지하철에서는 직류보호계전시스템으로 정한시과전류계전기(76i)와 저전압계전기(Mid-point Relay, 80A)를 사용하여 직류급전계통을 보호하고 있었으나, 최근에는 보호방식으로 고장선택계전기(50F)를 주로 적용하고 있다. 본 연구에서는 현재 서울메트로 3 4호선에 적용하여 사용하고 있는 76i/80A와 50F 각각의 직류급전계통 보호방식을 비교하기 위해 단락고장계산식을 이용하여 분석하였으며 PSCAD/EMTDC 과도프로그램을 통한 시뮬레이션으로 연구하였다. 분석한 결과 80A는 고장저항의 크기에 따라 동작여부가 달라지고, 50F의 경우 고장저항의 크기나 선로의 길이가 변하더라도 일정시간이 지나면 설정값에 따라 동작함을 확인하였다. 이에 향후 직류보호계전시스템의 운영에 있어 합리적인 적용을 제시하고자 한다.
지하철에서는 직류보호계전시스템으로 정한시과전류계전기(76i)와 저전압계전기(Mid-point Relay, 80A)를 사용하여 직류급전계통을 보호하고 있었으나, 최근에는 보호방식으로 고장선택계전기(50F)를 주로 적용하고 있다. 본 연구에서는 현재 서울메트로 3 4호선에 적용하여 사용하고 있는 76i/80A와 50F 각각의 직류급전계통 보호방식을 비교하기 위해 단락고장계산식을 이용하여 분석하였으며 PSCAD/EMTDC 과도프로그램을 통한 시뮬레이션으로 연구하였다. 분석한 결과 80A는 고장저항의 크기에 따라 동작여부가 달라지고, 50F의 경우 고장저항의 크기나 선로의 길이가 변하더라도 일정시간이 지나면 설정값에 따라 동작함을 확인하였다. 이에 향후 직류보호계전시스템의 운영에 있어 합리적인 적용을 제시하고자 한다.
The DC over current relay(76i) and the DC under voltage relay(mid-point relay, 80A) used mainly with DC protective relay system of DC electric railway in Korea, But the DC fault selective relay(50F) is applying to recently mainly. In this study, simulation to compare 76i/80A and 50F in the methods o...
The DC over current relay(76i) and the DC under voltage relay(mid-point relay, 80A) used mainly with DC protective relay system of DC electric railway in Korea, But the DC fault selective relay(50F) is applying to recently mainly. In this study, simulation to compare 76i/80A and 50F in the methods of protection and the operational characteristics were executed through verifying a calculation of short circuit current and using PSCAD/EMTDC transition program. As a result of this study, it was proved that while 80A runs in relation to the scale of fault resistance, 50F runs regardless of the scale of fault resistance or the length of rail.
The DC over current relay(76i) and the DC under voltage relay(mid-point relay, 80A) used mainly with DC protective relay system of DC electric railway in Korea, But the DC fault selective relay(50F) is applying to recently mainly. In this study, simulation to compare 76i/80A and 50F in the methods of protection and the operational characteristics were executed through verifying a calculation of short circuit current and using PSCAD/EMTDC transition program. As a result of this study, it was proved that while 80A runs in relation to the scale of fault resistance, 50F runs regardless of the scale of fault resistance or the length of rail.
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문제 정의
본 연구는 현재 서울메트로 3 ․ 4호선 현장에 적용하고 있는 76i/80A 및 50F에 의한 보호방식을 각각 비교하고, 그 동작특성을 복선병렬 급전선 단락고장 계산식과 PSCAD/EMTDC를 이용 분석하여 향후 직류 보호계전시스템 운영에 있어 합리적인 적용을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 DC 급전계통인 전차선로 양단 50F와 Midpoint Relay 80A의 동작 특성을 비교하기 위해 단락전류 계산식 검증과 PSCAD/EMTDC를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 사례를 연구 분석한 결과, 80A는 고장저항이 적을 경우에는 동작하나, 고장저항이 0.
가설 설정
선로 길이 5[km], 고장발생 시간 0.3[초], 고장저항 0.05[Ω]이라 가정하고 모의한 결과, 다음 표13과 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
Case1의 경우와 같이 la1, la2 파형은 50F 계전기의 동작파형이라 볼 수 있으며 V 파형은 80A의 동작파형이라 가정할 수 있다. 선로길이 5[km], 고장발생 시간 0.3[초], 고장저항 0.01[Ω]이라 가정하고 모의한 결과 다음 표12와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
선로길이 5[km], 고장발생 시간이 0.3[초], 고장저항 0.05[Ω]이라 가정하고 모의하여 다음 표14와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
선로길이 5[km], 고장발생 시간이 0.3[초], 고장저항 0.1[Ω]이라 가정하고 모의하여 다음 표15와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
다음 시험급전계통에서 la1은 A변전소에서 공급하는 고장전류를 측정하는 전류 la2는 B변전소에서 공급하는 고장 전류, la는 고장점에서의 고장전류, V는 고장점 양단의 고장 전압을 측정한 것이다. 시뮬레이션은 선로 길이 4[km]인 Case1과 선로길이 5[km]인 Case2로 가정 하였으며 각각의 Case에 고장저항 (0.01[Ω], 0.05[Ω], 0.08[Ω], 0.1[Ω])을 변경하여 시뮬레이션 하였다.
위 시험급전계통을 실제 선로라 하고, 또 고장발생 시간이 0.3[초], 고장저항이 0.01[Ω]이라 가정하고 모의한 결과, 다음 표7과 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
선로는 복선병렬 급전계통으로 모의하였으며 시뮬레이션은 각각의 경우에 대하여 선로거리 및 고장저항을 바꿔 가며 확인하였다. 시험급전계통에서 사용된 회로정수는 다음 표5와 같으며 고장은 선로의 중앙에서 발생한 것으로 모의하였다.
앞 절에서 기술한 급전계통 구성 형태와 기본 파라메터에 선로길이 및 고장저항을 변경하며 고장전류와 전압을 고찰하였다. 시뮬레이션 결과로서 80A와 50F의 동작 특성을 비교하였다. Case1의 선로 길이와 고장 저항은 다음의 표6과 같이 변경하여 모의 시험하였다.
앞 절에서 기술한 급전계통 구성 형태와 기본 파라메터에 선로길이 및 고장저항을 변경하며 고장전류와 전압을 고찰하였다. 시뮬레이션 결과로서 80A와 50F의 동작 특성을 비교하였다.
앞에서 기술한 급전계통 구성과 기본 파라메터을 사용 선로길이를 5[km]로 지정 고장저항을 변경하며 고장전류 파형 및 전압파형 등을 고찰하였다. 그 결과로서 80A와 50F의 동작특성을 확인하였다.
지금까지는 50F와 Mid-point Relay 80A와의 동작특성을 단락전류 계산식으로 검증하였으나 이번에는 PSCAD/EMTDC를 사용하여 검증하고자 한다. 시뮬레이션에 사용된 시험급전계통은 2개의 급전변전소를 갖고 있으며 각 변전소 전압은 12[MVA] 1,500V DC 급전계통이다.
대상 데이터
지금까지는 50F와 Mid-point Relay 80A와의 동작특성을 단락전류 계산식으로 검증하였으나 이번에는 PSCAD/EMTDC를 사용하여 검증하고자 한다. 시뮬레이션에 사용된 시험급전계통은 2개의 급전변전소를 갖고 있으며 각 변전소 전압은 12[MVA] 1,500V DC 급전계통이다.
성능/효과
고장전류 값이 점차적으로 작아지는 그래프가 ISA이며 전류 값이 점차적으로 커지는 그래프가 ISB이다. ISA와 ISB그래프 분석결과 ISA는 선로길이가 증가 할수록 단락전류가 감소하며 ISB는 선로길이가 증가할수록 단락전류가 증가하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 DC 급전계통인 전차선로 양단 50F와 Midpoint Relay 80A의 동작 특성을 비교하기 위해 단락전류 계산식 검증과 PSCAD/EMTDC를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 사례를 연구 분석한 결과, 80A는 고장저항이 적을 경우에는 동작하나, 고장저항이 0.05[Ω]이상에서는 동작이 되지 않는 것을 확인하였다. 그런 반면에 50F는 고장저항의 크기나 선로의 길이가 변화더라도 고장발생 시점에서 약 0.
같은 방법으로 50F가 감지하는 고장전류를 분석한 결과, 고장발생 시점인 0.3[초]에서 0.01[초] 이후 고장전류 ⊿I가 3,127[A]이상 됨을 확인할 수 있어 50F의 동작 설정치를 3,000[A]라 가정하면 50F는 동작하게 된다.
같은 방법으로 50F가 감지하는 고장전류를 분석한 결과, 고장발생 시점인 0.3[초]에서 0.01[초] 이후에 50F 동작 고장전류 ⊿I가 3,889[A] 이상이 됨을 확인할 수 있어 50F의 동작 설정치를 3,000[A]라 가정하면 50F는 동작하게 된다.
앞에서 기술한 급전계통 구성과 기본 파라메터을 사용 선로길이를 5[km]로 지정 고장저항을 변경하며 고장전류 파형 및 전압파형 등을 고찰하였다. 그 결과로서 80A와 50F의 동작특성을 확인하였다. Case2의 선로길이 및 고장저항은 다음 표11과 같으면 이를 적용하여 시뮬레이션을 하였다.
(고장점 전압)을 계산한 표와 그래프이다. 그래프 분석 결과 IS는 선로 길이의 변화에 따라 단락전류가 감소하다가 다시 증가하는 것을 볼 수 있으며 Vf 고장점 전압 그래프를 분석한 결과, 80A는 0.6[km] 이전까지와 3.4[km]이후까지만 보호할 수 있다. 전압은 증가하다가 감소하는 현상을 볼 수 있다.
따라서 위 시뮬레이션 결과를 종합해 보면 50F가 80A보다 고장검출 특성이 우수하다고 판단된다. 이상의 연구결과로 현재 운영되고 있는 서울메트로 3․4호선의 보호시스템 뿐만 아니라 향후 시설되는 직류전기철도와 관련 보호시스템의 개선을 위한 동작특성 비교 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
선로 중앙에서 고장발생시 고장전류는 20[kA]이고 고장발생 시점인 0.3[초]에서 80A가 감지하는 전압(V)를 분석한 결과, 전압이 1.887[kV]에서 0.421[kV]까지 전압강하가 발생됨을 확인할 수 있으며 이 경우 80A는 동작하게 된다.
후속연구
따라서 위 시뮬레이션 결과를 종합해 보면 50F가 80A보다 고장검출 특성이 우수하다고 판단된다. 이상의 연구결과로 현재 운영되고 있는 서울메트로 3․4호선의 보호시스템 뿐만 아니라 향후 시설되는 직류전기철도와 관련 보호시스템의 개선을 위한 동작특성 비교 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정한시직류과전류계전기 76i란?
정한시직류과전류계전기 76i는 정격전류를 상회하는 전류가 일정시간 동안 통전되는 것을 막기 위한 계전기이며, 직류저전압계전기 80A는 전압에 따라 동작하는 계전기로서 상ㆍ하선에 공히 설치하여 설정치 이하의 전압이 되면 양 변전소 해당선로의 급전차단기를 트립(Trip)시키는 방식의 계전기이다. 그리고 고장선택계전기 50F는 미소시간(⊿t)동안 회로전류 증가분(⊿I)이 설정치를 초과할 때 작동하는 계전기이다.
직류 급전회로에서 근거리 사고는 어떻게 나타나는가?
직류 급전회로에서 근거리 사고는 급격한 기울기를 가진 큰 전류로 나타나므로, 기울기와 전류의 변화량을 이용하여 고장 판별을 하는데 문제는 없다. 그러나 전차의 기동 부하는 전류의 변화량뿐만 아니라 기울기도 매우 큰 특성을 가지기 때문에 고장전류와 매우 유사한 특성을 갖게 된다.
고장선택계전기(50F)란?
정한시직류과전류계전기 76i는 정격전류를 상회하는 전류가 일정시간 동안 통전되는 것을 막기 위한 계전기이며, 직류저전압계전기 80A는 전압에 따라 동작하는 계전기로서 상ㆍ하선에 공히 설치하여 설정치 이하의 전압이 되면 양 변전소 해당선로의 급전차단기를 트립(Trip)시키는 방식의 계전기이다. 그리고 고장선택계전기 50F는 미소시간(⊿t)동안 회로전류 증가분(⊿I)이 설정치를 초과할 때 작동하는 계전기이다.
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