[논문]지중관로에서의 실제 허용전류 산출을 위한 도체온도 계산 알고리즘 개선에 관한 연구

이향범; 이병철; 김정훈; 남용현; 강지원

doi:10.5370/kiee.2018.67.3.352

지중관로에서의 실제 허용전류 산출을 위한 도체온도 계산 알고리즘 개선에 관한 연구
Improvement of the Conductor Temperature Calculation Algorithm for Calculating the Allowable Current in the Underground Channel 원문보기

이향범 (School of Electrical Engineering, Soongsil University) , 이병철 (School of Electrical Engineering, Soongsil University) , 김정훈 (School of Electrical Engineering, Hongik University) , 남용현 (School of Electrical Engineering, Hongik University) , 강지원 (Dept. of Power Transmission Laboratory, KEPRI)

In this paper, the improvement of the conductor temperature calculation algorithm is studied. The allowable current of the underground transmission line is determined by the conductor temperature limit. Usually to calculate the allowable current limit, the conductor temperature is assumed in the most worst environment condition. It is possible to increase the transmission capacity if the actual burial environment is considered. Therefore, in this paper an algorithm is proposed to calculate the conductor temperature by distinguishing two area of a underground transmission line condition - the manhole where the temperature sensor can be installed and the underground transmission line in which the temperature sensor can not be installed easily. When calculating the conductor temperature by the underground line in the pipeline, the existing standard describes each environment as a single soil heat resistance and one ambient temperature. In order to compensate this situation, thermal resistance model that can take into consideration the ground surface temperature and under ground temperature is proposed. It is shown that the accuracy of the proposed model is increased compared with the existing standard calculation result.

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문제 정의

이에 따른 건설비용과 공사기간 중에 선로운용 불가 등 여러 가지 요소를 고려하였을 때, 경제성이 없다. 따라서, 온도센서 설치가 용이한 맨홀부에 위치한 지중선로 표면온도를 이용하여 도체온도를 산출하고자 한다.
본 논문에서는 DTS(Distributed Temperature Sensor) 설치가 어려운 관로식 지중송전선로나 직매식 지중송전선로에서 도체온도를 산출하는 방법에 대해서 연구하였다. 규격 내에서의 허용전류를 산출하기 위해서는 가장 가혹한 조건하에서 도체온도를 산출하고 있으며, 실제 현장에서는 이러한 환경이 조성되는 것은 매우 드문 일이다.
본 논문에서는 기존의 설치되어 있는 관로식 지중선로와 직매식 지중선로의 실제 허용전류를 구하기 위하여 도체온도 산출 알고리즘을 개선하여 주변 온도, 토양의 열저항 등의 외부 정보와 관로식의 맨홀, 직매식의 접속부에서만 DTS 설치로 얻을 수 있는 정보를 갖고 유한요소법(FEM)을 이용하여 4방향 토양 열저항을 도입하는 방법으로 도체온도를 산출하는 방법을 제시한다. 이 방법을 지중관로에 적용하여 그 효용성을 보였다.

제안 방법

각 토양 열 저항에는 지면온도, 지중온도를 맞춰서 열 저항모델을 구성하여 도체온도를 산출하고자 한다.
규격 내에서의 허용전류를 산출하기 위해서는 가장 가혹한 조건하에서 도체온도를 산출하고 있으며, 실제 현장에서는 이러한 환경이 조성되는 것은 매우 드문 일이다. 따라서 실제 환경에 고려하여 도체온도를 산출해야 하며, 산출하기 위해서는 맨홀 내에서는 온도센서를 활용하여 도체온도를 산출하는 방법과 관로 내의 지중송전선로의 도체온도 산출하기 위한 4개의 토양 열 저항이 사용된 열 저항 모델을 제시하였다. 이를 검증하기 위해서 수치해석결과와 비교를 하였으며, 실제 도체온도와 유사한 도체온도 산출하는 것이 가능하다는 것을 보였다.
수치해석을 통해 얻어진 도체온도를 바탕으로 DS 6210에서의 열 저항모델과 지중온도와 지면온도를 고려한 열 저항 모델로 산출한 도체온도를 비교하였다. [표 5]은 각각의 열 해석결과에 수치해석을 통해 얻어진 도체온도와 오차율을 나타낸다.
[그림 2]은 본 논문에서 제안하고자 하는 열저항 모델이다. 지면 온도와 지중온도를 고려하기 위해서는 열 방사방향을 고려하여 총 4개의 토양의 열 저항으로 구성하여, 기존의 모델에 비해 개선된 결과를 얻을 수 있도록 제안하였다.
372435 [K/W]로 산출이 되었으며 이 결과는 지면온도와 지중온도를 고려한 열 저항회로일 때의 각 변에 대한 토양 열 저항(T_4-1, T_4-2, T_4-3, T_4-4)의 합과 같다. 지면온도를 25, 30, 35 [℃], 각각의 도체손실은 30, 50, 70 [W], 시스손실은 도체손실의 10 [%]로 설정하여 해석을 진행하였다. [그림 7]과 [그림 8]은 각 조건에 해당하는 온도분포를 나타낸다.
지면온도와 지중온도를 고려한 열 저항 모델을 이용하여 도체온도를 추정하기 위해서는 각 변의 토양 열 저항(T_4-1, T_4-2, T_4-3, T_4-4)의 값을 알아야 하며, 토양 열 저항을 구하기 위해서 유한요소법을 이용한 열 해석 결과를 바탕으로 합성 토양 열 저항을 구한 다음, 각 변의 토양 열 저항을 산출하였다. 그 결과는 [표 4]와 같다.
토양 열 저항(T₄)을 산출하기 위해서 도체온도, 대지온도를 이용하여 산출하였다. (3)식은 토양 열 저항(T₄)을 산출하는 공식이다.

대상 데이터

정 중앙에 지중송전선로가 위치하고 있다. 열 저항 모델에 대한 비교를 위해 이용한 모델이며, 하나의 지중송전선로와 토양을 이용하였다. [표 3]는 각각의 재질정보 및 모델링 정보를 나타낸다.
[그림 5]는 지중송전선로를 확대하여 나타내었다. 지중송전선로는 도체, 절연체, 중선선, 외장으로 구성하여 모델링하였다[8]. [그림 6]는 지중송전선로의 요소망(Mesh) 형상을 나타낸다.

데이터처리

DTS를 이용하여 산출한 열 저항 모델과 지중온도, 지면온도를 고려한 열 저항 모델이 기존의 열 저항모델보다 정확한 도체온도 산출가능 함을 확인하기 위해서 유한요소법(FEM)에 의한 수치해석결과를 이용하여, 기존 알고리즘과 본 논문에서 제안한 개선된 알고리즘을 이용하여 계산된 결과와 비교하였다. [그림 3]는 지중송전선로와 토양을 모델링을 나타낸다.

성능/효과

DS6210 규격의 열 저항모델은 도체온도를 산출하기 위한 모델이 아닌 허용전류를 산정하기 위한 모델이기 때문에 실제 도체보다 높은 온도로 산출되는 것을 확인할 수 있었다. 실제 송전선로의 효율적인 허용전류 산정을 위해서는 정확한 도체온도를 산출해내야 하며, 이를 위해서는 지면온도와 지중온도 모두 고려한 열 저항 모델을 이용하여 산출하여야 한다.
[표 5]은 각각의 열 해석결과에 수치해석을 통해 얻어진 도체온도와 오차율을 나타낸다. DS6210을 모델의 결과보다 본 논문에서 제안한 방법의 결과가 유한요소법의 결과에 더 가까운 것을 알 수 있다.
따라서 실제 환경에 고려하여 도체온도를 산출해야 하며, 산출하기 위해서는 맨홀 내에서는 온도센서를 활용하여 도체온도를 산출하는 방법과 관로 내의 지중송전선로의 도체온도 산출하기 위한 4개의 토양 열 저항이 사용된 열 저항 모델을 제시하였다. 이를 검증하기 위해서 수치해석결과와 비교를 하였으며, 실제 도체온도와 유사한 도체온도 산출하는 것이 가능하다는 것을 보였다. 실제 상황에 맞는 허용전류 산출을 위해서는 정확한 도체온도를 산출하는 것이 중요하며, 실제상황을 고려한 허용전류는 송전용량 증대를 할 수 있으며, 불필요한 선로건설비를 절감해 줄 수 있다.

후속연구

향후 과도현상을 고려하면 더 큰 송전용량을 순간적으로 얻을 수 있으므로 동적 도체온도 산정방법과 이를 단순하게 표현할 수 있는 DRS 시스템 개발이 요청된다.

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