KR100676600B1

KR100676600B1 - 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로고장구간표시방법

Info

Publication number: KR100676600B1
Application number: KR1020050097395A
Authority: KR
Inventors: 고영준
Original assignee: 이호기술단(주)
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-01-30
Also published as: KR20050111545A

Abstract

본 발명은 지중배전선로에서 고장이 발생하였을 때에 고장구간을 신속정확하게 찾을 수 있게 하는 고장구간표시장치에 있어서, 역방향 고장전류에 의한 표시 오동작이 발생하지 않도록 하는 고장구간표시장치 및 방법에 관한 것으로서, 사고 직전·후의 위상과 고장전류크기의 변화율을 검출하여 역방향 고장전류를 판정하고, 역방향 고장전류로 판정되는 경우에는 고장구간표시장치의 표시동작을 저지시켜 오동작이 없게 하는 것을 특징으로 하는 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시장치 및 방법에 관한 것이다.

역방향 고장전류, 고장구간, 위상, 회생전력, 방사상 선로, CNCV

Description

역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시방법 {Faulted Indicator method for Underground Distribution Line using Method of non-working by backfeed Faulted current}

도 1은 고장점의 전원측에 설치된 고장구간표시장치들만 동작된 상태를 나타낸 일실시 예시도이다

도 2는 고장점의 부하측에 설치된 고장구간표시장치들이 역방향고장전류에 의하여 동작된 상태를 나타낸 일실시 예시도이다.

도 3은 배전선로사고시에 고장점의 전원측에서 고장직전·후에 검출한 고장전류의 파형을 나타낸 일실시 예시도이다.

도 4는 용량성 역방향 고장전류가 있을 경우에 고장점의 부하측에서 고장직전·후에 검출한 고장전류의 파형을 나타낸 일실시 예시도이다.

도 5는 전동기 회생전력 역방향 고장전류가 있을 경우에 고장점의 부하측에서 고장직전·후에 검출한 고장전류의 파형을 나타낸 일실시 예시도이다.

도 6은 용량성 전력과 전동기 회생전력이 합성된 역방향 고장전류가 있을 경우에 고장점의 부하측에서 고장직전·후에 검출한 고장전류의 파형을 나타낸 일실시 예시도이다.

도 7은 고장구간 표시장치의 전자회로 블록도를 나타낸 일실시 예시도이다.

본 발명은 지중배전선로에서 고장이 발생하였을 때에 고장구간을 신속하고 정확하게 찾을 수 있게 하는 고장구간표시장치에 있어서, 역방향 고장전류에 의한 표시 오동작이 발생하지 않도록 하는 고장구간표시장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 23[KV] 특고압 지중배전선로의 CNCV Cable에서 지락고장이 발생하였을 때에, 고장구간 판단을 위하여 스위치에 설치하는 고장구간 표시장치가 역방향 고장전류에 의한 오동작 발생이 없도록 하여, 고장구간표시장치의 효용성을 높이고, 고장구간의 정확한 판단으로 정전시간의 감소와 고장복구 소요시간을 단축시키는데 유용한 장치와 방법에 관한 것이다.

배전선로 지중화는 많은 장점에도 불구하고 유지보수 측면에서는 문제점이 많은데, 그것은 지중배전선로에서 사고가 발생한 경우에 사고지점의 발견과 복구가 신속히 이루어지지 않고 있는 것이다. 따라서 전력회사에서는 신속한 사고지점의 발견을 위하여 지중배전선로 각 Pad Switch의 회로별 및 상별로 고장구간표시장치를 설치하고 있다.

상기 고장구간표시장치를 이용한 고장구간색출의 원리를 도 1의 예시도에 따라 간략하게 설명하면, 변전소에서 방사상(=수지상)으로 인출된 어느 지중배전선로가 1번 Pad Switch, 2번 Pad Switch … 5번 Pad Switch까지 설치되어 있고, 각 Pad Switch의 부하측에 고장전류를 검출할 수 있는 고장구간표시장치를 설치한 경우에 지락사고가 발생하였다면, 각 Pad Switch에 설치된 고장구간표시장치를 조사하여 1번 Pad Switch에서 2번 Pad Switch까지의 표시장치 동작을 확인하고, 3번 Pad Switch 이후부터 고장전류가 검출되지 않았다면, 2번 Pad Switch와 3번 Pad Switch 사이에서 지락사고가 발생한 것으로 판단할 수 있는 것이다.

현재 전력회사에서 도입하여 활용하고 있는 지중배전선로의 스위치 엘보에 설치되는 고장구간표시장치(FCI = Faulted Circuit Indicator)는 한국전력공사 구매시방서 (번호 : 110-2)에서 상세하게 설명하고 있으므로 상기의 구매시방서를 참조하는 것으로 한다.

그런데 현재의 고장구간표시장치의 문제점은 설정값 이상의 대전류가 검출되면 무조건 동작하게 되어 있어서, 역방향 고장전류(backfeed current)와 돌입전류 등에 의해서도 오동작하여 고장구간의 판단에 혼란을 준다. 돌입전류에 의한 오동작 방지방법은 등록특허 10-0334428(제목:배전자동화용 개폐기기의 선로고장표시 제어장치와 선로고장의 처리방법)의 “발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술”에서 상세하게 설명하고 있다.

지중배전선로에서 사용하고 있는 고장구간 표시장치의 실례를 도 1과 2의 예시도에서 고찰하면, 통상의 선로에서는 고장이 발생하는 경우에 도 1에서와 같이 전원측에서 고장점까지 설치된 고장구간표시장치(=FCI)들만 동작한다. 그러나 선로의 부하 특성상 콘덴서부하가 많거나, 전동기부하가 많거나, 3상 델타결선 부하가 있거나, 케이블선로가 긴 경우에는, 역방향 고장전류(backfeed current)에 의하여, 도 2에서와 같이 고장점 후단에 설치된 FCI들도 동작하게 되는 것이다.

특허공보의 검색결과 특허등록번호 10-0349622-0000의 “영상전류 위상비교방식을 이용한 배전계통 고장구간 판단장치 및 방법”과, 특허출원번호 10-2001-0066872의 “고장표시기와 고장전류값을 함께 고려한 배전계통 고장구간 판단장치와 그 방법”과, 특허등록번호 10-0334428-0000의 “배전선로 자동화용 개폐기기의 선로고장표시 제어장치와 선로고장의 처리방법” 등에서 역방향 고장전류에 대한 해결방법들이 제시되어 있었다. 그러나 그 방법들은 막대한 자금을 투입하여 구축하고 있는 배전자동화의 한 요소로 구성할 수 있는 방법이지만, 일반 지중배전선로에서 대중적으로 적용하고 있는 소형의 저가격 고장구간 표시장치에서 적용하기에는 너무 복잡하고 제작비가 과다하다고 할 수 있다. 그러므로 전혀 새로운 개념의 역방향 고장전류에 대한 해결방법이 필요한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 정방향 고장전류에서는 신속정확하게 고장구간표시장치가 동작되고, 부하선로의 특성에 따라 역방향 고장전류가 검출될 때에는 고장구간표시장치가 부동작 되게 하여, 선로의 고장구간을 정확하게 표시할 수 있게 하는 고장구간표시장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

정방향 고장전류와 역방향 고장전류의 구분방법은, 고장시각 직전 20[㎳]부터 시작하여 고장시각 직후 70[㎳] 사이에 검출되는 순시값을 50[㎲]마다 Sampling IC로 샘플링하고, 샘플링된 값들을 CPU(14)에서 분석하여 최대값과 최대값 도래시간을 연산하고, 최대값의 변화추이와 위상변화를 판단함으로써 정방향 고장전류와 역방향 고장전류를 구분할 수 있게 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간 표시방법은, 지중배전선로의 지락고장 발생시에 고장위치를 신속하게 찾기 위해, 선로전류를 검출하는 변류기를 선로에 설치하고, 상기 변류기가 검출한 전류의 크기에 따라 고장구간을 표시하는 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시방법에 있어서, 상기 변류기로 검출되는 전류를 고속 Sampling IC를 사용하여 50[㎲]마다 1회씩 샘플링하는 샘플링단계와; 상기 샘플링단계의 샘플링값을 이용하여 각각의 1/2주기마다 최대값과 최대값 도래소요시간을 연산하는 연산단계와; 상기 연산단계의 최대값과 최대값 도래소요시간을 이용하여 상시 최대값과 상시최대값 도래소요시간을 150[㎳]동안 저장하면서 연속적으로 갱신하는 최대값 갱신단계와; 상기 최대값 갱신단계에서 검출된 최대값이 상시최대값의 5배 이상이고, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 5[%] 이하이고, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 미만씩 감소하는 경우에는 고장구간표시장치의 표시기를 동작시키는 표시기 동작단계; 그리고, 상기 검출된 최대값이 상시최대값의 5배 이상이 검출되어도, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 10[%]이상이 되는 경우가 발생하거나, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 이상씩 감소하는 경우에는 고장구간표시장치의 표시기를 동작시키지 않게 하는 표시기 비동작단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간 표시방법은, 지중배전선로의 전원이 한쪽에만 존재하는 방사상(=수지상)으로 운전되기 때문에, 선로상의 한 점에서 고장이 발생하면 고장점을 기준으로 하여 전원측과 부하측 고장전류의 위상이 다르게 되는 것과, 전원측과 부하측 고장전류값의 크기변화가 서로 다르게 되는 것을 검출하여 역방향 고장전류를 판정함으로써, 역방향 고장전류에 대한 표시동작을 저지하게 하는 것이다.

역방향 고장전류 중에서도 콘덴서부하, 3상 델타결선부하, 장경간 케이블선로에서 공급되는 역방향 고장전류(backfeed current)는 용량성전류가 되며, 고장전류값의 크기변화가 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있다. 그리고 전동기 회생전력에 의해 공급되는 역방향 고장전류는 고장 직전의 상용주파전류와 큰 위상차를 나타내며, 고장전류값의 크기변화가 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있다.

따라서 평소의 상용주파전류 위상을 감시하고 있다가, 고장이 발생한 후 변전소의 차단기가 보호계전기에 의하여 차단되기까지의 3~5 Cycle 동안 지속되는 고장전류의 위상을 검출하여 고장직전의 평소 위상과 비교하게 한다. 이 때에 평소의 위상과 고장전류의 위상이 동일하면 고장점의 전원측에서 검출하였다고 판단하고, 평소의 위상과 고장전류의 위상에 차이가 발생하면 고장점의 부하측에서 검출하였다고 판단할 수 있는 것이다.

그리고 고장발생 후의 고장전류값의 크기변화를 관찰하면, 고장점의 전원측에서 검출되는 고장전류는 크기 변화가 적으나, 고장점의 부하측에서는 검출되는 고장전류는 크기 변화가 급격하게 감소한다.

본 예시도를 설명하면, X-Y좌표에서 X축은 각속도를 나타내고, Y축은 전류순시값 을 나타낸다. X-Y좌표상의 파형은 상용주파 평상전류가 6π[Rad]까지 지속되다가, 6π[Rad]가 약간 지난 A[Rad]에서 고장이 발생하여 고장전류가 흐르다가 14π[Rad] 직전인 B[Rad]에서 변전소의 차단기(CB=Circuit Breaker)가 차단되어 전류의 흐름이 Zero로 된 순시값 파형이다.

(+)측 순시최대값을 살펴보면, 0에서 π사이, 2π에서 3π사이, 4π에서 5π사이, 6π에서 7π사이, 8π에서 9π사이, 10π에서 11π사이, 12π에서 13π사이에서 각각 1회씩 최대값이 나타난다. (-)측 순시최대값 또한 π에서 2π사이, 3π에서 4π사이 ? ? ? 13π에서 14π사이에서 각각 1회씩 최대값이 나타난다. 이러한 최대값은 평상시에는 그 발생주기가 일정하여 (+)측과 (-)측에서 각각 약16.7[㎳]마다 정확하게 발생한다.

본 예시도는 상용주파 평상전류가 6π[Rad]까지 지속되다가, 6π[Rad]가 약간 지난 A[Rad]에서 고장이 발생하여 전원의 공급전류가 고장점에서 전원측으로 대지를 통하여 회귀함으로, 고장점의 부하측에서는 전류값이 0(zero)이 되었다가, 부하측의 용량성부하가 공급하는 고장전류가 고장점으로 흐르는 것을 나타낸 순시값 파형이다.

용량성부하가 공급하는 고장전류는 교류가 될 수 없으며, 그 용량성 부하의 크기와 선로임피던스에 따라 고장전류의 크기와 소멸시간이 결정된다. 본 예시도에서는 변전소 차단기의 차단시각 이전에 소멸되는 것으로 나타내었다.

본 예시도는 상용주파 평상전류가 6π[Rad]까지 지속되다가, 6π[Rad]가 약간 지난 A[Rad]에서 고장이 발생하여 전원의 공급전류가 고장점에서 전원측으로 대지를 통하여 회귀함으로, 고장점의 부하측에서는 전류값이 0(zero)이 되었다가, 부하측의 전동기 회생전력이 공급하는 고장전류가 고장점으로 흐르는 것을 나타낸 순시값 파형이다. 전동기 회생전력이 공급하는 고장전류는 평상의 상용주파전류와 위상차가 크고, 최대값이 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있다.

본 예시도는 상용주파 평상전류가 6π[Rad]까지 지속되다가, 6π[Rad]가 약간 지난 A[Rad]에서 고장이 발생하여 전원의 공급전류가 고장점에서 전원측으로 대지를 통하여 회귀함으로 고장점의 부하측에서는 전류값이 0(zero)이 되었다가, 부하측의 용량성 전력과 전동기 회생전력이 공급하는 고장전류가 고장점으로 역류하는 것을 나타낸 순시값 파형이다. 즉 도 4와 도 5의 고장전류파형을 합성한 예시도이다.

실제의 현장에서는 용량성부하와 회전기부하의 합성비율이 다양하게 구성되어 있 을 것이고, 그 비율에 따라 합성파형의 모양과 크기가 다르게 나타날 것이다. 그러나 평상의 상용주파전류와 위상차가 크고, 최대값이 급격하게 감소하는 특성은 크게 차이가 없다.

전자회로의 구성은 배전선로의 대전류를 소전류로 변환하는 변류기(11)와, 변류기에서 변환한 소전류를 전압으로 변환하고 전자회로에 입력하는 전류검출부(12)와, 변환된 전압값을 50[㎲]마다 샘플링하여 CPU(14)에 입력하는 샘플링부(13)와, 50[㎲]마다 입력되는 전류값을 일정기간 저장하고 비교하여 주기별로 양(+)과 음(-)의 최대값을 연산하고, 또 최대값의 도래주기를 계산하여 위상을 검출하며, 상기에서 연산된 최대값의 크기변화와 위상의 변화를 이용하여 역방향 고장전류를 판단하는 CPU(14)와, CPU의 명령에 따라 고장표시 동작을 하는 표시부(15)로 구성된다.

또 CPU(14)는 내장되는 프로그램에 따라 고장의 판단을 하게 하는데, CPU에 내장되는 프로그램의 논리구성은,

가. 다음의 3가지 조건이 충족되는 경우에는 고장표시동작을 하게 한다.

(1) 어떤 최대값이 상시최대값의 5배 이상이다.

(2) 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 5[%] 이하이다.

(3) 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 미만씩 감소한다.

나. 다음의 2가지 조건 중에서 어느 하나가 충족되는 경우에는, 어떤 최대값이 상시최대값의 5배 이상이 되어도 고장표시동작을 하지 않는다.

(1) 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 10[%]이상이 되는 경우가 발생하였다.

(2) 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 이상씩 감소하는 경우가 발생하였다.

본 발명은 22.9KV 특고압 지중배전선로의 고장구간 발견을 정확하고 용이하게 하는 “역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시장치 및 방법”에 관한 것이다. 종래의 고장구간표시장치는 부하의 특성에 따라 표시 오동작을 일으키는 불완전한 고장구간표시장치였다. 그러나 본 발명은 위상과 고장전류크기의 변화율을 검출하여 역방향 고장전류를 판정하게 하고, 역방향 고장전류 판정시에는 표시기 동작을 저지시켜 오동작이 없게 함으로써, 고장구간표시장치의 효용 성을 배가시키고, 이에 따라 선로관리를 위한 인적자원과 장비를 축소 운용할 수 있으며, 고장구간의 정확한 판단으로 정전시간의 감소는 물론 고장복구 소요시간도 대폭적으로 단축시키는 효과가 있다.

Claims

지중배전선로의 지락고장 발생시에 고장위치를 신속하게 찾기 위해, 선로전류를 검출하는 변류기를 선로에 설치하고, 상기 변류기가 검출한 전류의 크기에 따라 고장구간을 표시하는 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시방법에 있어서,

상기 변류기로 검출되는 전류를 고속 Sampling IC를 사용하여 50[㎲]마다 1회씩 샘플링하는 샘플링단계와;

상기 샘플링단계의 샘플링값을 이용하여 각각의 1/2주기마다 최대값과 최대값 도래소요시간을 연산하는 연산단계와;

상기 연산단계의 최대값과 최대값 도래소요시간을 이용하여 상시 최대값과 상시최대값 도래소요시간을 150[㎳]동안 저장하면서 연속적으로 갱신하는 최대값 갱신단계와;

상기 최대값 갱신단계에서 검출된 최대값이 상시최대값의 5배 이상이고, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 5[%] 이하이고, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 미만씩 감소하는 경우에는 고장구간표시장치의 표시기를 동작시키는 표시기 동작단계; 그리고,

상기 검출된 최대값이 상시최대값의 5배 이상이 검출되어도, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각의 직전 20[㎳]부터 직후 70[㎳]까지의 시간동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 각각 도래소요시간을 상시최대값의 1/2주기별 최대값 도래소요시간과 비교하여 그 차이가 10[%]이상이 되는 경우가 발생하거나, 상시최대값의 5배 이상이 되는 시각부터 70[㎳]동안 검출되는 복수의 1/2주기별 최대값의 감소량이 최대값 발생차례로 10[%] 이상씩 감소하는 경우에는 고장구간표시장치의 표시기를 동작시키지 않게 하는 표시기 비동작단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역방향 고장전류에 의한 오동작 방지형 지중배전선로 고장구간표시방법.