접지 변압기 과전류 보호 계전기의 오작동 사례 분석

중성 접지 모드는 전력 시스템의 중성점과 지면 사이의 연결을 의미합니다. 중국의 35kV 이하 시스템에서 일반적인 방법으로는 비접지 중성, 소멸 코일 접지, 저항 접지가 있습니다. 단상 접지 고장 시 일시적인 운전이 가능한 비접지 모드가 널리 사용되고 있으며, 빠른 고장 제거와 과전압 제한을 위해 저항 접지가 주류가 되었습니다. 많은 변전소에서 접지 변압기를 설치하여 중성 접지를 개조하지만, 변경된 고장 특성이 계전 보호에 영향을 미쳐 오동작이나 거부 위험이 있습니다.

본 논문은 접지 변압기의 원리와 특성을 소개하고, 저항 접지 시스템에서의 현재 보호 구성/설정을 설명하며, 오동작 원인을 분석하고, 단상 접지 사례를 통해 보호 동작과 고장 원인을 분석합니다. 이는 고장 처리/예방에 대한 참고 자료를 제공하고, 유지보수 인력의 이해도를 깊게 하며, 문제 해결 효율성을 향상시키고 잠재적 위험을 제거합니다.

접지 변압기의 작동 원리

델타 연결, 중성 비접지 시스템의 변전소를 저항 접지 시스템으로 개조할 때, 중성점을 도입하기 위해 가장 일반적인 방법은 버스바에 접지 변압기를 추가하는 것입니다. 현재는 Z형 접지 변압기가 일반적으로 선택되어 접지점을 도입합니다. 다음은 Z형 접지 변압기의 작동 원리를 분석하겠습니다.

Z형 접지 변압기는 구조적으로 일반적인 전력 변압기와 유사하지만, 각 상 코어의 와인딩은 동일한 회전수로 상단과 하단으로 나뉘어 지그재그 형태로 연결됩니다. 그 배선 방식은 도 1에 표시되어 있습니다.

지면 단락이 발생하면 영차 전류가 중성점을 통해 흐릅니다. Z형 접지 변압기의 지그재그 연결은 상단과 하단 와인딩의 영차 전류가 서로 반대 방향으로 흐르게 하여 자기유량을 상쇄하고 영차 임피던스를 최소화하여 과도한 아크-접지 과전압을 방지합니다. 정차/부차 전류에 대해서는 일반 변압기와 같은 전자기적 특성으로 높은 임피던스를 생성하여 그 흐름을 제한합니다.

정상 운전 중에는 접지 변압기는 거의 무부하 상태(2차 부하 없음)로 작동합니다. 지면 고장 시에는 정차, 부차, 영차 고장 전류가 통과합니다. "높은 정차/부차 임피던스, 낮은 영차 임피던스" 덕분에 보호 장치는 주로 그리드의 영차 전류를 측정합니다.

2 접지 변압기의 전류 보호 구성 및 분석

접지 변압기의 전류 보호는 일반적으로 상간 및 영차 전류 보호를 사용합니다. 다음과 같이 분해됩니다:

2.1 상간 전류 보호 설정
2.1.1 설정 원칙

이 보호는 즉시 동작 및 과전류 보호를 포함합니다:

• 즉시 동작: 동일한 측의 전원 변압기의 백업 과전류 보호와 조정합니다. 두 상 단락(최소 운전 모드) 시 감도를 확보하고 급발전 전류(7-10배 접지 변압기 정격 전류)와 저전압 측 고장 전류를 피합니다.

• 과전류 보호: 접지 변압기의 정격 전류와 외부 단상 접지 시 최대 고장 상 전류를 피하도록 설정하여 신뢰성을 확보합니다.

• 동작 논리: 즉시 동작은 즉시 동작(지연 없음); 과전류 보호(상간 단락의 백업)는 짧은 지연과 낮은 설정으로 수준 조정을 위한 것입니다.

2.1.2 트리핑 모드

접지 변압기와 전원 변압기의 연결에 따라:

• 저전압 버스에 연결: 즉시 동작/과전류 보호는 동일한 측의 회로 차단기를 트립하여 고장을 빠르게 격리합니다.

• 저전압 리드에 연결: 모든 측의 회로 차단기를 트립하여 고장 경로를 차단하고 확산을 방지합니다.

2.2 접지 변압기의 영차 전류 보호 설정
2.2.1 설정 원칙

• 단상 대 지면 고장 시 충분한 감도를 확보하도록 전류 설정 값을 설정합니다.

• 하위 영차 전류 보호의 전체 선로 감도를 위한 장시간 보호 설정 값과 협력합니다.

• 영차 전류의 첫 번째 시간 제한에서는 두 선로에서 연속적으로 발생하는 단상 대 지면 고장을 피하도록 고려해야 합니다.

• 동작 시간은 버스에 연결된 각 구성 요소의 영차 전류 섹션 Ⅱ의 최대 동작 시간보다 길어야 합니다.

접지 변압기의 영차 전류 보호는 주 보호 기능을 수행하지 않으므로 세 가지 시간 제한이 있으며, 다음과 같습니다:

공식에서: t0¹, t0², t0³는 각각 접지 변압기의 영차 전류 보호의 1, 2, 3번째 시간 제한입니다; t_0I'는 송출선의 영차 전류 섹션 I의 시간 설정 값입니다; t_0II'는 접지 변압기를 제외한 버스바의 모든 장비의 영차 전류 보호 섹션 II의 가장 긴 시간 설정 값입니다; Δt는 0.2-0.5초로 설정됩니다.

2.2.2 트리핑 모드

• 접지 변압기가 해당 변전소의 버스바에 연결될 때, 영차 전류 보호가 작동하면: 1번째 시간 제한은 버스 연계 회로 차단기 또는 구역 회로 차단기를 트립하고 자동 대체 전력 공급 장치(약칭 "자동 대체 입력")를 차단합니다; 2번째 시간 제한은 접지 변압기와 전원 변압기의 동일한 측의 회로 차단기를 트립합니다.

• 접지 변압기가 해당 전원 변압기의 리드에 연결될 때, 영차 전류 보호가 작동하면: 1번째 시간 제한은 버스 연계 회로 차단기 또는 구역 회로 차단기를 트립하고 자동 대체 입력을 차단합니다; 2번째 시간 제한은 전원 변압기의 동일한 측의 회로 차단기를 트립합니다; 3번째 시간 제한은 전원 변압기의 모든 측의 회로 차단기를 트립합니다.

2.3 접지 변압기의 전류 보호 동작 분석

접지 변압기 보호 구성의 분석 결과, 상간 및 영차 전류 보호 간의 트리핑 모드에 큰 차이가 있음을 알 수 있습니다: 영차 보호는 동작 시 자동 대체 입력을 차단하지만, 상간 보호는 그렇지 않습니다.

보호 장치가 측정한 영차 전류가 동작 값에 도달하고 지면 고장이 발생하면(접지 변압기가 유일한 영차 전류 경로인 저항 접지 시스템에서), 장치는 고장을 감지하지만 위치를 파악할 수 없습니다. 고장이 송출선에 있다면, 보호 장치가 접지 변압기를 트립한 후 자동 대체 입력이 대체 버스바로 전환됩니다. 대체 버스바가 고장 선로에 재폐합되면, 그 위의 접지 변압기는 여전히 영차 전류를 감지하여 다시 트립합니다. 자동 대체 입력이 충전되지 않았기 때문에, 정전 범위가 확장될 수 있습니다. 따라서 영차 보호는 자동 대체 입력을 반드시 차단해야 합니다.

상간 보호가 작동할 때(영차 보호는 작동하지 않음), 장치는 접지 변압기 자체의 상간 단락을 판단합니다. 접지 변압기를 트립하고, 전원 변압기의 동일한 측 회로 차단기를 병렬 트립하며, 자동 대체 입력이 대체 버스바로 전환됩니다. 고장이 트립된 접지 변압기에 있으므로, 대체 버스바는 정상 선로로 재연결되어 전력을 복구합니다.

요약하면, 접지 변압기의 상간 및 영차 전류 보호는 고장 원인과 위치 판단에서 크게 다르며, 서로 다른 설정과 구성이 필요합니다. 그러나 지면 단락 시, 상간 보호는 측정된 영차 성분으로 인해 오동작할 수 있습니다. 서로 다른 자동 대체 입력 논리로 인해, 오동작은 고장 범위를 확장하거나 심지어 전체 변전소 정전을 초래할 수 있습니다.

3 사례 분석
3.1 고장 과정

110kV 변전소의 기본 배선도는 도 2에 표시되어 있습니다. 고장 전에는 변압기 1의 저전압 측 018 회로 차단기가 폐합되었고, 변압기 2의 저전압 측 032 회로 차단기가 폐합되었으며, 034 회로 차단기는 시험 위치에 있었습니다.

2023년 7월 30일 오전 6시 14분, 제2 접지 변압기의 과전류 I 섹션 보호가 활성화되어 제2 접지 변압기 022 회로 차단기를 트립했습니다. 동시에 변압기 2의 저전압 측 032 회로 차단기를 절단하여 10kV 제2, 제3 버스바의 전력을 잃게 했습니다. 자동 대체 전력 공급(자동 대체) 장치가 10kV 제1/제2 버스 연계 020 회로 차단기를 폐합하도록 작동했습니다.

오전 6시 36분, 제1 접지 변압기의 과전류 I 섹션 보호가 활성화되어 제1 접지 변압기 015 회로 차단기를 트립하고, 변압기 1의 저전압 측 018 회로 차단기를 절단하여 10kV 제1, 제2, 제3 버스바의 전력을 모두 잃게 했습니다. 자동 대체 장치는 변압기 2의 저전압 측 032 회로 차단기와 제2 접지 변압기 022 회로 차단기를 폐합했습니다. 그러나 고장이 계속되면서 제2 접지 변압기의 과전류 I 섹션 보호가 다시 작동하여 022 회로 차단기를 트립하고 032 회로 차단기를 절단하여 결국 변전소의 10kV 시스템이 완전히 정전되었습니다.

3.2 현장 장비 검사 결과
주요 장비 검사 결과:

• 접지 변압기 본체: 제1, 제2 접지 변압기에서 이상이 발견되지 않았으며, 와인딩이나 코어에 명백한 고장 흔적이 없었습니다.

• 10kV 제3 버스 PT 구간 (040 스위치기어):

• 스위치기어 캐비닛의 상단 커버에 눈에 띄는 물 얼룩이 있어, 빗물 침투를 나타냈습니다.

• 카트리지 챔버 셔터 바플 C상 위치에서 심각한 타버림이 있었고, 상단 셔터에 두 개의 구멍이 있었습니다.

• C상 상단 접촉 상자와 정적 접촉이 타서 손상되었고, 상자 내부에 액체 수분이 축적되어 있었습니다.

• 피뢰기 카트리지의 C상 상단/하단 이동 접촉에 아크 화상 흔적이 있었고, 스프링이 열처리되어 접촉암 절연 실린더가 손상되었습니다.

• 버스 챔버의 C상 버스바 외부 절연 관이 타서 균열이 생겼고, 버스 챔버 후판의 C상 영역에서 물 얼룩이 침투했으며, 실시간 표시 센서에 응결 수분이 있었습니다.

• 전압 변환기 챔버 바닥에 소량의 물이 축적되어 있었으며, 3상 PT는 외부적으로 명백한 이상이 없었습니다.

10kV 제3 버스 PT 챔버 상단의 강철 지지대에서 빗물이 누출되어 스위치기어로 침투하여 절연이 저하되어 C상에서 방전이 발생하여 금속 접지 고장으로 발전했습니다. 저항 접지 시스템에서 제2 접지 변압기는 ~4.3A/상의 영차 전류를 감지하여 (2.5A 과전류 I 섹션 설정을 초과함) 트립했습니다. 과전류 보호는 10kV 자동 대체 입력을 차단하지 않아 반복 동작이 발생했습니다. 마지막 트립 후 자동 대체 입력이 충전되지 않아 10kV 시스템이 완전히 정전되었습니다.

주요 원인: "상 전류 영차 취소" 제어 단어가 비활성화되어 (0으로 설정됨) 소프트웨어 필터링이 이루어지지 않아, 13A의 영차 전류로 과전류 보호가 오동작했습니다. 제대로 활성화되었다면, 이 고장을 막을 수 있었을 것입니다. 대신, 영차 과전류 보호 I 섹션(1.4A로 설정)이 작동하여: 1번째 시간 제한은 버스 연계를 트립하고 자동 대체 입력을 차단했으며, 2번째 시간 제한은 접지 변압기와 주 변압기의 회로 차단기를 트립하여 제2, 제3 구역을 격리하면서 제1 구역은 전력이 유지되었습니다.

근본 원인: 비활성화된 영차 취소 제어 단어로 인해 상 전류가 잘못 해석되었습니다.

4 결론

본 논문은 접지 변압기 보호 설정을 개략적으로 설명하고, 높은 영차 전류 하에서의 오동작 위험을 분석하며, 사례 연구를 제시합니다. 재발 방지를 위해:

• 저항 접지 시스템에서 소프트웨어 기반 영차 취소 기능(예: "상 전류 영차 취소" 제어 단어)을 활성화합니다.

• 이러한 기능이 사용 불가능하다면, 과전류와 영차 보호 설정 간의 조정을 최적화합니다.

핵심 교훈: 지면 고장 시 오동작을 방지하기 위해 보호 소프트웨어의 적극적인 구성이 중요합니다.