[논문]계통 저항을 고려한 소용량 저항형 한류기의 초전도 선재 소모 길이 산출 연구

이우승; 최석진; 장재영; 황영진; 강재식; 양동규; 이해근; 고태국

doi:10.9714/psac.2011.13.3.014

계통 저항을 고려한 소용량 저항형 한류기의 초전도 선재 소모 길이 산출 연구
Design Method for HTS Wire Length of the Small Scale Resistive Type Superconducting Fault Current Limiter Considering System Resistance 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.13 no.3, 2011년, pp.14 - 18

이우승 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 최석진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 장재영 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 황영진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 강재식 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 양동규 (고려대 대학원 신소재공학과) , 이해근 (고려대 신소재공학과) , 고태국 (연세대 공과대학 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical system is changing to smart grid which includes the distributed generations with reusable energy sources in these days. The distributed generations are environmentally friendly and have no concern with depletion problem. But dispatching distributed generations can cause an increase of the fault current. Resistive type super conducting fault current limiter is one of the candidates of solution for the large fault problem in smart grid. In this paper, a design method for the wire length of fault current limiter and the result of short circuit test for small scale modules considering system resistance are introduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저항형 한류기를 설계할 때에는 모듈이 적용되는 계통의 용량, 계통의 운영 방법과 같은 계통의 특성들을 고려하여 선재의 종류, 모듈의 형태 및 선재의 소모 길이 등을 설계해야 한다. 본 논문에서는 게통의 저항 변화만을 고려한 간략한 계통 모델에서 저항형 한류기의 소모 선재 길이 산출에 관한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 계통의 저항을 고려하여 한류기 모듈을 설계하는데 필요한 선재의 소모량을 계산하기 위해 새로운 변수를 다음과 같이 정의하였다.
본 논문에서는 계통의 저항을 고려한 경우 저항형 한류기의 소모 선재 길이를 산출할 수 있는 설계방법을 제안하였다. 설계 방법의 신뢰성을 검증하기 위해, 계통의 저항을 0.

가설 설정

계통의 저항을 무시할 경우, 사고 발생 시간동안 계통에 한류기 모듈 이외의 저항의 존재하지 않는다. 따라서 사고 시점의 모든 전기적 에너지가 한류기 모듈에서 소모된다고 가정할 수 있다. 또한, 사고 발생 시에는 초전도체의 저항이 급격히 커지기 때문에 대부분의 사고전류는 안정화재로 흐르는 것으로 간주할 수 있다.
또한, 사고 발생 시에는 초전도체의 저항이 급격히 커지기 때문에 대부분의 사고전류는 안정화재로 흐르는 것으로 간주할 수 있다. 사고 순간은 짧은므로 한류기 모듈의 냉각 혹은 전도 등에 의한 열적 교류가 거의 없고 따라서 한류기 모듈은 단열 조건에 있다고 가정할 수 있다.

제안 방법

연구 결과 계통의 저항을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우 각각에 대하여 한류기 모듈을 제작하는데 필요한 선재의 길이가 산출되었다. 또한 산출된 설계 값을 바탕으로 단순화 된 계통 모델에 대한 두 개의 소용량 한류기 모듈을 제작하여 각각의 모듈에 대한 사고 실험을 진행하고 그 특성을 비교, 분석하였다.
(과정 5). 만약 저항이 상온에서의 저항보다 낮을 경우 충분한 냉각 시간을 가진 후 전압을 높여 다시 사고 실험을 진행하고 저항을 측정한다.
는 선재의 파손과 밀접한 관련이 있다. 본 논문에서는 최종 도달온도를 300 K으로 설정하였다.
(과정 4). 사고 시간 동안 도달한 단선재의 저항과 상온에서의 저항을 비교한다. 저항은 온도의 함수이며, 실험 환경에서 증가함수이므로 상온에서의 저항과 일치할 때 300 K에 도달한 것으로 볼 수 있다.
설계 방법의 신뢰성을 검증하기 위해, 계통의 저항을 0.25 Ω으로 고려하였을 경우의 한류기 모듈과, 특성 분석을 위한 대조군으로써 계통의 저항을 고려하지 않는 한류기 모듈을 설계하고 제작하였다.
하지만 실제 실험에서는 실험 장비로 조절할 수 있는 전압 레벨 간격, 측정 오차와 같은 요인이 포함되어 있기 때문에 총 6개의 데이터를 이용하여 곡선 추산(curve fitting) 방식을 이용하여 α, β, γ값을 결정하였다.

대상 데이터

단선재를 이용하여 매우 작은 한류기 모듈이 포함된 회로를 구성한다. 단선재 샘플은 캡톤으로 절연된 20 cm 길이의 샘플을 사용하였다. 그림 1은 제작된 단선재 샘플의 모습이다.
본 논문에서는 한류기 모듈을 제작하기 위하여 AMSC사의 Amperium 선재를 사용하였으며 실험 사양은 표 1과 같다. 계통의 저항을 고려하지 않은 경우와 고려한 경우의 차이를 비교하기 위하여 다음의 두 가지 모듈을 설계하였다.

이론/모형

한류기 모듈은 무유도 팬케이크 형태의 권선 방식을 사용하였다[9].

성능/효과

그러나 실 계통에 적용하기 위한 저항형 한류기를 설계할 경우 본 논문에서 논의된 단순화된 계통의 저항 뿐 아니라 실 계통에서 한류기 적용 위치, 사고전류의 크기 및 계통의 운영 방법도 설계에 영향을 줄 수 있다.
9 mΩ/cm에 근접한 수치이며 따라서 한류기 모듈의 온도는 300 K근처에 도달하였음을 알 수 있다. 따라서 계통 저항을 고려하지 않고 설계한 결과보다 저항을 고려하여 설계한 결과가 실험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있다.
25 Ω으로 고려하였을 경우의 한류기 모듈과, 특성 분석을 위한 대조군으로써 계통의 저항을 고려하지 않는 한류기 모듈을 설계하고 제작하였다. 설계 및 제작된 한류기 모듈을 이용한 사고 실험이 수행되었으며, 이를 통해 계통의 저항을 고려하여 설계된 한류기 모듈의 사고전류 제한 특성이 본래의 설계 목표에 부합하는 것을 확인하였다.
연구 결과 계통의 저항을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우 각각에 대하여 한류기 모듈을 제작하는데 필요한 선재의 길이가 산출되었다. 또한 산출된 설계 값을 바탕으로 단순화 된 계통 모델에 대한 두 개의 소용량 한류기 모듈을 제작하여 각각의 모듈에 대한 사고 실험을 진행하고 그 특성을 비교, 분석하였다.
1 A로 나타났다. 전체적인 사고전류의 제한폭은 모듈 B보다 모듈 A가 더 큰 것을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 본 연구 결과를 실 계통 설계에 적용하기 위해서는 계통의 저항 변화와 함께 계통의 다른 특성도 고려한 연구가 추가로 이루어져야 할 것이다.
이상의 연구 결과를 통해 계통의 저항은 저항형 한류기의 설계 변수에 영향을 줄 수 있는 요소임을 확인하였고, 계통의 저항을 고려할 때 저항형 한류기의 소모 선재 길이 설계에 대한 연구 방향도 제안 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산전원에서 제기되는 문제점은?	스마트 그리드의 핵심 요소인 분산전원은 신재생 에너지를 무한히 사용할 수 있을 뿐 아니라 환경오염을 발생시키지 않는다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이를 전력 계통에 투입할 경우 사고 시 발생하는 사고전류의 크기가 급격히 증가할 수 있다는 문제가 제기되고 있다[3].
	스마트 그리드의 핵심 요소인 분산전원의 장점은?	스마트 그리드의 핵심 요소인 분산전원은 신재생 에너지를 무한히 사용할 수 있을 뿐 아니라 환경오염을 발생시키지 않는다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이를 전력 계통에 투입할 경우 사고 시 발생하는 사고전류의 크기가 급격히 증가할 수 있다는 문제가 제기되고 있다[3].
	초전도 기기 중 저항형 초전도 한류기의 특징은?	초전도 기기 중 저항형 초전도 한류기는 임계조건 이하에서 통전 저항이 거의 발생하지 않다가, 임계조건 빠르게 제한하는 특징이 있다[5]. 저항형 초전도 한류기를 스마트 그리드에 적용하기 위해서는 계통의 상황에 맞는 설계가 필요하다.

참고문헌 (9)

M.C. Ahn, and T.K. Ko, "Proof-of-Concept of a Smart Fault Current Controller With a Superconducting Coil for the Smart Grid", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No. 3, pp. 2201-2204, 2011.

상세보기
P. Jarventausta, S. Repo, A. Rautiainen, J. Partanen. "Smart grid power system control in distributed generation environment", Annual Reviews in Control, Vol. 34, pp. 277-286, 2010.

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K. Maki, S. Repo, P. Jarventansta, "Effect of Wind Power Based Distributed Generation on Protection of Distribution Network", Developments in Power System Protection, Vol. 1, pp. 327-330, 2004.
Umer A. Khan, J.K. Seong, S.H. Lee, S.H. Lim, B.W. Lee, "Feasibility Analysis of the Positioning of Superconducting Fault Current Limiters for the Smart Grid Application Using Simulink and SimPowerSvstem", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21, No 3, pp. 2165-2169, 2011.

상세보기
B.C. Sung, D.K. Park, J.-W. Park, T.K. Ko, "Study on a Series Resistive SFCL to Improve Power System Transient Stability: Modeling, Simulation, and Experimental Verification", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No 7, pp. 2412-2419, 2009.

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S. Elschner, F. Breuer, M. Noe, T. Rettelbach, Heribert Walter, J. Bock, "Manufacturing and Testing of MCP 2212 Bifilar Coils for a 10 MVA Fault Current Limiter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, No 2, pp. 1980-1983, 2003.

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M.C. Ahn, D.K. Park, S.E. Yang, M.J. Kim, H.-M. Chang, Y.S. Yoon. B.-Y. Seok, J.-W. Park, T.K. Ko, "Recovery Characteristics of Resistive SFCL Wound With YBCG Coated Conductor in a Power Systemz", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 17, No. 2, pp. 1859-1862, 2007.

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이우승, 장재영, 최석진, 고태국, "라인 저항이 포함된 시스템에서 저항형 한류기 허용 전기장 산출 연구", 2011년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 971-972, 2011.
조현철, 장기성, 김영재, 최석진, 황여진, 김원철, 고태국, "권선방식에 따른 무유도 권선형 HTS 코일의 퀜치 및 회복 비교특성", 한국초전도 저온공학회 논문지, 12권, 3호, pp. 37-41, 2010.

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