궤도 교통 전력 공급 시스템에서 접지 변압기의 보호 논리 개선 및 공학적 적용

1. 시스템 구성 및 운전 조건
정저우 철도의 전시회 및 경기장 주 변전소의 주 변압기는 중성점 비접지 운전 모드를 채택한 별/델타 권선 접속을 사용합니다. 35kV 버스 측에서는 지그재그 접지 변압기를 사용하여 저값 저항을 통해 접지되며, 또한 변전소 부하를 공급합니다. 선로에서 단상 접지 단락 고장이 발생하면 접지 변압기, 접지 저항, 접지망을 통해 경로가 형성되어 제로 시퀀스 전류가 발생합니다.

이는 고장된 구간 내에서 고감도 선택적 제로 시퀀스 보호가 신뢰성 있게 작동하여 해당 회로 차단기를 즉시 트립하게 함으로써 고장을 격리하고 그 영향을 제한할 수 있게 합니다. 접지 변압기가 분리되면 시스템은 비접지 시스템이 됩니다. 이러한 상태에서 단상 접지 고장은 시스템 절연과 장비 안전에 심각한 위협이 됩니다. 따라서 접지 변압기 보호가 작동할 때는 접지 변압기 자체뿐만 아니라 연관된 주 변압기도 함께 트립해야 합니다.

2. 기존 보호 방식의 한계
정저우 철도의 전시회 및 경기장 주 변전소의 전력 공급 시스템에서 현재 접지 변전소 변압기에 대한 보호는 과전류 보호만 포함하고 있습니다. 고장으로 인해 접지 변압기가 트립되고 서비스에서 제거될 때에는 자신의 스위치 기어만 트립시키고, 연관된 진입 전원 피더 차단기와의 연동 트립은 하지 않습니다.

이는 영향을 받은 버스 구간이 접지점 없이 오랜 시간 동안 운전되는 결과를 초래합니다. 이러한 조건에서 단상 접지 고장이 발생하면 과전압이 발생하거나 보호 시스템이 제로 시퀀스 전류를 감지하지 못하여 제로 시퀀스 보호가 작동하지 않거나 실패할 수 있으며, 이는 사고를 악화시키고 전체 전력 시스템의 안전성을 해칠 수 있습니다.

또한, 버스 타이 자동 전환 (버스 타이 오토 스위칭) 작업 중에는 전력이 차단된 버스 구간의 접지 변전소 변압기가 연동 트립되지 않습니다. 이렇게 되면 두 버스 구간이 버스 타이 차단기를 통해 상호 연결되어 시스템 내에서 두 점 접지 상태가 발생할 수 있습니다. 이러한 두 점 접지 시나리오는 두 가지 심각한 문제를 초래할 수 있습니다: (1) 접지 고장 시 제로 시퀀스 전류의 오인식으로 인해 보호가 작동하지 않거나 잘못된 트립이 발생하며, (2) 제로 시퀀스 전류에 의해 유발된 순환 전류로 인해 장비 과열과 절연 손상이 발생합니다.

현재의 보호 논리는 중요한 제약이 있습니다. 일반적인 보호 장치는 접지 변압기의 운영 상태만 모니터링하고, 진입 전원 피더 차단기 또는 버스 타이 차단기와의 연동 논리를 설정하지 않아 필요한 차단/연동 메커니즘이 부족합니다.

3. 기존 보호 한계 개선 제안

3.1 제안된 개선 조치

"접지 변전소 변압기 트립 연동" 소프트 논리 추가

• 트리거 조건: 접지 변전소 변압기의 회로 차단기가 열립니다. 시스템이 저저항 접지를 사용하는 경우, 접지 저항 전류의 소멸을 추가 기준으로 할 수 있습니다.

• 연동 트립 논리 설계: 진입 전원 피더 차단기 트립: 접지 변전소 변압기가 제거되고 버스 구간에 다른 접지점이 없는 경우, 진입 전원 피더 차단기를 연동 트립하여 부하를 다른 버스로 전환하도록 강제합니다. 버스 타이 차단기 트립: 두 버스 구간이 버스 타이 차단기를 통해 병렬로 운전되는 경우, 버스 타이 차단기를 연동 트립하여 비접지 버스 구간을 격리합니다.

• 기술적 실현 추천: 제로 시퀀스 전류 보호를 추가합니다. 과전류 또는 제로 시퀀스 전류 작동 시 보호 장치는 로컬 차단기를 트립시키고 동시에 해당 진입 피더 차단기 및 버스 타이 차단기에 연동 트립 명령을 보냅니다. 보호 장치 제조사는 이 논리에 따라 연동 논리 도면을 수정하고 소프트웨어 업그레이드를 수행해야 합니다.

3.2 제로 시퀀스 전압 기반 보호 업그레이드

• 제로 시퀀스 과전압 차단/트립 기능: 버스 보호 계획에 접지 변전소 변압기가 서비스에서 제외되었을 때 백업으로 제로 시퀀스 과전압 보호를 추가합니다. 제로 시퀀스 전압이 설정된 임계값을 초과하는 시간이 예정된 시간 지연보다 긴 경우, 자동으로 진입 피더 또는 버스 타이 차단기를 트립합니다.

• 접지 변압기 상태와의 연동: 제로 시퀀스 전압 보호 기능을 접지 변전소 변압기의 운영 상태 신호와 연결합니다: 접지 변압기가 정상적으로 운전 중일 때, 제로 시퀀스 전압 보호는 알람 모드로 작동합니다. 접지 변압기가 서비스에서 제외되었을 때, 제로 시퀀스 전압 보호는 트립 모드로 전환됩니다.

• 실현 참고사항 - 오작동 방지 조치: 일시적인 교란으로 인한 잘못된 트립을 피하기 위해 시간 지연을 추가합니다. "AND" 논리 기준 (예: 제로 시퀀스 전압 + 접지 변압기 오프 상태)을 사용하여 신뢰성을 향상시킵니다.

3.3 제어 회로 수정 (하드웨어 강화)

• 접지 변전소 변압기 보호 장치와 진입 피더 차단기 보호 장치 사이에 하드웨어 연동 회로를 추가합니다. 접지 변압기가 트립할 때, 그 보호 장치의 출력 단자에서 트립 신호가 → 진입 피더 보호 장치의 출력 단자를 트리거하여 → 진입 피더 차단기를 트립합니다.

• 버스 타이 자동 전환 작동 중에 버스 타이 보호 장치가 수신 피더 브레이커를 트립시키는 신호를 보내면 동시에 그 접지 변압기 스위치 보호 장치의 출력 단자로 인터록 출력 단자를 통해 접지 변압기 브레이커를 트립시키는 신호를 보냅니다.

3.4 현장 개조 구현
표 1에 표시된 대로 옵션 1과 옵션 2 모두 보호 장치의 수정 및 업그레이드가 필요합니다. 그러나 컨벤션 & 전시장 주 변전소와 시립 경기장 주 변전소는 노후화된 변전소로서 장비가 보증 기간을 훨씬 넘겼습니다. 옵션 1 또는 옵션 2를 구현하려면 원래의 보호 장치 제조업체가 소프트웨어 업그레이드를 수행해야 하며 이는 상당한 인력과 재정적 투자를 필요로 합니다. 따라서 운영 인원은 옵션 3—하드웨어 인터록 회로를 추가하여 현장에서 수정하는 것을 선택했습니다.

접지 변압기가 고장으로 인해 트립될 때는 진입 전원 피더 브레이커를 연동 트립해야 합니다. 점검 결과 스팬 아웃풋 1, 2, 3이 모두 사용되지 않았음을 확인했습니다. 열차 운행이 종료된 후 유지 보수 인력이 장비 디스패처에게 작업 허가("작업 허가 요청")를 신청했습니다. 디스패처는 운영 요구 사항에 따라 부하 전환을 수행하고 조건이 적합할 때 작업 허가를 승인했습니다.

연동 트립 회로: WCB-822C 보호 장치의 5# 신호 플러그인 보드의 스팬 아웃풋 2(단자 517/518)—노멀리 오픈 접점—은 새로 추가된 하드와이어드 연동 회로에 직렬로 연결되었습니다. 이 회로는 WBH-818A 보호 장치의 4# 아웃풋 플러그인 보드의 진입 전원 피더 스위치기어의 스팬 아웃풋 5(단자 13/14)의 노멀리 오픈 단자로 라우팅되었습니다. 단자 블록에서 출력 신호가 나온 후 진입 피더 브레이커가 트립되었습니다. 하드와이어링은 접지 변압기 스위치기어와 진입 피더 스위치기어 사이에 설치되었으며, 물리적인 압력 플레이트 링크를 통해 하드와이어드 차단 회로에 통합되었습니다. 이 하드 압력 플레이트를 작동시키거나 해제함으로써 차단 기능이 활성화되는지 여부가 결정됩니다.

다른 버스 섹션의 수정 포인트는 위와 동일합니다. 두 버스 섹션 모두의 개조 중에는 섹션화된 진입 피더를 사용하여 각 서비스 영역에 대한 전력 공급을 중단 없이 유지하여 후속 설비 유지 보수에 미치는 영향을 최소화했습니다.

개조가 완료된 후 보호 계전기 테스트를 실시하여 연동 트립 기능을 검증했습니다. 정상적으로 검증되면 시스템이 직접 운영에 투입되었습니다.

버스 타이 자동 전환(BATS) 동안 비활성화된 버스의 접지 서브스테이션 변압기의 연동 트립에 관해서: 점검 결과 스팬 아웃풋 3부터 7까지가 사용되지 않았음을 확인했습니다. 열차 운행이 종료된 후 유지 보수 인력이 장비 디스패처에게 작업 허가를 신청했습니다. 디스패처는 운영 요구 사항에 따라 부하 전환을 수행하고 조건이 적합할 때 작업 허가를 승인했습니다.

섹션 I 버스 접지 서브스테이션 변압기의 현장 개조: 새로운 하드와이어드 회로가 추가되었습니다. WBT-821C 보호 장치의 5# 신호 플러그인 보드의 스팬 아웃풋 3(단자 519/520)—노멀리 오픈 접점—은 새로운 하드와이어드 회로에 직렬로 연결되어 섹션 I 접지 서브스테이션 변압기 스위치기어의 WCB-822C 보호 장치의 5# 아웃풋 플러그인 보드의 스팬 아웃풋 1(단자 514/515)의 노멀리 오픈 단자로 라우팅되었습니다. 단자 출력 후 접지 변압기 브레이커가 트립되었습니다. 새로운 하드와이어드 회로는 접지 변압기 스위치기어와 버스 타이 스위치기어의 2차 캐비닛 도어에 설치되고, 물리적인 압력 플레이트 링크를 통해 하드와이어드 차단 회로에 연결되었습니다. 하드 압력 플레이트를 작동시키거나 해제함으로써 차단 기능이 활성화되는지 여부가 결정됩니다.

섹션 II 버스 접지 서브스테이션 변압기의 현장 개조: 새로운 하드와이어드 회로가 추가되었습니다. WBT-821C 보호 장치의 3# 확장 플러그인 보드의 스팬 아웃풋 4(단자 311/312)—노멀리 오픈 접점—은 새로운 하드와이어드 회로에 직렬로 연결되어 섹션 II 접지 서브스테이션 변압기 스위치기어의 WCB-822C 보호 장치의 5# 아웃풋 플러그인 보드의 스팬 아웃풋 1(단자 514/515)의 노멀리 오픈 단자로 라우팅되었습니다. 단자 출력 후 접지 변압기 브레이커가 트립되었습니다. 새로운 하드와이어드 회로는 접지 변압기 스위치기어와 버스 타이 스위치기어의 2차 캐비닛 도어에 설치되고, 물리적인 압력 플레이트 링크를 통해 하드와이어드 차단 회로에 연결되었습니다. 하드 압력 플레이트를 작동시키거나 해제함으로써 차단 기능이 활성화되는지 여부가 결정됩니다.

버스 타이 자동 전환 시작 중 비활성화된 버스의 접지 서브스테이션 변압기의 연동 트립 신호 개조는 해당 버스 섹션의 단일 버스 개조 과정 중에 완료되었습니다.

4. 결론

중성점이 접지되지 않은 전력 시스템에서 인위적으로 도입된 중성점인 접지 변압기는 시스템 안전 및 안정적인 운영을 보장하는 중요한 역할을 합니다. 위에서 설명한 개선 사항은 접지 변압기가 서비스에서 제거될 때 시스템 안전성을 크게 향상시키며, 접지점 없이 운영할 때 발생할 수 있는 과전압과 설비 손상의 위험을 효과적으로 방지합니다. 실제 구현 전에는 특정 설비 모델과 시스템 매개변수에 기반한 상세한 검증이 수행되어야 합니다.