공중 전선 보호 – 고장 및 보호 장치
공중 전선의 일반적인 고장
공중 전선에서 발생하는 고장의 가장 흔한 원인은 다음과 같습니다:
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공중 전선 보호 장치
시간 등급 과전류 보호는 고전압 (HV) 공중 송전선에 효과적이지 않습니다. 이것은 여러 개의 상호 연결된 고장 전류 원인이 제한될 수 있기 때문입니다. HV 공중 송전선의 보호 계획의 주요 요구 사항은 다음과 같습니다:
이러한 요구 사항을 충족하기 위해 HV 공중 전선에서는 다음 보호 장치가 일반적으로 사용됩니다:
차동 보호는 짧은 공중 전선에 주로 적용되며, 거리 보호는 긴 공중 전선에 더 적합합니다. 공중 전선이 짧은 것인지 긴 것인지는 전선의 유도, 저항 및 용량을 비교하여 결정됩니다. 전선의 저항과 용량이 유도보다 무시할 만큼 작다면 짧은 것으로 간주됩니다. 이러한 평가는 종종 공중 전선의 π 다이어그램을 사용하여 수행됩니다.
여러 요소가 전선의 임피던스, 단락 조건에 대한 물리적 반응 및 전선 충전 전류에 영향을 미칩니다. 이러한 요소에는 전압 수준, 송전선의 물리적 구조, 도체의 유형 및 크기, 도체 간 간격 등이 포함됩니다. 또한, 라인 단자가 많을수록 부하 및 고장 전류의 흐름이 증가하므로 보호 시스템이 이를 고려해야 합니다. 병렬 라인은 서로 결합되어 보호 릴레이가 측정하는 지면 전류에 영향을 미칠 수 있습니다. 탭 변압기 또는 직렬 캐패시터 뱅크 또는 셧 리액터와 같은 반응 보상 장치의 존재는 보호 시스템의 선택과 보호 장치의 설정에도 영향을 미칩니다. 따라서 최적의 보호 릴레이를 결정하기 위해서는 공중 전선에 대한 상세 연구가 필요합니다. 일반적으로 80-100km 길이의 라인은 짧다고 간주되지만, 이는 전압 수준과 네트워크 특성에 따라 달라질 수 있습니다.
공중 전선 고장의 약 90%는 일시적인 성격입니다. 고장은 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
이러한 고장의 경우, 단일 폴 트립이 필요할 수 있으며, 회로 차단기가 트립한 후 즉시 전선을 복구할 수 있습니다. 따라서 단일 폴 트립 및 자동 재폐쇄 방식은 공중 송전선과 관련된 회로 차단기 (보통 220kV 이상)에서 일반적으로 사용됩니다. 회로 차단기가 고장 전류를 중단하면 플래시오버 아크가 소멸되고 이온화된 공기가 확산됩니다. 자동 재폐쇄는 일반적으로 몇 개의 주기 지연 후 성공적입니다. 그러나 작업 중인 라인의 경우, 자동 재폐쇄 장치는 비재폐쇄 모드로 설정해야 합니다. 이러한 응용 프로그램에서 사용되는 회로 차단기는 이러한 작업을 처리하고, 명확한 트립 명령이 내려질 때까지 폴 불일치에 대해 면역되어야 합니다.
차동 및 위상 비교 보호
차동 보호는 키르히호프의 전류 법칙을 기반으로 합니다. 송전선의 맥락에서, 이 방법은 한 끝에서 전선으로 들어오는 전류와 다른 끝에서 전선으로 나오는 전류를 비교하여 작동합니다. 송전선의 양 끝에 위치한 라인 차동 릴레이는 광섬유 통신 링크를 통해 라인 전류 데이터를 교환합니다. 이 링크는 일반적으로 OPGW 케이블을 사용하여 설립되며, 이 케이블은 공중 전선의 번개 보호 설계에도 사용되며 그 구조 내에 광섬유 케이블을 포함합니다. 그림 1은 차동 보호 시스템의 다이어그램을 보여줍니다.
그림 1 - 공중 전선 차동 보호 다이어그램
또 다른 고전압 (HV) 송전선 보호 릴레이 시스템은 차동 보호 원칙을 기반으로 하며, 이제는 장거리 라인에서도 사용되고 있습니다. 이는 위상 비교 보호입니다.
이 시스템은 보호된 라인의 양 끝에서의 전류의 위상 각도를 비교하여 작동합니다. 외부 고장이 발생할 때, 라인으로 들어오는 전류와 라인에서 나오는 전류의 상대 위상 각도는 동일합니다. 따라서 위상 비교 릴레이는 거의 또는 전혀 위상 각도 차이를 감지하지 않습니다. 결과적으로 보호 시스템은 안정적이고 트립이 발생하지 않습니다. 반면 내부 고장이 발생할 때, 라인의 양 끝에서 전류가 흘러들어와 위상 각도 차이가 생깁니다. 이 차이를 감지하면 릴레이는 고장을 격리하고 제거하기 위해 활성화됩니다.
위상 비교 시스템에서 시작 릴레이는 중요한 역할을 합니다. 이러한 릴레이는 고장 조건이 감지되면 위상 비교 과정을 시작합니다. 그 설계는 내부 및 외부 고장 모두에 대해 작동하도록 되어 있어 포괄적인 모니터링을 제공합니다.
위상 비교 보호의 효과적인 작동을 위해서는 신뢰할 수 있는 통신 채널이 필수적입니다. 현대적인 응용 프로그램에서는 OPGW 케이블 내에 통합된 광섬유 케이블이 이 통신 링크를 설정하는 데 선호되는 선택입니다.
그림 2는 3상 라인 보호를 위한 메르츠 프라이스 전압 균형 시스템의 단일 선 다이어그램을 나타냅니다.
위상 비교 보호 및 거리 보호
위상 비교 보호
그림 2 - 위상 비교 보호 다이어그램
위상 비교 보호에서는 동일한 전류 변환기 (CT)가 송전선의 각 단상에서 양 끝에 전략적으로 배치됩니다. 각 쌍의 CT, 즉 라인의 양 끝에 하나씩 배치되어 릴레이와 직렬로 연결됩니다. 정상적인 고장 없는 상태에서 이러한 CT들에 의해 생성된 2차 전압은 크기는 같지만 방향은 반대이며, 서로 균형을 이루게 됩니다.
시스템이 건강하게 작동할 때, 한 끝에서 라인으로 들어오는 전류는 다른 끝에서 라인으로 나오는 전류와 정확히 일치합니다. 결과적으로, 라인의 두 끝에서의 CT의 2차에서 크기는 같지만 방향은 반대인 전압이 유도됩니다. 이 전압 균형은 릴레이를 통과하는 전류가 없음을 의미하며, 보호 시스템의 안정성을 유지합니다.
그러나 F점에서 고장이 발생하면, 그림 2에서 보듯이, 전류 분포가 중단됩니다. 특히, CT1을 통과하는 전류가 CT2를 통과하는 전류보다 크게 흐르게 됩니다. 이러한 전류 차이는 CT의 2차 전압을 불균형하게 만듭니다. 결과적으로, 파일럿 선을 통해 릴레이를 통과하는 순환 전류가 생성됩니다. 이 전류 흐름에 대응하여, 라인의 양 끝에서의 회로 차단기가 트립되어 고장 라인이 전력 시스템의 나머지 부분과 즉시 격리됩니다.
추가 읽기: 전력 시스템의 기본 및 보조 보호
거리 보호
거리 보호는 거리 릴레이를 기반으로 합니다. 거리 릴레이는 전압 및 전류 신호를 분석하여 송전선의 임피던스를 측정합니다. 라인에서 고장이 발생하면 두 가지 중요한 변화가 일어납니다: 전류가 훨씬 높은 수준으로 급증하고, 전압이 급격히 떨어집니다.
송전선의 임피던스가 그 길이에 비례하므로, 거리 릴레이는 "도달점"이라는 사전 설정된 지점까지의 임피던스를 측정하도록 설계되었습니다. 이러한 릴레이는 종종 임피던스 릴레이라고도 하며, 오ーム의 법칙을 사용하여 임피던스를 계산합니다. Z = U/I (Z는 임피던스, U는 전압, I는 전류).
거리 릴레이는 릴레이 위치와 선택된 도달점 사이에서 발생하는 고장에 대해서만 작동하도록 설계되었습니다. 이러한 설계 기능은 라인의 다양한 섹션에서 발생하는 고장을 효과적으로 구분할 수 있게 해줍니다. 릴레이가 계산한 표시 임피던스는 사전 설정된 도달점 임피던스와 비교됩니다. 측정된 임피던스가 도달점 임피던스보다 낮다면, 릴레이와 도달점 사이의 라인에 고장이 발생한 것으로 추론됩니다. 계산된 임피던스가 릴레이의 도달 설정 범위 내에 있을 때, 릴레이는 활성화되어 보호 작동을 시작합니다.
완전한 보호를 위해, 거리 보호 시스템은 송전선의 양 끝에 설치되며, 이 끝점들 사이에 통신 링크가 설정됩니다. 이 통신은 각 끝점의 릴레이 간의 조정된 작동을 가능하게 하여 보호 계획의 전체 효과를 향상시킵니다.
거리 릴레이의 성능 및 특성
그림 3 - 공중 전선 거리 보호 다이어그램
거리 릴레이의 성능은 주로 두 가지 주요 매개변수인 도달 정확도와 작동 시간을 기준으로 평가됩니다.
도달 정확도
도달 정확도는 실제 조건에서 거리 릴레이의 실제 오믹 도달 거리를 사전 설정된 오믹 값과 비교하는 것입니다. 이 매개변수는 고장 조건에서 릴레이에 적용되는 전압 수준에 크게 영향을 받습니다. 낮거나 왜곡된 전압은 측정된 임피던스의 정확성을 저하시켜, 릴레이가 고장 위치를 올바르게 식별하는 능력을 저하시킬 수 있습니다. 또한 특정 릴레이 설계에서 사용되는 임피던스 측정 기법도 중요한 역할을 합니다. 다른 알고리즘과 하드웨어 구성은 다양한 수준의 정밀도를 제공하므로, 릴레이의 전체 도달 정확도에 영향을 미칩니다.
작동 시간
거리 릴레이의 작동 시간은 여러 요인에 따라 변하는 변수입니다. 고장 전류의 크기는 직접적인 영향을 미칩니다. 더 큰 고장 전류는 때때로 더 빠른 작동을 초래할 수 있지만, 작은 전류는 더 긴 응답 시간을 초래할 수 있습니다. 또한, 고장 위치가 릴레이 설정에 대한 상대적인 위치에 따라 달라집니다. 소스에 가까운 고장이나 릴레이 근처의 고장은 더 먼 곳의 고장보다 더 빠른 응답을 유발할 수 있습니다. 더욱이, 고장이 발생하는 전압 파의 위치는 작동 시간에 변동성을 도입할 수 있습니다.
특정 측정 신호 일시 오류, 릴레이 설계에서 사용되는 특정 측정 기법과 관련된 오류는 문제가 더 복잡해질 수 있습니다. 예를 들어, 커패시터 전압 변환기 (CVT) 또는 포화 전류 변환기 (CT)에서 발생하는 오류는 특히 도달점 근처에서 발생하는 고장의 경우 릴레이의 작동을 크게 지연시킬 수 있습니다. 이러한 일시 오류는 전압 및 전류 신호를 왜곡하여 임피던스를 잘못 해석하고, 릴레이의 활성화를 지연시킬 수 있습니다.
거리 릴레이의 특성
거리 릴레이의 특성, 종종 보호 형태로 알려져 있으며, R/X 또는 어미턴스 다이어그램에서 라인의 저항 (R) 및 임피던스 (X)의 함수로 그래픽으로 표현됩니다. 가장 일반적인 두 가지 형태는 원형 (모 특성)과 사각형입니다. 이러한 특성 형태는 각각 그림 10과 11에서 설명됩니다. 각 형태는 자신의 장점이 있으며, 다양한 전기 시스템 조건에서 릴레이의 성능을 최적화하도록 설계되어 보호된 라인 섹션 내에서 정상 작동 조건과 실제 고장 사이를 신뢰할 수 있게 구분합니다.
그림 4 - 모 특성
거리 릴레이 특성, 도달 설정 및 재폐쇄
그림 5 - 사각형 특성
모 임피던스 요소는 어미턴스 다이어그램에서 직선으로 나타나는 특성 때문에 이름이 붙여졌습니다. 그러나 사각형과 같은 다각형 임피던스 특성은 높은 유연성을 제공하여 위상 및 지면 고장 모두에 대한 고장 임피던스를 덮을 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 대부분의 현대 거리 릴레이에서 선호되는 선택이 되었습니다.
거리 릴레이는 최대 다섯 개의 독특한 존을 설정할 수 있으며, 일부 존은 역방향 임피던스를 측정하도록 설정됩니다. 이러한 역방향 측정 존은 버스 바의 백업 보호 역할을 합니다. 각 존은 특정 릴레이 작동 시간과 연관되어 있어, 보호된 전기 네트워크 내에서 다양한 위치에서 발생하는 고장에 대한 세련되고 조정된 응답을 가능하게 합니다.
거리 릴레이가 송전선의 양 끝에 설치될 때, 고장 지점 (F)과 각 끝의 거리에 따라 고장에 대한 응답 시간이 다릅니다. 예를 들어, A와 B 변전소를 연결하는 공중 전선을 고려해보겠습니다. 고장 지점 F에 가장 가까운 변전소에 위치한 거리 릴레이는 먼저 고장을 감지하고, 해당 회로 차단기가 다른 변전소의 회로 차단기보다 먼저 트립됩니다.
반대편 라인 끝에서 계속 전력을 공급받는 것을 방지하기 위해, 보호 릴레이 간의 통신 링크가 필수적입니다. 일반적으로 이러한 통신은 OPGW 케이블 내에 통합된 광섬유 케이블을 통해 설정됩니다. 이러한 설정은 두 회로 차단기의 동시 트립을 가능하게 하여 고장 섹션을 신속하고 효과적으로 격리합니다.
임피던스 릴레이를 프로그래밍하여 원격 끝의 브레이커까지 라인의 임피던스를 정확하게 측정하는 것은 현실적이지 않습니다. 이는 전류 변환기 (CT), 전압 변환기 (VT), 릴레이 자체, 그리고 라인 임피던스 계산에서 발생하는 본질적인 오류와 부정확성 때문입니다. 이러한 불확실성을 고려하기 위해, 릴레이의 도달 거리는 라인의 전체 길이에 해당하는 총 임피던스보다 작은 임피던스 값을 측정하도록 설정됩니다. 예를 들어, Zone 1을 라인 임피던스의 85%까지 설정하는 것이 일반적이고 안전한 방법입니다. 남은 15-20%는 안전 마진으로, 측정 오류와 부정확성으로 인해 Zone 1 보호가 보호된 라인을 초과하지 않도록 합니다. 이러한 마진 없이는 인접한 라인 섹션의 고장을 구분하는 능력을 잃을 위험이 있으며, 특히 빠른 작동 보호 시스템을 다룰 때 그렇습니다.
각 측정 존의 도달 설정 및 트리핑 시간을 신중하게 조정하는 것은 전력 시스템 전체의 거리 릴레이 간의 적절한 조정을 달성하는 데 중요합니다. 이러한 세심한 조정은 고장이 올바른 순서로 제거되도록 하여 중단을 최소화하고 전력망의 안정성을 유지합니다.
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재폐쇄
제 4.2절에서 논의한 바와 같이, 공중 전선의 대부분의 고장은 비대칭적이고 일시적인 성격을 가지고 있습니다. 자동 재폐쇄는 전력 시스템에서 중요한 기능으로, 자동 재폐쇄 릴레이에 의해 실행됩니다. 이 릴레이는 그림 6에서 보여주는 공중 전선의 보호 장치에 의해 트리거됩니다.
전력 시스템의 자동 재폐쇄
그림 6 - 자동 재폐쇄 릴레이
전기 라인의 재폐쇄 결정은 많은 요인에 의해 영향을 받습니다. 계획 및 운영 팀의 입력 및 지침은 유틸리티 회사와 지역의 특정 요구사항에 맞춘 가장 적합한 재폐쇄 관행을 결정하는 데 필수적입니다. 전송 수준의 재폐쇄에 대한 주요 고려 사항은 다음과 같습니다:
주요 고려 사항
