결론부터 씁니다. 해상풍력의 어레이 케이블·수출 케이블·해상변전소 변압기 보호를 과전류 계전기 중심으로 짜면, 고장 전류가 발전소 쪽에서 거의 오지 않는 조건에서 선택성이 무너집니다. 풍력 터빈의 컨버터는 고장 중 전류를 정격 부근으로 제한하므로, 해상 측에서 보이는 고장 전류는 대부분 육상 계통에서 수출 케이블을 거쳐 들어옵니다. 그래서 주보호는 차동(87L·87T) 계전기로 두고, 긴 케이블의 충전전류와 변압기 돌입전류를 오동작 요인으로 먼저 처리하며, 투입 순서 자체를 인터락으로 묶는 구성이 기준이 됩니다.
안전 인터락 — 해상변전소 투입·개방 조건
해상변전소는 무인 운전이 기본이고 접근에 기상 제약이 있습니다. 그래서 잘못된 투입 한 번의 복구 비용이 육상보다 훨씬 큽니다. 보호 협조보다 먼저 투입 순서 인터락을 확정합니다.
- □ 해상변전소 화재·가스 감지와 비상정지는 하드와이어로 해당 베이 차단기를 개방하고 재투입을 봉쇄합니다. 베이 제어기는 이 상태를 감시하고 원격 투입 지령을 거부할 뿐, 소프트웨어로 해제하지 않습니다.
- □ 수출 케이블을 투입할 때 분로 리액터가 연결되어 있는지 확인합니다. 긴 교류 케이블을 무보상 상태로 가압하면 수전단 전압이 상승합니다(페란티 효과).
- □ 변압기 투입 전 2차측(어레이 측) 차단기 개방을 확인합니다. 무부하 투입으로 돌입전류 조건을 단순화합니다.
- □ 어레이 스트링 차단기 투입 전 해당 스트링 터빈 전부가 정지·분리 상태인지 확인합니다.
- □ 접지 개폐기(ES)와 주차단기 간 기계적·전기적 인터락을 확인합니다. 원격 조작이 기본이므로 전기적 인터락의 상태 입력이 두 개 접점(a·b)으로 교차 검증되어야 합니다.
고장 전류가 한쪽에서만 올 때의 보호 협조
육상 발전소 보호는 고장 전류가 크고 방향이 분명하다는 가정 위에 서 있습니다. 해상풍력은 이 가정이 절반만 맞습니다. 어레이 케이블에서 고장이 나면 육상 계통이 수출 케이블과 변압기를 거쳐 큰 전류를 공급하지만, 같은 스트링의 터빈들은 컨버터 전류 제한 때문에 작은 전류만 보탭니다. 스트링 차단기의 과전류 요소는 동작하지만, 스트링 안의 어느 구간인지 가를 수단이 없습니다. 어레이 스트링은 대개 스트링 단위로 분리하고, 구간 탐색은 이후 절차로 넘깁니다.
수출 케이블은 사정이 다릅니다. 케이블 양단에 차동 계전기(87L)를 두면 내부 고장을 전류 크기와 무관하게 선택할 수 있습니다. 문제는 충전전류입니다. 교류 케이블은 정전용량이 크므로 정상 상태에서도 양단 전류 차가 생기고, 이것이 차동 요소에는 내부 고장처럼 보입니다. 충전전류 보상 기능을 쓰거나 최소 동작값을 충전전류 위로 올려야 하는데, 후자는 고저항 지락 감도를 깎습니다.
충전전류 크기는 식으로 가늠할 수 있습니다. 가정: 상전압 U, 케이블 1 km당 정전용량 C, 길이 L, 주파수 f라면 1상 충전전류는 I = 2πf × C × L × U입니다. 길이에 비례하므로, 이격거리가 긴 단지일수록 차동 정정과 리액터 보상이 동시에 커지는 문제가 됩니다. 실제 케이블 정전용량은 제조사 성적서 값을 씁니다.
| 구간 | 주보호 | 오동작 요인 | 대응 |
|---|---|---|---|
| 어레이 스트링 | 과전류·지락 | 터빈 기여 전류 작음 | 스트링 단위 분리 |
| 해상 변압기 | 87T 차동 | 돌입전류 | 2고조파 억제 |
| 수출 케이블 | 87L 차동 | 충전전류 | 충전전류 보상 |
| 분로 리액터 | 차동·과전류 | 개폐 과도 | 투입 순서 고정 |
| 차단기 실패 | 50BF | 통신 지연 | 하드와이어 트립 병행 |
표의 세 번째 열이 핵심입니다. 해상풍력 보호에서 부동작보다 오동작이 먼저 문제가 되는 이유는, 정상 운전 중에도 차동 요소를 흔드는 전류(충전전류·돌입전류)가 구조적으로 크기 때문입니다. 정정은 고장 조건보다 투입 조건에서 먼저 검증합니다.
투입 순서 인터락 로직 (베이 제어기)
전제 타임차트는 이렇습니다. 1단계 분로 리액터 차단기 투입 확인. 2단계 육상 측에서 수출 케이블 가압. 3단계 해상 변압기 1차 차단기 투입(2차 개방 상태). 4단계 돌입전류 감쇠 대기 후 어레이 스트링 차단기 순차 투입. 각 단계 사이에 전압 확인을 둡니다. 상태 교환은 IEC61850_GOOSE로 하되, 트립 경로는 하드와이어를 병행합니다.
(* I/O MAP - OFFSHORE SUBSTATION BAY CONTROLLER *)
(* %I3.0 DI_OSS_SAFETY_OK : FIRE/GAS/E-STOP HARDWIRED CHAIN (MONITOR ONLY) *)
(* %I3.1 DI_SR_CB_CLOSED_A : SHUNT REACTOR CB AUX a *)
(* %I3.2 DI_SR_CB_OPEN_B : SHUNT REACTOR CB AUX b *)
(* %I3.3 DI_TX_HV_CB_CLOSED : TRANSFORMER HV CB CLOSED *)
(* %I3.4 DI_TX_LV_CB_OPEN : TRANSFORMER LV CB OPEN *)
(* %I3.5 DI_ES_OPEN : EARTHING SWITCH OPEN *)
(* %I3.6 DI_GOOSE_87L_HEALTHY : 87L RELAY HEALTHY VIA IEC61850_GOOSE *)
(* %IW500 AI_V_EXPORT_PU : EXPORT CABLE VOLTAGE (PU x1000) *)
(* %IW502 AI_I_2H_RATIO : TX 2ND HARMONIC RATIO (% x10) *)
(* %Q3.0 DO_TX_HV_CLOSE_PERMIT : TRANSFORMER HV CB CLOSE PERMIT *)
(* %Q3.1 DO_TX_LV_CLOSE_PERMIT : TRANSFORMER LV CB CLOSE PERMIT *)
(* %Q3.2 DO_STRING_CLOSE_PERMIT: ARRAY STRING CB CLOSE PERMIT (SEQUENTIAL) *)
(* 1. REACTOR STATUS - BOTH AUX CONTACTS MUST AGREE *)
B_SR_IN_SERVICE := DI_SR_CB_CLOSED_A AND NOT DI_SR_CB_OPEN_B;
B_SR_DISAGREE := DI_SR_CB_CLOSED_A = DI_SR_CB_OPEN_B; (* ALARM, BLOCK ALL CLOSE *)
(* 2. TRANSFORMER HV CLOSE - CABLE ENERGISED, REACTOR IN, LV OPEN, ES OPEN *)
DO_TX_HV_CLOSE_PERMIT := DI_OSS_SAFETY_OK AND B_SR_IN_SERVICE AND NOT B_SR_DISAGREE
AND DI_TX_LV_CB_OPEN AND DI_ES_OPEN
AND (AI_V_EXPORT_PU > I_V_MIN_PU) AND (AI_V_EXPORT_PU < I_V_MAX_PU)
AND DI_GOOSE_87L_HEALTHY;
(* 3. LV CLOSE - WAIT UNTIL INRUSH DECAYS (2ND HARMONIC BELOW THRESHOLD) *)
TON_INRUSH(IN := DI_TX_HV_CB_CLOSED AND (AI_I_2H_RATIO < I_2H_SETTLED), PT := T_INRUSH_HOLD);
DO_TX_LV_CLOSE_PERMIT := DI_OSS_SAFETY_OK AND TON_INRUSH.Q;
(* 4. STRINGS ONE AT A TIME - NEXT PERMIT ONLY AFTER PREVIOUS STRING STABLE *)
DO_STRING_CLOSE_PERMIT := DO_TX_LV_CLOSE_PERMIT AND B_PREV_STRING_STABLE
AND NOT B_STRING_CLOSING;
(* 5. 87L COMMUNICATION LOSS - BLOCK NEW CLOSE, BACKUP PROTECTION STAYS ACTIVE *)
IF NOT DI_GOOSE_87L_HEALTHY THEN
DO_TX_HV_CLOSE_PERMIT := FALSE;
END_IF;I_V_MIN_PU, I_V_MAX_PU, I_2H_SETTLED, T_INRUSH_HOLD는 예시 이름입니다. 87L 통신이 끊기면 차동 보호는 상실되고 거리·과전류 후비 보호가 남습니다. 이때 새로운 투입은 막되 이미 운전 중인 설비를 세울지는 계통 운영 협의 사항입니다. GOOSE 메시지 지연과 손실률은 현장 네트워크 구성에 따라 달라지므로 파형 분석 및 실측 요망으로 남깁니다.
설계 검토 체크리스트
- □ 수출 케이블 충전전류를 길이·정전용량으로 계산하고, 87L 최소 동작값과 충전전류 보상 설정을 함께 검토합니다.
- □ 분로 리액터 용량과 케이블 무부하 전압 상승을 투입 순서별로 계산합니다. 리액터가 빠진 상태의 가압을 투입 인터락으로 막았는지 확인합니다.
- □ 변압기 돌입전류 조건에서 87T 2고조파 억제 설정을 확인합니다. 대형 변압기 여러 대를 연속 투입할 때 교감 돌입(Sympathetic Inrush)이 생기는지 검토합니다.
- □ 터빈 컨버터의 고장 전류 기여 특성(크기·지속 시간·무효전류 주입 여부)을 제조사 모델로 받아 보호 협조 계산에 넣습니다. 계산 모델은 IEC 61400-27 계열의 모델 정의와 대조합니다.
- □ 계전기 기능 요구는 IEC 60255 계열, 변전소 통신은 IEC 61850 기준으로 사양서에 명시합니다.
경계 조건 — 이 구성이 달라지는 경우
첫째, 수출 선로가 HVDC라면 이 글의 충전전류·페란티 문제는 사라지고, 보호의 중심이 컨버터 스테이션의 DC 측 고장 차단으로 옮겨갑니다. 교류 수출과 같은 체크리스트를 쓰면 안 됩니다.
둘째, 이격거리가 짧아 케이블 충전전류가 작은 단지라면 87L 최소 동작값을 낮게 유지할 수 있고, 리액터 없이 투입 가능한 경우도 있습니다. 이 판단은 충전전류 계산값으로만 내립니다.
셋째, 터빈 컨버터가 그리드포밍 모드로 운전하면 고장 중 전류 기여 특성이 바뀝니다. 기존 정정을 그대로 두면 오동작·부동작 여부를 알 수 없으므로 보호 협조를 다시 계산해야 합니다.
단일 판단 기준은 이렇습니다. 해상 측 고장 전류의 대부분이 육상 계통에서 온다면 과전류가 아니라 차동을 주보호로 두고, 충전전류와 돌입전류를 투입 순서 인터락으로 먼저 통제합니다.
