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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 고창 전력시험센터내 HVDC 해저케이블 실증시험장에서 실시한 써칭코일법 실증시험을 통해 EMTP 모델링 기법을 정립하고자 한다. 모델링 기법 정립을 위해 써칭코일 시험을 실시하였으며, 실증시험을 통해 측정된 결과와 아모어의 접지 유무, 접지간격, 해수접지 저항 등을 변화시킨 EMTP의 모델링 결과를 상호 비교함으로써 시스템 조건을 고려한 모델링 기법을 정립하였다.
- 본 논문에서는 HVDC 해저 케이블 모의 실증선로에 적용 가능한 써칭 코일시험 결과를 바탕으로 실증시험 결과와 EMTP 모델링 결과를 비교 분석 함으로써 모델링 기법을 정립하고자 한다. HVDC 해저케이블의 EMTP 모델링을 위해 먼저 그림 4와 표 2의 케이블 구조 및 전기적 상수를 바탕으로 출력주파수 17Hz에서 PI-등가회로를 이용해 선로정수를 계산하였다.
제안 방법
- 1) 제주-해남간 HVDC 해저케이블 선종과 동일한 CUMI 800㎟로 구성된 실증시험장에서 4가지 시험조건을 선정하고 아모어-시스-도체간에 발생하는 인공지락고장을 발생시켜 실증시험을 수행하였으며, 실증시험 결과를 EMTP 해석결과와 비교하였다. HVDC 해저케이블 모델링시 아모어를 포함한 모델링을 적용하였으며, 아모어의 해수접지 여부에 따른 영향 및 아모어 접지저항에 따른 영향, 아모어 접지간격에 따른 영향 등을 다양하게 분석하여 HVDC 해저케이블의 모델링 기법을 정립하였다.
- Case 1과 Case 2를 바탕으로 아모어 접지 유무에 따른 전류 특성은 분석하였다. Case 1과 Case 2는 고장저항은 동일하며, 아모어 접지 유무에 따른 차이만 발생한다.
- 1) 제주-해남간 HVDC 해저케이블 선종과 동일한 CUMI 800㎟로 구성된 실증시험장에서 4가지 시험조건을 선정하고 아모어-시스-도체간에 발생하는 인공지락고장을 발생시켜 실증시험을 수행하였으며, 실증시험 결과를 EMTP 해석결과와 비교하였다. HVDC 해저케이블 모델링시 아모어를 포함한 모델링을 적용하였으며, 아모어의 해수접지 여부에 따른 영향 및 아모어 접지저항에 따른 영향, 아모어 접지간격에 따른 영향 등을 다양하게 분석하여 HVDC 해저케이블의 모델링 기법을 정립하였다.
- 본 논문에서는 HVDC 해저 케이블 모의 실증선로에 적용 가능한 써칭 코일시험 결과를 바탕으로 실증시험 결과와 EMTP 모델링 결과를 비교 분석 함으로써 모델링 기법을 정립하고자 한다. HVDC 해저케이블의 EMTP 모델링을 위해 먼저 그림 4와 표 2의 케이블 구조 및 전기적 상수를 바탕으로 출력주파수 17Hz에서 PI-등가회로를 이용해 선로정수를 계산하였다. 해저케이블의 도체와 시스, 아모어의 저항율은 각각 1.
- 2절의 분석에서처럼 아모어로 귀로하는 전류는 무시할 수 없는 수준이며, 고장점 탐지에 미치는 영향이 크게 나타나므로 반드시 모델링 과정에서 고려해야 함이 검증되었다. 다음으로 Case 2 ～ Case 4는 동일 고장점 저항과 접지간격(매 1m마다 접지)에서 아모어 접지저항 변화에 따른 특성을 분석하였다. 아모어 접지저항이 0.
- 1Ω이 검증되었다. 다음으로 본 논문에서는 아모어 접지저항이 공통적으로 0.1Ω일 때 접지간격을 매 1m, 2m, 4m 마다 변경한 Case 2와 Case 5, Case 6의 결과를 비교 검토함으로써 아모어의 적정 접지 간격을 분석하였다.
- 5m 마다 분리하여 위에서 언급한 것처럼 PI 모델로 선로정수를 계산하였으며, 아모어의 접지간격은 매 1m 마다 접지, 매 2m 마다 접지, 매 4m 마다 접지로 구분하였다. 또한 육상구간 접지저항은 10Ω, 아모어 접지저항은 비접지, 0.1Ω, 0.01Ω, 0.001Ω으로 구분하였고, 고장점에서의 고장저항은 완전지락의 경우와 고장저항이 있는 경우 각각 0.001Ω, 0.01Ω, 0.1Ω을 적용하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 고창 전력시험센터내 HVDC 해저케이블 실증시험장에서 실시한 써칭코일법 실증시험을 통해 EMTP 모델링 기법을 정립하고자 한다. 모델링 기법 정립을 위해 써칭코일 시험을 실시하였으며, 실증시험을 통해 측정된 결과와 아모어의 접지 유무, 접지간격, 해수접지 저항 등을 변화시킨 EMTP의 모델링 결과를 상호 비교함으로써 시스템 조건을 고려한 모델링 기법을 정립하였다. 본 논문의 연구결과는 향후 HVDC 해저케이블의 EMTP 시뮬레이션 구현 및 과도현상의 이해 및 분석에 큰 기여를 할 것을 사료된다.
- 표 3에서는 본 논문에서 HVDC 해저케이블 실증시험 결과 대비 EMTP 모델링 검증을 위해 설정한 검토 케이스를 보여주고 있다. 모든 케이스에서 전류는 써칭코일 시험과 동일하게 도체+시스+아모어의 합성전류를 분석하였으며, 전원은 실증시험과 동일한 4A, 17Hz의 입력전원을 적용하였다. 합성전류 모델을 위해 EMTP의 TACS 소자 및 프로브를 이용하였으며, 계산 결과는 Matlab을 통해 거리별 합성전류 변화 그래프로 표현하였다.
- 본 논문에서는 HVDC 해저케이블의 아모어 접지유무, 아모어의 접지간격 및 접지저항 등을 변화시킨 EMTP 모델링 결과와 고창전력시험센터내 HVDC 해저케이블 실증시험장에서 실시한 써칭코일법 실증시험을 통해 취득된 결과를 상호 비교하여 EMTP 모델링 기법 정립하였으며, 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한, 그림 2에서 나타낸 실증시험 선로는 제주-해남간 HVDC 해저케이블 선종과 동일한 CUMI 800 ㎟로 포설되었으며, 파형관 구간 총 2개소를 포함한 해수구간 길이는 36m이고 총 케이블 길이는 194m 이다. 시스는 4 개소에서 해수접지를 실시하였고, 고장은 전원단으로부터 3 번째와 4번째 시스접지 사이에서 아모어-시스-도체간 인공지락 고장을 발생시켰다.
- 실증시험선로의 EMTP 시뮬레이션을 위해 해수 구간내 해저케이블은 매 0.5m 마다 분리하여 위에서 언급한 것처럼 PI 모델로 선로정수를 계산하였으며, 아모어의 접지간격은 매 1m 마다 접지, 매 2m 마다 접지, 매 4m 마다 접지로 구분하였다. 또한 육상구간 접지저항은 10Ω, 아모어 접지저항은 비접지, 0.
대상 데이터
- 표 1에서는 실증시험선로에서 실시한 써칭코일 시험의 4가지 시험조건을 나타내었다. Test 1은 시험전류 4A에 출력 주파수가 5Hz인 경우로 고장점 전류는 1.45A가 측정되었으며, Test 2 ～ Test 4는 시험전류 4A에 출력주파수는 17Hz이고, 측정된 고장점 전류는 각각 1.6A, 1.3A, 3.5A 이다. 고장전류의 크기는 인공지락고장 발생시 고장조건에 따라 변화하며 Test 4의 경우는 완전지락고장에 가깝고, Test 1 ∼ Test 3는 고장저항이 존재하는 것으로 이해할 수 있다.
- 또한, 그림 2에서 나타낸 실증시험 선로는 제주-해남간 HVDC 해저케이블 선종과 동일한 CUMI 800 ㎟로 포설되었으며, 파형관 구간 총 2개소를 포함한 해수구간 길이는 36m이고 총 케이블 길이는 194m 이다. 시스는 4 개소에서 해수접지를 실시하였고, 고장은 전원단으로부터 3 번째와 4번째 시스접지 사이에서 아모어-시스-도체간 인공지락 고장을 발생시켰다.
- 본 논문에서는 HVDC 해저케이블 고장점탐색 모의시험을 위해 DC ±180 kV 제주～해남간 실계통에 적용하고 있는 케이블과 동일한 CUMI 800 ㎟를 사용하였으며, CUMI 800 ㎟의 케이블 구조와 도체 외경 및 전기적 상수는 각각 그림 4와 표 2에 나타내었다[6-7].
- 써칭코일 시험은 누설되는 자계를 검출하여 매설된 케이블의 위치 및 고장탐지, 케이블의 매설심도, 케이블 전류측정하는 시험이다. 본 논문에서는 써칭코일 시험을 위해 이노베이텀사의 Ultra #44 모델을 사용하였으며, 이 장비에는 자계센서, DPU(신호처리장치), Testbox(센서 전원공급장치) 등으로 구성되어있다. 그림 1에서는 실증시험을 위해 설치한 써칭코일 시험 시스템을 보여준다.
데이터처리
- 또한 아모어의 접지간격은 가능한 조밀하게 접지된 매 1m마다 접지하는 것이 적정한 것으로 분석되었다. 또한 지금까지 분석한 HVDC 해저케이블 시뮬레이션 기법에 대한 신뢰성 평가를 위해 표 1의 4가지의 실증시험 조건에 대해 본 논문의 검토 결과를 반영하여 각각 EMTP 시뮬레이션을 실시하였으며, 그 결과를 그림 3의 실증시험결과와 비교하였다.
- 모든 케이스에서 전류는 써칭코일 시험과 동일하게 도체+시스+아모어의 합성전류를 분석하였으며, 전원은 실증시험과 동일한 4A, 17Hz의 입력전원을 적용하였다. 합성전류 모델을 위해 EMTP의 TACS 소자 및 프로브를 이용하였으며, 계산 결과는 Matlab을 통해 거리별 합성전류 변화 그래프로 표현하였다.
성능/효과
- 2) 아모어 접지유무에 따른 합성전류 변화 추이곡선은 명확한 차이가 있으며, 실증시험 결과와 비교해 볼 때 아모어를 접지한 경우가 매우 유사하게 나타났다. 따라서, 아모어로 귀로하는 전류의 양은 무시할 수 없으며 EMTP 모델링에서도 반드시 아모어를 고려한 후 이에 대한 해수귀로 접지를 고려해야 한다.
- 3) 아모어 접지저항에 따른 분석 결과 아모어 접지저항이 낮을수록 아모어로 귀로하는 전류가 커지면서 고장점 해수귀로 전류의 크기는 작아지며, 실증시험결과와 비교할 때 아모어 접지저항은 0.1Ω이 가장 적절할 것으로 사료된다.
- 3.2절의 분석에서처럼 아모어로 귀로하는 전류는 무시할 수 없는 수준이며, 고장점 탐지에 미치는 영향이 크게 나타나므로 반드시 모델링 과정에서 고려해야 함이 검증되었다. 다음으로 Case 2 ～ Case 4는 동일 고장점 저항과 접지간격(매 1m마다 접지)에서 아모어 접지저항 변화에 따른 특성을 분석하였다.
- 4) 아모어 접지간격에 따른 변화는 크지 않으나, 매 4m마다 접지한 경우는 고장점 저항이 0.01Ω 이상인 경우 실증시험과 달리 해수접지점에서 전류변화가 미약하게 관측되는 것으로 보아 아모어의 해수 접지는 가능한 조밀하게 적용하는것이 적절할 것으로 사료된다.
- 5) HVDC 해저케이블에 대한 EMTP 모델링 기법을 정립한 후 4번의 써칭코일 실증시험결과와 비교해본 결과 실증시험과 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결과 경향 뿐 아니라 고장점에서 나타나는 전류변화 특성도 일치함을 보였다.
- HVDC 해저케이블 분석에서 아모어로 귀로하는 전류는 고장점 탐지에 미치는 영향이 크게 나타나며, 아모어에 적용 가능한 적정 접지저항은 실증시험 분석결과를 근거로 0.1Ω이 검증되었다. 다음으로 본 논문에서는 아모어 접지저항이 공통적으로 0.
- 그림 17 ～ 그림 19에서는 Test 2 ～ Test 4의 실증시험 결과와 EMTP 시뮬레이션 결과를 각각 비교하여 나타내었다. Test 2와 Test 3은 각각 고장전류가 1.6A와 1.3A인 경우로 고장점 전후의 시스 해수접지점에서 약간의 전류 변화가 나타났으나 고장점 판별에는 큰 무리가 없었으며, 고장전류의 대부분이 고장점 해수로 귀로하는 Test 4의 경우는 실증시험과 시뮬레이션에서 동일하게 고장점을 명확히 탐지하였다. 특히, 실증시험과 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결과 경향 뿐 아니라 고장점에서 나타나는 전류변화 특성도 일치함을 보였다.
- 그림 15에서는 각 고장조건에서 Case 2, Case 5와 Case 6를 비교하여 나타내었다. 그림에서처럼 접지간격에 따른 변화는 크지 않으나 매 4m마다 접지한 Case 6의 경우는 Case 2, Case 5와 비교해 고장점 저항이 0.01Ω 이상인 경우 그림 3의 실증시험결과와는 달리 해수접지점에서 전류변화가 미약하게 관측된 것으로 보아 EMTP 모델링시 아모어의 해수접지는 가능한 조밀하게 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- 다만 실증시험 결과와 시뮬레이션 결과의 전류를 단순 비교하였을 때, 실증시험의 전류가 시험 주입전류인 4A보다 커지는 현상이 나타나 시뮬레이션과 차이를 보였으나, 이는 시뮬레이션에서 표현 불가능한 외부 노이즈에 의한 영향이 실증 시험시 나타난 것으로, 실증시험 과정에서 노이즈의 영향을 최소화 할 수 있는 시험 주파수 선정으로 해결할 수 있다.
- 1Ω이 가장 유사한 것으로 분석되었다. 따라서, EMTP 모델링에서도 반드시 아모어를 고려한 후 이에 대한 해수귀로 접지를 고려하되, 이의 접지저항은 0.1Ω이 가장 적절할 것으로 사료된다.
- 즉, 아모어 접지저항이 낮을수록 아모어로 귀로하는 전류가 커지면서 고장점 해수귀로 전류의 크기는 작아진다. 따라서, 이 분석 결과를 그림 3의 실증시험결과와 비교할때 아모어 접지저항은 0.1Ω이 가장 유사한 것으로 분석되었다. 따라서, EMTP 모델링에서도 반드시 아모어를 고려한 후 이에 대한 해수귀로 접지를 고려하되, 이의 접지저항은 0.
- 1Ω이 가장 적절한 것으로 분석되었다. 또한 아모어의 접지간격은 가능한 조밀하게 접지된 매 1m마다 접지하는 것이 적정한 것으로 분석되었다. 또한 지금까지 분석한 HVDC 해저케이블 시뮬레이션 기법에 대한 신뢰성 평가를 위해 표 1의 4가지의 실증시험 조건에 대해 본 논문의 검토 결과를 반영하여 각각 EMTP 시뮬레이션을 실시하였으며, 그 결과를 그림 3의 실증시험결과와 비교하였다.
- 본 논문에서는 위에서 검토한 HVDC 해저케이블 실증시험선로 EMTP 시뮬레이션 검토 결과를 바탕으로 아모어는 반드시 해수 접지를 해여 하며 접지저항은 0.1Ω이 가장 적절한 것으로 분석되었다. 또한 아모어의 접지간격은 가능한 조밀하게 접지된 매 1m마다 접지하는 것이 적정한 것으로 분석되었다.
- 3A인 경우로 고장점 전후의 시스 해수접지점에서 약간의 전류 변화가 나타났으나 고장점 판별에는 큰 무리가 없었으며, 고장전류의 대부분이 고장점 해수로 귀로하는 Test 4의 경우는 실증시험과 시뮬레이션에서 동일하게 고장점을 명확히 탐지하였다. 특히, 실증시험과 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결과 경향 뿐 아니라 고장점에서 나타나는 전류변화 특성도 일치함을 보였다.
후속연구
- 모델링 기법 정립을 위해 써칭코일 시험을 실시하였으며, 실증시험을 통해 측정된 결과와 아모어의 접지 유무, 접지간격, 해수접지 저항 등을 변화시킨 EMTP의 모델링 결과를 상호 비교함으로써 시스템 조건을 고려한 모델링 기법을 정립하였다. 본 논문의 연구결과는 향후 HVDC 해저케이블의 EMTP 시뮬레이션 구현 및 과도현상의 이해 및 분석에 큰 기여를 할 것을 사료된다.
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