발전기 보호: 결함 유형 및 필수 보호 장치

정상 건전 상태에서 저항을 통한 전류 흐름 없음이고 단자 전압은 0입니다.

트랜스포머를 통한 접지의 경우 트랜스포머 2차측에 연결된 저항의 전압을 확인하는 전압 릴레이 사용.

정상 건전 상태에서 접지 트랜스포머는 2차 전압을 발생하지 않음, 릴레이에 전압 인가되지 않음. 고정자 대지 결함 발생 시, 접지 트랜스포머 2차 단자에 전압 발생, 전압 릴레이 동작.

그림 1은 고정자 차동 및 대지 결함 보호의 일반적인 연결을 보여줍니다.

권선형 회전자 권선 단락 결함 보호

과전류 릴레이로 보호.

회전자 대지 결함 보호

회전자 권선은 대지 결함으로 손상될 수 있음.

대형 화력 발전기의 회전자 또는 계자 권선은 비접지 상태이므로, 단일 대지 결함 시 결함 전류가 발생하지 않음.

그러나 단일 대지 결함은 전체 계자 및 여자 시스템의 전위를 상승시키고, 계자 차단기 또는 주 발전기 차단기 개방 시 유도되는 추가 전압 (특히 결함 조건 하에서)은 계자 권선에 유도된 추가 전압으로 인해 계자의 대지 절연에 스트레스 증가시킬 수 있습니다. 이 추가 전압은 계자 권선의 두 번째 결함을 유발할 수 있습니다.

두 번째 대지 결함은 국부적 철심 가열로 회전자 변형을 일으켜 위험한 불평형을 초래할 수 있습니다.

회전자 대지 결함 보호는 보조 AC 전압을 회전자에 인가하여 회전자 절연을 제어하는 릴레이 또는 고저항과 직렬로 연결된 전압 릴레이 (선형 및 비선형 저항 조합이 현재 일반적인 방법)로 회전자 회로에 연결하여 제공되며, 그 중심점은 민감한 릴레이의 코일 (ANSI/IEEE/IEC 코드 64)을 통해 대지에 연결됩니다.

최신 기술은 선형 및 비선형 저항 결합을 권장합니다.

그림 2는 회전자 대지 결함 보호의 예시를 보여줍니다.

여자 상실 보호

릴레이가 무효 전력 흐름의 변화를 감지하는 방식 사용. 일반적인 여자 상실 보호 체계는 오프셋 모(Offset Mho) (임피던스) 릴레이를 사용하여 발전기 부하 임피던스 측정.

오프셋 모 임피던스 릴레이는 단상 릴레이이며, 발전기 CT와 VT에서 전원 공급. 여자 상실 릴레이는 부하 임피던스 값이 릴레이의 동작 특성 내에 들어오면 동작.

타이밍 릴레이가 포함되어 선행 무효 전력 조건이 1초 (일반적) 지속되면 기계 트립 개시.

과여자 보호

운전 및 정지 중 과여자로 인한 코어 포화 방지를 위해 과여자 보호 (ANSI/IEEE/IEC 코드 59) 사용.

과여자는 다음 식으로 설명 가능:

B = V / f

여기서 B는 자속 밀도 또는 자기 유도 또는 코어 자속 (단위: 테슬라 – T), V는 인가 전압 (단위: 볼트 – V), f는 주파수 (단위: 헤르츠 – Hz).

코어 자속을 포화점 이하로 유지하려면, 발전기 전압은 주파수(또는 속도)가 증가할 때만 증가할 수 있습니다.

여자가 너무 빠르게 증가하면 이 과여자 조건을 감지하고 계자 차단기를 트립시켜야 합니다.

과여자 보호 체계는 볼트/헤르츠(Volts per Hertz) 릴레이 사용.

이 릴레이들은 선형 특성을 가지며, 전압을 주파수로 나눈 값이 설정값을 초과하면 동작.

고정자 권선 및 베어링 과열 보호

보통 RTD와 서미스터로 온도 모니터링 수행.

고정자 상 불평형 보호

일반적으로 시간-역률 과전류 릴레이 사용, 로터가 이 과열을 견딜 수 있는 최대 시간에 따라 설정.

발전기 부상 시퀀스 보호

고정자 상 전류 불평형 결과로 발생하는 과열 효과, 특히 로터에서로부터 기계를 보호하는 기능. 보호는 CT를 통해 두 상의 전류를 비교하는 릴레이 사용 (그림 3 참조).

보호는 로터가 이 과열을 견딜 수 있는 최대 시간에 따라 설정되며, 시간은 K = I²t 식 (줄의 법칙 기반)으로 정의.

일반적인 커브는 원동기 유형에 따라 달라짐이며 제조사에서 제시.

역전력 보호

역전력 보호 (ANSI/IEEE/IEC 코드 32)는 전력 방향성 릴레이를 사용하여 발전기 부하를 모니터링; 릴레이는 발전기 CT와 VT에서 전원 공급받으며 (그림 4 참조) 음의 전력 흐름이 감지되면 동작.

아웃오브스텝 보호

아웃오브스텝 보호는 발전기 결함이 아닌 전력 시스템 교란으로 인한 조건을 감지. 보호는 발전기가 첫 번째 폴을 슬립할 때 조건을 감지하고 발전기 차단기 트립 유발.

터빈은 트립되지 않음으로 시스템 교란 해제 후 기계가 재동기화 가능.

이 보호는 여자 상실 보호와 상호 보완적임.

아웃오브스텝 조건은 발전기가 완전 여자 상태일 때 발생하고, 과소 여자로 인한 동기 상실은 발전기가 계자가 없는 상태일 때 발생.

아웃오브스텝 보호는 세 개의 임피던스 측정 릴레이 사용. 이 릴레이들은 발전기 CT와 VT에서 전원 공급받으며 발전기 부하 임피던스 측정, 세 릴레이가 올바른 순서로 동작하면 전력 진동 조건 감지하고 고압 차단기 트립 개시.

외부 단락 결함 보호

과전류 릴레이 사용 (50; 50N; 51; 51N).

저주파/과주파 보호

(ANSI/IEEE/IEC 코드 81) 발전기 결함이 아닌 시스템 교란도 감지. 대규모 전력 시스템 분리는 남아 있는 연결 부하에 대해 과잉 또는 부족한 발전 전력 초래 가능.

첫 번째 경우인 과주파는 부하 수요 감소로 인해 가능한 과전압 동반. 이 모드 운전은 정격 전력과 약 105% 정격 전압 초과하지 않는 한 과열 발생 안 함.

발전기 제어장치를 신속히 조정하여 발전기 출력을 부하 수요에 맞춰야 함.

부족한 발전으로 연결 부하에 대해 저주파는 과중한 부하 수요 결과.

전압 강하로 전압 조정기가 여자 증가. 결과적으로 로터와 고정자 모두에서 과열 발생 가능. 동시에 더 많은 전력이 요구되나, 감소하는 주파수에서 발전기가 공급 능력 저하.

자동 또는 수동 송전 시스템 부하 차단이 전체 전력 시스템 붕괴 전에 부하를 연결된 발전에 맞게 조정해야 이상적.

과전압/저전압 릴레이

(ANSI/IEEE/IEC 코드 59 및 27) 전압 제어에 사용.

상 보조 기동 보호

발전기가 속도까지 상승하는 동안 결함이 존재하는 조건 감지 목적. 발전기는 당연히 부하 또는 결함 상태로 기동되어서는 안 됨.

이를 방지하기 위해 보호 체계가 저주파수에서만 저설정 과전류 릴레이를 투입하는 방식으로 사용됨: 60Hz 시스템에서 52Hz 미만, 50Hz 시스템에서 42Hz 미만일 때 만(ONLY).

요즘은 필요한 모든 보호 기능을 통합한 IED (2.1절 참조)가 발전기 보호에 흔히 사용됩니다.

저자 소개: Manuel Bolotinha

• 전기 공학 학사 – 에너지 및 전력 시스템 (1974 – 리스본 공과대학/리스본 대학)
• 전기 및 컴퓨터 공학 석사 (2017 – 노바 리스본 대학 과학기술학부)
• 변전소 및 전력 시스템 선임 컨설턴트; 전문 강사