PW-D3 · 조류·고장·보호

고장 종류·고장전류: 시퀀스 회로를 잇는 법

D2에서 불평형을 정상·역상·영상 세 평형 회로로 갈라 두었다. 이제 고장의 종류마다 이 세 회로를 다르게 이으면 고장전류가 곧장 나온다. 고장 종류를 탭으로 바꿔, 어떤 시퀀스 회로가 어떻게 연결되고 그 합성 임피던스가 고장전류를 어떻게 정하는지 본다.

고장 종류를 바꿔 회로 연결을 보라

세 시퀀스 회로 Z_1·Z_2·Z_0가 있다. 탭으로 고장 종류를 바꾸면 연결이 달라진다. 3상 단락은 정상분만, 1선 지락은 셋을 직렬로, 선간 단락은 정상·역상을 잇는다. 연결된 임피던스의 합이 클수록 고장전류는 작다. 금색 막대가 그 고장전류다.

탭으로 고장 종류를 전환.

고장전류 (사고 전 E = 1 pu)

I_f ≈ 5.00 pu

정상분 회로만. I_f = E/Z_1. 대개 가장 큰 고장전류.

3상 단락 · 평형 고장

세 상이 한꺼번에 단락되면 고장 자체가 평형이라 역상·영상이 생기지 않는다. 정상분 회로만 동작해 고장전류는 I_f = E/Z_1이다. 임피던스가 정상분 하나뿐이라 대개 가장 큰 고장전류가 흐르고, 그래서 차단기의 차단 용량은 보통 이 3상 단락 전류를 기준으로 정한다. 가장 드물지만 가장 가혹한 고장이다.

1선 지락 · 영상 경로가 열린다

한 상이 땅에 닿는 1선 지락은 실제 계통에서 가장 흔한 고장이다. 정상·역상·영상 세 회로를 직렬로 이으면 고장전류는 I = 3E/(Z_1+Z_2+Z_0)이다. 여기서 영상 임피던스 Z_0가 흐름을 좌우한다. 중성점을 직접 접지하면 Z_0가 작아 지락전류가 크고, 고저항 접지나 비접지면 Z_0가 커져 지락전류가 작아진다. 비접지면 Z_0가 사실상 무한대라 지락전류가 거의 0이다. D2에서 영상 전류가 흐르려면 귀로가 필요했던 사실이 여기서 그대로 작동한다.

관찰3φ: I_f = E / Z₁

3상 단락은 정상분 임피던스 하나.

고르기LG: I = 3E / (Z₁ + Z₂ + ?)

1선 지락은 영상까지 셋을 직렬로.

빈칸LL: I = √3 E / (Z₁ + ?)

선간 단락은 정상·역상 둘만.

스스로Z₀ → ∞ → I_ground = ?

영상 경로가 없으면 지락전류는 0.

선간 단락 · 땅이 안 낀다

두 상이 서로 단락되면 땅이 끼지 않아 영상분이 생기지 않는다. 정상·역상 두 회로만 직렬로 이어 고장전류는 I = √3 E/(Z_1+Z_2)이다. 보통 Z_2가 Z_1과 비슷하므로 선간 단락 전류는 3상 단락의 √3/2 ≈ 0.87배쯤 된다. 영상이 빠진 만큼 지락보다 단순하지만, 두 상에 큰 전류가 흘러 역시 빠르게 끊어야 한다.

첫 화면으로 돌아가서

같은 세 시퀀스 회로였는데, 고장의 종류를 바꿀 때마다 연결이 달라지고 고장전류도 달라졌다. 3상 단락은 정상분 하나라 임피던스가 가장 작아 전류가 가장 컸고, 1선 지락은 영상까지 직렬로 더해져 전류가 줄었다. D2에서 갈라 둔 정상·역상·영상이 여기서는 고장 종류라는 스위치에 따라 직렬로 엮이는 부품이 된 셈이다. 고장전류를 손에 쥐었으니, 이제 그것을 감지하고 끊어 내는 보호로 넘어간다.

고장 종류·고장전류: 고장의 종류가 세 시퀀스 회로의 연결을 정하고, 그 합성 임피던스가 고장전류를 정한다. 3상 단락: 정상분만, I = E/Z₁(대개 최대). 1선 지락: 정상·역상·영상 직렬, I = 3E/(Z₁+Z₂+Z₀). 선간 단락: 정상·역상, I = √3 E/(Z₁+Z₂). 영상 경로(접지)가 없으면 지락전류는 0이다.

다음 한 걸음

고장전류를 계산했으니, 이제 그것을 어떻게 감지하고 끊어 내느냐가 남았다. 마지막 섹션 D의 유닛(PW-D4)은 보호계전과 차단이다. 계전기가 전류·전압을 재서 고장을 판단하고 차단기에 신호하면, 차단기가 아크를 끊어 고장 구간만 계통에서 떼어 낸다. 가까운 고장은 빠르게, 먼 고장은 늦게 끊어 꼭 필요한 구간만 정전시키는 선택성과 시간 협조가 보호의 핵심이다.