KR101074324B1 - 초전도 전력케이블의 고장 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 전력케이블의 고장 검출방법에 관한 것으로서, 초전도 선재로 이루어진 통전층과 쉴드층을 포함하여 구성된 초전도 전력케이블의 고장 검출방법에 있어서, 상기 통전층과 쉴드층의 유도전류비 (Is/Ic)x100(Is는 쉴드층의 유도전류, Ic는 통전층의 유도전류)를 측정하여, Is=Ic를 만족할 수 있도록 보호계전기에서 정정을 하는 것으로, 상기 보호계전기에서 정정되어진 정상 운전 상태의 유도전류비와, 초전도 전력케이블에서 측정된 전류의 차만큼 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력케이블의 고장 검출방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 초전도 전력케이블의 구조적인 특징으로부터 발생되는 통전층 및 쉴드층에 흐르는 유도전류의 비를 측정하고, 보호계전기에서 정정된 정상 운전 상태와의 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 용이하게 검출하여, 고장 시 신속하게 대처하여 초전도 전력케이블의 보호뿐만 아니라, 전력계통 전체로 파급되는 사고를 미연에 방지할 수 있으며, 기존의 보호계전기를 바꾸지 않고 그대로 사용할 수 있으므로 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

초전도 전력케이블 정상 고장 운전 통전층 쉴드층 유도전류

Description

초전도 전력케이블의 고장 검출방법{Fault detecting method of superconductor power cable}

본 발명은 초전도 전력케이블의 고장 검출방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 전력케이블과는 다른 통전층 및 쉴드층에 흐르는 유도전류의 비를 측정하고, 보호계전기에서 정정된 정상 운전 상태의 유도전류의 비의 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 검출하는 방법에 관한 것이다.

초전도 전력케이블은 기존의 전력케이블에 비하여 전기저항이 무시할 수 있을 정도로 매우 작기 때문에 단위면적당 송전용량을 3배 또는 4배 증가시킬 수 있으며 이로 인해 전력케이블의 소형화 및 대용량화가 가능한 장점이 있다. 또한, 전기저항에 의한 손실이 거의 없어 송전비용 절감효과도 가져올 수 있다.

계통에서 고장이 발생하면 정상 운전시의 수십 배에 달하는 고장 전류가 초전도 케이블로 유입되고 임계전류 이상이 되면 초전도 특성이 사라지면서 비선형적인 저항특성을 나타내게 되는데, 이러한 현상을 '초전도의 깨짐'(Quench)이라고 한다.

기존 전력케이블의 저항 특성은 통전되는 전류 크기에 무관하게 거의 일정하 다. 하지만 초전도 전력케이블의 저항 특성은 통전되는 전류의 크기에 따라 저항이 “0”에 가까운 초전도의 깨짐(Quench) 현상이 발생하기 전과 통전되는 전류의 크기에 따라 비선형적으로 저항이 증가하는 초전도의 깨짐(Quench) 후로 나눌 수 있다. 그리고 기존 전력케이블은 전류가 통전되는 통전층만 있으나 초전도 전력케이블은 도 1과 같이 통전층(Conducting Layer)과 쉴드층(Shield Layer)을 가지고 있다.

상기 통전층과 쉴드층은 자체적으로 자기 인덕턴스를 가지고 있으며, 통전층과 쉴드층 상호간에는 쇄교하는 자속의 크기에 따라 결정되는 상호인덕턴스가 존재한다. 그래서, 정상운전시에는 통전층 전류의 약 95%이상의 전류가 반대방향으로 쉴드층에서도 통전된다. 이는 쉴드층의 자기인덕턴스값과 통전층 및 쉴드층간의 상호인덕턴스값이 거의 일치하기 때문에 가능한 일이다.

그러나, 초전도 전력케이블에 고장전류가 발생하면 통전층과 쉴드층에 초전도의 깨짐(Quench)이 발생한다. 초전도의 깨짐(Quench)이 발생하면 통전층과 쉴드층에 저항이 발생하게 되고 자기 인덕턴스값에는 영향이 없으나, 상호 인덕턴스값은 발생된 저항과 전기적으로 병렬구조로 연결되어 있으므로 이로인해, 통전층 전류와 거의 동일한 값의 전류가 반대방향으로 유도되었던 쉴드층의 전류에 변화가 생기게 된다. 그래서 고장 발생시에는 통전층과 쉴드층의 전류분포가 정상상태와는 확연하게 달라지게 된다.

기존 전력케이블의 고장 검출 방법에는 적용위치에 따라 그 방법이 매우 다양하다. 그 중 차동방식은 도 2와 같이, 차동계전기를 통해 선로의 인입점(CT1)과 인출점(CT2) 사이의 전류 혹은 전압비를 검출하여 비교하는 방식으로 선로 내부의 고장구간만을 검출하는 방법이다.

이를 초전도 전력케이블에 적용시 정상 운전시 통전되는 초전도 전력케이블의 부하전류는 기존 전력케이블에 비해 매우 크므로 계통 고장에 의해서 발생한 전류와의 차이가 그렇게 크지 않을 수 있으며, 이때 고장을 검출하지 못하는 불검출 영역이 발생할 수 있어, 이러한 방법은 초전도 전력케이블의 고장 검출 방법으로는 부적당한 문제점이 있었다.

본 발명은 기존 전력케이블의 고장 검출방법과는 달리, 초전도 전력케이블의 구조적인 특징으로부터 발생되는 통전층 및 쉴드층에 흐르는 유도전류의 비를 측정하고, 보호계전기에서 정정된 정상 운전 상태의 유도전류의 비의 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 용이하게 검출하는 방법을 그 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 초전도 선재로 이루어진 통전층과 쉴드층을 포함하여 구성된 초전도 전력케이블의 고장 검출방법에 있어서, 상기 통전층과 쉴드층의 유도전류비 (Is/Ic)x100(Is는 쉴드층의 유도전류, Ic는 통전층의 유도전류)를 측정하여, Is=Ic를 만족할 수 있도록 보호계전기에서 정정을 하는 것으로, 상기 보호계전기에서 정정되어진 정상 운전 상태의 유도전류비와, 초전도 전력케이블에서 측정된 전류의 차만큼 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력케이블의 고장 검출방법을 그 기술적 요지로 한다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 초전도 전력케이블의 구조적인 특징으로부터 발생되는 통전층 및 쉴드층에 흐르는 유도전류의 비를 측정하고, 이를 정정함으로써 정상 운전 상태와의 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 용이하게 검출하여, 고장 시 신속하게 대처하여 초전도 전력케이블이 보호뿐만 아니라 전력계통 전체로 파급되는 사고를 미연에 방지할 수 있으며, 기존의 보호계전기를 바꾸 지 않고 그대로 사용할 수 있으므로 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 초전도 전력케이블의 고장 검출 방법은 상기 통전층에 흐르는 전류와 쉴드층에 흐르는 전류의 비를 서로 비교하여 고장시 쉴드층에 유도되는 전류가 줄어들게 되는 원리를 이용한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 초전도 전력케이블은 통전층과 쉴드층을 가지고 있으며, 정상 운전시 통전층에 흐르는 전류의 약 95%가 쉴드층에 반대방향으로 유도되어 흐르게 된다. 즉, 정상 운전 상태에서는 상기 쉴드층의 자기인덕턴스 값과 통전층및 쉴드층 간의 상호인덕턴스 값이 거의 일치하여, 쉴드층에는 통전층에 흐르는 전류의 값과 거의 동일한 유도전류 값이 흐르게 된다.

도 3은 일반적인 전력케이블의 전기적인 구조와 초전도 전력케이블의 전기적인 구조를 나타낸 것으로, 기존의 전력케이블은 저항과 인덕턴스로만 구성되나, 초전도 전력케이블은, 통전층과 쉴드층에 의해 저항, 자기인덕턴스, 상호인덕턴스로 구성된다.

기존의 전력케이블의 고장 시, 검출하고자 하는 구간의 인입점 및 인출점 사이의 전압 또는 전류비의 측정에 의해 고장을 검출하는 방법과는 달리, 초전도 전력케이블에 고장 전류가 발생하면 통전층과 쉴드층에 저항이 발생하게 되고, 자기 인덕턴스 값에는 영향이 없으나, 상호 인덕턴스 값은 발생된 저항과 전기적으로 병렬구조로 연결되어 있어, 정상 운전 상태와는 다르게 상기 쉴드층에 흐르는 전류의 값이 변하게 된다.

이러한 쉴드층에 흐르는 전류의 값의 변화를 이용하여, 초전도 전력케이블의 고장을 검출할 수 있는 것으로, 먼저, 상기 통전층과 쉴드층의 유도전류비(induced current ratio) (Is/Ic)x100(Is는 쉴드층의 유도전류, Ic는 통전층의 유도전류)를 측정한다. 유도전류비는 정상 운전 상태에서는 95% 이상의 값이 나오게 되며, Is=Ic를 만족할 수 있도록 보호계전기에서 정정을 하게 된다. 초전도 전력케이블이 고장 발생시에 Is≠Ic는 정상 운전 상태에서와는 달라지게 되므로 보호계전기에서 고장을 인지하고 고장구간을 계통으로부터 분리하게 된다.

즉, 고장이 발생하게 되면 통전층과 쉴드층의 유도전류비가 달라지게 되며, 정상 운전 상태에서 정정되어진 보호계전기의 값과 차를 비교함을써 초전도 전력케이블의 고장을 검출할 수 있게 되는 것이다.

도 1 - 통전층과 쉴드층을 가지는 초전도 전력케이블의 내부 구조도.

도 2 - 기존 전력케이블의 고장 검출 방법에 대한 모식도.

도 3 - (a) 기존 전력케이블의 전기적인 구조를 나타낸 도, (b) 초전도 전력케이블의 전기적인 구조를 나타낸 도.

Claims (1)

1. 초전도 선재로 이루어진 통전층과 쉴드층을 포함하여 구성된 초전도 전력케이블의 고장 검출방법에 있어서,

   상기 통전층과 쉴드층의 유도전류비 (Is/Ic)x100(Is는 쉴드층의 유도전류, Ic는 통전층의 유도전류)를 측정하여, Is=Ic를 만족할 수 있도록 보호계전기에서 정정을 하는 것으로, 상기 보호계전기에서 정정되어진 정상 운전 상태의 유도전류비와, 초전도 전력케이블에서 측정된 전류의 차만큼 비교를 통해 초전도 전력케이블의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력케이블의 고장 검출방법.

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