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초전도기기 적용 배전계통에서의 보호협조시스템 검토
박종영*, 이승렬*, 윤재영* 한국전기연구원*
A Study on the Protection System for Distribution Systems with Superconducting Devices
Jong-young Park*, Seung-ryul Lee*, Jae-young Yoon* Korea Electrotechnology Research Institute (KERI)*
(a) 1단계
(b) 2단계
(c) 3단계
(d) 4단계
<그림 1> 초전도 전력시스템 기본 개념 및 단계별 추진 전략[4]
Abstract - 전력시스템 수요증가와 부지확보 어려움 등의 문제에 대하 여 초전도 전력시스템이 해결책이 될 수 있다. 초전도 전력시스템은 공 급용량을 증대하고 도심의 변전소를 없앨 수 있다는 장점이 있다. 이때 용량증대에 따른 고장용량 증가가 문제가 될 수 있는데, 이를 고려한 보 호시스템 구성 및 정정치 계산이 필요하다. 본 논문에서는 초전도 전력 시스템을 구체적으로 구성하고 보호시스템에 대하여 정량적으로 검토하 였다. 검토 결과 OCR/OCGR 및 R/C를 통하여 보호시스템을 구성할 수 있었다. 그리고 고저항 1선지락사고에 대한 고려 및 기존 계전기 사용시 계산된 정정치가 정정 가능 범위를 벗어난다는 문제점이 있었다.
1. 서 론
우리나라에서 전력부하는 꾸준히 성장하고 있으며, 서울을 비롯한 수 도권 지역에 부하가 밀집되어 있는데, 전체 부하의 40% 이상을 차지하 고 있다[1]. 이에 따라 전력공급 신뢰도를 높이고 전력가격을 안정화시 키기 위해서는 수요증가에 대한 충분한 송변전설비의 확충이 요구된다.
하지만 민원 등으로 인한 전력설비의 입지문제가 심각하고 계통용량 증 대에 따른 고장전류 문제 또한 대두되고 있다.
현재 서울과 같은 대도심의 경우 빌딩의 집중, 도시기능의 고도화에 의해 부하밀도가 높아짐에 따라 지중케이블 및 변압기의 대용량화가 불 가피하지만, 송변전기기의 용량증대에는 한계가 있다. 또한 지중케이블 의 복수회선 포설은 과밀화된 도심부에서 부지확보에 어려움이 있고, 다 회선 포설시 토목공사비가 과중하게 된다. 그리고 지중케이블 용량 한계 와 다회선 포설에 따라 지속적인 도심 내의 변전소 신, 증설도 필요하며 이는 전체적인 전력공급 비용 증가와 환경적인 측면에서도 부정적 영향 을 미친다.
이러한 문제들의 해결방안으로 제시되고 있는 것 중 하나가 초전도 전력기기이다. 동일한 부피에서 대용량화가 가능한 초전도케이블과 변압 기, 그리고 대도심 고장전류를 저감시킬 수 있는 초전도한류기 등이 그 예이다. 현재 전 세계적으로 초전도 전력기기의 개발이 가속되고 있다 [2-4]. 국내에서도 과학기술교육부 프론티어사업의 일환인 DAPAS 프로 그램을 통하여 초전도케이블, 초전도한류기, 초전도변압기, 초전도모터 등이 개발되고 있으며 개발된 기기의 계통적용에 대해서도 연구가 진행 되고 있다.
초전도기기 계통적용을 통한 개선점을 구체적으로 기술하면 다음과 같다. 154kV 송전선로 대체용 22.9kV 대용량 초전도케이블을 적용하는 경우, 도심 154kV 변전소를 22.9kV 개폐소로 전환이 가능하고, 이를 통 하여 송변전설비의 입지 문제를 상당부분 해소할 수 있다. 또한 초전도 변압기는 상전도변압기에 비하여 부피 및 중량이 작으므로 추가설비부 지 확보 없이 용량증대가 가능하다. 하지만 대용량의 154kV/22.9kV 초 전도변압기를 계통에 적용하는 경우 배전계통의 고장전류가 커지는 문 제가 발생하게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제들을 정량적으로 검토하 고자한다.
2. 초전도 전력시스템 개념 및 구성
2.1. 초전도 전력시스템 개념 및 추진전략
분산형 배전개폐소를 적용한 초전도 전력시스템은 그림1(d)와 같이 154kV 송전선로를 22.9kV 대용량 초전도케이블로 대체하고, 초전도 변 압기와 고장전류 저감을 위한 초전도 한류기를 병행 적용함으로써, 궁극 적으로는 도심의 154kV 변전소를 22.9kV 분산형 배전개폐소로 변환하 여 외곽의 154kV 변전소로부터 초전도케이블을 통하여 전력을 공급하 도록 하는 계통구성방식이다[4]. 그러나 현실적으로 도심내부의 모든 154kV 변전소를 일시에 22.9kV 개폐소로 변환하는 것은 불가능하므로 이에 대한 단계별 추진전략이 필요한데 각 단계별 적용방안을 살펴보면 그림1과 같고, 각 단계의 내용을 정리하면 다음과 같다.
(1단계) 154kV 말단변전소(S/S) 연결선로 → 22.9kV 초전도케이블 로 교체
(2단계) 154kV 말단변전소(S/S) → 22.9kV 개폐소로 변환
(3단계) 도심 154kV 변전소(S/S) 연결선로 → 22.9kV 개폐소로 변 환 확대
(4단계) 22.9kV 상전도케이블 → 22.9kV 초전도케이블로 대체/신설 본 논문에서는 최종단계인 그림1(d) 계통의 보호시스템을 검토한다.
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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(a) 기존 계통 구성에 초전도한류기만 적용
(b) 초전도 케이블/변압기/한류기 적용
<그림 2> 초전도기기 적용 배전시스템 개념도
<그림 3> 보호시스템 검토를 위한 모델 계통
<표 2> 한류기(저항형) 용량에 따른 고장전류 한류
임피 던스 [Ω]
고장전류 [kA]
케이블 고장 (A) 피더 고장 (B) R/C단 고장 (C) 3상
단락 1선 지락
30Ω 지락
3상 단락
1선 지락
30Ω 지락
3상 단락
1선 지락
30Ω 지락 0 19.50 25.07 0.437 17.12 18.63 0.428 9.33 8.03 0.407 0.5 15.41 17.60 0.401 13.35 13.79 0.391 7.75 6.78 0.370 1.0 10.82 11.41 0.361 9.74 9.84 0.351 6.34 5.68 0.332 1.5 8.00 8.18 0.333 7.42 7.45 0.324 5.26 4.80 0.306 2.0 6.27 6.32 0.310 5.94 5.96 0.301 4.46 4.12 0.285
<표 1> 초전도케이블 임피던스 데이터
용량 상태 R X B
[Ω/km] [pu/m] [mH/km] [pu/m] [nF/km] [pu/m]
50MVA 초전도상태 R < 0.001 0.1907e-6 0.1 0.7189e-5 150 0.2965e-6 퀜칭 0.029577 0.564e-5 0.54545 0.3921e-5 - - 100MVA 초전도상태 R < 0.0005 0.9535e-7 0.07 0.5302e-5 180 0.3559e-6
퀜칭 0.022826 0.4353e-5 0.044211 0.3179e-5 - - 2.2. 검토대상 초전도 전력시스템의 구성
그림1(d)의 개념을 가진 계통을 단선도로 구성하면 그림2(b)와 같다.
초전도 전력시스템과 기존 계통 구성을 비교하기 위해, 그림2(a)에서는 동일한 변전소A에 대하여 현재의 계통 구성을 적용하였다.
두 계통의 차이는 다음과 같다. 기존계통에서는 부하지에 가까이 있는 말단 154/22.9kV 변전소에서 피더들을 통하여 전력이 공급되며, 이때 변 압기는 말단변전소에 설치된다. 이에 비하여 초전도 전력시스템에서는 말단이 아닌 변전소A에 변압기가 설치된다. 그리고 전력부하의 계통적/
지형적 분석을 통하여 개폐소들이 적절하게 설치되며, 100MVA 용량의 초전도케이블을 통하여 변전소A와 각 개폐소들이 연결된다. 각 분산형 배전개폐소는 변압기가 존재하지 않으며 스위치들만 설치되므로 차지하 는 부지가 작다. 이러한 구성에서 100MVA급 초전도케이블은 기존의 154kV 선로를 대체하게 된다. 따라서 비교적 긴 길이를 가질 수도 있고 개폐소의 배치에 따라 다양한 길이를 가질 수 있다. 각 개폐소에서 나가 는 피더 상에도 구성상 필요한 경우 50MVA 용량의 초전도케이블이 사 용될 수 있다.
이와 같이 구성된 초전도 전력시스템의 장점은 도심에서 대용량변전 소 대신 작은 면적을 차지하는 개폐소로 대체함으로써 경제적, 환경적, 사회적 이득을 얻을 수 있다. 그리고 초전도변압기와 케이블의 경우 같 은 용량을 가지는 상전도 기기에 비하여 작은 부피를 차지하므로, 결과 적으로 변전소 당 공급능력을 늘릴 수 있다.
하지만 앞서 말한 것처럼 변압기 용량이 늘어남에 따라 고장전류가 커진다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로 변압기의 %임피 던스를 크게 하거나, 대용량 차단기로 교체하는 등의 방안이 있을 수 있 지만, 이러한 방안들은 각각 정상상태에서 전압/무효전력 문제에 악영향 을 미치고 비경제적이라는 문제점을 가진다.
반면에 초전도한류기는 정상상태에서는 임피던스가 거의 0으로서 계 통에 영향을 미치지 않지만 고장상태에서는 임피던스가 증가하여 고장 전류를 크게 감소시키는 효과를 가진다. 따라서 초전도한류기를 통하여 고장발생시 전력계통을 안전하게 보호하면서, 용량이 고장용량에 못 미 치는 송변전 설비를 교체하지 않을 수 있다. 한류기를 설치하는 위치는 몇 가지 후보가 있을 수 있으며, 본 논문에서는 효율적인 적용을 위하여 그림2(b)에서와 같이 초전도변압기 2차측에 초전도한류기를 설치하는 것으로 가정하였다[5].
3. 보호시스템 구성 및 검토
3.1. 검토대상 초전도시스템
그림3은 보호시스템을 검토하기 위하여 구성한 모델 시스템이다(점선 으로 표시된 선로는 초전도케이블). 본 논문에서는 그림2(b)에 따라 구 성된 모델 초전도시스템에 대하여 검토를 하였으며, 그림3은 그 중에서 검토에 관련된 부분을 좀 더 상세히 나타낸 것이다. 그림3에서 A와 B가 있는 선로(점선으로 표시된 선로)가 초전도케이블을 나타내며 나머지는 현재 사용되고 있는 가공선로로 가정하였다. A가 있는 케이블의 용량은 100MVA이고 B가 있는 케이블은 50MVA이고, 계통도에서 각 부하들은 10MW(5Mvar)의 부하를 표시하고 있다. 여기에서 100MVA급 초전도케 이블은 기존의 154kV 선로를 대체하고 있다. 그리고 B로 표시된 피더 에서 나가는 케이블 또한 기존 상전도케이블을 사용할 경우 용량상 문 제가 되기 때문에, 그림에서 표시된 바와 같이 50MVA급 초전도케이블 을 사용한다고 가정하였다. 검토에서 사용된 초전도케이블의 데이터는 표1에 정리하였으며, 고장검토시 초전도케이블은 퀜칭된 상태를 가정하 였다.
3.2. 보호시스템 검토
3.2.1. 고장용량 계산 및 한류임피던스 결정
본 논문에서는 100MVA급 초전도케이블과 배전계통의 보호시스템에 대하여 검토하였다. 배전계통 보호시스템을 검토하기 전에 초전도변압기 를 사용하기 위해서는 초전도한류기가 필요함을 앞에서 기술하였다. 이 때 초전도변압기의 %임피던스와 초전도한류기의 한류임피던스를 결정 하여야 한다. 검토를 함에 있어 변압기의 %임피던스는 12%로 가정하였 고, 이때 적정한 한류임피던스의 크기를 구하기 위해 한류기 용량에 따
른 고장전류의 크기를 검토하였으며 그 결과는 표2와 같다. 이때 한류기 는 변압기2차측에 설치되어 있다고 가정하였고, 표에서 A, B, C 각 위 치는 그림3에 표시된 위치를 나타낸다.
초전도한류기의 경우 한류임피던스의 타입에 따라 저항형과 리액터형 이 있으며 1Ω 이상의 한류임피던스를 한류기의 경우 저항형으로 제작하 는 것이 합리적이라고 알려져 있다. 검토 결과, 현 계통 구성에서의 고 장전류와 비슷한 고장전류(3상단락시 7.8kA, 1선지락시 7.1kA)를 가지기 위해서는 표2에서와 같이 한류임피던스를 1.5Ω 정도로 하는 것이 적당 하다. 따라서 모델 초전도시스템에서는 1.5Ω의 임피던스를 가지는 저항 형 초전도한류기가 변압기2차측에 설치되었고, NGR은 생략되었다 가정 하였다.
3.2.2. 보호시스템 구성 및 정정치 검토
전력시스템에서 보호협조가 잘 이루어지기 위해서는 고장발생시 정전 구간이 최소가 될 수 있도록 보호시스템이 구성되어야 한다. 본 논문에
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<표 3> OCR/OCGR 순시탭 정정
위치 구분 전위고장전류1) 여유분보정2) Tap(CT보정)3)
A OCR 7426.9 A 11140.4 A 92.8
OCGR 7454.3 A 10436.2 A 87.0
B OCR 5261.5 A 7892.3 A 65.8
OCGR 4799.5 A 6719.3 A 56.0
※ 1) OCR: 3상단락전류 / OCGR: 최대 1선지락전류 2) OCR: ×1.5 / OCGR: ×1.4
3) CT비 5/600으로 가정 <표 4> OCR/OCGR 한시탭 정정
위치최대부하
[MW]
부하전류 [A] ①
OCR Tap ②
OCGR Tap ③
실제정정치 OCR Tap OCGR Tap
A 60 1512.7 18.91 3.78 19.0 3.8
B 30 756.4 9.45 1.89 9.5 1.9
C 10 252.1 3.15 0.63 - -
※ ② = ①×1.5×(5/600) ③ = ①×0.3×(5/600)
<표 5> OCR 한시레버 정정 (KEPCO 강반한시 적용) 위치계전기
TAP
고장용량
[A] CT비 1차환산 Pick-up
배수 Lever 시간
초 cyc.
A 19.0 8182.9 600/5 384 3.59 1.2 0.56 33.7 B 9.5 7427.9 600/5 384 6.52 1.7 0.36 21.9
C 3.2 5261.5 600/5 384 13.70 - - -
<표 6> 디지털계전기 정정 범위(K社의 경우)
구분 정정 범위 비고
한시 OCR 한시 0.2 ~ 12.5 (Lever 0.1~10) Step 0.1 OCGR 한시 0.1 ~ 2.5 (Lever 0.1~10) Step 0.1
순시 OCR 순시 10 ~ 90 Step 1
OCGR 순시 5 ~ 50 Step 1
서 검토 대상인 전력시스템은 방사상 구조를 가지고 있으므로 기본적으 로 기존 배전시스템에서 사용하고 있는 보호시스템을 사용할 수 있다.
그렇지만 초전도변압기 사용으로 인한 고장용량의 증가와 초전도케이블 의 낮은 임피던스로 인하여, 보호협조를 위한 정정치를 결정하기 위해서 는 정량적 검토가 필요하다. 본 논문에서는 그림3의 A, B, C 각 지점에 대하여 고장용량을 계산하고, 그에 따른 보호시스템 구성안에 대하여 검 토하였다.
그림3의 A, B 두 지점에 각각 OCR/OCGR을 설치하고 C지점에 R/C 를 설치하는 안에 대하여 현재 배전계통에서 사용되고 있는 정정지침을 이용하여 정정치를 계산하면 표3~5와 같다. 정정 기준은 현재 한전에서 사용하고 있는 배전선로 보호협조 기준을 따랐다[6].
이와 같이 정정치를 결정하는 경우 다음과 같은 사항들에 대한 고려 가 필요하다. 첫째, 고저항 1선지락사고 발생시 보호가능 여부인데, 문제 가 되는 것은 30Ω 고저항 1선지락사고가 100MVA급 초전도케이블에서 발생한 경우이다. 이 경우 표2에서 볼 수 있듯이 A지점에서 333A의 고 장전류가 흐르게 된다. 그런데 기존 정정지침에 따르면 A지점 OCGR의 한시탭은 최대부하전류(1513A)의 0.3배인 454A 이상으로 정정하여야한 다. 따라서 고저항 1선지락사고가 고장을 감지하지 못하는 문제가 발생 할 수 있다. 하지만 실제로 지중케이블에서 1선지락사고가 발생할 가능 성은 낮으므로 이에 대한 논의가 필요할 것으로 보인다.
그리고 계산된 정정치가 현재 배전계통에서 사용되고 있는 계전기의 정정 범위를 벗어난다는 문제점이 있다. 표6은 현재 배전계통에서 사용 되고 있는 K社에서 생산한 디지털계전기의 정정 범위를 정리한 것이다.
앞에서 계산된 정정치들과 비교를 해보면, 순시탭에서는 B지점 OCR을 제외하고는 모두 정정 가능 범위를 벗어나고 있다. 그리고 한시탭 및 레 버 정정치를 검토하면, B지점의 한시 정정치는 정정 가능 범위 내에 있 으나, A지점 OCR/OCGR에서는 한시탭 정정에 문제가 있을 수 있음을 볼 수 있다. 정리하면 현재 배전계통에서 사용되고 있는 OCR/OCGR로 는 계통에서 요구하는 정정치를 만족할 수 없다 할 수 있다. 따라서 송 전선로에서 사용되는 OCR/OCGR 사용과 같은 대안이 필요하다.
4. 결 론
지금까지 초전도기기를 적용한 전력시스템의 필요성과 구체적인 개념 및 적용 방안을 이야기하였다. 그리고 초전도기기가 적용된 전력시스템 모델을 구성하고 이때 문제가 될 수 있는 보호시스템에 대하여 정량적 으로 검토하였다. 논문에서 제시한 전력시스템에서는 초전도케이블, 변 압기, 한류기를 적용하고 있고, 도심에는 기존의 변전소 대신 더 작은 부지를 차지하는 개폐소를 도입하였다. 이를 통하여 공급용량을 늘리고 부지확보, 환경 등의 문제를 개선하였다. 이때 문제가 되는 것이 용량 증대에 따른 고장용량의 증가이다. 본 논문에서 검토 결과 보호시스템 은 OCR/OCGR 및 R/C를 사용하여 구성할 수 있었다. 그리고 보호협조 를 위한 정정치를 검토한 결과 고저항 1선지락사고에 대한 고려가 필요 하였으며, 계산한 정정치가 기존 배전계통에서 사용되던 계전기 정정범 위를 벗어난다는 문제점이 있었다.
감사의 글
본 연구는 21세기 프론티어 연구개발사업인 차세대 초전도응용기술 개발 사업단의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
[참 고 문 헌]
[1] 지식경제부, 한국전력거래소, 제4차 전력수급기본계획(2008~2022년), 2008년 12월.
[2] William V. Hassenzahl, "More Applications of Superconductivity to Electric Power Systems", IEEE Power Engineering Review, June 2000
[3] Sang-Bong Choi, "Review of the Conceptual Design for the Use of HTS Power Transmission Cable for a Metropolitan Area", KIEE
Intern. Trans. Power Engineering, vol. 3-A, no. 2, pp. 63-69, 2003.
[4] 이승렬, 김종률, 윤재영, 이병준, “대도심 분산형 배전개폐소를 적용 한 초전도 전력시스템 개념 설계”, 전기학회논문지, 55A권 12호, pp.
522-528, 2006년 2월.
[5] 이승렬, 김종율, 윤재영, 최흥관, “국내 실계통에서의 154kV 초전도 한류기 계통적용 가능성 검토”, 전기학회논문지, 53A권 12호, pp661-669, 2004년 12월.
[6] 한국전력공사, 배전선로보호협조, 2002년 9월.
