방향성 과전류 계전기의 원리
방향성 과전류 계전기(DOCR)
자료 고치기가 귀찮아서 용어 설명이 좀 잘못되어있는 부분이 있어도 양해바란다.
기본이 있는 공학도라면, 무슨 용어가 정확하지 않은지 틀렸는지 알것이고, 올바르게 고쳐서 이해할수 있을 것이다.
연구원 생활을 시작하며, 처음으로 받았던 연구 주제이다. 연구 주제랄 것은 없다. 방향성 과전류 계전기와 방향성 지락 과전류 계전기 DOCR/DOCGR의 원리는 예부터 알려져 있던 것이니까. 나는 MTA(RCA)에 대한 객관적인 정보를 파악하는 것이 주 역할이었지.
그를 공부하다 보며, 어떤 책도, 어떤 글도 나의 속을 벅벅 긁어주지는 않았다.
차라리, 모든 대학원생들의 교수 : 인도인들의 유튜브를 보라..!
MTA와 RCA를 기반으로, DOCR과 DOCGR을 알게된 것들에 대하여, 글을 작성하여 본다.
필요한 누군가는 읽겠지.
우리는 50/51(지락과전류 계전기(OCGR) 및 과전류 계전기(OCR))로 알려져있는 무방향성 계전기를 쓰는 시대에 살고 있다.
사회적으로 방향성 계전기가 필요한 시대는 이미 왔다. 그의 시작은 태양광 발전설비와 같은 분산전원이 도입되어, 전력 조류가 단방향이 아닌, 양방향이기 때문이지. 관련글은 이전글에 작성되어있다. 링크를 하기와 같이 첨부한다.
2023.03.13 - [이력/분산전원 연계 및 운용] - 태양광 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승, 역조류), 발전제한 상황(Cultailment)
태양광 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승, 역조류), 발전제한 상황(Cultailment)
태양광 발전이 계통에 미치는 영향 이번 장 부터는, 태양과 발전이 계통에 미치는 영향(전압상승과 역조류)에 대해서 알아본다. 또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해 어떤 노력들이 행해지고
sonofsoonman.tistory.com
하지만, 67D, 67I, 67N, 67ND 등, 방향성 계전기가 적용되고, 실제 제품에 탑재된지는 어엿 20년이 되었건만, 또한 이들이 기본적으로 탑재되어 나오는 계전기들을 사용하고 있지만, 50/51만을 사용하고 있다.
그 이유는, 한전 사업소 / 지사 사람들이 어떻게 사용할지를 모른다. 그들이 모르면, 현장 사람들(한전 외 기타 전기안전관리자)은 더 모를껄? 계전기 관련 국내 탑 회사의 담당 기술사 님도 모르셨다. 모를 수 있다. 그들을 비하하고 폄하하는게 아니다. 그냥, 지나가는 기술 중 하나일 뿐이며, 신경쓰는 이가 많이 없다는 것 뿐이다.
다른이들은, 그냥 규격서 혹은 구매처의 추천에 따라 이렇게 설정하면 된다는데? 라는 것으로 사용하고 있다. (한전 모든이들을 대신하는 것은 아니다. 연구원 재직자로서, 만난 사람들 중에 속시원하게 설명해주는 이 하나 없었다.
방향성 과전류 계전기란?
방향성 과전류 계전기(Directional OverCurrent Relay, DOCR)는, 계전 요소가 두 가지이다.
계전 요소라 함은, 계전기가 릴레이를 여자시키는 데 필요한 요소이며,
과전류 계전기는 픽업 전류 이상의 전류가, 시간-전류 곡선에 따라 계산된 지연시간을 초과하면, 릴레이를 여자시킨다.
그럼 DOCR은? 과전류 계전기의 역할과 더불어, 조류의 방향을 판단하고, 감시하고자 하는 방향(정방향)이라면 릴레이를 여자시키는 것이다.
이 때, 방향성을 정으로 판단하기 위해서는, 최대 감도 위상(Maximum Torque Angel, MTA)의 보정 값이 중요하다.
최대 감도 위상이라는 말이 어색하다. 그냥 MTA라 부르기로 하자.
사실 MTA는 기계적 계전기의 원리가 쓰였을 때 위상 보정값이다.
현재는 전자식 계전기가 도입되면서, MTA라는 용어는 릴레이 특성 각도(Relay Characteristic Angle, RCA)로 바뀌었다.
하지만, 이미 정착된 기반은 쉽게 달라지지 않더라, RCA라고 사용하는 사람들이 없다. 그냥 모두 MTA라고 한다. MTA라고 해도 못알아듣는 사람들도 많다. 그냥 '방향성 판별을 위한 위상 보정값' 이라고 통용 되더라.
용어 설명은 이게 끝이다.
방향성 과전류 계전기의 원리
사고가 발생하지 않은 정상 계통을 상기와 같이 그려보았다.
D/L은 배전선로이며 L성분이 지배적인 선로라고 하자(=jX_line), DOCR은 방향성 과전류 계전기, Load는 부하로 하자.
계산 / 생각 편의상 Load 역률은 1이다. = 부하전류 역률이 1이라고 하자!
이 때 전압과 전류는 동상이다.
상기의 것으로부터, 부하의 저항성분이 배전선로의 저항/리액턴스보다 매우 커서, 배전 선로/부하의 전체 임피던스에는 R>>X인것은 당연히 알겠지.
이 때, 상기 사진과 같이 배전선로 중간에, 3상 단락(완전 단락 = 고장임피던스 0) 이 발생하였다고 가정하자.
이 때 등가회로는 어찌되는가? (3상 단락 및 계통 구성은 모두 평형이라고 가정하자.)
계통 상전압, (Va로 표기했지만 Ea로 받아들여줘라.) jX_D/L (배전선로의 리액턴스 성분),이 직렬로 연계된 회로에서 단락전류가 흐르겠지.
자, Ia(정상상태의 부하전류)가 어떻게 변했는가?
부하 역률 1 (R>>X)의 상황에서, 부하임피던스가 매우크니까, 3상단락 고장시에 단락점으로만 전류가 흐르게 되고, 부하 임피던스는 회로에 관여를 하지 않게되지. 이 때 선로 임피던스를 리액턴스성분이 지배적이라고 가정했으므로,
순수 저항성분에의한 전류가, 순수 리액턴스 성분에 의한 전류로 바뀌게 된다.
이말인 즉슨, Va에 대해 동상의 전류가, 90도 뒤진 전류로 변하게 된다는 것이지.
오! 3상 단락 고장시 전류의 조류는, I_fault_a처럼, 부하전류보다 90도 뒤지게 변하는 구나.
자, 여기서 I_fault_a의 벡터를 모사할 수 있는 방법은 무엇인가?
답은 Vbc(선간 전압)을 이용하는 것이다.
하기 사진을 보라.
그림 1번은 고장전류 페이저도,
그림 2번은 Vbc의 벡터를 Ifault_a와 같이 나타낸 페이저도이다.
Vbc와 I_fault_a와 벡터의 방향이 같지 않은가?
아! 3상 단락 고장이 발생하면, a상 고장 전류는 Vbc와 방향이 같고, b상 고장전류는, Vca, C상 고장 전류는 Vab와 방향이 같겠구나. 이것은 다 유추할 수 있겠지!
a상 고장전류와 Vbc의 방향을 비교한다고 하면,
Vbc +-90도가 되는 영역을 동작영역(정방향으로 판별하는 영역), 이외의 영역을 부동작영역(역방향으로 판별하는 영역)이라고 한다.
이때, Vbc의 위상에 cosine을 취하면, cosine(-90`90)은 0보다 같거나 크니까, 이를 이용하는 것이지
cosine(Vbc_degree) >= 0 ===== 정방향
이렇게 되는 것이지
이해가 되는가? 될것이라고 믿는다. 고등학생도 알겠다 이정도는.
하지만, 이는 선로의 임피던스가, 순수 리액턴스 성분이라고 가정하고 진행한 것이다.
혹시나 선로의 임피던스가 X성분만이 아닌, R과 X성분이 섞여있다면 어떻게 할것인가? (혹시나라는 말이 무색하게도, 다 R과 X성분 같이 있는것은 누구나 안다.)
그 상황은 아래 그림처럼 된다.
고장 전 부하전류 Ia가 90도 뒤지게 변했다면,
R/X가 고려된 선로 임피던스 상황에서 고장전류는 90도가 아닌, 부하의 임피던스각도에 따라 뒤지게 된다.
90도 보다 적게 뒤지는 것이다.
이 때, Vbc를 기준각도로 +-90도를 정방향이라고 했다면, 어떻게 될 것 같은가?
물론, Cosine을 취한 값이 0보다 커서, 정방향으로 판별할 '수' 있겠지. 이는 정확한 방법이 아니다.
선로 임피던스를 고려해서, Vbc의 위상각에 일정 부분 보상을 해주어, Cosine을 취했을 때 1에 가깝도록 하는게 가장 정확한 방법이지. = (이것이 MTA(RCA)를 보상해주는 이유이다.)
원리 개략 정리
정리해보자.
과전류 계전기의 방향성 판별
- 고장 전류는 고장 전에 비해, 각 상전압 대비 선로 임피던스 각도만큼의 위상 지연이 발생하게 된다.
- 선로 임피던스의 리액턴스 성분만 존재한다면, 90도의 지연이 발생할 것이나, 실제 선로에는 저항 성분도 있으므로, 90도보다 작은 위상 지연이 발생한다.
- 이는 방향성 판별 기준이되는 선간전압으로부터 멀어지므로(벡터의 방향이 달라지므로), 선로 임피던스를 고려한 위상을 보정하여, 새로운 기준 Vpol을 만들어야, 가장 정확한 방향성 판별이 가능해진다.
- 따라서, 기준 선간전압에 MTA(RCA)를 보상하고, 이를 Vpol(Maximum Torque Line, MTL)로 설정한다음, 이의 +-90도를 동작 영역으로 설정한다.
MTA/RCA를 보상하기 위해서는 선로 임피던스를 알아야겠지?
배전계통의 선로의 선종 및 길이가 어떻게 되었는지 알아야겠지?
단일 선로(선종)으로 되어있는 계통이라면, 하기 그림을 참고하라. (CNCV 대상으로만 정리해두었다.)
원래, 진전류 방식 말고 정상분을 이용한 방식까지 설명하려고 했지만 체력이 받쳐주질 않는다.
다음에 보도록 합시다.
질문은 받겠습니다.
메세지를 보내던, 댓글을 쓰던 관심가져주시면 감사하겠습니다. (caer0903@naver.com)
'이력 > 전력계통 보호협조 연구' 카테고리의 다른 글
| 태양광 발전 연계를 위한 해법 (1) - 루프 배전계통 (0) | 2023.04.19 |
|---|---|
| 방항성 지락 과전류 계전기의 원리 - 총 정리 (0) | 2023.04.17 |
| 방향성 과전류 계전기 - 정상분을 이용한 방향성 판별 (0) | 2023.04.10 |
댓글