110 kV 유침식 변압기 중성점 접지 시스템

A110 kV 유침식 전력 변압기 전압 변환 및 대용량 전력 송전에서 핵심적인 역할을 수행한다. 그러나 이 변압기는 전기 계통의 접지 방식과 분리하여 고려할 수 없다.

변압기 중성점 접지 시스템이 영향을 미치는 요소:

• 지락 전류
• 일시적 및 과도 과전압
• 보호 민감도 및 선택성
• 변압기 절연 요구 사항
• 시스템 안정성
• 인원 및 설비 안전

따라서 중성점 접지는 단순한 부속 장치 선택이 아니다. 이는 변압기 권선 연결 방식, 계통 접지 철학, 절연 수준, 보호 방식 및 변전소 접지 그리드와 조율되어야 한다.

이 기사에서는 110 kV 유침식 변압기를 위한 중성점 접지 시스템의 주요 기능, 구성 요소 및 공학적 고려 사항을 설명합니다.

중요: 적절한 중성점 접지 방식은 계통 운영자와 자격을 갖춘 전력계통 엔지니어가 결정해야 하며, 단순히 변압기 정격 전압만으로 선택해서는 안 됩니다.

110 kV 변압기의 중성점이란 무엇인가?

삼상 변압기 권선을 스타(또는 와이) 연결할 경우, 세 개의 권선 끝단이 하나의 공통 점에서 만나게 됩니다. 이 연결 방식을 중성점이라고 하며, 일반적으로 문자 아 .

중성점은 상대지 전압에 대한 기준점을 제공합니다. 그러나 그 전위가 항상 0이라고 가정해서는 안 됩니다.

정상적인 균형 운전 상태에서는 대지에 대한 전압이 거의 0에 가까울 수 있습니다. 그러나 대지 고장, 개폐 동작, 철공진공공진 또는 다른 불균형 조건 발생 시 중성점 전압이 크게 이동할 수 있습니다.

따라서 중성선 단자 및 그 절연은 다음에 따라 설계되어야 한다.

• 권선 연결
• 선택된 접지 방식
• 변압기 절연 설계
• 예상되는 일시 과전압
• 뇌격 및 개폐 과전압
• 보호 장치 작동 시간
• 시스템의 절연 조정 연구

IEC 60076-3은 개별 권선 및 단자에 대한 변압기 절연 요구사항, 유전 시험 및 외부 간격을 규정한다.

무엇인가 변압기 중성선 접지 여부?

변압기 중성점 접지는 별형 연결 권선의 중성점을 의도적으로 땅에 연결하는 것이다.

네트워크 설계에 따라 중성점은 다음 중 하나일 수 있다.

• 직접 접지
• 저항기를 통한 접지
• 리액터를 통한 접지
• 다른 임피던스를 통한 접지
• 접지용 변압기를 통한 연결
• 정해진 조건 하에서 비접지로 운전
• 승인된 운전 계획에 따라 접지 및 비접지 상태 간 전환

접지 방식은 상-대지 고장 시 제로시퀀스 전류의 크기와 특성을 결정한다. 또한 일시 과전압, 계전기 작동, 그리고 변압기 및 연결 장비에 가해지는 절연 응력을 영향을 준다.

IEEE C62.92는 유틸리티 시스템에서 접지 고장 전류 및 과전압을 제어하기 위한 중성점 접지 매개변수 선정 시 고려해야 할 기본 사항을 설명한다. 이 표준의 송전계통 관련 지침은 변압기 중성점 접지 및 접지 장비 사양 설정도 다룬다.

왜 110 kV 변압기는 적절한 중성점 접지 방식이 필요한가?

1. 지락 전류 제어

상-지간 고장이 발생할 때, 접지 방식은 영상 지락 전류의 귀로 및 크기를 결정한다.

직접 접지된 중성점은 높은 지락 전류를 허용하여 보호 장치가 고장을 신속하게 감지하고 차단할 수 있게 한다. 임피던스 접지는 전류를 계산된 값으로 제한하면서도 보호 장치가 측정 가능한 신호를 얻을 수 있도록 해준다.

적절한 방식은 계통의 고장 수준, 보호 설계 및 운전 요구 사항에 따라 달라진다.

2. 일시 과전압 제한

비접지 또는 부적절하게 접지된 계통에서는 단상 지락 시 정상 상-지간 전압이 상승할 수 있다. 이로 인해 변압기 단자, 케이블, 개폐장치 등 다른 기기의 절연에 추가적인 응력이 가해질 수 있다.

정확히 설계된 접지 방식은 중성점 변위 및 일시 과전압을 제어하는 데 도움을 준다.

3. 변압기 중성점 절연 보호

일부 변압기는 등급 절연 방식을 사용하는데, 이는 권선의 중성점 쪽 절연 수준이 선단 쪽보다 낮다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 중성점은 할당된 절연 수준을 초과하는 전압 응력에 노출되어서는 안 된다.

등급 절연이 사용되는지 여부는 변압기 설계 및 명판에서 확인해야 하며, 전압 정격만으로 가정해서는 안 된다.

중성점 절연 보호는 다음 요소들 간의 조정이 필요할 수 있다.

• 접지 스위치
• 서지 어레스터
• 보호 갭
• 중성점 전류 변환기
• 변압기 차동 보호
• 제한 지락 고장 보호
• 영상차 과전류 보호
• 중성점 과전압 보호

4. 선택적 보호 지원

알려진 제로시퀀스 전류 경로를 통해 보호 계전기가 지락 고장을 정상 부하 전류 및 기타 시스템 조건과 구분할 수 있다.

보호 철학에 따라 중성선 전류는 다음 용도로 측정될 수 있다.

• 지락 과전류 보호
• 제한 지락 고장 보호
• 변압기 차동 보호
• 중성선 불균형 모니터링
• 보호 간극 전류 검출

보호 설정은 단락회로 분석 및 보호 조정 연구를 기반으로 해야 한다.

5. 시스템 안정성 및 고장 관리 개선

신속하고 선택적인 고장 격리는 변압기의 열적·기계적 응력을 줄이고, 지역 고장이 광범위한 시스템 교란으로 확대될 위험을 제한한다.

접지는 고장을 제거하지 않는다. 그 목적은 고장의 전기적 영향을 제어하고 보호 시스템이 설계된 대로 반응할 수 있도록 하는 것이다.

변압기 중성점 접지 시스템의 주요 구성 요소

110 kV 변압기 중성점 접지 방식은 여러 구성 요소를 포함할 수 있다. 정확한 구성은 프로젝트별로 달라질 수 있다.

1. 중성점 접지 개폐기

중성점 접지 개폐기는 변압기 중성점과 변전소 접지 시스템 사이에 제어 가능한 금속성 연결을 제공한다.

수동 또는 전기 작동이 가능하며, 위치 표시, 연동 장치, 원격 제어 인터페이스를 포함할 수 있다.

요구되는 정격치에는 다음이 포함될 수 있다.

• 최대 시스템 전압
• 해당되는 경우 연속 전류
• 단시간 내전류
• 최대 내구 전류
• 절연 등급
• 기계적 내구성
• 작동 메커니즘
• 환경 보호
• 보조 접점 요구사항

개폐기의 위치는 승인된 운전 절차에 따라 결정되어야 한다. 운영자는 중성점이 항상 접지되어야 하거나 항상 차단되어야 한다고 가정해서는 안 된다.

변압기 중성점의 개폐는 계통의 영상서열 임피던스를 변화시키며 다음에 영향을 줄 수 있다.

• 지락 전류
• 릴레이 감도
• 일시 과전압
• 병렬 변압기 운전
• 보호 조정

따라서 이는 고립된 기계적 동작이 아니라 시스템 운전으로 간주되어야 한다.

2. 중성점 접지 도체

접지 도체는 중성점 단자, 접지 스위치 및 변전소 접지 그리드를 연결한다.

이 도체는 산정된 지락 전류 및 차단 시간에 따라 크기가 결정되어야 하며, 설계 시 다음 사항도 고려해야 한다.

• 열 내구성
• 전자기력
• 기계적 보호
• 부식
• 연결 신뢰성
• 경로 설정 및 안전 간격
• 점검 및 정비 접근성

중복 접지 도체가 필요한 경우, 승인된 변전소 설계에 따라 접지 그리드의 적절히 분리된 지점에 연결해야 한다.

도체의 수, 재질 및 단면적은 프로젝트 사양 및 현지 기준을 따라야 한다.

3. 변전소 접지 그리드

접지 그리드는 고장 전류를 지구로 분산시키고 변전소에 등전위 기준을 제공한다.

그 설계는 단일 접지 저항 값 이상을 고려해야 한다. 중요한 요소에는 다음이 포함된다:

• 최대 지구 고장 전류
• 고장 지속 시간
• 토양 전기저항
• 그리드 기하 구조
• 도체 열 정격
• 단계 전압
• 접촉 전압
• 전달 전위
• 표면층 특성
• 부식 여유 두께
• 기기 구조물 및 울타리에 대한 접속

‘접지 저항은 항상 4 Ω 이하여야 한다’는 식의 보편적 요구사항을 모든 110 kV 변전소에 일률적으로 적용해서는 안 된다. 허용 가능한 설계는 접지 분석 및 적용 가능한 국가 또는 유틸리티 요건에 따라 결정되어야 한다.

4. 중성점 서지 억제기

변압기 중성점과 대지 사이에 금속 산화물 서지 억제기를 설치하여 지정된 과도 과전압을 제한할 수 있다.

정상 운전 시, 서지 억제기는 높은 임피던스를 나타낸다. 과전압이 그 보호 특성을 초과하면, 서지 억제기는 서지 전류를 도통시켜 중성점 절연에 인가되는 전압을 제한한다.

서지 억제기 선정에는 다음 사항의 조정이 필요하다:

• 연속 작동 전압
• 정량 전압
• 일시 과전압 내성
• 명목 방전 전류
• 에너지 내성
• 잔류 전압
• 변압기 중성점 절연 수준
• 계통 접지 조건

IEC 60099-4는 1 kV 초과의 교류 계통에서 서지 제한용으로 사용되는 갭 없는 금속 산화물 서지 억제기를 대상으로 한다. IEC 60099-4

서지 억제기는 변압기의 정격 계통 전압만을 근거로 선택해서는 안 된다. 중성점은 상선 단자와 다른 전압 부하를 경험할 수 있다.

5. 중성점 보호 갭

변압기 중성점과 접지 사이에 보호 공기 갭을 연결할 수 있다. 정상 조건에서는 이 갭이 비도전 상태를 유지한다. 중성점 전압이 갭의 방전 개시 전압에 도달하면 공기 갭이 파열되어 방전 경로를 제공한다.

갭 회로에 전류 변환기를 설치하여 갭 전류를 감지함으로써 경보 또는 차단 신호를 발생시킬 수 있다.

이 간격은 다음 요인에 의해 그 동작 특성이 영향을 받기 때문에 신중한 조정이 필요하다.

• 전극 형상
• 간격 간 거리
• 공기 밀도
• 고도
• 습도 및 오염
• 설치 기하학적 구조
• 전원 주파수 전압
• 임펄스 전압
• 중성점의 절연 수준

보호 간격은 금속 산화물 서지 억제기보다 더 큰 방전 분산을 보일 수 있으며, 작동 시 절단된 임펄스와 전원 주파수 후속 전류를 발생시킬 수도 있다.

따라서 간격 설정은 다른 프로젝트에서 표준 물리적 거리를 단순히 복사하는 것이 아니라, 절연 협조 및 보호 연구를 통해 결정되어야 한다.

6. 중성점 전류 변환기

중성선 연결부에 설치된 전류 변환기는 변압기 및 대지 고장 보호를 위한 측정 신호를 제공할 수 있다.

가능한 적용 분야는 다음과 같음:

• 중성선 과전류 보호
• 제한 지락 고장 보호
• 변압기 차동 보호
• 보호 간극 전류 검출
• 이벤트 기록

그 비율, 정확도 등급, 무부하 전압, 부담 용량 및 단시간 전류 정격은 계전기 방식과 계산된 고장 용량과 일치해야 한다.

7. 서지 카운터 및 누설 전류 모니터

서지 카운터는 서지 억제기로 흐르는 방전 사건을 기록한다. 일부 장치는 누설 전류 지시 기능도 제공한다.

카운터 작동 횟수의 증가는 서지 억제기의 결함을 자동으로 입증하지 않는다. 이는 방전 사건이 발생했음을 나타내며, 다음 사항들과 함께 종합적으로 평가되어야 한다:

• 시스템 교란 기록
• 낙뢰 활동
• 스위칭 사건
• 누설 전류 추세
• 억제기 온도
• 물리적 상태
• 제조사 검사 기준

카운터 연결은 불필요한 리드 길이로 인해 보호 성능이 저하되지 않도록 짧고 직접적이며 적절히 접지되어야 한다.

서지 억제기와 보호 갭은 어떻게 함께 작동하는가?

둘 다 설치된 경우, 중성점 서지 억제기와 보호 갭은 일반적으로 보완적인 보호를 제공한다.

서지 어레스터

억제기는 주로 과도 전압을 제한하면서 예측 가능한 보호 수준을 유지하도록 선정된다.

보호 갭

갭은 설계 방식에 따라 예비 보호 기능을 제공하거나 특정 일시적 또는 전원 주파수 과전압 조건에서 반응할 수 있다.

이 둘의 조정은 다음 사항을 반드시 보장해야 한다:

• 억제기가 변압기를 그 에너지 용량 내에서 보호한다.
• 갭이 일반적인 과도 현상에 대해 불필요하게 작동하지 않는다.
• 이 간극은 중성 절연이 설계된 조건 하에서 과도하게 스트레스를 받기 이전에 작동한다.
• 릴레이 보호 장치가 전원 주파수 후속 전류를 모두 차단한다.
• 서지 억제기는 허용 불가능한 일시 과전압에 노출되지 않는다.

서지 억제기와 간극이 항상 고정된 순서로 작동한다고 단정하는 것은 부정확하다. 이들의 반응은 전압 파형, 지속 시간, 보호 특성 및 시스템 구성에 따라 달라진다.

절연 조정은 IEC 60071-1의 원칙을 따라야 하며, 이 표준은 1 kV 초과 교류 시스템에서 상대지, 상간 및 종방향 절연에 대한 정격 내력 전압 선정을 다룬다. IEC 60071-1

일반적인 중성점 접지 방식

단단한 접지

중성점은 매우 낮은 임피던스 경로를 통해 접지된다.

일반적인 특징:

• 높은 지락 전류
• 영상차 기준 신호 제거
• 신속한 고장 탐지
• 일시적 과전압 감소
• 높은 고장 용량 요구 사항

저항 접지

중성점 접지 저항기는 지락 전류를 계산된 수준으로 제한한다.

일반적인 특징:

• 지락 시 장비 손상 감소
• 제어된 보호 전류
• 저항기의 정의된 열 부하
• 저항기 온도 및 연속성 감시 필요

리액터 접지

접지 리액터는 유도 임피던스를 통해 전류를 제한한다.

일반적인 특징:

• 지락 전류 감소
• 시스템별 영상수행 특성
• 과도 현상 및 보호 계전 분석에 대한 상세 검토 필요

공진 접지

리액터는 계통의 지락 용량을 보상하도록 조정된다.

이 구성은 특정 중압 계통에서 더 흔히 사용되며, 별도의 계통 분석 없이는 110 kV 권선에 자동으로 적용된다고 가정해서는 안 된다.

선택적 중성점 접지

변압기 병렬 운전을 수행하는 변전소에서, 계통 운영자는 영상수행 전류 및 보호 성능 제어를 위해 선택된 변압기 중성점을 접지시킬 수 있다.

중성점 스위치 하나를 열거나 닫으면 연결된 전체 계통의 접지 상태가 바뀐다. 따라서 인터록 및 운전 절차가 필수적이다.

왜 인가화 및 비인가화 중에 중성점 접지가 중요한가?

변압기 스위칭은 과도 전압과 일시적 과전압을 유발할 수 있다. 인가화 또는 비인가화 시 중성점 상태는 등급 절연 권선에 가해지는 전압 응력을 영향을 줄 수 있다.

일부 유틸리티 절차에서는 변압기 인가화 또는 비인가화 전에 중성점 접지 스위치를 닫도록 요구한다. 그러나 이를 보편적인 규칙으로 제시해서는 안 된다.

올바른 스위칭 순서는 다음 요소에 따라 달라진다:

• 변압기 절연 설계
• 회로 차단기 배치
• 병렬로 연결된 변압기의 수
• 시스템 접지 구성
• 보호 설정
• 서지 억제기 정격
• 유틸리티 운영 규정
• 전환 및 절연 연구 결과

운영자는 해당 변전소에 대해 승인된 전환 지침을 따라야 한다.

점검 및 정비 체크리스트

정비는 현장의 전기 안전 절차에 따라 권한 있는 인원이 수행해야 한다.

중성점 접지 스위치

점검:

• 개방 및 폐쇄 위치 표시
• 기계 정렬
• 접촉 상태
• 작동 메커니즘
• 모터 및 제어 회로
• 보조 접점
• 인터록킹
• 절연체의 청결도 및 무결성
• 과열 또는 방전 징후

접지 도체

다음 사항을 점검하십시오:

• 느슨해지거나 손상된 연결부
• 끊어진 가닥 또는 균열이 있는 도체
• 부식
• 비정상적인 발열
• 충분하지 않은 간격
• 기계적 손상
• 무단 변경

서지 어레스터

점검:

• 도자기 또는 폴리머 외함 상태
• 오염 및 방전 흔적
• 단자 조임 상태
• 접지선 배선
• 서지 카운터 측정값
• 누설 전류 표시(해당 시)
• 제조사가 규정한 진단 결과

보호 갭

확인하십시오:

• 전극 상태
• 정확한 간격 간격
• 조정
• 표면 오염
• 이전 방전의 흔적
• 전류변압기 연결
• 인접 장비와의 안전 거리

접지 그리드

변전소 정비 계획에 따라 점검 및 시험을 수행합니다. 이에는 다음이 포함됩니다:

• 연결 연속성
• 접지 저항 또는 임피던스 측정
• 토양 상태 평가
• 주요 변경 후 단계 전압 및 접촉 전압 검토
• 부식 평가
• 신규 연결 장비 검증

일반적인 문제 및 그 결과

오류된 접지 스위치 위치

오류된 스위치 위치는 지락 전류를 변화시켜 계전기 조정을 무효화할 수 있다.

중성선 연결 느슨함

고저항 또는 불안정한 연결은 발열, 아크 발생 및 중성점 전압의 예측 불가능성을 유발할 수 있다.

부적절한 크기의 접지 도체

열적 또는 기계적 능력이 부족한 도체는 고전류 지락 시 고장이 발생할 수 있다.

부적절한 서지 억제기 정격

일시 과전압 내성 능력이 부족한 어레스터는 과열되거나 고장날 수 있다. 보호 수준이 지나치게 높으면 변압기 중성점이 충분히 보호되지 않을 수 있다.

오염되었거나 잘못 설정된 보호 간극

오염, 고도, 또는 부적절한 간격은 방전 시작 전압을 변화시켜 조기 작동 또는 작동 실패를 유발할 수 있다.

조정되지 않은 보호 설정

계전기 관련 기능이 잘못 선택되거나 설정된 경우, 설계가 정확하더라도 접지 시스템은 효과적인 보호를 제공할 수 없다.

맞춤형 설계에 필요한 공학 정보

110 kV 변압기 및 중성점 접지 패키지를 명세하기 전에 제조사는 다음 자료를 받아야 한다.

• 시스템 정격 전압 및 장비용 최고 전압
• 시스템 주파수
• 변압기 정격 용량
• 권선 전압 및 연결 방식
• 벡터 그룹
• 중성점 절연 수준
• 완전 절연 또는 등급 절연 요구 사항
• 지락 전류의 최대값 및 최소값
• 고장 제거 시간
• 접지 철학
• 변압기 병렬 운전 조건
• 보호 단선도
• 서지 억제기 작동 조건
• 설치 장소의 고도 및 오염 수준
• 주변 온도
• 지진 및 기후 요구 사항
• 적용 가능한 IEC, IEEE, 국가 또는 전력회사 표준

이러한 매개변수는 적절한 장비 정격 및 인터페이스 설계를 결정한다.

딩신 일렉트릭의 맞춤형 110 kV 변압기 솔루션

딩신 일렉트릭은 전력회사, 산업, 재생에너지, 인프라 프로젝트용 맞춤형 유침식 전력변압기 및 연동 변압기 부속품을 제조한다.

당사 엔지니어링 팀은 다음을 구성할 수 있다:

• 정격 용량 및 전압 비율
• 변압기 임피던스
• 벡터 그룹
• 탭 범위 및 온로드 탭 체인저(OLTC) 배치
• 전면 절연 또는 등급 절연
• 중성점 단자 및 접지 인터페이스
• 접지 스위치 인터페이스
• 중성선 전류 변환기
• 서지 억제기 및 보호 간극 배치
• 모니터링 및 보호 액세서리
• 냉각 시스템
• 부싱 및 케이블 인터페이스
• 적용 가능한 IEC, IEEE 또는 프로젝트 특화 요구사항

귀사의 110 kV 변압기 프로젝트 논의

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