인공 지락실험이 필요업슨 배전선 지락사고 검출 릴레이 개발-디지털 릴레이에 의한 보호기능의 고도화호쿠리쿠(北陸)전력(주)_우메다 아키히로개요배전용 변전소에 적용되고 있는 지락사고(地絡 事故) 검출 릴레이(이하 지락 릴레이)는 그 정정값을 결정하기 위해 인공 지락시험을 실시하고 있다. 인공 지락시험은 배전용 변압기 2차측의 고압 모선에 접지봉을 접촉시켜 실제 지락사고를 인공적으로 만들어내는 작업이다.(<그림 1> 참조)
[그림 1] 인공 지락 시험 모습이 지락사고로 얻을 수 있는 영상전압·영상전류(이하 V0, I0)를 기초로 하여 목표한 지락사고 검출감도(=지락저항 6㏀)가 되도록 정정값을 결정한다. 이 시험은 고압 활선 작업이기 때문에 안전을 배려해야 하며, 또한 변압기 1뱅크 배전선 8피더의 형태로 7명의 인력이 필요하다.최근 많은 작업량을 필요로 하며 안전면에서도 취약한 인공 지락시험을 생략할 수 있는 디지털 릴레이의 고속 연산기능을 활용하여 새로운 원리의 지락 릴레이를 개발했다. 또 보호기능의 고도화를 위해 장거리 배전선의 단말 단락사고를 변전소 측에서 검출할 수 있는 고감도 단락사고 검출 릴레이(이하 단락 릴레이)도 함께 개발하였으므로 그 개요를 소개한다.현재 지락사고 보호방식현재 사용되고 있는 지락사고 보호방식을 <그림 2>로 나타냈다. 각 배전선에는 배전선의 지락 릴레이로 64V1(지락 과전압 계전기)가 설치되어 있다.(67G(지락방향 계전기)는 사고점이 자회선인지 아닌지를 판정한다) 고압 모선에는 각 배전선의 67G가 사고제거에 실패했을 때의 백업 및 고압 모선의 사고검출을 목적으로 한 지락 릴레이 64V2(지락 과전압 계전기)가 설치되어 있다.
[그림 2] 지락 보호방식배전선의 대지정전용량(이하 정전용량)은 불평형율·선종(線種)·긍장(亘長)·부하 상황에 의해 변동되어, 그 결과 배전계통의 V0·I0(상시 잔류분 및 사고)가 변한다. 지락 릴레이는 이 V0를 감시하여 사고 시에 정정값을 초과하는 V0가 발생한 경우(정정값 V0쬩사고 시 V0)에 동작한다. 또한 차단기를 개방하여 사고를 제거한다. 따라서 배전선의 신증설·계통변경 공사를 행할 때마다 64V1·64V2를 목표의 검출감도로 하기 위해 인공 지락시험을 행하여 정정값을 재결정한다.단, 인공 지락실험 시 결정한 정정값은 시험 시의 배전계통에서 유효하여 실제 운용에서는 설비정지·부하교환 등에 따라 계통변경된다. 따라서 그 정전용량은 매번 변동하여 사고 시에 발생하는 V0도 변화하기 때문에 목표로 하는 검출감도와 정정값 사이에 오차가 발생한다. 이 오차는 허용범위 내에 있지만, 전력품질·공중안전 향상의 시점에서 개선해야 하는 과제이다.새로운 지락사고 검출 릴레이1. 기본원리지락 릴레이의 동작판정은 (정정값 V0쬩사고 시 V0)이기 때문에 사고 시 V0의 크기는 정전용량으로 변화한다는 것을 앞서 언급하였다. 정전용량은 운용으로 변동하기 때문에, 여기에 추종하여 릴레이 동작감도를 목적값으로 유지하려면 정전용량의 변동을 실시간으로 릴레이 연상에 반영하여 정정값 V0=6㏀ 사고 시 V0가 되도록 정정값을 항상 변경할 필요할 필요가 있다.
[그림 3] 새로운 지락사고 검출 릴레이의 기본원리이번에 개발된 지락사고 검출 릴레이의 기본원리를 <그림 3>으로 나타내었다. 지락사고 시 발생하는 영상 전기량의 변화분(△I0, △V0)을 이용하여 계통전체의 정전용량 Y0∑를 추정한다. 이 Y0∑에서 6㏀ 사고 시에 발생하는 V0 변화분 △VOF를 계산으로 구하여 정정값으로 한다. 이 값과 해당 지락사고 시 발생한 V0 변화분 △V0를 비교하여 △VOF쬩△V0라면 릴레이 동작하여 차단기를 개방한다.이런 원리로 정전용량의 변동을 실시간으로 정정값에 반영할 수 있기 때문에 현재의 지락 릴레이와 비교하면 전력품질·공중안전이 향상된다. 더욱이 배전선의 신증설·계통변경 공사마다 실시했던 인공 지락시험이 필요 없게 되어 위험작업을 피할 수 있고, 작업량도 대폭 삭감될 수 있게 된다.2. 상세원리새로운 지락 릴레이의 특징은 Y0∑ 추정의 정확성, 계통변경에 의한 변동을 반영하는 실시간성이다. 이 장에서는 이에 대해 상세하게 설명한다.(1) 배전선 64V1에서 Y0∑ 추정방법
[그림 4] 64V1의 Y0∑ 추정방법배전선에 설치된 64V1의 Y0∑ 추정방 법을 <그림 4>로 나타냈다. 계통전체의 정전용량 Y0∑는 사고 회선 배후의 정전용량 Y0B와 사고 회선 전방의 정전용량 Y0F의 합으로 표현한다. Y0B는 지락사고 발생 시 영상전기량(△I0, △V0)을 이용하여 이론식으로 산출할 수 있기 때문에, 매우 정확한 추정이 된다. Y0F는 영상전기량(△I0, △V0)에 포함되지 않기 때문에 오차의 요인이 된다. 이것을 개선하기 위해 가공 배전선 계통에서 Y0F의 대부분을 차지하고 있는 변전소부터 제1입상주까지의 케이블 정전용량 Y0C로 Y0F을 비슷하게 하는 방식으로 한다. 이에 따라 배전선 주보호의 위치부착이 된 64V1은 정확하게 Y0∑를 추정할 수 있다.(2) 고압 모선 64V2에서의 Y0∑ 추정방법
[그림 5] 64V2의 Y0∑ 추정방법고압 모선에 설치된 64V2의 Y0∑ 추정방법을 <그림 5>로 나타냈다.64V2는 64V1의 백업 위치 부착이기 때문에 Y0∑ 추정은 다른 방법으로 하고 64V1·64V2 모두 오불동작이 될 위험을 배제할 필요가 있다. 따라서 각 배전선에서 변전소부터 제1입상주까지의 케이블 정전용량 Y0C를 구하여 그 총 합계를 Y0∑로 하여 비슷하게 하였다.(3) 계통변경에 의한 변동을 반영하는 구조
[그림 6] 계통변경에 의한 변동을 반영하는 구조지락사고 시에 발생하는 V0 변화분 △V0F의 산출식은 <그림 6>으로 나타냈다. 검출감도를 일정하게 유지하려면 계통변경에 의한 변동을 실시간으로 연산에 반영할 필요가 있다는 것은 앞에서도 언급했다. △V0F 산출식 중에서 계통변경에 따라 변동하는 요소는 잔류전압, 전원전압 및 Y0∑이다.먼저 잔류전압·전원전압은 상시계측하고 있기 때문에 정확하고 쉽게 연산에 반영할 수 있다. 다음으로는 Y0∑인데, 64V1에서는 사고가 발생한 순간의 영상전기량(△I0, △V0)을 이용하여 Y0B를 자동 산출하고 있다. 64V2에서는 각 회선의 차단기 상태에 변화가 있다면 Y0C를 가감하여 Y0∑를 재설정하는 방식으로 하고 있다.시작품에서의 검출1. 시작품의 제작과 공장검증
[그림 7] 64V1 기능 블록 그림64V1 및 64V2에 대해서 시작품을 제작했다. 64V1의 기능 블록 그림을 <그림 7>로 나타냈다. 공장의 검증에서는 시작품에 실제 지락사고 파형을 시험기로 모의 입력하여 실제 운용 중인 기존의 릴레이의 반응 동작과 비교했다. 기존의 릴레이는 S상 지락이나 자회선 사고로 판정되어 시작품에서도 이것과 같은 반응 동작을 얻을 수 있다.2. 필드 검증
[그림 8] 필드 시험 상황시작품을 배전용 변압소에 설치하여(<그림 8> 참조) 인공 지락시험을 실행하여 릴레이 반응 동작을 검증하였다. 인공 지락시험에서는 지락 저항값을 임의로 변화시켜 지락사고를 발생시킬 수 있다. 시작품의 검출감도는 목표로 한 지락 저항 6㏀으로 정정해 두고, 시험에서 발생하는 지락 저항값을 변화시켜 어느 값에서 릴레이 동작하는지 확인한다. 그 결과 목표 지락 저항 6㏀에 대한 오차는 최대 -15%가 되었다.(<표 1> 참조) 오차가 각 상 모두에 부측이 되어 있는 것은 Y0C에는 케이블을 제거한 가공 송전선 및 수요가 구내의 정전용량이 포함되어 있지 않은 것이 원인이라고 추정할 수 있다.오차가 큰 것에 대해서 고찰하면 배전계통의 정전용량은 작업에 따른 계통변경이나 부하상황에 의해 최대 20% 정도의 변동이 있음을 알 수 있다. 기존의 지락 릴레이 검출감도는 인공 지락실험 실시 시의 계통에서는 유효하지만, 이 20% 변동을 따라갈 수 없어 검출감도가 변화해 버린다. 따라서 이번에 개발된 릴레이는 인공 지락시험에서 정정값을 결정하는 것의 대체방법으로 실용적인 정밀도를 얻을 수 있을 것이다. 그 후 실계통의 전기량을 입력한 상태에서 계속 감시한 결과, 운용 중 기존 릴레이와 다른 반응 동작(오동작, 오불동작)은 없었고 실운용으로 적용하기 전의 필드 시험은 양호하게 종료되었다.단말 단락사고 검출 릴레이의 개발1. 개요장거리 배전선의 단말에서는 선로 인피던스가 크고 단락사고 전류는 작아진다. 배전선의 선로 긍장으로는 부하 전류값과 해당 배전선 단말에서 단락전류의 식별이 어렵고, 기존의 변압소 단락 릴레이로는 사고 검출할 수 없는 경우가 있다.(현재 이러한 경우에는 배전선의 단말에 원단 단락 보호장치를 설치하고 있다)이것을 해결하기 위해서는 사고전류를 고감도로 검출해야 하므로 전류의 변화분과 위상에 착안한 단락 릴레이를 개발했다.2. 릴레이 특성이번에 개발한 말단 단락사고 검출 릴레이(이하51Q)의 개요는 <그림 9>로 나타내었다.
[그림 9] 말단 단락 사고검출 릴레이 특성(1) 동작 판정배전선의 계통교환 등에 따라 부하전류에 변화가 발생한다. 이 변화와 말단 단락전류를 식별하여 단락전류만 고감도에 검출 가능하도록 전류 무효분의 변화를 벡터 판정하는 방식으로 한다. (2) 사고복귀 판정복귀특성은 무효전류가 일정치 이하로 감소한 것을 검출하는 레벨 판정 방식으로 한다. 이에 따라 수요가 내 사고 차단 등에서 단락전류와 부하전류가 없어져 사고 전 부하전류로 돌아가지 않는 상태에서도 사고전류의 제거 판정이 안정하도록 한다.3. 평가와 과제51Q 시작품으로 실계통의 전기량을 입력한 상태에서 필드 시험을 실시하였다. 실계통에서 릴레이 동작을 여러 번 확인하기 위해 최대감도에 정정하여 검증하였다. 그 결과 실사고는 발생하지 않았지만, 매번 부하변동 및 계통교환 시 릴레이 동작이 있어 동작특성·복귀특성의 건전성을 확인했다. 실운용에 있어서는 부하전류 변화, 수요가 구내 사고, 조상설비·변압기 충전 등의 과도현상으로 오동작하지 않도록 시한 협조도 고려하여 정정값을 결정할 필요가 있다.51Q 실용화에 의해 배전선의 말단에 설치되어 있는 원단 단락 보호장치가 생략되어 코스트 삭감을 도모할 수 있다.마무리배전용 변전소의 보호기능 고도화를 목적으로 디지털 릴레이를 사용하여 새로운 원리의 보호 릴레이를 개발했다. 이 인공 지락시험 생략 기능 및 말단 단락사고 검출 기능은 일본 호쿠리쿠전력(주)의 배전용 변전소 디지털형 보호계전장치의 표준기능으로 전개하여 코스트 삭감·전력품질 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.또한 본 기능을 탑재한 릴레이는 2007년 하반기부터 운용을 개시하였다.
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