[논문]스코트 변압기 보호계전기 오동작 사례분석 및 개선방안 고찰

이종화; 노영환

doi:10.5762/kais.2017.18.7.394

초록
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본 국내 교류전철변전소에서는 주변압기 2차측의 위상각이 $90^{\circ}$인 단상 전원을 얻도록 한 스코트 결선 변압기를 설치 운용 하고 있다. 변압기 보호계전기는 내부에서 고장이 발생하는 경우 변압기 전단에서 전력을 차단시키고 변압기 외부 계통의 사고나 일반차량 운행의 경우에는 동작하지 않아야 한다. 정확한 고장의 판단으로 오동작을 줄이는 것이 전력계통을 안정적으로 유지하고 신뢰성을 향상시키는 측면에서 매우 중요하다. 주 변압기 내부 고장 검출장치로는 브흐홀쯔계전기와 비율차동계전기를 설치하여 변압기를 보호하고 있지만 비율차동계전기의 오동작으로 인해 보호기능을 비활성화 시켜놓은 상태로 운용하는 사례가 있다. 본 논문에서는 스코트 변압기의 특성과 비율차동계전기의 특성을 제시하고 보호계전기의 오동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 전력계통 해석프로그램을 이용하여 스코트 변압기에 사용되는 비율차동계전기를 모델링하고 A변전소의 Comtrade 파일로 저장된 고장파형을 입력데이터로 사용하여 동작여부를 판단하여 고조파 분석을 수행하였다. 또한, 고장파형 분석을 통해 오동작 사례에 대한 개선 방안을 도출하고자 한다.

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In Korean AC power railway substations, SCOTT winding transformers are under operation to have a single phase power supply together with a phase angle of $90^{\circ}$ on the secondary side of the main transformer. In the case of an internal fault of the transformer, the transformer protec...

In Korean AC power railway substations, SCOTT winding transformers are under operation to have a single phase power supply together with a phase angle of $90^{\circ}$ on the secondary side of the main transformer. In the case of an internal fault of the transformer, the transformer protection relay should be cut off on the primary side, the transformer should be inoperative to the external fault of the transformer or to the normal train operation. Reducing the malfunction of the relay through an exact fault determination is very important for securing a stable power system and improving its reliability. The main transformers are protected using Buchholtz's relay and a differential relay as the internal fault detection devices, but there are some cases of the main transformer operation under the deactivation of this protection function due to a malfunction of the differential relay. In this paper, the characteristics of the SCOTT transformer and differential relay as well as the malfunctioning of the protection relays are presented. The modeling of the SCOTT transformer protection relay was accomplished by the power system analysis program and the Comtrade file from 'A substation', which was used as the input data for the fault wave, and the harmonics were analyzed to determine if the relay operates or not. In addition, an improvement plan for malfunctioning cases through wave form analysis is suggested.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 스코트 변압기의 특성과 비율차동계전기의 특성을 제시하고 보호계전기의 오동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 전력계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 스코트변압기에 사용되는 비율차동계전기를 모델링하고 A 변전소의 Comtrade 파일로 저장된 실제 고장 파형을 입력데이터로 사용하여 동작 여부를 판단, 고조파 분석 등을 수행하였다.

제안 방법

보호계전기의 동작이 변압기 고장이 아닌 경우에 동작한 오동작으로 판단되어 오동작 원인을 찾기 위해 FFT library를 활용하여 전류 파형들의 고조파 분석을 수행하였다. 보호계전기가 차전류 및 억제전류를 연산하기 위해 사용하는 전류 값은 기본파 전류 값이므로 먼저 기본파 전류 값을 추출하였다.
본 논문에서는 국내 A 변전소의 실제 사고 데이터를 이용하여 비율차동계전기 동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 먼저 스코트변압기의 전류 분포, 비율차동계전기의 특성 및 변압기 돌입전류 특성에 대해 제시하고, PSCAD/EMTDC의 File read library, FFT library를 활용하여 고장 전류 데이터를 분석하였으며 스코트변압기 비율차동계전기도 모델링하여 동작여부를 재확인하였다.
본 논문에서는 국내 A 변전소의 실제 사고 데이터를 이용하여 비율차동계전기 동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 먼저 스코트변압기의 전류 분포, 비율차동계전기의 특성 및 변압기 돌입전류 특성에 대해 제시하고, PSCAD/EMTDC의 File read library, FFT library를 활용하여 고장 전류 데이터를 분석하였으며 스코트변압기 비율차동계전기도 모델링하여 동작여부를 재확인하였다. 동작 사례의 전류 데이터 분석 결과 전류 데이터에 2고조파의 함유율이 높은 것으로 나타났고 이는 변압기 내부사고로 인한 전류가 아닌 변압기 가압시 발생하는 돌입전류로 인한 오동작임을 확인하였다.
본 논문에서는 스코트 변압기의 특성과 비율차동계전기의 특성을 제시하고 보호계전기의 오동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 전력계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 스코트변압기에 사용되는 비율차동계전기를 모델링하고 A 변전소의 Comtrade 파일로 저장된 실제 고장 파형을 입력데이터로 사용하여 동작 여부를 판단, 고조파 분석 등을 수행하였다. 결론적으로 고장 파형 분석을 통해 오동작 사례에 대한 개선방안을 도출하고자 한다.

대상 데이터

2016년 1월과 5월에 국내 A 변전소에서 유사한 시간대에 변압기 보호계전기가 동작하였다.

데이터처리

먼저 보호계전기가 동작한 시간을 고려할 때 변압기가 계통에 투입되어 가압하는 시간대임을 알 수 있고, 변압기 투입시 돌입전류에 의해 오동작한 것으로 추측할 수 있다. 이를 검증하기 위해 전력계통해석프로그램 (PSCAD/EMTDC)을 이용하여 해당 고장 파형을 분석, 고장 트립 유무 확인, 고조파 해석을 통해 분석을 하였다.

성능/효과

A변전소에서 발생한 두 가지 경우의 오동작 이력이 거의 유사하게 나타났으며, 이는 변압기 돌입 전류로 인한 것임을 확인하였다. 이러한 오동작을 방지하기 위해 기존의 2고조파 전류의 억제 값을 보다 더 높게 설정하고, 지속시간 1,000ms를 2,000ms로 설정 변경하여 운용할 경우 다수의 오동작을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 위해 먼저 스코트변압기의 전류 분포, 비율차동계전기의 특성 및 변압기 돌입전류 특성에 대해 제시하고, PSCAD/EMTDC의 File read library, FFT library를 활용하여 고장 전류 데이터를 분석하였으며 스코트변압기 비율차동계전기도 모델링하여 동작여부를 재확인하였다. 동작 사례의 전류 데이터 분석 결과 전류 데이터에 2고조파의 함유율이 높은 것으로 나타났고 이는 변압기 내부사고로 인한 전류가 아닌 변압기 가압시 발생하는 돌입전류로 인한 오동작임을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 변압기 보호계전기 설정 값 중 2고조파 억제값을 기존 보다 높게 설정하고, 지속시간도 2,000ms로 길게 설정하여 오동작 사례의 빈도수가 낮출 수 있을 것으로 사료된다.
동작 사례의 전류 데이터 분석 결과 전류 데이터에 2고조파의 함유율이 높은 것으로 나타났고 이는 변압기 내부사고로 인한 전류가 아닌 변압기 가압시 발생하는 돌입전류로 인한 오동작임을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 변압기 보호계전기 설정 값 중 2고조파 억제값을 기존 보다 높게 설정하고, 지속시간도 2,000ms로 길게 설정하여 오동작 사례의 빈도수가 낮출 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

이를 위해 전력계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 스코트변압기에 사용되는 비율차동계전기를 모델링하고 A 변전소의 Comtrade 파일로 저장된 실제 고장 파형을 입력데이터로 사용하여 동작 여부를 판단, 고조파 분석 등을 수행하였다. 결론적으로 고장 파형 분석을 통해 오동작 사례에 대한 개선방안을 도출하고자 한다.
이러한 오동작을 방지하기 위해 기존의 2고조파 전류의 억제 값을 보다 더 높게 설정하고, 지속시간 1,000ms를 2,000ms로 설정 변경하여 운용할 경우 다수의 오동작을 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 스코트 변압기가 소손되지 않는 시간 내에 차단하기 위해 변압기의 내력과 돌입전류 크기 및 지속시간의 상관관계에 대해 추가적으로 검토해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비율차동계전기 동작 사례 분석을 어떤 식으로 하였는가?	본 논문에서는 국내 A 변전소의 실제 사고 데이터를 이용하여 비율차동계전기 동작 사례를 분석하였다. 이를 위해 먼저 스코트변압기의 전류 분포, 비율차동계전기의 특성 및 변압기 돌입전류 특성에 대해 제시하고, PSCAD/EMTDC의 File read library, FFT library를 활용하여 고장 전류 데이터를 분석하였으며 스코트변압기 비율차동계전기도 모델링하여 동작여부를 재확인하였다. 동작 사례의 전류 데이터 분석 결과 전류 데이터에 2고조파의 함유율이 높은 것으로 나타났고 이는 변압기 내부사고로 인한 전류가 아닌 변압기 가압시 발생하는 돌입전류로 인한 오동작임을 확인하였다.
	스코트변압기란 무엇인가?	국내의 교류 전기철도 계통에서 사용하는 AT 급전방식은 한국전력공사에서 보내오는 154kV, 66kV의 전압을 스코트(Scott)변압기를 통해 강압하여 55kV인 M상과 T상으로 변압하고 단상 공급선로를 상, 하행선으로 구분하여 급전시킨다. 주변압기인 스코트변압기는 변성비가 다른 단상 변압기 2대를 접속하여 2차에 상차각이 90°인 2개의 단상 전원을 얻도록 한 변압기이며 국내 전기철도 변전소에서 사용되고 있다.
	보호계전기 오동작을 방지하기 위해 어떠한 방법을 사용할 수 있을 것으로 보이는가?	A변전소에서 발생한 두 가지 경우의 오동작 이력이 거의 유사하게 나타났으며, 이는 변압기 돌입 전류로 인한 것임을 확인하였다. 이러한 오동작을 방지하기 위해 기존의 2고조파 전류의 억제 값을 보다 더 높게 설정하고, 지속시간 1,000ms를 2,000ms로 설정 변경하여 운용할 경우 다수의 오동작을 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 스코트 변압기가 소손되지 않는 시간 내에 차단하기 위해 변압기의 내력과 돌입전류 크기 및 지속시간의 상관관계에 대해 추가적으로 검토해야 한다.

참고문헌 (7)

Jung Chul Kim, "Analysis on feeding system and Understanding on the electrical characteristics of the korean railway", Gidari, pp. 18, 2008.
IEEE Std C37.91, 'IEEE Guide for Protecting Power Transformer', pp. 19, 2008.
ICE, "DIGITAL MULTI-FUNCTION RELAY DIFFERENTIAL PROTECTION FOR TRANSFORMERS NPDT USER'S GUIDE", pp. 11, 2009.
CIGRE Working Group C4.307, "Tranformer Energization in Power System : A Study Guide", 2014.
Steven Hodder, Bogdan Kasztenny, Normann Fischer, and Yu Xia, "Low Second-Harmonic Content in Transformer Inrush Currents - Analysis and Practical Solutions for Protection Security", 67th Annual Conference for Protective Relay Engineer, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/CPRE.2014.6799037
Kyoung-Ho Kim, Jong-Hweon Lee, Kyeong-Yeol Kim, "The method of the regenerating COMTRADE data using PSCAD", Conference for The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 584-585, 2014.
Chul-Won Park, "Power Transformer Modeling and Transient Analysis using PSCAD", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers vol. 65P, no. 2, pp. 122-129, 2016. DOI: https://doi.org/10.5370/KIEEP.2016.65.2.122

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