제89회 발송배전기술사

Dyn1 변압기 보호용 기계식 비율차동계전방식 변류기 결선 및 동작원리

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1. 개요

변압기 내부고장 보호를 위해 적용되는 비율차동계전기(Percentage Differential Relay)는 변압기 1·2차 전류의 차이를 이용하여 내부고장을 선택적으로 검출하는 주보호 계전기이다.

Dyn1 변압기(1차 △결선, 2차 Y결선, 중성점 접지, 위상각 -30°)는 결선 특성상 1·2차 전류 간에 30° 위상차 및 크기 불균형이 발생하므로, 이를 보상하기 위한 CT 결선 방법이 중요하다. 본 답안에서는 CT 결선도, 계전기 동작원리, 적용 시 유의사항을 체계적으로 기술한다.

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2. 동작원리 및 수식 전개

2.1 비율차동계전기의 기본 원리

비율차동계전기는 동작전류(차동전류)와 억제전류(제동전류)를 비교하여 동작 여부를 결정한다.

$$I_{op}=|I_1-I_2|$$

$$I_{res}=\frac{|I_1+I_2|}{2}$$

여기서 $I_1$, $I_2$는 각각 변압기 1차·2차 CT 2차 전류이다.

동작 조건:

$$I_{op}\ge K\cdot I_{res}+I_{min}$$

기호	의미
$I_{op}$	동작전류 (차동전류)
$I_{res}$	억제전류 (제동전류)
$K$	비율 정정치 (일반적으로 0.2~0.5)
$I_{min}$	최소 동작전류 (일반적으로 0.2~0.3 pu)

2.2 Dyn1 위상 보상 원리

Dyn1 결선에서 2차 전류는 1차 전류 대비 -30° 지상이다. 이를 보상하기 위해:

• 변압기 1차(△측) CT → Y결선 적용
• 변압기 2차(Y측) CT → △결선 적용

CT 결선을 변압기 권선 결선과 반대로 적용하여 위상차를 상쇄한다.

Y결선된 CT 전류와 △결선된 CT 전류 간의 위상 관계:

$$I_{\Delta ,출력}=I_{a,CT}-I_{b,CT}\text{(△결선 시 선간 전류 차)}$$

이로 인해 30° 위상 보상 및 √3 배 크기 보정이 이루어진다.

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3. CT 결선도

3.1 Dyn1 변압기 CT 결선 개요

[그림] Dyn1 변압기 비율차동계전기 CT 결선도 (1차측 CT Y결선, 2차측 CT △결선, 계전기 동작코일 및 억제코일 연결 포함)

3.2 결선 구성 요약

구분	변압기 권선 결선	CT 2차 결선	위상 효과
1차측 (HV)	△ (Delta)	Y 결선	위상 기준
2차측 (LV)	yn (Star, 접지)	△ 결선	+30° 위상 보상

결선 원칙: 변압기 결선과 CT 결선을 서로 교차(반대)하여 적용

3.3 결선 상세 설명

(1) 1차측(△권선) CT 결선 — Y결선

• 변압기 1차 각 상에 CT 1대씩 설치
• CT 2차를 Y결선으로 접속
• Y결선 중성점은 계전기 회로 중성선으로 활용

(2) 2차측(yn권선) CT 결선 — △결선

• 변압기 2차 각 상에 CT 1대씩 설치
• CT 2차를 △결선으로 접속
• △결선 출력 전류는 각 상 CT 전류의 벡터차로 형성

$$I_{a,relay}=I_{A,CT}-I_{C,CT}$$

$$I_{b,relay}=I_{B,CT}-I_{A,CT}$$

$$I_{c,relay}=I_{C,CT}-I_{B,CT}$$

(3) 계전기 코일 접속

• 1차측 CT Y결선 출력 → 계전기 억제코일(Restraint Coil)
• 2차측 CT △결선 출력 → 계전기 동작코일(Operating Coil)
• 정상 시 양측 전류 평형 → 차동전류 ≒ 0

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4. 실무 적용 및 유의사항

4.1 CT 정격 선정

(1) 변류비 보정

변압기 1·2차 정격전류가 다르므로, 계전기에 유입되는 전류의 크기를 일치시켜야 한다.

$$\text{1차 CT비}=\frac{I_{1,rated}}{5},\text{2차 CT비}=\frac{I_{2,rated}}{5}$$

단, 2차측 CT △결선 시 CT 2차 전류에 √3 배가 적용되므로:

$$\text{2차 CT비 보정}=\frac{I_{2,rated}}{\sqrt{3}\times 5}$$

(2) CT 정격 부담

△결선된 CT는 순환전류로 인한 CT 부담 증가를 고려하여 정격 부담이 충분한 CT를 선정해야 한다.

4.2 영상전류(Zero-Sequence) 차단

Dyn1 변압기에서 2차측 지락사고 발생 시 2차 Y측에 영상전류가 흐르나, 1차 △권선에는 영상전류가 유입되지 않아 차동전류 오동작 우려가 있다.

대책:

• 2차측 CT를 △결선하면 영상전류 성분이 △회로 내부에서 순환하여 계전기에 유입되지 않음 → 영상전류 자동 차단

$$I_{0,\Delta 출력}=0\text{(영상전류는 △내부 순환)}$$

이것이 Dyn1 변압기에서 2차 CT를 △결선하는 핵심 이유 중 하나이다.

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5. 문제점 및 대책

5.1 여자 돌입전류(Inrush Current)에 의한 오동작

문제	원인	대책
투입 시 오동작	여자 돌입전류가 차동전류로 인식	제2고조파 억제기능 적용 (돌입전류는 2고조파 성분 多)
과여자 오동작	과전압 운전 시 유사 현상	제5고조파 억제기능 적용

여자 돌입전류의 제2고조파 비율은 일반적으로 15~20% 이상이며, 이를 검출하여 계전기 동작을 억제한다.

$$\text{억제 조건}:\frac{I_{2nd}}{I_{1st}}\ge 15\sim 20\%$$

5.2 CT 포화에 의한 오동작

• 외부 고장 시 과도적으로 CT 포화 → 차동전류 발생 → 오동작 위험
• 대책: 비율 정정치 $K$ 를 충분히 높게 설정 (0.3~0.5), CT 정격 부담 여유 확보

5.3 탭 변환에 따른 불평형

• 변압기 부하시 탭 변환(OLTC) 시 권수비 변화 → 전류 불균형
• 대책: 비율차동계전기의 최소 동작전류 및 비율 정정을 OLTC 조정 범위 포함하여 설정

5.4 CT 결선 오류 방지

• Y결선/△결선 혼용으로 결선 오류 발생 가능
• 대책: 시운전 시 1차 통전 전류 주입시험(Primary Injection Test)으로 벡터 확인 필수

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6. 결론

기술사 견해로서 Dyn1 변압기 비율차동계전방식의 핵심은 다음과 같이 정리된다.

1. 위상 보상: 1차 △측 CT는 Y결선, 2차 yn측 CT는 △결선으로 교차 적용하여 30° 위상차 및 전류 크기 불균형을 보상한다.

2. 영상전류 처리: 2차 CT △결선에 의해 영상전류가 자동 차단되어 불필요한 오동작을 방지하는 것이 Dyn1 결선 고유의 특성이다.

3. 선택성 확보: 여자 돌입전류 억제(2·5고조파 억제), 적정 비율 정정, 최소 동작전류 정정을 통해 내부고장 검출의 신뢰성과 선택성을 동시에 확보하여야 한다.

4. 현장 검증: 결선 완료 후 반드시 2차 전류 주입시험 및 위상 측정을 통해 CT 결선의 정확성을 확인하는 절차가 불가결하다.

최근에는 디지털 계전기(Numerical Relay)에서 소프트웨어적으로 위상 보정 및 영상전류 필터링이 내장되어 CT 외부 △결선 없이도 구현 가능하나, 기계식 비율차동계전방식에서는 상기 하드웨어적 CT 결선 원칙의 정확한 이해와 적용이 변압기 보호의 근간임을 강조한다.