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개폐장치 일정표에는 5 A의 고저항 접지와 10초 동작 저항기를 명시하였다. 시공업체는 정확히 그대로 설치하였다. 그러나 누구도 시스템 충전 전류를 측정하지 않았는데, 이 공장의 차폐형 5 kV 케이블, 서지 억제기 및 드라이브 입력 필터로 인해 약 6.8 A에 달하였다. 첫 번째 상대지 고장 시 저항기는 전체 용량성 전류를 부담하였고, 감지 릴레이는 전류 증가를 인식하지 못하였다. 결과적으로 공장은 2일간 접지된 상 상태로 계속 가동되었다. 두 번째 고장은 다른 상에서 발생하여, 단순 불편 사항이 상간 아크 플래시로 악화되었다. 모든 설비는 도면대로 시공되었으나, 접지 방식 자체는 여전히 부적절하였다.
변압기 중성점 접지 절연 실패 시 흐르는 전류의 크기를 결정하고, 보호 장치가 작동하여 차단할지 경고만 할지, 그리고 변압기와 케이블 및 개폐 장치가 견뎌야 할 전류의 크기를 정하는 설계 결정이다. 이 결정은 설계 단계에서 한 번만 내려지며, 일반적으로 사양서의 한 줄을 차지한다.
산업용, 송배전용, 데이터센터용 시스템 대부분을 아우르는 네 가지 방법이 있다: 직접 접지, 저저항 접지, 고저항 접지, 제그잭 또는 와이-델타 접지 변압기를 통한 접지. 각 방법은 서로 다른 질문에 대한 해답이며, 첫 번째 접지 고장 시 시스템이 어떻게 동작하기를 원하는지에 따라 적절한 해답이 달라진다.
변압기 중성점 접지 방식이 결정하는 것
접지 고장은 위상 도체와 대지 사이에 회로를 완성한다. 흐르는 전류의 크기는 귀환 경로의 임피던스에 의해 결정되며, 이 귀환 경로는 시스템 중성점과 접지 전극 시스템 사이의 연결을 통해 형성된다. 연결 방식을 바꾸면 고장 전류의 크기, 감지 속도, 그리고 고장 제거 과정에서 발생하는 손상 정도가 모두 달라진다.
사양서에서 언급할 만한 두 가지 참고 자료가 있다. IEEE Std 3003.1-2019 는 산업 및 상업용 전력 시스템의 시스템 접지를 다루며, 그린 북(Green Book) 시리즈의 현대적 후속 표준이다. IEEE Std C62.92.1-2016 은 1,000 V 초과의 유틸리티 시스템 중성점 접지를 다룬다. 두 표준 모두 동일한 균형 원칙을 기반으로 한다: 접지 고장 전류는 신뢰성 있게 감지될 수 있을 만큼 충분히 커야 하며, 동시에 장비를 파손시키지 않을 만큼 작아야 한다.
아래 표는 네 가지 접지 방법을 요약한다.
| 방법 | 일반적인 고장 전류 | 감지 철학 | 적용 분야 |
| 단단한 접지 | 볼트드(three-phase) 값까지 | 순시 과전류, 작동 | 480 V 이하, 저압 배전 |
| 저저항 접지(LRG) | 100 A - 1,000 A, 일반적으로 200 A - 400 A | 과전류 계전기, 선택적 조정 | 선택적 차단이 필요한 중압 산업용 배전 |
| 고저항 접지(HRG) | 5 A - 25 A | 민감한 계전기, 먼저 경보 발생 | 드라이브 중심 공장, 연속 공정, 데이터 센터 |
| 지그재그 접지 변압기 | 저항기 또는 변압기 설계에 의해 설정됨 | 민감한 계전기 | 델타 시스템, 중성점에 접근할 수 없음 |
직접 접지: 최저 비용 및 최고 고장 전류
직접 접지 시스템에서는 중성점이 접지 전극 시스템에 직접 연결된다. 전류를 제한하는 요소가 없으므로 상대지 고장 시 해당 지점에서 가능한 볼티드 3상 값에 근접할 수 있다—480 V에서 2,000 kVA 단위의 경우 수 킬로암페어에 달한다. 이는 설계 결함이 아니라 바로 그 목적이자 장점이다. 고장 전류가 크기 때문에 모든 보호 장치가 이를 감지하고 몇 사이클 내에 차단된다.
청구서는 다른 곳으로 도착한다. 버스 보강, 차단기 차단 정격치 및 아크플래시 연구에서의 사고 에너지 계산은 모두 해당 전류에 비례한다. 대부분의 480 V 시스템에서는 여전히 고체 접지가 실용적인 선택이다. 왜냐하면 상대지 전압이 277 V로 유지되고, 절연 및 서지 억제기 부하도 적정 수준으로 유지되기 때문이다. 그러나 중압 영역에서는 이 논리가 변압기, 케이블 및 개폐 장치가 견디기 어려운 고장 전류를 유발하므로 타당성을 잃는다.
한 가지 결과가 사람들을 놀라게 한다. 고체 접지 시스템에서는 대부분의 고장이 단일 상대지 사고로 시작되어 악화되기 전에 신속히 차단된다. 반면 비접지 또는 고저항 접지 시스템에서는 첫 번째 고장이 종종 전혀 차단되지 않는다.
저항 접지: 저저항 접지 대 고저항 접지
중성선과 접지선 사이에 저항기를 삽입하면 설계 철학이 구체적인 수치로 바뀐다. 저저항 접지 방식은 일반적으로 지락 전류를 수백 암페어 수준으로 제한하며, 중압 시스템에서는 보통 200 A에서 400 A까지가 흔하다. 이 정도 전류는 여전히 표준 과전류 릴레이가 감지하고 조정할 수 있을 만큼 충분하다. 따라서 LRG는 고장 난 피더가 주차단기 대신 선택적으로 차단되기를 원하는 공장에서 사용된다.
고저항 접지 방식은 훨씬 더 나아가 지락 전류를 5 A, 10 A 또는 25 A로 제한한다. 이 수준에서는 지락이 일반적으로 차단보다는 경보로 처리되며, 정비 인력이 고장을 찾아내는 동안 공장은 계속 가동된다. 모터 구동 부하가 많은 산업 시스템, 차단을 견딜 수 없는 연속 공정 공장, 그리고 데이터센터의 중압 배전 시스템 등이 모두 이 방식을 채택한다. 변압기와 케이블은 더 이상 수 킬로암페어 규모의 지락 사고를 견뎌내야 할 필요가 없으며, 지락으로 인한 아크플래시 위험도 전류 감소에 따라 줄어든다.
여기서 대부분의 구매자가 놓치는 부분이다. 고저항 접지 방식은 저항기의 허용 전류가 시스템 충전 전류보다 클 때만 제대로 작동한다. 차폐 케이블, 서지 억제기, 드라이브 입력 필터의 충전 전류는 실제 전류이며, 접지 고장 시 이 전류는 저항기와 고장 경로를 동시에 통한다. 만약 저항기의 허용 전류가 그보다 작다면, 릴레이는 고장을 정상적인 용량성 전류와 구분할 수 없게 된다—이것이 바로 본 기사 서두에서 언급된 사례에서 실제로 발생한 상황이다. 올바른 절차는 실제 설치 환경의 용량성 전류를 측정한 후, 여유를 두고 그보다 높은 값을 저항기 허용 전류로 선정하고, 그다음에야 시간 지정 값을 설정하는 것이다.
지그재그 접지 변압기: 존재하지 않는 중성점을 만드는 장치
위의 모든 설명은 중성점에 저항기를 연결할 수 있는 중립점을 가정한 것이다. 델타 결선된 전원 또는 2차 측 중성점이 외부로 인출되지 않은 변압기는 그러한 중립점을 제공하지 않는다. 지그재그 접속 방식의 장치는 이 문제를 해결한다. 이 장치의 권선은 제로시퀀스 전류에 대해 낮은 임피던스를 나타내므로, 대지 고장 전류를 위한 의도적인 귀환 경로를 생성한다. 동시에 양시퀀스 및 음시퀀스 전류에 대해서는 높은 임피던스를 나타내므로 정상 운전 시에는 거의 부하 전류를 흐르게 하지 않는다. 스타-델타 접속 방식의 장치도 다른 권선 배치를 통해 동일한 기능을 수행한다.
그러한 동작 특성이 바로 접지 변압기 부하 변압기와 완전히 다른 사양서에서 명시된다. 일치시켜야 할 수치는 단시간 중성선 전류와 그 지속 시간이다—10초 및 1분이 일반적인 정격값이다—그리고 정상 운전 시 발생하는 불평형에 대해 지속적으로 허용되는 중성선 전류 용량도 포함되며, 이는 Z-형 연결 장치의 경우 일반적으로 단시간 정격치의 몇 퍼센트 수준이다. 단시간 정격치만으로 명시하면 지속적인 불평형 상황에서 과열이 발생한다. 부하 변압기처럼 명시하면 결코 사용하지 않을 구리를 구매하게 된다.
구동 장치가 많은 시스템에서는 Z-형 연결 장치를 보통 저항기와 함께 사용한다. 이 저항기는 허용 전류를 설정하고, 변압기는 저항기가 필요로 하는 중성선을 공급한다.
저항기 크기 결정: 작동 여부를 좌우하는 네 가지 수치
중성선 접지 저항기는 짧은 시간 동안 작동하는 장치로, 소수의 핵심 정격치만 갖는다. 다음 네 가지 수치가 현장에서 해당 방식이 제대로 작동할지를 결정한다.
- 측정된 용량성 전류. 실제 설치 조건에서 실제 전압으로 측정하십시오. 표의 값은 출발점일 뿐 정답이 아닙니다.
- 통과 전류 고저항 접지의 경우 5 A, 10 A 또는 25 A; 저저항 접지의 경우 200 A에서 400 A까지. 두 경우 모두 측정된 용량성 전류보다 여유분을 포함해 높아야 합니다.
- 시간 정격 10초 및 1분이 일반적입니다. 13.8 kV 계통에서 400 A, 10초용 저항기는 고장 시 약 3.2 MW를 소산시키며, 10초 동안 약 32 MJ의 에너지를 방출합니다. 고장을 그대로 방치하면 계통이 파손됩니다.
- 전압 및 절연 정격 접지 고장 시 저항기는 고장 지속 기간 동안 계통의 상-중성선 전압 전체를 계속해서 유지합니다.
저항기 데이터시트에는 포함되지 않지만 동일한 논의에 포함되어야 할 항목이 두 가지 더 있습니다: 첫째는 감지 방식 — 즉, 계전기가 감지된 전류를 어떻게 해석하여 경보를 발령할지 아니면 차단 작동을 수행할지 — 이고, 둘째는 저저항 접지의 경우 전류 제한 후에도 협조 분석 결과가 여전히 유효한지 여부입니다.
라이언 일렉트릭이 맞춤 주문에 대한 접지 설계를 어떻게 지원하는가
접지 설계는 변압기에서 시작되며, 이는 권선 배치 방식이 중성선의 존재 여부를 결정하기 때문이다. 맞춤형 삼상 변압기 와이(Y) 2차측을 갖춘 경우, 우리는 접지 고장 부하 용량을 충족하도록 절연 처리된 부싱을 통해 중성선을 인출하며, 접지 및 조정 분석에 필요한 권선 배치 및 벡터 그룹 데이터도 제공한다. 고객의 접지 방식이 저항 접지 또는 지그재그 접지를 요구할 경우, 우리는 공장 수령 시험(FAT) 단계가 아닌 견적 제출 단계에서 중성선 배치를 확인한다. 이는 사전에 15분 정도 소요되는 간단한 대화일 뿐이지만, 이를 놓치면 재작업 주문이 발생하게 된다.
우리는 12만 제곱미터 규모의 시설에서 180세트 이상의 생산 및 시험 장비와 37건의 특허를 보유하고 있으며, UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS, CE 인증을 모두 취득했습니다. 2023년부터 라이언 일렉트릭(Ryan Electric)은 이턴(Eaton)의 공식 합작 법인 파트너로 운영되고 있습니다. 각 제품과 함께 제공되는 정기 시험 보고서에는 현장에서 중성점 및 접지 연결을 확인하는 데 필요한 권선 저항 및 변압비 데이터가 포함되어 있습니다.
변압기 RFQ와 함께 접지 계획서를 보내 주세요
단선도, 접지 방식, 설계 기준 중성 전류 및 지속 시간, 그리고 변압기 정격 용량을 저희에게 보내 주십시오. 당사 엔지니어링 팀은 해당 분석에 부합하는 변압기 중성점 접지 구성안(중성점 부싱 포함)을 제시해 드리며, 설치 엔지니어는 설계를 확인하는 작업만 수행하면 됩니다—설계를 새로 찾아내는 수고는 필요 없습니다. 견적 단계에서 기초를 확실히 다지는 데는 비용이 들지 않지만, 최초의 접지 고장 후에 이를 발견하게 되면 정전이라는 큰 대가를 치러야 합니다.
저자 소개: 이 기사는 레이언 일렉트릭(장쑤 레이언 트랜스포머즈)의 엔지니어링 팀이 작성했습니다. 레이언 일렉트릭은 2007년 이래로 유틸리티, 데이터 센터, 재생 에너지 발전 및 산업 분야 고객을 대상으로 캐스트 레진, 오일 임머스드, 패드 마운티드 변압기를 제조하는 업체입니다. 해당 팀은 IEEE C57 및 IEC 60076 요구사항을 매일 적용하며, 사양 수립, 공장 시험, 현장 가동 지원을 통해 개발자 및 EPC 계약업체를 지원합니다.