2.1 직류배전망의 고장전류 특성

직류배전망의 고장전류를 해석하기 위해서는 필수 설비인 AC/DC 컨버터의 구조를 이해하는 것이 요구된다. Fig. 1은 일반적인 전압형 AC/DC 컨버터의 구조를 나타낸다. 선로에 고장이 발생하면 가장 먼저 컨버터 출력단의 커패시터가 방전하게 되고 이는 식 (1) ∼ (3)을 이용하여 계산할 수 있다^[7]. 커패시터 방전 후 역병렬다이오드를 통해 교류 측 전류가 고장점으로 도통하게 된다. 이때 과도한 전류가 역병렬다이오드를 통과함으로써 파손의 우려가 있고 이는 고장이 제거된 후 계통을 회복시킬 때 AC/DC 컨버터의 정상적인 동작이 불가능하게 되는 문제점을 야기한다. 따라서 선로 측 고장이 발생한 경우 커패시터의 방전 단계에서 신속하게 고장을 검출하고 차단하는 것이 필요하다.

Fig. 1. Fault current caused by the discharge of DC-link capacitor

여기서, $R_{eq}$ : 고장루프의 등가저항

$L_{eq}$ : 고장루프의 등가인덕턴스

$I_{o}$ : 초기전류

$v_{C}$ : DC-link 커패시터 전압

C : DC-link 커패시턴스

2.2 보호방식 분석

2.1절의 해석 결과에 따르면 커패시터의 방전 단계에서 고장 전류를 차단하는 보호방식이 필요하다. 이를 만족할 수 있는 고장 검출 방식으로 전류변화율(di/dt)을 들 수 있다. 이 방식은 직류기반 철도시스템에 사용되는 고장선택계전기(50F)의 고장 검출 요소이기도 하다^[8]. 선로 고장 시 커패시터 방전전류가 급격히 상승하므로 전류변화율을 이용하면 고장을 신속하게 검출할 수 있지만 높은 민감성으로 인해 정상상태 이벤트에 대해서도 고장으로 인식할 수 있고 다른 보호계전기 간 보호협조에 어려움이 있다.

보호협조를 고려하기 위해서는 반한시 과전류 계전방식(Inverse Over-Current Relaying, IOCR)을 활용할 수 있다. IOCR은 고장 전류($I_{F}$)의 크기에 따라 검출시간이 달라지는 특징이 있다. IEC 기준에 따른 IOCR의 고장 검출 시간($T_{ocr}$)은 식 (4)를 이용해서 구할 수 있다.

여기서, $T_{d}$ : 타임 다이얼

$I_{set}$ : OCR 동작 정정값

한시(限時)는 일정 시간 동안 지연된 후 동작을 의미하고, 반(反)한시는 고장 전류가 큰 경우에는 고장 검출이 빨라지며 고장전류가 작을 경우에는 고장 검출이 느려지는 특성을 가진다. 강(强)반한시는 검출 속도가 반한시보다 빠르며, 초(超)반한시는 가장 빠른 검출 속도를 가진다. IEC 기준에 따른 반한시, 강반한시, 초반한시의 특성은 $k$와 $E$의 값에 따라 결정되며 각 수치는 Table 1에 나타나 있다^[9].

IOCR을 이용하면 고장점에 따른 각 계전기의 동작시간이 달라지므로 보호협조를 달성할 수 있다. 즉 고장점에 가까운 계전기가 먼저 동작하여 고장구간과 건전구간을 분리시킬 수 있으며 동작에 실패하더라도 전원 측 IOCR이 후비보호로써 동작이 가능하다. 하지만 전류변화율의 동작 시간보다는 신속하지 못하기 때문에 지연된 시간 동안 높은 고장전류가 지속적으로 흐를 수 있다. 따라서 IOCR이 동작하기까지 고장전류를 저감시키는 대책이 수반되어야 한다.

3.1 전력용 반도체형 한류기

2.2절에서 논의한 IOCR이 동작하기까지 고장전류를 저감할 수 있는 방법으로 한류기를 활용할 수 있다. 한류기는 정상 상태에서는 낮은 임피던스를 가지므로 부하 전류에 큰 영향을 주지 않지만 고장이 발생한 경우 우회 경로를 통해 높은 임피던스를 제공하여 전류를 저감시킨다. 최근 전력 스위칭 기술의 발달로 전력용 반도체형 한류기를 배전망에 적용이 가능하게 되어 본 논문에서는 전력용 반도체형 한류기를 고려하였다^[10]. Fig. 2는 직렬형 전력용 반도체형 한류기의 구조를 보여준다. 정상상태 시 전자기계식 스위치($S_{EM}$)를 통해 저임피던스 경로를 제공한다. 고장 발생 시 우회경로($Z_{f}$)를 제공하고 반도체 스위치($S_{SS}$)는 제어를 통해 고장전류를 한계값 이하로 조절한다. 또한 과전압 보호를 위한 우회경로(ZnO 배리스터) 및 스너버가 포함된다^[11].

Fig. 2. Series switch-type solid-state fault current limiter

3.2 보호협조 대책

2.1절에서 논의한 직류배전망의 고장전류 특성, 2.2절에서 분석한 보호협조에 적합한 IOCR을 이용한 고장 검출 방식, 그리고 3.1절에서 논의한 한류기를 바탕으로 직류배전망의 보호협조를 고려한 보호 방식을 개발하였다.

기존의 IOCR과 한류기를 단순히 적용하게 되면 고장 검출이 어려운 문제가 발생하게 된다. 고장 전류의 크기에 따라 동작시간이 결정되는 IOCR이 지연되면 커패시터 방전 후 AC/DC 컨버터 내 역병렬 다이오드를 통해 고장전류가 지속적으로 도통하면서 파손이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 한류기를 투입하게 되면 식 (4)의 고장전류($I_{F}$)가 줄어들게 되고 IOCR의 동작시간($T_{ocr}$)이 급격하게 커지게 된다. 따라서 한류기로 인해 IOCR은 고장을 검출하여 차단기를 동작시킬 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig. 3과 같은 보호방식을 제안한다.

Fig. 3. The flowchart of the proposed scheme

제안된 방식에서는 먼저 선로전류를 감시하면서 고장으로 인식하기 위한 정정값($I_{set}$) 보다 큰 전류가 발생했는지 확인한다. 고장으로 인식될 경우 식 (4)를 이용하여 $T_{ocr}$을 계산하고 그 시점부터 시간($T_{cnt}$)을 카운트하기 시작한다. 커패시터의 방전 전까지 허용 가능한 지연시간($T_{"delay"}$) 전에 $T_{cnt}$가 $T_{ocr}$를 초과하면 신속하게 고장이 검출되었음을 의미하므로 차단기를 트립시키고 종료하게 된다. 하지만 $T_{"delay"}$보다 시간이 지연되면 AC/DC 컨버터를 보호하기 위해 한류기를 투입하게 된다. 이후에는 고장전류가 급격하게 줄어듦으로 상승하게 되는 $T_{ocr}$을 방지하기 위해 한류기 투입 시점의 $T_{ocr}$을 고정하였다. 이후 $T_{cnt}$가 고정된 $T_{ocr}$인 $T_{fixed}$를 초과하면 차단기를 동작시킴으로써 한류기를 투입하더라도 고장을 제거할 수 있도록 구성하였다. 여기서 한류기 투입과 동시에 차단기를 동작시키지 않고 $T_{fixed}$를 기다리는 이유는 후행단의 IOCR과 보호협조하기 위함이다.

본 연구에서는 AC/DC 컨버터 측의 차단기뿐만 아니라 후행단의 차단기 간 보호협조를 고려하였다. IOCR의 특성상 고장점과 인접한 IOCR이 먼저 동작하여 고장을 제거하면 선행단의 IOCR을 동작하지 않아야 하고 이를 통해 건전구간을 확보할 수 있다. 하지만 후행단의 IOCR이 고장 제거에 실패하면 선행단의 IOCR이 후비 보호로써 동작하게 된다. 따라서 한류기를 투입하더라도 선행단의 IOCR이 동시에 동작하지 않고 $T_{fixed}$에 따라 후행단의 IOCR이 먼저 동작할 시간적 여유를 제공하도록 하였다.

4.1 모의계통

3.2절에서 제안한 보호방식을 검증하기 위해 EMTP를 이용하여 Fig. 4와 같이 모의 직류배전망을 구성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 직류 전원을 공급하기 위해 3상 풀브릿지 SPWM AC/DC 컨버터를 모델링하였고, 부하 측으로 380Vdc를 공급하기 위해 Buck DC/DC 컨버터를 구성하였다. 제안된 보호 방식의 IOCR 제어는 EMTP 내 MODELS 기능을 이용하여 구현하였다. 그 외의 파라미터는 Table 2에 나타내었다. 모의 조건으로는 3가지를 상정하였고 아래와 같다.

Case 1 : 선로 ①에서 고장 발생

Case 2 : 선로 ②에서 고장 발생

Case 3 : 선로 ②에서 고장 발생 및 IOCR2 오부동작

Fig. 4. Test system

4.2 시뮬레이션 결과 및 분석

Fig. 4의 모의계통에 대해서 EMTP를 이용한 시뮬레이션 결과를 Fig. 5에서 8까지 나타내었다. Fig. 5는 직류배전망의 선로 고장 시 발생하는 고장전류의 파형을 보여준다. 2.1절에서 논의한 것과 같이 고장 발생 시 커패시터 방전으로 인해 급격히 전류가 상승하고 이후 Fig. 1의 역병렬 다이오드가 6펄스 다이오드 정류기의 출력파형을 만들어 내고 있다.

Fig. 5. Fault current when line fault occurs

Fig. 6. IOCR1 characteristic for Case1

Fig. 7. IOCR1 and IOCR2 characteristic for Case2

Fig. 8. IOCR1 characteristic for Case3

Fig. 6은 Case 1에 대한 결과를 보여준다. 고장 발생 후 한류기가 투입됨에 따라 $T_{ocr}$의 값이 고정되고 $T_{cnt}$가 증가하면서 $T_{ocr}$과 만나는 시점에서 차단기 트립 신호를 생성하게 된다. 본 연구에서 제안한 방식이 아닌 기존의 IOCR을 적용하게 되면 한류기 투입 후 고장전류의 감소로 인해 $T_{ocr}$이 급격하게 상승됨을 볼 수 있고 이는 고장 제거를 어렵게 함을 알 수 있다.

Fig. 7은 Case 2에 대한 결과로, 데이터들에 숫자로 구분하여 표기하였다. 고장 발생 시 고장점에 인접한 IOCR2가 먼저 반응하여 $T_{ocr2}$와 $T_{cnt2}$가 먼저 나타남을 확인할 수 있다. $T_{cnt2}$가 $T_{ocr2}$보다 커지는 시점에서 CB2가 동작하고 CB1은 동작하지 않으므로 건전구간을 확보할 수 있다.

Fig. 8은 Case 3에 대한 결과이며 IOCR2가 정상적으로 동작하지 않았을 때 IOCR1이 후비 보호로써 동작함을 검증하기 위해 수행되었다. Case 1과 다르게 한류기 투입 후 상대적으로 큰 값으로 $T_{ocr1}$이 고정되었고 $T_{cnt1}$이 초과하는 시점에 CB1이 동작하여 고장의 확산을 방지할 수 있다.

보호협조를 위해 Case 1과 3의 경우 고장 제거 시간이 상당히 지연된 것으로 나타났지만 한류기의 투입으로 인해 낮은 고장 전류가 흐르고 있는 상태이며 이는 AC/DC 컨버터 내 역병렬다이오드를 보호하여 고장제거 후 정상적으로 계통을 회복시킬 수 있다.