전기 시스템 및 네트워크에 대한 다양한 보호 유형을 다루는 길고 설명적인 기사입니다. 이 기사에서는 다양한 전기 보호 방법, 시스템 및 장치, 그레이딩 및 보호, 가공선 보호, 전력 시스템 보호, 케이블 피더 보호, 변압기 보호, 모터 보호, 발전기 보호, 커패시터 뱅크 보호, 버스바 보호, 전압 및 주파수 보호 등을 다룰 수 있습니다. 나중에 읽기 위해 이 게시물을 북마크하세요.
고압(HV), 중압(MV), 저압(LV)[1] 전기 설비 및 장비는 내부 및 외부 고장에 노출되며, 이는 인명과 다른 장비에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.
이러한 고장의 결과를 방지하고 최소화하기 위해 전류를 차단할 수 있는 보호 장치가 장비와 연계되어 필요합니다.
보호 장치를 더 잘 이해하기 위해 장비 및 설비 보호 시스템을 다루는 각 섹션에서 해당 장비 및 설비의 가장 일반적인 고장에 대해 다룹니다.
또한 기계적 및 전기적 파라미터의 단위와 그들의 배수 및 분수가 보호 시스템에 관여하며 SI(국제 단위계)에 따라 있음을 언급하는 것이 중요합니다. 예외는 시간(h)을 초(s) 대신 사용할 수 있고, 온도 단위로 °C(섭씨)를 K(켈빈) 대신 선택한다는 것입니다 – [K] = [°C] + 273.15.
고장 시간을 최소화하기 위해 개폐 장치 및 장비에 보호 장치가 제공되어 고장을 감지하고 설치의 고장 부분을 격리합니다.
첫째, 고장의 조기 탐지 및 국소화, 둘째, 고장 장비의 신속한 운전 제거가 필요하며, 이는 다음을 위해 필요합니다:
과거에는 퓨즈가 과전류 및 과부하 보호용으로 흔히 사용되었으며, 여전히 북미 및 일부 국가에서 인기가 있고 저압 설비 및 630~1250kVA 정격 전력까지의 중압 케이블 및 변압기에 여전히 사용됩니다.
그러나 네트워크의 복잡성과 더 신뢰할 수 있는 전력 송배전에 대한 요구로 인해 더 정확한 보호 장치 사용이 요구됩니다.
보호 계전기는 오늘날 사용되며, 더 신뢰할 수 있고 정확하며 네트워크 및 장비에서 발생할 수 있는 과부하 및 과전류 이외의 다른 유형의 고장을 감지할 수 있는 능력이 있습니다. 이는 장비 보호가 분석될 후속 섹션에서 논의될 것입니다.
고장 조건이 감지되면 동작하여 트립을 개시하도록 설정됩니다.
각 전력 시스템 보호 구성은 다음 구성 요소로 구성됩니다:
초기 모델의 보호 계전기는 전자기계 계전기였으며 일부 국가와 리노베이션 작업 대상이 아니었던 오래된 전기 배선 설비에서 여전히 사용 중입니다.
이들은 흡인 형동형으로, 계기용 변압기 2차 출력이 코일을 통해 전달되어 스프링 장력에 대항하여 형동을 흡인합니다. 형동의 움직임이 계전기 트립 접점을 닫게 합니다.
그림 1은 이 유형 계전기의 예입니다.
그림 1 – 전자기계 보호 계전기
요즘은 전자(솔리드 스테이트) 및 마이크로프로세서 기반 보호 계전기가 전기 유틸리티에서 일반적으로 사용됩니다.
전자 계전기는 단일 보호 기능만 가지며 다른 기능에는 다른 계전기 사용이 필요합니다.
마이크로프로세서 기반 계전기는 다양한 기능을 가집니다. 보호, 제어 및 모니터링.
마이크로프로세서 기반 계전기는 지능형 전자 장치(IED)로 알려져 있으며, 5~12개 보호 기능, 5~8개 별도 장치 제어 기능, 자동 재투입 기능, 자기 모니터링 기능, 통신 기능을 제공하며 주요 특징은 다음과 같습니다:
그림 2에서 IED 예시를 볼 수 있습니다.
그림 2 – IED
IED의 기능과 복잡성은 보호할 장비, 네트워크 특성 및 필요한 보완 조치에 따라 정의되어야 합니다.
실제 IED는 IEC[2] 표준 61850 요구 사항을 충족하도록 설계되었으며, 이 통신 프로토콜이 사용됩니다. 이 표준은 변전소 자동화를 위해 특별히 개발되었으며 상호 운용성과 고급 통신 기능을 제공합니다.
보호, 제어 및 모니터링 포인트 수 증가로 변전소 데이터 양이 크게 증가합니다.
이 데이터는 보통 원시적이며 디지털 형태로 저장됩니다. 사용자가 이 혜택을 활용하기 전에 처리되고 분석되어야 합니다.
기존 보호 시스템에서 계전기의 데이터와 제어 신호는 RTU(원격 단말 장치)를 통해 SCADA 시스템으로 전송됩니다.
광범위하고 비용이 많이 드는 케이블이 변전소 내 다양한 베이와 제어실 사이에 필요할 수 있습니다.
IED 계전기를 활용한 현대 보호 시스템에서는 트랜스듀서와 미터 간의 상호 연결 배선이 더 이상 필요하지 않습니다.
IED 계전기의 데이터와 제어 신호는 고속 전용 통신 네트워크를 통해 직접 SCADA 시스템으로 전송됩니다. IED가 제어 요소와 데이터 소스로 사용될 때 데이터 양이 급격히 증가합니다.
시스템 다양한 구성 요소 간 필요한 연결성을 제공하기 위해 데이터 네트워크 LONWORKS 로컬 운영 네트워크(LON)이 사용됩니다.
IEC 표준 61850은 통신에 필요한 프로토콜을 정의하며, TCP/IP 네트워크 또는 변전소 LAN에서 고속 스위치드 이더넷을 사용하여 보호 계전기에 필요한 4밀리초 미만 응답 시간을 얻을 수 있습니다.
중압 및 고압 변전소, 장비, 개폐 장치 및 발전소에서 더 일반적인 보호 계전기는 아래와 같으며, 괄호 안은 IEEE/ANSI[3]/IEC 표준에 따른 코드입니다:
주로 고압 가공선, 고압 전력 변압기 및 3~4MVA 이상 정격 전력의 중압 전력 변압기에서 시스템 신뢰성과 안전을 높이기 위해 두 세트의 보호 – "주 보호"와 "예비 보호" – 를 사용하는 것이 일반적인 관행입니다.
퓨즈는 과전류 보호를 제공하는 "희생 장치" 역할을 하는 저저항 저항기 유형으로, 여전히 일부 저압 및 중압 설비에서 사용됩니다.
필수 구성 요소는 과도한 전류가 흐를 때 녹아 회로를 차단하여 과열이나 화재로 인한 추가 손상을 방지하는 금속선 또는 스트립입니다.
금속 스트립 또는 선은 회로 도체에 비해 작은 단면적을 가지며 불연성 하우징(케이싱)으로 둘러싸여 있습니다.
퓨즈 엘리먼트는 아연, 구리, 은, 알루미늄 또는 합금으로 만들어져 안정적이고 예측 가능한 특성을 제공합니다.
케이싱은 제조사, 응용 분야 및 전압 등급에 따라 세라믹, 유리, 플라스틱, 유리섬유, 성형 운모 라미네이트 또는 성형 압축 섬유일 수 있습니다.
퓨즈는 퓨즈 홀더에 장착되며, 각 퓨즈 유형 또는 제품군 및 정격 전압에 맞게 특별히 설계됩니다(예: HRC 퓨즈).
퓨즈와 홀더 예시는 그림 3과 4에 나와 있습니다.
그림 3 – 저압 NH 타입 퓨즈 및 홀더
그림 4 – 중압 퓨즈 및 홀더
퓨즈의 주요 전기적 특성은:
그림 5는 시간-전류 곡선 예시입니다.
그림 5 – 퓨즈 시간-전류 곡선
주변 온도는 퓨즈의 작동 파라미터를 변경하므로 온도 디레이팅이 필요합니다.
예를 들어 25°C에서 1A 정격 퓨즈는 -40°C에서 10% 또는 20% 더 많은 전류를 전도할 수 있고 100°C에서는 정격 값의 80%에서 개방될 수 있습니다.
작동 값은 각 퓨즈 제품군마다 다르며 제조사 데이터 시트에 제공됩니다.
퓨즈 선택 주요 요소는:
프랑스 표준 NF EN 60269는 시간-곡선, 기능 및 응용 분야에 따라 퓨즈를 분류합니다. 이 분류는 많은 국가에서 널리 사용되며 다음과 같습니다:
설비가 퓨즈로 보호될 때, 퓨즈 업스트림의 스위치-단로기가 안전상의 이유로 반드시 사용되어야 하며, 퓨즈 교체나 유지보수 작업 수행 전 설비 격리를 보장해야 합니다.
퓨즈만으로 보호가 사용될 때, 상 과전류만 감지되며, 다른 고장에 대해서는 보호 계전기 예견이 필요합니다. 누설 전류나 지락 전류에는 GFCI(지락 차단기)가 사용됩니다.
이 상황에서 스위치는 개방 코일을 장착해야 하며, 이는 장비 내부 보호에 의해 작동됩니다.
또 다른 주의사항은 퓨즈에 기계적 장치(스트라이커 핀)가 제공되어야 하며, 하나의 퓨즈만 동작할 경우 스위치가 열리게 하여 고장 시 설비 전체 분리를 보장해야 합니다.
퓨즈에는 컬러 디스크도 제공되어야 하며, 엘리먼트가 단선되면 빠져 나오거나 퓨즈 본체에 내장된 엘리먼트 윈도우를 통해 단선된 엘리먼트의 시각적 표시를 제공해야 합니다.
보호 계전기 설정값 또는 퓨즈 및 저압 차단기의 정격 전류(예: ACB(공기 차단기))를 정의할 때, 선택된 값이 장비 보호에 적합하고 트립하는 차단기 또는 단선되는 퓨즈가 고장 난 회로와 관련된 것만이고 다른 보호 장치는 아니어야 함을 보장해야 합니다. 이는 네트워크에서 심각한 장애와 서비스 품질 및 연속성에 문제를 일으킬 수 있습니다.
이 목적을 달성하기 위해 그레이딩 및 보호 협조 연구가 필요합니다.
보호 계전기 협조 연구는 보호 계전기 설정을 결정하기 위해 수행됩니다.
고장 레벨은 모든 가능한 시스템 운전 조건에 대해 결정되어야 하며, 이는 보호 계전기의 능력을 시스템 고장 탐지 및 제거에 대해 결정하는 데 사용됩니다.
보호 구성은 가능한 최소한의 전기 시스템만 격리하도록 설정되며, 이로써 고장으로 인한 장애 최소화.
보호 계전기 차단 시간은 주요 플랜트 단시간 정격, 시스템 안정성 요건 및 법적 권한 요건 충족을 위해 결정됩니다. 전류와 시간 모두에서 올바른 보호 계전기 동작 마진을 결정하여 효과적으로 말그레이딩을 제거합니다.
이중 회로 고압 피더에 거리 계전기 설정 시 회로 간 영상호 상호 결합을 고려하여 과도달 또는 과소달 발생 가능성 최소화.
계전기 동작 특성과 설정은 선택성을 달성하기 위해 신중하게 협조되어야 합니다.
목표는 기본적으로 고장 난 구성 요소만 차단하고 나머지 전력 시스템을 운전 상태로 유지하여 공급 중단 최소화 및 안정성 보장입니다.
선택성, 또는 선별, 보호 장치 간은 "네트워크의 어느 지점에서 발생한 고장이라도 업스트림 보호 장치, 고장 바로 업스트림의 보호 장치, 그리고 그 보호 장치 단독에 의해 제거되도록 보호 장치들을 협조시키는 것"으로 정의될 수 있습니다.
그림 6의 단선도를 보며 이 정의를 예로 들어 보겠습니다. 여기에는 보호 시스템 SP1부터 SP6까지 있습니다:
그림 6 – 전기 설비 단선도
선택성은 A 지점에서 고장 발생 시 동작해야 할 유일한 보호 시스템은 SP5이며 다른 보호 시스템은 동작하지 않아야 함을 의미합니다.
선택성 확립에 두 가지 원칙이 사용됩니다:
그레이딩 및 보호 협조 연구를 수립하기 위해 네트워크 구성 및 복잡성을 고려해야 합니다.
저압 배전 및 사용자 네트워크는 보통 방사상 구성을 가집니다.
중압 배전 네트워크는 보통 방사상 및 양단 급전(NO 포인트 포함) 구성의 조합과 중요한 복잡성을 가집니다.
사용자 중압 네트워크는 보통 방사상 구성을 가지나, 주요 플랜트에서는 양단 급전(NO 포인트 포함) 구성이 사용됩니다.
고압 송전 네트워크 및 중압 배전 네트워크의 복잡성으로 인한 그레이딩 및 보호 협조 연구에는 전문 엔지니어가 필요하며 ETAP, PSS/E, EPSO, PTW 같은 네트워크 분석용 특수 소프트웨어 도구 사용이 필요합니다.
사용자 중압 네트워크의 그레이딩 및 보호 협조 연구는 보통 더 쉽고 이 섹션에서 나중에 논의될 기본 지침을 따를 수 있습니다.
전력 배전 회사 네트워크 (유입)와 사용자 네트워크의 경계에 특별한 주의가 필요하며 양측 간 보호 협조 프로토콜 수립이 필요합니다.
저압 네트워크에서 차단기 및/또는 퓨즈 사용 시 선택성은 특정 고장 전류 값에 대해 "시간-전류 곡선" 비교를 통해 "차단기/차단기", "퓨즈/퓨즈", "차단기/퓨즈"에 대해 "전류 선별"과 "시간 선별" 원칙을 사용하여 수행할 수 있습니다.
전류 선별은 과부하 보호에 사용되며, 설정 임계값 비율이 1.6 보다 높을 때 보호가 선택적입니다.
시간 선별은 단락 보호에 사용되며, 업스트림 차단기 또는 퓨즈에 시간 지연을 두어 다운스트림 장치 트립이 더 빠르도록 합니다; 단락 보호 임계값 비율이 1.5 미만 아닐 때 보호가 선택적입니다.
자세한 내용은 케이블 피더 보호 - 고장 유형, 원인 및 차동 보호 제목의 업데이트된 게시물을 참조하십시오.
매우 중요하고 설명이 필요한 주제이므로, 전력 변압기 보호 및 고장에서 업데이트 및 병합되었습니다.
사용자 네비게이션 개선을 위해 "가공선 고장 및 보호" 이름으로 이동 및 업데이트되었습니다.
블로그 게시물을 더 나은 네비게이션과 이해를 위해 새 링크로 이동했습니다. 모터 보호, 일반적인 모터 고장 유형 및 고압/저압 모터 보호용 장치를 해당 게시물에서 확인하세요.
이전 게시물에서 발전기 보호, 일반적인 발전기 고장 유형 및 발전기 보호용 장치를 이미 논의했습니다.
부하 변동, 스위칭 및 발전소 고장으로 인해 네트워크의 전압 및 주파수 변동이 발생할 수 있으며, 이는 장비 및 네트워크 작동의 허용 한계를 초과할 수 있습니다.
이 상황은 장비 손상과 네트워크의 부분적 또는 전체 정전으로 이어질 수 있습니다.
이 상황을 방지하거나 최소화하기 위해 저전압 및 과전압 (코드 27 및 59)과 주파수 (코드 81U 및 81O) 보호를 사용해야 합니다.
고압 변전소에서는 버스바 보호 계전기 설치가 일반적이며, 가장 많이 사용되는 것은 차동 보호 (87B)입니다.
이 계전기는 변전소의 모든 CT에 연결되어 유입 및 유출 전류의 합을 평가합니다. 그림 25와 같습니다.
그림 25 – 버스바 차동 보호 회로도
이 보호의 동작 원리는 키르히호프 법칙 – 전류 법칙에 기반합니다.
버스 보호용 CT는 차단기 피더 측에 위치해야 합니다. 버스 보호 CT가 차단기 버스 측에 위치하면 보호 사각지대가 존재합니다.
고임피던스 계전기를 차동 보호에 사용하면 시스템을 포화된 CT에 대해 더 관대하게 설계할 수 있습니다.
비선형 저항을 계전기 단자 양단에 연결하여 고장 조건 시 차동 계전기 양단 전압을 안전 값으로 제한합니다.
고임피던스 계전기는 광범위하게 현대 고압 버스 차동 보호에 사용됩니다.
고임피던스 계전기를 버스 차동 보호에 사용하는 장점은 CT 중 하나가 포화되었을 때 외부 고장에 대해 안정적으로 유지(동작 안 함)하도록 설계할 수 있다는 것입니다.
외부 고장 시 최악의 경우는 하나의 CT 완전 포화, 다른 CT 비포화입니다. 결과적 차동 전류가 차동 계전기 양단에 최대 전압 발생시킵니다. 계전기 설정(볼트 단위)은 충분한 마진과 함께 선택되어 차동 보호가 이 외부 고장 조건에서 동작하지 않도록 보장합니다.
CT 2차 권선 및 케이블 저항은 알려져 있어야 하며, 계전기 설정 계산에 사용됩니다.
내부 고장 시 차동 계전기의 고임피던스가 결과적 차동 전류의 대부분을 CT 여자 임피던스로 강제합니다. 계전기 양단에 발생하는 결과적 전압은 본질적으로 CT 개방 회로 전압이며, 계전기 전압 설정보다 훨씬 높을 것입니다. 비선형 저항 또는 바리스터를 계전기 단자 양단에 연결하여 고장 조건 시 전압을 안전 값으로 제한합니다.
버스 고장 감지 시, 해당 버스 상의 모든 차단기 트립. 버스 고장은 거의 항상 영구적이며, 일시적 고장보다는.
따라서 버스 고장 후 차단기 자동 재투입이 없어야 합니다. 버스 보호는 다른 보호에 의해 개시되었을 수 있는 모든 차단기의 자동 재투입을 취소하는 경우가 많습니다.
많은 변전소에서 버스바 배열로 이중 버스바를 사용하며, 그림 26과 같이 피더가 절연 스위치를 통해 한 버스에서 다른 버스로 전환 가능합니다.
그림 26 – 이중 버스바 배열
이것은 버스 보호를 다소 복잡하게 만듭니다. CT 2차 회로가 절연 스위치 보조 접점을 통해 적절한 버스에 대응하도록 전환되어야 하기 때문입니다.
버스 각 섹션마다 하나의 보호 구역을 두는 것이 일반적입니다. 이를 선별 구역이라고 합니다.
전체 변전소를 위한 또 다른 차동 보호 구역도 있으며, 이를 체크 구역이라고 합니다.
이 배열로 버스 트립이 발생하려면 선별 구역 계전기와 체크 구역 계전기 모두 동작해야 필요합니다.
고압 변전소에서는 차단기 고장 보호 (50BF) 사용이 일반적입니다. 트립 명령에 의해 차단기가 트립되지 않을 때, 고장 전류 소멸되지 않음으로 감지되면, 이 예비 보호가 업스트림 또는 인접 차단기에 트립 명령을 보냅니다.
차단기 고장 보호 기능은 0/1 이진 신호로 과전류 보호 기능 (50/51, 50N/51N, 46, 67N, 67)으로부터 수신되어 활성화됩니다. 지정된 시간 지연 T 동안 전류 소멸을 확인합니다.
차단기 위치도 논리 입력으로 읽어 실제 차단기 개방 여부 결정에 고려될 수 있습니다. 차단기 닫힘 위치 접점(무전압)을 차단기 닫힘 방정식 편집기 입력에 배선하면 다음 상황에서 보호가 효과적이도록 보장할 수 있습니다:
이 보호 기능의 자동 활성화에는 프로그램 로직 차단기 제어 기능 사용이 필요합니다. 특정 입력도 방정식 편집기에서 보호 활성화용으로 사용될 수 있습니다. 그 옵션은 유용합니다. 특수 활성화 사례 추가용(예: 외부 보호 장치에 의한 트립).
보호 장치의 시간 지연 출력은 제어 매트릭스를 통해 논리 출력에 할당되어야 합니다.
시간 지연 T 카운터의 시작 및 정지는 전류 설정값 이상 (I > Is) 존재에 의해 조건화됩니다.
약단 인피드 보호는 가공선 고장 전류 값이 거리 보호의 설정값 조절보다 낮을 때 사용되는 거리 보호 보완입니다.
역률 개선 시, 커패시터 뱅크 각 상은 직렬 결합된 커패시터 그룹으로 형성되며 역률 개선을 위해 사용됩니다. 3상은 성형 연결되며, 중성점은 네트워크 운영에 따라 절연 또는 접지됩니다. 그림 27과 같습니다.
그림 27 – 커패시터 뱅크 회로도
일반적인 커패시터 뱅크 고장은:
커패시터 그룹이 실패하고 중성점이 접지되면 뱅크 불평형이 되어 중성점에 전류 순환.
각 커패시터 또는 커패시터 그룹은 보통 제조사가 이미 설치한 퓨즈로 보호됩니다.
퓨즈는 커패시터 뱅크 연결로 인한 돌입 전류로 퓨즈가 단선되지 않을 I2t 특성을 가져야 합니다.
커패시터 뱅크 일반 보호 장치는:
[1] HV: 고압 (V ≥ 60 kV); MV: 중압 (1 kV < V < 60 kV); LV: 저압 (V ≤ 1 kV).
[2] IEC: 국제전기기술위원회.
[3] IEEE: 전기전자공학자협회. ANSI: 미국국가표준협회.
[4] 상-대지 고장 시 잔류 용량 전류 (IC)는 방정식 IC = 3XcU로 계산되며, Xc는 케이블 용량성 리액턴스, U는 네트워크 상간 전압입니다.
[5] 이 기사에서 가스 절연 변압기 (GIT)는 분석되지 않습니다.
[6] rms: 제곱평균제곱근.
[7] 원동기는 발전기 구동에 사용되는 구성 요소로 디젤 발전 세트인 내연 기관, 가스 터빈, 증기 터빈, 풍력 터빈, 수력 터빈일 수 있습니다.
[8] 교류 발전기의 계자는 발전기 내 도체 코일로 구성되며, 소스( 여자라고 함)에서 전압을 받아 자속을 생성합니다.
자속이 계자에서 전기자를 절단하여 전압을 생성합니다. 이 전압이 궁극적으로 발전기 출력 전압입니다.
산업기술
인서트 몰딩이란? 인서트 몰딩은 별도의 부품을 하나의 구성 요소로 결합하는 플라스틱 사출 성형 공정입니다. 그 결과 영구적으로 결합되고 완전히 캡슐화된 부품 어셈블리가 탄생합니다. 단일 공정으로 이루어지므로 생산 효율이 향상되고 제조 비용이 절감되며, 기계적·기능적 특성이 개선된 부품을 생산할 수 있습니다. 인서트 몰딩의 용도 인서트 몰딩은 성형 과정에서 인서트를 금형에 배치하여 이를 캡슐화함으로써 최종 부품을 만듭니다. 이러한 인서트는 금속이나 플라스틱일 수 있으며, 대표적인 예로 스터드, 접점, 나사산 인서트 등이 있습니다.
3D 프린팅 사용자들의 큰 의문 중 하나는 시판 다양한 노즐 유형 간 차이점, 상황별 선택, 사용·관리 팁입니다. 이 글과 후속 2편에서 FDM/FFF 3D 프린터 익스트루더 노즐 관련 모든 의문에 답하려 합니다. 3D 프린터 노즐 분류 노즐 분류 시 두 주요 특성 고려: 소재와 출구 직경. 출구 직경 직경 범위는 0.20mm(이미 0.15mm, 0.10mm도 존재)부터 1.2mm까지 다양. 소재 황동(브라스) 노즐: 익스트루더 노즐 최다 사용 소재. 높은 열전도율·안정성, 쉬운 가공, 저렴한 가격. 주요 단점: 섬유 함유 마모성
