2.2.1 주변압기 고장 보호의 필요성

변압기 고장은 전력 공급의 상실로 이어질 수 있다. 그러나 신속한 고장 차단은 변압기의 수리 비용과 손상을 최소화할 뿐만 아니라 계통 교란, 정전 범위, 정전 지속 시간도 줄여준다. 특히 신속한 차단은 고장으로 인한 치명적인 손상을 예방하는 경우가 많다. 따라서 적절한 보호 설비가 갖춰진 변압기는 발전소 전기계통에서 가장 단순하지만, 신뢰성이 높은 설비 중 하나가 될 수 있으므로 모든 용량의 변압기에 적절한 보호의 필요성이 있다.

2.2.2 발전소 주변압기 보호 방식

발전소의 주변압기는 전력 계통의 신뢰성 확보와 설비 보호를 위해 다양한 보호 방식이 적용된다. 발전소 주변압기의 단락 및 지락 사고에 대한 주 보호 요소로 ‘비율차동보호방식(87T)’을 사용하며, 후비 보호 요소로 ‘과전류보호(50/51, 50/51N)’를 적용하고 있다 ^[1].

그림 2. 발전소 변압기 Protection Overview

Fig. 2. Power Plant Transformer Protection Overview

그림 2는 발전소 변압기의 전기적 보호 시스템에 대한 표준 형태를 보여주고 있다. 발전소 변압기 보호 요소는 내부 사고에 대한 주보호 요소인 87T(비율차동계전기)로 보호하고 발전기-변압기 구성으로 계통에 연결된 경우, 주변압기의 비율차동계전기의 보호영역을 확장하여 발전기, 모선, 소내 보조변압기까지 포함한 이중화된 보호 방식을 사용하기도 한다 ^[1]. 그림 2에 표시된 보호 요소와 변류기의 설치 위치는 계전기의 입력 요소가 되며 보호 맹점 및 외부 사고에 대한 오동작이 발생하지 않도록 구성하여야 한다.

변압기의 차동보호계전 방식(87T)은 전류 차동 회로에 계전기를 연결하여 정상상태 및 외부사고 시에는 계전기 전류가 평형되어 동작하지 않도록 하고 내부의 상간단락, 층간단락, 지락 사고 등에 계전기가 동작하여 변압기를 보호하도록 하는 방식이다. IEEE 242에서는 2차 측 전압이 5000kV 이상의 변압기 보호에 차동계전기 적용을 추천하고 있으며, ANSI C37.91 및 한전 설계 기준에서는 10M VA 이상의 변압기 보호에 차동계전기를 적용한다 ^[2].

최근 차동계전기는 비율차동계전 방식으로 설계하여 비율 특성을 조정할 수 있도록 한다. 이러한 조정은 종합적인 Mismatch율 보다는 동작치 기울기를 크게 하여 외부 고장 사고에 대해서 오동작하지 않도록 하는 데 목적을 두고 있다.

변압기는 외부 사고가 신속히 제거되지 않은 상태로 운전되면 과부하 상태가 되어 과열되고 절연물의 열화 등에 의해 고장으로 발전하게 된다. 그러므로 외부 사고로부터 변압기를 보호하기 위해 과전류 계전기는 후비 보호용(50/51)으로 이용된다. 만약 2차 측에 과전류 계전기를 적용한 경우라면 2차 측 과전류 계전기는 한시형 과전류 계전기만을 적용한다 ^[2].

상기 1차 및 2차 측 과전류 계전기 적용 시 고려할 사항은 다음과 같다. 우선 과전류보호 협조 설계 시 변압기의 결선 방식에 따라 2차 측 사고 발생 시에 1차 측에 흐르는 사고 전류의 값이 달라지므로 변류기나 계전기의 적용에 유의하여야 한다는 것이다. 사고 전류의 기계적, 열적 영향을 고려하여 변압기 손상이 발생하지 않게 과전류로부터 보호되도록 변압기의 Thermal Capability Curve를 적용해야 한다 ^[2].

주변압기의 지락 보호 방식은 저압권선(Delta 결선)의 경우 발전기 중성점 고정자 지락 보호 계전기가 검출하고, 고압권선(Wye 결선)의 지락 보호는 지락차동보호계전 방식(87N)을 이용하면 권선의 지락 보호 범위를 넓힐 수 있다. 지락차동 보호계전방식(87N)을 접지된 변압기의 2차 측 Y 권선에 적용하면 거의 완벽한 보호가 가능하다. 지락차동계전기(87N)는 내부 지락 사고에만 동작하고 외부 지락 사고에는 동작하지 않는 방식으로 방향 지락계전기 또는 고임피던스 계전기를 이용하는 방식을 주로 사용한다 ^[2].

2.2.3 Y 발전본부 주변압기 정정

주변압기 주 보호 요소인 비율 차동 보호(87T, U)의 정정은 변압기 1, 2차 측 CT의 비율 차이에 따른 전류 크기 보상과 CT 오차 특성을 고려한다. 이는 정상운전 중 오차로 인한 오동작이 발생하지 않도록 정정하기 위함이다. 주변압기 사양과 보호계전기 정정은 각각 표 2, 표 3과 같다.

4.1.1 주변압기 비율차동계전기(87T) 동작 분석

ABB RET670 계전기의 주변압기 비율차동계전기(87T)의 차전류 계산식은 다음과 같다.

변압기의 결선 방식, 각 변위를 고려하여 계수 행렬식을 통해 식(1)의 A와 B값을 계산한다. 주변압기 비율 차동 계전기(87T)의 최소 동작 값 Idmin은 0.4IB로 설정되어 있다. 이는 고압 측 기준 차전류가 692.8[A] 이상이면 동작하도록 설정되었음을 의미한다. 고장 발생 10.3ms 전 데이터를 기준으로 계산한 결괏값은 표 6과 같다. 표 6의 계산 결과를 바탕으로 정상 시 주변압기 비율차동계전기(87T)의 정정 범위 이내에서 운전되고 있음을 알 수 있다 ^[4].

고장 10.3[ms] 전 보호 범위 내에 설치된 주변압기의 부싱 변류기를 통해 계전기가 계측한 데이터(표 4와 표 5)를 합성하여 전류 벡터를 확인할 수 있다. W1_CTL1은 A상, W1_CTL2는 B상, W1_CTL3는 C상 전류를 나타낸다. 345kV 측 변류기는 2000/5, 23.75kV 측 변류기는 30000/5 변류비를 가진다 (그림 5 참조). 345kV 측 전류의 크기와 위상, 23.75kV 측 전류의 크기와 위상을 비교했을 때 정상운전 상태일 때 각 상의 전류의 크기는 같고(변압기 권수비에 따른 전류 크기 보상), 위상은 반대로 나타난다는 사실을 알 수 있다 ^[4].

그림 5. 고장 발생 10.3[ms] 전 전류 위상

Fig. 5. Current Phase of 10.3[ms] prior to Fault Occurrence

4.1.2 유니트 비율차동계전기(87U) 동작 분석

Y 발전본부의 유니트 비율차동계전기(87U)의 보호 범위는 345kV 측 차단기(PCB)부터 발전기 차단기(GCB)까지이다. 이 구간은 발전기 구간을 제외한 송전계통 라인 전체를 보호 구간으로 설정한 것이다. 표 4와 표 5의 데이터를 기준으로, 그림 6과 같은 형태의 전류 벡터를 확인할 수 있다.

그림 6은 유니트 비율차동계전기(87U)의 보호 범위에 입력 요소로 설치된 5개의 변류기를 통해 각 상의 전류와 위상을 나타낸다. Y 발전본부의 유니트 비율차동계전기(87U)는 5개의 변류기 입력 요소를 받아 유입 전류와 유출 전류의 벡터 합을 입력된 계산식에 의해 연산 처리하여 차전류가 정정치 이상이면 동작하도록 설정되어 있다 ^[4].

그림 6. 고장 발생 10.3[ms] 전 345kV 측 및 23.75kV 측 합성 벡터

Fig. 6. Composite Vectors of 345kV and 23.75kV Sides (10.3[ms] Prior to Fault)

유니트 비율차동계전기(87U)의 동작 입력 요소 5개의 변류기 설치 위치는 그림 1에서 확인할 수 있다. 그림 6의 벡터도는 345kV 측 SWYD 차단기(CB00, CB72) 구간의 변류기에서 측정된 각 상의 전류 크기와 위상을 벡터 합성하여 보여준다. 나머지 3개의 변류기 입력 요소는 보조변압기(Aux Tr) 2대의 고압 측 변류기 2개와 발전기 차단기 후단에 설치된 1개의 변류기 입력 요소로 구성되어 있다.

Y 발전본부의 사고 직전 운전 상태는 발전기 정지상태로 발전기 차단기(GCB)가 개방된 상태였다. 발전기 측으로는 전류가 흐르지 않아 발전기 측 변류기에 측정되는 전류가 없었다. 그러므로 4개의 변류기로부터 입력되는 유입·유출 전류를 활용하여 유니트 비율차동계전기의 차전류를 연산하였다. 고장 발생 전 유니트 비율차동계전기(87U)의 유입·유출 전류의 합성 벡터를 통해 고장 발생 전, 전류의 크기는 같고(권수비 보정) 위상은 반대인 벡터를 가지고 있음을 확인할 수 있다 (그림 6 참조).

ABB RET670 계전기의 유니트 비율차동계전기(87U)의 차전류 계산식은 식(1)과 같다. 그러나 입력전류 요소가 다수인 경우 차전류는 다음과 같이 계산한다 ^[4].

식(2)에 고장 발생 10.3[ms] 전 전륫값을 추출한 표 4와 표 5의 데이터를 대입하여 계산하면 표 7의 값이 도출된다. 표 7의 계산 결괏값에 따라 고장 전 정상상태에서도 유니트 비율차동계전기(87U)에 나타나는 차전류(IDL)가 존재한다는 사실을 알 수 있으나, 정상상태에서의 계전기 오차, 변류기 오차, Margin 등을 고려했을 때의 정정 값(692.8 A) 이하를 나타내므로 정정의 오차범위 안에 있음을 확인할 수 있다.

4.1.3 지락차동계전기(87N) 동작 분석

Y 발전본부의 지락차동계전기(87N)의 보호 범위는 345kV 측 PCB부터 변압기 고압 측(345kV)까지이다. 이 영역은 지락 발생 시 내부 및 외부 지락에 따라 방향 특성을 갖는 동작 영역으로 설정되어 있다. 표 3과 표 4의 데이터를 기준으로 그림 7과 같은 형태의 전류 벡터가 나타난다.

그림 7. 고장 발생 10.3[ms] 전 345kV 측 및 주변압기 NEUT 측 합성 벡터

Fig. 7. Composite Vectors of 345kV Side and Main Transformer Neutral(10.3[ms] Prior to Fault)

그림 7은 고장 전 정상 시 지락차동계전기(87N)의 변류기 입력 요소에 대한 전류 크기와 위상을 나타내고 있다. 지락차동계전기(87N)는 방향 특성이 있어 보호 범위 안의 지락 사고에 대해서만 동작하도록 설정되어 있다. 스위치야드 차단기(CB00, CB72) 측에 설치된 변류기와 주변압기 중성점(NEUT) 측에 설치된 변류기를 통해 입력되는 전류 크기와 위상값을 연산하여 영상분 전류의 차전류를 계산한다. 방향 특성을 가진 지락차동계전기(87N)의 기준은 NEUT 측에 흐르는 지락 전류가 기준이 된다. 내부 사고, 외부 사고에 의한 지락 시에도 NEUT 측에 흐르는 전류는 사고점으로 귀로하는 폐회로가 되므로 그림 7에서 CT NEUT 측의 벡터와 같은 방향을 항상 지시한다. CT NEUT 측의 벡터를 기준으로 스위치야드 측의 전류 벡터와 합성했을 때 NEUT 측의 CT NEUT 전류 벡터와 스위치야드 측의 전류 벡터 영상분 전류의 크기는 같고 위상은 반대인 상태를 보여준다.

표 3의 주변압기 보호계전기 정정에 따르면, 87N의 최소 동작 전류는 정격전류 기준 259.8[A]로 설정되어 있다. ABB RET670 계전기의 지락차동계전기(87N) 차전류는 아래 식(3)에 따라 계산된다 ^[4].

식 (3)에 345kV 측과 중성점(NEUT) 측 전륫값을 대입하여 계산하면, 표 8과 같이 도출된다.

표 8의 계산 결괏값에 따라 고장 전 정상상태에서 차전류(IDL)가 13.52[A]가 발생하고 있음을 알 수 있다. 그러나 정상상태에서의 계전기 오차, 변류기 오차, Margin 등을 고려했을 때 정정 값(259.8 A) 이하를 나타내므로 정정의 오차범위 안에 있다는 것을 확인할 수 있다.

4.2.1 주변압기 지락차동계전기(87N) 동작 분석

그림 8. 주변압기 C상 지락 시 고장 파형

Fig. 8. Fault Waveform Analysis: C-Phase Ground Fault on Main Transformer

Y 발전본부 주변압기 C상 케이블 지락 사고 발생 시 그림 8과 같은 형태의 고장전류 파형 변화가 나타났다. 표 9의 데이터와 그림 10을 활용하여 각 상의 전류 크기와 위상을 비교함으로써, 주변압기 지락차동계전기(87N)의 동작 상태를 분석한다.

그림 8은 주변압기 C상 지락 고장 발생 시 각 상의 전류 크기 변화를 실횻값의 크기로 보여준다. 그림 8의 ⓵은 스위치야드(SWYD) 차단기(CB72) 측의 각 상 전류, ⓶는 스위치야드(SWYD) 차단기(CB00) 측의 각 상 전류로 A상과 B상의 전류에 비해 C상의 전류가 급격하게 증가한 것을 알 수 있다. ⓷, ⓸는 주변압기 345kV 측과 23.75kV 측의 C상 지락 시, 각 상의 전류 변화를 보여주는데 각 상의 전류가 고장 전보다 크게 증가하였다.

그림 8의 ⓵, ⓶에서는 지락이 발생한 C상의 전류가 다른 상에 비해 크게 증가한 것에 반해 ⓷, ⓸에서는 각 상 전류가 고르게 증가했다. 이를 통해 지락이 발생한 지점이 주변압기의 내부에서 발생한 것이 아니라, 스위치야드(SWYD)와 주변압기 345kV 측 사이에서 고장이 발생한 것으로 추정할 수 있다. 또한 ⓹는 고장 발생 시 보호계전기의 어떤 요소가 동작했는지 보여주는 그래프로 고장 발생과 동시에 지락차동계전기(87N)의 정정치 이상이 감지되어 Start(Pick-up) Signal이 발생했으나 최종 트립 신호(Trip Signal)는 발생하지 않았음이 확인된다.

그림 9. 주변압기 C상 지락 시 고장전류 흐름도

Fig. 9. Fault Current Flow Diagram: C-Phase Ground Fault

그림 9는 주변압기 C상 지락점과 고장 발생 시 Y 발전본부 전력 계통의 전류 흐름을 보여준다. 그림 9의 ⓵은 주변압기 C상 케이블이 지락된 지점이다. ⓶는 EBG(End Box in Gas) 스위치야드(SWYD) 345kV 측 케이블 종단부 접속점이며, ⓷은 EBO(End Box in Oil)로 변압기 고압 측 345kV의 종단 접속부이다. 주변압기 C상 케이블 고장 시 주변압기 354kV 측 Y 결선의 중성점 접지를 통해 2882.2[A]의 지락 전류가 흘렀음을 확인할 수 있다. 주변압기 23.75kV 저압 측은 △결선 비접지 계통으로 지락전류가 △결선으로 흘러갈 수 없다. 단지 불평형 고장에 의한 영상분 전류가 △결선 내를 순환하게 된다.

그림 10. 주변압기 C상 지락 시 고장전류 벡터

Fig. 10. Current Vector Analysis: C-Phase Ground Fault on Main Transformer

그림 10의 ⓵은 주변압기 C상 지락 시 지락차동계전기(87N)의 스위치야드(SWYD) 측 각 상 전류의 위상관계를 보여준다. 고장 전 스위치야드(SWYD) 측의 각 상 전류 벡터는 그림 7과 같이 크기는 같고 위상은 180도 차이가 난다. 하지만 지락 고장이 발생하게 되면 불평형 성분(영상분, 역상분)에 의해 전류 파형이 그림 10의 ⓵과 같이 변하게 된다. 주변압기의 지락차동계전기(87N)는 스위치야드(SWYD) 측의 영상분 전류 크기와 위상을 주변압기 중성점(NEUT) 측 지락 전류의 크기·위상과의 비교·연산을 통해서 고장의 방향을 판단하고 보호 요소를 동작시킨다. 그림 10의 ⓷은 스위치야드(SWYD)측의 영상분 전류의 크기와 위상을 나타낸다.

주변압기 지락차동계전기(87N)는 보호 범위 내의 지락 사고에만 동작하도록 방향 설정이 되어있다. 따라서 외부 사고나 정상상태에는 그림 7과 같이 주변압기 중성점(NEUT)과 스위치야드(SWYD)의 영상분 전류의 크기는 같고, 위상이 반대로 되어있다. 이러한 방향 설정을 바탕으로 그림 10의 ⓸는 지락고장 시 스위치야드(SWYD)의 전류 벡터와 주변압기 중성점(NEUT) 측의 전류 벡터가 동상이라는 것을 알 수 있으며, 고장 시 지락차동계전기의 보호 범위 내에서 발생한 사고임을 판단할 수 있다.

표 9의 계산 결과를 보면, 지락차동계전기(87N)의 동작 전류가 표 2 및 표 7에 제시된 정정 값(259.8A)을 초과한다는 것을 알 수 있다. 이는 지락차동계전기(87N) 요소가 실제 보호계전기의 Start(Pick-Up) 및 Trip(차단기 Open) 요소로 동작해야 함을 의미한다. 그러나 보호계전기 정정 시, 주변압기 비율 차동 계전기(87T)와의 보호 협조를 위해 100ms의 지연 시간을 두었기 때문에, 최종 트립 신호(Trip Signal)는 발생하지 않았다.

4.2.2 유니트 비율차동계전기(87U) 동작 분석

Y 발전본부 주변압기 C상 지락 고장구간은 유니트 비율차동계전기(87U)의 보호 구간 내에 있음을 그림 1에서 확인할 수 있다. 유니트 비율차동계전기(87U)의 보호 범위는 발전기 단자 측부터 보조변압기(AUX Tr) 고압 측과 스위치야드 차단기 CB00과 CB72측의 모선을 포함한 계통 전 구간으로 설정되어 있다.

그림 11은 주변압기 C상 지락 시 유니트 비율차동보호계전기(87U)에 나타난 각 상의 전류 크기와 위상을 보여준다. 고장 전 상황인 그림 6의 벡터와 비교해 보면, C상 지락 시 유니트 비율차동계전기(87U) 보호 요소의 전류 크기가 증가하고 각 상의 위상이 동위상에 가깝게 이동한 것을 알 수 있다. 그림 11에서 ⓵은 고장 발생 시 스위치야드(SWYD) 측 전류 요소 각 상의 전류 크기와 위상, ⓶는 보조변압기 측(Aux Tr) 각 상의 전류 크기와 위상이다. ⓵, ⓶의 전류 벡터 합성을 통해 차전류가 정정치 이상이 되면 유니트 비율차동계전기가 동작하게 된다.

그림 11. 주변압기 C상 지락 시 유니트 비율차동계전기(87U) 측 고장전류 벡터

Fig. 11. Unit Differential Relay(87U) Current Vector Analysis: C-Phase Ground Fault

표 10에서 주변압기 C상 지락 시 취득한 데이터 계산을 통해, 유니트 비율차동계전기(87U)의 동작 전류가 표 3에 제시된 정정 값을 초과하는 것을 알 수 있다. 유니트 비율차동계전기(87U)의 정정 값은 IDL(차전류)이 692.8[A] 이상 시 동작하게 설정 되어있으며, 비율 요소는 Dual Slope를 적용하였다. 비율 요소는 억제 전류에 대한 차전류의 비를 말한다. 단일 Slope Curve를 적용하면 변압기의 내부 고장이 아닌 외부 고장 시, 큰 고장 통과 전류에 의해 변류기 포화로 오동작 우려가 있기 때문에 소전류 영역과 대전류 영역으로 구분하여 각각 정정할 수 있는 Dual Slope를 적용한다.

표 10의 계산값에 따라 유니트 비율차동계전(87U) 요소가 실제 보호계전기의 보호 요소로 Pick-Up과 동시에 순시 트립(Trip)되어 정상 동작했음을 확인하였다.

4.2.3 주변압기 비율차동계전기(87T) 동작 분석

Y 발전본부 주변압기 비율차동계전기(87T)는 고장점이 보호 범위 밖에서 발생하였으므로 (그림 1, 표 1 참조) 비율차동계전기(87T)는 부동작해야 한다. 실제 그림 3의 Event에서도 보호 요소의 Pick-Up 및 동작 내용이 없음을 확인할 수 있다. 따라서 Y 발전본부의 주변압기 보호구간 내에 있는 보호 요소들이 정상적으로 동작했으며, 적절한 시간 지연과 보호 협조를 통해 정확한 동작 상태가 구현되었음을 알 수 있다.

그림 12. 주변압기 C상 지락 시 주변압기 비율차동계전기(87T) 측 전류 벡터

Fig. 12. Current Vector Analysis for Transformer Differential Relay (87T) during C-Phase Ground Fault

그림 12는 주변압기 C상 지락 시 주변압기 비율차동계전기(87T)의 유입 및 유출 전류의 크기와 위상을 나타내고 있다. 그림 12의 ⓵은 From CT NO.3이고 ⓶는 To CT NO.4이다 (그림 1, 표 1 참조). 주변압기 C상 지락이 주변압기 비율차동계전기(87T)의 보호 범위 밖에서 발생한 고장이므로 각상의 전류가 불평형 상태이나, 계산을 통해 유입과 유출 전류의 크기와 위상 벡터 합이 정정치를 초과하지 않는다는 사실을 확인할 수 있다 (표 11 참조).