KR20230045404A - 삼상 배치 차단기 및 이를 이용한 네트워크 배전 계통 - Google Patents

Abstract

본 발명의 삼상 배치 차단기는, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기를 포함할 수 있다.

Description

삼상 배치 차단기 및 이를 이용한 네트워크 배전 계통{THREE-PHASE BATCH BREAKER AND NETWORKED DISTRIBUTION SYSTEM USING IT}

본 발명은 삼상 중 1상의 사고시에도 다른 상의 정전을 방지할 수 있는 NDS 차단기(Networked distribution system circuit breaker)로서 삼상 배치 차단기 및 이를 이용한 네트워크 배전 계통에 관한 것으로, 특히, 지중 네트워크 배전 계통을 위한 것이다.

국내 배전계통은 세종시 및 서귀포시에 구축된 CLS(Closed-loop system)를 제외하면 모두 수지상계통으로 구축되어 있다. 배전선로 중 변전소에서 인출하여 말단까지 뻗어나가는 주 고압선로를 간선이라고 하며, 간선으로부터 사방으로 뻗어나가는 고압선로를 지선이라 한다. 간선 및 지선에서 사용하는 리클로저 및 차단기는 고장발생시 고장 종류와 상관없이 삼상 일괄차단을 원칙)으로 한다.

수지상계통에서 고장발생시 삼상을 일괄로 차단하는 이유는 부하불평형으로 인한 영상전류를 막기 위함이다. 하지만 CLS 혹은 네트워크계통에서는 고장구간만 차단하기 때문에 수지상계통에서의 고장보다 부하불평형이 매우 작아 고장 상만 차단하는 것이 정전피해를 획기적으로 감소할 수 있다.

배전계통의 경우, 소수의 고압고객을 제외하면 대체로 단상(L-N)부하가 많다.

따라서 계통에 1선 지락이 발생해도 삼상 일괄차단을 행하는 현 계통에서는 고장이 발생하지 않은 다른 상에 연계된 저압 고객들도 정전을 경험하게 된다. 계통고장 중 대부분이 1선 지락고장인 것을 감안하면, 삼상 일괄차단 방식으로 인해 불필요한 정전피해가 매번 발생한다. 지선 및 주상변압기 2차측 저압에서 발생한 1선 지락고장의 경우, 바이오넷 퓨즈 및 컷아웃스위치를 통해 해당 상만 분리할 수 있으나 고압선로에서 1선 지락고장이 발생한 경우 기존기술로는 해당 구간을 전체 분리하는 방법밖에 없다.

신재생에너지 연계용량, 전력공급 신뢰도 및 선로이용률 증가를 위해 3회선 이상을 상호 상시 연계하는 ‘배전 네트워크 계통방식’을 개발하고 있다. 선로에 고장이 발생하면, 수지상계통에서는 고장점 이후 부하측 모든 구간에서 정전을 경험하게 되고, 네트워크 계통에서는 자가회복(Self-healing)기능을 통해 고장 구간만 자동으로 신속히 분리하여 해당 구간만 정전을 경험한다. 이러한 네트워크 배전계통에서도 기존 차단기를 사용하면 고장종류와 관계없이 고장구간에 연계된 모든 단상부하 고객에게 정전이 발생한다.

최근, 상별로 차단 및 제어가 가능한 보호기기인 펄스 리클로저가 현재 가공용으로만 개발이 진행되고 있으나 지중용은 아직 개념단계에 머물러 있다. 1선 지락, 2선 지락, 선간 단락과 같이 고장 상만 분리하여 건전 상에서만 전력을 정상적으로 공급하기 위해서는 기존 계통보호용 설비의 새로운 연구개발이 필요하며, 상용화를 통해 국내계통에 보급하기 위해서는 막대한 시간과 노력 그리고 예산이 필요할 것으로 예상된다.

대한민국 공개공보 10-2015-0045756 : 저압 지중배전 루프 시스템 감시 제어 장치

본 발명은 한상에 고장이 발생하여도 다른 상의 정전을 방지할 수 있는 삼상 배치 차단기 및 이를 이용한 네트워크 배전 계통을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 삼상 배치 차단기는, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 우회 단위 차단기는, 일단이 상기 일단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및 일단이 상기 타단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 우회 단위 차단기는, 일단이 상기 일단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및 일단이 상기 타단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제3 우회 단위 차단기는, 일단이 상기 일단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및 일단이 상기 타단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

여기서, 단위 삼상 차단기의 2개의 단위 스위치들을 직렬 연결하거나 병렬연결하여 단위 2상 차단기 구조를 형성할 수 있다.

여기서, 추가 삼상 배전 경로를 단속하는 추가 메인 단위 삼상 차단기를 더 포함하고, 상기 제1 우회 단위 차단기, 상기 제2 우회 단위 차단기 및 상기 제3 우회 단위 차단기 각각은, 추가 삼상 배전 경로 중 2개의 상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 네트워크 배전 계통은, 제1 배전 선로; 상기 제1 배전 선로와 평행 선로를 형성하는 제2 배전 선로; 상기 제1 배선 선로를 단속하는 제1 삼상 배치 차단기; 및 상기 제2 배선 선로를 단속하는 제2 삼상 배치 차단기를 포함하되,

상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 삼상 배치 차단기는, 메인 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속하고, 상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 삼상 배치 차단기의 각 우회 경로가 서로 직접 연결되거나, 브랜치용 차단기를 경유하여 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제1 배전 선로 및 상기 제2 배전 선로 중 적어도 하나는 루프형 배전 선로일 수 있다.

여기서, 상기 제2 배전 선로와 평행 선로를 형성하는 제3 배전 선로; 및 상기 제3 배선 선로를 단속하는 제3 삼상 배치 차단기를 더 포함하되, 상기 제3 삼상 배치 차단기는, 메인 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속하고, 상기 제3 삼상 배치 차단기의 우회 경로와 상기 제2 삼상 배치 차단기의 메인 경로가 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 배치 차단기 각각은, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제3 삼상 배치 차단기는, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기를 포함할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 삼상 배치 차단기 및/또는 네트워크 배전 계통을 실시하면, 삼상 중 한상에 고장이 발생하여도 다른 상의 배전선로의 정전을 방지할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 삼상 배치 차단기 및/또는 네트워크 배전 계통은, 네트워크 배전방식으로서 고장구간이 자동으로 분리되어 건전구간에 정정이 발생하지 않아 전력공급 신뢰도를 향상시키며, 정전 발생 시에도 고장구간 이외의 건전구간 전력복구시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 삼상 배치 차단기 및/또는 네트워크 배전 계통은, 신재생에너지의 급격한 증가에 따른 부하 변동성이 매우 커지고 배전선로의 피크 관리가 어려운 상황에서, 다수의 배전선로를 연계하여 운전하여 선로간 피크를 평준화할 수 있어 배전선로를 증설하지 않고도 추가적인 전력공급 용량을 확충할 수 있는, 즉, 선로 이용률을 증가시켜 설비 투자비를 절감하는 이점이 있다.

본 발명의 삼상 배치 차단기 및/또는 네트워크 배전 계통은, 기존 전력설비의 성능개선 없이 기술 구현 가능하고 기존 기술들에 비해 제약이 적으며, 배전선로 정전시간·범위를 획기적 단축으로 정전으로 인한 경제적 피해 방지하는 이점이 있다.

본 발명의 삼상 배치 차단기 및/또는 네트워크 배전 계통은, 배전선로 고장 처리 시 건전구간의 정전 파급 방지로 정전에 대한 민원 예방하는 이점이 있다.

도 1은 CLS 차단기를 이용하여 구성한 배전계통을 예시하는 구성도.
도 2a는 CLS 배전계통 설비의 CLS 차단기의 결선도.
도 2b는 CLS 배전계통 설비의 부하개폐형 지상변압기의 결선도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기를 이용하여 구성한 배전계통을 예시하는 구성도.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기(Networked distribution system circuit breaker, NDS CB)의 각 실시예들의 결선도들.
도 5a는 고장 케이스 1에서의 단선 결선도.
도 5b는 고장 케이스 1에서의 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 5c는 고장 케이스 1에서의 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 5d는 고장 케이스 1에서의 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 6a는 고장 케이스 2에서의 단선 결선도.
도 6b는 고장 케이스 2에서의 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 6c는 고장 케이스 2에서의 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 6d는 고장 케이스 2에서의 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 7a는 고장 케이스 3에서의 단선 결선도.
도 7b는 고장 케이스 3에서의 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 7c는 고장 케이스 3에서의 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 7d는 고장 케이스 3에서의 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 8a는 고장 케이스 4에서의 단선 결선도.
도 8b는 고장 케이스 4에서의 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 8c는 고장 케이스 4에서의 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 8d는 고장 케이스 4에서의 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 9a는 고장 케이스 5에서의 단선 결선도.
도 9b는 고장 케이스 5에서의 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 9c는 고장 케이스 5에서의 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 9d는 고장 케이스 5에서의 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도.
도 10a는 현재 수지상계통의 지중선로로서 GIS(Geographic information system) 화면.
도 10b는 현재 수지상계통의 지중선로로서 단선결선도.
도 11은 시뮬레이션 모델링에 대한 개념도.
도 12는 시뮬레이션 계통 구성도.
도 13a 내지 13f는 고장 케이스별 고장구간 전류파형도들.
도 13a는 시뮬레이션 계통의 정상상태 부하전류.
도 13b는 시뮬레이션 계통 Case 1의 1선 지락시의 결과.
도 13c는 시뮬레이션 계통 Case 2의 1선 지락시의 결과.
도 13d는 시뮬레이션 계통 Case 3의 1선 지락시의 결과.
도 13e는 시뮬레이션 계통 Case 4의 1선 지락시의 결과.
도 13f는 시뮬레이션 계통 Case 5의 1선 지락의 결과.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 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.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

국내 배전계통에서는 선로 말단으로 갈수록 대부분의 부하가 단상을 이용한다. 소모전력량 측면에서는 3상을 이용하는 고압고객이 대부분을 차지하지만, 고객수 측면에서는 단상 이용 고객이 월등히 많다. 배전선로의 간선 및 지선에서 발생한 고장의 경우, 네트워크 배전계통 방식과 새로운 보호협조 알고리즘을 통해 정전구간을 최소화 할 수 있지만, 해당 기술로도 상별 차단까지는 불가능하며 기능구현을 위해서는 고스펙, 고가의 보호기기와 복잡한 보호협조 알고리즘이 필요해진다.

본 발명에서는 기존 3상 일괄 차단기의 결선방식만 변경하여 고장 상만 차단이 가능하도록 기능을 구현하였으며, 이를 통해 네트워크 계통방식, 특히, 지중 네트워크 계통의 최적의 구성 방법에 대해 제시한다. 계통 구현은 다회로 차단기가 필요하여 지중 네트워크 계통이 타겟이지만, 가공선로도 섞여있는 혼재선로도 가능하다.

본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기를 배전 계통에 도입할 때 전제로서 고려사항은 아래와 같다.

먼저, 선로 전압불평형을 고찰한다. 수지상계통에서 1상이 탈락되면, 고장위치가 인출단에 가까울수록 고장범위가 넓어져 선로 전압불평형이 커지기 때문에 3상 일괄차단이 필요하다. 하지만, 네트워크 계통에서는 1상이 탈락되어도 고장구간만 분리하기 때문에 변전소에서 바라본 전체 계통측면에서는 전압불평형이 크지 않다.

다음, 3상 모터부하를 고려한다. 전동기 보호를 위해 고객 수전설비에 역결상계전기 혹은 UVR(Under voltage relay)을 사용하는데, 대부분의 고객은 UVR을 사용한다. UVR의 경우 기준 전압의 80% 미만이 되면 동작하므로 전동기가 소손되기 전에 인입선 절체 혹은 계통분리가 가능하다. 또한, 부하자체는 전동기의 관성으로 인해 급정지를 하지 않으므로 고장 파급에 대한 걱정은 없다.

마지막으로, 무정전 필요 고객 니즈를 살펴본다. 기 개발된 LSPT 혹은 HSSB를 이용하여 무정전 전력공급 가능하며 이러한 설비를 사용하면 부하 고장 시 부하를 탈락시키므로 계통에 파급효과를 차단할 수 있다.

상술한 본 발명의 사상을 정리하면, 삼상 선로 중 고장 선로만을 구분하여 정전 상태로 진입 가능한 삼상 배치 차단기로서 NDS 차단기를 제안하며, 제안된 NDS 차단기와 기존의 CLS 차단기를 조합하여 무정전 네트워크 배전 계통을 형성한다. 예컨대, 각 배전선로별 상시 경로에 개선된 NDS 차단기의 메인 경로를 연결하고, 2개의 배전선로에 배치된 개선된 NDS 차단기들의 각 서브 포트들을 CLS 차단기를 경유하여 연결할 수 있다.

기 구축된 지중선로에서 설비의 결선만 변경하여 제안한 네트워크 계통방식의 구현이 가능하며, 제안된 구성 및 결선법은 상별 차단을 통해 수지상계통 및 루프계통과 같은 기존 계통들보다 정전피해를 1/3 ~ 2/3으로 최소화할 수 있다.

먼저, 종래의 배전계통 및 본 발명이 제안하는 NDS 차단기와 함께 네트워크 계통 형성에 사용될 수 있는 CLS 차단기에 대하여 살펴보겠다.

도 1은 CLS 차단기를 이용하여 구성한 배전계통을 예시하는 구성도이다.

도 2는 CLS 배전계통 설비의 결선도로서, 도 2a는 CLS 차단기의 결선도이고, 도 2b는 부하개폐형 지상변압기의 결선도이다.

고속도 전원절환 다회로차단기(High-speed source select breaker, HSSB), 부하개폐형 지상변압기(Load switching type pad mounted transformer, LSPT), 및 CLS차단기)(Closed-loop system circuit breaker)와 같이 양방향 전력공급을 통한 무정전 전력공급에 대한 시도는 수회 존재하였다. 이러한 보호기기들은 계통에 많을수록 정전피해구간은 최소가 되지만 경제적 측면에서 해당 설비들을 무한정 도입할 수 없다. 따라서 기존과 같이, 3상 무정전공급이 필요한 고객의 경우에만 별도로 부설하고 해당 설비들 간에는 기존과 같이 3~4로 개폐기-지상변압기를 일괄 설치하거나 맨홀을 이용하여 지선에서 분기하여 전력을 공급하는 방법이 가장 경제적이다.

현행 CLS(2회선 루프) 방식은 도 1과 같이 구성되며, 각 부하는 두 선로로부터 전력을 공급받게 되어 무정전 공급이 가능하다. 이 방식에서는 도 2a의 CLS 차단기 및 도 2b의 부하개폐형 지상변압기가 적용될 수 있다.

도 2a에 도시한 CLS 차단기는 보호기기로서, 현행 CLS(2회선 루프) 방식에서는 4회로(1~4번) 모두 차단부로 운영되며 보호협조를 1:1 시리얼 통신으로 수행한다.

도시한 바와 같이 상기 CLS 차단기는 4개의 단위 삼상 연동 차단기들을 Π 형상으로 결선한 형태로 구성되며, 각 단위 삼상 연동 차단기는 널리 사용되는 기성 제품을 이용하여, 동작의 안정성 및 안전성을 확보할 수 있다. 각 단위 삼상 연동 차단기는 연결된 선로들 중 하나라도 고장 전류가 발생하면 전기적으로 트리거되어 연동되는 3개의 스위치를 동시에 열어서 삼상을 모두 차단하게 된다.

이러한 계통에서 고장이 발생하면 1:1통신 보호협조 알고리즘을 통해 고장구간의 인접 차단기만 개방동작을 하게 되어 고장구간만 자동으로 신속히 분리를 하게 된다. 지선에서도 마찬가지로 고장이 발생하면 LSPT 내부의 회전자가 고장선로를 분리하여 정상선로로 절체하게 된다. 앞서 설명한 바, 고장구간이 분리되면 3상 일괄 차단이 되므로 동작한 보호기기 간 정상 상에 연계된 단상부하는 모두 정전을 경험한다.

도 3은 본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기를 이용하여 구성한 배전계통을 예시하는 구성도이다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기(Networked distribution system circuit breaker, NDS CB)의 각 실시예들의 결선도이다.

도시한 삼상 배치 차단기로서 NDS 차단기(100, 101)는, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기(110, 111); 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기(120, 121); 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기(140, 141); 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기(160, 161)를 포함한다.

상기 메인 단위 삼상 차단기(110)는 도 2a의 CLS 차단기를 구성하는 단위 삼상 연동 차단기와 같이 널리 사용되는 기성 제품을 이용하여, 동작의 안정성 및 안전성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 단위 삼상 차단기(110, 111)는 연결된 선로들 중 하나라도 고장 전류가 발생하면 전기적으로 트리거되어 연동되는 3개의 스위치(s1 ~ s3)를 동시에 열어서 삼상을 모두 차단하게 된다.

상기 제1 내지 제3 우회 단위 차단기(120 ~ 161)는, 상기 메인 단위 삼상 차단기(110)와 마찬가지로 단위 삼상 연동 차단기 기성 제품을 이용하거나(도 4a), 별도의 단위 2상 연동 차단기를 적용할 수 있다(도 4b). 전자의 경우, 단위 삼상 연동 차단기의 2개의 단위 스위치들을 직렬 연결하거나 병렬연결하여 단위 2상 연동 차단기 구조를 형성한 것이다.

루프 계통에 사용되는 차단기가 일반적으로 4로 차단기로 구성되기 때문에 도 4a 및 4b의 실시예의 경우 4개의 단위 차단기로 결선을 하였으나, 도 4c의 실시예에 따른 NDS 차단기(202)와 같이, 필요시 5개 이상의 단위 차단기(112, 122, 142, 162, 172)를 적용하여 본 발명의 사상에 따른 결선을 형성할 수 있다.

즉, 도 4c의 실시예에 따른 NDS 차단기는, 추가 삼상 배전 경로를 단속하는 추가 메인 단위 삼상 차단기를 더 포함하고, 상기 제1 우회 단위 차단기, 상기 제2 우회 단위 차단기 및 상기 제3 우회 단위 차단기 각각은, 추가 삼상 배전 경로 중 2개의 상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속할 수 있다.

본 발명에서 구현하려는 네트워크 배전 계통의 전압 범위에서는, 오랜 시간 검증된 단위 삼상 연동 차단기 기성 제품은 널리 보급/사용되는 반면, 단위 2상 연동 차단기는 기성 제품이 거의 없다. 따라서, 제안하는 NDS 차단기는 먼 미래의 장기적 관점에서는 도 4b의 형태로 실시될 것이지만, 상당기간 동안 단기적 관점에서 도 4a의 형태로 실시될 것임을 예상할 수 있다. 이하, 설명에서는 도 4a의 경우로 구체화하여 설명하겠다.

상기 제1 우회 단위 차단기(120)는, 일단이 상기 일단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자(s4, s5); 및 일단이 상기 타단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자(s6)를 포함할 수 있다.

상기 제2 우회 단위 차단기(140)는, 일단이 상기 일단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자(s7, s8); 및 일단이 상기 타단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자(s9)를 포함할 수 있다.

상기 제3 우회 단위 차단기(160)는, 일단이 상기 일단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자(s10, s11); 및 일단이 상기 타단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자(s12)를 포함할 수 있다.

도 3의 네트워크 배전 계통은 단상 독립 차단을 위해 기존 CLS차단기의 결선만 수정하여 활용한 것이다. NDS 차단기의 2차측은 버스바(Busbar)를 통해 2개 이상 선로를 연계할 수 있지만 단락고장 시 고장 파급을 방지하기 위해 1개 선로만 공급하는 것이 바람직하다. 제안된 방법은 고장구간의 고장 상만 차단되기 때문에 보호기기의 개수가 동일할 때 기존 방법보다 정전피해범위를 1/3 혹은 2/3로 줄일 수 있다. 각 상 기준으로 단상/2상 차단으로 인한 결상에 조치에 대해서는 구체적인 사례로서 후술하겠다.

도 3에 도시한 지중 네트워크 배전 계통은, 제1 배전 선로(P1); 상기 제1 배전 선로와 평행 선로를 형성하는 제2 배전 선로(P2); 상기 제1 배선 선로를 단속하는 제1 삼상 배치 차단기(NDS차단기1); 및 상기 제2 배선 선로(P2)를 단속하는 제2 삼상 배치 차단기(NDS차단기3)를 포함하되, 상기 제1 삼상 배치 차단기(NDS차단기1) 및 상기 제2 삼상 배치 차단기(NDS차단기3)는, 메인 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속(일괄 단속)하고, 상기 제1 삼상 배치 차단기(NDS차단기1) 및 상기 제2 삼상 배치 차단기(NDS차단기3)의 각 우회 경로가 서로 직접 연결되거나, 브랜치(branch)용 차단기(CLS차단기3)를 경유하여 연결될 수 있다.

여기서, 평행 선로를 형성한다는 것은 물리적으로 양 선로가 평행한 것을 의미하지 않고, 배전 트리 구조 상에서 전원측에서 볼 때, 동일한 분리 레벨의 브랜치 선로들임을 의미한다.

도시한 지중 네트워크 배전 계통에서, 상기 제1 배전 선로(P1)는 P3 선로와 함께 루프형 배전 선로를 구성함을 알 수 있다. 즉, 상기 제1 배전 선로 및 상기 제2 배전 선로 중 적어도 하나는 루프형 배전 선로일 수 있다.

도 3의 NDS차단기2와 NDS차단기5의 연결 관계에 대하여 기술하겠다. 설명의 편의를 위해 NDS차단기2를 제2 삼상 배치 차단기로, NDS차단기2와 서로 우회 경로가 연결된 NDS차단기4를 제1 삼상 배치 차단기로, NDS차단기5를 제3 삼상 배치 차단기로 칭하겠다. 이에 맞추어, P3 경로를 제1 배전 경로로, P1 경로를 제3 배전 경로로, P2를 제2 배전 경로로 칭한다.

상술한 관점에서 도시한 지중 네트워크 배전 계통은, 제2 배전 선로(P2)와 평행 선로를 형성하는 제3 배전 선로(P1); 및 상기 제3 배선 선로(P1)를 단속하는 제3 삼상 배치 차단기(NDS차단기5)를 더 포함하고, 상기 제3 삼상 배치 차단기(NDS차단기5)는, 메인 경로로서 P1 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속하고, 상기 제3 삼상 배치 차단기(NDS차단기5)의 우회 경로와 상기 제2 삼상 배치 차단기(NDS차단기2)의 메인 경로가 연결되어 있다.

도 3에 도시한 모든 삼상 배치 차단기들(NDS차단기1 ~ NDS차단기5) 각각은, 도 4a 내지 4c 중 하나와 같이, 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기; 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및 상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기를 포함할 수 있다.

도 3의 네트워크 배전계통의 보호협조 알고리즘으로서 공지되거나 기 제안된 다양한 방식의 온라인/오프라인 알고리즘들이 적용될 수 있다.

본 발명의 사상에 따른 NDS 차단기를 이용하는 경우, 중앙 서버에서의 별도의 온라인 제어 신호를 기다리지 않고, 각 단위 차단기의 전기적 트리거에 의해 고장발생시 고장점과 가장 가까운 차단기들만 개방하게 되고, 해당 차단기가 동작하지 못한다면 다음 구간의 차단기가 백업동작을 수행하게 된다. 고장상만 독립적으로 차단하기 위해선 NDS 차단기만 쓰거나 혹은 NDS 차단기와 CLS 차단기를 최대한 교차해서 계통을 구축해야 하며, NDS 차단기의 경우 3로 간선에 사용하는 것이 적합하다. 따라서, 도 3과 같이 구성된 계통의 경우, 다음과 같이, 4가지 고장 케이스로 분류하여 살펴볼 수 있다.

도 5는 고장 케이스 1을 나타낸 것으로, 도 5a는 단선 결선도, 도 5b는 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 5c는 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 5d는 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도이다.

케이스 1(NDS 차단기 1번 ~ CLS차단기)의 경우, 선로에서 발생한 각 고장별로 개방하는 차단기(적색선으로 표기)와 정전을 경험하는 선로(적색선으로 표기)를 도 5에 표현하였다. 고장이 발생한 상만 정전을 경험함을 알 수 있다. 도 5c에서 고장이 발생하지 않은 상이 정전을 경험하지 않는 이유는 간선C로부터 전력을 공급받기 때문이다.

도 6은 고장 케이스 2를 나타낸 것으로, 도 6a는 단선 결선도, 도 6b는 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 6c는 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 6d는 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도이다.

케이스 2(NDS 차단기 2,3,4번 ~ CLS차단기)의 경우, 선로에서 발생한 각 고장별로 개방하는 차단기(적색선으로 표기)와 정전을 경험하는 선로(적색선으로 표기)를 도 6에 표현하였다. 1선 지락 고장 시 고장 상만 독립적으로 차단되지만, 2선 지락 혹은 선간 단락이 발생하면 해당 구간의 모든 상이 정전을 경험하게 된다.

도 7은 고장 케이스 3을 나타낸 것으로, 도 7a는 단선 결선도, 도 7b는 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 7c는 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 7d는 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도이다.

케이스 3(NDS 차단기 2,3,4번 ~ NDS 차단기 1번)의 경우, 선로에서 발생한 각 고장별로 개방하는 차단기(적색선으로 표기)와 정전을 경험하는 선로(적색선으로 표기)를 도 7에 표현하였다. NDS 차단기 분기선 ~ NDS 차단기 1번 간 고장은 고장상만 독립적으로 차단되게 된다. 따라서 네트워크 배전계통 구성시 NDS 차단기만 사용하는 것이 정전피해를 최소화 할 수 있지만, 계통을 구성하는 것과 보호협조 체계가 복잡해져 3로 분기선에만 설치하는 것이 바람직하다.

도 8은 고장 케이스 4을 나타낸 것으로, 도 8a는 단선 결선도, 도 8b는 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 8c는 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 8d는 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도이다.

케이스 4(NDS 차단기 2,3,4번 간 연계)의 경우, 선로에서 발생한 각 고장별로 개방하는 차단기(적색선으로 표기)와 정전을 경험하는 선로(적색선으로 표기)를 도 8에 표현하였다. 분기선간 연계가 되면 NDS 차단기의 결선 특성상 2개 상에 고장이 발생하면 3개의 차단기가 모드 트립되기 때문에 전력공급이 가능한 경로가 없어 건전 상에도 정전이 발생하게 된다. 따라서, 케이스 2, 4는 1선 지락 고장에만 효과적임을 알 수 있다.

도 9는 고장 케이스 5을 나타낸 것으로, 도 9a는 단선 결선도, 도 9b는 1선 지락 고장시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 9c는 2선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도, 도 9d는 3선 지락 및 단락시 정전 구간을 나타내는 결선도이다.

케이스 5(NDS 차단기 1번 ~ NDS 차단기 1번)의 경우, 선로에서 발생한 각 고장별로 개방하는 차단기(적색선으로 표기)와 정전을 경험하는 선로(적색선으로 표기)를 도 9에 표현하였다. 고장이 발생한 상만 정전을 경험함을 알 수 있다. 도 9c에서 고장이 발생하지 않은 상이 정전을 경험하지 않는 이유는 간선C로부터 전력을 공급받기 때문이다.

도 10은 현재 수지상계통의 지중선로로서, 도 10a는 GIS(Geographic information system) 화면이고, 도 10b는 위 선로의 단선결선도이다.

영업 배전 시스템에서 모 택지의 계통화면과 단선결선도를 도 10a에 나타내었다. 현재 수지상계통으로 운영되는 지중선로도 계획도시의 경우 도 10b와 같이 복잡한 망 형태로 구축된다. 다만 고장 시 타선로로 절체하기 위함이므로, 한쪽 연계점은 상시 개방을 해두어 수지상으로 전력을 공급한다.

본 발명에서 제안된 네트워크 배전계통은 기존 구축되어 있는, 혹은 계획될 배전계통에서 크게 바뀌는 것이 아니라 도 10b와 같은 연계점을 상호 상시 연계하고 보호협조 방식만 수정함으로써 완성이 된다. 따라서 네트워크 배전계통은 기존 계통과 구축비가 동일하지만 전력공급 신뢰성을 대폭 늘릴 수 있는 방법이다.

다음, 본 발명의 사상에 따라 CLS 및 NDS 차단기를 이용하여 구축한 배전 계통에 대한 시뮬레이션을 살펴보겠다.

도 11은 시뮬레이션 모델링에 대한 개념도이다.

도 12는 시뮬레이션 계통 구성도이다.

도 13a 내지 13f는 고장 케이스별 고장구간 전류파형도들이다.

도 13a는 정상상태 부하전류이며, 도 13b는 Case 1의 1선 지락시의 결과(좌 : 전체 스케일, 우 : 좌측 그림 확대)이며, 도 13c는 Case 2의 1선 지락시의 결과(좌 : 전체 스케일, 우 : 좌측 그림 확대)이며, 도 13d는 Case 3의 1선 지락시의 결과(좌 : 전체 스케일, 우 : 좌측 그림 확대)이며, 도 13e는 Case 4의 1선 지락시의 결과(좌 : 전체 스케일, 우 : 좌측 그림 확대)이며, 도 13f는 Case 5의 1선 지락의 결과(좌 : 전체 스케일, 우 : 좌측 그림 확대)이다.

PSCAD/EMTDC를 통해, CLS 및 NDS차단기를 모델링하여 도 11에 나타내었다. 이를 활용하여 도 3과 같이 모델링한 시뮬레이션 계통을 도 12에 나타내었다. 시뮬레이션 계통 사진에서 녹색은 차단기 개방상태를 의미하며, 붉은색은 차단기 투입상태를 의미한다. 각 선로별 길이는 3km, 연계선로는 1km이며, 선로별 연계 부하량은 4MVA이다.

고장 케이스별로 고장저항이 10옴인 1선 지락을 발생시켰을 때, 고장구간의 전류파형은 도 13a 내지 13f와 같다. 도 5 내지 도 9에 타나낸 것과 동일하게 결과가 도출됨을 알 수 있다.

즉, 1선 지락시 고장상(시뮬레이션 A상 : 청색선)만 탈락되고 고장 구간에 부하가 있다면 건전상에서는 부하전류가 정상 공급 된다. 차단기 동작으로 인해 고장상 탈락 후 건전상의 부하전류가 다른 이유는 case 3~5가 차단기 동작 후에도 양방향 계통이기 때문이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 101 : NDS 차단기
110, 111 : 메인 단위 삼상 차단기
120, 121 : 제1 우회 단위 차단기
140, 141 : 제2 우회 단위 차단기
160, 161 : 제3 우회 단위 차단기

Claims (11)

1. 삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기;
   상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기;
   상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및
   상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기
   를 포함하는 삼상 배치 차단기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 우회 단위 차단기는,
   일단이 상기 일단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및
   일단이 상기 타단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자
   를 포함하는 삼상 배치 차단기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 우회 단위 차단기는,
   일단이 상기 일단측 S상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 S상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및
   일단이 상기 타단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자
   를 포함하는 삼상 배치 차단기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3 우회 단위 차단기는,
   일단이 상기 일단측 T상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 T상에 연결되는 제1 단위 스위칭 소자; 및
   일단이 상기 타단측 R상에 연결되고 타단이 상기 우회 삼상 경로의 R상에 연결되며, 상기 제1 단위 스위칭 소자와 연동되는 제2 단위 스위칭 소자
   를 포함하는 삼상 배치 차단기.
   
5. 제1항에 있어서,
   단위 삼상 차단기의 2개의 단위 스위치들을 직렬 연결하거나 병렬연결하여 단위 2상 차단기 구조를 형성한 삼상 배치 차단기.
   
6. 제1항에 있어서,
   추가 삼상 배전 경로를 단속하는 추가 메인 단위 삼상 차단기
   를 더 포함하고,
   상기 제1 우회 단위 차단기, 상기 제2 우회 단위 차단기 및 상기 제3 우회 단위 차단기 각각은, 추가 삼상 배전 경로 중 2개의 상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 삼상 배치 차단기.
   
7. 제1 배전 선로;
   상기 제1 배전 선로와 평행 선로를 형성하는 제2 배전 선로;
   상기 제1 배선 선로를 단속하는 제1 삼상 배치 차단기; 및
   상기 제2 배선 선로를 단속하는 제2 삼상 배치 차단기
   를 포함하되,
   상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 삼상 배치 차단기는, 메인 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속하고,
   상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 삼상 배치 차단기의 각 우회 경로가 서로 직접 연결되거나, 브랜치용 차단기를 경유하여 연결되는 네트워크 배전 계통.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 배전 선로 및 상기 제2 배전 선로 중 적어도 하나는 루프형 배전 선로인 네트워크 배전 계통.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2 배전 선로와 평행 선로를 형성하는 제3 배전 선로; 및
   상기 제3 배선 선로를 단속하는 제3 삼상 배치 차단기를 더 포함하되,
   상기 제3 삼상 배치 차단기는, 메인 경로를 단속하며, 우회 경로와는 삼상 중 2상을 선택적으로 단속하고,
   상기 제3 삼상 배치 차단기의 우회 경로와 상기 제2 삼상 배치 차단기의 메인 경로가 연결된 네트워크 배전 계통.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 삼상 배치 차단기 및 상기 제2 배치 차단기 각각은,
    삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기;
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기;
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기
    를 포함하는 네트워크 배전 계통.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 삼상 배치 차단기는,
    삼상 배전 경로를 단속하는 메인 단위 삼상 차단기;
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 R상과 타단측 S상에 대하여, 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제1 우회 단위 차단기;
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 S상과 타단측 T상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제2 우회 단위 차단기; 및
    상기 삼상 배전 경로 중 일단측 T상과 타단측 R상에 대하여, 상기 우회 삼상 경로로의 연결을 단속하는 제3 우회 단위 차단기
    를 포함하는 네트워크 배전 계통.
    
    

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