OCR·OCGR·UVR, 이제 헷갈리지 마세요! 수변전 보호 계전기 동작 원리부터 정정 계산까지 완전 정복

⚡ 전기 설비 설계·시공 🔴 고급 KEC 212 · IEC 60255

수변전 보호 계전기
OCR · OCGR · UVR
동작 원리와 정정 계산

고압 수변전 계통의 핵심 보호 장치인 과전류·지락과전류·부족전압 계전기의 동작 원리, 보호 협조, 정정 계산을 단선결선도와 함께 완전 이해합니다.

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01

개요 — 보호 계전기가 필요한 이유

고압 수변전 계통에서는 단락·지락·부족전압 등 다양한 이상 현상이 발생합니다. 이를 방치하면 변압기 소손, 케이블 화재, 부하 설비 손상으로 이어져 막대한 피해가 생깁니다. 보호 계전기(Protective Relay)는 이상 상태를 감지해 차단기(VCB/ACB)에 트립(Trip) 신호를 보내는 감시·판단 장치입니다.

OCR

Over Current Relay · 과전류 계전기

과부하 및 단락 사고 시 설정값 이상의 전류를 검출해 차단기를 트립시켜 계통을 보호합니다.

OCGR

Over Current Ground Relay · 지락과전류 계전기

지락(1선 지락) 사고 시 영상전류(零相電流)를 검출해 지락 보호를 수행합니다. ZCT와 조합 사용.

UVR

Under Voltage Relay · 부족전압 계전기

계통 전압이 설정값 이하로 저하될 때 동작하여 전동기 재기동 방지 및 계통 분리를 수행합니다.

ℹ️

보호 계전기는 감지 → 판단 → 출력의 3단계로 동작합니다. CT(계기용 변류기)나 PT(계기용 변압기)에서 측정량을 수신하고, 내부 설정값과 비교·판단하여, 차단기 트립코일에 동작 신호를 출력합니다.

02

단선결선도 (SLD) — OCR·OCGR·UVR 적용 위치

⚡

단선결선도에서 수전반(22.9kV)에는 OCR·OCGR·UVR이 모두 적용되며, 각 피더 VCB에는 독립적인 OCR이 설치되어 보호 협조(Protection Coordination)를 형성합니다.

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계전기별 상세 역할과 선정 기준

🔴 OCR (Over Current Relay) — 과전류 계전기

과전류 계전기는 CT(계기용 변류기)에서 측정한 2차 전류를 감시하여 설정값(Pickup Current) 이상의 전류가 흐를 때 동작합니다. 동작 특성에 따라 순시형(Instantaneous)과 시한형(Time-Delay)으로 구분됩니다.

구분	특성	적용	KS/IEC 특성 곡선
순시형 (50)	지연 없이 즉시 동작, 단락전류에 반응	단락 보호 (High Set)	IEC 60255 Type I
표준 반한시 (IDMT)	전류가 클수록 동작 시간 단축, 반비례 특성	과부하·단락 보호	IEC Normal Inverse
강반한시	IDMT보다 더 급한 경사, 큰 전류에 빠른 반응	전동기 기동 전류 대처	IEC Very Inverse
초강반한시	가장 급한 경사, 뇌서지 등 대전류 보호	변압기 1차 보호	IEC Extremely Inverse
정한시	설정 이상 전류 시 일정 시간 후 동작	보호 협조 시간 고정	Definite Time

// IDMT 동작 시간 계산식 (IEC 60255 Normal Inverse)

t = TMS × [ k / (I/Is)^α - 1 ]

// t : 동작 시간 [초]

// TMS : 시간 배수 설정값 (Time Multiplier Setting, 0.05~1.0)

// I : 측정 전류 [A]

// Is : Pickup 전류 설정값 [A]

// k, α : 특성 상수 (Normal Inverse: k=0.14, α=0.02)

예) I=3×Is, TMS=0.3 (Normal Inverse) t = 0.3 × [ 0.14 / (3^0.02 - 1) ] ≈ 0.3 × 14.0 ≈ 4.2초

🟠 OCGR (Over Current Ground Relay) — 지락과전류 계전기

지락 사고는 1선이 대지와 접속되는 현상으로 고압 계통(비접지)에서는 전류 크기가 작아 OCR로는 감지가 어렵습니다. OCGR은 ZCT(영상변류기)로부터 영상전류(I₀)를 검출하여 동작합니다.

// 영상전류 검출 원리

정상 상태 : Ia + Ib + Ic = 0 → I₀ = 0 지락 발생 : Ia + Ib + Ic ≠ 0 → I₀ = (Ia+Ib+Ic)/3 ≠ 0

// ZCT 2차측에 영상전류 I₀가 흐를 때 OCGR 동작

// 고압 비접지 계통의 지락 전류는 수십 mA ~ 수 A 수준

// OCGR Pickup: 일반적으로 50~200mA (ZCT 2차 환산값)

지락전류 추정 : Ig = V / Zg = 22900 / (√3 × Xc)

// Xc : 계통의 대지 정전용량 리액턴스

🔵 UVR (Under Voltage Relay) — 부족전압 계전기

UVR은 PT(계기용 변압기)에서 측정한 2차 전압이 설정값 이하로 저하될 때 동작합니다. 전동기의 재기동 방지, 무정전 전원 절체, 계통 분리에 핵심적으로 사용됩니다.

// UVR 동작 전압 계산

PT 2차 전압 = 계통전압 × (PT 2차 정격 / PT 1차 정격)

예) 6.6kV 계통, PT = 6600/110V PT 2차 정격전압 = 110V UVR 동작 설정 = 110 × 0.8 = 88V (정격의 80%)

// 일반 설정 기준

// 동작 전압 : 정격의 70~85% (일반적으로 80%)

// 복귀 전압 : 정격의 85~95% (동작전압보다 5~10% 높게)

// 동작 시간 : 0.5~2.0초 (순시 동작 방지를 위한 지연)

📋 3종 계전기 비교표

항목	OCR	OCGR	UVR
감시 대상	상전류 (과전류)	영상전류 (지락전류)	모선 전압 (부족전압)
입력 센서	CT (계기용 변류기)	ZCT (영상변류기)	PT (계기용 변압기)
IEC 기기 번호	51 (시한), 50 (순시)	51G / 64	27
보호 대상 사고	단락, 과부하	1선 지락	전압 강하, 정전
주요 동작	VCB 트립	VCB 트립 + 경보	VCB 트립 / 전원 절체
복귀 방식	전류 복귀 (자동)	전류 복귀 (자동)	전압 복귀 (자동)

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정정 계산 — 실무 예제

📐

정정(Setting) 계산은 보호해야 할 설비의 정격전류·단락전류를 기준으로 Pickup값을 결정하고, 상위·하위 계전기와의 협조를 위해 동작 시간을 조정하는 과정입니다.

예제 조건

계통 전압 : 6.6kV 변압기 용량 : 1,000kVA 변압기 임피던스: 5.5% CT 비 : 200/5A (CT Ratio = 40) 단락 전류 계산 : Is = (1000 × 10³) / (√3 × 6600 × 0.055) ≈ 1,594A 변압기 정격전류 : In = (1000 × 10³) / (√3 × 6600) ≈ 87.5A

🔴 OCR 정정 계산

// STEP 1 : Pickup 전류 설정 (CT 2차측 기준)

Pickup_1차 = 1.2 × In = 1.2 × 87.5 = 105A

// 정격전류의 120~150%로 설정 (일반적)

CT 2차 환산 = 105 / 40 = 2.625A → 설정: 2.7A

// CT 비 40 = 200/5

// STEP 2 : 순시 동작 (High Set) 전류 설정

High Set = 0.8 × 최소 단락전류 = 0.8 × 1,594 = 1,275A CT 2차 환산 = 1,275 / 40 = 31.9A → 설정: 32A

// 변압기 여자 돌입전류(10×In = 875A) 이상으로 설정

// STEP 3 : TMS (시간 배수) 설정 — 협조 시간 확보

하위 OCR 동작 시간 = 0.3초 협조 시간 간격 Δt = 0.3초 (최소) 상위 OCR 목표 동작 시간 = 0.3 + 0.3 = 0.6초
TMS 역산 (I=3×Is, Normal Inverse): 0.6 = TMS × [0.14 / (3^0.02 - 1)] TMS = 0.6 / 14.0 ≈ 0.043 → 설정: 0.05 (최소 단계)

🟠 OCGR 정정 계산

// 고압 비접지 계통 지락전류 추정

지락전류 Ig ≈ 3 × V₀ / Zg (대지 정전용량에 의존) 실무 추정: 22.9kV 계통 → 수십 ~ 수백 mA

// OCGR Pickup 전류 설정

ZCT 비 = 200/1.5mA (일반적) Pickup_설정 = 100mA (ZCT 2차 기준)

// 충전전류(Charging Current)보다 크게, 지락전류보다 작게 설정

// 일반적으로 50~200mA 범위에서 설정

동작 시간 = 0.2~0.5초 (순시 동작 방지)

// 너무 짧으면 과도 현상으로 오동작 우려

🔵 UVR 정정 계산

// 6.6kV 계통, PT = 6600/110V 기준

PT 2차 정격전압 = 110V

동작 전압 설정 = 110 × 0.80 = 88.0V (정격의 80%) 복귀 전압 설정 = 110 × 0.90 = 99.0V (정격의 90%)

동작 시간 설정 = 1.0초

// 전동기 재기동 방지: 1.0~2.0초

// 순시 정전 제거 후 즉시 복귀 방지를 위한 시간 지연 필요

// ATS(자동절체스위치) 연동 시에는 0.5초 이하 설정도 적용

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보호 협조 (Protection Coordination)

보호 협조란 사고 지점에 가장 가까운 계전기가 먼저 동작하고, 상위 계전기는 동작하지 않도록 시간과 전류 정정을 체계적으로 설정하는 것입니다. 이를 통해 사고 파급 범위를 최소화합니다.

1

최말단 보호 장치 (MCCB)

저압 분기 회로의 최말단 MCCB가 가장 먼저 동작 (0.1초 이내). 과부하 시 최소 범위 차단.

2

저압 주차단기 (ACB + OCR)

MCCB 불동작 시 상위 ACB의 OCR이 0.3초에 동작. 변압기 2차측 보호.

3

피더 VCB (OCR)

ACB 불동작 시 고압 피더 VCB의 OCR이 0.6초에 동작. 변압기 1차측 및 케이블 보호.

4

수전반 VCB (OCR + OCGR)

피더 불동작 시 수전반 VCB의 OCR이 1.0~1.2초에 동작. 최후 보루 보호. OCGR은 지락 시 독립 동작.

5

한전 리클로저 (백업)

수변전 설비 전체 불동작 시 한전 측 리클로저가 1.5초 이상에서 동작. 계통 완전 분리.

⚠️

협조 실패 사례: Pickup 전류가 너무 낮게 설정되면 건전 계통에서 오동작하고, TMS가 너무 높으면 협조 시간 간격이 부족해 상위 계전기가 동시 동작하는 Cascade Tripping이 발생합니다.

06

관련 KEC 기준

KEC 212.3 (고압 전로의 지락 보호)

지락과전류 계전기(OCGR) 및 지락과전압 계전기(OVGR) 설치

고압 및 특고압 전로에 지락이 발생했을 때 자동으로 전로를 차단하거나 경보하는 장치를 설치해야 합니다. 특히 비접지 계통에서는 지락 사고 검출을 위해 ZCT+OCGR 또는 GPT+OVGR을 사용합니다.

KEC 212.4 (과전류 차단기 설치)

과전류 차단기 선정 기준 및 시설 요건

과전류 차단기는 전선의 허용전류 이하로 정격전류를 설정하고, 단락전류에 충분히 차단 용량이 있어야 합니다. 보호 협조를 위해 하위 차단기가 먼저 동작하도록 정정해야 합니다.

KEC 312.18 (변압기의 보호 장치)

변압기 과부하·단락 보호

특고압·고압 변압기는 1차측에 과전류 계전기(OCR) 및 차단기를 설치하여 내부 단락 및 과부하로부터 보호해야 합니다. 고임피던스 계통에서는 지락 보호 장치를 병용해야 합니다.

KEC 351.5 (전동기 보호)

UVR 적용 및 전동기 보호

전동기는 정전 복구 후 자동 재기동을 방지하기 위해 부족전압 계전기(UVR)를 설치하거나 저전압 방출 접점(Low Voltage Release)을 가진 개폐기를 사용해야 합니다. 정격전압의 85% 이하에서 동작하도록 설정하는 것이 일반적입니다.

KEC 165 (보호 계전기 시험)

계전기 정기 시험 및 유지보수

보호 계전기는 정기적으로 동작 특성 시험을 실시해야 합니다. 디지털 계전기(디지털 릴레이)의 경우 자기진단 기능을 활용하고, 연 1회 이상 현장 점검을 권장합니다.

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실무 현장 포인트

🔧 OCR 설정 트러블슈팅

오동작(Mal-operation): 전동기 기동 시 기동전류(6~8×In)로 인한 순시 오동작 → High Set 설정값을 기동전류보다 높게 조정, 또는 기동 중 시한 연장(Inrush Blocking) 기능 적용

불동작(Failure-to-operate): CT 2차 회로 단선, 극성 오결선 → CT 단자 단락 접점 확인, 주기적 절연 저항 측정

🔧 OCGR 관련 주의사항

충전전류에 의한 오동작: 케이블이 길수록 대지 정전용량 증가 → 충전전류 크기를 계산하여 Pickup값이 충전전류보다 크게 설정

ZCT 설치 방향 오류: ZCT 극성 반대 설치 시 불동작 → 설치 후 반드시 1차 전류 주입 시험으로 동작 확인

🔧 UVR 현장 적용 시 주의

순간 전압 강하(Voltage Dip)와 지속 정전을 구분하기 위해 동작 시간 지연(0.5~1.0초)이 필수입니다. 지연 없이 설정하면 단시간 전압 강하에도 불필요하게 동작합니다.

복귀 전압은 동작 전압보다 반드시 높게 설정 (Hysteresis 확보)해야 전압 회복 직후 재동작 사이클을 방지할 수 있습니다.

📋 정기 점검 체크리스트

6개월 주기: 계전기 설정값 확인, 보조 전원(DC 110V/220V) 전압 측정, 단자 체결 상태 확인

연간 점검: CT·PT 절연 저항 측정, 계전기 동작 특성 시험(주입 시험), 협조 시간 재검토

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시험 출제 포인트 (전기기사·기술사)

1

OCR IDMT 동작 시간 계산 IEC 60255 Normal/Very/Extremely Inverse 공식을 이용한 동작 시간 t 계산, TMS와 Pickup 전류 역산 문제가 자주 출제됩니다. "t = TMS × k/(M^α - 1)" 공식을 정확히 암기하세요.

2

OCR · OCGR 차이 및 ZCT 원리 일반 CT와 ZCT의 차이, 영상전류 검출 원리(Ia+Ib+Ic=I₀), 비접지 계통에서 지락 전류 크기가 작은 이유와 OCGR의 필요성이 자주 물어집니다.

3

보호 협조 (Protection Coordination) 개념 상위·하위 계전기 간 협조 시간 간격(Δt = 0.3초)의 구성 요소(차단기 차단 시간, 계전기 오차, 여유 시간)와 선택 차단(Selective Tripping)의 의미를 서술하는 문제가 출제됩니다.

4

UVR 적용 목적과 동작 전압 설정 UVR이 필요한 이유(전동기 재기동 방지, 전원 절체 신호), 동작 전압 설정 범위(정격의 70~85%), 복귀 전압 설정(히스테리시스 확보) 등이 출제됩니다.

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CT 포화(Saturation)와 계전기 오동작 단락 사고 시 CT가 포화되면 OCR이 실제보다 낮은 전류를 측정해 불동작할 수 있습니다. CT 정확도 등급(5P10, 10P20)과 과전류 한계 계수(Accuracy Limit Factor)가 기술사 단골 주제입니다.

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⚠️ 안전 주의사항

🚨

고압 계통 작업은 한국전기안전공사 또는 전기안전관리자의 감독하에 수행해야 하며, 반드시 정전·잔류전하 방전·접지 조치 후 작업하십시오.

🔐

LOTO (잠금·표지)

차단기 개방 후 반드시 잠금(Lock) 및 작업 표지(Tag Out)를 실시하여 오투입을 방지합니다.

⚡

잔류전하 방전

케이블·콘덴서의 잔류 전하를 검전기로 확인 후 방전봉으로 완전 방전합니다.

🔌

CT 2차 단락

운전 중 CT 2차 회로를 개방하면 고전압이 유기됩니다. 반드시 2차측을 단락한 후 작업하십시오.

🧤

개인 보호 장비

내전압 장갑(7kV 이상 등급), 절연화, 보호 안경을 착용하고 단독 작업을 금지합니다.

📏

접근 한계 거리

22.9kV 충전부 접근 한계: 0.6m 이상 이격. 작업 공간 확보 및 차폐 조치를 실시합니다.

🧯

소화 설비 준비

전기화재용 CO₂ 소화기를 작업 현장 인근에 비치하고 화재 대응 절차를 숙지합니다.

📋

계전기 정정 변경 작업은 반드시 사전 협의된 정정 계산서를 검토한 후 실시하고, 변경 후에는 보조 전원 투입 및 입력 신호 확인으로 정상 동작을 검증해야 합니다.

⚡ 본 자료는 KEC 2023 개정판 및 IEC 60255, IEC 60617 기준을 참고하여 작성되었습니다.
실제 설계·시공 시에는 최신 기준 및 전문 기술자의 검토를 받으시기 바랍니다.

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