AC와 DC 시스템: 보호 요구 사항과 계전기가 서로 다릅니까?

13 11, 2025

현대의 전기 환경은 주로 발전, 전송 및 배전을 위한 교류(AC)가 상호 연결된 전력 시스템의 복잡한 태피스트리입니다. 그러나 재생 가능 에너지, 에너지 저장, 전기 자동차 및 산업 공정의 증가로 인해 직류(DC) 시스템이 매우 중요한 위치에 놓이게 되었습니다. AC와 DC 기술의 이러한 공존은 엔지니어, 지정자 및 구매자에게 근본적인 질문을 제기합니다. 보호 요구 사항과 전기 보호 릴레이 이 두 가지 기본 전기 아키텍처가 서로 다른가요? 대답은 '예'입니다. 결함을 격리하여 생명과 장비를 보호하는 보호의 핵심 원칙은 변함없이 유지되지만 AC 및 DC 전력의 특성으로 인해 구현, 기술 및 응용 분야에서 근본적으로 다른 접근 방식이 필요합니다.

근본적인 차이점: 두 가지 흐름에 관한 이야기

보호 전략이 달라야 하는 이유를 이해하려면 먼저 교류와 직류 간의 본질적인 물리적 차이를 이해해야 합니다. AC 시스템은 일반적으로 사인파 파형을 따라 주기적으로 방향을 바꾸는 전압과 전류가 특징입니다. 잘 정의된 영점 교차점을 갖는 이러한 주기적인 특성은 오류 관리 방법에 있어 중요한 요소입니다. 에이 직류 대조적으로 시스템은 전압과 전류의 일정하고 단방향 흐름을 유지합니다. 이러한 근본적인 차이는 특히 오류 조건에서 시스템 동작에 계단식 영향을 미칩니다.

AC 회로에서는 유도성 요소와 용량성 요소의 조합으로 임피던스가 생성됩니다. 이 임피던스는 단락이 발생할 때 사고 전류의 크기를 제한하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 정현파 전류의 자연스러운 제로 크로싱은 편리하고 안정적인 기회를 제공합니다. 회로 차단기 접점이 분리될 때 형성되는 아크를 차단합니다. 영교차점에서 전류가 차단된 아크가 소멸되어 오류가 성공적으로 제거됩니다.

DC 시스템은 더욱 어려운 과제를 제시합니다. 자연스러운 제로 크로싱이 없다는 것이 가장 중요한 장애물입니다. DC 시스템에 오류가 발생하면 전류는 매우 빠르게 상승할 수 있으며 일반적으로 매우 낮은 회로 저항에 의해서만 제한됩니다. 이로 인해 AC 시스템보다 훨씬 빠르게 파괴적인 크기에 도달하는 결함 전류가 발생할 수 있습니다. 이 안정적이고 큰 전류를 차단하는 것은 어렵습니다. 접점 분리 시 형성되는 아크는 자연적인 소멸점을 가지지 않고 지속될 수 있어 장비에 치명적인 손상을 초래하고 심각한 화재 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 DC 결함 중단의 물리학 자체가 특수한 솔루션을 요구하며, 이는 결국 다음과 같은 필요성을 나타냅니다. 전기 보호 릴레이 독특한 능력을 가지고 있습니다.

핵심 보호 원칙: 공통 목표, 다양한 경로

계전기의 작동 원리는 다르지만 보호 체계의 가장 중요한 목표는 AC 및 DC 시스템 전반에 걸쳐 보편적입니다. 여기에는 직원의 안전, 장비 손상 방지, 공급 연속성 보장, 더 넓은 시스템에 미치는 영향을 최소화하기 위한 선택적 오류 격리 등이 포함됩니다. 과전류, 차동 및 전압 보호와 같은 일반적인 보호 기능은 두 영역 모두에 적용되지만 구현 및 상대적 중요성은 크게 다를 수 있습니다.

과전류 보호 AC 및 DC 시스템의 초석입니다. 그러나 필요한 응답 속도는 오류 전류의 급격한 증가로 인해 DC 애플리케이션에서 훨씬 더 빠른 경우가 많습니다. AC 과전류 계전기 DC 과전류 계전기는 전류가 파괴적인 피크에 도달하는 것을 방지하기 위해 밀리초 이내에 트립을 감지하고 명령할 수 있어야 하는 반면, DC 과전류 계전기는 종종 전류 파형의 시간 지연 특성을 활용할 수 있습니다.

차동 보호 보호 구역에 들어오고 나가는 전류를 비교하는 는 AC 시스템의 변압기, 발전기 및 버스바와 같은 중요 자산을 보호하는 데 사용되는 매우 민감하고 선택적인 방법입니다. 이 원칙은 동일하게 유효하며 DC 시스템, 특히 에너지 저장 시스템(ESS)의 배터리 뱅크 보호 및 가변 주파수 드라이브의 DC 링크에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. DC 시스템의 과제는 내부 결함의 신속한 발전을 따라잡는 데 필요한 고속 샘플링 및 통신에 있습니다.

전압 보호 또 다른 중요한 영역입니다. AC 시스템에서는 저전압 그리고 과전압 릴레이는 불안정이나 장비 스트레스로 이어질 수 있는 조건으로부터 보호합니다. DC 시스템, 특히 배터리 및 전력 전자 장치와 관련된 시스템에서는 전압 보호가 가장 중요합니다. 과전압 상태는 컨버터 및 인버터의 민감한 반도체 구성 요소를 영구적으로 손상시킬 수 있는 반면, 저전압 상태는 소스 손실 또는 과부하를 나타낼 수 있으며 잠재적으로 시스템 붕괴로 이어질 수 있습니다.

다음 표에는 AC 및 DC 상황 모두에서 공통 보호 기능의 적용이 요약되어 있습니다.

아크 중단 챌린지: 문제의 핵심

아크 중단의 차이는 AC와 DC 보호를 구별하는 가장 중요한 기술 요소입니다. 앞서 언급한 것처럼 AC 아크는 전류가 영점 교차할 때마다 자연스럽게 꺼집니다. 이러한 물리적 현상을 통해 상대적으로 간단한 사용이 가능해졌습니다. 회로 차단기 제로 크로싱 후 재점화를 방지하기 위해 플라즈마를 탈이온화하고 냉각하는 아크 슈트가 있습니다.

DC 아크를 차단하는 것은 근본적으로 더 공격적인 프로세스입니다. 자연스러운 제로 크로싱이 없기 때문에 호는 강제로 0이 되어야 합니다. 이를 위해서는 다음이 필요합니다. 회로 차단기 아크를 소멸시키기 위해 시스템 전압보다 높은 역전압을 생성합니다. 이는 다음을 포함한 다양한 방법을 통해 달성됩니다.

• 강제 전류 제로: 전력 전자 장치를 사용하여 역전류 펄스를 주입하여 인공적인 제로 크로싱을 강제합니다.
• 아크 연장 및 냉각: 자기장을 사용하여 아크를 길고 분할된 아크 슈트로 유도하여 늘어나고 냉각되며 저항이 극적으로 증가합니다. 증가된 아크 저항은 전류를 제한하고 전류를 소멸하는 데 도움이 되는 전압 강하를 생성하는 역할을 합니다.
• 무접점 차단기: 지속적인 아크를 생성하지 않고 전류를 차단하기 위해 극도로 빠르게(마이크로초 단위) 개방할 수 있는 IGBT 또는 MOSFET과 같은 반도체를 활용합니다. 이들은 종종 다음과 함께 사용됩니다. 전기 보호 릴레이 반도체를 트리거할 시기에 대한 논리를 제공합니다.

DC 아크 중단의 까다로운 특성은 DC가 회로 차단기 일반적으로 동등한 전압 및 전류 정격에 대해 AC 제품보다 더 크고, 더 복잡하며, 더 비쌉니다. 이러한 하드웨어 제한은 보호 전략에 직접적인 영향을 미치며, 종종 보안 전략의 속도와 지능에 더 큰 의존을 요구하게 됩니다. 전기 보호 릴레이 오류가 발생한 가장 초기 징후에서 트립 명령을 시작하여 차단기가 중단해야 하는 에너지를 줄입니다.

응용 분야별 요구 사항: 이론과 실제가 만나는 곳

AC와 DC 보호의 차이점은 특정 애플리케이션을 검토할 때 가장 분명해집니다. 의 선택 전기 보호 릴레이 보호하려는 시스템의 영향을 많이 받습니다.

AC 시스템 응용

유틸리티 그리드부터 산업 플랜트에 이르기까지 기존 AC 전력 시스템에서 보호는 성숙하고 표준화된 분야입니다. 전기 보호 계전기 정현파를 처리하도록 설계되었으며 표준 시간-전류 특성 곡선(예: IEC, IEEE)으로 프로그래밍되었습니다. 초점은 선택적 조정 , 오류에 가장 가까운 릴레이가 먼저 작동하여 네트워크의 가능한 가장 작은 부분을 격리하도록 합니다. 방향성 과전류, 역상분, 주파수 보호와 같은 보호 기능은 일반적이며 3상 AC 네트워크에서 발견되는 고유한 안정성 및 오류 유형을 해결합니다.

DC 시스템 응용

DC 보호에 대한 요구 사항은 최신 기술과 전문 산업 프로세스에 의해 좌우됩니다.

• 재생 에너지 및 에너지 저장 시스템(ESS): 태양광 발전 어레이는 DC 전력을 생성하고 대규모 배터리 뱅크는 에너지를 DC로 저장합니다. 이러한 시스템은 고유한 과제를 제시합니다. DC 아크 결함 지속적일 수 있으며, 태양전지 어레이의 경우 표준 과전류 장치가 감지할 만큼 충분한 전류를 끌어오지 못할 수 있습니다. 이를 위해서는 전문적인 AFDD(아크 결함 감지 장치) 아크의 잡음 특성에 대한 전류 특성을 분석합니다. 또한 배터리 보호에는 다음 사항에 대한 정밀한 모니터링이 필요합니다. 과전류 , 과전압 , 저전압 , 그리고 접지 결함 잠재적으로 치명적인 상황인 열 폭주를 방지합니다.

• 견인력 및 전기 자동차(EV) 인프라: 철도 시스템과 전기 자동차 충전소는 DC 전원을 사용합니다. DC 견인 전원 공급 장치의 보호 체계는 공공 안전과 네트워크 가용성을 보장하기 위해 신뢰성이 높고 신속하게 작동해야 합니다. 전기 보호 계전기 이러한 애플리케이션에서는 회생 제동 전류와 급속 EV 충전기의 고전력 수요를 처리할 수 있을 정도로 견고해야 합니다.

• 산업 공정 및 가변 속도 드라이브(VSD): 전기분해 및 DC 모터 구동과 같은 많은 산업 공정에서는 고전력 DC를 사용합니다. VSD의 DC 링크는 취약한 지점으로 회생 부하로 인한 과전압 및 인버터 섹션의 결함에 대한 보호가 필요합니다. 는 전기 보호 릴레이 여기서 사용되는 장치는 조정된 응답을 위해 드라이브 제어 시스템과 통합되는 경우가 많습니다.

• 데이터 센터 및 통신: 최신 데이터 센터에서는 AC-DC 변환 단계 수를 줄여 효율성을 높이기 위해 380V DC 또는 기타 DC 배전 전압을 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 이러한 DC 배전반을 보호하려면 다음이 필요합니다. 전기 보호 릴레이 중요한 서버의 가동 시간을 유지하기 위한 신뢰성과 선택성에 중점을 두고 저전압 DC 애플리케이션용으로 설계되었습니다.

올바른 전기 보호 계전기 선택: 구매자를 위한 주요 고려 사항

도매업자와 구매자의 경우 AC와 DC 보호의 차이점을 이해하는 것은 올바른 제품을 공급하고 고객에게 효과적으로 조언하는 데 중요합니다. 지정할 때 전기 보호 릴레이 , 다음 고려 사항이 가장 중요합니다.

1. 전류 유형(AC/DC) 및 시스템 전압: 가장 기본적인 사양입니다. AC용으로 설계된 계전기는 DC 시스템에서 올바르게 작동하지 않으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 시스템 전압 정격은 계전기의 설계 기능과 일치해야 합니다.

2. 방해하는 장치 호환성: 계전기는 차단 장치(예: AC 회로 차단기, DC 회로 차단기 또는 무접점 스위치)와 호환되어야 합니다. 트립 출력과 명령의 타이밍은 차단기의 동작 특성과 일치해야 합니다.

3. 작동 속도: DC 시스템의 경우 계전기의 작동 속도는 중요한 성능 지표입니다. DC 오류 전류의 급격한 상승을 완화하기 위해 작동 시간이 매우 짧은(종종 밀리초 이하로 지정되는) 계전기를 찾으십시오.

4. 보호 기능s: 계전기가 애플리케이션에 필요한 특정 기능을 제공하는지 확인하십시오. 배터리 시스템의 경우 여기에는 정밀한 전압 및 전류 보호가 포함됩니다. 태양전지 어레이의 경우, 아크 결함 감지 꼭 필요한 기능일 수도 있습니다.

5. 환경 및 견고성 사양: DC 시스템은 산업 현장이나 실외와 같은 열악한 환경에서 흔히 발견됩니다. 릴레이는 적절해야합니다 유입 보호(IP) 정격을 충족하고 예상 온도, 습도 및 진동 범위 내에서 안정적으로 작동하도록 설계되었습니다.

6. 통신 및 모니터링: 현대 시스템에는 연결이 필요합니다. 릴레이 통신 프로토콜 Modbus, PROFIBUS 또는 IEC 61850과 같은 원격 모니터링, 이벤트 로깅 및 더 넓은 범위의 통합이 가능합니다. 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 귀중한 데이터를 제공하는 시스템 예측 유지 관리 .

7. 표준 및 인증: 릴레이가 안전 및 성능에 대한 관련 국제 및 지역 표준을 준수하는지 확인하십시오. 이는 품질과 신뢰성을 보장합니다.

보호의 미래: 기술의 융합

AC와 DC 시스템 사이의 경계는 둘 사이를 원활하게 연결하는 전력 변환기의 확산으로 모호해지고 있습니다. 이러한 융합은 다음과 같은 진화에도 영향을 미치고 있습니다. 전기 보호 릴레이 . 미래에는 AC 및 DC 구성 요소를 모두 포함하는 복잡한 시스템을 처리할 수 있는 적응형 다기능 계전기가 지향됩니다. 이러한 고급 장치는 디지털 신호 처리 및 고급 알고리즘을 활용하여 더욱 빠르고 정확하며 선택적인 보호 기능을 제공합니다.

무접점 회로 차단기 , 정교한 제어 전기 보호 릴레이 , 특히 DC 마이크로그리드 및 민감한 산업 애플리케이션에서 비교할 수 없는 속도로 인해 더욱 널리 보급될 것입니다. 게다가, 통합 인공지능(AI) 그리고 기계 학습 계전기가 사전 설정된 임계값 이상으로 이동하고 시스템의 정상적인 작동 패턴을 학습하여 초기 오류를 나타낼 수 있는 비정상적인 조건을 감지하고 대응할 수 있게 함으로써 새로운 수준의 예측 유지 관리 그리고 system resilience.

결론적으로 AC 및 DC 시스템의 보호 요구 사항은 근본적으로 근본적으로 다릅니다. 이러한 차이점은 전류의 핵심 물리학, 특히 자연적인 제로 크로싱 없이 DC 아크를 차단하는 문제에서 비롯됩니다. 이는 특수한 인터럽트 하드웨어가 필요하다는 것을 의미하며, 결과적으로 전기 보호 릴레이 DC 애플리케이션의 고유한 요구 사항, 즉 배터리 및 전력 전자 변환기와 같은 자산에 대한 극한의 속도, 정밀도 및 맞춤형 보호 기능을 위해 특별히 설계되었습니다.

보호 장비의 사양, 조달 또는 적용과 관련된 모든 사람에게 이러한 차이점에 대한 깊은 이해는 선택 사항이 아닙니다. 그것은 필수입니다. 표준 AC 선택 전기 보호 릴레이 DC 시스템의 경우 이는 고장의 원인이 되며 잠재적으로 부적절한 보호, 장비 파괴 및 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다. DC 기술이 에너지 및 산업 부문 전반에 걸쳐 그 입지를 지속적으로 확장함에 따라 올바르게 지정된 고성능 DC의 역할 전기 보호 릴레이 진화하는 전기 생태계에서 안전과 신뢰성의 중요한 수호자 역할을 하면서 그 중요성은 더욱 커질 것입니다.