KR20060099321A - 송배전 선로용 병렬 초전도한류 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력계통의 고장전류 저감을 위한 초전도한류시스템에 대한 내용으로서, 초전도한류기의 기본특성과 동작시퀀스 및 전력계통의 자동재폐로와의 상호작용 등을 동시에 고려한 송배전선로용 병렬 초전도한류시스템에 관한 것이다. 초전도한류기는 전형적으로 복구시간(Recovery Time)이 선로 재투입시간(Reclosing Time)보다 길므로 단일 한류기로는 실 계통적용이 불가능하다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 제1차단기와 제1초전도한류기를 직렬로 연결한 제1세트와 제2차단기와 제2초전도한류기를 직렬로 연결한 제2세트의 2개 세트를 병렬로 연결하여 구성하고, 각 세트에 있어서 차단기에 인가되는 전류는 초전도한류기에 의하여 차단 정격전류 이하로 제한되도록 한 송배전선로용 초전도한류시스템을 제공한다.

초전도한류기, 고장전류, 전력계통, 자동재폐로, 송배전선로

Description

송배전 선로용 병렬 초전도한류 시스템 {Parallel Superconducting Fault Current Limiter System for Transmission and Distribution Line Applications}

도 1은 초전도한류기 일반특성을 나타낸 그래프

도 2는 초전도한류기의 유/무에 따른 실효치 고장전류 결과비교

도 3a는 초전도한류기의 유/무에 따른 순시치 a상 고장전류 결과비교

도 3b는 초전도한류기의 유/무에 따른 순시치 b상 고장전류 결과비교

도 3c는 초전도한류기의 유/무에 따른 순시치 c상 고장전류 결과비교

도 4는 송배전선로용 병렬 초전도한류 시스템의 구성을 나타낸 구조도

도 5는 자동재폐로시 고장 해소 상태일 때의 본 발명에 따른 초전도한류시스템 동작시퀀스도

도 6은 자동재폐로시 고장 지속 상태일 때의 본 발명에 따른 초전도한류시스템 동작시퀀스도

도 7은 초전도한류기 1대를 선로에 적용한 경우의 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장이 지속되는 경우)

도 8은 본 발명에 따른 초전도한류시스템을 선로에 적용한 경우의 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장이 지속되는 경우)

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

I_L : 정상상태시 초전도한류기에 흐르는 전류

I_Q: 초전도 파괴 켄치(Quenching) 상태가 개시되는 임계전류

I_R: 켄치 상태에서 복구(Recovery) 상태로 복구하는 임계전류

I_F: 고장상태시 기기에 흐르는 전류

t_Q: 켄치 상태가 개시되는 시간

t_R: 복구 상태가 개시되는 시간

t₁: 임계전류가 초과하는 시점에서 완전 켄치 상태에 도달할 때까지의 시간

t₂: 복구 임계전류 도달시점에서 완전 초전도 상태로 복구하는데 걸리는 복구 시간

R_final: 켄치 상태에서의 최종 저항 값

R_Q: 최종 켄치 상태에 도달할 때까지의 켄치 저항

R_Re: 복구 상태에서의 저항

CB1, CB2 : 초전도한류기 직결 차단기

SFCL1, SFCL2 : 초전도한류기

본 발명은 전력계통의 고장전류 저감을 위한 초전도한류시스템에 대한 내용으로서, 초전도한류기의 기본특성과 동작시퀀스 및 전력계통의 자동재폐로와의 상호작용 등을 동시에 고려한 송배전선로용 병렬 초전도한류시스템에 관한 것이다. 초전도한류시스템은 기본적으로 전력계통의 고장전류문제를 해소하기 위한 하나의 방안이므로, 시스템에 대한 상세한 구성 및 동작원리를 설명하기 전에 현재 국내의 고장전류 문제의 현황을 살펴보면 다음과 같다.

전력계통에서의 고장은 주로 이물접촉, 전력설비고장, 자연재해 등에 의해 발생하는 것으로서 전력계통의 안정적 운전에 매우 큰 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 현재 전력계통에서는 이러한 고장의 파급을 방지하기 위해서 다양한 보호시스템을 적용하고 있다. 만약, 계통고장시 이러한 보호시스템이 적절한 대응을 하지 못하는 경우, 고장의 파급이 계통전체로 이어져 결국 북미정전과 같은 계통전체의 대정전이 발생할 가능성이 존재한다. 따라서 계통안정성 등 다양한 관점에서 고장발생시 보호시스템의 정상동작은 매우 중요한 사안이라고 할 수 있다.

보호시스템을 이루고 있는 수많은 설비 중 가장 기본적인 것 중 하나가 차단기이다. 고장발생 순간에 고장 지점으로 유입되는 전류를 고장전류라 하는데, 차단기의 정격차단전류는 고장전류의 최대크기 이상이어야 한다. 여기서 정격차단전류는 차단기가 정상적으로 동작하기 위한 최대 전류를 말한다. 만약 계통의 고장전류가 차단기의 정격차단전류를 초과하는 경우, 차단기가 동작하지 못하여 보호시스템이 정상적인 동작을 할 수 없으며 이로 인해 위에서 언급한 바와 같이 계통전체 로 고장이 파급되어 대정전을 유발할 가능성이 존재한다.

국내 송전계통의 154kV 한전 및 수용가 계통에서 사용되고 있는 차단기 기본정격은 170kV 31.5kA(일부 한전 변전소용 및 수용가설비) 및 50.0kA(대부분 한전 변전소용)이다. 현재 국내 154kV 계통의 고장전류 수준은 대부분 50kA 이하이지만 향후 국내 전력계통은 규모증가와 도심 부하집중으로 인해서 고장전류 문제가 점차 심화될 전망이며, 일부 지역은 이미 고장전류 50kA를 초과하여 임시방편의 다양한 고장전류 저감책을 사용하고 있는 실정이다. 현재 국내계통에서 검토되고 있는 고장전류 대책으로는 (1) 345kV 변전소간 154kV 연계선로를 각각 분리하여 시행, (2)모선을 분리하여 시행(모선의 각 Section에 차단기(CB) 설치), (3) 직렬리액터의 설치, (4) 대용량 차단기 적용(345kV에 대해서는 50kA 또는 63kA의 용량, 154kV에 대해서는 50kA의 용량 적용)과 같은 대책들을 들 수 있는데, 실 계통적용 시에는 경제성, 계통신뢰도 및 현장여건 등을 고려하여 선택적으로 추진되어야 할 것이다.

상기 대안 중에서 현재 국내 계통에서는 주로 고장전류 저감책으로서 모선분리 또는 송전선로 개방운전 등을 채택하고 있으나, 이러한 방안들은 계통신뢰도 및 계통안정도를 저하시킨다는 단점을 갖는 임시방편적인 방법이며 향후 이를 대체할 방안을 강구 중에 있다. 현재 가장 유력한 고장전류 저감책은 차단기를 교체함으로써 차단용량을 증대시키는 방안이지만, 비용이 많이 소요된다는 단점이 있으며, 또한 이는 근본적인 고장전류 저감책이라고 말할 수도 없다. 참고로, 2004년 6월 현재 국내계통의 변전소 모선분리 및 송전선로 개방운전(연계선로 분리 시행) 현황을 살펴보면 표 1과 같다.

[표 1]변전소 모선분리 및 송전선로 개방 운전 현황

	모선분리	송전선로개방	합계
345 kV	19	0	19
154 kV	47	34	81

이처럼 고장전류 문제가 심화되고 있는 시점에서 대두되고 있는 고장전류 저감책 중의 하나가 초전도한류기인데, 본 발명은 이러한 초전도한류기를 실제 계통의 운영과 고유특성을 고려하여 송배전선로에 적용하기 위한 현실적인 초전도한류시스템을 제안하였다.

종래의 한류시스템 관련 특허는 한류기제작과 관련된 사항 혹은 차단기에 상전도저항을 단순하게 부가한 방식 등에 관련된 내용이다. 본 발명과 같이 초전도한류기의 물리적인 고유특성과 실 전력계통의 기본 특성을 동시에 고려하여 송배전선로에 적용하기 위한 한류시스템을 발명한 사례는 아직 보고된 바 없다.

전력수요의 지속적인 증가에 따른 발전단과 송배전망의 증강으로 현재 전력계통에서 고장전류가 차단기의 차단용량을 초과하는 등 심각한 문제점으로 대두되고 있다. 실 계통에서 고장전류를 감소시키기 위한 유력한 방안으로서 초전도한류기가 제안되고 있으며, 현재 실 계통 적용 이전의 초보단계로서 Prototype 초전도한류기가 개발된 상태이다. 그러나 미래의 기술발전을 고려하더라도, 초전도한류 기는 근본적으로 고장전류의 한류 이후에 초전도상태로의 복구시간이 차단기의 재투입시간 0.3초보다는 길기 때문에 초전도한류기를 단독으로 송전선로에 적용하는 것은 불가능하다.

전력계통에 초전도한류기를 적용하는 경우, 초기 고장에 의해 초전도한류기가 정상 동작하여 켄치되고, 계통보호시스템에 의해서 고장발생 이후 6cycle 이내에 고장선로가 개방하게 된다. 이와 동시에 초전도한류기에는 고장전류가 흐르지 않게 되며 복구상태가 된다. 또한 고장선로 개방 이후 0.3초가 되는 시점에 전력계통에서 자동재폐로 동작을 하여 고장선로를 재투입하게 된다.

고장선로 재투입시 만약 고장이 지속되고 있으면 고장선로를 다시 6 cycle 이내에 개방하며, 복구상태의 초전도한류기는 고장선로가 재투입된 6 cycle동안 다시 고장전류를 통전해야 한다. 현재 개발 중인 초전도한류기의 켄치지속가능 시간과 고장전류의 2회 연속 통전시 정상동작 가능성 등에 대한 명확한 데이터는 미흡한 실정이므로, 초전도한류기 자체의 열용량 등을 감안할 때, 고장전류의 2회 연속 통전은 회피하는 것이 바람직하다.

고장선로 재투입시 만약 고장이 제거된 상태의 경우에는 선로개방 없이 정상운전을 하게 된다. 이 경우라 하더라도 선로의 재투입으로 인하여 복구 과정에 있던 초전도한류기에 지속적인 부하전류가 흐르게 되는데, 초전도한류기는 켄치저항을 유지하고 있는 상태이며 이에 따라 수 초(초전도한류기 복귀시간)동안 켄치저항에 의한 열이 발생될 것으로 예상된다. 결국, 초전도한류기의 냉각능력 또는 열용량을 초과한 열발생에 의해서 초전도한류기가 파손되거나, 혹은 복귀 과정에 있던 초전도한류기가 정상적으로 복구되지 않을 가능성이 존재한다. 또한, 계통운영측면에서 보면 초전도한류기의 복구 과정 동안 한류저항에 의해 부하전류가 제한되어 정상상태보다 선로조류가 줄어들게 된다. 이러한 경우, 인근 선로에 우회조류가 흐르게 되어 선로과부하를 발생시킬 가능성 역시 내포하고 있다.

이처럼 현재로서는 초전도한류기를 차단기에 직렬 연결하여 단독으로 적용하는 경우, 자동재폐로시 고장지속여부에 관계없이 문제점이 발생할 여지가 있다. 최악의 경우, 송전선로에 적용된 초전도한류기가 정상동작을 하지 못하고 파손된다면 고장전류가 저감되지 않고 차단기의 정격을 초과하여 차단기가 정상동작을 못하게 될 가능성도 있다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 초전도한류기의 기본특성과 동작 시퀀스 및 전력계통의 자동재폐로 동작과의 상호작용 등을 동시에 고려한 송배전선로용 병렬 초전도 한류시스템을 제공한다. 즉, 초전도한류기의 고유특성을 감안하여 실 전력계통의 선로용으로 적용할 수 있는 초전도한류시스템을 발명하였다.

제안된 선로용 초전도한류시스템의 상세 구성 및 동작원리의 이해를 돕기 위해서 초전도한류기의 기본 응동특성 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.

도 1에서 나타낸 바와 같이 초전도한류기(SFCL, Superconducting Fault Current Limiter)는 계통고장으로 인해서 고장전류가 발생되어 켄치(Quenching) 개 시전류(즉, 임계전류) I_Q를 넘는 경우, 초전도상태가 파괴되어 켄치 상태가 되며, 초전도기기의 저항(R__Q)은 전류, 온도, 자기장 등의 함수로서 증가하다가 시정수 t₁이 지난 후에 최종 저항값인 R__final을 갖게 된다. 또한 특히 이물접촉 등 고장의 경우 계통고장이 자연적으로 해소된 후 고장전류가 감소하여 복구(Recovery) 개시전류 I_R 이하가 되면 초전도한류기는 복구 상태가 되어 일정 시정수 t2 후에는 다시 초전도상태로 복구하게 된다.

이러한 초전도한류기는 전력계통 내에서 고장발생시 초전도상태가 파괴되어 켄치 저항에 의하여 고장전류를 저감시키는 효과를 갖는다. 도 2 및 3은 이러한 고장전류 저감효과를 나타낸 그래프로서 초전도한류기를 적용하지 않을 때(NO_SFCL)의 고장전류가 50kA 이상인 반면 초전도한류기를 적용할 때(SFCL)는 고장전류가 10kA이하로 감소함을 보여 주고 있다.

도4는 본 발명에 따라 상기와 같은 초전도한류기를 사용하여 송배전 선로에 적용한 송배전선로용 초전도한류 시스템을 나타낸 것으로서 초전도한류기와 직렬 연결된 차단기 세트 2대를 병렬로 구성한 초전도한류시스템이다. 본 시스템은 각각의 초전도한류기에 연결되어 있는 차단기 중 하나는 상시 투입되고, 나머지 하나는 상시 개방하여 운전된다. 본 초전도한류시스템이 송배전선로에 연결된 실 전력계통에서 고장이 발생될 경우, 고장전류가 발생되더라도 상시투입 되어있는 초전도한류기1(SFCL1)이 켄치(Quench)동작하여 고장전류가 차단용량 이하로 제한되어 차단기1(CB1)은 성공적으로 작동되어 개방되며 전류가 흐르지 않는 상태에서 SFCL1 은 복구과정에 들어가게 된다. 이후 시스템 제어 수단에 의하여 미리 설정된 자동 재폐로 시간에 도달되면 상시개방 되어있던 차단기2(CB2)가 투입된다. CB1의 개방을 유발한 고장원인이 이물 접축 등의 일시적인 것으로서 재폐로시점에 그 원인이 해소되었다면 초전도한류기2(SFCL 2)의 상태는 초전도상태로 지속되어 차단기2(CB2)가 폐쇄 상태로 정상 운전된다. 만일 재폐로시점에 고장원인이 해소되지 않고 지속된다면 고장전류에 의해 SFCL2가 동작하고 CB2가 성공적으로 작동하여 개방되고, 이후 SFCL2는 복구 과정을 거치게 된다. 시스템제어 수단은 연속적인 자동 재폐로를 1회로 제한하여 CB2가 개방될 때 영구고장으로 판단하여 다시 CB1에 의한 자동재폐로를 시도하지 않도록 할 수 있다. 또는 필요에 따라 자동 재폐로를 재차 허용하여 이미 복구과정을 완료한 SFCL1이 직렬 연결된 CB1에 의하여 선로의 재폐로를 시도할 수도 있다.

도5는 자동 재폐로시 고장원인이 해소된 경우의 본 발명의 초전도한류시스템의 동작 시퀀스의 예를 나타낸 것이며, 그 시퀀스는 다음과 같다.

○ 정상상태 : CB 1 Close, CB 2 Open

○ 고장발생(t=0.2초) : SFCL 1 동작(Quench)

○ 고장선로 개방(t=0.3초) : CB 1 Open → SFCL 1 Recovery

○ 고장 선로 자동 재폐로(t=0.6초) : CB 1 Open 지속, CB 2 Close

○ 고장제거시 (t=0.6초 이후)

정상운전, SFCL 2 부동작(초전도상태) → 정상운전

도6은 자동재폐로 시점에서 고장이 지속되는 경우의 본 발명의 초전도한류시스템의 동작 시퀀스의 예를 나타낸 것이며, 그 시퀀스는 다음과 같다.

○ 정상상태 : CB 1 Close, CB 2 Open

○ 고장발생(t=0.2초) : SFCL 1 동작(Quench)

○ 고장선로 개방(t=0.3초) : CB 1 Open → SFCL 1 Recovery

○ 고장 선로 자동 재폐로(t=0.6초) : CB 1 Open 지속, CB 2 Close

○ 고장지속시 (t=0.6초) : SFCL 2 동작(Quench)

○ 고장지속시 (t=0.7초)

고장선로 재개방(CB 2 Open) → SFCL 2 복구(Recovery)

고장선로 자동재폐로시 고장이 제거되지 않고 지속되는 경우, 본 발명에서 제안하는 초전도한류시스템을 적용하는 경우와 초전도한류기 1대를 선로에 적용하는 일반적인 경우에 대한 고장해석 결과를 도시하여 비교하면 도 7 및 8과 같다. 도7에서 보는 바와 같이, 고장선로 자동재폐로시 고장이 지속되고 있다면 초전도한류기 1대를 적용한 경우는 재폐로 시점인 0.6초에서 고장전류가 초전도한류기에 인가될 때 냉각능력 상실이나 기타 소자 결함 발생에 의하여 초전도한류기 자체고장이 발생하여 정상동작을 하지 못하게 되고 이로 인하여 차단기에 흐르는 고장전류가 차단기 용량인 50kA를 초과하게 되어 차단기가 부동작하고, 고장이 전체 계통에 파급된다. 그러나 도8에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 초전도한류 시스템을 적용한 경우는 자동재폐로시 고장이 지속되어도 고장전류가 12kA내외로 제한되므로 선로를 재개방해야 하는 시점인 0.7초에 차단기2(CB2)가 성공적으로 동작하여 정상적인 보호동작을 할 수 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 실 전력계통의 송배전선로에 초전도한류기를 적용하기 위해서 반드시 해결해야 하는 초전도한류기의 복구시간 지연에 따른 문제점을 해결한 초전도한류시스템으로서, 실 전력계통의 고장상태와 재투입상태를 고려한 현실적인 적용방안이다.

초전도한류기의 고유특성 및 전력계통의 자동재폐로 동작을 고려할 때, 단일 초전도한류기로 송배전선로에 적용하는 것은 대단히 위험하다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하고 실제 전력계통의 송배전선로용으로 초전도한류기를 적용하기 위한 것이다. 초전도한류기를 송배전선로에 적용하는 경우 고장전류를 차단용량 이하로 감소시킴으로서 고장발생시에 전력계통의 안정성을 확보하여, 북미정전과 같은 전체 전력계통의 대정전 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이는 현재 고장전류를 저감시키기 위하여 적용하고 있는 기설선로 분리운전, 모선분리 운영 등에 따른 경제적 비효율성을 개선함은 물론, 대정전을 예방함으로써 천문학적인 경제, 사회적 비용을 저감하는 효과를 나타낸다.

Claims (6)

1. 전력계통 내의 송배전선로에 적용되는 초전도한류시스템에 있어서,

   제1차단기와 제1초전도한류기를 직렬로 연결한 제1세트와 제2차단기와 제2초전도한류기를 직렬로 연결한 제2세트의 2개 세트를 병렬로 연결하여 구성하고,

   각 세트에 있어서 차단기에 인가되는 전류는 초전도한류기에 의하여 차단 정격전류 이하로 제한되도록 한 송배전선로용 초전도한류시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1차단기는 상시 투입되고, 제2차단기는 상시 개방된 상태로 운전되며, 고장전류에 의해 제1차단기가 개방된 후 전력계통 자동재폐로 설정 시간에 도달되면 제2차단기에 의하여 자동재폐로되도록 한 동작특성을 갖는 송배전 선로용 초전도한류시스템.
3. 제2항에 있어서, 제1초전도한류기 복구 완료 시간은 상기 전력계통 자동재폐로 설정 시간을 초과하는 것을 특징으로 하는 송배전 선로용 초전도한류시스템.
4. 제2항에 있어서, 제2차단기에 의하여 자동 재폐로되었을 때 고장 선로의 고 장지속여부에 따라 정상 전류가 인가되면 제2초전도한류기가 초전도상태로 지속되어 정상 운전되고, 고장전류가 인가되면 제2초전도한류기가 켄치 동작되는 송배전 선로용 초전도한류시스템.
5. 제4항에 있어서, 제2초전도한류기가 켄치 동작되면 제2차단기가 개방된 후 전력계통 자동 재폐로시간에 도달되면, 제1차단기가 재차 투입되어 전력계통이 자동재폐로 되도록 한 송배전 선로용 초전도한류시스템.
6. 제5항에 있어서 제1차단기가 재차 투입된 시점에는 제1초전도한류기가 복구 완료된 것을 특징으로 하는 송배전 선로용 초전도한류시스템.

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