보호계전기 (Protective Relay)

보호계전기란 무엇인가?

보호계전기(Protective Relay)는 전력 시스템에서 이상 상태(과전류, 단락, 과전압 등)를 감지하고, 이를 신속히 차단하거나 경고를 발령하여 설비와 시스템을 보호하는 장치입니다. 전력 시스템의 안정성과 신뢰성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 하며, 변전소, 발전소, 배전 시스템 등에서 사용됩니다. 보호계전기는 이상 상태를 감지하면 회로차단기를 작동시켜 문제 구간을 격리하거나 관련 장비를 보호합니다.

보호계전기의 주요 기능은 다음과 같습니다:

1. 감지: 전류, 전압, 주파수 등의 전기적 변수를 실시간 모니터링.
2. 판단: 설정된 기준과 비교하여 이상 상태 식별.
3. 작동: 이상 확인 시 회로차단기나 보호 장치를 작동.

보호계전기의 종류: 작동 시간 특성별 분류

보호계전기는 작동 시간 특성에 따라 여러 유형으로 나뉘며, 대표적으로 순한시(Instantaneous), 정한시(Definite Time), 반한시(Inverse Time), 그리고 정한시-반한시(Definite Time-Inverse Time) 계전기가 있습니다. 아래에서 각 특성을 상세히 설명하겠습니다.

1. 순한시(Instantaneous) 계전기

순한시 계전기는 이상 전류나 상태가 설정값을 초과하는 즉시 지연 없이 작동하는 특성을 갖습니다. 이는 가장 빠른 응답을 요구하는 상황에 적합합니다.

• 특성:
  • 작동 시간(T) ≈ 0 (즉각 작동, 일반적으로 밀리초 단위).
  • 이상 전류가 설정값을 넘으면 즉시 회로를 차단.
• 장점:
  • 심각한 단락이나 고장이 발생했을 때 신속히 대응하여 시스템 손상을 최소화.
  • 단순하고 빠른 작동으로 예측이 용이.
• 단점:
  • 일시적인 돌입 전류나 노이즈에 민감하게 반응할 수 있어 불필요한 차단 가능성 존재.
• 용도:
  • 단락 보호(Short Circuit Protection), 고속 차단이 필요한 주요 설비 보호.
  • 예: 과전류 계전기의 "순한시 요소(Instantaneous Element)".

2. 정한시(Definite Time) 계전기

정한시 계전기는 이상 전류가 설정값을 초과할 때, 전류 크기와 관계없이 일정한 시간 후에 작동합니다.

• 특성:
  • 작동 시간(T) = 상수 (설정된 지연 시간).
  • 이상 전류가 설정값을 넘으면 미리 정한 시간(예: 0.5초)이 지난 후 작동.
• 장점:
  • 작동 시간이 일정하여 보호 조정과 예측이 단순.
  • 일시적 이상에 반응하지 않음.
• 단점:
  • 심각한 고장에서도 지연 시간이 있어 빠른 대응이 어려울 수 있음.
• 용도:
  • 전압/주파수 보호, 과전류 보호에서 일시적 이상을 무시해야 하는 경우.

3. 반한시(Inverse Time) 계전기

반한시 계전기는 이상 전류의 크기에 따라 작동 시간이 역으로 비례합니다. 전류가 클수록 작동 시간이 짧아집니다.

• 특성:
  • 작동 시간(T) ∝ 1 / I^n (I는 이상 전류, n은 특성 지수).
  • 전류 크기에 따라 작동 시간이 조절됨.
• 장점:
  • 경미한 과전류는 느리게, 심각한 과전류는 빠르게 대응하여 유연성 제공.
  • 보호 장치 간 조정 용이.
• 단점:
  • 작동 시간 예측이 상대적으로 복잡.
• 용도:
  • 배전선로, 모터 보호 등 과전류가 빈번한 시스템.

4. 정한시-반한시(Definite Time-Inverse Time) 계전기

정한시-반한시 계전기는 반한시와 정한시 특성을 결합한 하이브리드 형태로, 전류 크기에 따라 반한시 특성을 보이다가 일정 수준 이상에서는 정한시 특성을 따릅니다.

• 특성:
  • 낮은 과전류 범위에서는 반한시 특성(T ∝ 1 / I^n)으로 작동.
  • 높은 과전류 범위에서는 정한시 특성(T = 상수)으로 전환.
  • 예: 과전류가 설정값의 2배일 때는 반한시로 길게 지연되지만, 10배를 넘으면 정한시로 고정된 최소 시간(예: 0.1초) 내 작동.
• 장점:
  • 경미한 이상은 반한시로 유연하게 대응하고, 심각한 이상은 정한시로 신속히 차단.
  • 보호 조정과 신속성의 균형 유지.
• 단점:
  • 설정과 조정이 복잡하며, 특성 전환점(Threshold)을 정확히 정의해야 함.
• 용도:
  • 복잡한 배전망이나 변압기 보호에서 상위/하위 계전기 간 조정이 필요한 경우.
  • 예: IEC "매우 반한시(Very Inverse)"와 정한시가 결합된 계전기.

특성 비교

특성	순한시	정한시	반한시	정한시-반한시
작동 시간	즉시 (T ≈ 0)	고정 (T = 상수)	역비례 (T ∝ 1/I^n)	혼합 (반한시 → 정한시)
적용 예	단락 보호	전압/주파수 보호	과전류 보호	복잡한 배전망 보호
장점	신속성	예측 가능성	유연성	조정성과 신속성 균형
단점	민감도 과다	느린 대응 가능성	예측 복잡	설정 복잡성

결론

보호계전기는 전력 시스템 보호의 핵심 장치로, 순한시, 정한시, 반한시, 정한시-반한시 특성이 각각의 상황에 맞게 설계됩니다. 순한시는 즉각적인 고장 대응에, 정한시는 일관된 보호에, 반한시는 과전류 심각도에 따른 유연성에, 정한시-반한시는 두 특성의 장점을 결합한 복합적 보호에 적합합니다. 실무에서는 시스템 요구사항과 보호 조정 필요성에 따라 이 특성들을 단독 또는 조합하여 사용하여 최적의 보호 체계를 구현합니다.