[논문]두 번의 피크전류제한 기능을 갖는 변압기형 초전도한류기의 과도전류제한 동작 특성 연구

한태희; 임성훈

doi:10.4313/jkem.2016.29.8.499

두 번의 피크전류제한 기능을 갖는 변압기형 초전도한류기의 과도전류제한 동작 특성 연구
Study on Transient Current Limiting Operational Characteristics of Transformer Type SFCL with Two Peak Current Limiting Function 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.8, 2016년, pp.499 - 504

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we analyzed the operational characteristics of the fault current limiting according to the amplitude of the fault current for the transformer type superconducting fault current limiter (SFCL). If the fault current happens, the superconducting element connected to the secondary coil is occurred quench and the fault current is limited. When the larger fault current occurs, the superconducting element connected to the third coil is occurred additional quench and the peak fault current is limited. We found that the fault current can be more effectively controlled through the analysis of the fault current limiting and the short-circuit tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고장 발생 초기 고장 전류 크기에 따라 두 번의 피크전류제한 기능을 갖는 변압기형 초전도한류기의 고장전류제한 동작 특성을 분석하였다.

제안 방법

60 Hz의 교류전원 전압(Ein) 200 V와 선로임피던스(LL=1.82 mH, RL=0.097 Ω)및 부하임피던스(Lload=5mH, RL=41.2 Ω)로 구성하였다.
임계온도 87 K를 갖는 박막 형태로 제작된 YBCO를 초전도소자로 사용하였다. 강자성체 철심을 매개로 2차 권선과 3차 권선에 초전도소자 HTSC₁과 HTSC₂를 각각 연결하였다. 정상상태에서 변압기형 초전도한류기의 초전도소자 (HTSC₁, HTSC₂)는 제로저항을 유지하고 있어 초전도소자는 제로 전압을 나타나게 된다.
를 개방함으로써 고장을 제거하였다. 고장 기간 동안 한류기의 초전도소자와 각 권선에 흐르는 전류와 전압을 CT와 PT를 통해 분석하였다.
고장을 모의하기 위해 스위치 SW₁을 투입한 후 고장주기 동안 스위치 SW₂를 투입하여 단락 사고를 유발한 후 5주기 이후 다시 스위치 SW₂를 개방함으로써 고장을 제거하였다. 고장 기간 동안 한류기의 초전도소자와 각 권선에 흐르는 전류와 전압을 CT와 PT를 통해 분석하였다.
각 권선의 인덕턴스를 L₁, L₂, L₃로나타냈고, 초전도소자가 퀜치되어 저항이 발생할 때 초전도소자 저항을 R_SC1과 R_SC2로 나타냈다. 등가회로를 간략화하기 위해 권선 상호 간의 상호 인덕턴스와 권선저항은 생략하였다.
본 논문에서는 전류제한 용량을 증가하기 위하여 변압기 2차에 3차 권선을 추가하고 2차 권선과 3차 권선의 인덕턴스를 변화하여 고장 전류를 제한하기 위한 변압기형 초전도한류기를 제한하였다. 제안한 변압기형 초전도한류기의 전기적인 등가회로로부터 동작전류를 전개하였으며, 모의단락실험을 통해 고장 각에 따른 고장 전류제한과 피크고장 전류제한 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 전류제한 용량을 증가하기 위하여 변압기 2차에 3차 권선을 추가하고 2차 권선과 3차 권선의 인덕턴스를 변화하여 고장 전류를 제한하기 위한 변압기형 초전도한류기를 제한하였다. 제안한 변압기형 초전도한류기의 전기적인 등가회로로부터 동작전류를 전개하였으며, 모의단락실험을 통해 고장 각에 따른 고장 전류제한과 피크고장 전류제한 특성을 분석하였다. 등가회로와 단락 모의실험을 통해 고장 전류의 과도성분에 따라 초전도소자를 보다 효과적으로 활용할 수 있었고, 고장 전류를 효율적으로 제한할 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

그림 1은 두 번의 피크전류제한 기능을 갖는 변압기형 한류기의 구조를 나타낸다. 임계온도 87 K를 갖는 박막 형태로 제작된 YBCO를 초전도소자로 사용하였다. 강자성체 철심을 매개로 2차 권선과 3차 권선에 초전도소자 HTSC₁과 HTSC₂를 각각 연결하였다.

성능/효과

고장 각이 90º 로 증가한 경우 초전도소자의 소비전력과 저항 값은 작게 나타나고 있음을 알 수 있고, 첫 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자에서만 퀜치가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
고장발생 시 고장각 0º 와 90º 에서 고장 전류의 크기가 다르게 되므로 제안한 초전도한류기의 모의단락실험과 피크전류제한 동작 분석을 통해 유용성을 확인할 수 있었다.
그림 4(a)는 고장 발생 시 2차 권선과 3차 권선에 연결된 초전도소자의 전류(i_SC1, i_SC2)와 전압(V_SC1, V_SC2)을 나타내고 있다. 고장이 발생 직후 첫 번째 제한요소와 두 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자의 퀜치 발생으로 고장 전류를 제한하는 것을 알 수 있고, 1/2주기 이후 초전도소자의 전압(V_sc1, V_sc2)이 유기되는 것을 확인할 수 있다. 그림 4(b)는 고장 전류의 과도성분에 따른 초전도소자의 소비전력과 저항과의 관계를 나타내고 있다.
제안한 변압기형 초전도한류기의 전기적인 등가회로로부터 동작전류를 전개하였으며, 모의단락실험을 통해 고장 각에 따른 고장 전류제한과 피크고장 전류제한 특성을 분석하였다. 등가회로와 단락 모의실험을 통해 고장 전류의 과도성분에 따라 초전도소자를 보다 효과적으로 활용할 수 있었고, 고장 전류를 효율적으로 제한할 수 있음을 확인하였다.
또한, 고장 각이 90º 로 증가할 경우 초전도소자의 전류(isci)가 왜곡되는 것을 확인할 수 있다.
첫 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자에서 퀜치가 발생하고 회복되다가 1/2주기 이후 다시 퀜치되 어 저항이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초전도소자의 축적된 열로 인해 1/2주기 이후 소비전력이 크게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 두 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자는 고장 전류가 초전도소자의 임계전류밀도를 초과하지 않아 퀜치되지 않고 제로저항을 나타내고 있다.
그림 4(b)는 고장 전류의 과도성분에 따른 초전도소자의 소비전력과 저항과의 관계를 나타내고 있다. 첫 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자에서 1/2주기에서 부분적인 퀜치와 회복이 발생한 후 1/2주기 이후 축적된 열로 인해 두 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자에서 완전한 퀜치가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그림 5(b)는 고장 전류의 과도성분에 따른 초전도소자의 소비전력과 저항과의 관계를 나타내고 있다. 첫 번째 제한요소를 구성하는 초전도소자에서 퀜치가 발생하고 회복되다가 1/2주기 이후 다시 퀜치되 어 저항이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초전도소자의 축적된 열로 인해 1/2주기 이후 소비전력이 크게 상승하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 변압기가 필요한 이유는 무엇인가?	산업발전에 따라 배전계통의 전력 수요의 증가와 분산 전원의 증가로 대용량 변압기의 적용이 불가피하게 되었다. 하지만 단락이나 지락과 같은 고장 전류 발생 시 고장 전류의 크기가 증가하여 기존의 설치된 차단기나 보호기기의 차단용량 초과로 심각한 손상을 초래하게 되며 계통의 안정도 저하와 차단기의 교체비용상승 등이 예상된다.
	단락이나 지락과 같은 고장 전류 발생으로 인한 문제는 무엇인가?	산업발전에 따라 배전계통의 전력 수요의 증가와 분산 전원의 증가로 대용량 변압기의 적용이 불가피하게 되었다. 하지만 단락이나 지락과 같은 고장 전류 발생 시 고장 전류의 크기가 증가하여 기존의 설치된 차단기나 보호기기의 차단용량 초과로 심각한 손상을 초래하게 되며 계통의 안정도 저하와 차단기의 교체비용상승 등이 예상된다. 기존에 고장 전류에 대한 방안 중 초전도한류기는 초전도 고유특성을 이용하여 고장 전류를 제한하는 신개념의 대안으로 주목받으면서 세계 선진국에서 활발하게 연구를 진행하고 있다 [1-6].
	변압기형 초전도한류기 개발의 의의는 무엇인가?	제안한 변압기형 초전도한류기의 전기적인 등가회로로부터 동작전류를 전개하였으며, 모의단락실험을 통해 고장 각에 따른 고장 전류제한과 피크고장 전류제한 특성을 분석하였다. 등가회로와 단락 모의실험을 통해 고장 전류의 과도성분에 따라 초전도소자를 보다 효과적으로 활용할 수 있었고, 고장 전류를 효율적으로 제한할 수 있음을 확인하였다.

참고문헌 (13)

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