Analysis of Voltage Drop under Extended Feeding in KyungBu High Speed Line (II)

† 교신저자, 한국철도기술연구원, 광역도시철도연구본부 E-mail : [email protected] * 한국철도기술연구원, 광역도시철도연구본부 ** 한국철도시설공단, KR연구원

경부고속선의 전력공급 안정성 검토를 위한 연장급전 조건의

전압강하 검토 (II)

Analysis of Voltage Drop under Extended Feeding

in KyungBu High Speed Line (II)

김주락† 창상훈* 박현준* 이영흠**

Joorak Kim Sang-Hoon Chang Hyun-June Park Youngheum Lee

ABSTRACT

This paper presents the simulation of traction power supply system for the evaluation of voltage drop in Kyungbu high speed line. This simulation is performed in circumstance of extended feeding through vicinity substation. Extended feeding should be considered from design of system. Therefore, voltage drop at extended feeding must be accepted against regulation. In this paper, voltage drop is evaluated under condition of extended feeding targeting section from Shinchungju and Pyungtaek S/S.

1. 서 론 철도는 도시간 또는 도심내 인적·물적 수송을 목적으로 한다. 이러한 철도는 주로 전기에너지를 통해 견인력을 공급받는다. 따라서 급전시스템은 철도 운행 신뢰도에 매우 중요한 요소가 된다. 또한 대규모 자원이 투입되는 철도 건설의 특성상 건설 후 시스템의 변경이 매우 어렵기 때문에 설계 단계에서의 신 중한 검토가 중요하다. 전력공급 안정성 측면의 급전시스템 설계는 두가지 중요 요소가 고려되어야 한다. 그중 하나는 부하 용량이고 나머지는 전압 강하 문제이다. 물론, 이 두 요소는 서로 밀접한 연관이 있는 것이지만 본 논문 에서는 나누어 생각하기로 한다. 먼저, 부하 용량 측면에서는 전철변전소에서 공급해야할 부하 크기에 대응하는 주변압기 용량 산정을 말한다. 즉, 주변압기 용량은 부하의 1시간 평균 크기를 만족하도록 설 계한다. 전압 강하의 경우 전철변전소에서 공급된 전압이 차량에서 집전될 때 기준값 이상으로 유지 되 도록 변전 용량을 설계한다. 특히 전압 강하의 경우 주변압기 용량이 부하 크기보다 큰 경우에도 발생하게 된다. 그 이유는 대용 량의 집중 부하에 약 25km 길이의 선로를 통하여 단방향으로 전력을 공급하기 때문이다. 특히, 인근 변 전소의 고장에 의한 연장 급전 때에는 한 변전소의 급전거리가 2배로 증가하여 약 50km에 걸쳐 견인 전력을 공급하게 된다. 이때에는 급전 구간에 운행 차량의 대수도 증가하기 때문에 부하 전류의 증가와 함께 심각한 전압 강하가 발생할 수 있다. 현재 우리나라는 급전시스템 용량 산정의 조건으로 연장 급 전시의 부하 용량을 고려하고 있다. 물론, 1시간 평균 부하보다 큰 용량으로 기준 이상의 집전 전압이 유지되도록 하고 설계하고 있으나 물류 수요의 증가에 따른 속도 향상 혹은 시격 감소에 따라 전압 강 하의 정도가 점점 증가하는 추세에 있다.

본 논문에서는 연장급전에 따른 전압강하를 평가하기 위한 현장 실측에 안전성 및 안정성을 기하기 위해 검토해야할 사항에 대한 검토 결과를 제시한다. 연장급전에서 가장 우선 고려해야할 사항은 열차 운행의 신뢰성 확보이다. 이것은 일정 수준 이상의 집전전압 확보로 대변할 수 있다. 이에 따라 연장급 전 전압강하 실측의 시나리오와 이례 사항에 대한 검토가 매우 중요하다. 이에 따라 본 논문에서는 연 장급전 계통의 무전압 상태에 대한 대비로 단시간 병렬 급전에 대하여 검토하고자 한다. 2. 연장급전 시험 시나리오 연장급전시에는 평소보다 긴 급전거리와 큰 부하에 전력을 공급하기 때문에 전압강하가 우려되고[1], 이에 따라 차량 운행 신뢰성을 확보해야 하는 문제가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 전압강하에 조치 로서 다음과 같은 조치 절차를 계획하였다. ◎ 원격제어 혹은 현장 조치에 따른 신속한 정상급전 계통으로 복원 조건 ￮ 해당 계통내에서 운전중인 차량의 저전압 혹은 무전압 신호 발생 ￮ 해당 계통내에서 운전중인 차량 등의 사고 발생 ￮ 변전소 혹은 구분소의 계전기에 의한 사고 감지 ￮ 기타 비정상적인 상태 감지 ◎ 과부하 또는 전압강하로 인해 변압기반 또는 급전반의 트립시 조치 ￮ 주변압기 2대 병렬 운전으로 즉시 전환하여 전압강하에 대비 (1차 조치) 위와 같은 조치에도 불구하고 전압강하에 의한 열차 운행 지장이 예상된다면 계통을 정상으로 복원 하며, 그 절차는 ⅰ) 고장 상정 변전소의 차단기 투입, ⅱ) 구분소 연계차단기 개방으로 계획하였다. ⅰ) 과 ⅱ)의 절차 사이에는 두 변전소의 병렬 급전 상태가 유지된다. 그러나 변전소 병렬 투입은 양쪽 전원 의 위상차, 순환 전류 및 차단기 개폐에 따른 surge 등에 대한 검토가 수반되어야 한다. 본 논문에서는 전압 위상차와 순환전류에 대하여 검토한다. 3. 병렬 운전 조건 검토 병렬 운전을 검토하기 위해서 본 논문에서 수행한 방법은 현장 측정과 시뮬레이션 등이다. 먼저, 현장 측정의 경우 급전구분소에서 양쪽 변전소 전원의 전압 위상각을 측정하여 비교 하였고, 시뮬레이션은 차단기 투입 시나리오에 따른 전류 변화를 계산하였다. 3.1 전압 위상차 현장 측정 3.1.1 현장 측정 조건 연장급전 시행 두변전소의 전압 위상차를 측정하기 위해 그림 1과 같이 급전 구분소의 양방향 피이더 에 계측기를 설치하였고, 두 전원의 위상각을 측정하였다.

그림 1. 전압 위상차 측정 개념도 및 측정 사진 3.1.2 현장 측정 결과 그림 1과 같은 측정도를 기반으로 얻은 결과는 다음 그림 2 ～ 그림 5와 같다. 그림 2와 3은 위상차 가 3°이하로 나타난 결과를 보인 것이다. 그림 2는 위상차 2.368° 결과로서 Feeder 1의 전압이 가장 작 은 경우였으며, 그림 3은 위상차 0.0256°로서 Feeder 2의 전압이 가장 작은 경우다. 이 두 결과로 볼 때 한쪽 변전소로 부하가 편중되었을 때에는 위상차가 크게 벌어지지 않음을 알 수 있다. 44k 46k 48k 50k 52k 54k 56k 2.36811 44.356 kV Voltage[V] Feeder 1 Feeder 3 1 8: 10 :0 0 1 8: 20 :0 0 1 8: 30 :0 0 1 8: 40 :0 0 1 8: 50 :0 0 1 9: 00 :0 0 1 9: 10 :0 0 1 9: 20 :0 0 0 3 6 9 12 15 18 21 degre e phase difference 42k 44k 46k 48k 50k 52k 54k 56k 43.959 kV Voltage[V ] Feeder 1 Feeder 3 1 7: 1 0: 00 1 7: 2 0: 00 1 7: 3 0: 00 1 7: 4 0: 00 1 7: 5 0: 00 1 8: 0 0: 00 1 8: 1 0: 00 1 8: 2 0: 00 0 3 6 9 12 15 18 21 0.025638 de gr e e phase difference 그림 2. 전압 위상차 측정 결과(1) 그림 3. 전압 위상차 측정 결과(2) 그림 4는 양쪽 변전소가 경부하 혹은 무부하일 때의 결과이다. 그림에서 보듯이 양쪽 변전소가 무부 하 전압 54kV일 때 위상차는 6.754°임을 알 수 있다. 또, 그림 5의 결과는 주 변전소의 위상이 최대로 벌어진 것으로서 이때 위상차는 19.3°로 나타났다. 42k 44k 46k 48k 50k 52k 54k 56k Voltage[V ] Feeder 1 Feeder 3 1 7: 1 0: 00 1 7: 2 0: 00 1 7: 3 0: 00 1 7: 4 0: 00 1 7: 5 0: 00 1 8: 0 0: 00 1 8: 1 0: 00 1 8: 2 0: 00 0 3 6 9 12 15 18 21 6.754 de gr e e phase difference 54kV 42k 44k 46k 48k 50k 52k 54k 56k Voltage[V ] Feeder 1 Feeder 3 1 7: 1 0: 00 1 7: 2 0: 00 1 7: 3 0: 00 1 7: 4 0: 00 1 7: 5 0: 00 1 8: 0 0: 00 1 8: 1 0: 00 1 8: 2 0: 00 0 3 6 9 12 15 18 21 19.3 de gr e e phase difference 그림 4. 전압 위상차 측정 결과(3) 그림 5. 전압 위상차 측정 결과(4)

국내의 경우 병렬급전에 대한 전압위상차 조건이 명확히 제시된 것이 없어 일본 신간선 급전구간에서 실측한 결과를 참고하면 표 1과 같다. 표를 참고로 본 논문의 측정 결과와 비교하면 분류 B에 해당하며, 병렬운전은 가능하지만 권장은 하지 않는 경우로 볼 수 있다. 하지만 이 표는 무부하에서 두 변전소의 병렬 급전을 시작하기 때문에 본 논문에서 검토하는 병렬급전과는 다소 차이가 있다. 표 1. 신간선 변전소간 전압상차각 측정결과 분류 상차각 범위 내 용 측정결과 (변전구간 수) 비고 A B C D 0～3° 0～6° 0～10° 10°이상 병렬가능 병렬가능(필요시) 병렬시 별도대책 필요 병렬 불가능 2 3 5 5 3.2 순환전류 시뮬레이션 본 논문에서는 연장급전 시행에 따른 단시간 병렬급전의 순환전류 검토를 위한 시뮬레이션을 시행하 였고 시뮬레이션 조건 및 결과는 다음과 같다. 본 시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC를 이용하였다. 3.2.1 시뮬레이션 조건 순환전류 검토를 위한 시뮬레이션 조건은 다음과 같다. 먼저, 연장급전 계통은 A 변전소에서 B 변전 소로 전력을 공급하는 것으로 한다. 이때 부하전류는 표 2와 같다. 이 부하전류는 해당 변전소들의 정상 급전 최대 부하 전류이며, 측정으로 얻은 값이다. 표 2. 시뮬레이션 부하 조건 변전소 A 변전소 (공급변전소) B 변전소 (수급변전소) 정상급전 부하전류[A] 960 1,076 이와 같은 조건으로 시뮬레이션 계통을 모델링 한 결과가 그림 6이다.

그림 6의 시뮬레이션 계통에는 2종류의 차단기가 있으며, 이것들은 각각 연장급전용 연계차단기(구분 소)와 수급변전소의 피이더 차단기이다. 각 차단기들의 초기 상태와 동작 시간은 표 3과 같다.

표 3. 차단기 초기 상태 및 투입 시간

항목 0초 1초 1.2초 2초

급전구분소 차단기

(BRK1) closed closed open open

B변전소 차단기

(BRK2) open closed closed closed

※ 차단기 동작 시간 : 1초 및 1.2초, 시뮬레이션 시간 : 2초 3.2.1 시뮬레이션 결과 시뮬레이션은 앞선 서술한 현장 측정에서 얻은 대표적인 위상차 0°, 6°, 19°에 대하여 시행하였다. 그 림 7～9는 각 위상차에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 것이다. 그림에서 보듯이 위상차가 커짐에 따라 변전소 차단기(BRK2) 투입후의 전류 크기가 커짐을 알 수 있으며, 이 전류가 위상차에 따른 순환전류 이다. ? ? 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 -3.0k -2.0k -1.0k 0.0 1.0k 2.0k 3.0k [A ] Ia1 Ib1 ? ? 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 -3.0k -2.0k -1.0k 0.0 1.0k 2.0k 3.0k [A ] Ia1 Ib1 그림 7. 시뮬레이션 결과(위상차 0°) 그림 8. 시뮬레이션 결과(위상차 6°) ? ? 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 -3.0k -2.0k -1.0k 0.0 1.0k 2.0k 3.0k [A ] Ia1 Ib1 그림 8. 시뮬레이션 결과(위상차 19°) 표 4는 차단기 투입 상태에 따른 전류 크기를 나타낸 것이다. 표 4를 통해 계산한 순환전류는 그림 9 와 같다. 그림의 순환전류는 상하선의 전류를 합산하여 나타낸 것이다.

표 4. 차단기 투입 상태에 따른 전류 결과 계통상태 전류[A] SP 차단기 closed SS 차단기 open SP 차단기 closed SS 차단기 closed SP 차단기 open SS 차단기 closed

위상차 Ia1 Ia2 Ib1 Ib2 Ia1 Ia2 Ib1 Ib2 Ia1 Ia2 Ib1 Ib2

0° 889 892 0 0 506 510 526 496 478 482 553 523 3° 889 892 0 0 461 465 571 542 478 482 553 523 6° 889 892 0 0 417 421 617 588 478 482 553 523 10° 889 892 0 0 361 365 679 650 478 482 553 523 15° 889 892 0 0 298 302 756 727 478 482 553 523 19° 889 892 0 0 258 261 818 789 478 482 553 523 그림 9. 위상차에 따른 순환 전류 4. 검토 결과 및 결론 본 논문에서는 연장급전시 발생할 수 있는 전압강하에 따른 열차 운전 지장의 범위를 최소화 하고자 계통 운영 시나리오를 작성하였으며, 그중 계통 무전압 상태 유지를 위한 단시간 병렬 급전 시나리오를 채택하였다. 이에 따라 병렬 급전을 위한 위상차 검토가 필요하였다. 그 결과는 다음과 같다. ○ 양쪽 변전소의 위상차는 부하의 크기에 따라 변동하였으며, 0° ～ 19° 범위를 보임 ○ 특히, 한쪽에 부하가 편중되어 한쪽 변전소만 전압강하가 발생하였을 때 위상차가 크게 나타남. ○ 시뮬레이션은 측정 결과에서 중요한 요소로 판단된 위상차 0°, 6°, 19°에 대해 수행함 ○ 시뮬레이션 수행 결과 위상차에 따른 순환전류는 위상차와 비례하여 증가함 위와 같은 결과를 볼 때 전압강하 발생시 수급 변전소의 병렬 투입은 각 피이더의 부하 전류 크기가 큰 시점이므로 위와 같은 순환전류와 합산되면 과전류 계전기의 동작이 우려되어 급전 구분소의 연계

급전 사례와 비교해도 두 측정 변전소의 무부하 위상차가 6°를 상회하므로 별도의 대책없이 병렬 급전 은 곤란한 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 전상돈 외, “변전소간 배전선로 Loop 조류 검토” 2008년 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2. 건설교통부, ‘고속철도급전제어지침’, 2004. 12. 30. 3. 한국철도기술연구원, ‘경부고속철도 전력품질 안정화 대책’, 2004년 4. 한국표준협회, ‘철도용 견인시스템의 공급전압 KS C IEC 60850’, 2002. 5. 이장무 외, “고속철도 운행증가에 따른 전압강하 예측 및 대책”, 2006년 전기학회 하계학술대회 논문집