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분산전원 연계선로에서 지락 고장시 중성선의 과전류 해석 및 대책
신동열*, 정종만, 신창훈, 김동명 전력연구원
An Analysis and Countermeasure for the Neutral Line of the Overcurrent Phenomena when Ground Faults of distribution system interconnected with distributed Generations
Dong-Yeol Shin*, Jong-Man Joung, Chang-Hoon Shin, Dong-Myung Kim Korea Electric Power Research Institute
Abstract - 한전의 분산전원 연계규정에 따르면 수전고객은 변압 기 결선이 △-Yg 주로 사용되나 분산전원 연계선로는 변압기 결 선이 Yg-△형태로 연계되어 있다. 전원계통 고장시 △-Yg 결선 방식은 역조류가 발생되지 않으나, Yg-△결선방식은 중성선을 통해 최대 2000[A]까지 역으로 고장전류를 공급한다[1]. 이때 보 호계전기 오동작뿐만 아니라 연계용변압기, 케이블 등 설비보호 를 위해서는 고장전류의 크기를 반드시 제한해야 된다.
본 논문은 연계용변압기에 의해서 공급되는 중성선의 과전류 현상을 해석하고, 이론적으로 해석된 결과를 PSCAD/EMTDC로 검증하였으며 고장전류의 크기를 저감하기 위해 NGR 저항 값을 조절하면서 고장전류의 크기를 시뮬레이션 하였다. 분산전원 연 계선로에서 영상분 고장전류의 크기를 저감하는 방법으로 연계 용 변압기(Yg-△) 1차 측에 중성선에 NGR(Neutral Grounding Reactor; 중성점 접지리액터)을 설치해야 하며 영상임피던스를 조절하는 방법을 제시하였다.
1. 서 론
최근 이산화탄소 배출량 저감을 위해 풍력발전, 태양광발전 등 그린에너지 보급이 확대되고 있으며, 발전고객은 발전설비 관리 의 용이성과 경제적인 이유로 20MW이하의 분산형 전원을 배전 선로에 직접연계하고 있다.
이러한 분산전원의 증가로 인해 배전선로는 기존의 단방향 공 급형태와는 달리 부하와 전원이 혼재된 양방향 전력공급의 형태 로 계통이 변경 되었다. 특히 변전소 동일뱅크에 있는 타 선로에 서 고장이 발생하거나 분산전원 연계선로에서 지락고장이 발생 할 때 중성선의 전류는 상전류의 3배가 되는 과전류가 발생 된 다[2]. 이때 분산전원 연계용량에 따라 중성선의 전류는 최대 2000A까지 발생되며, 이로 인해 보호계전기의 오동작 과 케이블, 변압기 등 설비의 소손을 발생 시킬 수 있다[2.3].
본 논문은 분산전원 연계선로에서 지락고장 발생시 중성선의 과전류 현상을 해석하였고, 이런 과전류를 저감하기 위한 방법을 제시하고자 한다.
2. 본 론
2.1 중성점 접지저항에 대한 이해
우리나라 송전계통은 변전소간 상호 네트워크로 연계되어 있으 며 지락고장시 건전상의 대지전위가 정상시의 1.25배 이하가 되 도록 운전을 하고 있다. 송전계통에서 중성점 접지저항 조절방법 으로 변전소 M.TR 1차 중성점을 접지운전 또는 부동운전 방식 으로 계통의 중성점 접지저항을 관리하고 있다[4.5]. 그림1과 같 이 변전소 1차 중성점을 부동운전 할 경우 중성점 접지저항이 증가하여 지락 고장시 건전상의 전압이 상승하게 되고, 접지운전 을 너무 많이 하면 중성점 저항이 낮아져서 1선 지락전류가 상 승하기 때문에 중성점 저항을 적절하게 관리 하고 있다.
<그림 1> 유효접지 관리 기준
배전계통은 일반적으로 수지상 선로로 운전하고 있으며, 분산 전원 연계선로는 수지상 선로와 다르게 부하와 전원이 혼재된 양방향 Loop선로 형태로 운전된다.
배전선로 고장시 배전자동화시스템에서 고장정보를 그림 2와 같이 계통도에 고장정보를 표시한다. 이 정보는 변전소 동일뱅크 의 타 선로에서 1선 지락 고장이 발생하였을 때 동일뱅크에서 공급하는 분산전원 연계선로에서 역으로 고장전류를 공급함에 따라 검출된 고장정보이다. 이때 상별 고장전류의 크기를 보면 402A, 301A, 426A, 1119A로 중성선의 전류가 상전류보다 크게 발생하며 이와 같은 중성선의 과전류로 보호계전기 오동작과 변 압기, 케이블 등 설비를 소손시킨다.
이러한 과전류의 원인은 송전계통과 다르게 배전계통은 연계 용변압기의 1차 중성점을 직접접지하기 때문이다. 따라서 중성선 의 과전류를 저감하기 위해서는 송전계통과 같이 중성점 저항 값을 관리해야 할 것이다.
<그림 2> 분산전원 연계선로 중성선의 과전류 현상
2.2 분산전원 연계선로 1선 지락전류의 크기 계산
분산전원 연계선로에서 지락고장이 발생되면 연계용변압기에 의해서 역으로 고장전류를 공급하며 정상분 고장전류와 영상분 고장전류로 구분된다. 이 정상분 고장전류는 단락고장시 발전기 의 %Z에 의해 결정되고, 영상분 고장전류는 지락고장시 연계용 변압기의 %Z에 의해 결정된다. 특히 연계용 변압기는 발전기 운 전과 상관없이 계통에 항상 연계되어 있어 전원계통 지락 고장 시 영상분 고장전류를 역으로 항상 공급하며 그 크기가 단락고 장시 발생되는 정상분 고장전류의 10배 이상 발생된다[1].
그림3과 같이 154/22.9kV급 변압기 용량은 45/60MVA로 10MVA 배전선로를 6～7개를 인출하고 있으며, M.TR의 1차측 은 부동운전하고, 2차측은 0.6Ω의 NGR을 운전하고 있고, 북평 D/L 말단에 태양광발전기 1 MW가 설치되어 있다. 상호D/L의
①지점 또는 ②지점에서 지락고장이 발생되면 분산전원 연계용 변압기 결선에 의해서 역으로 고장전류를 공급하게 되며 이로 인해 변전소 CB2, 분산전원 연계선로의 설치된 자동화 개폐기, 리크로져, 또는 발전 고객측 설치된 51,51N 계전기가 오동작하게 된다[3]. 분산전원 연계선로에서 타 선로 또는 전원계통 1선 고 장시 연계용 변압기에서 역으로 공급하는 고장전류의 크기를 이 론적으로 계산을 하였다.
<그림 3> 분산전원 연계선로 구성 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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그림4는 ①지점에서 1선 지락 고장이 발생되었을 때 역으로 발생되는 고장전류의 크기를 해석하기 위해 구간별 정상분, 역상 분, 영상분 %임피던스를 등가회로로 해석하였으며, 100MVA 기 준으로 설비별 등가임피던스는 다음과 같다.
- M.TR 1차 전원임피던스 : %ZS = 0.13+j1.314 - M.tr : %ZM.TR12 =j35.49, %ZM.TR23 =j14.867 - NGR(0.6Ω) : %ZNGR= j34.323,
- CNCV325(0.576Km)+ACSR160(2.413Km) :
%ZLINE= 9.40+j19.64, 영상분 %ZLINE= 31.78+j71.60, - 연계용 변압기(1250kVA) : %ZTR= j480,
- 1000kW 태양광발전설비 : %ZDG= j6666
<그림 4> 정상분 및 영상분 %Z 등가회로
그림5는 ①지점에서 지락고장발생시 각CB 위치별 고장전류의 크기 와 상별 조류의 방향을 벡터로 해석하였다. 또한 고장발생시 전압과 전 류의 위상각은 R+jX 값에 따라 위상각이 달라지며 본 논문에서는 위상 각을 0으로 가정하고 CB1, CB2, CB3에 대해서 벡터도를 표시하였다.
<그림 5> 구간별 고장전류의 크기 해석 Z1= 36.80×( 21.78 + 48 0 + 6666)
36.80 + ( 21.78 + 480 + 6666) = 36.61 Z0= 49.19×( 78.34 + 48 0)
49.19 + ( 78.34 + 480) = 45.21 I1G= ICB3= 3×100
( %Z1+ %Z2+ %Z0+3%ZF0)×2521[ A]
= 3×100
( 36.61 + 36.61 + 45.21 +0) ×2521 = 6386[ A]
ICB2= 49.19
49.19 + 558.34 ×6386 = 517[ A]
ICB1 = I1G - ICB2 = 6386 - 517 = 5869 [A]
CB1의 벡터도 A상 고장전류는 CB3의 A상 전류 6386[A]와 CB2의 A상 전류 -172[A]를 중첩하면 6214[A]가 발생되고, B상과 C상 전류는 각각 172[A]로 A상 전압위상과 반대방향으로 발생된다. 이때 N상 고장 전류는 CB3의 N상 전류6386[A]와 CB2의 N상전류 -517[A]를 중첩하면 5869[A]가 발생된다. 그 이유는 연계용 변압기(Y-△결선) 1차 중성점을 직접 접지하도록 되어있어 ①지점에서 A-N 지락전류 고장시 A상의 전 압이 떨어지면 이때 연계용 변압기가 역V 결선형태로 나머지 2상에서 떨어진 전압만큼 보상하게 되고, 이때 CB1지점은 분류효과에 의한 고장 전류의 크기가 줄어들었으며, CB2지점은 N상의 전류가 상전류의 3배가 발생되었으며, 상별 조류의 크기를 합산하면 항상 Zero(Pa+Pb+Pc=0)되 는 것으로 해석되었다
2.3 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션
앞에서 이론적 해석한 결과를 검증하기 위해서 그림5와 같이 동일한 조건에서 PSCAD/EMTDC로 시뮬레이션한 결과를 비교검증 하였 다. 또한 이러한 고장전류를 저감하기 위한 방법으로 표1과 같이 NGR의 저항값에 따라 고장전류의 크기를 해석하였다.
RMS Ia-CB3 Ib-CB3 Ic-CB3
ICB3 1
2 3 RMS RMS Station 154 kV bus RL
RRL
CB1 0.026263.987
CB2 0.017261.993
kepco Station 154 kV Equivalent Z1=0.13+j36.80, Z0= 0 +j49.19
CNCV325 576 [m]
Timed Fault Logic ECBICB2
FAULT TYPE SELECTOR 1 = Phase A to Ground 2 = Phase B to Ground 3 = Phase C to Ground 4 = Phase AB to Ground 5 = Phase AC to Ground 6 = Phase BC to Ground 7 = Phase ABC to Ground 8 = Phase AB 9 = Phase AC 10 = Phase BC
#1#3 #2 NGR1 NGR2 0.0015915 [H]
0.001 [MVAR]
NGR1 NGR1
NGR2 NGR2
PI COUPLED
SECTION PI
COUPLED SECTION
IF RC1 0.013321.492
PI COUPLED SECTION
#1 #2 1.25[MVA]
23.0 [kV] / 0.38 [kV]
RC1 TimedBreakerLogicClosed@t0
CB3 0.0089961.994
0.5 [MW]
0.5 [MW] 1 [MW]
CB1
CB2
CB3
IDGN 0.01 [ohm]
ALOC160 2002 [m]
ALOC160 411 [m]
ALOC95 2669 [m]
PI COUPLED
SECTION 0.5 [MW]
PI COUPLED SECTION CNCV325 505 [m]
PI COUPLED
SECTION 0.5 [MW]
ALOC160 5121 [m]
1 [MW]
%Z=6.0%
X/R >10
Inverter 1MVA,%Z=66.66 PF-1.0
ICB3
EDGIDG
RMS Ia-CB2 Ib-CB2 Ic-CB2
ICB2 1
2 3 RMS RMS
IDGN RMS In-DG
ISN RMS In-CB1
D + F ISN+
IDGN RMS
In-F
#1 #2 ISN
ICB1 ACB
8.154e-008 7.042e-009
NGRDG
VCB ACB
VCB 0.01325 -0.001667
NGRDG
RMS Ia-CB1
Ib-CB1 Ic-CB1
ICB1 1
2 3 RMS RMS
IDG2 Main : Controls
NGR1
1 OFFON
NGR2
0 OFFON
CB1
0 OFFON
CB2
0 OFFON
CB3
0 OFFON
Main : Controls VCB
0 OFFON
ACB
1 OFFON
NGRDG
0 OFFON
Main : Controls 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 FTYPE
1
CB1,CB2,CB3-CURRENT(ABC) DG,DG2-CURRENT(ABC), CB2,DG-VOLTAGE
IF,IDG-FAULT CURRENT(ABCN)
CB1,DG,F-CURRENT(N) CB1,CB2,CB3,VCB,ACB PQ(MW,MVAr)
<그림 5> PSCAD/EMTDC 계통 시뮬레이션 구성도
<그림 6> ①지점 고장시 CB1,CB2,CB3의 전류파형
NGR 크기별 상 평균전류 N상전류
직접접지 172,172,172 517
20Ω 72,72,72 216
40Ω 43,43,43 129
60Ω 29,29,29 86
80Ω 22,22,22 65
100Ω 17,17,17 52
150Ω 12,12,12 36
<표 1> PSCAD 시뮬레이션 결과비교
2.3 중성선의 고장전류를 저감하기 위한 새로운 방법
그림 7은 1선 지락고장 발생시 중성선의 고장전류를 저감하 기 위한 방법으로 분산전원 연계용변압기 1차측에 NGR를 설치 하였을 때 정상분, 역상분, 영상분을 합성한 등가회로이다. 표1 과 같이 중성선의 전류를 저감하기 위해서는 NGR의 저항 값을 크게 하면 할수록 고장전류는 줄어든다. 하지만 NGR의 저항 값 을 너무 크게 증가하면 건전상의 전압이 상승하는 것으로 분석 되었다. 따라서 NGR 값을 계통상황에 맞게 적절하게 운전해야 많이 중성선의 과전류와 건전상의 전압상승을 예방할 수 있다.
<그림 7> 1선 지락 고장시 합산 등가회로
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그림 9는 지락고장 발생시 분산전원에서 공급하는 고장전류의 크기 를 제한하기 위한 방법으로 배전선로의 운전특성을 고려하여 분산전원 연계용 변압기 1차측에 설치할 전용NGR 개발하였으며, 일반 NGR과 다르게 변압기의 권수비를 이용하여 NGR의 저항 값을 조절하는 방식 이다. 이 방식은 배전계통 변경되거나 분산전원 연계용 변압기는 변전 소 인출부터 선로 말단까지 다양한 위치에서 연계되므로 분산전원 연계 위치에 따라 NGR의 저항 값을 자유롭게 조절 할 수 있으며, 특히 무정 전 상태에서 탭을 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 변압기권수비 원리를 이용하여 임피던스의 크기를 조절할 수 있는 원리이며 2차측 저 항 값의 크기에 따라 쉽게 가변 할 수 있다. 주요구성은 탭 설정부분, 변압기 권수비 조절부분, 2차 임피던스 조절부분으로 되어 있다.
<그림 8> 영상전류를 조절하기위한 NGR장치 3. 결 론
변전소 동일뱅크의 타 선로에서 고장이 발생할 때 인근에 위치한 분 산전원 연계선로의 보호계전기가 오동작 되거나 분산전원 연계선로에서 전원측 계통에서 고장이 발생되었음에도 불구하고 부하측 보호계전기가 오동작 되거나 발전고객측 발전설비의 고장과 무관하게 고객측 보호계 전기가 오동작 된다. 그 원인은 발전 고객측의 연계용 변압기 1 차(Yg-△) 중성점 직접접지 함으로써 연계용변압기에 의해서 건 전상에서 지락고장이 발생된 상으로 역으로 고장전류를 공급하 기 때문에 발생된다. 이때 중성선의 전류는 상전류의 3배가 발생 되었으며 상별 조류의 합은 Zero가 되는 것을 분석되었다.
또한 단락고장은 정상분 고장전류로 발전기의 %Z에 의해 결 정되고, 지락고장은 영상분 고장전류로 연계용 변압기의 %Z와 NGR의 저항 값에 따라 결정된다. 특히 연계용 변압기는 발전기 운전과 상관없이 계통에 항상 연계되어 있어 전원계통 지락 고 장시 항상 고장전류를 공급하며 그 크기는 단락고장시 발생되는 고장전류의 10배 이상 발생되며, 이때 중성선에 최대 2000A까지 발생되는 것으로 분석되었다.
결론적으로 중성선의 과전류 현상과 건전상의 전압상승을 제한하기 위해서는 배전계통도 송전계통과 같이 중성점 임피던스를 관리해야 하 며, 현행 분산전원 연계용변압기 1차 중성점을 직접접지 하는 방식을 송전계통과 같이 중성점을 접지운전과 부동운전을 형태로 운전할 수가 없다. 왜냐하면 단상부하 공급에 따른 불평형 부하와 고장발생시 선로 중간을 재폐로 차단하므로 불평형 부하에 의해 이상전압이 발생된다.
따라서 1차측 배전계통은 개폐기 설치 점을 기준으로 구간단위로 중성 점 저항을 관리하는 것이 필요하며, 계통변경을 고려해서 중성점 저항 값을 자유롭게 조절하수 있는 NGR 접지방식으로 분산전원 계통 연계 기준을 개정해야 될 것으로 판단된다.
[참 고 문 헌]
[1] 신동열, 하복남, 정원욱, 차한주 “배전계통에서 변압기 결선에 의한 역조류현상에 관한 연구” 한국조명설비학회 논문지 22권 제9호, 2008년 9월
[2] R. F. Arritt, R. C. Dugan, “Distributed generation interconnection transformer and grounding selection”, Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, pp. 1-7, 2008.
[3] 신동열, 박용우, 차한주 “분산형 발전고객의 OCGR오동작 및 과부족 계량에 대한 사례연구“, 대한전기학회 논문지 57권 제8호, 2008년 8월
[4] 분산형전원 배전계통 연계기술 해설서, 한국전력공사 배전처, 2006년 9월
[5] 조성수, 한상옥 “154KV 변전소 주변압기의 용량 및 운전조건이 22.9kV 배전계통에 미치는 영향”,대한전기학회 논문지 57권 제3호, 2008 년 9월
