KR100755452B1 - 비접지 ｄｃ급전시스템에서의 모선차동보호계전기시스템및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 철도 급전계통에 있어서 열차에 DC 전력을 공급하는 각 변전소에 설치되어 지락사고 보호기능을 갖는 보호계전기 시스템의 모선에서 지락 혹은 단락 사고가 발생한 경우 차동 릴레이를 이용하여 모선을 보호할 수 있도록 하는 모선차동보호계전기 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 변전소의 출력측 정류기들과 각 피더에 직류전원을 공급하는 정류기 모선(포지티브 버스) 사이에 정류기용 차단기를 설치하고, 네가티브 버스와 대지사이에, 접지저항기와 정상운전시 고저항특성을 나타내어 누설전류를 기준치이하로 제한시키고 지락사고시 저저항특성을 나타내어 검출에 필요한 크기의 지락전류를 흐르게 하는 전류제한수단을 직렬로 연결하여서 된 비접지 DC 급전시스템에서의 보호계전기시스템에 있어서, 상기 정류기 모선에 연결된 모든 브랜치의 전류를 측정하여 그 합이 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값 이상이면 모선 사고로 판단하여 정류기 모선과 연결된 모든 차단기를 트립하여 사고모선을 시스템으로부터 격리시키도록 이루어진 모선사고보호부가 설치된 구조의 발명임.

모선보호, 지락보호, 보호계전기, DC 급전시스템, 전력공급시스템

Description

비접지 ＤＣ급전시스템에서의 모선차동보호계전기시스템 및 그 제어방법{Bus differential protective relaying system in ungrounded DC traction power supply system and control method thereof}

도 1은 종래 지락보호계전기의 개념도.

도 2는 종래 비접지 DC 급전시스템에서 지락전류의 흐름을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 DC급전시스템에서 정류기 모선 보호를 위한 모선차동보호계전기시스템

도 4는 본 발명에 따른 전류제한수단의 특성을 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 시스템에서 모선사고시 변전소간 모선차동보호계전기의 작용을 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 모선사고보호부의 구성도를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 -- 전류계측부, 12 -- 누설전류차단부,

14 -- 차단기 트립제어부,

BF -- 피더차단기, BR -- 정류기용 차단기,

CLD -- 전류제한수단, FL -- 급전피더,

NB -- 네가티브 버스, PB -- 포지티브 버스,

RF -- 변전소의 정류기, TR1, TR2 -- 차량.

TW -- 전차선, R -- 접지저항기.

본 발명은 전기 철도 급전계통에 있어서 열차에 DC 전력을 공급하는 각 변전소에 설치되어 전력기기 및 전차선의 보호기능을 갖는 보호 계전기 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비접지 DC급전계통의 모선에서 지락사고나 단락사고가 발생한 경우 차동보호계전방식을 이용하여 모선을 보호할 수 있도록 하는 모선차동보호계전기 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기철도용 급전계통은 열차에 전력을 공급하기 위해 철도선로를 따라 설치되는 것으로, 연장이 긴 전차선로의 말단까지 규정된 전압을 안정적으로 공급하기 위해서는 적정한 구간마다 변전설비를 갖추고 있으며, 상기 변전설비에서 교류전원을 직류전원으로 정류하여 직류 배전반과 급전선을 통하여 직류전원을 열차에 공급한다.

상기와 같은 전기철도용 급전시스템에 있어서, 정상 운전 중 예기치 못한 사고 등으로 인하여 지락사고가 발생할 경우 각종 설비를 보호하고 공공의 안전을 확보하기 위하여 지락보호계전기를 설치하여 급격히 증가하는 지락전류를 검출하는 방법으로 사고를 판단하여 신속하게 전력공급을 차단하고 있다.

이를 위해 종래에는 도 1에서 보는 바와 같은 지락보호계전기(64P)를 사용하였다. 상기 지락보호계전기(64P)는 지락전류가 대지와 네가티브 버스(Negative Bus) 사이에 설치된 접지저항기(R)를 통해 흐르므로 접지저항기(R) 양단의 전압을 측정하여 이 값이 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값을 초과하는 경우에는 지락사고로 판단하여 변전소에 설치된 전력공급용 피더(feeder) 차단기를 개방시켜 전력 공급을 차단하고 있다.

그러나 종래의 지락보호계전기시스템에서는 지락사고가 발생할 때, 지락사고가 직접적으로 발생한 구간의 변전소에 설치된 지락보호계전기(64P)뿐만 아니라 인접한 변전소의 지락보호계전기(64P)에서도 계전기 동작에 충분히 큰 상당한 지락전류가 유입될 수 있어 지락사고 여부는 판단할 수 있으나 정확히 어느 구간에서 지락사고가 발생하였는가를 판단할 수 없는 문제점이 있다. 이는 지락으로 인해 일단 대지 전위가 DC 네가티브 버스의 전위보다 높아지면 모든 변전소의 지락보호계전기 접지저항기(R)로 지락전류가 흐르기 때문이다. 그리고 지락전류의 양도 사고지점으로부터의 거리와 관계없이 계전기 접지저항기(R)의 저항값에 의해 좌우된다.

그러므로 상기와 같이 지락사고 구간을 정확히 판단할 수 없게 되면, 지락사 고와 무관한 여타 건전 구간의 전차선에도 전력공급이 차단되어 광범위한 열차의 운행차질 등 사고의 파급영향이 불필요하게 확대되는 문제점이 있다. 특히, 열차가 교량이나 터널을 통과하고 있는 상황에서, 상기와 같은 문제가 발생하면, 승객과 차량의 안전에 심각한 위험을 초래할 수 있는 문제점이 있다.

도 2는 종래 비접지 DC 급전시스템에서 지락전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

그림과 같이 1번 차량(TR1) 근처에서 지락사고가 발생하더라도 A변전소 내지 D변전소의 접지저항기(R)에 지락전류가 흐르게 되어 지락보호계전기(64P)에 지락전류가 유입됨으로써 정류기(RF1∼RF4)와 포지티브 버스 DC(+) 사이에 연결되어 있는 정류기 차단기(도면상 4개)와 정류기(RF1∼RF4)와 급전선 사이에 연결되어 있는 피더 차단기(B1 ∼ B4)(도면상 16개)가 모두 트립될 수 있다.

그러므로 건전구간을 운행하는 2번 차량(TR2)도 전원이 차단되어 운행할 수 없게된다. 만약 이러한 지락사고가 화재와 연관이 있을 경우 지하구간 혹은 턴넬 구간을 운행하는 열차의 승객은 매우 위험한 상황에 직면할 수 있다. 결론적으로 현재의 지락사고 보호계전 방법은 사고구간을 판별하지 못함으로 승객의 안전에 위험을 초래할 수 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 본출원인은 피더지락보호를 위한 새로운 계전 방식으로서, "비접지 DC 급전계통에서의 방향차동지락보호계전시스템 및 지락전류검출을 위한 전류제한수단"을 특허출원한 바 있으며, 상기 출원발명에서는 전류제한수단이 함께 제안되었다. 이 계전방식에 의하여 급전피더의 지락사고는 지락 사고구간 및 지락선로의 판별이 가능하여졌으나, 변전소 정류기 모선의 지락사고는 판별이 용이하지 않은 문제점이 있었다.

이와 같이 종래에는 변전소 정류기의 모선사고만을 정확히 판별하여 시스템으로부터 격리시킬 수 있는 계전기가 없었기 때문에 버스 지락사고 시에 사고발생구간을 정확히 알지 못하므로 여러 변전소의 차단기가 동시에 모두 트립될 경우도 발생되어 사고복구에 상당한 시간이 소요되고 이로 인한 승객의 불편과 위험이 존재하여 왔다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 사고구간의 정확하고 신속한 판별을 위하여 차동전류계전방식을 채택하고 사고시에 충분한 전류가 흐를 수 있도록 하기 위하여 정류기 네가티브 버스와 대지사이에 전류제한수단을 설치함으로써, 변전소 정류기의 포지티브 버스에서 발생되는 지락사고를 포함한 모든 단락사고를 신속하게 감지하여 버스에 연결된 모든 차단기를 트립시킴으로써 사고가 발생한 버스를 시스템으로부터 전기적으로 신속하게 격리시킬 수 있는 모선차동보호계전시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 비접지 DC 급전시스템에서의 모선차동보호계전시스템은, 변전소의 출력측 정류기들과 각 피더에 직류전원을 공급하는 정류기 모선(포지티브 버스) 사이에 정류기용 차단기를 설치하고, 네가티브 버스와 대지사이에, 접지저항기와 정상운전시 고저항특성을 나타내어 누설전류를 기준치이하로 제한시키고 지락사고시 저저항특성을 나타내어 검출에 필요한 크기의 지락전류를 흐르게 하는 전류제한수단을 직렬로 연결하여서 된 비접지 DC 급전시스템에서의 보호계전기시스템에 있어서, 상기 정류기 모선에 연결된 모든 브랜치의 전류를 측정하여 그 합이 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값 이상이면 모선 사고로 판단하여 정류기 모선과 연결된 모든 차단기를 트립하여 사고모선을 시스템으로부터 격리시키도록 이루어진 모선사고보호부가 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 모선사고보호부는 정류기 모선에 연결된 모든 브랜치에 흐르는 전류인, 변전소의 정류기에서 포지티브 버스로 흐르는 전류와 상기 포지티브 버스에서 피더라인을 통해 전차선으로 흐르는 전류의 값을 측정하는 전류계측부, 상기 전류계측부에서 측정한 전류값의 합 혹은 차를 연산하고 산출된 값을 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값과 비교하여 기준값을 초과하는 경우 모선사고로 판단하는 누설전류 판단부, 상기 누설전류 판단부에 의해 모선사고발생 판단시 정류기용 차단기의 트립을 제어하는 정류기용 차단기 트립제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 비접지 DC 급전시스템에서의 모선차동보호계전시스템의 제어방법은, 네가티브 버스와 대지사이에 접지저항기와 전류제한수단을 직렬로 연결하여 상기 전류제한수단이 정상운전시 고저항특성을 나타내어 대지로부터의 누설전류 흐름을 막도록 하는 한편 지락사고시 저저항특성을 나타내어 지락전류의 흐름을 자유롭게 허용하도록 하고, 정류기 모선으로 들어가는 전류의 합을 계측하여 그 값이 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값(이론적으로는 영[0])보다 크게 되는 경우 모선에서 지락 혹은 단락이 발생된 것으로 판단하여 정류기 모선에 연결된 모든 차단기를 개방시켜 모선을 계통에서 전기적으로 격리시킴으로써, DC급전시스템에서 차동보호계전방식을 이용하여 모선을 보호할 수 있도록 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 DC급전시스템에서 정류기 모선 보호를 위한 모선차동보호계전시스템을 나타낸다. 이하에서는 동일기능을 수행하는 동일 구성요소들에 대해서 설명의 편의상 특정구성요소를 지칭하지 않고 일괄적으로 설명한다. 또한 본 시스템을 구성하는 각 구성요소들의 수량은 본 발명의 기술요지를 설명하기 위해 일부만을 도시한 것으로 도면에 도시된 수량에 국한되는 것은 아니고 전구간에 동일한 방법으로 계속 추가하여 구성할 수 있는 것임은 당업자에게 자명한 것이다.

전기철도에 전원공급을 위한 모선인 포지티브 버스(PB)에는 정류기용 차단기(BR)를 매개로 각 변전소의 정류기(RF) 출력단이 연결되어 있고, 상기 포지티브 버스(PB)에서는 급전피더(FL)를 통해 전차선(TW)이 연결되어 있으며, 각 급전피더(FL) 상에는 급전피더(FL)에서 지락사고시 해당 구간의 급전피더(FL)를 차단하기 위한 피더차단기(BF)가 연결되어 있다. 레일상의 차량(TR1)(TR2)은 상행선과 하행선의 차량을 각각 나타낸다.

또한, 네가티브 버스(NB)에는 접지저항기(R)와 전류제한수단(CLD; current limiting device)이 직렬로 구성되어 대지에 연결되어 있다.

전류제한수단(CLD)은 도 4에 도시된 바와 같이, 정상운전시 고저항특성을 나타내어 누설전류를 기준치 이하로 제한시킴으로써 포지티브 버스와 대지간 비접지상태를 유지할 수 있도록 하고 지락사고시 저저항특성을 나타내어 의 값을 크게 함으로써 전류값 측정 오차를 줄일 수 있도록 하는 장치이다. 도면에서 는 전류제한수단의 통전전류, 는 전류제한수단의 단자전압, 는 정상운전시 네가티브 버스와 대지 사이의 최대 전위차, 는 지락전류를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 본 시스템에서, 정류기 모선인 포지티브 버스(PB)에서 전차선(TW)으로 정상적으로 전원이 공급되는 정상 운전상태일 때에는 아래의 [수학식 1]과 같이 포지티브 버스(PB)로 들어가는 전류의 합은 키르히호프의 제 1 법칙에 의하여 항시 0이 된다. 여기서 실제로는 네가티브 귀환회로로부터 대지로 아주 작은 양의 누설전류가 흐르는 것이나 다른 전류에 비해 아주 작은 양이므로 무시한 것이다.

그러나 정류기 모선인 포지티브 버스(PB)에서 지락사고가 발생하면 전류제한수단(CLD)이 턴온되어 커다란 지락전류가 급격히 흐르게 됨으로써 정류기 모선인 포지티브 버스(PB)로 들어가는 전류의 합은 아래의 [수학식 2]와 같이 0 보다 커지게 된다. 여기서 전류제한수단(CLD)의 역할은 가능한한 의 값을 크게하여 계측에 및 연산에 따른 오차를 없도록 하는 것이다.

한편, 지락사고가 발생하면, 급전 피더(FL)에서 발생되건 혹은 모선(PB)에서 발생되던 간에, 여러 변전소의 전류제한수단(CLD)이 턴온될 수 있다. 그러나 모선사고가 발생한 변전소에서만 [수학식 2]가 성립하므로 쉽고 정확하게 사고 구간이 판별되어 사고구간을 건전구간으로부터 격리시킬 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 시스템에서 모선사고시 변전소간 모선차동계전기의 작용을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 모선사고가 변전소 A에서 발생했을 경우 변전소 A의 모선계전기에서는 와 같이 되지만 B 변전소에서는 전류제한수단(CLD)이 비록 턴온되더라도 이 되는 것을 보여준다.

도 6은 본 발명에 따른 모선사고보호부의 구성도를 나타내는 도면이다.

모선사고보호부는 전류계측부(10)와 누설전류판단부(12) 및 차단기 트립제어부(14)로 이루어져 있다.

상기 전류계측부(10)에서는 정류기 모선에 연결된 모든 브랜치에 흐르는 전류의 값을 측정하며, 상기 전류계측부(10)에서 측정한 전류의 값을 누설전류 판단부(12)에서 합산하고 그로부터 산출된 값을 상기 시스템의 사고 판단 기준값과 비교하여 사고 여부를 판단한다.

상기 누설전류 판단부(12)에 의해 사고로 판단되면 차단기 트립제어부(14)를 제어하여 사고구간의 모선에 연결된 모든 정류기차단기(BR)와 피더차단기(BF)를 개방상태로 트립시킨다.

이에 따라 포지지브 버스(PB)로 공급되는 전원이 차단되어 사고구간을 건전구간으로부터 격리시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 지락사고의 경우에는 종래에는 지락전류가 많이 흐르지 못함으로써 본 발명과 같은 계전방식의 적용이 어려웠으나 본 발명에서는 전류제한수단(CLD)의 설치를 통해 해결할 수 있게 됨으로써, 급전변전소의 모선(포지티브버스)에 발생된 지락 혹은 단락사고는 본 발명의 모선차동계전기에 의하여 신속하게 검지되고 사고가 발생된 모선만이 시스템으로부터 격리되므로 건전구간의 전기철도운영에 영향을 주지않을 뿐더러 사고구간이 명확히 밝혀지므로 사고복구시간을 현저히 줄임으로써 전체적인 시스템의 신뢰도를 높힐 수 있다.

또한, 본 발명은 정확한 사고 구간을 판단하여 모선에 연결된 모든 차단기를 개방시켜 사고구간의 모선으로 공급되는 전력공급을 차단함으로써, 지락사고로 인 한 인명 피해 및 차량의 파손 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 변전소의 출력측 정류기들과 각 피더에 직류전원을 공급하도록 정류기 모선(포지티브 버스) 사이에 설치되는 정류기용 차단기, 네가티브 버스와 대지사이에 직렬로 연결되는 접지저항기와 정상운전시 고저항특성을 나타내어 누설전류를 기준치이하로 제한시키고 지락사고시 저저항특성을 나타내어 검출에 필요한 크기의 지락전류를 흐르게 하는 전류제한수단, 변전소의 정류기에서 포지티브 버스로 흐르는 전류와 상기 포지티브 버스에서 피더라인을 통해 전차선으로 흐르는 전류의 값을 측정하는 전류계측부, 상기 전류계측부에서 측정한 전류값의 합 혹은 차를 연산하고 산출된 값을 모선사고 판단 기준값과 비교하여 상기 기준값을 초과하는 경우 모선사고로 판단하는 누설전류 판단부, 상기 누설전류 판단부에 의해 모선사고발생 판단시 차단기의 트립을 제어하는 차단기 트립제어부를 포함하여 이루어져, 상기 정류기 모선에 연결된 모든 브랜치의 전류를 측정하여 그 합이 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값 이상이면 모선 사고로 판단하여 정류기 모선과 연결된 모든 차단기를 트립하여 사고모선을 시스템으로부터 격리시키는 모선사고보호부가 설치된 것을 특징으로 하는 비접지 DC 급전시스템에서의 모선차동보호계전기시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 모선사고 판단 기준값은 이론적으로는 영[0]인 것을 특징으로 하는 비접지 DC 급전시스템에서의 모선차동보호계전기시스템.
4. 네가티브 버스와 대지사이에 접지저항기와 전류제한수단을 직렬로 연결하여 상기 전류제한수단이 정상운전시 고저항특성을 나타내어 대지로부터의 누설전류 흐름을 막도록 하는 한편 지락사고시 저저항특성을 나타내어 지락전류의 흐름을 자유롭게 허용하도록 하고, 정류기 모선으로 들어가는 전류의 합을 계측하여 사전에 설정된 모선사고 판단 기준값 보다 크게 되는 경우 지락 혹은 단락이 발생된 것으로 판단하여 정류기용 차단기 및 피더차단기를 개방시켜 변전소의 정류기 포지티브 버스로의 전원공급을 차단하도록 함으로써, DC급전시스템에서 차동계전방식을 이용하여 모선을 보호할 수 있도록 이루어짐을 특징으로 하는 비접지 DC 급전시스템에서의 모선차동보호계전기시스템 제어방법.

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