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Analysis on Installation Location of SFCL considering Current Rate of Circuit Breaker in a Power Transmission System
Analysis on Installation Location of SFCL considering Current Rate of Circuit Breaker in a Power Transmission System
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Mar, 64(3): 357-364
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : December 03, 2014
  • Accepted : January 22, 2015
  • Published : March 01, 2015
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한 민 박
Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University Korea.
진 석 김
Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University Korea.
성 훈 임
Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University Korea.
재 철 김
Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea. E-mail :jckim@ssu.ac.kr

Abstract
The power system configuration is changed to solve increasing power demand. This changes in power system configuration with mesh-, network grid generate the problem of fault current increase. Superconducting fault current limiter (SFCL) has been expected the one of the solutions to solve this problem. And there has already been reported much to the application and research of SFCL in the power distribution system. However, the application and research of SFCL are insufficient in a transmission power system. Also, the fault current limiting effect by the SFCL varies with installation location of SFCL. Therefore, this paper constructed the power transmission system through experiment and analyzed installation location method of SFCL using the current rate of each circuit breaker (CB) according to fault location.
Keywords
1. 서 론
지속적인 전력수요 증가에 따른 전력공급을 원활하게 하기 위해 분산전원을 도입하거나 전력계통의 구성을 루프화 및 네트워크 방식으로 변화시키고 있다. 이러한 계통의 변화가 전력공급에 대한 신뢰성 및 안정도를 증가시키기 때문에 전력수요 증가에 따른 문제는 해결되고 있다. 그러나 계통의 변화로 인해 전원의 크기 및 변압기 용량이 증가되고 있으며, 계통의 등가임피던스가 감소하게 되어 고장발생시 고장전류가 증가하는 문제점이 발생하게 된다. 고장전류의 증가는 차단기 및 보호기기들의 동작특성에 문제를 발생시키게 되어 계통을 안전하게 보호할 수 없게 된다 [1 - 3] .
이러한 문제점들을 해결하기 위한 대책으로 고임피던스 기기 및 한류 리액터 설치, 모선분리 운용, 대용량 차단기로 교체 등의 많은 대책이 사용되고 있다[4]. 그러나 위의 대책들은 기기 설치에 대한 공간 확보 문제 및 평상시의 전력손실 발생 그리고 기기 교체의 비용 및 기술적인 문제점이 나타나게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 기존의 대책들보다 효율적으로 고장전류를 줄이기 위한 연구가 계속 진행되고 있다. 초전도 한류기가 대책 중 하나로서, 배전급 초전도 한류기 개발과 적용에 따른 고장전류 저감 효과와 보호기기들의 동작특성 변화 등에 대해 많은 연구가 진행되었다 [5 - 8] .
송전급 초전도 한류기의 개발이 진행 중이며, 전력계통 적용에 대한 연구가 선행되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 송전급 초전도 한류기를 계통에 설치할 때 설치 위치를선정하는 방안에 대하여 모의실험을 통해 분석하였다. 설치위치를 선정하는데 있어서 각 선로에 설치되어있는 차단기에 흐르는 전류의 비율을 고려하여 적절한 초전도 한류기 설치위치를 선정하였다.
2. 초전도 한류기 고장전류 저감 평가방안
- 2.1 고장전류의 흐름
참고문헌 [9 - 10] 에서는 초전도 한류기를 모선에 설치할 때 설치위치 선정하는 방법을 제시하였다. 초전도 한류기의 모선 설치위치에 따라서 초전도 한류기를 통과하는 고장전류 크기가 달라지기 때문에 전체 고장전류에 대한 초전도 한류기를 통과하여 흐르는 고장전류의 비인 고장전류 유입비율을 제시하였고, 이를 통해 고장전류의 제한 효과를 분석하고 설치 위치를 선정하였다.
그러나, 참고문헌 [9 - 10] 에서 제시된 방법은 모선에 설치하는 경우로 제한하고 있지만 초전도 한류기는 모선뿐만 아니라 각 선로 인출점 그리고 변압기 2차측, 변압기의 중성점 접지측 등 다양한 위치에 설치될 수 있다. 또한, 초전도 한류기를 통과하는 고장전류만을 고려하게 되면 각 선로에 흐르는 고장전류는 고려하지 못한다. 즉, 각 선로에 설치되어 있는 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류가 차단기의 정격차단전류를 초과하게 되면 계통을 보호할 수 없게 된다. 따라서 계통을 더욱 안정적으로 운영하기 위한 초전도 한류기의 적절한 위치선정 방법으로 차단기의 정격 차단전류를 고려하였다.
그림 1 은 Fault 1(모선고장)과 Fault 2(선로고장)에 대한 고장 전류의 경로를 나타내었다. 먼저 Fault 1 발생시 각 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류는 각 선로를 통해 흐르는 고장전류와 같다. 이를 식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 고장점 전류( ifault 1 )는 고장난 모선에 연결된 선로에서 유입되므로 iCB 1 , iCB 2 , iCB 3 , iCB 4 의 합과 같다.
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고장위치별 고장전류 경로 Fig. 1 Fault current path on fault location
그러나 Fault 2 발생시, 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류들 중 식 1과는 다른 경우가 나타난다. 즉 CB 3 을 통과하는 고장전류가 식 2와 같이 나타나게 된다.
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따라서 차단기를 통과하는 고장전류의 크기는 고장위치에 따라 달라질 수 있다. . iCB 3 의 크기가 CB 3 의 정격차단전류 이하일지라도 iCB 1 + iCB 2 + iCB 4 의 크기가 CB 3 의 정격차단전류를 초과하게 되면 차단기의 역할을 수행하지 못하게 된다 [3 , 11 - 14] .
- 2.2 차단기 정격차단전류를 고려한 초전도 한류기 설치
위의 문제를 해결하기 위해 초전도 한류기 설치시 각 차단기를 통과하는 고장전류의 저감효과를 분석해야 한다. 분석을 위해 식 3과 같이 차단기의 정격차단전류에 대한 차단기를 통과하는 고장전류의 비율(Rate)을 제시하였다.
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고장전류의 크기가 증가될수록 차단기에 미치는 영향이 커지기 때문에 전류비율(R)에서 차단기를 통과하는 고장전류가 차단기 정격차단전류의 30%미만, 50%미만, 80%미만 100%미만 마다 가중치(Weight)를 0.25씩 증가되는 0.25, 0.5, 0.75, 1로 산정하였다. 그리고 차단기의 정격차단전류를 초과하는 경우는 차단기에 미치는 영향이 매우 크므로 가중치를 2로 산정하였다. 이를 표 1 에 나타내었고 가중치를 적용한 차단기 부담평가지표(Fault Current Index)를 식 4와 같이 표현하였다 [11 - 14] .
전류의 비율 값에 따른 가중치Table 1Weight factor according to the current rate
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전류의 비율 값에 따른 가중치 Table 1 Weight factor according to the current rate
따라서 계통에 초전도 한류기를 설치할 경우 식 4의 차단기 부담 평가지표를 분석하여 보다 적절한 설치위치를 선정할 수 있다.
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3. 모의실험 구성
그림 2 는 모의실험을 통해 구성한 송전계통 회로도이다. 본 논문에서 적용한 초전도 한류기는 전압특성에 적합하고 초전도 소자에 대한 부담과 비용을 최소화 할 수 있는 트리거형 초전도 한류기를 선정하였다 [5 - 7 , 13 - 15] .
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초전도 한류기 설치한 송전계통 모의실험 회로도 Fig. 2 Experimental circuit of power transmission system with SFCL
모의실험 회로도에 대한 구성 데이터는 표 2 와 같다. 고장의 종류는 1선 지락고장이고 고장위치는 앞서 그림 1 에 나타낸 바와 같이 고장위치별로 고장전류의 경로가 달라지고, 차단기를 통과하는 고장전류의 크기 또한 달라지는 특성을 고려하기 위해 fault 1(선로고장)과 fault 2(모선고장)를 모의하였다.
모의실험 회로 구성 데이터Table 2Configuration data of experimental circuit
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모의실험 회로 구성 데이터 Table 2 Configuration data of experimental circuit
초전도 한류기는 고장발생시 계통의 임피던스를 증가시키기 때문에 개수를 많이 설치할수록 고장전류 저감효과는 뛰어나지만 경제적인 부분, 보호기기간의 협조 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 본 논문의 계통구성 특성상 전원 공급이 양측(G 1 , G 2 )에서 이루어지고, 고장전류 또한 양측에서 공급되기 때문에 초전도 한류기 설치 개소는 2개소로 하였다. 또한, 전류를 측정하는 방향은 각 전원단에서 선로측으로 측정하였고, 이는 그림 2 에서 나타낸 전류방향과 같다. 고장위치별 초전도 한류기 설치위치는 표 3 과 같다.
고장위치에 따른 초전도 한류기 설치위치Table 3Application locations of SFCL according to Fault location
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고장위치에 따른 초전도 한류기 설치위치 Table 3 Application locations of SFCL according to Fault location
4. 모의실험 결과 및 분석
- 4.1 Fault 1 발생시 고장전류 분석
Fault 1(선로고장) 발생시 고장전류 값을 분석하기에 앞서, 차단기 부담 평가지표를 분석하기 위해 차단기의 정격차단전류는 모의실험 결과값에 적절하게 15[A rms ]로 선정하였다. 또한 CB 3 과 CB 5 는 고장이 발생한 선로에 설치된 차단기가 아니기 때문에 CB 3 과 CB 5 를 통과하는 고장전류인 iCB 3 iCB 5 는 매우 작은 값을 갖게 되며, 이 값들이 차단기에 미치는 영향은 미비하게 된다. 따라서 iCB 3 iCB 5 는 파형분석에서 제외하였다.
그림 3 은 case 1의 전류 파형을 나타낸다. case 1은 고장이 발생한 선로 양 측에서 모선 측에 설치된 CB 2 측과 CB 4 측에 초전도 한류기를 설치한 경우이다. 먼저 iCB 2 iCB 4 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우는 차단기의 정격차단전류인 15[A rms ]를 초과한 파형을 나타낸다. 그러나 초전도 한류기를 설치한 경우 선로 양 측으로 유입되는 고장전류를 저감시켜주기 때문에 iCB 2 iCB 4 는 차단기의 정격차단전류 이하로 감소하게 된다.
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Case 1의 전류파형 Fig. 3 Current waveforms of case 1
다음으로 iCB 1 iCB 6 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않은 경우에는 차단기의 정격차단전류를 초과하게 된다. 초전도 한류기 설치시, 선로의 임피던스를 증가시켜 모의실험 특성상 회로 전체의 등가임피던스가 증가되기 때문에 iCB 1 iCB 6 은 감소하게 된다. 그러나 초전도 한류기가 한 측 선로에만 설치되기 때문에 변압기 2차측 전류인 iCB 1 iCB 6 에 미치는 영향은 크지 않다. 따라서 iCB 6 은 정격차단전류 이하로 감소하게 되지만 iCB 1 은 정격차단전류 이하로는 감소하지 않는 것을 확인할 수 있다.
위상분석의 경우 iCB 1 , iCB 2 , iCB 4 , iCB 6 은 부하전류의 흐름과 고장전류의 흐름이 모두 전원단에서 선로 안쪽으로 측정되었기 때문에 평상시와 고장시 모두 같은 방향으로 흐르게 된다.
그림 4 는 case 2의 전류 파형을 나타낸다. case 2는 초전도 한류기를 CB 1 측과 CB 2 측에 설치한 경우이다.
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Case 2의 전류파형 Fig. 4 Current waveforms of case 2
먼저 iCB 1 iCB 2 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우는 차단기의 정격차단전류를 초과하는 파형을 나타낸다. 그러나 초전도 한류기 설치시 G 1 이 공급하는 고장전류 경로에 초전도 한류기가 설치되기 때문에 iCB 1 iCB 2 는 차단기의 정격차단전류 이하로 감소하게 된다.
다음으로 iCB 4 iCB 6 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기가 설치되지 않았을 경우는 차단기의 정격차단전류를 초과하는 파형을 나타낸다. 초전도 한류기 설치시 G 2 를 통해 공급되는 고장전류 경로에 있는 차단기인 CB 4 와 CB 6 을 통과하는 고장전류에 대해서는 저감시키지 못하기 때문에 iCB 4 iCB 6 은 차단기의 정격 차단전류를 초과한 결과가 지속됨을 확인 할 수 있다.
그림 5 는 case 3의 전류 파형을 나타낸다. case 3은 초전도 한류기를 case 2와 반대로 전원 G 2 에 가까운 CB 4 측과 CB 6 측에 설치한 경우이다. 따라서 결과 또한 반대의 형태로 나타난다. iCB 1 iCB 2 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않은 경우 차단기의 정격차단전류를 초과한 파형을 나타낸다. 또한, 초전도 한류기 설치시 G 1 을 통해 공급되는 고장전류의 경로에 있는 차단기인 CB 1 와 CB 2 를 통과하는 고장전류에 대해서는 저감시키지 못하기 때문에 iCB 1 iCB 2 가 차단기의 정격 차단전류를 초과한 상태를 유지한다.
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Case 3의 전류파형 Fig. 5 Current waveforms of case 3
다음으로 iCB 4 iCB 6 의 파형을 분석하면, 초전도 한류기가 설치되지 않았을 경우는 차단기의 정격차단전류를 초과하는 파형을 나타낸다. 그러나 초전도 한류기를 설치하게 되면 G 2 가 공급하는 고장전류 경로에 초전도 한류기가 설치되기 때문에 iCB 4 iCB 6 은 정격차단전류 이하로 감소한 파형을 나타낸다.
그림 6 은 case 4의 전류파형을 나타낸다. case 4는 각 변압기 2차측인 CB 1 측과 CB 6 측에 초전도 한류기를 설치한 경우이다. 따라서 case 4는 G 1 과 G 2 를 통해 공급되는 고장전류를 저감시키기 때문에 계통 전체의 고장전류를 줄여준다. 그 결과 iCB 1 , iCB 2 , iCB 4 , iCB 6 파형을 분석하면, 초전도 한류기 설치하지 않았을 경우에는 차단기의 정격차단전류를 초과하지만 초전도 한류기 설치시 차단기의 정격차단전류 이하로 감소되는 파형을 확인 할 수 있다.
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Case 4의 전류파형 Fig. 6 Current waveforms of case 4
표 4 는 fault 1 발생시, 초전도 한류기 설치 위치 사례별로 고장점 전류 값과 각 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류 값들을 정리한 표이다. 먼저 고장점 전류의 값은 각 차단기를 통과하는 고장전류의 값 그리고 차단기의 정격차단전류보다는 큰 값을 보이고 초전도 한류기를 설치함에 따라 감소한 결과를 나타낸다. 그리고 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우 iCB 3 iCB 5 를 제외하고 차단기를 통과하는 고장전류의 값은 차단기의 정격차단전류를 초과한다.
Fault 1의 경우 초전도 한류기 위치에 따른 고장전류 값 및 ΣFCI 값Table 4Fault current and ΣFCI value according to application location of SFCL on Fault 1
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Fault 1의 경우 초전도 한류기 위치에 따른 고장전류 값 및 ΣFCI 값 Table 4 Fault current and ΣFCI value according to application location of SFCL on Fault 1
초전도 한류기 설치하였을 경우, 대부분의 차단기를 통과하는 고장전류 값에 대해서는 차단기의 정격차단전류 이하임을 나타낸다. 그러나 case 1의 iCB 6 은 초전도 한류기 설치로 회로전체의 임피던스 증가되기 때문에 감소한 값을 보이지만 저감효과가 크게 미치지 못하여 차단기의 정격차단전류 이하로는 감소하지 못한 것을 확인 할 수 있다. 또한, case 2와 case 3에서 차단기의 정격차단전류 이하로 저감하지 못한 경우는 초전도 한류기 설치위치 특성상 초전도 한류기를 설치하지 않은 반대 측 전원에서 공급되는 고장전류에 대해서는 저감시키지 못한 결과로 분석되었다. 또한, 식 4, 5를 이용하여 각 사례별로 차단기 전류의 비율(R)을 계산하여 FCI의 합을 나타내었다.
분석결과, 초전도 한류기를 설치함에 따라 전체적으로 ΣFCI의 값이 감소한 결과를 보인다. case 2와 case 3은 초전도 한류기를 설치하지 않은 반대 측의 고장전류 경로에 설치된 차단기의 FCI 값이 높게 나오기 때문에 다른 사례들보다 ΣFCI의 값이 높게 나타나게 되는 것을 확인 할 수 있다. case 1은 고장이 발생한 선로 양측에 설치된 차단기의 FCI 값을 감소시켜준다. 또한 전체적인 임피던스의 증가로 iCB 1 iCB 6 의 값은 감소하지만 iCB 6 은 차단기의 정격차단전류 이하로 감소되지 않기 때문에 case 1의 ΣFCI 값은 case 4보다 높은 값이 나타나게 되는 것을 확인 할 수 있다. case 4는 전체적으로 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류를 감소시키기 때문에 모든 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류가 차단기의 정격차단전류 이하를 나타낸다. 따라서 ΣFCI값이 가장 낮게 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
- 4.2 Fault 2 발생시 고장전류 분석
Fault 2(모선고장) 발생시 차단기의 정격차단전류는 Fault 1과 동일한 15[A rms ]로 선정하였다.
그림 7 은 case 5의 전류 파형을 나타낸다. case 5는 고장이 발생한 Bus 1에 연결된 선로 인출점인 CB 2 측과 CB 3 측에 초전도 한류기를 설치한 경우이다. 먼저 iCB 2 iCB 3 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우 G 1 이 공급하는 고장전류는 CB 2 와 CB 3 을 거치지 않고 고장점으로 빠지게 되고 G 2 에서 공급하는 고장전류는 G 2 와 고장점 사이의 임피던스가 크기 때문에 iCB 2 iCB 3 이 차단기에 미치는 영향은 미비하다. 초전도 한류기 설치시 선로 임피던스 증가로 인해 고장전류는 저감한 형태를 보인다.
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Case 5의 전류파형 Fig. 7 Current waveforms of case 5
파형의 위상분석으로 평상시 iCB 2 iCB 3 의 부하전류는 G 1 에서 선로 측으로 흐르고 있지만 고장전류는 고장이 발생한 Bus 1측으로 흐르기 때문에 부하전류의 위상과 180°반전되어 흐르게 된다.
다음으로 iCB 1 iCB 6 의 파형을 분석해보면 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우의 고장전류는 차단기의 정격차단전류인 15[A rms ]를 초과하게 된다. 초전도 한류기 설치한 경우 회로의 전체적인 임피던스는 증가하여 고장전류의 값을 감소시키지만 그 영향은 미비하다. 따라서 초전도 한류기를 설치하지 않았을 경우와 마찬가지로 차단기의 정격차단전류를 초과하게 된다.
iCB 1 iCB 6 의 위상은 송전계통 특성상 전류의 위상차를 갖고 공급하기 때문에 각 변압기 2차측에 흐르는 전류인 iCB 1 iCB 6 의 부하전류에는 약간의 위상 차이가 나게 되는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 고장발생시 파형의 위상이 같아지는 것을 확인 할 수 있다.
그림 8 은 case 6의 전류 파형을 나타낸다. case 6은 초전도 한류기를 CB 1 측과 CB 2 측에 설치한 경우이다. 먼저 iCB 1 iCB 6 의 파형을 분석해보면, 초전도 한류기를 설치하지 않은 경우 iCB 1 iCB 6 은 차단기의 정격차단전류를 초과하게 된다. 초전도 한류기 설치시 회로전체의 임피던스는 증가되고 CB 1 측 초전도 한류기는 G 1 을 통해 공급되는 고장전류를 저감시켜준다. 또한, CB 2 측 초전도한류기의 영향으로 선로 임피던스가 증가되어 고장전류를 저감시킨다. 따라서 초전도 한류기 설치시 iCB 1 iCB 6 은 차단기의 정격차단전류 이하로 감소되는 것을 확인 할 수 있다.
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Case 6의 전류파형 Fig. 8 Current waveforms of case 6
다음으로 iCB 3 iCB 5 의 파형을 분석해보면, iCB 3 iCB 5 는 차단기의 정격차단전류를 초과하지는 않지만 초전도 한류기 설치로 인해 증가되는 결과를 보인다. 이것은 모의송전계통의 회로구조가 병렬구조이기 때문에 case 6의 초전도 한류기 설치위치 특성상 고장발생시 초전도 한류기를 설치한 선로의 임피던스가 증가하고 설치하지 않은 선로의 임피던스는 상대적으로 감소하기 때문에 초전도 한류기가 설치되지 않은 선로의 고장전류가 증가되는 결과를 나타낸다.
전류위상의 경우는 CB 3 과 CB 5 사이에는 load 2가 분기하고 있기 때문에 load 2의 영향으로 부하전류 위상은 약간의 차이가 발생하게 된다. 그리고 고장발생시 iCB 3 은 고장이 발생한 Bus 1측으로 흐르기 때문에 부하전류의 위상과는 180°반전되어 흐르게 된다.
그림 9 는 case 7의 전류 파형을 나타낸다. case 7은 초전도 한류기를 CB 1 측과 CB 3 측에 설치한 경우이다. 설치위치는 case 6과 CB 1 측은 동일하고 선로에 설치되는 초전도 한류기가 서로 대칭이 되게 설치된다. 따라서 iCB 1 iCB 6 의 파형분석결과는 초전도 한류기 설치위치로 임피던스가 증가되는 선로만 다를 뿐 초전도 한류기 설치의 유·무에 관계없이 case 6과 동일하다. 그리고 iCB 2 iCB 4 의 파형도 차단기의 정격차단전류를 초과하지는 않지만 초전도 한류기 설치로 인해 오히려 증가하는 결과를 보인다. 이것은 case 6의 iCB 3 iCB 5 파형분석과 동일하지만, 임피던스가 증가되는 선로만 CB 2 측 선로가 아닌 초전도 한류기가 설치된 CB 3 측 선로의 임피던스가 증가하기 때문이다.
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Case 7의 전류파형 Fig. 9 Current waveforms of case 7
전류위상의 경우는 CB 2 과 CB 4 사이에는 load 1이 분기하고 있기 때문에 load 1의 영향으로 부하전류 위상은 약간의 차이가 발생하게 된다. 그리고 고장발생시 iCB 2 은 고장이 발생한 Bus 1측으로 흐르기 때문에 부하전류의 위상과는 180°반전되어 흐르게 된다.
그림 10 은 fault 2 발생시 case 8의 전류파형을 나타낸다. case 8은 앞선 경우인 fault 1 발생시 case 4와 같은 위치에 초전도 한류기가 설치되는 경우이다.
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Case 8의 전류파형 Fig. 10 Current waveforms of case 8
따라서 고장발생시 모든 경로의 고장전류를 저감시킬 수 있어 모든 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류를 저감시켜준다. 즉, 초전도 한류기를 설치하지 않았을 때 iCB 1 iCB 6 은 정격차단전류를 초과하지만 초전도 한류기를 설치함으로써 정격차단전류 이하로 감소된 결과를 확인 할 수 있다. 다음으로 iCB 2 iCB 3 의 파형을 분석하면, iCB 2 iCB 3 의 크기가 초전도 한류기 설치의 유·무에 따라 차단기에 미치는 영향은 크지 않지만 초전도 한류기 설치시 고장전류는 저감하는 것을 확인 할 수 있다.
표 5 는 fault 2 발생시, 초전도 한류기 설치위치 사례별로 고장점 전류 값과 각 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류 값들을 정리한 표이다.
Fault 2의 경우 초전도 한류기 위치에 따른 고장전류 값 및 ΣFCI 값Table 5Fault current and ΣFCI value according to application location of SFCL on Fault 2
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Fault 2의 경우 초전도 한류기 위치에 따른 고장전류 값 및 ΣFCI 값 Table 5 Fault current and ΣFCI value according to application location of SFCL on Fault 2
먼저 고장점 전류의 값은 각 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류의 값 그리고 차단기의 정격차단전류보다는 큰 값을 나타내고 초전도 한류기를 설치함에 따라 감소한 결과를 나타낸다. 초전도 한류기를 설치하지 않은 경우, 차단기의 정격차단전류를 초과하는 전류는 iCB 1 iCB 6 임을 나타낸다. 초전도 한류기를 설치한 경우, case 5의 iCB 1 iCB 6 을 제외하고 차단기의 정격차단전류 이하임을 나타낸다. case 5는 각각 선로에 초전도 한류기를 설치하기 때문에 고장전류의 저감효과는 나타나지만 각 변압기 2차측에 설치된 차단기의 위치까지 크게 영향을 끼치지 못한다. 따라서 초전도 한류기를 설치함에도 iCB 1 iCB 6 은 차단기의 정격차단전류를 초과하게 된다. 또한 각 사례별로 차단기 전류의 비율(R)을 계산하여 FCI의 합을 나타내었다. 분석결과, 앞선 경우인 표 4 와 동일하게 초전도 한류기를 설치함에 따라 전체적으로 ΣFCI의 값이 감소한 결과를 보인다. case 5은 iCB 1 iCB 6 이 차단기의 정격차단전류 이하로 감소하지 않기 때문에 ΣFCI의 값이 다른 사례들 보다 높게 나타난다. 그리고 case 6과 case 7은 차단기의 정격차단전류를 초과하는 값을 보이는 전류는 없지만, 초전도 한류기를 설치하지 않은 선로의 고장전류가 증가하기 때문에 ΣFCI의 값이 case 8보다 높은 값을 나타낸다. case 8은 차단기를 통과하여 흐르는 고장전류가 모두 감소하여 차단기의 정격차단전류이하를 나타낸다. 따라서 ΣFCI 값이 가장 낮은 값을 나타낸다.
표 6 은 fault 1과 fault 2에 대해 각각의 초전도 한류기 설치 사례별 ΣFCI 값을 나타낸다. 초전도 한류기를 설치하지 않은 경우, ΣFCI 값은 fault 2보다 fault 1의 경우가 더 높은 값을 갖게 된다. 이것은 고장위치에 관계없이 변압기 2차측에 설치된 차단기인 CB 1 과 CB 6 은 차단기의 정격차단전류를 초과하게 되지만, Fault 1의 경우는 고장이 발생한 선로 양측에 설치된 차단기인 CB 2 와 CB 4 도 차단기의 정격차단전류를 초과하게 되어서 ΣFCI 값이 fault 2보다 높게 나타나게 된다. 그리고 전반적으로 초전도 한류기를 설치하였을 때 차단기 부담 평가지표가 감소하게 되지만 각 변압기 2차측에 초전도 한류기를 설치한 case 4와 case 8의 경우가 ΣFCI 값이 가장 작은 값을 갖게 된다. 결과적으로 fault 1과 fault 2에 대해 FCI를 고려하여 초전도 한류기의 적절한 설치위치를 분석하면 모의 송전계통에서 변압기 2차측이 가장 효과적인 것을 확인 할 수 있다.
고장위치에 따른 초전도 한류기 설치 사례 ΣFCITable 6Sum value of fault current Index according to application location of SFCL on Fault 1, 2
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고장위치에 따른 초전도 한류기 설치 사례 ΣFCI Table 6 Sum value of fault current Index according to application location of SFCL on Fault 1, 2
5. 결 론
본 논문에서는 트리거형 초전도 한류기를 각 사례별로 설치한 모의 송전계통을 구성하여 fault 1(선로고장)과 fault 2(모선고장)를 모의하였다. 그리고 차단기를 통과하여 흐르는 전류의 비율을 고려하여 차단기 부담 평가지표를 분석하고 초전도 한류기의 설치위치를 선정하였다.
초전도 한류기를 설치함으로써 전반적으로 고장전류는 감소된 결과를 보인다. 그러나 초전도 한류기 설치위치별로 각 차단기를 통과하는 고장전류를 분석한 결과, 양 측 전원 중 한 측에만 초전도한류기가 설치된 경우, 다른 전원 측에서 공급되는 고장전류는 저감시키지 못하고 고장전류 경로에 설치된 차단기는 정격차단전류를 초과해버린다. 그리고 병렬구조인 송전계통에서 초전도 한류기가 하나의 선로에만 설치된 경우, 초전도 한류기가 갖게 되는 임피던스의 영향으로 초전도 한류기를 설치하지 않은 선로의 임피던스는 상대적으로 감소하게 되고, 이로 인해 선로에 설치된 차단기에 흐르는 고장전류가 오히려 증가되는 결과를 보인다.
결과적으로 기존 연구와 마찬가지로 모든 경로의 고장전류를 저감시킬 수 있는 모선 부근인 변압기 2차측에 설치하는 것이 가장 효과적인 결과를 얻었다. 그러나 본 논문에서는 모선고장뿐만 아니라 선로고장에 대해서 고려하였으며, 계통에 설치된 차단기를 평가한 차단기 부담평가지표를 분석하였다. 따라서, 초전도 한류기 설치로 인해 전체적인 고장전류가 줄어드는 결과뿐만 아니라 각 차단기에 흐르는 고장전류의 영향까지 고려하여 보다 더 계통에 안정적인 방향으로 초전도 한류기 설치위치를 선정할 수 있다.
Acknowledgements
본 연구는 지식경제부에 의해 투자된 전력산업융합원천기술개발사업과 2013년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(No. 20134010200570)을 받아 수행한 연구 과제입니다.
BIO
박 한 민(Han-Min Park)
1988년 9월 21일생. 2014년 안양대 전기전자공학과 졸업. 현재 숭실대 대학원 전기공학과 석사과정.
Tel : 02-817-7966
E-mail : bhm1359@nate.com
김 진 석(Jin-Seok Kim)
1983년 1월 26일생. 2007년 서울산업대 전기공학과 졸업. 2009년 숭실대 대학원 전기공학과 졸업(석사). 2014년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사). 현재 숭실대 전기공학부 조교수.
Tel : 02-817-7966
E-mail : redwolf832@ssu.ac.kr
임 성 훈(Sung-Hun Lim)
1996년 전북대 전기공학과 졸업. 1998년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사). 2003년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사). 현재 숭실대 전기공학부 부교수.
Tel : 02-828-7268
E-mail : superlsh73@ssu.ac.kr
김 재 철(Jae-Chul Kim)
1955년 7월 12일생. 1979년 숭실대 전기공학과 졸업(학사). 1983년 서울대학교 대학원 전기공학과 졸업(석사). 1987년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사). 현재 숭실대학교 전기공학부 교수.
Tel: 02-817-0647, Fax: 02-817-0780
E-mail : jckim@ssu.ac.kr
References
2013 "Long Term Power System Planning (2013∼2027)"
2007 "The Second Basic Plan on Electricity Demand and Supply (2004∼2017)"
Kim J.-S. 2013 "A Study on Components of MI-SFCL considering Transient Characteristicsof Circuit Breaker in Power System" Department of Electrical Engineering Graduate School Soongsil University
Kim J.-H. 1998 "Power System Fault Current Increases and Countermeasures" Korea Electricity Jounal 1 (2) 19 - 31
Thuries E. , Pham V. D. , Laumond Y. , Verhaege T. , Fevrier A. , Collet M. , Bekhaled M. 1991 "Toward the superconducting fault current limiter" IEEE Transactions On Power Delivery 6 (2) 801 - 808
Kim M.-H. , Moon J.-F. , Lim S.-H , Kim J.-C. 2010 “Method of Recloser-Fuse Coordination in a Power Distribution System with Superconducting Fault Current Limiter" IEEE Transactions on Applied Superconductivity 20 (3) 1164 - 1167    DOI : 10.1109/TASC.2010.2040821
Kim J.-S. , Lim S.-H. , Kim J.-C. 2012 “Comparative Analysis on Current Limiting Characteristics of Hybrid Superconducting Fault Current Limiters (SFCLs) with First Half Cycle Limiting and Non-Limiting Operations” Journal of Electrical Engineering & Technology 7 (5) 659 - 663    DOI : 10.5370/JEET.2012.7.5.659
Moriconi. F , De La Rosa. F , Darmann. F , Nelson. A , Masurl. L 2011 "Development and Deployment of Saturated-Core Fault Current Limiters in Distribution and Transmission Substations" IEEE Transactions on Applied Superconductivity 21 (3) 1288 - 1293    DOI : 10.1109/TASC.2011.2104932
Lee S.-R , Kim J.-Y. , C H.-K. , Yoon J.-Y. 2004 "Feasibility Study on the Application of 154kV HTS-FCL in Korean Power System" Trans. Of Korean Institute of Electrical Engineers 53A (12) 661 - 669
Lee S.-R. , Kim J.-Y. , Yoon J.-Y. 2005 "A Study on the Bus-Tie Application of 154kV HTS-FCL in Korean Power System" Trans. Of Korean Institute of Electrical Engineers 54A (5) 226 - 233
M.-G. On 2011 “A study on the method of SFCL’s application for protection of the power system with the excess of short circuit capacity” Department of Electrical Engineering Graduate School Soongsil Universuty
Kim J.-S. , Kim M.-H. , Lim S.-H. , Kim J.-C. 2012 “Study on the Application of SFCL using Short Circuit Capacity of Circuit Breaker for Protection of Power System” the Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference 359 - 360
Park H.-M. , Kim J.-S. , Lim S.-H. , Kim J.-C. 2014 “Analysis on Fault Current Limiting Effects through Current Rate in a Transmission Power System with Fault on Bus according to Application Location of SFCL” the Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference 165 - 166
Park H.-M. , Kim J.-S. , Lim S.-H. , Kim J.-C. 2014 “Analysis on Circuit Breaker Burden Evaluation Index in a Transmission Power System according to Line Fault with Application of SFCL” KIIEE Autumn Conference 125 -
Lim S.-H. 2010 "Analysis on Current Limitting and Recovery Characteristics of a SFCL using a Trigger of Superconducting Element" Jounal of KIEE 24 (1) 112 - 116