KR100981257B1 - 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한고장전류 제한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계통에서 고장발생시 단락전류 증가로 인한 차단기의 용량초과와 기존의 보호장치들의 부담을 저감시키기 위한 방안으로 초전도 전류제한기를 적용하고자 할 때 계통의 각 상에 초전도 전류제한기를 적용하는 대신 계통의 중성선에 하나의 초전도 전류제한기를 적용함으로써 고장전류를 제한하여 계통을 보호하는 방안에 관한 것이다.

제안한 방안은 Y 결선된 중성선 접지를 갖는 계통에서 지락고장이 발생할 경우 고장시 중성선에 흐르는 비대칭 전류성분의 크기가 중성선에 설치된 초전도 전류제한기의 임계전류값을 초과하게 되면 제한기의 저항발생으로 비대칭 전류성분을 감소시켜 고장상의 전류를 제한하여 계통을 보호하는 방안으로, 실제로 삼상 대칭 지락고장보다 빈번히 발생하는 삼상 비대칭 지락고장에 대해 보다 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있는 현실적인 방안이다.

제안한 방안을 이용할 경우, 초전도 전류제한기 개수뿐 아니라 초전도 전류제한기를 구성하는 초전도 소자의 사용량을 줄일 수 있는 경제적인 효과를 기대할 수 있으며, 고장제거시 기존에 각 상에 직접 설치했던 방안보다 초전도 소자의 상전도 상태에서 초전도 상태로의 회복시간이 빠른 특징을 갖는다. 이와 같은 빠른 회복시간 특성은 고장제거와 함께 짧은 시간 안에 초전도 상태로 회복됨으로써 기존의 차단기와 같은 보호장치와의 연계동작시 유리한 장점을 갖는다.

초전도 전류제한기, 중성선, 회복시간

Description

전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한 고장전류 제한 방법 {Fault current limiting method through the application of superconducting fault current limiter into the neutral line of power system}

본 발명은 전력계통의 고장전류크기를 감소시켜 차단기의 부담을 줄이기 위한 초전도 전류제한기의 계통적용 위치로써 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하는 방안에 관한 것으로, 계통에서 빈번히 발생하는 일선지락, 이선지락과 같은 비대칭 지락고장으로 인한 고장전류를 제한할 수 있는 있으며, 초전도 전류제한기를 구성하는 초전도 소자의 개수와 용량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 고장제거 후에는 초전도 전류제한기에 전류가 흐르지 않기 때문에 초전도 상태로의 회복시간도 현저히 단축시킬 수 있어 기존의 차단기와 같은 보호장치의 재투입시간에도 제한받지 않고 연계동작이 가능한 초전도 전류제한기의 계통 적용위치에 관한 것이다.

초전도 전류제한기를 전력계통의 선로에 직접 적용하여 고장전류를 제한하는 기존의 방안은 고장과 함께 초전도체의 고유특성인 quench를 통해 신속한 전류제한 이 가능하나 기존의 차단기와 같은 보호장치의 트립시간을 지연시켜 초전도 전류제한기를 긴 시간 동안 고장전류에 노출시킴에 따라 초전도 전류 제한기를 구성하는 초전도 소자들의 파손을 야기시 킬 우려가 있다. 또한, 고장 제거 후에도 선로전류가 직접적으로 초전도 전류 제한기에 도통하므로 초전도 상태로 회복되기까지 비교적 긴 회복시간이 걸리게 되어 기존의 차단기와 같은 보호장치와 연계동작시 이들 보호장치들이 재투입되었을 때 계통에 영향을 주게 된다. 이와 같이 계통의 선로에 직접 초전도 전류 제한기를 적용했을 때 야기되었던 문제점들을 계통의 중성선에 적용함으로써 해결할 수 있는 방안을 제안하고 한다.

본 발명은 초전도 전류제한기를 전력계통의 중성선에 설치함으로써 삼상지락고장과 같은 대칭지락고장에 비해 보다 많은 발생회수를 갖는 비대칭 지락고장에 대해 전류제한 동작이 가능하기 때문에 초전도 전류제한기 활용측면에서 보다 유리하며, 기존의 각 상에 설치하는 방안보다 초전도 소자의 개수와 용량을 감소시킬 수 있으며, 고장제거후에는 초전도 전류제한기에 전류가 도통되지 않게 되므로, 고장제거시 회복시간 또한 크게 단축되는 장점을 가지게 된다. 이에 따라, 고장발생시 기존의 보호장치인 차단기의 반복적인 트립과 재투입동작에 대해 연계동작이 가능한 특징을 가지고 있다.

본 발명은 Y 결선된 중성선 접지를 갖는 전력계통에 초전도 전류제한기의 적용위치로 선로대신에 중성선에 설치하여 비대칭성분을 갖는 지락전류로부터 전력계통을 보호하는 방안에 관한 것이다. 이때, 초전도 전류제한기는 지금까지 개발된 여러 종류의 초전도 전류제한기(저항형, 유도형, 정류형 등)중 하나로 대체가 가능하며, 비교적 발생회수가 빈번한 일선 지락고장과 이선 지락고장에서는 비대칭성분의 전류가 중성선에 흐르게 되어 중성선에 설치된 초전도 전류제한기가 동작하여 고장전류를 제한할 수 있다. 또한, 중성선에 설치한 초전도 전류제한기를 구성하는 초전도 소자의 quench 발생시점을 용이하게 조절하기 위한 방안으로 절연변압기의 1차측을 중성선에 직렬로 연결하고 2차측에 초전도 전류제한기를 연결하는 구조와 중성선을 갖지 않는 계통의 경우, 비대칭 성분을 갖는 고장전류를 제한하기 위한 방안으로 삼상의 각 상에 직렬변압기의 1차측을 각각 연결하고 각각의 직렬변압기 2차측은 초전도 전류제한기와 함께 서로 직렬로 연결한 구조로도 확장하여 적용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

그 밖에, 삼선 지락고장과 같은 삼상 대칭고장에 대해서도 고장전류를 제한할 수 있는 방안이 필요할 경우, 중성선에 초전도 전류제한기를 설치함과 동시에 삼상 중 하나의 상에 초전도 전류제한기를 추가로 설치함으로써 비대칭 지락고장뿐 아니라 삼상 지락고장과 같은 삼상 대칭고장으로부터도 계통을 보호할 수 있다.

본 발명에 의하면 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하면 보다 빈번히 발생하는 비대칭 지락고장에 대해 기존의 선로에 초전도 전류제한기를 직접 적용하던 방안보다 초전도 전류제한기의 개수와 용량측면에서 부담을 줄임과 동시에 전류제한 동작이 가능한 방안으로, 고장제거와 동시에 초전도 전류제한기의 초전도 상태로의 회복도 즉시 이루어져 기존의 차단기와 같은 보호장치의 재투입시간에도 제한받지 않고 연계동작이 가능한 장점을 갖는다.

본 발명에 의한 전력계통의 중성선에 하나의 초전도 전류제한기를 적용한 보호방식의 구성은 Y결선된 중성선접지를 갖는 전력계통의 각 상에 계통전원과 부하가 연결되고, 중성선에 초전도 전류제한기가 연결된 구조를 갖는다.

본 발명에 의한 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용한 보호방식의 동작 을 설명하면 다음과 같다.

전력계통의 중성선에 설치된 초전도 전류제한기는 평상시에는 저항이 영이 되며, 따라서 초전도 전류제한기 양단의 전압도 영이 된다. 이때, 삼상중 하나 또는 두 개의 상에서 지락고장이 발생하게 되면 선로에는 비교적 큰 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 중성선에는 비대칭 성분의 고장전류가 흐르게 된다. 이때, 중성선에 흐르는 비대칭 성분의 고장전류가 초전도 전류제한기를 구성하는 초전도 소자의 임계전류값을 넘게 되면 초전도 소자의 quench로 인해 저항이 발생하게 되고 이 저항에 의해 단락된 상에 흐르는 고장전류가 제한된다. 또한, 초전도 전류제한기를 계통의 중성선에 적용할 경우 고장이 제거되면 중성선에는 전류가 흐르지 않게 되므로 초전도 전류제한기는 고장제거와 동시에 초전도 상태로 신속히 회복되는 동작을 보여준다. 반면에, 계통의 선로에 초전도 전류제한기를 적용하는 기존의 방안의 경우에는 고장이 제거되어도 초전도 전류제한기에 선로전류가 직접 도통하기 때문에 초전도 상태로 회복되기까지 상당히 긴 시간이 걸리게 되어 고장제거직후에도 고장상의 부하전압이 평상시보다 강하되어 나타나는 현상이 발생하게 된다.

첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.

[도 1]은 초전도 전류제한기를 삼상 각 상에 직접 적용한 기존의 고장전류 제한 방안으로, 각 상의 지락고장 전류를 제한하기 위해서는 기본적으로 세대의 초전도 전류제한기가 필요하다. 삼상중 임의의 상에서 지락고장이 발생하면, 고장전류가 지락고장이 발생한 상에 설치된 초전도 전류제한기를 구성하는 초전도 소자의 임계전류값을 넘게 되어 지락고장이 발생한 상에 있는 초전도 전류제한기가 동작하 게 되며, 고장이 제거된 후에도 초전도 전류제한기가 초전도 상태로 회복되기까지 긴 회복시간이 요구된다. 이로 인해, 고장이 제거되더라도 초전도 전류제한기가 완전히 초전도 상태로 회복되기전까지 고장상의 부하전압이 평상시 전압보다 강하되어 나타나게 된다.

[도 2]는 초전도 전류제한기를 계통의 각 상에 설치한 경우로, a상에서 일선지락이 발생한 경우, 고장상에 흐르는 전류와 고장상의 부하전압파형을 보여준다. a상에서 고장발생과 동시에 a상 전류가 크게 상승하지만 a상에 설치된 초전도 전류제한기의 저항발생으로 a상 전류가 신속히 제한되는 것을 볼 수 있다. 또한, 고장이 제거된 후에는 초전도 전류제한기가 초전도 상태로 회복되면서 평상시 전압보다 강하되어 나타났던 고장상의 부하전압이 평상시 전압의 크기로 점차 회복되는 것을 확인할 수 있다.

[도 3]과 [도 4]는 초전도 전류제한기를 계통의 각 선로에 설치한 경우, a 상과 c상에서 이선지락 고장이 발생한 경우와 a, b, c 세 개의 모든 상에서 삼선지락 고장이 발생한 경우에 대한 상전류와 부하전압파형을 각각 보여준다. [도 2]의 a상에서 일선지락고장이 발생한 경우에서처럼 고장이 발생한 상의 전류가 크게 상승되지만 각 상에 설치된 초전도 전류제한기에 의해 즉시 제한되는 것을 볼 수 있으며, 고장이 제거된 경우 고장상에 해당되는 부하전압이 평상시 전압크기로 회복되기까지 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있다.

[도 5]는 본 발명에서 제안한 중성선에 초전도 전류제한기를 직접 적용하여 비대칭 성분을 갖는 고장전류를 제한하기 위한 방안이다. a, b, c상 중에서 하나 또는 두개의 상에서 지락고장이 발생하면 중성선에 비대칭성분의 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 초전도 소자의 임계전류값을 초과하면 저항이 발생되며, 비대칭 성분의 고장전류가 제한됨에 따라 고장상의 고장전류가 제한되는 방식이다. 이때, 고장이 제거된 후에는 초전도 전류제한기에는 전류가 흐르지 않기 때문에 초전도 상태로의 회복이 빠르게 진행되어 고장제거와 동시에 고장상의 부하전압이 평상시 전압크기로 즉시 회복되는 장점을 가지고 있다.

[도 6]과 [도 7]은 중성선에 초전도 전류제한기를 직접 적용한 경우 a상과 a, c상에서 각각, 일선 지락 및 이선 지락 고장발생시 선로전류와 부하전압파형을 보여준다. 고장이 발생하면 비대칭 성분의 전류가 중성선에 도통하게 되며 이로 인해 중성선에 설치된 초전도 전류제한기의 저항발생으로 고장선로의 전류가 제한되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 고장이 제거되면, 초전도 전류제한기를 선로에 직접 적용했던 기존의 방안([도 1])과는 달리 고장상의 부하전압이 고장제거와 동시에 평상시 전압크기로 신속히 회복되는 것을 볼 수 있다.

[도 8]은 전력계통의 중성선에 절연변압기와 초전도 전류제한기를 적용하여 비대칭성분을 갖는 지락고장전류를 간접적으로 제한하기 위한 방안의 예를 보여주며, 절연변압기의 1차와 2차 권선의 권선비를 조절함으로써 비대칭 지락고장발생시 제한기 동작전류와 중성선에 투입되는 초전도 전류제한기의 저항크기를 조절할 수 있다.

[도 9]는 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하여 비대칭성분을 갖는 지락고장전류 뿐 아니라 대칭성분을 갖는 고장전류에 대해서도 전류제한 동작 을 위한 방안의 예를 보여주며, 중성선에 초전도 전류제한기를 설치함과 동시에 삼상 중 하나의 상에 초전도 전류제한기를 추가로 설치함으로써 비대칭 지락고장뿐 아니라 삼상 지락고장과 같은 삼상 대칭고장으로부터도 계통을 보호할 수 있다.

[도 10]은 중성선을 갖지 않는 비접지 전력계통에서 비대칭성분을 갖는 고장발생시 초전도 전류제한기를 적용하여 고장전류를 제한하기 위한 방안의 예를 보여준다. 삼상의 각 상에 직렬변압기의 1차측을 연결하고 각각의 직렬변압기 2차측은 서로 직렬로 연결하되 초전도 전류제한기와 함께 연결되는 구성을 가지고 있으며, 직렬변압기의 1차와 2차 권선비를 조절함으로써 비대칭 지락고장 발생시 초전도 전류제한기의 동작전류와 저항크기를 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다.

[도 1]은 전력계통의 각 상에 초전도 전류제한기를 적용한 기존의 고장전류제한 방안.

[도 2]는 전력계통의 각 상에 초전도 전류제한기를 적용한 경우, 일선 지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형.

[도 3]은 전력계통의 각 상에 초전도 전류제한기를 적용한 경우, 이선 지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형.

[도 4]는 전력계통의 각 상에 초전도 전류제한기를 적용한 경우, 삼선 지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형.

[도 5]는 본 발명에서 제안한 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하여 비대칭성분을 갖는 고장전류를 제한하기 위한 방안(직접 동작하는 방안).

[도 6]은 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용한 경우 일선 지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형.

[도 7]은 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용한 경우 이선 지락 고장시 부하전압과 선로전류 파형.

[도 8]은 전력계통의 중성선에 절연변압기와 초전도 전류제한기를 적용하여 비대칭 성분을 갖는 지락고장전류를 간접적으로 제한하기 위한 방안의 예.

[도 9]는 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하여 비대칭성분을 갖는 지락고장전류 뿐 아니라 대칭성분을 갖는 지락고장전류에 대해서도 전류제한 동작을 위한 방안의 예.

[도 10]은 중성선을 갖지 않는 비접지 전력계통에서 비대칭성분을 갖는 고장발생시 초전도 전류제한기를 적용하여 고장전류를 제한하기 위한 방안의 예.

< 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 >

E_a, E_b, E_c : 계통전원 전압

Z_a, Z_b, Z_c : 선로 임피던스

Z_L ^a, Z_L ^b, Z_L ^c : 부하 임피던스

SFCL_a, SFCL_a, SFCL_a, SFCL_n : 초전도 소자

i _a, i _b, i _c : 상 전류

v ^a _L , v ^b _L , v ^c _L : 부하 전압

N₁ : 1차 권선 수

N₂ : 2차 권선 수

Claims (5)

1. 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한 고장전류 제한 방법에 있어서,

   Y결선된 중성선접지를 갖는 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기를 적용하여 일선지락 또는 이선지락 고장과 같은 비대칭 지락고장으로부터 비대칭 고장전류를 제한하며, 삼상 대칭지락고장에 대해서도 전류제한 동작을 위한 방안으로, 삼상 중 임의의 한 상에 초전도 전류제한기를 추가로 설치하여 전력계통의 대칭성분을 갖는 단락 및 지락고장에 대해서 임의의 한 상에 연결된 초전도 전류제한기로 비대칭 성분의 고장전류를 만들어 중성선에 적용된 초전도 전류제한기가 동작하여 고장전류를 제한하고, 절연변압기를 이용하여 절연변압기의 1차측과 2차측에 상기 중성선과 초전도 전류제한기를 각각 연결하여, 비대칭 지락성분을 갖는 고장전류로부터 초전도 전류제한기의 간접적인 전류제한 동작이 가능하며, 상기 절연변압기의 1차와 2차 권선비를 조절함으로써 비대칭 지락고장 발생시 중성선에 투입되는 초전도 전류제한기의 저항크기와 제한기의 동작전류 크기를 조절하는 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한 고장전류 제한 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한 고장전류 제한 방법에 있어서,

   △결선된 부하와 같이 중선선이 없는 전력계통에 초전도 전류제한기를 적용하여 삼상 비대칭 지락고장에 대해 전력계통을 보호하기 위한 방안으로, 삼상 각 상에 직렬변압기의 1차측을 연결하고 각각의 직렬변압기 2차측을 하나의 초전도 전류제한기와 함께 직렬로 연결하여, 정상상태에서 1차측의 대칭성분의 전류에 의하여 초전도 전류제한기가 결선된 직렬변압기 2차측에서 전류제한 없이 부하에 전류를 공급하고, 1차측에서 고장발생시 △결선된 부하회로에 고장전류가 흐르고, 직렬변압기에 의하여 초전도 전류제한기가 연결된 2차측 회로에서 저항이 발생하여 전류를 제한하여 1차측의 고장전류를 저감하는 동작을 하되, 직렬변압기의 1차와 2차 권선비를 조절함으로써 중성선이 없는 전력계통에서 비대칭 지락고장 발생시 초전도 전류제한기 동작전류와 저항크기를 조절하는 전력계통의 중성선에 초전도 전류제한기의 적용을 통한 고장전류 제한 방법.

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