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].
2.2 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
2.3 High Impedance Differential 모선보호 방식의 기본적인 특징
High Impedance Differential 모선보호 방식은 기본적으로 그림 1 및 그림 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
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].
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].
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
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
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
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 7은 그림 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
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
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.