6.1 사례 1-급전선 거리계전 사고 분석

그림. 4는 A 변전소에 설치된 급전반 보호계전기 ICE(社)의 PDZI-N에 기록된 COMTRADE 형식의 급전선 사고 파형을 PSCAD/EMTDC에 구현한 분석 인터페이스로 처리한 결과이다. 여기서 U_cat는 급전 전압, I_cat는 급전선 전류에 대한 아날로그 신호 정보이고, Trip Order는 트립 명령 발생 디지털 정보, 21Z1P는 거리계전요소의 Pickup 디지털 신호 정보이다.

기록된 파형의 약 0.48s 시점에서 전압, 전류 크기가 변동되기 시작하여 약 30ms 이후 거리계전 요소에 의한 사고를 감지하여 21Z1P 디지털 출력 신호를 출력하고 설정된 지연시간 후에 trip order를 출력한 것을 확인할 수 있었다.

추가적으로 거리계전 요소에 대한 상세 분석을 위해 그림. 5과 같이 임피던스 diagram에서 임피던스 궤적을 분석하였다. 임피던스 궤적이 약 110ms(0.482sec~0.592sec)동안 거리계전 보호영역 Zone 1 내에서 위치하고, 이는 지연시간 설정 값(0.04[sec])보다 길어, trip이 발생함을 확인할 수 있다.

이 때 사고 원인이 급전선 단락/지락에 의한 것인지 변압기 돌입전류에 의한 것인지를 판단하기 위해 급전선 전압, 급전선 전류에 대한 위상 분석과 고조파 분석을 수행하였다. 그림. 6은 계통 고장이 일어난 시점인 파형 저장 후 0.5s 지점에서의 위상 diagram이며, 급전선 전압(U_cat)는 22.1kV∠48.85°, 급전선 전류(I_cat)는 53.5A∠136.9°로 나타났다. 그림. 7은 그림. 6과 같은 시점에 발생한 고조파이며, 기본파부터 7고조파까지 나타내었다. 변압기 돌입전류는 2고조파로 판단하며 기본파 대비 10~20% 정도로 설정하여 돌입전류 여부를 판단한다. 해당 pickup 시점에서 급전선 전류(I_cat)는 2고조파는 0.54%로 변압기 돌입상황과 무관한 전차선 사고라는 것을 판단할 수 있다.

6.2 사례 2-변압기 비율차동계전 분석

국내 B 변전소의 변압기 보호용 보호계전기 ICE(社)의 NPDT630이 동작하였고, 해당 보호계전기에 기록된 사고 데이터를 COMTRADE 형식으로 변환하여 분석하였다. 기록된 아날로그 정보는 변압기 1차측 전류(I_A, I_B, I_C)와 변압기 2차측 전류 (I_M, I_T)로 그림. 8에 나타내었다. 변압기 1차측의 3상 전류파형은 돌입전류 형태를 띄며, 변압기 2차측 M상전류(I_M)가 없고, T상전류(I_T)만 발생하여, A상전류(I_A)와 C상전류(I_C)의 크기와 위상이 거의 같으며 B상전류(I_B)는 A, C상전류의 크기는 약 2배이고 위상은 180도 차이난다. 약 0.16초 시점에 relay A에 의한 디지털 파형이 0에서 1로 바뀌며 trip 신호가 출력되었다.

추가적으로 변압기 주 보호를 위해 비율차동계전 분석을 위해 사고 데이터의 차/억제 전류 영역에서의 특성을 분석하여 그림. 9에 나타내었다. 비율차동 곡선을 표시하기 위해 설정 값을 입력하여 보호 영역을 도시하고, 설정영역(흑색선: 순시 비율차동 특성곡선, 청색선: 비율차동 특성곡선) 내에 T상전류 차전류 및 억제전류의 궤적(적색선)궤적이 동작영역에 들어오는 것을 보여준다. 동작영역에 들어온 시점 기준으로 trip 신호가 1,003㎳ 후에 출력된 것을 확인할 수 있으며, 이는 trip 지연 설정값(3㎳)과 2고조파 blocking 지연시간 설정값(1,000㎳)를 합산한 시간으로 판단된다.

변압기 돌입전류로 인한 오동작 여부를 판단하기 위해 변압기 1차측 전류 (I_A, I_B, I_C)와 변압기 2차측 전류 (I_M, I_T)에 대한 위상 분석을 수행하였다. 그림. 10은 변압기 1차측의 3상전류(Ipri.abc)와 그 대칭성분(Ipri.seq)대한 위상 diagram 및 변압기 2차측 M, T상 전류(I_M, I_T)의 위상 diagram을 나타낸다. 변압기 1차측의 3상전류(Ipri.abc)에 대한 위상 diagram에서 A상전류는 59.4A∠22.5°, B상전류는 117.4A∠-159.0°, C상전류는 59.7A∠21.3°로 나타났으며, A상전류(I_A)와 C상전류(I_C)의 크기와 위상이 거의 같으며 B상전류(I_B)는 A, C상전류의 크기는 약 2배이고 위상은 180도 차이 나는 것을 위상 diagram으로 한번 더 확인하였다. 변압기 1차 측의 3상전류의 대칭성분(Ipri.seq)에 대한 위상 diagram에서 정상분 전류는 58.1A∠-37.9°, 역상분 전류는 80.6A∠80.6°, 영상분 전류는 0.7A∠146.3°이다. 변압기 2차측 M상전류는 1.9A∠-53.5°이고 T상전류는 147.9A∠30.3°이다. M상전류는 거의 발생하지 않고, T상전류만 대부분 발생하였다.

그림. 11은 그림. 10과 같은 시점에 발생한 고조파이며, 기본파부터 7고조파까지 나타내었다. 3상전류에 대한 고조파수는 3, 4, 5고조파 순의 크기로 크게 발생하였으며, 2고조파가 상대적으로 작게 나타났다. A상전류의 2고조파는 6.7%, B상전류의 2고조파는 6.4%, C상전류의 2고조파는 6.3%로 나타났다. M상전류의 경우 크기가 0에 가까운 크기로 보아 개방상태로 보이며 고조파 함유량이 대부분의 차수에서 10%이상이고 T상전류는 2고조파 함유량이 70.2%인 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 변압기 돌입전류로 발생은 전류의 2고조파 함유량으로 판단하며, 교류철도 급전계통에서는 2고조파의 함유율이 15%를 초과하면 변압기 돌입전류로 간주하여 이런 상황이 발생할 경우 1초의 트립 지연을 하도록 권고하고 있다⁽⁹⁾. 상기 사항들을 종합적으로 분석한 결과, 주변압기의 2차측 T상의 차단기를 투입하면서 발생한 돌입전류로 인해 비율차동계전 요소가 동작하여 trip 신호를 출력한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 변압기 비율차동계전 요소의 설정 한계(2고조파 block 지연시간이 최대 1s)에 의한 보호계전기 오동작 사례로 분석된다.