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[해외] 전자 구동 진공차단기를 이용한 투입 위상 제어 (일본편)
2009-11-12

전자 구동 진공차단기를 이용한 투입 위상 제어


- 일본편 -


개요

최근 일렉트로닉스 및 IT 기술의 고도화에 따라, 변전 시스템이나 수배전 설비 제어에 전자기기가 사용되고 있다. 또한 제어기기가 통신기기에 접속해 제어 정보나 상태 정보를 서로 주고받는 인텔리전트화 된 시스템도 등장했다. 그러나 이들 제어기기 및 통신기기는 기존 장치 이상으로 개폐장치에 근접해 배치하고 있다. 그런데 이러한 제어기기나 통신기기는 노이즈 및 서지에 비교적 약하기 때문에 오동작이 없는 안정된 시스템 구축을 위한 대책이 필요하다. 이와 같은 상황에서 개폐기의 개폐 동작에 의해 발생하는 과도적인 과전압 · 과전류를 억제하는 기술은 전력기기 자체의 절연 성능 완화뿐 아니라 제어기기 및 통신기기의 오동작을 저감할 수 있기 때문에, 보다 안정성 · 신뢰성이 높은 전력 시스템을 구축할 수 있다.
한편 개폐 동작에 의한 과전압 · 과전류를 억제하는 기술 중 하나로 위상 제어 기술이 있다. 특히 차단기의 위상 제어 기술이 최근 주목받고 있으며, 지금까지 초고압 클래스에서 가스차단기를 이용한 위상 제어 차단기가 보고되고 있다. 일본에서는 현재 중전압 클래스의 변전 시스템과 수배전 설비에 이용하는 것을 목적으로 하는 위상 제어 차단기를 개발중에 있으며, 위상 제어 알고리즘과 전자 구동을 이용한 진공차단기의 개발을 추진하고 있다.
여기에서는 특히 차단기 투입 시 과전압 · 과전류를 억제하기 위한 투입 위상 제어 기술에 대해 설명한다. 먼저 과전압 · 과전류가 발생하는 경우로, 콘덴서 뱅크를 투입했을 때를 컴퓨터 시뮬레이션으로 표시하고 위상 제어로 이것이 저감되는 것을 표시한다. 또한 차단기 폐극 동작 시간에 지연 오차가 있을 경우 이것이 어느 정도로 증가하는가를 명확히 했다. 투입 위상 제어의 알고리즘을 표시하고 그 알고 리즘을 탑재한 컨트롤러와 전자 구동형 진공차단기를 이용해 실전압인 22㎸를 인가하여 행한 위상 제어 투입 실적에 대해 설명한다.

콘덴서 뱅크 투입 시뮬레이션

본고에서는 중전압 변전 시스템에서 조상용(調相用) 콘덴서 뱅크를 투입할 때 발생하는 서지를 컴퓨터 시뮬레이션으로 구한 결과에 대해 설명한다. <그림 1>은 중전압 변전 시스템 모델이다. 베이스 주파수는 50㎐ 시스템이다. 이 모델에서는 위상에서 끌어낸 두 개 계통에 각각 22㎸로 변환하는 용량 30㎹A, 임피던스 15%로 Y-△ 결선의 주 트랜스가 이어지고 있다. 주 트랜스의 저압 측 각 상의 대지 부유용량을 6,800㎊로 가정한다. 저압 측 각 상의 선로를 분지하여 소용량 Y-Y 결선 트랜스가 접속되어 있으며, 그 중점은 12Ω 저항으로 접지되어 있다.
두 개 계통의 주 트랜스는 각각 케이블을 사이에 두고 모선에 이어지고 있다. 여기서는 이 두 개 계통의 모선을 연결한 상태에서 회로 구성으로 계산한다. 두 개의 계통 모선 각각에는 한 개씩 조상용 콘덴서 뱅크가 있다. 용량은 각 상당 38㎌으로 한다. 또한 <그림 2>와 같이 콘덴서 뱅크의 저압 측은 Y 결선되어 있지만 그 중점은 접지되지 않은 것으로 한다. 콘덴서 뱅크는 캐패시터 스위치로 모선에 연결하거나 떼어낼 수 있도록 되어 있지만, <그림 1>에서 C2 쪽 콘덴서 뱅크는 이미 모선에 접속되어 있는 것으로 한다. 그리고 C1 쪽 콘덴서 뱅크를 모선에 접속하기 위해 캐패시터 스위치를 투입한다. 또한 C1은 잔류 전압이 0인 운용을 상정한다.
이하의 계산 케이스에서 다음과 같은 캐패시터 스위치 종류를 바꾼 두 가지 경우에 대해 조사했다.
· 케이스 1 : 기존 3상 일괄 투입인 경우
· 케이스 2 : 3상 개별에 위상 제어된 투입의 경우


 


케이스 1의 조건은 기존 3상 일괄 차단기를 상정한 것으로, 투입 시각의 조건으로 캐패시터 스위치의 모선 측 전압 3상 중 한 상(여기서는 B상)의 전압이 피크일 때 3상 동시에 투입한다는 조건으로 계산했다. 따라서 이때 발생하는 과전류가 가장 심하다. 한편 케이스 2는 위상 제어 차단기를 이용한 경우를 상정한 것으로, 각 상의 투입 시각 조건은 캐패시터 스위치의 모선 측과 콘덴서 뱅크 측과의 접점 간전압차가 0이 된 시각에 투입한다. 즉, <그림 2>의 캐패시터 스위치의 모선 측 각 상 전압 VR, VY, VB와 콘덴서 측 전압 VCR, VCY, VCB에 대해 VR=VCR, VY=VCY, VB=VCB가 되는 경우다. 이렇게 하면 급격한 전압 변동이 콘덴서 단자 간에 발생하지 않아 돌입전류가 작아진다고 판단했기 때문이다. 한편 이각 상의 전압차가 0이 되는 시각을 상전압 위상을 바탕으로 생각하면, 다음과 같은 타이밍이 된다.



<그림 3>에 캐패시터 스위치의 모선 측 각 상 전압 VR, VY, VB와 투입 시각을 나타냈다. 투입 제1상을 R상이라고 하면 R상 콘덴서 측 전압은 맨 처음에 0V이기 때문에, VR=0이 될 때가 접점 간 전위차가 0이 될 때인 것은 분명하다. 그리고 이 시각을 기준으로 해 전기각 0도로 한다. 다음으로 투입 제2상은 B상이 되지만, 투입 타이밍은 VB=0이 될 때는 아니다. 콘덴서 뱅크의 저압 측은 Y 결선 되지만 중점이 접지되지 않기 때문에 R상 투입 후에는 VCY, VCB 모두 VCR과 같다. 즉, VR과 같은 전압이 되기 때문에 VB=VCB가 되는 것은 VB=VR이 되는 시각이다. 따라서 B상은 전기각 30도의 타이밍에서 투입하게 된다. 잔여 투입 제3상은 Y상이지만, R상과 B상의 접점이 닫힌 후에는 단상과 같아지기 때문에 Y상은 120도 지점에서 VY=VCY가 된다. 그러므로 ⑴의 타이밍에서 투입하면 된다.


한편 케이스 1 및 케이스 2를 시뮬레이션 한 결과를 <그림 4>와 <그림 5>로 나타냈다. 각각의 그림 ⒜는 캐패시터 스위치의 모선 측 상전압 VR, VY, VB, ⒝는 각 상의 선전류, ⒞는 캐패시터 스위치의 콘덴서 측 전압 VCR, VCY, VCB 이다. ⒝는 이 전류가 콘덴서 뱅크에 유입된다고 생각하면 된다. <그림 4>, <그림 5>에서 제1상 투입 전에 이미 전압 파형이 왜곡된 것은 C2를 투입했을 때 영향의 잔존이다.
<그림 4>에서 3상 일괄 투입으로 조건이 심할 때는 비교적 큰 과도적 과전압 및 과전류가 발생함을 알 수 있다. <그림 4>의 ⒝의 전류는 최고치로 -5.3㎄의 돌입전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 이것은 캐피시터 스위치의 전극 간 전위차가 스위치 투입에 의해 콘덴서에 걸리는 돌입전류가 흐르는 것과 동시에, 이 전류 때문에 일어나는 트랜스 누설 인덕턴스와 대지 부유 용량 및 콘덴서 C1과 C2의 공진에 의해 고주파 진동이 발생한 결과이다. 한편 <그림 5>의 위상 제어된 투입 결과를 살펴보면 과도적인 과전압 및 과전류는 거의 발생하지 않는다. <그림 5>의 ⒝에 의하면 돌입전류는 0.5㎄ 이하로 억제되는 것을 알 수 있다. 이처럼 3상 개별 위상 제어를 함으로써 과도적인 고주파의 과전압 및 과전류 억제가 가능하다.
그런데 <그림 5>의 결과 즉, 케이스 2는 각각의 극간 전위차가 마침 0이 된 타이밍에서 차단기 극 간이 닫힌 경우다. 그러나 차단기가 가진 기계적인 오차 등으로 타이밍이 빗나간 경우에는 어느 정도의 과도적인 전압 및 전류가 발생한다고 보인다. CIGRE에서 위상 제어 차단기 투입 시 불균질한 오차는 ±1msec 이내를 추천하지만, 본고에서도 어느 정도 과도적인 전압 및 전류가 발생하는지를 조사해 보기 위해 케이스 3으로 케이스 2의 각 상 투입 시각이 모두 1msec 늦은 경우에 대한 시뮬레이션을 실행해 봤다.
그 결과를 <그림 6>으로 나타냈다. <그림 6>의 ⒝를 보면 최대치로 -1.7㎄의 돌입전류가 발생함을 알 수 있다. <그림4>의 ⒝의 위상 제어를 하지 않았던 경우 가장 심했던 -5.3㎄에 대해 32%로 억제되고 있다. 그 외 시간이 늦은 경우에 대해서도 조사 결과 전류치는 늦은 시간에 비례하는 경향이 있음을 알 수 있었다. 또한 전압에 대해서도 같은 정도로 억제 가능하다. 서지 전압의 주 회로에서 억제 회로로의 전압이행률은 10~30% 정도다. 위상 제어를 하지 않은 경우의 서지 전압이 18㎸인 것에 비해 1msec 늦은 경우의 전압은 6㎸ 정도였기 때문에, 억제 회로로의 이행 전압은 0.6㎸~1.8㎸ 정도로 억제할 수 있어 제어기기 측에서의 서지 대책도 용이해진다.

투입 위상 제어 알고리즘

앞서 언급한 각 상의 투입 타이밍 ⑴에서 알 수 있듯이, 본고에서 다루고 있는 콘덴서 뱅크 투입의 경우에는 투입 제1상과 제2상 사이의 시간 및 제2상과 제3상 사이의 시간은 고정되어 있다. 즉, 50㎐ 시스템의 경우에는 1사이클이 20msec이기 때문에 전자는 1.67msec로, 후자는 5msec이다. 따라서 제1상의 타이밍이 정해지면 제2상, 제3상에 대해서는 그저 시간 차이를 두고 투입하면 된다. 따라서 여기서는 제1상의 투입 타이밍을 결정할 알고리즘에 대해서 설명한다. 즉, 상전압의 0점 시각에 차단기가 닫히도록 제어하는 알고리즘을 나타냈다.



<그림 7>에 위상 제어 컨트롤러의 개략적인 구성을 나타냈다. 이것은 일반적으로 입수 가능한 A/D변환기 내장형 마이크로컴퓨터에 구비되어 있는 기능이다. 컨트롤러에는 각 상의 전압과 차단기 상태가 입력된다. 전압은 아날로그로 입력되기 때문에 A/D 변환기로 샘플링 되고 디지털 값으로 변환하여 CPU에 보내진다.



한편 목표로 하는 전압 영점의 시각에 투입을 완료할 필요가 있지만, 차단기에는 투입 신호를 받고 나서 접점 간이 완전히 닫히기까지 걸리는 폐극 동작 시간이라고 하는 지연이 있다. 따라서 <그림 8>과 같이 현시점까지 얻은 전압 파형에서 아래에 나타낸 알고리즘으로 폐극 동작 시간 후에 전압 영점인지 아닌지를 항상 예측하여, 상위로부터 투입 지령을 받은 후 예측한 전압 파형의 값이 0일 때에 차단기에서 투입 신호를 출력하도록 한다.
<그림9>에는 알고리즘을 나타냈다. 가장 먼저 전압을 샘플링 하여 메모리에 축적한다. 다음으로 현재까지 얻은 과거 1사이클 분량의 전압 샘플링 데이터에서 진폭 A, 위상 Φ, 직류분 B를 데이터의 최대치와 최소치 및 그것을 부여하는 시각으로 구한다. 주파수f는 50㎐로 정해두고, 폐극 동작 시간 T초 후의 전압은 V=Asin(2πfT+Φ)+B로 예측할 수 있다(<그림 8>의 예측 전압 파형에 해당). 이 전압 V가 V=0이면 T초 후가 전압 영점이 되기 때문에, 만약 상위에서 투입지령이 오면차단기에서 투입신호를 출력한다. 그렇지 않으면 최초의 전압 샘플링으로 돌아가 이것을 반복한다. 이 알고리즘에 의해 폐극 시간 후 전압 영점에서 차단기가 폐극을 완료하도록 투입 신호를 출력할 수 있다. 고조파에 대한 오차는 무시한다.

전자 구동 진동차단기를 이용한 투입 위상 제어 실현

앞에서 설명한 알고리즘을 이용한 위상 제어로 차단기 단상기의 투입 동작을 실험했다.


알고리즘을 싣고 있는 위상 제어 컨트롤러의 CPU로는 동작 클록 30㎒의 시판 마이크로컴퓨터를 이용했다. 또 전압 샘플링 주파수는 12㎑, A/D변환의 양자화 비트는 10비트로 했다. 차단기에는 전자 구동 진공차단기를 이용했다. 앞서 차단기에는 기계적 불균질로 1msec 이내를 추천한다고 말했지만, 일반적인 진공차단기의 구동 불균질은 ±2~3msec 정도이다. 한편 이 실험에서 이용된 전자구동 차단기는 <그림 10>과 같은 구성으로 되어 있다. 코일의 전자력으로 접점을 구동하지만, 전자 구동장치와 접점 사이에는 래치(Latch) 및 링크 구조 등이 없는 직동식이기 때문에 부품 점수 등에서 기계적 불균질은 1msec보다도 적을 것으로 기대된다.
투입 실험의 회로도를 <그림 11>로 나타냈다. 전압은 트랜스에 의해 승압하여 실전압인 60㎐, 22㎸rms의 전압을 차단기 극 간에 인가했다. 컨트롤러의 전압 입력 단자에는 트랜스 1차 측의 전압 분압기출력을 인가했다.


이 실험에서 이용된 차단기의 폐극 동작 시간 T즉, 투입 신호를 받아 극 간이 닫히기까지의 시간을 미리 측정했더니 33.3msec였다. 또한 이 실험에서는 상위의 투입 지령은 수동 스위치로 하기로 했다.
따라서 투입 지령이 언제 발생하는가에 대해서는 미리 정해두지 않고 완전히 임의로 되어 있다. 이러한 임의의 시각에서 발생하는 투입 지령을 받아 위상제어 컨트롤러가 33.3㎳ 후에 목표점인 전압 영점이 되는 것을 예측한다. 그리고 투입 신호를 출력해 이 목표 전압 영점에서 차단기가 폐극을 완료하는 것과 차단기의 기계적 불균질, 컨트롤러가 가진 양자화 및 샘플링 간격에 기인하는 제어의 불균질 및 극 간이 완전히 접촉하기 전에 브레이크 다운을 일으키는 것에 의한 불균질을 포함한 종합적인 불균질에 대해서 전체적인 정밀도가 어느 정도인지를 평가하는 것이 이 실험의 목적이다.
실험 결과인 오실로그래프의 예를 <그림 12>로 나타냈다. 측정 항목은 극 간 전압, 코일 전류, 트래블 커브(Travel Curve), 상위의 투입 지령 신호, 차단기로의 투입 신호이다. <그림 12>를 보면 컨트롤러가 신호를 출력하면 코일 전류가 흐르기 시작해 폐극 동작을 개시, 33.3㎳ 후에 차단기가 전압 영점에서 폐극해 위상 제어가 성공했음을 알 수 있다. 이상과 같은 위상 제어에 의한 투입 실험을 10회 정도 반복 진행했더니, 폐극 완료 시각의 목표 전압 영점에 대한 오차는 200㎲ec 이내였다.

마무리

중전압 클래스의 변전 시스템 및 수배전 설비에서의 차단기 투입 시 과도적인 과전압과 과전류를 억제하기 위한 투입 위상 제어에 대해서 설명했다. 먼저 변전 시스템에서의 콘덴서 뱅크 투입에 따른 과전압 · 과전류 발생에 대해 계산기 시뮬레이션을 실시하여 기존 3상 일괄 투입과 비교해, 차단기 3상 각각의 극 간 전압이 0이 될 때 폐극이 완료되도록 위상 제어한 투입을 행하면 과전압 · 과전류를 상당히 억제할 가능성이 있음을 나타냈다. 또한 위상 제어를 행했을 때 폐극 타이밍이 늦어진 경우에 대해 조사한 결과 차단기에는 1msec 이하의 불균질과 같은 정밀도가 필요함을 알 수 있다.
다음으로 극 간 전압이 0이 될 때 차단기 폐극이 완료되도록 투입 위상을 제어하기 위한 알고리즘에 대해서 설명했다. 마지막으로 그 알고리즘을 실은 컨트롤러와 전자 구동 진공차단기를 이용해 위상제어로 22㎸ 실전압 투입 실험을 했다. 초기에 33.3msec의 폐극 동작 시간을 가진 차단기를 사용해 실험한 결과, 10회 반복 평가에서는 목표 전압 영점에 대해 200㎲ec의 오차 내에서 폐극을 완료할 수 있어 위상 제어 가능이라고 생각되는 정밀도의 결과를 얻었다. 향후 반복 횟수를 더욱 늘려 평가할 예정이다. 또한 이 실험에서는 기온 등 환경 변화에 따른 기계적인 동작 시간 변화의 보정에 대해서는 고려하지 않지만, 이 보정 제어를 행하는 알고리즘을 검토할 예정이다. 게다가 고조파나 주파수 변동에 의한 오차의 영향에 대해서도 검토할 필요가 있다. 이번 실험에서는 단상 실험기를 이용했지만, <그림 10>의 전자 구동 기구를 3상 개별에 따른 차단기를 이용함으로써 3상 위상 제어가 가능하다고 판단된다.
위상 제어(Phase Control)
교류 계통에서 전압과 전류와의 위상 관계를 제어하는 것, 또는 수은정류기의 양극의 점호 위상을 제어하는 것을 말한다.

위상각(Phase Angle)
주파수가 같은 교류 파형의 시간차(時間差)를 전기각(電氣角)으로 나타낸 것. 즉 두 파형에 있어 서로 비슷한 위치의 각의 전기각 또는 하나의 파형으로 두 순시치(瞬時値) 사이의 전기각을 말한다.

위상차(Phase Difference)
같은 각주파수를 가진 두 교번량에서 그 파형의 최대값(또는 최소값) 사이에서 측정한 시간차를 일컬으며 보통 전기각으로 표시된다. 이 때 두 파형 중 어느 쪽 파형을 기준으로 해도 무방하다.

고전력 스위칭용 반도체(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)
전력용 반도체의 일종으로 전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능은 다른 부품이나 회로로도 구현할 수 있지만 정밀한 동작을 필요로 하는 제품일수록 동작 속도가 빠르고 전력 손실이 적은 전용 부품을 필요로 하게 된다. 기존의 스위칭 반도체인 트랜지스터는 가격이 저렴한 대신 회로 구성이 복잡하고 동작 속도가 느린 단점이 있다. MOSFET는 저전력이고 속도가 빠른 대신 비싼 단점이 있어 이 두 제품의 장점만을 결합한 제품이 전력용 반도체 IGBT이다.

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