철도 고압배전선로의 경우 궤도를 따라 양방향으로 선로연변에 통신 및 신호설비와 병행하여 가공 또는 지중선로로 설치되어 있다. 가공선로의 경우에는 대기중에 노출되어 있어 뇌격, 폭풍우, 염해 등 자연현상으로 인한 고장발생이 다수 발생하고 있으며, 이에 따른 보호장치의 오 부동작이 빈번하게 발생하고 있다. 철도 고압배전선로에서 발생하는 사고 중 가장 많은 것은 1선 지락이지만 이밖에 선간 단락, 심할 경우에는 3선 지락(단락)으로까지 진전되는 사고가 있을 뿐만 아니라 단선 사고까지 발생하는 경우도 있다. 따라서 사고를 방지하기 위해서는 보다 상세한 점검보수가 필요하며, 고장발생시 조기발견과 신속한 고장처리는 철도안전수송에 중요하다. 본 논문에서는 철도 고압배전계통의 주류를 이루게 될 22.9[kV] 직접접지 계통을 대상으로 고장 발생시 고장 위치를 신속하게 표정할 수 있는 고장점 표정 알고리즘 개발을 위해 22.9[kV] 고압배전계통을 모델링 하여 특성해석과 고장해석을 수행하였고, 정확한 고장점 표정이 가능한 반복계산법을 이용한 알고리즘을 제시하였으며, 사례연구를 통해 성능을 입증하였다.
철도 고압배전선로의 경우 궤도를 따라 양방향으로 선로연변에 통신 및 신호설비와 병행하여 가공 또는 지중선로로 설치되어 있다. 가공선로의 경우에는 대기중에 노출되어 있어 뇌격, 폭풍우, 염해 등 자연현상으로 인한 고장발생이 다수 발생하고 있으며, 이에 따른 보호장치의 오 부동작이 빈번하게 발생하고 있다. 철도 고압배전선로에서 발생하는 사고 중 가장 많은 것은 1선 지락이지만 이밖에 선간 단락, 심할 경우에는 3선 지락(단락)으로까지 진전되는 사고가 있을 뿐만 아니라 단선 사고까지 발생하는 경우도 있다. 따라서 사고를 방지하기 위해서는 보다 상세한 점검보수가 필요하며, 고장발생시 조기발견과 신속한 고장처리는 철도안전수송에 중요하다. 본 논문에서는 철도 고압배전계통의 주류를 이루게 될 22.9[kV] 직접접지 계통을 대상으로 고장 발생시 고장 위치를 신속하게 표정할 수 있는 고장점 표정 알고리즘 개발을 위해 22.9[kV] 고압배전계통을 모델링 하여 특성해석과 고장해석을 수행하였고, 정확한 고장점 표정이 가능한 반복계산법을 이용한 알고리즘을 제시하였으며, 사례연구를 통해 성능을 입증하였다.
High voltage distribution lines in the electric railway system placed according track with communication lines and signal equipments. Case of the over head lines is occurrence the many fault because lightning, rainstorm, damage from the sea wind and so on. According this fault caused protection devi...
High voltage distribution lines in the electric railway system placed according track with communication lines and signal equipments. Case of the over head lines is occurrence the many fault because lightning, rainstorm, damage from the sea wind and so on. According this fault caused protection device to wrong operation. One line ground fault that occurs most frequently in railway high voltage distribution lines and sort of faults is line short, three line ground breaking of a wire, and so on. For this reason we need precise maintenance for prevent of the faults. The most important is early detection and fast restoration in time of fault for a safety transit. In order to develop an advanced fault location device for 22.9[kV] distribution power network in electric railway system this paper deals with new fault locating algorithm using flow technique which enable to determine the location of the fault accurately. To demonstrate its superiorities, the case studies with the algorithm and the fault analysis using PSCAD/EMTDC (Power System Computer Aided Design/Electro Magnetic Transients DC Analysis Program) were carried out with the models of direct-grounded 22.9[kV] distribution network which is supposed to be the grounding method for electric railway system in Korea.
High voltage distribution lines in the electric railway system placed according track with communication lines and signal equipments. Case of the over head lines is occurrence the many fault because lightning, rainstorm, damage from the sea wind and so on. According this fault caused protection device to wrong operation. One line ground fault that occurs most frequently in railway high voltage distribution lines and sort of faults is line short, three line ground breaking of a wire, and so on. For this reason we need precise maintenance for prevent of the faults. The most important is early detection and fast restoration in time of fault for a safety transit. In order to develop an advanced fault location device for 22.9[kV] distribution power network in electric railway system this paper deals with new fault locating algorithm using flow technique which enable to determine the location of the fault accurately. To demonstrate its superiorities, the case studies with the algorithm and the fault analysis using PSCAD/EMTDC (Power System Computer Aided Design/Electro Magnetic Transients DC Analysis Program) were carried out with the models of direct-grounded 22.9[kV] distribution network which is supposed to be the grounding method for electric railway system in Korea.
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문제 정의
본 논문에서는 철도 고압배전계통의 주류를 이루게 될 22.9[kV] 직접접지 계통을 대상으로 고장 발생 시 고장 위치를 신속하게 표정할 수 있는 고장점 표정 알고리즘 연구를 위해 22.9[kV] 고압 배전계통을 모델링 하여 특성해석과 고장해석을 수행하였고, 정확한 고장점 표정이 가능한 반복계산법을 이용한 알고리즘을 제시하였으며, 사례연구를 통해 성능을 입증하였다.
가설 설정
i) 고장발생 후 부하전류/以는 고장 발생 전인 입전류 L 와 같다고 가정한다.
제안 방법
3상4선식 22.9[kV] 직접접지방식의 고압 배전 계통 특성을 분석하기 위해 수도권내의 지상, 지하 구간을 대상으로 철도운영기관의 고압배전계통의 현황 및 역당 부하전력을 근거하여 2가지 배전계통에 대해 모델링을 수행하였다.
3절에서 기술한 방법을 이용하여 구한다. 그리고 계산된 고장점 인입단에서의 전압, 전류를 가지고 반복추정 기법을 적용하여 보다 정확한 고장 거리를 추정한다.
그리고 고장 발생 지점에 따라 변전소에서 계측되는 전압과 전류 크기의 변화를 비교하기 위해 전체 선로의 10[%], 30[%], 50[%], 70[%] 그리고 90[%] 지점에서 발생한 고장을 시뮬레이션 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 논문에서는 전력계통 과도해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 22.9[kV] 접지계통을 모델링하였다. 그림 1~3은 전원계통 및 변전소와, 역사 및 부하, 그리고 가공배전선로를 모델링 결과를 나타낸 것이다.
과정이다. 처음으로 변전소 인출 단에서 측정된 전압, 전류 데이터를 이용하여 고장 거리를 계산하고, 계산된 고장거리와 첫 번째 구간의 거리를 비교한다. 계산된 고장거리가 클 경우 다음 노드로 이동하여 전압, 전류를 업 데이트하고, 이 데이터를 이용하여 고장 거리를 다시 구한 후 다음 구간의 거리와 비교하는 과정을 반복한다.
추출한 고장데이터의 고조파 성분의 영향을 제거하기 위해서 270旺]의 차단특성을 가진 2차 Butter -worth 필터를 이용하였으며 DFT(Discrete Fourier Transform)필터를 이용하여 순시값으로부터 전압과 전류신호의 페이저 값을 추출하였다.
대상 데이터
고장발생시 철도 고압배전계통에서의 전압, 전류의 변화를 분석하고자 위에서 제시한 Case 1(수도권 전철 지하구간)을 대상으로 1선 지락고장, 2선 단락 고장, 3선 단락(지락)고장에 대해 시뮬레이션 하였다. 그리고 고장 발생 지점에 따라 변전소에서 계측되는 전압과 전류 크기의 변화를 비교하기 위해 전체 선로의 10[%], 30[%], 50[%], 70[%] 그리고 90[%] 지점에서 발생한 고장을 시뮬레이션 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
반복계산법을 이용한 고장점 표정장치의 성능을 검증하기 위해서 철도 고압배선계통의 수도권 지하 전철 구간을 대상으로 표 9와 같이 고장상, 고장거리, 그리고 고장저항의 크기를 변화시키면서 60가지의 고장 데이터를 추출하였다.
이론/모형
본 연구에서 제시한 반복계산법을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
i) 고장저항의 크기가 커질수록 표정오차가 증가한다
ii) 변전소로부터 고장 위치가 멀어질수록 표정 오차가 증가한다.
표정시 오차가 크게 발생하고 있다. 또한 변전소로부터 고장거리가 멀어질수록, 그리고 고장저항의 크기가 커질수록 오차가 증가함을 알 수 있다. 하지만 대체적으로 반복계산법을 이용한 고장점 추정 시에 단상부하로 인한 계통의 불평형이나 고장저항의 크기에 크게 영향 받지 않고 정확하게 고장점을 표정할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
그러나 전반적으로 표정오차가 최대 2.05[%] 이내이므로 제안한 반복계산법을 적용함으로써 22.9[kV] 직접 접지방식의 고장점 표정은 우수하다고 판단되며, 본 연구에서 제시한 반복계산법 알고리즘을 적용하게 되면 철도 고압배전선로에서 고장발생시 정확한 고장지점의 표정으로 신속한 복구가 가능해 열차 안전운행에 크게 기여할 것으로 기대된다.
참고문헌 (8)
S..H. Chang, H..M. Lee et al 'Optimization of Protection System and Development of Diagnosis on the Electric Railway Equipment' KRRI Report pp.146-177, 2002. 3
'Protection of industrial and commercial electric power distribution system', Wisconsin University, 2003. 4
'き電 System 技術講座', 鐵道總合技術硏究所, 1995. 9
'電氣槪論 電燈電力シリ？ズ4, 配電線路設備', (社)日本 鐵道電氣技術協會, 1992
'A review of impedance-based fault locating experience', Iowa-Nebraska system protection seminar, October 1990
최면송 외 4인, '3상회로 직접해석에 의한 배전계통 1선 지락사고 고장거리 계산 알고리즘', 전기학회논문지, Vol.51, No.8, pp.409-416, 2002
최면송 외 4인, '3상회로 직접해석에 의한 송배전계통 선간단락 사고 고장거리 계산 알고리즘', 전기학회논문지, Vol.51, No.9, pp.467-473, 2002
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