접지 변압기 보호 오작동 원인 분석

중국의 전력 시스템에서 6 kV, 10 kV 및 35 kV 계전은 일반적으로 중성점 비접지 운전 방식을 채택한다. 계전 내 주변압기의 배전 전압측은 보통 델타 연결로 구성되어 접지 저항기를 연결할 수 있는 중성점을 제공하지 못한다. 중성점 비접지 시스템에서 단상 지락 고장이 발생하면 선간 전압 삼각형은 대칭 상태를 유지하여 사용자 운영에 미치는 영향을 최소화한다. 또한 정전류가 비교적 작을 경우(10 A 미만) 일부 일시적인 지락 고장은 스스로 소멸될 수 있어 전력 공급 신뢰성을 향상시키고 정전 사고를 줄이는 데 매우 효과적이다.

그러나 전력 산업의 지속적인 확장과 발전으로 인해 이러한 단순한 방법은 현재 요구를 더 이상 충족하지 못하게 되었다. 현대 도시 전력망에서는 케이블 회로 사용이 증가함에 따라 정전류가 크게 증가하여(10 A 초과) 이 조건 하에서는 지락 아크를 신뢰성 있게 소멸시킬 수 없으며 다음과 같은 결과를 초래한다:

• 단상 지락 아크의 간헐적 소멸과 재점호는 진폭이 4U(U는 위상 전압의 피크값) 또는 그 이상에 달하는 아크-지락 과도전압을 발생시키며 장시간 지속된다. 이는 전기 설비의 절연체에 심각한 위협을 가하여 약한 절연 부위에서 절연 파괴를 유발하고 중대한 손실을 초래할 수 있다.

• 지속적인 아크는 주변 공기를 이온화시켜 절연 특성을 저하시키고 상간 단락 회로 발생 가능성을 증가시킨다.

• 철공진 과전압이 발생할 수 있으며, 이는 전압변환기와 서지 어레스터를 쉽게 손상시키고 어레스터 폭발까지 유발할 수 있다. 이러한 결과는 계전 설비의 절연 완전성을 심각하게 위협하며 전체 전력 시스템의 안전한 운용을 위태롭게 한다.

이러한 사고를 방지하고 지락 보호의 신뢰성 있는 동작을 보장하기 위해 충분한 제로시퀀스 전류와 전압을 제공하기 위해 접지 저항기를 연결할 수 있는 인공 중성점을 만들어야 한다. 이러한 필요성으로 인해 접지 변압기(일반적으로 "접지 변압기" 또는 "접지 유닛"이라 불림)가 개발되었다. 접지 변압기는 접지 저항기를 갖춘 인공 중성점을 생성하며, 일반적으로 매우 낮은 저항(보통 5 옴 미만)을 가지도록 설계된다.

또한 전자기적 특성상 접지 변압기는 양시퀀스 및 음시퀀스 전류에 대해 높은 임피던스를 나타내어 권선을 통해 아주 작은 여자 전류만 흐르게 한다. 각 철심 다리에는 두 개의 권선 구간이 반대 방향으로 감겨 있다. 동일한 제로시퀀스 전류가 이 권선들을 통과할 때 저임피던스를 나타내며 제로시퀀스 조건에서 권선 양단에 걸리는 전압 강하가 극히 작아진다.

특히 지락 고장 발생 시 권선은 양시퀀스, 음시퀀스 및 제로시퀀스 전류를 모두 흘린다. 양시퀀스 및 음시퀀스 전류에 대해서는 높은 임피던스를 나타내지만 제로시퀀스 전류에 대해서는 낮은 임피던스를 나타낸다. 이는 동일 위상 내 두 권선이 극성이 반대인 상태로 직렬 연결되어 유도 기전력의 크기는 같으나 방향이 서로 반대이므로 상쇄되어 제로시퀀스 전류에 대해 저임피던스를 나타내기 때문이다.

많은 응용 분야에서 접지 변압기는 소형 접지 저항기를 위한 중성점을 제공하는 용도로만 사용되며 별도의 2차 부하를 공급하지 않는다. 따라서 많은 접지 변압기는 2차 권선 없이 설계된다. 정상적인 계전 운용 시 접지 변압기는 거의 무부하 상태로 운전된다. 그러나 고장 시에는 짧은 시간 동안만 고장 전류를 흘린다. 저저항 접지 시스템에서 10 kV 측에서 단상 지락 고장이 발생하면 매우 민감한 제로시퀀스 보호 장치가 고장을 신속히 감지하여 고장 피더를 일시적으로 차단한다.

접지 변압기는 고장 발생부터 피더의 제로시퀀스 보호 동작까지의 짧은 시간 동안만 활성화된다. 이 기간 동안 제로시퀀스 전류는 중성점 접지 저항기와 접지 변압기를 통해 흐르며 다음 공식을 따른다: I_R = U / (R₁ + R₂). 여기서 U는 시스템 위상 전압, R₁은 중성점 접지 저항, R₂는 지락 고장 루프 내 추가 저항이다.

위 분석에 기초하여 접지 변압기의 운전 특성은 장기간 무부하 운전과 고장 시 단기간 과부하 운전이다.

요약하면, 접지 변압기는 접지 저항기를 연결하기 위해 인공 중성점을 생성한다. 지락 고장 시 양시퀀스 및 음시퀀스 전류에 대해 높은 임피던스를 나타내지만 제로시퀀스 전류에 대해서는 낮은 임피던스를 나타내므로 지락 보호 장치의 신뢰성 있는 동작을 보장한다.

현재 변전소에 설치된 접지 변압기는 두 가지 주요 목적을 수행한다:

• 변전소 보조용 저전압 AC 전원 공급;

• 10 kV 측에 인공 중성점을 생성하여 소호 코일(Petersen 코일)과 함께 사용함으로써 10 kV 단상 지락 고장 시 정전류를 보상하여 고장 지점의 아크를 소멸시키는 것. 원리는 다음과 같다:

삼상 전력망의 도체 전체 길이를 따라 상간 및 각 상과 지면 사이에 정전용량이 존재한다. 계전 중성이 견고하게 접지되지 않은 경우 단상 지락 고장 시 고장상의 대지 정전용량은 제로가 되고 나머지 두 상의 전압은 정상 위상 전압의 √3배로 상승한다. 이 증가된 전압은 절연 설계 한계 내에 머무르지만 이들 상의 대지 정전용량을 증가시킨다. 단상 고장 시 정전성 지락 전류는 정상 상태의 상당 정전류의 약 3배이다. 이 전류가 커질 경우 간헐적 아크를 쉽게 유지하게 되어 계전의 인덕턴스-정전용량 회로에서 공진 진동을 유도하며 위상 전압의 2.5~3배에 달하는 과전압을 발생시킨다. 계전 전압이 높을수록 이러한 과전압으로 인한 위험도 커진다. 따라서 단상 정전성 지락 전류가 작게 유지되는 60 kV 미만의 시스템만이 중성점 비접지로 운전할 수 있다. 고전압 시스템의 경우 접지 변압기를 사용하여 중성점을 임피던스를 통해 접지해야 한다.

변전소의 주 변압기(예: 10kV 측)가 중성점이 없는 델타 또는 Y형으로 연결되고 단상 정전용량 접지 전류가 클 때, 접지에 사용할 수 있는 중성점이 없습니다. 이러한 경우 인공 중성점을 생성하기 위해 접지 변압기를 사용하여 소각선코일과 연결합니다. 이 인공 중성점은 시스템이 정전용량 전류를 보상하고 접지 아크를 소멸시키는 데 도움을 줍니다—이것이 접지 변압기의 기본 역할입니다.

정상 작동 중에는 접지 변압기는 균형 잡힌 3상 전압을 경험하며 매우 작은 자극 전류만 흐르며 거의 무부하 상태로 작동합니다. 중성점-대지 간 전위 차는 (소각선코일로부터 발생하는 미세한 중성점 이동 전압을 제외하면) 0이며, 코일을 통과하는 전류는 없습니다. 예를 들어 C 상에서 접지 고장이 발생하면, 비대칭으로부터 유래된 영상 전압이 소각선코일을 통해 대지로 흐릅니다. 코일은 정전용량 접지 고장 전류를 보상하는 유도 전류를 생성하여 아크를 제거합니다—이는 독립적인 소각선코일과 기능적으로 동일합니다.

최근 몇 년 동안 특정 지역의 110kV 변전소에서 접지 변압기 보호 장치의 여러 오작동이 발생하여 전력망 안정성에 심각한 영향을 미쳤습니다. 원인을 파악하고, 수정 조치를 취하며, 재발 방지를 위한 교훈을 공유하여 다른 지역에도 지침을 제공하였습니다.

110kV 변전소의 10kV 네트워크에서 케이블 피더의 사용이 증가함에 따라 단상 정전용량 접지 전류가 크게 증가했습니다. 접지 고장 시 과전압 크기를 억제하기 위해 많은 110kV 변전소에서는 저저항 접지를 구현하기 위해 접지 변압기를 설치하여 영상 전류 경로를 설정합니다. 이를 통해 위치에 따라 접지 고장을 선택적으로 격리하여 아크 재발생을 방지하고 안전한 전력 공급을 보장합니다.

2008년 이후 특정 지역은 110kV 변전소의 10kV 시스템을 접지 변압기와 관련 보호 장치를 설치하여 저저항 접지로 개조하였습니다. 이렇게 하면 10kV 피더의 접지 고장을 신속하게 격리하여 전력망의 영향을 최소화할 수 있습니다. 그러나 최근, 해당 지역의 다섯 개 110kV 변전소에서 접지 변압기 보호 장치의 반복적인 오작동이 발생하여 정전을 일으키고 전력망 안정성을 위협하였습니다. 따라서 원인을 파악하고 해결책을 실행하는 것이 필수적입니다.

1. 접지 변압기 보호 장치 오작동 원인 분석

10kV 피더에서 접지 고장이 발생하면 110kV 변전소의 피더 영상 보호 장치가 먼저 작동하여 고장을 격리해야 합니다. 만약 실패하면 접지 변압기의 백업 영상 보호 장치가 버스 연계 및 주 변압기 차단기를 트립하여 고장을 제한합니다. 따라서 10kV 피더 보호 장치와 차단기의 정확한 작동이 중요합니다. 다섯 개 변전소의 오작동 통계 분석 결과, 피더 보호 장치의 실패가 주요 원인임을 확인하였습니다.

10kV 피더 영상 보호 장치는 다음과 같이 작동합니다: 영상 CT 샘플링 → 보호 장치 작동 → 차단기 트립. 주요 구성 요소는 영상 CT, 보호 릴레이, 차단기입니다. 분석은 이러한 요소에 집중합니다:

1.1 영상 CT 오차로 인한 오작동
접지 고장 시 고장 피더의 영상 CT가 고장 전류를 감지하여 보호 장치를 트립시킵니다. 동시에 접지 변압기의 영상 CT도 전류를 감지합니다. 선택성을 확보하기 위해 피더 보호 장치 설정(예: 60A, 1.0초)은 접지 변압기 설정(예: 75A, 1.5초 버스 연계 트립, 2.5초 주 변압기 트립)보다 낮게 설정됩니다. 그러나 CT 오차(예: 접지 변압기 CT -10%, 피더 CT +10%)로 인해 실제 픽업 전류가 거의 같아질 수 있으며(67.5A 대 66A), 시간 지연에만 의존하게 됩니다. 이는 접지 변압기의 오버리치 위험을 증가시킵니다.

1.2 잘못된 케이블 실드 접지로 인한 오작동
10kV 피더는 일반적으로 EMI 완화를 위해 양쪽 끝에서 실드를 접지하는 방식의 실드 케이블을 사용합니다. 영상 CT는 일반적으로 토로이달 형태로 스위치 기어 출구에서 케이블 주변에 설치됩니다. 접지 고장 시 불균형 전류가 CT에 신호를 유발합니다. 그러나 실드가 양쪽 끝에서 접지되면 순환하는 실드 전류도 CT를 통과하여 측정을 왜곡시킵니다. 올바른 설치(예: 실드 접지선이 CT를 올바르게 통과)가 이루어지지 않으면 피더 보호 장치가 실패하여 접지 변압기 오버리치가 발생할 수 있습니다.

1.3 피더 보호 장치 실패로 인한 오작동
마이크로프로세서 기반 릴레이는 높은 성능을 제공하지만 제품 품질은 다양합니다. 일반적인 실패 사례는 전원, 샘플링, CPU, 또는 트립 출력 모듈의 문제입니다. 이러한 문제가 발견되지 않으면 보호 거부가 발생하여 접지 변압기 오작동을 초래할 수 있습니다.

1.4 피더 차단기 실패로 인한 오작동
노후화, 빈번한 작동, 또는 저품질 차단기(특히 농촌 지역의 오래된 GG-1A 타입)는 실패율을 높입니다. 제어 회로 고장—특히 트립 코일의 손상—은 보호 명령이 있어도 차단기 작동을 방지하여 접지 변압기 백업이 작동하게 만듭니다.

1.5 한 개 또는 두 개의 피더에서 고저항 접지 고장으로 인한 오작동
두 피더가 같은 상에서 동시에 고저항 접지 고장을 겪을 때, 개별 영상 전류(예: 40A와 50A)는 피더 픽업(60A) 아래에 머물 수 있지만, 그 합(90A)은 접지 변압기 설정(75A)을 초과하여 오버리치를 초래할 수 있습니다. 심각한 고저항 고장 하나(예: 58A)와 정상적인 정전용량 전류(예: 12-15A)가 결합하여 75A에 가까워질 수도 있습니다. 시스템 교란이 발생하면 오작동이 발생할 수 있습니다.

2. 오작동 방지 대책

2.1 CT 오차 해결

고품질 영상 CT 사용; 시운전 중 5% 이상 오차가 있는 장치 거부; 보호 임계값을 일차 값에 기반하여 설정; 일차 주입 테스트를 통해 설정 확인.

2.2 케이블 실드 접지 수정

• 접지 케이블을 제로 서열 CT를 통해 아래쪽으로 라우팅하고 케이블 트레이에서 절연하십시오. CT 이전에는 접촉하지 마십시오.

• 시험용으로 노출된 도체 끝을 남겨두고 나머지는 절연하십시오.

• 방호 접지점이 CT 아래에 있는 경우, 이를 CT를 통과하도록 라우팅하지 마십시오. 접지점을 CT 창 안에 배치하지 마십시오.

• 적절한 설치 방법에 대해 기관 보호 및 케이블 직원을 교육하십시오.

• 릴레이, 운영, 케이블 팀 간의 공동 검수를 시행하십시오.

2.3 보호 거부 방지

증명된 신뢰성 있는 릴레이를 사용하십시오. 노후되거나 고장난 장치는 교체하고 유지 관리를 강화하십시오. 과열을 방지하기 위해 냉각/환기 시설을 설치하십시오.

2.4 차단기 거부 방지

신뢰성 있고 현대적인 차단기를 사용하십시오 (예: 스프링 또는 모터 충전형 밀폐 타입). 오래된 GG-1A 캐비닛은 단계적으로 폐기하고 제어 회로를 유지 관리하며, 고품질의 트립 코일을 사용하십시오.

2.5 고임피던스 결함 위험 완화

지상 경보가 발생할 때 즉시 피더를 조사하고 청소하십시오. 피더 길이를 줄이고, 상 부하를 균형 잡아 정상적인 용량 전류를 최소화하십시오.

3. 결론

접지 변압기는 전력망 구조와 안정성을 개선하지만, 반복되는 오작동은 숨겨진 위험을 강조합니다. 본 논문은 주요 원인을 분석하고, 접지 변압기를 이미 설치했거나 설치할 계획인 지역을 위한 실질적인 해결책을 제안합니다.

지그재그(Z-타입) 접지 변압기

35 kV 및 66 kV 배전망에서는 변압기의 감속선이 Y 연결되어 중성점이 있으므로 접지 변압기가 필요 없습니다. 그러나 6 kV 및 10 kV 네트워크에서는 삼각형 연결 변압기가 중성점을 가지지 않으므로, 주로 아크 억제 코일을 연결하기 위해 접지 변압기가 필요합니다.

접지 변압기는 지그재그(Z-타입) 감속선 연결을 사용합니다. 각 상의 감속선은 두 개의 코어 다리를 걸쳐 분할됩니다. 두 감속선에서 발생하는 제로 서열 자기 유속이 서로 상쇄되어 매우 낮은 제로 서열 임피던스(일반적으로 <10 Ω), 낮은 무부하 손실, 그리고 90% 이상의 정격 용량 활용이 가능합니다. 반면, 일반 변압기는 훨씬 높은 제로 서열 임피던스를 가지고 있어 아크 억제 코일 용량이 변압기 정격의 ≤20%로 제한됩니다. 따라서 Z-타입 변압기는 접지 응용에 최적입니다.

시스템 불균형 전압이 클 때, 균형 잡힌 Z-타입 감속선으로 측정이 충분합니다. 저불균형 시스템(예: 모든 케이블 네트워크)에서는 측정 필요에 따라 중성이 30-70 V의 불균형 전압을 생성하도록 설계됩니다.

접지 변압기는 또한 2차 부하를 공급하여 변전소 서비스 변압기로 사용될 수 있습니다. 이러한 경우, 일차 정격은 아크 억제 코일 용량과 2차 부하 용량의 합과 같습니다.

접지 변압기의 주요 기능은 접지 고장 보상 전류를 제공하는 것입니다.

도 1과 도 2는 두 가지 일반적인 Z-타입 접지 변압기 연결(ZNyn11 및 ZNyn1)을 보여줍니다. 낮은 제로 서열 임피던스의 원리는 다음과 같습니다. 각 코어 다리는 다른 상 전압에 연결된 두 개의 동일한 감속선을 포함합니다. 양서열 또는 음서열 전압 하에서는 각 다리의 자기 유동력(MMF)은 두 상의 MMF 벡터 합입니다. 세 다리의 MMF는 균형 잡혀 있으며 120°로 떨어져 있어 저저항, 고유속, 고유도 전압, 그리고 높은 자극 임피던스를 형성합니다.

제로 서열 전압 하에서는 각 다리의 두 감속선이 크기는 같지만 반대 방향의 MMF를 생성하여 각 다리의 순 MMF는 0이 됩니다. 코어에는 제로 서열 자기 유속이 흐르지 않고, 대신 탱크와 주변 매체를 통해 높은 저항을 만나게 됩니다. 결과적으로 제로 서열 자기 유속과 임피던스는 매우 낮습니다.