과전류계전기와 한시특성의 개요
과전류계전기(OCR)는 보호구간에 설정값을 넘는 전류가 흐를 때 차단기를 동작시켜 설비를 분리하는 대표적인 보호계전 방식이다. 단락사고처럼 전류가 급격히 커지는 경우는 물론이고, 계통 구성에 따라 지속 과부하를 감시하는 역할까지 함께 맡는다. 기술사 답안에서는 단순한 동작 설명보다 한시특성과 정정이 왜 계통 선택차단의 핵심인지까지 연결해야 점수가 살아난다.
OCR는 전류의 크기만으로 판단하는 만큼 구조는 단순하지만, 실제 적용은 매우 정교하다. 같은 고장전류라도 상위와 하위 계전기가 동시에 떨어지면 정전 범위가 불필요하게 커지므로, 어느 계전기가 먼저 동작하고 어느 계전기가 후비로 남을지를 시간 축에서 맞춰야 한다. 그래서 한시특성과 정정은 계전기 자체의 문제가 아니라 계통 협조의 문제로 보는 편이 정확하다.
실무에서는 배전선로, 변압기 후단, 모선 연계부 등에서 OCR가 널리 쓰이며, 방향요소나 지락요소와 조합되기도 한다. 특히 방사상 계통에서는 전류 방향이 비교적 명확하므로 OCR의 적용성이 높고, 정정이 좋으면 경제성과 신뢰도를 함께 확보할 수 있다.
한시특성은 어떻게 동작할까
OCR의 기본 원리는 계전기 입력전류가 탭전류를 초과하면 내부 타이머가 기동하고, 설정된 시간 조건을 만족하면 차단명령을 내리는 것이다. 여기서 핵심은 전류가 클수록 더 빨리 동작하도록 만든 한시특성이다. 고장점에 가까운 계전기는 더 큰 전류를 보므로 먼저 동작하고, 상위측 계전기는 같은 사고를 보더라도 약간 늦게 동작해 후비보호가 된다.
한시특성은 크게 정한시와 반한시로 나뉜다. 정한시는 탭전류를 넘으면 전류 크기와 무관하게 거의 일정 시간 후 동작하므로 이해는 쉽지만, 큰 사고전류에 대해 굳이 기다리는 비효율이 있다. 반한시는 전류가 커질수록 동작시간이 줄어들어 계통 협조와 고장 제거 속도 면에서 유리하므로 배전보호에서 널리 채택된다.
정정은 보통 두 단계로 생각한다. 먼저 부하전류와 여유율을 고려해 탭전류 또는 픽업전류를 정하고, 그다음 하위 보호기기와의 협조시간을 고려해 시간눈금 또는 TMS를 맞춘다. 결국 전류정정은 오동작 방지, 시간정정은 선택차단 확보가 목적이며, 둘 중 하나만 맞아도 보호계통 전체가 성립하지는 않는다.
정정값은 어떻게 계산할까
정정에서 자주 쓰는 기본식은 다음과 같다. 첫째, 계전기 입력전류 I_r = I_p / CTR 이다. 여기서 I_p는 1차전류, CTR은 변류기비다. 둘째, 탭전류 I_set는 최대부하전류보다 다소 크게 잡아 불필요한 동작을 피한다. 셋째, 반한시 계전기의 동작시간은 일반적으로 t = TMS × f(M)로 나타내며, M = I_r / I_set 는 전류배수다.
계전기마다 세부 곡선식은 다르지만, 공통 개념은 M이 커질수록 t가 감소한다는 점이다. 따라서 정정 계산에서는 먼저 정상부하 시 M이 1을 넘지 않도록 하고, 최소고장전류 시에는 충분히 큰 M이 확보되는지 확인해야 한다. 여기에 상하위 계전기 사이의 협조시간 여유를 더해 시간눈금을 결정한다.
예를 들어 어떤 배전선로의 최대부하전류가 240 A이고 변류기비가 300 / 5라면 CTR은 60이다. 계전기 입력전류는 I_r = 240 / 60 = 4 A가 된다. 부하 변동과 약간의 여유를 고려해 탭전류를 5 A로 정하면 정상부하에서는 I_r / I_set = 4 / 5 = 0.8 이므로 계전기가 기동하지 않는다.
이제 선로 말단 단락 시 1차 고장전류가 1800 A라고 하면 계전기 입력전류는 1800 / 60 = 30 A다. 전류배수는 M = 30 / 5 = 6 이 된다. 만약 해당 반한시곡선에서 M = 6일 때 TMS = 1 기준 동작시간이 1.2 s라면, 실제 TMS를 0.2로 정정했을 때 동작시간은 t = 0.2 × 1.2 = 0.24 s다. 단위는 초이며, 전류배수 M은 무차원수이므로 시간식 좌우의 차원도 맞는다.
상위 계전기가 같은 사고를 보고 TMS 정정 결과 0.55 s에 동작한다면 두 계전기 사이 협조시간은 0.55 – 0.24 = 0.31 s다. 이 값이 차단기 동작 편차와 계전 오차를 감안한 최소 협조시간보다 크면 선택차단이 가능하다고 판단한다. 실무에서는 이런 계산을 여러 고장점에 대해 반복해, 가까운 사고와 먼 사고 모두에서 협조가 깨지지 않는지 확인한다.
한시특성의 종류와 적용
OCR의 장점은 구조가 비교적 단순하고 경제적이며, CT만 확보되면 다양한 전압계통에 적용하기 쉽다는 데 있다. 반면 임피던스 변동이나 계통 구성 변경에 따라 고장전류 수준이 크게 달라지면 기존 정정이 더 이상 적합하지 않을 수 있다. 그래서 계통 증설 뒤에도 예전 탭과 시간설정을 그대로 두는 관행은 상당히 위험하다.
배전선로에서는 재폐로 계전, 구간개폐기, 리클로저와의 협조가 중요하다. 변압기 후단에서는 투입돌입전류나 허용과부하 특성을 고려해야 하므로 단순히 부하전류의 몇 퍼센트라는 식으로 기계적으로 정하면 곤란하다. 이 주제는 시험에서도 보호협조도와 함께 출제되는 경우가 많아, 시간협조와 전류협조를 분리해서 서술하면 답안 흐름이 좋아진다.
또한 OCR는 방향성이 없는 기본형만으로는 병렬선로나 환상계통에서 선택성이 떨어질 수 있다. 이런 경우에는 방향과전류계전기, 거리계전기, 차동계전기와 역할을 나누어 적용한다. 즉 OCR는 만능 보호가 아니라, 계통 조건이 명확할수록 강점을 발휘하는 기본 보호라고 보는 편이 실무 감각에 가깝다.
정정 시 고려할 조건들
정정 시 가장 먼저 살필 부분은 최대부하전류, 비상운전전류, 기동전류를 구분하는 일이다. 이를 혼동하면 정상 운전에서 기동해 버리거나, 반대로 말단 고장에 둔감해지는 문제가 생긴다. 변압기 여자돌입이나 모터 기동이 큰 계통이라면 순간요소와 한시요소를 분리해 보는 것이 안전하다.
둘째는 최소고장전류 검토다. 계통이 길어질수록, 또 분산전원이 접속될수록 고장전류 분포가 바뀌어 말단 사고에서 계전기 감도가 부족해질 수 있다. 따라서 최대고장전류만 보고 빠른 동작을 확인하는 데서 끝내지 말고, 최소고장전류에서도 확실히 기동하는지를 함께 검토해야 한다.
셋째는 상하위 보호기기 간 협조시간 확보다. 차단기 차단시간, 계전기 오차, CT 포화 가능성까지 고려하지 않으면 계산상으로는 맞아 보여도 현장에서는 동시트립이 생길 수 있다. 결국 OCR 정정의 요체는 탭전류, 시간눈금, 계통 고장전류, 차단기 성능을 한 장의 협조도 위에서 함께 읽는 데 있다.
과전류계전기 정정의 핵심
과전류계전기(OCR)는 설정전류를 넘는 고장전류를 검출해 차단기를 동작시키는 가장 기본적인 보호계전 방식이다. 한시특성은 전류가 클수록 동작시간이 짧아지는 반한시 운용이 중심이며, 정정은 전류정정과 시간정정으로 나누어 검토한다. 계산에서는 I_r = I_p / CTR, M = I_r / I_set 를 먼저 구하고, 여기에 곡선과 TMS를 적용해 동작시간을 산정한다. 답안에서는 선택차단, 최소고장전류, 협조시간 여유를 함께 묶어 써야 실무형 서술이 된다.