결론부터 씁니다. 원전 소내모선을 소내변압기(UAT)에서 기동변압기(SAT)로 넘기는 절체는 “빨리 붙이는 것”이 목표가 아니라 모선에 남은 잔류전압과 새 전원 사이의 위상각이 벌어지기 전에 붙이거나, 충분히 줄어든 뒤에 붙이는 것이 목표입니다. 두 조건 사이 구간에서 투입하면 대형 펌프 전동기 축과 권선에 비동기 투입 토크가 걸립니다. 따라서 절체 로직의 첫 줄은 타이머가 아니라 위상각·잔류전압 인터락이어야 하고, 발전기 차단기(GCB) 유무에 따라 절체 자체가 필요한지부터 다시 따져야 합니다.
안전 인터락 조건을 먼저 정리합니다
이 글의 범위는 비안전등급 중압 소내모선(호기별로 13.8 kV·4.16 kV급 등 전압 체계가 다름)의 정상·계획 외 절체입니다. 안전등급(Class 1E) 모선과 비상디젤발전기 기동 로직은 별도 계통으로 보고 여기서는 다루지 않습니다. 절체 로직이 어떤 경우에도 넘어서는 안 되는 조건은 아래와 같습니다.
- □ 모선 고장(모선 차동 87B 또는 모선 과전류 동작)으로 트립된 경우 절체 금지. 고장 모선에 새 전원을 붙이면 기동변압기까지 고장이 확산됩니다. 86 록아웃 릴레이 접점을 절체 허가 조건에 직렬로 넣습니다.
- □ 입·출력 차단기 동시 투입 금지. UAT 측 인입 차단기와 SAT 측 인입 차단기의 병렬 운전은 계획 절체의 짧은 중첩 구간을 제외하고 하드와이어 상호 인터락(52b 교차 결선)으로 막습니다.
- □ 기동변압기 측 전원 건전성 확인. SAT 1차 전압·주파수가 정상 범위에 있지 않으면 절체를 개시하지 않습니다. 스위치야드 쪽이 이미 흔들리는 상황이라면 절체가 문제를 옮길 뿐입니다.
- □ 수동 조작 우선권. 주제어실 수동 선택 스위치가 “절체 차단” 위치이면 자동 절체는 동작하지 않습니다. 이 스위치는 PLC 입력으로 읽되, 차단 회로 자체는 하드와이어로 구성합니다.
- □ 비상정지(EMO) 계열 회로는 절체 로직과 독립. 소프트웨어는 EMO 상태를 감시만 하고 개폐에 개입하지 않습니다.
절체 방식 비교 — 무엇을 기준으로 붙이는가
발전기 트립으로 UAT 전원이 사라지면 모선에 연결된 전동기들은 관성으로 돌며 발전기처럼 잔류전압을 만듭니다. 이 전압은 크기가 줄고 주파수가 떨어지면서 새 전원과의 위상각이 계속 벌어집니다. 절체 방식은 이 잔류전압을 어느 지점에서 새 전원과 맞추느냐로 나뉩니다.
| 방식 | 투입 판단 기준 | 무전압 시간 | 주요 위험 |
|---|---|---|---|
| 고속 절체 | 위상각이 작은 초기 구간 내 즉시 투입 | 가장 짧음 | 차단기 개폐 시간 편차가 크면 허용 창 이탈 |
| 동기 위상 절체 | 위상각 궤적을 예측해 첫 동상점 부근 투입 | 중간 | 슬립 예측 오차, 부하 구성에 따라 궤적 변화 |
| 잔류전압 절체 | 잔류전압이 설정값 이하로 떨어진 뒤 투입 | 김 | 전동기 감속·공정 교란, 재가속 돌입전류 |
| 시간 지연 절체 | 고정 타이머 경과 후 투입 | 설정값 의존 | 잔류전압 확인 없이 투입 시 비동기 토크 |
표를 읽는 법은 단순합니다. 고속 절체가 성립하지 않으면 다음 선택지는 동기 위상 절체이고, 그것도 성립하지 않을 때만 잔류전압 절체로 내려갑니다. 시간 지연만으로 절체하는 구성은 잔류전압을 보지 않으므로, 기존 설비에 남아 있다면 잔류전압 감시 조건을 추가하는 것이 우선 개선 항목입니다.
허용 기준으로 자주 인용되는 것은 ANSI C50.41의 잔류전압·인가전압 벡터차 기준(1.33 pu V/Hz)입니다. 이 값은 전동기 쪽 허용 한계를 말하는 것이므로, 실제 허용 위상각은 모선 부하 구성과 잔류전압 감쇠 특성에 따라 달라집니다. 감쇠 곡선은 호기별로 실측해야 하며 문서상 수치만으로 확정하지 않습니다.
절체 시퀀스 순서도
- 개시 조건 판정: UAT 측 전원 상실 신호(발전기 보호 86G 동작, UAT 인입 저전압 27 동작 중 하나)와 모선 무고장(86B 미동작) 확인.
- SAT 전원 건전성 확인: SAT 2차 전압 정상, 주파수 정상, SAT 차단기 준비(스프링 충전 완료, 제어전원 정상).
- UAT 인입 차단기 개방 지령 및 52b 확인. 개방 확인 전에는 SAT 투입 지령을 내보내지 않습니다.
- 고속 창 판정: 위상각이 허용값 이내이고 경과 시간이 고속 창 이내이면 즉시 SAT 투입.
- 고속 창 이탈 시 동기 위상 판정으로 전환: 위상각 예측값이 허용값에 들어오는 시점에 투입.
- 동기 위상 창도 이탈 시 잔류전압 판정: 모선 전압이 설정값 이하로 떨어지면 투입. 이때 대형 전동기는 재가속 부하 제한 로직(순차 재기동)으로 넘깁니다.
- 최대 대기 시간 초과 시 절체 실패 처리: SAT 투입을 금지하고 경보 발생, 운전원 수동 판단으로 넘깁니다.
ST 의사코드 — 절체 허가와 방식 전환
(* I/O MAP - 비안전등급 소내모선 A 절체반 *)
(* %I0.0 DI_UAT_52A_CLOSED : UAT 인입 차단기 투입 상태 *)
(* %I0.1 DI_UAT_52B_OPEN : UAT 인입 차단기 개방 상태 *)
(* %I0.2 DI_SAT_52B_OPEN : SAT 인입 차단기 개방 상태 *)
(* %I0.3 DI_86G_TRIP : 발전기 보호 록아웃 동작 *)
(* %I0.4 DI_86B_TRIP : 모선 보호 록아웃 동작 - 절체 금지 조건 *)
(* %I0.5 DI_SAT_BRK_READY : SAT 차단기 스프링 충전, 제어전원 정상 *)
(* %I0.6 DI_XFER_BLOCK_SW : 주제어실 절체 차단 스위치 *)
(* %I0.7 DI_EMO_STATUS : EMO 회로 상태 - 감시 전용 *)
(* %IW100 AI_BUS_RESID_V_PCT : 모선 잔류전압, 정격 대비 % *)
(* %IW101 AI_PHASE_ANGLE_DEG : 모선-SAT 위상각, deg *)
(* %IW102 AI_SAT_V_PCT : SAT 2차 전압, % *)
(* %Q0.0 DO_UAT_52_TRIP : UAT 인입 차단기 개방 지령 *)
(* %Q0.1 DO_SAT_52_CLOSE : SAT 인입 차단기 투입 지령 *)
(* %Q0.2 DO_XFER_FAIL_ALARM : 절체 실패 경보 *)
(* 1. 절체 허가 - 모선 고장·수동 차단·SAT 불건전 시 불허 *)
XFER_PERMIT := NOT DI_86B_TRIP
AND NOT DI_XFER_BLOCK_SW
AND DI_SAT_BRK_READY
AND (AI_SAT_V_PCT > R_SAT_V_MIN_PCT);
(* 2. 개시 - 발전기 록아웃으로 UAT 측 전원 상실 *)
IF DI_86G_TRIP AND XFER_PERMIT AND NOT XFER_ACTIVE THEN
XFER_ACTIVE := TRUE;
DO_UAT_52_TRIP := TRUE;
T_XFER(IN := TRUE, PT := T#1500MS); (* 최대 대기 시간 예시값 *)
END_IF;
(* 3. UAT 개방 확인 후에만 투입 판정 - 병렬 투입 방지 *)
IF XFER_ACTIVE AND DI_UAT_52B_OPEN AND DI_SAT_52B_OPEN THEN
IF T_XFER.ET < T#100MS
AND ABS(AI_PHASE_ANGLE_DEG) < R_FAST_ANGLE_DEG THEN
DO_SAT_52_CLOSE := TRUE; (* 고속 절체 *)
XFER_MODE := 1;
ELSIF IN_PHASE_PREDICT_OK THEN
DO_SAT_52_CLOSE := TRUE; (* 동기 위상 절체 *)
XFER_MODE := 2;
ELSIF AI_BUS_RESID_V_PCT < R_RESID_V_PCT THEN
DO_SAT_52_CLOSE := TRUE; (* 잔류전압 절체 *)
XFER_MODE := 3;
MOTOR_RESTART_SEQ := TRUE; (* 대형 전동기 순차 재기동으로 이관 *)
END_IF;
END_IF;
(* 4. 최대 대기 초과 - 투입 금지, 운전원 판단 *)
IF T_XFER.Q AND NOT DO_SAT_52_CLOSE THEN
DO_XFER_FAIL_ALARM := TRUE;
XFER_ACTIVE := FALSE;
END_IF;
(* 5. EMO 상태는 기록만 한다 - 절체 로직으로 EMO 회로를 조작하지 않음 *)
EV_LOG_EMO := DI_EMO_STATUS;R_FAST_ANGLE_DEG, R_RESID_V_PCT, 100 ms 고속 창, 1500 ms 최대 대기 시간은 모두 구조 설명을 위한 예시값입니다. 실제 값은 차단기 개폐 시간 실측치와 모선 잔류전압 감쇠 곡선으로 정합니다. 위상각 입력을 PLC 아날로그로 받으면 스캔 주기만큼 판정이 늦어지므로, 고속 절체 판정은 전용 절체 계전기에 맡기고 PLC는 허가·감시·기록을 담당하는 분담이 일반적입니다.
시운전 체크리스트
- □ UAT·SAT 인입 차단기 개방·투입 시간을 각 3회 이상 측정하고 편차를 기록합니다. 고속 창은 이 편차를 포함해 잡습니다.
- □ 모선 부하를 실제 운전 구성으로 둔 상태에서 잔류전압 감쇠 파형을 기록합니다. 무부하 시험 파형은 쓰지 않습니다.
- □ SAT와 UAT 전원 사이의 정상 상태 위상차(변압기 결선 차이 포함)를 확인하고 위상각 입력의 영점을 맞춥니다.
- □ 86B 동작 모의 시 절체가 개시되지 않는지 확인합니다.
- □ 절체 차단 스위치 동작 시 자동 절체가 억제되고, 억제 상태가 주제어실에 표시되는지 확인합니다.
- □ 잔류전압 절체 이후 대형 펌프 전동기 재기동이 순차로 진행되는지, 동시 재가속으로 SAT 과부하가 나지 않는지 전류 파형으로 확인합니다. 노이즈에 의한 위상 오검출 여부는 파형 분석 및 실측 요망입니다.
경계 조건 — 이 절체 설계가 틀리게 되는 조건
첫째, 발전기 차단기(GCB)가 있는 구성입니다. GCB가 발전기와 주변압기 사이에 있으면 발전기 트립 때 GCB만 열리고, UAT는 주변압기를 통해 계통에서 역수전을 계속 받습니다. 이 경우 발전기 트립은 절체 개시 조건이 아니며, 절체는 주변압기·UAT 자체의 고장이나 스위치야드 측 상실에만 필요합니다. 개시 조건을 86G로 걸어 두면 불필요한 절체가 발생합니다.
둘째, 모선 부하 구성이 크게 바뀐 경우입니다. 대형 전동기가 교체되거나 가변속 드라이브 부하 비율이 늘면 잔류전압 감쇠 특성이 달라집니다. 드라이브 부하는 전원 상실 시 모선에 잔류전압을 거의 공급하지 않으므로 위상각이 더 빨리 벌어질 수 있습니다. 과거 시운전 파형으로 잡은 창은 이때 유효하지 않습니다.
셋째, 절체 판정을 PLC 스캔 안에서만 처리하는 경우입니다. 스캔 주기와 아날로그 변환 지연이 고속 창에 비해 무시할 수 없으면 고속 절체는 사실상 동기 위상 절체나 잔류전압 절체로 떨어집니다.
단일 판단 기준은 이렇게 잡습니다. 실측한 차단기 개폐 시간 편차와 실부하 잔류전압 감쇠 곡선으로 고속 창을 정의할 수 없다면, 고속 절체를 표방하지 말고 잔류전압 조건을 확인한 절체를 기본으로 설계합니다.
