[논문]선박의 접지 시스템에서 지락 고장에 따른 대지 전압 변동 특성

김종필; 류기탁; 이윤형

doi:10.5762/kais.2021.22.2.487

선박의 접지 시스템에서 지락 고장에 따른 대지 전압 변동 특성
Characteristics of loci on Line-to-Earth Voltage according to Earth Fault in Earthing System for Ships 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.487 - 495

김종필 (한국해양수산연수원 선박운영팀) , 류기탁 (한국해양수산연수원 해양플랜트교육팀) , 이윤형 (한국해양수산연수원 교육운영팀)

초록
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선박에서 주로 사용하는 전압은 450[V], 6.6[kV], 11[kV]이며, 운항 중 전력계통의 안정성 확보를 위해 접지 시스템이 적용된다. 일반적으로 450[V]를 사용하는 저전압 선박은 비접지 시스템을 6.6[kV], 11[kV]를 사용하는 고전압 선박은 고저항 접지 시스템을 적용한다. 선박의 전력계통에서 지락 고장이 발생하면 건전상의 대지 전압이 선간전압 또는 그 이상으로 증가하고, 케이블의 절연에 과도한 충격을 주게 되므로 이를 분석하는 것은 매우 중요한 부분이다. 따라서 본 논문에서는 선박에서 주로 채택하고 있는 고저항 접지 및 비접지 시스템에 대해 지락 고장에 따른 선박 전력계통의 대지 전압의 변동 특성과 고장 상의 판단 방법을 대칭 좌표법을 이용하여 분석하고자 한다. 이를 위해 대칭 좌표법을 이용하여 대지 전압의 수학적 모델을 유도하고, 시뮬레이션을 위한 선박 전압은 6.6[kV]와 450[V]로 선정하였다. MATLAB을 이용한 시뮬레이션 결과 두 접지 시스템 모두 지락상 보다 위상이 120° 앞선 상의 대지 전압이 가장 높게 상승하였고, 이를 이용하여 고장 상을 정확하게 판단할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The voltages mainly used in ships are 450 [V], 6.6 [kV], and 11 [kV], and an earthed system is applied to ensure the stability of the power distribution system. In general, low-voltage ships using 450 [V] apply an unearthed system, while high-voltage ships using 6.6 [kV] or 11 [kV] use a high-resistance earthed system. When an earth fault occurs in a ship's power distribution system, the voltage of the healthy phase increases to the line-to-line voltage or higher, which causes an excessive impact on the insulation of the cable. Thus, analyzing this behavior is very important. In this paper, we investigate the characteristics of the line-to-earth voltage variation according to earth faults and a recognition procedure of a faulty phase using the symmetrical coordinate method for a high-resistance earthed system and unearthed system. A mathematical model of the line-to-earth voltage was derived through the symmetric coordinate method, and the ship voltage for simulations was selected as 6.6 [kV] and 450 [V]. A MATLAB simulation proved that this method can determine the highest increase of the line-to-earth voltage, which leads by 120° on the faulty phase, and it accurately judges the faulty phase in both earthed systems.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Voltage displacement during earth fault on unearthed system (a) Normal condition (b) Single-to-ground fault condition
그림 Fig. 2. NER for ships
그림 Fig. 3. Single line-to-earth fault of resistance earthed system for ships
그림 Fig. 4. Symmetrical equivalent circuit of single line-to-earth fault for "a phase"
그림 Fig. 5. The characteristic of line-to-earth voltage (R_n =538 [Ω], C =1.64[㎌]) for high resistance earthed system
그림 Fig. 6. The characteristic of line-to-earth voltage (R_n =538[Ω], C =16.4[㎌])for high resistance earthed system
표 Table 1. Parameters of HV system for simulation
그림 Fig. 7. Locus of the line-to-earth voltage according to capacitance of earth (C =1.64[㎌] and C =16.4[㎌]) for high resistance earthed system
그림 Fig. 8. The characteristic of line-to-earth voltage (R_n =open, C =0.82[㎌]) for unearthed system
표 Table 2. Parameters of LV system for simulation
그림 Fig. 9. The characteristic of line-to-earth voltage (R_n =open, C =0.41[㎌]) for unearthed system
그림 Fig. 10. Locus of the line-to-earth voltage according to capacitance of earth (C =0.82[㎌] and C =0.41 [㎌]) for unearthed system

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 선박에서 주로 채택하고 있는고저항 접지 및 비접지 시스템에 대해 지락 고장 시 지락 정도에 따른 선박 전력계통의 대지 전압의 변동 특성을 대칭 좌표법을 이용하여 분석하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템 종류에 따른 특성을 알아보고, 선박 전력계통에서 적용하고 있는 접지 시스템에 대해 각 상의 대지 전압을 대칭 좌표법으로 모델링을 한다.
본 논문에서는 현재 선박에서 적용하고 있는 이 두 가지 접지 시스템에 대해 선박의 설계 데이터를 기반으로 지락 사고 발생 상황을 대칭 좌표법으로 각 상의 대지 전압을 모델링하고, MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 각 상의 대지 전압 변동 특성을 분석하였다. 또한, 배전용량을 고려하여 대지 정전용량이 다른 경우에 대해서도 함께 검토하였다.
본 장에서는 선박에서 적용하고 있는 대표적인 접지방식인 비접지와 저항접지 시스템에 대해서 살펴보고자 한다.

제안 방법

따라서 본 장에서는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 선박의 접지 시스템을 대칭 좌표법으로 모델링하여 1선 지락사고 시 각 상의 대지 전압의 특성을 해석하고자 한다.
먼저 1선 지락 고장이 발생했을 때 지락점의 절연저항의 변화에 따라 각 상의 대지 전압의 변화 특성을 확인해본다.
먼저, 1선 지락 고장이 발생했을 때 지락점의 절연저항 감소에 따른 각 상의 대지 전압 변동추이를 확인해 본다.
본 논문에서는 현재 선박에서 적용하고 있는 이 두 가지 접지 시스템에 대해 선박의 설계 데이터를 기반으로 지락 사고 발생 상황을 대칭 좌표법으로 각 상의 대지 전압을 모델링하고, MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통해 각 상의 대지 전압 변동 특성을 분석하였다. 또한, 배전용량을 고려하여 대지 정전용량이 다른 경우에 대해서도 함께 검토하였다.
본 장에서는 선박에서 일반적으로 적용하는 고저항 접지 시스템과 비접지 시스템에 대해 3장의 모델링과 MATLAB을 사용하여 지락 고장 시 각 상의 대지 전압변화 특성을 시뮬레이션을 통해 확인하고자 한다.
설계적인 관점에서 고저항 접지 시스템 적용을 위한 1 상당 대지 정전용량은 1.64[μF]이 최대이지만[2], 이보다 배전계통이 커져 대지 정전용량이 증가된 경우도 검토해보기로 한다.
좌표법을 이용하여 분석하고자 한다. 이를 위해 우선 접지 시스템 종류에 따른 특성을 알아보고, 선박 전력계통에서 적용하고 있는 접지 시스템에 대해 각 상의 대지 전압을 대칭 좌표법으로 모델링을 한다.
최종적으로 실제 선박의 전력 시스템 파라미터를 적용한 대지 전압 모델에 MATLAB(R2014a)으로 시뮬레이션을 실시하여 지락 사고 시 대지 전압 변동 특성을 분석하고자 한다.

대상 데이터

시뮬레이션을 위한 선박의 데이터는 대상 선박의 실제 도면을 참고하였고, 일부의 데이터는 접지 시스템의 특성을 고려하여 선정하였다.

이론/모형

3에서와 같이 a상에서 지락 고장이 발생하면 발전기 중성점 접지 저항과 대지 정전용량으로 지락 전류 Ig가 흐르게 되며 건전상의 대지 전압은 불균형이 발생한다. 이러한 대지 전압의 불평형 특성을 대칭 좌표법을 이용하여 확인한다.

성능/효과

6.6[kV] 고전압 선박에 적용하는 고저항 접지 시스템에서 1선 지락 사고 시 고장점 절연저항에 따라 고장 상의 대지 전압은 건전상의 대지 전압보다 크거나 낮게 나타날 수 있었으나, 고장 상보다 120° 빠른 건전상의 대지 전압이 항상 가장 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 이상의 대지 전압의 최곳값은 대지 정전용량에 따라 발전기 선간전압보다 높아질 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
867[kΩ]에서 a상과 225[V] 로 같아진 후 최종적으로 선간전압인 450[V]까지 상승한다. c상의 대지 전압은 지락점 저항이 400[Ω]일 때 473[V]까지 최대로 상승하고 지락점 저항이 0[Ω]이 되면 450[V]로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
그러나 대지 정전용량에 따른 대지 전압의 이동 경로는 대지 정전용량의 크기에는 크게 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있었다.
있다는 것을 파악할 수 있었다. 또한, 선박에서 1선 지락 사고 시 지락 고장 상을 판별할 때는 대지 전압이 가장 높은 상을 확인하고, 이보다 120° 뒤진 상을 고장 상으로 판별하는 것이 정확한 방법임을 확인하였다. 또한, 선박의 1선 지락 사고 시 지락점 절연저항의 크기에 따라 각 상의 대지 전압 벡터의 이동 특성도 확인할 수 있었다.
또한, 선박에서 1선 지락 사고 시 지락 고장 상을 판별할 때는 대지 전압이 가장 높은 상을 확인하고, 이보다 120° 뒤진 상을 고장 상으로 판별하는 것이 정확한 방법임을 확인하였다. 또한, 선박의 1선 지락 사고 시 지락점 절연저항의 크기에 따라 각 상의 대지 전압 벡터의 이동 특성도 확인할 수 있었다.
6[kV] 고전압 선박에 적용하는 고저항 접지 시스템에서 1선 지락 사고 시 고장점 절연저항에 따라 고장 상의 대지 전압은 건전상의 대지 전압보다 크거나 낮게 나타날 수 있었으나, 고장 상보다 120° 빠른 건전상의 대지 전압이 항상 가장 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 이상의 대지 전압의 최곳값은 대지 정전용량에 따라 발전기 선간전압보다 높아질 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 시뮬레이션을 통해 지락점의 절연저항이 어느 특정 점에 이르면 대지 전압이 선간전압보다 높아지게 되고 이는 전력계통의 케이블 절연에 심각한 악영향을 줄 수 있다는 것을 파악할 수 있었다. 또한, 선박에서 1선 지락 사고 시 지락 고장 상을 판별할 때는 대지 전압이 가장 높은 상을 확인하고, 이보다 120° 뒤진 상을 고장 상으로 판별하는 것이 정확한 방법임을 확인하였다.

후속연구

이와 같은 본 연구의 결과가 선박 기관사에게 지락 고장 시 특성과 고장 상의 판별에 유용한 방법으로 적용되기를 기대한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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