5.5 접지보호,지락보호 계전방식

접지(지락)보호 계전방식

가. 지락보호의 목적

지락보호의 목적은 감전방지, 화재,폭발방지, 전로 및 기기의 손상을 방지하는데 있다.

나. 지락보호에 관련된 법규

전기설비기술기준, 산업안전보건법, 소방법, 노동부 기술지침 등

다. 지락 보호방식

보호접지 방식 : 감전방지를 목적으로 한다.
과전류 차단방식 : 전로 손상방지 목적
누전 검출방식 : 감전보호용으로 누전차단기로 고감도로 검출하여 고속도로 차단 보호하는 방식.
누전경보방식 : 전원차단으로 인한 피해가 누전으로 인한 피해보다 큰 경우(전차 신호계통, 소방설비의 전원전로 등)의 전로.
절연 변압기 방식 : 보호대상 전로를 비 접지식으로 하거나(변압기측 및 부하측 모두 비접지인 경우), 또는 단독 중성점 접지식 전로로 접촉전압억제.

라. 계통별 지락보호

지락보호방식은 중성점접지방식(전기방식)에 따라 달라지며, 계전기의 동작을 확실하게 하기 위해서는 접지선에 적당한 고장시 적당한 전류가 흐르도록 하는 것이 유리하다.

1. 비 접지계의 지락보호

지락사고시의 고장점 저항은 4000Ω(실측시 대체적인 값) 이상이나 상당한 고 저항을 가지는 지락사고도 존재한다. 비 접지계에서의 지락전류는 선로 충전전류뿐이므로 아주 적어서 지락보호는 과전류계전기(OCGR)로는 할 수 없으며, 영상변류기와 조합한 고감도의 방향계전기인 선택지락계전기(SGR)를 적용한다.
선로상태에 따라 다르지만 충전전류는 일반적으로 1~10A 정도이고, 제한저항에 의한 전류는 배전전압 6.6KV에서 50Ω으로 하면 190㎃가 된다. 따라서 고장선로 전류의 위상은 누설전류도 고려하면 영상전압보다 60~85° 정도 진상이 된다.
SGR의 MAX Torque Angel은 40~45° 진상인 것이 보통이다.

1-1. 계통구성 및 원리 (그림 5-13)

1-1-1. 지락과전압계전방식

지락사고시에 발생하는 영상전압을 GPT로 검출하여 지락과전압계전기를 응동하는 방식으로 GPT단독으로는 사고선로를 선택할 수 없으므로 1회선 배전선인 경우나 한시계전기와 조합한 후 후비보호로 적용할 수 있다.

1-1-2. 방향지락계전방식

그림5.13

비 접지계의 지락보호방식으로는 그림 5.14과 같이 1선지락시에 발생하는 영상전압과 영상전류를 이용한 전력형방향계전기(Differential Ground Relay : DGR)가 채용된다.
방향 지락 계전기 DGI, DG2 등은 모선에 설치된 접지형 계기용 변압기 GPT의 3차전압과 각 회선에 설치된 ZCT의 2차전류로 동작하는 전력형 계전기이며 그림5.15와 같이 전압에 대해서 앞선 위상특성을 지니고 사고회선의 선택성을 가지고 있다.
즉, 자 회선측의 지락사고시는 다른 회선의 충전전류와 한류 저항기 CLR에 의한 전류를 합성한 사고전류 Ig가 방향지락 계전기의 동작 범위 내로 들어가 계전기는 동작하고 사고회선을 선택, 차단한다.
한편, 타회선 사고시에는 자회선분의 충전전류만이 사고시와 반대방향으로 흐르므로 계전기는 부동작 한다.

그림5.14

방향지락 계전기는 매우 고감도이므로 기계적 쇼크 등으로 계전기의 접점이 폐로하는 일이 있으므로 차단기의 Trip회로에는 방향지락계전기의 접점과 직렬로 영상전압에서 동작하는 지락과전압계전기(OVG)의 접점을 넣어서 오차단을 방지하여야 한다. 또한, 배전선의 순간접지에 의한 차단을 피하기 위해 한시계전기로 시한을 갖게 하고 있다. 한시계전기의 시한은 2~3초 정도로 한다.
방향지락계전방식에서의 고장검출감도는 3.3KV계통에서는 2000~4000Ω, 6.6KV 계통에서는 4000~6000Ω 정도의 지락전류를 검출하는 것을 목표로 하고 있다.
케이블계통 등에서 충전전류가 대략 8A 이상으로 커지는 경우에는 영상전압이 적게 나타나므로 계전기의 검출감도가 떨어진다. 이러한 경우에는 과전압지락계전기로 이를 검출하여 영상전압을 승압시켜서 감도를 향상시키는 방법을 채택할 수 있다.

1-2. 주요 기기 정격

1-2-1. 영상 PT(GPT : Grounding Potential Transformer)

22.9kv/√3 / 110v/√3 / 190v/3 (Y-Y-△)

1-2-2. CLR (Current Limit Resistor)

GPT의 각 상 전압 중 제3고조파 전압이 3차 개방 Delta에 흐르는 것을 방지하고 방향 지락 계전기에 Dynamic 전류를 흐르게 하는 목적으로 사용되며, 지락전류(보통 1차 영상 유효분 전류)는 전류 제한기를 설치하여 0.38A이하로 선정한다.

일반적으로 저항치 Rn은

3차전압이 190V 인 경우
- 3.3㎸ 계통 : 50Ω = 1,000W
- 6.6㎸ 계통 : 25Ω = 2,000W
3차 전압이 110V 인 경우
- 190V 일 때의 저항 치의 1/3로 한다.

◆ CLR의 저항 값 산출

W = I²Rn = 3InE로 구한다.

W : 전류제한 저항기의 용량(W)
I : 전류제한 저항기의 전류(A)
Rn : 전류제한 저항기의 저항(Ω)
In : 1차 영상 유효분 전류(A)
E : 1차 상 전압(V)

1-2-3. EL (Earthing Lamp)

지락상의 판별이 가능하도록 취부하는 것으로 Cφ이 지락 하면 그림 5.16과 같이 Cφ의 전압은 없어지고 a, b상의 전압은 건전시의 /3배가 된다. 따라서,a, b상의 지락표시등은 건전시보다 밝아지고 c상의 지락표시등은 감등이 되어 지락판별이 가능해진다.
지락 표시등은 건전시 GPT 3차 정격전압(주로 190/3v)이 인가되는데 1선 지락시는 /3배(190/3×√3 = 110v)의 전압이 인가되므로 표시등은 √3배시의 전압치를 정격으로 해야 한다.

1-2-4. ZCT (Zero Phase Current Transformer)

JEC 143에 의거 1차 : 200㎃, 2차 : 1.5㎃

2. 직접접지 및 저항접지 계통의 지락보호

일반 수용가에서 저항접지로 하는 경우는 드문 일이지만 대규모의 배전 계통이나 구내 Cable 선로가 많은 수용가에서는 채용되는 경우가 있다.
계통의 지락전류는 완전 1선 지락시에 100-300A 정도 흐르도록 중성점 접지 저항기 NGR(Neutral Grounding Resistor)의 값을 정하고 있다.
예를 들어 100Ω 저항 접지계에서 계통전압 6.6kV의 경우 지락전류는

6600/√3 × 1/100 ≒ 38A이다.

NGR는 그림 5.17에 나타낸 것과 같이 수전변압기의 중성점에 설치하는 경우와 전용의 접지 변압기(GTR)의 중성점에 설치하는 경우가 있으며, NGR의 시간 정격은 일반적으로 30sec 또는 60sec로 중성점에 흐르는 지락전류를 그림 5.18와 같이 지락 과전류 계전기 51N으로 검출하고 NGR의 정격시간 이하의 시한에서 경보표시 및 전원측의 차단기를 Trip시켜 NGR 을 보호하는 방식이 취해지고 있다.

2-1. 저항 접지 계통 지락전류 검출방법

CT 비가 적은 경우 : Y 잔류회로 이용
CT 비가 큰 경우(국내 300/5, 일본 400/5) : 3권선 CT나 관통형 CT사용

2-2. 저항의 선정(중성점접지방식 중 저항접지방식 참고)

마. 접지변압기의 용량 산정

접지변압기의 용량은 아래 식에 의해 산출하며, 최소 100KVA 이상으로 하는 것이 바람직하다.
접지변압기의 용량 = (3 × 상전압 × 제한전류치/3 ) · K = 상전압 × 제한전류치 × K
- K : factor로서 아래의 표와 같다.

지속시간	지락전류에 대한 중성점 연속전류비(%)
지속시간	(5%)	(10%)	(15%)	(20%)	(25%)
10sec 미만 1분 10분 10분초과	0.110 0.112 0.206 0.602	0.110 0.141 0.233 0.608	0.157 0.180 0.260 0.619	0.206 0.223 0.283 0.633	0.264 0.269 0.320 0.650

중성점 연속전류는 접지변압기를 설치할 경우에는 10% 정도 고려하면 된다.

지그재그 변압기의 용량은 STAR-DELTA 변압기의 1/√3배로 한다.