Grounding Transformer Protection: 오작동 원인 및 110kV 변전소에서의 대책

중국의 전력 시스템에서 6kV, 10kV, 35kV 그리드는 일반적으로 중성점 접지되지 않은 운전 모드를 채택합니다. 그리드의 주 변압기 배전 전압 측은 보통 델타 구성을 사용하여, 접지 저항기를 연결할 수 있는 중성점을 제공하지 않습니다.

중성점이 접지되지 않은 시스템에서 단상 접지 고장이 발생하면 선간 전압 삼각형은 대칭을 유지하므로 사용자 운영에 미치는 영향은 최소화됩니다. 또한 용량 전류가 상대적으로 작을 때(10A 미만) 일부 일시적인 접지 고장은 스스로 소멸되며, 이는 공급 안정성을 향상시키고 정전 사고를 줄이는 데 매우 효과적입니다.

그러나 전력 산업의 지속적인 확장과 발전으로 인해 이러한 간단한 방법은 더 이상 현재의 요구사항을 충족시키지 못하고 있습니다. 현대 도시 전력 그리드에서는 케이블 회로의 사용이 증가함에 따라 용량 전류가 크게 증가했습니다(10A 이상). 이러한 조건 하에서 접지 아크는 신뢰성 있게 소멸되지 않으며, 다음과 같은 결과를 초래합니다:

• 단상 접지 아크의 불규칙한 소멸 및 재점화는 4U(여기서 U는 최대 위상 전압) 또는 그 이상의 진폭을 가진 아크-접지 과전압을 생성하며, 이는 오랜 시간 동안 지속됩니다. 이는 전기 장비의 절연에 심각한 위협을 가하며, 약한 절연 부분에서 파괴를 초래하고 큰 손실을 유발할 수 있습니다.

• 지속적인 아크는 공기의 이온화를 일으켜 주변 공기의 절연을 악화시키고, 상간 단락 회로의 발생 가능성을 높입니다.

• 페로레조넌스 과전압이 발생하여 잠재 변압기(PTs)와 서지 방지기(Surge Arresters)를 손상시키며, 심각한 경우 서지 방지기 폭발까지 초래할 수 있습니다. 이러한 결과는 그리드 장비의 절연을 심각하게 위협하고 전력 시스템의 안전한 운전을 위협합니다.

위와 같은 사고를 방지하고 접지 고장 보호의 신뢰적인 작동을 위한 충분한 제로 시퀀스 전류와 전압을 제공하기 위해 인공 중성점을 만들어 접지 저항기를 연결해야 합니다. 이를 해결하기 위해 접지 변압기(일반적으로 "접지 유닛"이라고 함)가 개발되었습니다. 접지 변압기는 저항 값이 매우 낮은(보통 5옴 미만) 접지 저항기를 사용하여 인공적으로 중성점을 생성합니다.

또한, 접지 변압기는 자기 특성으로 인해 양성 및 음성 시퀀스 전류에 대해 높은 임피던스를 나타내며, 그의 와인딩을 통해 작은 자극 전류만 흐르게 합니다. 각 코어 리브에는 반대 방향으로 두 개의 와인딩 섹션이 감겨져 있으며, 같은 코어 리브의 이들 와인딩을 통해 동일한 제로 시퀀스 전류가 흐를 때, 그들은 낮은 임피던스를 나타내어 제로 시퀀스 조건 하에서 와인딩 사이의 전압 강하가 최소화됩니다.

접지 고장이 발생할 때, 양성, 음성, 제로 시퀀스 전류가 와인딩을 통과합니다. 와인딩은 양성 및 음성 시퀀스 전류에 대해 높은 임피던스를 나타내지만, 제로 시퀀스 전류에 대해서는 같은 위상의 두 와인딩이 반대 극성으로 직렬로 연결되어 서로의 유도 전동력을 크기와 방향이 반대가 되어 서로 상쇄되므로, 낮은 임피던스를 나타냅니다.

많은 응용 분야에서 접지 변압기는 작은 접지 저항기를 가진 중성점을 제공하기 위해만 사용되며 부하를 공급하지 않으므로, 많은 접지 변압기는 2차 와인딩 없이 설계됩니다. 정상적인 그리드 운영 중에는 접지 변압기는 기본적으로 무부하 상태로 작동하지만, 고장이 발생할 때는 짧은 기간 동안 고장 전류를 처리합니다.

중성점 저저항 접지 시스템에서 단상 접지 고장이 발생하면, 매우 민감한 제로 시퀀스 보호가 고장 피더를 신속하게 식별하고 일시적으로 격리합니다. 접지 변압기는 접지 고장 발생부터 제로 시퀀스 보호가 작동하여 고장을 제거할 때까지의 짧은 시간 동안 활성화됩니다. 이 기간 동안 제로 시퀀스 전류는 중성 접지 저항기와 접지 변압기를 통해 흐릅니다.

여기서 U는 시스템 위상 전압, R1은 중성 접지 저항기, R2는 접지 고장 회로의 추가 저항입니다.

위의 분석에 따르면, 접지 변압기의 작동 특성은 장기간 무부하 운전과 단기간 과부하 능력입니다.

요약하면, 접지 변압기는 인공적으로 중성점을 생성하여 접지 저항기를 연결합니다. 접지 고장이 발생할 때, 양성 및 음성 시퀀스 전류에 대해 높은 임피던스를, 제로 시퀀스 전류에 대해 낮은 임피던스를 나타내어 접지 고장 보호의 신뢰적인 작동을 가능하게 합니다.

현재 변전소에 설치된 접지 변압기는 다음 두 가지 목적으로 사용됩니다:

• 변전소 보조 용도를 위한 저전압 교류 전원 공급;

• 10kV 측에 인공 중성점을 생성하여, 아크 소멸 코일과 결합하여 10kV 단상 접지 고장 시 용량 접지 고장 전류를 보상하여 고장 지점의 아크를 소멸시킵니다. 원리는 다음과 같습니다:

3상 전력 그리드의 모든 전송선 전체에 걸쳐 위상 간 및 각 위상과 접지 간에 용량이 존재합니다. 그리드 중성점이 견고하게 접지되지 않은 경우, 단상 접지 고장이 발생할 때 고장 위상의 위상-접지 용량은 0이 되고, 다른 두 위상의 위상-접지 전압은 정상 위상 전압의 √3배로 상승합니다. 이 증가된 전압은 안전을 위해 설계된 절연 강도를 초과하지 않지만, 위상-접지 용량을 증가시킵니다.

단상 고장 시의 전용접지 용량성 고장 전류는 정상적인 각 상의 용량성 전류의 약 3배입니다. 이 전류가 클 경우 간헐적인 아크 발생을 쉽게 유발하여, 그리드의 인덕턴스와 커패시턴스로 형성된 LC 공진 회로에서 위상 전압의 2.5~3배에 달하는 과전압이 발생합니다. 그리드 전압이 높을수록 이러한 과전압으로 인한 위험이 더 큽니다. 따라서 단상 용량성 접지 고장 전류가 상대적으로 작은 60kV 이하의 시스템만 중립점이 접지되지 않은 상태로 작동할 수 있습니다. 더 높은 전압 수준에서는 저항을 통해 중립점을 접지하기 위해 접지 변압기를 사용해야 합니다.

변전소 주 변압기의 10kV 측이 중립점을 가지지 않는 델타 또는 Y형으로 연결되어 있고, 단상 용량성 접지 고장 전류가 클 경우, 인공적인 중립점을 생성하기 위해 접지 변압기가 필요하며, 이를 통해 소멸 코일과 연결할 수 있습니다. 이렇게 형성된 인공 중립점 접지 시스템은 접지 변압기의 주요 기능입니다. 정상 작동 중에는 접지 변압기는 균형 잡힌 그리드 전압을 견디며, 거의 무부하 상태에서 작은 흥분 전류만 흐릅니다. 

중립점 대 지구간의 전위 차는 0(소멸 코일로 인한 미세한 중립점 이동 전압을 제외하고)이며, 소멸 코일을 통한 전류는 흐르지 않습니다. C상 대 지구간의 단락이 발생할 경우, 세 상의 비대칭으로 인해 발생하는 0상 전압이 소멸 코일을 통해 지구로 흐릅니다. 소멸 코일 자체와 마찬가지로, 유도되는 인덕티브 전류는 용량성 접지 고장 전류를 보상하여 고장 지점의 아크를 제거합니다.

최근 몇 년 동안 특정 지역의 110kV 변전소에서 접지 변압기 보호의 여러 오작동이 발생하여 그리드 안정성을 심각하게 영향을 미쳤습니다. 이러한 오작동의 원인을 파악하기 위해 분석이 이루어졌으며, 재발 방지를 위한 대응 조치가 취해지고 다른 지역에 대한 참고 자료를 제공했습니다.

현재 110kV 변전소의 10kV 피더는 점점 케이블 출선을 많이 사용하고 있어, 10kV 시스템의 단상 용량성 접지 고장 전류가 크게 증가하고 있습니다. 단상 접지 고장 시 과전압 크기를 억제하기 위해, 110kV 변전소에서는 접지 변압기를 설치하여 저저항 접지 방식을 도입하고, 0상 전류 경로를 설정하였습니다. 이를 통해 고장 위치에 따라 선택적 0상 보호를 통해 접지 고장을 격리하고, 아크 재발생 및 과전압을 방지하여 그리드 장비의 안전한 전력 공급을 보장합니다.

2008년부터 특정 지역의 110kV 변전소 10kV 시스템은 접지 변압기와 관련 보호 장치를 설치하여 저저항 접지로 개조되었습니다. 이를 통해 10kV 피더의 접지 고장이 신속히 격리되어 그리드에 미치는 영향을 최소화할 수 있었습니다. 그러나 최근, 해당 지역의 다섯 개 110kV 변전소에서 접지 변압기 보호의 반복적인 오작동이 발생하여 변전소 정전을 초래하고, 그리드 안정성을 심각하게 손상시켰습니다. 따라서 원인을 확인하고 수정 조치를 취하는 것이 지역 그리드의 보안 유지에 필수적입니다.

1. 접지 변압기 보호 오작동 원인 분석

10kV 피더에서 접지 단락 고장이 발생할 때, 110kV 변전소의 고장 피더의 0상 보호가 먼저 작동하여 고장을 격리해야 합니다. 만약 올바르게 작동하지 않으면, 접지 변압기의 0상 보호가 후보로서 버스 타이 브레이커와 주 변압기 양쪽을 트립하여 고장을 격리합니다. 따라서 10kV 피더 보호 및 브레이커의 정확한 작동은 그리드 안전에 중요합니다. 다섯 개 110kV 변전소의 오작동 통계 분석 결과, 주요 원인은 10kV 피더가 접지 고장을 올바르게 제거하지 못한 것입니다.

10kV 피더 0상 보호 원리:

0상 CT 샘플링 → 피더 보호 활성화 → 회로 차단기 트립.
이 원리에 따르면, 0상 CT, 피더 보호 계전기, 그리고 회로 차단기는 올바른 작동을 위한 핵심 구성 요소입니다. 다음은 이러한 측면에서 오작동 원인을 분석합니다:

1.1 0상 CT 오류로 인한 접지 변압기 보호 오작동.
10kV 피더의 접지 고장 시, 고장 피더의 0상 CT는 고장 전류를 감지하여 보호를 활성화하여 고장을 격리합니다. 동시에, 접지 변압기의 0상 CT도 고장 전류를 감지하고 보호를 시작합니다. 선택성을 보장하기 위해, 10kV 피더 0상 보호는 접지 변압기 보호보다 낮은 전류 설정과 짧은 시간 설정으로 설정됩니다. 전류 설정: 접지 변압기—원차 75A, 1.5초 후 10kV 버스 타이 트립, 1.8초 후 10kV 자동 전환 차단, 2.0초 후 변압기 저압측 트립, 2.5초 후 양쪽 트립; 10kV 피더—원차 60A, 1.0초 후 차단기 트립.

그러나 CT 오류는 불가피합니다. 만약 접지 변압기 CT가 -10% 오차를 가지고 피더 CT가 +10% 오차를 가질 경우, 실제 작동 전류는 67.5A와 66A로 거의 같습니다. 시간 등급만으로 의존하면, 10kV 피더의 접지 고장이 접지 변압기의 0상 과전류 보호를 일찍 트립시킬 수 있습니다.

1.2 잘못된 케이블 실드 접지로 인한 오작동.
110kV 변전소의 10kV 피더는 양쪽 끝에서 실드가 접지된 셔터드 케이블을 사용하며, 이는 일반적인 EMI 완화 방법입니다. 0상 CT는 토루스 형태로 케이블을 둘러싸고 스위치 기어 출선 단자에 설치됩니다. 접지 고장 시, 불균형 전류가 CT에 신호를 유도하여 보호를 활성화합니다. 그러나 양쪽 끝에서 실드 접지가 이루어지면, 실드에서 유도된 전류도 0상 CT를 통과하여 거짓 신호를 생성합니다. 적절한 완화 조치가 없으면, 피더 0상 보호의 정확성이 손상되어 접지 변압기의 후보 보호가 트립됩니다.

1.3 10kV 피더 보호 실패로 인한 오작동.

현대의 마이크로프로세서 기반 계전기는 성능이 향상되었지만, 제조사마다 품질의 차이와 열 방출이 좋지 않은 문제가 여전히 존재합니다. 고장 통계에 따르면, 10kV 피더 보호의 전원 모듈, 샘플링 보드, CPU 보드, 트립 출력 모듈이 가장 고장되기 쉽습니다. 감지되지 않은 고장은 보호 거부를 초래하여 접지 변압기의 오작동을 유발할 수 있습니다.

1.4 10 kV 피더 브레이커 고장으로 인한 오동작.
노화, 자주 발생하는 작동, 또는 본질적인 품질 문제로 인해 10 kV 스위치기어의 고장—특히 제어 회로에서—이 증가하고 있습니다. 개발되지 않은 산악 지역에서는 구형 GG-1A 스위치기어가 계속 사용되고 있으며, 이는 접지 고장률이 더 높습니다. 만약 영차 보호가 정상적으로 작동하더라도, 브레이커 고장(예: 트립 코일이 타서 작동하지 않는 경우)은 접지 변압기의 오동작을 초래합니다.

1.5 두 개의 10 kV 피더에서 고임피던스 접지 고장(또는 심각한 단일 고임피던스 고장)으로 인한 오동작.
두 피더에서 같은 위상의 고임피던스 접지 고장이 발생할 때, 각각의 영차 전류는 60 A 트립 임계값(예: 40 A와 50 A) 아래에 머물 수 있으므로 피더 보호는 알람만 발령합니다. 그러나 합산된 전류(90 A)는 접지 변압기의 75 A 설정을 초과하여 조기에 트립됩니다. 모든 케이블 10 kV 피더의 경우, 일반적인 용량성 전류는 12–15 A에 도달할 수 있습니다. 심각한 단일 고임피던스 고장(예: 58 A)과 일반적인 용량성 전류를 합하면 75 A에 가까워집니다. 시스템 진동이 쉽게 접지 변압기의 오동작을 유발할 수 있습니다.

2. 접지 변압기 보호 오동작 방지를 위한 조치

위의 분석을 바탕으로 다음과 같은 조치를 권장합니다:

2.1 CT 오류로 인한 오동작 방지
고품질 영차 CT를 사용하세요; 설치 전에 CT 특성을 철저히 검사하고 5% 이상의 오류가 있는 것은 거부하세요; 보호 픽업 값을 일차 전류 기반으로 설정하세요; 일차 주입 테스트를 통해 설정을 확인하세요.

2.2 잘못된 케이블 쉴드 접지 방지

• 케이블 쉴드 접지 도체는 영차 CT를 통과하여 아래로 내려가야 하며, 케이블 트레이는 절연되어야 합니다. CT를 통과하기 전에는 접지 접촉이 발생해서는 안 됩니다. 일차 주입 테스트를 위해 금속 부분을 노출시키고 나머지는 신뢰성 있게 절연해야 합니다.

• 쉴드 접지점이 CT 아래에 있다면, 도체는 CT를 통과해서는 안 됩니다. 쉴드 접지 도체를 CT 중앙을 통과하도록 배치하지 마세요.

• 릴레이 보호 및 케이블 팀이 CT와 쉴드 접지 설치 방법을 완전히 이해하도록 기술 교육을 강화하세요.

• 릴레이, 운영, 케이블 팀 간 공동 검사를 통해 수락 절차를 강화하세요.

2.3 피더 보호 실패 방지
증명된, 신뢰성 있는 보호 장치를 선택하세요; 노후되거나 자주 고장 나는 장치를 교체하세요; 유지 관리를 강화하세요; 고온 작동을 방지하기 위해 에어컨과 환기 장치를 설치하세요.

2.4 피더 브레이커 고장 방지
신뢰성 있고 성숙한 스위치기어를 사용하세요; 구형 GG-1A 캐비닛을 밀폐형, 스프링 또는 모터 충전형으로 교체하세요; 제어 회로를 유지하세요; 고품질 트립 코일을 사용하세요.

2.5 고임피던스 고장으로 인한 오동작 방지
영차 알람 발생 시 즉시 피더 순찰 및 수리를 수행하세요; 피더 길이를 줄이세요; 정상적인 용량성 전류를 최소화하기 위해 위상 부하를 균형있게 하세요.

3. 결론

더 많은 지역 전력망에서 구조와 안정성을 개선하기 위해 접지 변압기와 관련 보호 장치를 설치하면서, 반복되는 오동작 사례는 부정적인 영향을 해결할 필요성을 강조하고 있습니다. 이 논문은 접지 변압기 보호 오동작의 주요 원인을 분석하고 대책을 제안하며, 이러한 시스템을 설치하거나 설치할 계획인 지역에 지침을 제공합니다.