[국내논문]지중 송전선로 대칭분 임피던스 해석을 위한 EMTP 전후처리기 개발과 활용 Development and Application of Pre/Post-processor to EMTP for Sequence Impedance Analysis of Underground Transmission Cables원문보기
최종기
(Power Systems Lab., Korea Electric Power Corporation Research Center)
,
장병태
(Korea Electric Power Corporation Research Center)
,
안용호
(Korea Electric Power Corporation Research Center)
,
최상규
(Power System Protection Team, Dept. of Transmission Operation, Korea Electric Power Corporation)
,
이명희
(Power System Protection Team, Dept. of Transmission Operation, Korea Electric Power Corporation)
Power system fault analysis has been based on symmetrical component method, which describes power system elements by positive, negative and zero sequence impedance. Obtaining accurate line impedances as possible are very important for estimating fault current magnitude and setting distance relay acc...
Power system fault analysis has been based on symmetrical component method, which describes power system elements by positive, negative and zero sequence impedance. Obtaining accurate line impedances as possible are very important for estimating fault current magnitude and setting distance relay accurately. Especially, accurate calculation of zero sequence impedance is important because most of transmission line faults are line-to-ground faults, not balanced three-phase fault. Since KEPCO has started measuring of transmission line impedance at 2005, it has been revealed that the measured and calculated line impedances are well agreed within reasonable accuracy. In case of underground transmission lines, however, large discrepancies in zero sequence impedance were observed occasionally. Since zero sequence impedance is an important input data for distance relay to locate faulted point correctly, it is urgently required to analyze, detect and consider countermeasures to the source of these discrepancies. In this paper, development of pre/post processor to ATP (Alternative Transient Program) version of EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) for sequence impedance calculation was described. With the developed processor ATP-cable, effects of ground resistance and ECC (Earth Continuity Conductor) on sequence impedance were analyzed.
Power system fault analysis has been based on symmetrical component method, which describes power system elements by positive, negative and zero sequence impedance. Obtaining accurate line impedances as possible are very important for estimating fault current magnitude and setting distance relay accurately. Especially, accurate calculation of zero sequence impedance is important because most of transmission line faults are line-to-ground faults, not balanced three-phase fault. Since KEPCO has started measuring of transmission line impedance at 2005, it has been revealed that the measured and calculated line impedances are well agreed within reasonable accuracy. In case of underground transmission lines, however, large discrepancies in zero sequence impedance were observed occasionally. Since zero sequence impedance is an important input data for distance relay to locate faulted point correctly, it is urgently required to analyze, detect and consider countermeasures to the source of these discrepancies. In this paper, development of pre/post processor to ATP (Alternative Transient Program) version of EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) for sequence impedance calculation was described. With the developed processor ATP-cable, effects of ground resistance and ECC (Earth Continuity Conductor) on sequence impedance were analyzed.
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문제 정의
본 논문에서는 지중선로의 상세모델링과 해석이 가능한 EMTP (Electro-Magnetic Transient Program)를 이용하여 지중 송전선로 대칭분 임피던스에 영향을 주는 접속함 저항 등의 파라메타들과 영상분 임피던스와의 관계를 분석함으로써 계산 오차의 원인을 추적하고 대책을 제시하고자 한다. 이를 위해 대칭분 임피던스 계산을 위한 EMTP 전후처리기를 개발하였으며, 병행지선(Earth Continuity Conductor) 시공을 검토 중인 154kV 지중선로를 대상으로 접지저항 및 병행지선이 영상임피던스에 미치는 영향을 분석하였다.
본 논문에서는 지중선로의 정상/영상 임피던스 계산용으로 개발한 ATP 전후처리기 ATP-cable를 소개하였으며 개발된 전후처리기를 활용하여 접속함 구성, 접지저항 및 병행지선 시공 여부가 대칭분 임피던스에 미치는 영향을 분석하였다. 병행지선 시공을 계획하고 있는 154kV 지중선로의 사례연구를 통해 비접지 또는 편단접지 절연접속함 여부가 영상임피던스에 큰 영향을 줄 수 있으며.
EMTP-RV는 행렬연산법보다 편단접지의 고려 등 실계통에 유사한 지중선로 모델링이 가능하므로 보다 정확한 값을 얻을 수 있다는 장점은 있으나, EMTP 모델링(선로 모델의 선택 등)에 필요한 전문지식과 EMTP-RV 프로그램의 운용 경험이 필요하므로 일반사용자가 쉽게 접근하기는 어려운 단점이 있다. 본 절에서는 공개 버전인 ATP (Alternative Transient Program) 버전 EMTP를 이용하여 지중송전 케이블의 선로정수 측정을 시뮬레이션하는 사례를 보였으며 대칭분 임피던스 계산용 ATP 전후처리기(ATP-cable)를 소개한다. 참고로 ATP-cable은 C++ Builder [6]를 이용하여 개발되었고, EMTP 운용경험이 없는 일반 사용자도 쉽게 사용할 수 있는 그래픽 사용자환경을 갖추고 있다.
가설 설정
8 km 이다. 그림 8(b) 계통도에서 6번째 접속함이 편단접지 (좌측) 절연접속함이다. 즉 6번 접속함 좌측 케이블 시스는 상호 접속되어 접지되어 있고, 우측 케이블 시스는 좌측 시스와 피뢰기를 통해 연결되어 있어 상용주파수 불평형전류는 흐를 수 없는 구조이다.
이를 위해 대칭분 임피던스 계산을 위한 EMTP 전후처리기를 개발하였으며, 병행지선(Earth Continuity Conductor) 시공을 검토 중인 154kV 지중선로를 대상으로 접지저항 및 병행지선이 영상임피던스에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 154kV 지중선로 30개소에 대한 계산치-실측치 비교를 통해 계산오차 발생원인을 분석하였다.
본 절에서는 ATP-cable을 이용하여 병행지선 시공을 계획하고 있는 154kV 지중선로를 대상으로 병행지선 유무와 접속함 접지저항 변동이 대칭분 임피던스에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 정상 및 영상 임피던스 실측치가 있는 30개 지중선로를 대상으로 ATP-cable 계산치와 실측치 비교 분석을 통해 오차발생 원인과 편단접지 및 비접지 절연접속함이 있는 선로에서 병행지선 필요성에 대해 기술하였다.
본 절에서는 ATP-cable을 이용하여 병행지선 시공을 계획하고 있는 154kV 지중선로를 대상으로 병행지선 유무와 접속함 접지저항 변동이 대칭분 임피던스에 미치는 영향을 분석하였다.
본 논문에서는 지중선로의 상세모델링과 해석이 가능한 EMTP (Electro-Magnetic Transient Program)를 이용하여 지중 송전선로 대칭분 임피던스에 영향을 주는 접속함 저항 등의 파라메타들과 영상분 임피던스와의 관계를 분석함으로써 계산 오차의 원인을 추적하고 대책을 제시하고자 한다. 이를 위해 대칭분 임피던스 계산을 위한 EMTP 전후처리기를 개발하였으며, 병행지선(Earth Continuity Conductor) 시공을 검토 중인 154kV 지중선로를 대상으로 접지저항 및 병행지선이 영상임피던스에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 154kV 지중선로 30개소에 대한 계산치-실측치 비교를 통해 계산오차 발생원인을 분석하였다.
대상 데이터
가공 송전선로는 A,B,C상과 선로 양단 전원(또는 변압기) 중성점을 연결하는 N상(가공지선) 총 4개의 도체로 구성되며 임피던스 행렬 크기는 4x4 이다.
성능/효과
참고문헌 [5]에서는 벨기에의 150 kV 지중송전 케이블 선로를 대상으로 EMTP-RV를 이용하여 대칭분 임피던스를 계산한 사례를 제시하였다. EMTP-RV 계산결과, 정상분 임피던스 계산치-실측치 오차는 8% 이내, 영상분은 12% 이내로 계산되었다. 참고로 이 선로은 크로스본딩 접속함과 접속점 시스를 모두 연결하여 접지하는 보통접속함만으로 구성되어 있으며 편단접지 같은 특수한 접속함이 없다(아래 그림 참조).
그림 12는 선로정수 측정값이 있는 154kV 지중선로 30개소를 대상으로 ATP-cable 계산값을 구하고 영상/정상분 임피던스의 실측값(크기) 대비 계산값 비율을 표시한 것이다. 그래프에서 수직축 100%값에 근접할 수록 계산치와 실측치가 잘 일치함을 의미하는데, 정상임피던스의 계산/실측값 비율은 거의 100%에 근접하여 계산치가 실측치와 비교적 일치한다. 그러나 영상임피던스의 계산/실측치 비율은 최대 5배 정도까지 차이가 나는 등 계산치의 정확도가 크게 떨어진다.
병행지선 시공에 의해 이러한 영상임피던스의 불확실성이 크게 줄일 수 있음을 보였다. 또한 선로정수 실측치가 있는 154kV 지중선로 30여 개소를 대상으로 ATP-cable 시범적용한 결과를 제시하였으며, 편단접지와 절연접속이 있는 지중선로의 영상임피던스 실측치와 계산치 오차가 크게 나타남을 확인하였다. 이러한 개소에서는 예측가능한 영상전류 귀로 확보 또는 영상임피던스의 불확실성 해소를 위해 병행지선 시공이 필요성이 있는 개소이다.
후속연구
본 논문에서는 지중선로 대구간으로 연구범위를 제한하였으나 지중선로 중간의 내부고장시 영상전류 분포(영상임피던스 계산)는 더욱 복잡해진다. 이 주제는 향후 ATP-cable에 관련기능 추가와 더불어 후속 논문에서 검토 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전력계통 고장해석은 무엇에 기반하고 있는가?
전력계통 고장해석은 일반적으로 대칭좌표법에 기반하고 있으며 선로의 대칭분 임피던스값은 정확한 고장전류 계산과 거리계전기의 확실한 동작에 꼭 필요한 파라메타들 중 하나이다. 또한 실제 선로고장의 대부분은 지락사고이므로 정상분과 더불어 영상분 임피던스값을 정확히 산정하는 것이 선로보호 측면에서는 특히 중요하다.
EMTP-RV의 장점과 단점은?
EMTP-RV는 행렬연산법보다 편단접지의 고려 등 실계통에 유사한 지중선로 모델링이 가능하므로 보다 정확한 값을 얻을 수 있다는 장점은 있으나, EMTP 모델링(선로 모델의 선택 등)에 필요한 전문지식과 EMTP-RV 프로그램의 운용 경험이 필요하므로 일반사용자가 쉽게 접근하기는 어려운 단점이 있다. 본 절에서는 공개 버전인 ATP (Alternative Transient Program) 버전 EMTP를 이용하여 지중송전 케이블의 선로정수 측정을 시뮬레이션하는 사례를 보였으며 대칭분 임피던스 계산용 ATP 전후처리기(ATP-cable)를 소개한다.
우리나라는 대칭분 임피던스 실측을 위해 무엇을 했으며, 어떤 효과를 보였는가?
대칭분 임피던스는 계산에 의해 산정하는 것이 일반적이지만 보다 정확한 값을 얻기 위해 실측을 하기도 한다. 국내에서도 2005년 전후로 상용 측정장비를 도입하여 선로정수를 측정하기 시작하였으며, 대부분의 경우에 실측치와 계산치가 비교적 잘 일치하고 있음이 확인되었다. 그러나 일부 지중선로에서 실측-계산치 오차가 큰 경우가 종종 발생하고 있으며, 특히 영상임피던스의 경우에는 실측치가 계산치의 수십배에 달하는 사례도 있다. 영상임피던스 오차가 크게 나타나는 원인은 케이블 시스의 상시 순환전류 방지를 위해 시공하는 편단접지 또는 비접지 절연접속함 때문으로 추정하고 있으나 대칭분 임피던스 해석툴의 부재 등으로 인해 이에 대한 정량적인 해석은 미비한 상황이다.
참고문헌 (11)
Korea Power Exchange, Casebook of Significant Power System Faults, May, 2010, pp. 67
Korea Electric Powr Corporation, A Study on Caculation Method for Sequence Impedance and Maximum Permissible Operating Current Capacity of Underground Transmission Lines (Final Report), 1991
J.K. Choi, Y.H. An, Y.B. Yoon, S.I. Oh, Y.H. Kwak, M.H. Lee, Analysis of Sequence Impedance of 345kV Cable Transmission Systems, Trans. KIEE Vol. 62, No. 7, JUL, 2013, pp. 905-912
Korea Electric Power Corporation, Design Guide on Underground Transmission System (Grounding), DS-6310, 2012
B. Gustavsen, J. A. Martinez, and D. Durbak, Parameter Determination for Modeling System Transients Part II: Insulated Cables, IEEE Trans. on PD, Vol.20, No.3, July 2005
IEEE Guide for the Application of Sheath-Bonding Methods for Single-Conductor Cables and the Calculation of Induced Voltages and Currents in Cable Sheaths, IEEE Std. 575, 1988
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