Analysis on Voltage Sag According to Impedance and Application Location of SFCL with Recloser-Recloser Coordination

재폐로차단기간 보호협조 동작시 초전도한류기 적용위치 및 임피던스에 따른 순간저전압 분석

Abstract

Superconducting fault current limiter (SFCL) has been expected as one of more effective solutions for decreasing fault current instantaneously and various types of SFCLs have been developed to apply into real power system. Recently, the application of the SFCL in a power distribution system has been reported to be contributed to the suppression of the voltage sag as well as the limitation of the fault current. However, the suppressing effect of voltage sag by the SFCL depends on component of its impedance and its application location in a power distribution system considering the recloser-recloser coordination. This paper analyzed the voltage sag caused by recloser-recloser coordination in a power distribution system and the suppression of the voltage sag due to the application location of the SFCL in a power distribution system was discussed through the PSCAD/EMTDC simulation.

1. 서 론

오늘날 우리나라의 전력수요는 수도권을 중심으로 증가되고 있으며, 이는 전력계통의 단락용량을 증가시키는 문제점이 야기되고 있다. 단락용량의 증가로 인해 고장발생시 기존 설치된 차단기의 단락용량을 초과하여 보호기기가 고장전류를 차단하는데 실패하는 결과를 초래할 수 있다. 이와 같은 문제점으로 기존 설치된 차단기를 단락용량이 큰 기기로 교체 또는 고장전류를 저감시킬 수 있는 기기들의 추가 설치가 요구된다. 보호기기 교체의 경우 고비용이 요구되므로 고장전류를 저감시킬 수 있는 고임피던스 기기 또는 직렬리액터를 전력계통에 설치하는 방안들이 제시되고 있다. 고임피던스 기기 및 직렬리액터 설치시 건전상태에서도 임피던스에 의한 손실이 발생하므로 건전시 전력손실이 없는 초전도한류기(SFCL)의 적용에 관한 연구가 진행되고 있다[1-4].

초전도한류기의 특징으로 정상상태에서는 초전도 상태로 저항이 없다가 임계전류 이상의 고장전류로 저항이 발생하여 고장전류를 수 [msec] 이내에 저감시킬 수 있다는 장점이 있다. 또 다른 특징으로는 다중접지 방식의 배전계통에 초전도한류기를 적용했을 때 순간저전압 현상을 개선할 수 있다는 장점이 있다. 순간저전압 현상은 고장발생시 전력계통에 설치된 보호기기의 동작에 의하여 지속시간이 정해지고 보호기기의 동작순서에 따라 정전을 경험하게 된다. 순간저전압 현상은 고장선로 뿐만 아니라 인근선로에도 영향을 미쳐 수용가에 상당한 악영향을 미칠 수 있다[5-6].

본 논문에서 배전계통의 순간저전압 현상을 개선할 수 있는 초전도한류기의 위치선정과 초전도한류기의 임피던스 조건에 따라서 개선 효과를 분석하였으며, 배전계통의 한 선로에 재폐로차단기가 두 대 이상인 사례에 대하여 재폐로차단기간 보호협조에 따른 순간저전압 현상을 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 분석하였다. 초전도한류기의 모델은 초전도소자분담을 저감시키는 특성을 지닌 트리거형 초전도한류기 모델을 사용하였다.

 

2. 배전계통에서의 순간저전압

배전계통에서 순간저전압 현상의 원인은 수용가 기기(모터기동, 커패시터 스위칭 등)에 의해 발생되지만, 고장발생시 고장전류에 의한 순간저전압현상이 나타나는 것이 일반적이다. 순간저전압현상이 발생할 경우의 모선전압 식은 (1)과 같다.

여기서, Zsource는 전원 임피던스, ZTr은 변압기 임피던스, ZL은 선로 임피던스이다. 고장발생시 고장점으로 유입되는 고장전류에 의해 모선이 저전압을 경험하여 고장선로의 수용가와 같이 순간저전압이 인근선로의 수용가까지 순간저전압이 나타난다 [7].

그림 1은 IEEE 표준 1159에 명시된 전력품질에 관한 구분이다. 0.5 [cycle] ∼1 [min] 이내의 정격전압의 10∼90 [%]의 전압을 순간저전압으로 분류하고 있다 [8].

그림 1IEEE 표준 1159에 의해 제시된 전력품질 구분. Fig. 1 Identification of power quality set by IEEE standards 1159.

 

3. 배전계통 및 트리거형초전도한류기 모델링

3.1 배전계통 모델링

그림 2는 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 이용하여 구성한 모의 배전계통 구성도이다.

그림 2모의 배전계통 구성도. Fig. 2 Simplified configuration of power distribution system.

초전도한류기의 위치선정은 설치위치에 따른 고장전류 저감효과와 순간저전압 현상 개선효과를 검토하기 위해 주변압기 2차측에 설치했을 때, 선로인출점에 설치했을 때로 각각 분류하였다. 보호기기는 배전계통에서 주로 사용되고 있는 과전류계전기와 재폐로차단기를 사용하였고, 재폐로차단 기간의 보호협조에 따른 순간저전압 특성을 분석하기위해 한 선로당 두 대의 재폐로차단기를 적용하였다. 고장위치는 재폐로차단기간 보호협조분석을 위해 Fault위치에서 1선지락 고장을 모의하였다. 표 1은 PSCAD/EMTDC 프로그램에 사용한 배전계통 데이터이다.

표 1배전계통 파라미터. Table 1 Parameters of power distribution system.

3.2 재폐로차단기 모델링

본 논문에서는 배전계통의 보호기기로서 주로 사용되고 있는 과전류계전기와 재폐로차단기를 모델링하여 초전도한류기의 적용유·무에 따른 과전류계전기, 재폐로차단기의 동작특성을 분석하였다. 또한, 한 선로에 두 대의 재폐로차단기 설치를 모의하여 재폐로차단기간 보호협조를 이루었을때 고장전류 저감효과 및 순간저전압 현상 개선효과를 분석하였다. 각 재폐로차단기의 시퀀스는 RC12가 2F2D, RC13는 2F1D의 시퀀스동작을 하도록 모델링하였다. 한 선로에 재폐로차단기가 두 대 이상 설치될 시에 정전구간 최소화를 위해 구간협조장치(SCA:Sequence Coordination Accessory)를 모의하였다. 그림 3은 Fault위치 고장시 재폐로차단기 RC12 와 RC13에 대해 구간협조장치를 모의하지 않았을 때 고장전류 파형이다. 고장이 발생하면 RC13이 순시 동작시간이 RC12의 순시 동작시간보다 짧으므로 먼저 동작(1F)하고 RC12는 고장은 감지하지만 동작하지 않아 투입된 상태를 유지한다. RC13이 첫 번째 재폐로 시간 후 투입되고 고장이 제거되지 않았으므로 RC13이 순시동작(2F)하고 RC12는 고장은 감지하지만 투입된 상태를 계속 유지한다. RC13의 두 번째 재폐로 시간 후 다시 투입되고 RC12는 한 번도 동작을 하지 않았으므로 첫 번째 순시(1F)가 동작할 순서이고 RC13은 순시 동작을 두 번 하였으므로 첫 번째 지연 동작(1D)을 할 순서지만, RC12의 순시 동작시간이 RC13의 지연 동작시간보다 짧으므로 RC12가 동작하고 RC13은 투입된 상태를 그대로 유지한다. RC12가 첫 번째 재폐로 시간 후 투입되고, RC12는 두 번째 순시동작(2F)을 하고 RC13은 계속 투입된 상태를 유지한다. RC12는 두 번째 재폐로 시간 후 투입되고 순시 동작을 두 번 하였으므로 첫 번째 지연 동작(1D)을 할 순서이다. 이 경우 같은 지연동작시간에 RC13의 지연동작시간이 더 짧으므로 RC13의 지연동작(1D)이 발생, 이후 RC13은 자기 시퀀스(2F1D)를 완료하였으므로 Lock-Out되면서 고장구간을 완전히 분리한다. 결과적으로는 RC13이 고장구간을 분리하였지만 그 과정에서 RC12와 RC13사이 구간은 건전구간임에도 불구하고 두 번의 순간정전을 경험하게 된다.

그림 3계전기 동작특성(구간협조장치 미적용시).(a) 선로 11의 전류 및 동작신호.(b) 선로 12의 전류 및 동작신호. (c) 선로 13의 전류 및 동작신호. Fig. 3 Operational characteristic of relay in case that SCA is not applied. (a) Current and relay signals of Line 11. (b) Current and relay signals of Line 12.(c) Current and relay signals of Line 13.

그림 4계전기 동작특성(구간협조장치 적용시).(a) 선로 11의 전류 및 동작신호.(b) 선로 12의 전류 및 동작신호.(c) 선로 13의 전류 및 동작신호. Fig. 4 Operational characteristic of relay in case that SCA is applied. (a) Current and relay signals of Line 11. (b) Current and relay signals of Line 12. (c) Current and relay signals of Line 13.

그림 4는 Fault위치 고장시 재폐로차단기 RC12와 RC13에 대해 구간협조장치를 모의하였을 경우 고장전류파형이다. 고장이 발생하면 RC13의 순시동작시간이 RC12의 순시 동작 시간보다 짧으므로 RC13이 먼저 동작(1F)하고 RC12는 고장은 감지하지만 동작하지 않아 투입된 상태를 유지한다. 이때 RC12에 장착된 후비보호 장치는 RC12의 시퀀스를 동작한 것으로 간주하고 다음으로 넘긴다. RC13이 첫 번째 재폐로 시간 후 투입되고, RC13이 두 번째 순시동작(2F)을 하고 RC12는 투입된 상태로 시퀀스만 넘어간다. RC13이 두 번째 재폐로 시간 후 투입되고 RC13은 첫 번째 지연동작을 할 순서이고 RC12도 2번의 순시동작 시퀀스가 넘어갔으므로 첫번째 지연동작을 할 순서가 된다. RC13의 지연동작 시간이 RC12의 지연동작 시간보다 짧으므로 RC13이 먼저 동작하고 RC12는 투입된 상태를 유지한다. 이때 RC13는 자기 시퀀스를 완료하였으므로 Lock-Out 되면서 고장구간을 분리하며, RC12는 투입된 상태로 복귀시간을 진행한 후 복귀된다. 그림 3과 비교해 구간협조 동작으로 인해 정전횟수가 감소되었음을 비교할 수 있다.

3.3 트리거형 초전도한류기 모델링

그림 5는 본 논문에서 사용한 트리거형 초전도한류기의 구성도이다. 트리거형 초전도한류기는 초전도소자(RSC), 한류소자(ZCLR), 고속스위치(SW)가 그림 5와같이 구성되어 있다.

그림 5트리거형 초전도한류기 구성도. Fig. 5 Simplified configuration of trigger type SFCL.

그림 6트리거형 초전도한류기 동작특성. Fig. 6 Operational characteristic of trigger-type SFCL

그림 6은 트리거형 초전도한류기의 동작파형이다. iSC는 초전도소자(RSC)에 흐르는 전류, iCLR는 한류소자(ZCLR)에 흐르는 전류, i11은 초전도한류기의 적용전의 고장전류 파형을 나타내며, RSC는 초전도소자 저항이다. 정상상태에서 초전도소자 저항은 초전도상태로 영저항이다가 0.4 [sec]에 고장발생시 고장전류가 초전도소자의 임계전류 이상이 되면 초전도소자에 퀜치가 발생하여 저항(RSC)이 발생한다. 이때 증가된 저항과 고장전류에 의해 초전도소자 전압(VSC)이 설정전압을 초과하면 고속스위치(SW)가 동작하여 한류소자로 고장전류가 통전된다. 즉, 초전도소자(RSC)는 고장전류를 감지하는 역할을 하고, 실제적으로 고장전류를 저감하는 역할은 한류소자(ZCLR)가 하게 된다. 이와 같은 구성은 초전도한류기의 초전도소자 용량감소와 고장전류의 부담을 감소시킬 수 있다 [9].

 

4. 트리거형 초전도한류기 적용시 순간저전압 개선효과 분석

표 2는 초전도한류기 적용위치 및 구간협조장치 적용에 따른 순간저전압 개선효과를 분석하기 위해 분류한 사례이다. 초전도한류기의 초전도소자(RSC)는 2 [Ω], 한류소자(ZCLR)는 저항성분으로 2 [Ω]의 사양을 가지도록 구성하였다.

표 2사례연구 구성. Table 2 Configuration of case study.

4.1 초전도한류기 주변압기 2차측 적용시 순간저전압분석

그림 7은 Fault위치 고장시 재폐로차단기간 구간협조를 모의하지 않은 상황에서 주변압기 2차측에 초전도한류기 적용 유·무에 따른 결과 그래프이다.

그림 7Case 1의 결과.(a) 고장전류 및 계전기신호. (b) 모선전압 및 초전도소자 저항. Fig. 7 Results of Case 1. (a) Fault current and relay signals. (b) Bus voltage and resistance of superconducting element.

그림 7(a)는 고장전류 및 재폐로차단기 적분값, 그림 7(b)는 모선전압 및 초전도소자 저항이다. 주변압기 2차측 설치시 고장전류는 초전도한류기가 적용됨에 따라 저감효과를 보이지만, 모선전압의 경우 순간저전압 개선효과가 나타나지 않은 것을 확인 할 수 있다. 또한, 구간협조장치를 모의하지 않은 결과로 전위보호기기인 RC13의 동작외에도 RC12에서 두 번의 순시동작이 발생해 불필요한 정전구간이 발생하게 된다. 고장전류 감소로 보호기기동작이 지연되는데 추가적인 동작으로 순간저전압이 더욱 지연된다.

그림 8은 Fault위치 고장에서 재폐로차단기간 구간협조를 모의한 상황에서 초전도한류기를 주변압기 2차측 적용시 적용 유·무에 따른 결과파형이다. 그림 8(a)는 고장전류 및 재폐로차단기 적분 값, 그림 8(b)는 모선전압 및 초전도소자 저항이다. 그림 7과 마찬가지로 고장전류는 제한되었지만, 순간저전압 개선효과가 나타나지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 재폐로차단기간 구간협조모의를 통해 정전횟수가 감소되었고, 재폐로차단기의 동작지연도 짧아진 것을 확인할 수 있다.

그림 8Case 2의 결과. (a) 고장전류 및 계전기신호. (b) 모선전압 및 초전도소자 저항. Fig. 8 Results of Case 2. (a) Fault current and relay signals. (b) Bus voltage and resistance of superconducting element.

식 (2)는 초전도한류기를 주변압기 2차측에 적용했을 때 도출된 수식이다. 초전도한류기를 주변압기 2차측에 적용했을 때 분모에 ZSFCL이 추가되어 고장발생에 따라서 모선전압이 더 감소한 것을 확인할 수 있다.

4.2 초전도한류기 선로인출점 적용시 순간저전압 분석

그림 9는 Fault위치 고장에서 재폐로차단기간 구간협조를 모의하지 않은 상황에서 선로인출점에 초전도한류기 적용 유·무에 따른 결과파형이다. 그림 9(a)는 고장전류 및 재폐로 차단기 적분 값, 그림 9(b)는 모선전압 및 초전도소자 저항이다. 재폐로차단기간에 구간협조를 모의하지 않은 상황에서는 그림 7과 마찬가지로 불필요한 정전구간과 횟수가 증가한다. 초전도한류기를 선로인출점 적용시 주변압기 2차측에 적용시켰을 때와 동일한 고장전류 저감효과를 보인다.

그림 9Case 3의 결과. (a) 고장전류 및 계전기신호. (b) 모선전압 및 초전도소자 저항. Fig. 9 Results of Case 3. (a) Fault current and relay signals. (b) Bus voltage and resistance of superconducting element.

그림 10Case 4의 결과. (a) 고장전류 및 계전기신호. (b) 모선전압 및 초전도소자 저항. Fig. 10 Results of Case 4. (a) Fault current and relay signals. (b) Bus voltage and resistance of superconducting element.

순간전압강하 억제특성으로 초전도한류기를 주변압기 2차측에 적용시와 비교하면 개선효과가 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이는 추가된 초전도한류기 임피던스가 적용위치에 따라서 모선전압에 영향을 미치기 때문이다. 그림 10은 Fault위치 고장에서 재폐로차단기간 구간협조를 모의한 상황에서 초전도한류기의 선로인출점 적용 유·무에 따른 결과파형이다. 그림 10(a)는 고장전류 및 재폐로 차단기 적분값, 그림 10(b)는 모선전압 및 초전도소자 저항이다. 재폐로차단기간에 구간협조를 모의한 상황에서는 그림 8과 마찬가지로 전위 보호기기인 RC13만 동작하여 불필요한 정전구간 및 횟수가 발생하지 않았으며, 보호기기의 동작지연 또한 구간협조를 모의하지 않았을 때와 비교해 짧게 나타난 것을 확인 할 수 있다. 식 (3)은 초전도한류기를 선로인출점에 적용했을 때 도출된 수식이다. 초전도한류기를 선로인출점에 적용했을 때 분자, 분모에 ZSFCL이 추가되어 고장발생에 따라서 모선전압이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이때 순간저전압의 개선 효과는 임피던스의 성분과 크기에 따라 달라진다.

4.3 초전도한류기 임피던스에 따른 순간저전압 분석

배전계통에 초전도한류기를 선로인출점 적용의 결과 상당한 순간저전압 영향 개선이 나타남을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 초전도한류기를 선로인출점에 적용하여 임피던스 변화에 따른 순간저전압 영향 개선을 분석하였다. 표 3은 임피던스에 따른 순간저전압 개선효과를 분석하기 위해 구성한 사례연구표이다.

표 3한류소자 구성. Table 3 CLR configuration.

그림 11한류소자에 따른 모선전압 파형. (a) 저항 1 [Ω]. (b) 저항 2 [Ω]. (c) 저항 3 [Ω]. Fig. 11 Waveforms of bus voltage according to CLR. (a) Resistance 1 [Ω]. (b) Resistance 2 [Ω]. (c) Resistance 3 [Ω].

그림 11은 Fault위치 고장발생시 초전도한류기의 한류소자 임피던스를 저항성분으로 구성하여 1∼3 [Ω]으로 가변했을 시 모선전압 파형이다. 저항이 증가됨에 따라 순간저전압 개선효과는 증가되지만, 증가된 저항에 의한 고장전류 감소로 재폐로차단기의 동작시간은 지연됨을 보인다.

그림 12한류소자에 따른 모선전압 파형. (a) 리액턴스 j1 [Ω]. (b) 리액턴스 j2 [Ω]. (c) 리액턴스 j3 [Ω]. Fig. 12 Waveforms of bus voltage according to CLR. (a) Reactance j1 [Ω]. (b) Reactance j2 [Ω]. (c) Reactance j3 [Ω].

그림 12는 Fault위치 고장발생시 초전도한류기의 한류소자 임피던스를 리액턴스성분으로 구성하여 1∼3 [Ω]으로 가변했을시 모선전압 파형이다. 그림 11과 마찬가지로 리액턴스가 증가됨에 따라 순간저전압 개선효과는 커지게 되고, 재폐로차단기의 동작지연이 나타나게 되어 순간정전시간이 증가되었다. 초전도한류기의 한류소자 임피던스를 저항과 리액턴스성분으로 나누어 사례연구를 한 결과 저항성분으로 구성했을 시에 모선전압의 순간저전압 억제효과는 크게 나타난 것을 확인 할 수 있다. 이는 식(3)에서 모의 배전계통의 임피던스 성분 비율이 리액턴스가 저항성분과 비교해 크기 때문이다.

 

5. 결 론

본 논문에서는 배전계통에 초전도한류기 적용시 재폐로차 단기간 협조 동작에 따른 순간저전압현상을 분석하였다. 초전도한류기 적용위치에서는 초전도한류기를 적용하기 전 모선전압의 순간저전압은 46 [%]로 감소하였다. 주변압기 2차측과 선로인출점에 각각 적용시 주변압기 2차측 적용시에는 개선효과가 없었으며, 선로인출점 적용시 순간저전압 영향이 개선됨을 확인하였다. 재폐로차단기간 협조 동작시 순간저전압 특성은 구간협조 장치를 적용시켰을 때 순간저전압 횟수 및 지속시간이 감소하는 것을 확인하였고, 한류소자 임피던스에 따른 순간저전압 개선효과는 한류소자를 저항성분으로 구성했을 때 개선효과가 큰 것으로 나타났다. 순간저전압 현상의 지속시간은 리액턴스 성분으로 구성했을 때 더길게 나타남을 확인할 수 있다. 이와 같은 효과는 식 (3)에서 전원, 변압기, 선로 임피던스의 비율에 따라 달라질 수 있다.