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문제 정의
- 외국의 경우도 비슷하지만 특히 국내의 경우는 그 적용에 있어서 기술의 정확한 이해와 적용 규정 및 규격에 대하여 근거 없이 선진사에서의 적용사례를 모두 인정하여 설치 및 운영하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 직류보호계통의 발전과정, 보호개 념을 분석하여 직류전기철도 급전보호계통에서 가장 중 요하고, 필수적으로 적용되는 고장선택계전기가 탑 재된 직류보호제어장치를 개발한 내용의 전반에 대하여 기술하였다. 고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다.
- 본 연구에서는 전기철도의 직류급전계통의 단락 특성을 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 알고리즘을 제시하여 이를 적용한 보호계전장치를 개발한 과정을 기술하였다. 또한 이 과정에서 불분명하고 제시되지 않은 각종 기술규격 및 규정을 체계화하였다.
제안 방법
- 개발 직류보호제어장치는 전력 IT화와 복잡 다양 해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하 도록 40여개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다. 또한 표준화된 통신을 통하여 정보 및 데이터 교환 이 가능하도록 하였으며, 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능, 고 장선택 계 전기 능, 과전류계 전기 능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다[9, 10, 11].
- 또한 직류보호계전장치의 보호원리를 제 안하였으며, 특히 계전기기능 중 가장 중요한 고장 선택계전기(50F)의 계전 알고리즘을 제안하여 개발 하고 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운 전 중이다. 개발과정에서 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다. 따라서 대중교통 인 전기철도 보호계통 관련한 연구개발 및 관련 산 업계에 종사하는 사람에게 많은 참고가 될 것으로 사료된다.
- 본 논문에서는 직류보호계통의 발전과정, 보호개 념을 분석하여 직류전기철도 급전보호계통에서 가장 중 요하고, 필수적으로 적용되는 고장선택계전기가 탑 재된 직류보호제어장치를 개발한 내용의 전반에 대하여 기술하였다. 고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다. 이 과정에서 관련된 필수 요구조건, 규 정 및 규격 등을 포함하여 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다.
- 극단적인 근거리 고장과 원거리 고장도 검출하여 보호기능을 수행할 수 있도록 알고리즘이 작성되었다. 특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다.
- 전철용 직류급전시스템의 경우 그 특성상 시스템 보호 및 인명보호 측면에서 차단기를 투입하기 이전에 부하전력회로의 단락상태 이상유무의 확인이 필요하다. 따라서 그림 11과 같이 병렬로 시험회로를 구성하였으며 설정된 시간동안 선로시험 저항을 설 치하여 적정한 시험전류를 흘리고 보호제어장치로 입력되는 전류 및 전차선에 인가되는 전압값을 분석하여 고속도 차단기의 투입여부를 결정하였다.
- 선진사의 경우도 특성시험항목의 경우, 자체적인 장비와 기준으로 인증을 하고 있는 실정이다. 따라서 적용 가능한 규정은 우선순위가 가장 높은 Product Standard IEC 60255(Electrical Relay)series와 일반규정인 Basic Standard IEC 61000-4 series를 적용하였으며 적용이 곤란한 경우 AC계전기의 특성시험에 준하는 시험방식으로 시험 장비를 선정하여 공인시험을 수행하였다{12, 13]. 시 험은 보호계전 특성시험과 EMC 시험이 이루어졌으 며, 상세한 시험내용과 방법 및 결과는 다음과 같다.
- 특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다. 또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다. 또한 고 신뢰성의 보호특성을 확보하고자 전류변화율 및 전류변화량에 대한 고장 전류를 판단하는 기법을 이중화 및 이를 확인하는 방법으로 보호알고리즘을 구현하였다.
- 또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다. 또한 고 신뢰성의 보호특성을 확보하고자 전류변화율 및 전류변화량에 대한 고장 전류를 판단하는 기법을 이중화 및 이를 확인하는 방법으로 보호알고리즘을 구현하였다.
- 본 연구에서는 전기철도의 직류급전계통의 단락 특성을 분석하였으며, 사고전류를 검출하는 알고리즘을 제시하여 이를 적용한 보호계전장치를 개발한 과정을 기술하였다. 또한 이 과정에서 불분명하고 제시되지 않은 각종 기술규격 및 규정을 체계화하였다.
- 각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다. 또한 표준화된 통신을 통하여 정보 및 데이터 교환 이 가능하도록 하였으며, 원격제어 및 감시가 가능하게 설계되었고 보호로직으로는 선로시험기능, 고 장선택 계 전기 능, 과전류계 전기 능이 탑재되어 있고 디지털 보호제어장치의 장점을 살려 향후 필요시 쉽게 확장이 가능하도록 설계 되었다[9, 10, 11].
- △【는 전류의 미분치가 양의 쪽으로 급변한 시점으로부터의 전류의 증분치를 보인 것으로 가 정정치를 넘지 않으면 사고가 아니라고 판정하여 운 전전류와 사고전류를 식별한다. 본 연구에서는 두 가지 요소를 모두 이용하여 고속도 차단기에 투입신 호를 출력하는 방식을 적용하였다. 그림 8에서 알 수 있듯이 근거리 사고의 경우 사고전류는 운전전류와 크기나 기울기 면에서 확실한 차이를 보여 쉽게 구 분이 가능하나 원거리 사고나 고저항 사고의 경우는 운전전류와 고장전류의 판별이 곤란한 경우가 발생 될 수 있으므로 보호 계전시 반드시 고려되어야 할 부분이다.
- 직류 급전 시스템의 과전류 보호는 그림 13과 같은 보호곡선을 사용하였다. 부하전류와 최대고장전 류의 비(I/I氐max)에 대하여 시간요소(t)의 범위를 조정하여 보호영역을 결정하게 되며, 일반적으로 과 부하 보호용과 이보다 신속히 동작해야 할 단락보호 용의 시간 차이를 반영하기 위해 동작시간이 다른 2 개 시간영역으로 나뉘어 설정하도록 설계하였다.
- 전기철도의 동적부하 특성을 효과적으로 분석하여 고장전류와 운전전류를 구분하기 위해 di/dt [A/ms] 와 AI[A]를 이용하였다. 순시변화율, 순시변 화량 순시시간지연, 한시변화율, 한시변화량, 한시 시간지연 등의 항목을 선로의 조건에 맞게 설정하여 입력할 수 있도록 하였으며, 단거리사고와 원거리사 고(고저항사고)에 효율적으로 대응할 수 있도록 설 계하였다.
- 고장선택 계 전기의 계 전알고리즘을 도출하기 위하여 급전회로의 이론적 분석 및 실 측된 데이터에 의한 사고전류를 분석하였으며, 고장 검출 개념 및 알고리즘을 도출하여 보호계전장치를 개발하였다. 이 과정에서 관련된 필수 요구조건, 규 정 및 규격 등을 포함하여 특성시험과 EMC 시험 규 정 중 일부항목에 대해 시험방법이 제정되어있지 않 아 IEC 규정의 분석을 통하여 객관적이고 타당한 시 험장비 및 시험방법을 제안하였다.
- 전기철도의 동적부하 특성을 효과적으로 분석하여 고장전류와 운전전류를 구분하기 위해 di/dt [A/ms] 와 AI[A]를 이용하였다. 순시변화율, 순시변 화량 순시시간지연, 한시변화율, 한시변화량, 한시 시간지연 등의 항목을 선로의 조건에 맞게 설정하여 입력할 수 있도록 하였으며, 단거리사고와 원거리사 고(고저항사고)에 효율적으로 대응할 수 있도록 설 계하였다.
- 직류 급전 계통에 적용되는 직류보호제어장치는 핵심요소기술로 그 공개도 제한되어 많은 자료가 없 을 뿐만 아니라, 관련된 명확한 규정 및 규격이 없었 기 때문에 개발과정에서 적용한 규정 및 규격을 정 리하였다. 또한 직류보호계전장치의 보호원리를 제 안하였으며, 특히 계전기기능 중 가장 중요한 고장 선택계전기(50F)의 계전 알고리즘을 제안하여 개발 하고 이를 경북 경산 경전철 시험선에 설치하여 운 전 중이다.
- 표 8은 공인시험에 적용된 대표적인 EMC시험의 방법 및 기준이다[12, 13]. 직류계전기 공인시험으로 Electrostatic discharge시험, burst distu- rbance시험, EFT burst시험, 전자파방사 내성시험, Combined surge 시험, 뇌임펄스 내전압시험, 진동시 험, 충격시험, 항온조 시험 등이 수행되었다. 내 환경 시험은 일반 AC계전기와 동일한 시험방법과 기준을 적용하였다.
- 특성시험 중 선로시험기능, 고장선택기능에 사용한 장비는 함수 발생기, 전원 시뮬레이터, 펄스 유니 버셜 테스트 시스템, 오실로그라프 및 2552 직류전 원 기준발생기 등을 사용하였으며 결선 회로도는 그림 14, 15와 같다.
- 극단적인 근거리 고장과 원거리 고장도 검출하여 보호기능을 수행할 수 있도록 알고리즘이 작성되었다. 특히 운전전류로부터 고장전류를 정확히 판별하여 보호계전기능의 신뢰도를 향상시키고 소기의 목 적을 달성하고자, 전류의 검출에서부터 검출오차를 줄이고 내 노이즈성을 확보하여 신뢰도를 증가시키 는 방법을 고려하였다. 또 전류검줄에 있어서 전류 의 특성에 맞춰 샘플링 함으로서 검출오차를 줄이는 기법도 적용하였다.
대상 데이터
- 개발 직류보호제어장치는 전력 IT화와 복잡 다양 해진 시스템의 특성을 모두 고려하여 동작이 가능하 도록 40여개의 입출력 제어/감시 신호를 사용하였다. 각 배전반별 인터록신호를 포함하여 중고장신호 화재감지신호 차단기, 단로기의 상태신호등 다양한 정보들이 모두 입력되며 단순한 스위치 동작 (OWOFF)시에도 해당 인터록 신호의 확인을 거친 후 동작이 수행되고 보호로직 동작중이라도 우선순 위가 높은 트립 인터록 신호가 입력되면 시스템 보 호루틴이 구동되도록 설계되어 안전을 고려하였다.
- 실제 사고전류에 의한 특성을 정확히 파악하고자 첫 번째 자료로서 홍콩의 MTRC 경전철의 시운전시 전원으로부터 2.28[km] 지점의 사고전류를 분석하 였으며 실측 파형은 그림 5와 같다[5]. 표 1을 통하여 상세히 알 수 있듯이 시간대별로 시정수가 달라지며 사고전류의 지속시간은 약 42.
성능/효과
- (2) 사고전류의 는 부하전류의 보다 일반적으로 크다.
- (3) 사고시 전류변화율(di/dt)은 급전회로의 인덕 턴스에만 지배를 받으며, 부하시 전류변화율(di/dt) 은 급전회로와 모터 인덕턴스의 합에 지배를 받아, 사고시보다 변화율이 작게 된다. 즉 급전 회로내에서 시시각각 변화하는 부하전류나, 사고전류의 성질 을 조사하면, 어떤 전류의 값에서 다음 전류의 값으 로 변화 할 때의 의 크기를 비교하는 경우 부하전 류보다도 사고전류 쪽의 값이 일반적으로 크다.
- 고속도 차단기가 실용화된 이후 많이 적용되어 왔으나, 고속도 차단기만에 의한 보호는 부하전류 증대에 동반하여 고속도차단기의 정정치 상승으로 점점 곤란하게 되었다. 즉, 사고전류가 작은 경우 (원거리 사고, 고저항 접지사고)와 수송량의 증대 로 인하여, 부하전류의 증가는 고속도차단기만으 로 확실한 보호가 되지 않아 정정치와 선택율로 정 해진 일정치 이상의 전류에서는 고장을 검출하는 단점을 보완하게 되었다. 즉 그 결과로서 선택고장 보호장치(이하 50F 계전기라고 칭함)는 선로전류 의 절대치에 무관하게 고장시의 전류변화를 검출 하는 것으로, 고속도차단기의 정정치가 단위 부하 전류보다 크게 될수록 그의 성능을 발휘하게 되는 것이다.
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