제약이 많다. 또, 전원용량이나 전력계통의 구성이 변하는 경우에는 고장전류의 크기가 변하게 되므로 계전기를 재 정정하거나 바꾸지 않으면 않되며 더구나 전원단 근처의 계전기는 인근 고장에도 차단시간이 길어지는 결점이 있다.

1-1. 정한시 과전류계전기

고장의 크기에 관계없이 계전기 동작치 이상의 전류에 대해서는 항상 일정한 시간후에 동작하는 것으로 전원으로부터의 거리에 따라 계전기 동작시간을 정하는데 전원에서 먼곳부터 동작시간을 빠르게 한다.

1-2. 반한시 과전류 계전방식

고장전류의 크기에 반비례하여 동작시간이 변하는 한시 계전기를 사용하는 방법으로 유도 원판형 계전기의 특성을 그대로 이용한 것이다.
계통 구성으로 인한 고장전류 크기의 변화가 계전기 동작시간을 변화시키기 때문에 확실할 시간 협조를 구하기가 어려우나 계전장치의 구성이 간단하고 근단과 말단 고장전류의 차가 많은 장거리 Radial 선로의 경우는 근단 고장시 고장 제거 시간을 어느 정도 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

2 방향 과전류 계전방식

송전 계통이 방사상이 아닌 Loop 계통에서는 계전기의 설치점에서의 고장 전류가 고장 위치에 따라서 양쪽으로 흐르게 되므로 과전류 계전기로서는 확실한 협조를 구할 수가 없으므로 과전류 계전기에 방향성을 갖도록 하여 어느 일정한 방향에 동작을 하도록 하는 방식으로 단락방향 계전방식과 지락방향 과전류 계전방식이 있다.

3. 방향거리 계전방식

방향거리 계전방식은 단락보호 및 직접접지계의 지락보호에 적용되며 사고시의 전압, 전류에 따라서 사고점까지 선로 Impedance를 측정하고 그 값이 기 정정한 값 이하로 되었을 때 동작하는 것이므로 보호범위가 계통조건 변화에 영향이 적고 과전류 계전기에 비하여 훨씬 적용하기가 용이하고 또한 확실하기 때문에 고속도 보호가 가능하다.

3-1. 단계한시 거리계전방식

거리계전기는 여러가지 오차원인을 가지고 있으므로 100% 정확한 거리측정은 불가능하여 단독으로는 구간내외의 고장을 완전히 선택할 수 없으나 각 구간의 거리계전기 상호간에 적당한 시간차를 두어서 협조시키면 그림과 같이 상당히 고속도이고 고장구간의 선택성이 좋은 단계한시 거리계전방식을 만들 수 있다.

제1단(Zone 1)
구간의 85%까지의 거리를 포함하며 한시계전기 없이 사용하고 동작시간은 1∼3 cycle의 고속도가 된다.
제2단(Zone 2)
제1단 거리계전기가 동작하지 않는 범위의 보호구간과 후비보호로 사용하므로 다음 보호구간의 50%까지 포함시키고 제1단 계전기와 협조시키기 위해 보통 20cyc1e정도로 지연동작 시킨다.
제3단(Zone 3)
제2단 보호구간 다음 구간외 약 25%까지로 정정하여 80-120 cycle로 지연 동작시킨다(제1단과 제2단 계전기들에 대한 후비보호가 목적임).

3-2. 단락보호와 지락보호

단락보로용 거리계전기는 일반적으로 △전압과 이 전압과 동상의 전류를 도입하여 Impedance를 측정한다.
고장점와 계전기 설치점에 분기단자가 없으면 3상사고, 2선지락'및 2선단락 등의 사고시에 계전기가 보는 △Impedance는 고장점과 계전기 설치점과의 정상 Impedance와 같다.

지락보호용 거리계전기는 Y전압과 이와 동상인 전류가 도입되어 분기단자가 없으면 지락 고장점과 계전기 설치점간의 정상 Impedance 또는 영상 Impedance를 측정 한다.

4. 표시선 계전방식(Pilot Wire Relaying)

Pilot 계전방식은 구간내 고장을 고속도로 완전 제거하는 보호계전 방식이다. 보호구간읜 각 단자에서 고장상황(계전기의 동작상태)을 상호 연락하여 차단여부를 순시로연락자는 통신수단을 Pilot라하며,이 방식은 보호구간의 양단을 연결하는 표시선(Pilot Wire)이 펼요하여 정재적인 이유로 10∼15◎의 궁장까작 사용한다.

4-1. 표시선 계전방식의 종류

- 동작 원리별 분류

방향비교방식 : 전류순환방식, 전압방향방식
전류순환 방식
전압방향 방식
전송 Trip방식

- 통신수단에 의한 분류

Wire Pilot
Carrier Pilot (30-300kc)
Micro Wave Pilot (900-6000Mc)

4-2. 전류비교 방식

송전선 보호구간의 입구와 출구의 전류를 비교해서 양자 간에 차가 있으면 구간내 사고라 판단하는 것 → 전류 차동 방식

- 전류 순환식

전류 순환식은 그림에서와 같이 상시 부하전류에 해당하는 CT 2차전류가 표시선을 순환하고 있는 까닭에 전류순환식이라 불린다.
양단의 CT 2차선을 표시선(pilot wire)을 통하여 접속하고 표시선에 직렬로 계전기의 억제 Coil RC를, 병렬로 동작 Coil OC를 접속한다.
평상운전 상태나 외부사고에서는 전류는 단지 보호구간을 통과하는 것 뿐이므로 CT 2차전류는 서로가 순환하고 계전기는 억제 Coil이 여자 되므로 동작이 저지 된다.
내부사고에서는 양단(또는 편단 만)에서 전류가 유입하므로 동작 Coil에 전류가 흘러서 동작력이 억제력을 극복하고 계전기는 동작한다.

- 전압 반향식(反向式)

전류순환방식과 동작 및 억제 Coil의 위치가 바뀌어 있고 Pilot Wire가 역방향으로 결선된 점이 다르다.
상시의 부하전류와 외부사고시의 전류는 억체 Coil에만 흐르며 내부고장에는 반대로 표시선에 전류가 환류하여 동작 Coil에 전류가 흩러 동작한다.
이 방식은 부하전류가 통과하므로 상시 표시선에 전압이 인가되어 있어 표시선간의 정전용량이나 절연변압기의 여자 Impedance등을 통해 동작Coil에 전류가 흐르기 쉽다.

- 계전기 응동특성

Pilot Wire 단락시

전류 순환식 : 부동작
전압 반향식 : 오동작

Pilot Wire 단선시

전류 순환식 : 오동작
전압 반향식 : 부동작

- CT 2차 회로의 부담은 상시 및 외부사고시에 순환식 쪽이 적고, CT 오차 대책상 유리하므로 전류 순환식이 우수하고 실제로 많이 적용되고 있다.

4-3. 방향 비교 방식

보호구간 각 단의 방향 계전기의 응동을 서로 비교하는 계전방식으로 거의 적용하지 않고 있다.

4-4. 전송 Trip 방식

보호구간중의 어느 단자의 계전장치 동작에 다른 단자(원방)의 차단기를 Trip하는 방식으로 Trip조건을 단순히 원방에 전송하여 Trip(Transfer Trip)하는 방식이다

CB를 생략할 경우나 양단의 고장전류의 차가 클 경우에 적용한다.

4-5. 각종 표시선 계전방식의 비교

항목		전류비교방식 (전류 순환식 )	방향 비교 방식	전송 Trip 방식
장치구성		계전기 소요대수가 적다.	소요대수가 많고 비교적 복잡	비교적 간단
계전기 간 협조		불필요(단, 표시선간 용량의 영향을 고려)	Dl, DO와의 감도, 시간의 협조 필요	불필요
동기 탈조 현상		옹동하지 않음	응동하기 위한 대잭이 필요	DFR의 경우 응동하지 않음
C T 2차 부 담		작다	크다	보통
표시선 고장시의 응동	단락	오부동작	오부동작, 오동작	오부동작
표시선 고장시의 응동	단선	오동작	오부동작	오부동작
적용		단거리 송전선에 일반적으로 적용	적응예가 적음	CB 생략할 경우, 양단의 고장전류 차가 클 경우 전류 순환식과 조합 사용

5. 반송계전방식(搬送繼電方式)

반송계전방식은 표시선계전방식과 마찬가지로 내부고장을 100% 고속도, 선택 차단하는 Pilot 계전장치 중의 하나이며 그 설비비가 송전선 긍장에 무관하므로 단거리 송전선 이외의 중요 간선에 널리 쓰이고 있다.
반송 계전방식은 Pilot의 수단으로 반송파(Carrier Wave)를 사용한 것이며, 이것을 전력선에 중첩시킨 전력선 반송(Power Line Carrier)과 별도의 통신선을 사용한 통신선 반송이 있으나 일반으로 전자를 많이 쓴다.
반송 주파수는 30-300kc, 출력은 1∼10 watt 정도의 고주파 전류를 송전선에 중첩시켜서 상호 통신수단으로 한다.

5-1. 종 류

방향 비교 (Directional Comparison)
위상 비교 (Phase Comparison)
전송 차단 (Transfer Tripping)

5-2. 방향 비교 방식

방향 비교 방식은 보호구간의 각 단에 놓여진 방향 과전류 계전기나, 방향거리 계전기 등 방향성을 가진 계전기에 의해 얻어진 정보를 반송신호를 써서 서로 전달하여 고장점이 보호구간 내부인가 아닌가를 판별하여 동작하는 방식으로 계전기의 동작상태를 상대단에 전송하는 방법에는
- 상시 송출 Trip 저지방식
- 고장시 송출 TriP 저지 방식(그림 참조)이 있다

5-3. 위상비교방식

보호구간 양단의 고장전류 위상이 내부고장시에는 동상이고 외부고장시에는 역위상이 되는 것을 이용한 것.

5-4. 전송차단방식

이 방식은 지령 차단방식이라고도 하며 그 원리는 외부 고장시는 절대로 동작하지 않으며 보호구간의 일부를 제외한 내부고장 때에만 동작하는 계전기를 피보호구간의 각 단자에 설치하여 이 계전기가 동작한 단자는 그 단자를 차단함과 동시에 타 단자에도 차단지령을 보내어 상대편도 동시차단하는 방식이다.

직접 Under-reach형 (Direct Under-reach)
수신신호만으로 Trip하는 방식

제어 Under-reach헝 (Permissive Under-reach)
수신신호와 고장겋출 계전기를 조합하여 Trip하는 방식

제어 Over-reach형 (Permissive Over-reach)
수신신호와 자단의 내부방향계전기와의 조합으로 Trip하며 송신은 자단보다 원방에도 동작하는 내부방향 계전기를 사용한다.

6. 345kv 계통 보호방식

6-1. 345kv 보호방식의 특징

전력수요의 증대에 따라 송수전 전압이 점차 높아지는 것은 세계적 경향이며, 우리 계통도 전력수요의 계속적 성장과 발전기 단위 용량의 대형화로 지역간 융통전력은 증가추세에 있어서 현재의 154kv, 345kv는 물론 765kv도 송수전 전압으로 채택할 예정이다.
그중에 345kv 계통은 전력계통의 골격을 이루고 있으므로 공급신뢰도가 높아야겠으며, 고장시에 고장제거의 지연이나 실패를 할 경우, 그 영향은 전 계통에 파급 되어 대정전을 초래할 가능성이 높아서 계통구성의 강화와 더불어 보호계전장치도 종래보다 한층 높은 성능과 동작신뢰도를 확보해야 한다.
또,345kv 변전소는 1½ CB방식 (또는 Ring 모선)이나 단권변압기 등 종래의 계통에는 없었던 새로운 설비와 회로구성을 채용하기 때문에 보호계전방식도 이들과 조화된 방식으로 해야한다.

6-1-1. 송전선보호를 2계열화한다. 즉,

1차주보호 (1st Main) : 전력선 반송 거리방향 비교방식으로서 Static Type 계전기를 사용한다
2차주보호 (2nd Main) : 전력선반송제어 Under-reach 전송차단 방식이며 전자형 계전기를 사용한다. 또 1차, 2차주보호에 각각 후비보호를 한다.

6-1-2. 탈조검출방식을 구비한다.

동기탈조시에 거리계전기의 동작을 저지하는 Trip 저지용 계전기를 구비함은 물론이고, 그 외에 회복 불가능한 탈조시에 적당한 위상각에서 계통분리할 수 있는 TriP 계전기도 구비한다.

6-1-3. 345kv 차단기

Breaker Failure Protection (Local Back Protection)을 구비하여 차단기가 고장제거에 실패를 할 경우에 인근차단기와 원방선로 차단기를 Trib 하도록 한다.

6-1-4. 과도안정도를 향상시키기 위하여 고속도 1회, 3상 또는 단상 재폐로방식을 적용 한다.

6-1-5. 차단기의 Trip Coil, 선로 CT를 2계열화하고 Line CPD를 설치하여 계전장치의 동작신뢰도 향상을 기한다.

6-2. 345kv 보호계전방식의 개요

6-2-1. 345kv 선로보호방식

1차 주보호 (1st Main Protection)
345kv용 배전반은 전력선 반송방향비교 방식으로 154kv 계통에 적용하고 있는 것과 유사하다. 그 특색은 다음과 같다.

단락, 지락보호로 Mho 거리계전기를 쓰며 Measuring 요소는 Zone-1, Zene-2 후비보호로 사용하며, Starting 요소는 Carrier Trip 및 Zone-3 용으로 쓴다.
외부고장시 Carrier 저지 신호의 발신은 지락, 단락용으로 모두 Impedance 거리계전기를 사용한다.
고강검출용으로 고속도 과전류계전기를 쓴다.
PT Fuse단선시 거리계전기의 오동작을 저지하는 Fuse Failure 계전기를 구비한다

2차주보호 (2nd Main Protection)
2차 주보호는 전력선 반송제어 Under-reach 전송차단방식이고 주파수변이 고장시 Trip 신호 송출방식이며 그 특색은 아래와 같다.

단락, 지락보호용으로 Mho형 계전기를 쓰며 Zone-1 은 차단 TriP과 Trip 신호 발신용으로 쓴다.
고속도 과전류계전기를 고장검출용으로 추가한다.
Carrier 송수신장치는 한 단자당 2조 설치하여 2nd Main용으로 1조만을 선택 사용하나, Breaker Failure Protection 용으로는 2조 모두를 사용한다.

탈조 계전방식

탈조시 Trip 저지계전기는 선로용 단락거리 계전기와 함께 전부 설치하는 것이 일반적이며 154kv 계통에 적용하고 있는 겄과 동일하다.
한편 탈조 Trip계전기는 그림과 같이 Blinder형 Ohm 계전기를 사용하며 탈조 Impedance Locus가 P점에서 들어가 Q점으로 빠질 때는 회복 불가능한 탈조로 판단하여 Trip 지령을 내린다.

재폐로 계전방식
345kv 재폐로방식은 단상 및 3상재폐로 방식을 적용하는데 최초 1회선 운전시는 단상 재폐로를 적용하며 재폐로 조건은 동기검출 또는 전압 검출 방식을 사용하고 후비보호 계전기가 동작하는 경우에는 재폐로를 Lock한다.

차단기 후비보호방식 (Breaker Failure Protection)

그림의 345kv Ring BUS에서 Line 1이 고장일 때 차단기 A가 차단실패면 A차단기용 Timer(TM)가 여자되어 8-12 Cycle 후에 TM 접점을 ON 하면 순시과전류계전기 (50)동작을 조건으로 Lock Out Relay (86)을 동작시켜서 86 접점이 차단기 B를 Trip 시키고 동시에 Transfer Trip Channel을 둘 다 발산시켜 Line 2의 상대단도 Trip 시킨다.

송전선 보호계계전방식의 적용

구분		내용 및 적용
계전방식	전원 종류	내용 및 적용
과전류 계전방식	전원이 1단에 있는 경우	과전류보호, 순시(부하단측), 정한시(전원측) 특성을 갖도록 한다.
	전원이 양단에 있는 경우	방향단락계전기 + 과전류계전기의 조합
	환상 회로의 경우	방향계전기 방향용소 + OCR동작시간의 계단적 차이
회선선택 계전방식		역전력 계전기 (직렬트립문제발생으로 사용되지 않음 )
방향거리 계전방식		66KV 이상계통의 단락, 직접접지계 지락의 주보호 및 후비보호에 사용.
파일럿 계전방식	표시선 계전방식	방향비교방식, 전압반향방식, 전류순환방식으로 구분
파일럿 계전방식	반송파 계전방식	방향비교반송방식, 위상비교반송방식, 전송트립방식, 마이크로파반송방식. 통신선반송방식, 재폐로 방식으로 구분된다.
네트워크 계전방식	네트워크 수전	네트워크 프로텍터에 의한 방식