1. 서 론

산업이 발전됨에 따라 전력수요가 증가되고, 이에 따라 송전계통의 안정적 운영을 위해 여러 전력기기들의 품질 향상 및 시스템 운영기술 등 다양한 신기술들이 확대 적용되고 있다.

송전선로에 설치되어 있는 가공지선은 낙뢰로부터 가공 송전선로를 보호할 뿐만 아니라 불평형전류 및 고장전류의 귀로 역할을 위한 금속선으로서, 최근에는 광복합가공지선(OPGW, Overhead Power Ground Wire with optical fiber)을 이용하여 통신선의 역할을 추가적으로 부가하여 활용되고 있다. 이러한 송전선로의 철탑 등의 구조물은 상시적으로 항공기 조종사에게 항공장애표시등 및 색채를 통해 장애물의 존재를 알려주는 시설을 필히 갖추어야 된다^[1].

가공 송전선로의 철탑에 설치된 항공장애표시등의 전원으로서 주로 태양전지 모듈과 축전지를 이용한 태양광 발전에 의해 전기를 공급하고 있다. 특히, 송전선로 철탑에서 사용되는 부하 동작의 신뢰성을 확보하기 위해서는 날씨, 온도, 주위환경 등에 관계없이 전원이 안정적으로 공급되어야 된다.

345kV 송전선로에 있어서 3상 부하불평형이 발생되는 경우에는 가공지선에 불평형전류가 흐를 수 있으며^[2-3], 이때 유도되는 전류의 이론치는 3상 송전선로의 수직 또는 삼각배열에 있어서 최소 56.9A에서 최대 124.2A까지 매우 큰 전류가 흐름을 알 수 있다^[4].

본 연구에서는 3상 4선식 송전선로에서 부하불평형에 의하여 가공지선에 흐르는 불평형전류를 철탑에 설치된 부하의 전원으로 활용하기 위하여 변류기 설계 및 제작, 그리고 간이 대전류 실험장치를 이용한 출력 특성평가 및 실제 송전선로에 설치하여 축전지 충전상태 및 항공장애표시등의 동작상태에 대하여 조사한 결과를 논하였다.

2. 본 론

2.1 변류기 설계를 위한 이론적 계산

변류기 설계에 앞서 송전선로에 불평형전류의 크기를 파악하기 위하여, 2회선 송전선로 345kV에서 1회선 휴전상태에서 가공지선에 전류가 22.5A 흐름을 확인하였다. 2회선 모두 활선상태 또는 간헐적 부하불평형에서도 1회선 휴전상태인 22.5A보다 높은 전류가 흐를 것으로 예측할 수 있다.

345kV 송전선로 철탑의 항공기장애표시등으로는 중광도 1개, 저광도 2개, 조절기 1대가 사용되고 있으며, 이들을 구동시키기 위해서는 전원부 출력이 최대 57W 확보되어야 되지만, 동작시간 및 동작주기를 고려하여 상시적으로 20W 출력이 안정적으로 축전지에 충전되면 동작에 문제가 없을 것으로 판단된다.

따라서, 송전선로 가공지선에 변류기 2개∼4개를 병렬 설치하여 상시적으로 20W이상 충전되도록 구성하기 위하여, 변류기 1개당 최소 14W의 전력이 발생되도록 Table 1에서와 같이 설계 사양을 설정하였다.

Table 1. Design specifications of the current transformer

구 분	설계 목표 값
변류기 입력전류	20 ∼ 200[A]
전원장치 출력전압	DC 12, 14[V]
전원장치 출력전류	> 1[A]
방수·방진	IP56 만족

송전선로의 부하불평형에 의해 가공지선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속은 아래 식(1)과 같이 계산되며, 이때 2차측 권선에 유기되는 인덕턴스 및 유기전압은 식(2)와 식(3)에 의하여 산출 가능하다.

식(1)

$\begin{align*} \phi =\int_{\rho =a}^{\rho =b}\int_{0}^{z}\mu H\vec{a_{\phi}}\bullet d\rho dz\vec{a_{\phi}}\\ =\dfrac{\mu I_{1}z}{2\pi}\ln(b/a)[W b] \end{align*}$

식(2)

$L =\dfrac{N\phi}{I_{2}}=\dfrac{\mu S N^{2}}{l}[H]$

식(3)

$v = L\dfrac{di_{2}}{dt}= N\dfrac{d\phi}{dt}[V]$

여기서, $\phi$:자속, $I_{1}$:가공지선 불평형전류, $I_{2}$:2차권선(변류기) 전류, $L$:인덕턴스, $\mu$:투자율, $S$:단면적, $N$:권선수, $l$:평균자로길이

Fig. 1. Variation of magnetic flux, inductance, winding current, and power according to the change of unbalanced current and winding turns

Fig. 1은 변류기의 이론적 계산 결과를 보인 것으로서, 자심재료인 규소강판의 크기는 OPGW 가공지선의 굵기 및 설치를 고려하여 72 × 102 × 88mm(내경×외경×길이)로 확정하였으며, 규소강판의 비투자율($\mu_{r}$) 700, 2차측 권선수를 35turns으로 고정하고, 불평형전류가 10A∼100A까지 흐른다고 가정하였을 때, 자심재료를 통과하는 자속은 4.3×10$^{-4}$∼4.3×10$^{-3}$Wb으로 선형적으로 증가됨을 알 수 있다.

또한, 변류기 2차측 권선수를 10∼100turns까지 변화시킴에 따라 인덕턴스는 4.2×10$^{-3}$H에서 4.2×10$^{-1}$H까지 비선형적으로 증가되지만, 2차측 권선에 흐르는 전류는 비선형적으로 감소됨을 알 수 있다.

Table 2는 실제 사용가능한 범위로 고려되는 불평형전류의 크기에 따른 변류기의 자속, 전류, 출력 전력을 나타낸 것으로서, 약 30A가 흐를 경우 14.7W로서 충분히 전력 생산이 가능함을 알 수 있다. 또한, 약 40A에서 26.1W까지 출력 가능할 것으로 기대된다.

Table 2. Output characteristics of current transformer by changing the unbalanced current

불평형전류 [A]	자속[Wb]	변류기 전류[A]	전력[W]
	권선수: 35[turns]
20	8.5×10$^{-4}$	0.577	6.5
30	1.3×10$^{-3}$	0.866	14.7
40	1.7×10$^{-3}$	1.154	26.1
50	2.1×10$^{-3}$	1.443	40.8

2.2 변류기 및 전원장치 제작

본 연구에서 개발한 변류기는 철탑 가공지선인 가혹한 환경에 설치되기 때문에 높은 내환경 특성뿐만 아니라 방수 기능이 필요하므로 특수 방수단자 및 오링을 사용하여 IP56 환경조건에 부합되도록 제작하였다.

Fig. 2는 제작된 변류기 및 전원장치를 보인 것으로서, 변류기 1개 또는 2개가 고장이 발생되더라도 부하가 안정적으로 동작되도록 동일회선에 4개의 변류기를 병렬로 설치하도록 4포트 입력단자를 전원부에 구성하였으며, 변류기로부터의 교류 입력을 축전지 충전 및 전원으로 활용하기 위해 AC-DC 컨버터에 의해 직류 14V 변환되도록 전원장치를 제작하였다.

축전지에 충전되는 14V 출력은 항공장애등과 같은 부하의 안정적인 동작을 위해 상시로 충전하고, 항공장애등 동작 전력이 부족한 경우에는 축전지 전력을 이용하여 동작되도록 설계하였다.

Fig. 2. Appearance of current transformer and power source

3. 실험 및 고찰

제작된 변류기 및 자체 제작한 전원장치의 출력 특성을 측정하기 위하여 Fig. 3에서와 같이 간이 대전류 실험장치에 장착하여 모의 불평형전류의 크기에 따른 출력전압 및 전류를 측정하고, 이를 이용하여 전력을 산출하였다.

주요한 실험결과를 나타낸 Table 3은 변류기 3개를 이용하여 1개부터 3개까지 측정하였을 때 변류기 각각의 교류 출력전압 및 축전지 충전용 출력전압과 항공장애등용 부하부 출력특성 결과를 보인 것이다.

변류기 1개만을 이용하여 불평형전류를 20A∼150A까지 변화시킴에 따라 전원장치의 AC-DC 컨버터에 의하여 축전지 충전용 출력전압은 14.5V로 일정함을 알 수 있으며, 부하(항공장애등)에도 직류전압 출력이 11V로서 일정하지만 전류가 1.8A에서 3.1A까지 증가됨을 알 수 있다.

또한, 변류기 2개를 동시에 이용한 경우에는 각각의 출력전압은 일정하지만, 부하부의 출력전류는 1개만을 이용하는 경우보다 1.2∼1.5배 증가됨을 알 수 있으며, 전력은 불평형전류 20A에서도 약 29.7W가 출력되고, 80A에서 36.3W까지 출력됨을 알 수 있다.

변류기 3개를 동시에 이용한 경우에도, 각각의 출력전압의 크기는 일정하지만, 전류가 약간 증가되면서 출력이 다소 증가됨을 보였다. 따라서, 변류기 2개 이상을 동시에 사용하는 경우에는 불평형전류가 20A인 경우에도 29.7W로서 축전지에 부하동작을 위한 전력을 안정적으로 공급 가능하다고 볼 수 있다.

Fig. 3. Measurement of output characteristics of current transformer and power source using the high current experimental apparatus

Fig. 4는 실제 송전선로의 가공지선에 설치된 변류기 및 전원장치를 보인 것으로서, 1회선 휴전상태에서 가공지선에 2개의 변류기를 설치하였지만, 변류기 1개만에 의한 항공장애등 3대의 동작특성을 파악하였다. 해당 송전선로가 가압된 경우의 부하량은 약 420MW로서 3상 송전선로 전체에 약 700A가량이 흐른다고 볼 수 있으며, 부하 불평형에 의하여 가공지선에 20A이상의 전류가 흐를 것으로 예상된다.

Fig. 4. Real installation of current transformers on the overhead ground wire and the power supply on the ground

Table 4에서와 같이 송전선로 가압 이후에 전원장치의 축전지 충전용 출력이 14.13V로서 안정적으로 동작되고, 축전지 충전전압(100% 충전시 12.8V, 50% 충전시 12.2V)은 12.1V를 보였다.

설치 이후 3개월 이상 경과되었음에도, 축전지 충전전압이 11.57V로 낮은 경우도 있지만, 변류기 1개만을 사용하여 부하가 안정적으로 동작됨을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문은 교류 3상 4선식 송전선로의 부하불평형에 의한 가공지선에 흐르는 불평형전류를 전원으로 활용하기 위하여 변류기 및 전원장치 설계 및 제작, 출력특성 평가, 그리고 실제 송전선로에 설치한 결과에 대하여 논하였다.

(1) 가공지선의 굵기 및 설치를 고려한 변류기 출력특성에 대한 이론적 계산에 의하면, 불평형전류가 약 30A가 흐를 경우 변류기 1개가 14.7W로서 충분히 전력 생산이 가능함을 보였다.

(2) 간이 대전류 실험을 통하여 변류기 2개 이상을 동시에 사용하는 경우에는 불평형전류가 20A인 경우에도 29.7W로서 부하동작을 위한 전력이 축전지에 충분히 충전 가능함을 확인하였다.

(3) 실제 사용되고 있는 송전선로 가공지선에 설치된 변류기 1개만에 의한 부하 동작상태를 파악한 결과, 전원장치 14V단자에서의 출력이 안정적이며, 축전지 충전전압이 부하인 항공장애등 3개를 충분히 동작시킴을 확인하였다.

따라서, 본 연구에서 개발된 변류기 및 전원장치는 송전선로 철탑에 설치된 각종 부하의 동작전원으로서 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다.