고장과 보호 — 0.1초 안에 끊는다

전력 계통에서 고장은 막을 수 없습니다. 낙뢰가 치고, 나뭇가지가 닿고, 절연이 노화됩니다. 그래서 목표는 고장을 없애는 것이 아니라 고장이 나면 최대한 빨리, 최소한의 범위만 끊어 내는 것입니다.

고장이 나면 왜 전류가 치솟는가

평상시 전류는 부하 임피던스가 정합니다. 그런데 단락이 나면 그 부하가 사라지고, 전원에서 고장점까지의 계통·변압기·선로 임피던스만 남습니다. 이 값이 워낙 작아 전류가 정격의 수십 배로 치솟습니다.

계산은 %임피던스법으로 합니다. 기준 용량을 정하고 모든 임피던스를 그 기준의 백분율로 바꾸면 단순한 덧셈이 됩니다.

변압기의 %임피던스를 10%에서 20%로 올려 보세요. 고장전류가 절반 가까이 줄어듭니다. 대신 정상 운전 시 전압변동률이 커집니다. 이것이 변압기 %Z를 정할 때의 근본적인 절충입니다.

고장의 종류

3상 단락은 가장 전류가 크고 대칭이라 계산이 단순해서, 차단기 용량을 정할 때의 기준이 됩니다. 선간 단락은 그 86%(√3/2) 정도입니다. 실제로 가장 자주 일어나는 것은 1선 지락인데, 전류의 크기는 중성점을 어떻게 접지했느냐가 좌우합니다.

차단기는 전류가 아니라 용량을 끊는다

차단기가 접점을 벌리면 그 사이에 아크가 생깁니다. 이 아크를 꺼야 비로소 차단이 완료되는데, 꺼야 하는 크기는 전류만이 아니라 전압과 전류의 곱, 즉 차단 용량입니다.

이 값이 차단기 정격을 넘으면 아크가 꺼지지 않아 차단에 실패하고, 차단기 자체가 폭발할 수 있습니다. 그래서 계통을 증설해 단락용량이 커지면 기존 차단기를 교체하거나 한류 리액터를 넣어야 합니다.

반한시 — 클수록 빨리 끊는다

과전류 계전기는 전류가 크면 빨리, 작으면 천천히 동작합니다. 이 성질을 반한시 특성이라 합니다.

이렇게 하는 이유는 보호 협조 때문입니다. 고장점에 가장 가까운 차단기가 먼저 끊어야 정전 범위가 최소가 됩니다. 상위 차단기는 같은 전류에서 조금 더 늦게 동작하도록 시간 정정을 크게 잡아 두면, 하위가 실패했을 때만 후비 보호로 동작합니다. 그래프에서 TMS를 바꾸면 곡선이 통째로 위아래로 움직이는 것이 바로 이 협조를 맞추는 작업입니다.

여기에 더해 전류가 아주 큰 경우, 즉 가까운 곳의 심한 고장에는 기다릴 이유가 없으므로 순시 요소가 즉시 동작합니다. 그래프의 수평선이 그것입니다.

결국은 시간 싸움

계전기 동작에 걸리는 시간과 차단기가 접점을 벌려 아크를 끄는 시간(보통 3~5 사이클, 즉 0.05~0.08초)을 합친 것이 고장 제거 시간입니다. 이 시간이 길어지면 기기가 열적·기계적으로 손상되고, 발전기들이 동기를 잃어 계통 전체가 불안정해집니다. 0.1초를 다투는 이유가 여기에 있습니다.