지락차단 보호 원리

출처 : http://blog.daum.net/5419752/8278706
 

Ⅰ. 440V 저압회로 지락 차단장치 제시

1. 관련법규 내용

  전기설비기술기준 제 45조 ②항

  특별고압 또는 고압전로에 변압기에 의하여 결합되는 사용전압 400V 이상의 저압회로에는 지기가 생겼을 때에 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하여야 한다.

2. 직접 접지식 지락차단장치 시설방법

 가. ELB에 의한 지락차단 방법

그림1. ELB에 의한 지락차단 회로

   ELB의 감도전류에 따라 지락차단전류가 정하여진다.

   ELB의 정격지락감도전류는 제조사 마다 약간의 차이는 있지만 ○○제조사의 정격감도전류(㎃)는 30, 100, 200, 500의 4가지 종류가 제조되고 있다.

 

 나. CT Y결선 잔류회로에 의한 지락차단 방법

그림2. CT Y결선 잔류회로에 의한 지락차단 회로

   1) 검출방식

      CT Y결선의 잔류회로를 이용 지락전류를 검출하는 방식으로 가장 흔하게 쓰이며 지락전류의 계산은 제2종 접지선을 이용하는 방식과 동일함

   2) 적용설비

      CT Ratio가 400/5이하인 비교적 시설용량이 작은 설비

   3) 특기사항

      CT 오결선시는 지락과전류계전기가 오동작 하게된다.

 다. 3권선 영상분로회로에 의한 지락차단 방법

그림3.  3권선 영상분로회로에 의한 지락차단 회로

   1) 검출방식

      3권선 CT를 이용하는 방식으로 2차권선은 Y결선하여 OCR을 접속하고 3차권선은 영상분로 접속하여 지락전류를 검출 차단하는 방식임

   2) 적용설비

      제2종 접지선 이용방식과 같이 CT Ratio 가 400/5를 넘는 비교적 시설용량이 큰 곳

   3) 특기사항

     - 2차 결선은 Y(잔류회로 없음) 결선을 사용한다.

     - CT 오결선시는 지락과전류계전기의 오동작 우려가 있음

     - 3차 권선 1차와의 CT비율은 100/5를 사용한다.

 라. 저압측 2종접지선의 CT에 의한 지락차단 방법

그림4. 저압측 2종접지선의 CT에 의한 지락차단 회로

    특이사항

     - CT₁은 과부하 및 단락보호용, CT₂는 지락보호용으로 한다.

     - 타 군 변압기와 2종접지선을 공용사용 하거나 수전설비 일부접지선을 공통으로 결선하여 사용하는 경우 타 접지선전류에 의해 영향을 받을 수가 있다.

     - CT₂의 변류비는 OCGR(또는 EOCR)의 Tap 범위를 고려하여 100/5를 사용한다.

3. 비접지식 지락차단장치 시설방법

  

이므로    ※ V: 440, C: 대지충전용량(0.01㎌정도)

  

    

      

  따라서 비접지 저압회로의 지락전류는 아주 작아 지락차단장치를 신중을 기하여 설비하여야 한다.

 가. GPT와 OVGR에 의한 지락차단 방법

그림5. GPT와 OVGR에 의한 지락차단 회로

   1) 검출방식

      차단기 1차측에 GPT를 설치하고 차단기2차측에 지락이 발생할 경우 지락전류는 GPT로 유입된다.

       이 지락전류는 GPT 3차측에 영상전압을 형성하게되고 이 영상전압이 OVGR동작 차단기를 차단하게 된다.

   2) 적용설비

      부하가 단독부하에 적용이 용의 함.

   3) 특기사항

      부하에 다수부하가 있는 경우 어느 한곳에서 지락이 발생할 경우 건전상의      부하가 정전이 된다.

 나. GPT와 ZCT를 사용 OVGR과 SGR 이용한 방향성을 같게 하는 방법

   1) 검출방식

      지락시 영상전압 및 영상전류를 검출 영상전압, 전류특성에 의해 보호되는 방식

   2) 적용설비

      설비 자체가 고신뢰도를 요하는 설비.

   3) 특기사항

      비접지 회로에서 가장 신뢰성이 있는 방식이다.

  다. 접지콘덴서를 사용 ELB를 이용한 지락차단 방법

   1) 검출방식

      지락시 접지콘덴서에 흐르는 전류에 의해 보호되는 방식.

   2) 적용설비

      중분한 지락전류값이 나오지 않은 설비에 적용

   3) 특기사항

정격전압(V)	1상 용량(㎌)	지락전류계산치(mA)	ELB 동작전류 규격
440	0.1	28.7	30㎃ 용
	0.2	57.4	50㎃ 용
	0.3	86.1	70㎃ 용
	0.4	114.9	100㎃ 용
	0.5	143.6	150㎃ 용
	1.0	287.3	200～250㎃ 용
	1.5	430.9	500㎃ 용
	2.0	574.6	500㎃ 용
※ Ig =   × 440 × 2π× 60 × C 로 계산한 수치이며 실제 ELB 부설용량의 동작상 안전율을 감안하여 1.5～2배를 곱한 값으로 하면 된다.    ※ ELB 동작전류의 값은 제작회사을 참조하여 선정하여야 하며 여기서는 참고값으로 선정하였음.

 

  라. GPT 1차측 접지측에 ZCT 사용 EOCR(또는 GR)를 이용한 지락차단 방법

   1) 검출방식

      지락시 GPT중성점에 흐르는 전류에 의해 보호되는 방식

   2) 적용설비

      중요하지 않은 설비에 적용

       지락시 GPT중성점에는 Noise성 전류(고조파전류. 불평형에 의한 GPT중성점 전류 등)

   3) 특기사항

      단독설비에 적용이 쉽다.

Ⅱ. GPT적용시 GPT 3차측 CLR설비에 대하여

                                                                                                                 

1. CLR의 사용목적

   방향지락계전기(SGR, DGR)에 사용된 CLR의 역할은 다음과 같다.

  ○ 지락방향계전기를 동작시키는데 필요한 유효전류를 발생시키고,

  ○ GPT 3차 개방삼각결선회로의 각 상전압중 제3고조파 발생분을 흡수하며,

  ○ 비접지 회로의 중성점이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현상을 억제

  하는데 있다.

가. 지락시발생시 유효전류를 발생하는 역할

 1) 비접지 계통 회로

그림1. 비접지회로 지락전류 계통

  ※  GPT : 접지변압기                    ZCT₁, ZCT₂ : 영상변류기

      CLR : 한류저항기                    CB : 차단기

      SGR : 선택접지계전기                Rg : 지락점의 지락저항 

      C₁ : 피더1 선로 정전용량            C₂ : 피더2 선로 정전용량

      Ig : 지락전류                         In : GPT에 흐르는 전류

      Ic : 선로충전전류(Ic₁ + Ic₂)           Ic₁ : 피더1의 선로 충전전류(Ic₁₁ + Ic₁₂)

      Ic₂ : 피더2의 선로 충전전류(Ic₂₁ + Ic₂₂)

    Ic₁₁ : 피더1 S상 충전전류              Ic₁₂ : 피더1 T상 충전전류

    Ic₂₁ : 피더2 S상 충전전류              Ic₂₂ : 피더2 T상 충전전류

     I_r : 한류저항기 전류                I_x2 : SGR 전압코일 여자전류

 

 2) 등가회로 및 회로해석

    그림1 회로를 1차로 환산한 등가회로는 그림2와 같이된다.

그림2. 그림1의 회로를 1차로 환산한 등가회로

  ※  Eg : 지락점의 전위            Rg : 지락점의 지락저항          

      ZCT₁, ZCT₂ : 영상변류기       CLR : 한류저항기 

      C₁ : 피더1 선로 정전용량       C₂ : 피더2 선로 정전용량

      Ig : 지락전류(I_C1 +I_C2 + In)     In : GPT에 흐르는 전류(I_R + I_r1 + I_r2)

      Ic₁ : 피더1의 선로 충전전류    Ic₂ : 피더2의 선로 충전전류

     I_R : 한류저항기 전류         

     I_x1 : GPT의 여자전류          I_x2 : SGR 전압코일 여자전류

  ○ 그림1에서 피더1의 충전전류Ic₁은 ZCT₁를 정방향, 역방향으로 관통하기 때문에 ZCT₁이 감지하는 충전전류Ic₁은 상쇄되어 0(A)가 된다. 때문에 그림2의 등가회로와 같이 ZCT₁ 위치는 지락이된 피더1의 충전전류Ic₁를 감지하지 못한 위치에 있게된다.

  ○ 따라서 ZCT₁이 감지할 수 있는 전류는 피더2의 충전전류Ic₂와 CLR에 흐르는 전류만 감지하게 된다.

  ○ 그림2에서 CLR이 미 설치되어 있고 피더2회로가 없다면(피더1회로만 구성되어 있다면) 지락시 그림3과 같이 ZCT₁이 감지할 수 있는 지락전류는 GPT의 여자전류I_x1과 GPT3차 부담전류인 SGR의 전압코일 여자전류I_x2만이 흐르게 된다. 이 여자전류는 ZCT1차측 정격인 200㎃에 비해 무시할 정도의 수㎃ 의 작은 전류이므로 ZCT₁이 감지할 수 있는 충분한 전류가 되지 못한다.

그림3. CLR 미설치의 경우 지락시 전류흐름

  ※  Eg : 지락점의 전위             Rg : 지락점의 지락저항 

      ZCT₁ : 영상변류기              C₁ : 피더1 선로 정전용량 

      Ig : 지락전류(I_C1 + In)          In : GPT에 흐르는 전류(I_r1 + I_r2) (수십㎃)

      Ic₁ : 피더1의 선로 충전전류

     I_x1 : GPT의 여자전류(수십㎃)   I_x2 : SGR 전압코일 여자전류(수십㎃)

 ※  ZCT₁에 관통하는 전류 = In(수십㎃ 이므로 감지 불가)

  ○ 반대로 GPT 3차측에 CLR이 부설되어 있다면 1선지락시 ZCT₁를 관통하는전류는 그림4와 같이 CLR에 흐르는전류 I_R를 포함하여 GPT의 여자전류I_x1 및 GPT3차 부담전류I_x2(SGR의 전압코일 여자전류)인 In이 흐르게 된다.

      이 In전류는 CRL에 흐르는 전류I_R가 포함되어 있어 ZCT₁ 1차측 정격전류200㎃보다 큰 전류가 되기 때문에 ZCT₁이 충분히 감지할 수 있는 전류가 되는 것이다.

   

그림4. CLR 설치의 경우 지락시 전류흐름

  ※  Eg : 지락점의 전위             Rg : 지락점의 지락저항 

      ZCT₁ : 영상변류기              C₁ : 피더1 선로 정전용량 

      Ig : 지락전류(I_C1 + In)         In : GPT에 흐르는 전류(I_r1 + I_r2) (수십㎃)

      Ic₁ : 피더1의 선로 충전전류   I_R : 한류저항기 전류

     I_x1 : GPT의 여자전류(수십㎃)   I_x2 : SGR 전압코일 여자전류(수십㎃)

 ※  ZCT₁를 관통하는 전류 = In ( In 〉200㎃ )

  ○ CLR이 미 설치되어 있고 피더1, 피더2회로가 있는 경우

     피더1회로에 지락이 생겼을 경우 피더2 충전저류Ic₂의 크기에 따라 피더1회로에 부설된 지락방향계전기(SGR)는 동작이 가능 또는 불가능하게 하는 것이다.

  ○ 또한 ZCT₂에 관통하는 전류Ic₂는 ZCT₂의 극성에 역방향으로 흐르므로 피더2회로의 지락방향계전기(SGR)는 동작하지 안는다.

  

그림5. CLR 미설치 및 피더2가 존재할 경우 지락시 전류흐름

      ※  ZCT₁에 흐르는 전류 = In + Ic₂     ZCT₂에 흐르는 전류 = - Ic₂

   결론적으로 GPT 3차측에 CLR를 부설하므로서 계전기(SGR)를 구동할 수 있는 지락전류(유효전류)가 흘리게 되는 것이다.

 

   ☆ 만약 그림6과 같이 피더1회로에서 지락이 발생하고 ZCT₂가 오결선으로 결선방향이 K단자와 L단자가 바꾸어져 반대로 결선이 되어 있다면 Ic₂의 크기가 SGR 구동전류 이상으로 충분할 경우 피더1 SGR 및 피더2 SGR이 동시에 동작하게 된다.

        즉 피더1 지락방향계전기(SGR)는 정상동작인 반면 피더2 지락방향계전기(SGR)는 오동작이 되는 것이다.

그림6. CLR 미설치 및 피더2가 존재하면서 ZCT₂가 오결선된 경우

나. GPT 3차 오픈△단자측 제3고조파 발생을 방지하는 역할

 1) 변압기류의 제3고조파 발생

    변압기류(Tr, PT, GPT등)의 자화특성은 직선적이 아니고 또한 히스테리시스현상이 있기 때문에 변압기에 정현파교류전압을 인가하는 여자전류는 많은 기수조고파를 함유한 왜곡파형이 된다. 그림7의 (a)와 같은 정현파의 자속을 만들어내는 여자전류는 (c)와 같은 기수고조파를 포함한 대칭 왜형파 전류가 된다. 또한, 여자전류는 이 기수 고조파 중에서도 저차의 제3고조파 성분의 비율이 크다. 정현파의 전압을 유기하기 위해서는 자속이 정현파가 될 필요가 있으므로 (c)와 같은 제3고조파를 포함한 여자전류가 필요해 진다.

그림7. 변압기류 히스테리시스 특성곡선

  변압기류에 의해 발생된 각 고조파의 크기는 철심의 재질과 자속밀도에 따라 다르지만 보통의 사용상태에서 대략 표1과 같이 된다.

       

        표1. 변압기류 여자전류에 의한 고조파 예

고 조 파	열간압연 규소강판	냉간압연규소강판
기본파	1	1
제3조파	0.15～0.55	0.4～0.5
제5조파	0.03～0.25	0.10～0.25
제7조파	0.02～0.10	0.05～0.10
제9조파	0.005～0.02	0.03～0.06
제11조파	0.1 이하	0.01～0.03

 

  표1에서 제3고조파 성분이 많다는 것을 알 수 있는데, 변압기 △권선을 둠으로써 제3고조파 전류는 △권선내를 순환하기 때문에 제3고조파 전류는 흡수된다.

제5고조파 이상의 성분은 아주 미량이기 때문에 문제가 되지 않는다.

 2) GPT 3차측 각 상의 제3고조파 분석 및 합성

그림8. 각 상의 제3고조파 및 합성

 3) CLR 저항이 설치 된 경우 제3고조파 흐름

    그림9에서와 같이 3고조파 전류는 GPT3차코일과 CLR저항을 흘러 GPT내부에서 환류(還流)하므로 계전기(OVGR, SGR)에 영향을 미치지 않는다.

     즉 계전기 전압단자측으로는 제3고조파가 제외된 계전기 여자전류(ix(A))만이 흐르게 되는 것이다.

 4) CLR 저항이 미설치 된 경우 제3고조파 흐름

     3고조파 전류는 그림10과 같이 계전기(OVGR, SGR 전원단자)의 여자전류ix(A)에 함류되어 흐르게 된다. 이는 계전기가 제3고조파 전류로 인해 오동작 할 수 있는 여건이 된다.

  결론은 GPT 3차측에 CLR를 부설하므로서 계전기(SGR)측에 제3고조파 영향을 받지 않는 것이다.(CLR이 제3고조파 흡수 역할을 함.)

다.  중성점 이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현상 억제역할

 1) CLR이 없는 경우

   ○ CLR이 없는 경우 계통의 전위중성점은 GPT내부 임피던스 및 케이블 길이에 따른 선로 충전용량에 의해 중성점이 결정이 된다.

       그림11은 CLR이 없는 상태의 회로도이며 선로 충전용량의 등가회로는 그림12와 같다.

 

    그림11. CLR이 미 취부된 비접지 회로

        

그림12. 선로충전용량 회로 및 벡터도

   ○ 만약 R상에서 지락이 된 뒤 다시 원상복구가 되었다고 한다면 R상의 선로충전용량C(㎌)는 상당기간동안(수 분 동안) 다른상(S, T상)에 비해 적다.

      이는 선로 각상과 대지간의 절연이 공기 및 케이블절연체이기 때문에 R상이 지락이 되면 R상의 선로충전용량C(㎌)가 바로 0(㎌)이 되었다가 지락사고가 제거되거나 지락이 원상복구 되면 R상의 선로충전용량이 바로 원상복구가 되는 것이 아니고 수 분 동안에 거처 원상태로 되기 때문이다.

      R의 선로충전용량C(㎌)가 변화된 기간동안 각 상의 선로충전용량은 R상에 의해 다르기 때문에 3상 중성점 이동이 불가피하게 된다.(그림13 참조)

    

그림13. R상 지락복구시 선로충전용량 변화시간 및 복구시간동안의 영상전압 벡터도

 2) CLR이 있는 경우

    CLR를 1차로 등가변환하면 그림14처럼 선로충전용량C(㎌)와 병렬회로로 등가변환 할 수가 있다.

 

 상기회로 등가변환

그림14. CLR 1차로 환산된 GPT1차 등가 회로

     이 등가 회로에서 선로충전용량C(㎌)는 등가 변환된 CLR저항 r보다 값이 아주작은 값을 가지기 때문에 지락복구시(선로용량C(㎌) 변화) 영상전압은 거의 변화하지 않은 것이다.

     따라서 CLR를 설비하므로서 중성점 이상 전위진동, 중성점 불안정 이상현상를 억제하게되는 것이다.

2. CLR의 크기 결정

가. CLR의 저항(Ω) 및 용량(W) 결정

 1) 등가회로 결정 및 해설

 ※  E₁ : GPT 1차 상전압                 E₃ : GPT 3차 상전압

     R_n : CLR(한류저항기)                 Vo : 영상전압

     Ir : 1선지락시 GPT에 흐르는 전류    i_r : 1선지락시 GPT 3차 한류저항기에 흐르는 전류    N : GPT의 전압비( E₁/E₃)

                         

 GPT 3차측 한류저항기 각상으로 분류

  

               

  GPT3차측 저항 1차로환산

                      

  In의 전류가 GPT 1차에서 3등분되므로 병렬회로임

          (GPT 1차 접지측으로 저항 이동)

    

      

                         

  병렬회로의 합성

      즉 GPT의 3차측 CLR의 저항을 1차로 환산한 후 중선점(접지선)으로 이동하면 GPT 1차측에 저항접지 형태가 된다. 이는 CLR의 크기에 따라 지락전류크기를 조절 할 수 있는 것이다.

2) CLR 저항(Rn) 계산식

 ※  E₁ : GPT 1차 상전압                 E₃ : GPT 3차 상전압

     R_n : CLR(한류저항기)                 Vo : 영상전압

     Ir : 1선지락시 GPT에 흐르는 전류    i_r : 1선지락시 GPT 3차 한류저항기에 흐르는 전류    N : GPT의 전압비( E₁/E₃)

     

           ※ 완전지락시 3차측 전압

(V)

그림5. GPT 3차 전압벡터

 즉,  

                          ①식

     

                                         ②식

     ※ 완전지락시

(V)

 3) 지락전류 중 유효전류 Ir의 결정

    그림6. Ir의 방향

   보통 Ir(유효전류)은 380㎃로 선정한다.

   이는 지락방향 계전기 감도가 380㎃ 부근에서 고감도를 나타내고 또한 ZCT

  1차 정격전류가 200㎃이므로 여유전류를 두어 380㎃로 한다.

    따라서, GPT 각 상의 전류는 

로 결정