제139회 발송배전기술사

화력발전기의 정지방식 4종 비교

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1. 정의

화력발전기의 정지방식이란 계통 이상 또는 기기 고장 시 발전기와 주증기 계통을 차단하는 절차로, 고장 파급 방지와 기기 보호를 목적으로 하는 트립 시퀀스를 말한다.

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2. 정지방식별 원리 및 구성

정지방식	한글명	동작 순서	트립 대상
Unit Trip (Simultaneous Trip)	유닛 동시 정지	발전기 차단기 + 주증기 차단밸브(MSV) + 보일러 동시 트립	발전기 CB, MSV, 연료차단 동시
Generator Trip (무부하 무여자)	발전기 단독 트립	발전기 CB 개방 → 여자기 소자 → 터빈·보일러는 계속 운전(무부하 유지 가능)	발전기 CB, 여자기 차단
Unit Separation Trip (발전기 분리)	발전기 계통 분리	발전기를 계통에서 분리하되 터빈·보일러는 하우스로드(House Load) 운전 유지	연계 CB 개방, 소내부하 전환
Sequential Trip (순차 정지)	순차 정지	부하 감소 → 여자 감소 → 터빈 정지 → 보일러 정지 순으로 단계적 차단	단계별 순차 트립

🖼 [그림] 4가지 정지방식의 트립 동작 흐름도(발전기 CB → MSV → 보일러 순서 비교)

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3. 각 방식의 특징 및 장·단점

① Unit Trip (Simultaneous Trip)

• 특징: 발전기·터빈·보일러를 일괄 동시 정지
• 장점: 고장 확산 방지, 단순·신속한 차단
• 단점: 기동·정지 비용 대, 재기동 시간 길다
• 적용: 주보호 계전기(87G, 21G 등) 동작 시 최우선 적용

② Generator Trip (무부하 무여자)

• 특징: 발전기만 계통에서 분리, 터빈·보일러는 무부하 운전 유지
• 장점: 재기동 시간 단축, 보일러 열 손실 최소화
• 단점: 터빈 오버스피드 위험 → 과속 보호 계전기(12G) 동작 필요
• 적용: 발전기 내부 경미 고장, 계통 전압 이상 시

③ Unit Separation Trip (발전기 분리)

• 특징: 계통 연계 CB만 개방하고 소내부하(House Load)로 절환하여 운전 유지
• 장점: 계통 회복 후 신속 재병입 가능, 소내 전원 안정 유지
• 단점: 소내부하 불평형 시 주파수·전압 불안정 위험
• 적용: 계통 단락·과부하로 계통 측만 분리 필요 시

④ Sequential Trip (순차 정지)

• 특징: 정해진 인터록 순서에 따라 단계적으로 정지
• 장점: 기기 충격 최소화, 열응력(Thermal Stress) 억제, 계획 정지 시 이상적
• 단점: 정지 완료 시간 길어 긴급 고장 시 부적합
• 적용: 계획 정비 정지, 점진적 부하 감소 운전

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4. 적용 기준 및 실무 유의사항

1. 보호 계전기 연동: 87G(발전기 차동), 40G(계자상실), 51V(전압제어 과전류) 등의 계전기 동작 레벨에 따라 정지방식을 차별 적용한다.
2. 터빈 오버스피드 방지: Generator Trip 시 $n\le 1.2\times n_0\text{ [rpm]}$ 이내로 과속 릴레이(12G) 정정값을 설정한다.
3. 소내 전원 절환: Unit Separation 시 소내 전원을 예비 전원으로 무정전 절환(ATS) 되도록 인터록을 구성한다.
4. KEC·전기사업법 준용: 정지방식 선정 기준은 현행 KEC 및 발전소 운전규정에 따르며, 세부 정정값은 발전소별 보호협조 검토서를 기준으로 한다.

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🖼 [그림] 고장 유형별 정지방식 선택 흐름도 (보호 계전기 동작 → 정지방식 분기)

국가기간 전력망 확충 특별법

1. 정의

「국가기간 전력망 확충 특별법」은 전력 수요 변화 및 에너지 전환에 대응하여 국가기간 전력망의 신속한 확충을 위한 계획 수립, 인·허가 절차 간소화, 전력망 위원회 설치 등을 규정한 특별법이다 (2024년 제정).

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2. 법 제정 배경

구분	주요 내용
에너지 전환 가속화	재생에너지(태양광·풍력) 급증으로 분산형 전원 연계를 위한 송·배전망 확충 시급
전력망 노후화	기존 전력망의 노후 설비 증가로 계통 신뢰도 저하 우려
인·허가 지연 문제	송전선로 건설 시 환경·지역주민 수용성 문제로 평균 10년 이상 소요
공급 안정성 위협	전력 수요 급변(반도체·AI 데이터센터 등) 대응을 위한 계통 용량 부족
법적 근거 미비	기존 전기사업법만으로는 신속한 전력망 구축을 위한 특례 적용 불가

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3. 전력망 위원회 심의·의결 사항

「국가기간 전력망 확충 특별법」에 따라 국가기간전력망 위원회(산업통상자원부 장관 소속)를 설치하며, 주요 심의·의결 사항은 다음과 같다.

번호	심의·의결 사항
①	국가기간 전력망 확충 기본계획 수립 및 변경
②	국가기간 전력망 확충 시행계획 수립 및 변경
③	전력망 확충사업의 우선순위 선정 및 조정
④	전력망 확충사업의 지원·특례 적용 여부 결정
⑤	인·허가 절차 간소화·통합심의 대상 사업 선정
⑥	전력망 확충 관련 부처 간 이견 조정 사항
⑦	기타 위원장이 심의에 필요하다고 인정하는 사항

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4. 실무 적용 시 유의사항

1. 기본계획 연동: 전력망 확충 기본계획은 「전기사업법」상 전력수급기본계획과 정합성을 유지하여야 함.
2. 통합심의 활용: 환경영향평가·국토계획 등 인·허가를 통합심의 절차로 병행하여 사업 기간 단축 도모.
3. 주민 수용성: 특별법에 따른 특례 적용 시에도 지역주민 의견 수렴 절차는 반드시 이행.
4. 법령 확인 필요: 본 법은 2024년 이후 제정된 법률로, 시행령·시행규칙 세부 내용은 최신 관보를 통해 확인 필요 (일부 조항 하위법령 미확정 가능성 있음).

발전기 제동권선(Damper Winding)

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1. 정의

제동권선(Damper Winding)이란 동기발전기의 회전자 자극면에 설치된 단락 도체군으로, 동기속도로부터의 속도 편차(슬립)에 의해 유도전류를 흘려 진동·난조(Hunting)를 억제하고 비대칭 부하 시 역상 토크를 저감하는 권선이다.

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2. 구조 및 동작 원리

2-1. 구조

구성 요소	재질	설치 위치
제동 도체봉(Bar)	구리(Cu) 또는 황동	자극면 슬롯에 삽입
단락환(End Ring)	구리	자극 양단부에서 도체봉 단락
절연 처리	없음(도체-자극 직접 접촉)	—

• 돌극기: 각 자극(pole)의 극면에 슬롯을 두고 도체봉 삽입 후 양단을 단락환으로 연결
• 원통형(비돌극)기: 계자권선 슬롯 사이의 쐐기(wedge)가 제동권선 역할을 겸함

2-2. 동작 원리

발전기가 동기속도 ${\omega }_s$로부터 슬립 $s$만큼 벗어날 때, 제동권선 도체를 쇄교하는 자속 변화에 의해 유도기전력이 발생한다.

$$e=-\frac{d\Phi }{dt}$$

유도된 전류 $i_D$와 공극 자속 $\Phi$의 상호작용으로 제동 토크 $T_D$가 발생한다.

$$T_D=k\cdot s\cdot {\omega }_s(s=\frac{{\omega }_s-{\omega }_r}{{\omega }_s})$$

슬립 $s>0$ (속도 감소 시) → 제동토크가 가속 방향으로 작용하여 동기속도로 복귀시킨다.

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3. 역할 및 특징

3-1. 주요 역할

역할	상세 설명
난조(Hunting) 억제	부하 급변 시 발생하는 회전자 각속도 진동을 감쇠
불평형 부하 보상	역상전류에 의한 역회전 자계를 제동전류로 약화시켜 이상 진동 억제
기동 토크 제공	동기전동기의 유도기동 시 농형 유도기와 동일한 원리로 기동 토크 발생
단락 과도 전류 억제	돌발 단락 시 초기 과도 리액턴스 $X_d^{\prime \prime }$를 결정하여 단락전류 제한에 기여

3-2. 전기적 파라미터와의 관계

$$X_d^{\prime \prime }<X_d^{\prime }<X_d$$

제동권선이 존재할 때 초과도 리액턴스 $X_d^{\prime \prime }$가 정의되며, 이 값이 작을수록 단락전류가 커지나 제동 효과는 강해진다.

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4. 실무 적용 시 유의사항

1. 도체봉 접촉 저항 관리: 단락환-도체봉 접합부의 접촉 불량은 제동 효과 저하 및 국부 과열을 유발하므로 정기 점검(진동·열화상 측정) 필요
2. 재질 선정: 구리봉은 제동 효과 우수, 황동봉은 기동 토크 증대에 유리 — 용도에 따라 선정
3. 과도 안정도 계산: 전력계통 안정도 해석 시 $X_d^{\prime \prime }$, $T_{d0}^{\prime \prime }$(초과도 개방 시정수) 값 적용 필요
4. 불평형 운전 한계: KEC(한국전기설비규정) 및 IEC 60034-1에서 지속 불평형 전류는 정격의 일정 범위 이내로 제한하며, 제동권선 설계 시 역상전류에 의한 발열 허용값 반영 필요
5. 원통형 발전기 쐐기 점검: 비돌극기에서는 쐐기 이완이 곧 제동기능 저하로 이어지므로 정밀 점검 주기 준수

원자력발전소 해체공사와 관련하여 요청하신 세 가지 항목(개념, 해체방법, 해체절차)에 대한 설명입니다. 이미지는 참고자료이며, 답안지에 넣으면 안됩니다. 다른 형태로 이미지를 그려 넣는것은 바람직합니다.

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1. 해체의 개념

원자력발전소 해체(Decommissioning)란 수명을 다해 영구 정지된 원전 시설을 철거하고, 해당 부지를 일반 부지로 복구하는 모든 과정을 의미합니다.

일반적인 건축물 철거와 달리 방사능이라는 특수성이 있기 때문에, 단순한 구조물 해체를 넘어 내부의 방사성 오염 물질을 완전히 제거(제염)하고 폐기물을 안전하게 처분하여 부지를 건설 이전의 자연 상태나 다른 용도로 재사용할 수 있도록 환경을 복원하는 포괄적인 활동을 뜻합니다.

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2. 해체 방법

원전 해체 전략은 해체 시기와 방식에 따라 크게 3가지로 구분됩니다. 우리나라는 좁은 국토와 부지 재활용의 필요성 때문에 주로 즉시 해체 방식을 선호합니다.

구분	설명	장점	단점
즉시 해체	영구정지 후 5~10년 내의 준비 기간을 거쳐 즉각적으로 설비를 철거하는 방식.	폐기물 관리 부담이 적고, 부지의 조기 재사용이 가능함.	작업자의 방사선 피폭 위험이 상대적으로 크고, 단기간에 막대한 비용이 소요됨.
지연 해체	영구정지 후 30~60년 동안 안전하게 밀폐 보관하여 방사능 수치를 낮춘 후 철거하는 방식.	방사능 자연 붕괴로 피폭 위험과 방사성 폐기물이 감소하며 비용 분산이 가능함.	부지 재사용까지 오랜 시간이 걸리며, 장기간 유지관리 비용이 발생함.
영구 밀봉	방사능 오염이 심한 원자로 등 핵심 시설을 콘크리트 등으로 그 자리에 완전히 밀봉하여 영구 매장하는 방식.	즉각적이고 단기적인 해체 비용이 저렴함.	원전 부지를 영구적으로 재사용할 수 없으며 지속적인 환경 감시가 필요함.

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3. 해체 절차

즉시 해체 방식을 기준으로 할 때, 원전 해체는 일반적으로 다음의 5단계 공정으로 약 15년~20년에 걸쳐 진행됩니다.

1. 해체 준비 및 냉각: 원자로 내에 있는 사용후핵연료를 인출하여 수조로 옮긴 뒤 약 5년 이상 안전하게 냉각시킵니다. 이 기간 동안 규제기관으로부터 해체계획서 승인 등 관련 인허가를 획득합니다.
2. 제염 (Decontamination): 본격적인 해체에 앞서 원자로와 주변 설비, 배관 등에 축적된 방사성 물질을 화학적·물리적으로 씻어내어 방사선 준위를 낮추는 작업입니다.
3. 절단 및 철거: 방사능 수치가 낮아지면 다이아몬드 톱이나 원격제어 로봇 기술 등을 이용해 원자로 압력용기, 증기발생기, 격납건물 등 주요 방사성 구조물을 절단하고 철거합니다.
4. 폐기물 처리: 철거 과정에서 발생한 대형 금속 폐기물과 방사성 폐기물(고준위/중저준위)을 분류합니다. 중저준위 방사성 폐기물은 전용 처분장(예: 경주 방폐장)으로 옮겨져 영구 처분됩니다.
5. 환경 복원: 구조물이 모두 철거된 빈터의 방사능 오염 토양 등을 정화하고 건물이 철거된 부지를 원래의 자연 상태로 복원합니다. 최종 조사에서 이상이 없으면 부지에 사람이 거주하거나 재사용할 수 있게 됩니다.

잼 레이쇼(Jam Ratio)

1. 정의

잼 레이쇼는 관로 내에서 케이블의 포설 가능 한계를 나타내는 지표로, 케이블 공칭단면적과 관로 내부단면적의 비율을 의미하며, 이 비율이 기준값을 초과하면 케이블이 관로에 끼여 포설이 불가능한 Jamming 현상이 발생한다.

2. 원리 및 산정식

2.1 잼 레이쇼 개념

관로 내 케이블 포설 시 마찰력 증가로 인한 저항을 관리하기 위해 케이블이 차지할 수 있는 관로 단면적 비율을 제한한다.

잼 레이쇼 계산식:

$$\text{Jam Ratio}=\frac{A_{\text{cable}}}{A_{\text{duct}}}\times 100\text{ (\%)}$$

여기서:

• $A_{\text{cable}}$ = 케이블 공칭단면적 [mm²]
• $A_{\text{duct}}$ = 관로 내부단면적 [mm²]

2.2 관로 내부단면적 산정

내경 200 mm인 관로:

$$A_{\text{duct}}=\pi r^2=\pi \times (100{)}^2=31,416{\text{ mm}}^2$$

2.3 주어진 조건 정리

항목	값	단위
관로 내경	200	mm
케이블 공칭단면적	800	mm²
케이블 외경	63.8	mm
관로 내부단면적	31,416	mm²

3. 잼 레이쇼 계산 및 Jamming 판별

3.1 잼 레이쇼 산정

$$\text{Jam Ratio}=\frac{800}{31,416}\times 100=2.55\text{ (\%)}$$

3.2 Jamming 발생 기준

일반적으로 배전용 케이블 포설 시 적용되는 기준:

기준	잼 레이쇼 범위	판정
안전 범위	≤ 40%	포설 가능
주의 범위	40% ~ 50%	조건부 포설
위험 범위	≥ 50%	Jamming 발생

(KEC 및 배전 설계기준 참고)

3.3 판정 결과

$$2.55\text{ (\%)}\ll 40\text{ (\%)}$$

결론: Jamming 발생 여부 = 없음 ✓

케이블의 잼 레이쇼가 2.55%로 기준값 40%에 비해 극히 낮으므로 포설이 안전하게 가능하다.

4. 실무 적용 시 유의사항

1. 여유도 확보: 단일 케이블 포설 시뿐만 아니라 향후 추가 포설 가능성을 고려하여 50% 이내 유지 권장

2. 외경 검토: 케이블 외경 63.8 mm는 관로 내경 200 mm에 비해 충분한 여유(약 3배)가 있어 회전 포설 시에도 무리 없음

3. 포설 방법: 저항 최소화를 위해 윤활제(Soap water 등) 사용 및 적정 장력 관리 필수

4. 규정 확인: 지역 배전사업자의 설계기준 및 KEC 배전규정 준수 확인 필요

60 Hz 변압기를 50 Hz 계통에서 사용 시 특성 변화

1. 개요

정격주파수(60 Hz) 변압기를 동일 정격전압의 50 Hz 계통에 사용하면, 유기기전력 방정식에 의해 자속밀도가 증가하고, 이에 연동하여 철손·온도·전압변동률이 모두 변화한다.

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2. 이론적 근거 (유기기전력 방정식)

$$E=4.44\cdot f\cdot N\cdot {\Phi }_m=4.44\cdot f\cdot N\cdot B_m\cdot A$$

• 전압 $E$, 권수 $N$, 철심단면적 $A$ 가 일정할 때, $f$ 가 감소하면 $B_m$ 은 증가한다.

$$B_m\propto \frac{E}{f\cdot N\cdot A}\Rightarrow B_m^{\prime }=B_m\times \frac{60}{50}=1.2\cdot B_m$$

즉, 자속밀도는 약 20% 증가한다.

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3. 항목별 변화 분석

항목	변화 방향	정량적 근거	비고
① 자속밀도 $B_m$	증가 (×1.2)	$B_m\propto 1/f$	철심 자기포화 위험
② 철손 $P_i$	증가	히스테리시스손 + 와전류손 증가	아래 수식 참조
③ 온도	상승	철손·여자전류 증가로 발열 증대	절연 수명 단축
④ 전압변동률	증가	누설리액턴스 감소·여자전류 증가	전압 안정성 저하

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4. 항목별 상세 설명

① 자속밀도

$$B_m\uparrow \approx 1.2B_{m,60}$$

동일 전압 인가 시 주파수 저하로 자속밀도 20% 증가, 철심이 포화 영역에 진입할 위험이 있다.

② 철손

$$P_h=k_h\cdot f\cdot B_m^{1.6\sim 2.0},P_e=k_e\cdot f^2\cdot B_m^2$$

• 히스테리시스손 $P_h$: $f$ 감소(↓) 효과 vs $B_m$ 증가(↑) 효과 → $B_m$ 증가 효과 지배, 순증가
• 와전류손 $P_e$: $B_m^2$ 증가 효과가 $f^2$ 감소 효과를 압도 → 증가
• 종합 철손: 증가 (설계 조건에 따라 다르나 통상 10~30% 이상 증가 가능)

③ 온도

• 철손 증가 → 철심 발열 증대
• 자속밀도 증가 → 여자전류 증가 → 동손 추가 증가
• 결과: 권선 및 철심 온도 상승, 절연 열화 가속 (Arrhenius 법칙: 온도 10°C 상승 시 절연 수명 약 1/2)

④ 전압변동률

$$\epsilon \approx {\epsilon }_r\cos \theta +{\epsilon }_x\sin \theta$$

• 누설리액턴스 $X_l=2\pi fL$: $f$ 감소로 ${\epsilon }_x$ 감소
• 그러나 여자전류 증가 및 철손 증가로 무효분 전압강하 증가
• 부하 역률이 낮은 경우 전압변동률은 실질적으로 증가, 전압 안정성 저하

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5. 실무 적용 시 유의사항

1. 용량 디레이팅(Derating) 필요: 60 Hz 정격 변압기를 50 Hz에 사용 시, 과열 방지를 위해 정격용량의 약 83%(=50/60) 이하로 부하를 제한하는 것이 일반적이다.
2. 포화 여부 확인: $B_m$이 제조사 설계 포화점을 초과하지 않는지 사전 검토 필요.
3. 냉각 설비 보강: 온도 상승에 대비한 냉각 용량 증설 또는 강제냉각 전환 검토.
4. 보호 계전기 정정 재검토: 여자돌입전류 특성 변화에 따라 차동 계전기 동작 특성 재확인 필요.

1. 개요

비대칭 고장인 2상 단락고장의 해석을 위해서는 대칭좌표법(Symmetrical Components)을 적용하여 고장 현상을 정상(Positive), 역상(Negative), 영상(Zero) 성분으로 분해하여 해석합니다. b상과 c상이 완전 단락된 고장 조건으로부터 대칭분 전류와 전압을 유도하고, 이를 통해 고장상의 단락전류와 건전상의 전압을 산출합니다.

2. 고장 조건 (Boundary Conditions)

b, c상 완전 단락 및 건전상(a상) 무부하 조건에 의해 다음의 관계가 성립합니다.

1. 건전상 전류: $I_a=0$ (a상은 고장과 무관하므로 전류가 흐르지 않음)
2. 고장상 전압: $V_b=V_c$ (완전 단락이므로 임피던스 $Z_f=0$)
3. 고장상 전류: $I_b+I_c=0⟹I_b=-I_c$ (지락이 없는 선간 단락이므로 대지로 흐르는 전류 없음)

3. 대칭분 전류 및 전압의 유도

1) 대칭분 전류 대칭분 변환 행렬을 통해 대칭분 전류($I_0,I_1,I_2$)를 구합니다.

$$\left[\begin{array}{c}{I}_0\\ I_1\\ I_2\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$$

• 영상 전류 ($I_0$): $I_0=\frac{1}{3}(I_a+I_b+I_c)=\frac{1}{3}(0+I_b-I_b)=0$ (선간 단락이므로 영상전류는 존재하지 않음)
• 정상 전류 ($I_1$): $I_1=\frac{1}{3}(0+a{I}_b-a^2{I}_b)=\frac{1}{3}(a-a^2)I_b$
• 역상 전류 ($I_2$): $I_2=\frac{1}{3}(0+a^2{I}_b-a{I}_b)=-\frac{1}{3}(a-a^2)I_b=-I_1$

2) 대칭분 전압 $V_b=V_c$ 조건을 대칭분 전압식으로 전개합니다.

$$V_0+a^2{V}_1+a{V}_2=V_0+a{V}_1+a^2{V}_2$$

$$(a^2-a)V_1=(a^2-a)V_2$$

결과적으로 정상 전압과 역상 전압은 같습니다.

$$V_1=V_2$$

4. 단락전류 및 건전상 전압 계산

1) 단락전류 ($I_b$) 계산 발전기(또는 선로)의 기본식에 유도된 대칭분 조건을 대입합니다.

• $V_1=E_a-Z_1{I}_1$
• $V_2=-Z_2{I}_2=Z_2{I}_1$ (∵ $I_2=-I_1$)

$V_1=V_2$ 이므로,

$$E_a-Z_1{I}_1=Z_2{I}_1⟹I_1=\frac{E_a}{Z_1+Z_2}$$

이때 단락 고장상 전류 $I_b$는 다음과 같이 전개됩니다.

$$I_b=I_0+a^2{I}_1+a{I}_2=0+a^2{I}_1-a{I}_1=(a^2-a)I_1=-j\sqrt{3}{I}_1$$

여기에 $I_1$을 대입하면 최종 단락전류가 산출됩니다.

$$I_b=\frac{-j\sqrt{3}{E}_a}{Z_1+Z_2}$$

(단락전류의 크기: $I_S=|I_b|=\frac{\sqrt{3}{E}_a}{Z_1+Z_2}$)

2) 건전상 전압 ($V_a$) 계산 건전상인 a상의 전압은 대칭분 전압의 합으로 구합니다.

$$V_a=V_0+V_1+V_2$$

여기서 $V_0=0$ 이고 $V_1=V_2$ 이므로,

$$V_a=2V_1$$

$V_1$ 식에 $I_1$을 대입하여 정리합니다.

$$V_1=E_a-Z_1\left(\frac{E_a}{Z_1+Z_2}\right)=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}{E}_a$$

따라서 건전상 전압 $V_a$는 다음과 같습니다.

$$V_a=\frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}{E}_a$$

5. 결론 및 실무적 고려사항

일반적인 송전선로 및 회전기기에서 정상임피던스와 역상임피던스는 거의 동일하다고 가정($Z_1\approx Z_2$)할 수 있습니다. 이를 수식에 적용하면 다음과 같은 결론을 얻습니다.

1. 고장상 단락전류: $I_b\approx \frac{-j\sqrt{3}{E}_a}{2Z_1}$ (3상 단락전류 $\frac{E_a}{Z_1}$의 약 0.866배 수준으로 발생)
2. 건전상 전압: $V_a\approx E_a$ (건전상 전압은 고장 전의 상전압과 거의 동일하게 유지됨)
3. 본 고장 조건에서는 중성점이 직접접지 되어 있더라도 지락을 동반하지 않은 순수 2상 단락이므로, 영상전류가 발생하지 않아( $I_0=0$ ) 지락과전류계전기(OCGR)는 동작하지 않고 선간 단락보호용 과전류계전기(OCR) 또는 거리계전기(Ry)가 동작하게 됩니다.

1. 개요 (Definition)

송전선로용 거리계전기는 계전기 설치점의 전압($V$)과 전류($I$)의 비로 측정된 임피던스($Z=V/I$)가 설정치 이하로 감소할 때 동작하는 계전기로, 고장 저항, 계통 동요, 병렬 회선 간 상호 유도 등에 의해 실제 고장점까지의 임피던스와 계측된 감응 임피던스 간 오차가 발생하여 오버리치(Overreach) 또는 언더리치(Underreach) 가 발생하는 문제점이 있다.

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2. 동작 원리 및 임피던스 감응 수식 (Principle & Formula)

(1) 기본 동작 원리

계전기 설치점으로부터 고장점까지의 전압과 전류를 계측하여 임피던스를 산출한다.

$$Z_m=\frac{V_m}{I_m}\text{ [Omega]}$$

여기서, $Z_m$은 계전기 측정 임피던스, $V_m$은 계측 전압, $I_m$은 계측 전류이다.

(2) 고장 저항 및 중간 전원 효과 포함 시 감응 임피던스

고장 저항($R_f$) 및 타선로 전류 유입($I_2$)이 존재하는 경우 계전기가 감응하는 임피던스는 다음과 같다.

$$Z_{app}=Z_L+R_f\cdot \left(1+\frac{I_2}{I_1}\right)\text{ [Omega]}$$

여기서, $Z_L$은 선로 고유 임피던스, $I_1$은 본 선로 유입 전류, $I_2$은 타선로 유입 전류(Infeed Current)이다.

🖼 [그림] R-X 임피던스 평면상에서 고장저항, 전력동요, 부하 침범에 따른 감응 궤적 변화

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3. 거리계전기 적용 시 주요 문제점 (Problems in Application)

분류	현상 및 원인	계전기 동작 영향
고장 저항 ($R_f$)	아크 저항, 철탑 접지저항 등에 의해 R축 방향 임피던스 증가	언더리치 (Underreach)<br>(보호범위 축소로 인한 부동작)
중간 전원 효과 (Infeed Effect)	보호 구간 중간에 T분기 전원 또는 타선로 전류($I_2$) 유입 시 감응 임피던스 증가	언더리치 (Underreach)<br>(Zone 2, Zone 3 동작 지연/부동작)
전력 동요 (Power Swing)	계통 동요 시 임피던스 궤적(Locus)이 R-X 평면의 동작 영역 내부로 완만히 침입	부보호구간 오동작 (Trip)
상호 인덕턴스 (Mutual Coupling)	병렬 2회선 선로에서 영상 전류($I_0$)의 상호 유도작용에 의해 영상 임피던스 변동	오버리치 / 언더리치<br>(회선 상태에 따라 정성적 오차 발생)
부하 침범 (Load Encroachment)	중부하 운전 시 고배율 역률로 인해 임피던스 크기가 감소하여 Zone 3 영역 접근	부하에 의한 오동작
CVT 과도 현상 (Transient)	차단기 투입/고장 차단 시 CVT 2차 전압의 과도 진동 발생	Zone 1 오버리치 오동작

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4. 실무 적용 시 유의사항 및 대책 (Practical Considerations)

(1) 사각형(Quadrilateral) 특성 계전기 적용

• 고장 저항($R_f$)에 의한 언더리치를 방지하기 위해 옴(Mho) 특성 대신 R축 및 X축을 독립적으로 정정할 수 있는 사각형 특성 계전기를 채택한다.

(2) 전력동요 블록(PSB: Power Swing Blocking) 기능 사용

• 임피던스 궤적의 이동 속도를 감지($\Delta Z/\Delta t$)하여, 급격한 변화(고장)와 완만한 변화(전력동요)를 구별하고 동요 시 계전기 동작을 차단한다.

(3) 부하 침범 차단(Load Encroachment Cutout) 영역 설정

• R-X 평면상에서 대전력 수송 시의 부하 임피던스 영역(보통 역률각 $\theta \le 30^{\circ }$ 영역)을 동작 범위에서 블라인더(Blinder)로 제외 정정한다.

(4) 주보호 방식의 주선로 적용 및 보호협조 정정

• 초고압(154 $\text{[kV]}$ 이상) 송전선로에서는 거리계전기의 한계를 극복하기 위해 PCM 전류창상비교방식을 주보호로 사용하고, 거리계전기는 후비보호(Backup Protection)로 적용하는 것이 현행 KEPCO 계통 보호기준의 유의사항이다.