계통 보호

계전기는 전력 계통에서 발생하는 이상 상태를 감지하고, 이를 차단기와 같은 다른 보호 장치에 신호를 보내어 고장 구간을 격리하는 핵심 장치이다. 계전기는 전류, 전압, 주파수, 역률 등 다양한 전기량을 지속적으로 감시하며, 사전에 설정된 기준값을 초과하는 이상이 발생하면 동작 신호를 출력한다. 이는 고장 전류로 인한 장비 손상을 방지하고, 계통의 안정성을 유지하며, 나머지 정상 구간에 대한 전력 공급을 지속하기 위한 필수적인 역할을 수행한다.

계전기는 감지하는 이상 상태의 종류와 동작 원리에 따라 여러 유형으로 구분된다. 가장 기본적인 형태는 과전류 계전기로, 정상 운전 전류를 크게 초과하는 고장 전류가 흐를 때 동작한다. 차동 계전기는 보호 대상 구간의 양단 전류를 비교하여 불일치가 발생하면 내부 고장으로 판단하여 동작하며, 주로 변압기나 발전기와 같은 중요 장비를 보호한다. 거리 계전기는 고장점까지의 임피던스를 계산하여 고장 위치를 판단하고, 방향성 과전류 계전기는 고장 전류의 흐름 방향을 감지하여 특정 방향으로의 고장에만 선택적으로 동작한다.

이러한 계전기들은 단독으로 또는 조합되어 사용되며, 계통의 각 보호 구역에 배치된다. 예를 들어, 송전선로의 경우 주 보호로 거리 계전기가, 후비 보호로 과전류 계전기가 적용되는 식이다. 계전기의 동작 설정값은 신속성, 선택성, 감도, 신뢰성이라는 보호 계통의 4대 기본 원칙에 따라 신중하게 선정되며, 오동작을 방지하기 위한 다양한 논리 회로와 시간 지연 요소가 포함된다. 현대의 디지털 계전기는 마이크로프로세서를 기반으로 하여 더 정밀한 감시, 자가 진단, 통신 기능을 갖추고 있으며, 스마트 그리드 환경에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

차단기는 계통 보호 시스템에서 계전기의 명령을 받아 고장이 발생한 구간을 물리적으로 차단하는 핵심 장치이다. 전력 계통에서 과전류나 지락과 같은 이상 상태가 감지되면, 계전기가 이를 판단하여 차단기에 트립 신호를 보낸다. 차단기는 이 신호를 받아 접점을 열어 전류의 흐름을 차단함으로써, 고장 구간을 신속히 격리하고 나머지 정상 계통과 장비를 보호한다.

차단기는 그 소호 매체와 용도에 따라 여러 종류로 구분된다. 대표적으로 유입 차단기는 고전압 송전선에 주로 사용되며, 진공 차단기와 가스 차단기는 중압 배전선 및 변전소에서 널리 적용된다. 또한, 공기 차단기는 저압 회로에서 흔히 볼 수 있다. 각 차단기 유형은 차단할 수 있는 전압과 전류의 크기, 소호 성능, 유지 보수성 등에서 차이를 보인다.

차단기의 성능은 계통 보호의 신뢰성을 직접적으로 좌우한다. 따라서 차단기는 정격 전압, 정격 차단 전류, 동작 시간, 내구성 등이 엄격한 기준을 충족하도록 설계된다. 특히 고장 전류를 안정적으로 차단하고, 재점호를 방지하며, 빠른 동작 시간을 갖추는 것이 필수적이다. 이는 고장 확대를 방지하고 전력 공급의 연속성을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다.

계측 변환기는 전력 계통에서 실제 흐르는 높은 전압과 큰 전류를 계전기나 계측 장치가 처리할 수 있는 적절한 수준의 신호로 정확하게 변환하는 장치이다. 이는 계통 보호 시스템의 감지 기관 역할을 하며, 보호 계전기가 고장이나 이상 상태를 정확히 판단할 수 있도록 필수적인 정보를 제공한다. 주요 계측 변환기로는 전류를 변환하는 변류기와 전압을 변환하는 계기용 변압기가 있다.

변류기는 송전선이나 배전선, 발전기, 변압기와 같은 보호 대상에 흐르는 수백에서 수천 암페어에 이르는 큰 전류를 일반적으로 1A 또는 5A 수준의 표준 신호로 낮춘다. 계기용 변압기는 수십 킬로볼트 이상의 고전압을 110V 또는 100V 등의 안전한 저전압 신호로 변환한다. 이렇게 변환된 신호는 과전류 계전기나 거리 계전기 등에 입력되어 계통의 상태를 실시간으로 모니터링하고 보호 동작의 기준이 된다.

계측 변환기의 성능은 계통 보호의 정확성과 신속성을 직접적으로 좌우한다. 따라서 높은 정밀도와 신뢰성을 요구하며, 넓은 범위에서 선형적인 특성을 유지해야 한다. 또한, 변환 과정에서 위상 오차가 최소화되어야 방향성 보호와 같은 정밀한 보호 방식의 구현이 가능해진다. 현대의 디지털 보호 계전기와의 호환을 위해 아날로그 신호를 디지털 값으로 출력하는 전자식 계측 변환기의 적용도 확대되고 있다.

과전류 보호는 전력계통에서 가장 기본적이고 널리 사용되는 보호 방식이다. 이 방식은 전류가 사전에 설정된 정격값을 초과하는 과전류 상태를 감지하여 동작한다. 과전류는 일반적으로 단락 고장이나 심한 과부하 시 발생하며, 이러한 상태가 지속되면 송전선이나 변압기 같은 주요 장비에 열적, 기계적 손상을 입히고 계통 전체의 안정성을 해칠 수 있다. 따라서 과전류 보호는 이러한 위험으로부터 계통을 방어하는 첫 번째 방어선 역할을 한다.

과전류 보호의 핵심 장치는 과전류 계전기이다. 이 계전기는 계측 변환기를 통해 계통의 전류를 지속적으로 감시하며, 설정값을 초과하는 전류가 흐를 때 신호를 출력한다. 이 신호는 차단기의 트립 코일을 동작시켜 고장이 발생한 구간의 전류 흐름을 차단한다. 보호 대상에 따라 다양한 정격과 시간 지연 특성을 가진 계전기가 사용되며, 특히 배전선로나 소비자 인입선 보호에 많이 적용된다.

과전류 보호는 구현이 간단하고 비용 효율적이라는 장점이 있지만, 한계점도 존재한다. 주요 문제는 선택성, 즉 고장 구간만 정확히 격리하는 능력이 부족할 수 있다는 점이다. 계통의 말단에서 발생한 고장과 근처에서 발생한 고장을 구별하기 어려울 수 있으며, 이로 인해 불필요한 정전 범위가 넓어질 수 있다. 또한, 큰 과부하 전류와 비교적 작은 고장 전류를 구분하는 데 어려움을 겪을 수 있다.

이러한 한계를 보완하기 위해 과전류 보호는 종종 다른 보호 방식과 조합되어 사용된다. 예를 들어, 방향성 과전류 계전기는 고장 전류의 방향을 추가로 판단하여 보호 영역을 더 정확하게 설정한다. 또한, 거리 보호나 차동 보호와 같은 고성능 보호 방식이 적용되지 않는 배전계통의 후비 보호로도 널리 활용되어 전력 공급의 신뢰도를 다층적으로 향상시킨다.

차동 보호는 변압기, 발전기, 모선과 같은 중요한 전력 설비를 보호하는 데 널리 사용되는 고감도 보호 방식이다. 이 방식은 보호 대상 구간의 양단에 설치된 계측 변환기를 통해 들어오는 전류와 나가는 전류를 측정하여 비교한다. 정상 상태에서는 이 두 전류의 크기가 동일하므로 차동 전류는 거의 0에 가깝다. 그러나 보호 구간 내부에 고장 전류가 발생하면 두 전류의 균형이 깨져 차동 전류가 발생하며, 이 신호를 감지한 차동 계전기가 동작하여 차단기를 트립시킨다.

차동 보호의 가장 큰 장점은 보호 구간을 정밀하게 설정할 수 있어 선택성이 매우 뛰어나다는 점이다. 구간 외부에서 고장이 발생했을 때는 두 전류가 여전히 균형을 이루므로 불필요한 동작을 하지 않는다. 이로 인해 고장 구간을 정확히 격리하면서도 나머지 정상 계통에 대한 영향을 최소화할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 내부 절연 파괴와 같은 심각한 고장에 대해 매우 빠른 제거 시간을 확보할 수 있어, 장비 손상을 방지하고 계통 안정도를 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다.

차동 보호를 적용할 때는 계측 변환기의 오차, 변압기의 여자 돌입 전류, 그리고 긴 케이블로 인한 전류 위상차 등으로 인해 발생할 수 있는 불평형 전류를 고려해야 한다. 이를 보상하고 오동작을 방지하기 위해 퍼센트 차동 보호와 같은 방식이 사용된다. 이 방식은 단순한 전류 차 비교 대신, 오차를 고려한 특성 곡선에 따라 동작 여부를 판단하여 신뢰성을 높인다.

거리 보호는 송전선이나 배전선과 같은 선로에서 발생하는 고장의 위치를 전기적 임피던스를 측정하여 추정하고, 그 거리가 설정된 존(Zone) 내에 있을 경우 선로를 차단하는 보호 방식이다. 이 방식은 고장점까지의 거리를 임피던스 값으로 환산하여 판단하기 때문에, 전류의 크기만으로 동작하는 과전류 보호에 비해 고장 위치를 더 정확하게 판별할 수 있다는 장점이 있다.

거리 보호의 핵심 장치는 거리 계전기이다. 이 계전기는 선로의 시작점에서 측정한 전압과 전류를 이용하여 고장점까지의 루프 임피던스를 계산한다. 계산된 임피던스 값이 사전에 설정된 특정 범위(보통 1존, 2존, 3존으로 구분) 내에 속하면, 해당 고장이 보호해야 할 선로 구간 내에서 발생한 것으로 판단하고 차단기에 트립 신호를 보낸다. 각 존은 동작 시간이 다르게 설정되어, 가장 가까운 1존은 순시 또는 최단 시간으로, 멀리 있는 존으로 갈수록 시간 지연을 두어 동작하여 보호 협조를 이루도록 설계된다.

이 방식은 특히 장거리 송전선에서 유용하며, 전력계통이 복잡하게 연결된 메시 네트워크나 환상계통에서도 선택적 고장 격리를 가능하게 한다. 또한, 계통의 운전 조건(부하 변동 등)에 따른 영향을 상대적으로 덜 받아 신뢰성이 높은 편이다. 거리 보호는 송변전설비의 핵심 보호 방식으로 널리 채택되어 계통의 안정성과 전력 공급의 연속성을 유지하는 데 기여한다.

방향성 보호는 고장 전류의 방향을 감지하여 보호 동작 여부를 결정하는 방식이다. 일반적인 과전류 보호는 전류의 크기만을 기준으로 하므로, 계통이 복잡하거나 다수의 전원이 연결된 경우 정확한 고장 구간을 식별하기 어렵다. 방향성 보호는 이러한 한계를 극복하기 위해, 전압과 전류의 위상 관계를 이용해 고장 전류가 보호 구역을 향해 유입되는지(정방향) 아니면 유출되는지(역방향)를 판별한다.

이 방식의 핵심은 방향성 계전기 또는 방향성 과전류 계전기의 사용이다. 이 계전기는 기준 전압(기준전압)과 고장 전류의 위상각을 비교한다. 예를 들어, 송전선의 한쪽 끝에서 고장이 발생하면, 고장점으로부터 전원 측으로 흐르는 전류는 정방향으로, 부하 측으로 흐르는 전류는 역방향으로 감지된다. 이를 통해 계전기는 고장이 자신의 보호 구역 내부인지 외부인지를 판단할 수 있다.

방향성 보호는 특히 환상계통이나 병렬회선, 복합계통에서 효과적으로 적용된다. 이러한 계통에서는 고장 시 전류가 여러 경로로 흐를 수 있어, 고장 구간 격리를 위해 방향 판별이 필수적이다. 또한, 분산전원이 많이 연계된 현대 배전계통에서도 역조류 발생 시 보호 협조를 위해 방향성 요소가 중요하게 사용된다.

주요 적용 예로는 변압기의 내부 고장 보호, 모선 보호, 그리고 송전선 보호의 일부로서 방향성 거리 계전기에 활용되는 것을 들 수 있다. 방향성 요소를 결합함으로써 보호 시스템의 선택성과 신뢰성을 크게 향상시켜, 불필요한 정전 범위를 최소화하고 계통 전체의 안정도를 높이는 데 기여한다.