KR20150085367A - 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법 - Google Patents

초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20150085367A
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김창환
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Abstract

본 발명은 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고장전류 저감 장치는 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시점을 이용하여 고장각을 검출하는 고장각 검출부; 및 서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 상기 고장각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작시키는 스위치 제어부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 전력 계통의 고장 초기에 발생하는 비대칭 고장 전류를 즉시로 저감시킬 수 있다. 또한, 고장 발생 이후 반주기 이전과 이후의 대처 방안을 차별적으로 적용함으로써 계통에 연결된 기기들의 손상을 방지하고, 보호기기의 정상 동작 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR REDUCING ASYMMETRIC FAULT CURRENT USING SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER AND METHOD THEREOF}
본 발명은 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메인 한류기에 추가적인 보조 한류기를 이용하여 고장 발생 초기에 고장전류를 저감하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
급속한 산업발전으로 전력에너지 사용량이 증가함에 따라 전력 계통은 더욱 대용량화되고 있으며, 계통 간 연계 확대 및 분산 전원 도입 등 고품질, 신뢰성 향상을 위한 전원의 다원화가 진행되고 있다. 이러한 변화는 전력 계통의 총 임피던스를 감소시켜 고장 전류의 크기를 증가시키는 원인이 되어 고장 전류를 저감시키기 위한 다양한 방안들이 계통에 적용되어 왔다.
그러나 차단기 교체, 한류 리액터 설치 그리고 변압기 임피던스 제어 등의 방안들은 평상시에 손실 발생, 용량 증대에 따른 교체 비용, 기술적 제약 및 신뢰도 하락 등의 문제점을 수반한다.
기존의 고장 전류 억제 방안들이 지닌 문제점을 해결하기 위하여 평상시 무임피던스 특성을 갖는 초전도 소자를 이용한 한류기를 계통에 적용하는 새로운 방안이 제시되었다. 초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter: SFCL)는 정상 운전시 계통에 영향을 주지 않으나 사고 발생시 초전도 상태 이탈로 임피던스를 발생시켜 사고 전류를 제한하게 되므로 기존 방안들이 갖고 있는 문제점을 보완해줄 수 잇는데 보호설비 대안으로 평가되어 현재까지 다양한 종류의 초전도 한류기가 연구 개발되고 있다.
지금까지 개발된 초전도 한류기 중 하이브리드 초전도 한류기는 고장 발생시 반주기 이내 및 이후에 동작하는 방식으로 크게 분류할 수 있으며, 고장 발생시 초전도 소자는 트리거의 역할만을 하고 병렬 연결된 한류 소자를 통해 고장 전류를 제한하도록 설계되어 초전도 소자의 부담을 줄일 수 있게 되어 회복 특성, 손실, 냉각 및 경제성 등의 부분에서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 반주기 이후 동작 하이브리드 초전도 한류기는 현장에서의 보호협조를 용이하도록 하기에 선호되는 방식이다.
하이브리드 초전도 한류기의 초전도 소자 및 한류 소자의 임피던스는 일반적으로 계통 내 구성된 보호기기의 차단용량 및 정상상태 고장전류를 고려하여 설계된다. 하지만, 계통에 고장이 발생하게 되면 고장 전류는 계통 조건 및 고장 발생 시점에 따라 초기에 직류 성분이 포함된 비대칭 고장 전류(asymmetric fault current) 특성을 가지며 그 크기나 파형이 다른 양상으로 나타나게 되므로 고장전류의 정상상태 크기만을 고려하여 설계된 초전도 한류기의 경우에는 고장전류 크기에 따른 임피던스 조절이 용이하지 않아 실제 원하는 값으로 고장전류를 제한하지 못하는 경우도 발생하게 되어 계통내 보호기기의 오동작 또는 부동작을 초래하여 송전설비 밀도가 높은 우리나라의 경우 고장시 파급효과가 커질 수 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0054229호(2011.05.25)에 기재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 초전도 한류기의 이용과 더불어 고장 초기에 발생하는 비대칭 고장 전류의 영향을 저감시키는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치는, 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시점을 이용하여 고장각을 검출하는 고장각 검출부; 및 서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 상기 고장각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작시키는 스위치 제어부를 포함한다.
또한, 상기 고장각 검출부는, 상기 전류 파형의 영교차 시점과 상기 고장 발생 검출 시점의 시간 차이를 연산하고, 연산된 시간 차이에 대응하는 위상을 상기 고장각으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고, 상기 고장각이 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위에서 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서, 고장 발생 이후 반주기 동안 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고, 상기 반주기 이후에 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치에 의한 비대칭 고장전류 저감 방법은, 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시 검출된 시점을 이용하여 고장각을 검출하는 단계; 및 서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 상기 고장각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작하도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명인 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법에 따르면, 전력 계통의 고장 초기에 발생하는 비대칭 고장 전류를 즉시로 저감시킬 수 있다. 또한, 고장 발생 이후 반주기 이전과 이후의 대처 방안을 차별적으로 적용함으로써 계통에 연결된 기기들의 손상을 방지하고, 보호기기의 정상 동작 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 2는 고장각에 따른 고장전류의 양상을 나타내는 그래프이다.
도 3은 고장각이 90도인 경우, 반주기 이후에 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4는 고장각이 0도인 경우, 반주기 이후에 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법에 관한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보조 초전도 한류기와 비대칭 고장전류 저감 장치를 포함하는 시스템의 모델링을 나타낸 도면이다.
도 7은 고장각이 90도인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 메인 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8은 고장각이 0도인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보조 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 1에서, 본 발명에 따른 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치(100)는 고장각 검출부(110) 및 스위치 제어부(120)를 포함한다. 이에 추가적으로 보조 초전도 한류기(200) 및 메인 초전도 한류기(300)를 포함하여 전체 시스템을 구성할 수 있다.
고장각 검출부(110)는 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시각과 고장 발생 시 검출된 시각 데이터를 이용하여 고장 발생 각을 검출한다.
또한, 고장각 검출부(110)는 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 검출 시점의 시간 차이를 연산하고, 연산된 시간 차이에 대응하는 위상을 상기 고장각으로 판단할 수 있다.
스위치 제어부(120)는 서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기(200)와 메인 초전도 한류기(300)를 고장 발생 각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작시킨다.
또한, 스위치 제어부(120)는 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서 보조 초전도 한류기(200)를 동작시키고, 고장각이 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위에서 메인 초전도 한류기(300)가 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 스위치 제어부(120)는, 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서, 고장 발생 이후 반주기 동안 보조 초전도 한류기(200)를 동작시키고, 반주기 이후에 상기 메인 초전도 한류기(300)가 동작하도록 제어할 수 있다.
이하 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법에 대한 설명에 앞서, 도 2를 통하여 계통의 고장 발생, 고장 전류의 양상 및 초전도 한류기의 기본 동작에 대해 설명한다.
도 2는 고장각에 따른 고장전류의 양상을 나타내는 그래프이다.
계통에 고장이 발생하면 고장 전류는 계통 및 고장 발생 시의 조건에 따라 도 2와 같이 고장 발생 직후의 과도상태에서 시간 축에 대하여 대칭이 아닌 전류가 흐르게 되며, 이에 대한 영향으로 나타나는 전류를 비대칭 고장 전류라 한다.
비대칭 고장 전류는 시간 축에 대하여 대칭인 교류 성분(ac component)과 고장 발생 직후의 과도 상태에서 시간 경과에 따라 진동 감쇠하며 소멸하는 직류 성분(dc component)으로 구성되어 있다. 직류 성분은 교류 성분 전류의 오프셋을 유발하며 오프셋의 정도는 계통의 X/R의 비와 고장 발생 시점의 전원 위상에 의해 결정된다. 저항과 인덕터가 연결된 직렬 R-L 회로에서의 고장 전류는 전압 방정식에 관한 미분방정식의 해로 구할 수 있고 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
Figure pat00003
이다.
수학식 1에서와 같이 고장 발생 시의 고장 전류는 직류 성분과 교류 성분으로 구성되며 직류 성분에 의한 오프셋은 시정수
Figure pat00004
을 가지고 지수 함수적으로 감소하며 일정시간 이후 소멸한다.
고장이 발생한 직후의 과도 상태에서, 직류 성분의 크기는 비대칭 고장 전류의 크기를 결정하는 결정적인 요소이며, 회로의 저항과 리액턴스 값이 정해진 경우 고장 발생 시점에서의 전원 위상에 따라 그 크기 변화 범위는 수학식 2와 같다.
Figure pat00005
여기서, α 가 고장 발생시점(각도)이고, θ가 전원의 위상인 경우, α-θ를 고장각(fault angel)으로 정의한다.
도 2에서, ifault angle 0은 고장각이 0도인 경우의 고장전류를 나타내고, ifacult angle 90은 고장각이 90도인 경우의 고장전류를 나타내고, idc component는 고장전류에 포함된 과도 직류 성분을 나타낸다.
도 2에서, 고장 발생 시의 위상에 따라 직류 성분에 의한 오프셋이 발생하며 이로 인하여 고장 전류의 파고치가 결정됨을 알 수 있다.
즉, α-θ가 0도 또는 π의 정수배인 경우, 과도 진동이 존재하지 않게 되어 정상 상태 고장 전류값과 거의 동일하게 나타나며, 90도의 정수배인 경우 고장 초기에 발생하는 직류 오프셋 성분을 포함하게 되어 최초 1주기 내에서 고장전류의 파고치가 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 계통의 X/R비는 계통 고장 발생 지점 본연의 값이므로, 고장 발생 순간의 위상을 정확히 검출할 수 있다면 고장 전류 중 직류 성분의 포함 여부를 알 수 있으므로 비대칭 고장 전류의 크기를 예측할 수 있다.
하이브리드 초전도 한류기는 크게 초전도 소자, 고속 스위치 그리고 한류 소자 부분으로 구성되어 있다. 평상시 초전도 소자와 고속 스위치를 통해서 정상 전류가 흐르고, 고장 발생시 초전도 소자에 임계전류 이상의 전류가 흘러 ?치가 발생되면 고속 스위치가 동작하여 병렬로 연결된 한류 소자로 전류를 우회시켜 한류 임피던스에 의해 고장 전류를 제한하는 동작 특성을 가지며, 투입되는 시기에 따라 고장 발생 반주기 이내 및 이후 동작을 하는 두 가지 종류로 나눌 수 있다.
초전도 소자는 고장 발생 시 트리거 역할만을 하므로 저항형 초전도 한류기에 비해 초전도 소자의 사용량을 상대적으로 저감시킬 수 있어 회복 시간, 소형화, 경제성 등의 부분에서 많은 장점을 가지고 있다.
고장 발생 각에 따른 초전도 한류기 동작 특성을 분석하기 위하여 기존 보호기기와의 보호협조에 용이한 반주기 이후 동작 하이브리드 초전도 한류기를 우선적으로 계통에 설치하여 90도와 0도의 고장각을 갖는 고장을 발생시켰으며 그에 따른 동작 파형을 도 3 과 도 4에 각각 도시하였다.
도 3은 고장각이 90도인 경우, 반주기 이후에 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3의 고장 예에서 고장이 약 T=0.1[s]에서 발생하여, 메인(main) 한류기(Superconducting Fault Current Limiter: SFCL)는 T=0.17[s]에 동작하였다. Rsc_main 은main SFCL이 ?치되면서 계통에 투입되는 저항을 의미한다.
도 4는 고장각이 0도인 경우, 반주기 이후에 초전도 한류기 적용 시의 고장 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4의 고장 예에서 고장이 약 T=0.1[s]에서 발생하여, 메인 SFCL이 T=0.15[s]에 동작하였다.
도 3 및 도 4에서, 초전도 한류기 동작 이후의 정상 상태 고장 전류 파고치는 1.0[P.U]로 동일하나 반주기 이후 동작 특성상 최초1주기 내의 고장 전류를 저감시키지 못하므로 고장 전류 파고치는 고장각이 90도인 도 3의 경우 1.3[P.U], 고장각이 0도인 도 4의 경우 2.1[P.U]로서 고장각 0도의 고장 전류가 고장각 90도의 고장 전류보다 약 1.6배 크게 나타남을 알 수 있다.
고장 전류는 고장각에 따라 그 크기가 정해지며, 고장 발생시 최초 1주기 내의 비대칭 고장 전류의 크기가 가장 크게 나타난다.
기존의 반주기 이후 동작 초전도 한류기의 경우 고장 발생 초기 1주기 내의 비대칭 고장 전류 크기를 직접적으로 제한하지 못하는 동작 특성을 가지며, 반주기 이내 동작 초전도 한류기의 경우 비대칭 고장 전류의 크기를 고려하여 설계할 경우 정상 상태에서의 부하 전류와 고장시 초전도 한류기의 임피던스에 의해 제한된 고장 전류를 구분할 수 없게 되어 차단기 등의 보호기기 부동작을 유발하는 경우도 발생하게 된다.
이를 보완하기 위하여 도 1과 같이 반주기 내 한류형 하이브리드 초전도 한류기를 보조 초전도 한류기(200)로, 반주기 이후 초전도 한류기를 메인 초전도 한류기(300)로 설정하여 2대의 한류기를 계통에 직렬로 설치하여 상호 동작을 통한 비대칭 고장전류 저감 시스템을 구성하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보조 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법의 순서도이다.
먼저 정상 운전중인 계통이 지락에 의한 고장이 발생한다고 가정한다(S501). 계통에 고장이 발생하면 A 블록에서와 같이 고장각 검출부(110)는 고장 발생 시각 테이터를 추출한다(S502). 여기서, 고장각 검출부(110)는 고장 발생 이전에 영교차 시각을 기록을 기록한다(S503). 다음으로 고장각 검출부(110)는 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점의 영교차 시각(S504)과 고장 시점의 고장 발생 시각 데이터(S502)를 이용하여 고장각을 연산한다(S505). 즉, 고장각 검출부는 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시점의 시간 차이를 연산하고, 연산된 시간 차이에 대응하는 위상을 상기 고장각으로 판단한다.
다음으로 고장각 검출부(110)는 고장각의 범위를 판단한다(S506). 즉, 고장각 검출부(110)는 고장각이 45도를 기준으로 0도에 가까운지 90도에 가까운지를 판단한다.
여기서, 정현파는 대칭성을 가지는 사인파라는 점에서, 고장각이 0에 가까운 경우는 고장각의 범위가 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위인 경우이다.
또한, 정현파의 대칭성을 감안하면, 고장각이 0에 가깝지 않은 경우는 고장각의 범위가 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위인 경우이다.
스위치 제어부(120)는 서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 고장 발생 각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작시킨다(B 블록 내지 D 블록).
먼저, 고장각이 0도에 가까운 경우(Yes), 즉 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위인 경우, 스위치 제어부(120)는 보조 초전도 한류기가 동작하도록 제어할 수 있다(B 블록).
고장각이 0도에 가깝지 않은 경우(No), 즉 고장각이 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위인 경우, 스위치 제어부(120)는 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어할 수 있다(C 블록).
특히, 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서, 보조 초전도 한류기(200)가 자동으로 ?치되어(S507) 계통에 우선 투입되어 고장 발생 초기 반주기 동안만 동작하여 비대칭 고장 전류를 즉시 제한한다(S508).
다음으로, T가 반주기보다 크면, 즉 고장 발생 시점으로부터 반주기가 경과하면(S509), 메인 초전도 한류기(300)가 ?치되고(S510), 스위치 제어부는 스위치(sw1:off, sw2: on)를 제어하여(S511) 보조 초전도 한류기를 초전도 상태로 회복한다(S512). 그리고 이후의 고장 전류에 대해서는 메인 초전도 한류기가 제한한다(S514). 이후에, 발생한 고장이 복구되면, 메인 한류기를 회복되고(S515), 스위치 제어부(S120)는 스위치(sw1:on, sw2: off)를 제어한다(S5160).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보조 초전도 한류기와 비대칭 고장전류 저감 장치를 포함하는 시스템의 모델링을 나타낸 도면이다.
도 6은 보조 초전도 한류기(200)의 회로도로서 도 5의 동작 알고리즘을 EMTP/MODELS 언어를 통해 회로 소자로 구현되었으며 모의 계통에 투입하여 메인 초전도 한류기와 상호 동작이 가능하다.
초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치(100)의 모의 시험을 위한 EMTP 모의 배전 계통을 구성하는 것이 가능하다. 본 모의 시험에서는, 일반적으로 계통에서 가장 많이 발생하는 1선 지락 고장을 피드 1부하측에 모의하였으며 고장 저항은 0옴으로 가정하였다. 고장 발생 각 90도(Case A)와 0도(Case B)에서의 고장을 모의하였으며, 배전 계통 및 보조 및 메인 초전도 한류기의 데이터는 표1과 같다.
주변압기 1544/22.9[kV-Y], 60[MVA], %Z=20
선로 0.182+j0.39[Ω/km]
ZL1, ZL2=1[km], ZL3=3.5[km]
부하 Load1: 19.0+j6.2[MVA]
Load2: 9.5+j3.1[MVA]
Load3: 14.3+j4.7[MVA]
보조 초전도 한류기
(Aux. SFCL)		 메인 초전도 한류기
(Main SFCL)
동작 전류 2,000[Arms] 2,000[Arms]
초전도소자 1[Ω] 1[Ω]
한류 저항 2[Ω] 2[Ω]
?칭 시간 0.1[ms] 0.1[ms]
회복 시간 50[ms] 50[ms]
모의 시험에 앞서 메인 초전도 한류기만을 우선적으로 설치한 계통에 0도와 90도 고장을 발생시켜 메인 초전도 한류기에 의해 제한된 정상 고장 전류의 파고치를 1[P.U]로 설정한 다음 각각의 비교군으로 활용하였다.
도 7은 고장각이 90도인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300) 적용 시의 고장 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 7은 Case A의 모의 결과이며 고장 발생 각이 90도이므로 고장각 검출부 (110)의 동작 설정 범위를 만족하지 않으므로 보조 초전도 한류기(200)의 동작이 활성화되지 않았고, 따라서 최초 1주기 내의 비대칭 고장 전류 파고치가 1.3[P.U]로 동일하게 나타나며, 고장 발생 반주기 이후에 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300)만 동작하여 고장전류의 크기를 제한함을 확인할 수 있다.
도 7에서, Rsc _ main 은 메인 초전도 한류기(300)의 동작에 따라 투입된 저항 성분을 나타내고, isw1 및 isw2 은 도 1에서 스위치 sw1 및 sw2의 양단에 흐르는 전류를 각각 의미한다.
도 8은 고장각이 0도인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200) 및 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300) 적용 시의 고장 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8은 Case B의 모의 결과이며 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300)만 설치된 계통에 고장 발생 각이 90도인 경우와 동일한 조건하에서 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200)를 추가 설치하였을 경우의 고장 전류 파형을 나타낸다.
고장각이 0도로 고장각 검출부(110)의 동작 설정 범위를 만족하므로 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200)의 초전도 소자가 ?치되고 고속 스위치가 동작하여 한류 저항에 의해 최초 1주기 내의 비대칭 고장전류의 크기를 1차적으로 제한하고, 이후 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300)의 초전도 소자가 ?치되면 스위치 제어부(110)에 의해 보조 초전도 한류기는 초전도 상태로 회복하게 되고 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300)의 한류 저항에 의해 고장 전류의 크기가 제한됨을 확인할 수 있다.
도 8에서, Rsc _ aux 은 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200)의 동작에 따라 투입된 저항 성분을 나타내고, Rsc _ main 은 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300)의 동작에 따라 투입된 저항 성분을 나타내고, isw1 및 isw2 은 도 에서 스위치 sw1 및 sw2의 양단에 흐르는 전류를 각각 의미한다.
비대칭 고장 전류의 파고치는 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200) 도입 전 약 2.0[P.U]에서 도입 후 약 1.4[P.U]로 30% 가량 저감된 것을 확인할 수 있어 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200)의 투입이 효과적임을 알 수 있다. 또한 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200) 도입 전후의 메인 초전도 한류기(main SFCL, 300) 동작 시간이 동일함으로 보조 초전도 한류기(aux SFCL, 200) 도입으로 인한 보호 기기의 오동작, 부동작 및 과전류 계전기의 재정정을 최소화시킬 수 있을 것으로 사료된다.
모의 결과에서 나타나는 바와 같이, 고장각 계산을 통한 보조 초전도 한류기 동작 방법으로 접근한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법은 계통에 연결된 기기들의 손상을 방지하고, 보호기기의 정상 동작 신뢰도 향상에 기여할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 보조 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치 및 그 방법에 따르면, 전력 계통의 고장 초기에 발생하는 비대칭 고장 전류를 즉시로 저감시킬 수 있다. 또한, 고장 발생 이후 반주기 이전과 이후의 대처 방안을 차별적으로 적용함으로써 계통에 연결된 기기들의 손상을 방지하고, 보호기기의 정상 동작 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 비대칭 고장전류 저감 장치,
110: 고장각 검출부, 120: 스위치 제어부,
200: 보조 초전도 한류기, 300: 메인 초전도 한류기

Claims (8)

  1. 전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시점을 이용하여 고장각을 검출하는 고장각 검출부; 및
    서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 상기 고장각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작시키는 스위치 제어부를 포함하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고장각 검출부는,
    상기 전류 파형의 영교차 시점과 상기 고장 발생 검출 시점의 시간 차이를 연산하고, 연산된 시간 차이에 대응하는 위상을 상기 고장각으로 판단하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고,
    상기 고장각이 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위에서 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서,
    고장 발생 이후 반주기 동안 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고,
    상기 반주기 이후에 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치.
  5. 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 장치에 의한 비대칭 고장전류 저감 방법에 있어서,
    전력 계통의 정상 운전시 기록된 전류 파형의 영교차 시점과 고장 발생 시점을 이용하여 고장각을 검출하는 단계; 및
    서로 직렬로 연결된 보조 초전도 한류기와 메인 초전도 한류기를 상기 고장각의 범위에 따라 순차적으로 계통에 동작하도록 제어하는 단계를 포함하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 고장각을 검출하는 단계는,
    상기 전류 파형의 영교차 시점과 상기 고장 발생 검출 시점의 시간 차이를 연산하고, 연산된 시간 차이에 대응하는 위상을 상기 고장각으로 판단하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고,
    상기 고장각이 45도 이상 135도 미만, 또는 225도 이상 315도 미만의 범위에서 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 고장각이 0도 이상 45도 미만, 또는 135도 이상 225도 미만, 또는 315도 이상의 범위에서,
    고장 발생 이후 반주기 동안 상기 보조 초전도 한류기를 동작시키고,
    상기 반주기 이후에 상기 메인 초전도 한류기가 동작하도록 제어하는 초전도 한류기를 이용한 비대칭 고장전류 저감 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220036091A (ko) * 2020-09-15 2022-03-22 창원대학교 산학협력단 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기의 보호장치
KR20220053443A (ko) * 2020-10-22 2022-04-29 주식회사 씨앤유글로벌 배선 계통의 단선 선로에 의한 사고 예방 방법

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