변압기 보호 계전기 비율차동·과전류 완벽 정리 | KEC 212 기준 포함

전기 안전·보호 | 보호 계전기 | 글번호 114

변압기 보호용 계전기 종류
(비율차동·과전류) 적용 완벽 정리

🔴 고급 🎯 전기기술사 대비 📋 KEC 212 기준 ⚡ 현장 실무

01 / 도입

왜 두 가지 계전기가 모두 필요한가?

변압기는 전력 계통에서 가장 고가이며 교체가 어려운 핵심 설비입니다. 내부 절연 파괴, 권선 단락, 철심 손상 등의 변압기 내부 고장은 과전류 계전기(OCR)만으로는 감지가 늦어 대형 화재와 설비 전소로 이어질 수 있습니다. 반대로 외부 계통의 단락사고나 과부하는 비율차동 계전기(RDR)의 감시 범위 바깥이므로, 두 계전기를 역할에 따라 분담·조합하는 설계가 필수입니다.

실무에서 흔한 오류는 슬로프(비율)를 10% 이하로 낮게 설정해 무부하 여자 돌입전류(Inrush Current)에 의한 오작동을 유발하거나, 반대로 너무 높게 설정해 내부 고장 감지 감도가 떨어지는 것입니다. 비율차동 계전기 슬로프 20~40% 설정 기준과 과전류 계전기의 픽업 전류 1.2배 기준을 정확히 이해하면 이런 문제를 예방할 수 있습니다.

본 글에서는 비율차동 계전기와 과전류 계전기의 동작 원리, 적용 범위, KEC 기준, 실제 설정 절차까지 SVG 도면 5종과 함께 체계적으로 정리합니다.

📌 핵심 요약
비율차동 계전기 → 변압기 내부 고장 감지 (500 kVA 이상 필수)
과전류 계전기(OCR) → 변압기 외부 단락·과부하 보호
두 계전기의 조합으로 내·외부 보호를 완성하며, KEC 212조가 이를 규정합니다.

02 / 시스템 구성

보호 계전기 시스템 전체 구성

[ 블록 다이어그램 ] 변압기 보호 계전기 시스템 구성

위 블록 다이어그램에서 비율차동 계전기(RDR)는 변압기 1차 CT(CT1)와 2차 CT(CT2)에서 각각 전류를 받아 1차·2차 전류의 벡터 차이(차동전류)가 기준값을 초과하면 CB1·CB2를 동시에 트립시킵니다. 과전류 계전기(OCR)는 2차 측 부하전류를 감시하며 정격의 1.2배 이상인 과전류가 정정 시간 이상 흐르면 CB2를 트립시킵니다. 두 계전기는 보호 범위가 일부 중첩되며, 이것이 고신뢰도 보호 설계의 핵심입니다.

03 / 비율차동 계전기

비율차동 계전기 동작 원리와 구조

동작 원리

비율차동 계전기(Ratio Differential Relay, RDR)는 변압기 1차 측과 2차 측에 설치한 CT에서 취한 전류를 비교해 동작합니다. 정상 운전 시 1차 전류와 2차 전류(CT 비율 보정 후)는 크기와 위상이 거의 같으므로 차동전류(Id)는 거의 0에 가깝습니다. 권선 단락·층간 단락 등 변압기 내부 고장 발생 시 비율차동 계전기 동작으로 차동전류가 급격히 증가해 계전기가 동작합니다.

비율차동 계전기의 핵심 파라미터는 슬로프(K)와 최소 동작전류(Id_min)입니다. 슬로프는 억제전류(Ibias) 대비 차동전류(Id)의 비율로, K = Id / Ibias × 100(%)로 표현합니다. 일반적으로 비율차동 슬로프 20~40% 범위 설정이 권장됩니다. 10% 이하로 설정하면 여자 돌입전류(Inrush)에 의해 오작동 위험이 높아지고, 50% 이상이면 내부 고장 감지 감도가 저하됩니다.

변압기 결선 방식(Δ-Y 등)에 따라 1차·2차 전류 사이에 30° 위상차가 발생합니다. 디지털 계전기는 내부 소프트웨어로 위상 보정을 수행하지만, 전통적인 전자식 계전기는 CT 결선(Δ-Y 보정)으로 위상차를 보상해야 합니다. 이 CT 결선 방식을 잘못 적용하면 정상 운전에서도 계전기가 오동작할 수 있으므로 주의가 필요합니다.

⚠️ 여자 돌입전류(Inrush) 대책
변압기 투입 시 2~10배 돌입전류가 발생합니다. 비율차동 계전기는 2고조파 억제 기능(2nd Harmonic Restraint)을 활성화해 돌입전류 오작동을 방지합니다. 일반적으로 2고조파 성분이 기본파의 15~20% 이상이면 차단 신호를 억제합니다.

[ 회로도 ] 비율차동 계전기 동작 원리 회로도

적용 기준 (용량별)

변압기 용량	비율차동 계전기	슬로프(K) 설정	최소 동작전류(Id_min)	적용 비고
100 kVA 미만	선택 (비권장)	—	—	OCR만으로 보호 가능
100~500 kVA	권장	25~35%	0.2 × In	경제성 고려 선택 적용
500 kVA 이상	✅ 필수	20~30%	0.15 × In	KEC 212 규정 적용
1,000 kVA 이상	✅ 필수 + 이중화	20~25%	0.10 × In	디지털 계전기 권장
5,000 kVA 이상	✅ 필수 + 보호협조	15~25%	0.10 × In	전기기술사 출제 범위
Δ-Y 결선 변압기	필수 (위상보정)	20~40%	0.15 × In	CT 결선 보정 또는 소프트웨어 보정

04 / 과전류 계전기

과전류 계전기(OCR) 동작 특성과 설정

과전류 계전기(Over Current Relay, OCR)는 변압기의 외부 단락, 과부하, 지락 등으로 인해 전류가 설정값(픽업 전류, Ip)을 초과할 때 동작합니다. 변압기 보호에서 OCR은 2차 측(저압 모선)에 설치해 변압기 2차 측 과전류 계전기 외부 보호 구성을 담당하는 것이 일반적입니다. 1차 측 OCR은 전력 계통 보호협조의 일환으로 설치하며, 이 경우 정정 시간을 2차 측보다 더 길게 설정해 선택 차단을 실현합니다.

OCR의 동작 특성 곡선은 반한시(IEC C2, C3), 정한시, 순시로 구분됩니다. 변압기 보호에서는 반한시 과전류 계전기 설정 방법으로 전류가 클수록 빠르게 동작하는 반한시 특성을 주로 사용합니다. 픽업 전류(Ip)는 변압기 정격전류의 1.2~1.5배로 설정하며, 시간 다이얼(TMS)은 보호협조 검토 결과에 따라 결정합니다.

순시 요소(Instantaneous, 50)는 심한 외부 단락 시 고속 동작을 위해 별도 설정합니다. 일반적으로 변압기 1차 측에서 본 최대 단락전류의 80~90% 수준으로 순시 픽업을 설정해, 변압기 2차 단락에는 동작하지 않고 1차 단락에만 동작하도록 보호협조를 맞춥니다.

⚡

순시 요소 (50)

정격의 6~12배에서 즉시 동작. 외부 고장에서 고속 차단. 시간 설정 없음(0.05초 이내)

⏱️

한시 요소 (51)

픽업 1.2~1.5배, TMS 설정. 반한시 곡선으로 협조. 과부하·단락 모두 감지.

🌍

지락 요소 (51G)

잔류회로(Io) 또는 ZCT 이용. 픽업 10~30% In. OCGR과 조합 보호.

05 / 계통도

변압기 보호 계전기 단선결선도(SLD)

[ 계통도 (SLD) ] 변압기 보호 계전기 단선결선도

위 SLD는 22.9 kV 수전설비에서 380 V 저압 모선까지의 보호 계전기 배치를 보여줍니다. 1차 측에 설치된 CT1은 87T(비율차동)와 51(과전류, 1차) 계전기에 공통으로 신호를 공급하며, 2차 측 CT2는 87T와 51(과전류, 2차) 계전기에 연결됩니다. 변압기 보호 계전기 이중 보호 설계를 통해 내부 고장(87T)과 외부 단락·과부하(51)를 분담합니다. 비율차동 계전기 동작 시 VCB1과 ACB를 동시에 개방하고, 과전류 계전기 동작 시에는 해당 CB만 선택 차단합니다.

06 / 배선도

비율차동 계전기 CT 배선도

[ 배선도 ] 비율차동 계전기 CT 단자 배선도

배선도에서 CT1(1차 CT)의 2차 단자(S1, S2)는 TB1 단자대를 거쳐 비율차동 계전기(87T)의 I1a, I1b 단자에 연결됩니다. CT2(2차 CT)의 2차 단자는 TB2를 거쳐 87T의 I2a, I2b 단자에 연결됩니다. 비율차동 계전기 CT 단자 배선 방법에서 CT 2차 회로의 한 점(S2 또는 I1n, I2n)은 반드시 접지(PE)해야 합니다. CT 2차 회로 미접지는 절연 파괴 시 감전 위험이 있으며, 계전기 오동작의 원인이 됩니다.

✅ 배선 실무 팁
CT 2차 배선에는 2.5mm² 이상 600V 내열 연선을 사용하며, 전선관 내 단독 포설이 원칙입니다. 계전기 교체 시 CT 2차 단자를 먼저 단락(S1-S2 단락)한 뒤 배선을 분리해야 CT 2차 개방에 의한 고전압 발생을 방지할 수 있습니다.

07 / 설정 기준

비율차동·과전류 계전기 설정 기준 및 예시

계전기 설정은 변압기 정격전류, CT 비율, 변압기 결선, 전력 계통 임피던스를 바탕으로 계산합니다. 아래 표는 1,000 kVA, 22.9/0.38 kV, Δ-Y 변압기를 기준으로 한 설정 예시입니다. 변압기 보호 계전기 정정 계산 예시로 전기기술사 시험의 단골 문제이므로 계산 절차를 숙지해야 합니다.

항목	비율차동 계전기 (87T)	과전류 계전기 1차 (51-1)	과전류 계전기 2차 (51-2)	단위 / 비고
변압기 정격전류	25.2 A (1차)	25.2 A	1,519 A (2차)	In = kVA / (√3 × kV)
CT 비율	30/5 A (1차), 2000/5 A (2차)	30/5 A	2000/5 A	정격의 120~150%로 선정
픽업 전류 설정	Id_min = 0.15 × In = 0.25 A	Ip = 1.2 × In = 30.2 A	Ip = 1.2 × In = 1,823 A	CT 2차 환산값
슬로프 / TMS	K = 25% (1단), 50% (2단)	TMS = 0.2 (반한시)	TMS = 0.1 (반한시)	보호협조 검토 후 결정
순시 요소	—	50E = 8 × In = 201 A	50 = 10 × In = 15,190 A	최대 단락전류 80% 이하
2고조파 억제	15~20% (활성화)	—	—	Inrush 오동작 방지

정격전류 계산 공식

📐 변압기 1차 정격전류 계산
I₁ = P [kVA] / (√3 × V₁ [kV]) = 1,000 / (1.732 × 22.9) = 25.2 A

📐 변압기 2차 정격전류 계산
I₂ = P [kVA] / (√3 × V₂ [kV]) = 1,000 / (1.732 × 0.38) = 1,519 A

📐 픽업 전류 설정
Ip = 1.2 × I₁ = 1.2 × 25.2 = 30.2 A → CT 환산: 30.2 × (5/30) = 5.03 A

08 / 실전 적용

현장 적용 5단계 절차

1

변압기 데이터시트 확인

변압기 명판에서 용량(kVA), 전압(1차/2차), 결선 방식(Δ-Y 등), 임피던스(%Z)를 확인합니다. 이 데이터를 바탕으로 정격전류, 단락전류를 계산하고 CT 비율을 선정합니다. %Z는 순시 요소 설정에 필수 데이터입니다.

2

CT 비율 및 결선 방식 결정

CT 비율은 변압기 정격전류의 120~150%를 커버하도록 선정합니다. Δ-Y 변압기에서는 1차 CT를 Y결선, 2차 CT를 Δ결선하거나(전통 방식), 디지털 계전기의 내부 보정 기능을 활용합니다. 비율차동 계전기 CT 결선 방식 선택은 오동작 예방의 핵심입니다.

3

계전기 파라미터 입력 및 설정

디지털 계전기 설정 화면에서 CT 비율, 변압기 정격, 슬로프 K값(20~40%), 최소 동작전류(Id_min), 2고조파 억제 비율(15~20%)을 입력합니다. 과전류 계전기는 픽업 전류(1.2배)와 TMS를 보호협조 곡선을 참조해 설정합니다.

4

2차 주입 시험 (Secondary Injection Test)

CT 2차 단자에 시험용 전류를 주입해 설정값에서 계전기가 정확히 동작하는지 확인합니다. 보호 계전기 2차 주입 시험 합격 기준은 동작 전류 오차 ±5% 이내, 동작 시간 오차 ±10% 이내입니다. 차동 요소와 억제 요소의 동작 경계(슬로프 곡선)를 포인트별로 검증합니다.

5

통전 후 방향성 시험 및 정상 운전 확인

변압기에 무부하 전압을 인가해 여자 돌입전류에 의한 오동작이 없는지 확인합니다. 이후 정격 부하를 연결해 계전기 메터링 값이 계산값과 일치하는지 검증합니다. 이상 없으면 보호 기록(Protection Record)을 작성하고 정기 시험 주기(2년)를 설정합니다.

09 / KEC 기준

KEC 및 전기설비기술기준 관련 조항

KEC 212 — 변압기 보호

500 kVA 이상 변압기에 비율차동 계전기를 의무 적용. 과전류 계전기와 조합으로 내·외부 보호 완성. 고압 변압기(7 kV 초과)는 반드시 주보호 계전기 설치.

전기설비기술기준 제21조

전력 계통 이상 시 자동 차단 장치 설치 의무. 변압기 과전류 보호장치의 동작 전류와 시간 특성 규정. 설계 시 단락 전류 계산서 첨부 필요.

KEC 321 — CT 및 PT 시설

CT 2차 회로 반드시 접지. CT 2차 개방 금지 (과전압 발생 위험). 정격 부담(VA)은 실제 부담의 150% 이상으로 선정.

IEC 60255 — 계전기 규격

비율차동 계전기의 동작 전류·슬로프·고조파 억제 특성 규정. 2차 주입 시험 방법 및 합격 기준 제시. 전기기술사 시험 참조 규격.

📚 전기기술사 시험 출제 포인트
① 비율차동 계전기 동작 원리 및 슬로프 특성 곡선 작성
② Δ-Y 변압기의 CT 결선 방식과 30° 위상 보정 방법
③ 보호협조 곡선(TCC) 작성 — 과전류 계전기 선택 차단
④ 여자 돌입전류 특성과 2고조파 억제 방식
⑤ 500 kVA 이상 비율차동 계전기 필수 적용 근거 (KEC 212)

10 / 주의사항

흔한 실수와 현장 안전수칙

흔한 실수 및 대책

슬로프 10% 미만 설정

여자 돌입전류에 오동작. 20% 이상으로 재설정하고 2고조파 억제 활성화 필수.

CT 극성 오결선

정상 운전에서도 오작동. 설치 전 반드시 CT P1→P2 방향 확인 및 도통 시험 실시.

CT 비율 불일치

1차·2차 CT 비율이 변압기 권수비와 맞지 않으면 불평형 전류 발생. 비율 보정값 입력.

OCR 픽업 과소 설정

정격의 1.0배 설정 시 전동기 기동 전류에 오동작. 1.2배 이상으로 재정정.

보호협조 미검토

1차·2차 OCR 시간 설정 불일치 시 선택 차단 실패. TCC 곡선 작성 및 검토 필수.

정기 시험 미실시

계전기 드리프트로 설정값 변화. 2년마다 2차 주입 시험으로 동작 전류·시간 검증.

계전기 설정 작업 안전수칙

🔒

LOTO 실시

계전기 2차 회로 작업 전 반드시 LOTO(잠금·꼬리표) 적용

⚡

CT 단락 후 작업

CT 2차 단자 먼저 단락 → 개방 금지 (수 kV 고전압 발생)

🧤

절연 보호구 착용

절연장갑 7,000V급 착용. 계전기 단자 작업 시 노출 충전부 접근 금지

📋

설정 변경 기록

모든 설정 변경 사항 보호 기록부에 날짜·서명 기재

🚨 CT 2차 개방 절대 금지
CT 1차 전류가 흐르는 상태에서 2차 단자를 개방하면 수 kV의 고전압이 발생해 CT 절연 파괴, 2차 배선 절연 파괴, 감전 사망 사고로 이어집니다. 반드시 단락 후 작업하고, 작업 완료 전 단락 상태가 해제되지 않도록 주의합니다.

FAQ

자주 묻는 질문

비율차동 계전기는 언제 필수 설치해야 하나요?

KEC 212 기준으로 500 kVA 이상 변압기에는 비율차동 계전기 설치가 의무입니다. 500 kVA 미만이더라도 고압 수전 설비나 중요 부하에는 권장 설치합니다. 미설치 시 내부 고장 감지가 늦어 변압기 전소 및 화재로 이어질 수 있습니다.

과전류 계전기의 픽업 전류는 몇 배로 설정하나요?

일반적으로 변압기 정격전류의 1.2~1.5배로 설정합니다. 전동기 부하가 많은 경우 기동 전류를 고려해 1.5배까지 올릴 수 있습니다. 1.0배 이하로 설정하면 정상 운전 중 오작동 위험이 있으므로 주의합니다.

KEC에서 변압기 보호 기준은 어떻게 규정하나요?

KEC 212조에서 변압기 보호장치 적용 기준을 규정하며, 비율차동 계전기(87T)와 과전류 계전기(51)의 조합 적용을 명시합니다. 고압 변압기(7 kV 초과)에는 주보호 계전기 설치가 의무이며, 전기설비기술기준 제21조와 연계 적용됩니다.

비율차동 계전기 슬로프 설정은 어떻게 결정하나요?

슬로프(K)는 CT 오차, 변압기 임피던스 불평형, 여자 돌입전류를 고려해 결정합니다. 일반적으로 20~40% 범위가 권장되며, 대용량이거나 CT 정밀도가 낮을수록 높게 설정합니다. 10% 이하는 오동작 위험, 50% 초과는 감도 저하로 내부 고장 미감지 우려가 있습니다.

전기기술사 시험에 변압기 보호 계전기가 출제되나요?

네, 전기기술사 필기·실기 시험에서 비율차동 계전기의 동작 원리, 슬로프 특성 곡선 작성, Δ-Y 변압기 CT 결선 방식, 보호협조 곡선(TCC) 작성이 반복 출제됩니다. 특히 정격전류 계산부터 CT 비율 선정, 계전기 설정값 도출까지의 전 과정을 연습하는 것이 중요합니다.

관련 글

함께 읽으면 좋은 글

📘 111 — OCR(과전류계전기) 동작 원리와 순시/한시 정정 계산 📗 112 — 디지털 보호 계전기 설정 방법과 실제 정정 예시 📙 116 — 지락 과전류 계전기(OCGR) 잔류회로 방식과 정정 기준 📕 117 — 보호 계전기 시험 방법(2차 주입 시험)과 합격 판정