Current Limiting Characteristics of SFCL applied into a Neutral Line of Main Transformer in a Distribution Power System

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배전계통 주변압기 중성선에 초전도 한류기 적용에 따른 고장전류 제한 특성

임성훈^*, 유일경^*, 김진석^*, 김명후^*, 문종필^*, 김재철^*, 이상봉^**, 김철환^**, 현옥배^***

숭실대학교^*, 성균관대학교^**, 전력연구원^***

Current Limiting Characteristics of SFCL applied into a Neutral Line of Main Transformer in a Distribution Power System

Sung-Hun Lim^*, IL-Kyung Yu^*, Jin-Seok Kim^*, Myoung-Hoo Kim^*, Jong-Fil Moon^*, Jae-Chul Kim^*, Sang-Bong Rhee^**, Chul-Hwan Kim^**, and Ok-Bae Hyun^***

Soongsil University^*, Sungkyunkwan University^**, KEPRI^***

구성요소 사 양 비 고

초전도한류기 IC : 20 [A], TC : 87 [K] 박막형 선로 1 + j [

^Ω

] 임피던스

부하 40 [

^Ω

] 임피던스

Abstract

- 본 논문에서는 배전계통 주변압기 중성선에 초전도 한류기 를 적용할 경우 고장전류 제한 및 회복특성에 대해 분석하였다. 배전계 통에 초전도한류기 적용위치에 따라 초전도한류기의 부담이 다르게 되 며, 이에 따라 고장전류 제한효과를 포함한 건전선로에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다. 배전계통내에 초전도한류기의 다양한 적용위치중 에서 주변압기 중성선에 초전도한류기를 적용할 경우 보다 빈번하게 발 생하는 비대칭사고에 대해 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있음을 모 의실험을 통해 분석하였다. 이와 더불어 고장제거시 초전도한류기의 회 복특성에서도 선로 각 상에 초전도한류기를 적용할 경우보다 중성선에 적용할 경우에 회복시간이 크게 감소되는 것을 모의실험을 통해 비교할 수 있었다.

1. 서 론

지속적인 전력수요증가는 전력공급 설비의 증가를 요구하여 왔으며 이 로 인한 계통의 단락전류가 증가되어 계통에 설치된 차단기의 용량초과 로 이들의 교체에 따른 비용상승이 예상되어 보다 효과적인 대안을 찾 는 노력이 지속되어 왔다. 이와 같은 노력에 부응하여 초전도 한류기를 적용하여 고장전류를 감소시키기 위한 방안들과 함께 다양한 초전도한 류기모델들이 개발되어 왔다. 최근 들어서는 분산전원증가와 함께 배전 계통 주변압기의 대용량변압기로 교체에 따른 단락전류 증가가 보다 적 극적으로 초전도한류기를 실계통에 적용하기 위한 연구와 함께 계통영 향 평가와 계통적용에 관한 연구들이 진행되고 있다 [1-2].

특히, 배전계통이 대용량됨에 따라 고장전류 증가를 저감하기 위한 목 적으로 초전도한류기를 적용하기 위해서는 초전도 한류기 적용위치에 따른 고장전류 저감효과에 대한 분석과 배전계통에 설치된 기존 보호기 기와의 보호협조를 향상시키기 위한 방안을 모색할 필요가 있다..

본 논문에서는 배전계통에 보다 효과적인 초전도 한류기의 적용위치로 배전계통 주변압기 중성선에 설치할 경우 고장전류제한 및 회복특성에 대해 분석하였다. 이를 위해 모의배전계통을 구성한 모의단락실험을 통 해 배전계통 주변압기 중성선에 설치된 초전도한류기의 부담과 고장발 생과 제거에 따른 전류제한 및 회복특성에 대해 분석하였고 분석을 통 해 선로의 각 상에 초전도한류기를 설치할 경우와 비교하여 장단점을 기술하였다.

2. 본 론 2.1 모의배전계통 구성

배전계통 주변압기 중성선에 초전도한류기적용에 따른 고장전류 제한 및 회복특성에 대한 분석을 위한 모의배전계통을 구성하였으며, 각 피더 회로구성은 변압기 2차측으로부터 분기되어 선로 임피던스, 부하로 구성 하였다. 고장을 모의하기 위한 피더단의 선로 각 상에 초전도한류기를 설치한 경우와 주변압기 2차측 중성선에 초전도한류기를 설치한 경우의 회로구성을 그림 1에 각각 도시하였으며, 전원투입을 위한 스위치와 단 락을 모의하기 위한 스위치를 동작시켜 각각의 설치위치에 대해 단락을 모의하였다.

<그림 1> 모의배전계통 개략도 2.2 실험 및 결과 분석

구성한 모의배전계통의 선로의 각 상에 초전도한류기를 설치한 경우 와 주변압기 중성선에 초전도한류기를 설치한 경우의 고장종류에 따른 전류제한특성에 대해 분석하였다. 실험에 사용한 초전도한류기를 포함한 선로임피던스 및 부하사양을 표 1에 나타내었으며. 비교를 위해 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우 구성한 모의배전계통에 1선지락과 2선 지락 고장을 5주기동안 각각 모의하였다.

<표 1> 초전도한류기, 선로임피던스, 부하 사양

그림 2와 3은 선로의 각 상에 초전도한류기를 설치한 경우 일선지락 및 이선지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형을 보여준다. 고장발생과 동시에 고장상에 해당되는 선로전류가 초전도한류기의 신속한 퀜치발생 으로 반주기이내에 제한되는 것을 확인할 수 있으며 고장제거와 동시에 고장상에 해당되는 부하전압은 평상시전압으로 서서히 회복되기까지 일 정시간이 필요한 것을 관찰할 수 있다. 이는 고장선로에 설치된 초전도 한류기가 고장제거시 초전도상태로 회복되기까지 지연된 결과로 초전도 한류기의 회복시간을 감소시키기 위한 방안이 마련될 필요가 있음을 확 인할 수 있다.

본 논문에서 제안한 배전계통주변압기 2차측 중성선에 초전도한류기 를 적용한 경우 일선지락과 이선지락고장발생시 부하전압과 선로전류 파형을 그림 4와 5에 나타내었다. 고장발생과 동시에 고장상에 해당되는 선로전류가 초전도한류기의 신속한 퀜치발생으로 반주기이내에 제한되 는 것을 확인할 수 있으며 고장제거와 동시에 고장상에 부하전압 또한 평상시 전압으로 신속히 회복되는 것을 관찰할 수 있다. 선로의 각상에 초전도한류기를 설치한 경우와 달리 중성선에 초전도한류기를 설치한 경우에는 일선지락 또는 이선지락과 같은 비대칭고장시 비대칭성분의 고장전류가 흐르게 되지만 고장이 제거됨과 동시에 중성선에는 전류가 흐르지 않게 되므로 고장제거와 동시에 회복특성 또한 향상시킬 수 있 음을 분석할 수 있다. 반면에, 고장기간동안에 건전상의 부하전압이 상 승되는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 초전도한류기의 임피던스발생으로 중성선에 흐르는 전류가 제한됨에 따라 건전상전류의 증가로 인해 건전 상 부하전압이 상승하게 되는 것을 부하전압과 선로전류로부터 분석할 수 있다.

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

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-300 -150 0 150 300

80 120 160 200 240 280

-25 0 25 50

v^c_L v^b_L

v^a_L (a)

Voltage [V]

fault period

Current [A] _i

i_b c i_a

(b)

Time [ms]

<그림 2> 일선지락고장시 부하전압 및 선로전류 파형 (선로의 각 상에 초전도한류기 설치한 경우)

-300 -150 0 150 300

80 120 160 200 240 280

-30 0 30 60

v^c_L v^b_L

v^a_L (a)

Voltage [V]

fault period

Current [A] i_ci_b i_a

(b)

Time [ms]

<그림 3> 이선지락고장시 부하전압 및 선로전류 파형 (선로의 각 상에 초전도한류기 설치한 경우)

-300 -150 0 150 300

80 120 160 200 240 280

-25 0 25 50

v^c_L v^b_L

v^a_L (a)

Voltage [V]

fault period

i_c i_b i_a

(b)

Current [A]

Time [ms]

<그림 4> 일선지락고장시 부하전압 및 선로전류 파형 (주변압기 중성선에 초전도한류기 설치한 경우)

주변압기 2차측 중성선에 초전도한류기를 설치한 경우 일선지락과 이 선지락시 초전도한류기에 흐르는 전류와 퀜치로 인한 초전도한류기의 저항발생곡선을 그림 6에 도시하였다. 일반적으로 일선지락시 비대칭전 류성분이 이선지락시 비대칭전류성분보다 크게 나타나기 때문에 중성선 에 설치된 초전도한류기의 퀜치로 인한 저항발생이 일선지락시 보다 크 게 증가하고 있는 것을 볼 수 있다.

본 논문에서 분석한 바와 같이 배전계통 주변압기 2차측 중성선에 초 전도한류기를 설치할 경우 배전계통내 다른 곳에 초전도한류기를 설치

할 경우보다 고장전류제한과 고장제거후 초전도한류기의 회복측면에서 유리한 특징을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 고장전류로부터 초전도한류기 자체의 부담감소와 함께 중성선에 하나의 초전도한류기만 을 설치 운영하면 되기때문에 고장이 빈번한 비대칭고장으로부터 효율 적이고 경제적인 측면에서도 유리함을 분석할 수 있다.

-300 -150 0 150 300

80 120 160 200 240 280

-120 -60 0 60 120

fault period v^c_L

v^b_L

v^a_L (a)

Voltage [V]Current [A]

i_c i_b

i_a (b)

Time [ms]

<그림 5> 이선지락고장시 부하전압 및 선로전류 파형 (주변압기 중성선에 초전도한류기 설치한 경우)

80 100 120 140 160 180 200

-60 -30 0 30 60

0 30 60 90 120

R_DLG R_SLG i_DLG

i_SLG

Resistance

[

Ω

]

Current [A]

Time [ms]

fault period

<그림 6> 주변압기 중성선에 초전도한류기 설치한 경우 고장발생시 중성선 전류 및 초전도한류기 저항변화 곡선

3. 결 론

본 논문에서는 배전계통내에서 보다 고장발생확률이 높은 비대칭단락 고장으로부터 효과적인 전류저감을 위한 방안으로 배전계통 주변압기 2 차측 중성선에 초전도한류기를 적용하는 방안에 대해 분석하였다. 이를 위해 모의배전계통선로를 구성하여 주변압기 2차측 중성선에 초전도한 류기를 설치하여 일선지락과 이선지락고장발생시 고장전류의 제한효과 와 고장제거에 따른 초전도한류기의 회복에 대해 분석하였다.

실험결과에 대한 분석을 통해 고장전류제한과 고장제거후 초전도한류 기의 회복측면에서 보다 유리함을 확인할 수 있었고, 고장전류로부터 초 전도한류기 자체의 부담감소와 함께 중성선에 하나의 초전도한류기만을 설치 운영함에 따라 경제적인 측면에서도 유리함을 분석할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 21세기프론티어 연구개발사업인 차세대초전도응용기술개발 사업단의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

[참 고 문 헌]

[1] C. Neumann, "Superconducting fault current limiter (SFCL) in the medium and high voltage grid", Power Engineering

Society General Meeting, 2006.

[2] L. Ye, M. Majoros, T. Coombs and A. M. Campbell, "System studies of the superconducting fault current limiter in electrical distribution grids",

IEEE Trans. Appl.

Supercond., vol. 17, no. 2, pp. 2339-242, 2007.