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이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다.22kV 단락전류 억제장치 개발과 필드 시험결과신코환경솔루션과 코베제강소가 고효율 축열장치 독자개발큐수전력(주)_高島良弘(타카시마 요시히로)(주)토가미전기제작소_田 剛(타나베 츠요시)배전선로에서 단락사고가 발생한 경우, 사고전류는 보통 부하전류의 10배 이상이 되는 경우가 있는데 이것을 억제할 수 있으면 계통의 신뢰성, 경제성 및 안전성을 향상시킬 수 있다. 단락사고가 발생했을 때 흐르는 대전류를 억제하는 한류기(限流器 : Current Limit)는 초전도 방식, 반도체 방식, 아크 구동 방식 등이 국내외에서 연구되고 있다. 그러나 대전류를 고속으로 한류하고 게다가 정상 시 손실이 없는 기기는 아직 실용화 단계에 이르지 못했다. 모두 대형이고 복잡한데다 고가제품이기 때문에 배전선에서 실용화하기 위해서는 여러 가지 과제가 따른다.이번 개발한 22kV단락전류 억제장치(이하 FCL : Fault Current Limiter 이라 함)는 배전용 변전소의 인출구 주위에 설치함으로써 단락사고가 발생했을 때, 사고전류의 전자력을 이용해 변전소 차단기를 시동시키지 않고 고속으로 사고전류를 억제한 다음 차단하는 한류기이다. 따라서 전주에도 설치할 수 있도록 소형화를 추구했으며 반복사용이 가능하게 했다. 여기서는 FCL의 개발 개요와 필드시험 결과에 관해 소개한다.FCL 기대효과FCL을 배전선의 인출구 주위에 설치함으로써 다음과 같은 효과를 기대한다.1. 순시전압 저하 억제배전선에서 단락사고가 발생했을 때 사고 배전선과 동일 변압기에 접속돼 있는 다른 정상적인 배전선에서 순시 전압저하가 발생한다. FCL을 도입함으로써 순시 전압저하가 억제돼 전력 안정공급에 기여할 수 있다.2. 사고 시 대전류로 인한 기기손괴 방지배전계통에 사용되고 있는 기기는 단락됐을 때 대전류에 견딜 수 있고 내부단락을 일으켜도 위험한 낙하물이 없도록 강도를 넣어 설계했다. 단락 전류 억제로 단락 에너지를 경감할 수 있다면 사고가 발생했을 때 대전류로 인한 가열, 아크 열, 전자기계력, 기기내부 압력 상승 등의 영향을 줄일 수 있기 때문에 기기 안전 및 공중안전에 기여할 수 있다.3. 단락 아크로 인한 전선 단선 방지뇌격으로 인해 서로 다른 상 사이에 단락이 발생했을 때는 전선에 아크 스폿이 고정돼 단선되기 쉽다. 아크 단락 시 대전류가 순시에 억제 가능하면 아크 에너지가 경감, 전선의 단선을 방지할 수 있다.FCL 개발1. 요구 성능배전선로에 설치하는 한류기는 다음 용건을 구비해야 한다.① 정상 시는 저임피던스로 손실이 적다.② 사고 전류를 확실하게 검출할 수 있다.③ 계통의 각종 릴레이와 협조할 수 있다.④ 반복 사용이 가능한 데다 수명이 길다.⑤ 전주 상에 설치가 가능(소형, 경량)하다.⑥ 저렴하다.이번 개발한 FCL은 앞의 요구를 만족하기 위해 제1반파 비한류로 했다. 이것은 처음 1/2 사이클 경과 후 한류를 시작하는 것으로, 단락 에너지 면에서 보면 제1반파에서 발생하는 한류와 큰 차이가 없고 순시 전압 저하 등의 악영향도 거의 받지 않는다. 이로써 검출부와 전류(轉流)부를 간소화할 수 있었으며 장치의 소형·경량화를 추구해 전주 상에도 설치 가능하게 했다.2. 기본구성과 동작원리(1) 기본구성FCL은 <그림1>에 나타나듯이 변전소 인출구의 전주 상에 설치해 단락사고가 발생했을 때 변전소 차단기(CB)가 차단되기 전에 단락전류를 억제한 다음 차단한다.FCL의 기본구성을 <그림2>에 나타낸다. FCL은 단락전류를 한류저항체로 전류하기 위한 전류기, 단락전류를 억제하기 위한 한류저항체, 억제한 전류를 차단하는 절리(切離)개폐기, FCL의 원격제어(배전선로용 자동개폐기와 동일하게 원격제어로 투입, 개방이 가능)를 수행하기 위한 제어장치로 이루어진다.(2) 동작원리보통, 전류기 및 절리개폐기는 ‘입(入)’ 상태이며, 부하전류는 <그림2>에 나타나는 ①과 같이 전류기 및 절리개폐기를 개입시켜 흐른다. 단락사고가 발생하면 전류기가 ‘절(切)’이 되어 <그림2>에 나타낸 ②와 같이 전류가 한류저항체로 흘러 한류된다. 전류기가 ‘절’이 되면 기계적으로 연동하고 있는 절리개폐기가 ‘절’이 되어 한류저항체로 한류된 단락전류가 차단된다. 절리개폐기가 개극(開極)하고 30초경과 후 제어장치의 폐극(閉極)명령으로 전류기 및 절리개폐기가 ‘입’이 된다(재폐로).단락사고가 계속되면 전류기 및 절리개폐기는 다시 개극한다.(3) 전류기전류기는 고속 개극을 가능하게 하기 위해 단락전류에서 발생하는 전자력으로 개극하는 방식을 취하고, 12.5kA의 전류에서는 1파 정도로 개극한다. 개극은 3상1괄이지만 각 상에 동작기구를 갖게 하기 때문에 단상 단락으로 인한 대전류에도 동작해 정상적인 상도 이와 함께 개극 구조로 했다.또한 전류기는 단락전류가 약 2.5kA~12.5kA의 대전류 영역에서는 전자력으로 개극하지만 2.5kA 이하에서는 개극하는 전자력이 약해지기 때문에 FCL에 내장한 변류기(CT)의 검출전류를 통해 제어장치가 전류기에 개극명령을 내려 개극한다.(4) 한류저항체한류부는 순시 전압저하 억제를 고려해 리액터로 하지 않고 저항체로 했다. 저항체는 온도특성에 뛰어난 스테인리스 저항체로 하고 있다.(5) 절리개폐기배전계통의 각종 릴레이 동작의 협조를 얻어 사고점의 피해 확대와 FCL의 손상 등을 방지하기 위해 절리개폐기를 내장하고 있다. 절리개폐기를 개방함으로써 한류된 전류를 일정시간이 지난 후 차단할 수 있다.기기의 부정합으로 인해 한류저항체로 한류한 전류가 계속적으로 흐르는 것을 막기 위해 전류기가 개극 후 절리개폐기는 기계적으로 연동, 개방하는 기구로 했다.(6) 제어장치제어장치에는 다음의 기능을 갖춰 FCL을 감시 제어한다. ① 전류기 및 절리개폐기의 감시, ‘입/절’ 제어. ② 절리개폐기의 전원 측에 설치한 CT의 검출전류를 이용한 전류기 개극제어. ③ 전류기 및 절리개폐기에 대한 재폐로제어.(7) 단락사고 시 동작 시퀀스<그림3>에 단락사고 시 동작 시퀀스를 나타낸다.① FCL의 부하 측에서 단락사고 발생.② 단락전류가 흘러 전류기 (S)가 개극.③ 단락전류는 한류저항체 (R)로 전류해 한류.④ 전류기와 기계적으로 연동하고 있는 절리개폐기(S0)를 개방해 계통으로부터 절리된다.⑤ 30s 경과 후, 제어장치의 투입명령으로 전류기 폐극.⑥ 절리개폐기를 투입(재폐로).이 시점에서 사고 원인이 소멸되면 정상적으로 송전된다. 사고가 계속되면 앞서 설명한 ①~⑥과 동일한 동작을 다시 한번 반복한다.3. 기본사양단락전류 억제장치의 기본사양을 <표1>에 나타낸다. 정격전압은 24kV, 정격전류는 400A, 전류전류의 최대치는 12.5kA이며, 한류저항 6.5Ω에서 2kA로 한류한다.필드시험개발한 FCL의 기본적인 성능(조작성능, 절연성능 등)을 확인 후, 전력중앙연구소 대전력시험소에서 단락시험을 실시, 단락전류의 한류성능에 관해 양호한 결과를 얻었다.실제 배전선에서도 FCL이 오동작하지 않고, 단락사고가 발생했을 때 정상적으로 기능하는지 검증하기 위해 실제 배전선에 설치해 필드 시험을 실시했다.1. 시험방법22kV배전선의 인출구 주변에 전주를 2개 신설하고 전주 상에 FCL을 설치했다. <그림4>에 시험상황을 나타낸다.단락사고 발생 시 단락전류 한류상황, 순시전압저하의 억제상황을 확인하기 위해 전주 상의 계측기함 내 메모리 레코더를 설치하고, 어느 일정 이상의 전류가 흘렀을 때 전류 및 전압을 계측하기로 했다.또한 전류는 FCL 본체에 내장된 CT를 통해 검출하고, 전압은 FCL의 전원 측에 설치된 전주 변압기(22kV/200·100V) 2차 측에서 검출했다.2. 시험결과필드 시험기간 중 2상 단락사고가 1건 발생해 FCL 동작을 확인할 수 있었다. 실제 배전계통에서 한류기 동작을 확인한 경우는 일본 내에서 처음이다.(1) 동작상황조류피해(까마귀 접촉)로 인해 2상 단락사고가 발생, 전류기는 38ms로 개극해 단락전류는 한류됐다. 그 후 전류기와 기계적으로 연동하고 있는 절리개폐기가 91ms 후 개방하면서 사고배전선은 계통에서 절리됐다. 또한 30s 후에 전류기가 폐극되면서 절리개폐기가 투입됐다. 이 시점에서 사고원인은 이미 소멸됐기 때문에 정상적으로 송전됐다.FCL은 단락사고에 대해 정상적으로 동작된다는 사실이 확인됐다.(2) 단락전류 한류상황단락사고 발생 시 사고 상의 전류를 <표2>에, 그 파형을 <그림5>에 나타낸다. 단락은 S~T상 간에 발생하며, S상에서는 부하전류 192Arms가 단락으로 인해 2084Arms가 되어 그 후 전류기가 개극해 1165Arms로 한류됐다.단락이 발생한 지점에서 전원 측을 본 10MVA 베이스의 %Z에서 단락전류를 계산하면 <표2>와 같이 되면서 FCL을 통해 거의 계산 값대로 한류됐다.(3) 순시 전압저하 억제 상황사고가 발생한 상의 전압(전주 상 변압기 2차 측)을 <표3>에, 그 파형을 <그림5>에 나타낸다. 단락사고 발생 전에 저압 측에서 105Vrms였던 전압이 사고발생으로 31Vrms까지 저하(38ms계속)됐지만, 그 후 한류로 인해 86Vrms까지 복귀(91ms계속)됐다. FCL이 설치되지 않은 경우, 배전선 CB가 차단할 때까지 순시 전압저하 31Vrms가 600ms계속된 셈이다.전압계측지점의 전압 강하율을 계산하면 <표3>과 같이 되면서 FCL을 통해 거의 계산 값대로 순시 전압저하가 억제됐다.여기서 순시전압강하를 억제함으로써 얻어진 효과를 보면 FCL을 설치함으로써 PC, 워드프로세스 등을 순시 전압저하의 영향으로부터 구제할 수 있었다.(4) 평상시 상황필드 설치기간은 1년간이며 그동안 FCL을 설치한 배전선에 지락사고가 발생했지만 오동작되는 일은 없었다. 게다가 평상시에도 정상으로 기능했다.단락시험필드시험 종료 후, FCL의 차단한계성능을 확인하기 위해 전력중앙연구소 대전력시험소에 서 단락시험을 실시했다. 시험조건은 3상 전압24kV, 전류12.5kA, 주파수는 발전기에 맞춰 50Hz으로 했다.시험은 FCL의 전류기 및 절리개폐기를 사전에 투입해 두고, 단락전류를 통전해 한류·차단동작을 확인하는 O동작시험, FCL의 전류기 및 절리개폐기를 개방상태에서 투입함으로써 단락전류를 통전해 한류·차단동작을 확인하는 CO동작시험을 실시했다.O동작, CO동작을 합해 23회의 한류·차단 성공을 확인할 수 있었다. 또한 시험시간의 사정 상, 차단에 실패할 때까지 시험을 실시할 수 없었다.22kV배전선에 전주 설치가 가능한 소형·경량 한류기를 개발해 실제 배전선에서도 정상으로 기능하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 분산형전원의 배전선 연계증가와 함께 단락용량은 증대하는 경향이 있기 때문에 이와 같은 한류기의 기대는 높아질 것으로 예상된다.
<Energy News>
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