KR101923993B1 - 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템 및 그 설계방법 - Google Patents

중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템 및 그 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 개시하였다. 본 발명은 전력회사로부터 전력을 공급받는 주인입선로, 주인입선로와 연결되어 주인입선로의 전압을 낮추어 Δ결선으로 전력을 전달하는 주변압기, 주변압기에 의해 낮아진 전압이 전달되는 모선, 주변압기와 모선 사이에 설치되어 모선을 주변압기와 분리하기 위하여 차단시킬 수 있는 메인 선로개폐기, 모선에 연결되고 Y결선으로 된 접지변압기, 접지변압기와 모선 사이에 설치되어 접지변압기를 주 모선으로부터 분리시킬 수 있는 접지 선로개폐기, 접지변압기의 Y결선의 중성점과 접지 사이에 설치되는 중성점 접지저항, 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하는 접지 변류기, 접지 변류기의 전류에 의해서 메인 선로개폐기를 제어하는 지락 보호계전기를 포함한다. 이에 따라 ① 필요한 접지변압기의 용량계산 방법확정, ② 중성점 접지저항의 크기와 저항에 흐를 수 있는 유효전류 크기의 계산 방법확정, ③ 1선 지락 시 건전상의 전압상이 정상전압의 2배를 초과하지 않게 함으로써 전기설비의 절연을 안전하게 보호하는 저항의 한계 계산방법확정, ④ 부품관리의 효율성을 제고하기 위하여 접지 저항을 표준으로 할수 있는 방법 및 대지 충전 전류가 과다했을 때 이 진상 전류를 상쇄하기 위한 선로에 설치가 불가피한 분로리액터의 용량 산출 방법확정, ⑤ 철도와 같이 긴 선로에서 급전 받는 경우 보호계통의 합리화와 이에 따른 전기설비의 절감 방안 등이 본 발명의 주요한 목표이다.

Description

중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템 및 그 설계방법{PROTECTION SYSTEM OF POWER LINE WITH NEUTRAL GROUND RESISTOR AND DESIGN METHOD THEREOF}
본 발명은 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템 및 그 설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접지저항, 접지변압기, 분로리액터를 포함하는 중성점 전력계통의 보호시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 접지저항의 크기를 결정하는 방법, 접지변압기의 용량 및 분로리액터의 용량을 결정하는 방법에 대하여 개시한다. 본 발명은, 지락 사고 발생 시에도 과전류에 의한 고장을 방지하고, 계전기를 적절하게 운용할 수 있는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템에 관한 것이다.
근래에 와서, 공장뿐만 아니라 대학교 등의 건물과 같이 방대한 부지에 매우 큰 부하가 밀집되어 있는 경우나, 철도와 같이 그 거리가 매우 길어서 집중된 부하 들이 긴 배전 선로 중간 중간에 연결되어 있는 설비가 흔히 있다.
부지와 건물이 방대하고 부하 용량도 대단히 크므로, 수용가는 특고압(22.9kV 또는 154kV 수전)으로 수전하여 구내에 변전설비를 갖추고 이를 다시 고압(22.9kV, 6.6kV, 3.3kV 등)으로 전압으로 낮추어, 이 낮춘 고압으로 구내 배전하는 경우가 많아 졌다.
이에 따라 구내 배전은 경관(景觀)과 안전(安全)을 고려하여 케이블을 이용하여 지하에 배전선로를 매설하는 경우가 대부분이다. 케이블로 배전하는 경우는 가공선로(架空線路)와는 달리, 선로의 대지커패시턴스(capacitance)가 매우 크고, 선로의 리액턴스(reactance)는 상대적으로 매우 적어진다.
중성점을 접지하지 않은 비접지 3상 회로에 있어서는, 1선 또는 2선 지락 시, 지락사고가 나지 않은 건전상의 전압이 급격히 상승한다. 이와 같은 전압의 급격한 상승을 과도적일시과전압(TOV-Transient temporary over voltage)이라 한다. 이때, 선로의 파동임피던스(Surge impedance
Figure 112017092978108-pat00001
, 단, C는 케이블의 대지 커패시턴스, L는 선로의 리액턴스)는 매우 적어지는 특성을 가지게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 동일 구내에 밀집된 부하 비접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다. 도 1에서, 부하는 변전소(100)에서 전력 모선(120)과 부하 차단기(전력선로개폐기)(130)를 경유하여 부하들(131, 133, 135)에 전력을 공급한다.
도 1은 동일 건물 또는 동일구내에 부하가 밀집되어 있고, 대지 커패시턴스가 큰 케이블로 구내에 선로가 포설되어 있는 경우로서, 일반적인 공장 설비 또는 건물군의 전력 설비의 지락 보호에 적용되는 방식이다.
도 2는 종래기술에 따른 철도와 같이 긴 배전선로를 비접지로 한 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다. 도 2와 같이 긴 배전선로에 연결되어 급전을 받고 있는 여러 개의 부하 군이 직렬로 되어 있는 직렬부하의 경우에는, 제1변전소(500)와 예비 변전소인 제2변전소(600) 사이에 제1선로(510)와 예비선로인 제2선로(530)를 설치하여, 직렬부하인 각 역사의 전력소(710, 730, 750, 770)를 이 선로들에 연결하여 전력을 공급 한다.
도 2는 일반적으로 배전선로의 길이가 수10km를 초과하고, 대지 커패시턴스가 큰 케이블로 배전선로가 구성되고, 그 선로 중간에 독립되어 있는 다수의 부하 군(전력소)에 전기를 공급하는 경우에 적용하는 전력계통이다.
철도와 같이 부하가 이동부하이어서 특성상 부분적인 정전도 허용되지 않는 전력 계통에서는, 예비 전원과 예비선로를 설치하며 선로의 단락 또는 지락 사고 시, 사고 전원 또는 선로를 건전한 예비 전원과 선로를 이용하여 교체 급전하여야 하는데, 도 2는 이러한 시스템에 대한 보호에 적용되는 방식을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제1변전소(500)와 제2변전소(600) 사이에 제1선로(510)와 예비선로인 제2선로(530)가 설치되어 있고, 각 역사의 전력소(710, 730, 750, 770)가 이 선로들에 연결되어 있다.
제1변전소(500)에서는, 주변압기(110)를 통해 한국전력(KEPCO)에서 전력을 초고압으로 수전하여 적정 전압으로 낮추어 모선(120)에 공급하고, 모선(120)은 전력선로개폐기(130)를 통해 제1선로(510)로 전력을 공급한다. 제1선로(510)로 공급된 전력은 전력소(710, 730, 750, 770)로 전달되어 각 역사 부하에 전력을 공급한다,
제1변전소(500)의 모선(120)에는 전력선로개폐기(180)을 통해 제2선로(530)도 연결되지만, 전력선로개폐기(180)을 차단시켜 제2선로(530)에는 전력공급이 되지 않는다. 제1선로(510)의 다른 쪽은 제2변전소(600)에 연결되지만, 일반적으로 전력선로개폐기(630)을 차단시켜 제2변전소(600)에서 전력공급이 되지 않도록 한다.
종래에는 제1선로(510)에서 발생하는 단락, 지락 사고에 대비하여, 각 전력소(710, 730, 750, 770)에 단락 및 지락을 검출하기 위한 변류기(711, 731, 751, 771) 및 단락보호수단 및 지락보호수단으로 보호계전기를 설치하였다. 그러나 철도 전력소 운영시스템의 경우, 제1선로(510) 중간 어느 일점에서 지락사고가 발생하더라도 부분정전은 허용되지 않으므로, 제1선로(510) 전체의 운전을 중단하여야 하고, 다른 정상선로인 제2선로(530)로 교체 운전하는 것이 필수적이다.
종래의 시스템은 전력소를 계통 전체의 유기적 운전을 감안하여 보호 시스템을 구축하여야함에도 불구하고, 각 전력소에 제1선로 및 제2선로의 고장검출을 위한 변류기와 보호계전기가 설치되어 과다한 투자가 있었다. 또한, 종래의 비접지 시스템은 전력계통에서 가장 빈번하게 발생하는 지락 고장에 대하여는 보호가 어려운 문제점이 있었다. 이는 전력계통이 비접지인 경우, 지락시 흐르는 대지 전류가 매우 작기 때문이다.
그리고 최근 대지정전용량이 큰 케이블을 지하 매설하는 경우가 많아졌는데, 비접지 전력계통은 지락선로에 간헐 아크에 의한 과도전압(Transient arc voltage)이 계통전압의 4배 또는 이보다 높은 이상 전압이 발생하는 경우가 있으며, 이때 고장상이 아닌 건전상의 전압 상승도 선로의 정상임피던스, 역상 임피던스와 여상 임피던스가 공진 시 상당히 높아져, 이미 설치되어 있는 전기 설비의 절연을 파괴되는 큰 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 공개특허공보 제10-2002-0090146호 “지락검출방법 및 그 장치”는 장치의 소형화를 도모하고, 지락 검출을 간단하게 행할 수 있는 지락검출방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다. 그렇지만, 접지용 계기용변압기의 3차 오픈델타회로에 접속된 제한저항 및 지락과전압계전기에 의하여 지락전압을 검출하는 것은, 선로의 대지 커패시턴스가 작은 가공 선로에서는 가능하다. 그러나, 대지 커패시턴스가 큰 케이블로 매설되어 있는 선로의 고저항 지락사고인 경우, 그 검출 전압이 매우 낮아 KS규정에서 접지계기용변압기의 3차 전압의 허용 잔류전압의 크기보다 작은 경우도 발생하는 등, 허용 잔류전압과의 구별조차 어렵다. 지락 전류는 수 mA 밖에 안 되는 미미한 전류이므로, 대규모로 부하가 밀집되어 있어 대지커패시턴스가 큰 케이블선로가 다수 회선이 병열로 가설되어 있거나, 철도와 같이 대지 커패시턴스가 커서 대지 충전전류가 큰 케이블로 구성된 장거리 배전 선로의 경우에는, 보호가 거의 불가능하다. 그래서 미국 IEEE std 142에서도 이를 기피하라고 권고하고 있다. 따라서, 대지 커패시턴스가 큰 대규모의 전력계통에서 지락이 발생하였을 때 이를 검출하는 것조차 어려우므로, 지락이 발생한 경우 사고선로의 선택 차단이 반드시 보장되지 않는다.
또한, 공개특허공보 제10-2010-0034828호 “지락 보호시스템”은 전기 설비 중 발생된 지락에 의한 사고를 방지하기 위한 지락 보호시스템을 제공하기 위한 것이다. 3상 변압기의 각 상과 지그재그로 병렬 결선되는 접지형 변압기와, 상기 접지형 변압기의 중성점에 직렬로 연결되어 지락 전류를 제한하는 접지 저항기와, 상기 접지 저항기와 연결되어 지락 전류를 측정하는 지락 과전류 계전기를 포함한다. 지그재그형 권선의 변압기를 이용한 접지형 변압기를 사용함으로써, 정상운전 시에는 각상의 전류가 서로 상쇄되어 지락 보호시스템의 신뢰성을 높이므로, 접지용 변압기로서 Y-Δ결선 변압기와 더불어 IEEE에서 추천되어 있다. 그러나 계통보호상 1선 지락 고장이 발생 시 건전상의 일시과전압을 억제하고 보호계전기의 동작을 보장하기 위한 최적의 접지저항 크기, 또는 접지변압기의 용량, 그리고 선로의 대지 커패시턴스를 상쇄하기 위한 분로리액터에 대해서는 개시하지 않고 있다.
따라서 이러한 문제점들을 개선하고자 저항접지 전력계통을 구축하고자 한다.
공개특허공보 제10-2002-0090146호 “지락검출방법 및 그 장치” 공개특허공보 제10-2010-0034828호 “지락 보호시스템”
본 발명의 목적은 3상 전력계통에서 1선 또는 2선 지락시, 전력계통의 모든 전기 설비의 절연이 건전상의 일시 과전압(TOV-Transient temporary over voltage)으로 파괴되는 것을 예방할 수 있는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 지락 등 사고 발생 시, 신속히 지락과전류계전기가 동작할 수 있는 지락전류를 확보하여 차단 및 복구를 할 수 있는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 불필요한 계전기 설치를 줄일 수 있는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 체계적으로 설계하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명의 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 전력회사로부터 전력을 공급받는 주인입선로; 상기 주인입선로와 연결되어, 주인입선로의 전압을 부하에 사용가능한 전압으로 낮추어, 변압기 2차가 중성점을 가진 Y결선으로 전력을 전달하는 주변압기; 상기 주변압기에 의해 낮아진 전압이 전달되는 모선; 상기 주변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 모선과 주변압기를 분리할 수 있는 메인 선로개폐기; 상기 주변압기의 Y결선의 중성점과 접지 사이에 설치되는 중성점 접지저항; 상기 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하는 접지 변류기; 및 상기 접지 변류기의 전류에 의해서 메인 선로개폐기를 제어하는 지락 과전류계전기;를 포함하며, 상기 모선에 연결되는 선로에 지락이 발생한 경우, 상기 지락 과전류계전기가 상기 접지 변류기의 전류를 측정하여, 지정된 시간이후에도 계속하여 지락 전류가 흐르는 경우, 상기 메인 선로개폐기를 차단시켜 전력계통을 보호한다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명의 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 전력회사로부터 전력을 공급받는 주인입선로; 상기 주인입선로와 연결되어, 주인입선로의 전압을 낮추어 Δ결선으로 전력을 전달하는 주변압기; 상기 주변압기에 의해 낮아진 전압이 전달되는 모선; 상기 주변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 모선과 주변압기를 분리할 수 있는 메인 선로개폐기; 상기 모선에 연결되고, 1차가 Y결선으로 된 접지변압기; 상기 접지변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 접지변압기 자체에 이상이 있을 때, 상기 접지변압기를 차단시킬 수 있는 접지 선로개폐기; 상기 접지변압기의 Y결선의 중성점과 접지 사이에 설치되는 중성점 접지저항; 상기 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하는 접지 변류기; 및 상기 접지 변류기의 전류에 의해서 메인 선로개폐기를 제어하는 지락 과전류계전기;를 포함하며, 상기 모선에 연결되는 선로에 지락이 발생한 경우, 상기 지락 과전류계전기가 상기 접지 변류기의 전류를 측정하여, 지정된 시간이후에도 계속하여 지락 전류가 흐르는 경우 상기 메인 선로개폐기를 차단시켜 전력계통을 보호한다.
상기 접지저항의 크기는, 0.8 RN 내지 1.1 RN 이고, RN 은 전력 계통이 1선 지락 되었을 때, 건전상 전압 상승이 정상 전압의 2배를 초과 하지 않는 조건인, 하기 수학식 1을 만족하는 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00002
단, 여기서 RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, Ic는 선로의 대지 커패시턴스에 의한 선로의 대지 충전 전류, IN은 중성점 저항 RN을 통하여 흐르는 유효전류, C는 선로의 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/phase]이다.
상기 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 상기 모선에 연결된 선로의 대지 충전 전류가 매우 커서 중성점 저항을 설치하여도 1선 지락 시 건전상의 대지 전압 상승률이 2를 초과할 때, 전기 설비를 과전압에서 보호하기 위하여 주모선과 접지 사이에 설치되어 선로의 대지 커패시턴스를 상쇄시키는, 하기 수학식 2의 ΔQ 내지 하기 수학식 3의 QL 사이의 값을 가지는 분로리액터;를 더 포함할 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00003
Figure 112017092978108-pat00004
단, ω는 ω=2πf로서 60Hz 전력 계통에서는 ω=2πf=2×3.14×60=377이고, 50Hz전력계통에서는 ω=2πf=2×3.14×50=314이며, L은 선로의 길이[km], C1은 선로 단위 길이 당/상 당 대지 커패시턴스[F/km/phase], E는 계통의 상전압[kV], RN은 접지저항의 저항값[Ω]이다.
상기 접지변압기의 3상 용량은, 하기 수학식 4의 Q 내지 하기 수학식 5의 Q' 사이의 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00005
Figure 112017092978108-pat00006
단, IR는 접지변압기의 정격전류[A], I는 계통에 흐르는 최대지락전류[A], E는 계통의 상전압[kV], V는 계통의 선간전압[kV], B는 지락 시 t초 동안 변압기에 흐르는 것이 허용되는 최대지락전류 I와 변압기 정격 전류 IR의 비로 B=IR/I이고, t는 변압기가 전류 I로 운전이 허용되는 시간[초]이다.
상기 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 상기 접지 선로개폐기와 상기 접지변압기 사이를 흐르는 전류를 측정하기 위하여 Δ결선으로 연결된 GTR 변류기; 및 상기 GTR 변류기에서 측정한 전류를 이용하여, 상기 접지 선로개폐기를 제어하는 GTR 과전류 계전기;를 더 포함하며, 상기 GTR 과전류계전기는 접지변압기 자체의 고장인 경우에 한하여 상기 접지 선로개폐기를 차단시키고, 피보호 전력계통에 지락 발생 시에는 상기 메인 선로개폐기를 차단할 수 있다.
상기 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 상기 모선의 전력을 공급받을 수 있도록 상기 모선에 연결되는 전력선로; 상기 모선과 상기 전력선로 사이에 설치되어 지락 발생시 전력선로 전체의 전력을 차단할 수 있는 전력선로개폐기; 상기 전력선로의 전력을 전력소 인입선로를 통해서 공급 받는 부하인 전력소; 상기 전력선로와 상기 전력소 인입선로 사이에 설치되어 전력소를 전력선로와와 차단할 수 있는 전력소 개폐기; 상기 전력소 인입선로의 전압을 측정하는 계기용변압기; 및 상기 계기용변압기에서 무전압이 검출되는 경우, 상기 전력소 개폐기를 개방시켜, 전력소를 전력선로와 분리하는 무전압 계전기;를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템의 설계방법은, (a) 주변압기가 중성점을 가진 Y결선인지 확인하는 단계; (b) 지락사고시 유도장애를 방지하기 위해 접지저항의 중성점에 흐르는 최대전류 값을 설정하는 단계; (c) 전선로의 대지 캐패시턴스와 대지 충전 전류 값을 산출하는 단계; (d) 지락사고시 중성점 접지저항에 흘러야 하는 적절한 유효전류 값을 계산하는 단계; (e) 상기 유효전류 값으로부터 중성점 저항을 계산하는 단계; (f) 상기 유효전류 값과 대지 충전 전류 값을 비교하는 단계; (g) 상기 (f) 단계에서 상기 유효전류 값이 상기 대지 충전 전류 값의 10배 보다 적은 경우, 상기 선로의 대지 충전 전류를 낮추기 위한 분로 리액터의 용량을 계산하는 단계; (h) 상기 접지저항과 상기 분로리액터를 설치하는 단계;를 포함한다.
상기 접지저항의 크기는, 0.8 RN 내지 1.1 RN 이고, RN 은 하기 수학식 6을 만족하는 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00007
단, 여기서 RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, Ic는 선로의 대지 커패시턴스에 의한 선로의 대지 충전 전류, IN은 중성점 저항 RN을 통하여 흐르는 유효전류, C는 선로 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스를 C1, 선로의 길이를 L[km]라고 할 때 C=C1×L로서 선로의 대지 상당 커패시턴스[F/phase]이다.
상기 분로리액터의 크기는, 하기 수학식 7의 ΔQ 내지 하기 수학식 8의 QL 사이의 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00008
Figure 112017092978108-pat00009
단, ω는 ω=2πf로서 60Hz 전력 계통에서는 ω=2πf=2×3.14×60=377이고, 50Hz전력계통에서는 ω=2πf=2×3.14×50=314이다, L은 선로의 길이[km], C1은 선로 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/km], E는 계통의 상전압[kV], RN은 중성점 접지저항의 저항값[Ω]이다.
상기 (h)단계는, (i) 주변압기가 Δ결선인지 확인하는 단계; (j) 주변압기가 Δ결선인 경우, 접지변압기를 설치하고, 접지저항을 접지변압기의 중성점과 대지사이에 설치하는 단계; 및 (k) 주변압기가 Y결선인 경우, 접지저항을 주변압기의 중성점과 대지 사이에 설치하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 접지변압기의 3상 용량은, 하기 수학식 9의 Q' 내지 하기 수학식 10의 Q'' 사이의 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00010
Figure 112017092978108-pat00011
단, IR는 접지변압기의 정격전류[A], I는 계통에 흐르는 최대지락전류[A], E는 계통의 상전압[kV], V는 계통의 선간전압[kV], B는 지락 시 t초 동안 변압기에 흐르는 것이 허용되는 최대전류 I와 변압기 정격 전류 IR의 비로 B=IR/I이고, t는 변압기가 전류 I로 운전이 허용되는 시간[초]이다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호방법은, (l) 제1선로의 변류기가 제1선로의 지락을 감지하였을 때, 지락 과전류계전기가 동작하여, 제1선로의 선로개폐기를 개방하는 단계; (m) 지정된 시간이 경과하여도 중성점 접지저항에 계속하여 지락전류가 흐를때, 후비보호용 지락 과전류계전기가 동작하여 메인 선로개폐기를 개방하는 단계; (n) 제1선로에서 급전을 받던 각 전력소에 설치되어 있는 계기용변압기와 부족전압계전기가 무전압으로 제1선로가 개방되었음을 검지하고, 각 전력소의 제1선로부터 수전하는 개폐기를 개방하는 단계; (o) 제2변전소에서 부족전압계전기로 제1선로가 무전압인 것을 확인하고, 제2선로용 선로개폐기를 투입하는 단계; 및 (p) 각 전력소에 설치된 부족전압계전기가 제2선로의 전압을 측정하여, 전압이 검출되는 경우 해당 전력소의 제2선로 수전용 개폐기를 투입하여 교체운전을 시행하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 전력 계통의 중성점을 저항 접지하여, 지락 시 발생하는 지락전류의 크기를 억제하여 과다한 지락전류에 의한 기계적 충격에 의한 주변압기의 손상을 막고, 1선 지락에 의한 건전상의 과도한 일시과전압 상승을 억제함으로써, 전력계통의 모든 전기 설비의 절연이 과전압으로 파괴되는 것을 예방할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템은, 철도와 같이 수10km의 선로에 독립된 여러 개의 부하 군이 연결되어 있을 경우, 각 부하 군에 대한 과부하와 같은 보호는 각 전력소에서 보호하고, 주 배전 선로의 단락과 지락사고는 변전소에서 일괄 보호하는 분리 보호 분담방식을 채택하여, 단락 또는 지락 등 사고 발생 시 신속한 차단 및 복구를 할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 계전기 설치를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템의 설계방법은, 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템을 체계적으로 설계하는 방법을 제공하므로, 지락에 안정적으로 대응 가능한 시스템을 설계할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 동일 구내에 밀집된 부하 비접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 철도와 같이 긴 배전선로를 비접지로 한 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀집부하의 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선로의 과다한 대지 커패시턴스를 상쇄하기 위하여 분로리액터가 설치된 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 접지변압기의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 주변압기 결선이 중성점을 가진 Y결선인 경우의 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 전선로에 부하가 연결되어 급전을 받는 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 전선로에 부하군이 직렬로 급전을 받는 전력계통의 주 변전소의 내부 결선을 자세히 나타내는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 직렬부하계통의 선로에서 지락고장이 발생하는 경우 중성점 저항을 경유하여 흐르는 유효전류(IN)의 흐름을 나타내는 구성도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 선로에서 전기를 공급 받는 부하군인 전력소의 내부 결선을 자세히 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
‘비접지’ 전력배전계통으로 하였을 때, 배전선로가 대지 커패시턴스가 매우 큰 전력케이블로 포설되어 있는 고압전력계통(3.3kV이상 52kV이하)에서 배전선로 지락고장 시, 고장 선로에는 간헐아크로 인한 과도한 전압상승이 발생할 우려가 있을 뿐만 아니라 지락의 검출자체가 매우 어렵다. 그리고, 1선 지락 시에 건전 상에는 과도한 일시전압이 동시에 발생하여 계통에 연결되어 있는 전기 부하의 절연에 위해를 가할 수 있다.
중성 점 ‘직접’ 접지를 하는 경우, 과다한 지락 전류로 인하여 선로지락 고장 시, 주 전원 변압기에 기계적 충격을 가하여, 몇 번 계통에 지락사고가 되풀이 되면, 주변압기에 고장을 일으키게 된다.
이런 현상을 방지하기 위하여, 미국의 IEEE(Institute of Electrical and electronic engineers)에서는, 전력 계통의 중성점을 접지저항을 거쳐서 대지에 접지함으로써, 전기에서 가장 흔한 지락사고 시 부하와 선로에 야기되는 절연 파괴나 기계적 충격에 의한 파손과 같은 사고들을 예방하고, 부가적인 효과로서 지락전류에 의한 고장 점의 손상을 작게 하기 위하여는, 그 전력 계통에 균형이 맞는 저항으로 중성점을 접지하는 것을 권고 하고 있다.
특히 철도와 같이 수10km에 이르는 배전선로에 여러 개의 독립된 부하 군이 한 선로에 각각 연결된 경우, 전력을 공급하는 직렬부하 계통에서는 과부하나 고장은 각 전력소에서 보호하고, 도 2의 주배전 선로(510, 530)와 같은, 주 선로의 단락과 지락사고는 변전소에서 일괄 보호하여, 보호의 기능을 서로 분리 분담함으로써 설치되는 계전기의 수량을 저감할 수 있다.
공장설비 또는 건물군의 주변압기와 모선, 또 이 모선에서 여러 개의 부하가 대지 커패시턴스가 큰 케이블 선로로 연결되어 케이블의 길이의 합계가 매우 긴 대규모의 전력 설비이거나, 철도와 같이 단일 배전선로라도 그 길이가 수10km에 이르는 전력설비에 있어, 전력계통의 중성점을 비접지로 하면 1선 또는 2선 지락사고가 발생하는 경우 건전 상의 전압상승이 다른 부하의 절연을 파손시킬 우려가 있다.
중성점이 있는 경우에라도, 중성점을 직접접지를 하면 단락전류보다 큰 지락전류가 흘러, 이 큰 전류가 주변압기에 충격을 준다. 따라서, 전기설비의 수명동안 여러 번의 지락 사고가 발생하는 경우, 주변압기를 파손하거나 변압기의 수명을 짧아지게 할 우려가 있다.
전력계통의 지락 사고로 이에 의하여 발생하는 이와 같은 사고를 예방하기 위하여, 주변압기 2차가 중성점이 있는 경우에는 중성점을 저항을 경유하여 접지할 필요가 있다.
주변압기 2차 결선이 Δ로 결선되어 모선에 중성점이 없으면, 인위적으로 중성점을 만들기 위하여, 중성점을 가진 1차 Y결선, 2차에 외부 부하를 위한 단자가 없는 Δ결선의 접지 변압기(GTR-Grounding Transformer)와 접지 변압기의 1차 중성점에 접지저항(NGR-Neutral grounding resister)을 설치할 수 있다.
일반적으로 공장설비 또는 건물 군과 같이 밀집된 동일 구내의 전력설비이거나, 철도와 같이 수10km인 배전선로에서 연결되어 전력을 공급 받는 독립된 부하의 전력설비에서, 선로의 1상이 완전 지락(지락 저항 Rg=0)되었을 때의 충전전류는 다음과 같이 구할 수 있다.
밀집부하가 도 1과 같이 되어 있는 경우, 설계 도면에서 모선에서 부하로 연결된 모든 케이블 선로의 대지 커패시턴스를 구하고, 이 커패시턴스의 합계를 구하여, 선로의 1상이 완전 지락되었을 때의 충전 전류를 구할 수 있다. 또 철도와 같이 단일 선로인 경우에는, 그 선로의 대지 커패시턴스를 구하여, 선로의 1상이 완전 지락되었을 때의 충전 전류를 구할 수 있다.
이제 전력 계통의 A상이 1선 지락 시, 건전상인 B상과 C상의 전압이 상승한다. 사고 점에서 전원을 바라본 정상 임피던스 Z1, 역상 임피던스 Z2와 영상 임피던스 Z0라고 할 때, 최대 전압 상승은 2Z1=-Z0인 조건에서 발생한다. 이 조건에서 전력설비가 안전하면 어떤 경우에도 안전하므로, 이 때의 최고 전압 상승률 mc는, 케이블의 대지 커패시턴스 C로 인하여 흐르는 충전 전류를 IC, 중성점 저항 RN을 경유하여 흐르는 유효전류를 IN이라고 할 때, 다음과 같은 관계가 있다.
Figure 112017092978108-pat00012
전기 설비가 안전하기 위해서는 IEEE의 권고에 따르면 mc≤2.5가 되어야 하나 이보다 작으면 더 안전 하다. 따라서 일반적으로 현장에서는 mc≤2 또는 mc≤0.1가 되는 RN의 값을 채택하도록 권고한다.
여기서 인위적으로 조정할 수 있는 factor로서는, 중성점 저항인 RN 이 있다. C는 케이블 굵기와 길이에 따라 결정되므로, 부하의 크기와 위치가 결정되면 변경을 할 수 없어서, 인위적인 조정은 할 수 없다. 그러므로 중성점 저항인 RN 을 임의로 선택한다.
설계 도면에서 케이블의 굵기와 길이에서 C를 산출할 수 있으므로, 위 식에서 소요 RN을 mc≤2인 경우에는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00013
Figure 112017092978108-pat00014
[F/km]
여기서 C의 단위는 (F/km/phase)가 되며, 더 안전을 위하여 mc≤0.1을 채택하면 다음과 같다.
Figure 112017092978108-pat00015
[F/km]
또는, RN = E / IN 으로 구할 수 있다.
주변압기 2차가 Δ결선이 되어 주 모선(120)에 중성점이 없는 경우, 접지 저항을 설치하기 위하여 중성점을 가진 1차 Y 2차와 외부 단자가 없는 Δ결선의 접지 변압기(GTR-Grounding Transformer)와 접지 변압기의 1차 중성점에 접지저항(NGR-Neutral grounding resister)을 설치한다.
이 때 GTR은 정상 상태에서는 부하가 없으므로 전류가 흐르지 않으나, 전력 계통에 지락 사고가 났을 때 사고가 계속되는 시간 동안만 GTR 각상에는 영상전류(Zero phase current)인 지락 전류의 1/3 전류가 흐르며, 또 GTR자체의 고장이 발생했을 때는 정상전류(Positive phase current)가 흐른다.
따라서 GTR의 보호용 검출 장치는 전력계통의 지락전류는 검출되지 않도록 구성하여야 한다. 또한 GTR의 용량은 고장동안 필요한 용량이므로 단시간 용량이면 충분하며, 그 시간은 2분, 5분, 10분으로 각각 정하면 충분하다. 이 단시간 용량은 다음과 같이 계산한다.
① 중성점 저항(RN)과 중성점을 흐르는 유효전류(IN)를 먼저 구하고, 이 전류를 3으로 나누면 접지변압기(GTR) 각상에 흐르는 전류가 된다. 이 전류는 I = IN / 3 으로 계산한다.
② 유입변압기의 과부하에 대한 규정인 ANSI/IEEE C57.92에서 권선 온도 65[oC]인 변압기에 있어 주위 온도 40[oC]일 때의 30분간 허용되는 과부하는 1.94[pu]이다. 전력계통에서 지락저항이 영(Rg=0)인 지락이 발생한 경우 t초에 변압기가 최고 허용 온도에 도달하는 전류를 I라 하고, 소요되는 용량의 접지변압기(GTR)의 정격전류를 IR이라고 하면, 변압기의 발열량과 전류관계식에서, (1.94 × IR)2 × (30 × 60) = I2 × t 를 만족해야 된다. 여기서 I는 최대 지락 전류이다. 따라서 접지 변압기의 정격전류와는 다음과 같은 관계가 있다.
Figure 112017092978108-pat00016
③ 이제 최대 지락 전류(I)와 GTR의 정격 전류(IR)의 비를 B라고 하면,
Figure 112017092978108-pat00017
GTR이 2분 정격이면,
Figure 112017092978108-pat00018
= 0.1331 ⇒ 0.14 가 되고,
GTR이 5분 정격이면,
Figure 112017092978108-pat00019
= 0.2104 ⇒ 0.22 가 되고,
GTR이 10분 정격이면,
Figure 112017092978108-pat00020
= 0.2976 ⇒ 0.30 가 된다.
④ GPT의 단시간 용량을 Q라고 하면
[kVA] 가 되며,
20%의 여유를 주면,
Figure 112017092978108-pat00022
[kVA] 로 계산된다.
일반적으로 공장설비 또는 건물 군과 같이 밀집된 동일 구내의 전력설비이거나, 철도와 같이 수10km인 배전선로에서 연결되어 전력을 공급 받는 독립된 부하의 전력설비에서, 선로의 1상이 완전 지락(지락 저항 Rg=0)되었을 때의 충전전류는 다음과 같이 구할 수 있다.
밀집부하가 도 1과 같이 되어 있는 경우, 설계 도면에서 모선에서 부하로 연결된 모든 케이블 선로의 대지 커패시턴스를 구하고, 이 커패시턴스의 합계를 구하여, 선로의 1상이 완전 지락되었을 때의 충전 전류를 구할 수 있다. 또 철도와 같이 단일 선로인 경우에는, 그 선로의 대지 커패시턴스를 구하여, 선로의 1상이 완전 지락되었을 때의 충전 전류를 구할 수 있다.
전력 계통의 상 전압을 1선 지락 시, 상전압 상승이 공칭 상전압 E의 2배 이하에서 억제되는 중성점 저항 RN을 경유하여 흘려야하는 유효전류 IN 은, 계통의 충전전류 Ic와는 IN ≥ 10 × IC 의 관계가 있다.
밀집 부하에 있어서 구한 접지 저항 RN이 너무 작을 때, 또는 철도와 같이 급전구간이 RN이 구역마다 다른 경우에 효율적인 부품 관리를 위하여, RN의 크기를 미리 정할 수 있다. 이 경우에는 전선로에 별도의 분로리액터(Shunt reactor)를 설치해야 하는 경우가 발생할 수 있다.
예를 들어 저항 RN 을 경유하는 유효전류 IN 을 100[A] 또는 200[A]로 통일했을 때, 저항을 경유하는 유효전류가 구내 총 충전 전류 IC의 10배 보다는 작아서는 안 되는 조건, 즉 IN ≥ 10 × IC 의 조건을 충족하기 위하여, 전선로에 설치하여야 하는 분로리액터(Shunt reactor) 용량은 다음과 같이 결정한다.
전선로의 대지 커패시턴스로 인하여 소모되는 총 무효전력과 같거나, 최소 소모되어야하는 무효전력, 즉 IN ≥ 10 × IC 의 조건을 충족하는 용량보다는 커야 한다.
즉 선로의 대지 커패시턴스 C[F], 상 전압을 E[V]라 할 때, 총 소요 무효전력 QL[kVAR]는 QL = 3ωCE2 × 10-3 [kVAR] 이다.
IN ≥ 10 × IC 의 조건을 충족하는 최소용량 QR은
Figure 112017092978108-pat00023
[kVAR] 이다.
설치할 수 있는 분로 리액터의 용량 Q [kVAR] 는 다음과 같다.
Figure 112017092978108-pat00024
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀집부하의 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템은 변전소(100), 모선(120), 중성점 저항접지부(200), 부하들(131, 133, 135)을 포함할 수 있다.
변전소(100)는 주인입선로(101), 주변압기(110), 메인 선로개폐기(109)를 포함한다.
중성점 저항접지부(200)는 접지 선로개폐기(270), 접지변압기(240), 접지저항(230), 접지 변류기(220), 지락 과전류계전기(210)를 포함한다.
전력회사로부터 공급받은 전력은 변전소(100)에서 적당한 전압으로 변환되어 모선(120)을 통해서 부하들(131, 133, 135)로 전달된다.
좀 더 자세히 살펴보면, 주인입선로(101)는 전력회사로부터 전력을 공급받는다. 주변압기(110)는 주인입선로와 연결되어, 주인입선로의 전압을 현장에서 사용할 수 있는 전압으로 낮추어 전력을 전달한다. 도 3에서는 주변압기(110)가 Y 또는 Δ결선으로 전압을 전달한다.
주변압기(110)에 의해 낮아진 전압은 모선(120)으로 전달된다. 이 때, 주변압기와 모선 사이는 메인 선로개폐기(109)가 설치된다. 메인 선로개폐기(109)는 주변압기와 모선을 연결하는 개폐기이므로 모든 부하의 전력을 투입 및 차단시킬 수 있다.
부하들(131, 133, 135)은 모선에 각각의 전력선로개폐기(130)로 연결되어, 각 부하의 과부하 또는 고장 시 차단될 수 있다.
주변압기(110)의 결선이 Δ인 경우, 모선에는 중성점 저항접지부(200)가 연결된다. 중성점 접지저항(230)을 연결하기 위하여, 1차가 Y결선으로 된 접지변압기(240)를 모선에 연결하여 설치한다. 접지변압기와 모선 사이에는, 접지변압기(240)를 차단시킬 수 있는 접지 선로개폐기(270)를 설치한다.
중성점 접지저항(230)은 접지변압기의 1차 Y결선의 중성점과 대지(접지)사이에 설치된다. 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하기 위하여 접지 변류기(220)과 지락 과전류계전기(210)를 설치한다. 지락 과전류계전기(210)는 접지 변류기의 전류를 측정하여 메인 선로개폐기(109)를 제어한다.
모선(120)에 연결되는 부하 선로에 지락이 발생한 경우, 접지저항에 지락전류가 흐르게 된다. 지락 과전류계전기(210)가 접지 변류기(220)을 통해 접지저항에 지정된 시간이 경과한 후에도 지락전류가 계속하여 흐르면, 메인 선로개폐기(109)를 차단시켜 후비보호의 역할을 수행하여 전력계통을 보호하여야 한다.
일반적으로 주보호의 릴레이(계전기)는 0.03초 정도에 작동하고, 차단기(선로개폐기)는 0.1초 내외로 동작한다. 따라서, 후비보호의 경우 0.15초 내지 0.5초의 시간을 지정하는 것이 바람직하다. 더 짧은 시간의 경우, 주보호로 해결될 사안을 전체 정전시키는 문제가 발생할 수 있고, 더 긴 시간의 경우, 계속적인 지락 전류에 의한 계통의 손상 우려가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선로의 과다한 대지 커패시턴스를 상쇄하기 위하여 분로리액터가 설치된 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 구성에 분로리액터부(300)가 추가되었다. 분로 래액터는 선로의 대지 커패시턴스를 상쇄하기 위하여 설치할 수 있다.
분로 리액터(shunt reactor)(160)는 모선(120)과 접지(대지)사이에 연결된다. 분로리액터도 모선과 선로개폐기를 통해 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 접지변압기의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 접지저항(230)이 접지변압기(240)의 Y결선 중성점과 대지(접지) 사이에 설치되어 있다.
GTR 변류기(250)는 접지 선로개폐기(270)와 접지변압기(240) 사이에 설치되어, 접지 선로개폐기(270)와 접지변압기(240) 사이를 흐르는 전류를 측정할 수 있다. GTR 변류기(250)는 GTR 과전류계전기(260)에 연결된다.
GTR 과전류계전기(260)는 변류기에서 측정한 전류를 이용하여, 메인 선로개폐기(109) 및 접지 선로개폐기(270)를 제어한다.
GTR 변류기(250)는 Δ결선으로 연결한다. 따라서, 피보호계통의 지락 고장 시, 접지변압기의 지락전류인 영상전류(zero phase current)는 Δ로 결선한 변류기 결선 내부를 순환하고, GTR 과전류계전기(260)에는 전류를 흐르지 않으므로 이 계전기는 동작하지 않는다.
즉, 지락 고장시에 접지변압기를 차단시켜 비접지 상태로 만들게 되면, 절연이 약한 부분에서 추가적인 사고가 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 반드시 GTR 변류기(250)는 Δ결선으로 연결하여야 한다.
한편, 접지변압기내부의 고장인 경우 정상전류(positive phase current)가 흐르므로 변류기를 통해 GTR 과전류계전기(260)가 작동한다.
즉, GTR 과전류계전기(260)는 접지변압기의 고장인 경우에만 접지 선로개폐기(270)를 차단시키고, 지락 발생시에는 접지 선로개폐기(270)를 차단시키지 않는다. 다만, 지락 발생 시에 미리 정해진 시간이 지난 후에도 계속하여 전류가 흐르는 경우에는, 접지 선로개폐기(270)가 아닌, 메인 선로개폐기(109)를 차단시킬 수 있다. 앞에서 설명한 것과 마찬가지로, 후비보호의 경우 0.15초 내지 0.5초의 시간을 지정하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 주변압기 결선이 중성점을 가진 Y결선인 경우의 중성점 저항접지 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다. 도 6은 밀집 부하이거나 긴 선로의 직렬부하에 모두 적용 가능하다.
도 6을 참조하면, 도 3과 마찬가지로, 변전소(100), 모선(120), 부하들(131, 133, 135)을 포함한다. 다만, 중성점 저항접지부(200)를 포함하지 않는데, 주변압기(110)가 Y결선으로 되어 있어서, 중성점에서 직접 중성점 접지저항(105)을 연결하여 접지저항을 설치할 수 있기 때문이다.
도 6은, 도 3과 달리, 주변압기(103)가 Y결선으로 전력을 모선에 전달한다. 따라서, 주변압기의 중성점에 접지저항(105)을 추가할 수 있다.
즉, 변전소(100)는 주인입선로(101), 주변압기(103), 메인 선로개폐기(109) 뿐만 아니라, 접지저항(105), 접지 변류기(106), 지락과전류계전기(107)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 전선로에 부하가 연결되어 급전을 받는 전력계통의 보호시스템을 나타내는 구성도이다.
도 7을 참조하면, 제1변전소(500), 제2변전소(600), 제1선로(510), 제2선로(530), 그리고 전력소(700)는 도 2의 구성과 동일하다.
그러나, 도 2에는 없는 분로리액터부(300)와 중성점 저항접지부(200)가 추가 되었으며, 제1변전소와 제2변전소 내부구성이 저항접지 구조인 것이 다르고, 도 2에 있는 변류기(711, 731, 751, 771)가 없는 점에서 차이가 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 전선로에 부하군이 직렬로 급전을 받는 전력계통의 주 변전소의 내부 결선을 자세히 나타내는 구성도이다.
도 8은 제1변전소(500)의 세부 구조를 나타낸 도면이다. 제2변전소(600)의 구조도 도 8과 동일하다. 한전으로부터 수전한 전력은 주변압기(110)를 통해 적정 전압으로 낮추어 모선(120)에 공급되고, 모선(120)은 전력선로개폐기(130)을 통해 제1선로(510)로 전력을 공급한다. 제1선로(510)로 공급된 전력은 각 역사의 전력소(710, 730, 750, 770)로 전달된다. 이 도면은 밀집 부하의 도 4와 같이 주변압기(110)의 2차가 Δ결선으로 되어 있어 별도의 접지를 설치한 경우의 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 직렬부하계통의 선로에서 지락고장이 발생하는 경우 중성점 저항을 경유하여 흐르는 유효전류(IN)의 흐름을 나타내는 구성도이다.
제1선로(510)에서 지락이 발생한 경우, 모선(120)의 전류는 제1선로의 전력선로개폐기(130), 제1선로(510), 지락지점(접지), 그리고 접지 변류기(220), 접지저항(230), 접지변압기(240), GTR 변류기(250), 접지 선로개폐기(270)의 회로를 통해 흐른다. 도 9의 점선에 지락전류가 지나는 회로를 표시하였다.
도 8 또는 도 9를 참조하면, 지락 전류 발생시, 변류기(140)가 이 지락 전류를 검출하고, 지락 과전류계전기(150)가 작동하여, 제1선로의 전력선로개폐기(130)을 차단한다(주보호).
만약, 제1선로의 전력선로개폐기(130)이 차단되지 않는 상황이라면, 접지 변류기(220)은 지정된 시간을 경과하여서도 지락전류가 흐르는 것을 감지하게 된다. 이때, 접지 변류기(220)은 지락 과전류계전기(210)를 동작시켜 메인 선로개폐기(109)를 후비 보호로서 차단한다(후비보호).
단락보호수단은 제1변전소의 모선(120)과 제1선로(510) 사이에 설치된 변류기(140)와 과전류계전기(150)로 구성한다. 단락 사고가 발생한 경우, 변류기(140)에서 검출한 전류가 과전류계전기(150)의 정정한계를 넘게 되면, 과전류계전기(150)에서 전력선로개폐기(130)에 차단신호를 보내, 제1선로(510)를 제1변전소의 모선(120)에서 차단시킨다.
제1선로(510)에서 지락사고가 발생한 경우 지락전류는 모선(120)에서 전력선로개폐기(130)을 경유하고 제1선로를 경유하여 지락 점을 거쳐서 접지저항(230)과 접지변압기(240)를 거쳐서 모선으로 순환한다.
보호수단에서 이 지락 전류를 검출하는 것은, 제1선로에 설치되어 있는 변류기(140)와 지락 과전류계전기(153)이다. 주보호는 이 지락 과전류계전기(153)가 작동하여 전력선로개폐기(130)을 차단시키는 것이다.
후비 보호는 접지저항(230)과 접지 사이에 설치된 접지 변류기(220)과 지락 과전류계전기(210)으로 구성한다. 지락 사고가 발생한 경우, 접지 변류기(220)에서 검출한 전류가 지정된 시간을 경과하여 흐르고 있을 때, 지락 과전류계전기(210)의 정정한계를 넘게 되면, 지락 과전류계전기(210)에서 메인 선로개폐기(109)에 차단신호를 보내, 제1변전소의 모선(120)을 차단시킨다.
일반적으로 주보호의 릴레이(계전기)는 0.03초 정도에 작동하고, 차단기(선로개폐기)는 0.1초 내외로 동작한다. 따라서, 후비보호의 경우 0.15초 내지 0.5초의 시간을 지정하는 것이 바람직하다. 더 짧은 시간의 경우, 주보호로 해결될 사안을 전체 정전시키는 문제가 발생할 수 있고, 더 긴 시간의 경우, 계속적인 지락 전류에 의한 계통의 손상 우려가 있다.
지락보호수단의 접지 변류기(220)은 접지저항(230)에 흐르는 전류를 측정하는 것이므로, 접지저항(230)과 접지변압기(240) 사이에 설치하는 것도 가능하다.
제1변전소에 설치되어 있는 제1선로의 개폐기와, 각 전력소(700)에 설치되어 있는 부족전압계전기(920)에 의하여 제1선로로부터 수전할 수 있는 모든 개폐기를 개방한다. 이때 제2변전소에서도 제1선로가 무전압임을 확인하고 제1선로에 관계되는 모든 개폐기를 개방한다. 그리고 제2선로(530)에 연결된 개폐기(340)를 닫아서 전선로를 건전선로인 제2선로로 교체 완료한다.
과부하는 각 전력소의 부하에서만 발생하므로, 각 전력소(700)에 있는 과부하 계전기(820)와 저압 차단기(ACB-880)로 보호할 수 있다. 따라서, 변전소에 과부하를 통합하여 보호하는, 별도의 한시과전류계전기를 설치할 필요가 없는 점도 본 발명의 한 효과이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 긴 선로에서 전기를 공급 받는 부하군인 전력소의 내부 결선을 자세히 나타내는 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예인 전력소(700)의 구조를 나타낸 것이다. 도10는 각 전력소의 내부결선도로서 본 발명과는 다음과 같은 관계가 있으므로 전체 계전기 정정을 하고자 할 때는 참고할 수 있는 도면이다.
제1선로(510)에 연결된 변압기(870)에 과부하가 발생하는 경우, 한시과전류계전기(850)가 변류기(860)의 전류변화를 감지하여 정정한계를 넘는 경우 전력소 개폐기(840)에 차단신호를 보내서, 전력소(700) 자체적으로 과부하를 해결한다.
전력선로인 제1선로(510)에 지락 또는 단락 사고가 발생하여 전원이 차단되면, 전력소(700)의 부족전압 계전기(820)에서 제1선로(510)에 연결된 계기용변압기(830)의 전압을 측정하여 무 전압이 된 것을 확인하고, 전력소 개폐기(840)에 차단신호를 보내어, 제1변압기(870)를 전력선로인 제1선로(510)와 차단시킨다. 다시 제2선로(530)가 통전되면 부족전압계전기(920)가 회복되어 제2변압기(970)를 제2선로(530)로부터 수전 하여 선로를 교체하여 운전하게 된다.
도 7 내지 도 10을 참조하여, 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다. 도 7과 같은 직렬부하계통에서, 정상 운전 시에는 CTs1 변류기(711)에 흐르는 전류
Figure 112017092978108-pat00025
이다. 여기에서 ILi 는 전력소 Si의 부하전류이고, cosφi 는 전력소 Si의 역률, 그리고 sinφi 는 각 전력소 부하의 무효율이다.
SF 전력소에서 단락이 발생한 경우, 단락사고 발생한 곳보다 변전소에 가까운 쪽 변류기들인 CTs1 변류기(711)에서 CTsF -1 변류기(731)는 모두 같은 단락전류 값 Is을 나타내고, 종래에는 사고 지점의 전력소 선로개폐기(차단기)가 개방되므로, 단락사고 지점 이후의 변류기들인 CTsF 변류기(741)에서 CTsn 변류기(761)에 흐르는 전류는 없게 된다.
본 발명에서는 변전소 내에 제1선로의 전류를 측정하는 변류기(140)와 변류기(140)의 전류 데이터로 단락 및 지락전류를 검출하는 과전류계전기(150)로 이루어진 단락보호수단을 갖춘다. 제1선로에 단락 발생 시 단락지점의 위치에 관계없이 변류기(140)에서는 단락전류 IS가 검출되므로 이 검출된 단락 전류가 계전기 정정 값인 정상 부하전류 IS1과 다른 단락전류 값 Is가 검출된 경우, 선로 전체를 차단할 수 있도록 한 것이 특징이다. 이렇게 함으로써 전력소에 단락 보호수단을 갖추지 않고도 제1선로의 단락을 보호할 수 있게 된다.
종래 비접지 보호시스템에서는 제1선의 어떤 점 F에서 단락 또는 지락사고가 발생시 차단기 CBSF가 동작하여 고장 점 이후의 선로가 정전되고 전원측 차단기 CBA1가 투입 상태를 유지하게 되므로 선로가 고장 점 이후 부분만 정전이 되어 철도의 연속 운전이 불가능하게 되고 고장 점을 특정 하는데 상당한 시간이 소요되게 된다.
긴 전선로를 가진 직렬부하 선로에서 임의의 일 점에서 지락이 발생하였을 때, 고장 점 보다 전원 쪽에 설치되어있는 CTsF 변류기(741)가 검출하는 지락전류는
Figure 112017092978108-pat00026
이다. 여기서 IAN은 중성점 저항을 통하여 흐르는 유효전류이고 ISi는 케이블 배선의 대지 커패시턴스를 통하여 흐르는 무효전류이다. 이는 곧 고장 점의 위치에 따라 고장 점 이전의 전선로 길이와 고장 점 이후의 전선로 길이가 달라져, 그 충전전류가 달라지기 때문이다.
여기서 변류기(741)의 위치와 관계가 있는 요소인
Figure 112017092978108-pat00027
이 되는 장소에 CTn 변류기(220)를 설치하면, 지락 고장 점의 위치에 관계없이 지락 시 그 값이 되는 유효전류인 IAN 으로 일정한 전류 값을 검출할 수 있다.
본 발명의 실시예인 도 7 내지 도 10에 따르면, 변전소(100) 내에 접지 변류기(220)를 접지저항(230)의 접지 점에서 제1선로(510)의 충전전류가 흐르기 시작하는 점 사이의 구간에 설치한다. 이렇게 구성하면, 제1선로(510)의 어느 1점에서 지락 사고가 발생하여도, 단일 과전류계전기(210)로 제1선로 전체의 지락 사고를 검출할 수 있다. 지락 과전류계전기(210)는 전력선로개폐기(130)을 동작시켜 제1선로(510)를 차단한다. 이후, 전력 공급원인 제2변전소(600)로 교체하여 전력을 공급함으로써, 단락 사고 시와 같이 운전에 혼선을 일으키지 않도록 할 수 있다. 따라서, 각 전력소에 불필요한 지락 보호수단을 설치할 필요가 없어, 지락보호수단 설치비용 및 관리비용을 절감하는 효과가 있다.
본 발명의 지락보호수단은 설비의 간이성 및 사후 관리의 편리성을 감안하여 변전소 내에 설치하였으나, 변전소 밖이어도 제1선로 시작점 근처에 설치한다면 동일한 효과를 얻을 수 있다.
접지저항의 크기 계산
다음으로 본 발명의 실시 예에 사용된 접지저항(230)의 크기를 구하는 방법에 대하여 설명한다.
계통을 구성하고 있는 선로의 대지 커패시턴스의 합계를
Figure 112017092978108-pat00028
이라 하고, 상전압을 E, 선간전압을 V라고 할 때, 접지변압기(240)의 중성점에 연결된 접지저항(230)의 저항 RN은 다음과 같은 관계가 있다.
계통의 정상 임피던스를 Z1, 역상 임피던스를 Z2, 영상 임피던스를 Z0라 할 때 Feeder Cf의 A상에서 Rg=0[Ω]인 지락고장이 발생하였다면, 각상의 전류는 다음과 같다.
Figure 112017092978108-pat00029
Ib = Ic = 0
이 때 1선(A상) 지락으로 인한 각 상의 전압은 다음과 같다.
Va = 0
Figure 112017092978108-pat00030
Figure 112017092978108-pat00031
단, 여기서
Figure 112017092978108-pat00032
,
Figure 112017092978108-pat00033
, 그리고 1 + α + α2 = 0 이다. 각 상(B상, C상)의 전압 상승률은 mb, mc라고 하면,
Figure 112017092978108-pat00034
Figure 112017092978108-pat00035
건전 상의 전압상승은 가장 악조건인 선로 리액턴스 Z0 = -2Z1, 즉 m = -Z0/Z1 = -2 에서는 각 임피던스의 저항에 의하여서만 제한되므로 Z0 = -2Z1에서 건전상 전압이 도약(jumping) 하는 것을 알 수 있다.
따라서 선로의 최악 조건인 Z0 = -2Z1 인 경우, 선로 저항을 무시하고 α = RN/XC 라고 놓으면, XC = 1/(3ωC) 이므로,
Figure 112017092978108-pat00036
가 되어, 전압상승 배수 mb, mc는 각각
Figure 112017092978108-pat00037
Figure 112017092978108-pat00038
가 되므로, 항상 mc > mb 가 된다.
α와 C상 전압 상승률 mc의 관계를 살펴보면 아래 표 1과 같다.
No α mc 비 고
1 3 5.5717
2 2 4.1468
3 1 2.8014
4 0.756 2.5000 IEEE의 Limit of over voltage
5 0.5 2.2049
6 0.1 1.8117
위 표1에서 보는 바와 같이 1선 지락사고 시 선로의 커패시턴스에 의하여 발생하는 무효전류인 충전전류 IC가 저항에 흐르는 유효전류 IN보다 크면 즉 α>1이면 A상 지락 시 C상 전압 상승은 정격 전압의 3배보다 커진다는 것을 알 수 있다.
α=0.756에서 IEEE Std 142에서 전기설비에 일반적으로 안전 한계라고 하는 과도전압상승 250%에 이르게 된다. 즉 이는 선로의 충전전류가 중성점 저항을 통하여 흐르는 유효전류의 75%가 한계라는 것을 알 수 있다.
이와 같이 배전 선로의 1선 또는 2선 지락사고 시 충전전류가 크면 이로 인해서 발생하는 일시과전압은 특히 계통에 연결되어 운전 중인 절연강도가 상대적으로 낮은 건식 변압기나 전동기 등 회전기에게 치명적일 수 있으며, 이 이외에도 비접지 계통에서는 지락사고 시 사고 지점의 간헐 arc로 인하여 발생하는 높은 이상전압으로 계통의 절연이 위협받게 된다.
이와 같은 사고를 미연에 방지하기 위하여 미국의 IEEE(Institute of Electrical and electronic Engineers)에서는 IEEE Std 142-2007 Grounding of Industrial and Commercial Power systems에서 3상 고압회로(전압 범위 3.3kV~36kV)의 중성점을 고저항 접지나 저저항 접지를 하도록 권장하고 있다.
이는 어떤 구조물이 정해지면 전원과 부하사이의 거리가 정해짐으로 케이불의 굵기와 길이는 조정할 수 없는 절대 조건이 되므로 케이블의 대지 커패시턴스는 불변이라는 전제하에서 저항의 크기 RN을 선정하게 된다. 여기서 고저항 접지의 범위는 중성점 전류를 IN이라고 했을 때 IN ≤ 10A, IN ≥ 3Ic 라는 조건을 충족시키는 저항을 말한다. 3Ic는 케이블 선로의 3상의 대지 충전전류이다. 다시 말하면 Ic는 각상 선로의 충전전류이다.
이에 반하여 저저항 접지는 중성점 전류가 100A~1000A 범위내로 제한 할 수 있는 크기의 중성점 저항접지를 말하며, 400A를 표준이 되는 전류(with being typical)로 정의하고 있다.
기기의 절연내력에 대한 안전성을 감안하여 최대 전압상승 mc가 정격 상 전압의 2배를 넘지 않도록 설정한다.
따라서
Figure 112017092978108-pat00039
의 조건이 성립되며,
여기서
Figure 112017092978108-pat00040
,
Figure 112017092978108-pat00041
로 구할 수 있다.
그러나, 여유를 두어 α = 0.1 인 경우
Figure 112017092978108-pat00042
= 1.8117 < 2 가 되므로, 위의 모든 조건을 만족하므로, 일반적으로 α = 3RNωC ≤ 0.1 이 되도록, RN 값을
Figure 112017092978108-pat00043
식으로 구한다. 공차를 고려하면, 접지저항의 크기는, 0.8 RN 내지 1.1 RN 으로 설정할 수 있다.
단, 여기서 RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, C는 선로의 대지 커패시턴스[F/km/phase]이다.
만일 이렇게 정한 중성점 저항 RN으로는 중성점 전류가 너무 커서 신호선 또는 통신 선로에 유도장애를 일으킬 우려가 있는 경우에는 접지저항을 크게 하고 대신에 선로에 분로 리액터를 설치하여 선로의 C값을 감소시킨다.
분로리액터의 용량 계산
철도 전력계통에서 22.9[kV] 선로에 널리 사용되는 XLPE 동심(銅芯)케이블 CNCV 60SQ는 대지 충전용량이 실측결과 C=0.164[μF/km/phase]이므로 선로의 길이가 40[km]라고 하면 선로의 대지 커패시턴스는 C = 0.164 × 10-6 × 40 = 6.56 × 10-6 [F/phase]이므로,
Figure 112017092978108-pat00044
= 13.478 ⇒ 13 [Ω] 이 된다.
상기 예에서 선로의 길이가 10[km]라고 하면 선로의 대지 커패시턴스는 C = 0.164 × 10-6 × 10 = 1.64 × 10-6 [F/phase] 이므로,
Figure 112017092978108-pat00045
= 53.9130 ⇒ 55 [Ω] 이 된다.
이 경우, 지락고장 시 접지저항(230)에 흐르는 전류는, 선로의 길이가 40[km]인 경우
Figure 112017092978108-pat00046
= 1017.0 [A] 로 1000[A]가 넘고, 선로의 길이가 10[km]인 경우에도
Figure 112017092978108-pat00047
= 244.83 [A] 로 250[A] 에 가깝게 된다.
그런데, 접지저항(230)에 흐르는 전류는 지락으로 인한 영상 전류이다. 이와 같은 큰 전류가 흐르는 경우 구내 신호선로와 신호설비에 또 통신선로나 통신장비에 유도장애를 일으킬 우려가 있다.
또한, 선로의 길이에 따라 중성점의 소요 저항의 크기와 전류용량이 달라져야하므로 자재 수급 등의 문제가 있을 수 있다. 이 전류 용량을 100[A] 또는 200[A]로 통일하여 규격화하면, 유도장애를 없애고 동시에 예비품의 통일 등으로 전력운용에 합리화를 기할 수 있다.
이 전류를 100[A] 또는200[A]로 저감하기 위하여서는 제1선로(510)와 제2선로(530)의 대지커패시턴스를 상쇄하여야 하고 이를 위하여 선로에 분로리액터(Shunt reactor)(160, 550, 570)를 설치할 수 있다.
중성점 전항을 RN, 상전압을 E, 지락전류를 I라고 할 때 다음과 같이
Figure 112017092978108-pat00048
[Ω] 의 관계가 성립한다.
예를 들면, V=6.6kV 계통에서, I=100[A]로 억제 하고자 할 때는, 접지저항은
Figure 112017092978108-pat00049
= 38.1 ⇒ 38 [Ω] 이 된다.
V=6.6kV 계통에서, I=200[A]로 억제 하고자 할 때에는, 접지저항은
Figure 112017092978108-pat00050
= 19.02 ⇒ 19 [Ω] 이 된다.
또, V=22.9kV 계통에서, I=100[A]로 억제 하고자 할 때는, 접지저항은
Figure 112017092978108-pat00051
= 132.21 ⇒ 132 [Ω] 이 된다.
V=22.9kV 계통에서, I=200[A]로 억제 하고자 할 때에는, 접지저항은
Figure 112017092978108-pat00052
= 66.1 ⇒ 66 [Ω] 이 된다.
따라서 선로(510, 530)에서 허용되는 무효전력 QR은
Figure 112017092978108-pat00053
[kVAR]
선로 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스를 C1[F/km/phase], 계통의 상전압을 E[kV]라 하고 선로의 길이를 L[km]이라 할 때, 계통의 케이블에 의하여 발생하는 3상 일괄 무효전력 QL는 QL = 3ωLC1E2 × 10-3 [kVAR] 이다.
따라서, 분로리액터(Shunt reactor)(160, 550, 570)의 값은 선로(510, 530)에 발생하는 최대 무효전력 QL과 선로(510, 530)에서 허용되는 최대 무효전력 QR은
Figure 112017092978108-pat00054
[kVAR]이다.
즉, 필요 분로리액터(Shunt reactor)(160, 550, 570)의 최대 용량은 QL = 3ωLC1E2 × 10-3 [kVAR] 이 된다.
최소용량ΔQ는
Figure 112017092978108-pat00055
[kVAR] 가 된다.
즉, 설치하여야 할 Shunt reactor의 용량은 ΔQ [kVAR] 보다 커야하고 QL [kVAR] 보다 작아야 한다.
단, ω는 ω=2πf로서 60Hz 전력 계통에서는 ω=2πf=2×3.14×60=377이고, 50Hz전력계통에서는 ω=2πf=2×3.14×50=314이다, L은 선로의 길이[km], C1은 선로 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/km/phase], E는 계통의 상전압[kV], RN은 접지저항의 저항값[Ω]이다.
예를 들어 22.9[kV] 계통으로서 L=40[km]인 경우, 최대 소요 분로리액터(Shunt reactor)(160, 550, 570) 용량은
QL = 3ωLC1E2 × 10-3 [kVAR]
Figure 112017092978108-pat00056
= 1296.93 [kVAR] 이 된다.
지락시 RN에 흐르는 유효전류를 I=100 [A]로 정하는 경우,
Figure 112017092978108-pat00057
=132 [Ω]이므로, 최소 소요 분로리액터(Shunt reactor) (550, 570)의 용량 ΔQ는
Figure 112017092978108-pat00058
= 1296.93 132.43 = 1164.5 [kVAR] 가 된다.
즉, 설치하여야 할 분로리액터(Shunt reactor)(550, 570)의 용량은 ΔQ=1164.5[kVAR] 보다 크고 QL=1296.93[kVAR] 보다 작아야 한다.
또, RN에 흐르는 유효전류를 I=200[A]로 정하는 경우,
Figure 112017092978108-pat00059
= 66 [Ω]이므로, 최소 소요 분로리액터(Shunt reactor)(550, 570)의 용량 ΔQ는,
QL = 3ωLC1E2 × 10-3 = 1296.93 [kVAR] 이고,
Figure 112017092978108-pat00060
= 264.85 [kVAR] 이므로,
ΔQ = QL QR = 1296.93 264.85 = 1032.1 [kVAR] 가 된다.
즉, 설치하여야 할 분로리액터(Shunt reactor)(550, 570)의 용량은 ΔQ=1032.1[kVAR] 보다 크고 QL=1296.93[kVAR] 보다 작으면 된다.
분로리액터(Shunt reactor)를 설치하지 않은 경우, 중성점 저항13[Ω] 이고, 저항의 전류용량은
Figure 112017092978108-pat00061
= 1012 ⇒ 1100 [A] 이상인 저항을 설치 하여야하나 분로리액터(Shunt reactor)(550, 570)를 설치함으로써, 큰 값의 저항 전류를 100[A] 또는 200[A]로 저감 시켜 이를 표준화 할 수 있다.
이제 배전전압이 6.6[kV]인 경우, 동심(銅芯-copper core)케이블 CNCV 95SQ로 배선하고 선로의 길이가 20km라고 하면, 케이블 대지 커패시턴스가 C=0.328[μF/km/phase] 이므로
C = 0.328 × 10-6 × 20 = 6.56 × 10-6 [F/phase] 이고,
Figure 112017092978108-pat00062
= 13.45 ⇒ 13 [Ω] 이 되고, 따라서 최대 지락 전류는
Figure 112017092978108-pat00063
= 293.12 [A] 임을 알 수 있다. 이와 같은 경우에는 중성점 저항의 전류용량이 100[A]로 하기 위해서는
Figure 112017092978108-pat00064
= 38.1 ⇒ 38 [Ω]이 되고,
Figure 112017092978108-pat00065
= 107.73 [kVAR] 이므로,
Figure 112017092978108-pat00066
= 69.52 [kVAR] 가 되어, 70 [kVAR]에서 107 [kVAR]사이의 분로 리액터의 추가 설치가 필요하다.
접지변압기 용량 계산
본 발명의 실시에 사용되는 접지변압기(240)의 용량은, 변압기 발열량과 전류의 관계식 I2 · t = K 와 유입변압기의 주위온도와 과부하에 대한 규정인 ANSI/IEEE C57.92-1981에서 주위온도와 과부하 허용시간의 관계에 의하여 다음과 같이 계산한다.
예를 들어 상기 표에는 주위온도 40[℃]일 때 과부하전의 변압기 부하가 50[%]일 때 30분간 허용되는 과부하는 1.94[pu]라고 되어 있다. 실제의 운전 중 접지변압기(GTR)에는 접지변압기 철심의 불평형 등으로 다소의 순환전류가 흐름으로 검토 대상으로 ANSI/IEEE C92의 data(Table 3(a)) 중 가장 경부하인 50[%] load의 수명을 기준으로 선정했다.
전력계통에 저항 Rg=0[Ω]인 지락고장이 발생한 경우, t [초] 동안 접지변압기(240)가 허용온도의 한계에 도달하는 전류(최대 지락전류임)를 I 라하고, 접지변압기(240)의 정격전류를 IR라고 할 때, 정격전류를 30분간 흘릴 때 발생 열과 전류의 관계식에서 (1.94 × IR)2 × (30 × 60) = I2 × t = K 이므로,
Figure 112017092978108-pat00067
가 된다.
이제 5분 정격변압기의 용량은 t=5분(minute)이므로 허용전류는
Figure 112017092978108-pat00068
가 되고, 정격전류와의 비 B는
Figure 112017092978108-pat00069
= 0.2104 ⇒ 0.22 가 된다.
변압기의 상 전압을 E라고 하면 접지변압기(240)의 단시간 용량은 Q = 3IR × E = 3I × B × E 가 된다. 현장에서는 변압기 용량에 다소의 여유가 있어야 하므로 필요한 경우 20%정도 여유를 더 주어 그 용량을 Q’라고 하자.
즉, 접지변압기(240)의 3상 용량은 Q 내지 Q‘ 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다.
Figure 112017092978108-pat00070
[kVA]
Figure 112017092978108-pat00071
[kVA]
단, IR는 접지변압기의 정격전류[A], I는 계통에 흐르는 최대지락전류[A], E는 계통의 상전압[kV], V는 계통의 선간전압[kV], B는 지락 시 t초 동안 변압기에 흐르는 것이 허용되는 최대전류 I와 변압기 정격 전류 IR의 비로 B=IR/I이고, t는 변압기가 전류 I로 운전이 허용되는 시간[초]이다.
예를 들어 접지저항(230)에 흐르는 전류가 IN=100[A], V=6.6[kV] 라고 하면, 지락전류 I = 100/3 [A], 상전압
Figure 112017092978108-pat00072
[kV] 이다.
t=2분 정격의 접지변압기(240)의 용량은,
Figure 112017092978108-pat00073
= 53.34 [kVA] 이상으로 설계한다. 여유 20%를 주면 Q’ = 53.341.1 × 1.2 = 64 [kVA] 가 적절하다.
t=5분 정격의 접지변압기(240)의 용량은,
Figure 112017092978108-pat00074
= 83.83 [kVA] 이상으로 설계한다. 여유 20%를 주면 83.83 × 1.2 = 100 [kVA] 가 적절하다.
t=10분 정격의 접지변압기(240)의 정격전류와의 비는 B = 1/3.36 = 0.2976 ⇒ 0.3 이 된다. 접지변압기(240)용량은,
Figure 112017092978108-pat00075
= 114.32 [kVA] 이상으로 설계한다. 여유 20%를 주면 114.3 × 1.2 = 137.2 ⇒ 140 [kVA] 가 적절하다.
접지변압기 보호시스템
다음으로, 도 2와 3을 참조하여, 접지변압기 보호시스템에 대해 설명한다. 접지변압기(240)에는 계통이 정상 운전 상태에서는 전류가 흐르지 않으며, 피 보호계통의 지락고장 또는 접지변압기(240)의 자체의 내부 고장 시에만 전류가 흐른다. 그러나 이들 고장 시에 흐르는 전류는 전류특성과 동작 대상 차단기(선로개폐기)는 각각 다르다.
예를 들면 피보호계통 지락고장 시 접지변압기(240)에는 지락전류인 영상전류(Zero phase sequence current-Io)만 흐르고, 접지변압기(240)의 내부고장 시 흐르는 전류에는 영상전류 요소가 없다. 접지변압기(240)내부에서 3상 단락 시에는 GTR 변류기(250)에는 대칭인 정상전류(Positive phase current-I1)만 흐르고, 단상 단락 시에는 같은 크기의 정상전류와 역상전류(Negative phase current-I2)가 동시에 접지변압기(240)에 흐른다. 따라서 이들을 구분하여 동작하여야할 보호계전기와 차단기(선로개폐기)를 선택하여 차단하지 않으면, 계통보호에 중대한 차질을 일으킬 수 있다.
다시 말하면 접지변압기(240) 고장 보호용 계전기와 선로개폐기(270)는 계통 지락 시 흐르는 영상전류에서 동작해서는 안 된다. 따라서 도 7과 같이 결선되어야 한다. 결선의 특징은 접지변압기(240) 각 상의 GTR 변류기(250)는 Δ로 결선되어, 피보호계통의 지락고장으로 흐르게 되는 영상전류는 GTR 변류기(250)의 Δ결선 내부를 순환하고, 외부의 소세력 과전류계전기(260)에는 흐르지 않는다. 이와 같은 결선에 의해 접지변압기(240) 1차에 설치되어 있는 GTR 변류기(250)의 CT11a, CT11b, CT11c와 이 GTR 변류기(250)에 결선되어 있는 소세력 과전류계전기(260)는 계통의 지락에는 관계없는 회로로 구성된다.
여기서 접지변압기(240)의 1차에 설치되어 있는 GTR 변류기(250)인 CT11a, CT11b, CT11c의 1차 전류는 접지변압기(240)의 1차 정격전류를 그대로 채택하면 된다. 예를 들어 6.6[kV] 계통 접지변압기(240)의 용량을 150[kVA] 라고 하면, 접지 변압기의 정격전류는
Figure 112017092978108-pat00076
= 13.12 [A] 이므로, CT의 정격전류를 15/5A를 채택한다.
위 예의 22.9[kV] 계통에서 지락전류 IN=400[A]인 경우 GTR 각 상의 전류는 133.3[A]이므로 CT의 정격전류는 150/5A로 하면 된다. 또 접지변압기(240)의 정상운전 시에는 부하가 없으므로, 고장 외에는 과부하가 없다. 따라서 단락고장만 검출하면 되므로, GTR 과전류계전기(260)는 정한시의 특성만 있으면 된다.
직렬부하 시스템
철도와 같이 급전 구간이 수10km가 되는 경우 운전 중인 선로의 중간 1점에 단락 또는 지락 사고가 났을 때 전선로를 차단하고 건전 선로로 교체 운전하여야하므로 배전선로의 중간 부하인 전력소에는 고장을 검출하는 변류기와 계전기 설치를 생략하고 변전소A 또는 변전소 B에서 일괄 보호를 채택한다.
예를 들면, 모선(120)의 전력을 공급받을 수 있도록 모선에 연결되는 전력선로인 제1선로(510)에서 운전 중 고장이 발생하였을 때, 변류기(140)가 고장을 검출하여 과전류계전기(150)가 전력선로개폐기(130)을 개방한다. 즉, 지락 사고 등이 발생한 경우, 모선과 전력선로 사이에 설치된 전력선로개폐기(130)이 전력선로인 제1선로(510) 전체의 전력을 차단한다. 이에 따라 제1선로(510)가 무전압이 된다.
각 전력소(700)는 전력선로(제1선로)에 연결된 전력소 인입선로를 통해 전력선로의 전력을 공급받고 있는 부하이다. 각 전력소에 있는 27번 무전압 계전기(부족전압계전기)(820)는, 전력소 인입설비의 전압을 측정하는 계기용변압기(830)을 통해서, 선로의 무전압을 검출하여 각 전력소 개폐기(840)를 개방한다. 이때, 전력선로의 개폐기(810)도 차단할 수 있다.
동시에 제2변전소(600)의 무전압 계전기(또는 부족전압 계전기)가 제1선로의 정전을 확인 하고, 제2선로로 교체하기 위하여 전력선로개폐기(680)을 연결 한다. 제2선로가 충전 되면 각 전력소(700)의 무전압 계전기(부족전압계전기)(920)가 제2선로(530)가 가압되었음을 검출하고 해당 개폐기(910, 940)를 투입함으로써 선로의 교체를 완료한다.
이와 같이 중성점을 저항접지로 교체함으로써 계통의 보호체계의 구조를 변경할 수 있어 제1선로 및 제2선로에 고장 검출에 필요한 변류기 보호계전기 및 개폐기의 설치를 절감 할 수 있다.
종래에는 도 2와 같이, 제1선로(510)에서 발생하는 단락, 지락 사고에 대비하여, 각 전력소(710, 730, 750, 770)에 단락 및 지락을 검출하기 위한 변류기(711, 731, 751, 771) 및 단락보호수단 및 지락보호수단으로 계전기를 설치하였다.
그러나 철도 전력소 시스템의 경우, 제1선로(510) 중간 어느 일점에서 지락사고가 발생하더라도, 제1선로(510) 전체의 운전을 중단하여야 하므로, 다른 정상선로인 제2선로(530)로 교체 운전하는 것이 필수적이다.
따라서 각 전력소에서 단락과 지락을 검출하여 해당 선로의 중간에 설치되어 있는 선로개폐기(차단기)를 차단하면 차단 점 이후의 선로는 정전이 되어, 철도 부하의 연속운전이 불가능하므로 고장 선로자체를 차단하고 건전한 선로로 교체하여야 운전하여야 한다.
그러므로, 본 발명의 실시 예에서는, 도 7과 같이 단락 또는 지락 사고 발생시, 제1선로(510)를 제1변전소(500)의 모선(120)에서 차단하고, 제2변전소(600)에서는 선로개폐기(380)를 작동시켜 제2선로(530)를 제2변전소(600)의 모선(320)과 연결한다.
이렇게 함으로써 제1선로(510)에 지락 또는 단락 사고가 발생한 경우 그 고장 지점에 관계없이 제2선로(530)로 교체운전이 가능하여 각 전력소(710, 720, 730, 등)에 전력을 공급할 수 있게 된다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 8에서, 제1변전소(500)의 중성점 접지저항(230)에 흐르는 전류를 제1선로(510)에 설치되어 있는 변류기(140)가 측정하면, 주보호인 지락 과전류계전기(153)가 먼저 작동하여 전력선로개폐기(130)을 차단시킨다. 후비 보호인 지락 과전류계전기(210)는 지락 발생후 정해진 시간이 경과한 후에도 지락전류가 흐르는 것을 접지 변류기(220)이 감지하는 경우, 메인 선로개폐기(109)를 차단한다.
제 1선로가 차단되면, 도 10에서, 제1전력소 인입선로에 설치된 계기용변압기(830)가 제1선로의 전압을 측정할 때, 무전압이 검출된다. 이 경우 무전압 계전기(820)가 해당 전력소의 전력선로 개폐기(840)를 차단하여 해당 전력소를 차단한다.
제2변전소의 계전기가 제1선로의 개방을 파악하면, 제2선로의 전력선로개폐기(680)을 연결시킬 수 있다.
제 2선로가 연결되면, 각 전력소 인입선로에 설치된 계기용변압기(930)가 제2선로의 전압을 측정할 때, 전압이 검출된다. 이 경우 해당 전력소를 연결하고, 해당 전력소의 전력선로 개폐기(940)를 연결한다.
이상의 순서를 정리하면, (1) 제1선로의 변류기(140)가 제1선로의 지락을 감지하였을 때 지락 과전류계전기(150)가 동작하여 제1선로의 전력선로개폐기(130)를 개방하는 단계; (2) 지정된 시간이 경과하여도 중성점 접지저항(230)에 계속하여 지락전류가 흐를 때, 이는 주보호계통의 선택 차단에 실패한 것으로 간주하여, 후비 보호용 지락 과전류계전기(210)가 동작하여 메인 선로개폐기(109)를 개방하는 단계; (3) 제1선로에서 급전을 받던 각 전력소(700)에 설치되어 있는 계기용변압기와 부족전압계전기가 무전압으로 제1선로가 개방되었음을 검지하고, 각 전력소의 제1선로로부터 수전하는 개폐기를 개방하는 단계; (4) 제2변전소(600)에서는 부족 전압계전기로 제1선로가 무전압인 것을 확인하고 제2선로용 전력선로개폐기(680)을 투입 제2선로를 살리는 단계; 및 (5) 각 전력소에 설치된 부족전압 계전기는 제1선로가 개방되어 있고 제2선로의 전압을 측정하여, 전압이 검출 되는 경우 해당 전력소의 제2선로 수전용 개폐기를 투입하여 교체운전을 시행하는 단계 :를 포함 한다.
종래의 시스템은 전력소를 계통 전체의 유기적 운전을 감안하여 보호 시스템을 구축하여야함에도 불구하고 각 전력소의 고장만을 대상으로 하여 과다한 보호계전기가 설치로 그 관리가 어려운 문제가 있었다.
또한, 종래의 비접지 시스템은 전력계통에서 가장 빈번하게 발생하는 지락 고장에 대하여는 보호가 어려운 문제점이 있었다. 이는 전력계통이 비접지인 경우, 지락시 흐르는 대지 전류가 매우 작기 때문이다.
보호시스템의 설계방법
중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템의 설계방법은 접지저항(NGR)의 저항값 계산, 분로리액터(Shunt Reactor) 용량 계산, 접지변압기(GTR) 용량 계산 등의 과정을 포함한다.
접지저항(NGR)의 저항값을 계산하기 위해서는, 우선 모선에 연결되어 있는 모든 키이블의 굵기와 길이를 조사하여 케이블 List를 만들고, 이 명세를 바탕으로 케이블의 대지 커패시턴스와 충전 전류를 계산하고, 필요한 유효전류를 구하고, 이에 의하여 중성점 접지 저항을 결정한다. 이와 병행하여 유도장애를 방지하기 위해 접지저항의 중성점에 흐르는 최대전류값(Imax)을 설정한다.
지락사고시 접지저항의 중성점을 흐르는 유효전류값(IN)을 계산하는 과정은, 다음과 같은 세부 단계를 거칠 수 있다. (i) 변전설비에서 전력모선과 부하를 연결하는 케이블의 전압, 굵기, 특히 대지커패시턴스와 케이블의 길이를 조사하고 이를 명세표로 만든다. (ii) 케이블이 모두 전원 모선에서 충전되었을 때의 대지 충전 전류(IC)를 계산한다. (iii) 1선 지락시 최대 전압상승률 mC 가 2배를 초과하지 않도록 α=IC/IN=0.1 되는 유효전류값(IN)을 계산한다.
다음으로, 계산된 유효전류와 설정한 최대전류값을 비교한다.
만약, 유효전류값이 최대전류값보다 작다면, 유효전류값을 이용하여 접지저항의 크기를 계산한다.
접지저항의 크기는, 1상에서 지락발생시 건전상의 전압상승이 2배가 안되는 조건인
Figure 112017092978108-pat00077
[Ω] 로 구할 수 있다. 단, 여기서 RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, C는 선로의 대지 커패시턴스[F/km/phase]이다.
만약, 유효전류값이 최대전류값보다 큰 경우, 최대전류값을 이용하여 접지저항의 크기를 구하고, 분로리액터의 크기를 구할 수 있다.
구내 변전설비를 몇 개소를 가지고 있는 밀집 부하에서나 철도와 같이 수10km에 걸쳐 배전선로가 늘어 있어 여러 개소의 변전소에서 수전하고 체감된 변전설비의 2차 전압을 다시 여러 구간으로 나누어 배전하는 경우, 또는 각 구간의 케이블의 길이가 서로 다른 경우, 부품인 중성점 접지저항(NGR)의 호환성을 위하여 적정한 표준저항(typical resistor)을 선정하였을 때, 이러한 경우가 발생할 수 있다.
분로리액터의 크기는 다음 ΔQ 내지 QL 범위에서 선택할 수 있다. 여기에서,
Figure 112017092978108-pat00078
[kVAR] 이고, QL = 3ωLC1E2 × 10-3 [kVAR] 이다.
단, ω는 ω=2πf로서 60Hz 전력 계통에서는 ω=2πf=2×3.14×60=377이고, 50Hz전력계통에서는 ω=2πf=2×3.14×50=314이다, L은 선로의 길이[km], C1은 선로 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/km], E는 계통의 상전압[kV], RN은 접지저항의 저항값[Ω]이다.
접지저항 및 분로리액터의 크기에 맞추어 도 4, 도 6 또는 도 7과 같이 설치할 수 있다. 이 때, 주변압기가 Δ결선인지 확인할 필요가 있다.
만약, 주변압기가 Δ결선인 경우, 주변압기에 접지저항을 설치할 수 없으므로, 접지변압기 용량을 계산한 후, 접지변압기를 설치하고, 접지저항을 접지변압기의 중성점과 접지사이에 설치한다.
접지변압기의 용량을 계산하는 과정은 다음과 같은 세부 단계를 거칠 수 있다. (i) 접지변압기(GTR) 정격시간 t 설정한다. (ii) 최대지락전류 I 계산한다. (iii) B=IR/I 계산한다. (iv) 접지변압기(GTR) 단시간 용량 Q 계산한다. (v) 여유율 반영한 Q' 계산한다.
이렇게 계산된 접지변압기의 3상 용량은, 다음 Q 내지 Q' 사이의 값을 가질 수 있다.
Figure 112017092978108-pat00079
[kVA] 이고,
Figure 112017092978108-pat00080
[kVA]이다.
단, IR는 접지변압기의 정격전류[A], I는 계통에 흐르는 최대지락전류[A], E는 계통의 상전압[kV], V는 계통의 선간전압[kV], B는 지락 시 t초 동안 변압기에 흐르는 것이 허용되는 최대전류 I와 변압기 정격 전류 IR의 비로 B=IR/I이고, t는 변압기가 전류 I로 운전이 허용되는 시간[초]이다.
만약, 주변압기가 Y결선인 경우, 접지저항을 주변압기의 중성점과 접지 사이에 곧바로 설치할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
100 : 변전소
109 : 메인 선로개폐기
110 : 주변압기
120 : 모선
130, 180, 630, 680 : 선로개폐기
140 : 변류기
150 : 과전류계전기
153 : 지락 과전류계전기
160, 550, 570 : 분로리액터
170 : 계기용변압기
200 : 중성점 저항접지부
210 : 지락 과전류계전기
220 : 접지 변류기
230 : 접지저항(NGR)
240 : 접지변압기(GTR)
300 : 분로리액터부
500 : 제1변전소
510 : 제1선로
530 : 제2선로
600 : 제2변전소
700 : 전력소

Claims (13)

  1. 전력회사로부터 전력을 공급받는 주인입선로;
    상기 주인입선로와 연결되어, 주인입선로의 전압을 부하에 사용가능한 전압으로 낮추어, 변압기 2차가 중성점을 가진 Y결선으로 전력을 전달하는 주변압기;
    상기 주변압기에 의해 낮아진 전압이 전달되는 모선;
    상기 주변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 모선과 주변압기를 분리할 수 있는 메인 선로개폐기;
    상기 주변압기의 Y결선의 중성점과 접지 사이에 설치되는 중성점 접지저항;
    상기 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하는 접지 변류기; 및
    상기 접지 변류기의 전류에 의해서 메인 선로개폐기를 제어하는 지락 과전류계전기;를 포함하며,
    상기 모선에 연결되는 선로에 지락이 발생한 경우, 상기 지락 과전류계전기가 상기 접지 변류기의 전류를 측정하여, 지정된 시간이후에도 계속하여 지락 전류가 흐르는 경우, 상기 메인 선로개폐기를 차단시켜 전력계통을 보호하고,
    상기 접지저항의 크기는, RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, Ic는 선로의 대지 커패시턴스에 의한 선로의 대지 충전 전류, IN은 중성점 저항 RN을 통하여 흐르는 유효전류, C는 선로의 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/phase]일 때,
    0.8 RN 내지 1.1 RN 이고, RN 은
    Figure 112018107979545-pat00101
    인 것을 특징으로 하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  2. 전력회사로부터 전력을 공급받는 주인입선로;
    상기 주인입선로와 연결되어, 주인입선로의 전압을 낮추어 Δ결선으로 전력을 전달하는 주변압기;
    상기 주변압기에 의해 낮아진 전압이 전달되는 모선;
    상기 주변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 모선과 주변압기를 분리할 수 있는 메인 선로개폐기;
    상기 모선에 연결되고, 1차가 Y결선으로 된 접지변압기;
    상기 접지변압기와 상기 모선 사이에 설치되어, 상기 접지변압기 자체에 이상이 있을 때, 상기 접지변압기를 차단시킬 수 있는 접지 선로개폐기;
    상기 접지변압기의 Y결선의 중성점과 접지 사이에 설치되는 중성점 접지저항;
    상기 중성점 접지저항을 흐르는 전류를 측정하는 접지 변류기; 및
    상기 접지 변류기의 전류에 의해서 메인 선로개폐기를 제어하는 지락 과전류계전기;를 포함하며,
    상기 모선에 연결되는 선로에 지락이 발생한 경우, 상기 지락 과전류계전기가 상기 접지 변류기의 전류를 측정하여, 지정된 시간이후에도 계속하여 지락 전류가 흐르는 경우 상기 메인 선로개폐기를 차단시켜 전력계통을 보호하고,
    상기 접지저항의 크기는, RN은 중성점 저항이며, 60Hz전력계통에서는 ω=2πf=377, 50Hz계통에서는 ω=2πf=314이고, Ic는 선로의 대지 커패시턴스에 의한 선로의 대지 충전 전류, IN은 중성점 저항 RN을 통하여 흐르는 유효전류, C는 선로의 단위 길이 당 상당 대지 커패시턴스[F/phase]일 때,
    0.8 RN 내지 1.1 RN 이고, RN 은
    Figure 112018107979545-pat00102
    인 것을 특징으로 하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    ω는 ω=2πf로서 60Hz 전력 계통에서는 ω=2πf=2×3.14×60=377이고, 50Hz전력계통에서는 ω=2πf=2×3.14×50=314이며, L은 선로의 길이[km], C1은 선로 단위 길이 당/상 당 대지 커패시턴스[F/km/phase], E는 계통의 상전압[kV], RN은 접지저항의 저항값[Ω]일때, ΔQ 내지 QL 사이의 값을 가지는 분로리액터;를 더 포함하며,
    ΔQ 는
    Figure 112017092978108-pat00082
    이고, QL 은
    Figure 112017092978108-pat00083
    인 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 접지변압기의 3상 용량은, Q 내지 Q' 사이의 값을 가지며, IR는 접지변압기의 정격전류[A], I는 계통에 흐르는 최대지락전류[A], E는 계통의 상전압[kV], V는 계통의 선간전압[kV], B는 지락 시 t초 동안 변압기에 흐르는 것이 허용되는 최대지락전류 I와 변압기 정격 전류 IR의 비로 B=IR/I이고, t는 변압기가 전류 I로 운전이 허용되는 시간[초]일 때,
    Q 는
    Figure 112017092978108-pat00084
    이고, Q' 은
    Figure 112017092978108-pat00085
    인 것을 특징으로 하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 접지 선로개폐기와 상기 접지변압기 사이를 흐르는 전류를 측정하기 위하여 Δ결선으로 연결된 GTR 변류기; 및
    상기 GTR 변류기에서 측정한 전류를 이용하여, 상기 접지 선로개폐기를 제어하는 GTR 과전류 계전기;를 더 포함하며,
    상기 GTR 과전류계전기는 접지변압기 자체의 고장인 경우에 한하여 상기 접지 선로개폐기를 차단시키고, 피보호 전력계통에 지락 발생 시에는 상기 메인 선로개폐기를 차단할 수 있는 것을 특징으로 하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 모선의 전력을 공급받을 수 있도록 상기 모선에 연결되는 전력선로;
    상기 모선과 상기 전력선로 사이에 설치되어 지락 발생시 전력선로 전체의 전력을 차단할 수 있는 전력선로개폐기;
    상기 전력선로의 전력을 전력소 인입선로를 통해서 공급 받는 부하인 전력소;
    상기 전력선로와 상기 전력소 인입선로 사이에 설치되어 전력소를 전력선로와와 차단할 수 있는 전력소 개폐기;
    상기 전력소 인입선로의 전압을 측정하는 계기용변압기; 및
    상기 계기용변압기에서 무전압이 검출되는 경우, 상기 전력소 개폐기를 개방시켜, 전력소를 전력선로와 분리하는 무전압 계전기;를 더 포함하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. (l) 제1선로의 변류기가 제1선로의 지락을 감지하였을 때, 지락 과전류계전기가 동작하여, 제1선로의 선로개폐기를 개방하는 단계;
    (m) 지정된 시간이 경과하여도 중성점 접지저항에 계속하여 지락전류가 흐를때, 후비보호용 지락 과전류계전기가 동작하여 메인 선로개폐기를 개방하는 단계;
    (n) 제1선로에서 급전을 받던 각 전력소에 설치되어 있는 계기용변압기와 부족전압계전기가 무전압으로 제1선로가 개방되었음을 검지하고, 각 전력소의 제1선로부터 수전하는 개폐기를 개방하는 단계;
    (o) 제2변전소에서 부족전압계전기로 제1선로가 무전압인 것을 확인하고, 제2선로용 선로개폐기를 투입하는 단계; 및
    (p) 각 전력소에 설치된 부족전압계전기가 제2선로의 전압을 측정하여, 전압이 검출되는 경우 해당 전력소의 제2선로 수전용 개폐기를 투입하여 교체운전을 시행하는 단계;를 포함하는 중성점 접지저항에 의한 전력계통의 보호방법.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN111103011A (zh) * 2019-12-03 2020-05-05 武汉科技大学 一种隧道接地智能方法、芯片及装置
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CN114157011A (zh) * 2021-11-01 2022-03-08 国能神福(龙岩)发电有限公司 保安电源系统
CN115100930A (zh) * 2022-06-22 2022-09-23 珠海万力达电气自动化有限公司 一种配电网单相真接地故障模拟系统平台
KR102489613B1 (ko) 2022-04-13 2023-01-17 (주)비즈커넥트 N-접지전압과 n-접지저항 측정기능을 갖는 원격 감전예방 시스템

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109861170A (zh) * 2019-03-29 2019-06-07 岭澳核电有限公司 核电站复压过流保护装置和发电机保护系统
CN109861170B (zh) * 2019-03-29 2020-07-31 岭澳核电有限公司 核电站复压过流保护装置和发电机保护系统
KR102167173B1 (ko) 2019-06-24 2020-10-16 제이에스엔지니어링(주) 불평형 전압에 의한 다상전동기 손상을 보호하기 위해 전원 개폐기 개방 시간 결정 시스템
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CN111103011B (zh) * 2019-12-03 2022-04-19 武汉科技大学 一种隧道接地智能方法、芯片及装置
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CN114157011A (zh) * 2021-11-01 2022-03-08 国能神福(龙岩)发电有限公司 保安电源系统
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