계전기 보호에서 변압기 보호 분석

1. 변압기의 일반적인 고장 및 이상 현상

변압기 고장은 내부 고장과 외부 고장으로 나눌 수 있습니다.

내부 고장은 케이스 내부에서 발생하는 고장을 말하며, 여기에는 권선의 상간 단락 고장, 단상 권선의 권선간 단락 고장, 권선과 철심 사이의 단락 고장, 권선 단선 고장 등이 포함됩니다.

외부 고장은 변압기 외부 리드선 간의 다양한 상간 단락 고장과 리드선의 절연 부싱이 박스 쉘을 통해 섬락될 때 발생하는 단상 접지 고장을 의미합니다.

변압기 고장은 매우 위험합니다. 특히 내부 고장이 발생할 경우, 단락 전류로 인해 발생하는 고온 아크는 변압기 권선의 절연체와 철심을 태워 없앨 뿐만 아니라 변압기 오일을 분해하여 다량의 가스를 발생시키고, 변압기 외피의 변형이나 폭발까지 초래할 수 있습니다. 따라서 변압기 고장 시에는 반드시 전원을 차단해야 합니다.

변압기의 비정상 작동 상태는 주로 과부하, 오일 레벨 저하, 외부 단락으로 인한 과전류, 운전 중 변압기 오일 온도 상승, 권선 온도 상승, 변압기 압력 상승 및 냉각 시스템 고장 등을 포함합니다. 변압기가 비정상 작동 상태에 있을 경우 경보 신호를 발생시켜야 합니다.

2. 변압기 보호 장치 구성

단락 고장에 대한 주요 보호 장치: 주로 종방향 차동 보호, 중가스 보호 등.

단락 고장 백업 보호: 주로 복합 전압 차단 과전류 보호, 영순위(방향) 과전류 보호, 저임피던스 보호 등이 있습니다.

비정상 작동 보호: 주로 과부하 보호, 과여자 보호, 경질 가스 보호, 중성점 간극 보호, 온도, 오일 레벨 및 냉각 시스템 고장 보호 등을 포함합니다.

3. 비전기적 보호

변압기 보호는 오일, 가스, 변압기 온도와 같은 비전기적 요소를 이용하는 비전기적 보호 방식입니다. 주요 보호 방식에는 가스 보호, 압력 보호, 온도 보호, 오일 레벨 보호, 냉각기 완전 정지 보호 등이 있습니다. 비전기적 보호 방식은 현장 상황에 따라 트립 또는 경보를 발령하여 변압기를 보호합니다.

(1) 가스 보호

변압기 내부에 고장이 발생하면 단락 전류와 단락 지점에서의 아크 작용으로 인해 변압기 내부에서 다량의 가스가 발생하고 변압기 오일의 유속이 가속됩니다. 이러한 가스와 오일의 흐름을 이용한 보호 방식을 가스 보호라고 합니다.

경가스 보호: 변압기 내부에 경미한 고장이나 이상이 발생하면 고장 지점이 부분적으로 과열되어 오일의 일부가 팽창하고 오일 속의 가스가 기포를 형성하여 가스 릴레이로 유입됩니다. 그러면 경가스 보호 장치가 작동하여 경가스 신호를 발생시킵니다.

중가스 보호: 변압기 오일 탱크에 심각한 고장이 발생하면, 고장 전류가 커지고 아크가 발생하여 다량의 변압기 오일이 분해되면서 다량의 가스와 오일이 유출됩니다. 충격 방지 장치가 작동하여 중가스 계전기 보호 장치를 작동시키고, 중가스 신호를 보내 출구를 차단합니다. 변압기를 제거하십시오.

중가스 보호는 유입 탱크 내부 고장에 대한 주요 보호 장치이며, 변압기 내부의 다양한 고장을 감지할 수 있습니다. 변압기 내부에 소수의 권선 간 단락이 발생할 경우, 고장 전류는 크더라도 차동 보호 장치에 발생하는 차동 전류는 크지 않아 차동 보호 장치가 작동하지 않을 수 있습니다. 따라서 변압기 내부 고장의 경우, 중가스 보호 장치를 이용하여 고장을 제거해야 합니다.

(2) 압력 보호

압력 보호는 변압기 탱크 내부 고장에 대한 주요 보호 장치이기도 합니다. 변압기 오일의 압력 변화에 대응하기 위해 압력 방출 및 압력 급변 보호 장치가 포함되어 있습니다.

(3) 온도 및 오일 레벨 보호

변압기의 온도가 경고값에 도달하면 온도 보호 장치가 경보 신호를 보내고 대기 냉각기를 작동시킵니다.

변압기 오일이 누출되거나 다른 이유로 오일 수위가 낮아지면 오일 수위 보호 장치가 작동하여 경보 신호를 보냅니다.

(4) 쿨러 완전 정지 보호

변압기 냉각기가 작동 중 완전히 정지하면 변압기 온도가 상승합니다. 이를 즉시 조치하지 않으면 변압기 권선의 절연이 손상될 수 있습니다. 따라서 변압기 작동 중 냉각기가 완전히 정지하면 보호 장치가 경보 신호를 보내고 일정 시간 지연 후 변압기의 전원을 차단합니다.

4. 차동 보호

변압기 차동 보호는 변압기의 전기량을 보호하는 주요 장치이며, 보호 범위는 양쪽의 전류 변압기로 둘러싸인 영역입니다. 이 범위 내에서 상간 단락이나 권선 간 단락과 같은 고장이 발생하면 차동 보호 장치가 작동해야 합니다.

변압기 차동 보호 원리에 대해서는 이전에 자세히 다룬 바 있으니, 필요하신 분들은 이전 기록 6, 7, 8편을 참고하시기 바랍니다. 여기서는 자세히 설명하지 않고, 여자 돌입 전류에 대한 몇 가지 개념만 간단히 덧붙이겠습니다.

(1) 변압기 여자 돌입 전류

변압기를 공중에서 낙하시킬 때 발생하는 여자 전류를 여자 돌입 전류라고 합니다. 돌입 전류의 크기는 변압기 구조, 개폐각, 용량, 개폐 전 잔류 자성 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 측정 결과, 변압기를 공중에서 낙하시킬 때 철심 포화로 인해 여자 돌입 전류가 매우 커지는데, 일반적으로 정격 전류의 2~6배이며 최대 8배 이상에 달할 수 있습니다. 여자 돌입 전류는 변압기의 충전측으로만 흐르기 때문에 차동 회로에 큰 차동 전류가 발생하여 차동 보호 장치가 오작동하게 됩니다.

여자 돌입 전류는 다음과 같은 특징을 갖는다. a. 돌입 전류의 값이 매우 크고 뚜렷한 비주기적 성분을 포함한다. b. 파형이 뾰족하고 간헐적이다. c. 특히 2차 고조파 성분을 비롯한 고차 고조파 성분이 뚜렷하게 나타난다. d. 여자 돌입 전류는 감쇠된다.

상기 돌입 전류의 특성에 따라, 돌입 전류로 인한 변압기 차동 보호 장치의 오작동을 방지하기 위해 본 프로젝트에서는 높은 2차 고조파 함량, 비대칭 파형, 그리고 큰 파형 불연속 각도라는 세 가지 원칙을 적용하여 차동 보호 장치의 차단을 구현합니다.

(2) 제2고조파 제동 원리

2차 고조파 제동의 핵심은 차동 전류의 2차 고조파 성분을 이용하여 해당 차동 전류가 고장 전류인지 여자 돌입 전류인지를 판단하는 것입니다. 2차 고조파 성분과 기본파 성분의 비율이 특정 값(일반적으로 20%)보다 크면 해당 차동 전류가 여자 돌입 전류에 의한 것으로 판단하여 차동 보호를 차단합니다.

따라서 2차 고조파 제동비가 클수록 기본파에 포함된 2차 고조파 전류가 더 많이 허용되어 제동 효과가 떨어집니다.

(3) 차동 급속 제동 보호

변압기 내부에 심각한 고장이 발생하여 큰 고장 전류로 인해 변류기가 포화되면, 변류기의 2차 전류에도 다량의 고조파 성분이 포함됩니다. 위 설명과 같이, 이는 2차 고조파 제동으로 인한 차동 보호 기능을 유발하여 차단 또는 지연 동작을 초래할 수 있습니다. 이로 인해 변압기가 심각하게 손상될 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 차동 급속 차단 보호가 설치됩니다.

차동 급속 차단 소자는 실제로 종방향 차동 보호를 위한 고값 차동 소자입니다. 일반적인 차동 소자와 달리 차동 전류의 실효값을 반영합니다. 차동 전류의 파형이나 고조파 성분의 크기에 관계없이, 차동 전류의 실효값이 차동 급속 차단 소자의 설정값(일반적으로 차동 보호 설정값보다 높음)을 초과하면 즉시 여자 없이 변압기를 차단합니다. 돌입 전류 등의 차단 기준도 적용됩니다.

다음은 변압기의 백업 보호 장치에 대한 설명입니다.

변압기에는 다양한 종류의 백업 보호 구성이 있습니다. 본 문서에서는 주로 복합 전압 차단 과전류 보호와 접지 보호라는 두 가지 유형의 백업 보호에 대해 소개합니다.

1. 복합 압력 잠금 장치에 대한 과전류 보호

복합 전압 차단 과전류 보호는 대형 및 중형 변압기의 상간 단락 고장에 대한 백업 보호 장치입니다. 과전류 보호 기능이 감도 요구 사항을 충족하지 못하는 승압 변압기, 시스템 접촉 변압기 및 강압 변압기에 적합합니다. 역상 전압과 저전압으로 구성된 복합 전압은 보호 범위 내의 다양한 고장을 반영할 수 있으므로 과전류 보호 설정값을 낮추고 감도를 향상시킵니다.

복합 전압 과전류 보호는 복합 전압 요소, 과전류 요소 및 시간 요소로 구성됩니다. 보호 장치의 입력 전류는 변압기 자체 측의 변류기(CT)의 2차 3상 전류이고, 입력 전압은 변압기 자체 측 또는 타측의 변류기(PT)의 2차 3상 전압입니다. 마이크로컴퓨터 기반 보호의 경우, 소프트웨어를 통해 이 측의 전압을 타측에 공급할 수 있으므로, 어느 한쪽의 변류기가 정비 중이더라도 모든 측의 과전류 보호 기능을 계속 사용할 수 있습니다. 동작 논리는 아래 그림에 나와 있습니다.

2. 변압기의 접지 보호

대형 및 중형 변압기의 접지 단락 고장에 대한 백업 보호에는 일반적으로 영순위 과전류 보호, 영순위 과전압 보호, 간극 보호 등이 포함됩니다. 다음은 중성점 접지 방식의 세 가지 유형을 기준으로 한 간략한 소개입니다.

(1) 중성점은 직접 접지됩니다.

중성점이 직접 접지된 110kV 이상의 변압기의 경우, 대전류 접지 시스템 측에 접지 사고에 대응하는 영상 전류 보호 장치를 설치해야 합니다. 고압측과 중압측 모두 직접 접지된 변압기의 경우, 영상 전류 보호 장치는 방향성을 가져야 하며, 그 방향은 각 측의 모선 방향을 향해야 합니다.

영순위 전류 보호의 원리는 선로 영순위 보호와 유사하며, 30호를 참조하십시오. 영순위 전류는 중성점 변류기의 2차 전류에서 가져오거나, 측 변류기의 2차 3상 전류에서 자체적으로 생성할 수 있습니다. 방향 제어 소자에 연결되는 영순위 전압은 측 변류기의 개방 삼각 전압에서 가져오거나, 측 변류기의 2차 3상 전압에서 자체적으로 생성할 수 있습니다. 마이크로컴퓨터 보호 장치에서는 주로 자체 생성 방식을 채택합니다.

대형 3권선 변압기의 경우, 3단 영순위 전류 보호 방식을 사용할 수 있습니다. 이 중 1단과 2단은 방향성이 있고, 3단은 방향성이 없습니다. 각 단에는 일반적으로 두 단계의 지연 시간이 있으며, 짧은 지연 시간(버스 커플러 또는 변압기 주측 스위치를 점프)을 통해 고장 범위를 좁히고, 긴 지연 시간(3측 스위치를 점프)을 통해 변압기를 차단합니다. 구체적인 보호 구성은 실제 상황에 따라 결정됩니다.

그림에서와 같이, 영순위 방향 전류 보호의 I 또는 II 구간이 동작한 후, 먼저 짧은 지연 시간 t1 또는 t3 후에 해당 측의 버스 커플러 또는 스위치를 점프시켜 고장 범위를 줄입니다. 고장이 여전히 남아 있는 경우, 더 긴 지연 시간 t2 또는 t4 후에 3측 스위치를 점프시켜 변압기를 차단합니다. III 구간은 방향성이 없으므로, 지연 후 변압기를 직접 차단합니다.

(2) 중성점은 접지되지 않았습니다.

영순위 전류는 변압기의 중성점을 통과하여 영순위 회로를 형성합니다. 그러나 모든 변압기의 중성점이 접지되면 접지점에서의 단락 전류가 각 변압기로 우회되어 영순위 과전류 보호의 감도가 저하됩니다. 따라서 영순위 전류를 특정 범위 내로 제한하기 위해 중성점을 접지하여 운전하는 변압기의 수에 대한 규정이 있습니다.

접지 없이 작동하는 변압기의 경우, 접지 사고 발생 시 고장 지점에서 발생하는 갭 아크로 인한 과전압 손상을 방지하기 위해 영순위 전압 보호 장치를 구성해야 합니다.

완전절연변압기의 중성점 절연 수준이 높기 때문에 시스템에 접지 사고가 발생하면, 먼저 영순위 전류 보호 장치가 중성점을 접지한 상태로 변압기를 차단합니다. 그래도 사고가 계속되면 영순위 전압 보호 장치가 작동하여 변압기를 접지하지 않고 중성점을 차단합니다.

(3) 중성점은 방전 간극을 통해 접지됩니다.

초고전압 변압기는 모두 반절연 변압기이며, 중성점 코일과 접지 사이의 절연은 다른 부분보다 약합니다. 중성점 절연은 파손되기 쉬우므로 간극 보호 장치를 설치해야 합니다.

간극 보호의 기능은 중성점 비접지 변압기의 중성점 절연 안전을 보호하는 것입니다.

그림과 같이 변압기의 중성점과 접지 사이에 절연 파괴 간격을 설치하십시오. 접지 차단 스위치를 닫으면 변압기가 직접 접지되어 영순위 과전류 보호가 작동합니다. 접지 차단 스위치를 해제하면 변압기가 절연 파괴 간격을 통해 접지되어 절연 파괴 보호가 작동합니다.

갭 보호는 변압기의 중성점을 통해 흐르는 갭 전류 3I0과 모선 PT 개방 삼각 전압 3U0을 기준으로 구현됩니다.

중성점 고장으로 인해 중성점 전압이 상승하면 절연 파괴가 발생하고 큰 절연 간극 전류 3I0이 발생합니다. 이때 절연 간극 보호가 작동하여 지연 후 변압기가 차단됩니다. 또한, 시스템에서 접지 고장이 발생하면 중성점 접지 변압기의 영순위 보호가 작동하여 중성점 접지 변압기가 먼저 차단됩니다. 시스템의 접지가 끊어진 후에도 고장이 계속되면 모선 PT의 개방 삼각 전압 3U0이 매우 커지게 되며, 이때에도 절연 간극 보호가 작동합니다.