Download - Grounding and Grounding Fault analysis

제 편( 3 )

전력계통 접지방식 및 지락보호 해설

파워세븐엔지니어링

대표 기술사 이성우/

2013. 12

파워세븐엔지니어링

www.p7c.co.kr

- 2 -

참고 규격 및 문헌

-ANSI/IEEE Std. 141-1986[page 172, 347]

-ANSI/IEEE Std. 141-1986[page 255~258]

-ANSI/IEEE Std. 141-1986[page 286]

-IEEE Std. 142-1991[page 20]

-ANSI/IEEE Std. 242-2001[page 238~239]

전력계통 구성과 에 의한 해석 김정철 저 도서출판 기다리- IEC / , [2009]

지락보호 시스템 이성우 편저 도서출판 기다리 출판- [2] / , [2003]- 絶

- 3 -

이성우 기술사 Profile

주요 이력1.

수도전기공업고등학교 회 특성화 기 송배전과 졸업- 56 ( 4 1984)

한국전기안전공사- (1984~1992)

한밭대학교 전기공학과 졸업- (1992~1996)

주 서울유일엔지니어링-( ) (1996~2003)

한국전력기술인협회 강사 기술전문위원- , (~2012)

파워세븐엔지니어링 대표 현재- (2004~ )

자격 및 등록2.

전기안전 기술사- (1998)

기술사 사무소 제 호- ( 14-06-003 )

저서3.

접지시스템 계획 도서출판 기다리- [1] (2003)

지락보호 시스템 도서출판 기다리 출판- [2] (2003)- 絶

단락전류 활용기술과 고조파 해석 및 대책 도서출판 기다리- [3] (2010)

뜨 뜨 아 도서출판 기다리- ! (2013)

홈페이지4. : www.p7c.co.kr

- 4 -

목 차

계통 접지방식 정의1.

지락고장 조건별 벡터도2.

비접지계통 지락고장3.

벡터도①

지락전류 위상각/②

지락전류 계산결과 사례③

④ 등가회로

건전상의 대지간 이상전압 상승⑤

고압 비접지계통의 주요 문제점⑥

및 고압전동기 소손 사례GPT⑦

저항접지계통 지락고장4.

벡터도①

중성점 저항② RN 및 지락전류 크기 결정

중성점 저항기 정격사양NGR(Neutral ground resistor)③

상 접지용 변압기 정격사양3 GTR(Grounding transformer)④

직접접지계통 지락고장5.

벡터도①

저압계통 지락고장시 과전압②

저압계통 접지방식별 선 지락전류 비교1③

저압회로 인버터 소손 사례④

지락전류 검출방식6.

지락보호 시스템 검토 예7. Next to : 제 편4 기기 절연협조

- 5 -

제 편3 전력계통 접지방식 및 지락보호 해설

계통 접지방식 정의1.

표[ 1] 계통 접지방식 비교

구 분 비접지① 저항 접지② 직접 접지③

변압기 차측2

계통접지 개략도

최대 선 지락전류1

저압 수 이하: 380mA ~ A

고압 수십 이하: ~ A

케이블 거리에 따라 충전전류 포함시( )

저압 정도: 5~10A

특 고압 수백 정도/ : A

(IR≥ 3IC0 관계로 정함)

전압 및 변압기 용량에 따라

수만 이하A ( 상 단락전류3 )≒

선 지락 고장시1

건전상의 과전압

( ×E0) 간헐적인 지락 고장시의( arc

과도전압은 배로 매우 가혹함6~8 )

( ×E0) 고저항 접지에서 과도전압(

은 배2.6 )

(1.4×E0)

저압은 아래 주 참조[ ] 2.

지락고장 선택 차단 후비보호 협조- 선택 차단 후비보호 협조- 선택 차단 후비보호 협조-

지락 보호시스템 구성 복잡함 등으로 구성(GPT, ZCT, SGR ) 단순함 단순함

적 용국내는 중대형 건축물 또는 플랜트에서

무분별하게 적용하고 있음.특 고 저압회로․ ․ 특 고 저압회로․ ․

주[ ] 공칭 대지전압1. (E0 은 상전압) (E0 과 같음) .

이하의 저압계통 접지방식은2. 1000V IEC 60364 계통접지방식 분류 표 참조[ 4] .

고압 비접지 계통은 케이블과 대지간에 간헐적인 지락고장시 동시다발로 전동기 절연을 저하시킬 수 있음3. arc . 설계 자제토록 권장( )

계통규모에 따라4. 비접지 저항접지 직접접지 방식으로 검토-> ->

- 6 -


지락고장 조건별 벡터도 중성점을 접지하지 않은 경우2. ( )

그림[ 1] 지락고장 조건(ANSI/IEEE Std 141-1986[172] Fig 47)

그림[ 2] 정상시 벡터도 그림[ 3] 지락 고장조건별 벡터도

- 7 -



벡터도①

그림[ 4] 비접지 계통

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지락전류 위상각/②

건전상태의 경우 상당 충전전류1

IC1 = IC2 = IC3 = 2πfcE

단, E = V√3

대지전압 상이 평형될 때 대지로 흐르는 전류는: (3 ICg = IC1 + IC2 + IC3 = 0A)

C 상당 커패시턴스: 1 ( / )

상이 지락된 경우 충전전류에 의한 지락전류a ,

상이 지락되면a 그림[ 4]와 같이 건전상의 대지전압은 배로 상승됨으로3√

IC2 = IC3 = 2πfc√3 V

√3= 2πfcV

이제 대지간 충전전류에 의한 지락전류, jIC는?

jIC=IC2+IC3 =√3 2πfcV =3 2πfcE 대규모 플랜트 비접지계통의 경우( 수십A까지 발생하는 사례가 많음)

접지방식인 경우 합성된 지락전류 및 위상각GPT

IGF = (IN+ jIC )∠tan − 1 IC

IN

(A ) 수량이 여러 대인 경우(GPT IN전류는 대수만큼 증가됨380 ×GPT . 케이블 충전전류가 큰 경

우 위상각은 사이에 있는 경우가 일반적이며 영상 전압감도가 저하됨70°~90° , .)

- 9 -



지락전류 계산결과 사례③

표[ 2] 비접지계통의 지락전류 계산결과6.6kV

케이블 대지간의-

충전전류를 고려한

경우

케이블 대지간의-

충전전류와

접지콘덴서 설치된 경우

비 고

PM1

원질PM1 9.12A 87.6°∠ -

초지PM1 5.55A 82.1°∠ -

폐수처리장 0.83 62.92°∠ -

PM1 MAIN 15.48A 82.9°∠ -

PM3

원질PM3 10.3A 87.8°∠ 12.91A 88.3°∠

초지PM3 6.71A 86.7°∠ 9.32A 87.6°∠

보일러 6.56 86.6°∠ -

PM3 MAIN 23.6A 86.3°∠ 31.44A 87.2°∠

주[ ] 접지콘덴서는 철거하고 계통접지방식을 비접지 방식에서 저항접지 방식으로 변경 권장1. ,

고압 전동기 충전전류는 무시하고 계산함2. .

- 10 -



④ 등가회로

일반적으로 상 지락 고장시 건전상인, a 대지전압 상승?

Vb =(a 2− 1 )Z0 + (a

2− a )Z2Z0 + Z1 + Z2

Ea

VC =(a − 1 )Z0 + (a − a 2 )Z2

Z0 + Z1 + Z2Ea

단 벡터 연산자, : 1 = 1∠0˚ = 1 + j0 , a = 1∠120˚ = −12+ j

√32

, a 2 = 1∠240˚ = −12

− j

√32

, 1 + a + a 2 = 0

고장 직전의 상전압 또는 대지전압:

고장점에서 본 계통의 정상임피던스:

고장점에서 본 계통의 역상임피던스:

고장점에서 본 계통의 영상임피던스:

그림[ 5] 정상 및 역상 등가회로 그림[ 6] 영상 등가회로

, 등가회로: 그림 와[ 5] 같이 발전기 변압기 부하 선로 등의 정상 또는 역상 리액턴스, , , , 와 상간 용량리액턴스 의 병렬회로 표시

등가회로: 그림 과[ 6] 같이 기기 선로의 영상리액턴스, 및 계통의 중성점 저항 과 케이블의 대지 정전용량리액턴스 의 병렬회로 표시

- 11 -



건전상의 대지간 이상전압 상승⑤

비접지계통은 그림[ 6] 영상 등가회로에서 , Z0 = XCO = −1

wC 0

이므로 일반적으로 케이블의 대지간 정전용량리액턴스, 는 유도성의

+ 에 비해 크고 는 상규 대지전압의 배 이하임3 .

그러나 사고 양상에 따라서는 Z 0 + Z 1 + Z 2 ≒ 0 공진이 되어, 영상임피던스가 정상임피던스의 배가 되는 경우(-2) 는 매우

큰 과도 이상전압이 발생함.

그림[ 7] 지락 고장시 건전상의 과도 이상전압

그림[ 7] 횡축에 관계를 나타내고 파라미터, 조건일 때 공진점은 근방에 있다는 것을 알 수 있음 즉 비접지계통에서 선 지. , 1

락고장시 공진이 발생하면 과도 이상전압은 상규대지전압의 까지 높게 발생되어 동시다발적으로 고압기기의 절연을 손상시킬 수 있음6~8 , . 이상전압은 이

클수록 작아짐.

- 12 -



고압 비접지계통의 주요 문제점⑥

공진이 발생하면 과도 이상전압은 상전압의 배까지 상승할 수 있음, 6~8 . 보다도 가혹한 조건으로 추가 고장의 원인이 됨Surge .

동시다발 소손GPT

고압 전동기 동시다발 절연저하와 손상의 원인

지락보호방식 복잡 계통이 복잡해지면 선택차단 후비보호협조 어려운 사례가 발생하고 있음/ .

유지 보수비 증가

비접지 계통은 간헐적 또는 지속적으로 지락사고가 발생할 때「」전력계통과 대지간에 상전압의 배에 이르는 심각한 과전압이6~8

발생할 수 있음 이러한 전기적 이상 현상은 전력계통 의 반복 충전이거나 계통 와 기기 간의 공. Capacitance Capacitance Inductance

진에 의한 것이며 전기기기 절연을 손상시키거나 추가적인 지락고장의 원인이 됨, .

If this ground fault is intermittent or allowed to continue, the ungrounded system could be subjected to possible severe「

over-voltages to ground, which can be as high as six or eight times phase voltage. Such overvoltages can puncture insulation and

result in additional ground faults. These over-voltages are caused by repetitive charging of the system capacitance or by resonance

between the system capacitance and the inductances of equipment in the system.」 출처[ : 제 장ANSI/IEEE Std. 242-2001 8 page

238~239]

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및 고압전동기 소손 사례GPT⑦

그림[ 8] 소손GPT 그림[ 9] 전동기 고정자 권선 소손

전동기 소손 동작2011.6.22 : 6.6kV 190kW , SGR -> 대 동시 소손GPT 3

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벡터도①

그림[ 10] 저항접지 계통

- 15 -



중성점 저항② RN 및 지락전류 크기 결정

지락고장시 비접지계통의 과도 이상전압을 배3 이하로 억제하기 위하여 계통의 중성점을 저항, RN으로 접지함.변압기 -Y 결선은 중성점에 저항접지, - 결선은 모선에 접지용 변압기를 추가로 설치하여 저항접지 방식을 채택할 수 있음.

여기서,지락전류 제한값은 고압모선에 접속된 케이블의 대지간 충전전류보다 크게 흐르도록 그림[ 11]에서 보는 바와 같이 IR = IN≥ 3IC0의

관계가 되도록 선정.

그림[ 11] 저항접지계통 지락전류 흐름도

- 16 -



중성점 저항기 정격사양NGR(Neutral ground resistor)③

정격전류 에 정격전압을 인가했을 때 초기 전류이며: NGR , IN≥ 3IC0 관계로 선정

정격시간 에는 단시간 정격 초 분 분으로 되어 있으며 국내에서는 초 정격을 제작하고 있음: IEEE 32 10 , 1 , 10 , 30 .

정격전압 중성점용은 계통 전압의:1√3

로 함.

정격시간 온도상승 초 분 정격은 스테인리스 스틸인 경우 그리드 저항은: 10 , 1 760 , 560

예( ) 중성점 저항기 선정 예

R N =EIN=6600V/

√3

200A= 19Ω,

여기서 정격전압, 6.6kV/√3 정격전류 저항 단시간 정격 초 단 지락전류를 로 제한하고자 하는 경우, 200A, 19 , 30 , ( 200A )Ω

주[ ] 케이블이 장거리 또는 분기회로 수가 많은 경우 지락전류 크기는 장래 운용계획을 고려하여 충분히 고려함, .

- 17 -



상 접지용 변압기 정격사양3 GTR(Grounding transformer)④

상 등가용량Ground Transformer 3

kVA = 3 (V / √3 )

Ig

3k3

여기서, V 선간전압: (kV), Ig 지락전류: (A), k 3지락전류에 대한 중성점 연속전류 비: (%)

표[ 3] k3− factor

지속시간 상 접지용 변압기의3 Y- k3− factor초 미만10 -

분1 0.170

분2 0.240

분3 0.295

분4 0.340

분5 0.380

주[ ] 전력계통 구성과 에 의한 해석 권 페이지 김정철 저IEC 1 95 /

상 접지용 변압기 정격3

정격용량: Q = 6, 600√3

200 0 .240 = 183 [kVA ] ⇒ 200∼250 [kVA ] 선정 단 지락전류를 로 제한하고자 하는 경우, ( 200A )

정격전압: Pri. 6.6kV/√3 (Wye− connection with / neutral terminal ), Sec. 380V (Delta connection )

임피던스 %ZPS =5.5∼8%정도 추천

시스템을 구성하는 기타 기기 정격은 별도 검토.

- 18 -



벡터도①

그림[ 12] 직접접지 계통

저압계통 접지방식별 상전압 선간전압 선 지락사고시 건전상 대지간 과전압 중성선 대지간 전압 해설, , 1 - , -※

저압 계통접지방식별 지락보호 문제점※

- 19 -



저압계통 지락고장시 과전압②

표[ 4] 저압계통 지락고장시 과전압 비교

구 분

저압계통 접지방식 분류

TT TN-C TN-S중성선이 있는

IT

중성선이 없는

IT

상과 중성선 사이(N) 1.45Uo - 1.45Uo 1.45Uo -

상과 접지 사이(PE) 3Uo√ - 1.45Uo 3Uo√ 3Uo√

상과 사이PEN - 1.45Uo - - -

비고[ 1] 는 저압계통의 상전압 중성선 전압Uo ( )

주[ ] 제 편 서지보호장치 규격 해설 및 선정기술 참조2 (SPD)

- 20 -



저압계통 접지방식별 선 지락전류 비교1③

표[ 5] 저압 계통접지방식별 선 지락전류 비교1

구 분저압 계통접지 방식

TT TN-C TN-S IT Ungrounded

변압기 중성점 전류1. (In) 보다 작음TN 수 만 이하A 수 만 이하A 이하10A대 중성점GPT 1

380

커패시턴스 전류2. (IC) 1A≤ ≤ 1A≤ ≤ 1A≤ ≤ 1A≤ ≤ 1A≤ ≤

주[ ] 저압회로의 대지간 케이블 커패시턴스에 흐르는1. IC 전류는 이하가 일반적이지만 계통조건에 따라 더 클 수도 있음1A , .

ANSI/IEEE Std 141-1986[172, 347]

방식의 지락전류 제한 값은 이하 권장2. IT 10A . IEEE Std 142-1991[20]

직접접지 방식에서3. Z0 < Z1 or Z2임으로 최대 선 지락전류는 상 단락전류 이내 로 계산될 수 있음, 1 “3 ×125% ” .

ANSI/IEEE Std 141-1986[286]

직접접지계통에서 변압기 중성점 접지 또는 변압기 근접회로에 사용하는 영상변류기 는4. (Zero Sequence Current Transformer)

최대 지락전류를 고려하여 변류비 선정에 주의 예 변압기 중성점 선정( : 480V 1000/5A ) ANSI/IEEE Std 141-1986[255~258]

참고[ ] 접지전극의 형상이 등전위 본딩 되는 플랜트 또는 중대형 건축물에서는 저압 직접접지 계통의 최대 선 지락전류(Equipotential bonding) , , 1

는 상 단락전류 계산수식과 같이 적용하여도 실용상 문제가 없음 지락보호 시스템 검토 예 참조3 , (7. )

Ig= 3I0 =3E

Z 0 + Z 1 + Z2 + 3Rf

↔ Ig=3 100

%Z0 + %Z1 + %Z2 + 3Rf

IN → ISC =100%Z1

IN 여기서 IN 기준전류: , 3Rf 인 경우: 0

- 21 -



저압회로 인버터 소손 사례④

그림[ 13] 저압 단선도 예440V

VCB

유입변압기

ACB

MCCB

소형전동기 부하

. . . . . . . . . . . . . .

Inverter

M

150kW

160kW

* 시험운전

M

112kW

DC

M

112kW

DC

22.9kV

440V

M

110kW

160kW

* 시험운전

M

200kW

220kW

* 시험운전

440V

440V

* 인버터 소손내역 참조.

Inverter Inverter

Converter 170kVA

MCCB MCCB MCCB

Converter 170kVA

MCCB

소형전동기 부하

MCCB MCCB

MCCB MCCB MCCB MCCB

소형전동기 부하 소형전동기 부하

. . . . . . . . . . . . . .

- 22 -



표[ 6] 인버터 소손 내역

변압기 인버터 사양 시험 운전 기간 고장 일 작업 조건 특기 사항 비 고

22.9kV/440-254V

상3 1800kVA

유입%Z=4.64,

SV2200IP5A-4OL

440V, 220kW

2012.04.30~07.23 정상운전

회3

2012.07.24 판넬 설치

2012.07.24~08.11 2012.08.11 한전 정전 인버터 소손

2012.08.27~08.31 2012.08.31 수리 및 교체TR ACB 인버터 출력시 소손

2012.09.14~09.14 2012.09.14 초출시 운전시 소손1600rpm

SV1600IP5A-4OL

440V, 160kW

2012.07.24~08.24 정상운전

회22012.08.31 2012.08.31 수리 및 교체TR ACB 인버터 전원 투입시 소손

2012.09.14 2012.09.14 초출완료미접지 확인 및 접지선 연결

후 인버터 출력시 소손

- 23 -


인버터 소손 원인 : 상 결선 변압기3 Y 중성점 붓싱이 미설치 되어, 그림 와[ 14] 같이 상 대지간 불평형 전압이 발생함 이 현상은3 .

지락사고 시에 중성선과 접지선에 나타나는 것과 유사함.

그림[ 14] 상 대지간 불평형 전압3 94.22V 개선 전( ) 그림[ 15] 상 대지간 불평형 전압3 0.19V 개선 후( )

- 24 -


인버터 소손 원인 : 상 결선 변압기3 Y 중성점 붓싱이 미설치 되어, 인버터 회로 에 정도N~M point 94.22V 의 이상 전압이 인가되

고 정류소자가 동작할 때 지연으로 단락환이 형성 변환부 파손, over lap . -> 상 결선 중성점 붓싱 변압기로 교체한 후 접지하여3 4 ,

개선함.

그림[ 16] 상 전파 정류기 회로3 예 그림[ 17] 상 전파 정류기3 N~M point

참고[ ] 상 전파 정류회로는 개의 소자 군과 군의 소자는 서로 만큼 도통하고 는 동시에 도통하지 않음 정3 6 1, 3, 5 4, 6, 2 120° , 1~4, 3~6, 5~2 .

상적으로 정류소자가 동작할 때 과도기간에는 소자가 동시에 도통하는 전류중복1, 3 (Over lap) 현상에 의해 단락회로가 구성됨AC . 이때 전원AC

은 노칭전압 발생.

- 25 -


지락전류 검출 방식6.

직접접지 계통①

그림[ 18] 변류기 잔류회로 결선

제 편 변류기 규격해설 및 선정기술 참조1※

- 26 -



저항접지 계통②

그림[ 19] 변압기 또는 발전기( )

중성점회로 결선

그림[ 20] 관통형 변류기

(Ring Core Balance)그림[ 21] 권선 변류기 분로결선3

- 27 -



비접지 계통③

그림[ 22] 회로 지락전류 분류GPT 그림[ 23] 비접지 계통의 지락전류 흐름도 예

R =n 2 r9

=302 50

9= 5, 000 (Ω ) 여기서 한류저항을 차로 환산한 값 권수비 한류저항 크기R : 1 , n : GPT , r :

차권선에 흐르는 전류GPT 3 (0.38A/3 ) 30 = 3.8A 부담GPT 3.8A 190V= 1902/50 = 722VA 부담 가중

한류저항 에 걸리는 전력(CLR) (3.8A )2 50Ω = 722W, 지락보호계전기가 동작하지 않으면 과열소손 됨. 주[ ] 소손사례 많음440V .

정격 과전류배수ZCT 200/1.5mA : n0-, n0>100, n0>2000 지락 전류가 정도 계통일 때 을 선정( 20A n0>100 )

- 28 -


지락보호 시스템 검토 예7.

고압 비접지 계통을 저항접지 방식으로 제안 사례①

그림[ 24] 고압 비접지 계통을 저항접지방식으로 제안 사례

25ΩSGRCLR

고 압 케 이 블

대 지 간 정 전 용 량

200/1 .5m ASGR SGR

M

CLR

6.6kV BUS

6.6kV BUS

200/5AOCGR

고 압 케 이 블

대 지 간 정 전 용 량

M

6.6kV BUS

6.6kV BU S

NG R19.05Ω200A

OCGR OCGR

G PT 500VA x 3

200/5A 200/5A200/1 .5m A

200/1.5m A

200/5A

380m A

380m A

변 경 (안 )

25Ω

G PT 500VA x 3

G TR250kVA

OCGR

- 29 -


저압 변압기 차측 중성점 접지에 사용하는 변류기2 100/5A② 문제점 및 개선에 대하여

그림[ 25] 저압 변압기 차측 지락고장2

중첩 차동보호회로 예

- 30 -


지락보호 시스템 검토 예7.

가. 변류기 선정 데이터 예

변류비 100/5A① → 적정 변류비 단 저압 변압기 차측의 지락고장전류 크기에 따라 다소 차이가 있을 수 있음1,000/5A , 2 .

최대 선 지락전류1 :② Ig = 3I0 =3 100

%Z0 + %Z 1 +%Z2 + 3Rf

IN → ISC =100%Z1

IN =1006

2000 kVA√3 0.38

≒ 50kA

소요 부담 예 가정 제작사 카다로그 참조: 1.0VA ( )③

오차계급 보호계전기용이므로 또는 선정 적용시: 5P 10P (KSC IEC 60044-1 )④

나 과전류 정수 및 부담 검토 예.

소요 과전류 정수 배로 너무 과다하며(50,000A/100A)=500① → 소요 과전류 정수 배로 과다하며(50,000A/1,000A)=50 ,①

소요 부담을 로 가정할 때 지락전류가 흐르면1.0VA ?② → 소요 부담을 로 가정할 때 지락전류가 흐르면1.0VA ?②

로 부담이 너무 과다하게 계산됨 로 부담이 과다하게 계산됨1.0VA×500=500[VA] . 1.0VA×50=50[VA] .

따라서 부담 과전류 정수 일정한 관계가 있으므로× =③ → 따라서 부담 과전류 정수 일정한 관계가 있으므로× =③

과전류 정수를 으로 정하여 부담을 다시 계산하면 과전류 정수를 으로 정하여 부담을 다시 계산하면20 ? 10 ?

로 계산됨 로 계산됨500/20=25[VA] . 50/10=5[VA] .

다 저압 변압기 차측 중성점의 변류기 정격 비교 예. 2

100/5A, 25VA, 10P20, 63kA① → ① 1,000/5A, 5VA, 5P10, 63kA ⇔ 관통형 변류기 권장

② 분기회로 와 협조 곤란하여 주차단기MCCB Trip → 분기회로와 협조 가능②

인 경우Tap Range 0.5~2.0A③ → 인 경우Tap Range 0.5~2.0A③

2.0A1005

= 40 (A ) pick up 2.0A1,0005

= 400 (A ) pick up

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다음, 제 편4 은

기기 절연협조 입니다“ ” .

감사합니다.

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