KR20050122978A - 비접지 디씨(ｄｃ) 급전시스템의 지락 과전류 보호계전시스템과 지락 과전류 보호계전 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열차의 비접지 디씨(DC) 급전시스템에 있어서, 지락사고 발생여부(지락사고구간 검출) 및 지락 사고 선로를 검출하기 위한 지락보호 계전시스템에 관한 것이다.

본 발명은 양단의 전압차에 따라 그 저항 특성을 달리하는 전류제한수단을 지락보호 계전기에 구성하되, 정류기의 네가티브 버스와 대지사이에 지락보호 계전기의 전류제한수단을 설치하여 정상운전시 고 저항의 특성을 나타내어 누설전류를 기준치 이하로 제한시키고 지락 사고시에는 매우 작은 저항의 특성을 나타내어 검출에 필요한 충분한 크기의 지락전류가 흐를 수 있도록 하는 지락보호 계전장치를 제공하고자 한 것이며, 또한 본 발명에서는 상기의 전류제한수단에 흐르는 지락전류의 크기를 판별하여 지락사고여부(사고구간)를 판단하고, 급전선에 흐르는 전류의 변화(증가량)와 동일시간의 지락전류의 변화량을 비교하여 사고 급전선을 판별할 수 있도록 하는 지락보호 계전 시스템과 그 제어방법을 제공하고자 한다.

Description

비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전시스템과 지락 보호계전 제어방법{Ground fault protective relaying schemes for ungrounded DC power supply system}

본 발명은 열차의 비접지 디씨(DC) 급전시스템에 있어서, 지락사고 발생여부(지락사고구간 검출) 및 지락 사고 선로를 검출하기 위한 지락보호 계전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전기철도용 급전계통은 열차에 전력을 공급하기 위하여 철도선로에 따라 설치되는 것으로, 연장이 긴 전차선로의 말단까지 규정된 전압을 안정적으로 공급하기 위해서는 적정한 구간마다 변전설비를 갖추고 있으며 상기 변전소에서 AC전원을 DC로 정류하여 DC 배전반과 급전선을 통하여 DC전원을 열차에 공급한다.

이와 같은 전기철도용 급전시스템에 있어서, 정상 운전중 예기치 못한 사고 등으로 인하여 지락사고가 발생할 경우 각종 설비를 보호하고 공공의 안전을 확보하기 위하여 지락보호계전기를 설치하여, 지락사고를 방지하고 신속하게 전력공급을 차단하고 있다.

도시철도의 DC 급전시스템은 전식을 방지하기 위하여 비접지식으로 운영된다.

그러므로 지락사고가 발생하더라도 지락전류가 흐르지 않기 때문에 DC 급전시스템의 지락보호계전기는 전류형이 아니라 전압형 계전기가 사용된다.

전압형 계전기의 문제점은 계전기가 사고유무는 판단하지만 사고구간을 판단하지 못한다는 것이다.

따라서 사고구간은 물론 건전구간도 전력공급이 중단되어 상황에 따라서는 열차 승객의 안전에 문제를 야기 시킬 수 있다.

도 1에서와 같은 경우 1번 열차의 위치에서 지락사고가 발생하면, 모든 변전소(A,B,C,D)의 급전차단기(B₁,B₂,B₃,B₄)가 트립되어 건전구간을 운행하는 2 번 열차에도 전원공급이 중단되어 승객의 안전에 위험을 초래할 수 있다.

설명되지 않은 부호 RL1~RL4는 종래의 지락보호 계전기이며 도 2와 같이 설치된다.

상기한 지락보호 계전장치는 대지와 정류기의 네가티브 버스 사이에 저항기를 설치하여 저항기를 통해 지락전류가 흐르도록 하여, 저항기의 양단의 전압을 측정하여 이를 소정의 설정된 값과 비교하여 지락사고 유무를 판단하고, 그 판단결과에 따라 변전소에 설치된 전력공급용 피더(feeder) 차단기(B₁,B₂,B₃,B₄ )를 동작시켜 전력공급을 차단하고 있다.

그러나 이와 같은 종래의 지락보호 계전장치에서는 지락전류가 사고 구간의 변전소뿐만 아니라 그 밖의 모든 변전소에도 유입되므로 사고구간의 판단이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명에서는 이와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로, 양단의 전압차에 따라 그 저항 특성을 달리하는 전류제한수단을 지락보호 계전기에 구성하되, 정류기의 네가티브 버스와 대지사이에 지락보호 계전기의 전류제한수단을 설치하여 정상운전시 고 저항의 특성을 나타내어 누설전류를 기준치 이하로 제한시키고 지락 사고시에는 매우 작은 저항의 특성을 나타내어 검출에 필요한 충분한 크기의 지락전류가 흐를 수 있도록 하는 지락보호 계전장치를 제공하고자 한 것이다.

그리고 본 발명에서는 상기의 전류제한수단에 흐르는 지락전류의 크기를 판별하여 지락사고여부(사고구간)를 판단하고, 급전선에 흐르는 전류의 변화(증가량)와 동일시간의 지락전류의 변화량을 비교하여 사고 급전선을 판별할 수 있도록 하는 지락보호 계전시스템과 그 제어방법을 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 지락전류 검출을 위하여 정류기의 네가티브 버스에 지락보호 계전기의 전류제한수단을 구성하고, 전류제한수단을 대지에 접지시킨 구성을 갖는 지락보호 계전장치를 특징으로 한다.

상기 전류제한수단은 양단 전압차에 따라 그 저항특성을 달리하는 장치로 구성되며, 전류제한수단은 양단 전압이 낮을 시(정상운전상태) 높은 저항의 특성을 나타내어 누설전류를 기준 값 이하로 제한시키고, 전류제한수단은 양단 전압이 높을 시(지락사고 발생 시) 낮은 저항의 특성을 나타내도록 하여 지락전류의 양이 전류제한수단에 의해 제한되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 지락보호 계전장치를 이용한 본 발명 계전 시스템은,

정류기의 네가티브 버스와 대지 사이에 구성된 전류제한수단에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 계측수단과, 변전소로부터 나가는 상행,하행, 좌,우의 모든 급전선 전류를 계측하기 위한 급전선 전류 계측수단과, 상기 전류계측수단으로부터 계측된 전류제한수단에 흐르는 전류값에 따라 지락사고 발생여부를 판단하고, 전류제한수단 및 급전선의 전류계측수단으로부터 계측된 전류값을 비교하여 사고 선로를 판단하여 해당하는 차단기의 트립제어신호를 출력제어하는 제어수단을 포함하여 구성된다.

상기 제어수단은 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류를 소정의 설정된 전류값과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하고, 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류와 급전선 계측수단으로부터 계측된 급전선 전류의 변화량 혹은 파형을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하여, 소정의 지연시간후 해당 사고선로 차단기의 트립제어신호를 출력제어하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은

* 사고구간의 판별 (지락사고 발생여부 판단)

사고구간의 판별은 변전소의 전류제한수단을 통해 흘러들어 오는 전류의 크기로서 판단된다.

즉 사고구간의 변전소에는 사고구간 밖의 변전소 보다 항상 큰 지락사고전류가 흐른다.

도 3은 개략적인 급전 계통을 나타낸 것이며, 회로 해석의 간략화를 위하여 사고 지점으로부터 왼쪽 방향의 계통만 표시하였다.

도 3은 사고지점으로부터 가까운 변전소(B)로 흘러 들어가는 지락전류(I_b)가 사고지점으로부터 상대적으로 먼 변전소(A)로 흘러들어가는 지락전류(I_a)보다 항상 크다는 것을 보여주기 위한 것이다.

여기서 부하전류는 전류제한수단을 통해 흐르지 않으므로, 생략하였다.

도 3에서 보여지는 바와 같이, 급전계통의 루프 방정식을 세우면 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 R_s 는 소스 저항, R_a,R_b 는 급전선로의 저항성분이고, I_a ,I_b는 루프전류이다. 부하전류는 전류제한수단을 통해 흐르지 않으므로 생략되었다.

수학식 1에서 수학식 2를 연산(-)하면 다음의 수학식 3과 같이 정리되고, 이를 다시 정리하면 다음의 수학식 4와 같이 나타난다.

이와 같이, 지락전류(I_b)는 지락전류(I_a)보다 항상 크며 이것은 사고지점으로부터 가까운 변전소(B)로 흘러 들어가는 지락전류(I_b)가 사고지점으로부터 상대적으로 먼 변전소(A)로 흘러 들어가는 지락전류(I_a)보다 항상 크다는 것을 보여주는 것이다.

또한 도 4는 계전기의 시간지연요소 특성을 보여준다.

변전소(B)의 오른쪽방향에서 지락사고가 발생되었을 경우에 변전소(A)는 변전소(B)보다 항상 작은 지락전류를 보므로 즉 , 변전소(B)의 계전기가 변전소(A) 계전기 보다 항상 먼저 동작하여 사고전류를 차단한다.

도 4에서 보면, 이고 이다.

또한 변전소(B)의 계전기가 고장으로 동작하지 못할 경우 변전소(A) 계전기가 시간 지연 후 동작하므로 자연적으로 후비보호의 기능을 수행할 수 있다.

이에 따라 사고구간(지락사고발생여부)은 전류제한수단에 흐르는 전류량을 이용하여 판단하게 된다.

* 사고선로의 판별

사고구간의 변전소에서 사고 전차선이 좌, 우 혹은 상 하행선 중 어는 급전선에서 지락사고가 발생했는지의 판별은 지락전류의 변화량 혹은 파형을 각 급전선 전류의 변화량 혹은 파형과 비교함으로써 이루어진다.

도 5는 지락사고전류를 계산하기 위한 등가회로를 나타낸 것으로, 간략화된 급전계통을 보여준다.

여기서, R_s는 소스의 저항성분, R_l { R}_{l } 은 급전선의 저항성분을 나타낸 것이고, L_s 는 소스의 인덕턴스 성분, L_l은 급전선의 인덕턴스 성분을 나타낸 것이다.

도 5에서 지락전류는 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 5에서의 지락전류는 사고 전차선으로부터 대지로 흘러들어가는 지락전류 값이다.

변전소의 전류제한수단을 통해 흘러 들어오는 지락전류 값은 이 값 보다 작을 수 있다 그것은 지락전류가 각 변전소의 전류제한수단으로 분배되어 흘러 들어가기 때문이다.

사고 급전선에서는 수학식 5의 사고전류 값이 부하전류에 추가하여 증가할 것이므로 전류제한수단의 전류 량과 급전선의 전류 양을 비교함으로써 사고 급전선을 판별할 수 있다.

도 6은 도 3에서 사고급전선의 전류변화와 전류제한수단의 전류변화를 동일 시간 축으로 보여준다.

여기서 전류변화량의 비교를 위한 윈도우의 크기 t_w 에 대하여 유의하여야 할 필요가 있다.

비교 윈도우의 크기란 수학식 5에서 나타낸 t 이다.

즉 전류 변화량의 크기는 t의 함수이다. 비교에 충분한 크기의 전류변화량을 얻기 위해서는 충분한 크기의 t가 필요하고 이 값이 최소 비교윈도우의 크기가 될 것이다.

예를 들어 시정수가 20ms인 계통에서 비교 윈도우 t_w를 5ms로 하면 전류변화량은 수학식 5에 의하여 'Steady State' 지락전류 값( )의 22% 정도가 된다.

이 값이 지락사고로 인한 전류증가량의 계측에 충분히 큰 양인가는 계전기 셋팅 시 검토되어야 한다.

이와 같은 점을 고려한 본 발명 시스템은 다음과 같은 실시 예로 구성될 수 있다.

도 7은 본 발명 지락보호 계전장치의 접지 구성을 나타낸 도면이고, 도 8은 지락보호 계전 시스템의 전류센서의 위치를 나타내기 위한 열차의 급전선을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명 지락보호 계전시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.

정류기의 네가티브 버스와 대지 사이에 구성된 전류제한수단(10)과, 전류제한수단(10)의 전류를 계측하기 위한 전류센서(I_g)와, 급전선의 전류를 계측하기 위하여 변전소로부터 나가는 좌우, 상하행선에 설치된 전류센서(I₁~I₄)와, 전류센서(I_g)로부터 계측된 전류제한수단(10)에 흐르는 전류값에 따라 지락사고 발생여부를 판단하고, 전류센서(I_g) 및 급전선 전류센서(I₁~I₄)로부터 계측된 전류 변화량 혹은 파형을 비교하여 사고 선로를 판단하여 해당하는 차단기(B₁~B₄)의 트립제어신호를 출력제어하는 제어부(20)를 포함하여 구성된다.

상기 제어수단은 전류센서(I_g)으로부터 계측된 지락전류를 소정의 설정된 전류값과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하는 지락사고 발생판단부(21)와, 전류센서(I_g)로부터 계측된 지락전류와 급전선 전류센서(I₁~I₄)로 부터 계측된 급전선에 흐르는 전류의 변화량 혹은 파형을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하는 사고선로판단부(22)와, 지락사고가 발생된 사고선로의 해당 차단기(B₁~B₄)의 트립 제어신호를 출력 제어하는 차단기 제어부(23)를 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명 지락보호 계전시스템에서는

변전소로부터 나가는 상행, 하행, 좌, 우의 모든 급전선 전류를 상시 계측하는 전류센서(I₁~I₄)가 구성된다.

또한 변전소 DC 배전반의 네가티브 버스를 전류제한수단(10)을 통해 접지시키고, 전류제한수단(10)에 흐르는 전류를 계측하기 위한 센서(I_g)가 구성된다.

상기 전류제한수단(10)의 특성은 앞서 설명한 바와 같이, 정상 운전상태에서는 높은 저항의 특성을 보여 네가티브 전차선의 누설전류를 기준 값 이하로 제한시키고 지락사고 시 즉, 전류제한수단(10)의 단자 전압이 높을 시 낮은 저항의 특성을 나타내어 지락전류의 양이 전류제한수단(10)에 의해 제한되지 않아야 한다.

이러한 전류제한 수단(10)의 전형적인 전압-전류 특성은 도 11과 같다.

상기 전류제한수단(10)은 이와 같이 양단 전압차에 따라 그 저항특성을 달리하는 장치로 어레스터(arrestor)일 수도 있고, 전력용 반도체를 응용하여 만들 수도 있다.

이와 같은 본 발명 지락보호 계전 시스템은 다음과 같은 동작 제어과정을 갖는다.

전류센서(I_g)로부터 계측된 지락전류를 소정의 설정된 전류값(Iset)과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하는 과정과,

전류센서(I_g)로부터 계측된 지락전류와 급전선 전류센서(I₁~I₄)로부터 계측된 급전선 전류변화량 혹은 파형을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하는 과정과,

지락사고의 발생여부를 판단한 후, 소정의 지연시간후 해당 사고선로 차단기의 트립제어신호를 출력제어하는 과정으로 이루어진다.

이와 같은 본 발명 시스템에서 사고구간 판별 및 사고 선로 판단을 통해 차단기를 제어하는 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

도 10은 지락보호 계전기의 동작플로우를 나타낸 플로우챠트이다.

각 변전소 급전선의 전류(I₁~I₄)와 전류제한수단(10)에 흐르는 전류(I_g)를 항시 측정한다.

이와 같이 측정된 전류제한수단(10)의 전류(I_g)는 소정의 설정된 셋팅 값(Iset)과 비교한다.

비교결과 전류제한수단(10)의 전류(I_g)가 셋팅 값(Iset)보다 크면 지락사고로 판단된다.

이와 같이 지락사고로 판단되면, 이때부터 소정의 설정된 시간(△T)이 누적되기 시작된다.

이와 같이 누적된 시간 (T_d)은 계전기에 내장된 도 4에서와 같이 나타나는 시간지연특성의 설정시간(T_set)과 비교된다.

상기 설정시간(T_set)은 시간지연특성곡선 상에서 지락전류 값에 대응하여 정해진 지연시간을 의미한다.

누적된 시간(T_d)이 설정시간(T_set)보다 커지면 차단기(B₁~B₄)의 트립 신호를 내 보내게 되는 바,

트립 신호를 내보내기 전에 사고전차선 즉 변전소로부터 나가는 상, 하, 좌, 우 4개의 전차선 중 사고 전차선을 선택하여 해당 차단기(B₁~B₄중 어느 하나)로 트립 신호를 내보낸다.

사고전차선의 판별은 앞서 설명한 바와 같이, 지락전류의 변화량(I_g) 혹은 그 파형과 각 급전선 전류(I₁~I₄)의 변화량 혹은 그 파형을 도 6에서와 같이, 동일시간내의 변화량 곡선을 비교하여 사고 전차선을 판별하게 된다.

이와 같은 본 발명 시스템은 재폐로를 수행하지 않아도 되며, 재폐로 재폐로 제어부(20)내에 재폐로 회로제어부를 더 포함하여 선택적으로 그 수행여부를 결정할 수 있다.

이와 같은 본 발명은 사고구간 및 사고선로의 판별을 위하여 귀환회로의 전류를 측정하는 센서가 불필요하고, 또한 인접변전소와의 사고감지신호를 주고 받기 위한 장치가 필요 없게 된다.

또한 사고 전차선의 판별이 종래에서는 재폐로 과정에서 이루어지나 본 발명 계전시스템에서는 지락사고 감지와 함께 사고전차선 판별이 함께 이루어져 사고전차선의 차단기만 트립시키므로써, 전력공급시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 지락전류의 흐름과 종래 지락보호 계전기의 문제점을 나타낸 도면.

도 2는 종래 지락보호 계전기의 설치 구성을 나타낸 도면.

도 3은 변전소로 흘러들어가는 지락전류의 변화량을 보이기 위한 개략적인 급전 계통을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명 시스템에 있어서, 계전장치의 시간지연요소를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명 시스템에 있어서, 사고전류 계산을 위한 등가회로를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명 시스템에 있어서, 사고 전차선 판별방법을 설명하기 위한 전류제한수단의 통전전류 변화량과 급전선 전류의 변화량 그래프.

도 7은 본 발명 시스템에 있어서, 지락보호 계전장치의 전류제한수단접지 구성을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명 지락보호 계전시스템에 있어서, 전류센서의 위치를 나타내기 위한 급전 선로를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명 지락보호 계전시스템의 구성을 나타낸 블록도.

도 10은 본 발명 시스템의 동작플로우를 나타낸 플로우챠트.

도 11은 본 발명 시스템에 있어서, 전류제한수단의 일반적인 전류-전압 특성을 나타낸 도면.

Claims (7)

1. 지락전류 검출을 위하여 정류기의 네가티브 버스에 지락보호 계전기의 전류제한수단을 구성하고, 전류제한수단을 통해 네가티브 버스를 대지에 접지시킨 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 지락보호 계전장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전류제한수단은 양단 전압차에 따라 그 저항특성을 달리하는 장치로 구성되며, 전류제한수단의 단자전압이 낮을 시(정상운전상태) 높은 저항의 특성을 나타내어 누설전류를 기준 값 이하로 제한시기고, 전류제한수단의 단자전압이 높을 시(지락사고발생시) 낮은 저항의 특성을 나타내도록 하여 지락전류의 양이 전류제한수단에 의해 제한되지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 지락보호 계전장치.
3. 정류기의 네가티브 버스와 대지 사이에 구성된 전류제한수단에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 계측수단과, 변전소로부터 나가는 상행,하행, 좌,우의 모든 급전선 전류를 계측하기 위한 급전선 전류 계측수단과, 상기 전류계측수단으로부터 계측된 전류제한수단에 흐르는 전류값에 따라 지락사고 발생여부를 판단하고, 전류제한수단 및 급전선의 전류계측수단으로부터 계측된 전류값을 비교하여 사고 선로를 판단하여 해당하는 차단기의 트립제어신호를 출력제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제어수단은 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류를 소정의 설정된 전류값과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하는 지락사고 발생판단부와, 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류와 급전선 계측수단으로부터 계측된 급전선 전류의 변화량을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하는 사고선로판단부와, 지락사고가 발생된 사고선로의 해당 차단기의 트립제어신호를 출력 제어하는 차단기제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전시스템.
5. 제 3항에 있어서, 상기 제어수단은 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류를 소정의 설정된 전류값과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하는 지락사고 발생판단부와, 전류계측수단으로부터 계측된 지락전류와 급전선 계측수단으로부터 계측된 급전선 전류파형을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하는 사고선로판단부와, 지락사고가 발생된 사고선로의 해당 차단기의 트립제어신호를 출력 제어하는 차단기제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전시스템.
6. 전류계측수단으로부터 계측된 전류제한수단에 흐르는 지락전류를 소정의 설정된 전류값(Iset)과 비교하여 지락사고 발생여부를 판별하는 과정과,

   전류제한수단으로부터 계측된 지락전류의 변화량과 급전선 전류계측수단으로부터 계측된 급전선 전류변화량을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하는 과정과,

   해당 사고선로의 차단기의 트립제어신호를 출력제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전 제어방법.
7. 제 6항에 있어서, 사고선로를 판단하는 과정에 있어서,

   전류제한수단으로부터 계측된 지락전류의 전류파형과 급전선 전류계측수단으로부터 계측된 급전선 전류파형을 소정의 설정된 시간동안 비교하여 사고 선로를 판단하도록 하는 것을 특징으로 하는 비접지 디씨(ＤＣ) 급전시스템의 지락 보호계전 제어방법.