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EMTP를 이용한 재폐로부 과전류계전기 모델링
임경섭, 성노규, 여상민, 김철환 성균관대학교
The Modeling of Overcurrent Relay with Reclosing using EMTP
Kyung-Sub Lim, No-Kyu Seong, Sang-Min Yeo, Chul-Hwan Kim SungKyunKwan University
Abstract
- 계전기는 1930년대에 처음 개발되어 지금까지 수많은 발전 을 거치며 전력계통의 과도현상을 효과적으로 차단해왔다. 이러한 계전 기의 종류에는 많은 종류가 있으며 본 논문에서는 배전선로 보호에 주 로 쓰이는 재폐로부 과전류계전기에 대한 연구를 수행하였다. 배전계통 에 사용하는 과전류계전기는 이상전류가 발생할 경우 순시특성과 한시 특성을 이용하여 계통을 차단하지만 고장검출시간은 비교적 짧은 편이 다. 이런 현상은 짧은 시간 안에 발생하는 이상전류에 대해서도 계통을 정전상태로 만들기 때문에 효율적이지 못하다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 재폐로부 과전류계전기가 개발되어 재폐로의 특징을 이용해 좀 더 긴 고장검출 시간을 확보하여 계통의 불필요한 정전을 방지하고 있다. 본 연구에서는 재폐로부 과전류계전기를 EMTP를 이용하여 모델 링하고 계전기 동작을 검증하였으며 또한 EMTP를 이용하여 모델링된 배전계통에 적용시켜 모의결과를 분석하였다.1. 서 론
전력계통에서는 발전소, 변전소, 송전선로, 배전선로 및 부하가 유기적 으로 밀접하게 연계되어 있기 때문에 전력의 발생과 소비가 항상 평형 을 유지해야 한다. 이와 같이 전력계통의 안정된 운영을 위해서는 제어 장치, 통신설비장치 및 보호계전장치가 필요하다. 이중 보호계전장치는 필수적으로 갖추어야 할 설비이다. 보호계전기의 보호대상은 발전기, 변 압기, 선로 및 부하 등이며 보호계전기의 동작으로 계통에서 발생하는 개폐서지나 낙뢰와 같은 이상전압에 의한 절연파괴 방지, 설비의 과부하 에 의한 설비 소손과 열화를 방지한다[1]. 이러한 보호계전기 중 과전류 계전기는 배전계통을 보호하는 주요한 계전기로 주로 방사형 구조를 가 지는 우리나라의 배전계통에서 방향성을 가지지 않더라도 쉽게 계통에 적용하여 효과를 얻을 수 있는 계전기로 과전류계전기에 자동재폐로 기 능을 추가하여 만든 것이 재폐로부 과전류계전기이다. 이것은 기기 또는 선로의 단락, 과부하, 지락고장전류를 검출하여 회로를 차단하고 자동재 폐로를 수행하는데 사용하고 있다[2]. 따라서 재폐로부 과전류계전기의 오동작이나 작동불량 등은 배전계통에서 심각한 손실을 가져올 수 있는 요소이다. 따라서 재폐로부 과전류의 동작오차에 대한 분석과 계전기의 성능 검증이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 재폐로부 과전류계전기를 모델링 하여 동작을 분석하였다.
2. 재폐로부 과전류계전기
2.1 재폐로부 과전류계전기의 특성
과전류계전기는 기준에 따라 정해놓은 정정치 이상의 과전류가 계통 에서 감지될 경우 회로를 차단하도록 전류를 감시하고 차단기에 트립신 호를 보내주는 기기로써 계통을 즉시 차단할 수 있는 순시특성과 전류 의 크기에 따라 차단시간을 조정할 수 있는 한시특성을 모두 가져야한 다. 다음 식 1은 한시특성에 의한 트립지연시간 계산식이다.
(1)여기서,
- , : 계전기 특성상수 -
: 계전기 특성곡선지수 -
: 정정치-
: 시간정정치 - : 고장전류이러한 과전류 계전기에 자동재폐로 기능을 추가한 것이 재폐로부 과 전류계전기로 재폐로 횟수는 2회 또는 3회의 재폐로 기능을 수행할 수
있도록 설계되어야 한다. 한전의 배전계통에서는 주로 2회의 재폐로 동 작을 수행한다. 다음 그림 1에 재폐로부 과전류계전기의 자동재폐로 시 간특성을 나타내었다.
<그림 1> 자동재폐로 동작시간
그림 1에서와 같이 재폐로부 과전류계전기는 과전류가 발생하여 순시 차단을 수행하며 0.5초 후에 1차로 재폐로하여 계통에 과전류 여부를 검 출하고 만약 과전류가 제거되지 않았다면 한시특성을 이용하여 계통을 차단한다. 1차 재폐로가 수행되고, 15초 후에 2차 재폐로가 수행되며 2 차 재폐로가 수행되고, 45초 후 3차재폐로가 수행된다. 3차 재폐로 후 고장이 제거되지 않았다면 Lock out 된다.
2.2 재폐로부 과전류계전기 모델링
2.1절에서 언급한 순시 및 한시 특성과 재폐로 동작 특성을 토대로 EMTP의 MODELS를 이용하여 재폐로부 과전류계전기를 모델링 하였 다. 순시 및 한시특성을 모두 가지도록 모델링 하였으며 자동재폐로 수 행 후 다시 계통을 차단하는 시간은 한시특성을 이용하여 수행하도록 모델링 하였다. 모델링 한 계전기의 성능 검증을 위해 배전계통 모델에 서 고장을 발생시켜 검증하였으며 다음 그림 2에서 검증을 위해 이용한 배전계통을 나타내었다.
<그림 2> 모의 계통
모의한 계통 모델은 X-Y, X-Z 구간으로 시작 구간의 약 1.5[km] 길 이의 2단장주 구간으로 구성되어 중성선을 공유하고 있다. 이후 2단장주 구간을 지나 2개의 배전선로로 분기된다. 변전소로부터 22.9[kV]를 공급 받아 각기 상단의 13개소 부하와 하단의 11개소 부하에 전력을 공급하 며 총 유효부하는 28.6[MW], 총 무효부하는 13.9[Mvar]이다. 중성선과 가공지선의 모델링을 위해 EMTP 내의 LCC(Line/Cable Constant)소자 를 이용하여 물리적인 중성선과 가공지선, 전력선을 표현하였다[3]. 이러 한 계통에서 X-Y 배전선로에서 전원으로부터 약 6[km] 떨어진 지점에 서 A상 1선지락 고장을 모의하였다.
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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고장발생 고장제거 공통조건
Case 1 1[s] 1.2[s]
고장지점동일 (그림 2) 모의시간 : 18초 고장종류 : 1선지락 재폐로 횟수 : 2회 Case 2 1[s] 5[s]
Case 3 1[s] 17.5[s]
한시특성 계전기 특성 상수 정상전류
[RMS] 정정치 고장전류 [RMS]
반한시 39.85 1.95 1.084
66[A] 100[A] 614[A]
강반한시 0.11 0.02 0.42
3. 시험 및 결과 분석
3.1 모의 조건
모델링 된 계전기의 성능 검증을 위한 모의를 위한 모의조건을 다음 표 1에 나타내었다.
<표 1> 재폐로부 과전류계전기 동작 모의 조건
다음 표 2는 모델링 한 재폐로부 과전류계전기의 정정치와 한시특성, 고장전류에 대해 나타낸 것이다. 계전기 특성상수 K, a, C의 값은 한국 전력공사 표준규격이며 계전기의 정정치는 정상전류의 1.5배인 100으로 설정하였다.
<표 2> 계전기 정정치와 한시특성 및 고장 전류
3.2 Case study
① Case 1고장은 1초∼1.2초로 0.2초간 지속되므로 순시차단 후 1차 재폐로 동 작을 하기 전에 고장이 제거된다. 따라서 1차 재폐로 시 계전기는 계통 의 과전류가 제거되었음을 감지하고 계통에 정상적으로 전류를 흐르게 하며 2차 재폐로는 수행하지 않는다. 다음 그림 3에서 계통의 실효치 전 류 변화와 계전기의 신호를 나타내었다. 계통이 정상상태일 때 계전기는 0의 신호를 출력하며 과전류가 흘러 트립신호를 보낼 때는 1의 신호를 출력하도록 설계하였다.
<그림 3> Case 1의 RMS 전류
② Case 2고장은 1초∼5초로 4초간 지속된다. 따라서 순시차단 후 0.5초 후인 1 차 재폐로 동작 시에도 정정치 이상의 과전류가 흐르기 때문에 다시 계 통을 전원으로부터 차단한다. 이때, 차단하는 시간은 계전기의 한시특성 을 이용하여 차단하기 때문에 순시차단보다 긴 시간지연을 가진 후 차 단하게 된다. 여기서, 한시특성은 반한시 특성을 이용하였으며 고장전류 와 정정치, 반하시 특성 상수를 이용하여 식(1)에 대입하면 1.263초의 한 시 차단 지연 시간을 얻을 수 있으며, 모의 하여 얻은 측정결과와 동일 함을 확인하였다. 2차 재폐로 시 고장은 제거된 상태이므로 계통에 정상 적으로 전류를 흐르게 한다. 이것을 다음 그림 4에서 나타내고 있다.
<그림 4> Case 2의 RMS 전류
③ Case 3고장시간이 16.5초로 순시차단 후 1차 재폐로 수행 시와 2차 재폐로 수행 시 고장이 제거되지 않은 상태이다. 따라서 모든 재폐로 수행 시간 에 고장이 지속되고 있으므로 계전기는 모든 재폐로 수행에서 차단기에 트립신호를 보낸다. 이에 따른 한시차단 시간은 Case 2와 동일하였다.
또한 본 연구에서는 재폐로 횟수를 2회로 설정하였으므로 2차 재폐로 시에도 고장이 제거되어있지 않으면 영구고장으로 판별하여 계통을 정 전시킨다. 다음 그림 6에서 Case 3 모의 시 전류파형을 나타내었다.
<그림 6> Case 3의 전류 파형 4. 결 론
배전계통은 복잡하고 유기적인 구조를 가졌기 때문에 사고에 의한 불 필요한 정전을 최소화 할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 EMTP의 MODELS를 사용하여 한국전력공사 표준 규격에 따라 재폐로부 과전류 계전기를 모델링 하고 모의 배전계통에서 성능을 검증하였다. 검증 결과 모델링 된 재폐로부 과전류계전기는 과전류에 대한 자동재폐로 동작을 충실히 수행하였으며 모델링에 고려된 한시특성에 따라 계통 재 차단 시간도 한국전력공사의 규정과 일치함을 확인하였다. 이를 이용하여 향 후 배전계통에서의 자동재폐로 시 발생하는 서지나 고조파에 의한 계통 의 영향과 재폐로부 과전류계전기로 고조파전류가 입력될 때 재폐로부 과전류계전기의 동작특성 및 오동작 여부를 분석함에 있어 활용도가 예 상된다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부의 지원에 의하여 기초전력연구원
(R-2007-2-055)주관으로 수행된 과제임
[참 고 문 헌]
[1] 김병철, “전력계통에서의 과전류계전기 보호협조에 관한 연구”, 홍익 대학교 대학원 석사학위 논문, page 2-3, 2005.
[2] 한국전력공사, “한전표준규격 ES 155-008 재폐로부 과전류 계전기”, 2006
[3] 성노규, 이명희, 이유진, 박건우, 이상봉, 김철환, “EMTP를 이용한 3 상 Converter의 점호각 변화에 따른 실 계통 영향 분석”, 대한전기 학회 추계학술대회, 2007.
