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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 71, No. 8, p.1182-1192

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 18 May 2022Revised : 19 July 2022Accepted : 22 July 2022

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2022.71.8.1182

Development of Algorithm for the Protection Coordination Operation of Ratio Difference Relay for Transformer Protection

변압기 비율차동계전기의 보호협조 운용방안에 대한 알고리즘 개발

박양권 (Yang-Kwon Park) ¹iD 어익수 (Ik-Soo Eo) ^†iD

(Dept. of Electrical and Electronics Engineering, honam University, korea )

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical and Electronics Engineering, honam University, korea.

E-mail : iseo@honam.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

Recently, most electrical system failures are difficult to identify with the naked eye due to the trend of cutting-edge and mass capacity of electrical facilities, and the failure section is determined through the operation of the protective relay. In addition, the protection range of the protective relay is wide, and many hours, manpower and costs are involved in the identification of the correct fault site, and electrical safety is a problem. Therefore, in this paper, as a digital ratio differential relay of a power transformer, malfunction cases and occurrence mechanisms of RDR(Ratio Differential Relay), an electrical protection device installed as an automatic shut off device in the event of a transformer internal failure, are analyzed, and the ratio We propose an algorithm for preventing malfunction of differential relay. As a result of analyzing the malfunction characteristics of the ratio differential relay based on the implementation of the proposed algorithm and test device, when the ratio differential relay is operated according to the proposed algorithm, it is possible to prevent malfunction without separate wiring and changing the CT(Current Transformer) installation location. Therefore, it was possible to confirm that the algorithm presented in this paper is useful.

Key words

RDR, CT, Electrical Safety, Internal Failure, PLC, Power Transformer

1. 서 론

최근, 전력계통은 경제성장과 생활수준의 향상에 따른 지속적인 전력수요 증가로 발전소부터 부하 밀집지역까지 대용량의 전력을 안정적으로 공급을 위한 신뢰성과 안전성이 요구된다. 따라서, 전력계통의 이상상태를 신속하게 감지하고, 이를 해소하여 기기의 손상방지, 인축에 대한 위해 발생억제, 전력공급의 안정화 도모 등을 위하여 보호협조가 필요하다 ⁽¹⁾. 또한, 안정적인 전력공급은 도발적인 정지에 의한 경제적손실과 사회적 혼란 등을 초래하게 된다 ⁽²⁾. 여기서, 전기설비의 핵심설비인 변압기는 한국전기설비규정(KEC, Korea Electro- technical Code)에 의한 특고압용 변압기의 보호장치 시설에서 변압기 내부에 고장이 생겼을 경우 보호장치를 시설하여야하며 뱅크용량 10,000kVA 이상에는 내부 고장시 자동차단장치를 채용하지만, 규정에 따라 시설하여도 실제 사용 중 계전기가 동작하지 않아야 할 경우에 동작하는 오동작 사례가 빈번히 발생하고 있다. 이로 인해 원하지 않는 정전사고가 발생하고 있어 이에 대한 대책으로 관심이 집중되고 있다. 또한, 일반적인 RDR의 동작원리, 조작 및 정정방법 등의 자료는 존재하지만, RDR의 오동작에 대한 원인분석 및 대책에 관한 선행연구나 운용 가이드는 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 특고압용 변압기의 보호장치로 변압기 내부 고장시 자동차단장치로 설치되는 전기적 보호장치의 RDR의 오동작 사례와 발생 메커니즘을 분석하고, 오동작 방지 알고리즘을 제안한다. 또한 RDR의 오동작 특성을 검증하기 위하여 논리연산제어제장치(PLC, Programmable Logic Controller) S/W를 이용하여, RDR의 운용특성 모델링을 제시하고, 이를 바탕으로 동일한 구성의 RDR 특성시험장치를 구현한다. 상기의 모델링과 시험장치를 이용하여, 별도의 배선결선 및 CT의 설치 위치 변경 없이도, 시뮬레이션 및 시험장치 모두 오동작을 방지할 수 있어, 본 논문에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.

2. RDR의 오동작 메커니즘 및 방지 알고리즘

2.1 RDR의 오동작 메커니즘 분석

일반적으로, 전력계통의 변압기 내부사고의 주보호는 RDR이 하고, 후비보호는 1차, 2차측 단락은 과전류(OCR, 51), 지락은 지락과전류(OCGR, 51G) 계전기 등이 있다. RDR은 두 개의 전류나 전압의 위상차 또는 다른 크기의 차이가 갖는 비율을 이용하여 보호요소로 전기신호의 벡터 합과 스칼라 합을 이용한다.

RDR는 전압형과 전류형으로 나눌 수 있으며 일반적으로 전류형은 발전소 전력설비 등 주보호 요소로 사용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 발전소 전기설비를 보호하기 위한 RDR 명칭을 미국국가표준학회(ANSI, American National Standards Institute)의 규격명칭인 87로 표기하였으며 보호하는 설비에 따라 명칭을 부여하였다 ⁽³⁾. RDR은 변압기 내부사고시 발생하는 1차, 2차전류를 검출하여 보호구간 내로 유입되는 유입전류와 유출되는 유출전류의 벡터 차와 출입하는 전류와의 관계비로 동작되는 것이다 ⁽⁴⁾. 변압기(87T), 발전기(87G), 모선(87B), 전동기(87M) 보호에 사용되고 있으며 보호장치의 원리, 구조는 각기 다르지만 계전기의 기본동작은 억제요소와 동작요소를 하나의 가동부에 주는 형태로 구성된다. 디지털형 보호계전기의 동작은 입력 값을 디지털로 변환하여 설정 값과 비교 후 디지털 연산을 통해 동작여부를 판단하고 외부로 출력시키는 계전기로 변압기 결선이나 상차각에 관계없이 CT를 모두 Y-Y로 결선하고 변압기 각 권선의 정격전압, 결선방식, 각변위(Angular displacement) 등을 계전기에 설정하면 내부에서 소프트웨어적으로 CT 미스매칭(Mismatch)과 각변위에 의해 발생되는 오차를 보상한다. 이를 통해 정상부하시에는 차전류가 거의 없는 상태로 운전할 수 있으므로 최소한의 사고에 대해서도 고속도로 동작하여 사고파급을 신속히 차단된다. 그림 1은 변압기 1차와 2차측에 CT를 설치하여 변압기 1차측 내부 고장시 RDR의 동작범위를 나타낸다.

그림 1 RDR의 동작범위

Fig. 1 Operation zone of RDR

따라서, 산업현장에서 CT 결선 및 설치방향을 혼동하거나 디지털형 보호계전기의 설정 시 전기설비부문의 1차 전압, 2차 전압, 1차 CT비, 2차 CT비, 각변위, 공동설정 부문, 순시 및 한시 차전류, 기울기 1, 기울기 2, 변곡점(Knee point), 영상분 전류제거, 제2고조파 억제사용여부, 제2고조파 비율 등 설정시 오류가 발생한다. 또한 오정정, 오결선에 의하여 변압기 각변위 Ydl을 Yd11로 정정하거나 또는 Yd11을 Yd1로 정정하였을 때 당연하게 0°의 위상차가 60°의 위상차가 되고 이로 인해 차전류가 발생, 변압기 설치 1차, 2차 CT결선 및 설치 방향(K-L, L-K)에 따른 것과 변압기 변압비, 변압기 위상각, CT 1차 및 2차 정격비 정보입력 등에 의하여 RDR의 오동작하는 원인으로 보고되고 있다. 그림 2는 RDR이 설치된 경우의 회로 구성을 나타낸 것으로 변압기가 정상이고 전류가 변압기 1차와 2차 사이에 흐를 경우이며 표시는 변압기로부터 흐르는 전류이고 표시는 CT 2차전류의 흐름을 나타낸 것이다. 변압기 권선의 층간단락, 선간단락, 지락 등 내부에서 일어는 치명적인 고장을 신속히 차단하고, 고장발생시 전류의 흐름은 사고 지점을 중심으로 반대 방향으로 흐르게 된다.

그림 2 RDR의 전류 흐름

Fig. 2 Current flow in RDR

2.2 RDR의 오동작 방지 특성곡선 및 알고리즘

RDR의 동작특성과 알고리즘 및 시퀀스 조합을 활용하여 전력계통 고장발생 시 고장구간의 범위를 세분화하여 사고전류 메커니즘에 따라 외부사고에는 동작하지 않고 내부 사고에만 RDR이 동작하도록 적정하게 운용하는 동작특성곡선은 좌표형식으로 Y측은 차전류로 $I_{d}=\left |\dot I_{1}+\dot I_{2}\right |$, X측은 억제전류로 $I_{r}=\left | I_{1}\right | +\left | I_{2}\right |$, Y축과 X축 사이의 기울기 $Slpoe 1(a_{1})$, $Slpoe 2(a_{2})$에 의하여 동작영역이 구분되며, 구간별 동작 유·무 확인을 위한 좌표 형식을 활용한 포인트 지점 P1$(x_{1},\: y_{1})$, P2$(x_{2},\: y_{2})$, P3$(x_{3},\: y_{3})$ 선정, 기울기 $Slpoe 1(a_{1})$과 $Slpoe 2(a_{2})$의 경계점$(Knee)$을 나타냅니다. 특성곡선상의 실선은 보호계전기 동작 특성곡선을 나타내며 점선과 파선과 1점 쇄선은 변압기 보호협조 운용방안의 개선된 동작특성곡선을 나타내면 그림 3과 같고 알고리즘으로 나타내면 그림 4와 같다.

그림 3 보호협조 운용방안의 개선된 보호계전기 동작 특성곡선

Fig. 3 Improved protection relay operation characteristic curve of protection coordination operation plan

그림 4 오동작 방지를 위한 개선된 알고리즘

Fig. 4 Improved Algorithm to Prevent Malfunctions

[STEP 1] 대용량 전기설비의 RDR가 설치된 배전계통의 단선 결선도를 검토, RDR의 변압비, CT비, 각변위, 용량을 확인한다.

[STEP 2] CT의 결선 방향을 확인한다. 여기서, CT의 결선 방향(K-L)은 계통전원측에서 부하측으로 향하여 변압기를 중심 1차측과 2차측 또는 1차측과 3차측 CT의 방향을 정방향으로 상정하고 CT의 결선방향(L-K)은 부하측에서 계통전원측으로 향하여 변압기를 중심 1차측과 2차측 또는 1차와 3차측 CT의 역방향으로 상정한다.

[STEP 3] 변압기의 1차측 및 2차측 정격전류($I_{N}$), CT 여유율 계산하며 계산 시에는 일반부하 1.25∼1.5배수, 동력 및 유도부하 2∼2.5배수를 반영한다.

[STEP 4] CT 선정에 따른 1차 CT, 2차 CT, 3차 CT의 2차전류 확인한다. 또한 변압기 결선 방식, 각변위를 확인한다.

[STEP 5] CT 비율오차, CT부정합률, 변압기 탭체인저 변경오차, 여유율 등 감안한 계전기를 동작시키기 위한 최소 차전류는 1차 CT의 2차측 한시 차전류(Low set, $I_{d1}>$)의 최소동작전류에 대하여, 동작범위를 설정한다. 2차 CT는 보정계수(K) 고려하여 식 (1)에 대입하여 2차 CT의 2차측 한시 차전류(Low set, $I_{d2}>$)의 최소동작전류에 대하여 동작범위를 설정한다. 또한, 1차 CT와 3차 CT의 경우에도 3차 CT 보정계수(K) 고려하여 식 (2)에 대입하여 최소동작전류의 범위도 동일한 방법으로 설정한다.

(1)

\begin{align} CT 2차측 I_{d}>(한시차전류)= 0.3I_{N}\\ 1차와 2차를 보정(K)\\ K(보정계수)=\dfrac{2차 전압\times 2차 CT비}{1차 전압\times 1차 CT비}\\ CT 2차측 한시차전류 =\dfrac{CT 1차측 한시차전류}{K} \end{align}

(2)

\begin{align} CT 3차측 I_{d}>(한시차전류)= 0.3I_{N}\\ 1차와 3차를 보정(K)\\ K(보정계수)=\dfrac{3차 전압\times 3차 CT비}{1차 전압\times 1차 CT비}\\ CT 3차측 한시차전류 =\dfrac{CT 1차측 한시차전류}{K} \end{align}

[STEP 6] 각 상의 RDR의 정정치인 최소동작전류의 부동작 영역에서의 설정 값에 1단계 85%, 2단계 90% 구간 범위에 포함되는가를 판단한다. 이때 경보 기능의 경보음과 표시등(LED 1, LED 2) 발광을 추가하여 보안 관리자, 사용자 및 전기안전관리자, 유지 보수자에 현장과 중앙감시실 또는 이동용 휴대전화를 활용하여 경보를 발한다. 각 구간별 경보 및 LED 부동작인 경우 [STEP 7]로 진행하고, 동작하는 경우 [STEP 2]로 이동하여 CT 교체 및 결선상태를 확인한다.

[STEP 7] 각 단계별 최소동작전류 대하여, 동작범위에 포함되는가를 판단한다. 만약, 포함될 경우 정정치 이상이 될 경우 [STEP 8]로 진행하고, 포함되지 않을 경우 [STEP 4]로 이동하여 전류 재설정 및 결선상태를 확인한다.

[STEP 8] 변압기의 1차측 및 2차측의 큰 차전류에 대해 억제전류크기와 상관없이 동작을 정정하는 순시동작전류인 순시차전류(High set, $I_{d}\gg$)는 식 (3)을 대입하여 전류를 계산하고 설정한다.

(3)

$I_{d}\gg(순시 차전류)= 10 I_{N}$

[STEP 9] 큰 차전류에 대해 억제전류 크기와 상관없이 동작 및 여자돌입전류에 동작하지 않도록 하여 순시차 전류(High set, $I_{d}\gg$)에 대하여 동작범위에 포함되는가를 판단한다. 만약, 포함될 경우[STEP 10]로 진행하고, 포함되지 않을 경우 [STEP 8]로 이동하여 전류를 확인한다.

[STEP 10] 변압기 1차와 2차의 동작전류인 차전류($I_{d}$)와 CT 성능차에 의한 오동작을 방지하고 RDR의 안전성을 향상시키는 역할과 억제전류($I_{r}$)의 관계에서 구간별 동작 유·무 확인을 위한 좌표 형식을 활용한 포인트 지점 P1$(x_{1},\: y_{1})$, P2$(x_{2},\: y_{2})$, P3$(x_{3},\: y_{3})$ 선정, 기울기 비율특성 Slope 1은 변압기 과부하 및 말단사고에 오동작하지 않도록 정정, Slope 2는 변곡점 이상의 억제전류가 흘렸을 때 동작영역(Operation zone)으로 식 (4), 식 (5)에 대입하여 전류를 계산하고 식 (6)에 의하여 Y축과 X축 사이의 기울기인 Slope 1과 Slope 2의 경계점인 변곡점(Knee)을 설정한다. 변압기 1차와 3차의 차전류($I_{d}$)와 억제전류($I_{r}$) 기울기 비율특성(Slope 1, Slope 2)은 식 (7), 식 (8)에 대입하여 전류를 계산하여 설정한다.

(4)

\begin{align} 1차와 2차간 동작 기울기 1(a_{1})\\ 40\%=\dfrac{I_{d}}{I_{r}}=\dfrac{I_{1}-k I_{2}=y_{1}}{I_{1}+k I_{2}=x_{1}}\\ P_{1}점\Rightarrow y_{1}= a_{1}x_{1},\: b 점\Rightarrow y_{1}= y_{2}\Rightarrow a_{1}x_{1}= a_{2}x_{2}+ b\\ P_{2}점\Rightarrow y_{2}= a_{2}x_{2}+b \end{align}

(5)

\begin{align} 1차와 3차간 동작 기울기 1(a_{1})\\ 40\%=\dfrac{I_{d}}{I_{r}}=\dfrac{I_{1}-k I_{3}=y_{1}}{I_{1}+k I_{3}=x_{1}}\\ P_{1}점\Rightarrow y_{1}= a_{1}x_{1},\: b 점\Rightarrow y_{1}= y_{2}\Rightarrow a_{1}x_{1}=a_{2}x_{2}+b\\ P_{2}점\Rightarrow y_{2}= a_{2}x_{2}+b \end{align}

(6)

\begin{align} 변곡점(Knee p\oint)은 동작기울기1(a_{1}),\: \\ 동작기울기 2(a_{2})교차점(P_{2})\\ P_{2}점\Rightarrow y_{2}= a_{2}x_{2}+ b \end{align}

(7)

\begin{align} 1차와 2차간의 동작 기울기 2(a_{2})\\ 80\%=\dfrac{I_{d}}{I_{r}}=\dfrac{I_{1}-k I_{2}=y_{3}}{I_{1}+k I_{2}=x_{3}},\: P_{3}점\Rightarrow y_{3}=a_{2}x_{3}+ b \end{align}

(8)

\begin{align} 1차와 3차간 동작 기울기 2(a_{2})\\ 80\%=\dfrac{I_{d}}{I_{r}}=\dfrac{I_{1}-k I_{3}=y_{3}}{I_{1}+k I_{3}=x_{3}},\: P_{3}점\Rightarrow y_{3}=a_{2}x_{3}+ b \end{align}

[STEP 11] 각 상의 RDR의 정정치인 최소동작전류는 변압기 각변위 기준하여 위상을 설정하고, 부동작 영역(Restraining zone)에서의 설정 값에 1단계 85%, 2단계 90% 구간 범위에 포함되는가를 판단한다. 이때 경보 기능의 경보발생장치와 점등표시장치(LED 1, LED 2) 발광을 추가하여 보안 관리자, 사용자 및 전기안전관리자, 유지 보수자에 현장과 중앙감시실에 경보를 발한다. 각 구간별 경보발생장치 및 동작표시장치 부동작인 경우 [STEP 12]로 진행하고, 동작하는 경우 [STEP 2]로 이동하여 CT 교체 및 결선상태를 확인한다.

[STEP 12] RDR의 정정치인 최소동작전류, 순시차 전류, 기울기 비율특성 1, 변곡점, 기울기 비율특성 2를 상정한다. 이 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다.

[STEP 13] 각 상의 RDR 정정치인 최소동작전류, 순시차전류, 동작 기울기 1, 변곡점, 동작 기울기 2에 대하여 정정치 이상이 될 경우, 사고로 판단하여 보호계전기가 동작시킨다.

[STEP 14] 최소동작전류, 순시차전류에 대하여 차단기 연동시험을 통해 정정치 이상이 될 경우, 사고로 판단하여 보호장치를 동작하는 경우 [STEP 15]를 진행하고, 부동작하는 경우 일정시간 후 재시험을 실시한다.

[STEP 15] 동작 기울기 1, 변곡점, 동작 기울기 2에 대하여 차단기 연동시험을 통해 정정치 이상이 될 경우, 사고로 판단하여 보호장치를 동작하는 경우 [STEP 16]을 진행하고, 부동작하는 경우 일정시간 후 재시험을 실시한다.

[STEP 16] 변압기 투입시 과도한 돌입전류에 비율차동요소가 오동작하지 않도록 하는 기능의 과도돌입전류억제(Transient inrush current inhibit)는 각 상의 고조파 억제전류에 대하여, 식 (9)에 따라 고조파 억제전류를 계산으로 동작범위의 최소동작확인하고 차단기 연동시험을 실시한다.

(9)

\begin{align} F_{2}: 15\% 설정된 경우\\ I_{1}=전류 값A,\: 60H_{Z}기준\\ I_{2}= I_{1}\times 0.15 = 전류 값A,\: 120H_{Z} \end{align}

[STEP 17] CT 결선 방향에 따른 RDR의 오동작을 피하기 위하여, 정방향과 역방향에 대한 설정기준을 명확히 하고, 변압기 내부에서 발생하는 내부사고의 원인인 과부하, 과전압운전, 기계적 결함으로 인한 권선간의 단락, 권선과 철심간의 지락, 고·저압 권선혼촉, 권선 단선, 부싱 불량, 탭 절환장치 고장 등에 정동작한다.

STEP 1~17까지의 절차를 플로우 차트로 나타내면 그림 4와 같다.

3. 논리연산제어장치에 의한 RDR의 특성분석 모델링

입·출력부를 통해 각종 기기를 제어하는 PLC를 이용하여 RDR 오동작 방지 알고리즘의 분석을 위해 트립로직(Trip logic) 및 시퀀스(Sequence)의 기능을 활용하여 로직기능을 사용한다. Trip relay를 포함한 모든 I/O접점과 계전요소의 동작 신호에 대해 사용자가 직접 작성한 Logic에 의해 운영된다. 여기서, 계전요소가 동작되면 이 신호는 PLC의 입력접점으로 전달되어 프로그램에 따라 동작, 계전기간 또는 배전반 간의 인터록 같은 시퀀스도 PLC로 구현한다. PLC 조작 작성을 위해서는 별도의 PLC 운용 프로그램인 XG-5000(XGP 시리즈에 대해서 프로그램을 작성하고 디버깅하는 소프트웨어 툴)을 사용하여 로직을 작성하고 디버깅으로 그림 5와 같이 RDR 보호협조 운용 알고리즘을 PLC 프로그래밍 설계하였다.

그림 5 RDR 보호협조 운용 알고리즘의 PLC 프로그래밍 설계

Fig. 5 PLC programming design of RDR protection coordination operation algorithm

그림 5(a)는 특성 시험장치 중요부분 프로그래밍 설계부문의 래더도(Ladder diagram), 그림 5(b)는 외관도, 그림 5(c)는 전체 시험장치 구성도를 나타낸다. 여기서, 평상시 열린 접점 중 R87T_HA, HB, HC는 순시차 전류, R87T_LA, LB, LC는 한시차 전류, OP_ CONFIRM은 PLC 오동작방지 접점, RDR을 DFR로 표시하며 DFR_OP는 PLC 가상의 자동변수, CB1은 Close, CB2는 Open, 특수릴레이 F는 PLC의 내부 시스템 상태, 펄스 등을 제공하는 내부 접점으로 PLC 이상 체크 및 특수한 기능, T는 Timer로 TON은 시간을 제어(10S) 유지, R87T_A_85, 90은 A, B, C상의 85%, 90% 입력 접점을 나타낸다. DFR_F는 자기유지하고 있는 F접점을 경보발생장치 BZX 경보(10S) 유지, 출력접점 D(Data register)는 수치연산을 위해 내부 데이터를 저장하는 영역으로 데이터의 쓰고 읽기 기능, VD_ LED 1, 2, 3은 동작표시장치로 활용한다 ⁽⁵⁾.

4. RDR의 특성 시험장치 구현

전력계통의 모델링을 위해 특성 시험 장치는 실계통과 동일한 특성을 구현하기 위하여 3권선 변압기 Y0y0d1(1차 결선 Y, 2차 Y, 3차△)을 설정하고 전원부, 보호장치부, 전류발생용 계전기 시험기로 구성한다. 여기서 그림 6(a)은 전체 시험장치 구성도, 그림 6(b)은 외관도, 그림 6(c)은 회로 구성도를 나타낸다.

그림 6 RDR 특성시험장치의 구성도

Fig. 6 Configuration diagram of RDR characteristic test device

5. 시뮬레이션 결과 및 분석

5.1 시뮬레이션 및 특성시험 조건

본 논문에서는 RDR의 오동작 특성을 분석하기 위하여, 하기의 표 1과 같이 시뮬레이션 및 특성시험 조건을 상정하였고, 시험조건에 따라 그림 7과 같이 다기능 디지털 전력보호감시장치의 보호계전요소 설정 메뉴를 통해 파라미터 값을 설정한다.

그림 7은 다기능 디지털 보호계전기 보호요소로서 공통설정 및 보호요소 선택 메뉴와 계전기의 중요한 이벤트 확인, 벡터 다이어그램은 계통의 전압, 전류, 위상에 대한 벡터 다이어그램(Vector diagram)을 표시하고 전기량을 도식화하여 확인함으로써 계통의 상태를 쉽게 파악할 수 있다.

그림 7 다기능 디지털 보호계전기의 설정 메뉴

Fig. 7 Setting menu of multifunction digital protection relay

표 1 시뮬레이션 및 특성시험 조건

Table 1 Characteristics of simulation and test conditions

Division	Items	Setting values
Transformer	Winding	3-Winding
	Primary rating[V]	154,000
	Secondary rating[V]	22,900
	Tertiary rating[V]	6,600
	Wiring of 1st and 2nd windings	Yy0
	Wiring of 1st and 3rd windings	Yd1
CT ratio	1st Winding CT[A]	150 / 5
	2nd Winding CT[A]	1,000 / 5
	3rd Winding CT[A]	1,500 / 5
Ratio differential relay(87T)	High set	Use
	Pick-up[A]	40
	Time delay[s]	0.05
	Low set	Use
	Pick-up[A]	1.25
	Time delay[s]	0.05
Ratio differential relay(87T)	Slope #1 %	40
	Slope #2 %	80
	Knee point[A]	25.0
	Io elimination	Not use

여기서 실제 설정 데이터를 가지고 각 권선별 정격전류는식 (10)과 같이 계산하고 여유율 반영하여 CT를 선정한다.

(10)

\begin{align} I_{1}=\dfrac{30\times 10^{3}}{\sqrt{3}\times 154}=112.47\to 150/5[A]\\ I_{2}=\dfrac{20\times 10^{3}}{\sqrt{3}\times 22.9}=504.25\to 1000/5[A]\\ I_{3}=\dfrac{10\times 10^{3}}{\sqrt{3}\times 6.6}=874.8\to 1500/5[A] \end{align}

변압기 1차 권선과 2차 권선 간의 1차 권선의 한시 차전류(Low set)는 식 (1)을 활용하여 계산, 보호계전기 한시 차전류의 값은 표 2와 같으며 1차 권선의 전류는 $I_{A},\: I_{B},\: I_{C}$ 이며, 2차 권선의 전류는 $I_{a},\: I_{b},\: I_{c}$ 로 나타낸다.

표 2 변압기 1차 권선과 2차 권선의 한시 차전류

Table 2 Low difference current between 1st and 2nd windings of transformer

Items	Phase current	Set current[A]	Angle[°]	Frequency[㎐]
Low set 1	$I_{A}$	1.25	0	60
	$I_{B}$	1.25	-120	60
	$I_{C}$	1.25	120	60
Low set 2	$I_{a}$	1.26	0	60
	$I_{b}$	1.26	-120	60
	$I_{c}$	1.26	120	60

또한 변압기 1차 권선과 3차 권선 간의 한시 차전류는 식 (2)을 활용하여 계산, 보호계전기 한시 차전류의 값은 표 3과 같다.

일정한 전류 이상이 되면 차전류와 억제전류의 비율에 관계없이 순시에 동작하는 순시차 전류는 식 (3)을 활용하면 40A가 된다. 변압기 1차 권선과 2차 권선 간의 기울기 비율특성 (Slope), 변곡점은 Slope 1과 Slope 2가 교차하는 점은 식 (4)과 식 (7)을 활용하여 계산, 보호계전기 비율시험의 값은 표 4와 같다.

표 3 변압기 1차 권선과 3차 권선의 한시 차전류

Table 3 Low difference current between 1st and 3rd windings of transformer

Items	Phase current	Set current[A]	Angle[°]	Frequency[㎐]
Low set 1	$I_{A}$	1.25	0	60
	$I_{B}$	1.25	-120	60
	$I_{C}$	1.25	120	60
Low set 2	$I_{a}$	2.9165	0	60
	$I_{b}$	2.9165	-120	60
	$I_{c}$	2.9165	120	60

표 4 변압기 1-2차 기울기 비율특성(Slope 1, Slope 2)의 설정

Table 4 Setting of transformer 1-2 slope ratio characteristic(Slope 1, Slope 2)

Items	Phase current	Set current[A]	Angle[°]	Frequency[㎐]
Slope 1	$I_{A}$	10.499	0	60
	$I_{B}$	10.499	-120	60
	$I_{C}$	10.499	120	60
	$I_{a}$	4.539	0	60
	$I_{b}$	4.539	-120	60
	$I_{c}$	4.539	120	60
Slope 2	$I_{A}$	26.50	0	60
	$I_{B}$	26.50	-120	60
	$I_{C}$	26.50	120	60
	$I_{a}$	8.574	0	60
	$I_{b}$	8.574	-120	60
	$I_{c}$	8.574	120	60

또한, 변압기 1차 권선과 3차 권선 간의 기울기 비율특성은 식 (5)과 식 (8)을 활용하여 계산, 보호계전기 비율시험의 값은 표 5와 같다.

표 5 변압기 1-3차 기울기 비율특성(Slope 1, Slope 2)의 설정

Table 5 Setting of transformer 1-3 slope ratio characteristic(Slope 1, Slope 2)

Items	Phase current	Set current[A]	Angle[°]	Frequency[㎐]
Slope 1	$I_{A}$	10.499	0	60
	$I_{B}$	10.499	-120	60
	$I_{C}$	10.499	120	60
	$I_{a}$	4.539	-30	60
	$I_{b}$	4.539	-150	60
	$I_{c}$	4.539	90	60
Slope 2	$I_{A}$	26.50	0	60
	$I_{B}$	26.50	-120	60
	$I_{C}$	26.50	120	60
	$I_{a}$	19.832	-30	60
	$I_{b}$	19.832	-150	60
	$I_{c}$	19.832	90	60

5.2 PLC 의한 RDR의 특성결과 및 분석

5.2.1 최소동작 전류에 의한 구간별 동작특성

RDR의 정정치인 최소동작전류(Low set) 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 그림 8은 최소동작 전류 동작을 나타내며 그림 8(a)은 85% 구간으로 RDR을 DFR_F의 자기유지 및 접점 D004 출력동작하고 R87T_A_85, R87T_B_85, R87T_C_85의 85% 입력접점을 통하여 접점 D007, D009, D0011 출력동작으로 정동작, VD_LED 1이 발광한다. 그림 8(b)은 90%구간의 R87T_A_90, R87T_B_90, R87T_C_90의 90% 입력접점을 통하여 접점 D008, D0010, D0012 출력동작으로 정동작, VD_LED 2이 발광, BZX 입력접점을 통해 D004 출력동작으로 경보하여 동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

그림 8 최소동작 전류(Low set) 동작

Fig. 8 Minimum set current operation

5.2.2 기울기 비율특성시험에 의한 구간별 동작특성

비율차동계전기의 정정치인 기울기 비율특성(Slope) 동작전류 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 그림 9는 기울기 비율특성(Slope) 동작을 나타내며 그림 9(a)는 85% 구간의 R87T_A_85, R87T_B_85, R87T_C_85의 85% 입력접점을 통하여 접점 D007, D009, D0011 출력동작으로 정동작, VD_LED 1이 발광한다. 그림 9(b)은 90%구간의 R87T_A_90, R87T_B_90, R87T_C_90의 90% 입력접점을 통하여 접점 D008, D0010, D0012 출력동작으로 정동작으로 VD_LED 2이 발광, BZX 입력접점을 통해 D004 출력동작으로 경보동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

그림 9 기울기 비율특성(Slope set) 동작

Fig. 9 Slope set operation

5.3 특성 시험 장치에 의한 특성결과 및 분석

5.3.1 1차와 2차 권선의 최소동작 전류에 의한 동작특성

PLC 의한 RDR의 특성결과를 바탕으로 분석특성 시험 장치에 의한 1차 권선과 2차 권선의 비율차동계전기 정정치인 최소동작전류(Low set)의 동작전류 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 표 1의 시뮬레이션 및 특성시험 조건을 바탕으로 특성 시험 장치에 의한 분석 결과는 그림 10과 표 6과 같고 정동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

표 6 1차 권선과 2차 권선 최소동작 전류 데이터

Table 6 1st and 2nd Winding minimum operating current data

Items	Winding		Set current[A]	85%	90%
I[A] (Applied current)	A	1st	1.250	1.0625	1.125
	A	2nd	1.260	1.071	1.134
	B	1st	1.250	1.0625	1.125
	B	2nd	1.260	1.071	1.134
	C	1st	1.250	1.0625	1.125
	C	2nd	1.260	1.071	1.134
Id[A] (Differential current)	A	1st	1.251	1.064	1.127
	A	2nd	1.252	1.064	1.127
	B	1st	1.253	1.065	1.129
	B	2nd	1.255	1.067	1.129
	C	1st	1.252	1.064	1.128
	C	2nd	1.252	1.065	1.127
Id[A] (Differential current digital data)	A	1st	1.251	1.064	1.127
	A	2nd	1.253	1.064	1.127
	B	1st	1.253	1.065	1.129
	B	2nd	1.255	1.067	1.129
	C	1st	1.251	1.064	1.128
	C	2nd	1.252	1.065	1.127
Ir[A] (Resistance current digital data)	A	1st	1.251	1.064	1.127
	A	2nd	1.253	1.064	1.127
	B	1st	1.253	1.065	1.129
	B	2nd	1.255	1.067	1.129
	C	1st	1.251	1.064	1.128
	C	2nd	1.252	1.065	1.127

그림 10 1차 권선과 2차 권선 최소동작 전류

Fig. 10 1st and 2nd Winding minimum operating current

5.3.2 1차와 3차 권선의 최소동작 전류에 의한 동작특성

PLC 의한 RDR의 특성결과를 바탕으로 특성 시험장치에 의한 1차 권선과 3차 권선의 비율차동계전기 정정치인 최소동작전류(Low set)의 동작전류 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 여기서 특성 시험 장치에 의한 분석 결과는 그림 11과 표 7과 같고 정동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

그림 11 1차 권선과 3차 권선 최소동작 전류

Fig. 11 1st and 3rd Winding minimum operating current

표 7 1차 권선과 3차 권선 최소동작 전류

Table 7 1st and 3rd Winding minimum operating current

Items	Winding		Set current[A]	85%	90%
I[A] (Applied current)	A	1st	1.250	1.0625	1.125
	A	3rd	2.9165	2.479	2.625
	B	1st	1.250	1.0625	1.125
	B	3rd	2.9165	2.479	2.625
	C	1st	1.250	1.0625	1.125
	C	3rd	2.9165	2.479	2.625
Id[A] (Differential current)	A	1st	1.248	1.064	1.127
	A	3rd	2.9163	2.479	2.624
	B	1st	1.249	1.061	1.124
	B	3rd	2.9164	2.480	2.625
	C	1st	1.248	1.060	1.123
	C	3rd	2.9164	2.478	2.623
Id[A] (Differential current digital data)	A	1st	1.248	1.064	1.127
	A	3rd	2.9163	2.479	2.624
	B	1st	1.249	1.061	1.124
	B	3rd	2.9164	2.480	2.625
	C	1st	1.248	1.060	1.123
	C	3rd	2.9164	2.478	2.623
Ir[A] (Resistance current digital data)	A	1st	1.248	1.064	1.127
	A	3rd	2.9163	2.479	2.624
	B	1st	1.249	1.061	1.124
	B	3rd	2.9164	2.480	2.625
	C	1st	1.248	1.060	1.123
	C	3rd	2.9164	2.478	2.623

5.3.3 1차와 2차 권선 기울기 비율특성시험에 의한 동작특성

PLC 의한 RDR의 특성결과를 바탕으로 특성 시험장치에 의한 1차 권선과 2차 권선의 RDR 정정치인 기울기 비율시험(Slope 1, Slope 2)의 동작전류 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 여기서 특성 시험 장치에 의한 분석 결과는 그림 12와 표 8과 같고 정동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

표 8 1차 권선과 2차 권선 기울기 비율시험(Slope1, Slope 2) 데이터

Table 8 1st and 2nd Winding slope rate test(Slope1, Slope 2) data

Items	Winding		Set current[A]	85%	90%
I[A] (1st applied current)	A	1st	10.50	8.925	9.45
	A	2nd	26.50	22.525	23.85
	B	1st	10.50	8.925	9.45
	B	2nd	26.50	22.525	23.85
	C	1st	10.50	8.925	9.45
	C	2nd	26.50	22.525	23.85
I[A] (2nd applied current)	A	1st	4.539	4.539	4.539
	A	2nd	9.583	9.583	9.583
	B	1st	4.539	4.539	4.539
	B	2nd	9.583	9.583	9.583
	C	1st	4.539	4.539	4.539
	C	2nd	9.583	9.583	9.583
Id[A] (Differential current digital data)	A	1st	1.396	1.102	1.116
	A	2nd	3.776	3.012	3.336
	B	1st	1.395	1.101	1.115
	B	2nd	3.775	3.013	3.334
	C	1st	1.395	1.101	1.115
	C	2nd	3.774	3.012	3.333
Ir[A] (Resistance current digital data)	A	1st	2.999	2.684	2.789
	A	2nd	7.200	6.405	6.670
	B	1st	2.998	2.695	2.790
	B	2nd	7.202	6.404	6.672
	C	1st	2.998	2.694	2.789
	C	2nd	7.201	6.401	6.673

그림 12 특성 시험장치에 의한 기울기 비율시험(Slope 1, Slope 2)

Fig. 12 Slope rate test by the property testing device(Slope 1, Slope 2)

5.3.4 1차와 3차 권선 기울기 비율특성시험에 의한 동작특성

PLC 의한 RDR의 특성결과를 바탕으로 특성 시험장치에 의한 1차 권선과 3차 권선의 RDR 정정치인 기울기 비율시험(Slope 1, Slope 2)의 동작전류 정정치에 의한 보호장치의 동작 곡선은 그림 3에 의하여 결정된다. 여기서 특성 시험장치에 의한 분석 결과는 그림 13과 표 9와 같고 정동작함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 오동작 방지 알고리즘을 바탕으로 설정하면, 별도의 배선결선 및 CT설치 위치 변경 없이도 RDR의 오동작 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있다.

그림 13 특성 시험장치에 의한 기울기 비율시험(Slope 1, Slope 2)

Fig. 13 Slope rate test by the property testing device (Slope 1, Slope 2)

표 9 1차 권선과 3차 권선 기울기 비율시험(Slope1, Slope 2) 데이터

Table 9 1st and 3nd Winding slope rate test (Slope1, Slope 2) data

Items	Winding		Set current[A]	85%	90%
I[A] (1st applied current)	A	1st	10.60	8.924	9.449
	A	3rd	26.50	22.525	23.85
	B	1st	10.60	8.924	9.449
	B	3rd	26.50	22.525	23.85
	C	1st	10.60	8.924	9.449
	C	3rd	26.50	22.525	23.85
I[A] (3rd applied current)	A	1st	10.50	8.925	9.450
	A	3rd	19.832	16.857	17.488
	B	1st	10.50	8.925	9.450
	B	3rd	19.832	16.857	17.488
	C	1st	10.50	8.925	9.450
	C	3rd	19.832	16.857	17.488
Id[A] (Differential current digital data)	A	1st	1.222	0.885	0.989
	A	3rd	3.600	2.805	3.070
	B	1st	1.220	0.886	0.990
	B	3rd	3.602	2.804	3.072
	C	1st	1.221	0.885	0.990
	C	3rd	3.600	2.805	3.069
Ir[A] (Resistance current digital data)	A	1st	3.021	2.685	2.789
	A	3rd	7.001	6.205	6.470
	B	1st	3.021	2.684	2.790
	B	3rd	7.002	6.204	6.471
	C	1st	3.022	2.686	2.789
	C	3rd	6.999	6.205	6.468

6. 결 론

본 논문에서는 RDR의 오동작 발생 메커니즘을 분석하기 위하여 PLC를 통해 RDR을 모델링하고, 이를 바탕으로 시험 장치를 구현하여 특성시험을 수행하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 보호계전기의 설정 시 전기설비부문의 1차 전압, 2차 전압, 3차 전압, 각변위, 1차 CT비, 2차 CT비, 3차 CT비, 공동설정 부문, 순시 및 한시 차전류, 기울기 1, 기울기 2, 변곡점, 영상분 전류제거, 제2고조파 억제사용여부, 제2고조파 비율 등 설정시, CT결선 및 설치방향 혼동 등 설치시 오류에 의한 RDR이 오동작･오부동작 할 수 있는 문제점을 파악하였고, 이를 분석하여 보호협조 운용방안이 개선된 보호계전기 동작 특성곡선을 활용하여 플로우 차트와 알고리즘의 메뉴얼화를 통해 RDR이 오동작･오부동작하지 않도록 사전에 예방할 수 있음을 확인하였다.

(2) RDR의 사용자 입력 오류, 설계자, 시공자 및 감리자, 안전관리자 등 CT위치 선정 및 배선결선 오류 문제점을 해결할 수 있도록 오동작･오부동작 문제점을 해결할 수 있도록 개선된 알고리즘을 제안하였다. 이에 따라, RDR이 변압기 내부 사고에만 정상적으로 동작할 수 있음을 확인하였고 대정전에 대한 경제적, 시간적, 심리적 피해를 최소화하여 전기안전에 만전을 기할 수 있음을 확인하였다.

(3) RDR의 보호협조 운용방안의 개선된 보호계전기 동작 특성곡선과 오동작 방지 알고리즘에 따른 메커니즘을 분석하기 위하여, PLC를 통해 RDR을 모델링하고, 이를 바탕으로 시험 장치를 구현하였다. 또한 보호계전기, 배선, CT 등 조건에 따라 변압기 외부 고장시에도 RDR이 동작됨을 알 수 있었다.

따라서, 본 논문은 현장에서 발생할 수 있는 RDR의 오동작･오부동작을 방지하기 위한 사용자 교육 등의 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

References

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Hyun-soon Ko, 2016, An Algorithm Development for Refining Fault Discrimination in Power Plant Electrical Systems Based on Combined Operation of Percentage Differential Relays, The Graduate School, Hanyang University, G901:A-0005961150, pp. 1

LS electric Training Center, 2014, Digital protection relay practice Ⅴ. transformer protection relay, pp. v-4

Sang-Hee Kang, 2018, A Study on the 2nd Harmonic Blocking Scheme and Setting Value of a Current Differential Relay for 154kV Transformers to Prevent Maloperation, The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 67, No. 1, pp. 29-37

LS electric Training Center, 2018, PLC-XGK Beginner Chapter 2 XGK Overview, pp. 26

저자소개

박양권 (Yang-Kwon Park)

He received his B.S. and M.S. degrees in Control Mea-surement Engineering from Hankyong National University in 2001 and Electrical Engineering from Korea University of Technology and Education in 2020, respectively.

He is currently pursuing the Ph.D. degree at Honam University.

He has been working in Korea Electric Safety Corporation since 2002.

His research interests include operation of electrical safety field, coordination of protection devices and power distribution systems, renewable energy, power quality.

어익수 (Ik-Soo Eo)

He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Department of electrical engineering, Seoul National University of Technology in 1986 and Department of Electrical Engineering, Hanyang University in 1995, respectively.

He is currently pursuing the Department of Computer application engineering, Seoul University of Venture & Information Ph.D.

He is degree at Currently Professor of electrical engineering department at Honam University.

His research interests include in Electrical Facilities, Lighting and design, Heat-sink.

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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변압기 비율차동계전기의 보호협조 운용방안에 대한 알고리즘 개발

Abstract

Key words

1. 서 론

2. RDR의 오동작 메커니즘 및 방지 알고리즘

2.1 RDR의 오동작 메커니즘 분석

2.2 RDR의 오동작 방지 특성곡선 및 알고리즘

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3. 논리연산제어장치에 의한 RDR의 특성분석 모델링

4. RDR의 특성 시험장치 구현

5. 시뮬레이션 결과 및 분석

5.1 시뮬레이션 및 특성시험 조건

(10)

5.2 PLC 의한 RDR의 특성결과 및 분석

5.2.1 최소동작 전류에 의한 구간별 동작특성

5.2.2 기울기 비율특성시험에 의한 구간별 동작특성

5.3 특성 시험 장치에 의한 특성결과 및 분석

5.3.1 1차와 2차 권선의 최소동작 전류에 의한 동작특성

5.3.2 1차와 3차 권선의 최소동작 전류에 의한 동작특성

5.3.3 1차와 2차 권선 기울기 비율특성시험에 의한 동작특성

5.3.4 1차와 3차 권선 기울기 비율특성시험에 의한 동작특성

6. 결 론

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박양권 (Yang-Kwon Park)

어익수 (Ik-Soo Eo)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers