Analysis of Switching Overvoltage for GIL System between Overhead Transmission Lines by EMTP

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GIL-가공송전선로 연계시 개폐과전압 검토

박흥석, 강지원, 장태인, 김형호, 석광현, 최경규, 오장만 한국전력공사

Analysis of Switching Overvoltage for GIL System between Overhead Transmission Lines by EMTP

H. S. Park, J. W. Kang, T. I. Jang, H. H. Kim, K. H. Suk, K. K. Choi, J. M. Oh KEPCO

Abstract

- 최근 국내에서 가스절연송전선(GIL : Gas Insulated Transmission Line)의 실계통 도입을 위하여 345kV급 GIL의 개발 및 적용을 위한 연구 및 검토가 수행되고 있다. 가공선로의 일부구간을 GIL로 대치하는 데 있어서, 변전소측이 원거리일 경우에는 변전소 내부 의 차단기나 단로기 등 개폐 써지에 의한 과전압의 영향은 감쇄효과로 인하여 그다지 크지 않지만, 현재 설치 예정선로와 같이 변전소 측과의 거리가 약 2.6[km]로 짧을 경우 차단기 동작에 의한 개폐써지의 영향을 무시할 수 없게 된다.

따라서 본 논문에서는 GIL 시스템이 가공송전선로와 연계된 경우 근 접한 변전소단에서 개폐를 가정하였을 때, GIL 시스템과 가공송전선로 에서 발생할 수 있는 개폐과전압에 대하여 과도해석 프로그램인 EMTP 를 이용하여 검토하였다.

1. 서 론

GIL 시스템은 지중화 가능한 장거리 대용량 전력수송 시스템으로서 대용량 가공송전선로의 지중화 요구개소, 대용량 선로임에도 특별히 접 근성이 확보되어야 되는 장소, 발전소 및 변전소 구내의 회선 당 4000[A]이상의 대용량 개소 등에 활발히 적용되고 있다. GIL은 가스절 연시스템으로서 가공선과 유사한 전기적 특성을 가짐으로써 수십 km까 지 장거리 연결이 가능하며, 재폐로 등 가공선로와 통합적으로 운전이 가능한 이점이 있다. 또한, 전력수송 도체의 큰 단면적 때문에 현재 가 공선 및 케이블과 비교해 볼 때, 가장 낮은 전기손실 특성을 가지며, 정 전용량이 매우 낮아 장거리 선로임에도 리액티브 무효전력 보상이 필요 하지 않다. 또한 내부 절연가스는 비노화 특성을 가짐으로써 수명이 거 의 반영구적이며, 금속 외함은 자계누설과 내부고장을 효과적으로 차단 하여 작업자의 안전과 환경을 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다[1].

이와 같은 필요성과 장점으로 인하여 유럽, 일본, 미국 등지에서는 GIL이 대용량 전력수송시스템으로서 1970년대부터 채용되어 적용 및 운 영되어 왔으며, 2000년대 초반부터 기술적인 진보가 한 단계 더 이루어 져 과거의 제조, 설치, 운전 경험을 바탕으로 한 새로운 설계기술의 개 발 및 적용, 현장 자동용접기술의 향상을 통한 시공성 개선, 절연가스 또한 100% SF6 절연가스 대신 20%이하의 SF6 가스를 사용하는 등 2 세대 GIL 시스템이 설치 및 운영되고 있다[2].

최근 국내에서도 이와같은 GIL의 실계통 도입을 위해서 345kV급의 대용량 GIL의 개발 및 적용을 위한 연구 및 검토가 수행되고 있으며, 가공송전선로 일부구간을 GIL로 지중화 대치할 경우에 나타날 수 있는 써지에 의한 과전압 또한 필수 검토항목 중 하나이다.

가공선로의 일부구간을 GIL로 대치하는 데 있어서, 변전소 단이 원거 리일 경우에는 변전소 내부의 차단기나 단로기 등에 의해 발생되는 개 폐 써지가 GIL에 미치는 과전압 효과는 제한적이며 뇌격에 의한 과전압 영향이 주요 요소로 작용하고 있는 것으로 나타나고 있다[1][2]. 하지만 국내 실계통 도입예정인 GIL 시스템의 설치 위치가 수전단측의 변전소 에서 약 2.6[km]정도로 차단기 개폐로 인한 과전압을 무시할 수 없다.

따라서, 본 논문은 과도해석 프로그램인 EMTP를 이용하여 GIL 시스 템의 국내 실계통 도입시 발생할 수 있는 과전압 검토의 일환으로, GIL 시스템 설치위치와 인접한 변전소측에서 차단기의 개폐로 인한 과전압 이 GIL 시스템과 가공송전선로에 미치는 영향을 분석하고 그 결과를 향 후 GIL 실계통 적용시 활용하고자 한다.

2. 본 론

2.1 국내 GIL 시스템 개발사양

현재 국내에서 개발하고 있는 GIL은 345kV 4번들 도체 구성을 가지 는 대용량 가공송전선로를 일대일로 대치하여 지중송전이 가능하게 하 는 사양으로 정격전압은 362kV이고, 정격전류는 4000A이다. 그 주요 사 양을 요약하면 다음 <표 1>과 같다.

<표 1> 개발 GIL의 주요 사양

구 분 주요 사양

정격전압 o 공칭전압 : 345kV, 60Hz o 정격전압 : 362kV, 60Hz 정격전류

o 연속정격 : 4000A 표준 o 단시간정격 : 63kA, 1.7초

(최대파고치는 정격 단시간 정격의 2.6배)

온도상승

o 전력구내 설치 시 외함 최대온도 : 70℃ 이하 o 옥외 설치시 : 80℃ 이하

o GIL 각부의 온도상승 : IEC61640, IEC60694 참조

구조

o 곡률반경 400m미만 개소 곡선유니트 사용 o 보조회로 : 충전부와 대지간에 상용주파 2,000V/1분 o 외함 : 362kV, 최대 520mm

절연강도

o 정격전압 : 362kV, rms o 상용주파내전압 : 450kV, 실효치 o 뇌충격내전압 : 1,175kV, 1.2/50

^μ

s, 파고치 o 개폐충격내전압 : 950kV, 250/2500

μ

s, 파고치

2.2 GIL 시스템 시뮬레이션 조건

2.2.1 전력구 및 GIL 시스템 모의

GIL 시스템의 모의 방법에 있어서 지중케이블 모델링의 방법으로 모 의할 수도 있지만, 전력구 자체가 콘크리트 구조물이기 때문에 전력구 자체를 대지와 연결된 무한접지체로 모의해야 한다[3]. ATPDraw에서 Enclosing Pipe Type을 이용한 전력구를 모의하고, GIL은 도체와 시스 로 모의하였다. 아래의 <그림 1>은 전력구 및 GIL 2회선 모델링 개요 도이다[1].

250 520 1000 520 250

2550

300520250520250520250250

Enclosing Pipe GIL 외함

도체

<그림 1> GIL 전력구 및 2회선 모델링 개요도

2.2.2 GIL 시스템 적용 대상계통 모의

검토대상 계통은 GIL-가공 혼합선로로써 GIL 설치예정인 345kV T/L 전구간을 모의하였으며, 양단의 전원임피던스를 계산하여 최대한 실계통 과 일치하도록 하였다. <그림 2>에서처럼 개폐써지 모의를 위해 근거리 에 위치한 A 변전소측에서 차단기의 개폐가 일어나도록 하였으며, B 변 전소 전원은 개방(Open)하였다.

(1) 선로모델

- 345kV A T/L : 총 긍장 35.865Km - 상도체 : ACSR 480[㎟] 2 Circuit 4 Bundle - 가공지선 : ACSR 97[㎟] 2 Circuit

(2) 전원임피던스 : 가공송전선로의 양단과 연계된 A 및 B 변전소 모 선의 3상 단락, 1선 지락 고장을 모의한 PSS/E 데 이터를 이용하여 전원임피던스를 계산하였다.

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7

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<그림 2> 가공선로 중간 GIL 설치 모델링 개념도

(3) 피뢰기 : 국내 사용중인 345kV급 피뢰기를 적용하였다.<그림 3>

<그림 3> 국내 사용 345[kV]급 피뢰기 V-I 특성곡선

2.2.3 개폐과전압 해석방법

Monte Carlo 기법은 선로나 변전소등에 침입하는 개폐 과전압과 뇌 과전압 등의 해석시 확률 분포를 적용하여 계산하는 기법이다. 일반적으 로 개폐 과전압의 크기는 차단기가 투입 혹은 재투입되는 시점의 교류 전압의 위상에 따라 변화한다. 그러므로 각상의 차단기가 투입되는 시점 의 위상별로 투입써지를 분석하기 위해서는 0도에서 360도 사이의 Random Number를 선택하고, 정상분포 또는 균일분포 등의 통계적인 확률분포를 이용해 표준편차(

σ

)에 따라 무작위로 투입시간을 반복하여 개폐 과전압을 계산하여야 한다[3].

본 논문에서는 연속적인 투입위상의 변화에 따른 확률적 투입 과전압 을 해석하기 위해 통계스위치를 이용하였다. 통계스위치의 투입시간은 무작위로 변화시켰으며, 차단기의 평균 투입시간은 0.05[sec], 표준편차 를 2[ms]로 설정하고 투입시간 분포에 따라 100회의 반복계산을 하였 다.

2.3 GIL-가공 혼합선로 개폐과전압 검토 2.3.1 정상상태에서의 개폐과전압

정상상태에서 대상선로의 개방 및 투입시의 써지현상을 모의한 결과, 일반적으로 지중송전계통에서 사용되는 OF나 XLPE 케이블의 경우 차 단기 개방시 케이블에 충전전하로 전압이 일정수준으로 유지되는 현상 을 보이지만, 모의한 GIL 시스템의 경우 충전된 전하가 바로 방전되는 현상을 보이고 있며, GIL 전구간에서 1.94 ～ 1.95[P.U]의 과전압이 발 생하였다.

-400 -200 0 200 400

0 20 40 60 80 100

Steady State (Open --> Closing)

Electrotek Concepts TOP, The Output Processor

V ol tage ( kV )

Time (ms)

STEADY_CL>G_OUTA(Type 4) STEADY_CL>G_OUTB(Type 4) STEADY_CL>G_OUTC(Type 4)

<그림 4> 정상상태 개폐과전압(0.016[sec] 개방, 0.05[sec] 투입)

<그림 4>는 정상상태에서 개방 및 투입시 과전압을 보여준다. 개방은 3상 시간제어 스위치를 사용하여 1cycle인 0.0166[sec]에서 개방하였고, 투입은 통계스위치를 사용하여 0.05[sec]에서 투입되도록 하였다.

2.3.2 과도상태에서의 개폐과전압

개폐과전압 검토에 있어서 가장 가혹한 조건으로 모의하기 위하여 차 단기가 동작하는 변전소 인근 가공송전선로에서 지락고장이 발생하는 것으로 모의하였고, 고장이 차단되고 재투입되는 시점에서의 과전압을 검토하였다. 지락고장은 고저항 50, 30, 10[

Ω

]의 세 가지 경우에 대하여 모의하였으며, <표 2>은 지락고장 발생시 지락저항에 따른 개폐과전압 을 GIL 인입부부터 길이에 따른 각 구간에서의 Vmean±2

σ

[P.U]값으로 나타내고 있다.

<표 2> 과도상태에서의 개폐과전압

(단위 : P.U)

구분 지락고장시

50[

Ω

]

지락고장시 30[

Ω

]

지락고장시 10[

Ω

] GIL 130[m] 1.91 1.90 1.89 GIL 250[m] 1.90 1.91 1.89 GIL 370[m] 1.91 1.91 1.89 GIL 490[m] 1.91 1.91 1.90 GIL 610[m] 1.91 1.91 1.90 GIL 730[m] 1.92 1.91 1.90

GIL 860[m] 1.92 1.92 1.90

-400 -200 0 200 400

0 20 40 60 80 100

Ground Fault_50[Ohm] (Open --> Closing)

Electrotek Concepts TOP, The Output Processor

V ol tage ( kV )

Time (ms)

steady_reclo_50>G_OUTA(Type 4) steady_reclo_50>G_OUTB(Type 4) steady_reclo_50>G_OUTC(Type 4)

<그림 5> 지락고장시(지락저항 50[Ω]) 개폐과전압 3. 결 론

국내개발 GIL 시스템의 국내 실계통 도입시 발생할 수 있는 과전압 검토의 일환으로 과도해석프로그램인 EMTP를 이용하여 개폐과전압을 검토하였다. 정상상태 개폐와 가공송전선로에서 지락고장 발생시 개방 및 투입을 모의한 결과, 정상상태에서의 개폐과전압은 GIL 전구간에서 1.94 ～ 1.95[P.U]으로 검토되었고, 지락저항 50, 30, 10[

^Ω

]의 세 가지 경 우에 발생한 지락고장시에는 GIL 시스템 전구간에서 1.89 ～ 1.92[P.U]

의 과전압이 발생하였다. 한전의 345kV 계통에서 개폐과전압 배수는 상 -대지간의 경우 2.5[P.U]로 규정하고 있어서, 검토된 모든 개폐과전압은 이를 만족하고 있는 것으로 나타났다.

GIL 시스템의 경우 유전율이 작아 차단기 개방시 충전전하가 바로 방 전되어 과전압의 영향이 적은 것으로 사료되며, 이상의 결과들은 GIL 시스템의 국내 실계통 도입시 활용될 것이다.

[참 고 문 헌]

[1] CIGRE Brochure 218, “Gas Insulated Transmission Lines”, 2002 [2] H. Koch, G. Schoeffner, “Gas-Insulated Transmission Line

(GIL) : An Overview", No. 211, December 2003, ELECTRA [3] Naoki Amekawa, Akihiro Ametani, “Impedance Derivation and

Wave Propagation Characteristics of Pipe-Enclosed and Tunnel-Installed Cables", 2004.01, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 19 No.1

[4] 정채균, “345kV 지중 및 혼합 송전계통에서의 개폐 과전압 해석”, 2003.10, 대한전기학회 논문지