KR20150043042A

KR20150043042A - 변전소 중성점 임피던스 기기를 생략한 유효접지기준을 만족하는 １선지락고장전류 억제 설계방법

Info

Publication number: KR20150043042A
Application number: KR20130121994A
Authority: KR
Inventors: 윤재영; 이승렬
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2015-04-22
Also published as: KR101520254B1

Abstract

본 발명은 변전소 변압기의 유효접지 기준을 만족하면서1선지락 고장전류를 제한하기 위하여 일반적으로 사용하는 변압기 중성점과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR, Neutral Grounding Reactor or Resistance)를 사용하지 않고도 그와 유사하게 고장전류 제한효과를 가지면서 동시에 유효접지기준을 만족하도록 중성점을 대지에 접지시킬 수 있는 변전소 변압기의 접지 구조에 관한 것이다.

Description

변전소 중성점 임피던스 기기를 생략한 유효접지기준을 만족하는 １선지락고장전류 억제 설계방법 {Design Method for Reduction of 1-ph Fault Current Satisfying Effective Grounding Criterion Without Neutral Impedance Device in Transformer Substation}

본 발명은 변전소 변압기의 접지설계 방법에 관한 것으로서, 특히, 변전소 변압기의 1선지락고장전류를 제한하기 위하여 일반적으로 사용하는 변압기 중성점과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR, Neutral Grounding Reactor or Resistance)를 사용하지 않고도 그와 유사하게 고장전류 제한효과를 가지며 유효접지 기준도 만족하도록 중성점을 대지에 접지시킬 수 있는 변전소 변압기의 새로운 접지설계 방법에 관한 것이다.

본 발명 관련 선행문헌으로서 대한민국특허공개번호 제 10-2013-0026691호 (2013년03월14일 공개) 등이 참조될 수 있다.

도 1과 같이, 보통 154kV 등 변전소의 주변압기 2차측(22.9kV) 중성점과 대지 간에는 j0.6(Ω)(혹은 j0.4(Ω) 등 다른 임피던스 값)의 중성점(N)과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR)를 설치하고 있다.

중성점(N)과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR)는 저항이나 리액터 등의 임피던스 소자로 이루어지며, 변압기 결선이 Y(접지)-Y(접지)-D(Delta)와 같이 3권선 변압기 구조이므로, NGR없이 중성점(N)을 직접접지를 하는 경우 2차측 22.9kV 모선의 1선지락고장전류가 3상고장전류보다 커지기 때문에 1선지락고장전류를 3상고장전류 이하로 저하시키기 위해 NGR을 설치한다(도 1 참조). 이때 NGR 임피던스를 j0.6(Ω)으로 설계한 이유는 1선지락시 건전상의 대지전위를 유효접지 기준(접지계수75%, 1.33PU 이하)으로 억제하면서 동시에 1선지락고장전류를 3상고장전류 이하로 저감시키기 위해서이다.

그러나, 이와 같은 중성점(N)과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR)를 적용하는 현재 방식은, NGR 설치 투자비와 유지보수비용이 발생하고 NGR 자체의 고장 가능성도 있다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 중성점(N)과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR)를 생략하고 변전소 변압기의 중성점에서 인출된 중성선이 전신주 혹은 여타 위치 등에서 해당 특정 위치의 접지 인출선을 분기시켜 이를 변전소의 공통 메쉬 접지망까지 회귀 도체 전선으로 연장시켜 연결함으로써 변압기 중성점 임피던스 기기를 설치한 것과 동일한 효과를 나타낼 수 있도록 한 변전소 변압기의 새로운 접지설계 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 3상 송배전 선로로 전력을 공급하는 변전소 변압기 운영 방법은, 3상 송배전 선로 중 변전소 내부의 변압기 중성점에 연결되어 상기 변전소 외부로 인출되는 중성선의 소정의 위치에서 연결되도록 회귀 도체 전선을 분기시키는 단계; 및 상기 회귀 도체 전선을 상기 변전소 내부의 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망까지 연장하여 연결시키는 단계를 포함한다.

상기 소정의 위치는, 상기 3상 송배전 선로에서 상기 회귀 도체 전선에 의해 1선지락고장전류가 3상 지락고장전류 보다 작게 되면서 유효접지기준을 만족시키는 위치이다.

이러한 회귀도체 전선이 분기되는 특정 위치는 변전소 변압기의 외부방향으로 인출되는 중성선의 어느 한 지점으로서 변전소 내부 혹은 외부의 특정한 지점이 된다. 예를 들어, 상기 소정의 위치는, 상기 중성선이 상기 변전소 외부에서 접지되는 위치일 수 있으며, 상기 접지되는 위치가 상기 변전소 외부의 전신주의 위치일 수도 있다.

이와 같은 특정위치의 선정은 해당 변전소의 전원임피던스, 변압기 임피던스 및 기타 파라메터에 의해서 약간씩 달라질 수 있으며 계통해석모형을 사용한 분석을 통하여 간단하게 산정할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 3상 송배전 선로로 전력을 공급하는 변전소 변압기는, 3상 송배전 선로와 연결된 변압기의 2차측 Y 결선과 해당 중성점; 및 변전소의 내부 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결되는 회귀 도체 전선을 포함하고, 상기 회귀 도체 전선은, 상기 중성점에 연결되어 상기 변전소의 외부로 인출된 중성선의 소정의 위치에서 연결되어 분기된 전선으로서, 상기 분기된 위치에서 상기 변전소 내부의 공통 메쉬 접지망에 연결시킨 전선인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 변전소 변압기의 새로운 접지설계 구조에 따르면, 중성점(N)과 대지간 연결용 임피던스기기(NGR)를 생략할 수 있으므로 설비 투자비와 유지보수 운영비를 절감할 수 있다. 변전소 변압기의 중성점에서 인출된 중성선이 전신주 혹은 기타 위치 등에서 접지 인출선을 분기시켜 이를 변전소의 공통 메쉬 접지망까지 연장시키는 회귀 도체 전선의 설치 운영 비용은 NGR 투자비와 운영 비용에 비교하면 거의 무시할 수 있다.

도 1은 현재 적용되는 변전소 변압기의 접지설계 구조 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 변전소 변압기 접지설계 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 전기적 등가회로 모델을 나타낸 것이다.
도 4는 현재와 같이 NGR을 사용하는 변전소 변압기 접지설계 구조에서의 1선지락고장전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2의 본 발명의 변전소 변압기 접지설계 구조에서의 1선지락고장전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 현재방식과 본 발명의 중성점 접지방식별 고장전류 및 유효접지기준 만족여부를 판단하기 위한 건전상대지전위(1선지락이 발생한 지점에서 지락이 발생하지 않은 건전상과 대지사이의 전위차) 최대 값을 비교하여 나타낸 것이다.
도 7은 현재 적용방식과 본 발명의 다양한 회귀 도체 전선의 길이와 선종에 따른 고장전류와 유효접지 기준(접지계수75%, 1.33PU 이하) 만족도를 설명하기 위한 건전상 대지전위 값을 나타낸 비교 표이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 변전소 변압기 접지설계 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 중성선을 가진 3상 송배전 선로(A,B,C,N)로 전력을 공급하기 위한 변전소 변압기(100)의 한 예를 들면 Y-Y-D(Delta) 3권선 변압기 구조로서, 1차측 Y 결선(110), 2차측 Y 결선(120), 3차측 D(Delta) 결선(130), 및 회귀 도체 전선(G~Q전선)을 포함하고, 1차측 Y 결선(110)의 중성점(N)이 변전소의 내부 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결되어 접지된다.

1차측 Y 결선(110)을 통해 필요한 3상 고전압(a,b,c)(예, 154kV, 등)이 입력되면, 2차측 Y 결선(120)을 통해 변압된 3상전압(예, 22.9kV)이 중성점(N) 포함 3상 배전 선로(A,B,C,N)를 통해 다양한 건물, 공장, 가정 등으로 배전될 수 있으며, 3차측 D(Delta) 결선(130)을 통해 변압된 소정의 전력은 변전소 내부의 전력 사용을 위해 공급될 수 있다.

특히, 회귀 도체 전선(G~Q전선)은 변전소의 내부 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결되는 도체 전선으로서, 변전소의 내부에서 중성점(N)과 공통 메쉬 접지망 사이에 연결하는 임피던스기기(NGR)를 생략하여도 그와 거의 동일한 효과를 나타내도록 한 것이며, 이에 따라 임피던스기기(NGR)의 설비 투자비와 유지보수 운영비를 절감할 수 있다.

즉, 변전소로 외부로 인출되는 3상 송배전 선로(A,B,C,N) 중 변전소 내부의 변압기 중성점(N)에 연결되어 변전소 외부로 인출되는 도체 전선인 중성선은, 1선지락고장전류 및 1선지락시의 건전상대지전위와 관련된 유효접지기준을 만족시키고 변전소 변압기 등 시설의 고장, 파괴 등으로부터 보호하기 위하여, 일정 거리 마다 설치된 전신주를 통해서 접지되고 있다. 즉, 전신주를 통과할 때마다 전신주 위치에서 중성선을 대지에 매설하고 있다.

일 례로서 본 발명에서는 이와 같이 중성선이 접지되는 전신주들 중 어느 하나의 위치에서의 해당 중성선의 위치(예, Q)에서 분기시켜 변전소 내부의 메쉬접지망 단자에 연결시키는 회귀도체 전선(G~Q전선)을 이용할 수 있다. 이와 같이 변전소 외부로 인출된 중성선의 소정의 위치(예, Q)에서 분기시킨 회귀 도체 전선(G~Q전선)은, 도 2와 같이 변전소 내부까지 연장시켜 변전소 내부의 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결시킨다. 회귀도체 전선(G~Q전선)은 땅속으로 매설되도록 변전소 내부까지 연장될 수도 있고, 경우에 따라서는 전신주를 통하여 공중으로 변전소 내부까지 연장될 수도 있다.

이와 같이 회귀 도체 전선(G~Q전선)은 설치의 편의상 변전소 외부에서 접지되는 위치(예, Q)로서, 중성선이 접지되는 전신주들 중 어느 하나의 위치에서의 해당 중성선의 도체 전선의 위치(예, Q)에서 분기되는 것으로 예를 들어 설명하였지만, 이에 한정되지 않으며, 이와 같은 전신주의 위치가 아니더라도 변전소 외부 방향으로 인출되는 중성선의 전신주가 아닌 임의의 다른 위치(변전소 내부 혹은 외부지점)에서 회귀 도체 전선을 분기시켜 변전소 내부의 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결되도록 할 수 있다. 다른 예를 들면 변전소 외부 방향으로 인출되는 중성선의 변전소 내부에서의 임의의 위치(접지되는 위치 또는 접지되지 않는 위치도 가능)에서도 회귀 도체 전선이 분기되어 공통 메쉬 접지망에 연결될 수도 있다.

다만, 이와 같은 회귀 도체 전선(G~Q전선)이 분기되는 위치는, 1선지락고장전류, 3상 지락고장전류 등과 관련되어 있으며, 즉, 1선지락고장전류 및 1선지락시의 건전상대지전위와 연관된 유효접지기준을 만족하면서 1선지락고장전류가 3상고장전류보다 작아야 한다. 반드시 전력계통의 기본적인 요구에 따라서 회귀도체 전선(G~Q전선)을 적용할 때 분기위치를 유효접지기준을 만족하면서 1선지락고장전류가 3상 지락고장전류 보다 작게 되는 위치로 선정하여야 한다. 1선지락고장전류는 3상 송배전 선로의 A,B,C 중 한 상의 선로가 대지 등과 접촉되어 발생하는 고장전류이고(도 5 참조), 3상 지락고장전류는 3상 송배전 선로의 A,B,C 3상의 모든 선로가 대지 등과 연결되어 발생되는 고장전류이다.

회귀 도체 전선(G~Q 전선)이 분기되는 위치는 상도체(A, B, C), 중성선(N), 접지도체 및 공통메쉬접지망의 저항 등 각각의 임피던스를 적용한 도 3과 같은 계통해석모형으로 해석하여 1선지락고장전류가 3상고장전류 보다 적으면서도 유효접지기준(건전상 대지전위 1.33PU 이내) 을 만족하는 위치로 선정한다.

이를 조금 더 세부적으로 설명하면 도 3과 같이 단위 길이당 임피던스 Rn+jXn인 도체 전선으로서 변전소 외부방향으로 인출된 중성선의 소정의 위치(예, Q)까지의 임피던스가 ZL2이고, 회귀 도체 전선(G~Q전선)의 임피던스가 Zg2로 등가 모델링 될 수 있으며, 이와 함께 공통 메쉬 접지망의 임피던스 Rmesh, 각 전신주의 접지를 위한 분기 도체 전선의 임피던스 R_G1, R_G2, R_G3, ..등으로 등가 모델링 될 수 있고, 1차측 Y 결선(110)의 중성점(N)의 공통 메쉬 접지망까지의 임피던스 등을 함께 고려하여, 회귀 도체 전선(G~Q전선)이 분기되는 위치가 별도의 해석모형에 의해 결정될 수 있다.

위와 같은 별도의 해석모형을 적용하여 시뮬레이션 해석한 결과, 도 4와 같이 NGR(j0.6Ω)을 적용하였을 ? 변전소 변압기 접지설계 구조에서 모선 A에서의 1선지락고장전류가 6.409kA를 나타낼 수 있고, 동일한 조건에서 본 발명의 회귀 도체 전선(G~Q전선)을 사용하는 구조에서는 도 5와 같이 모선 A에서의 1선지락고장전류가 6.841kA를 나타낼 수 있다.

이와 같은 해석 결과 도 6과 같이, NGR(j0.6Ω)을 사용하는 도 4의 현재방식에서도 1선지락고장전류(6.409kA)가 3상 지락고장전류(7.694kA) 보다 작게되지만, 회귀 도체 전선(G~Q전선)을 사용하는 본 발명의 도 5의 방식에서도 1선지락고장전류(6.841kA)가 3상 지락고장전류(7.694kA) 보다 작게 되고, 또한, 건전상대지전위가 1.231(PU)로서 소정의 유효접지 기준 (1.33PU=1.33*22.9kV)이하로 만족되므로, NGR과 동일한 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

참고로, 직접접지 방식(2차측 Y 결선(120)의 중성점(N)을 변전소 내에서 공통 메쉬 접지망에 직접 연결시키는 방식)에서는 도 6과 같이 1선지락고장전류(8.114kA)가 3상 지락고장전류(7.694kA) 보다 커지며, 비접지 방식(2차측 Y 결선(120)의 중성점(N)을 변전소 내에서 공통 메쉬 접지망에 연결시키지 않고 개방하는 방식)에서는 도 6과 같이 건전상대지전위가 유효접지 기준(접지계수75%, 1.33PU 이하) 보다 커지는 문제가 있어서, 변전소 변압기 등 변전설비의 고장, 파괴 등 장애가 발생될 수 있다. 이와 같이 직접접지방식은 1선지락전류가 3상고장전류보다 커지는 문제점, 비접지방식은 건전상대지전위가 유효접지기준을 만족시키지 못하는 문제점이 각각 있어서 실제 적용하기가 곤란하다.

도 7은 현재 방식 및 본 발명에서 다양한 회귀도체 전선의 길이와 선종에 따른 고장 전류와 유효접지 기준(접지계수75%, 1.33PU 이하) 만족여부를 설명하기 위한 비교표이다. 도 7과 같이, 회귀도체 전선(G~Q전선)으로서 위와 같은 해석에 사용된 동일한 도체 전선을 100m, 200m, 300m 등 분기위치를 다르게 했을 때의 고장전류의 조건과 건전상대지전위의 조건을 비교한 것이다. 이러한 해석을 통하여 유효접지기준과 1선지락고장전류가 3상고장전류 보다 적은 가를 확인하는 과정을 거쳐서 분기위치를 선정해야 한다. 이외에도 회귀 도체 전선(G~Q전선)으로서 다양한 단위 길이 임피던스, 즉, 0.301+j0.6, 0.602+j1.2, 0.903+j1.8 등을 갖는 다른 종류의 전선에서도 소정의 길이(예, 100m)에서 고장전류의 조건과 건전상대지전위의 조건을 만족시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

3상 송배전 선로로 전력을 공급하는 변전소 변압기 접지 운영방법에 있어서,
3상 송배전 선로 중 변전소 내부의 변압기 중성점에서 상기 변전소 외부 방향으로 인출된 중성선의 미리 결정된 상기 변전소 내부 혹은 외부의 특정한 위치에서 연결되도록 회귀 도체 전선을 분기시키는 단계; 및
상기 회귀 도체 전선을 상기 변전소 내부의 대지에 매설된 공통 메쉬 접지망까지 연장하여 연결시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 접지 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정의 위치는, 상기 3상 송배전 선로에서 상기 회귀 도체 전선에 의해 1선지락고장전류가 3상 지락고장전류 보다 작게되면서도 유효접지기준을 만족하는 위치로서 미리 결정된 상기 변전소 내부 혹은 외부의 특정한 지점인 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 접지 운영방법.
제1항에 있어서,
상기 소정의 위치는, 상기 변전소 내부 혹은 외부에서 상기 중성선이 접지를 위해 분기되는 위치인 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 접지 운영 방법.
제3항에 있어서,
상기 분기되는 위치가 상기 변전소 외부의 전신주의 위치인 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 접지 운영 방법.
3상 송배전 선로로 전력을 공급하는 변전소 변압기에 있어서,
3상 송배전 선로와 연결된 변압기의 Y결선과 해당 중성점; 및 변전소의 내부대지에 매설된 공통 메쉬 접지망에 연결되는 회귀 도체 전선을 포함하고,
상기 회귀 도체 전선은, 상기 변압기의 상기 중성점에 연결되어 상기 변전소의 외부 방향으로 인출된 중성선의 소정의 위치에서 연결되어 분기된 전선으로서, 분기된 해당 위치에서 상기 변전소 내부 상기 공통 메쉬 접지망까지 연장하여 연결시킨 전선인 것을 특징으로 하는 변전소 변압기.