고장 종류·고장전류: 시퀀스 회로를 잇는 법

고장 종류를 바꾸며 회로 연결 읽기

시퀀스 회로 Z_1, Z_2, Z_0 세 개가 전원 E와 고장점(빨간 표시) 사이에 놓여 있고, 탭으로 고장 종류를 바꾸면 금색으로 켜지는 회로가 달라져요. 삼상 단락은 정상분만, 지락은 세 회로를 모두, 선간 단락은 정상분과 역상분을 거치며, 쓰지 않는 회로는 선이 그 아래로 돌아 지나간다. 이어진 임피던스의 합이 클수록 고장전류가 작아지고, 아래 금색 막대가 그 값을 pu로 나타낸다.

삼상 단락 · 평형 고장

세 상이 한꺼번에 단락되면 고장 자체가 평형이라 역상분과 영상분이 생기지 않는다. 정상분 회로만 쓰이므로 고장전류는 I_f = E/Z_1이고, 그림의 값으로는 1 ÷ 0.2 = 5.00 pu예요. 거치는 임피던스가 정상분 하나뿐이라 대개 가장 큰 고장전류가 흐르고, 그래서 차단기의 차단 용량은 보통 이 삼상 단락 전류를 기준으로 정한다. 가장 드물지만 가장 가혹한 고장이에요.

지락 · 영상 경로가 열린다

한 상이 땅에 닿는 지락은 실제 계통에서 가장 흔한 고장이다. 이때는 정상·역상·영상 세 회로를 직렬로 이어 고장전류가 I = 3E/(Z_1+Z_2+Z_0)가 되고, 그림의 값을 넣으면 3 ÷ 0.8 = 3.75 pu로 삼상 단락보다 작아요. 흐름을 좌우하는 것은 영상 임피던스 Z_0다. 중성점을 직접 접지하면 Z_0가 작아 지락전류가 크고(Z_0가 Z_1보다 작으면 삼상 단락 전류를 넘기도 한다), 고저항 접지에서는 Z_0가 커져 지락전류가 줄며, 비접지라면 Z_0가 사실상 무한대라 지락전류가 거의 0이다(선로와 땅 사이 정전용량으로 작은 전류만 흐른다). D2에서 영상 전류가 흐르려면 돌아올 길이 필요하다고 한 사실이 여기서 그대로 드러난다.

선간 단락 · 땅이 끼지 않는다

두 상끼리 맞닿는 선간 단락에는 땅이 끼지 않아 영상분이 생기지 않는다. 정상·역상 두 회로를 고장점에서 병렬로 마주 잇는데, 역상 회로에는 전원이 없어 전류가 Z_1에서 Z_2로 차례로 지나간다. 그래서 그림에서도 두 상자가 한 줄로 켜지고 고장전류는 I = √3 E/(Z_1+Z_2)가 돼요. 보통 Z_2가 Z_1과 비슷해 선간 단락 전류는 삼상 단락의 √3/2 ≈ 0.87배쯤 되고, 그림의 4.33 pu도 5.00 pu의 0.87배다. 영상이 빠진 만큼 지락보다 단순하지만 두 상에 큰 전류가 흐르니 역시 빨리 끊어야 한다.

첫 화면으로 돌아가서

같은 세 시퀀스 회로인데도 고장 종류를 바꿀 때마다 켜지는 회로가 달라졌고, 고장전류도 5.00, 3.75, 4.33 pu로 바뀌었어요. 삼상 단락은 정상분 하나만 거쳐 임피던스가 가장 작으니 전류가 가장 컸고, 지락은 영상분까지 직렬로 더해져 전류가 줄었다. D2에서 갈라 둔 정상·역상·영상이 여기서는 고장 종류라는 스위치에 따라 엮이는 부품이 된 셈이다. 고장전류를 손에 쥐었으니 이제 그것을 감지하고 끊어 내는 보호로 넘어간다.

고장전류를 계산했으니 남은 일은 그것을 어떻게 감지하고 끊어 내느냐다. 섹션 D의 마지막 유닛(PW-D4)은 보호계전과 차단을 다룬다. 계전기가 전류와 전압을 재서 고장을 판단하고 차단기에 신호를 보내면, 차단기가 아크를 끊어 고장 구간만 계통에서 떼어 내요. 가까운 고장은 빨리, 먼 고장은 늦게 끊어 꼭 필요한 구간만 정전시키는 선택성과 시간 협조가 보호의 핵심이다.