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2 0 19 年 月2

碩 士學 位 論 文

林 憲 琥

2019 年度 2月 碩士學位論文

자속구속형 초전도 한류기의 동작특성에 관한 연구

朝鮮大學校 産業技術融合大學院

電氣技術融合工學科

林 憲 琥

자속구속형 초전도 한류기의 동작특성에 관한 연구

2019年 2 月 25日

朝鮮大學校 産業技術融合大學院

電氣技術融合工學科

林 憲 琥

A Study on The Operation Characteristics of

Flux-lock Type Superconducting Fault Current Limiters

- 2 -

指導敎授 崔 然 玉

이 論文을 工學 碩士學位 論文으로 提出함.

朝鮮大學校 産業技術融合大學院

電氣技術融合工學科

자속구속형 초전도 한류기 동작특성에 관한 연구

2018 年 10 月

林 憲 琥

林憲琥의 碩士學位 論文을 認准함

2018 年 11月

朝鮮大學校 産業技術融合大學院

委員長 朝 鮮 大 學 校 敎授 김 남 훈 印

委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 조 금 배 印

委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 최 연 옥 印

목 차

ABSTRACT

Ⅰ. 서 론

Ⅱ. 초전도 한류기의 원리 및 국내외 현황

A. 초전도의 동작 원리 ··· 3

B. 초전도 한류기 개발 동향 ··· 4

III. 3상 자속구속형 한류기 등가회로

A. 초전도소자 제작 및 퀜치특성 ··· 6

B. 3상 모델의 시뮬레이션 모의회로 구성 ··· 9

IV. 실험결과 및 분석

A. 3상 분리 및 일체형 모델의 전류제한 특성 ··· 12

B. 3상 일체형 모델의 삼상사고각별 전류제한 특성 ··· 15

C. 시뮬레이션 모의결과 비교분석 ··· 26

IV. 결 론

참고문헌

List of table

Table 1 모의회로 설계파라미터 ··· 11

List of figures

Fig. 1. 고온초전도 한류기 개요 및 동작 특성 ··· 4

Fig. 2. 이천변소에서 운전중인 22.9kV, 630A급 고온초전도 한류기 ··· 5

Fig. 3. 3상 자속구속형 고온초전도 한류기 구조 ··· 7

Fig. 4. 3상 분리 및 일체화된 자속구속형 고온초전도 한류기 등가회로 ··· 8

Fig. 5. 사고각에 따른 고온 초전도 소자의 도통 전류 및 저항발생 ··· 9

Fig. 6. 시뮬레이션을 위한 등가모의 회로 ··· 10

Fig. 7. 3상 분리형 모델의 1선 지락사고시 전류파형 ··· 13

Fig. 8. 3상 일체형 모델의 1선 지락사고시 전류파형 ··· 13

Fig. 9. 3상 분리형 모델의 3선 지락사고시 전류파형 ··· 14

Fig. 10. 3상 일체형 모델의 3선 지락사고시 전류파형 ··· 14

Fig. 11. 1선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 16

Fig. 12. 1선 지락 0도 사고시 각 상별 소자 및 각 코일의 유기전압 파형 ··· 16

Fig. 13. 1선 지락 45도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 17

Fig. 14. 1선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 17

Fig. 15. 1선 지락 135도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 18

Fig. 16. 1선 지락사고시 사고각별 사고상인 코일 1에 유기되는 자속 ··· 19

Fig. 17. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 20

Fig. 18. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 소자 및 코일의 유도전압파형 ··· 20

Fig. 19. 2선 지락 45도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 21

Fig. 20. 2선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 21

Fig. 21. 2선 지락 135도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 22

Fig. 22. 2선 지락사고시 사고각별 a 사고상 코일 1에 유기되는 자속 ··· 22

Fig. 23. 3선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 24

Fig. 24. 3선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형 ··· 24

Fig. 25. 3선 지락 0도 사고시 각 상에 유기되는 자속 ··· 25

Fig. 26. 3선 지락 90도 사고시 각 상에 유기되는 자속 ··· 25 Fig. 27. 1선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류실험파형 ··· 27 Fig. 28. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류실험파형 ··· 27 Fig. 29. 3선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류실험파형 ··· 28

ABSTRACT

A Study on The Operation Characteristics of Flux-lock Type Superconducting Fault Current Limiters

Lim, Hun-ho

Advisor : Prof. Choi, Youn-ok, Ph. D.

Electrical Engineering Technology Convergence

Industrial Technology Convergence Graduate School of Chosun University

In this paper, current limiting characteristics of a three - phase magnetic flux confinement current limiter for power system are analyzed. A three - phase magnetic flux confinement current limiter was designed and fabricated using a YBCO thin film as a superconducting element. An equivalent circuit of a three - phase magnetic flux confinement current limiter is constructed and its operating principle is analyzed.In comparison with the flux-restrained high-temperature superconducting fault current limiter in which the three phases are separated and the three phases are integrated, magnetic flux is not induced in each iron core before the occurrence of the three-phase accident. However, when one or more arbitrary phases occur, The magnetic flux is induced only in the iron core corresponding to the phase of the superconducting element to

induce the magnetization of the superconducting element. On the other hand, the integrated model induces magnetic fluxes in the coils of healthy coils to induce the choke of the high-temperature superconducting elements in the healthy phase. It can be seen that the integrated model is advantageous for simultaneous detection. In the case of the three - phase ground fault, it can be seen that the fault current is limited independently for each phase, and it can be seen that most of the current flows into the coil 1 of each phase due to the generation of the superconducting element in each phase.The three-phase integrated model has a structure in which coils of each phase are connected to the same iron core. Therefore, even if an accident occurs in the accident due to the magnetic coupling between the phases, a current is induced in the coils of the healthy coils, which causes the coils to exceed the critical current of the superconducting element connected to the solid phase. In the simulation of the fault current limiting characteristics of the machine, it is considered that the modeling of the difference of the magnetic flux coupling between the coils of the respective phases and the difference in the critical characteristics of the superconducting elements connected to the respective phases can provide similar results to the fault current limiting experiment.

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Ⅰ. 서 론

해마다 급증하고 있는 전력량 급증으로 인한 전력설비의 증가는 실계통의 복잡화 와 전력계통 임피던스의 감소를 야기하게 되었으며 이는 단락사고시 고장전류의 증가를 초래하게 되어 관련 전력선로를 포함한 전기기기 설비의 기계적 및 전기적 충격에 대한 보완을 강조하게 되었다.

이에 대한 대책으로, 대용량 차단기로의 교체는 비용 상승으로 인한 경제적인 부 담과 차단기 동작을 위하여 구성요소를 포함한 기술적인 한계에 부딪히게 된다. 또 다른 대안으로 모선분리를 실시하고 있으나 계통안정도 저하, 접해있는 계통의 과 부하 등의 문제점을 감수하고 있는 실정이다. 그 밖에 직렬리액터를 설치하는 방 안, 고임피던스 기기 활용방안 등이 있으나 평상시 계통에 미치는 영향과 전력손실 발생에 따른 역률저하의 문제점이 나타나게 된다[1].

고온초전도체를 한류기로 사용하는 기술은 지금까지 다른 보호 장치를 사용하여 구현할 수 없는 이상적인 전류제한 특성을 가지고 있다. 개발된 고온초전도 한류기 중 저항형 한류기는 구조가 단순하며 사고전류의 차단이 고속으로 차단 할 뿐만 아니라 소형화에 유리한 반면 사고전류가 직접 도통된다는 점 때문에 파손우려가 있다. 특히 박막형태로 제작할 경우 적층구조를 통한 밀집화로 소형 경량화가 가능 하게 된다. 그러나 전력계통 적용시 단위소자가 갖는 임계특성의 한계로 직병렬 연 결을 통한 용량증대를 기대할 수 있으나 과도한 소자수의 증가와 초전도 소자들간 의 임계특성 차이에서 오는 불균일한 전력분배가 용량증대의 문제점을 증가시키고 있다.

차폐유도형은 직접적인 고장전류가 선로에 흐르지 않아 초전도체의 우려가 적으 나 링 또는 튜브 형태의 초전도체 때문에 제작기술과 철심사용에 따른 부피증가 및 철손실 발생이 전력계통 적용에 불리하여 현재는 개발이 중단된 상태이다. 한편 브리지형은 전력용 다이오드를 이용하여 초전도 코일의 인덕턴스에 의해 고장전류 를 제한하는 형태로 초전도 소자의 퀜치가 발생되지 않아 반복동작에 따른 성능저 하가 없는 반면 전력소자의 손실발생 및 초전도 코일 제작에 따른 경제적 비용 및 이로 인하여 부피증가가 발생되는 문제점이 있다[2-4].

초전도 한류기는 초전도체의 초전도성을 이용해 계통에 임피던스를 투입함으로써 고장전류를 차단기가 차단 가능한 용량으로 제한하는 기기이다. 초전도 한류기는

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다음과 같은 특징을 갖고 있다. 정상 상태에서는 임피던스가 제로여서 기존 전력계 통에 영향을 미치지 않는다. 사고발생 1/4주기 이내에 사고전류를 제한 할 수 있고 선로전류가 임계전류 값 이상만 넘으면 임피던스가 발생하므로 전류를 급속하게 제한 한다. 사고가 종료되면 자동적으로 초전도 소자의 임피던스가 감소하여 초전 도성질을 회복하고 정상 운전 상태로 다시 복귀하는 특징이 있다. 초전도체의 전류 제한 특성은 잠재적 사고전류 크기와 상관이 없다. 선로전류가 임계 전류 값만 넘 으면 임피던스가 발생하므로 전류제한 특성이 사고전류의 크기와 상관이 없다. 초 전도 한류기는 기존 차단기와 틀리게 추후에 고장전류가 더 증가하였을 때에도 교 체할 필요가 없다. 이러한 좋은 특성들 때문에 많은 연구가 국내외에서 많은 연구 를 진행하고 있다[5-20].

본 논문에서는 철심의 무게와 크기를 줄일 수 있는 하나의 철심에 일체화된 3 상 자속구속형 고온초전도 고장전류 제한기의 고장전류제한 특성을 모델링하였다.

이를 위해서, 등가회로 분석과 3상 시뮬레이션 모의회로를 구성하여 3상 사고각별 사고전류제한 특성을 수치해석을 이용한 컴퓨터시뮬레이션 결과를 통해 분석하였 다.

- 3 -

Ⅱ. 초전도 한류기의 원리 및 국내외 현황

A. 초전도 한류기의 동작원리

초전도체는 전류, 자기장, 및 온도가 일정한 값을 넘지 않으면 저항이 제로가 되 는 특징이 있어 정상운전시 전류가 흘려도 주울 열이 발생하지 않는 특징이 있다.

이 같은 성질을 적용하면 전력계통에 선로손실을 줄일 수 있고 전력기기를 소형으 로 만들 수 있다. 그러나 초전도체에 임계값 전류이상의 전류가 흐르면 초전도 소 자는 초전도 성질을 잃어 고임피던스가 발생된다. 이 성질을 초전도 한류기에 이용 한다. 그림 1을 보면 계통에 고장이 발생하여 임계전류 이상의 큰 사고전류가 흐르 면 고 저항이 발생하여 전류 차단이 가능한 작은 전류로 저감한다. 퀜치는 2ms 이 내로 발생하므로 초전도 한류기는 사고전류의 첫번째 오버슈트에 도달하기 전에 한류를 개시한다. 차단기는 보통 사고전류가 발생한 후 5~6주기 후에 차단하는데 비해, 초전도 한류기는 사고전류 발생 즉시 한류하여 계통상의 전기기기를 빠르게 보호할 수 있다. 또한, 정상운전 할때에는 임피던스가 제로여서 선로에 영향을 미 치치 않고 전압강하가 거의 없으며 계통의 손실 또한 전혀 없어 경제적이다.

(a) 한류기 개요

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(b) 초전도 한류기 동작 특성

그림. 1. 고온초전도 한류기 개요 및 동작 특성

B. 초전도 한류기 개발 동향

전 세계적으로 초전도 한류기의 개발 및 연구를 활발하게 진행하고 있다. 전체적 으로 볼 때 배전선로에 검증을 마치고 전력계통 시장진입을 추진하는 단계에 있고, 송전선로에 개발 및 현장검증 단계에 있다.

LS 산전과 한국전력 연구원은 공동으로 2007년에 630A, 22.9kV급 고온초전도 한 류기를 연구 개발하였다. 2010년에는 22.9kV, 3000A급 고온초전도 한류기를 개발하 였다. 아울러 22.9kV 630A급 초전도 한류기를 한전의 전력시험센터에 설치하고 장 기실증시험을 수행하였다. 한편, 현대중공업은 연세대학교와 공동으로 2007년에 13.2kV, 630A급 단상 초전도 한류기를 개발하였다. 그림 2와 같이 한전 전력연구원 과 LS산전은 630A, 22.9kV급 고온초전도 한류기를 이천변전소의 배전계통에 설치 하여 2011년 8월에는 국내에서 최초로 실 전력계통 운전을 개시하여 1.5년간 운전 하였다. 한편 한국전력 주도하에 2011년부터 154kV/2000A급 초전도 한류기 개발을 진행하고 있다.

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그림. 2. 이천변소에서 운전중인 22.9kV, 630A급 고온초전도 한류기

미국은 Zenergy Power사의 중심하에 12.5kV, 1.2kA의 자기포화 철심형 고온초 전도 한류기를 개발하고 Southern California Edison 계통에 설치하여 운전하였다.

American Superconductor는 독일의 Siemens와 공동으로 115kV, 900A급의 저항형 고온초전도 한류기를 개발하였다. 중국에서는 Innopower사가 2007년에 35kV, 1.5kA급 포화철심형 초전도한류기를 운남성의 Puji변전소에 설치하여 운전하였다.

최근에 220kV, 800A급을 개발하였고 Tianjin Electric Power사는 전력계통에 설치 하여 운전중에 있다. 유럽에서는 2009년에 독일의 Nexans Supeconductor 주도로 12kV, 800A급 저항형 고온초전도 한류기를 Vattanfall사의 발전소 구내에 설치하여 운전하였다. 2009년과 2011년에는 각각 12kV 100A급과 400A급을 영국의 전력계통 에 적용하였다. 최근에는 Eccoflow 프로젝트에서 24kV, 1000A급 고온초전도 한류 기를 개발하여 2013년에 스페인의 Endesa 계통에 설치하고 실전력계통 운전을 개 시하였다. 한편 이탈리아에서는 9kV, 220A급을 개발, Milano에 설치하고 2012년 3 월부터 운전 중에 있다.

- 6 -

Ⅲ. 3상 자속구속형 한류기 모델 선정 및 등가회로

A. 3상 자속구속형 전류제한기 모델선정

자속구속형 고온초전도 한류기를 전력계통에 실제로 적용하기 위해서는 각 상에 단상 자속구속형 고온초전도 한류기를 적용하는 방법이 있다. 그러나, 이는 고온초 전도 소자수 증가로 인한 철심개수 증가와 가격부담으로 전체 전력시스템의 무게 및 부피증가를 가져오게 된다. 이 중에서 3상 전력계통에 적용하기 위해 수반되는 소자수의 증가는 저항형 고온초전도 한류기보다 단위소자수를 줄일 수 있는 장점 이 있어 자속구속형 모델이 유리한 반면, 철심개수 증가로 인한 전체시스템의 무게 및 부피증가를 감소시킬 수 있는 3상 자속구속형 모델개발이 필요한 실정이다.

이를 위해서, 본 논문에서는 철심의 무게와 크기를 줄일 수 있는 단상 철심 3개가 아닌 3상이 하나의 철심에 일체화된 3상 자속구속형 고온초전도 한류기를 선정하 여 연구를 수행하였다. 또한, 비교분석을 위해서 3상이 분리된 모델의 동작특성에 대해서도 분석하였다.

그림 3은 3상이 일체화된 형태와 3상이 분리된 자속구속형 고온초전도 한류기의 구조를 보여준다. 단상 자속구속형 초전도 한류기에서와 같이, 3상 사고 발생전에 는 각 철심내에 자속이 유도되지 않지만 하나 또는 두 개 이상의 임의의 상에서 고장이 발생할 경우 분리된 3상 모델은 사고상에 해당되는 철심내부에서만 자속이 유도되어 초전도소자의 퀜치를 유발하게 된다. 반면에, 일체화된 모델은 정상상태 의 상의 코일에도 자속이 유도되어 건전상의 고온초전도 소자의 퀜치를 유도하게 된다.

- 7 -

Cryostat

Iron Core

v1a

HTSC aHTSC bHTSC c

v1b

v1c

Coil 2 Coil 1

i^a

i^b

i^c

(a) 3상 분리된 자속구속형 고온초전도 한류기 구조

C r y o s t a t

I r o n C o r e v₁^a

HTSC aHTSC bHTSC c

v₁^b

v₁^c

C o i l 2 C o i l 1

i ^a

i ^b

i ^c

(b) 3상 일체화된 자속구속형 고온초전도 한류기 구조

그림. 3. 3상 자속구속형 고온초전도 한류기 구조

- 8 -

3상 모델에 대한 등가회로는 그림 4와 같이 나타낼 수 있으며 분리된 경우에는 자기적으로 결합되지 않으나 일체화된 경우에는 자기적으로 결합된 구조(점선으로 표시)를 갖게 된다.

i^a

i^b

i^c

i₂^a i₁^a

i₂^b i₁^b

i₂^c i₁^c

L₂^a

L₁^a

L₂^b

L₂^c L₁^b

L₁^c

R_SC^a

R_SC^b

R_SC^c v₁^a

v₂^a v_SC^a

v₂^b v_SC^b

v₂^c v_SC^c

v₁^b

v₁^c A

B

C

A'

B'

C'

그림. 4. 3상 분리 및 일체화된 자속구속형 고온초전도 한류기 등가회로

- 9 -

B. 3상 모델의 시뮬레이션 모의회로 구성

3상 분리 및 일체화된 자속구속형 고온초전도 한류기의 사고종류 및 사고각에 따 른 동작특성을 컴퓨터 시뮬레이션하기 위해서는 3상 등가회로에 대한 회로분석과 초전도 소자의 저항발생, 즉 퀜치특성을 모의회로에 반영할 필요가 있다.

사고각에 따른 3상 모델의 사고전류제한 특성을 분석하기 위해 사고각에 따른 고온초전도 소자의 저항발생에 대한 모델링을 수행하여 3상 모델에 반영하였다. 사 고각에 따른 소자의 저항발생에 대한 실험결과를 분석한 결과에 의하면, 사고각에 따라 수렴하게 되는 소자의 저항크기는 일정한 값으로 나타났으며 초기에 사고시 점에 따라 저항발생 시점이 다르게 나타남을 볼 수 있다. 그림 5는 실험결과로부터 분석한 고온초전도 소자의 저항을 모델링하여 시뮬레이션한 결과로 사고각에 따른 고온초전도 소자의 도통전류 및 저항발생을 보여준다.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

-60 -30 0 30 60

0 20 40 60 80

Resistance [W]

Current [A]

Time [ms]

0 ^O 45 ^O 90 ^O

그림. 5. 사고각에 따른 고온초전도 소자의 도통 전류 및 저항발생

- 10 -

3상 분리 및 3상 일체화된 자속구속형 한류기의 사고전류제한 특성에 대한 시뮬 레이션을 위한 모의회로는 그림 6에서 등가모의 회로를 보면 계산의 정확도를 위 해 발전기와 관련한 물리량(전기적 토크, 기계적, 부하각, 및 각속도 등)은 무시하 고 이상적인 3상 전원으로 가정을 하여 전체적인 모의회로를 구성하여 시뮬레이션 을 구현하였다.

A A' B B'

C C'

E_a E_b

E_c

R_i^a L_i^a R_i^b L_i^b

R_i^c L_i^c

R_t^a L_t^a R_t^b L_t^b

R_t^c L_t^c

R_n L_n

R_l^a L_l^a R_l^b

L_l^b

R_l^c L_l^c i^a

i^b

i^c

i_l^a i_l^b

i_l^c i^ab

i^bc

i^ca

Integrated three-phase flux-lock type SFCL

그림. 6. 시뮬레이션을 위한 등가모의 회로

- 11 -

3상 자속구속형 한류기 시뮬레이션을 위하여 저항, 인덕턴스는 각각 1 Ω, 0.4 mH 로 결정하였으며, 부하임피던스는 50 Ω으로 선정하여 사고각별 지락사고를 발생시 켜 고장전류제한 특성을 분석하였고 모의회로에 적용한 설계파라미터는 표 1에서 와 같다.

표. 1. 모의회로 설계파라미터

3상계통 시스템의 설계 파라미터 Line voltage

Resistance of power source Inductance of power source Resistance of transmission line Inductance of transmission line Load resistance

Load inductance Ground resistance Ground inductance

Ea

Ri

Li

Rt

Lt

Rl

Ll

Rn

Ln

220 0.01 0.1 1 0.4 50 1 0.1 0.1

Vrms

Ω mH Ω mH Ω mH Ω mH 일체형 3상 자속구속형 SFCL의 설계 파라미터

Turns in Coil 1 Turns in Coil 2

Coupling coefficient between two coils

N1

N2

84 21 0.99

Turns Turns

- 12 -

Ⅳ. 실험결과 및 분석

A. 3상 분리 및 일체형 모델의 전류제한 특성

자속구속형 고온초전도 한류기를 전력계통에 적용하기 위해서는 철심의 부피와 무게를 감소시킬 수 있는 3상 모델이 보다 유리하다. 3상 일체화된 모델을 제안하 여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 사고전류제한 특성을 분석하였으며, 이에 대한 비교 를 위해 3상 분리형 모델의 사고전류제한 특성과 비교분석하였다.

그림 7는 3상 분리형 모델의 1선 지락 고장시 각 코일 각 상별의 전류파형 특성 을 보여준다. 그림 7을 살펴보면 사고발생과 동시에 고장상에 해당하는 선로와 코 일에 흐르는 전류가 급격하게 증가되나 고장상에 해당하는 소자만 퀜치가 발생되 어 고장전류가 제한되는 것을 볼 수 있다. 반면에, 그림 8에서는 삼상 일체형 모델 의 경우 1선 지락 사고시 고장상 a상에서 고장이 발생함과 동시에 건전상인 b상과 c상에도 자속이 유도되어 대지상의 초전도체에 흐르는 전류가 임계 전류 값 이상 이 되면 초과함으로써 전류가 제한되는 특성을 비교할 수 있다.

그림 9와 10은 3선 지락 고장시의 3상 일체형과 3상 분리형의 각 상별 각 코일의 고장전류 파형을 보여주며, 3상 분리형은 각 상이 독립적으로 고장전류가 제한되는 특성을 확인 할 수 있으며, 철심이 일체형인 경우 거의 전체의 전류가 각 상의 초 전도소자의 퀜치 발생으로 인하여 각 상의 코일 1로 흐르고 있는 것을 확인 할 수 있다.

- 13 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-40 -20 0 20 40 -40 -20 0 20 40 -120 -60 0 60 120

(c)

i₁^c i₂^c

Current [A]

Time [s]

(b)

i^c i^b i₁^b

i₂^b

Current [A]

(a)

i₂^a i₁^a i^a

Current [A]

그림. 7. 3상 분리형 모델의 1선 지락 고장시 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-40 -20 0 20 40 -40 -20 0 20 40 -120 -60 0 60 120

(c) i₂^c i₁^c

Current [A]

Time [s]

(b)

i^c i^b i₁^b i₂^b

Current [A]

(a)

i₂^a i₁^a i^a

Current [A]

그림. 8. 3상 일체형 모델의 1선 지락 고장시 전류파형

- 14 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

(c)

i₁^c i₂^c

Current [A]

Time [s]

(b)

i^c i^bi₁^b i₂^b

Current [A]

(a)

i₂^a i₁^a i^a

Current [A]

그림. 9. 3상 분리형 모델의 3선 지락사고시 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

(c)

i₁^c i₂^c

Current [A]

Time [s]

(b)

i^c

i^b i₁^b

i₂^b

Current [A]

(a)

i₂^a i₁^a i^a

Current [A]

그림. 10. 3상 일체형 모델의 3선 지락사고시 전류파형

- 15 -

B. 3상 일체형 모델의 3상사고각별 전류제한 특성

3상 일체형 모델은 동일철심에 각 상의 코일이 결선된 구조를 가지고 있다. 따라 서, 상간의 자기적인 결합으로 인해 사고상에서 사고가 발생하더라도 건전상의 코 일에도 전류가 유기되어 건전상에 연결된 초전도 소자의 임계전류를 초과하게 되 어 퀜치를 유발하게 된다. 1선 지락과 3선 지락사고시 사고각에 따른 고장전류제 한 특성에 대한 분석을 통해 사고각에 따른 초기 사고전류와 내부자속 변화를 조 사하였다.

그림 11과 12는 사고각 0도에서 1선 지락사고시 사고전류제한 특성을 보여준다.

일체형의 구조상 건전상의 초전도 소자를 도통하는 전류가 임계전류를 넘게 되어 3상의 모든 초전도 소자에서 퀜치가 발생되는 것을 그림 11에서 확인할 수 있다.

그림 12은 0도 1선지락 사고시 각 상별 소자 및 각 코일에 유기되는 전압파형을 보여준다. 앞서 언급한 바와 같이 건전상에 해당하는 소자와 코일에도 전압이 유도 되는 것을 볼 수 있다.

사고각 0도 이외의 사고각 45도, 90도, 135도에서 1선 지락사고 발생시 각 상별 소자 및 코일의 전류파형을 그림 13, 그림 14, 그림 15에 나타내었다. 사고각별 사 고초기 선로전류 피크값을 비교해 보면 사고각이 0도일 경우(그림 11) 초기피크 전 류값이 60 A에서 90도일 경우 그림 14에 104 A 로, 초기선로전류의 피크값이 90도 사고시 가장 크게 나타남을 확인 할 수 있다. 이는 단상 자속구속형 고온초전도 사 고전류제한기의 사고각별 사고전류제한 특성과 동일한 결과이기도 하며, 이 이후에 는 사고각에 관계없이 동일한 전류가 흐르고 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 1선 지 락사고발생시 사고각에 관계없이 3상 일체형 모델의 구조상 고장사고 발생 후 고 온초전도 소자에 흐르는 전류의 위상은 동일하게 나타남을 볼 수 있으며, 건전상인 b상과 c상의 코일 1에 흐르는 전류의 위상은 코일 2에 흐르는 전류와 반전되어 흐 르는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 이유로 건전상에 흐르는 선로전류는 사고전 과 동일한 크기의 전류가 흐르고 있는 것을 확인 할 수 있다.

- 16 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

i₁^c (b) i₁^b i₁^a

Current [A]

i^c (a)

i^b i^a

Current [A]

그림. 11. 1선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-140 -70 0 70 140 -140 -70 0 70 140 -140 -70 0 70 140

(c)

v₂^c v₁^c v_SC^c

Voltage [V]Voltage [V]

Time [s]

(b)

v₂^b v₁^b v_SC^b

(a) v_SC^a

v₂^a v₁^a

Voltage [V]

그림. 12. 1선 지락 0도 사고시 각 상별 소자 및 각 코일의 유기전압 파형

- 17 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

i₁^c (b) i₁^b i₁^a

Current [A]

(c) i^c (a)

i^b i^a

Current [A]

그림. 13. 1선 지락 45도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

i₁^c (b) i₁^b i₁^a

Current [A]

i^c (a)

i^b i^a

Current [A]

그림. 14. 1선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

- 18 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

i₁^c (b) i₁^b i₁^a

Current [A]

i^c (a)

i^b i^a

Current [A]

그림. 15. 1선 지락 135도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

1선 지락사고시 사고각에 따른 사고상인 a상의 코일 1일에 유기되는 철심내부자 속의 변화(그림 16)에서는 사고각이 90도일 경우보다 0도일 경우에 철심내부의 사 고초기자속이 더욱 크게 유기되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 철심제작시 사고각 0 도에서 사고발생을 고려하여 설계해야 철심의 포화를 방지할 수 있을 것으로 사료 된다.

- 19 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 -0.4

-0.2 0.0 0.2 0.4

Magnetic flux [Wb]

Time [s]

0 ^O 45 ^O 90 ^O 135 ^O

그림. 16. 1선 지락사고시 사고각별 사고상인 코일 1에 유기되는 자속

2선 지락 0도 사고시 사고전류제한 특성을 그림 17와 그림 18에 나타내었으며 일 선 지락 사고시와 동일하게 건전상인 c상에 연결된 초전도소자에서도 퀜치가 발생 됨을 볼 수 있으며 건전상인 c상의 두 코일에 흐르는 전류의 위상이 반전되어 나 타나는 것을 확인 할 수 있다. 이로 인해 건전상의 선로전류는 사고전과 큰 차이를 보이지 않는 것을 볼 수 있다. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 소자 및 코일의 유도 전압파형에서도 일선 지락 사고시와 동일하게 모든 상의 소자와 코일에서 전압이 유기되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1선 지락사고시와 마찬가지로 사고각이 90도 일 경우에 초기선로 전류의 피크가 크게 나타남을 나머지 사고각별 2선 지락 사고 시 사고전류파형(그림 19, 그림 20, 그림 21)들에서 분석할 수 있으며, 이선지락시 사고각별 a상의 두 코일에 쇄교하는 자속 또한, 0도 사고시에 사고초기에 크게 나 타남을 그림 24에서 볼 수 있다.

- 20 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

(b)

i₁^c i₁^b i₁^a

Current [A]

(a)

i^c i^b i^a

Current [A]

그림. 17. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-140 -70 0 70 140 -140 -70 0 70 140 -140 -70 0 70 140

(c)

v₂^c v₁^c v_SC^c

Voltage [V]Voltage [V]

Time [s]

(b)

v₂^b v₁^b v_SC^b

(a) v_SC^a

v₂^a v₁^a

Voltage [V]

그림. 18. 2선 지락 0도 사고시 각 상별 소자 및 코일의 유도전압파형

- 21 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

(b)

i₁^c i₁^b i₁^a

Current [A]

(a)

i^c i^b

i^a

Current [A]

그림. 19. 2선 지락 45도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

(b)

i₁^c i₁^b i₁^a

Current [A]

(a) i^c

i^b i^a

Current [A]

그림. 20. 2선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

- 22 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

(b)

i₁^c

i₁^b i₁^a

Current [A]

(a)

i^c

i^b i^a

Current [A]

그림. 21. 2선 지락 135도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 -0.4

-0.2 0.0 0.2 0.4

Magnetic flux [Wb]

Time [s]

0 ^O 45 ^O 90 ^O 135 ^O

그림. 22. 2선 지락사고시 사고각별 a 사고상 코일 1에 유기되는 자속

- 23 -

그림 23과 24는 3선지락 0 도와 90 도 사고시 사고전류제한 특성을 보여준다. 3선 지락 사고시 사고전류제한 특성에서는 사고특성상 1선 지락과 2선 지락 사고시와 달리 모든 상에 연결된 초전도 소자에서 직접적으로 퀜치가 발생되어 사고전류가 제한되기 때문에 사고전류의 대부분이 각 상의 코일 1로 흐르게 되는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 사고초기에 사고각에 따라 각 상의 초기피크값이 다르게 나타나 지만 이후에는 동일한 크기로 전류가 제한되는 것을 분석할 수 있다. 3선 지락사고 시 각 상에 쇄교하는 자속을 분석하기 위해 3선지락 0 도와 90 도 사고시 각 상에 쇄교하는 자속파형을 그림 25, 그림 26에 나타내었다. 0 도 사고시에 각 상에 쇄교 하는 자속이 과도상태가 3주기에 걸쳐 유지되어 나타난 반면, 90 도 사고시에는 과 도상태가 1/4 주기 이내로 제한되는 것을 비교할 수 있다. 또한, 3선지락 사고시에 는 사고초기에 철심내부에 유도되는 자속이 발생되지만 과도상태가 지난 후에는 상쇄되어 나타나는 것을 분석할 수 있다.

- 24 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

i₁^c (b) i₁^b i₁^a

Current [A]

(a) i^c

i^b i^a

Current [A]

그림. 23. 3선 지락 0도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-60 -30 0 30 60 -120 -60 0 60 120 -120 -60 0 60 120

i₂^c (c) i₂^b i₂^a

Current [A]

Time [s]

(b) i₁^c

i₁^b i₁^a

Current [A]

i^c (a) i^b i^a

Current [A]

그림. 24. 3선 지락 90도 사고시 각 상별 선로전류, 코일 1, 2 전류파형

- 25 -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 -0.10

-0.05 0.00 0.05 0.10

Time [s]

Magnetic flux [Wb]

total a b c

그림. 25. 3선 지락 0도 사고시 각 상에 유기되는 자속

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 -0.10

-0.05 0.00 0.05 0.10

Magnetic flux [Wb]

Time [s]

total a b c

그림. 26. 3선 지락 90도 사고시 각 상에 유기되는 자속