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전기기사 전력공학 · 보호계전기 및 보호계전방식

Protective Relay & Protection Scheme

보호 계전기는 CT · PT 가 보내는 전류 · 전압 신호로 이상을 판정해 차단기에 트립 신호를 보내는 장치다. 과전류 계전기는 한시 특성(반한시 · 정한시 · 초반한시)에 따라 고장 전류의 크기로 동작 시간이 정해지고, 거리 계전기는 임피던스로 고장점까지의 거리를 가려 영역별로 시간을 달리한다. 주보호가 실패하면 시간 지연을 둔 후비 보호가 동작하도록 계층을 짜요. 계전기 버튼으로 네 가지 동작 특성을 견주고, 고장 전류 배수 슬라이더를 움직이면 IEC 표준 반한시 곡선의 동작 시간이 바뀌어요.

보호 계전기

🔍 고장을 감지해 차단기에 명령하는 장치
①CT · PT 에서 전류 · 전압 신호를 받아 이상인지 판정한다
②이상을 감지하면 차단기(CB)에 트립(Trip) 신호를 보낸다
③고장 구간만 가장 좁게 떼어 내고 건전 구간은 계속 살리는 것이 목표예요

계전기 동작 특성

⏱️ 한시 특성 비교
①반한시: 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지며, 배전 선로에서 흔히 쓴다
②정한시: 전류 크기와 관계없이 정해 둔 시간 뒤에 동작해 협조를 맞추기 쉽다
③초반한시: 고장 전류가 클수록 반한시보다 훨씬 빨리 동작한다
④거리: 임피던스를 재어 고장 거리를 판정하고, 영역(Zone)마다 시간을 달리해요

반한시 OCR 동작 시간 계산

300%

고장 전류 = 300% Is (3.0 × Is)

동작 시간 t = 6.30 초

IEC 표준 반한시: t = 0.14 / [(I/Is)^0.02 − 1] (TMS = 1)

IEC 표준 반한시 동작 시간
t = 0.14·TMS / [(I/Is)0.02 − 1] [s]
TMS 는 시간 배수 설정(Time Multiplier Setting), Is 는 정정 전류다.

보호 구간과 후비 보호

후비 보호 동작 원칙
주보호 실패 → 시간 지연 뒤 후비 보호 동작
시간 계층은 주보호(즉시) < 후비 보호(0.3 ~ 1 초 지연) 이다.
🏛️ 보호 계층 원칙
①주보호: 그 구간의 계전기가 곧바로 동작해 정전 범위를 가장 좁게 한다
②후비 보호: 주보호가 실패하면 상위 변전소 계전기가 시간을 두고 동작한다
③보호 구간을 겹쳐 사각지대 없이 모든 구간을 적어도 이중으로 지켜요

시험 포인트

반한시 OCR 공식
t = 0.14·TMS / [(I/Is)0.02−1]
전류가 클수록 동작 시간이 짧아짐
거리 계전기 보호 범위
Z1 = 80% 순시, Z2 = 120% 지연, Z3 = 220%
Z1 만 순시이고 Z2 · Z3 는 시간 지연
차동 계전기 쓰임
변압기 · 발전기 · 모선 내부 고장
I₁ − I₂ > 설정값 → 트립
후비 보호 시간 계층
주보호 < 0.3 s < 후비 보호 < 1.0 s
시간 차이로 선택성(협조)을 확보
🎯 시험 포인트
①반한시 OCR 은 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지며, 배전 선로에서 흔히 쓴다
②거리 계전기는 Zone 1(80%) 순시, Zone 2(120%) 0.3 ~ 0.5 초 지연이다
③차동 계전기는 변압기 · 발전기 · 모선의 내부 고장을 1차 · 2차 전류 차로 잡는다
④보호 협조는 하위 계전기의 동작 시간이 상위 계전기보다 짧도록 맞춘다
⑤CT 2차는 절대 열면 안 된다. 고전압이 유기되어 절연 파괴 · 감전 위험이 있어요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] 반한시 과전류 계전기의 동작 시간 특성을 설명하시오. (답: 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지며, 정정 탭 전류 이하에서는 동작하지 않는다)
②[기출유형] 거리 계전기 Zone 1, 2, 3 의 보호 범위와 동작 시간을 쓰시오. (답: Zone 1 = 80% 순시, Zone 2 = 120% 0.3 ~ 0.5 s, Zone 3 = 220% 0.5 ~ 1.0 s)
③[기출유형] 비율 차동 계전기(RDFR)의 동작 원리를 설명하시오. (답: 보호 구간에 들어오는 전류와 나가는 전류의 차를 그 크기에 대한 비율로 판정해, 설정 비율을 넘으면 트립한다)
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