보호계전기 및 보호계전방식

Protective Relay & Protection Scheme

보호계전기는 CT·PT 신호를 보고 이상을 판정해 차단기에 트립을 보내는 보호의 두뇌예요. 과전류 반한시 특성이 전류 배수에 따라 동작 시간을 정하고, 주보호·후비보호 계층이 협조해요. IEC 곡선 공식이 계산 문제의 중심이에요. 고장전류 배수를 바꿔 동작 시간이 어떻게 짧아지는지 확인해 봐요.

보호계전기란?

🔍 고장을 감지해 차단기에 명령하는 두뇌

①CT·PT에서 전류·전압 신호를 받아 이상 여부 판정

②이상 감지 시 → 차단기(CB)에 트립(Trip) 신호 출력

③목표: 고장 구간만 최소로 격리, 건전 구간은 유지

과전류 계전기 동작 특성

⏱️ 한시 특성 비교

①반한시: 전류↑→ 동작시간↓ (전류에 반비례) 배전선로 표준

②정한시: 전류 크기 무관, 일정 시간 후 동작. 협조 용이

③초반한시: 큰 사고전류에 매우 빠름. 발전기 근처 적용

④거리: 임피던스 측정 → 고장 거리 판정 (Zone별 시간차)

반한시 OCR 동작시간 계산

고장전류 배수 (I/Is)300%

고장전류 = 300% Is (3.0 × Is)

동작시간 t = 6.30 초

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

IEC 표준 반한시 동작시간

t = 0.14·TMS / [(I/Is)^0.02 − 1] [s]

TMS: 시간배수 설정(Time Multiplier Setting), Is: 정정전류

보호구간과 후비보호

후비보호 동작 원칙

주보호 실패 시 → 시간 지연 후 후비보호 동작

시간 계층: 주보호(즉시) < 후비보호(0.3~1초 지연)

🏛️ 보호 계층 원칙

①주보호: 해당 구간 계전기가 즉시 동작. 최소 정전 범위

②후비보호: 주보호 실패 시 상위 변전소 계전기가 시간 지연 후 동작

③보호구간 중첩: 사각지대 없이 모든 구간을 적어도 2중으로 보호

시험 포인트

반한시 OCR 공식

t = 0.14·TMS / [(I/Is)^0.02−1]

전류 클수록 동작시간 짧아짐

거리 계전기 보호범위

Z1=80% 순시, Z2=120% 지연, Z3=220%

Z1만 즉시, Z2·Z3는 시간 지연

차동 계전기 적용

변압기·발전기·모선 내부 고장

I₁−I₂ > 설정값 → 트립

후비보호 시간 계층

주보호 < 0.3s < 후비보호 < 1.0s

시간 차이로 선택성(협조) 확보

🎯 시험 포인트

①반한시 OCR: 전류↑ → 동작시간↓ (I에 반비례) 배전선로 표준

②거리 계전기: Zone1(80%) 순시, Zone2(120%) 약 0.3~0.5초 지연

③차동 계전기: 변압기·발전기 내부 고장 전용. 1차/2차 전류 차이

④보호 협조: 하위 계전기 동작시간 < 상위 계전기 동작시간

⑤CT 2차 개방 절대 금지: 고전압 유기로 절연파괴·감전 위험

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 반한시 과전류계전기의 동작시간 특성을 설명하시오. (답: 전류가 클수록 동작시간이 짧아지며, 정정 탭 전류 이하에서는 동작하지 않음)

②[기출유형] 거리계전기의 Zone 1, 2, 3의 보호 범위와 동작시간을 쓰시오. (답: Zone1=80% 순시, Zone2=120% 0.3~0.5s, Zone3=220% 0.5~1.0s)

③[기출유형] 비율차동계전기(RDFR)의 동작원리를 설명하시오. (답: 보호구간 유입전류와 유출전류의 차이를 합계에 대한 비율로 판정, 설정비율 초과 시 트립)