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(1)

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(2)

20 14 年月2

碩士學位論文

任仁圭

2 0 1 4 年 2 月碩士學位論文

초전도 한류기의 전력부담 저감 방안 연구

朝鮮大學校大學院

電氣工學科

任仁圭

(3)

2014 年 2月 25 日

朝鮮大學校大學院

電氣工學科

任仁圭

초전도 한류기의 전력부담 저감 방안 연구

A Study on Reduction of Electric burden in a Superconducting Fault Current Limiter

(4)

초전도 한류기의 전력부담 저감 방안 연구

指導敎授崔孝祥

이 論文을 工學 ^碩士學位申請論文으로 提出함.

2014年 10月

朝鮮大學校大學院

電氣工學科

任仁圭

(5)

任仁圭의 碩士學位論文을 認准함.

2013年 11月

朝鮮大學校大學院

委員長朝鮮大學校敎授 이 우 선 印委員朝鮮大學校敎授 정 병 익 印委員朝鮮大學校敎授 최 효 상 印

(6)

목 차

ABSTRACT ···viii

Ⅰ. 서 론 ···1

A. 국내 전력계통 현황 ···1

B. 연구 목적 및 내용 ···4

Ⅱ. 이론적 배경 ···6

A. 고속도 한류기 구성 ···6

1. 솔레노이드 밸브 ···6

2. 진공 인터럽터 ···9

B. 초전도체 ···11

Ⅲ. 실험 장비 구성 ···12

A. 고속 한류기 설계 및 제작 ···12

B. 초전도 박막 설계 ···16

C. 전원설비 및 주변 장비 ···17

1. 전원 공급 장치 ···17

2. 스위칭 제어 시스템 ···18

3. 사고 발생장치 ···19

(7)

4. 부하 설비 ···20

5. 상전도체 ···21

6. 냉각 설비 ···22

Ⅳ. 실험 및 결과 분석 ···23

A. 저항형 초전도 한류기 ···23

1. 실험 방법 ···23

2. 전압 증가 및 사고 유형별 사고전류 제한 특성 ···24

1) 1선 지락 사고 ···24

2) 2선 지락 사고 ···27

3) 3선 지락 사고 ···30

B. 고속 한류기 ···32

1. 실험 방법 ···32

2. 전압 증가 및 사고 유형별 사고전류 제한 특성 ···34

1) 1선 지락 사고 ···34

2) 2선 지락 사고 ···37

3) 3선 지락 사고 ···40

C. 초전도 소자의 전력부담 비교 ···43

1. 저항형 초전도 한류기 전력부담 특성 ···43

2. 고속 한류기 전력부담 특성 ···46

(8)

Ⅴ. 결 론 ···49 참고문헌 ···52

(9)

List of Tables

Table 1-1 Trend of power demand and supply ···3

Table 2-1 Parameters of a solenoid coil ···8

Table 2-2 Electrical parameters of a vacuum interrupter ···10

Table 2-3 Mechanical parameters of a vacuum interrupter ···10

Table 3-1 Design parameters of a power supply ···18

Table 3-2 Parameters of load equipment ···20

(10)

List of Figures

Fig. 1-1 Generation capacity of electric power facilities ···2

Fig. 1-2 Domestic power system ···3

Fig. 2-1 Magnetic force of a solenoid ···7

Fig. 2-2 Structure of a solenoid ···8

Fig. 2-3 Structure of the vacuum interrupter ···9

Fig. 2-4 Critical surface of a superconducting element ···11

Fig. 3-1 Structure of a prototype high-speed fault current limiter ···13

Fig. 3-2 Experimental circuit diagram of a high-speed fault current limiter ···· 14

Fig. 3-3 The manufactured prototype high-speed fault current limiter ···14

Fig. 3-4 Operating characteristics of prototype high-speed fault current limiter ···15

Fig. 3-5 High-speed fault current limiter ···15

Fig. 3-6 A superconducting element ···16

Fig. 3-7 Power supply ···17

Fig. 3-8 SCR control system ···18

Fig. 3-9 Fault generating device ···19

Fig. 3-10 Load equipments ···20

Fig. 3-11 Normal conductor ···21

Fig. 3-12 Equipment of a cryostat ···22

Fig. 4-1 Experimental circuit diagram of the resistive-type SFCL ···24

Fig. 4-2 Fault current limiting characteristics of the resistive-type SFCL (applied voltage: 160V) ···25

Fig. 4-3 Fault current limiting characteristics of the resistive-type SFCL (applied voltage: 200V) ···26

(11)

Fig. 4-4 Fault current limiting characteristics of the resistive-type

SFCL (applied voltage: 240V) ···26 Fig. 4-5 Fault current limiting characteristics of the resistive-type

SFCL (applied voltage : 160V) ···28 Fig. 4-6 Fault current limiting characteristics of the resistive-type

SFCL (applied voltage : 240V) ···31 Fig. 4-11 Experimental circuit diagram of high-speed fault current limiter ···33 Fig. 4-12 Fault current limiting characteristics of a high-speed FCL

(applied voltage : 160V) ···35 Fig. 4-13 Fault current limiting characteristics of a high-speed FCL

(applied voltage 240V) ···36 Fig. 4-15 Fault current limiting characteristics of a high-speed FCL

(12)

Fig. 4-18 Fault current limiting characteristics of a high-speed FCL

(applied voltage : 240V) ···42 Fig. 4-21 The power consumption of superconducting element during

the single line-to-ground fault ···44 Fig. 4-22 The power consumption of superconducting element during

the double line-to-ground fault ···44 Fig. 4-23 The power consumption of superconducting element during

the triple line-to-ground fault ···45 Fig. 4-24 The power consumption of superconducting element during

the single line-to-ground fault ···47 Fig. 4-25 The power consumption of superconducting element during

the double line-to-ground fault ···47 Fig. 4-26 The power consumption of superconducting element during

the triple line-to-ground fault ···48

(13)

ABSTRACT

A Study on Reduction of Electric burden in a Superconducting Fault Current Limiter

Im In-Gyu

Advisor : Prof. Choi Hyo-Sang, Ph.D.

Department of Electrical Engineering, Graduate School of Chosun University

With an increase in the amount of electricity demand, additional electricity generation, transformation, transmission and distribution facilities are being built.

Accordingly, for efficient power supply and demand, economic operation and stable power supply are being made through power system interconnection. However, the reduction of system impedance can cause the increase of current in case of an accident. As the system impedance is reduced, the fault current exceeds the limitation capacity of the existing protection facilities, which can then cause malfunction of protection device, leading to the damage of power equipment and more accidents. To solve this issue, various plans have been proposed, but these plans often degrade the reliability of power supply. Therefore, research is being conducted, which uses superconductivity. Impedance of superconductiong element almost goes down to zero below the threshold value, resulting in no loss when they are applied to the system.

Also in case of an accident, the increase of current causes the threshold value of the

(14)

superconducting element increases, restricting the fault current. In the existing resistive-type superconducting fault current limiter, the superconducting element takes all fault current during the fault. This may break superconductivity of the superconductor due to the deterioration. To reduce electric burden, it is necessary to increase the capacity of the superconducting element. While one could use the series or parallel connection of the superconducting element, but this requires to solve the problem of irregular quench of the superconducting element. Also the superconducting element should maintain the state of superconductivity under extreme low temperature.

Therefore, a cooling facility is required, which results in economic burden due to its repair and maintenance. This thesis proposed a high-speed fault current limiter through high-speed switching as a plan to reduce fault current due to the power system interconnection. In case of any fault in the system, the superconducting element rapidly limits only the initial fault, and at the same time, reduces power burden of the superconducting element by limiting the fault current with the normal conductor through high-speed switching. At the same time, the proposed model reduces power load of the superconductor as well as the economic cost of the cooling facility and increases the capacity of the superconducting element. Accordingly, to improve the weaknesses of the existing resistive-type fault current limiter, We used the high-speed fault current limiter and compared the analyzed the results through an experiment. The experiment simulated faults based on voltage increases and different types of faults and compared and analyzed the operational characteristics of the high-speed fault current limiter and those of the resistive-type fault current limiter.

(15)

Ⅰ. 서 론

A. 국내 전력계통 현황

국내 전력계통은 지난 10년간 기계, 전자, 자동차, 철강, 석유화학 등 산업이 성 장함에 따라 전력수요도 크게 증가하였다. 2011년 말 국내 총 전력소비량은 455,070 GWh로 2002년 278,451 GWh 대비 63% 증가하였다. 그림 1-1은 2012년 까지 발전설비의 발전량을 나타낸다. 현재도 경제성장에 따라 매년 전력소비량은 꾸준히 증가할 전망이다. 표 1-1은 2011년까지 전력수급 동향을 나타내고 있다. 증 가하는 전력 수요에 맞춰 발전 설비가 증설되고 전력품질의 만족과 신로도 향상, 안정적인 전력 공급을 위해 그림 1-2와 같이 분산전원을 통해 계통이 운영되고 있 다. 하지만 부하설비들이 수도권에 집중되는 현상으로 인해 설비의 증설이 제약되 고 장거리 송전이 불가피함에 따라 큰 손실이 발생된다. 또한 전력계통이 연계 됨 에 따라 계통의 임피던스가 낮아지고 차단기의 정격 차단내력을 초과하게 된다 [1-5].

이때 내외적으로 사고가 발생하게 되면 전류가 크게 증가하여 전력기기의 파손 과 함께 건전상에도 사고범위가 확대될 수 있다. 이 때문에 노후된 보호설비의 교 체와 차단기의 용량증대가 시급하다. 계통 전체를 대상으로 차단기 교체가 이루어 질 경우 공사기간과 경제적 부담을 고려하지 않을 수 없다. 또한 전력소비가 지속 적으로 증가함에 있어 추후 같은 문제가 또다시 반복되게 된다. 또 다른 고장전류 저감방안으로 한류리액터 방식이 제안되었다. 한류리액터 방식은 용량이 커질수록 전류의 제한은 커지지만 무효전력에 의해여 전압강하를 발생시키는 단점이 발생되 어 계통 안정도를 감소시킨다. 모선분리 방식 또한 전력 품질을 저하시키고 공급 신뢰도에 영향이 있어 고장전류 저감을 위한 새로운 방안이 제시되어야 한다. 이 러한 문제를 해결하기 위해 초전도체를 적용한 한류기술이 연구개발되고 있다 [6-9].

(16)

초전도체는 임계온도, 임계자장, 임계전류값을 갖는 특성을 가진다. 이러한 임계 온도이하에서 임피던스가 영인 특성을 이용하는 초전도한류기를 계통에 적용하여 정상시에는 전류의 손실없이 부하로 공급한다. 사고가 발생하게 되면 전류는 증가 하면서 초전도체의 임계전류를 초과하게 된다. 이때 초전도체의 임피던스가 상승 하여 사고전류를 제한한다. 초전도체는 빠른시간에 사고전류를 제한하여 부하소자 및 전력기기의 부담을 줄여 파손 및 고장을 줄이는 효과가 있다. 하지만 초전도체 의 용량을 증대시키기 위해서는 소자의 직․병렬 연결이 필요하며 초전도 소자의 불균일 퀜치의 문제를 해결해야 한다. 또한 초전도체의 임계값을 얻기 위해 냉각 설비가 필요하며 과다한 경제적 비용이 발생하게 된다[10-15].

본 연구는 초전도체의 용량 증대 문제와 냉각설비에 대한 경제적 비용문제를 해 결하기 위해 초전도체의 특성 유지와 전력부담을 최소화하기 위한 사고전류 제한 기를 제안하고 연구하였다.

그림 1-1 발전설비의 발전량

Fig. 1-1 Generation capacity of electric power facilities

(17)

표 1-1 전력수급 동향

Table 1-1 Trend of power demand and supply

(단위 : 만 kW)

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 최대전력수요 5,126 5,463 5,899 6,229 6,279 6,680 7,131 7,314

전년대비

증감률(%) 8.2 6.6 8.0 5.6 0.8 6.4 6.3 2.6 설비용량 5,913 6,174 6,478 6,720 7,035 7,331 7,608 7,613 예비전력 626 619 619 449 573 527 444 404 공급예비율(%) 17.1 12.2 11.3 10.5 7.2 9.1 7.9 6.2

그림 1-2 국내 전력계통도 Fig. 1-2 Domestic power system

(18)

B. 연구 목적 및 내용

현재 사고전류 저감을 위해 다양한 형태의 초전도한류기가 연구 개발되고 있지 만 실 계통에 적용하기 위한 문제가 많이 남아 있다. 정상선로에 초전도체를 직렬 연결할 경우 사고전류 제한 효과는 뛰어나지만 차단기가 동작하기 전까지 전력을 부담하기 때문에 초전도성이 깨질 우려가 있다. 또한 초전도소자의 직․병렬 연결 에 따라 불균일 퀜치에 따른 신뢰성과 냉각설비의 지속적인 유지를 위한 경제적 비용 문제를 해결해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 솔레노 이드 밸브와 진공인터럽터를 결합시킨 고속 한류기를 제안하였다. 고속 한류기의 실험장비는 배전계통에 적용하여 사용할 수 있는 사양으로 선정하였다. 본 논문에 서는 기존에 연구되고 있는 저항형 초전도 한류기의 사고전류 제한특성과 솔레노 이드 밸브와 진공인터럽터를 결합시킨 고속 한류기의 사고전류 제한특성을 비교 분석하였다. 실험을 통해 보다 개선된 특성을 얻기 위해 전압증가와 사고유형별 특성을 비교하였다. 실험은 아래와 같이 진행되었다.

① 초전도체의 전력 부담 저감 방안 모색

- 초전도체가 초기사고 제한과 동시에 선로 변경을 통한 전력부담 저감 - 사고전류를 상전도로 제한하기 위한 선로 변경 장치 구성

② 3상 결합형 고속 한류기 설계 및 제작 - 솔레노이드 밸브에 대한 동작원리의 이해

- 초전도체의 부담을 줄이고 선로 변경을 위해 진공 인터럽터 선정 - 솔레노이드와 진공인터럽터의 결합을 위한 설계

- 배전계통에 적용할 수 있는 용량 선정

③ 고속 한류기의 스위칭 특성 평가

- 빠른 스위칭을 위한 솔레노이드 밸브 스트로크 조정

(19)

- 전압별 스위칭 특성 비교 분석

④ 저항형 초전도 한류기의 동작 특성

- 전압증가에 따른 사고전류제한 특성 비교 - 사고유형에 따른 사고전류제한 특성 비교

⑤ 고속 한류기의 동작 특성

- 전압증가에 따른 사고전류제한 특성 비교 - 사고유형에 따른 사고전류제한 특성 비교

⑥ 저항형 초전도 한류기와 고속 한류기의 전력부담 비교 - 저항형 초전도 한류기 적용시 초전도 소자 전력소비 특성 - 고속 한류기 적용시 초전도 소자 전력소비 특성

(20)

Ⅱ. 이론적 배경 A. 고속 한류기 구성

1. 솔레노이드 밸브

고속 한류기는 솔레노이드 밸브와 진공인터럽터의 결합장치이다. 솔레노이드 밸브의 전자력에 진공 인터럽터의 접점을 변경하게 된다. 솔레노이드에 전류를 흘 리면 자기장이 형성되어 철제 종류의 금속을 끌어 당기는 성질을 이용한다.

그림 2-1은 실험에 사용된 솔레노이드 밸브의 동작 원리를 나타낸다. 코일이 감 긴 철심에 전류를 흘려주게 되면 도선 주위에 자기장이 형성되고 전자력의 힘으로 밸브를 끌어 당기게 된다. 이는 외르스테드(Hans Christian Oersted)의 실험을 통 해 밝혀진 사실이며 외부의 자기장은 거의 영이고 내부는 균일한 크기의 자기장이 형성된다. 이 때 자계와 자계의 크기는 식 (2.1), (2.2)을 통해 알 수 있다.

_{ }



   _(2.1)





^^{․ }^{ } ^(2.2)

여기서,

n : 단위 길이당 코일의 권선 수(총 권선 횟수(N)/솔레노이드 길이(l)) I : 전류의 크기

위의 식과 같이 자계는 코일의 권수나 전류의 크기에 비례하여 증가한다. 하지 만 철심에 권수나 전류가 증가시켜도 더 이상 자력이 증가하지 않는 자기 포화 현 상이 발생한다. 따라서 사용된 솔레노이드는 실험에 맞게 제작하였다. 그림 2-2는

(21)

본 연구에 사용된 솔레노이드 코일의 구조를 보여주고 있다. Stroke의 길이가 짧 으면 밸브가 받는 전자력의 영향이 커지기 때문에 그만큼 빨리 동작하는 특성이 있다. 하지만 고속 한류기는 진공 인터럽터와 결합한 장치이기 때문에 진공 인터 럽터의 접점 간격을 고려하여 솔레노이드 stroe 간격을 30mm로 설정하였다.

표 2-1은 본 연구에 사용된 솔레노이드 밸브의 사양을 나타낸다. STC-1002는실 험에 사용된 솔레노이드 밸브의 명칭이다. 진공 인터럽터는 송․배전계통에 사용 되는 제품으로써 자폐력이 크다. 따라서 사고발생시 진공 인터럽터의 접점을 개방 할 수 있는 충분한 힘을 가진 솔레노이드 밸브를 선정하였다.

(a) 권선에 전류 투입 전 (b) 권선에 전류 투입 후 그림 2-1 솔레노이드 자기장에 의한 전자력

Fig. 2-1 Magnetic force of a solenoid

(22)

그림 2-2 솔레노이드 구조 Fig. 2-2 Structure of a solenoid

표 2-1 솔레노이드 코일의 사양 Table 2-1 Parameters of a solenoid coil

솔레노이드 밸브 타입

정격전압 (V)

주파수 (Hz)

스트로크 (mm)

무게 (Kg)

토크

(Kg/m) 절연등급 온도상승 (deg)

STC-1002 220 50/60 30 4.5 15 B 75

(23)

2. 진공 인터럽터

그림 2-3은 고속 한류기의 구성 부품 중 진공 인터럽터를 나타낸다. 본 실험에 사용된 진공 인터럽터는 지락 및 단락사고 시 접점을 변경하는 부품으로 과전압과 대전류에 대한 아크소호 능력이 뛰어나야 한다.

고속 한류기를 구성하는 진공인터럽터는 고진공으로 절연내력을 충분히 가지고 있으며 여러 인증기관에서 차단성능을 인정받아 고속 한류기 동작 시 신뢰성이 높 다.

표 2-2, 2-3은 진공 인터럽터의 전기적, 기계적 설계 사양을 보여준다.

그림 2-3 진공 인터럽터 구조

Fig. 2-3 Structure of the vacuum interrupter

(24)

표 2-2 진공 인터럽터의 전기적 사양

Table 2-2 Electrical parameters of a vacuum interrupter Vacuum Interrupter LV07251B

정격전압 7.2

상용주파 내전압 20

정격전류 1250

정격주파수 (Hz) 50/60

단락전류 지속시간 (sec) 3

표 2-3 진공 인터럽터의 기계적 사양

Table 2-3 Mechanical parameters of a vacuum interrupter Vacuum Interrupter LV07251B

스트로크 10±1

평균개극속도 (m/s) 0.7∼1.0

평균폐극속도 (m/s) 0.7∼1.0

접점자폐력 (kg·f) 12.6

허용접점소모량(mm) 3

기계적 수명(만회) 2

(25)

B. 초전도체

초전도체는 특정 임계값 중 임계온도 이하에서는 저항이 영으로 저하하는 현상 이 발생하는데 이를 초전도 현상이라 한다. 최초 초전도 현상을 발견한 이후 연구 를 통해 조금 더 높은 임계온도에서 초전도 현상을 발생시킬 수 있으며 현재도 이 러한 연구는 진행 중에 있다.

그림 2-4는 초전도체의 임계곡면을 나타낸다. 초전도체는 자기장, 온도, 전류밀도 중 한 요소라도 임계값을 초과하게 되면 초전도 상태를 유지할 수 없게 된다. 초 전도 상태에서 상전도 상태로 전이되는 것을 퀜치(quench)라고 하며 이때 초전도 소자의 저항이 증가하게 된다.

그림 2-4 초전도체 임계곡면

Fig.. 2-4 Critical surface of a superconducting element

(26)

Ⅲ. 실험 장비 구성 A. 고속 한류기 설계 및 제작

고속 한류기에서 초전도체의 전력부담을 줄이기 위하여 선로 변경을 통해 사고 전류를 상전도체가 제한한다. 따라서 고속 한류기의 스위칭 동작이 중요하다. 앞에 서술한 바와 같이 실계통에 적용 가능한 진공 인터럽터와 이의 동작을 위해 충분 한 힘을 가지는 솔레노이드를 결합하여 초기 모델을 제작하였다. 그림 3-1은 고속 한류기의 구조 및 초기 모델을 보여준다. 본 실험에 앞서 초기모델의 진공 인터럽 터를 적용하여 고속 한류기의 신뢰성을 확보하였다. 그림 3-2는 초기모델의 신뢰 성 확보를 위한 고속 한류기의 동작 특성 실험 회로도이다. 테스트 실험은 280V 인가시 1선 지락사고를 모의하여 고속 한류기의 동작특성을 분석하였다. 그림 3-3 과 3-4는 고속 한류기의 초기모델의 동작실험과 동작특성을 보여준다. 정상시 4.59A의 전류가 흐르고 사고를 모의할 경우 전류는 189.40A로 증가하게 된다. 이 때 고속 한류기의 스위칭 동작을 통해 사고전류는 상전도 한류기에 의해 제한됨을 알 수 있다. 실험 결과 고속 한류기는 사고발생 후 스위칭 동작을 정상적으로 수 행하는 것을 알 수 있었다. 고속 한류기의 초기모델의 동작특성 데이터를 바탕으 로 스위칭 동작의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 이에 따라 진공 인터럽터의 사양을 높이고 안정된 스위칭을 위해 그림 3-5와 같이 고속 한류기를 제작하였다.

(27)

(a) 고속 한류기의 설계

(b) 고속 한류기의 초기 제작품 그림 3-1 고속 한류기의 구조 및 초기 모델

Fig. 3-1 Structure of a prototype high-speed fault current limiter

(28)

그림 3-2 고속 한류기의 초기모델 실험 회로도

Fig. 3-2 Experimental circuit diagram of a high-speed fault current limiter

그림 3-3 고속 한류기의 초기모델 동작 실험

Fig. 3-3 The manufactured prototype high-speed fault current limiter

(29)

그림 3-4 고속 한류기의 초기모델 동작 특성

Fig. 3-4 Operating characteristics of prototype high-speed fault current limiter

그림 3-5 고속 한류기

Fig. 3-5 High-speed fault current limiter

(30)

B. 초전도 박막 설계

본 연구에서는 초전도체의 임계값을 이용하여 사고전류 발생시 퀜치로 초기 사고전 류를 제한하기 위해 초전도 박막을 제작하였다. 그림 3-6은 실험에 사용된 초전도 박 막을 보여주며 YBCO 박막을 사용하였다. 기존 연구된 저항형 초전도 한류기는 사고 발생 시 빠른 퀜치 동작으로 인해 사고 발생 후 1/2주기 이전에 신속한 제한이 이루어 지는 장점을 갖는다. 하지만, 계통에 적용하기 위한 용량증대 문제와 냉각설비의 경제 적인 부담이 있을 뿐만 아니라 지속적인 사고전류 부담에 의해 초전도체의 열화로 인 한 파손이 우려되는 단점을 가지고 있다. 따라서, 고속 스위칭을 통해 선로변경이 이루 어져 사고전류가 상전도체에 의해 제한되므로 초전도체의 전력부담을 크게 줄일 수 있 다. 고속 스위칭을 통한 선로변경은 사고전류를 우회시켜 저항형 초전도 한류기의 빠 른 제한동작 효과를 유지할 수 있다. 또한, 용량증대와 냉각설비의 경제적 부담을 줄일 수 있는 방안이 된다.

그림 3-6 초전도 소자

Fig. 3-6 A superconducting element

(31)

C. 전원설비 및 주변 장비

1. 전원 공급 장치

그림 3-7은 전력계통의 선로를 모의하기 위한 전원공급 장치이다. 전원공급 장치의 탭을 이용하여 40∼480V까지의 전압을 조정할 수 있다. 표 3-1은 전원공급 장치의 설 계사양을 나타내며 공급 용량은 200KVA, 정격 입력 전압 380V, 정격 전류의 크기는 150A이다.

그림 3-7 전원 공급 장치 Fig. 3-7 Power supply

(32)

표 3-1 전원 공급 장치의 설계 사양

Table 3-1 Design parameters of a power supply

Parameter Value

정격전압 380V

위상 및 주파수 3Φ, 60Hz

정격 전류 150A

전압 탭 0V ~ 480V (Interval of 40V) 변압기 결선 primary △ / secondary Y

2. 스위칭 제어 시스템

그림 3-8은 사고가 발생할 경우 CT(current transformer)를 통해 신호를 받아 고 속 한류기를 동작시키기 위한 신호 인가 장치이다. CT1, CT2, CT3는 각각의 R, S, T 상의 사고전류를 감지한다. 사고가 감지되면 Switching Control System의 전력소자가 ON이 되면서 고속 한류기의 솔레노이드 밸브에 전원이 인가된다.

그림 3-8 SCR 제어 시스템 Fig. 3-8 SCR control system

(33)

3. 사고 발생 장치

그림 3-9는 사고발생 장치를 보여준다. 사고발생은 사고 제어 장치로 부하에 병 렬로 연결된 스위치를 통해 발생시킨다. 정상선로를 통해 전류가 부하에 공급되다 가 병렬로 연결된 스위치를 동작시킨다. 이 때 병렬 연결된 선로는 저항이 없기 때문에 전류가 증가하게 된다. 사고 발생 기기의 스위치를 통해 1선, 2선, 3선 지 락 사고를 설정할 수 있다.

(a) 모의사고 제어 장치 (b) 모의사고 발생 기기 그림 3-9 사고발생 장치

Fig. 3-9 Fault generating device

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4. 부하 설비

그림 3-10은 정상시 전류를 소비하는 부하를 보여준다. 실험에서 설정한 저항값 은 50Ω이고 각각의 탭은 5Ω이며 총 10탭으로 구성되어 있다. 위에서 언급한 사고 발생 장치의 사고선로는 이 부하설비에 병렬로 연결한다. 표 3-2는 부하설비의 사 양을 나타낸다.

그림 3-10 부하 설비 Fig. 3-10 Load equipments

표 3-2 부하설비의 사양

Table 3-2 Parameters of load equipment

정격 전압(V) 정격전류(A) 순간단락전류(A) Tap 수

500 50 1000 10 (각 5Ω)

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5. 상전도체

그림 3-11은 상전도체를 보여준다. 상전도체는 고속 한류기의 스위칭 동작후 사 고전류를 제한하는 장비이다. 사고 발생시 초기 사고전류는 초전도체에 의해 제한 되지만 초전도체의 부담을 줄이기 위해 고속 한류기의 동작을 통해 선로를 변경하 게 된다. 이 때 사고전류를 제한하며 전력수급 증가에 따른 용량 조정이 유연하다.

본 실험에서는 R, S, T 각상에 50Ω 5개를 병렬연결하여 사용하였다.

그림 3-11 상전도체 Fig. 3-11 Normal conductor

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6. 냉각 설비

그림 3-12은 초전도 냉각설비를 보여준다. 초전도체는 극저온 상태에서 초전도 상태가 되기 때문에 냉각매질로 액체질소를 사용하고 이에 따른 냉각설비가 필요 하다. 이에 따라 초전도체를 극저온 용기에 초전도체를 고정시키고 질소가스의 압 력에 의해 액체질소가 극저온 용기 안으로 채워지게 하였다.

(a) 냉각 설비의 구성

(b) 극저온 용기 안의 초전도체 그림 3-12 초전도 냉각설비 Fig. 3-12 Equipment of a cryostat

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Ⅳ. 실험 및 결과 분석

A. 저항형 초전도 한류기

1. 실험 방법

본 절은 저항형 초전도 한류기에서 초전도체의 전력부담을 저감하는 것을 목적 으로 하였다. 이에 따라 고속 한류기 적용시와 비교하기 위해 저항형 초전도 한류 기의 동작특성을 실험하여 분석하였다. 그림 4-1은 저항형 초전도 한류기의 실험 회로도를 나타낸다. 정상상태의 경우 초전도체는 극저온 상태로 저항이 거의 없는 상태이다. 이때 전류는 손실없이 부하에 공급되게 된다. 초전도체의 퀜치특성과 전 류제한 특성을 알아보기 위해 Fault Switch를 통해 사고를 모의한다. 사고상태의 선로는 저항이 거의 없기 때문에 전류가 급증하게 된다. 사고전류가 초전도체의 임계값을 초과하는 경우 초전도체의 퀜치 현상이 발생하면서 사고전류를 제한하게 된다. 실험은 전압증가와 사고유형별 사고전류 제한특성을 분석하였다.

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그림 4-1 저항형 초전도 한류기 실험 회로도

Fig. 4-1 Experimental circuit diagram of the resistive-type SFCL

2. 전압 증가 및 사고 유형별 사고전류 제한특성

1) 1선 지락 사고

1선 지락사고시 전압 증가별 초전도체의 사고전류 제한특성을 알아보기 위해 160, 200, 240V의 전압을 인가하였다. 그림 4-2는 160V 인가시 사고전류 제한특성 을 나타내고 있다. 정상상태의 전류는 2.61A가 흐른다. 이 때 Fault Switch를 통해 사고를 발생하게 되면 전류가 급증하게 되고 초전도체가 퀜치된다. 사고전류가 증 가하다 퀜치에 의해 제한된 전류는 40.80A이다. 이후 초전도체의 임피던스 상승에 의해 제한 된 전류는 5.04A로 크게 감소하였다. 그림 4-3은 200V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상시 부하에 흐르는 전류는 3.37A이다. Fault Switch를 통

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해 사고를 발생시키면 사고전류는 증가하다 초전도체의 퀜치에 의해 42.48A까지 상승하고 이후 6.74A로 제한된다. 그림 4-4는 240V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상시 전류는 4.03A이며 사고를 모의할 경우 초전도체의 퀜치로 인해 42.92A까지 상승하다 제한되며 사고전류는 8.18A로 제한되게 된다.

그림 4-2 160V 인가시 사고전류 제한특성

Fig. 4-2 Fault current limiting characteristics of the resistive-type SFCL (applied voltage: 160V)

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2선 지락 사고를 모의할 경우 데이터에서 확인할 수 있듯이 R상의 초전도체보다 S상의 초전도체의 퀜치가 더 빨리 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 사고 발생 위상의 기준을 0°로 하였기 때문이다. Fault Switch를 통해 사고를 발생시킬 경우 R상은 0°에서부터 전류가 상승하기 시작한다. 반면 S상의 경우 R상과의 위상차이 로 인해 S상의 전류는 R상 보다 크기 때문에 초전도체의 퀜치가 더 빨리 발생하 게 된다. 그림 4-5는 160V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상시 R, S상 의 전류는 각각 2.57, 2.44A로 흐른다. 이 때 사고를 발생시킬 경우 사고전류는 41.06, 46.29A로 증가하게 된다. 이는 초전도체의 퀜치에 의해 제한되며 이후 제한 된 사고전류는 6.42, 6.74A로 나타났다. 그림 4-6은 200V 인가시 사고전류 제한특 성을 나타낸다. R, S상의 정상전류는 각각 3.86, 3.06A로 나타났다. Fault Switch를 통해 사고를 발생시킬 경우 사고전류는 급증하다 초전도체에 의해 41.99, 46.94A로 피크치가 제한되며 7.12, 7.74A로 저감된다. 그림 4-7은 240V 인가시 사고전류 제 한특성을 나타낸다. 정상시 전류는 R, S상 각각 4.20, 4.03A이고 사고발생시 초전 도체의 퀜치에 의해 제한된 전류 피크치는 42.79, 46.92A로 나타났다. 이 후 초전 도체의 임피던스 상승에 의해 7.80, 8.80A로 저감되었다.

(42)

Fig. 4-5 Fault current limiting characteristics of the resistive-type SFCL (applied voltage : 160V)

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3선 지락사고 모의시 2선 지락 사고와 같이 R상 보다 S, T상의 퀜치 특성이 더 빠 르게 나타나는 것을 확인하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 사고 기준 위상을 0°로 설정하였기 때문에 사고를 모의할 경우 R상의 사고전류는 0에서부터 증가한다. 반면 S, T상의 경우 위상차로 인해 전류가 R상에 비해 큰값을 가지기 때문이다. 이 때문에 S, T상의 경우 R상 보다 초전도체의 퀜치가 조금 더 빠르게 나타나는 특성을 가지게 된다. 그림 4-8은 160V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 초기 정상전류는 R, S, T상 각각 2.65, 2.37, 2.60A로 흐른다. 이 때 Fault Switch를 통해 사고모의시 전류가 증가하고 퀜치에 의해 피크치가 40.42, 46.47, 46.60A로 제한된다.

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Fig. 4-10 Fault current limiting characteristics of the resistive-type SFCL

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B. 고속 한류기

1. 실험 방법

고속 스위칭형 한류기와 비교하기 위해 앞서 저항형 초전도 한류기의 전압증가 와 사고유형별 사고전류 제한특성 실험을 실시하였다. 고속 스위칭형 한류기는 저 항형 초전도 한류기의 초전도체가 부담하는 전력을 저감시키기 위해 제안되었다.

그림 4-11은 고속 한류기의 실험 회로도를 나타낸다. 정상시 저항형 초전도 한류 기와 같이 전류는 초전도상태의 초전도체를 손실없이 부하에 공급하게 된다. 이 때 fault switch를 통해 1, 2, 3선 지락사고를 모의하면 전류가 증가하다가 초전도 체의 퀜치에 의해 피크치가 제한된다. 동시에 CT가 사고전류를 감지하고 SCR control system이 고속 한류기를 동작시킨다. 고속 한류기의 접점 변경으로 정상선 로는 차단되고 사고전류는 우회하여 상전도체에 의해 제한된다. 고속 한류기의 사 고전류 제한특성과 이러한 특성을 분석하기 위해 전압 증가와 사고유형에 따른 실 험을 실시하였다.

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그림 4-11 고속 한류기의 실험 회로도

Fig. 4-11 Experimental circuit diagram of high-speed fault current limiter

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2. 전압 증가 및 사고 유형별 사고전류 제한특성

그림 4-12는 160V 인가시 1선 지락사고를 모의할 경우 사고전류 제한특성을 나 타낸다. 정상시 부하에 공급되는 전류는 2.67A이다. 이 때 fault switch를 통해 1선 지락사고를 모의하였다. 초전도체의 퀜치로 인해 제한된 피크전류는 40.05A이다.

이후 고속 스위칭이 이루어 지고 선로변경을 통해 사고전류는 상전도체에 의해 11.2A로 제한되었다. 그림 4-13은 200V 인가시 고속 한류기 적용시 사고전류 제한 특성을 나타낸다. 정상시 전류는 3.17A로 부하에 안정적으로 공급된다. 1선 지락 사고를 모의하게 될 경우 전류가 증가하다 초전도체에 의해 41.34A로 피크치가 제 한된다. 이후 고속 스위칭으로 선로가 변경되고 상전도체에 의해 사고전류는 13.97A로 제한된다. 그림 4-14는 240V 인가시 사고전류 제한특성을 보여준다. 정 상전류는 3.94A로 부하에 공급된다. 1선 지락사고 모의시 전류는 급증하고 퀜치에 의해 사고전류의 피크치가 제한되며 42.21A 이다. 이후 고속 한류기의 스위칭으로 사고전류는 16.97A로 제한되었다. 1선 지락사고를 모의할 경우 전압이 증가함에 따라 제한율은 각각 72.44, 66.20, 59.97%로 저항형 초전도 한류기에 비해 낮게 나 타났다. 하지만 고속 한류기의 경우 사고전류를 제한하는 상전도체의 임피던스값 의 조정이 유연하기 때문에 개선이 가능하다.

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Fig. 4-12 Fault current limiting characteristics of a high-speed FCL (applied voltage : 160V)

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그림 4-15는 2선 지락 사고를 모의할 경우 160V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상상태의 경우 전류는 R, S상 각각 2.64, 2.47A가 흐르는 것을 확인 할 수 있다. 이 때 사고를 발생시키면 S상의 퀜치가 R상보다 조금 빨리 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 저항형 초전도 한류기의 사고전류 제한특성에서 설명 한 바 있으므로 생략하도록 한다. 사고가 발생되면 초전도체 퀜치에 의해 사고전 류를 39.67, 46.67A으로 피크치가 제한된다. 이후 스위칭 동작으로 선로가 변경된 다. 사고전류는 변경된 선로의 상전도체에 의해 각각 10.78, 10.26A로 제한되어 흐 른다. 그림 4-16은 200V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상전류는 R, S 상 각각 3.44, 3.33A로 부하에 공급된다. 2선 지락사고를 모의할 경우 전류가 급증 하고 동시에 초전도체가 퀜치된다. 사고전류는 41.59, 47.83A로 피크치가 제한되며 스위칭 동작을 통해 상전도체가 13.81, 13.23A로 사고전류를 제한한다. 그림 4-17 은 240V 인가시 사고전류 제한특성을 보여준다. 정상시 부하에 공급되는 전류는 R, S상 각각 4.14, 3.75A로 흐른다. 사고 스위치를 통해 사고를 발생시킬 경우 사 고전류는 42.07, 48.24A로 퀜치에 의해 피크치가 제한되었다. 이 후 스위칭 작용으 로 선로가 변경되고 상전도체가 사고전류를 19.56, 18.42A로 제한하였다. 2선 지락 사고의 경우 전압이 증가함에 따라 사고전류 제한율은 160V 인가시 R, S상 각각 72.82, 78.01%이고 200V 인가시 R, S상은 각각 66.79, 72.33%으로 나타났다. 240V 인가시 제한율은 R, S상 각각 59.73, 66.54%으로 저항형 초전도 한류기에 비해 제 한율이 떨어지는 것으로 나타났다. 하지만 앞서 설명한 바와 같이 상전도체 임피 던스의 조정으로 개선이 가능할 것으로 보인다.

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고속 한류기를 적용할 경우 3선 지락 사고시 사고전류 제한특성 실험을 실시하 였다. 그림 4-18은 160V 인가시 사고전류 제한특성을 보여준다. 정상상태의 경우 R, S, T상 각각 2.54, 2.46, 2.54A로 전류가 부하에 공급된다. 이 때 fault switch를 통해 사고를 발생시킬 경우 전류가 급증하고 초전도체 퀜치가 발생한다. 사고전류 는 퀜치가 발생함에 따라 피크치가 40.31, 46.64, 46.93A로 제한된다. 이후 고속 한 류기가 스위칭 되면서 선로가 변경된다. 사고전류는 변경된 선로를 통해 R, S, T 상 각각 10.91, 10.22, 10.77A로 상전도체에 의해 제한된다. 그림 4-19는 200V 인가 시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정상시 전류는 R, S, T상 각각 3.29, 3.24, 3.15A가 부하로 공급된다. 사고가 발생하게 되면 사고전류 피크치가 41.05, 47.26, 48.22A로 제한되며 스위칭 동작으로 인해 상전도체가 사고전류를 13.55, 13.31, 13.69A로 제한한다. 그림 4-20은 240V 인가시 사고전류 제한특성을 나타낸다. 정 상전류는 R, S, T상 각각 4.27, 3.63, 3.95A로 흐르다 사고를 발생시킬 경우 41.93, 47.59, 48.04A로 피크치가 제한된다. 이후 고속 한류기의 스위칭 작용으로 16.97, 16.30, 17.18A로 사고전류가 저감되는 것을 확인할 수 있다. 3선 지락사고 모의시 160V의 전압을 인가했을 경우 제한율은 R, S, T상 각각 72.93, 78.08, 77.05%이고 200V의 경우 66.99, 71.83, 71.60%으로 나타났다. 240V의 전압을 인가한 경우는 59.52, 65.74, 64.23%으로 전압이 증가함에 따라 제한율이 감소되는 것을 알 수 있 었다.

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C. 초전도소자의 전력부담 비교

1) 저항형 초전도 한류기의 전력부담 특성

본 논문은 저항형 초전도 한류기에서 초전도소자의 전력부담 문제를 개선하고자 고속 한류기를 제안하였다. 위의 실험 데이터를 통해 저항형 초전도 한류기의 사 고전류 제한특성을 파악하였다. 전력부담 실험의 경우 320V를 인가하여 사고발생 시 초전도체가 받는 전력부담을 분석하였다. 그림 4-21은 1선 지락 사고시 초전도 체의 소비전력을 나타낸다. 사고발생시 초전도체의 소비전력은 퀜치시 3279.48W로 나타났다. 이후 초전도체의 임피던스 상승으로 인해 전력이 감소하지만 약 70msec 동안 전력소비가 지속적으로 이뤄지는 것을 데이터를 통해 확인할 수 있다. 그림 4-22는 2선 지락 사고시 초전도체의 소비전력을 나타낸다. 1선 지락사고와 마찬가 지로 사고발생시 초전도체의 퀜치가 발생한다. 이때 초전도체의 소비전력은 R, S 상 각각 3241.07, 3236.23W로 나타났으며 약 70msec 동안 임피던스 상승에 따라 지속적으로 감소함을 알 수 있다. 그림 4-23은 3선 지락 사고시 초전도체의 소비 전력을 나타낸다. 초전도체가 퀜치시 소비전력은 R, S, T상 각각 3207.03, 3300.78, 2485.59W로 나타났다. 이후 소비전력은 점점 감소하지만 70msec 동안 지속적으로 전력부담이 이뤄지는 것을 알 수 있다. 저항형 초전도체의 경우 사고발생시 사고 전류를 빠르게 제한할 수 있는 장점이 있으나 지속적인 전력 부담으로 인해 열화 현상이 발생하여 초전도성이 깨질 수 있는 가능성이 농후하다.

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그림 4-21 1선 지락 사고시 초전도체의 소비전력

Fig. 4-21 The power consumption of superconducting element during the single line-to-ground fault

Fig. 4-22 The power consumption of superconducting element during the double line-to-ground fault

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Fig. 4-23 The power consumption of superconducting element during the triple line-to-ground fault

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2) 고속 한류기의 전력부담 특성

앞 절에서 살펴본 저항형 초전도 한류기의 사고유형별 소비전력 특성실험을 통해 지속적인 사고전류 제한에 따라 초전도체에서 열화의 가능성이 있을 것으로 판단 하였다. 따라서 초전도체의 전력부담을 줄이기 위해 고속 한류기를 제안하였다. 고 속 한류기는 초기 사고의 피크전류를 줄여주고 선로변경을 통해 상전도체로 사고 전류를 제한함으로써 초전도체가 받는 전력부담을 줄일 수 있었다. 그림 4-24는 1 선 지락사고시 초전도체의 소비전력을 나타낸다. 사고발생시 초전도체가 퀜치되면 서 소비전력은 3260.61W 까지 상승하고 약 6msec 동안 전력소비가 발생한다. 그 림 4-25는 2선 지락사고시 초전도체의 소비전력을 나타낸다. 사고를 모의할 때 6msec 동안 R, S상 각각 3318.51, 3405.62W 까지 상승하였고 이후 고속 한류기의 스위칭 동작에 따라 상전도체가 사고전류를 제한함으로써 초전도체의 전력부담이 생기지 않게 된다. 그림 4-26은 3선 지락사고시 초전도체의 소비전력을 보여준다.

1, 2선 지락사고와 마찬가지로 6msec 동안 R, S, T상 각각 3234.37, 3300.78, 2186.52W 까지 상승하였고 이후 고속 한류기의 스위칭 동작을 통해 전력소비가 이뤄지지 않음을 데이터를 통해 확인할 수 있다.

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Fig. 4-24 The power consumption of superconducting element during the single line-to-ground fault

Fig. 4-25 The power consumption of superconducting element during

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Fig. 4-26 The power consumption of superconducting element during the triple line-to-ground fault

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Ⅴ. 결 론

국내의 전력수요의 대부분은 수도권 지역에 밀집되어 있기 때문에 발·변전 설비 또한 집중되어 있다. 전력수요는 지속적으로 증가하는 반면 전력설비의 증설이 제 한됨에 따라 전력공급의 문제가 발생한다. 따라서 송·배전설로의 증설과 공급신뢰 도를 향상시키기 위한 방식으로 전력계통과 전력계통을 연계하는 망상방식을 채택 하여 운용되고 있다. 하지만 계통이 연계됨에 따라 임피던스가 감소하고 고장 발 생시 대전류가 흐르게 되어 사고를 유발하게 된다. 전력계통에는 보호설비가 설치 되어 있지만 증가하는 설비와 전력계통의 연계로 인해 정격차단용량이 초과되었 다. 또한 전력계통의 내·외적 사고발생시 차단기의 오작동과 전력기기의 파손으로 이어지며 나아가 고장범위가 확대되는 문제가 발생하게 된다. 이에 따라 사고전류 저감을 위한 방안으로 다양한 기술들이 제안되었다. 그 중 초전도한류기는 영저항 특성으로 인해 손실 없이 전류를 도통시키며 사고발생시 임피던스가 상승하여 사 고전류를 저감시키는 장점을 가진다. 하지만 초전도체의 내구성과 용량증대와 같 이 해결해야 할 문제가 많이 남아있다. 본 논문은 초전도한류기의 장점유지와 문 제점을 개선할 수 있는 고속 한류기를 제안하였다. 전력계통에 고장이 발생하면 초전도체를 통해 사고전류의 피크치를 제한하고 고속 한류기의 기계적 접점을 동 작시켜 선로를 변경시키는 구조이다. 변경된 선로에는 상전도체를 삽입하여 사고 전류를 제한시키며 전력계통의 용량에 따라 상시 상전도체의 임피던스값을 조정할 수 있는 장점을 갖는다. 실험을 통해 기존 연구된 저항형 초전도 한류기와 고속 한류기의 동작 특성을 분석하였다.

- 저항형 초전도 한류기의 동작 특성

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이내에 초전도체의 퀜치로 인해 빠른 사고전류 제한동작을 수행하였다. 또한 전압 증가와 1, 2, 3선 지락사고 모의시 80% 이상의 사고전류 제한 효과가 있는 것으로 나타났다. 하지만 초전도체는 내구성이 검증되지 않은 상태이며 사고발생기간 동 안 지속적으로 고장전류에 대한 부담을 가지고 있기 때문에 열화에 따른 초전도성 이 깨질 가능성이 크다.

-고속 한류기의 동작 특성

고속 한류기의 경우 기계적 접점으로 선로를 변경하여 사고전류를 우회하는 방식 이다. 사고발생시 2ms 이내 초기 피크전류는 초전도체가 제한하며 선로변경을 통 해 상전도체가 사고전류를 부담하게 된다. 상전도체의 사고전류 제한율은 60% 이 상이며 저항형 초전도 한류기보다 다소 낮은 제한율을 보인다. 하지만 기계적 접 점을 이용한 동작을 통해 안정적으로 사고전류를 제한할 수 있다. 또한 계통의 용 량에 따라 상전도체의 임피던스를 자유로이 조절할 수 있는 장점을 갖는다.

- 초전도체의 전력부담 비교

저항형 초전도 한류기와 고속 한류기의 초전도체가 받는 전력부담을 비교한 결과 저항형 초전도 한류기의 경우 사고전류를 72.56ms 동안 지속적으로 부담하며 전력 소비가 이루어졌다. 반면 고속 한류기의 경우 6.61ms 동안 초기 사고전류만을 부 담하며 안정적인 스위칭을 통해 선로가 변경되어 사고전류가 우회하기 때문에 전 력소비가 이루어지지 않음을 확인하였다.

실험 결과 고속 한류기를 적용한 경우 초기 사고전류는 저항형 초전도 한류기와 동일한 효과를 얻는 것으로 확인되었다. 하지만 선로변경을 통해 상전도체가 사고 전류를 부담하면서 제한율이 보다 낮아지는 것을 확인하였다. 상전도체의 경우 초

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전도체와 같이 냉각설비가 필요하지 않기 때문에 계통 상황에 맞는 임피던스값으 로 설정할 경우 사고전류 제한율이 상승할 것으로 사료되며 개선된 효과를 얻기 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것이다.

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참 고 문 헌

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초전도 한류기의 전력부담 저감 방안 연구

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任 仁 圭

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任 仁 圭

任仁圭의 碩士學位 論文을 認准함.

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