보호계전기의 개념과 종류 완벽 정리

보호계전기

보호계전기의 개념과 종류 완벽 정리

전력시스템에서 보호계전기는 단순한 전기 기기가 아닌, 시스템 안전과 운전 신뢰도를 책임지는 핵심 장치입니다. 계통 운전 중에는 낙뢰, 단락, 지락, 설비 고장, 절연 파괴, 개폐서지, 기계적 사고 등 다양한 사고와 이상 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 사고는 파급적으로 설비 전체를 위험에 빠뜨리고 대정전, 안정도 붕괴, 인명사고, 화재, 폭발로 이어질 수 있습니다. 따라서 보호계전기는 전력계통의 두뇌로서, 사고를 감지하고 판단하여 차단기에 즉시 동작 신호를 보내 설비를 분리함으로써 사고 확산을 방지합니다.

보호계전기의 정의

보호계전기(Protection Relay)란 전력시스템 내에서 발생하는 고장 전류, 과전류, 지락전류, 과전압, 저전압, 주파수 이상, 역전력, 불평형 등 모든 비정상 상태를 신속하고 정확하게 검출하여, 차단기에 동작 신호를 보내 사고 설비를 계통에서 격리시키는 기기입니다. 쉽게 말해, 계전기는 사람의 ‘신경’과 같은 역할을 하며 사고를 감지하고 두뇌(계전기)가 판단하여 근육(차단기)에게 ‘즉시 차단하라’고 명령하는 구조입니다. 실제 차단은 차단기가 수행하며, 계전기는 그 전 단계의 판단과 보호 명령을 내리는 핵심 제어 장치입니다. 보호계전기는 전력계통을 안전하게 유지하는 데 필수적이며, 사고를 검출하지 못하거나 오동작하면 대규모 정전, 전력설비 손상, 전력품질 저하, 심각한 경우 인명 피해로 이어질 수 있습니다.

보호계전기의 목적

보호계전기의 설치 목적과 기본 개념은 다음과 같습니다.

1. 인명 보호: 감전, 아크플래시, 폭발, 화재 등의 사고를 예방하여 운전원과 유지보수 인력의 생명과 안전을 지키는 것을 최우선으로 합니다. 특히 변전소, 배전반, 고압설비 취급 시 보호계전기의 신뢰성은 곧 인명 안전과 직결됩니다.
2. 설비 보호: 발전기, 변압기, 송전선, 배전선, 배전반, 모선 등 고가의 전력설비를 사고 전류, 과전류, 과전압, 지락전류 등으로부터 보호해 고장 범위를 최소화하고 기기의 수명을 연장합니다.
3. 계통 안정도 유지: 사고 발생 시 사고 구간만을 신속하게 분리하여 전력계통 전체의 동기 안정도, 전압 안정도, 주파수 안정도를 유지합니다. 이는 발전소 병렬 운전, 계통 연계, 무정전 공급에 필수입니다.
4. 서비스 연속성 확보: 사고 구간만 제거하고 건전 구간은 지속 운전 가능하도록 하여 전력 공급의 연속성과 신뢰도를 높이고, 산업체의 생산 차질 및 경제적 손실을 방지합니다.
5. 보호 협조 실현: 보호계전기의 종류와 설정을 적절히 선택하여, 차단기 및 계전기 간 보호 협조를 이루어 최적의 보호 체계를 구축합니다.

보호계전기의 동작 원리

보호계전기의 기본 동작 원리는 CT(전류변성기), PT(전압변성기) 등 계측장비를 통해 입력 신호를 수신한 뒤, 내부 설정값(픽업 값, 임계치)과 비교하여 이상 여부를 판단하고, 설정값을 초과하면 차단기 트립 코일에 동작 신호를 보내어 차단기가 개방하도록 합니다. 최근에는 디지털 마이크로프로세서형 계전기가 보급되어 아날로그 방식보다 정밀도와 응답 속도가 향상되었으며, 다기능 통합, 이벤트 기록, 통신 기능(SCADA 연계), 진단 기능을 내장하고 있어 스마트그리드 및 디지털변전소 구축의 핵심 보호 장치로 활용되고 있습니다.

과전류계전기

과전류계전기는 보호계전기 중 가장 기본적이고 범용적인 계전기로, 설정된 전류값을 초과하면 동작하여 사고 전류를 제거합니다. 주로 배전계통, 저압계통, 전동기 보호에 사용되며, 전류의 크기에 따른 동작시간 특성으로 구분됩니다.

• 순시 과전류계전기 (Instantaneous OCR): 설정값 초과 시 지연 없이 즉시 동작하여 사고 제거 시간을 최소화합니다. 단락 사고 검출에 필수입니다.
• 정한시 과전류계전기 (Definite Time OCR): 일정한 시간 지연 후 동작하므로 보호 협조가 용이하며, 배전선 보호에 적합합니다.
• 반한시 과전류계전기 (Inverse Time OCR): 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 특성으로, 과부하와 단락을 동시에 보호하며, 표준 반한시, 극반한시, 매우 극반한시 특성으로 세분화됩니다.

지락계전기

지락계전기(GR, Ground Relay)는 단상 접지 사고를 검출하여 동작하는 계전기로, 배전계통에서 가장 필수적입니다. 사고 전류는 영상전류 또는 영상전압 검출 방식으로 측정하며, 차단기 트립 동작을 통해 사고 구간만 선택적으로 제거합니다. 22.9kV 배전계통, 154kV 변전소 등 접지 사고 검출이 중요한 모든 계통에서 필수적으로 설치됩니다.

과전압계전기

과전압계전기(OVR, Over Voltage Relay)는 설정된 전압 이상이 되면 동작하여 기기 절연파괴, 유전체 열화, 기기 과열, 전력품질 저하를 방지합니다. 발전기 단자전압 상승 보호, 모선 과전압 방지, 콘덴서 뱅크 보호 등에 사용됩니다.

부족전압계전기

부족전압계전기(UVR, Under Voltage Relay)는 전압이 설정값 이하로 떨어질 경우 동작하여, 전동기 과열 방지, 몰드 변압기 저전압 보호, 계통 저전압 사고 시 차단기로 투입을 차단합니다. 저전압이 지속되면 기기 과열과 절연 파괴를 유발하므로 필수입니다.

부족주파수계전기

부족주파수계전기(UFR, Under Frequency Relay)는 계통 불안정, 발전기 탈락 등으로 주파수가 일정 이하로 떨어지면 동작하여 부하를 차단하거나 발전기를 보호합니다. 계통 주파수 안정도 확보에 필수이며, 59.5Hz 이하에서는 대규모 정전 방지 차원에서 단계별 부하 차단에 사용됩니다.

과주파수계전기

과주파수계전기(OFR, Over Frequency Relay)는 계통 주파수가 기준 이상으로 상승할 경우 발전기의 과속도를 방지하기 위해 동작합니다. 특히 병렬 운전 발전소, 풍력발전 연계계통, 디젤발전기 계통에서 과속도 및 시스템 불안정을 방지하는 보호계전기입니다.

역전력계전기

역전력계전기(RPR, Reverse Power Relay)는 발전기 병렬 운전 시 발전기가 출력을 잃고 전동기처럼 전력을 소모하게 되면, 발전기 손상을 방지하기 위해 차단기 트립을 수행합니다. 디젤발전기 병렬 운전 보호, 급전반 보호에 필수 설치됩니다.

방향성 과전류계전기

방향성 과전류계전기(DOCR, Directional OCR)는 전류 크기뿐만 아니라 전류의 방향을 고려하여 동작하기 때문에, 루프 배전계통, 병렬계통, 복전원 계통에서 고장 구간을 선택적으로 검출하는 데 매우 중요합니다.

차동계전기

차동계전기(Differential Relay)는 변압기 보호, 발전기 보호의 핵심 보호계전기로, CT 2차측 전류의 차이를 검출하여 내부 고장 시만 동작하고, 외부 고장에는 동작하지 않는 안정성이 큰 장점입니다.