선박의 저항접지 시스템에서 지락 고장에 따른 대지전압 중성점 전위 특성 Characteristics on the Neutral Point Potential of Line-to-Ground Voltage according to Line-to-Ground Fault in Resistance Ground System for Ships원문보기
계통 접지(system grounding)는 어떤 이상전압 유입이나 지락 고장 등으로부터 전력 계통의 안정성을 확보할 목적으로 전원의 중성점에 적용하는 것이다. 선박에서 주로 적용되는 계통 접지는 비접지 시스템과 저항 접지 시스템이다. 440V 선박은 비접지 시스템을 적용하고, 3.3kV, 6.6kV, 11kV의 MV(medium voltage) 시스템을 사용하는 선박은 저항 접지 시스템 중에서 주로 고저항접지 방식을 적용한다. 지락 고장은 전기시스템에서 발생하는 모든 고장의 95%정도이고, 지락고장 발생 시 전력 계통의 대지전압이 과도하게 증가하여 선내 절연 시스템에 악영향을 주게 된다. 본 논문에서는 선박에서 적용하는 저항접지 시스템에 대해 지락 고장 발생시 지락 정도에 따라 전력 계통의 대지전압 중성점의 변동 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템의 종류에 따른 특성을 알아보고, 선박의 저항 접지 시스템의 대지전압 중성점에 대한 모델링을 유도한다. 최종적으로 다양한 변수환경에 따라서 대지전압, 선간전압, 중성점 전위 등이 어떻게 변동되는지 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 지락고장 발생시 나타나는 선내 전압의 변화특성을 분석한다.
계통 접지(system grounding)는 어떤 이상전압 유입이나 지락 고장 등으로부터 전력 계통의 안정성을 확보할 목적으로 전원의 중성점에 적용하는 것이다. 선박에서 주로 적용되는 계통 접지는 비접지 시스템과 저항 접지 시스템이다. 440V 선박은 비접지 시스템을 적용하고, 3.3kV, 6.6kV, 11kV의 MV(medium voltage) 시스템을 사용하는 선박은 저항 접지 시스템 중에서 주로 고저항접지 방식을 적용한다. 지락 고장은 전기시스템에서 발생하는 모든 고장의 95%정도이고, 지락고장 발생 시 전력 계통의 대지전압이 과도하게 증가하여 선내 절연 시스템에 악영향을 주게 된다. 본 논문에서는 선박에서 적용하는 저항접지 시스템에 대해 지락 고장 발생시 지락 정도에 따라 전력 계통의 대지전압 중성점의 변동 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템의 종류에 따른 특성을 알아보고, 선박의 저항 접지 시스템의 대지전압 중성점에 대한 모델링을 유도한다. 최종적으로 다양한 변수환경에 따라서 대지전압, 선간전압, 중성점 전위 등이 어떻게 변동되는지 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 지락고장 발생시 나타나는 선내 전압의 변화특성을 분석한다.
System grounding is applied to the neutral point of a power source to secure the from any abnormal voltage and/or grounding fault. System grounding, which is applied mainly in ships is an ungrounded and resistance grounded system. Vessels using the MV power system with 3.3kV, 6.6kV, and 11kV mainly ...
System grounding is applied to the neutral point of a power source to secure the from any abnormal voltage and/or grounding fault. System grounding, which is applied mainly in ships is an ungrounded and resistance grounded system. Vessels using the MV power system with 3.3kV, 6.6kV, and 11kV mainly adopt a high resistance grounding system among the resistance grounding systems. The ground fault accounts for 95% of all faults occurring in the electrical system and when a fault occurs, the line-to-ground voltage of the power system is increased excessively, which adversely affects the onboard insulation system. This study analyzed the variation characteristics of the line-to-ground voltage neutral point according to the degree of ground fault in a resistance ground system applied in vessels. For this purpose, the characteristics of the grounding system were first explained, and the modeling of the neutral point potential of the line-to-ground voltage of the resistance grounding system in the vessels was derived. Finally, this study examined how the line-to-ground voltage, line voltage, and neutral point change according to various variable environments through MATLAB simulations.
System grounding is applied to the neutral point of a power source to secure the from any abnormal voltage and/or grounding fault. System grounding, which is applied mainly in ships is an ungrounded and resistance grounded system. Vessels using the MV power system with 3.3kV, 6.6kV, and 11kV mainly adopt a high resistance grounding system among the resistance grounding systems. The ground fault accounts for 95% of all faults occurring in the electrical system and when a fault occurs, the line-to-ground voltage of the power system is increased excessively, which adversely affects the onboard insulation system. This study analyzed the variation characteristics of the line-to-ground voltage neutral point according to the degree of ground fault in a resistance ground system applied in vessels. For this purpose, the characteristics of the grounding system were first explained, and the modeling of the neutral point potential of the line-to-ground voltage of the resistance grounding system in the vessels was derived. Finally, this study examined how the line-to-ground voltage, line voltage, and neutral point change according to various variable environments through MATLAB simulations.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 최근 전력 수요 증가에 따라 MV 계통의 선박이 주요 추세임을 감안하여 선박과 해양플랜트에서 적용하는 저항접지 시스템에서 지락 고장시 지락 정도에 따른 MV 계통의 대지전압 중성점의 변동 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템에 따른 특성을 알아보고, 선박의 MV 계통에서 적용하고 있는 저항 접지 시스템에서의 대지전압 중성점에 대해 모델링을 한다.
최근 선박에서 사용하는 전압이 높아짐에 따라 비접지 시스템보다 저항접지 시스템을 적용하고 있다. 본 논문에서는 각 접지 방식에 따른 특성을 알아보고, 그 중지락 고장시 저항 접지 시스템의 대지전압 중성점 전위 변화 특성을 확인하였다. 이를 위해 저항 접지 시스템의 대지전압에 대해 모델링하고, MV 계통에서 지락 고장 상황을 고려하여 대지전압 중성점 전위의 이동 경로 특성과 대지전압 크기 변화를 다양한 환경하에서 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
본 장에서는 선박에서 적용하고 있는 대표적인 접지방식인 비접지와 저항접지 뿐 아니라 직접접지 시스템에 대해서도 살펴보고자 한다.
본 절에서는 고저항 접지 시스템과 저저항 접지 시스템의 R상 접지저항 RR이 점점 작아지는 경우의 대지전압 중성점 전위 변화 특성을 확인한다.
제안 방법
이를 위해 우선 접지 시스템에 따른 특성을 알아보고, 선박의 MV 계통에서 적용하고 있는 저항 접지 시스템에서의 대지전압 중성점에 대해 모델링을 한다. 다양한 변수환경에 따라 대지전압, 선간전압, 중성점 전위 등이 어떻게 변동되는지 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 지락 고장 발생시 나타나는 선내 전압의 변화특성을 분석하도록 한다.
을 고저항값인 538[Ω]로 고정한다. 다음으로 R상의 대지 정전용량을 0.8[㎌], 1.64[㎌], 23.2[㎌], 50[㎌], 100[㎌]으로 변화시키면서 각각의 경우에 접지 저항 RR을 점차 감소시켜 대지전압 중성점 전위의 이동 특성을 분석한다.
다음으로 S상이 먼저 지락이 진행되고 다음으로 R상이 지락되는 경우를 검토하였다. 이 경우는 N점에서 AS점으로 이동한다.
6kV를 선간전압으로 한다. 또한 선박의 배전규모에 영향을 받는 선로 충전 전류 크기에 따라 구분되는 고저항 접지 시스템과 저저항 접지 시스템에 대해 시뮬레이션을 실시하며, 2.2절에 따라 고저항 및 저저항 접지 시스템의 Rn과 C를 계산한다. 시뮬레이션에 사용된 기준 파라미터와 계산값은 Table 1과 같다.
본장에서는 3장의 모델링과 MATLAB을 활용하여 지락 고장시의 대지전압 중성점 전위 변화 특성을 분석한다. 시뮬레이션을 위해 MV 선박에서 사용하는 6.
또한, 저저항 접지 시스템에서 과도 과전압을 250[%]로 제한하기 위해서는 Xc/3Rn > 1을 충족해야 한다[2]. 시뮬레이션으로 중성점 저항 Rn변화에 따른 특성을 확인 하기 위해 대지정전용량은 23.2[㎌](Xc = 114.3[Ω])으로 고정하고, 3Rn을 15[Ω], 30[Ω], 60[Ω], 90[Ω]로 고정하여 각 경우에 대해 R상의 접지 저항이 악화될 경우 대지전압 중성점 전위의 이동 특성을 확인한다.
위와는 다르게 두 상이 어떤 시간차를 가지면서 절연이 불량해져 지락고장이 발생할 경우도 분석하였다. 우선 R상이 먼저 지락이 진행되어 건전상의 절연을 악화시키고, 이로 인해 S상의 지락이 유발된 경우를 검토하였다. 대지전압 중성점 전위는 Fig.
우선 저저항 접지 시스템과 고저항 접지 시스템에서 각각 지락고장 정도를 고려하여 대지전압 중성점 이동경로를 확인하였다. 이동 경로는 원점에서 반시계 방향이었으며 저저항 접지 시스템이 대지전압 중성점 이동시 편각이 더 작은 것을 확인하였다.
위와는 다르게 두 상이 어떤 시간차를 가지면서 절연이 불량해져 지락고장이 발생할 경우도 분석하였다. 우선 R상이 먼저 지락이 진행되어 건전상의 절연을 악화시키고, 이로 인해 S상의 지락이 유발된 경우를 검토하였다.
따라서 본 논문에서는 최근 전력 수요 증가에 따라 MV 계통의 선박이 주요 추세임을 감안하여 선박과 해양플랜트에서 적용하는 저항접지 시스템에서 지락 고장시 지락 정도에 따른 MV 계통의 대지전압 중성점의 변동 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템에 따른 특성을 알아보고, 선박의 MV 계통에서 적용하고 있는 저항 접지 시스템에서의 대지전압 중성점에 대해 모델링을 한다. 다양한 변수환경에 따라 대지전압, 선간전압, 중성점 전위 등이 어떻게 변동되는지 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 지락 고장 발생시 나타나는 선내 전압의 변화특성을 분석하도록 한다.
본 논문에서는 각 접지 방식에 따른 특성을 알아보고, 그 중지락 고장시 저항 접지 시스템의 대지전압 중성점 전위 변화 특성을 확인하였다. 이를 위해 저항 접지 시스템의 대지전압에 대해 모델링하고, MV 계통에서 지락 고장 상황을 고려하여 대지전압 중성점 전위의 이동 경로 특성과 대지전압 크기 변화를 다양한 환경하에서 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
저항접지 시스템에서 지락 고장시 대지전압 중성점 전위의 특성을 해석하기 위해 전원, 선로 임피던스, 중성점 저항을 Fig. 3과 같이 표현하였다. 그림에서 대지 정전용량과 선간 정전용량이 각각 Y결선과 △결선으로 되어 있으나 △결선된 선간 정전용량은 시스템의 지락 특성에 미치는 영향이 작으므로 무시하도록 한다[2].
한편, RR이 감소되어 어떤 임의점일 때 대지전압의 크기를 알아보기 위해 C와 Rn을 1.64[㎌]과 538[Ω]로 선정하고, RR이 463[Ω]되는 지점에서 각 상의 대지전압에 대해 분석하였다. Fig.
성능/효과
또한 R상에서 지락 고장이 진행될 경우 T상의 대지전압이 S상의 대지전압보다 상대적으로 큰 것을 확인하였고, 완전 지락이 되었을 때에는 건전 상의 대지전압 모두 선간전압 크기로 증가하는 것을 확인하였다. 두 개의 상이 동시에 지락고장이 진행될 경우에는 관련 두 개의 상전압 벡터 끝점을 잇는 직선 상에 대지전압 중성점 이동경로의 끝점이 존재하는 것을 확인하였다. 이를 통해 선박에 저항 접지시스템을 적용할 때 배전 규모의 크기, 중성점 저항 선정에 따른 특성을 사전에 고려할 수 있다.
배전 규모가 클수록 시스템 대지 정전용량이 증가하므로 정전용량 크기에 따른 이동 경로도 확인하였으며 정전용량 크기가 클수록 이동시 편각이 커지는 것을 확인하였다. 또한 R상에서 지락 고장이 진행될 경우 T상의 대지전압이 S상의 대지전압보다 상대적으로 큰 것을 확인하였고, 완전 지락이 되었을 때에는 건전 상의 대지전압 모두 선간전압 크기로 증가하는 것을 확인하였다. 두 개의 상이 동시에 지락고장이 진행될 경우에는 관련 두 개의 상전압 벡터 끝점을 잇는 직선 상에 대지전압 중성점 이동경로의 끝점이 존재하는 것을 확인하였다.
이동 경로는 원점에서 반시계 방향이었으며 저저항 접지 시스템이 대지전압 중성점 이동시 편각이 더 작은 것을 확인하였다. 배전 규모가 클수록 시스템 대지 정전용량이 증가하므로 정전용량 크기에 따른 이동 경로도 확인하였으며 정전용량 크기가 클수록 이동시 편각이 커지는 것을 확인하였다. 또한 R상에서 지락 고장이 진행될 경우 T상의 대지전압이 S상의 대지전압보다 상대적으로 큰 것을 확인하였고, 완전 지락이 되었을 때에는 건전 상의 대지전압 모두 선간전압 크기로 증가하는 것을 확인하였다.
우선 저저항 접지 시스템과 고저항 접지 시스템에서 각각 지락고장 정도를 고려하여 대지전압 중성점 이동경로를 확인하였다. 이동 경로는 원점에서 반시계 방향이었으며 저저항 접지 시스템이 대지전압 중성점 이동시 편각이 더 작은 것을 확인하였다. 배전 규모가 클수록 시스템 대지 정전용량이 증가하므로 정전용량 크기에 따른 이동 경로도 확인하였으며 정전용량 크기가 클수록 이동시 편각이 커지는 것을 확인하였다.
후속연구
이를 통해 선박에 저항 접지시스템을 적용할 때 배전 규모의 크기, 중성점 저항 선정에 따른 특성을 사전에 고려할 수 있다. 또한, 지락 고장시 발생하는 건전상의 대지전압 상승과 이에 따른 절연물의 설계 특성에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
계통 접지란 무엇인가?
계통 접지(system grounding)는 어떤 이상전압 유입이나 지락 고장 등으로부터 전력 계통의 안정성을 확보할 목적으로 전원의 중성점에 적용하는 것이다. 선박에서 주로 적용되는 계통 접지는 비접지 시스템과 저항 접지 시스템이다.
전원 시스템에서 계통 접지 방식을 선택하는 기준은 무엇인가?
이러한 계통 접지는 전원 중성점의 임피던스 연결여부에 따라 비접지, 저항접지, 직접접지 등으로 구분 된다. 전원 시스템에 어떤 방식으로 접지를 적용할 것인 가는 전원의 중성점에 연결되는 부하의 유무와 지락 고장시 전원 공급 연속성의 필요성에 따라 선택한다.
지락 고장의 특징 및 종류는 무엇인가?
지락 고장(ground fault)은 전기시스템에서 발생하는 모든 고장의 95%정도이고, 완전 지락 고장(bolted ground fault)과 아킹 지락 고장(arcing ground fault)으로 구분할 수 있다. 중성점 접지는 이러한 고장으로 인한 전력계통내 교란, 인체 위해 그리고 잠재적 위험을 제어 하기 위한 효과적인 방법이다[3-4].
참고문헌 (11)
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L. J. Kingrey, R. D. Painter, and A. S. Locker, "Applying High Resistance Neutral Grounding in Mmedium Voltage Systems," IEEE Transactions on Industry Application, vol. 47, no. 3, pp. 1220-1231, 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2011.2126553
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B. Bridger, "High Resistance Grounding," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-19, no. 1, pp. 15-21, Jan./Feb. 1983. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.1983.4504149
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S. M. Choi, "Characteristics of Neutral Point Loci on Line Voltage to Hull When Insulation Resistance Collapses by Earthing Faults at 3 Phase Power Distribution Systems Onboard Vessels," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 8, pp. 1117-1123, 2011(in Korean). DOI: https://doi.org/10.5916/jkosme.2011.35.8.1117
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