유형 구분 |
CT 단선 |
노후 누유 |
OT 분출 |
절연 불량 |
절연 저하 |
외함 폭발 |
부싱 파손 |
정비 교환 |
결상 |
비 오 차 |
계 |
대 수 |
12 |
8 |
5 |
3 |
3 |
3 |
2 |
1 |
1 |
1 |
39 |
점유율(%) |
30.7 |
20.5 |
12.8 |
7.7 |
7.7 |
7.7 |
5.1 |
2.6 |
2.6 |
2.6 |
100 |
2) 사고용량별 분류(1994.4.22 ~ 1994.9.30) [1995.10 한전 MOF 자료]
용량 구분 |
5/5 |
10/5 |
15/5 |
20/5 |
30/5 |
40/5 |
50/5 |
75/5 |
100/5 |
150/5 |
계 |
대 수 |
12 |
14 |
4 |
3 |
2 |
2 |
- |
- |
1 |
1 |
39 |
CT 단선 |
4 |
7 |
- |
- |
- |
1 |
- |
- |
- |
- |
12 |
※ 과전류 또는 과전류강도에 취약한 소용량 기기(변류비가 적은 기기)에서 많이 소손 되었고, 단락전류 및 과전류강도에 견딜수 있는 대용량 기기에서는 적게 발생하였다. 60A 이하 5A~40A 까지의 점유율이 94.5%이며, 100A, 150A는 사고가 아닌 비오차, 노후, 누유인 것을 감안하면 저용량급이 과전류강도에 취약하며 사고도 많음을 알 수 있다.
3) MOF의 선정방법
① PT 비율은 22,900V / 110 V = 120 배를 선정하고, CT 변류비는 수전설비용량에 의하며 최대수용전류의 1.25~1.5배로 하여 표준의 정격을 선정한다.
② MOF의 CT 과전류강도의 부적정으로 사고가 많이 발생하기 때문에 수변전 설비의 단락전류를 구하여 과전류 강도를 별도로 산정하여 적용하여야 한다.
③ MOF의 최소 과전류강도는 한전규격에 따라 60A 이하는 75배, 60A 초과는 40배로 적용하고, MOF 설치점에서의 단락전류에 따라 75배 이상의 과전류강도가 요구되는 경우에는 150배 이상을 적용하며, MOF 전단에 한류형 전력퓨즈 설치 시에는 그 퓨즈로 제한되는 단락전류를 기준으로 과전류강도를 계산하여 상기와 같이 적용한다.[ESB 143]
1.2 CT(변류기)
변류기는 전류계, 전력계, 역률계 등의 전류요소의 계기용으로서, 또한 과전류 보호계전기 (OCR)의 고장전류 검출용으로 사용된다.
1) 변류기의 소손원인
① 계통선로에 이상전압 침입으로 변류기 2차측에 유도되어 절연파괴 소손
② 변류기 2차측 개방에 의한 과열, 과전압 유기로 절연파괴 소손
③ 계통선로의 단락사고로 인한 단락전류에 의해 소손
이와 같은 변류기 소손을 방지하려면 계통선로의 상태에 따라 적당한 변류기를 선정하고, 특히 보호계전기용의 경우에는 과전류강도는 물론 과전류정수와, 부담등을 고려하여 사고 시 보호계전기의 동작을 확실하게하여 보호협조에 만전을 기해야 한다.
2) 변류기의 선정방법
① 정격1차전류는 회로의 최대부하전류를 계산하여 여유를 두어 선정한다. 수전회로와 변압기의 보호는 최대 부하전류의 125[%]~150[%]에서 선정한다.
② 변류기의 여러특성은 부담에 따라 크게 변화 하므로 이것들을 검토할 때에는 부담을 명확하게 하여야 한다.
변류기의 부담이란 변류기의 2차 단자간 또는 3차 단자간에 접속되는 부하로서 2차전류 또는 2차전류 밑에서 부하로 소비되는 피상전력[VA]과 그 부하의역률로 나타낸다. 즉, 2차전류 또는 3차전류의 2제곱과 부하임피던스의 곱이다.
CT의 정격부담은 CT의 2차측에 연결될 계기와 보호계전기 등의 총부담보다도 CT의 정격부담이 반드시 커야 한다. 보통 일반적인 부담은 강반한시형(Very Inverse Type)인 경우 최대 정격부담이 17[VA] (경보전기 OCGR)이고 계기(전류계, 전력계, 역률계)의 부담과 배선의 부담을 고려하여 표준의 정격부담에서 결정된다.
계급 |
정격 2차부담 |
1.0급, 3.0급 |
5, 10, 15, 25, 40, 60, 100 |
③ 정격과전류강도
변류기가 견딜수 있는 과전류의 한도인 정격내전류를 정격과전류 또는 정격과전류강도로 규정한다.
3차권선을 개방한 상태에서 정격 2차부담의 25%의 부담하에서 1차권선에 1초가 통전해도 규격에 정한 성능을 보증할 수 있는 한도를 정격내전류라 정의하고, 정격내전류를 정격 1차전류로 나눈 값을 정격 과전류강도라 정의한다.
CT의 과전류강도 =
정격과전류강도의 표준 : 40, 75, 150, 300 배
④ 열적 과전류강도
규격상으로는 1.0초로 되어 있으나 사고에 의해 과전류가 흐르는 시간은 반드시 1초라고 할 수는 없으므로 임의시간에 대해서는 다음식으로 계산한다.
[KA]
S : 통전시간 t초에 대한 열적 과전류강도
Sn : 정격 과전류강도[KV]
t : 통전시간[초]
⑤ 기계적 과전류강도
단락전류의 최대 비대칭단락전류 또는 교류실효값의
배의 진폭이 되지만 규격으로는 직류분 감쇠를 고려하여 정격과전류의 2.5배에 상당하는 초기 최대순시값 과전류에 견디면 된다.
⑥ 용도별 오차범위
JEC 190에서 2차전류 및 3차전류의 비오차 및 위상각의 한도를 계급별로 규정하고 정격주파수에서 정격부담의 25~100% 사이의 역률 0.8인 지연전류를 기준으로 [표 1-1]의 한도를 초과해서는 안된다고 되어있다.
한 도 |
비오차[%] |
위상각[分] | ||||
1차전류 계급 |
0.1In |
0.2In |
1.0In |
0.1In |
0.2In |
1.0In |
1.0급 |
±2.0 |
±1.5 |
±1.0 |
±120 |
±90 |
±60 |
3.0급 |
0.5In - 1.0In ±3.0 |
0.5In - 1.0In ±180* |
(주) 3차권선이 있는 것은 이것을 개방한 경우
* : 부싱용 변류기를 제외 In : 정격 1차전류를 나타낸다.
⑦ 과전류정수
변류기의 1차 전류가 정격값을 크게 상회하면 철심에 포화가 생겨 [그림 1-1]처럼 비오차가 몹시 증가한다. 따라서 사고 시 대전류에서 계전기 동작에는 변류기의 과전류 범위에서의 특성을 고려하지 않으면 오동작 또는 부동작이 되거나 예정시간에 동작하지 않을 염려가 있다.
[그림 1-1] 과전류정수와 비오차
과전류 범위에서의 비오차 특성을 과전류정수라 한다.
과전류정수는 정격부담에서 변류비 오차가 -10%가 되는 1차전류의 정격 1차전류에 대한 배수 n을 말하며 n>10과 같이 표현하고 n>5, n>10, n>20을 표준으로 한다.
변류기의 포화는 철심의 특성, 철심의 단면적이 같으면 2차 유기전압에 의해 정해진다. 2차 유기전압은 2차권선의 임피던스를 무시하면 외부부담에 비례하므로 과전류정수 × 부담 ≒ 일정 하게 된다.
즉 큰 과전류정수가 필요시에는 경부담으로 사용하여 목적을 달성한다.
⑧ 정격 1차전류와 변류비
- 보호계전기의 과부하내량을 고려하여 과전류정수를 선정하고 필요시에는 과전류정수를 크게하거나 정격 1차전류를 큰 것을 사용한다. 따라서 변류비가 증가되고 비오차는 감소한다.
- 과전류 정수는 변류기의 과전류 범위의 특성을 나타내는 것이며, 이 값이 클수록 변류기 정격전류의 범위에서 특성이 좋다는 것은 아니다. 따라서 단락전류가 흘렀을 때에 보호할 수 있는 범위내에서 될수록 작은 값의 과전류정수를 선택하는 편이 계기와 계전기로의 유입전류가 적어져서 안전하다.
1.3 단락전류
1) 단락전류의 계산목적
(1) 전기기기의 열적, 기계적강도 검토
(2) 차단기의 차단용량 결정
(3) 케이블 굵기 결정
(4) 보호계전기 정정(Setting) 및 보호협조 검토(보호계전방식 적용, 동작상황 분석)
(5) 계통구성방식 검토
(6) 근접통신선의 유도장애 계산 검토
(7) 직접접지 계통에서 유효접지계수 계산 검토
(8) 계통 안정도에 미치는 영향
2) 단락전류의 계산순서
(1) 퍼센트 임피던스(%Z)법을 이용하여 다음식에서 구한다.
: 단락전류,
= 선로나 기기의 임피던스
: 기준전류,
= 기준전압
(2) 전력계통의 파악과 한전측의 단락용량 또는 %임피던스를 조사한다.
(3) Skeleton 도면을 가지고 각 기기와 선로의 임피던스 또는 %임피던스를 기준용량으로 환산하여 아래 식을 이용하여 구한다.
※ 기준 MVA란 : 전원측에서 사고지점으로 보낼 수 있는 최대용량을 말한다. 최대용량은 변전소의 최대 변압기용량 또는 수전측 변압기용량이 된다. (특고압은 100[MVA] 기준, 저압은 일반적으로 1000[KVA] 적용)
(4) 단락지점을 선정(차단기 설치점)하여 %임피던스도를 등가화하고, %임피던스를 구하여 고장점의 단락전류를 계산한다.
(5) 계산한 단락전류에 여유도(1.5배~2배)를 주고 표준용량의 차단기를 선정한다.
저압차단기(MCCB)의 경우에는 비대칭 계수를 고려한다.
3) 단락전류 계산 예
[그림 1-2] 단락전류의 계산(임피던스 MAP)
(1) Impedance 조사 및 변환 (Base : 2000kVA)
전원측 임피던 : 500MVA
(2) 케이블
(3) 변압기
(4) 고장전류의 계산
비대칭계수와 여유도를 고려하여 65~85[kA] 차단기를 사용한다.
(5) 차단용량
4) 단락전류와 전자기계력
(1) 변압기 2차측 회로에 단락이 일어나면 큰 단락전류가 흐른다. 이 전류의 크기는 회로, 변압기의 임피던스 및 단락 순간의 전압위상에 의해 결정된다. 회로의 임피던스를 무시하면 단락전류 실효치는 다음과 같은 식으로 표시된다.
[A]
변압기의 임피던스는 거의 리액턴스 성분이므로, 단락전류의 위상은 전압에 대하여 90°떨어지고, 전압 영의 순간에 단락이 일어날 때는 [그림 1-3]에 표시한 단락전류는 교류분에 직류분이 중첩된 형태로 된다. 직류분은 회로의 저항 때문에 점차 감쇠되고, 수 사이클내에 없어지나, 최초의 파고치
은 거의 교류분 파고치의 1.8배 정도의 값이 된다.
[그림 1-3] 단락전류와 전자기계력
인 큰 단락전류가 권선에 흐르면, 이 전류치에 비례하는 누설자속이 생긴다. 누설자속이 권선도체를 끊으면 도체에 기계력이 작용하는데 그 크기는 다음과 같다.
[N]
여기서, B : 도체를 끊는 자속밀도의 파고치 [Wb/㎡]
ℓ : 도체의 길이[m]
즉, B는
에 비례하므로, 전자기계력은 단락전류의 자승에 비례하게 된다. 또한 어떤 거리를 둔 두 개의 도체에 단락전류가 흐르면 전류의 상호작용에 의해 각 도체에 전자력이 작용한다.
전류가 같은 방향으로 흐르면 흡인력, 반대방향이면 반발력이 되며 그 힘의 크기는 아래 식으로 주어진다.
[kg/m]
Im : 전류파고값[A] D : 케이블 중심간격[m]
K : 케이블 배열에 따른 계수
(2) 계산예
병렬배치에서 케이블 중심간격이 20[㎝]인경우 50,000[A]의 단락전류가(파고 값) 흐르면
[kg/m]
가 되어 케이블 1[m]당 220[kg]의 힘이 가해지게 된다.
2. 중성점 접지방식과 보호시스템
특고압 수용가는 일반적으로 계약전력이 100[KW]이상 10[MVA]미만의 용량과 수전전압 22.9[KV]인 수용가와 계약전력이 10[MVA]이상의 용량과 수전전압 154[KV]인 수용가로 대별되며, 변전설비에 따라서 1 Step(직강식 : 특고압에서 저압)의 방식과 2 Step(다단식:특고압에서 고압으로 배전, 로칼 변전실에서 고압에서 저압)의 방식으로 구별되고, 전자는 주로 1000[KW]이하의 소규모에 적용되고 중대용량의 설비에서는 주로 2 Step방식을 적용한다. 계통 접지방식에 의한 수배전 전압과 계통 접지방식은 다음과 같다.
직접접지방식 : 22.9[KV]-Y, 440/254[V]-Y, 380/220[V]-Y, 208/120[V]
비접지방식 : 22[KV]-△, 3.3[KV]-△, 6.6[KV]-△, 440[V]-△, 220[V]-△
중성점 접지 목적
① 아크지락 등에 의한 이상전압 방지, 기기나 선로 절연경감
② 지락전류 억제 및 유도장해 경감
③ 지락 계전기 동작을 확실히 한다.
2.1 중성점 접지방식 비교
구 분 |
직접접지 |
비 접 지 |
고 저항접지 |
중성점 저항 |
Z = 0 |
Z = ∞ |
Z = R |
유효접지전류 |
수백 - 수천[A] |
380[mA] |
5 - 100[A] |
1선지락 시 건전상 전위상승 |
1.3E |
3 |
3 |
유도장해 |
大 |
小 |
中 |
1) 직접접지 방식
비접지 방식과 정반대의 시스템 특성을 갖는 것이 직접접지 방식이다. 중성점 직접접지방식의 특성은 다음과 같이 요약된다.
① 1선지락 사고 시 건전상의 전위상승이 거의 없으므로
- 선로의 절연레벨을 낮출수 있다.
- 관련기기의 절연레벨을 낮출 수 있다.
② 1선지락 고장전류가 대단히 크므로
- 지락전류가 너무 커서 시스템에 미치는 영향이 너무 크면 중성점에 저항을 통한 이른바 저항접지 방식을 고려 하여야 한다.
- 보호계전기의 동작이 신속, 확실하다.
- 차단기의 차단용량이 커진다.
- 계통 직렬기기(CT, 케이블 등)의 열적 기계적 강도의 검토가 필요하며, 시스템 전체에 큰 영향을 준다.
- 통신선에 대한 유도장해 대책 검토 필요
- 아크지락 사고 시에도 이상전압의 발생은 거의 없다.
이러한 특성과 차단기 성능의 향상으로 이 방식을 많이 채용하고 있다.
2) 비접지 방식
중성점을 접지하지 않는 방식이다. 변압기의 결선이 델타결선(△)인 경우와, 성형결선(Y)이라도 중성점이 접지되지 않는 시스템은 비접지방식이다.
그 특징은 다음과 같다.
① 1선지락 사고 시에 건전상의 전위상승이 높아 시스템 절연에 영향을 준다.
② 1선지락 고장전류의 대부분은 전로의 대지정전용량에 의한 충전전류이며 이 값이 적은 경우에는 다음과 같은 영향이 있다.
- 시스템에 미치는 영향이 적다.
- 통신선에 대한 유도장해의 영향이 작다.
- 고장전류가 작으므로 계속운전에 지장을 주지 않는다.
- 고장전류가 작으므로 보호계전기의 동작이 곤란하다.
③ 지락사고 시 건전상의 전위상승에 의한 절연의 부담과 충전전류에 의한 간헐 아크지락 사고 시 매우 높은 이상전압이 발생될 수 있다.
비접지 방식의 이러한 특징으로 인하여 작업의 연속성을 요구하는 제조공장의 구내 배전전로, 화학공장, 초고층 빌딩에 적용된다.
3) 고저항 접지방식
1선지락 전류는 접지방법과 접지계통 운영에 의해 결정된다. 일반적으로 전력계통의 고장사고는 3상단락에 비해 1선지락사고가 대부분을 차지하고 있으며(전체사고중 약 70% 이상을 차지), 적절한 접지를 통해 대지전압의 이상상승을 억제하고, 보호계전기에 의한 지락고장 전압․전류를 검출, 고장구간을 자동선택 차단하여 전력기기의 손상과 사고파급을 방지하고 있다.
계통접지는 중성점 접지방식에 따라 비접지, 직접접지, 저항접지 등으로 나눌 수 있으며, 직접접지인 경우 1선지락고장 시에는 비교적 건전상의 전압이 낮고 이상전압의 발생이 적으며, 지락 보호계전기가 확실한 동작을 할 수 있지만 반면에 지락전류가 커서 통신선에 전자유도장해를 일으키거나 설비사고를 일으킬 수 있다.
즉, 직접접지 방식에서는 지락사고 시 대전류의 고장전류가 흘러 설비사고를 일 으킬 우려가 많으며, 지락사고 시 5~10%의 순간전압강하가 10~20sec 정도 지속 되면 정밀기기에 Memory의 손실, 오제어 등의 장해를 유발할 수 있다.
또한 비접지로 운전되는 계통에는 단순히 생각하면 지락사고가 발생하여도 지락 전류가 흐르지 않아야 되지만, 실제에 있어서는 전력 케이블과 대지간에 존재하는 정전용량으로 인하여 충전전류가 흐르며, 케이블 길이의 장단에 따라 충전전류의 크기가 서로 다르나 이 충전전류와 부하에 의해서 가변되는 인덕턴스 성분의 전류사이에 공진현상을 일으켜 매우 짧은 시간에 대단히 큰 과도이상전압을 유기시킨다.
이것은 주로 차단기의 개폐 시나 아크지락사고 시에 발생되며, IEEE Std 242에 의하면 정상전압의 6~8배의 높은 Surge 전압이 유기되어, 전기설비중에서도 절연내력이 가장 취약한 기기에 침입하여, 절연을 열화시켜 수명을 단축시키고 소손사고를 일으켜 생산공정을 중단시키며, 심지어는 2~3대의 전동기가 동시에 소손되기도 한다.
고저항 접지방식의 개념은 지락사고 시 변압기의 중성점을 통하여 돌아오는 지락사고전류를 제한하는 것인데, 지락사고전류가 총 충전전류와 같거나, 조금 크게 흐르도록 제한을 한 전력계통이라고 정의할 수 있다.(그림2-1참조)
따라서, 과도이상전압 억제 및 큰 지락전류를 배제할 수 있는 고저항 접지방식을 잘 이용하면 지락사고 시에도 조업중단이 되지 않으며, 전기불꽃에 의한 화상을 최소화하는 등 전력설비 유지보수에 많은 잇점을 가져다 주므로 연속공정의 대규모 공장에 적용 시 매우 유리한 접지방식이라 할 수 있다.
표1-1에 산업용으로 가능한 접지방식들에 대하여 비교를하였다.
[그림 2-1] 고저항 접지계통
(저압계통 고저항 접지 예)
[그림 2-2] 저압계통의 고저항접지 계산
600V이하 저압계통에서 Ig를 1~5[A]로 하면
여기서,
로 할 때
[Ω]
[표 2-1] 산업용으로 사용 가능한 접지 방식
2.2 직접접지방식의 보호계전방식
1) 특고압 중성점 직접접지방식의 보호계전 방식
1선지락 시 중성점 직접접지의 경우 선로임피던스를 무시하면 지락전류는 3상단락전류와 동일하며 영상임피던스가 적을 경우에는 지락전류가 3상단락전류보다 큰 경우가 발생할 수 있는 특징이 있으므로 보호계전 System에서 CT의 과전류정수와 차단기의 차단용량 선정 시 충분한 검토가 필요하며 보호계전방식은 다음과 같다.
(1) 단락보호 및 지락보호는 공히 과전류 계전방식으로 과전류 계전기(OCR : 51)를 각상에 설치하며, 지락사고의 검출은 CT 3개의 잔류회로에 지락과
전류 계전기(OGR : 51N)를 결선하여 사용한다.
[그림 2-3] 특고압 중성점 직접접지방식의 보호계전방식
(2) 설계 시 고려사항
① 고장전류를 계산하여 원활한 보호협조를 기한다. 전원측의 Recloser, 수전용 개폐기의 ASS 또는 Power Fuse와의 원활한 보호협조를 충분히 검토한다.
② 수전측에 설치되는 OCR 및 OCGR의 특성은 강반한시 특성을 선정한다.
③ 수전측의 보호계전기용 CT는 수전용 차단기 1차측(한국전력공사측 선로)에 설치하여 보호구간을 확보한다.
④ CT의 과전류내량과 전선로등의 열적, 기계적강도를 충분히 검토한다.
⑤ CT의 2차 배선은 대전류나 Surge등에 의하여 오동작 또는 오부동작이 되지 않도록 충분한 굵기와 차폐등을 고려한다.
⑥ CT의 배선이 길어지면 CT 2차의 정격전류를 1[A]로 한다.
⑦ CT의 2차측의 접지는 배전반 측에서 실시한다.
⑧ 잔류회로에 의한 지락과전류 계전기는 평상시 불평형 부하전류로 인하여 오동작할 우려가 있으므로 특히 주의하여야 한다.
⑨ 특히 구형의 수배전반 에서의 보호계전기는 시험용 단자의 접촉불량도 오동작의 원인이 되므로 주의한다.
(3) PT, CT의 선정 설계 예
1500[KVA] 22.9[KV] 수전설비의 CT선정은 아래와 같다.
① 최대부하전류
[A]
② CT의 정격1차전류 선정
정격1차전류는 회로의 최대부하전류를 계산하여 여유를 두어 선정한다. 수전회로와 변압기의 보호는 최대 부하전류의 125[%]~150[%]에서 선정한다.
37.8 × 1.5 = 56.7[A]이므로 표준정격의 60/5[A] 선정
③ CT의 정격부담
CT의 2차측에 연결될 계기와 보호계전기 등의 총부담 보다도 CT의 정격부담이 반드시 커야 한다. 보통 일반적인 부담은 강반한시형(Very Inverse Type)인 경우 최대 정격부담이 17[VA](경보전기 OCGR)이고 계기(전류계, 전력계, 역률계)의 부담과 배선의 부담을 고려하여 표준의 정격부담에서 결정된다. 정격부담은 40[VA]로 산정한다.
수전점의 기준용량을 100[MVA]라하면 기준전류는(2,521[A]) 단락고장 지점에서의 전원측까지의 총 %임피던스를 %Z = 50(전원측 %Z+전선로 %Z+CT 및 기타기기 %Z) 비대칭계수를 (X/R값에 의해서 기술자료 표에서 구해진다) 1.3으로 하였을 때 과전류 정수는 다음과 같이 산출된다.
Ⓐ 대칭 단락전류(실효치)를 구한다.
[A]
Ⓑ 최대 비대칭 단락전류(실효치)를 구한다.
[KA]
Ⓒ 최대 비대칭 단락전류값을 기준하여 PF동작시간(0.03초)에 있어서의 단시간 과전류 값을 구한다.
[A]
Ⓓ CT의 과전류강도(정수)를 구한다.
(표준의 정격에서 선정)
CT의 과전류정수와 CT 2차의 부담의 곱은 거의 일정하므로 부담이 커지면 과전류정수는 저하하는 것을 의미하며, 반대로 큰 과전류정수가 필요할때는 부담을 줄임으로써 목적을 달성할 수 있다.
과전류정수가 너무 크게되면 CT 2차측에는 사고전류에 비례한 큰 전류가 흐르게 되어 계전기의 열적, 기계적내량이 문제가 되는 수가 있으므로 주의하여야 한다.
④ CT의 설치 위치는(내선규정의 표준결선도 7-5-가 참조) 주차단기 1차측에 설치한다.
⑤ 보호계전기의 선정
보호계전기는 과전류계전기의 강반한시 형(Very Inverse Type)을(순시요소부 OCR) 선정한다. (한국전력공사와 충분히 협의하여 보호계전기를 정정한다.)
2) 저압 중성점 직접접지 방식의 보호계전 방식
저압측은 관련법에 의해서 반드시 중성점을 접지하도록 다음과 같이 규정되어있다.
사용전압이 300[V] 초과하는(전기설비기술기준 26조, 27조) 특별고압전로 또는 고압전로와 저압전로를 결합하는 변압기의 저압측에 중성점이 있는 경우에는 중성점에 제2종 접지공사(계통접지)를 하고, 중성점이 없는 경우에는 1차와 2차 권선간에 고저압 혼촉 방지판이 있는 변압기를 사용하고 그 혼촉 방지판에 제2종 접지공사를 하여야한다.
변압기 2차측의 과부하 및 단락보호는 과전류계전기, ACB(기중차단기), 단락보호는 MCCB, Fuse를 적용하며 지락보호는 다음과 같이 한다.
(1) 440/254[V]-Y 결선의 중성점 직접접지 보호방식
① CT를 Y결선하여 잔류회로를 이용하는 방식(CT의 정격1차전류가 300[A]이하인 경우 적용한다.)
② 변압기 2차측 CT의 정격1차전류가 300[A]이상인 비교적 시설용량이 큰 곳에는 다음과 같은 보호방식을 적용한다.
- 중성점의 2종접지선에 CT비가 100/5[A] 정도되는 지락검출용 CT를 설치하고, 지락과전류 계전기를 사용하여 보호하는 방법이 있다.
- 3권선 CT를 이용하는 방식으로 2차권선은 Y결선하여 OCR을 접속하고, 3차권선은 영상분로 접속하여 지락전류를 검출하는 방식이 있다.
이 때의 3차권선의 CT비는 100/5[A]이며 3차권선을 통하여 검출되는 지락전류는 3IO가 아니라 IO이다.
③ 누전차단기를 설치하여 보호한다.
[그림 2-4] 300/5 이하 잔류회로 방식
[그림 2-5] 저압의 중성점 CT방식
[그림 2-6] 3상 영상분로 방식
(2) 설계 시 고려사항
① 2차권선은 Y결선 후 잔류회로를 만들지 말아야 하며 2개소의 접지가되지 않도록 주의하여야 한다.
2차 권선의 잔류회로를 연결하면 1선지락 고장 시 영상전류가 2차권선 잔류회로로 귀환 되므로 3차권선에는 영상전류가 흐르지 않게 되어 OCGR은 동작하지 않는다.
② 분기회로에는 회로의 정격과 기술기준에 따라서 지락차단 장치를 설치하여야 한다.(예 : 누전차단기 설치)
(3) 380/220[V]-Y 결선 및 기타 중성점 직접접지
① 440/254[V]-Y결선의 중성점 직접접지 방식과 동일하게 한다.
반드시 지락차단 장치가 필요하지 않으나 전기안전을 고려하여 설치하는 것이 바람직하다.
② 분기회로에는 회로의 정격과 기술기준에 따라서 지락차단 장치를 설치하여야한다.(예 : 누전차단기 설치)
2.3 비접지방식의 보호계전 방식
1) 특고압 비접지방식의 보호계전방식
대지전압이 300[V]이상의 구내 전력계통에는 계통접지를 하지 않는다.
22[KV], 6.6[KV] 비접지 계통은 지락사고 전류가 작아서 설비사고로 확대되지는 않으나 투자비와 1선지락 시 건전상의 전위상승과 1선지락전류를 억제하기 위하여 22.9[KV]-Y 또는 6.6[KV]의 중성점에 저항기(NGR : 6.6[KV] 기준저항은 38[Ω]-10[Ω], 전압은 선로공칭전압의
, 정격전류 100-500[A], 정격 단시간 10-30초)를 접속하여 접지하는 이른바 저항접지방식도 적용된다.
(1) 단락보호
3.3[KV]-△, 6.6[KV]-△, 22[KV]의 계통에는 과전류 계전기로 보호된다. CT 2대로 V결선하여 A상과 C상에 계전기를 접속한다. AB상 단락고장 시 A상의 계전기의 순시요소가 동작되며, BC상 단락고장 시에는 C상계전기가 각각 동작하게 되므로 2대로 단락고장이 모두 보호되지만 선로길이가 길 경우에는 신뢰도를 고려하여 OCR 3대를 사용하는 것이 좋다.
[그림 2-7] OCR에 의한 보호
(2) 지락보호
특고압 비접지계통에서는 GPT를 이용한 영상전압으로 OVGR(지락과전압 계전기)또는 ZCT와 조합으로 SGR(선택접지계전기)을 설치하여 보호한다. 소규모의 단독회로에는 GR(고압지락계전기)을 사용하기도한다.
[그림 2-8] 특고압 비접지계통 지락보호
(3) 설계 시 고려사항
① SGR은 GPT에서 영상전압과 ZCT에서 영상전류를 감지하여 그 위상차에 의해서 동작되는 원리의 방향성 보호계전기이므로 결선이 잘못되어 극성이 바뀌면 부동작하게 된다. 반드시 아래 [그림 2-9]를 참고로 결선하여야 한다.
[그림 2-9] SGR 결선도 및 내부회로도
② 사용전압에 적합한 용량의 CLR(한류저항)을 선정하여야 한다.
(정격 영상 3차전압이 190[V]인 경우 3.3[KV] : 50[Ω]-1[KW], 6.6[KV] : 25[Ω]-2[KW]로 한다.)
③ 케이블의 쉴드 접지선은 전원측에서 ZCT를 반드시 관통 접지하여 영상전류를 검출할 수 있게 하여야 한다.
④ ZCT의 배선은 소세력의 전류(200[mA]/1.5[mA])이므로 유도장해를 받지 않도록 쉴드 차폐선(1.6[mm]이상의 Shield선을 사용하고, Shield선 접지)을 사용하여야 한다.
⑤ ZCT의 배선은 대전류 도체에 접근(30[cm]이상 이격)되지 않도록 한다.
⑥ ZCT의 시험용 단자는 시험시 외에는 필히 개방하여야 한다.
⑦ ZCT의 변류비의 표준은 200[mA]/1.5[mA]이며 임피던스는 5[Ω]-10[Ω]로 낮으므로 접속하는 부하가 크면 영상 2차전류가 감소되므로 주의하여야 한다.
⑧ GR 계전기는 ZCT의 영상전류에 의해서 동작되므로 전원측의 배선이 짧은 회로에는 접지 콘덴서를 설치하여 영상 전류를 확보하여야 한다.
(3.3[KV]-0.6[㎌], 6.6[KV]-0.3[㎌] 국내 : 10[KVA] 적용)
(4) CLR의 설치목적(GPT의 OPEN△단자에 설치)
▪ 계전기 구동에 필요한 지락전류의 제한
▪ SGR에 유효지락전류 공급
▪ 계통의 이상지락 시 중성점 불안정 현상의 방지
▪ 제3고조파 억제 및 계통 안정화
[그림 2-10] GPT의 CLR설치도
(5) 최근에는 구내 배전선로에 대부분 전력 케이블을 사용하므로 계통의 충전전류가 증가되어 지락사고 시 GPT의 영상전압이 OVGR이나 SGR의 동작전압과 동작 위상각 보다 부족하여 계전기가 동작하지 않을 수 있으므로 주의하여야 한다.
2) 저압 비접지방식의 보호계전 방식
최근 건축전기설비의 규모가 증대함에 따라 저압계통의 용량이 계속 증가되며 이에 따라서 배전전압도 380/220[V] 3상4선식, 440[V] 3상3선식 등으로 높아지고 있으며, 계통사고는 수전측 보다 오히려 부하측이 많다.
저압측의 사고는 감전사고 또는 화재발생등 큰 사고로 발전될 수 있으며 단락사고 시 차단기의 차단용량 부족으로 기기폭발 사고도 발생되므로 이에 대한 보호계전방식은 매우 중요하다.
변압기 2차측의 과부하, 단락보호는 과전류계전기, ACB(기중차단기), 단락보호는 MCCB, Fuse를 적용하며 지락보호는 다음과 같이한다.
(1) 440[V]-△ 비접지 계통의 지락보호
이 계통의 지락보호방식으로는 GPT를 이용한 OVGR 계전기, 접지형 콘덴서와 ELB(누전차단기)를 설치, GPT와 ZCT를 이용한 SGR, GPT와 OVGR(지락과전압 계전기)+SGR을 직렬로 연결하여 방향성을 갖게하는 방법등이 있다.
① 영상전압의 크기
▪ 지락지점저항 Rg가 클수록 = 지락 시 GPT의 3차측에 나타나는 영상전압은 작다.
▪ 충전전류 Ic가 클수록 = 지락 시에 GPT의 3차측에 나타나는 영상전압은 작다.
▪ 계통의 접지저항 Ro가 작을수록, 즉 GPT의 설치개소가 많아 병렬회로 임피던스 값이 작아질수록 1선 지락 시에 GPT의 3차측에 나타나는 영상전압은 작다.
② 계통의 지락전류 감도는
일반적으로, 3.3[kV] 계통에서의 지락저항 Rg가 3(kΩ) 정도, 6.6[kV] 계통에서는 지락저항 Rg가 4~6(kΩ) 정도를 검출할 수 있는 것이 좋다.
③ GPT 3차 오픈△ 양단에 연결하는 한류제한저항 CLR의 크기는
3.3[kV] 비접지계통 : 190[V] 50[Ω]
6.6[kV] 비접지계통 : 190[V] 25[Ω]
[그림 2-11] 접지형 콘덴서와 ELB를 이용한 지락보호방식
[그림 2-12] GVT와 OVGR + SGR을 이용한 지락보호방식
3. 고장 사례 해석
3.1 CT의 2차 부담부족과 계전기(OCR)의 동작지연
6.6KV 모선에서 3상단락 사고가 발생하였다. 그러나 OCR이 순시 트립되지 않아 인출 VCB가 폭발하고 주변압기가 소손되었다. 사고후 릴레이 개체 시험결과 릴레이는 이상이 없었다. 원인과 대책은 무엇일까?
1) 설비내용
(1) 전력계통상황 <그림 1>
(2) 릴레이(OCR)의 동작(정정) 특성곡선 <그림 2>
<그림 1> <그림 2>
(3) 릴레이 정정
- 전류 Tap : 5A
정격 1차전류 :
A
CT 2차 전류 :
- 반한시 특성 : <그림 2>의 반한시 특성곡선 선택
2) 원 인
6.6KV측 사고전류는 19882A(900%)가 흘렀으나 CT의 2차부담 초과로 릴레이가 감지하는 전류는 18A(360%인 9000A)만 감지하게 되어 900%인 0.08sec에 동작하지 못하고 360%에 동작하게 되어 약 1.0sec동안 사고가 지속되므로 변압기와 차단기의 약한 부분이 파괴된 것으로 판단됨.
3) 대 책
(1) CT의 교체
- Burden을 15VA에서 40VA 5P10으로 교체하던가
- 또는 15VA 5P10에서 25VA 5P20으로 교체한다.
(2) CT의 2차 콘트롤 케이블을 3.5mm에서 22mm2 이상으로 교체한다.
(3) 위의 (1), (2)의 대책중 어느 1가지를 선택하면 단락사고 시 릴레이는 900% 0.08sec 내에 트립할 것이다.
※ CT의 정격 표시방법
Burden, 오차합계, 과전류정수의 순으로 표시함.
“예” 25VA 5P20
│ │││
│ ││└─ 과전류정수
│ │└── 보호계전기용
│ └─── 오차율(과전류 정수 20에서)
└────── 부 담
4) 이론적 배경
(1) CT의 일반적 특성
CT는 1차에 전류가 증가하면 2차 권선에서는 1차전류에 비례하는 전압이 유기된다. 그러나 계속 전류가 증가하게 되면 철심이 포화되어 그 이상은 2차전압이 증가되지 않는다. 따라서 이 포화점까지만 2차전류도 1차전류에 비례하여 흐르게 되며 이는 정격부담 및 정격 과전류정수와 밀접한 관계가 있다.(그림 2)
- 정격부담[VA] : CT의 2차에 VA로서 걸 수 있는 임피던스로서 I2Z를 의미
- 정격 과전류정수 : 포화되지 않고 흘릴 수 있는 사고전류의 정격전류에
(2) 개략적인 단락전류 계산
- 154KV 전원측 한전의 전원은 무한대 Soure로 간주
- 케이블 임피던스 무시
A
여기서 IS : 3상 단락전류 In : 정격전류
(3) 정격전류에 대한 배율
[%]
(4) CT의 2차부담
- 15VA 5P10 CT에 CT 포화없이 걸수 있는 부담한계(3ψ4선식 경우)
<그림 3>
[Ω]
- 이 CT가 포함없이 낼 수 있는 2차 전압 한계치
V
(5) CT의 2차회로의 부하 부담
- OCR 전류코일 10VA 경우
- 콘트롤 케이블 3.5mm2/187m(편도)
Ω
합계부담 :
Ω
(6) CT 포화없이 흘릴 수 있는 전류한계
A
(7) 정격전류에 대한 포화전류의 비
[%]
1차 환산전류 : 2500 × 3.6 = 9000A
(8) 포화없이 동작할 수 있는 Cable(3.5mm2)한계거리
◦ Cable 저항
0.6 - 0.4 = 0.2Ω
◦ Cable 길이
m
◦ 과전류정수 10의 경우
- 5A 통전 시 30 × 10 = 300m
- 사고 시 50A 통전 시 30m 초과하면 정상적인 동작이 불가능하다.
5) 결 론
사고전류는 19882A(900%)가 흐르고 있으나 CT 2차 회로에는 1차로 환산한 9000A(360%)이상은 거의 증가하지 않으므로 900% 고장전류에 해당하는 0.08sec에 동작하지 못하고 360%인 9000A에 해당하는 1.0sec 경과후에나 Trip하게 되므로 사고 전류를 직렬로 흘리는 모든 관련 기기에 손상을 주게된 것이다.
<표 1> 변류기 2차 제어 회로의 편도 길이[m]
<참고> 계기용 CT를 계전기와 계측기에 공동사용 시 문제점
CT는 계통보호의 신뢰성확보에 최우선 요소가 되므로 계기용과 계전기용은 별도의 CT를 사용하는 것이 최상이며 불가피한 경우는 계전기용 CT를 사용하여 계기와 계전기를 겸용할 수 있겠으나, 이 때에 사용되는 계기의 과전류 내량이 최대단락고장 시 CT 2차에 흐를 수 있는 전류보다 커야한다.
또한 경제적인 설계를 위하여 전원 Impedance(변압기+전원)가 커서 3상단락 전류가 300%이하의 소용량 수전설비 계통에는 계기용 CT를 계전기와 계기에 공용으로 사용하여도 큰 문제는 없을 것이다.
항 목 |
계 측 기 용 |
계 전 기 용 |
오 차 |
0.1~5% 정격전류에서의 오차이며 과전류에 대해서는 없다. |
“예” 5P10 : 정격전류에서 1% 정격전류의 10배에서 5% 10P20 : 정격전류에서 3% 정격전류의 20배에서 10% |
과전류정수 |
규정이 없으며 적을수록 좋다. |
N = 5, 10, 15, 20, 30 |
3.2 3권선 CT사용 시 3차권선의 영상전류 검출방식 선택 잘못
22.9KV로 수전하여 440V로 공급하는 저압 전력계통의 Feeder 1에서 단락고장이 발생하였다. 해당 Feeder의 OCR이 Trip되지 않고 변압기 Main Feeder의 OCR이 Trip되어 정전 범위가 확대되었고 평상시에는 CT가 과열되었다고 한다. 계전기 개체 시험결과 해당 계전기에는 이상이 없었으며 계전기 정정값도 Main쪽으로 사고 파급이 될 수 없도록 되어 있었다.
1) 현 황
(1) 전력계통의 지락보호
고압이상의 직접접지 계통에는 지락고장 시 지락전류값이 크므로 CT의 잔류회로에 의해 검출이 가능하나 접지계통이거나 저압의 경우는 부하전류에 비하여 지락전류가 적어서 완전지락 상태가 아닌 지락저항을 통하여 고장이 발생될 경우 고장전류가 적어서 변류비가 큰 CT의 잔류회로로 검출이 어려운 경우가 많다.
따라서 3권선 CT를 사용하여 2차권선은 단락고장용으로 사용되고 3차권선(권선비100/5)은 지락보호에 이용하는 것이 편리하므로 많이 이용되고 있으나, 3차 권선의 영상전류 검출회로 결선방법에 따라 2권선 CT에서는 사용에 아므런 문제가 없는 결선법이 3권선 CT의 경우는 문제가 발생하게 되는 것이며 <그림 1>과 같이 결선 할 경우 부하전류가 증가하여 200A 이상이 되면 CT 3차권선에 정격(5A) 이상의 전류가 흐르게 되므로 과열하게 되고 전류분포는 3차권선으로 분류되므로 2차권선(과전류 계전기와 직렬)으로는 적은 전류가 흐르게 되어 단락고장 발생 시 과전류 계전기가 부동작 하게 되는 것이다.
(2) 설치 법적근거
① 전기설비 기술 기준령 45조(지락차단장치 등의 시설)
② 특별고압전로 또는 고압전로에 변압기에 의하여 결합되는 사용전압 400V 이상의 저압전로(발전소 및 변전소와 이와 준하는 곳에 있는 부분의 전로를 제외한다.) 에는 전로에 지기가 생겼을 때에 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하여야 한다.
③ 고압 및 특별고압전로중 다음 각호에 열거하는 곳 또는 이에 근접한 곳에는 전로에 지기가 생겼을 때 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하여야 한다.
㉮ 발전소, 변전소 또는 이에 준하는 곳의 수전점
㉯ 다른 전기 사업자로부터 공급받는 수전점
㉰ 배전용 변압기(단권 변압기를 제외한다.)의 시설장소
(3) 계전기정정
설치장소 |
계전기 |
C.T비 |
Tap |
동작시간 |
3상단락 예상전류 |
비 고 | |
순시% |
한시레버 | ||||||
변압기 2차 Main |
OCR |
800/5 |
6 |
․ |
1 |
9100 (900%) |
예상동작시간 : 0.34s |
Feeder 1 |
OCR |
600/5 |
7 |
700% |
1 |
9100 (1100%) |
예상동작시간 : 순시동작 |
OCGR |
100/5 |
2 |
500% |
1 |
9100 |
|
<그림 1> 계 통 도
2) 고장파급 및 CT과열 원인
(1) 과열 원인
부하전류가 300A 흐를 경우 각 CT의 3차권선에는 7.5A가 흐르게 되고 정격전류는 5A이므로 과열하게 되는 것이며 3차권선의 잔류회로(OCGR)에는 A,B,C상의 합성전류가 흐르게 되므로 그 값은 “0”이 된다.
3권선 CT의 전류분포는 암페어 턴의 원리에 의해
가 성립되어야 하므로 3차권선에 흐르는 전류는
A
(2) Feeder 1 OCR이 Trip하지 않고 변압기 2차의 OCR이 Trip한 원인
즉, Feeder 1의 2차권선 OCR에 흐르는 전류는
정정전류에 대한 배수 : 38/7 = 5.4배
실제 고장전류는 11배(1100%)정도 이나 Relay가 감지하는 고장전류는 5.4배(540%)에 불과하므로 순시 동작되어야 할 계전기가 540%에 해당하는 0.34sec가 경과 되어야 Trip하게 되므로 변압기 2차 OCR이 900%에서 0.22sec에 Trip하게 된 것이다.(<그림 2> 참조)
<그림 2> 3권선 CT의 오결선 사례
3) 대 책
(1) 선간 전류(평형부하, 2상, 3상단락)는 3차권선(OCGR)에는 흐르지 않아야 하고 2차권선(OCR)으로 해당전류가 흘러야 한다.
(2) 지락전류는 3차권선(O.C.G.R)으로 해당전류가 흘러야 한다.
이렇게 되기 위하여는 <그림 4>와 같이 3차권선을 직렬로 연결하여 평형전류(2상, 3상)는 3차권선에 흐를수 없도록 결선한다.
3차권선에는 A,B,C상의 합성전류가 흐르게 되므로 직렬로 연결하면 A,B,C상의 전류가 동일하여야 하므로 각 CT권선의 전류와 OCGR이 결선된 외부회로의 전류가 동일하며 평형전류(2상, 3상)에는 “0”이고, 1선지락 전류는 1차전류×CT비×1/3이 감지된다.
따라서 이값을 감안하여 계전기를 정정하면 된다.
4) 3권선 CT 전류분포
(1) 정결선 시 전류 분포
A상 1차에서
가 흐르면 2차 3차의 합이
이 되어야 하고 2차 A상에
3차에
가 흐르게 되며 3차권선 B,C상은 각각
가 흐르게 된다. 또한, 2차권선 B,C상은 각각
가 흐르게 되어 평형이 되고 합성 암페어턴(IN)이 0이 되게 되어 자기포화는 없고 안정하게 사용할 수 있다.(<그림 3>참조)
※ A상의 2차권선 전류와 3차권선 전류의 방향이
로 동일 하고 B,C상의 2차권선과 3차권선의 전류방향이
로 서로 반대 방향인 것은 A상의 2,3차권선의 전류는 1차권선에 의하여 만들어진 자속
에 의해 흐르게되고 B,C상은 1차권선의 전류가 0이므로 2차권선의 자속
에 의해 3차권선의 전류가 흐르게 되므로 a상의 1차권선의
와 2차권선과 3차권선에서 만들어지는 IN의 합과 동일 하여야 하기 때문이다.(<그림 3>참조)
A상은
가 되고
B,C상은
와 같이되어 암페어 턴의 원리가 성립된다.
<그림2>와 같이 결선하면 3차권선의 A,B,C상은 외부 잔류회로(OCGR)을 통하여 전류가 흐를 수 있으므로 평형부하 시 (2,3상)외부 잔류회로에는 전류가 “0”이 되어도 권선 자체에는 해당 전류가 흐르게 되므로 OCR(2차권선)의 부동작 및 CT의 3차권선 과열현상이 발생하게 된다.
(2) 오결선 사례 2
<그림 5>와 같이 2차권선의 잔류회로를 연결하면 1선지락 고장 시 영상전류가 2차권선 잔류회로로 귀환되므로 3차권선에는 전류가 거의 흐르지 않는다. 따라서 OCGR은 동작할 수 없다.
(3) 3권선 CT의 등가회로
<그림 5> 등가회로
1차전류 I1은 부하용량에 따하 정해지고 2차 3차 부하에 좌우되지 않으며 2차권선(OCR) 3차권선(OCGR)의 전류는 등가회로에서 알 수 있듯이 각회로의 Impdence에 의해 분류비만 결정된다.
3.3 비접지 계통의 충전전류 과대(Cable 다량사용)에 따른 SGR, OVGR 부동작
6.6㎸ 비접지 계통에 1선 지락사고가 발생하였다. 선택지락 계전기가 동작되지 않고 GPT가 소손되었다. 선택지락 계전기는 유도형을 사용했으며 개체시험 결과 계전기에는 이상없이 정상 동작이 되었다. 원인과 대책은 무엇일까?
1) 지락보호계통 및 사고전류 분포상태
(1) 계통도 <그림 1>
(2) 기기정수
♠ GPT정격
- 정격전압 :
- 정격용량 : 200VA×3대
- 제한저항 : 25Ω
- 절연특성 : 6.6㎸, 1선 지락 시 30분 사용가능
♠ 선로정수
- 피더 1 : CV, Cable 325㎟ 1Φ 3선×4km
CV, Cable 150㎟ 1Φ 3선×4km
- 피더 2 : CV, Cable 325㎟ 1Φ 3선×4km
CV, Cable 200㎟ 1Φ 3선×4km
- 피더 3 : CV, Cable 250㎟ 1Φ 3선×4km
CV, Cable 100㎟ 1Φ 3선×4km
(3) 릴레이 특성
♠ SGR
- 정격전압 : 190V
- 최소동작전류(최대감도) : 위상각 진상 37도, 정격전압에서 150mA
- 최소동작전력 :
♠ OVGR
- Tap : 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65V
- Setting Tap : 35V
2) 원인분석
우리나라에서 과거 한국전력공사의 전력계통이 3.3㎸, 6.6㎸, 22㎸ 비접지 계통운영 당시 가공선이 대부분이었고 현재는 22.9㎸ 다중접지 계통으로 변경되었으며 비접지 계통은 공장의 구내배전 또는 지하철 한전 일부설비에 사용되고 있으나 과거와는 달리 대부분의 배전계통이 케이블로 구성되어 있다.
그러나 전력계통의 근간이 되는 한국전력이 비접지 계통을 체택하지 않고 있으므로 비접지 계통 보호방법에 대해 관심있는 기술자가 적고 비접지 가공선로 계통보다 케이블 사용계통에서는 검토될 사항이 많음에도 불구하고 심도있게 검토하여 적정한 보호방법을 선택하지 못하고 있는 듯하다.
과거 한전에서 비접지 계통에 채택하던 선택접지 계전기는 가공선에 사용하는 것이 대부분이었으므로 영상전류값만 동작치 이상이 되면 영상전압 검출에는 문제가 없고 릴레이 동작에 지장이 없었으나, 최근에 사용되는 대부분의 비접지 계통은 케이블을 사용하게 되어 케이블 충전전류가 큼으로 영상전압이 너무 적게 나타나게 되므로 지락저항의 값이 높게되면 동작하지 않게 된다.
<그림 1>
(1) 건전상에 이상전압 발생
사고선로가 차단되지 않으면 건전상의 대지전위가 상승하게 되고 정상 상태,
, 1선 완전지락 시 건전상의 대지전위는 6.6㎸(
배)까지 (영구사고지속), 과도상태 지락점 Arc지락 시(간헐 Arc지락)는 3.5배까지 건전상의 전압이 상승한다.
(2) GPT의 과부하
GPT는 정상운전상태에서는 정격전압
에 적정한 여자전류만 흐르게 되지만, 1선 지락이 발생하면 유효분 영상전류가 흐르게 되며 이 영상전류의 크기는 제한저항과 지락저항, 충전용량에 영향을 받게 된다.
그러나 가장 큰 직접적인 영향은 제한저항의 값에 따라 좌우되며 제한저항을 GPT의 용량에 적합하게 선정하지 못하면 과부하로 GPT가 소손되게 된다.
제한저항은 중성점의 전압 Hunting과 제3고조파 전류 흡수 및 릴레이의 최소동작전류 등을 고려하여 결정하게 되며 이 값에 따라 GPT의 용량이 선정된다.
<그림 2>
(3) OVGR의 부동작
선로의 충전전류가 너무커서 셋팅값(최소값) 35V보다 낮게 나타났으므로 진동 등에 의한 오동작 방지를 위하여 SGR과 직렬로 연결된 OVGR이 동작하지 않았으며 따라서 차단기는 트립될 수 없으며 사고가 지속되면 위 (1), (2),의 원인으로 GPT는 소손하게 된다.
3) 이론적 배경
(1) 정전용량
- 피더 1
325㎟⇒3×0.61×4km=7.32㎌
150㎟⇒3×0.51×4km=6.12㎌
13.44㎌
- 피더 2
325㎟⇒3×0.61×4km=7.32㎌
200㎟⇒3×0.52×4km=6.24㎌
13.66㎌
- 피더 3
250㎟⇒3×0.55×4km=6.6㎌
100㎟⇒3×0.45×4km=5.4㎌
12㎌
(2) 선로의 임피던스를 무시하면 등가회로는 <그림 2>와 같다.
제한저항의 1차 환산값
(3) 사고전류
(4) 릴레이 설치점의 영상전압
여기서,
Delta에 나타나는 전압(영상전압은 a, b, c상 동일한 위상이므로 3배 필요)
(5) 릴레이 설치점의 영상전류
(6) SGR의 동작력
(7) 지락저항 0Ω으로 완전 지락 시
단위 GPT당 흐르는 전류
(8) GPT의 정격전류
4) 결론 및 대책
(1) 문제점
과거 가공선에는 문제가 없던 전력형 선택지락 계전기는 충전전류가 큰 케이블 계통에는 사용하기 곤란하며 또한 오동작 방지를 위하여 기존의 OVGR과 직렬 사용은 더욱 곤란하다.
본계통의 경우는
가) 영상전압
지락사고 저항이 1,000Ω만 되어도 (실제로는 더 큰 경우가 대부분일 것임) 릴레이 감지 영상전압 12.88V(최대 190V)이므로 OVGR 최소정정 35V에 못미치므로 동작하지 않는다.
나) GPT 과부하
완전 지락 시는 242%의 과부하 전류가 흐른다.
다) SGR 동작력
20.47W로 SGR 최소 동작력 28.5W에 못 미치므로 동작하지 못함.
라) 위와 같은 요인으로 사고선로가 차단되지 못하면 건전상의 전압상승 및 과부하에 의해 GPT는 소손하게 된다(현재 국내의 GPT는 지락 시 30분 정격으로 제작됨)
이 같은 계통의 경우 지락사고를 차단하지 못하고 간헐 Arc지락이 계속 될 경우 전력계통에는 이상전압이 Hunting하게 되므로 절연이 약한 기기의 연쇄사고와 정밀 기기의 오동작이 우려되며 결과적으로 사고가 확대되어 단락사고로 진전된 후 과전류 계전기에 의해 차단될 때까지 지락사고는 계속될 것이다.
(2) 대 책
이와 같이 충전전류가 큰 케이블 계통은 초기 설계단계이면 중성점 저항접지계통이 바람직할 것이며 이미 운전중인 경우는 본 검토에서 생략된 각종 선로정수, 연결부하의 종류, 계통의 운전조건 등을 고려하여 GPT의 용량, 제한저항값, 적정한 릴레이로 교체하고 정확한 계통 검토에 의한 릴레이 보호협조 정정이 필요할 것이며 계전기는 전력형 릴레이가 아닌 영상전압과 영상전류가 별도로 동작값을 갖는 정지형 계전기가 바람직하다.
3.4 방향성 계전기(SGR)의 오동작과 GPT, ZCT의 결선 착오
6.6㎸ 비접지 방식의 구내 배전계통에서 #2 피더에 1선지락사고가 발생하였다. 이때 #2 피더와 함께 #1 피더의 선택지락 계전기도 동작되어 트립되었다. 조사결과 #1 피더의 전력선이나 계전기에는 이상이 없었다. 원인과 대책은 무엇일까?
1) 관련되는 기기의 사양의 및 보호계통
(1) 보호계통도<그림 1>
(2) 기기정수
♠ GPT
- 정격전압 :
/
- 정격용량 : 200VA×3대
- 절연특성 : 6.6㎸ 1선지락 시 30분 사용 가능
♠ 제한저항
- 전류감도 : 1선 완전지락 시 1분 사용 가능
♠ 영상 CT
- 영상전류 1차/2차, 200mA/1.5mA
♠ 릴레이 특성
- #1 피더 : CV케이블 325㎟ 1Φ 3선 6km
- #2 피더 : CV케이블 200㎟ 1Φ 3선 3km
(3) 릴레이 특성
♠ SGR
- 정격전압 190V
- 최소동작전류(최대감도) : 위상각 진상 37°정격전압에서 150mA
- 최소동작력 :
= 28.5W
♠ OVGR
- TAP 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65V
- Setting 35V
2) 원 인
영상 CT의 1차권선의 관통방향을 반대로<그림 4> 부착하여 릴레이가 감지하는 영상전류의 방향이 180°반대방향으로 되므로 #1의 충전전류 위상은 영상전압 보다 90°늦은 전류이나 영상 CT가 감지하는 위상은 90°진상으로 된 -I01<그림 2>이 된다.
따라서 사고회선의 전류와 거의 비슷한 방향의 전류가 되므로 오동작하게 된 것이다.
<그림 1>
3) 대 책
(1) BCT나 ZCT같은 링 타입 CT는 부착 시 방향이 바뀌지 않도록 특별히 주의하여야 하며 이 경우는 ZCT를 <그림 3>과 같이 재설치하던가 작업상 곤란한 경우는 ZCT의 2차 단자의 K와 L을 바꾸어서 릴레이에 연결한다.
(2) 영상전류로만 동작되는 전류형 지락계전기는 CT의 극성에 영향이 거의 없으나, 영상전압과 영상전류를 모두 필요로 하는 전력형으로 방향성이 있는 계전기이거나 CT의 잔류회로를 이용하는 영상전류형 지락계전기를 사용할 경우 각 CT의 극성에 특별히 유의하여 설치할 필요가 있다.
<그림 2>
<그림 3> 올바른 설치 <그림 4> 반대방향으로 설치
4) 이론적 배경
(1) 정전용량
♠ #1 피더
325㎟→3×0.61×6km=10.98㎌
♠ #2 피더
200㎟→3×0.52×3km=3.12㎌
(2) 선로 임피던스 무시하면 등가회로는 <그림 5>와 같다.
♠ 제한저항의 1차 환산값 RN
(3) 사고전류
♠ 지락점의 저항을 500Ω으로 가정할 때
(4) 릴레이 설치점의 영상전압
(5) 릴레이 설치점의 영상전류
♠ #1 피더
<그림 5> 등가회로
♠ #2 피더
♠ #1 영상 CT를 정상 설치하였다면
가 되게 된다.
(6) SGR의 동작력
♠ SGR #1
♠ SGR #2
가) 따라서 SGR #1, #2가 모두 최소동작력 28.5W 이상이 된다.
나) 또한 영상전류의 위상각이
의 범위를 벗어나면 아무리 큰 전류가 흘러도 계전기는 방향특성에 따라 동작될 수 없다.
다) 따라서 영상 CT #1의 부착을 바르게 하였다면
의 방향이 -90°방향이 되어 #1 릴레이는 동작하지 않고 사고선로인 #2 선로만 트립하게 되는 것이다.
라) 만약에 #2의 영상 CT의 부착 방향도 #1 CT<그림 4>와 같이 K와 L이 1차전선 통과방향을 반대로 설치하였다면 사고선로인 #1 선로는 트립하지 않고 #2 선로만 트립하게 될 것이다.
4. 케이블 포설 시 문제점 및 대책
4.1 차폐층 접지
1) 차폐층의 역할
고압 CV 케이블에는 안전과 케이블 성능을 고려하여 동 테이프 등으로 금속 차폐층을 설치한다. 이 차폐층은 전압이 절연체에만 균일한 전계가 가해지도록 하여 내전압 성능을 향상시키거나 부분방전 또는 충전전류에 의한 트래킹 현상의 발생을 방지하거나 통신선으로의 유도를 방지하는 등의 중요한 역할을 한다.
그러나 이와 같은 역할을 수행하기 위해서 차폐층은 접지되어 있어야 한다. 만일 비접지 상태라면 케이블 성능면에서 문제가 될 뿐만 아니라 인체에도 위험한 현상이 일어난다.
따라서 접지방식의 선정, 접지하지 않은 경우의 현상 및 제어 케이블 선심의 접지․비접지에 따른 유도전압 변화의 측정 결과를 예를들어 소개하면 다음과 같다.
2) 고압 케이블의 차폐층 접지방식의 선정
고압 케이블의 차폐층 접지방식에는 편단 접지방식과 양단 접지방식이 있는데 어느 방식을 선정하는가는 일반으로 <표 1>과 같은 특징과 적용 예를 기준으로 하여결정한다.
<표 1> 각 접지방식의 특징과 적용 예
접지방식 |
특 징 |
적용 예 |
편단접지 |
․차폐층 회로가 형성되지 않아 전류가 흐르지 않기 때문에 차폐층 의 회로손실은 0이 된다. ․도체전류에 의한 전자유도로 비접지단에서는 접지점으로부터의 거 리에 대응해서 차폐층과 대지 사이에 유도전압이 발생한다. ․써지 침입 시에 비접지단에 이상전압이 생긴다 |
․단심 케이블로 짧은 긍장인 경우 |
양단접지 |
․차폐층의 전위는 거의 0이다. ․차폐층 회로가 형성되기 때문에 차폐층에 전류가 흘러 차폐층의 회로손실이 발생한다. ․3심 케이블이나 트리 플렉스 케이블의 경우 유도전압이 상쇄되어 작은 값이 되며 허용전류면에서의 문제도 없어진다. |
․3심 및 트리 플렉스 케이블 의 경우 ․단심 케이블이라도 허용전 류면에서 충분히 여유가 있 는 경우 |
3) 차폐층을 접지하지 않을 때의 현상
전술한 바와 같이 차폐층 접지방식에는 편단․양단 접지방식이 있는데 여기서는 양단 모두 접지하지 않은 경우의 현상에 대해서 <그림 1>의 6.6kV CV 케이블 구조를 예로 든다. 차폐층의 접지가 정상으로 되어 있으면 도체와 대지 사이에 전압을 인가한 경우 도체와 외부 반도전층 및 차폐 동 테이프(차폐층) 사이가 인가전압과 거의 동일한 전압이 된다. 즉, 차폐층은 대지와 동일한 전위가 되어 안전한 상태로 유지된다. 그런데 접지가 되어 있지 않으면 <그림 2>와 같이 케이블 도체와 차폐층 사이 및 차폐층과 대지사이의 정전용량 C1․C2에 의해 인가전압 V는 그 양단전압 V1․V2로 분할된다.
이들 전압의 크기는 다음 식과 같이 정전용량의 크기에 반비례한다.
실제 부설상태에서는 통상 C1에 비해 C2가 훨씬 작기 때문에 차폐층에 발생하는 전압 V2는 인가전압 V에 가까운 값이 된다. 이와 같이 접지를 하지 않는 경우에는 차폐층에 매우 높은 전압이 발생하여 아주 위험한 상태가 된다. 또한 접지를 했더라도 접지선이 접속 불량이나 단선이 발생한 경우는 접지하고 있지 않은 것과 동일한 상태가 되어 대단히 위험하다.
<그림 1> 6.6kV CV 케이블 구조
<그림 2> 접지되지 않는 경우의 회로도
4) 접지 트러블 발생
이상과 같이 접지는 반드시 적절한 방식(편단 또는 양단)으로 실시되어야 하며 이것을 확실하게 하지 않으면 트러블이 일어날 가능성이 있다.
① 작업 미스
신설 공사 시 나중에 실시하는 보수․점검 시에 차폐층 저항을 간단하게 측정할 수 있도록 처음부터 비접지측에도 접지단자를 설치하거나 단자에 선을 연결하여 뭉쳐 둔 채로 두는 (선에는 아무 것도 연결하지 않고 오픈해 둔다) 경우가 있다. 이 경우 점검 후에 원상태로 되돌리는 데 있어서 접지단이 어느 측 이었는가를 잘 파악해 두지 않으면 틀릴 우려가 있다.
② 설치 불량
접지단․비접지단을 틀리지 않더라도 다음과 같은 경우 트러블이 발생한다.
․접지선과 단자의 압착 불량
․접지선 단자와 케이블 차폐층의 접촉 불량
․접지선에 무리한 힘을 가한다(단선된다)
․비접지단의 절연처리 불량
접지방식이 달라진 경우 <표 2>와 같은 트러블이 발생한다.
<표 2> 접지방식이 바뀜으로써 발생하는 트러블
접지방식 |
상 태 |
트러블 내용 |
편단접지 |
․편단접지→접지 없음 (접지점이 접지되지 않는다) |
․차폐층에 고전압이 유도된다. |
․편단접지→양단접지 (비접지점이 접지된다) |
․차폐층에 전류가 흘러 케이블 온도가 상승하기 때문에 허용 전류가 작아진다. 그대로 종래의 전류를 계속 흘리면 다시 케이블 온도가 상승, 과열 열화되어 최종적으로는 절연파괴 될 우려가 있다. | |
양단접지 |
․양단접지→접지 없음 (양단 접지점이 접지되지 않는다) |
․차폐층에 고전압이 유도된다. |
․양단접지→편단접지 (한쪽 접지점이 접지되지 않는다) |
․비접지단의 차폐층에 유도전압이 발생한다. |
5) 제어 케이블의 유도전압 측정 예
이상과 같이 고압 케이블 차폐층의 접지에 대해서 기술했는데 다심 제어 케이블 등에서 비슷한 현상이 있다는 사실은 의외로 알려져 있지 않다.
즉, 다심 제어 케이블에서 공선심이나 예비선심은 일반적으로 접지하지 않고 있는 경우가 많은 것 같은데 이렇게해 두면 이 공선심․예비선심에 전압이 유도되어 위험한 상태가 되거나 사용하고 있는 다른 선심에 전압이 유되되어 오동작할 우려가 있다.
CVV 25×2㎟로 선심의 결선을 바꾼 유도전압의 측정 예를 아래에 든다.
케이블 길이는 1000m로서 드럼감기 상태이고 드럼도 대지에 접지한 상태로 측정하고 있다.
<그림 3>은 선심 배열도이다.
<그림 4>는 #1선심과 #2선심 사이에 AC 106V를 인가했을 때 나머지 선심에 유도전압으로 #2측이 접지되어 있다.
<그림 5>는 <그림 4>의 상태에서 #3선심을 접지했을 때의 유도전압이다.
<그림 6>은 <그림 5>의 상태에서 다시 #7, #8, #9, #10, #11의 선심을 접지했을 때의 유도전압이다.
<그림 7>은 #1, #2, #3, #5, #7, #9, #11 선심을 고압측으로 하고 접지한 #25 선심과의 사이에 AC에 101V를 가했을 때의 유도전압이다.
각각의 유도전압을 종합해서 <표 3>에 나타낸다.
<표 3>을 통해 아래와 같이 말할 수 있다.
<그림 4>일 때의 유도전압은 최대 67V, 최소 32V지만 <그림 5>와 같이 접지 선심을 한 개 증가하는 것만으로도 유도전압은 최대 50V, 최소 13V로 저하하고 있다. 또 <그림 6>과 같이 접지선을 균등하게 배치하면 차폐효과가 크며 유도전압의 최대는 0.3V로 상당히 작은 전압이 된다.
한편, <그림 7>과 같이 고압측 선심을 증가시키면 유도전압의 최대는 97V로 거의 인가전압과 동등한 전압이 발생하고 있다. 또한 최소도 58V로 상당히 높다
이상에서 CVV에서의 선심 상호간 상용주파의 유도전압은 결선에 따라 크게 변화하여 최대값은 거의 인가전압에 가깝고 최소값은 거의 0이 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 유도전압에 의한 오동작을 피하려면 선심 상호간의 유도는 가능한 한 억제하는 것이 좋고 이를 위해서는 사용하고 있지 않은 공선심이나 예비선심은 접지하여 실드 효과를 증가시키는 것이 중요하며 효과적이다.
선심 번호 |
#1 |
#2 |
#3 |
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#5 |
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#7 |
#8 |
#9 |
#10 |
#11 |
#12 |
#13 |
#14 |
#15 |
#16 |
#17 |
#18 |
#19 |
#20 |
#21 |
#22 |
#23 |
#24 |
#25 |
그림 4 참조 |
106 인가 |
E 접지 |
49 |
60 |
67 최대 |
65 |
56 |
45 |
35 |
32 최소 |
39 |
46 |
42 |
39 |
39 |
40 |
44 |
49 |
53 |
57 |
59 |
60 |
57 |
54 |
50 |
그림 5 참조 |
106 인가 |
E 접지 |
E 접지 |
33 |
48 |
50 최대 |
43 |
32 |
22 |
16 |
13 최소 |
30 |
26 |
23 |
20 |
18 |
16 |
17 |
24 |
32 |
38 |
41 |
41 |
38 |
35 |
그림 6 참조 |
106 인가 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
E 접지 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.2 |
0.2 |
0.3 최대 |
0.3 최대 |
0.3 최대 |
0.2 |
0.2 |
그림 7 참조 |
101인가 |
101인가 |
101인가 |
97 최대 |
101인가 |
92 |
101인가 |
77 |
101인가 |
96 |
101인가 |
58 최소 |
79 |
88 |
91 |
93 |
94 |
93 |
93 |
92 |
92 |
89 |
80 |
63 |
E 접지 |
6) 대책
케이블의 차폐층은 반드시 편단 또는 양단접지를 하며 접지선이 떨어지거나 단선되는 일이 없도록 설치해야 한다.
또한, 다심 제어 케이블의 공선심이나 예비선심도 접지해 두어야 한다.
4.2 케이블 제자리 감기
1) 전선 케이블의 허용전류
전선 케이블의 허용전류란 주어진 부설조건에서 전선과 케이블에 특별한 지장을 주지 않고 도체에 최대한 흐를 수 있는 전류값을 말하며, 연속 부하, 단시간 부하, 간헐 부하, 단락 시 등 각각 시간적인 부하전류의 조건에 따라 산출되고 있다.
이것들에 대한 기본적인 개념은 도체에 통전하면 도체 온도가 상승하지만 그 도달 온도가 각각의 조건하에 절연체의 내열온도(도체 최고 허용온도)를 초과하지 않도록 하는 것이다.
여기서 연속부하인 경우를 생각해 보면 도체의 온도상승은 저압 케이블에서는 주로 도체의 저항손실(줄열)이고 이 열은 통전 초기에는 케이블 각 부분의 열 용량이기 때문에 내부에 축적되지만 연속해서 통전된 경우에는 절연체나 외부 피복을 통해서 차례대로 주위로 방산되며 그 전류가 일정하면 최종적으로는 평형상태가 된다.
이때의 온도분포는 케이블 각 부분의 열저항에 의해 결정되고 도체온도는 케이블 부설환경의 주위온도에 열저항에 의한 온도상승분이 더해진 온도까지 상승한다.
이러한 관계에 의해 대기중이나 암거(暗渠 : 땅속에 낸 도랑) 부설에 따른 저압 케이블의 허용전류는 다음 식에 의해 계산한다.
(1)
여기서,
: 대기중 다선 부설에 의한 전류 저감률
: 도체 최고 허용온도[℃]
: 기저온도[℃]
: 선심수
r :
에서의 교류도체저항 [Ω/cm]
: 케이블의 전체 열저항[℃․cm/W]
일반 케이블에 사용되는 절연체 재료에 적용되는 도체 최고 허용온도는 <표 1>과 같다.
<표 1> 절연체 재료에 적용되는 도체 최고 허용온도
절연체의 종류 |
비 닐 |
폴리에틸렌 |
에 틸 렌 프로필렌 고무 |
가 교 폴리에틸렌 |
도체 최고 허용 온도 [℃] |
60 |
75 |
80 |
90 |
2) 다선 부설에 의한 허용전류 저감률
케이블이 다선 부설된 경우 1개선을 부설하는 케이블에 비해서 열저항이 높아지고 열방산이 나빠진다. 그러므로 케이블의 방산 열량이 도체의 발열량과 밸런스될 때까지 통전전류를 저감시켜 도체가 최고 허용온도를 넘지 않도록 해야 한다.
이 관계는 케이블 부설상태에 따라 각각 다르기 때문에 일본 전선공업회 규격 JCS 168호 E에서는 <표 2>에 나타낸 대기중 다선 부설에 의한 “전류 저감률[
]”로 운용하도록 규정하고 있다.
조 건 |
전 류 저 감 률
| ||||
1 |
2 |
3 |
6 |
4 | |
배 열 중 심 간 격 |
|
||||
|
1.00 |
0.85 |
0.80 |
0.70 |
0.70 |
|
0.95 |
0.95 |
0.90 |
0.90 | |
|
1.00 |
1.00 |
0.95 |
0.95 |
(주)
: 케이블 바깥지름
4) 제자리 감기에 의한 온도 상승
과거에 보고된 화재사고의 예를 여기서는 실제 수치관계를 명확하게 하기위해 모델 케이스로 바꾸어 통전전류와 도체온도의 관계를 계산에 의해 조사해 본다.
가설용 전원으로 전기실에서부터 기기까지 600V CV 3×5.5㎟을 배선했는데 케이블 길이가 남았기 때문에 불가피하게 기기의 가로방향으로 6회 감은 다발로 배선하였다.
이때 부설환경의 주위온도가 40℃였다고 하면 케이블의 기중 암거 1개선 부설의 허용전류는 44A이다. 케이블을 제자리 감기한 부분은 6개선의 다선 부설상태로 되어있기 때문에 이 부분의 허용전류는 <표 2>에 의해 전류 저감률 0.70을 곱한 30A로 저감되어 있다.
이 경우 회로의 허용전류는 가장 혹독한 조건인 30A로 해야 하는데 여기에 허용전류를 저감하지 않은 채로 44A를 통전하면 과부하 상태가 되어 도체온도가 상승한다<그림 1>.
이때의 도체온도는 허용전류 계산식(1)에 적용시켜
을 미지수로 역산함으로써 구할 수 있으며 계산상으로는 163.5℃까지 상승하게 된다.
이러한 요령으로 600V CV 3×5.5㎟에 대해서 제자리 감기한 횟수와 그 부분의 발열온도의 관계를 구하면 <표 3>과 같이 되며 허용전류를 저감하지 않은 채로 통전하면 제자리 감기 부분은 상당한 온도에 달함을 알 수 있다. 따라서 도체온도를 90℃ 이하로 하려면 <표 3>에 나타낸 전류 저감률을 곱할 필요가 있다.
<그림 1> 통전전류와 도체온도의 관계 사례
CV 케이블의 절연체 최고 허용온도는 90℃이므로 이대로 연속 사용하면 장기간에 걸쳐 케이블 피복재료가 고온에 노출되게 되어 재료의 열화로 인한 경화․균열이나 전기성능의 저하가 발생하고 또 지락․단락 등으로까지 발전하여 발화에 이르는 경우도 생각할 수 있다.
그리고 비닐이나 폴리에틸렌과 같은 열가소성 재료는 105℃를 넘으면 연화를 시작하는 것도 있고 절연체의 융착․변형이 발생하여 단락사고나 그에 수반되어 일어나는 아크로 인한 발화사고도 생각할 수 있다.
표 3. 제자리 감기 회수와 도체의 상승온도
5) 대책
전선과 케이블의 허용전류는 연선 루트의 일부에 케이블에서 방열하기 어려운 조건이 되는 곳이 있으면 그 부분의 조건으로 허용전류가 결정되어 버리므로 사전에 충분한 상황조사가 필요하다.
또한 가전기기의 전원 코드나 연장 코드를 다발로 묶어서 사용하는 예 등도 이것과 동일한 사용방법이므로 이 부분에서 다선 부설한 상태가 되지 않도록 완전히 편 상태로 사용하여야 한다.
4.3 동상 다조포설 시 전류 불평형
1) 케이블 상배열 방법
전선․케이블에는 다종 다양한 것이 있고 또 그 용도는 통신․전력․계장․제어․기기내 배선 등에 이르까지 여러 곳에서 활용되고 있다.
여기서는 전력용 케이블의 선로설계에 기인하는 문제에 대해서 생각해 보기로 한다.
빌딩이나 공장 등에서는 부하의 증대에 따라 이들 회로에 사용되는 케이블이 큰 사이즈임에도 불구하고 부족한 경우 동상 다선 배선으로 대응하려는 노력이 여러 면에서 도모되고 있다.
이 동상 다선 배선에 있어서 단심 케이블에서는 임피던스의 평형을 충분히 배려할 필요가 있다. 특히 도체저항이 낮은 큰 사이즈의 케이블에서는 인덕턴스가 지배적이 되어 부하전류의 상(相) 배열 방법이 중요해 진다.
이 임피던스의 불평형이 생긴 경우 일부 케이블에 허용전류 이상의 과전류가 흘러 그 결과 케이블을 과열 열화시켜 사고에 이른 예가 있다.
<그림 1> 케이블별 상 배열과 부하전류
케이블 배열 |
선택 지침 |
ⒶⒷⒸ Ⓐʹ Ⓑʹ Ⓒʹ |
동상내 불평형 없음. |
ⒶⒷⒸ Ⓒʹ Ⓑʹ Ⓐʹ |
동상내 불평형 없음. |
ⒶⒷⒸ Ⓒʹ Ⓑʹ Ⓐʹ |
동상내 불평형 없음. |
ⒶⒷⒸ Ⓐʹ Ⓑʹ Ⓒʹ |
동상내 불평형 있음. |
Ⓐ Ⓐʹ Ⓑ Ⓒ Ⓒʹ Ⓑʹ |
동상내 불평형 없음. |
Ⓐ Ⓐʹ Ⓐʺ Ⓑ Ⓑʹ Ⓑʺ Ⓒ Ⓒʹ Ⓒʺ |
전류 불평형 있음(약 5%) 동상 케이블을 이격시킬수록 불평형은 감소한다. |
Ⓐ Ⓐʹ Ⓐʺ Ⓑ Ⓒ Ⓑʹ Ⓒʹ Ⓑʺ Ⓒʺ |
전류 불평형 있음(약 10%) 정삼각형을 작게 하고 그룹 간격을 크게 하면 불평형이 감소한다. |
Ⓐ ⒷⒷʺ Ⓒ ⒶʹⒶʺ Ⓑʹ ⒸʹⒸʺ |
전류 불평형 있음(약 10%) 그룹 간격을 크게 하면 불평형이 감소한다. |
ⒶⒶʹⒶʺⒷⒷʹⒷʺⒸⒸʹⒸʺ |
전류 불평형 있음(약 50%) |
ⒶⒷⒸⒶʹⒷʹⒸʹⒶʺⒷʺⒸʺ |
전류 불평형 있음(약 10%) |
ⒶⒷⒸⒸʹⒷʹⒶʹ ⒶʺⒷʺⒸ̋ⒸʺʹⒷʺʹⒶʺʹ |
동상내 불평형 없음 |
ⒶⒶʹⒶʺⒶʺʹ ⒷⒷʹⒷʺⒷʺʹ ⒸⒸʹⒸʺⒸʺʹ |
전류 불평형 있음(약 10%) 동상 케이블을 이격시킬수록 불평형은 감소한다. |
2) 케이블 열화 사례
단심 케이블의 동상 다선 부설 시 과전류에 의한 케이블의 열화 사례를 들어본다.
①케이블 : 600V CV 1×500㎟
②부설 방법 : 3상 3선 방식으로 동상 4선 부설
③상태 : 케이블 래크상에 2단 6렬로 부설<그림 1>되고 상 배열․케이블 상호 간격 및 케이블의 길이가 부적절하였다.
그 결과 부하전류는 다음과 같이 언밸런스하게 된다.[허용전류 : 2단 6렬로 밀접 부설한 경우 510A]
④케이블 열화 : 12선 케이블의 일부(그림 1의 O표 참조)가 허용전류 이상의 과전류 부하를 받아 열 열화를 발생, 시스․절연체가 균열되어 절연불량을 일으켰다.
3) 단심 케이블의 인덕턴스 불평형
단심 케이블을 여러 선 부설하면 주위의 케이블 부하전류 및 그 선심 상호간 거리에 의한 자속의 영향을 받아 인덕턴스가 변화한다.
이 경우 동상내 부하전류의 상 배열이 부적당하거나 선심 상호간 거리가 일정하지 않으면 인덕턴스가 불평형하게 된다.
각종 동상 다선 배선에서의 상 배열에 의한 전류 불평형 상태를 나타내면 <표 1>과 같고 평형한 배열을 보면 어떤 상(相)의 대상 배열이 평형하게 될 조건이다.
또한 선심 상호간 간격도 아주 균등해야 하고 케이블 길이도 균등해야 한다.
케이블의 각종 배열에 따른 인덕턴스를 구하는 계산식은 길어지므로 여기서는 생략한다.
4) 케이블 특성에 미치는 영향
이러한 인덕턴스 불평형의 영향은 부하를 포함한 회로전체의 임피던스에 좌우된다.
도체 저항값보다 인덕턴스의 값이 지배적이 되면 이 불평형의 영향은 커진다.
동일한 상(相)을 2선 이상의 케이블로 병렬 부설한 경우 인덕턴스의 불평형이 생기면 부하전류가 케이블별로 임피던스에 반비례하여 분담하는 전류가 각각의 케이블에 흐르며 이것이 허용전류를 초과하는 값이면 과전류에 의해 케이블을 과열 열화(절연체의 탄화․균열․절연불량)시켜 생각치 못한 지락사고에 이르게 된다.
한편 다선 부설이기 때문에 허용전류도 대폭 저감되므로 케이블 사이즈를 선정할 때는 허용전류 및 임피던스 평형 양면에서 충분히 검토해야 한다.
5) 결론
이상, 기술한 바와 같이 대용량 부하 등에 단심 케이블을 사용하여 동일한 상이 여러 선으로 부설되는 경우 부하전류의 평형을 유지하기 위해
․부하전류의 상 배열 및 균등한 선심 상호간 거리
․다선 부설에서의 허용전류의 저감(과열 열화의 방지)
․동상내 케이블 길이의 균등에 대해 충분히 배려할 필요가 있다.
또한 이미 부설된 것에 대해서는 만일을 위해 케이블 전류를 측정하여 그 전류가 허용전류를 초과하고 있지 않은지 확인해 두는 것이 바람직하다.
4.4 표피효과와 근접효과
1) 표피효과
도체에 교류가 흐를 경우 도체내의 전류밀도 분포는 동일하지 않다. 이것은 도체 중심부의 전류와 쇄교하는 자속 수가 많기 때문에 부분적으로 인덕턴스가 커지기 때문이다. 이런 현상을 표피효과(Skin Effect)라고 한다. 주파수나 도체의 단면적 및 도전율이 커질수록 표피효과가 커진다.
단면이 큰 도체 또는 판상의 도체에 교류가 흐를 때 이 도체내의 전류분포가 균등하다고 가정해 보자. 이 도체를 단면적이 같은 무수한 세선으로 분할해 생각하면 각 세선은 전류 및 저항이 같고 저항에 의한 전압강하는 같지만 각 세선과 자속과의 쇄교수는 중앙부로 갈수록 켜져 리액턴스에 의한 전압강하는 중앙부로 갈수록 커진다.
그러나 실제로는 전체가 결합하여 하나의 도체를 이루고 있기 때문에 각 세선의 임피던스 강하는 일치하게 된다. 따라서 전류는 도체표면 가까이에 모이며 내측 세선의 임피던스 강하를 감소시킴과 동시에 외측 세선의 전압강하를 증가시켜 도체 각 부의 전압강하가 내외측 모두 균등해지도록 분포한다.
이상과 같은 이유로 일반적으로 도체에 교류가 흐를 경우에는 전류밀도가 중앙부에서 보다 그 표면에 가까워질수록 커지는 경향을 보인다. 이 효과를 표피효과라고 한다(<그림 1> 참조).
<그림 1> 표피효과
2) 근접효과
근접효과(Proximity Effect)에 관해서도 실효저항을 증가시키지만, 이것은 근접하고 있는 2개 도체의 자계에 의해 생기는 것이다. 예를 들면 각 도체에 같은 방향의 전류가 흐를 때, 상호 근접측 양도체 단면은 상호 거리가 증가하는 측에서 많은 자속과 쇄교한다. 따라서 전류밀도 분포는 도체 단면과 같지 않으며 상호 거리가 증가하는 측에 모여든다. 한편 각 도체에 반대방향의 전류가 흐를때 상호 근접측 양도체 단면에 전류가 모여든다.
또한 어떤 경우에 있어서도 종합적인 결과로서 도체의 실효저항이 증가되고 근접효과는 케이블 간격의 증가에 따라 감소한다(<그림2> 참조).
<그림 2> 근접효과