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1. 서 론
전력계통에서 빈번하게 발생하는 단락사고는 정격전류의 수십 배 이상의 큰 사고전류를 발생시킬 수 있기 때문에 지속될 경우 계통에 연결된 기기와 변압기, 버스 바 등이 손상을 입어 정전을 유발할 가능성이 있으므로 신속한 차단이 필요하다. 초전도 한류기는 초전도 특성을 이용하여 평상시에는 저항이 0으로 계통에 영향을 최소화할 수 있지만, 사고 시 빠르게 임의의 임피던스를 투입하여 사고전류를 낮출 수 있어 계통 안정성을 높이고 사고전류 차단을 원활하게 할 수 있다. 특히 최근에는, 사고전류 차단에 더 큰 부담을 받는 DC계통에 초전도 한류기를 도입하여 높은 차단용량을 갖는 차단시스템에 대한 연구가 많이 진행되고 있다 [1-6].
본 논문에서는 지난 연구에서 가설계된 정격 15 kV, 3 kA급 초전도 저항형 한류기 설계를 점증하기 위해 같은 초전도 선재를 사용하여 축소 모델인 정격 500 V급 저항형 한류 모듈을 제작하였다 [6]. 한류 모듈은 무유도성 코일 형태로 제작하여 유도성분을 최소화하여 모듈 자체에서 발생하는 자기장에 의한 초전도 선재의 성능저하를 최소화 하고자 하였다. 제작한 한류 모듈은 상용 DC 차단기와 연계하여 사고전류 크기를 변경하며 차단특성을 확인하였다.
실험결과를 통해 모의 단락사고시 한류기가 차단기에 주는 영향을 확인하였다.
2. 500 V 한류 모듈 제작
본 연구진의 지난 연구에서 DC 계통에 적용할 DC 저항형 한류기 설계를 위하여 여러가지 고온 초전도 선재의
단락회로시험을 진행하였으며, 단락시험 결과에 의하면 SuNAM사의 안정화층이 없는 선재가 150 V/m의 높은 전계에서도 높은 저항과 빠른 저항성장이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 실험결과를 이용하여 SuNAM의 12- mm 폭을 가지는 안정화층이 없는 2세대 고온초전도 선재를 사용한 15 kV, 3 kA급 DC 초전도 저항형 한류기 설계결과 선재 소요량은 789.5 m로 계산되었다. 본 논문에서는 도출된 설계 안을 검증하기 위해 동일한 공정으로 제작된 초전도
DC Superconducting fault current limiter characteristic test with a DC circuit breaker
Jooyeong Soa, Kyeongdal Choia, Ji-kwang Leeb, and Woo-Seok Kim*, a
a Korea Polytechnic University, Gyeonggi-do, Korea
b Woosuk University, Jeollabuk-do, Korea
(Received 14 May 2021; revised or reviewed 17 June 2021; accepted 18 June 2021)
Abstract
We have studied the breaking system that combines a resistive superconducting fault current limiter (SFCL) and a DC circuit breaker for DC fault current. To verify the design of the 15 kV DC SFCL, which was driven from the previous work, a 500 V DC system was built and a scale-down SFCL were manufactured. The manufactured SFCL module was designed as a bifilar coil which is a structure that minimizes inductive reactance. The manufactured SFCL module has been experiment to verify characteristics of the current-limiting performance in the DC 500 V system. Also, the manufactured FCL module was combined with the DC circuit breaker to be experimented to analyze the breaking performance. As a result of the experiment, when SFCL was combined to the DC circuit breaker, the energy dissipation received by the DC circuit breaker was reduced by up to 84% compared to when the DC circuit breaker operates alone. We are preparing methods and experiments for the optimal method for much higher performance as a future work.
Keywords: direct current circuit breaker, DC grid, SFCL, HTS
* Corresponding author: [email protected]
TABLEI
SPECIFICATIONS OF BIFILAR COIL TYPE FCL.
Parameter Value
Rated voltage 500 V
Rated current 50 A
Maximum Duration of Fault 16 ms
HTS Conductor SuNAM (SF) 4 mm
Critical Current 212 A
Electric field 100 V/m
Conductor Length 5 m
Fig. 1. The FCL module for 500 V class DC system.
선재를 사용하여 500 V급 소형 한류 모듈을 제작하고, DC 계통을 모사한 환경에서 축소 시험을 진행하고자 하였다.
사고전류의 크기는 실험회로에 흘러도 문제없는 수준인 500 A를 기준으로 설정했다. 사고전류 500 A로 제한되었으므로 12 mm 폭을 가지는 고온초전도 선재를 사용하는 경우 본 선재의 임계전류가 77 K 자기자장하에서 750 A 이상에 육박하여 임계전류가 너무 큰 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위하여, 기존의 12 mm 폭을 가지는 고온초전도 선재를 3분할하여 4 mm 선재로 제작하여 설계 후 모듈을 제작하였다. 분할된 4 mm선재의 임계전류는 77 K 자가지장 하에서 212 A이며
제작된 소형 한류 모듈의 사양을 Table I에 나타내었다.
설계 및 제작된 소형 한류 모듈의 모습을 Fig. 1에 나타내었다. 소형 한류 모듈은 무유도성 코일로 제작하여 사고시 발생하는 유도성 성분을 최소화했다. 무유도성 코일은 각 턴간 전류가 반대방향으로 흐르며 발생하는 자속을 상쇄시킨다. 하지만 저항형 한류기 특성상 사고시 한류 모듈의 양단에 전압이 인가되는데, 무유도성 코일형 한류 모듈은 입력단과 출력단이 인접하므로 다른 형태의 한류 모듈보다 절연에 취약한 문제가 있다. 따라서 각 턴간
절연을 보강하여 한류동작 시 절연파괴가 일어나지 않도록 했다. 또한 저항형 한류기는 사고 차단이후 초전도성을 회복하는데 시간이 소요된다. 사고 이후 한류 모듈의 회복시간을 줄이기위해 한류 모듈 보빈에 타공하여 냉매와의 접촉이 원활하도록 설계했다.
3. 500 V 저항형 한류 모듈 특성 시험
3.1. 모의 단락시험 시스템 제작
500 V 저항형 한류 모듈의 특성을 확인하기위한 DC 계통을 모사한 시스템을 제작했다. 시스템의 회로도를 Fig. 2 에 나타내었으며, 정상전류 및 사고전류를 공급하기 위한 12 V 배터리 63개를 이용한 배터리 뱅크의 모습을 Fig. 3에 나타내었다. 최대 전압은 756 V이고 500 V를 유지하며 전원을 공급한다. 정상상태에서 공급되는 전류는 50 A이며, 단락사고 시 사고저항의 크기를 1.0 Ω부터 0.1 Ω까지 바꾸며 사고전류를 500 A에서 5 kA까지 조정할 수 있다. 모의 단락
Fig. 2. Circuit of the test system.Fig. 3. The DC power supply.
Fig. 4. SFCL module in liquid nitrogen bath.
(a)
(b)
(c)
Fig. 5. Overcurrent test result for SuNAM's SF sample of which width is 4 mm (a) Current, (b) Enlarged Current, (c) Resistance.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 7. Breaking characteristics test result of Interlocking DC breaker and SFCL (a) fault resistance 1.0 Ω, (b) 0.6 Ω, (c) 0.3 Ω, (d) 0.1 Ω.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 6. Breaking characteristics test result of only DC breaker (a) fault resistance 1.0 Ω, (b) 0.6 Ω, (c) 0.3 Ω, (d) 0.1 Ω.
사고발생을 위한 다이오드와 SCR와 전압, 전류 모니터링시스템과 전류제어시스템 또한 구축하였다.
전류제어시스템은 사고시간을 60 ms에서 500 ms까지 조절할 수 있다. 다만 회로의 구성 부품 및 주 차단기의 손상을 방지하기 위해 1 kA이상의 사고전류를 발생시킬 때는 한류 모듈이나 별도의 차단장치를 설치해야된다. 본 시험에서는 제작된 고온초전도 한류 모듈을 대기압 하의 액체 질소에 침지냉각하여 시험하였으며, 시험중인 고온초전도 한류 모듈의 모습을 Fig. 4에 나타내었다.
3.2. 500 V 저항형 한류 모듈 특성
제작한 한류 모듈에 60 ms동안 사고 전류가 인가되는 경우를 상정하여 단락 사고 발생시 한류 모듈이 나타내는
특성을 확인하였다. 사고저항을 1.0 Ω부터 0.1 Ω까지 변경하면서 사고전류 크기에 따른 한류특성을 확인할 수
있었으며 실험결과를 Fig. 5에 나타내었다. 사고가 발생하고 사고 전류가 급격히 증가하지만 한류기는 빠르게 저항을 발생시켜 사고 전류를 제한하였다. 피크 사고전류는 사고저항이 1 Ω일 때 397 A부터 0.1 Ω일 때 497 A으로 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 한류기가 없을 때 나타나는 사고전류에 비교하여 낮은 값이다. 한류기가 발생하는 저항은 사고전류가 커질수록 빨라지는 것을 확인했다. 한류기가 3 Ω을 발생시키는 시간을 확인하면 사고저항이 1 Ω일 때 22.6 ms이고 사고저항이 0.1 Ω일 때 13.5 ms인 것을 확인할 수 있다. 사고가 더 길어지면 한류 모듈의 온도가 높아지며 영구적인 손상이 발생하거나 회복시간이 늘어나는 문제가 있다 [8]. 하지만 제작한 한류 모듈은 설계에서 정한 최대 한류지속시간인 16 ms를 훨씬 넘는 60 ms동안 사고전류가 흘러도 안정적으로 저항을 발생시키며 사고전류를 제한하는 것을 확인했다.
4. 차단기 연계 시험
DC 계통에서 사고전류 차단에 초전도 저항형 한류기의 유무에 따른 차단특성을 연구했다. 그림의 시험시스템에 DC
차단기를 추가하여 차단특성을 확인했다. 시험에 사용한 DC 차단기는 LS산전의 BK63H-DC25A이며 본 DC 차단기의 사양을 Table II에 나타내었다. 시험은 한류 모듈과 DC 차단기를 직렬로 연결하여 사고전류를 차단한 경우와 한류 모듈 없이 DC 차단기 단독으로 사고전류를 차단한 경우를 비교하여 분석하였으며 시험 결과를 Fig. 6, 7에 나타내었다.
DC 차단기의 용량은 10 kA로 충분히 크므로 사고전류를 무사히 차단한 것을 확인했다. 기대했던 바와 같이 DC 차단기에 초전도 한류기를 연결하였을 때 사고전류가 적절하게 제한되어 더 낮은 전류에서 차단이 이뤄졌다.
하지만 한류기와 연계할 때 차단시간은 소폭 증가하는 것을 확인했다. 이런 문제는 차단기의 차단방식이 열동전자식으로 순시트립전류를 넘는 사고전류가 발생하여도 그 이후 매우 빠르게 사고전류가 제한되어 트립장치가 제대로 동작하지 못한 것으로 확인된다.
한류기 유무에 따라서 DC 사고전류의 차단 시 차단기가 받는 소산 에너지를 확인하기위해 식 (1)을 사용하여 계산했다 [4, 7].
𝐸𝑑𝑖𝑠𝑠𝑖𝑝𝑎𝑡𝑒𝑑 = ∫ 𝑃 ⅆ𝑡 = ∫ 𝑉𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘𝑒𝑟𝐼𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘𝑒𝑟 (1)
식 (1)에서 𝑉
𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘𝑒𝑟는 DC차단기 양단에 인가되는 전압이며, 𝐼
𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘𝑒𝑟는 차단기에 흐르는 사고전류의 크기를 나타낸다. 시험결과에 따라 계산된 에너지의 변화를 Fig. 8에 나타내었다. 차단기 단독으로 차단 시 차단기가 받는 부담은 사고전류가 커질수록 늘어나는 반면 한류기와 연계할 때 차단기가 받는 부담은 거의 일정한 것을 확인할 수 있다. 특히 사고전류가 가장 크게 발생하는 사고저항이 0.1 Ω구간에서는 한류기 적용으로 차단 시간은 증가하였지만, 결과적으로 차단기가 받는 부담이 약 84% 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이러한 차단기의 부담저하는 차단 성공률의 상승 뿐 아니라 차단기의 내구수명 연장에 큰 도움을 줄 것으로 보인다. 다만 사고저항이 0.5, 0.6
Ω에서 에너지가 유달리 높은 것을 확인할 수 있다. 이 문제는 Fig 7 (b)에서 확인할 수 있듯이 차단이 빠르게 이뤄지지 않으며 차단시간이 늦어지면서 발생했다. 이 문제 역시 한류된 사고전류와 트립장치의 조합문제로 순시트립 동작이 제대로 이뤄지지 않으며 발생했다.
5. 결 론
본 논문에서는 500 V급 DC 초전도 저항형 한류 모듈을 제작하고 DC 차단기에 제작한 한류 모듈을 적용하는 연구를 진행했다. 제작한 한류 모듈은 50 ms가 넘는 사고에도 손상없이 사고전류를 제한했다. 그리고 DC 차단기가 사고전류를 차단할 때 제작한 한류 모듈을 연계할 때 차단기가 받는 부담이 최대 84% 줄어든 것을 확인했다.
하지만 한류 모듈의 매우 빠른 저항성장과 높은 저항으로 차단시간이 소폭 늘어나는 것을 확인했다. 이 결과는 차단기의 특성과 부조화로 생긴 문제이며, 문제를 해결하면 더 빠른 차단시간과 더 높은 부담저하를 달성할 수 있다. 향후 차단기 특성과 한류 모듈 특성을 분석한 최적의 조합을 탐색하는 방법에 대한 연구와 검증 실험을 진행할 예정이다.
ACKNOWLEDGMENT
Manuscript receipt and acceptance dates will be inserted here. This research was supported by Korea Electric Power TABLEII
SPECIFICATIONS OF THE DCCIRCUIT BREAKER FOR FCL.
Parameter Value
Rated voltage 500 V
Rated breaking current 10 kA
momentary breaking current 200 A
electrical life 1500 times
Fig. 8. Comparison of the energy in the breaker according to the fault resistance.
corporation [grant number: R16XA01].
This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Science and ICT (2019R1F1A1063397).
REFERENCES
[1] Y. Morishita, T. Ishikawa, I. Yamaguchi, S. Okabe, G. Ueta, and S.
Yanabu, "Applications of DC breakers and concepts for superconducting fault-current limiter for a DC distribution network," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 19, no. 4, 2009, Art.
no. 10794822.
[2] J. Xi, X. Pei, W. Song, B. Xiang, Z. Liu, X. Zeng, “Experimental tests of DC SFCL under low impedance and high impedance fault conditions,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 31, pp. 5601205, 2021.
[3] J. Lee and U. Khan, “Impact of SFCL on the four types of HVD circuit breakers by simulation,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.
26, no. 4, 2016, Art. no. 5602606.
[4] Y Ayachi Amor, G Didier, F Hamoudi, “Application of a novel approach of resistive‐type superconducting fault current limiter with a fast protection system in multi‐terminal direct current network,”
International Transactions on Electrical Energy Systems, Aug.
2020.
[5] H. Y. Lee, M. Asif, K. H. Park, B. W. Lee, “Assessment of appropriate SFCL type considering DC fault interruption in full bridge modular multilevel converter HVDC system,” Phys. C Supercond., vol. 563, pp. xxx, 2019.
[6] J. So, S. Lee, W. S. Kim, J. K. Lee, and K. Choi, “Design of an HTS Fault Current Limiting Module for an MVDC Power Grid,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 30, no. 4, 2020, Art. no. 5600705.
[7] H. W. Choi, “A Study on the Current-limiting Type Superconducting DC Circuit Breaker for the Reliability Improvement in HVDC Power System,” Ph. D Thesis, Chosun University, August 2019.
[8] W. C. Kim, “A study on the recovery characteristics of resistive superconducting fault current limiter with respect to various winding types,” M. S. Thesis, Yonsei University, February 2010.
