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Biased Differential Protection, Busbar Protection, CT Saturation, High Impedance, IED, Low Impedance

1. 서 론

모선은 변전소 내 다양한 전력 설비들이 물리적으로 접속되는 공통 도체로써 사고 발생 시 파급효과가 막대하다. 따라서 유지·보수를 용이하게 하고, 여분을 확보하여 신속한 사고 극복을 위해 국내 및 해외 송·변전계통 변전소 모선은 대부분 2중 모선 방식을 사용하고 있고, 국내의 경우 배전에 사용되는 22.9kV 계통 역시 2중 모선 방식을 기본으로 적용한다[1]. 또한 모선 사고 시 사고를 신속하게 검출하고 고장 모선에 연결된 차단기를 동작시켜 사고에 의한 영향을 최소화하기 위해 모선보호 방식을 적용하며, 과거에는 주로 공심 변류기를 이용한 Linear Coupler 이용 모선보호 방식 및 기계식 전압 계전기를 이용한 High Impedance Differential 모선보호 방식을 사용하였다[2-3].

2010년대 초반 이후로는 전 세계적으로 IEC 61850 통신 규격을 지원하는 IED(Intelligent Electronic Device) 기반 보호계전시스템이 널리 보급되면서 최근 모선보호 방식 트렌드 역시 IED 기반으로 널리 보급되고 있으며, Low Impedance Centralized 방식, Low Impedance De-centralized 방식, 전류 계전 요소를 이용하는 High Impedance Differential 계전 방식 3가지가 송·변전 모선보호 방식으로 주로 사용되고 있다. 그리고 간헐적으로 전압 계전 요소를 이용한 기계식 High Impedance Differential 계전 방식이 최근까지 사용되고 있다.

그런데도 위 4가지 모선보호 계전 방식에 대한 동작 원리상 차이점, 적용 시 유의 사항, 모선 계통 구성에 따른 적절한 모선보호 방식 선정 기준에 대해서는 구체적인 설계 지침 및 Trade-off 분석 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 실무에서 사용되고 있는 실제적인 모선보호 방식 분석을 바탕으로 주로 사용되는 3가지 형태의 IED 기반 모선보호 시스템에 대한 근본적인 동작 원리, 설계 시 유의 사항, 구체적인 특성 비교 및 적절한 모선 계통 적용 방법에 대하여 논한다.

2. High Impedance Differential 모선보호 방식

High Impedance의 사전적인 의미는 고려하는 단자의 전압에 비해 전류가 매우 낮은 경우로 보호계전시스템에서는 입력 임피던스가 높은 전압 계전기가 여기에 해당한다. 과거에는 전압 계전 요소를 내장한 기계식 High Impedance Differential 방식이 주로 사용되었다. 하지만 최근에는 IED 기반 High Impedance Differential 방식의 경우 100% 감도 측면에서 우수한 전류 계전 요소를 사용한다. GE사의 MFAC 계전기는 현시점에서도 활용할 수 있는 전압 계전 요소 기반 기계식 High Impedance Differential 보호 계전기이며, 모선보호에도 사용할 수 있다[3].

2.1 전압 계전 요소를 이용한 High Impedance Differential 모선보호 방식

기계식 High Impedance Differential 모선보호 방식에는 그림 1과 같이 모선 내부 사고 검출을 위해 전압 계전 요소(59)를 사용한다. 변전소 각 Bay에 설치된 모선 보호용 CT는 공통 연결되어 계전기에 입력되며, 전압 계전 요소의 내부 임피던스는 매우 큰 값을 갖으므로 내부 가변 병렬저항(Current to Voltage Conversion Resistor)을 통해 사고 시 흐르는 차동전류 Id( = i1+i2....in)를 전압으로 변환하여 이 값이 정정치 이상이 되면 사고를 검출한다. 병렬로 연결된 Voltage Limiting Device(Metrosil)는 비선형 저항 소자이며, 과도한 서지 전압으로부터 계전기를 보호하기 위함이다[4].

그림 1. 전압 계전 요소 기반 기계식 High Impedance Differential 모선보호 방식 원리도

Fig. 1. The principle diagram of the conventional high impedance differential busbar protection based on a voltage relay

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2.2 전류 계전 요소를 이용한 High Impedance Differential 모선보호 방식

전류 계전 요소를 이용한 High Impedance Differential 모선보호 방식에는 그림 2과 같이 모선 내부 사고 검출을 위하여 전류 계전 요소를 사용한다. 전압 계전 요소를 이용한 방식과 동일한 방법으로 변전소 각 Bay에 설치된 모선 보호용 CT는 병렬 공통 연결되어 IED에 입력되며, 전류 계전 요소의 내부 임피던스는 매우 작으므로 내부 직렬저항(Setting Resistor)을 사용하여 평소 부담을 줄이고, 입력 임피던스를 높이며, 사고 발생 시 흐르는 차동전류 Id를 고감도로 검출하여 사고 여부를 판단한다. 모선 사고 발생 시 CT 2차 회로에 높은 서지 전압이 발생하므로 전압 계전 요소를 사용하는 방식과 동일하게 병렬연결 Voltage Limiting Device(Metrosil)를 적용한다. 그림 2는 전류 계전 요소를 이용한 High Impedance Differential 모선보호 방식을 보여준다.

이 방식은 동작 원리 특성상 전용 모선보호 IED가 아닌 과전류 계전 요소(50/51)를 내장한 IED를 사용하여 구현할 수 있으며[5], 현재 상용되는 High Impedance Differential 모선보호 전용 IED는 기본적으로 내부에 전압 계전 요소 대신 전류 계전 요소를 사용한다[6-8]. 모선보호 전용 IED의 경우 제작사에 따라 CT Wire 단선 검출 기능 등 부가 기능을 제공하며[6,8], VT 입력을 이용한 전압 계전 요소(27, 59) 및 제작사에 따라 Multi Zone 설정이 가능한 기종도 있다[7].

그림 2. 전류 계전 요소 내장 IED 기반 High Impedance Differential 모선보호 방식 원리도

Fig. 2. The principle diagram of the conventional high impedance differential busbar protection based on the IED based current protection element

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2.3 High Impedance Differential 모선보호 방식의 기본적인 특징

High Impedance Differential 모선보호 방식은 기본적으로 그림 1그림 2와 같이 각 Feeder의 모선 보호용 CT를 각상별로 병렬 공통으로 연결하여 IED에 입력시키며, 모선 내부 사고 발생 시 IED로 흘러 들어가는 차동전류 Id를 고감도로 검출하여 사고 여부를 판정한다. 이러한 동작 원리에 의해 기본적으로 다음과 같은 특징을 갖는다.

∙ 각 CT 2차 회로를 병렬 공통 연결하는 동작 원리 특성상 각 Feeder에 설치된 모선 보호용 CT는 동일한 권수비 및 특성(Rct: CT 내부 저항, Knee Voltage VK 등)을 가져야 한다.

∙ 각 Feeder의 CT 여자전류에 의한 감도 저하를 고려하여 피보호 Feeder 수를 제한해야 한다.

∙ 모선보호를 위한 전용 CT Core가 필요하며, 송전계통 모선과같이 신중한 동작을 목적으로 Check Zone을 적용하면 추가로 전용 CT Core가 필요하다.

∙ 일반적으로 단순한 모선 계통에 적용하면 Low-Impedance 방식에 비해 투자비가 저렴하고, 소내 DC 전원 소모 전력도 적게 할 수 있다.

∙ 동작 원리상 과전류 계전 요소를 갖는 일반 보호 IED를 이용하여 모선보호에 활용할 수 있다.

∙ Setting Resistor 선정, Metrosil 사양 결정, 케이블 절연 검토 등 엔지니어링 측면에서 고려해야 할 사항이 많다.

∙ 동작 원리 특성상 원칙적으로 변전소 모선의 단락용량이 변동하면 Setting Resistor, Metrosil 적합성 및 전류 계전 요소 정정치를 재검토해야 한다.

∙ 동작 원리 특성상 고임피던스 접지를 적용한 계통의 경우에서 모선 지락 사고 시 차동전류 Id가 충분하지 않아 사고 검출이 어렵다.

2.3.1 High Impedance Differential 모선보호 방식에서 CT 여자전류의 영향

CT의 경우 일반변압기와 달리 2차 회로에 여자회로를 모델링한다[9]. 이 전류는 High Impedance Differential 모선보호 방식에서 고장 검출 감도에 영향을 미치게 된다. 그림 3은 전류 계전 요소를 사용하는 High Impedance Differential 모선보호 방식에서 모선 사고 발생 시 CT 여자전류가 차동전류에서 제외되는 원리를 보여준다.

그림 3. 전류 계전 요소 기반 High Impedance Differential 모선보호 방식에서 CT 2차 여자전류 흐름

Fig. 3. The flow of CT 2nd side excitation current in case of the high impedance differential busbar protection based on a current relay

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RCT : CT 권선 저항, RL : CT Wire 부담 저항

Zm : CT 여자 임피던스, Ie : CT 여자전류

  

따라서 보호 IED 1개 담당하는 Feeder 수가 많게 되면 병렬 CT 여자전류에 의한 영향으로 감도가 저하하고, 모선 사고전류가 작은 경우 여자전류에 의한 영향이 더 커지므로 설계 단계에서 고려해야 한다. 또한 CT 여자전류 Ie는 철심이 포화하지 않는 조건에서 대략 다음 관계식을 갖는다[9-10].

(1)
${I}_{{e}}\simeq\dfrac{{H}\times{l}}{{N}_{2}}({A})$

H : Excitation force(At/m), l : 자기회로의 길이(m)

N2 : 2차 권선의 수

  

사고 발생 시 CT 2차에 큰 전압이 유기되면서 자속이 포화하면 과도한 여자전류가 흐르기 시작한다[10]. 또한 포화하기 전 CT 2차 유기기전력 E2는 N2에 비례하며, 다른 조건을 고려하지 않으면 N2값이 높을수록 2차 포화 전압에 해당하는 Knee Voltage Vk가 비례하여 증가하는 특성을 갖는다[10]. 따라서 송배전 계통의 경우 중성점 CT 등 특수한 경우를 제외하고는 1차 권선수 N1=1 조건을 만족하는 Bar Primary 형태의 CT를 사용하므로 CT 2차 권선수 N2를 높게 하면 식 (1)에 따라 여자전류도 작게 할 수 있고, Knee Voltage Vk 높게 할 수 있다. 결국 이것은 큰 고장전류가 흐를 때 CT 2차가 포화하여 매우 큰 여자전류가 흐르는 상황을 예방하는 데 효과적이다[10]. 결론적으로 High Impedance Differential 모선보호 방식에서는 CT Turns Ratio(I1/I2=N2/N1)가 클수록 여자전류가 작고, 모선 사고 발생 시 포화점 전압 Knee Voltage Vk 이하의 2차 유기 기전력이 발생하도록 설계하므로 모선보호 IED에 충분한 차동전류 Id를 흘릴 수 있으며, 예상하지 못한 CT 포화 현상에 의한 과도한 여자전류 증가를 최소화하여 감도 측면에서 우수한 특성을 나타냄을 의미한다. 전류 계전 요소를 사용하는 High Impedance Differential 모선보호 방식의 경우 보호 IED 1대가 담당하는 Bay 개수 n과 CT 1개의 여자전류 및 1차 고장전류 정정치(IOP)와 관계는 다음식을 만족해야 한다[8,11].

(2)
${I}_{{op}}\ge({n}\times{I}_{{e}}+{I}_{{s}}+{I}_{{Metrosil}})\times\dfrac{1}{{N}}({A})$

여기서, IOP : 1차 고장전류 정정치, n : 병렬 연결되는 CT 개수,

Ie : 계전기 Setting Voltage에서 여자전류,

Is : 계전기 Setting Voltage에서 동작전류, N : CT Turns Ratio(N2/N1)

IMetrosil : Setting Voltage에서 Metrosil에 흐르는 전류

  

이 조건을 만족하지 않는 경우 계전기 제작사에 따라 Shunt Resistor를 접속하여 감도 저하를 막는 방법을 제안하는 예도 있지만[11], 변전소 모선의 고장 용량 저하 및 Feeder 증설 시 적정성을 재검토해야 하므로 실무적으로 거의 사용하지 않는 방법이다. 이러한 기술적 문제점 때문에 High Impedance Differential 모선보호 방식은 기본적으로 ➀ 모선보호 IED 1대에 병렬 공통 연결되는 CT 회로 수가 많은 경우, ➁ 모선 계통의 사고전류가 너무 적은 경우 감도 저하 문제로 적용하기 어렵다.

2.3.2 보호 Zone 설정 측면

모선보호 계통의 오동작 발생 시 모선에 연결된 모든 차단기를 개방시키기 때문에 매우 신중한 동작이 요구되며, High Impedance Differential 방식을 사용한 단모선 보호 계통에서는 사고 발생 후 개방되는 차단기 개수를 최소화하기 위해 일반적으로 Bus Section 차단기 기준으로 보호 Zone을 구분하여 적용한다. 또한 신중한 동작을 하기 위해 송전계통에서는 일반적으로 별도의 IED를 사용하여 Check Zone을 구성하고, 각 Zone과 Check Zone이 AND 조건이 만족하는 경우에만 차단기를 동작시킨다. 그림 4는 단모선 계통에서 High Impedance Differential 모선보호 IED 구성 방법이며, 그림 5는 단모선 계통에서 Bus Section 차단기가 적용되었을 때 Zone 1, Zone 2 및 Check Zone을 적용한 AND 동작 Sequence를 보여준다. 각 Zone의 끝부분을 인접 Zone과 중첩 시키는 Overlapping 설계 기법은 신뢰성 향상을 위해 기본적으로 적용한다[12].

Bus Section 차단기와 Bus Coupler 차단기가 모두 적용된 2중 모선 1차단 방식의 경우 모선 사고 발생 시 개방되는 차단기 개수를 최소화하기 위해 High Impedance Differential 모선보호 IED를 그림 6과 같이 각 보호 Zone(87BBx)별로 적용하며,

87BBx : Busbar 보호 차동 계전기 Zone x,

87CZ : Busbar 보호 차동 계전기 Check Zone

그림 4. Bus section 차단기가 적용된 단모선 계통의 High Impedance Differential 모선 적용 방법

Fig. 4. The high impedance differential protection scheme applied for the single busbar with a bus section CB

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87BBx : Busbar 보호 차동 계전기 Zone x,

87CZ : Busbar 보호 차동 계전기 Check Zone

  

그림 5. Bus section 차단기가 적용된 단모선 계통의 보호 Zone 1, Zone 2 구분 방법 및 Check Zone 적용 방법

Fig. 5. The scheme applied for the single busbar with a bus section CB with zone 1, zone 2 and check zone

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그림 6. 2중 모선 1차단 방식에 적용된 High Impedance Differential 모선보호 방식 결선도

Fig. 6. The connection diagram of the high impedance differential busbar protection applied for double bus 1 CB configuration

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BC : Bus Coupler(Normal open), BS : Bus Section(Normal open),

DS x : 모선 선택 단로기

  

신중한 동작을 위해 Check Zone(87CZ)은 전체 모선 Zone을 커버하여 동작하도록 적용하고, 내부 사고 발생 시 각 Zone과 함께 AND 조건으로 동작시킨다. 그림 7그림 6에서 주어진 조건에서 각 Zone 별로 보호 구간을 나타낸다.

그림 7. 그림 6 조건에서 각 Zone 별 보호 영역

Fig. 7. The protection area of each zone based on the configuration shown in Fig. 6

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이 방식에서는 각 모선 부분의 모선 선택 단로기의 접속 위치에 따라 보호 Zone이 달라지므로 그림 6에서 나타낸 바와 같이 CT 전류를 단로기 보조접점 Switching을 통해 별도의 Zone 1~ Zone 4 모선보호 IED에 입력시켜야 한다.

IED 기반 High Impedance Differential 모선보호 계전기의 경우 기종에 따라 복수의 Multi Zone 설정이 가능한 예도 있지만[7], 해당 IED 고장 발생 시 여러 보호 Zone을 잃기 때문에 실무에서는 항상 개별 Zone마다 별도로 IED를 적용한다. 이러한 이유로 복잡한 모선 계통에서는 설계 어려움이 증가하며, 결론적으로 Bus Section 차단기와 Bus Coupler 차단기가 동시에 적용된 2중 모선 1차단 방식 및 기타 모선 선택 단로기를 통해 접속 모선을 선택하는 구조의 모선 계통의 경우 High Impedance Differential 모선보호 계전 방식을 적용할 때 실제 구현에 어려움이 많고, Zone 구분을 목적으로 여러 개의 보호 IED가 필요하므로 투자비 측면에서 장점도 사라진다.

2.3.3 Through Fault Current에 대한 대책

High Impedance Differential 모선보호 계전 방식의 경우 모선 Zone 외부 고장점의 높은 X/R Ratio에 원인을 두는 큰 DC 성분을 갖는 Through Fault Current에 의한 오동작을 방지하기 위해 송전계통 비대칭 계수에 해당하는 값에 어느 정도 여유를 두어 정정에 반영해야 한다. 모선에 큰 비대칭 사고전류가 흐르는 경우, 사고전류가 흐르는 Feeder에 설치된 CT는 높은 DC 성분에 의한 편자 현상 때문에 포화 될 수 있으며, 이때 주어진 Feeder의 CT 등가회로 병렬 여자 서셉턴스는 단락회로로 근사화되어 그림 8과 같이 나타낼 수 있다[13]. 그림 8의 RCT는 CT 저항이며, RL은 CT케이블 저항값으로 Worst Case를 고려하기 위해 가장 큰 값을 갖는 것을 기준으로 한다. Setting Resistor RS는 보통 수백 Ω 정도로 RCT+RL 저항값보다 더 큰 값을 가지므로, 사고가 발생한 Feeder의 CT가 포화 되면 Maximum Through Fault Current는 대부분 포화된 CT 쪽으로 흐른다.

이때 나타나는 최대 전압을 Vstability라 하고, 모선 사고가 발생하여 연결된 모든 Feeder에서 모선 방향으로 고장전류가 유입하여 큰 차동전류 Id에 의한 전류 계전 요소가 동작하는 Setting Voltage(그림 2참조)을 Vs라고 하면, 고장 Feeder의 Maximum Through Fault Current에 의한 오동작을 막기 위해 Vs >> Vstability 조건을 만족해야 한다. 안정도 확보를 위해 Vstability 전압은 다음 공식으로 주어지며, IED 내부 전류 계전 요소를 동작시키기 위한 Setting Voltage Vs는 Vstability 전압보다 일반적으로 1.5배 크게 한다[8, 11-12].

그림 8. 외부 사고 발생 시 Maximum Through Fault Current에 의한 사고 발생 Feeder CT 포화 등가회로

Fig. 8. The equivalent circuit of the CT saturation on the faulty feeder when the maximum through fault current flows

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(3)
${V}_{{stabil}y}=\dfrac{{I}_{{FP}}}{{N}}\times({R}_{{CT}}+{R}_{{L}})({V})$
(4)
${V}_{{s}}\simeq 1.5\times{V}_{{stabil}y}$

2.3.4 High Impedance Differential 모선보호 방식에서 CT Knee Voltage 산정

High Impedance Differential 모선보호 계전 방식에서 CT Knee Voltage VK 값 산정은 내부 사고 발생 시 각 CT가 포화하지 않기 위해 일반적으로 Setting Voltage Vs 보다 2배 이상 높게 한다[8, 11-12]. 또한 다른 조건이 동일한 경우 VK 값은 CT Wire 저항 RL에 비례하여 높아지게 된다. 이러한 원인에 의해 동일한 주회로 구성을 갖는 AIS(Air Insulated Switchgear) 변전소의 경우 기기 사이 절연 거리 증가로 GIS(Gas Insulated Switchgear) 변전소와 비교하여 전체 면적이 약 1.5~3배 더 넓어지므로, High Impedance Differential 모선보호 방식에서는 CT Wire의 길이 증가로 인해 더 높은 CT Knee Voltage 사양이 요구됨을 예상할 수 있다.

3. Low Impedance Differential 모선보호 방식

IED 기반 High Impedance Differential 기반 모선보호 방식의 경우 모선 내부 사고 시 발생하는 차동전류 Id를 각 Bay의 CT 병렬 공통 결선을 통해 IED의 전류 검출 계전 요소를 이용하여 직접 검출하는 방식을 기반으로 한다. 반면에 IED 기반 Low Impedance Differential 모선보호 방식은 기본적으로 모선에 입·출력하는 전류를 각각의 Bay마다 측정하고, IED 내부에서 차동전류 Id를 계산하여 모선 내부 사고 여부를 판정하는 방식이다. Centralized 방식과 De-centralized 방식 2가지로 구분한다.

3.1 Low Impedance Differential 모선보호 Centralized 방식

이 방식에서는 각 Feeder에 흐르는 전류가 Central Unit(CU)로 입력되며, Central Unit 내부적으로 디지털 신호에 의한 연산을 통해 차동전류 Id를 계산하고 이값이 정정치 이상이면 동작하게 된다. 그림 9는 이 원리를 보여준다. Case \#1과 같이 모선 외부 사고의 경우 모선 내부에 입·출입하는 전류는 결국 0이 되므로 모선 사고 여부를 판단하는 CU에서는 정정치 이상의 차동전류를 검출할 수 없지만, Case \#2와 같이 모선 내부에서 사고가 발생하면 모선 내부에 입·출입하는 전류의 합이 결국 사고전류는 IF가 되기 때문에 이값이 정정치를 초과하여 사고로 판단하게 된다. 단로기를 통해 운전 모선을 선택하는 모선 계통의 경우 단로기 보조접점을 CU의 Binary Input Port에 입력하여 내부 프로그래밍을 통해 보호 Zone을 설정하므로 High Impedance Differential 방식과 달리 그림 6와 같이 단로기 보조접점을 이용한 CT Switching 회로는 필요하지 않다.

그림 9. Low Impedance Differential 모선보호 Centralized 방식 구성 및 동작 원리

Fig. 9. The configuration and operational principle of the low impedance differential busbar protection in centralized scheme

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IED 제작사 및 기종에 따라 다르지만, Low Impedance Differential Busbar Protection Centralized 방식에서는 CU 1대당 보통 6~8개의 3상 CT 입력이 가능하므로, 동일한 개수의 6~8개의 Feeder를 갖는 모선보호가 가능하다[14-17]. 이 방식에서 피보호 모선에 연결된 차단기가 8개를 초과하는 경우 IED 제작사 기종별로 보통 9~24개 Feeder까지는 개별 CU가 각상 차동전류를 검출하여 보호하는 Phase Segregated 방식을 사용할 수 있다[14-17]. 그림 10은 총 24개의 Feeder를 갖는 모선에 3대 CU를 각상별 Phase Segregated 방식을 적용하여 보호하는 원리를 보여준다.

그림 10. Low Impedance Differential 모선보호 Centralized 방식 Phase Segregated 방식

Fig. 10. The configuration of the low impedance differential busbar protection with the centralized phase segregated scheme

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각 CU가 각상별로 차동전류 Id를 검출하고, 어느 한 상에서 사고가 발생하게 되면 사고를 검출한 IED가 자신에게 할당된 차단기를 Trip 시키는 동시에 IEC 61850 GOOSE Message를 통해 다른 CU에 사고 검출 정보를 전달하여 사고 모선에 접속된 차단기를 모두 Trip 하는 원리이다. 또한 Low Impedance Differential 모선보호 Centralized 방식을 적용하는 경우 CU에 차단기 접점 신호를 입력받아 차단실패(50BF) 보호 계전 동시 구현도 가능하다[14-17].

3.2 Low Impedance Differential 모선보호 De-centralized 방식

이 방식에서는 각 Feeder에 흐르는 전류가 Bay Unit(BU) (혹은 PU : Peripheral Unit)에 입력되며, 각 BU는 자신이 측정한 전류를 Central Unit(CU)에 보낸다. CU와 BU 사이는 고속통신을 위해 광케이블로 연결되어 있으며, CU에서는 각 BU가 보낸 전류를 가지고 각상별로 차동전류 Id를 계산하며, 모선 사고 시 정정치 이상의 차동전류가 흐르면 Trip 신호 명령을 BU로 내리면서 BU의 BO(Binary Output)를 이용하여 차단기를 개방하는 원리이다[18-20]. 그림 11은 단모선 계통에서 Low Impedance Differential 모선보호 De-centralized 방식을 보여준다. BU에 개수는 곧 모선보호 계전으로 동작하는 차단기 개수이다. 이러한 동작 원리로 인해 De-centralized 방식은 Centralized 방식과 비교하여 BU마다 DC 전력을 소비하므로 DC 전력 소모가 더 많게 된다.

그림 11. Low Impedance Differential 모선보호 De-centralized 방식 구성 및 동작 원리

Fig. 11. The configuration and operational principle of the low impedance de-centralized busbar protection scheme

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기본적으로 차단기 Position 및 다중 모선에 사용할 때 모선 선택 단로기 Position 정보는 모두 각 Feeder의 BU에 입력되며, 차단실패(50BF) Logic 적용 및 차단기 차단 동작 지령도 BU를 통해 구현한다. Centralized 방식에서 CU와 De-centralized 방식에서는 CU는 동일하지 않으며, 다른 IED 기종이 사용된다.

3.3 Low Impedance Differential 모선보호 방식의 기본적인 특징

그림 9~그림 11에서 볼 수 있는 바와 같이 Low Impedance Differential 모선보호 방식은 기본적으로 Feeder에 설치된 CT 신호를 개별적으로 입력받기 때문에 각 상별로 모선에 입·출입하는 전류를 실시간으로 측정하며, 모선 사고가 발생하면 CU에서 차동전류 Id를 측정하여 사고 여부를 판단한다. 대표적으로 다음과 같은 특징을 갖는다.

∙ 각 Feeder의 CT 비가 달라도 IED 소프트웨어를 통해 보정 가능하며, CT 특성 차이에 덜 민감하다.

∙ 모선보호 IED는 기본적으로 변전소 각 Feeder의 전류를 측정하므로 이것을 계측 정보로 IED 네트워크를 통해 상위단 전송이 가능하다.

∙ 기본적으로 차단실패 보호(50BF) 계전을 동시에 적용할 수 있다.

∙ High Impedance Differential 모선보호 방식과 달리 CT 결선으로 차동전류 Id를 만들어내는 방식이 아니므로 CT Core를 다른 보호 및 제어 IED와 공용으로 사용할 수 있다.

∙ High Impedance Differential 방식에서 필수적으로 적용하는 Setting Resistor, Metrosil 및 선택적으로 적용하는 Shunt Resistor 등이 필요하지 않으므로 엔지니어링 측면에서 훨씬 간편하다.

그림 6의 High Impedance 방식의 CT Switching 회로와 달리, 모선 선택 단로기를 사용하는 다중 모선의 경우 각 모선 선택 단로기와 차단기 접점을 IED에 입력시키면, IED 내부에서 소프트웨어적으로 보호 Zone 설정이 가능하다.

∙ High Impedance 방식과 비교하여 신뢰도가 높아 신중한 동작을 위한 Check Zone 적용 빈도가 현저히 낮다.

∙ Low Impedance Differential 모선보호 De-centralized 방식에서는 BU가 가지고 있는 각종 보호 기능을 활용하여 Back-up Protection IED로 활용할 수 있다.

3.3.1 Low Impedance Differential 모선보호 방식에서 CT 여자전류에 의한 영향

High Impedance Differential 모선보호 방식에서는 그림 3에 도식된 바와 같이 CT 여자전류는 사고 검출 감도에 영향을 미치며 설계 시 고려해야 한다. 하지만 Low Impedance Differential 방식에서는 이러한 영향이 없으며 정정에 고려하지 않아도 된다. 실제로 주요 제조사들의 Low Impedance Differential 모선보호 IED 기술 해설서에는 CT 규격 중 여자전류에 대해서는 고려 사항으로 언급하고 있지 않다[14-20]. 이러한 근본 원리는 그림 2에서 도식한 바와 같이 High Impedance Differential 방식의 경우 모선 사고에 의해 발생하는 CT 2차 회로 차동전류 Id를 가지고 Setting Resistor와 IED의 전류 검출 요소가 직렬로 연결된 회로에 정정 전류를 흘리기 위한 Setting Voltage Vs를 발생시켜 사고를 검출하는 원리이므로 CT 2차 전류 중 여자전류 비중이 높은 경우 감도에 영향을 미치지만, Low Impedance Differential 모선보호 방식은 Centralized 방식과 De-centralized 방식 모두 최종적으로 CU에서 동작 정정치에 해당하는 차동전류 Id를 계산하는 방식이므로 원리상 CT 여자전류가 동작에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다.

3.3.2 Low Impedance Differential 모선보호 방식에서 CT Knee Voltage 설정

2.3.3 및 2.3.4절에 제시된 바와 같이 High Impedance Differential 모선보호 계전 방식에서 CT Knee Voltage VK 값 선정은 상정 모선 사고전류와 같은 Maximum Through Fault Current를 이용하여 Vstability 값을 구하고, Setting Voltage Vs는 Vstability 보다 최소 1.5배 이상으로 하며, Vk 값은 Vs의 2배 이상으로 한다[8, 11-12]. 반면에 IED 기반 Low Impedance Differential 모선 방식에서는 Biased 특성 및 CT 포화를 검출하기 위한 알고리즘을 적용하므로 모선보호를 위한 CT Knee Voltage VK 값을 훨씬 작게 할 수 있는 장점이 있다. 모선보호 전용 CT의 Knee Voltage VK 값은 다음과 같이 구한다[19].

(5)
${V}_{{K}}\ge{I}_{{Feeder}\max}\times({R}_{{CT}}+{R}_{{B}})({V})$

여기서, IFeeder Max : 모선 사고 발생 시 유입되는

Feeder 전류 중 최댓값

RCT : CT 내부 저항, RB : CT 케이블 저항 + IED CT 단자 입력 부담

3.3.3 Low Impedance Differential 모선보호 2 계열화 적용 방법

그림 4에서 도식한 바와 같이 송전계통 모선에 High Impedance Differential 모선보호 방식을 적용하면 신중한 동작을 위해 대부분 별도의 CT Core와 보호 IED를 적용하여 모선 전체를 커버하는 Check Zone을 적용하고, 모선 사고 발생 시 각 Zone에 적용된 모선보호 IED와 AND 조건으로 사고 모선에 연결된 차단기를 개방시킨다. 반면에 Low Impedance Differential 모선보호 방식에서는 높은 신뢰도를 바탕으로 별도의 CT Core와 모선보호 IED를 사용하는 Check Zone 적용하지 않고 단독으로 구성하는 경우가 일반적이다. De-centralized 방식을 사용하는 한전의 154kV 모선보호 방식이 대표적인 예이다[21]. 최고 송전전압 계통에서 Low Impedance Differential 모선보호 방식을 2 계열로 적용하는 경우 한전의 756kV 계통 모선보호 방식처럼 De-centralized 방식으로 2 계열화하는 예도 있지만[22], 보호반 설치 공간 및 DC 소비전력을 고려하여 Decentralized 및 De-centralized 방식을 조합하여 적용하는 것이 더 효과적이다.

그림 12은 Centralized 방식과 De-centralized 방식을 조합한 2 계열화 Low Impedance 모선보호 방식을 2중 모선 1.5 차단 방식에 적용한 경우이다. 2중 모선 1.5 차단 방식 모선에 Bus Section 차단기가 적용될 때는 일반적으로 Centralized 방식을 개별 Zone마다 적용하고, De-centralized 방식은 IED 내부에서 Bus Section 차단기 접점을 가지고 보호 Zone을 구분한다. 그림 13은 2중 모선 1.5 차단 방식 모선에 Bus Section 차단기가 적용되는 경우 2 계열화 Low Impedance 모선보호 방식이다.

그림 12. 2중 모선 1.5 차단 방식에 적용된 2 계열화 Centalized + De-centralized Low Impedance Differential 모선보호 방식

Fig. 12. The configuration of the duplicated centalized + de-centralized low impedance differential busbar protection scheme in the double busbar 1.5 CB configuration

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2 계열화된 Low Impedance 모선보호 방식에서 각각의 IED BO(Binary Output)와 Lockout 계전기를 이용하여 AND 조건 혹은 OR 조건 동작 여부는 설비를 운용하는 Utility 고객사에서 최종적으로 결정한다. 그림 14는 한전 765kV 모선보호 방식에서 사용하는 OR 방식의 기본적인 원리이다. 2 계열화된 각각의 모선보호 IED에서 차동전류 Id 및 순시 UVR(27 혹은 27D) 동시 검출 시 2 계열화된 차단기(CB 1 ~ CB n) Trip Coil을 각각 개별적으로 여자하는 방식으로 OR 동작 방식에 해당한다.

그림 13. Bus Section 차단기가 적용된 2중 모선 1.5 차단 방식의 2 계열화 Low Impedance Differential 모선보호 방식

Fig. 13. The configuration of the duplicated low impedance differential busbar protection scheme in the double busbar 1.5 CB configuration with the bus section CB

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그림 14. 2 계열화 한전 765kV Low Impedance Differential 모선보호 방식의 Trip 방식

Fig. 14. The tripping scheme of the duplicated KEPCO 765kV low impedance differential busbar protection

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3.3.4 Biased Characteristic

Low Impedance Differential 모선보호 IED는 기본적으로 Biased Characteristic을 적용할 수 있는데, 이 기능은 동작점 차동전류 IOP가 일정하지 않고, 모선에 출입하는 모든 Feeder 총 전류 절댓값에 비례하여 증가하는 특성이다. 이러한 특성이 필요한 이유는 부하전류 증가에 따른 각 CT Ratio 오차, 위상 오차 및 IED 내부에서 IOP 계산 시 발생하는 오차 때문에 발생한 차동전류 Id에 의한 오동작을 극복하기 위함이다. 이러한 오차들에 의해 발생하는 IOP에 대해서는 모선 사고로 인식하지 말아야 하므로, 모선에 유입하는 전체 전류의 스칼라 합인 억제전류 IRT를 가지고 정정치에 해당하는 IOP를 변화시키게 된다[14-17, 18-20]. 그림 15에 도식된 바와 같이 Biased Characteristic 특성 곡선은 보통 2개의 기울기를 갖도록 하는데 높은 기울기 영역은 모선 외부 영역 사고에 의한 Through Fault Current 영역에서 오동작을 방지하기 위함이다.

그림 15. Low Impedance Differential 모선보호 방식에 적용할 수 있는 Biased Characteristics

Fig. 15. The biased characteristics applicable for low impedance differential busbar protection IEDs

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3.3.5 CT 2차 회로 Open 검출 기능

Low Impedance Differential 모선보호 계전 방식의 경우 보호 Zone 내부 개별 Feeder 전류는 CT를 통해 IED에 입력된다. 이때 Feeder 수가 많은 경우 변전소 설비 운용 중 설치류 등 각종 동물에 의해 CT Wire가 손상되는 경우가 발생할 수 있다. 주로 CT 2차 Wire 개방 사고가 자주 발생하는데, 이에 따라 발생하는 차동전류 Id에 의해 사고로 인식되는 경우 모선보호 IED가 동작하여 큰 정전으로 이어지게 되므로 CT 2차 Wire 단선에 대해서는 사고로 인식되지 않아야 한다.

Low Impedance Differential 모선보호 IED에서는 기본적으로 CT 2차 회로 Open 검출 기능을 가지고 있다[14-17, 18-20]. 기본적인 원리는 CT 2차 회로 Open 시 발생하는 Low Set 차동전류 특성을 검출하는 방식과 VT의 영상 전압 신호 Vo와 단선 시 CT 중성선에 흐르는 영상 전류 I0를 검출하여 단선을 검출하는 방법, 정상 전류 I1와 역상 전류 I2를 검출한 다음 이 둘의 발생 패턴을 비교하여 CT 2차 회로 단선 여부를 판정하는 방식 등이 있다.

3.3.6 CT 포화 검출 Algorithm

Low Impedance Differential 모선보호 계전 방식을 적용한 계통에서 CT를 포화시킬 수 있는 큰 외부 사고전류가 흐르는 경우 고장 Feeder의 CT는 바로 포화하지 않고, 수십 ms 정도 시간이 흐른 후 포화하게 된다[13,17,23]. 이 경우에는 포화하기 전 동작점 차동전류 IOP는 거의 상승하지 않고, 억제전류 IRT만 상승하는 특성을 나타낸다. 하지만 사고 발생 후 수 ms가 지나면 CT가 포화하면서 동작점 차동전류 IOP가 급증하면서 동작영역에 들어가게 된다. 따라서 이러한 동작점 이동 특성을 이용하여 초기 외부 사고 발생 시 동작점 변화 기울기가 일정 이하인 상태에서 동작영역으로 갑작스럽게 이동하면 CT 포화로 인식하고 모선보호 계전 요소 동작을 Block 하는 원리이다[17]. 그림 16은 이 방식의 원리를 보여준다. 따라서 이러한 동작점 이동 특성을 이용하여 초기 외부 사고 발생 시 동작점 변화 기울기가 일정 이하인 상태에서 동작영역으로 갑작스럽게 이동하면 CT 포화로 인식하고 모선보호 계전 동작을 Block 한다.

그림 16. Low Impedance Differential 모선보호 방식에 적용할 수 있는 CT Saturation Detection 원리[17]

Fig. 16. The principle of the CT saturation detection applicable with low impedance differential busbar protection[17]

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3.3.7 Disturbance Recording 기능

Low Impedance Differential 모선보호 방식에서는 그림 9~그림 11에서 나타낸 바와 같이 모선 전체에 유입·유출되는 전류를 각상별로 알 수 있고, 이를 이용하여 평상시 전류 및 사고 발생 시 고장전류 분포를 기록할 수 있다[14-17, 18-20]. 즉 Disturbance Recording 기능을 기본적으로 활용할 수 있고, 최근 트렌드는 CU의 VT 입력을 이용하여 사고 전·후 모선 전압까지 기록한다[14-17].

4. IED 기반 모선보호 방식 특성 분석 비교

High Impedance Differential 및 Low Impedance Differential 모선보호 특성 분석은 [23]에서 먼저 제시되었고, 이후 [13]에서는 비교표를 이용하여 구체적으로 두 방식에 대한 차이점을 제시하였다. 본 논문에서는 Low Impedance Differential 방식에 대해 Centralized 방식과 De-centralized 방식 2가지에 대해 분리하여 비교하였고, [13]에서 제시된 특성 중 Scalability(보호 Feeder 개수), Wiring Complexity(결선 복잡도), Panel Space Required(설치 공간), Cost(투자 비용) 등에서는 본 논문에 제시된 실무에서 사용되는 구현 방식 분석을 기반으로 다른 견해를 제시하였다. 이 외에 기존 논문에서 다루지 않은 DC 소모 전력, CT Knee Voltage 요구 사항, 적용하기에 유리한 모선 계통 등 엔지니어링 측면에서 중요한 사항을 표 1에서 비교하였다.

표 1 IED 기반 모선보호 방식 비교

Table 1 The comparison between IED based busbar protection schemes

비 고

High

Impedance

Low Impedance

Centralized

De-centralized

CT 공용

사용

불가능

가능

CT Ratio, 극성 보정

불가능

가능

CT Knee Voltage

동작 원리 특성상 비교적 높음

상대적으로 낮음

속도

약 1.5 cycle [23]

약 1 cycle 이하 [17], [23]

IED 1개 기준 보호 Feeder 개수

(Bay 개수)

CT 여자전류,

모선 고장전류

강도에 의존

전용 CU 1개 기준

최대 8개

[14~17]

CU 1개 기준

최대 60개 [18]

최대 보호 Feeder 개수

(Bay 개수)

모선 구성, CT 여자전류, 1차 고장전류 강도 등에 영향을 받음

2중 모선 기준 최대 24개

[14~17]

(Phase Segregated Scheme)

상동

외부 사고 오동작 극복 방법

Vs를 Vstability 보다 높게하여 극복

➀ Biased Characteristics

➁ CT 포화 검출 알고리즘

감도

고임피던스 접지계통 모선 지락 검출 불가

➀ 정정을 통해 고임피던스 접지계통 모선보호 가능

➁ 전압 계전 요소와 함께 사용 가능

차단실패 보호(50BF)

불가능

가능

(CU에서 Logic 구현)

가능

(BU에서 Logic 구현)

Check Zone 적용

초고압 계통은 일반적으로 별도 적용함

전용 Check Zone IED는 거의 적용하지 않음

결선 복잡도

모선 구성에 따라 변함

비교적 간단

비교적 간단

설치 공간

(주요 변수)

적음 ~ 중간

(모선 구성에 따라 변함)

적음

(Scheme에 따라 보호반 1면에 IED 1~3대 적용)

중간 ~ 넓음

(피보호 Feeder 개수에 따라 변함)

DC 소모 전력

(주요 변수)

적음 ~ 중간

(모선 구성에 따라 변함)

적음 ~ 중간

(구현 방법 및 Bay 개수에 따라 변함)

최대

(Bay 개수에 따라 변함)

엔지니어링

난이도

복잡

비교적 쉬움

고장전류 분포 파악

불가능

가능

투자 비용

최저 ~ 중간

적음 ~ 중간

가장 높음

적용에 유리한 모선 계통

➀ 모선 선택 단로기 미적용

➁ Bus Section/ Coupler CB 미적용

➀ 특별히 제한 없음

➁ 단 18 Bay가 넘는 경우 적용 가능 IED 기종 검토 필요

DC 전원 용량 제한이 있는 곳 외 특별한 제한 없음

5. 결 론

본 논문에서는 IED 기반 모선보호 System 구현 방법 분석을 통해 High Impedance Differential 및 Low Impedance Differential 방식의 특성 및 설계 시 고려 사항들을 제시하였다. IED 기반 High Impedance Differential 방식에서는 내부에 전류 검출 요소를 사용하며, 필수적으로 Metrosil, Setting Resistor 사양을 산정하기 위한 엔지니어링이 필요하다. 또한 동작 원리 특성에 의해 비교적 높은 Knee Voltage VK를 갖는 CT가 필요하고, 모선 선택 단로기 및 Bus Section/Bus Coupler 차단기를 적용하는 모선 계통에서는 설계 복잡성이 증가하는 등 장점이 거의 없게 된다. 따라서 단모선 방식 및 국내 345kV 계통과 같이 모선 선택 단로기가 없는 2중 모선 1.5 차단 방식 등 비교적 단순한 모선 계통에만 적용하는 것이 바람직하다.

Low Impedance Differential 방식은 표 1에서 제시된 바와같이 다양한 장점을 가지고 있으며, 복잡한 모선 구성에서는 High Impedance Differential 방식에 비해 경제성도 뒤지지 않으므로 중요 송·변 계통에서의 모선보호 방식은 기본적으로 Low Impedance Differential 방식을 사용하는 것이 바람직하다.

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저자소개

이기복(Ki-Bok Lee)
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2007년 2월 연세대학교 전기전자공학부 졸업(학사). 2019년 8월 동대학원 전기전자공학과 석사.

주요 산업체 경력 : 효성중공업 전력 PU(해외 초고압 GIS/AIS 변전소 설계), KEPCO & ALSTOM PES 주식회사(HVDC 변환소 설계).

주요 자격 : 전기응용기술사, 전자응용기술사

2021년 7월 ~ 현재 한국폴리텍대학 교수

E-mail : kiboklee@kopo.ac.kr