KR20190019733A

KR20190019733A - 조상 장치 및 이의 제어 방법

Info

Publication number: KR20190019733A
Application number: KR1020170105036A
Authority: KR
Inventors: 윤종원
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2019-02-27
Also published as: KR102257756B1

Abstract

본 발명은 조상 장치에 대한 것으로서, 더 상세하게는 전력용 콘덴서의 직렬 리액터를 최적화하는 조상 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 4.5% 직렬 리액터를 적용함으로써 콘덴서에서 발생되는 5고조파전류의 유출을 방지하고, 직렬 리액터의 소손을 방지하기 위하여 Sh.C(Shunt Capacitor) 설비를 특정 전압으로 운전한다.

Description

조상 장치 및 이의 제어 방법{Phase modifying apparatus and Method for controlling the same}

본 발명은 조상 장치에 대한 것으로서, 더 상세하게는 전력용 콘덴서의 직렬 리액터를 최적화하는 조상 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.

일반적으로 전력계통(electric power system)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계를 말한다. 전력계통에서 송전 및/또는 배전의 효율을 증대하기 위해 345kV, 229kV, 170kV, 154kV 등과 같은 고압으로 전력을 전송하는데, 수요처까지 전송되는 과정에서 여러 변전소를 통한 변압 과정을 거치게 된다.

또한, 변전소에서는 전력수요에 따라 전력 계통의 전압을 제어하는 STATCOM(STATic synchronous COMpensator) 등과 같은 유연 송전 설비(FACTS, Flexible AC Transmission System)등을 연결하여 사용한다.

특히, 송전압의 적정 범위 유지를 위하여 무효전력을 제어하는데, 일반적으로 전력용 콘덴서나 리액터 등의 조상 설비가 많이 활용되고 있다. 부연하면, 2000년 이후 부하 증가에 따른 전력 손실 감소와 전압강하 보상을 목적으로 대용량 전력용 콘덴서등이 설치되고 있다.

그런데, 이러한 대용량 전력 콘덴서가 설치된 이후 직렬 리액터 소손 고장이 빈번하게 발생하고 있다. 직렬 리액터의 소손 대책으로는 직렬 리액터의 리액턴스를 감소 변경하는 방식이 사용되고 있다. 즉, 변경전 6.0%, 82.1(mH), 32Ω에서 변경후 2.4%, 35.0(mH), 13Ω이 된다.

그러나, 이러한 소손 대책에도 불구하고, 모선전압을 162kV 운전시 콘덴서 설비에는 172kV가 인가되고, 콘덴서 사용전압(165kV)의 초과 전류 증가로 직렬리액터 소손이 발생하므로, 6.0% 직렬 리액터는 모선전압을 155kV 이하로 운전해야 되는 문제점이 발생한다.

또한, 전력계통 환경변화로 계통내에 고조파 다량 유입으로 콘덴서 유전체의 파손, 콘덴서 수명 단축 등의 고장이 유발된다는 문제점이 있다.

또한, 2.4% 직렬 리액터로 변경 이후 154kV Sh.C(Shunt.Capacitor) 5고조파 전류 유출과 161kV 이상의 과전압 운전으로, Sh.C의 고장지속 및 계통설비(발전기, 대용량 변압기)에 고장이 파급된다는 문제점이 있다.

이러한 5고조파 전류 유출로 인해 직렬 리액터가 포화되어 기능정지, 도체로 변환되고 콘덴서 설비와 전원측의 유도리액턴스 성분인 변압기, 발전기간 계통 공진이 발생하여 전원측 변압기 및 발전기간 고장이 발생한다는 문제점이 있다.

1. 한국공개특허번호 제10-2009-0054256호 2. 한국등록특허번호 제10-0918071호(등록일자: 2009.09.11)

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 전력용 콘덴서의 직렬 리액터를 최적화하는 조상 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 5고조파 전류의 유출을 방지할 수 있는 조상 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 직렬 리액터의 소손을 방지할 수 있는 조상 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전력용 콘덴서의 직렬 리액터를 최적화하는 조상 장치를 제공한다.

상기 조상 장치는,

특정 전압 범위를 갖는 모선의 일단과 연결되는 다수의 직렬 리액터;

상기 직렬 리액터와 연결되는 다수의 전력용 콘덴서 뱅크;

일단이 상기 전력용 콘덴서와 연결되며 한쪽이 접지되는 중성점 접지 저항; 및

상기 모선의 타단과 연결되며 상기 다수의 직렬 리액터의 전단에 연결되어 상기 모선으로부터 전력 계통 고장을 감지하는 통합 계전기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 상기 통합 계전기에 연결되며 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이에 배치되어 전류를 센싱하는 제 1 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 타단이 상기 중성점 접지 저항과 연결되며 일단이 상기 통합계전기와 연결되어 지락 고장시 전류를 제한하는 지락 과전류 계전기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 상기 지락 과전류 계전기에 연결되며 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이에 배치되어 전류를 센싱하는 제 2 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 상기 다수의 전력용 콘덴서 뱅크는, 병렬로 연결되는 다수의 커패시터; 및

또한, 상기 다수의 커패시터를 각각 가지며 직렬로 연결되는 다수의 커패시터 뱅크;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 다수의 커패시터의 각 용량은 5.99μF인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 모선은 2상 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 다수의 전력용 콘덴서 뱅크는 각각 하나의 상에 할당되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 다수의 직렬 리액터는 각각 상기 다수의 전력용 콘덴서에서 발생하는 5고조파 전류 유출을 방지하기 위해 4.5% 직렬 리액터를 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 상기 모선과 상기 통합 계전기 사이에 설치되어 상기 모선으로부터 전기적으로 절환하는 자동 절환 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 기준 노드를 중심으로 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전류간의 차이가 미리 설정된 기준값 이상이면 동작하는 전류 차동 계전기:를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조상 장치는, 상기 모선과 직렬 리액터 사이에 배치되며, 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전력을 센싱하는 제 3 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 직렬 리액터의 소손을 방지하기 위하여 상기 특정 전압 범위는 156∼157kV인 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 모선에 특정 전압 범위를 부과하는 단계; 및 (b) 통합 계전기가 상기 모선으로부터 전력 계통 고장을 감지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는, 상기 통합 계전기에 연결되고 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이에 배치되어 제 1 전류 센서가 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이의 전류를 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는, 타단이 상기 중성점 접지 저항과 연결되며 일단이 상기 통합계전기와 연결되는 지락 과전류 계전기가 지락 고장시 전류를 제한하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제어 방법은, 상기 지락 과전류 계전기에 연결되며 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이에 배치되는 제 2 전류 센서가 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이의 전류를 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는, 전류 차동 계전기가 기준 노드를 중심으로 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전류간의 차이가 미리 설정된 기준값 이상이면 동작하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제어 방법은, 상기 모선과 직렬 리액터 사이에 배치되는 제 3 전류 센서가 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전력을 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제어 방법은, 상기 모선과 상기 통합 계전기 사이에 설치되는 자동 절환 스위치가 상기 모선으로부터 전기적으로 절환하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 4.5% 직렬 리액터를 적용함으로써 콘덴서에서 발생되는 5고조파전류의 유출을 방지하여 Sh.C(Shunt Capacitor) 설비 및/또는 계통의 유도 리액턴스 설비인 변압기류, 발전기의 고장을 감소시킨다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 4.5% 직렬 리액터를 적용하더라도 2.4% 직렬 리액터 전력용 콘덴서를 특정 전압으로 운전한 효과와 동일하다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 고장이 감소함에 따른 Sh.C(Shunt Capacitor) 설비 및/또는 계통의 운전이 개선된다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 계통 손실 절감 및 경비 절약이 도출될 수 있다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 조상 장치의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2.4% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 4.5% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 6.0% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 전류원 부하가 있는 계통의 고조파 발생원을 보여주는 등가회로이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 전류원 부하가 있는 계통의 임피던스 등가 회로이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 154kV의 션트 커패시터 등가 회로이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상 리액터 과부하(Phase Reactor Overload)의 측정 결과를 보여주는 측정 결과 화면예이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 계측 데이터 화면예이다.
도 10 내지 도 13은 설비별 고조파 전류 측정 그래프를 보여주는 화면예이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 조상 장치 및 이의 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 조상 장치(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 조상 장치(100)는 모선(110)의 일단과 연결되는 직렬 리액터(160), 상기 직렬 리액터(160)와 연결되는 전력용 콘덴서 뱅크(150), 일단이 상기 전력용 콘덴서 뱅크(150)와 연결되며 한쪽이 접지되는 중성점 접지 저항(140), 상기 모선(110)의 타단과 연결되는 통합 계전기(120), 타단이 상기 중성점 접지 저항과 연결되며 일단이 상기 통합 계전기(120)와 연결되어 지락 고장시 전류를 제한하는 지락 과전류 계전기(130), 및 상기 모선과 상기 통합 계전기 사이에 설치되어 상기 모선(110)으로부터 전기적으로 절환하는 자동 절환 스위치(101) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

직렬 리액터(160)는 전력용 콘덴서(150)의 5고조파 전류 유출을 방지하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일실시예에서는 4.0% 이상∼ 6 % 직렬 리액터가 적용될 수 있다. 직렬 리액터(160)는 35mH 212A가 사용된다. 따라서, 예를 들면, 직렬 리액터 13(Ω) 35mH, 전력용 콘덴서 1상 저항 530.7(Ω)이면, 13 / 530.7 = 0.024 × 100 = 2.4 %이다.

전력용 콘덴서 뱅크(150)는 병렬로 연결되는 커패시터(151-1)를 직렬로 연결하는 6개의 커패시터 뱅크(151)를 직렬로 연결하여 구성된다. 하나의 커패시터 뱅크(151)에는 5개의 커패시터(151-1)가 병렬로 연결된다. 각 커패시터(151-1) 하나의 셀 용량은 570kVar/15,886V/5.99μF가 된다. 또한, 따라서, 1상당 30개의 커패시터(151-1)가 구성되고, 3상의 경우 90개의 커패시터가 구성된다. 도 1에서는 이해의 편의를 위해 A상(AΦ)에 적용되는 전력용 콘덴서 뱅크(150)를 도시한 것으로, 유사하게 B상(BΦ), C상(CΦ)에도 이러한 전력용 콘덴서 뱅크가 구성된다.

중성점 접지 저항(140)은 지락 고장시 전류를 제한하는 기능을 수행한다. 또한, 상별 전압 평형을 보호하는 기능을 수행한다. 중성점 접지 저항(140)은 50Ω 20A이다.

통합 계전기(120)는 모선(110)으로부터 직렬 리액터(160)로의 전력 계통에 고장 발생시 고장 정보를 취득하여 데이터 수집 장치(미도시)에 통지하는 기능을 수행한다. 이러한 전력 계통의 고장을 검출하기 위해 제 1 전류 센서(121)가 구성된다. 데이터 수집 장치는 SCADA(supervisory control and data acquisition) 시스템 등이 될 수 있다.

또한, 통합 계전기(120)는 디지털 계전기가 될 수 있다. 따라서, 마이크로프로세서, 통신회로 등을 포함할 수 있으며, 자동 절환 스위치(101)를 제어하는 것도 가능하다.

모선(110)으로부터 전력을 유입하도록 접점(111)이 형성되고, 이 접점(111)으로부터 유입되는 유입 전류와 출력 전류간의 차이가 미리 설정된 기준값 이상이면 동작하는 전류 차동 계전기(190)가 구성된다. 이러한 유입 전류와 출력 전류를 위해 기준 노드(170)가 구성된다.

물론, 이 기준 노드(170)를 중심으로 앞단에 제 1 전류 센서(121)가 배치되고, 후단에 제 2 전류 센서(123)가 배치된다.

지락 과전류 계전기(130)는 타단이 상기 중성점 접지 저항(140)과 연결되며 일단이 상기 통합계전기(120)와 연결되어 과전류를 검출하고, 과전류 검출시(즉 지락 고장시) 전류를 제한하는 기능을 수행한다. 지락 고장을 검출하기 위해 중성점 접지 저항(140)과 접지 사이에 지락 전류 센서(131)가 배치되며, 이 지락 전류 센서(131)는 지락 과전류 계전기(130)와 연결된다.

전류 센서(121,123,131)는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 될 수 있으며, 하나로 구성될 수도 복수로 구성되는 것도 가능하다.

자동 절환 스위치(101)는 상기 모선(110)과 상기 통합 계전기(120) 사이에 설치되어 모선(110)에 과전류 등과 같은 고장이 발생하면 상기 모선(110)으로부터 전기적으로 절환하여 전류가 유입되는 것을 차단한다. 물론, 이 자동 절환 스위치(101)를 두지 않고, 통합 계전기(120)에서 이러한 절환을 수행하는 것도 가능하다.

도 2 내지 도 4를 설명하기에 앞서, 약 154kV Sh.C(Shunt Capacitor) 정수를 설명하면 다음과 같다. 커패시터(151-1) 1셀 정격은 570kVAR, 15880V, 60Hz, 6㎌(커페시턴스)이다. 전력용 콘덴서 뱅크(150)의 정격 전압은 15880×6 =95280(V)/상, 165024(V)/선간전압이다. 1상(1Phase)당 C값(커패시턴스)는 6×( 5 ÷ 6) = 5㎌(커패시턴스), (5병렬 6직렬)이다. 1상당 용량 리액턴스(Xc)는 1/ 2πfC = 1/ 2×3.14×60×5×10^-6 = 530.7(Ω)이다.

한편, RLC 직렬회로에서 XL 값이 Xc의 4%일 때 5고조파에서 직렬공진으로

임피던스가 최저로 되고, 공진전류는 급증한다. 따라서, 최적 직렬 리액터를 검토하면 다음과 같다.

① 제5고조파에서 직렬공진을 발생하는 4% XL은 피함

② 콘덴서와 직렬리액터 상호 오차가 최대 ㅁ10%에서 -10% 값은 5고조파전류의 유출을 억제하지 못함으로 제외

③ 중부하시 계통전압범위인 156∼164kV 이내

④ 오차범위 +10%인 4.4%보다 큰 4.5%이상(4.5% ∼ 4.7%)에서 5고조파전류 억제 여부와 전압운전 용이성 중복검토)

한편, 4.5% 직렬리액터 정수는 다음과 같이 산출된다.

XL = 4.5% Xc = 0.0452 × 530.7 (Ω) = 23.99 (Ω) = 24 (Ω)

XL = 2 Π F L = 24 (Ω)

인덕턴스 L = 24/ 2 Π F = 24/ 2 × 3.14 × 60 = 63.7 [mH]

한편, 직렬 리액터 종류별 정수는 다음 표와 같다.

구분	인덕턴스(mH)	직렬 리액터 리액턴스(Ω)	직렬 리액터 비율(%)
2.4% 리액터	35.0	13.1	2.4
4.5% 리액터	63.7	24.0	4.5
6.0% 리액터	82.1	31.8	6.0

4.5% 직렬 리액터 정수는 XL = 4.5% Xc = 0.0452 × 530.7 (Ω) = 23.99 (Ω) = 24 (Ω), XL = 2 π F L = 24 (Ω)이 된다.

직렬 리액터 비율(%)은 XL/Xc×100(%)으로 나타내며 XL은 XL=2πFL으로 나타낸다. 따라서, 4.5% 리액터이면 인덕턴스 L = 24/ 2 π F = 24/ 2 × 3.14 × 60 = 63.7 [mH]가 된다.

직렬 리액터별 커패시터(즉 콘덴서) 전압과 모선 전압의 운전 범위를 정하기 위해 전력용 콘덴서 뱅크(150)의 유기 전압(Vc)은 다음과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

Vc = 1/(1-직렬 리액터 비율) × 모선 전압

따라서, 6.0% 직렬 리액터, 모선 전압(E) 162kV 운전시의 유기 전압(Vc)는 다음과 같다.

Vc = 1/ (1 - 0.06) × E = 1.063 × 162 = 172.3kV (Sh.C 사용전압 초과)

154kV Sh.C 사용전압은 165(kV)이다.

직렬 리액터별 모선 전압 운전시 콘덴서의 유기전압(Vc)은 다음 표와 같다. 단위는 kV이다.

모선전압 Vc	162	161	160	159	158	157	156	155
2.4%의 Vc	165.9	164.9	163.8	162.9	161.8	160.8	159.8	157.8
4.5%의 Vc	169.6	168.5	167.5	166.4	165.4	164.4	163.3	162.3
4.6%의 Vc	169.8	168.7	167.7	166.6	165.6	164.6	163.5	161.4
4.7%의 Vc	169.9	168.9	167.8	166.8	165.7	164.7	163.6	162.6
6.0%의 Vc	172.3	171.2	170.2	169.1	168.0	167.0	165.9	164.7

굵은 숫자 부분은 Sh.C 사용 전압 165(kV)을 초과한다.

6.0% 직렬리액터의 경우 모선전압이 162kV시 Vc가 172.3kV로 사용전압 과초과로 콘덴서설비 파손과, 전류증가에 따른 직렬리액터 소손이 될 수 있다.

직렬리액터별 모선 전압 운전 가능범위를 보면 다음 표와 같다.

직렬 리액터 종류	특정전압 범위
2.4%	156 ∼ 160kV
4.5%	156 ∼ 157kV
6.0%	155kV

4.5 ∼ 4.7% Vc 전압을 검토하면 운전전압의 여유가 있는 4.5%가 유리함을 알 수 있다.

154kV Sh.C의 직렬리액터별 임피던스 합성값을 보면 다음 표와 같다. 단위는 %이다.

조파 항목		기본파	3차 고조파	5차 고조파	7차 고조파	비교
Xc (용량성 리액턴스) 530.7(Ω)		-100	-33.3	-20	-14.3	Xc = 1/ 2πfC
2.4% 직렬리액터 13.1(Ω)	2.4%Xc	2.4	7.2	12	16.8	6.3고조파공진
2.4% 직렬리액터 13.1(Ω)	합성임피던스	-97.6	-26.1	-8	31.5	6.3고조파공진
4.5% 직렬리액터 24(Ω)	4.52%Xc	4.5	13.5	22.5		4.48고조파공진
4.5% 직렬리액터 24(Ω)	합성임피던스	-95.5	-19.7	2.5	17.2	4.48고조파공진
6.0% 직렬리액터 31.8(Ω)	6.0%Xc	6	18	30	42	4.08고조파공진
6.0% 직렬리액터 31.8(Ω)	합성임피던스	-94	-15.3	10	27.7	4.08고조파공진

Xc (용량성 리액턴스)는 530.7 (Ω) 기본파에서 -100% 값이고, 고조파수 증가: Xc의 비율은 감소, XL 직렬리액터 비율은 증가이다.

합성임피던스는 각 조파에서 용량성리액턴스와 직렬리액턴스 비율의 합성값(%)이다.

① 2.4% 직렬리액터

* 기본파에서 2.4% 합성임피던스 = -100% + 2.4% = -97.6%

* 5차고조파에서 2.4% 합성임피단스 = -20% + 12% = -8%

( 2.4% 직렬리액터는 5고조파에서 합성임피단스가 -8%로 용량성으로 Sh.C의 5고조파 전류가 유출되고 Sh.C 자체고장과 계통설비 고장 유발)

② 4.5% 직렬리액터

* 5차고조파에서 4.5% 합성임피단스 = -20% + 22.5% = +2.5%

( 4.5% 직렬리액터는 5고조파에서 합성임피단스가 2.5%로 유도성으로 콘덴서의 5고조파전류 유출방지로 Sh.C 및 계통설비 고장예방 )

③ 6.0% 직렬리액터

* 5차고조파에서 6.0% 합성임피단스 = -20% + 30.0% = +10%

( 5고조파에서 합성임피단스가 10% 유도성으로 콘덴서의 5고조파전류 유출방지로 Sh.C 및 계통설비 고장예방, 모선전압 과전압시 직렬리액터 소손 )

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2.4% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다. 도 2를 참조하면, 합성 임피던스(210), 직렬 리액턴스(220), 용량성 리액턴스(230)의 곡선을 보여준다. 도 2를 참조하면, 5고조파에서 용량성으로 5고조파전류 유출, 유출된 5고조파 전류는 타 Sh.C 설비에 유입되어 각 Sh.C는 5고조파 전류증가로 고장유발 Sh.C설비 왜형률 16%중 5고조파 점유 85%이다. Sh.C 투입증가시 공진점이 6.3 고조파에서 5로조파로 이동한다. Sh.C투입증가로 각 Sh.C 유입전류 증가, 이러한 유입 전류증가로 커패시턴스 C증가한다. 공진 주파수는 커패시턴스 C와 반비례하여 6.3고조파에서 5.0고조파대로 이동가능하며, 공진가능 상태가 된다.

5고조파전류 유출로 부적합이나 특정전압에 사용 가능하다. 즉, 특정전압(156∼160kV) 범위 내에서 가급적 하향 운전하여 5고조파전류 영향을 최소화한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 4.5% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다. 도 3을 참조하면, 합성 임피던스(310), 직렬 리액턴스(320), 용량성 리액턴스(330)의 곡선을 보여준다. 도 3을 참조하면, 5고조파에서 유도성으로 5고조파전류 유출을 방지하고, 5고조파에서 전류유출이 없으므로 Sh.C 설비의 과전류현상, 공진점이동, 직렬 리액터 포화현상이 없다. 154kV 계통에 최적화가 가능하다. 즉, 5고조파전류의 유출을 방지하고 특정전압 범위인 156∼157kV에서 사용가능하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 6.0% 직렬 리액터의 동작 특성을 보여주는 일예의 그래프이다. 도 4를 참조하면, 합성 임피던스(410), 직렬 리액턴스(420), 용량성 리액턴스(430)의 곡선을 보여준다. 도 4를 참조하면, 5고조파에서 유도성으로 5고조파전류의 유출를 방지한다. 도 4를 참조하면, 5고조파에서 전류유출이 없으므로 Sh.C 설비의 과전류 현상, 공진점 이동, 직렬리액터 포화현상이 없다. 사용전압이 155kV이하로 전압 폭이 좁게 제한되며, Sh.C 도입초기 중부하 운전전압을 162kV 운전시 콘덴서에 172kV의 과전압이 인가되어 콘덴서설비 파손, 직렬 리액터의 소손고장 발생할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 전류원 부하가 있는 계통의 고조파 발생원을 보여주는 등가회로이다.

위 도 2 내지 도 5에 따라 직렬 리액터별 동작 특성을 보면 다음 표와 같다.

직렬 리액터종류	공진고조파	5고조파 합성임피단스	동 작 특 성
2.4%	6.3	-8.0%(용량성)	-5고조파에서 용량성으로 5고조파전류 유출 -전류유출에 의한 Sh.C 및 계통설비에 광범하고 지속적인 고장 발생
4.5%	4.5	+2.5%(유도성)	-5고조파에서 유도성으로 5고조파전류유출이 없음, 설비고장 방지 -계통전압운전 범위가 156∼157kV로 현장사용 가능
6.0%	4.1	+10%(유도성)	-5고조파에서 유도성으로 5고조파전류유출이 없음, 설비고장 방지 -모선전압이 155kV이하 운전조건으로 계통전압운전 폭이 좁아 현장사용 부적합

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 전류원 부하가 있는 계통의 임피던스 등가 회로이다. 도 6을 참조하면, 전력계통은 유도성 리액턴스(X_L) 부하로 운전되기 때문에 역률보상 목적으로 용량성 리액턴스(X_C)인 전력용 콘덴서를 주로 사용한다. 또한, 전력용 콘덴서의 고조파 유출방지를 위해 콘덴서와 직렬로 리액터를 조합한다.

도 5 및 도 6에서 고조파 전류원 i_n은 i_sn과 i_cn으로 분류되며 다음 식과 같다.

[수학식 2]

위 식에서 n차 고조파 임피던스 (nX_L)-X_c/n값이 양 또는 음의 값이냐에 따라 고조파전류i_sn과 i_cn의 값은 변화된다.

가. 용량성 조건[(nX_L)-X_c/n<0 일때]

(nX_L)-X_c/n값이 음수이면, i_cn이 음의 값이 되어 Sh.C의 전류 방향이 반대로 되고 전원단측과 타 Sh.C로 전류가 유출되며 i_sn은 i_n보다 커진다.

Sh.C에서 5고조파전류가 유출되면 각Sh.C에 전류 유입량이 증가되고 운전전압이 161kV 이상시 고조파전류의 크기도 증가하여 유입고조파의 전류의 크기와 양이 증가된다.

2.4% 직렬리액터 Sh.C에서 5고조파 전류 유입 영향은 다음과 같다.

① 각 Sh.C설비는 공진점이 6.3조파에서 하향 이동하여 5고조파에서 L-C 공진이 발생 조건이 되어 Sh.C 자체고장이 발생된다.

② Sh.C에 유입 증가된 고조파전류는 직렬리액터 양단전압을 대폭 증가하여

(시험치 5배) 직렬리액터 철심이 포화 된다.(포화시 nX_L = 0 값으로 감소)

-직렬리액터 철심포화로 전원측 임피던스(nX_s)와 콘덴서 성분인 - X_C/n가 공진에 가까울 때 전원측 유출전류 i_sn이 증폭되어 계통공진 고장이 발생한다.

전력용콘덴서 뱅크는 제5고조파에서 (nX_L)-X_c/n 값이 유도성이 되도록 4%이상의 직렬 리액터 값을 선정해야 한다.

나. 유도성 조건[(nX_L)-X_c/n>0 일때]

5고조파에 대하여 (nX_L)-X_c/n가 항시 유도성 조건이 됨으로 i_sn, i_cn모두 i_n보다 작아지며 전원단측으로 전류유출은 발생하지 않는다.

5고조파에서 4.5% 직렬리액터는 양의값(유도성)으로 5고조파 전류유출이 방지되어 공진점 이동 및 직렬 리액터 포화가 발생하지 않는다.

유도성 조건이라도 계통전압을 높게 운전하면 전력용콘덴서 뱅크에 과전압이 유기되고 직렬 리액터가 소손된다.

다. 직렬공진의 조건[(nX_L)-X_c/n=0 일때]

특정 고조파에서 직렬공진으로 저항성분만 남고 리액턴스 성분은 0인 경우이다. 이때 공진전류의 증가로 전력계통 또는 콘덴서 회로에 고장이 발생된다.

현재 전력용콘덴서 설비에는 직렬리액터가 설치되어 직렬공진이 발생하지 않도록 하고 있으나 과전압 운전시 공진이 발생됨으로 모선전압에 유의한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 154kV의 Sh.C(Shunt Capacitor) 등가 회로이다. 도 7을 참조하면, Sh.C 설비 공진주파수 하향과 커패시턴스 C의 관계이다. 2.4% 직렬리액터에서는 5고조파가 유출되어 타 Sh.C로 유입되고 있다. 유입된 전류는 콘덴서의 전하량 Q와 커패시턴스 C의 값을 상승시키고, 공진주파수는 C와 반비례하여 공진주파수가 5.9고조파에서 5.0 고조파에 근접이동되어 Sh.C의 L-C 공진조건이 된다.

도 7을 참조하여, Sh.C 운전증가에 따른 고조파 하향이동 현상을 설명하면 다음과 같다.

Sh.C 설비 정수에서, 직렬 리액터, L : 2.4%(직렬 리액터 비율)의 경우, 2.4% 직렬리액터: 35mH, XL : 유도리액턴스 13(Ω), Xc : 용량리액턴스 : 530.7(Ω)이면, 직렬리액터 비율은 XL / Xc × 100% = 13(Ω)/530.7(Ω) × 100% = 2.4%이다.

커패시턴스, C의 경우, 콘덴서 1셀 정격 : 570kVAR, 15880V, 60Hz, 6㎌(커패시턴스), 1상(1phase)당 C값(커패시턴스) : 6 ×( 5 ÷ 6) = 5㎌(커패시턴스), (5병렬 6직렬), 1상당 용량리액턴스(Xc) : 1/ 2πfC = 1/ 2×3.14× 60×5 ×10^-6= 530.7(Ω)이면, 콘덴서 사용전압은 15880×6 =95280(V)/상전압, 165024(V)/선간전압이다.

전하량 Q와 C의 관계는 다음과 같다.

Q = CV (Q : 콘덴서 전하량, C: 커패시턴스, V: C 양단전압)

i= dQ/dt(전류는 단위시간당 전하량 Q의 변화율)

Q =

idt(전하량은 전류의 적분값)

2.4% 직렬리액터에서는 5고조파전류가 유출되며 타 Sh.C에 유입되고, 각 Sh.C 합성전류는 증가된다.

Qn =

i_ndt( i_n: 5고조파 유입 합성전류, Sh.C 5대 운전시 전류 i_n는 130%로 증가하여 Qn은 약 30% 증가된다 )

Qn = Cn V ( 측정값에서 V의 변화량은 98∼ 100.4%로 미소하여 Qn의 값이 30% 증가되면 Cn의 값이 약 30% 증가)

또한, 공진 주파수의 변화를 보면 다음과 같다.

=

= 354Hz (5.9조파)

여기서,

: Sh.C 1대 운전시 공진주파수

C₁: Sh.C 1대 운전시 커패시턴스

=

여기서,

: Sh.C 4대 운전시 공진주파수

C₄: Sh.C 4대 운전시 커패시턴스 (C₄ = 1.3 C₁)

=

= 310Hz ( 5.1 조파, 계산수치)

의 측정값은 294Hz(4.9차)로 계산수치와 약간의 차이가 있으나 Sh.C의 운전증가시 공진주파수가 하향되는 현상을 확인 할 수 있다.

따라서, 2.4% 직렬 리액터에서는 5고조파가 유출되어 타 Sh.C로 유입되고 있다. 유입된 전류는 콘덴서의 전하량 Q와 커패시턴스 C의 값을 상승시키고, 공진 주파수는 C와 반비례하여 공진주파수가 5.9고조파에서 5.0 고조파에 근접이동되어 Sh.C의 L-C 공진조건이 된다.

한편, EMTP(Electro-Magnetic Transients Program) 시뮬레이션에서 직렬 리액터의 과전압 현상를 보면 다음과 같다.

Sh.C 5대 운전시에 직렬 리액터의 양단전압이 약500% 증가 현상이 측정되고, 커패시턴스 C의 양단전압은 98∼100.4%로 변동폭이 미소하다.

직렬리액터의 과전압 현상은 다음과 같이 표시된다.

e= -L di/dt(e: 직렬리액터 양단전압, :직렬리액터 인덕턴스, di/dt: 단위시간당 전류 변화율)

따라서, 2.4% 직렬 리액터는 5고조파전류가 유출되어 타 Sh.C에 유입됨에 따라 Sh.C 운전대수 증가시 전류 i의 값은 증가하게 된다.

직렬 리액터의 과전압 합성 현상은 다음과 같이 표시된다.

e_n = -Ldi_n/dt(e_n: 직렬리액터 합성 양단전압, i_n: 5고조파 유입 합성전류)

각 Sh.C에 고조파 유입전류 증가로 di_n/dt의 값이 증가하여, e_n의 값이 약500% 까지 과전압으로 직렬리액터 철심이 포화되는 조건이 되고 계통 직렬공진의

발생 가능성이 많아진다.

위에서 기술한 Sh.C 고장 현상 해석에 따르면, 직렬리액터를 4.5%로 적용시 5고조파 전류유출이 방지하고 계통고장이 예방된다. 즉, 154kV Sh.C 과전류현상 해소되며, 공진점의 이동현상이 발생하지 않아 Sh.C의 공진고장 방지되고, 직렬리액터의 과전압에 의한 포화 방지로 계통 직렬공진 방지된다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상 리액터 과부하(Phase Reactor Overload)의 측정 결과를 보여주는 측정 결과 화면예이다. 도 8을 참조하면, 154kV Sh.C(Shunt Capacitor) 설비의 고조파 파형 측정 결과로서, 접점 출력(810), 트리거 시간(820)에 따라 발생한 고조파 파형이다. 이 경우, 셋팅값은 0.8A, 0.35sec이며, 과전류 요소가 1로 활성화 접점 출력이다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 계측 데이터 화면예이다. 도 9를 참조하면, 제3고조파(910)는 동상(IN-PHASE) 성분 144% 함유, 제6고조파(920)는 A, B, C, N상에 85% ∼150% 함유 (범위 : 5.1 ∼ 6.0 고조파대)한다. 따라서, 2.4% 직렬리액터에서는 6.3 고조파 이상이 억제되고 그이하인 5.1 ∼ 6.0 고조파대는 억제가 안되어 고조파 과전류현상으로 고장발생한다. 참고로 미국전기전자협회 (IEEE Std 141 -1993) 고조파함유 제한값의 경우, 직렬 리액터 콘덴서는 그 회로에 제5고조파 전류를 함유할 경우 함유율이 기본파 전류에 대해 35%이하이고 그 합성전류는 135%이하를 유지해야 한다.

도 10 내지 도 13은 설비별 고조파 전류 측정 그래프를 보여주는 화면예이다. 도 10은 154kV Sh.C(Shunt Capacitor) 전류를 나타내며, 기본파(1010), 5조파(1020), 7조파(1030)가 나타나며, 고조파 전류 THD(threshold)는 16.7%가 된다. 이 경우, Sh.C 설비의 5고조파 비율은 85~90%이다.

도 11은 345kV M.Tr(main transformer: 메인 변압기) 1차측 전류를 나타내며, 기본파(1110), 5조파(1120)가 나타나며, 고조파 전류 THD(threshold)는 3.4%가 된다. 이 경우, 주변 변압기에서 5고조파가 많다.

도 12는 지중 154kV T/L(Transmission Line) 전류를 나타내며, 기본파(1210), 3조파(1220), 5조파(1230), 7조파(1240)가 나타나며, 고조파 전류 THD(threshold)는 12.5%가 된다. 이 경우, 지중 선로는 3,5,7 고조파를 함유한다.

도 13은 가공 154kV T/L(Transmission Line) 전류를 나타내며, 기본파(1310), 3조파(1220), 5조파(1320)가 나타나며, 고조파 전류 THD(threshold)는 1.0%가 된다. 이 경우, 가공 선로에서 5고조파가 미약하게 나타난다.

한편, 도 1에 도시된 조상 장치의 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이때 다양한 컴퓨터 수단은 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.

100: 조상 장치
110: 모선
120: 통합 계전기
130: 지락 과전류 계전기
140: 중성점 접지 저항
150: 전력용 콘덴서 뱅크
160: 직렬 리액터
170: 기준 노드

Claims

특정 전압 범위를 갖는 모선의 일단과 연결되는 다수의 직렬 리액터;
상기 직렬 리액터와 연결되는 다수의 전력용 콘덴서 뱅크;
일단이 상기 전력용 콘덴서와 연결되며 한쪽이 접지되는 중성점 접지 저항; 및
상기 모선의 타단과 연결되며 상기 다수의 직렬 리액터의 전단에 연결되어 상기 모선으로부터 전력 계통 고장을 감지하는 통합 계전기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 통합 계전기에 연결되며 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이에 배치되어 전류를 센싱하는 제 1 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
타단이 상기 중성점 접지 저항과 연결되며 일단이 상기 통합계전기와 연결되어 지락 고장시 전류를 제한하는 지락 과전류 계전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 지락 과전류 계전기에 연결되며 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이에 배치되어 전류를 센싱하는 제 2 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 전력용 콘덴서 뱅크는, 병렬로 연결되는 다수의 커패시터; 및
상기 다수의 커패시터를 각각 가지며 직렬로 연결되는 다수의 커패시터 뱅크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 다수의 커패시터의 각 용량은 5.99μF인 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 모선은 2상 이상인 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 다수의 전력용 콘덴서 뱅크는 각각 하나의 상에 할당되는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 직렬 리액터는 각각 상기 다수의 전력용 콘덴서에서 발생하는 5고조파 전류 유출을 방지하기 위해 4.5% 직렬 리액터를 적용하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 모선과 상기 통합 계전기 사이에 설치되어 상기 모선으로부터 전기적으로 절환하는 자동 절환 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 있어서,
기준 노드를 중심으로 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전류간의 차이가 미리 설정된 기준값 이상이면 동작하는 전류 차동 계전기:를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 모선과 직렬 리액터 사이에 배치되며, 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전력을 센싱하는 제 3 전류 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 직렬 리액터의 소손을 방지하기 위하여 상기 특정 전압 범위는 156∼157kV인 것을 특징으로 하는 조상 장치.
제 1 항에 따른 조상 장치의 제어 방법에 있어서,
(a) 모선에 특정 전압 범위를 부과하는 단계; 및
(b) 통합 계전기가 상기 모선으로부터 전력 계통 고장을 감지하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 통합 계전기에 연결되고 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이에 배치되어 제 1 전류 센서가 상기 모선과 다수의 직렬 리액터 사이의 전류를 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 타단이 상기 중성점 접지 저항과 연결되며 일단이 상기 통합계전기와 연결되는 지락 과전류 계전기가 지락 고장시 전류를 제한하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 지락 과전류 계전기에 연결되며 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이에 배치되는 제 2 전류 센서가 상기 접지와 상기 중성점 접지 저항 사이의 전류를 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 전류 차동 계전기가 기준 노드를 중심으로 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전류간의 차이가 미리 설정된 기준값 이상이면 동작하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 모선과 직렬 리액터 사이에 배치되는 제 3 전류 센서가 상기 모선으로부터 유입 전류와 출력 전력을 센싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 모선과 상기 통합 계전기 사이에 설치되는 자동 절환 스위치가 상기 모선으로부터 전기적으로 절환하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조상 장치의 제어 방법.