KR20110034987A - 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치 - Google Patents

임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치는, 비동기 투입 보호를 사용(Use)으로 정정한 상태 정보와；
계통병입을 위한 차단기(GCB)의 투입명령(GCB Close Command)정보와；
투입명령을 받아 발전기 차단기(GCB)의 "a" 접점이 on 되는 상태 정보 및, "b" 접점이 off되는 상태 정보를 AND 조건으로 묶어 AND 논리회로를 구성한 AND 게이트(AND1)의 출력을 일정시간만 유지하여 주는 타이머(11) 출력과;
발전기가 비동기 상태에서 투입될 경우 동작하는 역방향 요소의 거리계전기(21-2) 와 여자상실계전기의 Char. 2의 (40-2)를 입력받는 OR 게이트(OR1) 출력을 AND 논리 회로로 구성한 AND 게이트(AND2)의 출력신호를 발전기측의 록 아웃 릴레이(86G)를 동작시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치{ASYNCHRONIZING PROTECTION APPARATUS USING IMPEDANCE RELAY}
본 발명은 발전기 비동기 투입시 고장 전류 지연 차단 문제를 해결함으로써, 전력설비의 소손을 방지하기 위한 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치에 관한 것이다.
발전기 계통병입시 비동기 병입이 발생되면, 현재의 보호시스템에서는 순시로 보호할 만한 보호계전방식이 없기 때문에, 고장 전류 지연차단으로 인하여 발전기나 변압기가 소손되는 결과를 초래하게 된다.
이와 같은 심각한 결과를 초래하는 발전기 비동기 투입 고장에 대한 적절한 보호계전 방식을 적용하지 않는 이유는 비동기 투입은 일어날 수 없다고 보는 시각이 크기 때문이다. 그러나, 실제로 전력계통에서 PT회로 오결선이나, 인적실수, 동기 계전기(Synchronizer)의 특성 변화에 의한 오동작 등 다양한 이유로 인해 비동기 투입 고장이 자주 발생하게 된다.
도 3은 통상적으로 사용되고 있는 임피던스 계전기회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 있어서, 거리계전기(21)와 여자상실계전기(40)는 임피던스 계전기로 계전기가 동작하기 위해서 전압과 전류를 필요로 한다.
전류원은 CT(Current Transformer, 변류기)로서, 대전류를 작은 전류로 변환하는 장치를 사용한다. 통상적으로 CT의 2차 정격을 5A로 하고, 1차측은 계전기가 설치된 계통의 전류 크기에 따라 20,000 혹은 40,000과 같은 적절한 크기를 선택해 20,000/5A, 40,000/5A 같은 비율특성을 갖는 CT를 설치하여 계전기에 전류 정보를 제공한다.
전압원은 PT(Potential Transformer, 변성기)로서, 특고압의 전압을 작은 전압으로 바꾸어 주는 장치다. 여기서, PT Ratio(비율)는 계전기가 설치된 계통의 전압을 1차 정격으로 하고, 2차측은 120/√3(69.28)이나 115/√3(66.39)을 계전기에 입력되게 비율특성을 정하여 설치한다. 발전소의 PT Ratio는 보통 1차측은 24,000/√3를 사용하고, 2차측은 120/√3V를 사용하고 있다.
이와 같이 정한 CT 및 PT를 도 3에 도시된 바와 같이 발전기(GEN) 주변에 설치하여 발전기(GEN)의 전압과 전류 정보를 거리계전기(21)와 여자상실계전기(40)에 제공하고, 상기 거리계전기(21)와 여자상실계전기(40)는 제공된 전류, 전압 정보를 토대로 임피던스(=전압/전류)를 계산해서, 고장시 차단기(GCB)와 터빈을 차단하여 발전기를 보호하게 된다.
계전기는 전력계통에 지락이나 단락과 같은 고장이 발생하면, 차단기의 동작시간(차단명령을 받은 시점부터 차단기가 열리는 시점까지의 시간, 통상적으로 20msec정도)을 포함하여 50msec(0.05초) 정도의 빠른 시간에 고장 계통을 분리시키게된다. 즉, 도 3의 구성에서는 발전기에 고장이 발생하면, 전기적, 기계적으로 고장전류를 차단하는 명령을 내려 GCB(GENERATOR CIRCUIT BREAKER, 발전기 차단기)를 차단해서 발전기에 고장전류가 흐르지 못하게 하고, 터빈도 정지하게 함으로써, 발전기를 보호하게 된다.
상기한 바와 같이, 거리계전기(21) 및 여자상실계전기(40)와 같은 임피던스 계전기는 계통의 전압 전류정보를 PT, CT로부터 제공받아 계전기 스스로 임피던스를 계산하여 고장상태와 정상상태를 구분할 수 있고, 고장 시 차단기(GCB)를 차단하여 발전기를 보호하는 역할을 한다.
임피던스 계전기는 전압, 전류 정보와 전압 전류간 위상 정보를 가지고 임피던스 크기와 방향을 판별하게 되는데, 종래에는 고장 시 거리계전기(21)가 동작하면 2.5초의 시간지연을 두고 차단기를 동작시키는 후비 보호역할만으로 사용하였고, 여자상실계전기(40)는 0.5초의 시간지연을 가지고 발전기 여자상실 상태를 감시하고 보호하였다. 따라서, 발전기가 비동기 투입 되면 순시(50msec 이내)에 발전기를 보호할 수 없게 된다.
본 발명은 발전기 보호 계전방식의 후비 보호 요소로 적용 중인 임피던스 계전방식을 이용하면서 비동기 보호 논리회로를 부가하여 발전기 비동기 투입시 고장 전류 지연 차단 문제를 해결함으로써 전력설비의 소손을 방지할 수 있도록 된 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치는,
비동기 투입 보호를 사용(Use)으로 정정한 상태 정보와；
계통병입을 위한 차단기(GCB)의 투입명령(GCB Close Command)정보와；
투입명령을 받아 발전기 차단기(GCB)의 "a" 접점이 on 되는 상태 정보 및, "b" 접점이 off되는 상태 정보를 AND 조건으로 묶어 AND 논리회로를 구성한 AND 게이트(AND1)의 출력을 일정시간만 유지하여 주는 타이머(11) 출력과;
발전기가 비동기 상태에서 투입될 경우 동작하는 역방향 요소의 거리계전기(21-2) 와 여자상실계전기의 Char. 2의 (40-2)를 입력받는 OR 게이트(OR1) 출력을 AND 논리 회로로 구성한 AND 게이트(AND2)의 출력신호를 발전기측의 록 아웃 릴레이(86G)를 동작시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 차단기 상태 정보가 상기 발전기 차단기(GCB)의 "a" 접점과 "b" 접점을 동시에 감시하는 더블 포지션 방식을 적용하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 타이머(11)가 1초간만 신호를 출력하도록 된 1.0초 원 숏 타이머인 것을 특징으로 한다.
기존의 발전기 보호 계전방식은 순시로 비동기 투입 보호를 하지 못하고 후비 보호인 2.5sec의 시간 지연을 갖는 거리계전기로 지연 차단함으로써, 전력 설비가 손상되기 전에 보호하지 못하도록 되어 있으나, 본 발명에 따르면 별도의 계전기를 설치하는 것 없이 계전기의 내부동작 특성을 이용해서 비동기 투입 보호 계전방식을 확보할 수 있기 때문에, 경제적 부담 없이 설비 보호가 가능하게 된다.
또한 본 발명은, 디지털 보호 계전방식으로 적용할 경우에 가능한 방법으로, 거의 모든 보호 계전기가 디지털방식으로 설치되고 있으므로, 미래 지향적 장치로 된다.
더욱이, 간단한 보호 논리회로만을 추가하는 것에 의해 전력 설비를 보호할 수 있기 때문에, 경제적 부담이 없고, 기술적으로 병입후 1초간만 보호 논리회로가 기능을 수행하므로 안정성 역시 확보될 수 있게 된다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 거리계전기(21; 도 3 참조)의 특성을 나타낸 도면으로, 여기서 거리 계전기(距離繼電器, distance relay)는 고장점까지의 리액턴스 또는 임피던스를 측정하는 요소를 갖추고, 동작 시간이 고장점까지의 거리에 따라 변하는 계전기이다.
즉, 발전기 보호 계전기 중 거리계전기는 후비 보호 계전기로 적용하고 있고, 보호특성은 도 1에 도시된 바와 같이 주변압기를 포함한 순방향(Forward)을 보호방향으로 하고 있다. 그러나, 역방향(Backward)은 보호회로 구성상 고장시 계전기가 동작할 수 없는 지역이기 때문에, 더 이상 거리 계전기의 보호구역이 될 수 없게 된다.
그러나, 발전기가 비동기 투입되면, 임피던스 궤적이 역방향의 보호요소가 동작하는 특성으로 이동하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 거리계전기의 역방향 요소 동작시 순시 트립(Trip)되도록 논리회로를 구성함으로써, 비동기 투입보호가 가능하도록 하고 있다.
그리고, 거리계전기의 역방향 요소를 이용한 보호 방식은 이후 설명되는 도 4에 도시된 바와 같이 발전기가 병입되고 최초 1초간만 보호기능을 수행 하도록 한다. 도 4에 있어서, 차단기 상태 정보는 차단기의 "a" 접점과 "b" 접점을 동시에 감시하는 더블 포지션(Double Position)방식을 적용하여 신뢰성을 확보하고, 동기 조건 판단에 의해 발생된 차단기 투입 명령과 AND 조건으로 논리회로를 구성하여 오동작을 방지하도록 한다.
도 2는 여자상실계전기(40; 도 3 참조)의 특성을 나타낸 도면으로, 여기서 여자 상실 계전기(劇磁喪失繼電器)는 동기기의 여자 회로에 단락, 단션 등의 사고로 여자 자속이 상실되었을때 동작되어 기기를 보호하는 계전기이다.
통상적으로 여자상실계전기(40)의 경우 Char.1(특성 1)의 특성을 적용하여 저여자(Under excitation) 특성을 보호하는 계전시스템으로 0.5sec의 지연 특성으로 운영하고 있는데, 본 발명에 적용할 경우 Char.2(특성 2)를 이용하여 비동기 투입 보호 요소로 적용하게 된다. 여기서, 여자상실계전기(40)의 Char.2는 여자 상실 보호계전기로 정상운전 중에는 여자 상실 보호 계전 기능으로 사용하고, 계통병입 시 1초간만 비동기 투입보호 계전요소로 사용하며, 계전기 정정 기능에서 비동기 투입보호 기능의 사용여부에 대한 선택이 가능하도록 정정요소를 둔다.
도 4는 본 발명에 따른 비동기 보호 논리회로의 구성을 나타낸 도면으로, 도 4에 도시된 비동기 보호 논리회로(1)를 사용함으로써 발전기 비동기 투입시 순시로 발전기를 보호할 수 있게 된다.
즉, 도 4는 기존의 순방향 요소의 거리계전기(21-1) 및 Char.1 요소에 대한 여자상실계전기(40-1)로 이루어진 임피던스 계전기(2)에 비동기 보호 논리회로(1)를 결합한 구성을 특징으로 한다.
도 4에 도시된 본 발명에 따른 비동기 보호 논리회로에서는 거리계전기(21)의 동작 특성 중 순방향 요소의 거리계전기(21-1)는 종래와 같이 2.5초의 시간지연을 두고 차단기를 동작시키는 후비 보호 요소로 사용하고, 역방향 요소의 거리계전기(21-2)에 대해서는 비동기 투입 보호 요소로 적용한다. 그리고, 여자상실계전 기(40)의 특성 중 Char.1 요소에 대한 여자상실계전기(40-1)에 대해서는 종래와 같이 0.5초의 시간 지연을 가지고 발전기 여자 상실 상태를 감시하고 보호하는 요소로 사용하고, Char.2 요소에 대한 여자상실계전기(40-2)를 비동기 보호 요소로 사용하여 비동기 투입시 순시로 발전기를 보호할 수 있게 한다.
즉, 발전기가 비동기 투입되면, 역방향 요소의 거리계전기(21-2)나 Char. 2의 여자상실계전기(40-2)가 동작하는 임피던스 조건이 형성되기 때문이다.
발전기 운전원이 발전을 위해서 발전기를 계통에 병입하는 행위를 계통병입이라고 하는데, 계통병입을 위해서 계통병입 스타트(Start) 지령을 내리면, 발전기 제어 시스템에서 발전기의 전압 정보와 계통의 전압 정보를 비교하여 동기 상태에서 차단기(GCB)의 투입명령(GCB Close Command)을 내리게 되고, 차단기가 투입되어 계통병입이 이루어진다.
본 발명에 따른 비동기 보호 논리회로에서는 이와 같이 내려진 차단기 투입명령(GCB Close Command)정보와, 차단기가 투입되면 반전기 차단기(GCB)의“a" 접점은 on 되고, ”b" 접점은 off되는 정보를 AND 조건으로 묶어 AND 논리회로를 구성하여 AND 게이트(AND1)를 사용한다. 이 AND 게이트(AND1)의 출력은 1.0초 원 숏 타이머(11; 1.0sec one shot Timer)를 경유하게 되고, 이는 반전기 차단기 투입명령(GCB Close command)에 의해 차단기가 투입되고 1초간만 출력신호를 내보내어 비동기 투입 보호 논리회로를 1초간만 사용하겠다는 의미이다. 이는 발전기 비동기 보호 논리회로가 계통병입 때에만 필요한 보호 요소이기 때문이다.
비동기 보호를 사용(Use)으로 정정한 상태에서 발전기가 비동기 상태에서 투 입되면, 역방향의 거리계전기(21-2) 또는 Char. 2의 여자상실계전기(40-2)가 0.03초 내에 동작해서 해당 정보가 OR 게이트(OR1)를 통해 출력되고, 발전기 차단기(GCB)가 투입된 후 1초 이내이므로 OR 게이트(OR1)로부터 출력되는 정보는 AND 게이트(AND1)의 출력 정보와 함께 AND 게이트(AND2)에 입력되어 OR 게이트(OR2)를 통해 발전기측의 록 아웃 릴레이(Lock out Relay)(86G)를 동작시킨다. 릴레이(86G)가 동작하면 발전기 차단기(GCB) 차단신호, 발전기 터빈 정지등 고장을 차단할 명령이 현장의 각 기기들에 내려지게 되고, 고장을 차단하여 발전기를 순시로 보호 할 수 있게 된다.
도 1은 거리계전기의 특성을 나타낸 도면,
도 2는 여자상실계전기의 특성을 나타낸 도면,
도 3은 통상적으로 사용되고 있는 임피던스 계전기회로의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 비동기 보호 논리회로의 구성을 나타낸 도면이다.

Claims (3)

  1. 비동기 투입 보호를 사용(Use)으로 정정한 상태 정보와；
    계통병입을 위한 차단기(GCB)의 투입명령(GCB Close Command)정보와；
    투입명령을 받아 발전기 차단기(GCB)의 "a" 접점이 on 되는 상태 정보 및, "b" 접점이 off되는 상태 정보를 AND 조건으로 묶어 AND 논리회로를 구성한 AND 게이트(AND1)의 출력을 일정시간만 유지하여 주는 타이머(11) 출력과;
    발전기가 비동기 상태에서 투입될 경우 동작하는 역방향 요소의 거리계전기(21-2) 와 여자상실계전기의 Char. 2의 (40-2)를 입력받는 OR 게이트(OR1) 출력을 AND 논리 회로로 구성한 AND 게이트(AND2)의 출력신호를 발전기측의 록 아웃 릴레이(86G)를 동작시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차단기 상태 정보가 상기 발전기 차단기(GCB)의 "a" 접점과 "b" 접점을 동시에 감시하는 더블 포지션 방식을 적용하고 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 타이머(11)가 1초간만 신호를 출력하도록 된 1.0초 원 숏 타이머인 것을 특징으로 하는 임피던스 계전기를 이용한 발전기 비동기 투입 보호장치.
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