59N의 경우는 NGTR 2차측 전압을 이용하여 동작합니다. 발전기 중성점측 지락사고시 전압이 0V로 변화가 없어 검출이 어렵습니다. 59N의 픽업값이 0.05 pu정도 되므로 발전기 단자측 사고시 최대영상전압값이 나오며 그에 비해 픽업값은 0.05 pu정도되기 때문에 0.05 pu 이하의 전압값이 발생되는 중성점측으로 부터 고정자 권선의 5%정도를 보호할 수 없게 됩니다. 이러한 나머지 5%정도의 범위도 보호하기 위해 사용합니다.
(고저항 접지 방식 발전기 기준이며 59N 설정은 0.05 pu이상 일 수 있습니다.)
이하 내용은 해당 보호요소에 대해 구글링하다 나온 논문 중 일부를 번역한 내용입니다.
배움이 부족하여 오역이나 잘못된 점있을 수 있으니 막 지적해주셔도 됩니다.
서론
고임피던스 접지 발전기에서 고정자 권선의 상위 85~95%에서 발생하는 지락는 기본파 과전압(59N) 요소로 감지할 수 있습니다. 그러나 발전기 중성점 근처(~15%)의 접락 사고는 다음과 같은 이유로 검출해야 합니다.
• 중성점 근처의 지락이 감지되지 않으면 발전기가 직접 접지 됩니다. 그러므로 중성점 고저항을 우회하여 심각한 발전기 손상을 유발합니다. 그림 1은 이물질로 인한 중성점측의 절연 손상을 보여줍니다. 이 상태를 조기에 발견하면 절연 손상과 지락 사고 가능성을 줄일 수 있습니다.
• Series fault는 도체의 손상 또는 접속점의 고장으로 인해 발생할 수 있습니다. 전류는 사고 지점을 가로질러 아크를 통해 계속 흐릅니다. 아크는 고정자 코어의 절연 벽 을 뚫고 지락으로 발전하기 전에 8~12인치 사이에서 구리 도체를 녹여버립니다.
일부 발전기 관리자는 중성점 단자 근처(~15%)의 결함에 대해 경보만 울리고 계획된 정전으로 문제를 해결하는 것을 선호합니다. 하지만 중성점 근처에서 지락 발생으로 발전기 손상을 일으키므로 보호가 필요합니다.
보호방식의 종류
고저항 접지 발전기의 중성점 근처에서 지락을 감지하기 위한 방식은 일반적으로 두 가지 있습니다.
1. 제3차 고조파 보호 시스템은 대부분 발전기에서 생성된 제3차 고조파를 사용합니다. 코일간격/극간격이 2/3 비율을 가진 장치는 예외입니다.
a) 단자측 PT가 Y결선 중성점 접지된 경우 단자(VT3)에서 제3고조파 측정이 가능합니다. 이 경우 VT3과 NGT(중성점 접지 변압기)에서 측정된 중성점측 제3차 고조파(VN3)가 모두 사용됩니다.
b) 단자측 PT가 Open-delta 또는 Wye-ungrounded(VT3 사용 불가)인 경우 VN3을 사용하는 3차 고조파 중성선 저전압 요소(27TN)가 적용됩니다.
2. Injection 방식에는 NGT에 신호 인가해야 합니다. 작동 원리는 접지 저항이 측정되는 절연 테스터의 원리입니다. 저항이 임계값 아래로 떨어지면 지락으로 인식합니다. 이 방법은 별도의 디바이스가 필요하지만 발전기에서 생성되는 제3고조파에 의존하지 않고 발전기 정지상태에서도 동작 할 수 있습니다.
제 3고조파 등가 회로 분석
발전기의 제3고조파 회로에 초점을 맞추어 분석을 시작합니다. 발전기 승압 변압기(GSUT) 델타 권선은 전력계통에서 제3고조파 절연을 제공하며 등가 회로는 그림 2과 같습니다.
분산된 고정자 접지 절연 정전용량(CG)는 그림 2와 같이단자측와 중성점측 사이의 등가회로로 단순화됩니다. 단자측에는 외부 정전용량 (Cx -SA, IPB, GSUT 정전용량), NGT 2측 임피던스(ZN3sec)는 1차로 환산될 때 Cg 및 Cx의 정전용량의 합과 동일하도록 선택됩니다.
VT3 및 VG3은 각 상 전압의 평균입니다. 위치m에 고정자 지락이 발생한 경우, 회로는 그림 3과 같습니다.
측정된 VN3 및 VT3을 이용하여 지락사고를 감지할 수 있습니다. 표 1은 고저항 중성점 접지가 있는 단일 분기 발전기에 대한 계통 데이터의 예입니다. VG3은 발전기에서 생성된 제3 고조파의 총합이며 분석을 단순화하기 위해 기준(1pu)으로 하였습니다. 다중 분기 및 소호리액터 접지 발전기가 있는 계통에도 유사한 접근 방식을 적용할 수 있습니다.
표 1. 제3고조파 회로 데이터
| Parameter | Data |
| Third-harmonic source (VG3) | 1 pu ∠0° |
| 1 pu ∠0° | Stator ground (Cg): 0.342 μF External (Cx): 0.100 μF |
| Neutral-grounding impedance (ZN3) | 2.0 kΩ equal to 1/(3ω[Cg + Cx]) |
| Nominal frequency | 60 Hz |
참고로 표 2는 사고점 m = 0.15 pu인 다양한 사고 저항(Rf)에 대해 계산된 여러 VN3 및 VT3 값입니다. (정상운전시 Rf = ∞) 분석을 용이하게 하기 위해 모든 값은 pu입니다.
표 2. 사고 저항에 대한 VN3 및 VT3
| Rf | 0 Ω | 200 Ω | 2 kΩ | 10 kΩ | ∞ Ω |
| VN3 | 0.15 pu ∠0° |
0.21 pu ∠35.5° |
0.51 pu ∠29.0° |
0.57 pu ∠20.9° |
0.58 pu ∠18.4° |
| VT3 | 0.85 pu ∠0° |
0.84 pu ∠–8.3° |
0.61 pu ∠–24.2° |
0.51 pu ∠–23.4° |
0.48 pu ∠–22.3° |
중성점 저전압 보호요소 - Scheme A
Scheme A 방정식은 (1)에 의해 정의됩니다.
VN3과 VT3의 벡터합은 항상 VG3에 더해지고 연산자 ||는 절대값울 나타냅니다. 그림 3에서 PKPA가 0.15 pu일때 동작영역을 표시한것이 그림 4 입니다.
발전기가 정상일 때 VG3는 단자측 정전용량와 중성점 임피던스로 구성된 병렬 회로에서 강하됩니다. 대부분의 현장에서 정상 동작시 식(1)의 비율은 0.40~0.80 입니다. 중성점 임피던스의 크기가 너무 작으면 비율은 0.40에 가까워집니다.
발전기 단자 외부에 큰 정전 용량이 있는 경우 비율은 0.80에 가까워집니다. 일반적 크기의 계통에서 비율은 0.58입니다.
지락 사고(Rf = 0Ω)동안 VN3 및 VT3은 VG3과 동상입니다. 그러므로 모든 지락사고 경우 식(1)의 비율은 사고점m과 같습니다. Rf가 증가함에 따라 VN3은 VG3에 거의 수직으로 발산합니다. 그 결과 Rf가 증가함에 따라 VN3의 크기가 증가합니다. 픽업 설정은 고정자 권선 보호범위의 비율로 정정합니다.
즉, 이 분석을 기반으로 Scheme A 발전기에서 생성된 제3 고조파(VG3)을 이용한 중성점 저전압 요소로서 사용하는 것입니다. 방법은 일반적으로 발전기를 조사할 필요가 없으며 중성점 접지 임피던스가 발전기 주변의 정전용량와 일치한다것을 전제으로 합니다.
식(1) 비율의 분모는 페이저 합계이므로 NGT 극성은 그림 2와 일치해야 합니다.
수학적으로 Scheme A 방정식(1)은 (2)의 과전압 감시의 하위 집합이므로 디지털 계전기에서 이 감시에 이점이 없습니다.
일부 보호계전기에서 (1)은 (3)으로 재배열됩니다. 여기서 β는 security-bias factor이며, 수학적으로 PKPA의 역수이며, 이는 원하는 고정자 권선 보호 단위당 물리적인 값에 해당합니다.
발전기는 일반적으로 극 모양, 권선 기능, 부하 및 포화에 따라 발전기 공칭 선간 전압(VLN)의 1~10% 범위에서 VG3를 생성합니다. Scheme A에는 외부 제3고조파에 대해 오동작 방지를 위해 최소 감시(예: VG3 > 1%)기능을 포함합니다.
내용이 더 있는데 아직 이해를 못해서 못올렸습니다. 좀더 공부해서 Scheme B,C,D 방식도 추가하겠습니다.
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