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이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다.광섬유 전류 센서를 응용한 케이블 고장 검출장치 개발칸사이전력·전력시스템기술센터 전기그룹_栢木正弘(카시와기 마사히로)가공송전선 사고는 일과성인 경우가 많아 재폐로가 성공할 확률은 높다. 한편, 지중 케이블에서는 영구 고장일 가능성이 높아 재폐로 실시는 설비손괴 확대를 초래할 뿐 아니라, OF케이블의 절연유가 누설된 경우 화재를 유발할 위험이 있다.가공송전선과 지중 케이블이 혼재하는 구간에서 사고점으로 재폐로 실시 여부가 결정되는데 재폐로 장치로는 사고점이 가공송전선인지 지중케이블인지를 판별할 수 없기 때문에 지중케이블의 고장을 검출하는 ‘케이블고장 검출장치(이하, C87이라 함)’를 설치해 재폐로 실시 가부를 판정하고 있다.C87에는 구간 내외 동작판정능력이 우수한 전류차동방식을 채용해 지중 케이블의 양 끝을 메탈케이블로 연결하는 아날로그형 릴레이를 적용해 왔는데 점차 제조·보수가 어려워지고 있다.한편, 아날로그형의 뒤를 이을 기종 디지털형 릴레이는 뛰어난 성능을 실현할 수 있지만 원가가 비싸고 가공송전선과 지중케이블의 접속점(이하, 가지접속점이라 함)에 아날로그형에서는 불필요했던 장치전원을 필요로 하는 등 문제가 있었다.가지접속점에 장치전원이 불필요하다는 아날로그형의 이점은 그대로 남긴 채, 디지털형의 뛰어난 성능을 지닌 후속 기종을 염가로 실현하기 위해서는 종래 방법에 구애받지 않는 새로운 센서 응용이 문제해결의 단서가 된다. 이에 전류계측 성능이나 시공성·내진성에 뛰어난 납유리섬유형 광전류센서(이하, 광CT라 함)에 착목해 도쿄전력 및 타카오카제작소 3사 공동연구로 새로운 C87 개발을 추진했다.  종래 시스템의 특징메탈케이블을 이용한 아날로그형은 <그림1>에 나타냈듯이 권선형 계기용 변류기(이하, 권선형 CT라 함)에서 추출한 전류를 절연변류기와 1대1 표시선을 연결해 서로 전송하는 구성이다. 가지접속점에는 전원을 필요로 하지 않으며 하드웨어에 의존한 간단한 시스템 구성이라 할 수 있다.그러나 릴레이의 주류는 디지털형으로 옮겨지고 있고 아날로그형 릴레이의 제조·보수는 어려워지고 있다는 게 현재 상황이다.아날로그형을 대신해 현재 주류를 이루고 있는 디지털형의 PCM 전류차동 릴레이(이하, PCM 릴레이라 함)를 적용한 경우, PCM 릴레이는 전류를 수치 데이터로 처리해 마이크로 프로세스의 디지털 연산으로 전류차동방식의 고장검출을 실행하기 때문에 케이블 양 끝의 전류를 디지털신호화 해 상호 전송하기 위한 변환장치나 전송장치가 필요하다.정보전송 및 정보처리기술의 발전으로 실현한 고도의 시스템이라 할 수 있지만 원가가 비싼데다가 가지접속점이 장치를 설치하기에는 가혹한 환경이라는 점과 장치의 전원이 필요하다는 등 문제가 있었다.연구과제1. 광전송로의 적용 긍장 시스템의 기본 구성을 <그림2>에 나타냈다.가지접속점에는 광 CT만을 두고 전기소에 배치하는 릴레이 장치 내에 광원, 수광부 등의 광전변환기 및 릴레이 연산부를 배치해 그 사이를 단일 모드 광섬유 케이블(이하, SMF라 함)로 연결하는 구성이다.가지접속점의 전류는 SMF를 연결해 전기소에서 직접 계측하는 구조인데 전기소를 일으킨 빛은 가지접속점까지의 SMF를 왕복하기 때문에 릴레이 장치 수광부로 돌아오는 빛은 SMF 왕복만큼 감쇠돼 줄어든다. 이 빛이 너무 작아지면 지중케이블의 고장 검출성능이 악화되기 때문에 고장검출성능을 확보하면서도 사용가능한 SMF를 얼마나 길게 할 수 있을지가 과제이다. 2. 광 CT의 설치형태와 소전류 영역의 성능 확보지중케이블의 지락고장전류는 3상분 케이블을 광 CT로 일괄 주회시킴으로써 계측할 수 있다. 이에 필요한 광 CT는 케이블 상마다 격리거리에 비례해 길어지는데 광 CT 감쇠는 SMF보다 크기 때문에 광 CT를 지나치게 길게 하면 고장검출성능이 악화된다.지중케이블에는 3상을 개별적으로 이용하는 단심케이블과 3개를 합쳐서 사용하는 트리플렉스 케이블(CVT) 등의 형태가 있는데, 케이블 3상분을 일괄해서 주회할 수 있는 것은 트리플렉스 케이블 형태뿐이다. 단심케이블의 경우는 광 CT가 너무 길어져 SMF의 길이와 고장검출성능이 양립되지 않는다는 것을 확인했다.트리플렉스 케이블 적용을 조사한 결과 <표1>에 보이듯이 66/77kV 이하로 한정된다는 것을 알았다.따라서 154kV 이상과 기존의 일부 77kV에 대해서는 광 CT를 권선형 CT 2차측 잔류회로에 설치하기로 했다. 그러나 저항접지계 1선 지락전류는 단락전류에 비해 작고, 광 CT를 권선형 CT 2차측에 설치하는 경우는 계측하는 전류가 더욱 작아지기 때문에 소전류 영역의 고장검출 성능을 얼마나 확보할지가 과제가 된다. 3. SMF 진동에 따른 영향력 검증SMF는 멀티모드 광섬유에 비해 광 손실이 적어 장거리 광 전송로로 이용되며 전력회사에서도 널리 부설하고 있다. 그러나 SMF는 진동 등 외란에 따라 광 손실이나 광 편파면의 기울기가 변동된다는 특징이 있어 아날로그 광 전송에 적합하다고는 볼 수 없다.본 시스템에는 케이블 고장검출 장치로 되돌아오는 빛도 그 영향을 받는데 이 현상은 고장검출 성능의 오차요인이 되기 때문에 영향이 미치는지 사전에 검증해 둘 필요가 있다. 연구성과1. 사용 가능한 SMF 길이앞서 설명한 대로 사용하는 SMF의 길이와 고장검출 성능은 트레이드오프(trade-off) 관계이며 SMF를 너무 길게 하면 고장검출 성능 확보가 곤란해진다. 본 시스템 개발에 즈음해서는 아날로그형으로 사용할 수 있는 메탈케이블 길이 20㎞(편도)를 목표로 했다.SMF는 구성방법(중계 수)에 따라 자체에 감쇠요인을 내재하고 있다. 이를 가미해 고장검출 성능을 확보하면서 사용 가능한 SMF의 길이를 산출한 결과, 일정 조건 하에 목표를 만족할 수 있게 됐다. 산출결과를 <표2>에 나타냈다.2. 소전류 영역 고장검출 성능 확보방책앞서 설명한 대로 광 CT를 권선형 CT 2차잔류 회로에 설치할 경우는 소전류 영역에 대한 고장검출 성능을 확보할 필요가 있다.저항접지계에서는 중성점 저항에 따라 지락전류가 제한된다. 칸사이전력 관내에서 1선 지락 전류가 가장 작은 것은 계통전압 154kV, 중성점 저항이 600 인 경우다.완전 지락전류에 대한 30% 상당의 릴레이 검출감도를 확보하려면 계통 1차 측에서 약 40A가 된다. 최대 비율을 4000/5로 상정하고 권선형 CT 2차측 전류치로 환산한 경우, 필요한 검출감도 전류치는 약 50mA 정도가 된다.광 CT는 최대 100kA 정도의 대전류 계측이 가능하지만, 그 200분의 1에 지나지 않는 전류치에 대해 고장검출 감도를 확보하는 일은 어렵다. 때문에 본 시스템은 <그림3>과 같이 권선형 CT 2차 잔류회로에 자계를 증폭하는 코일(이하, 증폭코일이라 함)을 마련하기로 했다. 광 CT에 큰 전류가 흐르고 있다는 것을 보여줌으로써 소전류 영역에 대한 고장검출 성능을 확보할 수 있게 됐다.게다가 이 증폭 코일은 추후 기술하는 광전송로의 진동 등으로 인한 영향을 경감시키는 데도 도움이 된다. 단, 권선형 CT의 2차 잔류회로에는 3상의 불평형 성분이 흐르기 때문에 외부 단락사고 전류로 인한 오동작에 유의해야 한다.(아날로그형 시스템에서도 동일)3. 필드 검증 실시SMF의 진동으로 인한 고장검출 성능의 영향을 검증하기 위해 배전선 첨가로 광전송로를 이용해 검증 시스템을 구축하고, 칸사이전력 관내 275kV 계통에서 필드 검증을 실시했다. 검증기간 중 계통사고는 없었지만 SMF에 부가한 진동이 원인이라 여겨지는 수광(受光)급 변동을 파악할 수 있었다.취득한 수광급 변동파형을 해석하고 2개의 패턴으로 대별했다. 하나는 10Hz이하 저주파 성분의 파형이고, 다른 하나는 40Hz 부근의 비교적 기본파에 가까운 주파수 성분 파형이다. 두 파형 모두 교류성분의 반파 형상을 갖고 있다는 것은 공통된 부분이다. 취득한 수광급 변동파형을 <그림4>에 나타냈다.본 시스템에서는 광 레벨을 아날로그 신호로 이용하기 때문에 수광급 변동은 전류의 교류성분을 나타내게 된다. 저주파성분의 변동은 릴레이 장치 입력단에 있는 필터로 배제하는 일이 가능하지만 기본 주파수 60Hz에 가까운 변동은 완전히 배제할 수 없다.필터를 통과한 광 변동파형은 전류파형으로 인식되기 때문에 수광 급 변동 진폭 값이 전류치로 변환된다. 이 변환에는 계수(광전변환계수)가 설정되는데 광전변환계수는 검출감도 전류 값에 반비례하기 때문에 검출해야할 전류 값이 작으면 광전변환계수를 크게 설정하게 된다. 즉, 권선형 CT 2차측으로 광 CT를 설치할 경우 고장검출 성능에 대한 영향이 우려된다.여기서 앞서 설명한 증폭 코일은 광 CT에 흐르는 전류를 크게 보이게 할 수 있기 때문에 광전변환계수를 작게 설정할 수 있는 효과가 있다. 증폭 코일의 권수비율을 적절하게 설정하면 수광 급 변동으로 인한 고장검출 성능의 영향을 경감할 수 있다. 이번 취득한 수광변동급에서는 시스템 오동작까지 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 또 주회로에 직접 설치할 경우도 문제가 없음을 확인했다.개발한 시스템 광 CT 설치 형태가 다르기 때문에 2개의 타입을 개발했다. 개관을 <그림5>에 나타냈다.두 타입 모두 가지접속점에 전원을 필요로 하지 않으며 <그림6>과 같이 본래 시스템과 비교해 큰 폭으로 소형화를 실현할 수 있었다.본 시스템은 칸사이전력 관내에서 첫 1호기의 현지도입을 완료, 2004년 12월부터 운용을 개시했다.
<Energy News>
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