KR20080022403A - 초전도 전력 케이블의 쉴드층을 고려하는 고장전류 계산법및 해석 알고리즘 - Google Patents

초전도 전력 케이블의 쉴드층을 고려하는 고장전류 계산법및 해석 알고리즘 Download PDF

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KR20080022403A KR1020060085785A KR20060085785A KR20080022403A KR 20080022403 A KR20080022403 A KR 20080022403A KR 1020060085785 A KR1020060085785 A KR 1020060085785A KR 20060085785 A KR20060085785 A KR 20060085785A KR 20080022403 A KR20080022403 A KR 20080022403A
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조전욱
박민원
유인근
김재호
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Abstract

본 발명은 3상의 고온 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장전류 계산법에 있어서, 선로 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00001
,
Figure 112006064468817-PAT00002
,
Figure 112006064468817-PAT00003
)를 포함하는 계통의 구성정보를 수집하는 단계; 초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하는 단계; 통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00004
,
Figure 112006064468817-PAT00005
,
Figure 112006064468817-PAT00006
)를 계산하는 단계; 상기 계통의 구상정보와 함께 사고계통의 직접 해석에 따른 전체 임피던스 관계식을 계산하는 단계; 상기 상 전압 및 상 전류와 함께, 상기 계통의 고장전류 을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쉴드층을 고려하여 고온 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법 및 해석 알고리즘에 관한 것이다.
본 발명은 종래의 전력 케이블의 고장전류 계산법을 초전도 전력 케이블에 적용하는 경우 낮은 정확도 및 케이블 손상에 대한 대응이 어렵다는 문제점을 해결하고, 종래의 전력 케이블에는 존재하지 않는 쉴드층을 고려하여 등가회로로 나타냄으로써, 이를 토대로 3상 초전도 전력 케이블에 적합한 새로운 고장전류 계산법 및 시뮬레이션 수행을 위한 해석 알고리즘을 제안하고자 한다.
초전도 전력 케이블, 3상, 쉴드층, 유도전류, 단상변압기

Description

초전도 전력 케이블의 쉴드층을 고려하는 고장전류 계산법 및 해석 알고리즘{Calculation method and analysis algorith considered shield layer of High Temperature superconducting power cable}
도 1은 종래의 전력 케이블의 등가회로를 나타내는 도면이고,
도 2a는 일반적인 3상의 고온 초전도 전력 케이블 일 실시예의 구조를 나타내는 도면이고,
도 2b는 도 2a의 초전도 전력 케이블의 등가회로를 나타내는 도면이고,
도 3a는 초전도 전력 케이블의 통전층과 쉴드층간의 저항특성을 등가회로로 나타내는 도면이고,
도 3b는 도 3a의 등가회로를 토대로 한 T형 등가회로를 나타내는 도면이고,
도 3c는 도 3b의 T형 등가회로를 토대로 한 T형 등가 임피던스를 나타내는 도면이고,
도 4a는 본 발명의 제 1특징에 따른 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법을 위한 초전도 전력 케이블의 등가회로이고,
도 4b는 도 4a의 등가회로를 토대로 한 T형 등가회로이며,
도 4c는 도 4b의 T형 등가회로를 토대로 한 T형 등가 임피던스를 나타내는 도면이고,
도 5a는 본 발명의 제 2특징에 따른 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘을 위한 쉴드층의 편단접지 개념을 나타내는 도면이고,
도 5b는 본 발명의 제 2특징에 따른 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘을 위한초전도 전력 케이블의 쉴드층의 양단접지 개념을 나타내는 도면이고,
도 6은 쉴드층이 편단접지된 초전도 전력 케이블을 포함하는 22.9kV급 배전선로를 모의한 것을 나타내는 도면이고,
도 7은 쉴드층이 양단접지된 초전도 전력 케이블을 포함하는 22.9kV급 배전선로를 모의한 것을 나타내는 도면이고,
도 8a는 도 6의 쉴드층이 편단접지된 배전선로에서 1선지락 고장시의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고,
도 8b는 도 7의 쉴드층이 양단접지된 배전선로에서 1선지락 고장시의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고,
도 9a는 도 8a의 시뮬레이션 결과를 토대로 편단접지시 1선지락 고장 벡터도를 나타내는 도면이고,
도 9b는 도 8b의 시뮬레이션 결과를 토대로 양단접지시 1선지락 고장 벡터도를 나타내는 도면이다.
본 발명은 고온 초전도 전력케이블의 고장전류 계산법 및 해석 알고리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 초전도 전력케이블이 투입되는 송전/배전 선로에서 초전도 케이블의 일부인 쉴드층(Shield Layer)을 고려하여 정상상태와 고장상태에 대한 정확한 시뮬레이션을 통해 케이블의 절연 파괴를 방지할 수 있도록 고장전류의 계산법 및 해석방법에 관한 것이다.
초전도란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0K : -273.16℃) 가까이 냉각시켰을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 말한다.
초전도가 일어나는 온도는 금속의 종류에 따라 다르다. 예를 들어, 수은은 4.2K에서 초전도 현상을 일으키는데, 주석과 니오브의 어떤 종류의 합금에서는 18K에서 초전도 현상을 일으킨다. 현재는 납, 탈륨을 비롯하여 25종의 금속원소와 수천 종의 합금, 화합물에서 초전도 현상이 일어나는 것이 밝혀졌다. 이와 같은 초전도 현상을 일으키는 초전도 도체는, Nb3Sn, NbTi, 및 Nb3Al 등의 저온 초전도 도체(10K 이하에서 전기저항 = 0)와 YBCO, Bi-2223, Ti-1223, 및 Hg 등의 고온 초전도 도체(108K 이하에서 전기저항 = 0)로 분류된다.
최근 활발하게 개발되고 있는 것이 초전도 전력케이블이다. 초전도 전력케이블은 70년대 말부터 80년대 중반까지는 저온 초전도 전력케이블(LTS power cable : Low Temperature Superconducting power cable)에 대한 연구개발이 진행되었으나, 액체 헬륨을 사용하여야 하기 때문에 초전도 전력케이블 시스템의 경제성이 작아 실현되지 못하였다. 그러나 액체질소의 비등점보다 높은 임계온도를 가진 고온 초전도체(HTS : High Temperature Superconductor 가 발견되고, 도체의 제조기술 및 성능이 향상되면서 고온 초전도 전력케이블의 실용화에 대한 기대가 높아지고 있다.
고온 초전도 케이블은 케이블에 초전도체로 만든 전선을 넣고, 그 주변에 액체질소나 헬륨과 같은 냉매를 넣어, 종래의 전력케이블에 비하여 전기저항이"0"으로 무시할 수 있을 정도로 매우 작은 케이블로서, 단위면적당 송전용량을 3배 또는 4배 증가시킬 수 있으며 이로 인해 전력케이블의 소형화 및 대용량화가 가능하고, 전기저항에 의한 손실도 거의 없는 차세대 케이블이다.
이와 같은 초전도 전력 케이블을 실제계통에 이용하는 경우, 이를 실제계통 선로에 적용하기 이전에 정상상태와 고장상태에 대한 정확한 시뮬레이션 해석을 통해 초전도 전력케이블에 발생할 수 있는 문제점을 예상하여야 치명적인 손상으로부터 케이블을 보호할 수 있다. 계통에서 고장이 발생하게 되면, 정상 운전시의 수십 배에 달하는 고장 전류가 초전도 케이블로 유입되고 임계전류 이상이 되면 초전도 특성이 사라지면서 비선형적인 저항특성을 나타내게 되는데 이러한 현상을 ?? 치(Quench)라고 한다. 초전도 전력 케이블은, 흐르는 전류의 크기에 따라 저항이 "0"에 가까운 퀸치 현상이 발생하기 전과 흐르는 전류의 크기에 따라 비선형적으로 저항이 증가하는 퀸치 후로 저항특성이 달라지기 때문에 고장 전류 계산시 종래의 전력 케이블과의 차이점을 고려하여야 한다.
도 1은 종래의 전력 케이블의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 등가회로는, 저항 특성이 흐르는 전류의 크기와 무관하게 일정하고, 전류가 흐르는 통전층으로 구성되어 있는 종래의 전력 케이블에 대한 것으로, 이를 바탕으로 세워진 1선 지락고장시 한 상에 걸리는 고장전류에 관한 관계식은 아래와 같다.
Figure 112006064468817-PAT00007
- (1)
상기 종래의 고장 전류식(1)은, 초전도 전력 케이블의 특성인 자기 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 작용에 의하여 전류가 유도되는 쉴드층(shield layer)은 전혀 고려되지 않은 계산법이다. 따라서, 흐르는 전류의 크기에 따라 저항 특성이 달라지고, 통전층 및 자기 인덕턴스 및 상호인덕턴스 작용에 의하여 흐르는 전류가 100% 유도되어 케이블에서 발생한 자장(내부자장) 및 주변 요인에 의해 발생하는 자장(외부자장)을 차폐시키는 쉴드층(shield layer)으로 구성된 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법은 종래의 계산법을 그대로 이용할 수 없다.
그에 따라, 쉴드층을 포함하는 다상 초전도 전력 케이블에 적용할 수 있는 새로운 고장전류 계산법과 그 해석법이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래의 전력 케이블의 고장전류 계산법을 초전도 전력 케이블에 적용하는 경우 낮은 정확도 및 케이블 손상에 대한 대응이 어렵다는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 전력 케이블에는 존재하지 않는 쉴드층을 고려하여 등가회로로 나타냄으로써, 이를 토대로 3상 초전도 전력 케이블에 적합한 새로운 고장전류 계산법 및 시뮬레이션 수행을 위한 해석 알고리즘을 제안하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1특징에 따른 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법은, 3상의 고온 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장전류 계산법에 있어서, 선로 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00008
,
Figure 112006064468817-PAT00009
,
Figure 112006064468817-PAT00010
)를 포함하는 계통의 구성정보를 수집하는 단계; 초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하는 단계; 통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00011
,
Figure 112006064468817-PAT00012
,
Figure 112006064468817-PAT00013
)를 계산하는 단계; 상기 계통의 구상정보와 함께 사고계통의 직접 해석에 따른 전체 임피던스 관계식
Figure 112006064468817-PAT00014
을 계산하는 단계; 상기 상 전압 및 상 전류와 함께, 상기 계통의 고장전류
Figure 112006064468817-PAT00015
을 계산하는 단계를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00016
,
Figure 112006064468817-PAT00017
,
Figure 112006064468817-PAT00018
)를 계산하는 단계는, 3상 초전도 전력 케이블에 대하여 1차측은 상기 통전층으로, 2차측은 상기 쉴드층으로 정의되는, 1차측과 2차측이 전자기적 유도결합으로 이루어진 단상변압기로 나타낼 수 있는 등가회로를 구하는 단계; 상기 등가회로로부터 T형 등가회로를 구하는 단계; 상기 T형 등가회로로부터 유도되는 T형 등가 임피던스 회로를 통하여 상기 임피던스(
Figure 112006064468817-PAT00019
,
Figure 112006064468817-PAT00020
,
Figure 112006064468817-PAT00021
)를 구하는 단계로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2특징에 따른 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석방법은, 3상의 고온 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장상태 해석법에 있어서, PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 강심알루미늄 연선(ACSR)과, 1차측은 통전층으로, 2차측은 쉴드층으로 정의되는, 1차측과 2차측이 전자기적 유도결합으로 이루어진 단상변압기로 나타낼 수 있는 3상 초전도 전력 케이블로 이루어진 배전선로를 구성하는 단계; 상기 단상변압기의 2차측을 개방시키는 단계; 상기 초전도 전력 케 이블의 쉴드층이 편단접지 혹은 양단접지인 상태에서, 고장조건에 따라 1선 지락고장에 따른 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 고장조건에 놓인 배선전로에서, 1선 지락고장시의 초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하고, 통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스를 계산하는 단계; 상기 인덕턴스값과 상기 케이블 양단의 전압값을
Figure 112006064468817-PAT00022
식에 대입하여 시뮬레이션을 수행하는 단계로 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단상변압기의 2차측을 개방하는 단계에서 상기 단상변압기의 1차측에 흐르는 전류값과 계산값이 동일하도록 상기 단상변압기의 컴퍼넌트의 정격용량과 누설리액턴스를 조절할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온 초전도 전력 케이블의 쉴드층을 고려한 고장전류 계산법 및 해석 알고리즘에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2a는 일반적인 3상의 고온 초전도 전력 케이블 일 실시예의 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 고장전류 계산법 및 그 해석법은 초전도 도체의 외주에 쉴드층을 갖는 복수개의 케이블 코어를 구비하는 다상 초전도 케이블을 대상으로 한다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 3상 초전도 전력 케이블은 3개의 케이블 코어를 포함하여 이루어진다. 각각의 케이블 코어는 중심으로부터 차례로 포머(10), 상기 포머를 둘러 묶으며 트위스트 피치(twist pitch)로 감싸는 통전층(Super Conducting Layer, 11)과 탄소 종이(Carbon Paper, 12), 외부와 전기적으로 절연되도록 통전층(11)을 둘러 감싸는 절연층(Electrical Insulation, 13)과, 테이프 형상의 초전도체로 형성되고 통전층(11)으로 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장을 감소시키는 방향으로 절연층(13)을 트위스트 피치로 둘러 감싸는 쉴드층(Shield Layer, 14)으로 이루어진다. 상기 케이블 코어는, 그 내부에 통전층(11) 및 쉴드층(14)의 초전도체 냉각을 위한 냉매를 함유하는 저온 유지 장치(Cryostat, 15)에 둘러 싸여 초전도 전력 케이블을 구성한다.
보다 상세하게 설명하면, 통전층(11)은 테이프 형성의 초전도체로 형성되며, 고온 초전도 전력 케이블의 주축 방향에 평행하게 되어 있지 않고, 마치 스프링이나 코일과 같이 포머(10)를 둘러 묶으며, 묶음 외곽에 소정의 트위스트 피치로 감겨 있으며, 전력 케이블의 전력 이송매체가 된다. 절연층(13)은 통전층(11)이 외부와 전기적으로 절연되도록, 크라프트지와 같은 절연지를 통전층(11)의 외면을 감싸 권선되어 있다. 쉴드층(14)은 통전층(11)과 동일하게 테이프 형성의 초전도체로 형성되며, 통전층(11)과는 반대 방향으로 절연층(13)에 트위스트 피치로 권선되어 있는데, 쉴드층(14)은 통전층(11)과 반대 방향으로 권선되어 있으며, 쉴드층(14)에는 통전층(11)으로 흐르는 전류와 역방향으로 같은 크기의 전류가 흐르는 것이 바람직하다. 이로써, 쉴드층(11)은 자기 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 작용에 의하여 흐르는 전류가 100% 유도되어 초전도 전력 케이블에서 발생한 자장(내부자장) 및 주변 요인에 의해 발생한 자장(외부자장)을 차폐시키는 역할을 한다.
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 퀸치(Quench)라고 한다. 초전도 전력 케이블의 저항 특성을 따라서, 흐르는 전류의 크기에 따라 저항이 "0"에 가까운 퀸치 현상이 발생하기 전과 흐르는 전류의 크기에 따라 비선형적으로 저항이 증가하는 퀸치 후로 저항특성을 달라지는 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법은 종래의 것을 이용할 수 없고 쉴드층을 고려한 새로운 고장전류 계산법을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도 2b의 도시된 바와 같이 초전도 전력 케이블의 등가회로를 통해 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법을 유도하도록 한다.
도 3a 내지 도 4c는 도 2b의 등가회로로부터 이끌어낸 본 발명의 제 1특징에 따른 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법의 유도과정을 나타내기 위한 등가회로도이다.
도 3a는 도 2a의 초전도 전력 케이블에서 자기 인덕턴스와 상호인덕턴스 작용을 하는 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 등가회로이다. 종래의 전력케이블의 1선지락 고장계산법과 다르게, 정상/역상 임피던스를 통전층과 쉴드층에 동일하게 고려해주어야 한다. 1선지락 고장계산을 위해, 도 3a에 도시된 변압기의 1차측은 초전도 전력 케이블의 통전층으로 하고, 변압기의 2차측은 쉴드층으로 정의할 수 있다. 계산을 위하여 도 3a의 등가회로를 도 3b의 T형 등가회로와 같이 나타낼 수 있다. 다음은 도 3a의 등가회로로부터 유도되는 키르히호프의 제 2법칙인 KVL에 따른 방정식이다.
Figure 112006064468817-PAT00023
- (2)
Figure 112006064468817-PAT00024
- (3)
다음은 도 2b의 T형 등가회로로부터 유도되는 키르히호프의 제 2법칙인 KVL에 따른 방정식이다.
Figure 112006064468817-PAT00025
- (4)
Figure 112006064468817-PAT00026
- (5)
위의 식(4),(5)를 정리하면, 다음과 같은 결과를 얻는다.
Figure 112006064468817-PAT00027
- (6)
도 3c는 도 3b의 T형 등가회로를 T형 등가 임피던스로 간략하게 나타낼 수 있다.
도시되는 바와 같이,
Figure 112006064468817-PAT00028
,
Figure 112006064468817-PAT00029
,
Figure 112006064468817-PAT00030
에 해당된다고 할 때, 상기 등가회로의 전체 임피던스는 아래와 같다.
Figure 112006064468817-PAT00031
- (7)
도 4a는 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장계산을 위한 초전도 전력 케이블 의 해석에 사용되는 등가회로이고, 도 4b는 이에 대한 T형 등가회로이며, 도 4c는 T형 등가 임피던스를 나타내는 도면이다. 이에 따라, T형 등가 임피던스는 도 3a 내지 도 3c의 도면에서 유도된 식을 이용하여 다음과 같은 등가 임피던스가 유도된다.
Figure 112006064468817-PAT00032
- (8)
상기 등가 임피던스 식(8)은 초전도 전력 케이블에서 1선 지락 고장전류 계산을 위하여 쉴드층을 고려한 고장 계산법으로, 쉴드층의 자기 인덕턴스와 통전층의 자기 인덕턴스, 통전층과 쉴드층의 상호인덕턴스를 고려한 것이다. 이를 토대로, 새로운 고장 계산법을 도출해낼 수 있다.
표 1은 종래의 3상 전력 케이블 및 본 발명에 따른 3상 초전도 전력 케이블에서 1선 지락 고장 발생시 고장계산식을 비교하여 나타낸 것이다.
고장상태 고장조건 종래의 전력케이블 초전도 전력케이블
1선 지락 고장
Figure 112006064468817-PAT00033
Figure 112006064468817-PAT00034
Figure 112006064468817-PAT00035
Figure 112006064468817-PAT00036
Figure 112006064468817-PAT00037
Figure 112006064468817-PAT00038
Figure 112006064468817-PAT00039
도 5a 내지 도 9b는 본 발명의 제 2특징에 따른 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 초전도 전력 케이블의 쉴드층의 편단접지 및 양단접지 개념을 나타내는 도면이다.
초전도 전력 케이블의 고장상태를 해석하기 위한 본 발명에 따른 고장전류 해석 알고리즘은, 전력 시스템의 전자기적 과도현상 시뮬레이션이 가능한 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 초전도 전력 케이블의 쉴드층이 편단접지, 양단접지 상태에서 고장조건에 따른 시뮬레이션을 수행한다. 상기 알고리즘은, 강심알루미늄 연선(ACSR)과, 1차측은 통전층으로, 2차측은 쉴드층으로 정의되는, 1차측과 2차측이 전자기적 유도결합으로 이루어진 단상변압기로 나타낼 수 있는 3상 초전도 전력 케이블로 이루어진 배전선로를 구성하여상기 단상변압기의 2차측을 개방시킨 상태에서, 고장조건에 따라 1선 지락고장에 따른 시뮬레이션을 수행한다. 이때, 상기 고장조건에 놓인 배선전로에서 1선 지락고장시의 초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하고, 통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스를 계산하고, 상기 인덕턴스값과 상기 케이블 양단의 전압값을
Figure 112006064468817-PAT00040
식에 대입하여 시뮬레이션을 수행하는 단계로 진행하는 것이 바람직하다. 상기 단상변압기의 2차측을 개방되었을 때, 상기 단상변압기의 1차측에 흐르는 전류값과 계산값이 동일하도록 상기 단상변압기의 컴퍼넌트의 정격용량과 누설리액턴스를 조절할 수 있다.
도 6은 고온 초전도 전력 케이블을 포함하는 22.9kV급 배전선로의 편단접지 상태의 회로를 나타내는 도면이고, 도 8은 고온 초전도 전력 케이블을 포함하는 22.9kV급 배전선로의 양단접지 상태의 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2특징에 따른 초전도 전력 케이블의 고장전류 해설 알고리즘을 수행하기 위하여, PSCAD/EMTDC를 이용하여 쉴드층을 고려한 고온 초전도 전력 케이블이 연결된 22.9kV급 배전선로의 쉴드층이 편단접지된 선로를 모의한 것으로, 종래의 배전선로 ACSRmm2 4km를 앞단에 설치하고, 고온 초전도 전력 케이블 100m를 후단에 연결하였다. 도 7은 도 6의 선로를 동일하게 구성하면서 쉴드층이 양단접지 되도록 구성한 배전선로를 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 7의 선로를 이용하여 쉴드층의 편단접지, 양단접지 상태에서 1선 지락 고장 발생시 초전도 전력 케이블의 통전층과 쉴드층에 흐르는 고장전류를 시뮬레이션을 통해 비교분석할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 6 및 도 7의 선로에서 1선 지락 고장 발생을 본 발명의 제 2특징에 따른 해석 알고리즘에 따라 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이고, 도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도8b의 시뮬레이션 결과를 토대로 1선지락 고장 백터도를 나타내는 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 쉴드층의 편단접지 상태에서 1선지락 고장이 발생하면 통전층의 전류는 상 불평형이 생기게 되고, 쉴드층에 유도되는 전류 파형은 왜곡이 발생한다. 반면에, 쉴드층의 양단접지시에는 고장전류가 Ground-Wire를 따라서 3상에 포함되어 흐르게 되므로 도 9b의 벡터도를 보면 쉴드층에 유도된 파형의 왜곡이 없는 것을 알 수 있다. 한편, 표 2는 1선 지락 고장 계산법에 의한 계산결과와 본 발명의 제 2특징에 따른 시뮬레이션 결과가 5% 이내에서 동일하다는 것을 보여준다.
Hand calculation Simulation result
Fault current[kArms] 4.49896 4.25439
이와 같은 결과를 바탕으로 본 발명에 따른 쉴드층을 포함하는 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장전류에 대하여 정확한 계산이 가능하게 되었으며, 시뮬레이션을 통해 검증한다.
종래에는 초전도 전력 케이블에 대하여 시뮬레이션 프로그램을 이용할 방법이 없었으나, 앞서 상술한 초전도 전력 케이블의 등가회로 구현과 필요한 파라미터 값을 구할 수 있게 됨에 따라, 상기 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 3상 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장전류를 예측할 수 있게 되었다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 쉴드층을 고려한 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산법 및 해설 알고리즘은 초전도 전력 케이블의 연구 개발이 국내외적으로 활발하게 추진되고 있으며 실용화를 위한 실제계통 선로 적용단계에서, 초전도 전력 케이블의 저항특성 및 구조상의 특성을 고려하여, 정상상태와 고장상태에 대한 보다 정확한 시뮬레이션을 통해 초전도 전력케이블에 발생하는 문제점을 예측하고 치명적인 손상으로부터 케이블을 보호할 수 있도록 한다.
또한, 쉴드층에서 정상시 통전층에 흐르는 전류와 역방향으로 동일한 크기의 전류가 유기되어, 이러한 유기전류에 의해 발생하는 자장으로 케이블의 내부자장 및 주변요인에 의해 발생하는 외부자장을 차폐시키는 특성을 고려한 초전도 전력 케이블의 등가회로를 통해, PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 초전도 전력 케이블을 포함하는 배선전로의 시뮬레이션 수행이 가능해지게 된다. 그에 따라, 배전선로의 고장발생 상태를 정확하게 예측하여 대비할 수 있다.

Claims (7)

  1. 3상의 고온 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장전류 계산법에 있어서,
    선로 임피던스(
    Figure 112006064468817-PAT00041
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00042
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00043
    )를 포함하는 계통의 구성정보를 수집하는 단계;
    초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하는 단계;
    통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스(
    Figure 112006064468817-PAT00044
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00045
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00046
    )를 계산하는 단계;
    상기 계통의 구상정보와 함께 사고계통의 직접 해석에 따른 전체 임피던스 관계식을 계산하는 단계;
    상기 상 전압 및 상 전류와 함께, 상기 계통의 고장전류 을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 쉴드층을 고려하여 고온 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 임피던스(
    Figure 112006064468817-PAT00047
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00048
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00049
    )를 계산하는 단계는,
    3상 초전도 전력 케이블에 대하여 1차측은 상기 통전층으로, 2차측은 상기 쉴드층으로 정의되는, 1차측과 2차측이 전자기적 유도결합으로 이루어진 단상변압기로 나타낼 수 있는 등가회로를 구하는 단계;
    상기 등가회로로부터 T형 등가회로를 구하는 단계;
    상기 T형 등가회로로부터 유도되는 T형 등가 임피던스 회로를 통하여 상기 임피던스(
    Figure 112006064468817-PAT00050
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00051
    ,
    Figure 112006064468817-PAT00052
    )를 구하는 것을 특징으로 하는 쉴드층을 고려하여 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전체 임피던스 관계식은
    Figure 112006064468817-PAT00053
    으로 계산되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 계통의 고장전류는
    Figure 112006064468817-PAT00054
    로 계산되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 고장전류 계산하는 방법.
  5. 3상의 고온 초전도 전력 케이블의 1선지락 고장상태 해석법에 있어서,
    PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 강심알루미늄 연선(ACSR)과, 1차측은 통전 층으로, 2차측은 쉴드층으로 정의되는, 1차측과 2차측이 전자기적 유도결합으로 이루어진 단상변압기로 나타낼 수 있는 3상 초전도 전력 케이블로 이루어진 배전선로를 구성하는 단계;
    상기 단상변압기의 2차측을 개방시키는 단계;
    상기 초전도 전력 케이블의 쉴드층이 편단접지 혹은 양단접지인 상태에서, 고장조건에 따라 1선 지락고장에 따른 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 쉴드층을 고려하는 고온 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 고장조건에 놓인 배선전로에서, 1선 지락고장시의 초전도 전력 케이블의 상 전압 및 상 전류를 샘플링하고, 통전층의 자기 인덕턴스와 쉴드층의 자기 인덕턴스 및 통전층과 쉴드층의 상호 인덕턴스 작용을 고려하여 각각의 임피던스를 계산하는 단계;
    상기 인덕턴스값과 상기 케이블 양단의 전압값을
    Figure 112006064468817-PAT00055
    식에 대입하여 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 쉴드층을 고려하는 고온 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 단상변압기의 2차측을 개방하는 단계에서. 상기 단상변압기의 1차측에 흐르는 전류값과 계산값이 동일하도록 상기 단상변압기의 컴퍼넌트의 정격용량과 누설리액턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드층을 고려하는 고온 초전도 전력 케이블의 고장전류 해석 알고리즘.
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