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문제 정의
- 본 논문에서 HVDC 계통 내에 고장 검출을 위하여 초전도 한류기의 퀜치 특성, DTS의 온도 변화량 계측, 변동성이 적은 HVDC 계통 내에 고장 전류와 임피던스의 특성 기반의 Protection Zone의 설정을 복합 구성하는 방안을 제안하였다. 해당 방안을 통하여 기존 방안들 대비 고장 검출의 신뢰성을 향상 가능하였고 고저항, 원거리 사고 등 고장 검출이 어려운 현안 문제를 해결 할 수 있었다.
- 본 논문에서는 초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter)와 DTS(Distributed Temperature Sensing) 그리고 계전기를 활용한 복합 구성의 고장 검출 방안을 제안하였다.
- 그림 6은 통해 Bus로부터 90km 떨어진 지점의 모의 결과이며 Zone 5-3에 해당되는 결과이다. 앞서 서술된 근래에 문제가 되고 있는 고저항, 원거리 구간 사고의 고장 검출이 가능한지 확인하기 위함이다.
제안 방법
- 그림 5의 B는 Protection Zone과 DTS를 활용하여 고장을 검출한 결과이다. Protection Zone 설정에 의해 해당 Zone의 고장 여부를 확인하고 DTS를 통해 온도 변화량 정보를 활용하여 상호 교차 검토를 수행한다. 이후 최종적으로 차단기에 동작 신호를 보내게 되며 고장 검출이 가능함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
- 초전도 한류기의 퀜치 현상은 큰 고장 전류가 발생을 할 경우에만 나타나므로 고장 검출에 높은 신뢰성을 갖는 방안이나 선로 전 구간에 적용하는 것은 비용, 수명, 신뢰성 등에 영향으로 어려운 부분이 있으므로 이를 보완하기 위하여 Protection Zone과 DTS를 함께 적용하였다. Protection Zone과 DTS를 활용한 방안은 선로 전 구간에 적용이 가능한 방안이며 계측 및 연산에서 발생할 수 있는 오류는 상호 검토를 통하여 보완하였다. 이를 통하여 선로 전 구간에 높은 신뢰성을 갖는 고장 검출이 가능하였다.
- Protection Zone과 DTS를 활용한 방안은 초전도 한류기로 검출하기 어려운 BUS 근거리 사고 외에 전 구간을 검출한다. 계측의 오차로 검출 오류가 발생할 가능성이 존재 하므로 이를 방지하기 위하여 검출 정보를 상호 검토 하도록 적용하였다.
- Protection Zone과 DTS를 활용한 방안은 초전도 한류기로 검출하기 어려운 BUS 근거리 사고 외에 전 구간을 검출한다. 계측의 오차로 검출 오류가 발생할 가능성이 존재 하므로 이를 방지하기 위하여 검출 정보를 상호 검토 하도록 적용하였다.
- 총 100km 의 선로 길이를 갖으며 선로 내에서 고장을 모의하였다. 고장 점은 Zone 5-1, 5-2, 5-3을 검토하기 위하여10, 50, 90 km 총 3개의 고장 점을 지정하고 시뮬레이션을 진행하였다. CABLE 2는 귀로 회로이며 초전도 한류기와 차단기는 각인버터 측과 컨버터 측 근거리에 배치하였다.
- DTS는 통전 전류와 온도의 변화량을 계측 가능하며 고장 발생 시 고장전류와 전류의 증가로 인한 열 변화량이 함께 발생하므로 해당 정보를 이용하여 고장 판단이 가능하다. 디지털 계전기는 다양한 알고리즘이 적용 가능하며 본 논문에서는 고장 발생 시 변화하는 고장전류와 임피던스를 기반으로 Protection Zone을 설정하여 고장 검출에 활용하였다.
- 상전도 저항은 지수 함수적으로 증가하고 회복 시에는 1, 2차로 나누어 회복시간과 기울기를 갖는 것으로 설정하였다[15~16]. 또한 온도 변화는 주울 열을 이용하여 계산하였으며 두 정보의 상호 검토를 통하여 신뢰성을 확보하였다.
- 사전에 모의 상정 사고 분석에 의해 Protection Zone 설정을 위한 궤적을 구할 수 있으며 본 논문에서는 3개의 Zone을 설정하였다. 고장 검출은 고장 발생 시 나타나는 고장전류와 임피던스의 궤적선의 궤도 내에 설정을 하였으며 이는 귀착점에서 설정을 할 경우 계산 오류, 지락저항 등에 따른 값의 변동으로 검출이 어려울 수 있기 때문이다.
- 앞서 제안된 방안을 검토하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 활용하여 아래의 그림과 같은 PTP(Pole To Pole) 기반의 회로를 구성하였다. PTP 회로 구성은 복잡하지 않으므로 제안된 방안의 특성이 가장 명확하게 확인 가능하다.
- 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 Zone 5 직류 선로 내에 선로 임피던스와 고장전류의 크기를 기반으로 하는 하위 Protection Zone을 설정하였다. 직류 계통은 고장 발생 시 주파수에 의한 영향이 크지 않아 전류와 전압의 변화가 비교적 일정하게 나타나므로 Protection Zone을 통해 고장 판단뿐만 아니라 위치 추정도 가능하다.
- 초전도 한류기의 퀜치 현상은 큰 고장 전류가 발생을 할 경우에만 나타나므로 고장 검출에 높은 신뢰성을 갖는 방안이나 선로 전 구간에 적용하는 것은 비용, 수명, 신뢰성 등에 영향으로 어려운 부분이 있으므로 이를 보완하기 위하여 Protection Zone과 DTS를 함께 적용하였다. Protection Zone과 DTS를 활용한 방안은 선로 전 구간에 적용이 가능한 방안이며 계측 및 연산에서 발생할 수 있는 오류는 상호 검토를 통하여 보완하였다.
- 초전도한류기의 초전도체는 임계전류 이상의 전류가 흐르면 초전도 상태에서 벗어나는 퀜치 현상이 발생하며 본 논문에서는 해당 현상을 활용하여 고장을 검출하였다. 임계전류 이상의 전류는 정상 전류가 아니므로 고장으로 판단 가능하며 퀜치 현상은 매우 빠르게 상태 변화가 일어나므로 고장 판단의 속도도 빠르다.
- 퀜치 현상은 SFCL 1에서 검출을 하고 Protection Zone과 DTS 신호는 CABLE 1에서 계측·판단하였으며 차단기의 동작은 CB 1을 통해 확인하였다.
대상 데이터
- CABLE 1은 전력 전송을 위한 케이블이며 DTS 설비를 갖추고 있다. 총 100km 의 선로 길이를 갖으며 선로 내에서 고장을 모의하였다. 고장 점은 Zone 5-1, 5-2, 5-3을 검토하기 위하여10, 50, 90 km 총 3개의 고장 점을 지정하고 시뮬레이션을 진행하였다.
데이터처리
- DTS는 케이블의 실시간 상태 감시, 허용 전류, 고장 위치 추정 등 다양한 기능을 가지고 있으며 이러한 정보를 고장 검출과 확인을 위한 정보로 활용 가능하다. DTS의 온도 측정은 빛과 열의 특성을 활용하지만 시뮬레이션에서는 계산을 통해 검증을 진행하였다.
이론/모형
- 온도의 계산은 IEC 60287을 준용하였으며 현재 IEC에서는5kV 이하의 직류케이블에 대한 수식만 규정되어 있어 해당 수식을 적용하였다.
성능/효과
- 앞서 제안된 방안을 검토하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 활용하여 아래의 그림과 같은 PTP(Pole To Pole) 기반의 회로를 구성하였다. PTP 회로 구성은 복잡하지 않으므로 제안된 방안의 특성이 가장 명확하게 확인 가능하다.
- 그림 4의 B는 초전도 한류기에서 발생한 상전도 저항과 주울 열 그리고 퀜치 여부로 발생된 차단기의 신호를 나타낸다. 고장발생 후 설정된 임계전류를 상회함에 따라 상전도 저항이 발생하고 고장전류와 저항의 증가로 주울 열도 증가함을 확인 가능하다. 두 현상의 상호 검토를 통해 퀜치 현상 발생 여부를 확인 가능하다.
- 그림 6의 A는 고장 전류와 케이블 도체의 온도 변화, B는 Protection Zone과 DTS를 활용한 고장 검출 결과이다. 고장전류의 크기가 작아 고장 발생 여부를 검토해주는 역할인 DTS의 정보가 이전보다 늦게 발생 하여 최종적인 차단기의 신호가 이전 50km 고장 발생 시보다 늦게 전달되었다. 이는 Δθ의 설정을 낮추면 더 빠르게 검출도 가능하나 온도 변화의 폭이 높지 않으므로 주의하여야 할 것으로 판단된다.
- 위의 제시된 방안들은 각 방식별로도 고장 검출이 가능하나 계측, 연산 등의 과정에서 오·부동작 발생 가능성이 존재하므로 검출 신뢰성 향상을 위하여 상호 교차 검토가 가능하도록 복합구성 형태를 갖는 것이 적절하다.
- Protection Zone과 DTS를 활용한 방안은 선로 전 구간에 적용이 가능한 방안이며 계측 및 연산에서 발생할 수 있는 오류는 상호 검토를 통하여 보완하였다. 이를 통하여 선로 전 구간에 높은 신뢰성을 갖는 고장 검출이 가능하였다.
- Protection Zone 설정에 의해 해당 Zone의 고장 여부를 확인하고 DTS를 통해 온도 변화량 정보를 활용하여 상호 교차 검토를 수행한다. 이후 최종적으로 차단기에 동작 신호를 보내게 되며 고장 검출이 가능함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
- 초전도 한류기가 동작하지 않고 고장 검출에 1ms가 소요되고 이후 차단기가 즉시 동작을 한다고 가정할 경우 최대 고장전류 피크치는 약 28kA 수준이다. 하지만 초전도 한류기가 동작함에 따라 고장전류의 증가가 제한되고 최대 고장전류 피크치도 약13.7kA로 낮아짐을 확인 가능하였다.
- 앞서 제안된 고장 검출 방안들 중 하나를 적용하거나 각 방안을 독립적으로 적용하는 것으로는 고장 검출의 한계가 존재하며 검출 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 해당 방안들은 상호 검토가 가능하도록 구성이 되어야 하며 복합 구성 방식으로 적용 하는 것이 적절하다.
- 본 논문에서 HVDC 계통 내에 고장 검출을 위하여 초전도 한류기의 퀜치 특성, DTS의 온도 변화량 계측, 변동성이 적은 HVDC 계통 내에 고장 전류와 임피던스의 특성 기반의 Protection Zone의 설정을 복합 구성하는 방안을 제안하였다. 해당 방안을 통하여 기존 방안들 대비 고장 검출의 신뢰성을 향상 가능하였고 고저항, 원거리 사고 등 고장 검출이 어려운 현안 문제를 해결 할 수 있었다.
- 해당 방안의 부수적인 효과로 초전도 한류기 도입에 따른 고장 전류의 제한과 이를 통해 직류 차단기의 부담도 저감 가능함을 예상 할 수 있었다.
후속연구
- 앞서 제안된 고장 검출 방안들 중 하나를 적용하거나 각 방안을 독립적으로 적용하는 것으로는 고장 검출의 한계가 존재하며 검출 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 해당 방안들은 상호 검토가 가능하도록 구성이 되어야 하며 복합 구성 방식으로 적용 하는 것이 적절하다.
- 향후 다양한 토폴로지와 기기적 구성을 갖는 HVDC 계통을 대상으로 검토를 수행 후 적합성을 판단하여 해당 방안을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
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