고압 수전 설비의 보호계전기 세팅 원리

서론

산업용 공장, 대형 빌딩, 데이터센터, 병원 등은 모두 고압 수전 설비를 통해 한전으로부터 전기를 공급받습니다. 고압 수전은 저압과 달리 수천 kVA 이상의 전력이 흐르기 때문에, 전기 사고 발생 시 피해 규모가 훨씬 크고 복구도 어렵다는 특징이 있습니다. 따라서 이러한 설비에는 반드시 보호계전기가 설치되어 전기 사고를 신속히 차단하고, 인명 및 설비를 보호하는 역할을 수행합니다.

하지만 보호계전기가 단순히 설치만 되어서는 의미가 없고, 정확한 세팅이 되어야 사고를 막을 수 있습니다. 이번 글에서는 고압 수전 설비에서 보호계전기가 어떤 원리로 동작하며, 세팅은 어떤 기준과 절차를 통해 이루어지는지 심층적으로 살펴보겠습니다.

고압 수전 설비와 보호계전기의 역할

1. 고압 수전 설비란?

한전에서 22.9kV, 6.6kV와 같은 고압 전력을 수전 받아, 변압기를 통해 저압(380/220V)으로 변환하여 사용하는 설비를 말합니다. 이러한 설비는 수변전실에 설치되며, 변압기·차단기·계기용 변성기(MOF)·보호계전기 등으로 구성됩니다.

2. 보호계전기의 역할

보호계전기는 전류, 전압, 주파수 등의 전기적 상태를 상시 감시하다가 이상 상황이 발생하면 즉시 차단기에 Trip 신호를 보내 회로를 차단합니다. 즉, “센서 + 판단 장치 + 자동 스위치” 역할을 동시에 수행하는 장치입니다.

3. 주요 보호계전기 종류

OCR (과전류계전기): 부하 전류 이상(과부하, 단락)을 검출
OCGR (지락과전류계전기): 접지 사고(지락 전류)를 검출
UVR (부족전압계전기): 전압 강하 또는 상실 감지
OVR (과전압계전기): 이상 고전압 감지
RPR (역전력계전기): 발전기 역전력 흐름 방지
UFR (주파수저하계전기): 계통 주파수 이상 감지

보호계전기 세팅의 원리

1. 계통 보호 협조

보호계전기는 단독으로 작동하지 않고, 상위·하위 보호장치와 정전 범위 최소화를 목표로 협조를 이룹니다. 예를 들어, 분기 차단기에서 차단할 수 있는 사고를 메인 차단기가 차단해서는 안 됩니다. 이를 보호 협조(Protection Coordination)라 부릅니다.

2. 동작 전류 설정

OCR의 경우, 설정 전류값은 일반적으로 부하 전류의 120~150%로 맞춥니다. 이는 정상적인 부하 변동에는 동작하지 않되, 과부하 이상에서는 즉시 차단되도록 하기 위함입니다.

3. 동작 시간 설정

보호계전기는 단락 사고 시 즉각 동작해야 하고, 과부하 시에는 일정 시간 지연을 두어 불필요한 차단을 방지합니다. 예를 들어, 단락 사고는 0.1초 이내에 차단되지만, 과부하는 2~10초의 지연을 둘 수 있습니다.

4. 지락 보호

고압 수전에서는 접지 사고(지락)가 빈번하게 발생합니다. OCGR의 세팅은 보통 정격전류의 20~40% 수준에서 동작하도록 설정해, 작은 지락 전류도 빠르게 검출할 수 있도록 합니다.

5. 전압·주파수 계전기 세팅

병원, 데이터센터처럼 민감한 부하는 전압과 주파수 변화에도 보호가 필요합니다. 예를 들어, 전압이 정격의 80% 이하로 떨어지면 UVR이 동작하여 부하를 차단하고, 발전기를 투입할 수 있습니다. 주파수가 59Hz 이하로 떨어지면 UFR이 동작해 설비를 보호합니다.

보호계전기 세팅 절차

1. 부하 조사

전체 부하 용량, 피크 전류, 변압기 용량, 전선 허용전류 등을 조사하여 기초 데이터를 확보합니다.

2. 보호계전기 선택

부하 특성에 맞는 보호계전기를 선정합니다. 예를 들어, 모터 부하가 많으면 OCR의 지연곡선을 조정해야 하고, 발전기가 있는 설비는 RPR도 반드시 설치해야 합니다.

3. 계전기 설정값 산정

한전 및 전기설비기술기준에 따라 동작전류, 동작시간, 감도 등을 산출합니다.

4. 협조 곡선 작성

상위·하위 보호장치의 TCC(Time Current Characteristic) 곡선을 작성하여, 사고 발생 시 가장 근접한 보호기가 먼저 차단되도록 합니다.

5. 시험 및 검증

실제 전류 주입시험(Primary/Secondary Injection Test)을 통해 설정값이 정상적으로 동작하는지 확인합니다.

실제 사례

사례 1. 공장 수변전실

한 제조 공장은 OCR 설정을 너무 낮게 맞추는 바람에, 모터 기동 시마다 차단기가 불필요하게 떨어지는 문제가 발생했습니다. 이후 기동전류를 반영해 OCR 동작 전류를 상향 조정하고, 지연 시간을 추가하여 문제를 해결했습니다.

사례 2. 데이터센터

대규모 IDC에서는 UPS, 발전기 등 다양한 전원 설비가 동시에 연결됩니다. 이 경우 RPR과 UFR을 정밀하게 세팅하여, 역전력이나 주파수 이상 시 즉각 보호되도록 했습니다. 이를 통해 실제 정전 사고 시에도 서버 운영을 유지할 수 있었습니다.

결론

고압 수전 설비의 보호계전기 세팅 원리는 단순한 기술 작업이 아니라, 설비 안전과 전력 품질을 지키는 핵심 과정입니다. 보호계전기는 전류·전압·주파수 이상을 감지해 즉각 차단함으로써, 인명과 설비를 보호하는 역할을 수행합니다. 그러나 올바른 보호를 위해서는 계통 협조, 동작 전류·시간의 정확한 설정, 지락 감도 조정, 시험 검증이 반드시 필요합니다.

결국 보호계전기 세팅은 단순한 수치 입력이 아니라, 전기공학적 해석과 현장 경험이 결합된 전문 영역입니다. 따라서 모든 고압 수전 설비는 정기적인 점검과 주기적인 세팅 검증을 통해, 예기치 못한 전기 사고를 예방해야 할 것입니다.