발전기의 과전류·과전압·지락 보호는 어떻게 이루어질까?

동기발전기는 정상운전 중에도 수천에서 수만 암페어에 이르는 전류와 높은 전압, 큰 기계에너지를 동시에 다루는 설비다.

그래서 발전기에 고장이 발생했을 때 단순히 차단기 하나가 전류를 끊어주는 것만으로는 충분하지 않다.

어떤 고장이 발생했는지를 빠르게 판단하고, 고장의 위치와 종류에 따라 필요한 차단기와 여자계통, 원동기까지 적절하게 분리해야 한다.

발전기에서 대표적으로 감시해야 하는 이상상태에는

과전류,

과전압,

고정자 지락,

권선 내부단락,

불평형전류,

여자계통 이상,

역전력,

주파수 이상

등이 있다.

이 가운데 이번 글에서는 과전류·과전압·지락을 중심으로 발전기 보호계전기가 어떤 원리로 고장을 판단하는지 살펴본다.

발전기 보호의 목적은 단순히 차단하는 것이 아니다

보호계전기의 가장 눈에 띄는 기능은 고장을 검출하고 차단기에 트립신호를 보내는 것이다.

하지만 발전기 보호의 목적은 단순히 전기를 끊는 것보다 넓다.

첫 번째 목적은 고장으로 인한 발전기 자체의 손상을 최소화하는 것이다.

두 번째는 고장설비를 전력계통에서 빠르게 분리하여 정상설비까지 영향을 받지 않게 하는 것이다.

세 번째는 불필요한 설비까지 모두 차단하지 않고 실제 고장구간만 선택적으로 제거하는 것이다.

그래서 보호계전기에서는

신속성

선택성

감도

신뢰성

이 모두 중요하다.

무조건 가장 빨리 차단한다고 좋은 보호가 되는 것은 아니다.

정상적인 과도현상과 실제 고장을 구별하면서 필요한 구간만 빠르게 제거해야 한다.

발전기 보호는 하나의 계전기로 끝나지 않는다

발전기에는 하나의 보호계전기만 설치하지 않는다.

같은 고장에 대해서도 여러 보호기능이 서로 겹쳐 동작하도록 구성한다.

예를 들어 발전기 내부 상간단락에는 발전기 차동보호가 주보호로 사용될 수 있다.

과전류보호는 외부계통 고장이나 주보호 실패에 대비한 백업보호 역할을 할 수 있다.

고정자 지락에는 별도의 지락보호가 적용된다.

과전압에는 전압계전기가 사용된다.

즉 발전기 보호는

주보호와 백업보호

를 조합하는 방식으로 생각해야 한다.

과전류란 무엇일까?

과전류는 정상운전 범위를 넘어 지나치게 큰 전류가 흐르는 상태다.

원인은 여러 가지다.

발전기 또는 계통의 단락,

심한 과부하,

외부계통 고장,

불평형고장

등으로 전류가 증가할 수 있다.

전류가 증가하면 권선의 동손은

Pcu = I²R

관계에 따라 빠르게 증가한다.

정격전류의 두 배가 흐르면 같은 저항조건에서 순간적인 동손은 약 네 배가 된다.

다섯 배라면 약 25배 수준이다.

따라서 큰 고장전류는 매우 짧은 시간에도 발전기 권선에 큰 열적 스트레스를 줄 수 있다.

순시 과전류보호 50은 무엇일까?

ANSI 기기번호에서 50은 일반적으로 순시 과전류보호를 의미한다.

전류가 설정값을 넘으면 의도적인 시간지연을 거의 두지 않고 빠르게 동작하는 방식이다.

매우 큰 단락전류를 신속하게 검출하는 데 사용할 수 있다.

하지만 발전기에서는 단순히 50 기능 하나만으로 모든 내부고장을 보호하기 어렵다.

발전기의 고장전류는 고장위치와 계통조건, 발전기의 리액턴스에 따라 크게 달라질 수 있기 때문이다.

또 발전기 내부고장에 대해서는 차동보호처럼 더 선택적인 보호방식을 사용하는 것이 중요하다.

한시 과전류보호 51은 무엇일까?

51은 시간특성을 가진 과전류보호다.

전류가 설정값을 넘더라도 일정한 시간 또는 전류크기에 따라 변하는 시간특성을 가지고 동작한다.

일반적으로 전류가 매우 크면 빠르게,

설정값을 조금 넘는 정도라면 상대적으로 늦게

동작하도록 구성할 수 있다.

이렇게 하면 다른 하위 보호장치와 보호협조를 할 수 있다.

외부계통에서 고장이 발생했다면 먼저 고장구간에 가장 가까운 차단기가 동작해야 한다.

그 차단기가 고장을 제거하지 못했을 때 발전기측 과전류보호가 백업으로 동작하도록 시간을 조정할 수 있다.

발전기에서는 왜 일반 과전류보호만으로 부족할까?

동기발전기의 단락전류는 고장 직후 매우 크지만 시간이 지나면서 감소하는 특성이 있다.

초기에는 초과도 리액턴스 Xd”의 영향을 받아 큰 전류가 흐른다.

이후 과도 리액턴스 Xd’ 영역을 거쳐 동기 리액턴스 Xd에 가까운 상태로 이동한다.

따라서 고장이 계속되고 있는데도 시간이 지나면서 발전기에서 공급하는 전류가 감소할 수 있다.

이 점이 일반적인 강한 전원에 연결된 단순 과전류보호와 다른 부분이다.

전류가 감소한다고 고장이 사라진 것은 아니다.

전압억제 또는 전압제어 과전류보호 51V는 왜 사용할까?

발전기에서 외부단락이 지속되면 단자전압이 크게 떨어질 수 있다.

동시에 발전기 단락전류는 시간에 따라 감소한다.

그래서 전류만 보고 보호한다면 고장이 계속되고 있는데도 충분한 감도를 확보하기 어려운 경우가 있다.

이때 전압정보를 함께 이용하는 과전류보호를 사용할 수 있다.

일반적으로 51V라는 표현을 사용한다.

전압이 크게 낮아진 상태에서는 과전류계전기가 더 민감하게 동작하도록 만드는 방식이다.

즉

큰 전류

뿐 아니라

전압이 비정상적으로 낮아졌는가

를 함께 이용해 고장을 판단한다.

전압억제형과 전압제어형은 같은 것일까?

완전히 같은 방식은 아니다.

전압억제형에서는 단자전압이 낮아질수록 과전류계전기의 동작전류 기준을 낮추는 방식으로 생각할 수 있다.

반면 전압제어형은 전압이 일정 기준 이하로 떨어졌을 때 과전류요소의 동작을 허용하는 방식으로 구성할 수 있다.

세부적인 논리는 보호계전기 제조사와 적용방식에 따라 달라진다.

핵심은 발전기의 단락전류가 감소하는 특성을 보완하기 위해 전압과 전류를 함께 사용한다는 점이다.

발전기 내부 상간단락에는 무엇이 중요할까?

고정자권선 내부에서 A상과 B상 등이 서로 단락되면 매우 큰 고장전류가 흐를 수 있다.

이러한 발전기 내부고장에는 차동보호가 중요한 역할을 한다.

발전기 양쪽에 설치된 CT의 전류를 비교한다고 생각해보자.

정상운전이나 발전기 외부고장에서는 발전기 보호구간으로 들어오는 전류와 나가는 전류가 서로 대응한다.

하지만 보호구간 내부에서 단락이 발생하면 두 전류 사이에 차이가 발생한다.

이 차전류를 이용하여 내부고장을 검출하는 것이 발전기 차동보호의 기본개념이다.

ANSI 번호로는 일반적으로

87G

를 사용한다.

차동보호는 왜 발전기 주보호로 적합할까?

단순한 과전류보호는 전류가 얼마나 큰지를 주로 본다.

하지만 큰 외부고장에서도 발전기에는 큰 전류가 흐를 수 있다.

차동보호는 전류의 크기만 보는 것이 아니라 고장이 보호구간 안에 있는지 밖에 있는지를 판단할 수 있다.

그래서 발전기 고정자 내부의 상간고장에 대해 빠르고 선택적인 보호가 가능하다.

다만 CT 포화와 오차 때문에 외부 대전류 고장에서 잘못 동작하지 않도록 비율차동특성 등을 사용한다.

과전압은 왜 발생할까?

발전기 단자전압이 정격보다 지나치게 상승하는 상태를 과전압이라고 한다.

원인은 여러 가지다.

AVR 또는 여자제어 이상,

부하의 급격한 차단,

원동기 속도상승,

계측용 PT 회로 이상,

잘못된 전압기준값

등이 원인이 될 수 있다.

특히 독립운전 발전기에서 큰 부하가 갑자기 차단되면 발전기에 흐르던 전류가 급격히 감소한다.

내부 전압강하도 줄어들면서 단자전압이 순간적으로 상승할 수 있다.

동시에 원동기의 기계입력이 즉시 줄지 않으면 회전속도까지 상승하려 할 수 있다.

과전압보호 59는 무엇을 감시할까?

ANSI 번호 59는 일반적으로 과전압보호를 의미한다.

발전기 단자전압 또는 지정된 전압이 설정값 이상으로 올라가면 동작한다.

짧은 순간의 정상적인 과도전압에 무조건 트립하지 않도록 전압크기와 지속시간을 함께 고려할 수 있다.

과전압이 지속되면 발전기와 연결설비의 절연에 부담이 증가한다.

변압기와 철심기기에서는 자속밀도 증가까지 문제가 될 수 있다.

따라서 비정상적인 높은 전압이 일정시간 이상 유지되면 보호동작이 필요하다.

부하차단이 왜 과전압을 만들 수 있을까?

발전기가 큰 부하를 공급하고 있다고 하자.

갑자기 부하차단기가 열려 대부분의 부하가 사라졌다.

부하전류가 급격히 감소한다.

그동안 부하전류 때문에 발생하던 발전기 내부 전압강하도 줄어든다.

AVR이 여자전류를 낮추기까지는 일정한 응답시간이 필요하다.

그래서 순간적으로 단자전압이 올라갈 수 있다.

독립운전 발전기에서는 동시에 원동기 입력과 전기출력의 불균형 때문에 속도도 상승하려 할 수 있다.

속도상승은 다시 주파수와 유기기전력에 영향을 줄 수 있다.

AVR 고장은 왜 과전압과 연결될까?

AVR은 단자전압을 검출하여 여자전류를 조절한다.

정상상태에서는 전압이 높아지면 여자를 감소시키고, 전압이 낮아지면 여자를 증가시킨다.

그런데 AVR 제어회로나 전압검출회로에 이상이 생겨 실제 전압이 높은데도 계속 여자전류를 증가시키면 내부유기기전력 E가 지나치게 높아질 수 있다.

독립운전이라면 단자전압도 크게 상승할 수 있다.

그래서 과전압보호는 여자제어가 실패했을 때 발전기를 보호하는 마지막 방어수단 가운데 하나가 될 수 있다.

과전압과 과여자는 같은 것일까?

서로 관련은 있지만 완전히 같은 개념은 아니다.

과전압은 말 그대로 전압의 절대값이 지나치게 높은 상태다.

과여자 또는 과자속은 철심에 형성되는 자속이 허용범위를 넘어서는 문제다.

변압기나 발전기 철심의 자속은 대략

Φ ∝ V / f

관계로 이해할 수 있다.

따라서 전압이 정상이라도 주파수가 크게 낮으면 V/f가 증가하여 과자속이 발생할 수 있다.

반대로 전압이 조금 높더라도 주파수도 함께 높다면 V/f 상태는 다르게 평가해야 한다.

그래서 단순 과전압 59와 V/Hz 과여자보호는 구분해야 한다.

V/Hz 보호는 왜 필요한가?

철심의 자속밀도가 지나치게 커지면 자기포화가 심해진다.

포화가 심해지면 여자전류와 철손이 급격히 증가할 수 있다.

철심과 주변 금속구조물에서 국부적인 발열이 발생할 수도 있다.

그래서 대형 발전기와 승압변압기에서는 전압과 주파수를 함께 비교하는 V/Hz 보호가 중요할 수 있다.

ANSI 번호 24가 과여자 또는 V/Hz 보호에 사용된다.

즉

59 → 전압 자체가 너무 높은가

24 → 전압에 비해 주파수가 너무 낮아 자속이 과도한가

라는 차이로 이해할 수 있다.

지락이란 무엇일까?

지락은 전기가 흘러서는 안 되는 대지 또는 접지된 금속구조물과 전기회로가 연결되는 고장이다.

발전기 고정자권선의 절연이 손상되어 권선도체가 철심과 접촉하면 대표적인 고정자 지락고장이 된다.

고정자 철심과 프레임은 접지되어 있기 때문에 고장전류가 대지를 포함한 경로로 흐를 수 있다.

지락은 초기에는 작은 범위의 절연손상으로 시작할 수 있지만 계속 방치하면 아크와 열로 철심과 권선 손상이 확대될 수 있다.

고정자 지락보호는 왜 접지방식과 함께 봐야 할까?

지락전류의 크기는 발전기의 중성점을 어떻게 접지했는지에 따라 크게 달라진다.

중성점을 직접접지하면 지락전류가 매우 크게 흐를 수 있다.

반대로 저항이나 접지변압기를 통해 접지하면 고장전류를 제한할 수 있다.

대형 발전기에서는 고정자 철심의 손상을 줄이기 위해 중성점 접지저항 NGR 등을 이용해 지락전류를 제한하는 방식이 사용될 수 있다.

따라서 발전기 지락보호에서는

지락전류가 얼마나 흐르는가

뿐 아니라

중성점 전압이 어떻게 변하는가

를 함께 이용하는 방식이 중요하다.

중성점 접지저항 NGR은 왜 사용할까?

고정자권선이 철심에 지락되었을 때 고장전류가 지나치게 크면 고장점의 아크에너지가 커진다.

철심이 녹거나 손상될 수 있고 권선손상도 확대될 수 있다.

중성점과 대지 사이에 적절한 저항을 삽입하면 지락전류를 제한할 수 있다.

하지만 전류를 지나치게 작게 만들면 보호계전기가 고장을 검출하기 어려워질 수 있다.

그래서 접지방식은

고장손상 제한,

보호감도,

과전압,

계통구성

등을 함께 고려해 결정한다.

중성점 과전압 방식은 어떻게 지락을 검출할까?

정상적인 3상 대칭상태에서는 중성점과 대지 사이의 전압이 작다.

고정자 한 상이 지락되면 각 상의 대지전압 관계가 변하고 중성점전압도 변할 수 있다.

이 변화를 검출해 고정자 지락을 판단할 수 있다.

59N과 같은 중성점 과전압요소를 이용하는 방식이 대표적인 예다.

실제 구성에서는 발전기의 접지방식과 접지변압기, 계전기 입력방식에 따라 회로가 달라진다.

지락전류를 직접 측정할 수도 있을까?

가능하다.

중성점 접지회로에 흐르는 전류를 CT 등을 통해 측정해 지락을 판단할 수도 있다.

정상상태에서는 중성점 지락전류가 매우 작지만 고정자 지락이 발생하면 접지경로로 전류가 흐른다.

이 전류를 이용하면 고장을 검출할 수 있다.

보호방식은 발전기 중성점 접지구조와 요구되는 보호범위에 따라 결정된다.

왜 고정자 권선 전체를 단순한 지락계전기 하나로 보호하기 어려울까?

고정자권선의 지락위치에 따라 고장점에 걸리는 전압이 다르기 때문이다.

Y결선 발전기의 중성점에 아주 가까운 권선부분을 생각해보자.

중성점은 정상상태에서 대지에 대한 전압이 매우 낮다.

따라서 중성점 바로 근처에서 지락이 발생하면 고장점 전압도 작고 지락전류와 중성점 과전압의 변화 역시 작을 수 있다.

일반적인 지락보호만 사용하면 중성점 부근의 일부 권선에서는 감도가 부족할 수 있다.

95% 고정자 지락보호라는 표현은 왜 나올까?

중성점 과전압 방식 등의 기본 지락보호는 고정자권선 대부분을 보호할 수 있지만 중성점에 매우 가까운 일부 구간에서는 고장신호가 작아 검출하기 어려울 수 있다.

그래서 흔히 약 90~95% 정도의 고정자권선을 보호하는 방식과 나머지 중성점 부근까지 포함하는 100% 고정자 지락보호를 구분해 설명한다.

정확한 보호범위는 실제 발전기와 접지회로의 설정에 따라 달라진다.

100% 고정자 지락보호는 어떻게 가능할까?

중성점 부근의 작은 지락까지 검출하기 위해 추가적인 방법을 사용할 수 있다.

대표적으로 발전기에서 자연스럽게 발생하는 제3고조파 전압의 분포변화를 이용하는 방법이 있다.

정상운전과 지락상태에서 중성점과 단자측의 제3고조파 전압분포가 달라지는 것을 이용한다.

또 설비에 따라 저주파 또는 특정 신호를 주입하여 절연상태를 감시하는 방식도 사용할 수 있다.

즉 100% 고정자 지락보호는 일반 지락계전기의 설정값만 낮추는 방식으로 해결하는 문제가 아니다.

회전자 계자권선도 지락될 수 있을까?

그렇다.

회전자 계자회로 역시 절연되어 있으므로 대지와의 절연고장이 발생할 수 있다.

특히 계자회로는 일반적으로 대지에서 절연된 상태로 운전되는 경우가 있어 한 점이 접지되었다고 바로 큰 지락전류가 흐르지 않을 수 있다.

그래서 첫 번째 계자지락은 즉시 큰 전류고장으로 나타나지 않을 수 있다.

하지만 문제가 없다는 뜻은 아니다.

회전자에서 두 번째 지락이 더 위험한 이유

계자권선의 한 지점이 이미 대지와 연결되어 있는 상태에서 다른 위치에서 두 번째 지락이 발생하면 계자권선 일부가 단락되는 회로가 만들어질 수 있다.

그 결과 계자전류분포와 자속이 비대칭이 될 수 있다.

회전자 진동과 국부발열, 여자능력 저하가 나타날 수 있다.

따라서 대형 발전기에서는 회전자 계자회로의 접지상태도 감시한다.

고정자 지락과 회전자 지락은 같은 지락이라는 이름을 사용하지만 고장회로와 보호원리는 다르다.

과전류와 지락은 같은 고장일까?

아니다.

지락이 발생하면 과전류가 흐를 수 있으므로 두 현상이 함께 나타날 수 있다.

하지만 중성점 저항접지 발전기에서는 고정자 지락전류가 제한되어 상단락전류보다 훨씬 작을 수 있다.

이 경우 일반적인 상 과전류계전기만으로는 지락을 민감하게 검출하기 어려울 수 있다.

그래서 별도의 지락보호가 필요하다.

반대로 3상 단락은 매우 큰 과전류를 만들지만 대지를 통해 흐르는 영상전류가 반드시 발생하는 것은 아니다.

보호계전기 번호를 외우는 것보다 역할을 이해해야 한다

발전기 보호를 공부하다 보면

50,

51,

51V,

59,

64G,

87G

같은 숫자가 많이 등장한다.

숫자만 외우면 쉽게 헷갈린다.

각 계전기가 무엇을 측정하고 어떤 고장을 구별하려는지 이해하면 훨씬 쉽다.

50과 51은 기본적으로 전류크기를 본다.

51V는 전류와 전압을 함께 이용한다.

59는 높은 전압을 본다.

64G 계열은 발전기 지락을 검출하는 데 사용된다.

87G는 보호구간 양쪽 전류를 비교해 발전기 내부고장을 찾는다.

결국 숫자보다 먼저 검출하려는 물리량을 생각하는 것이 좋다.

고장이 발생하면 발전기 차단기만 열면 끝날까?

고장종류에 따라 필요한 조치가 다르다.

발전기를 계통에서 분리하려면 발전기 차단기 또는 관련 주차단기가 열려야 한다.

하지만 회전자는 관성 때문에 계속 회전한다.

계자자속도 즉시 사라지지 않는다.

따라서 발전기 내부고장이라면 계통분리와 함께 여자차단 또는 계자소호가 필요할 수 있다.

고장종류에 따라 원동기의 트립까지 함께 이루어질 수 있다.

대형 발전기의 트립논리는 여러 보호기능과 설비조건을 조합하여 설계된다.

여자차단은 왜 필요한가?

발전기 주차단기를 열면 외부계통과의 연결은 끊어진다.

하지만 회전자가 계속 회전하고 계자전류가 남아 있으면 발전기 내부유기기전력도 계속 존재한다.

내부 고정자권선에 고장이 있다면 이 전압이 계속 고장점에 에너지를 공급할 수 있다.

계자전류를 빠르게 감소시키면 내부유기기전력을 낮추어 고장에 공급되는 에너지를 줄이는 데 도움이 된다.

그래서 발전기 내부고장에서는 탈여자 또는 계자소호가 중요한 역할을 할 수 있다.

원동기도 왜 트립시킬까?

발전기를 전력계통에서 분리했는데 터빈이나 엔진이 계속 큰 기계입력을 공급하면 회전자는 가속하려 한다.

발전기 자체에 심각한 내부고장이 있는 경우에는 계속 회전시키는 것도 불리할 수 있다.

그래서 중대한 발전기 내부고장에서는 차단기뿐 아니라 여자계통과 원동기까지 함께 정지시키는 트립논리를 사용할 수 있다.

다만 어떤 보호가 어떤 설비까지 트립하는지는 발전소 설계와 고장종류에 따라 달라진다.

고장 제거가 늦어지면 동기안정도에도 영향을 준다

발전기가 계통에 병렬운전 중일 때 큰 단락이 발생하면 전력전달능력이 급격히 감소한다.

반면 터빈이나 엔진에서 들어오는 기계입력은 순간적으로 그대로 남아 있을 수 있다.

그러면 기계입력과 전기출력의 균형이 깨진다.

회전자는 가속되고 전력각이 커진다.

고장이 너무 오래 지속되면 발전기가 계통과 안정적인 동기상태를 유지하기 어려워질 수 있다.

이 현상은 동기전동기의 탈조와 같은 동기기의 안정도 개념과 연결된다.

그래서 보호계전기와 차단기의 고장제거시간은 단순한 권선보호뿐 아니라 전력계통 안정도에도 중요하다.

고장 중에는 전력각도 크게 흔들린다

동기발전기의 유효전력 전달은 회전자와 계통 사이의 전력각과 연결된다.

이 개념은 동기전동기 토크각을 이해할 때 사용한 각도관계와 같은 기본적인 동기기 원리에서 출발한다.

고장으로 단자전압이 크게 감소하면 발전기가 계통으로 전달할 수 있는 전기출력도 감소한다.

원동기 기계출력이 그대로 남아 있으면 회전자가 가속되면서 전력각이 커진다.

고장이 빠르게 제거되면 회전자가 다시 새로운 안정점으로 수렴할 수 있지만, 너무 늦으면 동기를 잃을 가능성이 높아진다.

과전류가 오래 지속되면 어떤 손상이 생길까?

권선에서 발생하는 열에너지는 단순히 전류크기만이 아니라 지속시간과도 관련된다.

개념적으로

I²t

관계를 생각할 수 있다.

큰 전류가 매우 짧게 흐르는 것과 조금 작은 전류가 오랜 시간 흐르는 것은 권선에 서로 다른 열적 영향을 준다.

발전기 보호에서는 순간적인 대전류뿐 아니라 허용 가능한 열적 한계를 함께 고려해야 한다.

고정자 절연은 반복적인 과열을 겪으면 수명이 크게 짧아질 수 있다.

큰 단락전류는 기계적인 힘도 만든다

단락전류가 위험한 이유는 발열뿐만이 아니다.

고정자 도체에 매우 큰 전류가 흐르면 강한 전자기력이 발생한다.

권선 단부에는 큰 기계적 힘이 작용할 수 있다.

반복적인 고장이나 매우 큰 단락은 권선 지지구조를 약화시키거나 코일을 변형시킬 수 있다.

버스바와 접속부에도 큰 전자기력이 작용한다.

따라서 발전기 보호는 전기적인 절연손상뿐 아니라 기계적인 손상도 줄이는 역할을 한다.

과전압은 절연만 손상시키는 것일까?

높은 전압은 권선절연의 전기적 스트레스를 증가시킨다.

하지만 철심기기에서는 자속문제도 함께 생각해야 한다.

특히 V/f가 지나치게 증가하면 철심이 포화될 수 있다.

포화가 심해지면 여자전류와 철손이 증가하고 철심과 주변 구조물이 과열될 수 있다.

그래서 전압 이상을 볼 때는 단순한 kV 숫자뿐 아니라 주파수도 함께 확인하는 것이 중요하다.

지락고장은 왜 초기에 잡는 것이 중요할까?

고정자 절연의 작은 손상이 처음에는 제한된 지락전류만 만들 수 있다.

하지만 아크와 열이 지속되면 절연손상이 인접권선으로 확대될 수 있다.

한 점 지락이 상간단락이나 더 큰 철심손상으로 발전할 가능성도 있다.

발전기 철심 손상은 단순한 권선교체보다 수리가 훨씬 어렵고 비용도 커질 수 있다.

그래서 고정자 지락은 전류가 비교적 작더라도 중요하게 취급한다.

발전기 중성점을 무조건 직접접지하지 않는 이유

직접접지하면 지락고장 시 고장전류를 크게 확보하여 검출하기 쉬울 수 있다.

하지만 발전기 내부 지락에서는 그 큰 전류 자체가 철심과 권선에 심각한 손상을 줄 수 있다.

그래서 발전기의 특성과 계통설계에 따라 저항접지나 접지변압기 등을 이용해 지락전류를 제한할 수 있다.

발전기의 접지는 단순히 감전방지용 접지와 같은 관점만으로 보면 안 된다.

고장전류의 크기와 과전압, 보호감도를 결정하는 전력계통 설계요소다.

CT 이상은 과전류·차동보호에 어떤 영향을 줄까?

보호계전기는 실제 수천 암페어의 전류를 직접 받아들이지 않는다.

CT가 1A 또는 5A 등의 적절한 2차전류로 변환해 계전기에 제공한다.

따라서 CT가 포화되거나 2차회로에 문제가 생기면 계전기가 보는 전류와 실제 1차전류가 달라질 수 있다.

특히 큰 외부단락에서는 CT 포화가 차동보호의 안정성에 영향을 줄 수 있다.

그래서 보호방식을 설계할 때 계전기 설정뿐 아니라 CT의 정확도와 포화특성도 중요하다.

PT 이상은 과전압보호에도 영향을 줄 수 있다

과전압과 저전압, V/Hz, 동기검정 같은 보호 및 제어기능은 PT 또는 VT의 전압신호를 이용한다.

PT 퓨즈 단선이나 2차배선 이상이 발생하면 실제 계통전압과 계전기가 측정하는 전압이 달라질 수 있다.

그래서 현대 보호계전기에서는 전압신호 이상을 판별하는 감시기능을 함께 적용하기도 한다.

측정값이 이상할 때 발전기 자체의 고장만 의심해서는 안 되고 계측회로도 확인해야 한다.

주보호와 백업보호는 어떻게 다를까?

주보호는 특정 설비 내부의 고장을 빠르고 선택적으로 제거하는 것을 목표로 한다.

발전기 고정자 내부 상고장의 차동보호가 대표적이다.

백업보호는 주보호나 차단기가 동작하지 않았을 때 한 단계 넓은 범위에서 고장을 제거한다.

백업보호는 일반적으로 주보호보다 동작시간이 늦을 수 있다.

이 시간차가 있어야 먼저 고장구간에 가까운 보호가 동작할 기회를 줄 수 있다.

보호협조가 필요한 이유

발전기에서 멀리 떨어진 배전선로에 고장이 발생했다고 하자.

그 고장은 해당 선로차단기가 먼저 제거하는 것이 가장 좋다.

발전기 주차단기까지 같이 열리면 정상인 다른 부하도 모두 정전될 수 있다.

그래서 보호계전기들은 전류정정과 시간정정, 보호구역을 서로 조정한다.

가장 가까운 보호가 먼저 동작하고 실패했을 때 상위 보호가 백업으로 동작하도록 구성한다.

이를 보호협조라고 한다.

보호가 너무 민감해도 문제가 될까?

그렇다.

계전기의 감도를 지나치게 높이면 실제 고장이 아닌 정상적인 과도현상에도 오동작할 수 있다.

대형 전동기 기동,

변압기 여자돌입,

발전기 병렬투입,

계통의 일시적인 전압변동

등에서도 순간적인 전류와 전압변화가 나타날 수 있다.

반대로 감도를 너무 낮게 설정하면 실제 작은 내부고장을 검출하지 못할 수 있다.

그래서 보호설정은 단순히 최대한 낮고 빠르게 만드는 문제가 아니다.

발전기 트립이 발생하면 무엇을 먼저 확인해야 할까?

발전기가 보호동작으로 정지했다면 계전기에서 어떤 보호요소가 동작했는지 확인하는 것이 중요하다.

현대 디지털 보호계전기에는 고장 당시의

전압,

전류,

주파수,

위상,

보호요소 상태,

차단기 동작시간

등이 이벤트나 고장기록으로 저장될 수 있다.

이 기록은 고장원인을 판단하는 데 매우 중요한 자료가 된다.

보호계전기가 동작했다는 이유만으로 계전기 오동작이라고 단정하거나 즉시 재투입해서는 안 된다.

과전류 동작 후에는 무엇을 확인할까?

실제 단락이 있었는지,

고정자권선과 케이블에 절연손상이 있는지,

차단기 상태가 정상인지,

CT와 보호회로가 정상인지,

외부계통에서 고장이 발생했는지

등을 확인할 필요가 있다.

특히 큰 단락전류가 흐른 경우에는 전기적인 절연시험뿐 아니라 권선 단부와 접속부의 기계적 상태도 중요할 수 있다.

과전압 동작 후에는 무엇을 확인할까?

AVR 출력과 여자전류,

단자전압 기록,

주파수와 회전속도,

부하차단 여부,

PT 회로,

전압설정값

등을 함께 볼 수 있다.

전압만 높았던 것인지 V/Hz까지 높았던 것인지도 구분해야 한다.

원동기의 속도제어 이상이 있었다면 Governor 계통도 함께 확인해야 한다.

지락보호가 동작했다면 무엇을 확인할까?

고정자권선의 대지절연상태,

중성점 접지설비,

접지변압기나 NGR,

중성점 CT와 PT,

보호계전기 기록

등을 확인해야 한다.

고정자 지락은 철심손상으로 이어질 수 있으므로 단순히 절연저항 숫자 하나만 확인하고 재투입하는 문제로 보기는 어렵다.

대형 발전기에서는 제조사와 발전소 정비기준에 따른 정밀점검이 필요할 수 있다.

보호계전기는 고장을 예방하는 장치일까?

보호계전기는 이미 발생한 전기적 이상을 검출하고 손상이 커지기 전에 설비를 분리하는 장치에 가깝다.

예방정비를 대신하는 장치는 아니다.

권선 절연열화,

냉각불량,

접속부 풀림,

진동,

오염,

여자계통 이상

등을 미리 발견하고 정비하는 것이 먼저 중요하다.

보호계전기는 그런 예방조치에도 불구하고 실제 고장이 발생했을 때 피해를 최소화하는 마지막 방어선이다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 발전기 과전류보호는 모든 내부고장의 유일한 주보호가 아니다.

발전기 내부 상간고장에서는 차동보호가 매우 중요하다.

둘째, 동기발전기의 단락전류는 시간이 지나면서 감소할 수 있기 때문에 전류만으로는 백업보호의 감도가 부족할 수 있다.

그래서 전압정보를 함께 사용하는 51V 계열 보호가 사용될 수 있다.

셋째, 과전압 59와 V/Hz 과여자보호 24는 같은 기능이 아니다.

넷째, 지락전류의 크기는 발전기 중성점 접지방식에 크게 영향을 받는다.

다섯째, 지락전류가 작다고 고장이 가벼운 것은 아니다.

고정자 철심손상을 막기 위해 작은 지락도 민감하게 검출해야 한다.

여섯째, 일반적인 중성점 지락보호만으로는 중성점에 매우 가까운 권선의 지락을 검출하기 어려울 수 있다.

일곱째, 회전자 계자권선의 첫 번째 지락은 큰 전류가 발생하지 않을 수 있지만 두 번째 지락으로 발전하면 심각한 문제가 생길 수 있다.

여덟째, 고장 발생 시 주차단기만 여는 것으로 항상 모든 에너지원이 제거되는 것은 아니다.

여자계통과 원동기까지 고려해야 한다.

아홉째, 보호는 빠르기만 하면 되는 것이 아니라 선택성과 보호협조가 필요하다.

열째, 보호동작 후에는 원인을 확인하지 않은 상태에서 무조건 재투입해서는 안 된다.

마무리

동기발전기의 보호는 단순히 전류가 커지면 차단기를 여는 방식으로 설명할 수 없다.

과전류에서는 고장의 크기와 지속시간뿐 아니라 발전기 단락전류가 시간에 따라 감소하는 특성을 고려해야 한다.

그래서 일반적인 50·51 과전류보호와 함께 전압정보를 이용하는 51V 계열 보호가 백업보호에 활용될 수 있다.

발전기 내부 상간고장에서는 보호구역 양쪽의 전류를 비교하는 87G 차동보호가 빠르고 선택적인 주보호 역할을 한다.

과전압에서는 59 보호가 발전기 단자전압의 비정상적인 상승을 감시한다.

하지만 철심의 과자속은 V/f와 관련되므로 단순 과전압과 V/Hz 과여자보호를 구분해야 한다.

고정자 지락은 발전기의 중성점 접지방식과 매우 밀접하게 연결된다.

지락전류를 제한하기 위해 NGR 등을 사용할 수 있고, 중성점 전압이나 지락전류를 이용해 고장을 검출한다.

중성점 가까운 권선까지 보호하기 위해서는 100% 고정자 지락보호라는 추가적인 개념도 필요하다.

결국 발전기 보호의 핵심은 하나의 계전기가 모든 고장을 담당하는 것이 아니다.

고장의 종류와 위치에 맞는 여러 보호기능을 서로 겹쳐 구성하고, 실제 고장설비만 가능한 한 빠르게 계통에서 분리하는 것이다.

그리고 고장을 빠르게 제거하는 이유는 단순히 권선이 뜨거워지는 것을 막기 위해서만이 아니다.

전자기력에 의한 기계적 손상과 회전자 가속, 전력각 증가, 동기안정도 저하까지 함께 막아야 한다.

발전기 보호는 전기회로와 절연, 회전자와 원동기 그리고 전력계통의 안정성을 하나로 묶어 생각해야 하는 분야다.

다음 글에서는 동기발전기에서 벗어나 유도발전기는 어떤 원리로 전력을 만들어내며 동기발전기와 무엇이 다른지 살펴본다.
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