과전압계전기란? 비정상 전압상승 검출 원리

과전압계전기란 전력계통의 전압이 설정된 기준 이상으로 상승하는 과전압 상태를 검출하는 보호계전기입니다. OVR의 PT·VT 전압 측정과 Pickup·Time Delay 동작 원리, 적용 분야를 알아봅니다.

과전압계전기란 무엇이며 왜 필요할까?

과전압계전기(Overvoltage Relay)는 전력계통이나 전기설비의 전압이 정상 운전범위를 넘어 설정된 기준 이상으로 상승하는 Overvoltage 상태를 감시하는 보호계전기입니다. 현장에서는 OVR이라는 약어를 사용하기도 하며 과전압 보호기능의 ANSI Device Number는 일반적으로 59로 표시됩니다. 전력설비는 정해진 정격전압과 절연수준을 기준으로 설계되므로 과도하거나 지속적인 전압상승이 발생하면 절연체와 전자부품에 전기적 스트레스가 증가할 수 있습니다. Transformer의 운전조건 이상, 발전기의 전압제어 이상, 부하의 급격한 차단, 무효전력 변화와 계통조건 등에 의해 전압이 정상범위를 벗어나는 상황이 발생할 수 있습니다. 과전압계전기는 이러한 상태를 검출하여 Alarm을 발생시키거나 필요한 경우 Circuit Breaker에 Trip 명령을 전달합니다. 따라서 OVR은 단순히 높은 전압을 표시하는 계측기가 아니라 전력설비가 허용된 전압범위를 벗어나 장시간 운전되는 것을 방지하기 위한 보호시스템의 한 요소입니다.

OVR은 전압상승을 어떤 원리로 검출할까?

저압계통에서는 계전기의 입력정격과 회로구성에 따라 전압을 직접 측정할 수 있지만 고압 전력계통에서는 PT(Potential Transformer) 또는 VT(Voltage Transformer)를 이용하여 높은 계통전압을 계전기가 처리할 수 있는 수준으로 변환합니다. 현대적인 Digital Protective Relay는 입력된 전압파형을 Sampling한 후 RMS 등 보호에 필요한 전압값을 계산하고 사용자가 설정한 Pickup Voltage와 비교합니다. 측정전압이 설정된 과전압 기준을 초과하면 59 보호요소가 Pickup 상태로 들어가며 설정된 동작시간까지 조건이 지속되면 Alarm 또는 Trip 출력을 발생시킵니다. 3상 계통에서는 상전압이나 상간전압을 감시하고 한 상 또는 여러 상의 과전압을 판단하도록 구성할 수 있습니다. 계전기에 따라 여러 단계의 과전압 보호요소를 제공하여 비교적 낮은 과전압에는 긴 Time Delay를 적용하고 매우 높은 전압에는 빠르게 동작하도록 설정할 수도 있습니다. 즉 OVR은 전압 측정 → 설정값 비교 → 지속시간 판단 → 출력 동작의 과정으로 비정상적인 전압상승을 검출합니다.

과전압계전기에 Time Delay를 사용하는 이유는 무엇일까?

전력계통에서는 Switching이나 부하변동 등으로 짧은 시간 동안 전압이 상승할 수 있으므로 전압이 기준값을 조금 초과하는 순간마다 차단기가 Trip하면 불필요한 정전이 발생할 수 있습니다. 따라서 OVR에는 일반적으로 Pickup Voltage와 함께 Time Delay를 적용하여 일정 수준 이상의 과전압이 정해진 시간 동안 지속되는지를 판단합니다. 예를 들어 비교적 작은 전압상승은 일정 시간 관찰한 뒤 동작시키고 설비에 빠른 위험을 줄 수 있는 높은 전압상승에는 더 짧은 동작시간을 적용하는 단계별 보호가 가능합니다. 설정값은 계통의 정격전압뿐 아니라 Transformer, Motor, Generator와 전자장비 등 보호대상의 허용전압과 절연특성을 고려해야 합니다. Pickup 값을 지나치게 낮게 설정하면 정상적인 Voltage Variation에도 Nuisance Trip이 발생할 수 있으며 너무 높게 설정하면 실제 과전압에 대한 보호가 늦어질 수 있습니다. 또한 Reset 또는 Dropout 특성을 적절히 설정하면 경계전압 부근에서 계전기 출력이 반복적으로 동작하는 현상을 줄일 수 있습니다.

과전압은 전력설비에 어떤 영향을 줄까?

지속적인 과전압은 전력설비의 절연에 정상상태보다 높은 전기적 스트레스를 가하고 기기의 수명과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. Transformer에서는 전압과 주파수의 관계에 따라 철심의 자속이 증가하여 과여자(Overexcitation) 문제가 발생할 수 있으며 이 경우 철심 포화와 여자전류 증가, 발열 등이 나타날 수 있습니다. Capacitor는 인가전압이 증가하면 전기적 스트레스와 무효전력 조건이 변하며 전자장비의 Power Supply나 Semiconductor 역시 허용입력전압을 초과하면 손상될 가능성이 있습니다. Motor 또한 정격범위를 벗어난 전압에서 장시간 운전하는 것은 바람직하지 않습니다. 다만 OVR이 모든 종류의 과전압을 동일하게 보호하는 것은 아닙니다. 낙뢰나 Switching에 의해 발생하는 매우 짧고 높은 Surge는 일반적인 59 과전압계전기의 보호영역과 다르며 SPD(Surge Protective Device), 피뢰기 등 별도의 Surge Protection이 필요합니다. 따라서 지속적인 Power-frequency Overvoltage와 순간적인 Surge를 구분하여 각각 적절한 보호수단을 적용해야 합니다.

과전압계전기와 부족전압계전기는 무엇이 다를까?

과전압계전기와 부족전압계전기(Undervoltage Relay)는 모두 전압을 감시하지만 동작방향이 반대입니다. OVR은 전압이 설정된 상한값보다 높아지는 상태를 검출하며 ANSI 59 기능으로 표현됩니다. 반면 부족전압계전기는 전압이 설정된 하한값 아래로 떨어지는 상태를 감시하며 ANSI 27 기능이 사용됩니다. 실제 Digital Relay에서는 27과 59 보호요소가 하나의 장치에 함께 포함되어 정상적인 Voltage Window의 상한과 하한을 모두 감시할 수 있습니다. 과전압 또는 부족전압 조건이 검출되면 계전기는 Alarm을 발생시키거나 차단기의 Trip Coil, PLC 또는 다른 제어회로에 신호를 전달합니다. 발전설비에서는 AVR(Automatic Voltage Regulator) 이상과 계통전압을 감시하는 데 활용할 수 있으며 수배전설비에서는 Bus Voltage 보호와 전원상태 감시에 사용됩니다. 결국 과전압계전기는 전압상승의 크기와 지속시간을 판단하여 전력설비가 허용범위를 벗어나기 전에 필요한 보호동작을 시작하도록 하는 핵심 전압 보호계전기입니다.