지락보호계전기는 전기 회로에서 상 도체나 중성선이 대지(땅)와 접촉하여 발생하는 지락 사고(Ground Fault)를 검출하고, 이를 통해 회로를 차단하여 인명 감전 사고나 설비 손상, 화재 등을 예방하는 매우 중요한 보호 장치입니다. 지락 사고는 단락 사고(Short Circuit, 상과 상 또는 상과 중성선 간의 단락)와 달리 사고 전류의 크기가 작을 수 있지만, 누설된 전류가 인체를 통과할 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있기 때문에 신속하고 정확

지락보호계전기(Ground Fault Protection Relay)의 종류와 특징

지락보호계전기는 전기 회로에서 상 도체나 중성선이 대지(땅)와 접촉하여 발생하는 지락 사고(Ground Fault)를 검출하고, 이를 통해 회로를 차단하여 인명 감전 사고나 설비 손상, 화재 등을 예방하는 매우 중요한 보호 장치입니다.

지락 사고는 단락 사고(Short Circuit, 상과 상 또는 상과 중성선 간의 단락)와 달리 사고 전류의 크기가 작을 수 있지만, 누설된 전류가 인체를 통과할 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있기 때문에 신속하고 정확한 검출 및 차단이 필수적입니다.

지락보호계전기는 지락 전류를 검출하는 방식과 기능에 따라 다양한 종류가 있으며, 주요 종류와 특징은 다음과 같습니다.

 

1. 동작 방식에 따른 분류

• 과전류 지락 계전기 (OCGR - Overcurrent Ground Relay):
  • 특징: 가장 기본적인 지락 보호 계전기입니다. 회로의 영상 전류(Zero-sequence current)가 설정값(Pickup value) 이상이 되었을 때 동작합니다. 보통 영상 변류기(ZCT - Zero-sequence Current Transformer)를 사용하여 3상 도체(및 중성선)를 일괄 관통하여 흐르는 전류의 벡터 합을 측정합니다. 정상 상태에서는 벡터 합이 '0'이지만, 지락 시에는 지락 전류만큼 영상 전류가 발생합니다. 설정값과 시간 지연(Time Delay)을 조정할 수 있습니다.
  • 용도: 비교적 단순한 배전선로, 수용가 설비 등에서 일반적인 지락 보호에 사용됩니다.
• 방향 지락 계전기 (DCGR - Directional Ground Current Relay):
  • 특징: 과전류 지락 계전기의 기능에 더해 지락 전류의 방향까지 판단하여 동작합니다. 전력 시스템이 복잡하게 얽혀 있거나 환상망/루프 배전선로 등에서 사고 구간만을 선택적으로 차단하기 위해 사용됩니다. 지락 전류의 방향 판단을 위해 영상 전류와 함께 영상 전압(Zero-sequence voltage)이나 다른 기준량의 위상 정보를 활용합니다.
  • 용도: 송배전 계통의 선택 지락 보호, 복잡한 공장 수전 설비 등에서 후단 사고에 대한 선택 차단에 사용됩니다.
• 고감도 지락 계전기 (SGR - Sensitive Ground Relay):
  • 특징: 매우 작은 크기의 지락 전류(수 mA ~ 수십 mA)까지 검출할 수 있는 계전기입니다. 특히 고저항 접지 시스템이나 비접지 시스템처럼 지락 전류의 크기가 매우 작은 경우 또는 안전에 민감한 장소(병원, 광산 등)에서 사용됩니다. 매우 정밀한 영상 변류기를 사용합니다.
  • 용도: 고저항 접지 계통의 보호, 인체 감전 보호 강화가 필요한 설비.
• 선택 지락 계전기 (SGR - Selective Ground Relay):
  • 특징: 다회선 변압기 저압 측 등 여러 회선이 병렬로 연결된 곳에서 사고 회선만을 선택적으로 차단하기 위해 사용될 수 있습니다. 각 회선의 지락 전류를 검출하여 가장 큰 전류가 흐르는 회선을 사고 회선으로 판단하거나, 특정 로직에 따라 선택 차단합니다. (과전류 지락 계전기를 선택 동작하도록 조합하여 구성하는 경우도 많습니다.)
  • 용도: 변압기 저압 다회선 인출 회로 보호 등.

2. 기술 방식에 따른 분류

• 전자형 계전기 (Electromechanical Relay):
  • 특징: 전자석의 힘을 이용하여 가동 접점을 동작시키는 방식입니다. 구조가 비교적 간단하고 견고하지만, 동작 시간이 느리고 정밀도가 떨어지며 기능이 제한적입니다. 현재는 특수 목적이나 기존 설비 유지보수 외에는 사용이 줄어들고 있습니다.
• 정지형 계전기 (Static Relay / Solid-State Relay):
  • 특징: 트랜지스터, IC 등 반도체 소자를 이용한 전자 회로로 구성됩니다. 전자형에 비해 동작 속도가 빠르고, 정밀도가 높으며, 소형화가 가능하고 다양한 기능을 구현할 수 있습니다. 설정 범위가 넓고 유연합니다.
• 디지털 계전기 / 마이크로프로세서형 계전기 (Digital Relay / Microprocessor-based Relay):
  • 특징: 마이크로프로세서를 기반으로 디지털 신호 처리 기술을 사용하여 보호 기능을 수행합니다. 현재 가장 널리 사용되는 방식입니다.
  • 장점:
    • 다양하고 복잡한 보호 알고리즘 구현 가능 (과전류, 지락, 과전압, 저전압, 방향 등 여러 기능을 하나의 장비에 통합).
    • 높은 정밀도와 유연한 설정 (곡선 특성, 다단계 설정 등).
    • 사고 기록(Event Log) 및 고장 파형 기록(Fault Recording) 기능 제공.
    • 자기 진단 기능 및 원격 감시/제어(SCADA 연동) 기능.
    • 소형화, 표준화 용이.
  • 용도: 거의 모든 현대 전력 시스템의 보호에 사용됩니다.

3. 누전 차단기 (ELCB - Earth Leakage Circuit Breaker / GFCI - Ground Fault Circuit Interrupter)

• 특징: 계전기와 차단기 기능이 일체화된 장치입니다. 주로 저압의 주택, 상가 등에서 인명 감전 보호를 목적으로 사용됩니다. 영상 변류기(ZCT)를 내장하여 누설 전류를 검출하고, 설정된 누설 전류 값(예: 30mA) 이상이 되면 즉시 회로를 차단합니다. 동작 시간이 매우 빠릅니다 (보통 0.03초 이내).
• 용도: 주택, 건물, 욕실, 주방 등 인체 접촉 가능성이 높은 장소의 콘센트 회로나 조명 회로 보호. (엄밀히 말하면 '릴레이' 자체보다는 '차단기' 기능을 포함한 통합 장치입니다.)

지락보호계전기의 주요 특징 요약:

• 검출 방식: 주로 영상 전류(Zero-sequence current) 검출 방식을 사용하며, 방향 판단 기능이 추가된 경우도 있습니다.
• 설정: 최소 동작 전류(Pickup)와 동작 시간(Time Delay)을 설정할 수 있습니다. 디지털 계전기는 다양한 동작 특성 곡선 선택이 가능합니다.
• 선택성: 여러 보호 계전기가 연쇄적으로 설치된 시스템에서 사고 구간만을 정확히 차단하여 다른 건전한 구간의 정전을 최소화하는 기능(선택 협조)이 중요하며, 방향 지락 계전기가 이 기능을 강화합니다.
• 신뢰성: 지락 사고는 예측 불가능하며 위험하므로, 계전기의 신뢰성 있는 동작이 매우 중요합니다.
• 부대 기능: 디지털 계전기는 사고 기록, 통신, 자기 진단 등 다양한 부대 기능을 제공합니다.

어떤 종류의 지락보호계전기를 선택하느냐는 보호 대상 설비의 중요도, 시스템의 접지 방식, 회로 구성의 복잡성, 요구되는 보호 수준 등을 종합적으로 고려하여 결정됩니다.