차동계전기란? 전류 차이로 고장을 찾는 원리

차동계전기란 보호구간의 입력·출력 전류를 비교하여 차이가 발생하면 내부고장으로 판단하는 보호계전기입니다. CT 전류 비교와 Differential Current, 동작·억제 원리 및 변압기 보호를 알아봅니다.

차동계전기란 무엇이며 어떤 고장을 보호할까?

차동계전기(Differential Relay)는 변압기, 발전기, 모터, Busbar와 같은 중요 전력설비의 보호구간 양쪽에서 측정한 전류를 비교하여 내부고장(Internal Fault)을 검출하는 보호계전기입니다. 기본 개념은 정상운전이나 보호구간 외부에서 고장이 발생한 경우 보호구간으로 들어오는 전류와 나가는 전류가 전류비와 방향을 적절히 환산했을 때 서로 같아야 한다는 것입니다. 반대로 보호구간 내부에서 단락이나 지락이 발생하면 일부 전류가 고장점으로 흐르기 때문에 양쪽에서 측정한 전류 사이에 차이가 나타납니다. 차동계전기는 이 차이를 Differential Current로 계산하고 설정된 동작조건을 초과하면 해당 설비의 차단기에 Trip 명령을 보냅니다. ANSI Device Number에서는 Differential Protection을 일반적으로 87로 표시하며 변압기는 87T, 발전기는 87G, Busbar는 87B처럼 보호대상을 함께 표현하기도 합니다. 보호범위가 CT 설치위치 사이로 명확하게 정해진다는 점도 차동보호의 중요한 특징입니다.

차동계전기는 입력·출력 전류를 어떻게 비교할까?

차동보호에서는 보호대상의 양쪽에 CT(Current Transformer)를 설치하고 각 CT에서 측정한 전류를 계전기로 입력합니다. 정상상태를 단순화하면 보호구간으로 들어가는 전류와 나가는 전류의 벡터합이 거의 0이 되어야 하므로 차동전류도 매우 작게 나타납니다. 개념적으로 Idiff = |I1 - I2|와 같이 설명할 수 있지만 실제 3상 계통에서는 CT Ratio와 극성, 위상관계 및 변압기 결선 등을 고려하여 각 전류를 동일한 기준으로 환산한 후 비교합니다. 보호구간 내부에서 고장이 발생하면 양쪽 CT가 측정하는 전류의 관계가 달라져 Differential Current가 증가합니다. Digital Relay는 각 상의 전류를 Sampling한 뒤 크기와 위상을 연산하여 내부고장 여부를 판단합니다. 따라서 CT의 극성이 잘못 연결되거나 Ratio 설정이 틀리면 정상운전 중에도 큰 차동전류가 계산되어 오동작할 수 있습니다. 차동보호에서는 CT 결선과 계전기 설정이 보호성능을 좌우하는 핵심 요소입니다.

동작전류와 억제전류를 함께 사용하는 이유는 무엇일까?

실제 전력계통에서는 정상상태에서도 두 CT의 측정값이 완벽하게 동일하지 않을 수 있습니다. CT의 오차와 포화(Saturation), 부하전류의 크기, Tap 변화와 외부 단락전류 등으로 인해 일정한 차동전류가 발생할 수 있기 때문입니다. 이러한 오차만으로 계전기가 Trip하는 것을 방지하기 위해 Percentage Differential 또는 Biased Differential 방식이 널리 사용됩니다. 이 방식에서는 고장판단에 사용하는 Differential Current뿐 아니라 양쪽 전류의 크기와 관련된 Restraint Current를 함께 계산합니다. 부하전류나 외부 고장전류가 커질수록 일정 수준의 차동전류가 발생하더라도 쉽게 동작하지 않도록 억제특성을 증가시키는 것입니다. 이를 Percentage Slope 또는 Bias 특성으로 표현하며 Digital Relay에서는 구간별로 서로 다른 Slope를 설정할 수 있는 제품도 있습니다. 특히 외부 단락 시 한쪽 CT가 포화되면 순간적으로 큰 차동전류가 계산될 수 있으므로 적절한 억제특성은 차동보호의 안정성을 높이는 데 매우 중요합니다.

변압기 차동보호에는 왜 추가적인 보정이 필요할까?

Transformer Differential Protection에서는 단순히 1차측 전류와 2차측 전류의 숫자만 비교할 수 없습니다. 변압기의 권수비 때문에 1차와 2차 전류의 크기가 다르며 Y-Δ 또는 Δ-Y 결선에서는 양측 전류 사이에 위상변위도 발생하기 때문입니다. 따라서 계전기는 CT Ratio와 변압기 변압비, Vector Group 등을 고려하여 양쪽 전류를 같은 기준으로 보정한 후 Differential Current를 계산해야 합니다. 또한 변압기를 처음 투입할 때는 정상적인 고장이 없어도 매우 큰 Magnetizing Inrush Current가 흐를 수 있습니다. 이 전류를 내부 단락으로 잘못 판단하면 Transformer를 투입하자마자 차동계전기가 Trip할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 변압기 차동계전기에서는 고조파 성분 등을 이용한 Inrush Restraint 또는 Blocking 기능을 적용할 수 있습니다. 현대 Numerical Relay는 Ratio와 위상보정, Inrush 검출 등의 기능을 내부 알고리즘으로 수행하지만 정확한 Transformer 정보와 CT 설정값을 입력해야 합니다.

차동계전기와 과전류계전기는 무엇이 다를까?

차동계전기와 과전류계전기(OCR)는 모두 전력설비의 고장을 검출하지만 보호원리가 다릅니다. 과전류계전기는 특정 위치에서 측정한 전류가 설정값보다 큰지를 판단하므로 고장전류의 크기와 동작시간을 이용한 보호협조가 중요합니다. 반면 차동계전기는 보호구간 양쪽의 전류를 비교하기 때문에 고장전류가 설정된 보호영역 내부에서 발생했는지를 직접적으로 판별할 수 있다는 장점이 있습니다. 정상적인 부하전류와 보호구간 외부의 Through Fault에서는 양쪽 전류가 균형을 이루므로 원칙적으로 동작하지 않고 CT 사이의 내부고장에서 차동전류가 증가하면 빠르게 Trip할 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 Transformer, Generator와 Busbar 등 고장 발생 시 피해가 큰 주요 전력설비의 주보호(Main Protection)로 차동방식이 널리 사용됩니다. 다만 CT 회로와 통신 또는 배선, 계전기 자체에 문제가 발생할 가능성도 있으므로 과전류보호 등 Backup Protection을 함께 구성하는 경우가 일반적입니다. 결국 차동계전기는 보호구간의 경계에서 측정한 전류의 균형을 비교하여 내부고장을 빠르고 선택적으로 검출하는 핵심 보호계전기입니다.