KR101292856B1 - Method for designing insulation level of hvdc system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 HVDC 시스템의 밸브 모듈 내부 및 밸브 타워의 절연 레벨 설계 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an insulation level design method of an HVDC system, and more particularly, to an insulation level design method of a valve tower and a valve tower of an HVDC system.
초고압 직류송전(High Voltage Direct Current; HVDC)은 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜 송전한 이후, 수전점에서 교류로 재 변환시켜 전력을 공급하는 방식이다. HVDC 송전 방식은 교류 송전방식의 장점인 전압 승압을 통한 효율적이며 경제적인 전력 전송을 가능하게 하고, 교류 송전의 여러 가지 단점을 극복할 수 있는 송전 방식이다.High voltage direct current (HVDC) is a method of converting AC power produced in a power plant into direct current and transmitting power, and then converting the power to a power supply at the power receiving point to supply power. The HVDC transmission method enables an efficient and economical power transmission through voltage boost, which is an advantage of the AC transmission method, and is a transmission method that can overcome various disadvantages of the AC transmission.
이러한 HVDC 시스템의 설계시 이에 속하는 다양한 장치들의 절연 레벨을 설계하고, 검증하는 기술이 필요하다. 절연 레벨 설계는 HVDC 시스템에 영향을 줄 수 있는 임펄스 과전압의 충격으로부터 주요 장치(변압기, 사이리스터 밸브 등)를 보호하기 위한 보호 레벨 결정에 사용되며, 신뢰성 있고 경제성이 확보된 변환 설비를 설계하기 위해 임펄스에 대한 저항 레벨, 표면 절연거리, 공간 절연거리 등을 최적하하기 위하여 사용된다. 특히, HVDC 시스템의 핵심 장치인 사이리스터 밸브 모듈의 최적 설계는 HVDC 시스템의 송전량, 전력 손실, 밸브 동작의 안전성 등을 위하여 필수적이다. When designing such an HVDC system, a technique for designing and verifying the insulation level of various devices belonging thereto is required. Isolation level design is used to determine the protection level to protect key devices (transformers, thyristor valves, etc.) from impulse overvoltage impacts that can affect HVDC systems, and to design reliable and economical conversion equipment. It is used to optimize the resistance level, surface insulation distance, and space insulation distance. In particular, the optimal design of the thyristor valve module, which is the core device of the HVDC system, is essential for the amount of power transmission, power loss, and safety of valve operation of the HVDC system.
이와 같이, HVDC 시스템 분야에서 주요 장치에 대한 절연 레벨 설계의 필요성이 증대되고 있으나, 현재로서는 IEC 규격 또는 경험적인 방법에 의해 설계할 수밖에 없고, 실제의 피뢰기의 보호 레벨이나 기기의 정격 산정시 HVDC 시스템이 파괴되지 않게 하기 위해 과도한 마진을 부여하거나, 최적화하기 위해서 반복적인 설계 과정을 통해야 하므로 새로운 절연 레벨 설계 방법의 제안이 요구되고 있는 실정이다.
[문헌1] 권준범 외 5인, ±80kV 60MM HVDC System의 절연협조 설계시 PSCAD를 이용한 Switching Impulse 검증방법, 2011. 07. 20.
[문헌2] 권준범 외 5인, PSCAD를 이용한 ±80kV 60MM HVDC 절연협조 기본설계, 2010. 11. 05.
As such, the necessity of designing insulation levels for major devices in the field of HVDC systems is increasing, but for now, it is necessary to design by IEC standards or empirical methods, and HVDC systems when evaluating the actual level of protection of an arrester or the rating of equipment. Since it is necessary to go through an iterative design process in order to give excessive margin or optimize to prevent this destruction, a proposal of a new insulation level design method is required.
[Reference 1] Kwon Jun-bum et al 5, Switching Impulse Verification Method using PSCAD in the Design of Insulation Coordination of ± 80kV 60MM HVDC System, 2011. 07. 20.
[Reference 2] Kwon Joon-bum et al 5, Basic design of ± 80kV 60MM HVDC insulation coordination using PSCAD, 2010. 11. 05.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, HVDC 시스템에 소정의 임펄스를 인가하여 산출한 보호 레벨(protection level)이, HVDC 시스템에 구비되는 피뢰기의 보호 레벨의 오차 범위를 만족하는지 여부를 판단하여 HVDC 시스템의 절연 레벨을 설계할 수 있는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to meet the above requirements, and whether a protection level calculated by applying a predetermined impulse to the HVDC system satisfies an error range of the protection level of the arrester provided in the HVDC system. The purpose of the present invention is to provide an insulation level design method of an HVDC system capable of designing an insulation level of an HVDC system.
본 발명에 따른 일실시예인 AC 영역, 밸브 영역, DC 영역을 포함하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법은, 상기 밸브 영역에 대응하여 정의된 임펄스(impulse)를 인가하는 단계, 상기 임펄스의 전압 크기에 따라 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 산출하는 단계, 산출한 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 보호 레벨(protection level) 및 저항 레벨(withstand level)을 산출하는 단계, 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 검증하는 단계 및 검증한 보호 레벨 및 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계를 포함한다. In one embodiment, an insulation level design method of an HVDC system including an AC region, a valve region, and a DC region may include applying an impulse defined corresponding to the valve region, and applying a voltage to the voltage of the impulse. Calculating a maximum sustain voltage of the valve region, calculating a protection level and a withstand level using the calculated maximum sustain voltage of the valve region, and calculating the calculated protection level and the resistance level. Verifying and calculating the minimum insulation distance using the verified protection level and the resistance level.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 산출한 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 보호 레벨 및 저항 레벨을 산출하는 단계는 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 IEC 규격에 따라 보호 레벨 및 저항 레벨을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step of calculating the protection level and the resistance level by using the calculated maximum sustain voltage of the valve region using the maximum sustain voltage of the valve region according to the IEC standard And calculating the resistance level.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 검증하는 단계는 산출한 보호 레벨이 상기 HVDC 시스템에 구비되는 피뢰기의 보호 레벨의 오차 범위를 만족하는지를 판단하여 검증하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an aspect of an embodiment of the present invention, verifying the calculated protection level and the resistance level may be performed by determining whether the calculated protection level satisfies an error range of the protection level of the arrester provided in the HVDC system. It may be characterized by.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 검증한 보호 레벨 및 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계는 상기 검증한 보호 레벨 및 저항 레벨에 소정의 마진을 적용하여 최종 저항 레벨을 결정하는 단계 및 결정된 상기 최종 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of calculating the minimum insulation distance using the verified protection level and the resistance level may be performed by applying a predetermined margin to the verified protection level and the resistance level. And determining a minimum insulation distance using the determined final resistance level.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 최소 절연 거리는 표면 절연 거리(creepage)와 공간 절연 거리(clearance)를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an aspect of an embodiment according to the present invention, the minimum insulation distance may be characterized by indicating a surface insulation distance (creepage) and a space insulation clearance (clearance).
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 산출한 상기 최소 절연 거리가 상기 밸브 영역의 기구물의 크기 및 간격에 적합한지 여부를 검증하는 단계를 더 포함한다.
According to an aspect of an embodiment according to the present invention, the method further includes verifying whether the calculated minimum insulation distance is suitable for the size and spacing of the mechanism in the valve region.
상기와 같은 본 발명은, HVDC 시스템을 AC 영역, 밸브 영역, DC 영역으로 구분하여 각 영역별로 영향을 주는 임펄스의 형태를 정의하고, 정의한 임펄스를 HVDC 시스템에 인가하여 시뮬레이션을 통하여 피뢰기의 보호 레벨이 소정 범위를 만족하는지 여부를 판단하여 HVDC 시스템의 절연 레벨을 설계하므로, 정확하면서도 신속한 절연 레벨 설계가 가능한 이점이 있다.
As described above, the present invention defines an impulse type that affects each region by dividing the HVDC system into an AC region, a valve region, and a DC region, and applies a defined impulse to the HVDC system to increase the protection level of the arrester through simulation. Since the insulation level of the HVDC system is designed by determining whether the predetermined range is satisfied, an accurate and rapid insulation level design is possible.
도 1a 및 도 1b는 HVDC 시스템의 밸브 타워에 대한 절연 레벨을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 HVDC 시스템의 밸브 모듈 내부에 대한 절연 레벨을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법을 설명하기 위한 순서흐름도이다. 1A and 1B show the insulation level for the valve tower of the HVDC system.
2A and 2B show the insulation level for the interior of the valve module of the HVDC system.
3 is a flowchart illustrating an insulation level design method of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is said to be 'connected' or 'connected' to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but other components may be present in between. It should be understood that. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, or a combination thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof. Also, the term "part" or the like, as described in the specification, means a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1a 및 도 1b는 HVDC 시스템의 밸브 타워에 대한 절연 레벨을 도시한다. 1A and 1B show the insulation level for the valve tower of the HVDC system.
도 1a 및 도 1b을 참조하면, 도 1a는 HVDC 시스템의 밸브 타워의 물리적 구조를 도시한 것이고, 이를 간략화한 회로도가 도 1b에 도시된다. 도면에는 도시하지 않았으나, HVDC 시스템에 구비되는 다양한 기기를 스위칭 임펄스(switching impulse), 뇌임펄스(lightning impulse) 등의 외란으로부터 보호하기 위하여, HVDC 시스템에 피뢰기가 구비될 수 있다. 이러한 피뢰기의 설치 위치는 HVDC 시스템의 정격 및 변압기 등 주요 기기의 조합에 따라 달라질 수 있다. 1A and 1B, FIG. 1A illustrates the physical structure of a valve tower of an HVDC system, and a simplified circuit diagram thereof is shown in FIG. 1B. Although not shown in the drawings, in order to protect various devices included in the HVDC system from disturbances such as switching impulse, lightning impulse, and the like, a lightning arrester may be provided in the HVDC system. The location of these arresters can vary depending on the rating of the HVDC system and the combination of the main devices, such as transformers.
도 1a를 참조하면, HVDC 시스템의 밸브 타워는 다수의 밸브 모듈(11)이 상호간에 지지 애자(12)를 통하여 연결되어 적층 구조를 이루는 것을 알 수 있다. 도 1b에서는, 각각의 밸브 모듈(11)이 하나의 사이리스터(thyristor)로 간략하게 도시된다. 상기 밸브 타워는 예를 들어 변환소 등의 건축물의 천장에 형성하는 것이 일반적이다. 상기 밸브 타워를 이루는 밸브 모듈(11)의 개수는, HVDC 시스템의 송전 용량에 따라 결정된다. 도 1a 및 도 1b는, 4개의 밸브 모듈이 구비되어, 60MW의 송전 용량을 가지는 경우를 도시한 것이다. 1A, it can be seen that the valve tower of the HVDC system has a plurality of
이러한 상기 밸브 타워의 절연 레벨 설계는, 건축물의 천장과 밸브 모듈 간의 절연 레벨(T4)과 밸브 모듈 간의 절연 레벨(T1, T2, T3)을 설계하는 것이다. 상기 절연 레벨은 피뢰기의 보호 레벨(potection level; PL), 저항 레벨(withstand level; WL)을 나타낸다. 상기 절연 레벨이 산출되면, IEC 규격에 따라 절연 거리를 계산함으로써 상기 밸브 타워의 절연체 등의 기구 설계가 가능하다. 상기 절연 거리는 표면 거리(creepage)와 공간 거리(clearance)를 나타낸다.
This insulation level design of the valve tower is to design the insulation level (T4) between the ceiling of the building and the valve module and the insulation level (T1, T2, T3) between the valve module. The insulation level represents the protection level (PL) and withstand level (WL) of the arrester. Once the insulation level is calculated, instrument design, such as insulators of the valve tower, is possible by calculating the insulation distance in accordance with IEC standards. The insulation distance is indicative of surface creepage and clearance.
도 2a 및 도 2b는 HVDC 시스템의 밸브 모듈 내부에 대한 절연 레벨을 도시한다. 2A and 2B show the insulation level for the interior of the valve module of the HVDC system.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 2a는 HVDC 시스템의 밸브 모듈 내부의 물리적 구조를 도시한 것이고, 이를 간략화한 회로도가 도 2b에 도시된다. HVDC 시스템의 밸브 모듈은 가포화 리액터(saturable reactor), 스너버 커패시터(snubber capacitor), 스너버 저항(snubber resistor), 사이리스터(thyristor), 버스바(busbar), 절연체(insulator), 방열판 등을 구비한다. 도면에는 도시하지 않았으나, 리액터, 사이리스터 등을 스위칭 임펄스(switching impulse), 뇌임펄스(lightning impulse) 등의 외란으로부터 보호하기 위하여, 피뢰기가 구비될 수 있다. 이러한 피뢰기의 설치 위치는 HVDC 시스템의 정격 및 변압기 등 주요 기기의 조합에 따라 달라질 수 있다. 2A and 2B, FIG. 2A shows the physical structure inside the valve module of the HVDC system, and a simplified circuit diagram thereof is shown in FIG. 2B. Valve modules in HVDC systems include saturable reactors, snubber capacitors, snubber resistors, thyristors, busbars, insulators, heat sinks, etc. do. Although not shown in the drawings, a lightning arrester may be provided to protect the reactor, the thyristor, and the like from disturbances such as switching impulse and lightning impulse. The location of these arresters can vary depending on the rating of the HVDC system and the combination of the main devices, such as transformers.
간략화한 회로도를 도시한 도 2b를 참조하면, HVDC 시스템의 밸브 모듈은 제1 내지 제4 가포화 리액터(21, 22, 24, 25), 사이리스터 레벨(23)을 포함한다. 사이리스터 레벨(23)에 포함되는 사이리스터의 개수는 HVDC 시스템의 송전 용량에 따라 달리 결정된다. 예를 들어, 사이리스터 레벨(23)의 각 사이리스터는 병렬로 연결된 3개의 사이리스터를 간략화하여 도시한 것으로 이해될 수 있다. Referring to FIG. 2B, which shows a simplified circuit diagram, a valve module of an HVDC system includes first to fourth
도 2a 및 도 2b를 참조하면, HVDC 시스템의 밸브 모듈의 제작시 필요한 절연 레벨은 A~L로 구분될 수 있으며, 다음과 같이 정의될 수 있다. 2A and 2B, an insulation level required for fabricating a valve module of an HVDC system may be classified into A to L and may be defined as follows.
최상측의 제1 가포화 리액터(21)와 버스바 사이를 B라 하고, 상측의 제1 가포화 리액터(21)와 제2 가포화 리액터(22)가 연결되는 지점과 버스바 사이를 C라고 한다. 제2 가포화 리액터(22)의 양단 사이를 K라고 한다. 사이리스터 레벨(23)의 상단 사이리스터의 캐소드(cathode) 지점과 버스바 사이를 A, D, E라 한다. 사이리스터 레벨(23)의 하단 사이리스터의 애노드(anode) 지점과 버스바 사이를 F, G, J라 한다. 제3 가포화 리액터(24)와 제4 가포화 리액터(25)가 연결되는 지점과 버스바 사이를 H라고 하고, 제4 가포화 리액터(25)와 버스바 사이를 I라고 한다. 제3 가포화 리액터(24)의 양단 사이를 L이라고 한다. The B between the first
상술한 절연 레벨, A~L이 산출되면, IEC 규격에 따라 절연 거리를 계산함으로써 밸브 모듈의 설계 및 제작이 가능하다. 상기 절연 거리는 절연체의 표면 거리(creepage)와 공간 거리(clearance)를 나타낸다.
Once the above-described insulation level, A to L, is calculated, the design and manufacture of the valve module is possible by calculating the insulation distance according to the IEC standard. The insulation distance represents the surface creepage and clearance of the insulator.
한편, HVDC 시스템의 밸브 모듈은, 고압 직류 송전을 위하여 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 중요 장치로서, 밸브 모듈의 최적 설계는 사이리스터 밸브 동작의 안전성 및 밸브 주변 구조물간의 거리, 밸브 타워의 크기, HVDC 시스템의 송전 용량 및 손실 등의 결정에 필수 요소이므로, 밸브 모듈 및 밸브 타워의 절연 파괴를 막을 수 있는 정확한 절연 설계가 필수적이다. On the other hand, the valve module of the HVDC system is an important device for converting commercial AC power into DC power for high-voltage direct current transmission. The optimum design of the valve module includes the safety of thyristor valve operation, the distance between the valve structures, the size of the valve tower, As it is essential to determine the transmission capacity and losses of an HVDC system, an accurate insulation design is essential to prevent the breakdown of valve modules and valve towers.
종래의 기술은 IEC 규격이나, 경험적인 값에 의존하여 HVDC 송전 시스템의 절연 레벨 위치와 피뢰기 위치를 계산하였고, 해당 보호 레벨(PL) 및 저항 레벨(WL) 또한 경험적으로 산정하였다. IEC 규격에 따라 보호 레벨 및 저항 레벨을 산출하기 위한 수학식은 다음과 같다.The prior art has calculated the insulation level position and the arrester position of the HVDC transmission system, depending on the IEC specification but empirical values, and the corresponding protection level (PL) and resistance level (WL) are also empirically calculated. Equation for calculating the protection level and the resistance level according to the IEC standard is as follows.
MCOV = X 식(1) SIWL = SIPL·MSIWL 식(5)MCOV = X equation (1) SIWL = SIPL ・ M SIWL equation (5)
SIPL = MCOV·KSIPL 식(2) LIWL = LIPL·MLIWL 식(6)SIPL = MCOVK SIPL equation (2) LIWL = LIPLM LIWL equation (6)
LIPL = SIPL·KLIPL 식(3) FWWL = FWPL·MFWWL 식(7)LIPL = SIPLK LIPL equation (3) FWWL = FWPLM FWWL equation (7)
FWPL = LIPL·KFWPL 식(4)FWPL = LIPLK FWPL equation (4)
종래의 기술에서 일반적으로 고전압 AC 시스템에 사용되는 것과 유사하게 HVDC 송전 시스템의 보호 레벨 및 저항 레벨을 결정한다. 식(1) 내지 식 (7)은 HVDC 송전 시스템에 설치된 기기들에 공통적으로 사용될 수 있는 식이다. The protection level and resistance level of the HVDC power transmission system are determined similarly to those used in high voltage AC systems in the prior art. Equations (1) to (7) are equations that can be commonly used for equipment installed in an HVDC transmission system.
식(1)의 X는 각 기기 마다 달라지는 값이며 경험적인 값 또는 시뮬레이션, 모델링 등을 통해 결정될 수 있다. MCOV(maximum continuous voltage)는 최대 지속 전압을 나타낸다. 식(2)의 SIPL(Switching Impulse Protective Level)은 스위칭 임펄스에 대한 보호레벨이며, MCOV에 소정 인자(KSIPL)를 곱하여 결정할 수 있다. 이 값은 피뢰기의 특성을 통해 결정될 수 있다. X in Equation (1) is a value that varies for each device and can be determined through empirical values or simulation, modeling, and the like. MCOV (maximum continuous voltage) represents the maximum continuous voltage. Switching Impulse Protective Level (SIPL) of Equation (2) is a protection level for switching impulse, and can be determined by multiplying MCOV by a predetermined factor (K SIPL ). This value can be determined through the characteristics of the arrester.
식(3)의 LIPL(Lightning Impulse Protective Level)은 뇌 임펄스에 대한 보호 레벨을 나타내고, 식(2)에서 계산된 SIPL에 소정 인자(KLIPL)를 곱하여 결정할 수 있다. 식(4)의 FWPL(Front of Wave Protective Level)은 전단파에 대한 보호 레벨을 나타내고, 식(3)에서 계산된 LIPL에 소정 인자(KPWPL)를 곱하여 결정할 수 있다. LIPL 및 FWPL 또한 경험적인 배수 또는 피뢰기의 특성을 통하여 결정될 수 있다. Lightning Impulse Protective Level (LIPL) of Equation (3) represents a protection level against brain impulse, and can be determined by multiplying a predetermined factor (K LIPL ) by SIPL calculated in Equation (2). Front of Wave Protective Level (FWPL) of Equation (4) represents a protection level against shear wave, and can be determined by multiplying LIPL calculated by Equation (3) by a predetermined factor K PWPL . LIPL and FWPL can also be determined through empirical drainage or the characteristics of the arrester.
식(5) 내지 식(7)은 각 보호 레벨에 대한 저항 레벨을 정하는 방법이다. MSIWL, MLIWL 및 MFWWL은 마진을 나타내는 것으로써, 각각 약 10% 내지 150%의 마진을 고려하여 결정할 수 있다. 이 값은 각 기기의 정격 산정, 가격 산정, 설치면적 고려시 수정될 수 있다. Equations (5) to (7) are methods for determining the resistance level for each protection level. M SIWL , M LIWL And M FWWL represent margins, which may be determined by considering margins of about 10% to 150%, respectively. This value may be modified in consideration of the rating, price and installation area of each device.
여기에서 식(1)의 X는 앞서 언급한 것과 같이 경험적인 값, IEC 규격, 시뮬레이션등을 통해 결정될 수 있고, X는 표면 절연 거리(creepage), 공간 절연 거리(clearance) 및 기타 보호 레벨을 결정하기 위해 필요하기 때문에 매우 중요하다. 특히 밸브 모듈 및 밸브 타워의 절연 설계에 있어서는, 'X'에 따라 전체 크기 및 안전성이 결정되기 때문에 정확한 값을 구하는 것이 HVDC 시스템의 최적화를 하는데 있어서 중요하다.
Where X in Eq. (1) can be determined through empirical values, IEC standards, simulations, etc. as mentioned above, and X determines surface insulation creepage, clearance and other protection levels. It is very important because it is necessary. Particularly in the insulation design of the valve module and the valve tower, determining the correct value is important for optimizing the HVDC system because the overall size and safety are determined by 'X'.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법을 설명하기 위한 순서흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating an insulation level design method of an HVDC system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법이 적용되는 HVDC 시스템은, AC 영역, 밸브 영역, DC 영역으로 구분할 수 있다. The HVDC system to which the insulation level design method of the HVDC system according to the embodiment of the present invention is applied may be divided into an AC region, a valve region, and a DC region.
각 영역에 대하여 개략적으로 설명하면, 상기 AC 영역은 변압기의 1차 측에 인가되는 상용 교류 전원을 소정의 변환비에 따라 변환한 교류 전압이 2차 측에 유도된다. 상기 밸브 영역은 상기 AC 영역의 2차측 전압을 직류 전압으로 변환한다. 상기 DC 영역은 상기 밸브 영역에서 변환된 직류 전압을 장거리 송전한다. Briefly describing each region, in the AC region, an AC voltage obtained by converting a commercial AC power applied to the primary side of the transformer according to a predetermined conversion ratio is induced on the secondary side. The valve region converts the secondary voltage of the AC region into a DC voltage. The DC region transmits a long distance of the DC voltage converted in the valve region.
각종 외란(예를 들어, 스위칭 임펄스, 뇌 임펄스 등)은 상술한 각 영역별로 상이하게 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 밸브 영역의 경우, 변환소 등의 건축물 내부에 마련되는 일반적인 경우에는 스위칭 임펄스의 영향을 받을 것이나, 예외적으로 실외에 위치하는 경우에는 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스의 영향을 함께 받을 수 있다. 한편, 상기 AC 영역의 경우, 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스가 가해질 수 있고, DC 영역의 경우, 뇌 임펄스와 전단파 임펄스가 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 절연 레벨 설계 방법은, 밸브 모듈 및 밸브 타워에 적용되는 경우를 일실시예로써 설명하고 있으나, 상기 AC 영역, DC 영역의 경우에 대한 적절한 임펄스가 정의된다면, 상기 AC 영역, DC 영역의 절연 레벨 설계에도 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.
Various disturbances (eg, switching impulses, brain impulses, etc.) may affect differently for each of the above-described areas. For example, in the case of the valve area, a general case provided inside a building such as a conversion station may be affected by a switching impulse, but in an exceptional case, the valve area may be affected by a switching impulse and a brain impulse. . Meanwhile, in the AC region, switching impulses and brain impulses may be applied, and in the DC region, brain impulses and shear wave impulses may be affected. Although the insulation level design method of the present invention has been described as an embodiment of the case applied to the valve module and the valve tower, if the appropriate impulse for the AC region, DC region is defined, Applicability to insulation level design will be apparent to those of ordinary skill in the art.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 밸브 모듈 및 밸브 타워, 즉, 상기 밸브 영역에 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스가 함께 영향을 주는 경우에 대한 절연 레벨 설계를 일예로써 설명하도록 한다. Hereinafter, referring to FIG. 3, the insulation level design for the case where the switching impulse and the brain impulse affect the valve module and the valve tower, that is, the valve region will be described as an example.
상술한 바와 같이, HVDC 시스템의 밸브 모듈 및 밸브 타워의 절연 파괴 방지를 위한 절연 레벨 설계를 위하여, 먼저 상기 밸브 영역에 가해질 수 있는 임펄스를 정의하는 것이 필요하다. 상기 밸브 영역에 영향을 줄 수 있는 임펄스의 종류는 상술하였듯이 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스이다. 상기 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스가 가해지는 시간과 임펄스의 크기는 HVDC 시스템의 파라미터(예를 들어, 송전 용량, 정력 전압, 정격 전류, 고조파 왜율 등)와 IEC 규격에 따라 설정될 수 있으며, 이때 최악의 스트레스 상황을 가정하여 임펄스의 크기 및 시간 폭을 IEC 규격에서 정하는 최대값으로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 밸브 영역에 대하여 정의된 스위칭 임펄스와 뇌 임펄스는 HVDC 시스템, 보다 상세하게는 상기 AC 영역의 1차 측에 인가된다(S310).As mentioned above, for the insulation level design for preventing breakdown of the valve module and the valve tower of the HVDC system, it is first necessary to define an impulse that can be applied to the valve region. Types of impulses that may affect the valve area are switching impulses and brain impulses as described above. The switching impulse and brain impulse time and the magnitude of the impulse can be set according to the parameters of the HVDC system (for example, transmission capacity, static voltage, rated current, harmonic distortion, etc.) and the IEC standard, the worst Assuming stress conditions, it is desirable to set the magnitude and duration of the impulse to the maximum value specified in the IEC standard. Switching impulses and brain impulses defined for the valve region are applied to the primary side of the HVDC system, more specifically the AC region (S310).
상기 S310단계에서 상기 AC 영역의 1차측에 인가된 스위칭 임펄스 및 뇌 임펄스에 따른 과전압은 상기 AC 영역의 피뢰기에 의해 감쇄되어 상기 밸브 영역에 인가되며, 이를 이용하여 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압(MCOV)을 산출한다(S320). 상기 최대 지속 전압은 도 2b에 도시한 회로도와 상기 AC 영역 및 DC 영역에 대한 회로도를 구성하여 모델링한 HVDC 시스템을 이용하여 시뮬레이션을 통하여 산출할 수 있다. 상기 최대 지속 전압은 도 1b 및 도 2b의 A~L, T1~T4에 대응하여 산출하는 것이 바람직하다. The overvoltage according to the switching impulse and the brain impulse applied to the primary side of the AC region in step S310 is attenuated by the arrester of the AC region and applied to the valve region, thereby using the maximum sustain voltage MCOV of the valve region. ) Is calculated (S320). The maximum sustain voltage may be calculated through simulation using an HVDC system modeled by constructing a circuit diagram of FIG. 2B and a circuit diagram of the AC region and the DC region. The maximum sustain voltage is preferably calculated corresponding to A to L and T1 to T4 of FIGS. 1B and 2B.
상기 S320단계에서 산출한 상기 최대 지속 전압을 상술한 식(1) 내지 식(7)에 적용하여 보호 레벨(PL) 및 저항 레벨(WL)을 산출한다(S330). The protection level PL and the resistance level WL are calculated by applying the maximum sustain voltage calculated in step S320 to the above-described equations (1) to (7) (S330).
다음으로, 상기 S330단계에서 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 검증한다(S340). 검증 단계는, 상기 S330단계에서 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 상기 S320단계에서 모델링한 HVDC 시스템에 적용한 상태에서, 상기 S310단계에서 정의된 임펄스를 인가하여, 보호 레벨이 소정의 오차 범위를 만족하는지 여부를 판단함으로써 이루어진다. 보호 레벨이 만족하여야 하는 소정의 오차 범위란, HVDC 시스템에 구비되는 피뢰기의 보호 레벨의 오차 범위를 나타낸다. 따라서, 상기 S310단계에서 정의된 임펄스를 상기 모델링한 HVDC 시스템에 인가하였을 경우, 시뮬레이션을 통하여 A~L, T1~T4에 대하여 산출된 최대 지속 전압을 식(1)~식(7)에 적용하여 보호 레벨을 산출한다. 이와 같이 산출된 보호 레벨이 HVDC 시스템에 구비되는 피뢰기의 보호 레벨의 오차 범위를 만족하는 경우에는, 상기 S330단계에서 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨의 검증을 완료하고, 오차 범위를 만족하지 않는 경우에는, 상기 S310 ~ S340단계를 반복하여 보호 레벨 및 저항 레벨의 검증을 수행한다. Next, the protection level and the resistance level calculated in step S330 are verified (S340). In the verification step, the protection level and the resistance level calculated in the step S330 is applied to the HVDC system modeled in the step S320, by applying the impulse defined in the step S310, whether the protection level satisfies a predetermined error range This is done by judging whether or not. The predetermined error range that the protection level must satisfy indicates an error range of the protection level of the arrester provided in the HVDC system. Therefore, when the impulse defined in step S310 is applied to the modeled HVDC system, the maximum sustain voltage calculated for A to L and T1 to T4 through simulation is applied to equations (1) to (7). Calculate the protection level. When the calculated protection level satisfies the error range of the protection level of the arrester provided in the HVDC system, the verification of the protection level and the resistance level calculated in step S330 is completed, and when the error range is not satisfied. In step S310 to S340, the protection level and the resistance level are verified.
상기 S340단계에서 보호 레벨 및 저항 레벨의 검증이 완료되면, 검증된 저항 레벨에 소정의 마진을 고려하여 최종 저항 레벨을 결정한다(S350).When verification of the protection level and the resistance level is completed in step S340, the final resistance level is determined in consideration of a predetermined margin to the verified resistance level (S350).
다음으로, 상기 밸브 모듈 및 밸브 타워의 기구적인 설계 및 제작을 위하여, 상기 S350단계에서 결정된 최종 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출한다(S360). 상기 최소 절연 거리는 상기 밸브 모듈 및 밸브 타워에 구비되는 절연체의 표면 거리(creepage) 및 공간 거리(clearance)를 포함한다. Next, in order to mechanically design and manufacture the valve module and the valve tower, the minimum insulation distance is calculated using the final resistance level determined in step S350 (S360). The minimum insulation distance includes surface creepage and clearance of the insulator provided in the valve module and the valve tower.
상기 S360단계에서 산출한 최소 절연 거리를 적용할 경우, 상기 밸브 모듈 및 밸브 타워의 실제 기구물 크기, 간격, 기구적 특성에 부합하는지를 판단하여 상기 최소 절연 거리에 대한 검증을 수행한다(S370). 만약, 상기 최소 절연 거리가 상기 밸브 모듈 및 밸브 타워의 실제 기구물 크기, 간격, 기구적 특성에 부합하지 않는다고 판단되면, 상기 S310~S360단계를 반복하여 최소 절연 거리의 검증을 수행한다. When the minimum insulation distance calculated in step S360 is applied, the minimum insulation distance is verified by determining whether the size of the valve module and the valve tower corresponds to the actual size, distance, and mechanical characteristics of the valve module (S370). If it is determined that the minimum insulation distance does not correspond to the actual size, spacing, and mechanical characteristics of the valve module and the valve tower, the steps S310 to S360 are repeated to verify the minimum insulation distance.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법은, HVDC 시스템을 영역별로 구분하여 각 영역에 영향을 주는 임펄스의 형태를 정의하고, 정의한 임펄스를 모델링한 HVDC 시스템에 인가하여 시뮬레이션을 통하여 피뢰기의 보호 레벨이 소정 범위를 만족하는지 여부를 판단하여 HVDC 시스템의 절연 레벨을 설계하므로, 정확하면서도 신속한 절연 레벨 설계가 가능하다.
As described above, in the insulation level design method of the HVDC system according to an embodiment of the present invention, the HVDC system is divided into regions to define the type of impulse that affects each region, and the defined impulse is applied to a modeled HVDC system by Simulation determines whether the protection level of the arrester satisfies the predetermined range and designs the insulation level of the HVDC system, enabling accurate and rapid insulation level design.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the following claims, as well as equivalents thereof.
Claims (6)
상기 밸브 영역에 대응하여 정의된 임펄스(impulse)를 상기 AC 영역의 1차측에 인가하는 단계;
상기 임펄스의 전압 크기에 따라, 상기 AC 영역 및 상기 DC 영역에 대한 회로도를 구성하여 모델링한 HVDC 시스템을 이용하여, 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 산출하는 단계;
산출한 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 보호 레벨(PL) 및 저항 레벨(WL)을 산출하는 단계;
산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 모델링한 HVDC 시스템에 적용하여 검증하는 단계;
검증한 보호 레벨 및 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계; 및
산출한 상기 최소 절연 거리가 상기 밸브 영역의 기구물의 기구적 특성을 만족하는지를 검증하는 단계를 포함하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법.
In the insulation level design method of the HVDC system including the AC region, the valve region, DC region,
Applying an impulse defined corresponding to the valve region to the primary side of the AC region;
Calculating a maximum sustain voltage of the valve region using an HVDC system configured by modeling circuit diagrams of the AC region and the DC region according to the voltage level of the impulse;
Calculating a protection level PL and a resistance level WL using the calculated maximum sustain voltage of the valve region;
Verifying the calculated protection level and resistance level by applying the modeled HVDC system;
Calculating a minimum insulation distance using the verified protection level and the resistance level; And
And verifying that the calculated minimum insulation distance satisfies the mechanical characteristics of the mechanism of the valve region.
산출한 상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 보호 레벨 및 저항 레벨을 산출하는 단계는,
상기 밸브 영역의 최대 지속 전압을 이용하여 IEC 규격에 따라 보호 레벨 및 저항 레벨을 산출하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법.
The method of claim 1,
Calculating the protection level and the resistance level using the calculated maximum sustain voltage of the valve region,
And a protection level and a resistance level are calculated according to IEC standards using the maximum sustained voltage of the valve region.
상기 산출한 보호 레벨 및 저항 레벨을 검증하는 단계는,
산출한 보호 레벨이 모델링한 HVDC 시스템에 구비되는 피뢰기의 보호 레벨의 오차 범위를 만족하는지를 판단하여 검증하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법.
The method of claim 1,
Verifying the calculated protection level and resistance level,
And determining and verifying that the calculated protection level satisfies the error range of the protection level of the arrester included in the modeled HVDC system.
상기 검증한 보호 레벨 및 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계는,
상기 검증한 보호 레벨 및 저항 레벨에 소정의 마진을 적용하여 최종 저항 레벨을 결정하는 단계; 및
결정된 상기 최종 저항 레벨을 이용하여 최소 절연 거리를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법.
The method of claim 1,
Calculating the minimum insulation distance using the verified protection level and resistance level,
Determining a final resistance level by applying a predetermined margin to the verified protection level and resistance level; And
And calculating a minimum insulation distance using the determined final resistance level.
상기 최소 절연 거리는 표면 절연 거리(creepage)와 공간 절연 거리(clearance)를 나타내는 것을 특징으로 하는 HVDC 시스템의 절연 레벨 설계 방법.
The method of claim 1,
And wherein the minimum insulation distances represent surface creepage and clearances.
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