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지중송전 편단접지개소에서의 병행지선 설치효과 검토
강지원, 박흥석, 윤형희 윤종건, 배주호, 석광현, 오장만, 김재승 전력연구원 한국전력공사
Study on the Effect of Parallel Ground Conductor at the Single Point Bonding in Underground Transmission System
J. W. Kang, H. S. Park, H. H. Yoon J. K. Yoon, J. H. Bae, K. H. Suk, J. M. Oh, J. S. Kim KEPRI KEPCO
Abstract - The single point bonding in underground transmission system can induce high voltage on the sheath when ground fault, lightning serge and switching serge occurs, at that time underground cable systems cannot offer a return path of fault current. Accordingly if fault current, which cannot return to ground, flows at the single point bonding, high voltage can be induced in SVL and that voltage can cause aging and breakdown of SVL.
Therefore this paper study on the effect of parallel ground conductor at the single point bonding when ground fault and lightning serge occurs by using ATPDraw.
1. 서 론
현재 국내 지중송전계통에서의 케이블 접지방식은 일반적으로 크로스 본드 접지방식을 적용하고 있으나 최근 송전선로 경과지 선정의 어려움 및 분기선로 건설에 따라 케이블 종단부 등에서 편단접지개소가 발생하 고 있는 실정이다. 그러나 이 편단접지방식은 지락이나 뇌, 개폐써지 등 과도현상 발생시 시스에 높은 전압이 유기될 수 있으며, 고장전류의 귀 환경로를 제공하지 못하는 단점을 가지고 있다. 이에 대한 대책으로 국 내에서는 편단접지 개소에 절연통보호장치(SVL : Sheath Voltage Limiter)를 교락비접지와 대지간방식으로 설치하고 있으나 최근 편단접 지개소 SVL의 소손사례가 발생하고 있어 이에 대한 대책 마련이 시급 한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 ATPDraw를 통하여 편단접지개소 에서 1선 지락과 뇌써지 침입시 편단접지개소에서의 병행지선 설치 유 무에 따른 과도특성을 검토하였다.
2. 본 론
2.1 병행지선 포설
지락사고 및 인접 선로의 사고에 의하여 병행지선이 존재하지 않는 편단접지 선로 쪽 대지를 통해서 사고전류가 흐르는 경우 SVL 양단에 전압이 발생하게 된다. SVL의 상용주파내전압-시간 특성을 보면 0.1초 동안 4.37kV의 상용주파 전압이 SVL 양단에 유기될 경우 SVL은 소손 됨을 알 수 있다[1]. 따라서 SVL에 3kV～4.37kV의 전압이 발생한다면 SVL은 열화될 수 있고, 4.37kV 이상의 전압이 SVL 양단에 발생하게 되면 SVL은 즉시 소손될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 IEEE 및 ELECTRA Committee에 서는 편단접지 케이블인 경우 병행지선을 함께 포설함으로써 선로의 양 단에서 접지되도록 시공을 권장하고 있으며[2], 그 병행지선의 설치는 지락고장 발생동안 허용 레벨까지 시스전압상승을 제한하기 위해 최대 한 근접하게 포설되도록 하고, 병행지선 도체의 굵기는 케이블 계통에서 예상되는 최대 고장전류를 수용할 수 있는 절연케이블로 권장하고 있다.
2.2 1선지락 고장발생시 과도해석
2.2.1 1선지락 고장발생시 모델계통도 및 시뮬레이션 데이터
<그림 1> 지락사고 모델계통-1(GM_1)
<그림 2> 지락사고 모델계통-2(GM_2)
<그림 1, 2>는 지락고장 모델계통에 대한 단면도를 나타낸 것으로 국 내 지중송전계통에 편단접지개소가 발생하고 있는 2가지의 대표적인 예 이다. 케이블은 154kV OF 1200[] 순수 지중선로이며 1선지락 고 장 발생위치는 편단접지개소의 B S/S측(B C/H) A상에서 발생된다고 가정하였다.
<표 1> 지락고장 모델별 Ｃase 설정
구 분 설정조건
Case 1 기설
Case 2 편단접지 구간부터 병행지선을 설치한 경우 Case 3 보통접속함(NJ)부터 병행지선을 설치한 경우
2.2.2 1선지락 고장발생시 모의 결과
<표 2>는 지락사고 모델 GM_1에서 1선 지락고장을 가정했을 때 SVL 양단과 대지측의 (1)과 (2) SVL에 발생하는 상용주파전압이다.
<표 2>에서 보는 바와 같이 Case 1의 경우, SVL의 상용주파내전압인 4.37kV를 초과하는 결과를 보이고 있고, 편단접지구간부터 병행지선을 설치한 Case 2에서는 대지측(2) SVL에서만 3.72kV로 상용주파내전압인 4.37kV 이하로 분석되었다. 보통접속함(NJ)부터 병행지선을 설치한 경 우(Case 3)에는 모든 SVL에서의 전압이 3kV이하로 나타나고 있어 병 행지선 설치의 효과가 있는 것으로 검토되었다.
<표 2> 지락고장 모델 GM_1의 결과(단위:[kV])
구분 Case 1 Case 2 Case 3
절연통간 9.23 10.54 1.82
대지측 (1) 7.13 8.13 0.46
대지측 (2) 7.81 3.72 1.37
<표 3>은 지락고장 모델 GM_2의 결과를 보여주고 있다. 병행지선을 설치하지 않은 경우(case 1)에서는 절연통간에 최대 10.73kV의 전압이 발생하였고, 병행지선을 편단접지구간부터 설치한 경우와 보통접속함 (NJ)부터 설치한 경우 각각 3.64kV, 3.68kV의 전압이 SVL 양단에 발생 하는 것으로 확인되어 기설선로에 비하여 병행지선 설치 효과는 입증되 었으나 지락고장시 SVL의 열화 가능성이 있는 것으로 검토되었다.
<표 3> 지락고장 모델 GM_2의 결과(단위:[kV])
구분 Case 1 Case 2 Case 3
절연통간 10.73 3.64 3.68
대지측 (2) 8.01 3.64 3.68
2007년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2007. 7. 18 - 20
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2.3 뇌써지 침입시 과도해석
2.3.1 뇌써지 침입시 모델계통도 및 시뮬레이션 데이터
<그림 3, 4>는 뇌써지 침입 모델계통에 대한 단면도를 나타낸 것으로
<그림 1, 2>의 계통에 뇌써지 침입을 모의하기 위해 편단접지 개소 후 단의 B S/S측에 6.5[km]의 가공선로를 추가한 혼합송전계통으로 모의하 였다. 뇌격 침입지점 및 형태는 케이블 헤드의 A상에 직격뢰로 60[kA]
의 뇌격이 침입한다고 가정하였다.
<그림 3> 뇌 써지 침입 모델계통-1(LM_1)
<그림 4> 뇌 써지 침입 모델계통-2(LM_2) 2.3.2 뇌써지 침입시 모의 결과
<그림 5> 뇌써지 침입 모의결과(LM_1)
<그림 6> 뇌써지 침입 모의결과(LM_2)
뇌써지 침입을 모의한 결과 LM_1의 경우 병행지선을 설치하지 않은 경우 18.6kV의 전압이 절연통 사이에 발생하였으나, 병행지선을 편단접 지구간부터 설치한 경우(case 2)와 보통접속함(NJ)부터 설치한 Case 3 의 경우에는 절연통간에 전압이 8.8kV와 8.1kV가 확인되었다.
LM_2의 결과 파형은 <그림 6>에서 보여주고 있다. LM_2의 경우 병 행지선을 설치하지 않았을 때 17.8kV의 전압이 절연통간에 발생하였고, 병행지선을 설치한 Case 2와 3의 경우에는 두 경우 모두 약 6.55kV의 전압이 발생됨을 확인할 수 있었다.
이처럼 편단접지 구간에서 뇌써지 침입시 절연통간에 발생하는 전압 이 SVL의 뇌섬락내전압인 50kV를 초과하지는 않았지만 그 크기면에 서 볼때 병행지선을 설치하지 않은 기설선로에서의 전압에 비해 병행지 선을 설치하였을때 최소 55[%]에서 최대 63[%]의 저감효과가 있음을 확 인할 수 있었다.
2.4 실선로에 병행지선 적용시 보호효과
2.4.1 1선 지락 고장발생시 모델계통도 및 시뮬레이션 데이터
<그림 7> 실선로 모델계통
<표 4> 지락고장 모델별 Ｃase 설정
구 분 설정조건
Case 1 기설
Case 2 편단접지 구간부터 병행지선을 설치한 경우 Case 3 보통접속함(NJ)부터 병행지선을 설치한 경우
2.4.2 1선지락 고장발생시 모의 결과
1선 지락고장 발생시 SVL 양단에 발생되는 전압을 검토한 결과 병행 지선이 설치되어 있지 않은 경우(Case 1) 절연통간에 0.36 ～ 9.10kV가 발생하였고, 편단접지구간부터 병행지선을 설치하였을 경우(Case 2) 0.10 ～ 0.20kV의 전압이 발생됨을 알 수 있었다. 또한 보통접속함(NJ) 부터 병행지선을 설치하여 그 효과를 검토한 결과(Case 3), <표 5>에서 보는 바와 같이 0.14 ～0.22kV까지의 전압이 발생됨을 알 수 있었다.
<표 5> 지락고장 모델 YS의 결과(단위:[kV])
구분 Case 1 Case 2 Case 3
절연통간 (①) 0.36 0.20 0.14
대지측 (②) 9.10 0.10 0.14
대지측 (③) 8.79 0.16 0.22
3. 결 론
이상에서와 같이 지중송전계통 편단접지구간에서 병행지선 설치 유무 에 따른 효과를 검토해 본 결과는 다음과 같다.
○ GM_1 계통의 경우 보통접속함부터 병행지선 설치로 SVL간 발생전압이 크게 저감될 수 있음을 확인하였다.
○ GM_2 계통의 경우 기설선로에 병행지선을 설치하는 것이 과전압 저 감측면에서 효과적임을 확인할 수 있었지만 Case 2와 3의 결과에는 큰 차이가 없는 것으로 검토되었다.
○ 뇌써지 침입의 경우 기설선로보다는 병행지선을 설치한 경우 SVL 양단에 발생하는 전압의 크기가 확연히 줄어드는 것으로 검토되어, 병행지선 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
○ 총 길이 약 1.5km의 실선로를 대상으로 검토해 본 결과, 기설선로와 비교하여 병행지선을 설치한 Case 2와 3에서 SVL 양단에 발생하는 전압이 크게 줄어들어 병행지선 효과를 확인할 수 있었다.
본 논문에서 확인한 바와 같이 편단접지구간에서 병행지선의 설치는 기설선로보다는 지락고장 및 뇌써지 발생시 효과가 있음을 알 수 있으 나, 보다 정확한 지중송전계통의 보호를 위하여 병행지선 설치위치에 관 한 추가검토가 진행중이다.
[참 고 문 헌]
[1] 하체웅, 김정년, 이인호, 김종철, 이광열, “지중 송전케이블의 편단접 지 시스템에서의 계통 보호 방안”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, A권, 15～17pp, 2005년
[2] “IEEE guide for the application of sheath-bonding methods for single-conductor cables and the calculation of induced voltages and currents in cable sheaths”, IEEE 575-1988년
