변압기 차동 보호 및 기타 차동 보호 제품 | CANWIN

또한 변압기의 비정상적인 작동 상태에는 오일 수위 저하, 오일 온도 또는 압력 상승, 변압기 중성점 전압 상승, 과부하, 과전류, 과여자 등이 있습니다.

다양한 고장이나 비정상적인 작동 조건을 모니터링하기 위해 주 보호 장치와 백업 보호 장치로 구분되는 여러 보호 장치를 설치했으며, 주 보호 장치는 신속한 동작 특성을 가지고 있습니다.

파트 2: 차동 보호

종방향 차동 보호는 변압기의 주요 보호 장치 중 하나이며, 각 측의 스위치를 즉시 트립시키는 방식으로 작동합니다. 보호 영역은 차동 보호 장치의 양쪽 전류 변압기 사이의 부분으로, 변압기 본체, 전류 변압기와 변압기 사이의 인출선 등을 포함합니다. 2017년, 220kV 변전소의 2번 주 변압기 35kV 측 피뢰기에서 AB상 섬락이 발생하여 피뢰기 섀시가 방전으로 파손되었습니다. 35kV 피뢰기는 주 변압기의 저전압 측에서 유변변압기와 주 변압기 사이에 위치해 있었기 때문에 종방향 차동 보호 범위 내에 있었습니다. 따라서 주 변압기의 두 보호 장치가 모두 정상적으로 작동하여 고장을 차단할 수 있었습니다.

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차동 보호의 기본 원리

기존 변압기 종방향 차동 보호는 마이크로컴퓨터 보호 장치를 사용하며, 각 상의 전류가 보호 장치에 개별적으로 입력되어 소프트웨어 알고리즘을 통해 종방향 차동 보호가 구현됩니다. 본 논문에서는 한 상을 예로 들어 종방향 차동 보호의 기본 원리를 설명합니다.

보호 장치가 감지하는 차동 전류는 두 코일의 2차 전류의 벡터 합입니다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 시스템이 정상적으로 작동하거나 외부에서 단락이 발생한 경우, 두 코일의 2차 전류는 크기가 같고 극성이 반대이므로 차동 전류는 0이며, 이때 보호 장치는 작동하지 않습니다. 그림 2에서 보는 바와 같이, 보호 범위 내에서 지락 사고가 발생하면 두 코일의 2차 전류는 크기와 극성이 같아지고, 차동 전류는 두 2차 전류의 합이 됩니다. 차동 전류가 시작 값에 도달하면 보호 장치가 작동합니다.

상기 유변학적 2차 코일 연결 방식에 기반하여, 종방향 차동 보호는 위상 조정, 영순위 전류 제거, 그리고 양측 전류 벡터의 진폭 변환을 추가하여 차동 전류 계산 방식을 구성하고, 이어서 비율 제동 특성 곡선을 도입하여 보호의 기본 논리를 구성한다.

YN-d11 배선을 예로 들면, 배선도와 전류 위상 벡터도는 그림 3에 나타나 있다. 고전압 측과 저전압 측 위상 벡터 사이에 30°의 각도 차이가 존재하기 때문에 정상 작동 시 두 전류의 벡터 합이 0이 되지 않아 먼저 위상 변환이 필요하다. 변환 후에는 동일 위상의 고전압 측과 저전압 측이 동일한 위상을 갖게 된다.

위상 변환 방법에는 두 가지가 있는데, 하나는 Y측을 기준으로 하여 d측 전류 위상이 Y측 전류 위상과 일치하도록 하는 방식이며, 이를 "앵글 스타(angle star)"라고 합니다. 가장 일반적인 앵글 스타 보호 장치는 Narui Jibao RCS-978 등이며, 변환 공식은 다음과 같습니다.

다른 하나는 d측을 기준으로 하여 Y측의 현재 위상이 d측의 위상과 일치하도록 하는 것으로, 이를 "별 회전각"이라고 합니다. 기존의 보호 장치 대부분은 별 회전각 방식을 채택하고 있으며, 변환 공식은 다음과 같습니다.

영순위 전류 제거의 목적은 종방향 차동 보호의 오작동을 방지하는 것입니다. YN-d 배선에서 고전압 측 외부에 접지 사고가 발생하면 고전압 Y 측에는 영순위 전류가 흐르지만 저전압 d 측에는 영순위 전류가 흐르지 않아 양측의 영순위 전류가 균형을 이루지 못하고 차동 보호가 오작동하게 됩니다. "별 회전 각도" 변환 모드에서는 Y 측의 위상차 후 두 전류의 차이에서 영순위 전류가 제거되므로 별도의 조치가 필요하지 않습니다. "각도-별" 변환 모드에서는 Y 측 전류 벡터에 대해 영순위 전류 보상이 수행되며, 보상 공식은 다음과 같습니다.

변압기의 변환비와 각 측의 유변학적 변환비의 차이로 인해 정상 작동 또는 외부 고장 발생 시 변압기 양쪽 측의 차동 전류의 2차 진폭이 동일하지 않을 수 있습니다. 이때 진폭 변환을 수행해야 합니다. 한쪽 측의 전류값을 기준으로 양쪽 측의 전압과 유변학적 변환비에 따라 다른 쪽 측의 평형 계수를 계산하고, 이 평형 계수를 다른 쪽 측 전류값에 곱하여 장치 내부 계산에서 차동 유량이 0이 되도록 합니다.

내부 고장 발생 시 동작 감도를 더욱 향상시키고 외부 고장으로 인한 불균형 전류를 안정적으로 방지하기 위해, 종방향 차동 보호는 비율 제동 특성 곡선을 갖는 차동 소자를 채택한다. 비율 제동 곡선의 세로축은 차동 전류, 가로축은 제동 전류이며, 곡선의 윗부분은 동작 영역, 아랫부분은 제동 영역이다. 기존의 특성 곡선은 크게 2분할 점선형과 3분할 점선형의 두 가지 유형으로 나뉜다.

그림 4의 왼쪽 그림은 두 부분으로 나뉜 점선 비율 제동 곡선을 보여줍니다. 이 곡선은 원점을 지나는 ABC형이거나 원점을 지나지 않는 ABD형일 수 있습니다. 대부분의 장치는 ABC형입니다.

그림 4의 오른쪽 그림은 3개 구간으로 나뉜 점선 제동비 곡선을 보여주는데, 이는 AB 구간이 수평선인 경우와 사선인 경우 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. AB 구간이 수평선인 장비에는 Guodian Nanzi PST-1200U, ABB의 RET-316, Xuji의 WBH-801 및 SEL-387이 포함되고, AB 구간이 사선인 장비에는 Sifang CSC-326, Shenrui의 PRS-778 및 South Swiss의 RCS-978이 포함된다.

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차동 보호 장치를 확인하는 방법

종방향 차동 보호 기능 검증은 비율 제동 특성 곡선에 따라 수행되며, 곡선 이상에서는 보호 기능이 작동하고, 곡선 이하에서는 보호 기능이 작동하지 않습니다.

1) 점 선택. 종방향 차동 보호 검증을 위해 3~5개의 점을 선택합니다. 첫 번째 점은 그림 4의 세로축 상에서 선택하여 최소 동작 전류 Iop.min을 검증하고, 두 번째와 세 번째 점은 변곡점에서 선택하여 변곡점 전류 Ires를 검증합니다. 또한, 각 기울기에서 한 점씩 선택하여 기울기를 검증합니다.

2) 값을 계산합니다. 변압기의 시동 전류, 평형 계수 및 각 측의 평형 값을 계산한 다음, 장치의 제동비 곡선에 따라 각 점검 지점의 각 측 전류 크기와 위상각을 계산합니다.

3) 곡선 검증. 고정변수법을 적용하여 점검 지점의 한 전류를 고정하고 다른 전류의 크기를 변경하여 점검 지점을 동작 영역과 제동 영역으로 위아래로 이동시켜 보호 장치가 올바르게 작동하는지 검증한다.

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차동 보호용 보조 부품

차동 보호 기능을 더욱 안정적으로 만들기 위해 보호 로직에는 시동, 급속 차단 및 잠금과 같은 구성 요소도 포함됩니다.

1) 시작 요소: 시작 변수에는 3상 차동 전류의 최대값, 전류 변동량 등이 포함됩니다. 시작 변수가 임의의 시작 값보다 크면 보호 장치가 차동 보호 기능을 작동시킵니다.

2) 차동 급속 차단 소자: 높은 단락 전류 레벨에서, 전류 변압기의 포화로 인해 2차 고조파가 큰 제동 토크를 발생시켜 차동 소자가 움직이지 않는 경우가 있습니다. 보호 장치 작동 거부를 방지하기 위해 장치에 차동 급속 차단 소자가 설치되어 있습니다. 단락 전류가 정격 전류의 4~10배에 도달하면 급속 차단 소자가 빠르게 출구로 이동합니다. 또한, 큰 단락 전류 발생 시 양측 전류 변압기의 과도 특성 불일치로 인한 보호 장치의 오작동을 방지하기 위해 변압기를 포함한 주 설비의 차동 보호 장치 양측 전류 변압기의 관련 특성이 일치해야 합니다(18대 대책 15.1.10). 변전소의 2번 주 변압기의 고전압 측은 2/3 배선의 2번 스트링에 연결되고, 이 스트링은 다른 연계선에 연결됩니다. 2017년, 직렬 연결된 스위치의 B상에서 단상 지락 사고가 발생했고, 주 변압기 본체에 설치된 두 세트의 차동 보호 장치인 급속 차단 소자가 작동하여 주 변압기 양쪽의 스위치를 차단했습니다. 연계선 양쪽의 분상 전류 차동 보호 장치가 해당 측 스위치의 B상을 차단한 후, 단상 재폐로가 성공적으로 이루어졌습니다.

3) 여자 돌입 전류 차단 소자: 공중 낙하 변압기와 변압기 영역 외부의 단락 회로가 차단될 때, 막대한 여자 돌입 전류가 발생합니다. 이 여자 돌입 전류로 인한 차동 전류가 장치 오작동을 일으키는 것을 방지하기 위해, 종방향 차동 전류 보호 장치에 돌입 전류 차단 소자를 설치합니다. 이 소자는 파형 왜곡(간헐적이거나 비대칭적인 차동 전류 파형), 고조파 성분 식별(2차 또는 3차 고조파 함량), 퍼지 식별 등을 이용하여 여자 돌입 전류를 식별합니다. 그러나 변압기를 실제로 공중 낙하할 때, 특히 첫 번째 공중 낙하 시에는 본체의 불충분한 자화로 인해 차동 보호 장치가 여전히 오작동할 수 있으며, 공중 낙하 시 발생하는 차동 전류의 고조파 함량이 고조파 성분 차단 임계값보다 낮을 수 있습니다. 변압기 공회전 충전에 대한 잔류 자기의 영향을 근본적으로 제거하기 위해, 자화 조치를 취하고 추가 공회전 충전을 수행하거나, 일시적으로 2차 고조파 차단 임계값을 낮춰 주 변압기의 정상 작동을 보장할 수 있습니다.

4) CT 차단 요소: CT의 2차상이 차단될 때 차동 전류는 차단된 상의 부하 전류가 되므로 보호 장치가 오작동할 수 있습니다. 이때, 영순위 전류, 상 전류 변화, 상 전압의 급격한 이상 강하 등을 통해 CT 차단 여부를 판단할 수 있습니다.

5) CT 포화 차단 소자: 외부 고장이 발생하면 CT 포화로 인해 차동 보호가 오작동할 수 있으므로 보호 장치에는 CT 포화 차단 감지 소자가 장착되어 있습니다. CT가 포화되면 일정 시간 동안 포화된 후에 차동 전류가 발생하므로, 장치는 제동 전류와 차동 전류의 시간적 일치성을 이용하여 CT 포화 여부를 판단합니다. 또한, 변압기 종방향 차동 보호에 대한 CT 포화의 영향을 최소화하기 위해 정확한 제한 계수(ALF)와 더 높은 정격 변곡점 전압을 가진 변류기를 사용합니다(18개 항목 대책 15.1.12).

파트 3: 기타 차동 보호 장치 소개

1.

분할 측면 차동 보호

분할측 차동 보호는 변압기의 Y측 권선을 보호 대상으로 하는 차동 보호 방식으로, 각 측 권선의 첫 번째와 마지막 변류기(CT)로 구성됩니다. 그림 5의 자체 결합 위상 A를 예로 들면, 보호 장치는 TA1A, TA2a', TA3A로 구성됩니다. 키르히호프의 전류 법칙에 따라 양단 전류 사이에 전자기적 결합 관계가 없으므로 돌입 전류 차단 소자, 차동 스냅 동작 소자, 과여자 차단 소자가 필요하지 않습니다. 또한, 분할측 차동 보호는 종방향 차동 보호에 비해 동작 전류의 고정값이 낮고 감도가 높습니다. 그러나 이 보호 방식의 단점은 권선 간 단락을 보호할 수 없다는 것입니다.

2.

분할 위상 차동 보호

위상 분할 차동 보호는 변압기의 각 상 권선을 보호 대상으로 하는 차동 보호 방식이며, 각 상 권선의 양쪽에 변류기(CT)를 설치하여 구성됩니다(예시). 이 보호 방식은 변압기 특정 상의 저전압 측 권선을 제외한 모든 고장을 감지할 수 있지만, 돌입 전류 차단 소자가 필요합니다.

3.

저전압 측 셀 차동 보호

위상 분할 차동 보호는 저전압 측 리드선에 대한 보호 범위가 없으므로, 위상 분할 차동 보호에 대한 보완책으로 셀 차동 보호가 도입되었습니다. 저전압 측 회로의 차동 보호는 저전압 측 삼각 2상 권선의 내부 변류기(CT)와 2상 권선의 차동 전류를 반영하는 돌입 전류 차단 소자를 포함하는 변류기로 구성되지만, 권선 간 단락에는 대응하지 않습니다.

4.

영순차 차동 보호

영순위 차동 보호는 변압기 중성점 측에 영순위 전류 변압기를, 변압기 스타 결선 측에 영순위 전류 변압기 회로를 설치하여 구성됩니다. 그림 6과 7은 각각 접지 사고가 보호 구역 외부와 내부에서 발생했을 때의 전류 루프를 보여줍니다. 마찬가지로, 이 보호 장치의 2차 전류는 전자기적 결합 관계가 없으므로 여자 돌입 전류 차단 소자나 과여자 차단 소자가 필요하지 않습니다. 또한 변압기 권선의 접지 사고에 더욱 민감하게 반응합니다. 그러나 영순위 차동 보호는 고전압 및 중전압 측의 내부 접지 사고만 감지할 수 있으며, 권선 간 단락은 보호할 수 없습니다.