선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 또한, 케이블 메이커나 설계/제조 공정에 따라서 변화 될 수 있는 지중 송전 케이블의 열 정수를 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기충 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 보정하였다. 연구의 결과에 따라서 구현된 시스템을 345kV XLPE 케이블을 대상으로 실증한 결과를 소개한다.
가설 설정
- 정상 상태에서는 100%의 부하율을 가정하여 열 용량에 의한 온도 응답 특성을 고려하지 않고, 그림 3과 같이 열 저항만으로 이루어진 열 모델을 사용한다. 정상 상태에 대한 열모델은 100% 부하율을 가정하기 때문에 지중 송전 케이블이 무한 시간 동안 최악의 조건을 가정하여 흘릴 수 있는 최대전류 계산 시에 사용하며 식 (1)에 의하여 구할 수 있다[7].
제안 방법
- 지중 송전 케이블이 전력구에 포설되어 있는 상태를 모의하기 위하여 크리트와 지지대를 사용한 고정 방식으로 포설하였다. 5,000 [A]의 전류를 흘릴 수 있는 CT(Current Transformer)를 사용하여 전류를 통전하였으며, 전류의 크기는 0.1초 간격으로 얻어진 데이터를 1분 간격으로 적분 평균하여 입력 데이터로 사용되었다. 그림 7에 실험 장비의 구성을 나타내었다.
- 이와 더불어 전력구 내의 대기 열 정수 측정 및 부하전류의 취득을 위해서 PLC 를 사용하였고 PLC와 본체와의 통신은 Ethernet 광전송장비로 구성하였다. 데이터 취득 시스템으로 얻어진 데이터는 OPC(OLE for Process Control) 모듈을 통하여 GUI로 처리 하였다.
- 사용하였다. 또한, 케이블 메이커나 설계/제조 공정에 따라서 변화 될 수 있는 지중 송전 케이블의 열 정수를 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기충 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 보정하였다. 연구의 결과에 따라서 구현된 시스템을 345kV XLPE 케이블을 대상으로 실증한 결과를 소개한다.
- 보정 계수의 산출은 그림 5에 나타낸 열 모델의 vl에 해당하는 지중 송전 케이블 도체에 대한 추정 온도와 측정 온도를 비교하여 추정 오차가 정해진 과도/정상 상태에서 모두 ±1.5 [℃] 이내인 조건을 만족할 때까지 조정을 반복하여 구하였다.
- 실제로 현장에 포설되는 지중 송전케이블은 삼상 배치를 가지고, 대기 온도조건 40 [°C], 유전체손실에 의한 온도 상승분 약 5 [℃], 회로 손실 5 [%] 등이 고려되기 때문에 정격 전류가 1,050 [A]로 비교적 낮지만 실험에 사용된 지중 송전 케이블은 단상 배치이고 유전체 손실과 회로 손실이 없으며 대기 온도가 30 [℃] 미만이기 때문에 정격 전류가 비교적 높다. 본 연구에서는 예비실험을 거쳐 정격 전류를 2,200 [A]로 정하였다. 적절한 실험 시간을 결정하기 위하여 케이블의 시정수를 케이블 각층의 열 저항 및 열 용량 그리고 각 층별 체적을 고려하여 계산하였다.
- 3 [h]가 된다. 스텝 전류의 입력 시간은 1차 시스템의 시간 영역에서의 단위 스텝 응답 이론을 사용하였고, 시스템 안정화 시간이 시정 수의 4배인 13.2이므로 여유를 고려하여 16시간 이상으로 정하였다.
- 1 절과 같이 구성된 시스템의 성능 시험을 실시하였다. 시스템의 성능을 평가하는 기준은 지중 송전 케이블 도체 온도와 케이블 표면 온도의 측정 값과 계산 값의 오차가 ± 1.5 [℃] 이내인지의 여부로 하였다. 전류의 통전은 초기값의 수렴 시간 및 안정화 시간을 고려하여 17시간 단전, 16시간 통전, 17시간 단전 후 통전을 지속하는 순서로 제어하였다.
- 실험 값과 추정 값을 비교하였다. 열 정수의 보정은 지중 송전 케이블의 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기층 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 실시하였다.
- 일반적으로 지중선로는 수 km 이상의 장거리이기 때문에 지중 송전 케이블의 표면 온도를 RTD 등 일반적인 온도 센서로 계측하는 것은 비용적인 측면에서 바람직하지 않다. 이 때문에 12 [km]까지의 거리에 있는 지중 송전 케이블의 표면온도를 1 [m] 의정밀도와 ± 1.0 [℃]의 정확도로 구할 수 있는 분포 온도 측정 시스템을 사용하여 선로 중 최고온도 구간(Hot spot)을 연속적으로 검출할 수 있도록 하였다. 이와 더불어 전력구 내의 대기 열 정수 측정 및 부하전류의 취득을 위해서 PLC 를 사용하였고 PLC와 본체와의 통신은 Ethernet 광전송장비로 구성하였다.
- 0 [℃]의 정확도로 구할 수 있는 분포 온도 측정 시스템을 사용하여 선로 중 최고온도 구간(Hot spot)을 연속적으로 검출할 수 있도록 하였다. 이와 더불어 전력구 내의 대기 열 정수 측정 및 부하전류의 취득을 위해서 PLC 를 사용하였고 PLC와 본체와의 통신은 Ethernet 광전송장비로 구성하였다. 데이터 취득 시스템으로 얻어진 데이터는 OPC(OLE for Process Control) 모듈을 통하여 GUI로 처리 하였다.
- 본 연구에서는 예비실험을 거쳐 정격 전류를 2,200 [A]로 정하였다. 적절한 실험 시간을 결정하기 위하여 케이블의 시정수를 케이블 각층의 열 저항 및 열 용량 그리고 각 층별 체적을 고려하여 계산하였다.
- 5 [℃] 이내인지의 여부로 하였다. 전류의 통전은 초기값의 수렴 시간 및 안정화 시간을 고려하여 17시간 단전, 16시간 통전, 17시간 단전 후 통전을 지속하는 순서로 제어하였다. 그림 12에 분포온도 측정시스템에 의해 케이블 선로의 최고 온도 구간을 검출하는 화면을 나타내었다.
- 지중 송전 케이블에 대한 열 정수의 초기치를 IEC287과 JCS168 등의 규격을 이용하여 구한 후, 실험을 통하여 보정하였다. 그림 6에 지중 송전 케이블 도체 온도 추정을 반복하여 지중 송전 케이블의 열 정수를 보정하는 순서도를 나타내었다[6].
- 25m로 정하였다. 지중 송전 케이블이 전력구에 포설되어 있는 상태를 모의하기 위하여 크리트와 지지대를 사용한 고정 방식으로 포설하였다. 5,000 [A]의 전류를 흘릴 수 있는 CT(Current Transformer)를 사용하여 전류를 통전하였으며, 전류의 크기는 0.
- 표 2에 나타낸 케이블의 열 정수를 정확한 값으로 보정하기 위해서, 정상 상태를 일정 시간동안 유지할 수 있는 시간인 16시간 동안 전류를 통전하고 난 후, 10시간 동안 단전하면서 실험 값과 추정 값을 비교하였다. 열 정수의 보정은 지중 송전 케이블의 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기층 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 실시하였다.
대상 데이터
- 그림 7에 실험 장비의 구성을 나타내었다. Point B에서 도체, 절연체 중심부, 절연체 외부, 알루미늄 시스, PVC 자켓 외부온도를 측정하여 계산 결과와의 비교 데이터로 사용했고, Point A와 C에서 각각 측정한 도체, PVC 외부 온도는 측정 오차를 예측하기 위한 참고 데이터로 사용하였다.
- 과도 상태에서의 송전 용량 산정 기술을 바탕으로 실시간 도체온도 추정 알고리즘을 연구하고 345kV XLPE 2,000mm2 단상 케이블을 대상으로 실험을 통하여 검증하였다. 지중 송전 케이블의 열 정수에 대해서 실시한 보정 실험에서는 도체의 전기 저항을 비롯한 지중 송전 케이블 각 구성 요소에서의 열적 계수가 국제 규격 값과 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다.
- 실험에 사용된 지중 송전 케이블의 길이는 양쪽 끝단에서의 열 전도에 의한 영향을 무시할 수 있도록 예비 실험을 통하여 25m로 정하였다. 지중 송전 케이블이 전력구에 포설되어 있는 상태를 모의하기 위하여 크리트와 지지대를 사용한 고정 방식으로 포설하였다.
이론/모형
- 二림 5에 나타낸 등가 회로에서, 각 노드의 온도는 Kirchhoff의 법칙을 사용하여 식 (2)와 같은 상태 방정식으로 구할 수 있다. 식 ⑵의 상태방정식을 이용하여 Runge-Kutta 4th법으로 해를 구하는 프로그램을 제작하였다.
- 본 연구에서는 정확도 및 신속성을 가지는 송전 케이블 도체 온도 추정을 위하여 집중 열 회로망 법 중 π형 등가 열모델을 사용하였다. 또한, 케이블 메이커나 설계/제조 공정에 따라서 변화 될 수 있는 지중 송전 케이블의 열 정수를 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기충 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 보정하였다.
- 수 있다. 식 ⑵의 상태방정식을 이용하여 Runge-Kutta 4th법으로 해를 구하는 프로그램을 제작하였다.
성능/효과
- 1) 집중 열 회로망 법 중 π형 등가 열 모델을 사용한 등가 모델의 효용성을 검증하였다.
- 16시간과 15시간 동안의 서로 다른 입력 전류 스텝에 대한 도체 온도 응답의 실측치와 계산치 간의 오차가 모두 기준치인 ± 1.5 [℃] 이내를 만족하였다. 수렴 시간은 약 2000 스텝 (30초 간격일 경우 약 16시간) 이내였다,
- 2) 분포 온도 측정 장치를 사용하는 시스템을 구성하여 경계조건을 대기 온도가 아닌 지중 송전 케이블 표면 온도로 구성할 수 있었으며 이를 통하여 측정이 난해한 대기 열 정수의 변화에 독립적인 시스템 구성이 가능하였다.
- 3) 케이블에 대한 열 정수 보정을 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기층 열 저항과 절연체의 열 용량, 그리고 지중 송전 케이블의 도체 전기 저항 값에 대해서 실험적으로 실시하여 도체 온도 추정 값의 오차 범위를 개선하였고, 목표 오차 범위인 ± 1.5 [℃]이내의 결과를 얻었다.
- 경계 조건을 미 설정 한 경우 대기 열 저항이 30% 증가할 경우, 도체 최대 온도가 3배 차이 났지만 경계 조건을 설정한 경우, 대기 열 저항의 변화 영향은 무시할 정도로 작은 값을 나타내어, 경계 조건을 설정하는 경우, 대기 열 저항의 변화에 영향 받지 않고 도체온도를 추정할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 실험 결과, 보정 이전에 나타낸 지중 송전 케이블 도체 온도의 경우, 측정 값과 계산 값의 최대 오차는 4.6 [℃]이고 3.3절의 보정 결과를 대입하여 계산한 결과는 그림 10-(b)와 같이 최대 오차 1.44 [℃]를 나타내어 단시간 응답에서도 보정 값이 유효함을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과, 시스템 네트워크 부하의 변동에 따라서 가변될 수 있는 데이터 취득 간격을 고려하여 설정한 5~30 초 간격의 계산 스텝의 차이에 추정 곡선이 발산하지 않았다. 16시간과 15시간 동안의 서로 다른 입력 전류 스텝에 대한 도체 온도 응답의 실측치와 계산치 간의 오차가 모두 기준치인 ± 1.
- 5℃이내의 결과를 얻을 수 있었으며 온도 상승과 더불어 온도 하강 시에도 조건을 만족하였다. 절연체 열 용량의 보정은 +4,000[J/K·m]이었고, 절연체 표면과 알루미늄 시스 사이의 공기층 열 저항에 대한 보정은 자켓 열 저항의 +10 [%] 수준이었으며 도체 전기 저항의 보정은 약 -3 [%] 수준이었다.
- 케이블을 대상으로 실험을 통하여 검증하였다. 지중 송전 케이블의 열 정수에 대해서 실시한 보정 실험에서는 도체의 전기 저항을 비롯한 지중 송전 케이블 각 구성 요소에서의 열적 계수가 국제 규격 값과 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다. 실제 계통에 적용할 수 있는 구조로 시험 장비를 구성하고 전력구를 모의하여 성능 시험을 실시한 결과,
후속연구
- 4) 본 연구를 통항여 개발된 시스템을 전력구에 포설된 지중·송전 케이블에 적용할 경우, 시간 별 최대 허용 전류를 지중 송전 케이블의 열적 상태에 따라서 실시간으로 산정할 수 있는 시스템(Dynamic Rating System)의 구축이 조기에 가능해 질 것으로 예상된다.1.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.