발전기의 차동 보호

발전기 차동 보호

발전기의 차동 보호는 주로 스태터 권선을 대지 고장 및 상간 고장으로부터 보호합니다. 스태터 권선 고장은 발전기에 심각한 손상을 입힐 수 있는 중요한 위협입니다. 이러한 고장을 최단 시간 내에 제거하여 손상 범위를 최소화하기 위해 차동 보호 시스템이 활용됩니다.

머츠-프라이즈 순환 전류 시스템

이 보호 방식에서는 보호 구간의 양 끝에서의 전류가 비교됩니다. 정상 작동 중에는 전류 변압기의 2차 권선에서의 전류 크기가 동일합니다. 그러나 고장이 발생하면 단락 전류가 시스템을 통해 흐르게 되어 전류 크기가 달라집니다. 이 고장 상태에서의 전류 차이는 계전기의 작동 코일을 통해 전달됩니다.

전류가 설정된 임계값을 초과하면 계전기의 접점이 닫히고 회로 차단기가 트립하여 고장 부분을 시스템의 나머지 부분과 분리합니다. 이러한 보호 메커니즘은 머츠-프라이즈 순환 전류 시스템으로 알려져 있으며, 대지 고장 및 상간 고장 감지와 대응에 매우 효과적입니다.

차동 보호 시스템의 연결

차동 보호 시스템은 보호 구역의 양쪽에 설치되는 두 개의 동일한 전류 변압기를 필요로 합니다. 이 전류 변압기의 2차 단자는 별 형식으로 연결되고, 그 끝 단자는 파일럿 와이어를 통해 연결됩니다. 동시에 계전기 코일은 델타 형식으로 연결되며, 전류 변압기와 계전기의 중성점은 공통 단자에 연결됩니다. 이 특정 배선 배열은 전류 불균형을 정확하게 감지하고 즉시 고장을 분리할 수 있게 합니다.

계전기는 세 개의 파일럿 와이어의 등전위 점 사이에 연결되어 각 전류 변압기가 동일한 부하를 가짐을 보장합니다. 각 파일럿 와이어의 중점이 등전위 점을 나타내므로 계전기는 이러한 와이어의 중점에 전략적으로 위치합니다.

차동 보호 시스템이 최적의 성능을 발휘하려면 계전기 코일을 주 회로 근처의 전류 변압기 근처에 배치하는 것이 중요합니다. 이를 위해 파일럿 와이어에 평형 저항을 직렬로 삽입하여 등전위 점을 주 회로 차단기 근처로 이동시키면 됩니다.

차동 보호 시스템의 작동 원리

네트워크의 R 상에서 절연 파손이 발생하여 고장이 발생하면 전류 변압기의 2차 권선에서의 전류가 불균형을 이루게 됩니다. 이 불균형은 계전기 코일을 통과하는 차동 전류를 생성합니다. 결과적으로 계전기가 활성화되어 회로 차단기에 트립 명령을 보내고 고장 부분을 시스템의 나머지 부분과 분리합니다.

그러나 이 보호 시스템은 변압기의 자석 인입 전류에 매우 민감하다는 중요한 한계가 있습니다. 인입 전류는 계전기의 오작동을 유발할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 바이어스 차동 계전기가 사용됩니다. 이 종류의 계전기는 일정 수준의 불균형 전류가 코일을 통과하도록 허용하여 불필요한 작동을 방지합니다.

더욱이 자석 인입 전류의 영향을 줄이기 위해 제동 코일이 설계에 포함됩니다. 제동 코일은 인입 전류의 영향을 효과적으로 줄여 계전기가 자석 인입으로 인한 잘못된 트립으로부터 면역되게 합니다. 이러한 구성으로 장착된 계전기는 바이어스 차동 계전기로 알려져 있습니다.

고장 시나리오 및 계전기 작동

예를 들어 Y와 B 상 사이에서 고장이 발생하면 두 상 사이를 통해 단락 전류가 흐릅니다. 이 고장은 전류 변압기(CT)를 통과하는 전류의 균형을 깨뜨립니다. 결과적으로 차동 전류가 계전기의 작동 코일을 통과하여 계전기가 트립하고 접점을 열어 고장 부분을 전기 시스템에서 분리합니다.

차동 보호 시스템의 문제점

차동 보호 시스템에서는 일반적으로 중성 저항 와이어를 사용하여 대지 고장 전류의 부정적인 영향을 완화합니다. 그러나 중성점 근처에서 대지 고장이 발생하면 작은 전기 동력(emf)이 중성을 통해 흐르는 상대적으로 작은 단락 전류를 생성합니다. 중성 접지 저항은 이 전류를 더욱 줄입니다. 결과적으로 계전기에 도달하는 전류는 매우 적습니다. 이 작은 전류는 계전기 코일을 활성화하기에 충분하지 않아 고장이 감지되지 않을 수 있으며, 이는 발전기에 손상을 초래할 수 있습니다.

개선된 차동 보호 시스템 방안

위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 개선된 차동 보호 시스템 방안이 개발되었습니다. 이 수정된 방안은 상 고장 보호와 대지 고장 보호를 위한 두 가지 독특한 요소를 포함합니다.

상 고장 보호 요소는 저항과 함께 별 형식으로 연결됩니다. 한편, 대지 고장 계전기는 별 연결된 상 요소와 중성점 사이에 위치합니다. 특히, 두 개의 상 고장 요소와 평형 저항이 별 패턴으로 연결되고, 대지 고장 계전기는 별 연결과 중성 파일럿 와이어 사이에 연결됩니다. 이 구성은 상 고장과 대지 고장을 정확하게 감지하고 대응하는 시스템의 능력을 향상시켜 차동 보호 시스템의 전체적인 신뢰성을 개선합니다.

별 연결된 회로는 대칭성을 나타내므로, 전류 순환점에서 발생하는 균형 잡힌 과도 전류는 대지 고장 계전기를 통과하지 않습니다. 따라서 이 시스템 내에서 민감한 대지 고장 계전기는 정상적인 균형 잡힌 전류 변화에 의해 트리거되지 않고 안정적으로 대지 고장을 감지할 수 있습니다.