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배전계통에 초전도 전류제한기 적용 시 Recloser-Fuse 협조 방법
김명후*, 김진석*, 유일경*, 문종필*, 임성훈*, 김재철*, 안재민**
숭실대학교*, 한국전기안전공사**
Method of Recloser-Fuse Coordination in Power Distribution System with SFCL
Myoung-Hoo Kim*, Jin-Seok Kim*, il-Kyoung You*, Jong-Fil Moon*, Sung-Hun Lim*, Jae-Chul Kim*, Jae-Min Ahn**
Soongsil University*, Korea Electrical Safety Corporation**
Abstract - This paper shows us the analysis of the Recloser-Fuse coordination in power distribution system. Recloser has been installed with fuse to coordinate in power distribution system to protect against fault current efficiently. However, in power distribution system with SFCL, fault current couldn't be clear if occurred it as the operation of the Recloser-Fuse coordination couldn't be done.
Therefore, this paper analysed the operation of the Recloser-Fuse coordination and found the method of the Recloser-Fuse coordination in power distribution system with SFCL using PSCAD/EMTDC.
1. 서 론
우리나라 전력수요의 특징은 인구의 증가, 지속적인 산업발달, 그 중 제한된 공간에서의 산업발달에 따른 전력수요가 집중적으로 증가되는 특징을 보이고 있다. 이러한 전력수요의 증가는 전력공급의 증가와 더불 어 배전계통에 고장발생시 고장전류가 증가하는 문제점을 안고 있다[1].
이것은 기존 보호기기 사이의 협조로는 증가된 고장전류를 차단하지 못 할 가능성이 있어 더 큰 사고를 야기 시킬 수 있다. 그에 따라 증가된 고장전류를 차단하기 위해서는 기존의 보호설비들을 대용량 기기로 교 체해야하나 이것은 경제적인 부담이 크며, 또한 고임피던스 전력기기 및 한류기를 사용하여 고장전류를 저감 시킬 수 있으나 평상시 전력손실과 전압강하의 문제로 인하여 전력 공급의 신뢰성을 떨어뜨릴 가능성이 있 다. 이러한 문제에 대해 제시된 대안으로 초전도 전류제한기(SFCL)를 적용하는 방안이 마련되어 왔고, 설치되어있는 보호기기를 대용량 기기 로 교체하는 비용보다 저렴하며 효율적이다[2]. 초전도 전류제한기의 특 징은 고장 전 상태, 즉 초전도 상태에서는 계통에 부담을 주지 않고, 고 장 발생 시 저항이 발생하여 고장전류를 제한하는 특징을 갖고 있다. 그 러나 초전도 전류제한기에 의해 저감된 고장전류는 현재 설치되어있는 보호기기 사이의 상호 협조관계를 무너뜨릴 가능성이 있다[3].
따라서 본 논문에서는 배전선로에 사용하는 보호장치의 Recloser -Fuse 상호 협조가 초전도 전류제한기의 적용으로 어떠한 변화가 있는 지를 분석하였으며, 그 변화에 따른 Recloser-Fuse 협조 방안을 마련하 였다. 협조방법을 분석하기 위하여 PSCAD / EMTDC를 이용하여 초전 도 전류제한기, Fuse, Recloser, 배전계통을 모델링하였으며 고장 발생시 Fuse와 Recloser 사이의 협조관계에 대하여 분석하였다.
2. 본 론
2.1 배전계통의 Recloser - Fuse 협조
2.1.1 배전계통의 구성
<그림 1>은 본 논문에서 사용한 배전계통을 보여준다. 초전도 전류 제한기는 일반적인 배전계통에 적용했으며, 주변압기(MTR) 2차측에 설 치하였다[3]. 주변압기 용량은 45 [MVA]로 설정하였으며, 선로는 하나 의 주변압기에 3개의 피더로 구성하였다. 부하는 임피던스 부하로 7.5 [MVA], 9 [MVA], 28 [MVA]를 각각 적용하였고, 28 [MVA]의 부하는 일반적인 부하구성을 하나의 부하처럼 등가화 시켰다. Recloser의 위치 는 7.5 [MVA]인 첫 번째 피더에 적용하였으며, 부하와 부하사이에 설치 하였다. 또한 Fuse는 첫 번째 피더에서 분기된 500 [KVA]의 단상 분기 회로를 보호하도록 설치되었다. 단상 분기회로에 설치된 퓨즈의 정격은 고장전류와 단상분기회로의 부하전류, Recloser와 협조를 고려하여 140K Fuse link를 설치하였다[4]. 또한 전원, 변압기, 선로의 임피던스는
<표 1>과 같이 적용하였으며[5], Fault 지점은 Fuse가 설치된 단상 분 기회로에서 발생하였고, 그 거리는 주변압기로부터 4 [km], 단상 분기회 로의 Fuse가 설치된 곳으로부터 1 [km], 즉 전원단 으로부터 5 [km] 떨 어진 곳에서 발생한 것으로 설정하였다. 고장전류(I
fault)는 피더를 통해 단상분기회로의 고장지점에 흐르는 전류, 피더전류(I
feeder)는 Recloser가
설치된 곳의 모선 전류이다.
<그림 1> 배전계통 단선도
<표 1> 배전계통 임피던스
구분 임피던스 (Base 100 [MVA], 22.9 [kV]) 전원 154 [kV], j1.778 [%]
변압기 154/22.9 [kV], j15 [%]
선로 3.48+j7.44 [%/km] (정상) 10.8+j23.6 [%/km] (영상)
2.1.2 Recloser-Fuse 협조
Recloser-Fuse 협조 시 Fuse의 동작은 Fuse가 설치된 선로에 영구 고 장 발생시 Recloser의 설정된 순시동작(F) 완료 후 지연 동작(D)이 완료 되기 이전에 동작해야 한다[6]. 본 논문에서는 Recloser의 설정 값을 2번 의 순시동작과 1번의 지연동작(2F 1D)으로 설정하였다[7]. <그림 2>는
<그림 1>의 Fault 지점에 고장발생 시 Recloser-Fuse (140K)의 동작파 형을 보여준다. 여기서 Fuse는 Recloser의 2 번의 순시동작 완료 후 1번 의 지연동작이 완료되기 전에 Fuse가 melting point에서 동작하여 고장 이 발생한 단상 분기회로를 차단 한 결과를 보여준다. 그 후 단상분기회 로의 고장전류를 제외한 피더전류가 흐르는 것을 볼 수 있다. 또한 피더 에 있는 Recloser가 지연 동작을 완료하지 않아 고장범위를 Fuse가 설 치한 선로로 좁힐 수 있다.
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
-1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 0
m e l t i n g p o i n t
1 F
F a u l t c u r r e n t r m s
F e e d r e r c u r r e n t 1 4 0 K F u s e T C C
Current [kA]
T i m e [ s e c ]
2 F 1 D
<그림 2> Recloser-Fuse(140K) 동작 파형
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 1 7
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2.2 초전도 전류제한기 적용 시 Recloser-Fuse 협조 분석 <그림 3>에서는 초전도 전류제한기를 적용하였을 경우 Recloser- Fuse(140K)의 동작파형을 보여주고 있다. 여기서 초전도 전류제한기의 임피던스 저항은 5 [ Ω ]으로 설정하였다. 그 결과 <그림 2>와 달리 초전 도 전류제한기에 의한 고장전류 저감효과로 고장선로의 Fuse가 동작하 지 못해 Recloser의 지연동작이 완료(Lock-out)하게 되어, Recloser -Fuse 협조 동작이 이루어 지지 않은 것을 볼 수 있다. 따라서 피더전 류가 흐르지 않는 것을 볼 수 있으며, 이것은 피더에 설치되어 있는 Recloser가 고장 선로뿐만 아니라 고장 선로와 연결되어 있는 모선까지 차단시켜 고장 범위를 넓혔기 때문이다.
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
-1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 0
L o c k o u t 1 4 0 K F u s e T C C
F a u lt c u r r e n t r m s
F e e d r e r c u r r e n t
Cu rr en t [k A]
T im e [s e c ]
1 F 2 F 1 D
<그림 3> Recloser-Fuse(140K)-SFCL 동작 파형 2.3 초전도 전류제한기 적용 시 Recloser-Fuse 협조 방법
2.3.1 초전도 전류제한기의 Recloser-Fuse 협조 임피던스 범위 <표 2>는 초전도 전류제한기 적용 시 Recloser-Fuse 협조가 가능 한 Fuse link의 정격에 따른 초전도 전류제한기의 임피던스 범위를 나 타낸다. <표 2>에 나타낸 범위는 Recloser-Fuse 협조 시 Recloser의 순 시동작 완료 후 지연동작 중간에 Fuse가 안전하게 동작할 수 있도록 Recloser-Fuse 협조 가능한 최대, 최소 임계시간 값에 약 2 [cycle]의 안전 동작 여유시간을 두고 범위를 설정 하였다[8]. Recloser-Fuse 협조 가능한 초전도 전류제한기의 임피던스 범위는 Fuse link가 140K일 때 0
～ 2.6 [ Ω ], 100K일 때 4.7 ～ 9.9 [ Ω ], 80K일 때 7.5 ～ 15.2 [ Ω ]으로 나 타내고 있다. 본 논문에서 초전도 전류제한기를 적용하기 전 Fuse link 의 정격은 140K이고, <그림 2>에서와 같이 Recloser-Fuse 협조가 가능 한 것을 볼 수 있다. 그러나 초전도 전류제한기의 임피던스를 5 [ Ω ]으로 적용하면 <그림 3>에서와 같이 협조 동작이 이루어지지 않은 점을 볼 수 있다. 따라서 <표 2>에서 초전도 전류제한기의 임피던스를 5 [ Ω ]으 로 선정할 때 기존의 Fuse link인 140K가 협조범위에 있지 않기 때문에 140K를 100K로 교체하여야 하고, 그 결과 Recloser-Fuse 협조 범위 내 에 들어있는 것을 볼 수가 있다.
<표 2> 초전도 전류제한기의 Recloser-Fuse 협조 임피던스 범위 SFCL[ Ω ] Fuse link 정격
140K 100K 80K
0 2.6 4.7 7.5 9.9 15.2
2.3.2 초전도 전류제한기 적용 시 Recloser-Fuse 협조 <그림 4>는 초전도 전류제한기를 적용 하여 Fuse-link를 140K에서 100K로 교체 하였을 경우 Recloser-Fuse의 동작 파형을 보여주고 있다.
여기서 초전도 전류제한기를 설치하기 전 기존의 Fuse link 140K는 초 전도 전류제한기의 임피던스를 5 [ Ω ]으로 설정하여 설치 한 후 Recloser-Fuse 협조가 가능하지 않았지만, <표 2>에 의한 초전도 전류 제한기의 임피던스 범위에 따른 Fuse link 정격을 100K로 교체하여 시 뮬레이션을 한 결과 Recloser-Fuse 협조가 가능한 것을 볼 수 있다. 이 것은 Fuse가 2 번의 순시동작 완료 후 1 번의 지연동작이 완료하기 전 에 Fuse가 melting point에서 동작하여 고장선로를 차단하여, 그 후로 피더 전류가 정상적으로 흐르는 것으로 볼 수 있다.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
Curr en t[ k A ]
T im e [se c]
1 F 1 F
1 F 2 F 1 D
F a u lt c u rre n t rm s
F e e d re r c u rre n t 1 0 0 K F u se T C C
m e ltin g p o in t
