방향성 지락계전기란? 지락 방향 판단 원리

2026년 9월 4일 읽는 시간 약 7분

방향성 지락계전기란 지락전류뿐 아니라 영상전압과 영상전류의 위상관계를 이용해 고장 방향까지 판별하는 보호계전기입니다. DGR의 ZCT·GPT 신호와 동작 원리, GR과의 차이 및 선택보호를 알아봅니다.

방향성 지락계전기란 무엇이며 왜 필요할까?

방향성 지락계전기(Directional Ground Relay, DGR)는 전력계통에서 지락(Ground Fault)이 발생했을 때 지락성분의 크기뿐 아니라 고장이 발생한 방향까지 판단하여 필요한 차단기를 선택적으로 동작시키는 보호계전기입니다. 일반적인 GR(Ground Relay)은 주로 지락전류 또는 영상전류의 크기를 기준으로 이상상태를 검출합니다. 하지만 여러 Feeder가 하나의 Bus에 연결되어 있거나 계통의 충전전류가 영향을 미치는 경우에는 전류의 크기만으로 어느 Feeder에서 지락이 발생했는지 정확하게 구분하기 어려울 수 있습니다. DGR은 이러한 상황에서 영상전압(Zero-sequence Voltage)과 영상전류(Zero-sequence Current)의 크기 및 위상관계를 이용해 고장이 보호구간의 정방향에 있는지 역방향에 있는지를 판별합니다. 이를 통해 고장 Feeder만 선택적으로 Trip시키고 정상 Feeder의 불필요한 정전을 줄일 수 있습니다. 특히 접지방식과 계통구성에 따라 방향성 판단이 필요한 산업용 고압 배전설비에서 중요한 보호방식으로 활용됩니다.

DGR은 영상전압과 영상전류를 어떻게 검출할까?

3상 전력계통이 정상적으로 평형을 이루고 있다면 세 상의 전류와 대지전압 관계도 일정한 균형을 유지합니다. 하지만 한 상에서 지락이 발생하면 영상분(Zero-sequence Component)이 나타나며 DGR은 이러한 성분을 이용합니다. 영상전류는 ZCT(Zero-phase Current Transformer)를 사용하거나 각 상 CT의 Residual Connection을 통해 얻을 수 있습니다. 대칭분 개념에서는 Ia + Ib + Ic = 3I0로 나타낼 수 있으며 여기서 I0가 영상전류 성분입니다. 영상전압 역시 Va + Vb + Vc = 3V0와 같은 관계로 표현할 수 있습니다. 고압 배전계통에서는 GPT(Grounding Potential Transformer) 또는 계통에 적합한 전압검출방식을 이용하여 지락 시 발생하는 영상전압을 검출할 수 있습니다. DGR은 이러한 전압신호를 방향판단의 기준이 되는 Polarizing Quantity로 사용하고 영상전류와 비교합니다. 따라서 DGR은 단순히 ZCT에 큰 전류가 흐르는지를 확인하는 것이 아니라 두 전기량의 관계를 함께 분석한다는 점이 핵심입니다.

DGR은 지락의 방향을 어떤 원리로 판단할까?

방향성 지락보호의 핵심은 영상전압과 영상전류 사이의 위상관계입니다. 지락이 발생하면 고장점의 위치와 계통의 접지방식, 임피던스에 따라 영상전압과 영상전류의 위상관계가 달라집니다. DGR은 입력된 3V0와 3I0 사이의 위상각을 계산하고 계전기에 설정된 동작영역(Operating Region)에 들어오는지를 판단합니다. 쉽게 말하면 지락전류가 일정 값 이상이라는 조건에 더해 그 전류가 보호대상이 있는 방향으로 흐르는지를 확인하는 것입니다. 방향성 계전기에서는 Maximum Torque Angle 또는 Characteristic Angle과 같은 설정개념이 사용될 수 있으며 실제 기준각과 동작특성은 계통의 중성점 접지방식과 계전기 제조사 알고리즘에 따라 달라집니다. 따라서 단순히 특정 위상각 하나를 모든 전력계통에 동일하게 적용할 수는 없습니다. Digital Relay에서는 전압과 전류를 Sampling한 뒤 위상성분을 계산하여 방향을 판별하며 설정된 Pickup, Direction과 Time Delay 조건을 모두 만족하면 Trip 출력을 발생시킵니다.

DGR은 여러 Feeder에서 어떻게 고장구간만 선택할까?

하나의 Bus에 여러 Feeder가 연결된 배전계통을 생각하면 방향성 보호의 필요성을 쉽게 이해할 수 있습니다. 특정 Feeder에서 지락이 발생하면 고장 Feeder뿐 아니라 다른 정상 Feeder의 대지 정전용량 등을 통해서도 영상성분이 관측될 수 있습니다. 단순한 지락전류 크기만 비교하면 정상 Feeder의 계전기까지 Pickup하여 불필요하게 Trip할 가능성이 생길 수 있습니다. DGR은 각 Feeder에서 측정한 영상전류와 Bus 측 영상전압의 방향관계를 비교하여 고장방향에 있는 Feeder를 선택합니다. 예를 들어 보호방향을 Bus에서 부하 측으로 설정했다면 해당 방향의 지락조건을 만족한 계전기가 차단기에 Trip 명령을 보내도록 구성할 수 있습니다. 이 과정에서 Pickup Current와 Voltage, 동작각 및 Time Delay를 상·하위 보호장치와 조정하면 선택성(Selectivity)을 높일 수 있습니다. 결국 DGR의 목적은 단순히 지락이 발생했다는 사실을 확인하는 것이 아니라 여러 회로 중 실제 고장구간을 식별하고 가능한 한 해당 구간만 신속하게 분리하는 것입니다.

방향성 지락계전기와 GR은 무엇이 다를까?

GR과 DGR은 모두 Ground Fault를 검출하지만 판단에 사용하는 정보에서 가장 큰 차이가 있습니다. 일반적인 GR은 ZCT나 CT에서 얻은 지락전류 또는 잔류전류의 크기를 주요 판단기준으로 사용하므로 보호방향을 구분할 필요가 없는 단순한 방사상 계통 등에 적용할 수 있습니다. 반면 DGR은 영상전류뿐 아니라 영상전압 등의 기준량을 함께 이용하여 지락이 어느 방향에서 발생했는지를 판단합니다. 따라서 여러 Feeder가 연결된 계통이나 전류크기만으로 고장회로를 선택하기 어려운 경우 방향성 보호가 유용합니다. 다만 DGR이 항상 GR보다 우수하다는 의미는 아닙니다. 계통구조가 단순하고 지락전류의 선택성이 충분하다면 비방향성 보호가 더 적합할 수 있으며 방향성 보호가 필요한 경우에는 접지방식과 ZCT·GPT 극성, 위상관계 및 계전기 설정을 정확하게 검토해야 합니다. 특히 CT나 ZCT, GPT의 극성이 잘못되면 방향판단이 반대로 이루어질 수 있습니다. 결국 DGR은 전류의 크기와 방향정보를 함께 활용하여 전력계통에서 지락 고장구간을 선택적으로 분리하는 보호계전기입니다.