KR20060099324A - 변전소 모선배치용 병렬 초전도한류 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실제 전력계통의 초고압변전소 모선방식, 모선내부에서의 위치에 따른 기술적인 차이, 계통보호관점 자동재폐로 응동 특성 등을 고려하여 실 계통의 변전소모선용으로 적용할 수 있는 현실적인 초전도한류시스템이다.

본 발명은 초전도한류기를 사용하여 송배전 선로에 적용한 모선배치용 초전도한류 시스템으로서 초전도한류기와 직렬 연결된 차단기 세트 2대와 차단기 1대를 병렬로 구성된다. 본 시스템에서 초전도한류기를 2대 사용한 이유는 초전도한류기 복구시간과 자동재폐로 설정 시간을 고려하여 전력 계통 자동재폐로시에 고장전류 감소 기능에 의하여 차단기의 정상적인 동작을 보장하기 위한 것이다. 또한, 초전도한류기를 모선에 적용하는 경우는 인근 선로의 자동재폐로시 고장선로에 영구고장이 발생하여도 고장선로 이외의 전체계통의 정상운전을 해야 하므로 차단기 1대를 추가로 병렬 연결하여 나머지 계통이 정상적으로 운전할 수 있도록 하였다.

초전도한류기, 고장전류, 자동재폐로, Bus-Tie, 전력계통

Description

변전소 모선배치용 병렬 초전도한류 시스템 {Parallel Superconducting Fault Current Limiter System for Bus-Tie 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 변전소 모선배치용 병렬 초전도한류시스템의 구성을 나타낸 구조도

도 5는 인근선로 고장 후 자동재폐로시 고장 해소 상태일 때의 본 발명에 따른 초전도한류시스템 동작 시퀀스도

도 6은 인근선로 고장 후 자동재폐로시 고장 지속 상태일 때의 본 발명에 따른 초전도한류시스템 동작 시퀀스도

도 7a는 초전도한류기 1대를 모선에 적용한 경우의 실효치 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장지속)

도 7b는 초전도한류기 1대를 모선에 적용한 경우의 순시치 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장지속)

도 8a는 본 발명에 따른 초전도한류시스템을 모선에 적용한 경우의 실효치 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장지속)

도 8b는 본 발명에 따른 초전도한류시스템을 모선에 적용한 경우의 순시치 고장전류 그래프(고장선로 자동재폐로시 고장지속)

<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, CB3 : 초전도한류기 직결 차단기

SFCL1, SFCL2 : 초전도한류기

TL1, TL2, TL3, TL4 : 송전선

TR1, TR2, TR3, TR4 : 변압기

F1, F2 : 고장 선로

전력계통의 성장과 함께 심화되는 문제 중 하나가 고장전류 문제이다. 현재 국내계통에서는 고장전류 문제 해소책으로서 (1) 345kV 변전소간 154kV 연계선로 분리, (2) 모선분리, (3) 직렬리액터 설치, (4) 대용량 차단기 도입 등의 다양한 방안을 고려하고 있다. 그러나, 이러한 대책방안들은 계통신뢰도 및 계통안정도를 저하시키거나 비용이 많이 든다는 단점을 갖고 있으며, 또한 이러한 방안들은 근본적인 고장전류 저감책이라고 할 수는 없다.

이처럼 고장전류 문제가 심화되고 있는 시점에서 대두되고 있는 고장전류 저감책 중의 하나가 초전도한류기인데, 본 발명에서는 이러한 초전도한류기를 실제 계통에서 운영하고 그 고유특성을 고려하여 변전소모선에 적용하기 위한 현실적인 초전도한류시스템을 제시하였다.

종래에는 한류시스템 관련 특허는 한류기제작 또는 차단기에 상전도저항을 단순하게 부가한 방식 등과 관련된 것들이 있으나, 본 발명과 같은 한류기 적용대 상에 대한 특정 시스템 구성에 대한 내용은 찾아 보기 어렵다. 즉, 본 발명은 초전도한류기의 물리적인 고유특성과 실 전력계통의 기본 응동특성을 동시에 고려하여 변전소 모선에 적용하기 위한 한류시스템을 제시한 것으로서, 종래의 특허, 논문 등에서 제안된 한류기와는 차별성을 갖는다. 또한, 본 발명은 변전소 모선배치용으로서 제안된 시스템으로서 송배전선로용 초전도한류시스템과는 구성과 동작시퀀스가 매우 다른 특성을 갖는다.

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, 초전도한류기는 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 전력 계통에서 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 파손된다 면 고장전류가 저감되지 않고 차단기의 정격을 초과하여 차단기가 정상동작을 못하게 될 가능성도 있다.

초전도한류기의 적용대상으로 전력계통 내의 모선과 송배전선로를 생각할 수 있으며, 고장전류 문제 개소에 따라서 적합한 방안을 채택해야 한다. 송전/배전선로는 전력을 수송하기 위한 도로로서 직선으로 연결된 전선이며 초전도한류기는 해당 송전/배전선로에 직렬로 연결되어 있다. 송전/배전선로에 직렬로 연결된 초전도한류기는 한류기 2대를 병렬로 연결한 방식 등 다양한 시스템으로 구성될 수 있다. 이에 반해, 변전소 모선은 여러 개의 송전 혹은 배전선로 및 변압기가 공동으로 접속되어 있는 장소이며, 전압계급, 계통운영방식, 공급신뢰도 등을 감안하여 단일모선, 이중모선, 1.5모선방식 등 다양한 구성방식을 가지고 있다. 초전도한류기를 송전/배전선로에 직렬로 연결하는 대신에, 변전소모선에 접속하는 경우 아래와 같은 기술적 특성을 갖는다.

○ 초전도한류기를 변전소모선에 접속하는 경우, 송전/배전선로에 직렬연결 할 때 보다 고장전류 저감효과가 훨씬 크다. 이는 변전소모선이 고장전류의 유입통로가 되는 송전/배전선로 및 변압기의 공통접속점이기 때문이다.

○ 송전/배전선로에 연결할 때는 변전소 내부에서 해당 송전/배전선로 인출점에 단순히 직렬연결하면 되기 때문에 연결방식 자체는 단순하며, 특정 선로내부의 연결위치에 따라서 고장전류 저감효과가 달라지지는 않는다. 즉, 초전도 한류시스템의 구성방식에 따라서만 한류특성이 변화된다. 그러나 변전소 모선은 다양 한 구성과 단로기 등의 여타 기기로 구성되어 있으며, 모선내부의 여러 선로와 변압기 접속에 따라서 어느 위치에 어떤 방식으로 접속하느냐에 따라서 고장전류 저감효과가 크게 달라질 수 있다. 모선접속방식에 따라서 실제 전력계통 운영시에 미치는 영향도 크게 달라지므로 이러한 사항들을 고려하여 초전도한류시스템을 설계하여야 한다.

위와 같은 이유 때문에 변전소모선 배치용 초전도한류시스템은 송전/배전선로용 초전도한류시스템과 그 구성방식이 매우 다르다. 다만, 초전도한류기를 변전소 모선에 적용하는 경우에도 송배전선로 적용의 경우와 같이 고장전류 통전 이후 초전도한류기의 복구시간(Recovery Time)이 선로 재폐로시간(Reclosing Time)보다 긴 특성은 공유한다. 따라서 모선에 근접한 근거리선로에서 고장이 발생할 때 초전도한류기에 임계전류 이상의 고장전류가 흘러서 켄치(Quench)될 가능성 역시 존재한다. 즉, 초전도한류기의 적용 개소에 따라서 기술적인 특성이 달라지는 요소가 있으므로, 이를 고려하여 초전도한류시스템을 적용하여야 한다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 실제 전력계통의 초고압변전소 모선방식, 모선내부에서의 위치에 따른 기술적인 차이, 계통보호관점 자동재폐로 응동 특성 등을 고려하여 실 계통의 변전소모선용으로 적용할 수 있는 현실적인 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) 개시전류(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 모선배치용 초전도한류 시스템을 나타낸 것으로서 초전도한류기와 직렬 연결된 차단기 세트 2대와 차단기 1대를 병렬로 구성한 초전도한류시스템이다.

본 시스템에서 초전도한류기를 2대 사용한 이유는 초전도한류기 복구시간과 자동재폐로 설정 시간을 고려하여 전력 계통 자동재폐로시에 고장전류 감소 기능에 의하여 차단기의 정상적인 동작을 보장하기 위한 것이다. 또한, 초전도한류기를 모선에 적용하는 경우는 인근 선로의 자동재폐로시 고장선로에 영구고장이 발생하여도 고장선로 이외의 전체계통의 정상운전을 해야 하므로 차단기 1대를 추가로 병렬 연결하여 나머지 계통이 정상적으로 운전할 수 있도록 하였다.

본 발명에 따른 초전도한류시스템은 각각의 초전도한류기에 연결되어 있는 차단기 중 하나는 상시투입, 나머지 하나는 상시개방 운전한다. 실 전력계통의 모선은 이중모선으로 구성되어 있으며, 본 초전도한류시스템이 이중모선 사이(BUS 1-1과 BUS 1-2 사이)에 설치되어 있을 경우, 인근 선로에 고장이 발생하여 고장 전류가 인가되면 상시투입 되어있는 1번 초전도한류기(SFCL1)가 동작(Quench)하여 고장전류가 차단용량 이하로 감소되고 해당 한류기와 직렬로 연결되어 있는 1번 차단기(CB1)는 성공적으로 개방되고 전류가 차단된 1번 초전도한류기는 복구과정을 거치게 된다. 이와 동시에 설정된 자동재폐로 설정 시간이 도달되면 상시개방 되어있던 2번 차단기(CB2)가 투입된다. 만약 자동재폐로 시점에서 고장이 해소된 상태라면 2번 초전도한류기(SFCL2)의 상태가 초전도상태로 지속되어 정상운전하게 된다. 반면에 자동 재폐로시 고장이 지속되고 있는 상태라면 2번 초전도한류기(SFCL2)가 고장전류에 의해 다시 동작하고 고장이 발생된 인근 선로의 차단기(CB-F1 또는 CB-F2)에 의하여 해당 고장 계통이 고립되고 동시에 3번 차단기가 투입되면 고장선로 이외의 잔여 계통은 정상운전을 할 수 있게 된다. 또한 필요에 따라 3번 차단기 에 초전도한류기를 직렬 연결하여 재차 고장 발생에 대비하도록 구성할 수도 있다.

본 발명은 실 전력계통의 모선에 초전도한류기를 적용하기 위해서 반드시 해결해야 하는 초전도한류기의 복구시간 지연에 따른 문제점을 해결한 초전도한류시스템으로서, 실 전력계통의 고장 발생과 재폐로 작동을 고려한 현실적인 적용방안이다.

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

○ 정상상태 : CB 1 Close, CB 2 및 CB 3 Open

○ 선로고장발생 (t=0.2초) : SFCL 1 동작(Quench)

○ 보호시스템 동작 (t=0.3초)

: CB 1 Open → SFCL1 복구, CB 2 Close

○ 고장선로 재투입 (t=0.6초) : 자동 재폐로

- 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 및 CB 3 Open

○ 선로고장발생 (t=0.2초) : SFCL 1 동작(Quench)

○ 보호시스템 동작 (t=0.3초)

: CB 1 Open → SFCL1 복구, CB 2 Close

○ 자동 재폐로 (t=0.6초) : 고장 지속시 SFCL 2 동작(Quench)

○ 고장지속시 (t=0.7초)

: 고장선로 재개방(CB 2 Open) → 영구고장(고장선로 고립)

→ CB 3 Close

본 발명에 의한 초전도한류시스템이 설치된 대상 모선 인근의 선로에 고장이 발생한 경우의 초전도한류기 응동특성을 확인하기 위해서 실 계통을 대상으로 전력계통과도해석 프로그램(EMTDC)에 의한 계통해석을 실시하였다. 실계통의 대표적인 예로서, 2010년 고장전류 문제가 발생할 것으로 예상되는 (성동1) 154kV 모선을 선택하였으며 인근 고장선로의 재폐로시에 고장이 지속되는 경우를 가정하여, 대상모선에 대하여 본 발명에서 제안하는 초전도한류시스템을 적용한 경우와 초전도한류기 1대만을 적용한 경우를 대비하여 고장전류 결과를 검토하였다. 도 7에서 보는 바와 같이 초전도한류기를 1대 적용하는 경우는 자동재폐로시 고장이 지속될 경우 초전도한류기의 한류 능력이 정상 복구되지 않은 상태에서 고장 전류가 과도하여 고장파급 문제가 발생된다. 본 발명에 따른 초전도한류 시스템은 자동 재폐로시 고장전류가 저감되어 2번 차단기가 정상적으로 오픈되고 정상 동작하여 고장파급을 효과적으로 저지할 수 있다. 이러한 동작은 상기 해석된 특정 모선뿐만 아니라 다른 모선에서도 유사하게 나타난다.

현재 개발 중인 초전도한류기는 향후 기술발전을 고려한다 하더라도 초전도한류기 복구특성이 전력계통 자동재폐로 동작에 부합하지 못하는 문제점을 갖기 때문에 단일 초전도한류기로 전력계통에 적용하는 것은 불가능하다. 본 발명에 따른 시스템은 이러한 문제점을 해결하고 실제 전력계통의 모선배치용으로 초전도한류기를 적용하기 위한 것이다. 즉, 본 발명은 실 계통 내의 보호시스템을 감안하여 구성된 것으로서 기타 고장전류 저감책에 비해서 고장전류 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방안이다.

도 4와 같은 154kV 모선 인근 선로에서 고장이 발생하는 경우, 고장전류 저감을 위해서 초전도한류기 적용위치로서 선로(또는 345/154kV 변압기 2차 측)와 모선을 고려할 수 있다. 각 선로에 초전도한류기를 적용하는 경우, 다양한 위치에서의 고장전류를 모두 저감시키기 위해서는 다수의 초전도한류기가 필요할 것이다. 예를 들어, 도 4에서 초전도한류기 적용위치로서 고장전류 유입분이 가장 클 것으로 예상되는 345/154kV 변압기 2차 측을 고려한다면 최소한 4개의 선로용 초전도한류시스템을 적용해야하는데, 이 경우 총 8대(4×2)의 초전도한류기가 필요하게 된다. 반면에 본 발명에 따른 모선용 초전도한류시스템을 적용하게 된다면 선로에 적용하는 경우와 달리 총 2대의 초전도한류기만을 사용하여도 고장전류 감소 효과면에서는 동등하므로 훨씬 비용 경제성이 있다. 결과적으로 본 발명에서 제안하는 변전소 모선용 병렬 초전도한류시스템은 복잡하게 구성되어 있는 실제 계통, 즉, 최소 3개 루트 이상의 선로 및 변압기가 연결되어 있는 모선에 적용하는 경우, 종 래의 일반적인 초전도한류시스템보다 경제적이다고 말할 수 있다.

또한 전력계통 전체적인 운영관점에서 볼 때, 본 발명에 따른 변전소 모선배치용 초전도한류시스템을 계통에 적용한다면, 궁극적으로는 고장전류를 차단용량 이하로 감소시킴으로써 고장발생시에 전력계통의 안정성을 확보하여, 북미정전과 같은 전체 전력계통의 대정전 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이는 현재 고장전류를 저감시키기 위하여 적용하고 있는 기설선로 분리운전, 모선분리 등의 방식에 수반되는 경제적인 비효율성을 제거함은 물론이고 대정전을 예방함으로써 천문학적인 경제, 사회적 비용의 지출을 예방하는 효과를 나타낸다.

Claims (6)

1. 전력계통 내의 변전소 모선에 적용되는 초전도한류시스템에 있어서,

   이중 모선 사이에 제1 차단기와 제1 초전도한류기를 직렬로 연결한 제1 초전도한류 세트와 제2 차단기와 제2 초전도한류기를 직렬로 연결한 제2 초전도한류 세트의 2개 세트 및 제3차단기 1대를 병렬로 연결하여 구성하고,

   각 초전도한류 세트에 있어서 각 차단기에 인가되는 전류는 각 초전도한류기에 의하여 차단 정격전류 이하로 제한되도록 한 모선 배치용 초전도한류시스템.
2. 제1항에 있어서, 초전도한류기가 연결된 상기 제1 차단기는 상시 투입하고, 제2 차단기는 상시 개방된 상태로 운전되며, 고장전류에 의해 제1차단기가 개방된 후 전력계통 자동재폐로 설정 시간에 도달되면 제2 차단기에 의하여 자동 재폐로되도록 한 동작특성을 갖는 모선 배치용 초전도한류시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 초전도한류기의 복구 시간은 상기 전력계통 자동재폐로 설정 시간을 초과하는 것을 특징으로 하는 모선 배치용 초전도한류시스템.
4. 제2항에 있어서, 제2차단기에 의하여 자동 재폐로되었을 때 고장 선로의 고장지속여부에 따라, 정상 전류가 인가되면 제2 초전도한류기가 초전도상태로 지속되어 정상 운전되고, 고장전류가 인가되면 제2 초전도한류기가 켄치 동작되는 모선배치용 초전도한류시스템.
5. 제4항에 있어서, 제2 초전도한류기가 켄치 동작되면 제2 차단기가 개방되고 동시에 제3 차단기가 투입되어 고립화되지 않은 잔여 계통이 정상운전 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 모선배치용 초전도한류시스템.
6. 제5항에 있어서 제3 차단기에 직렬 연결된 제3초전도한류기를 더 구비하여 재차 고장 발생시 제3 차단기에 인가되는 전류를 차단 정격 전류 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 모선배치용 초전도한류시스템.

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