[논문]국내 초전도 한류기 요구와 하이브리드 초전도 한류기

현옥배; 김혜림; 임성우; 심정욱; 박권배; 오일성

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We present domestic efforts for superconducting fault current limiter (SFCL) application in the Korea Electric Power Corporation (KEPCO) grid and pending points at issue. KEPCO's decision to upgrade the 154 kV/22.9 kV main transformer from 60 MVA to 100 MVA cast a problem of high fault current in th...

We present domestic efforts for superconducting fault current limiter (SFCL) application in the Korea Electric Power Corporation (KEPCO) grid and pending points at issue. KEPCO's decision to upgrade the 154 kV/22.9 kV main transformer from 60 MVA to 100 MVA cast a problem of high fault current in the 22.9 kV distribution lines. The grid planners supported adopting an SFCL to control the fault current. This environment friendly to SFCL application must be highly dependent upon the successful development of SFCL having specifications that domestic utility required. The required conditions are (1) small size of not greater than twice of 22.9 kV gas insulated switch-gear (GIS), (2) sustainability of current limitation without the line breaking by circuit breakers (CB) for maximum 1.5 seconds. Also, optionally, recommended is (3) the reclosing capability. Conventional resistive SFCLs do not meet (1) $\sim$ (3) all together. A hybrid SFCL is an excellent solution to meet the conditions. The hybrid SFCL consists of HTS SFCL components for fault detection and line commutation, a fast switch (FS) to break the primary path, and a limiter. This characteristic structure not only enables excellent current limiting performances and the reclosing capability, but also allows drastic reduction of HTS volume and small size of the cryostat, resulting in economic feasibility and compactness of the equipment. External current limiter also enables long term limitation since it is far less sensitive to heat generation than HTS. Semi-active operation is another advantage of the hybrid structure. We will discuss more pending points at issues such as maintenance-free long term operation, small size to accommodate the in-house substation, passive and active control, back-up plans, diagnosis, and so on.

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문제 정의

본 논문은 국내 전력계통, 특히 한류기의 조기 활용이 기대되는 배전전압 계통에서 초전도 한류기 적용시 요구조건을 분석하고, 그에 적절한 한류기로서 하이브리드 초전도한류기가 현재 개발 되고 있는 형식 중에서는 유일한 해법임을 보일 것이다. 그리고 국내 고유기술로서의 하이브리드 초전도 한류기의 개발과, 활용 이전에 해소되어야할 쟁점을 설명하고자 한다.
본 논문은 국내 전력계통, 특히 한류기의 조기 활용이 기대되는 배전전압 계통에서 초전도 한류기 적용시 요구조건을 분석하고, 그에 적절한 한류기로서 하이브리드 초전도한류기가 현재 개발 되고 있는 형식 중에서는 유일한 해법임을 보일 것이다. 그리고 국내 고유기술로서의 하이브리드 초전도 한류기의 개발과, 활용 이전에 해소되어야할 쟁점을 설명하고자 한다.
예로서, 국내 배전선로의 계통은 154 kV/22.9 kV 주변압기 용량증대에 따라 발생하는 고장전류 해소책으로 초전도 한류기를 적용하고자 한다 [11-12]. 여기서 요구되는 조건은 한류기의 개발 방향을 결정하는 중요한 요소가 된다.

제안 방법

이상과 같이 국내 배전계통에서 발생한 한류기 수요에 있어 한류기 성능 관련 가장 중요한 요소를 분석하고 그에 맞는 하이브리드 한류기를 제안하였다. 그러나 실제 활용시까지 준비해야 하는 더 많은 쟁점이 있다.

성능/효과

실제 현장의 판단에 의하면, 국내 계통은 고장 후 첫 1/2주기동안의 불완전한 한류를 수용할 수 있을 정도로 튼튼하게 구성되어 있다. 예상 되는 최대 고장전류가 기존에 허용되던 최대 고장전류의 약 130% 이내이므로 현재 선로 및 기기의 안전 마진 하에서 초기 1/2주기 정도의 열 및 전자기적 충격으로 허용할 수 있다는 판단이다. 그러므로 반주기후한류형으로 작고, 장시간 한류성능을 유지하며 재폐로 가능한 한류기로 유일하게 하이브리드 초전도 한류기 방식이 채택된다.

후속연구

그럼에도 실제 활용시까지 많은 문제가 해결되어야 하는 바, 보호협조 문제, 부분 능동소자로의 보완, 장기운전시의 신뢰성, 정비계획, 진단 방안, 오동작시 대처 방안 등에 대해 적절한 대책이 확보되어야 할 것이다.
9 kV, 630 A를 정격으로 하는 초전도 한류기가 제작되었고, 이어 한전의 고창시험장에 설치 및 장기 운영에 들어갈 예정이다. 이 시험에서 장기운전의 노하우를 축적하고, 보호협조 방안을 확보하기를 기대하고 있다. 이 시험이 종료에 맞추어 22.
9 kV, 3 kA급 초전도 한류기를 개발하여 실선로 시험을 수행할 예정이다. 이 시험이 성공리에 종결되면 실제 상업화 운전용으로 초전도 한류기 활용이 시작될 것으로 보인다.
이 시험에서 장기운전의 노하우를 축적하고, 보호협조 방안을 확보하기를 기대하고 있다. 이 시험이 종료에 맞추어 22.9 kV, 3 kA급 초전도 한류기를 개발하여 실선로 시험을 수행할 예정이다. 이 시험이 성공리에 종결되면 실제 상업화 운전용으로 초전도 한류기 활용이 시작될 것으로 보인다.
이상과 같이 분석된 자료를 바탕으로 22.9 kV, 630 A를 정격으로 하는 초전도 한류기가 제작되었고, 이어 한전의 고창시험장에 설치 및 장기 운영에 들어갈 예정이다. 이 시험에서 장기운전의 노하우를 축적하고, 보호협조 방안을 확보하기를 기대하고 있다.
정비와 관련된 또 하나의 중요한 연구분야는 진단(diagnosis)이다. 초전도체의 열화 여부를 판정하는 방안, 극저온장치의 수명을 예측하는 방안, 각 부품의 열화 문제 파악 등 지속적으로 연구되어야 할 대상이다.
현재 상기 하이브리드 방식으로 22.9 kV, 630 A 급을 제작하고 운용시험을 시작할 즈음이며, 추후 22.9 kV, 3 kA급을 개발 및 시험을 거쳐 실제 상업운전으로 진행될 것이 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 초전도 한류기의 단점은 무엇인가?	그리고 반능동 동작(semi-active control)까지 제공한다. 단점으로, 자체 차단스위치를 사용함에 의해 고장 후 첫 1/2주기 동안 한류가 불완전하다는 점이 지적된다. 해당 계통이 이러한 첫 1/2주기 불완전 한류를 감내할 수 있다면 가장 이상적인 선택이 될 것이다.
	국내의 전력계통은 어떤 특징을 가지고 있는가?	국내의 전력계통은 우선 선로가 짧고, 좁은 면적으로 인한 높은 전력밀도, 민원에 따른 송전선 로와 변전소 설치 및 확장의 어려움, Y – Y 결선에 따른 지락고장의 빈도 등 여러 가지 면에서 미국, 유럽, 일본 등 선진국의 전력계통과 차별된다.
	초전도 한류기에는 무엇이 있는가?	초전도 한류기는 전력선에 고장 발생시 고장전류를 초기부터 제한하는 성능을 가진 최선의 고장전류 제한기로서 다양한 형태로 개발되어왔다 [1-10]. 가장 많이 연구되고 있는 것으로 초전도체 퀜치시 저항 발생을 이용하는 저항형(resistive type, 혹은 S – N 전이형)이 있고 [1-3], 강한 초전도 DC 코일을 사용하여 철심을 포화시키고, 고장 전류로 포화를 풀어 리액턴스를 발생시키는 포화 철심형 (saturable reactor type) [6-7], 그 외 같은 S – N 전이형이면서도 리액터로 한류하는 자기차폐형, 전력용 반도체스위치를 사용하고 초전도 코일로 한류하는 electronic inductive형 (혹은 정류형, bridge형) [4-5], 등의 다양한 디자인이 제안되어왔다. 그 중 현재 상업화를 지향하며 연구개발되고 있는 것은 저항형과 포화철심형 정도이다.

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