2.1 구조와 동작원리

Fig. 1은 비절연된 2차측 삼상 변압기형 초전도한류기의 구성을 보여준다. Fig. 1에 표시한 각 상의 1차권선(N1) 단자들(A-A', B-B', C-C')은 직렬로 전력계통 선로에 연결되며, 2차 권선 (N2)의 양쪽 (a-a', b-b', c-c')에 초전도모듈이 각각 연결된다.

i1sta, i1stb, i1stc은 a상, b상, c상의 1차측 권선전류를, v1sta, v1stb, v1stc는 1차측 권선전압을 나타내며, 2차측 권선전류는 i2a, i2b, i2c로 표기하였다. 또한, 초전도모듈의 전류는 isca, iscb, iscc로, 퀜치시 발생하는 저항은 RSCa, RSCb, RSCc로 나타내었다.

Fig. 1. Schematic structure of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation

2.2 모의실험

Fig. 2는 비절연된 2차측 삼상변압기형 초전도한류기의 모의계통 실험회로도를 보여준다. 모의계통 구성은 삼상전원(Ea, Eb, Ec), 선로(Zline), 부하저항(Rload)으로 구성되며, 삼상 변압기형 초전도한류기의 1차측이 모의계통에 직렬로 연결된다.

모의계통 실험회로는 3상 교류 전원(선전압 480V)과 선로임피던스 (Zline=0.097+j0.686Ω) 및 부하저항 (Rload = 5.2Ω)으로 구성된다. 삼상변압기형 초전도한류기를 구성하는 1차권선과 2차권선의 권선비(n=N1/N2)는 3으로 설계하였다. 이와 함께, 비절연된 2차측 삼상 변압기형 초전도한류기에 포함된 초전도모듈의 형태와 세부사양은 참고문헌^{[13, 14]}에 설명되어 있다.

일선지락 모의실험은 SW1을 투입한 후 SW2을 고장각 30o에서 12주기 동안 투입하여 삼상 초전도한류기 1차권선의 단자 (A-A’)를 단락하여 고장을 모의한 후 다시 SW2을 개방하여 진행하였다. 이선지락 모의실험은 초전도한류기의 1차권선의 단자 (A-A’, B-B’)를 동시에 단락하여 실험을 진행하였다. 삼선지락 모의실험은 1차권선의 단자(A-A’, B-B’, C-C’)를 동시에 단락하여 순차적으로 모의실험을 진행하였다.

삼상지락고장을 모의함과 동시에 측정한 전압 및 전류를 기반으로 비절연된 2차측 삼상 변압기형 초전도한류기의 고장전류제한 특성을 분석하였다.

Fig. 2. Experimental circuit diagram of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation

3.1 고장전류제한 동작 분석

Fig. 3은 a상에서 일선지락 고장이 발생한 경우 비절연 구조를 갖는 삼상변압기형 초전도한류기의 고장전류제한 동작 파형을 보여준다. 고장발생과 동시에 선로전류 (i2a)가 급격하게 증가하고, 이에 따라 고장상에 해당되는 초전도모듈의 전류(iSCa)도 임계전류 27 A를 초과하여 퀜치가 발생한 것을 알 수 있다. a상에서 일선지락 고장 발생 후 0.6025s에서 퀜치가 발생하여 초전도모듈에서 전압 (vsca)이 유기되었다. 또한, 건전선로인 c상에서 선로전류 (i2c)가 증가하고 있고 c상에 해당되는 초전도모듈도 0.6042s에서 퀜치가 발생하여 초전도모듈의 전압 (vscc)이 유기되는 것을 확인할 수 있다. 이는 2차권선의 초전도모듈(RSCa)에서 저항발생으로 a상의 초전도모듈전류 (iSCa)가 감소되고 비절연된 선로를 통해 전류가 유입됨에 따라 c상의 초전도모듈 전류(iSCc)가 증가되어 퀜치가 발생하는 것으로 분석할 수 있다.

이선지락(a상, b상) 고장이 발생한 경우, 고장전류제한 동작 파형을 Fig. 4에 도시하였다. a상과 b상에서 고장발생으로 2차측에 연결된 a, b상의 초전도모듈의전류(iSCa, iSCb)가 임계전류를 초과하여 각각 0.6019s, 0.6010s에서 퀜치가 발생하여 고장상에 해당되는 초전도모듈의 전압(vSCa, vSCb)이 유기되는 것을 볼 수 있다. 또한, a상과 b상의 초전도모듈에서 퀜치발생으로 2차권선간에 비절연된 선로를 통해 유입된 전류로 인해 2차측 c상의 초전도모듈의 전류(iSCc)도 증가되어 0.6054s에서 퀜치가 발생하여 c상의 초전도모듈에서도 전압(vSCc)이 유기되는 것을 확인할 수 있다. 실험결과 이선지락 고장발생으로 비절연된 3개의 초전도모듈 모두에서 퀜치가 발생하고 고장 발생 1주기 이내에 2차측 선로전류가 감소하는 것을 Fig. 4에서 분석할 수 있다.

Fig. 3. Fault current limiting operational waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that single (a-phase) line ground fault happens

Fig. 4. Fault current limiting operational waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that double (a-phase, b-phase) line ground fault happens

삼선지락(a상, b상, c상) 고장이 발생한 경우, 고장전류제한 동작 파형을 Fig. 5에 도시하였다. 고장발생 후 a상 초전도모듈은 0.6020s, b상 초전도모듈은 0.6006s, c상 초전도모듈은 0.6051s에서 퀜치가 발생함을 확인할 수 있다. 삼선지락고장의 경우에는 a, b, c상의 초전도모듈이 고장직후 모두 퀜치가 발생함에 따라 2차측 전류(i2a, i2b, i2c)와 초전도모듈의 전류(iSCa, iSCb, iSCc)간의 차이가 없는 것을 볼 수 있다.

Fig. 6은 a상에서 일선지락 고장이 발생한 경우, 비절연 구조를 갖는 삼상 변압기형 초전도한류기의 1차측 선로의 전류와 전압파형을 보여준다. 고장전류제한 효과를 비교하기 위해 초전도한류기를 적용하지 않은 경우의 선로전류(i1sta(w/o))를 Fig. 6에 포함하였다.

a상의 일선지락 고장으로 1차측 선로전류(i1sta)는 급격하게 증가하였고, a상과 c상 초전도모듈의 퀜치발생으로 1차측 선로 전압(v1sta, v1stc)이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 건전상인 c상의 초전도모듈에서 퀜치가 발생함에 따라 c상의 1차측 선로 전류(i1stc)는 고장전보다 보다 감소되는 것을 관찰할 수 있다.

이선지락(a상, b상) 고장이 발생한 경우, 1차측 선로 전류와 전압파형을 Fig. 7에 도시하였다. 이선지락 고장과 동시에 고장전류는 급격하게 증가하고 있으며 퀜치발생으로 1/2주기에서 고장전류(i1sta, i1stb)가 감소되는 것을 알 수 있다. Fig. 4에서 분석한 것처럼, 이선지락 고장으로 건전상인 c상의 초전도모듈에서도 퀜치가 발생함에 따라 1차측 선로전압(v1stc)이 발생하고 있으며 이로 인해 1차 선로전류(i1stc)도 감소되는 것을 Fig. 7에서 볼 수 있다.

삼선지락(a상, b상, c상) 고장이 발생한 경우, 1차측 선로전류와 전압파형을 Fig. 8에 도시하였다. Fig. 8에서도 초전도한류기를 적용하지 않은 경우의 선로전류(i1sta(w/o), i1stb(w/o), i1stc(w/o))도 함께 도시하였다. 삼선지락고장 발생과 동시에 고장전류가 급격히 증가하여 고장발생 1/2주기이내에서 3상의 초전도모듈에서 퀜치발생에 의해 1차권선의 전압(v1sta, v1stb, v1stc)이 유기되고 1차 선로전류(i1sta, i1stb, i1stc)가 제한되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Fault current limiting operational waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that triple (a-phase, b-phase, c-phase) line ground fault happens

Fig. 6. Current and voltage waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that single (a-phase) line ground fault happens

Fig. 7. Current and voltage waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that double (a-phase, b-phase) line ground fault happens

Fig. 8. Current and voltage waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that triple (a-phase, b-phase, c-phase) line ground fault happens

3.2 전력분담 분석

Fig. 9는 a상에서 일선지락 고장이 발생한 경우, 초전도모듈의 순시전력(pSCa, pSCb, pSCc)과 초전도한류기의 순시전력(pSFCLa, pSFCLb, pSFCLc)을 보여준다. pSCabc와 pSFCLabc는 전체 순시전력을 나타낸다.

Fig. 9(a)는 a상에서 일선지락이 발생한 경우이며, 건전상인 c상의 초전도모듈에서도 퀜치가 발생되어 초전도모듈 a와 초전도모듈 c의 순시전력전력부담(pSCa, pSCc)은 거의 동일한 크기로 발생하였다. 전체 초전도모듈의 순시전력(pSCabc)의 최대크기는 고장발생 1주기 이후 2kW보다 조금 작은 값으로 수렴되고 있다.

Fig. 9(b)는 a상에서 일선지락이 발생한 경우 초전도한류기의 순시전력파형을 보여주고 있다. 고장상인 a상의 순시전력(pSFCLa)은 크게 발생하지만, 건전상인 c상의 순시전력(pSFCLc)은 작게 발생하는 것을 볼 수 있다. 전체 초전도한류기의 순시전력(pSFCLabc)의 최대값은 2kW에 수렴되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 9. Power waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that single (a-phase) line ground fault happens. (a) Power waveforms of superconducting modules (b) Power waveforms of SFCLs

이선지락(a상, b상) 고장이 발생한 경우, 초전도모듈과 초전도한류기의 순시전력을 Fig. 10에 도시하였다. Fig. 10(a)는 각 상의 초전도모듈의소비전력을 나타냈다. 과도성분이 큰 a상의 초전도모듈에서 순시전력(pSCa)이 가장 크게 나타나고 있고, 건전상인 c상에서 순시전력(pSCc)은 작게 나타났다. 고장발생 1주기 이후 전체 초전도모듈의 순시전력(pSCabc)의 최대값은 2.1kW로 수렴되는 것을 볼 수 있다. Fig. 10(b)는 초전도한류기의 순시전력을 보여주며, 1주기 이후 고장기간 동안 전체 초전도한류기 순시전력(pSFCLabc)의 최대값은 2.2kW로 수렴되는 것을 볼 수 있다.

앞에서 분석한 일선지락과 이선지락의 경우 초전도모듈의 순시전력(pSCabc)과 초전도한류기의 순시전력(pSFCLabc)의 차이는 삼상변압기 철심과 1차 및 2차권선에서 소모되는 전력으로 분석할 수 있지만, 일선지락과 이선지락 모두 비슷한 값을 갖는 것을 볼 수 있다.

Fig. 10. Power waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that double (a-phase, b-phase) line ground fault happens. (a) Power waveforms of superconducting modules (b) Power waveforms of SFCLs

Fig. 11은 삼선지락 고장이 발생한 경우, 초전도모듈과 초전도한류기의 순시전력을 보여준다.

Fig. 11. Power waveforms of three-phase transformer type SFCL using secondary windings with non-isolation in case that triple (a-phase, b-phase, c-phase) line ground fault happens. (a) Power waveforms of superconducting modules (b) Power waveforms of SFCLs

삼선지락 고장이 발생한 경우 각 상의 초전도모듈에서 모두 퀜치가 동시에 발생하였고 고장초기에 과도성분이 큰 a상에서 순시전력(pSCa, pSFCLa)이 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 앞선 일선지락과 이선지락보다 삼선지락고장의 경우 전체 초전도모듈의 순시전력(pSCabc)과 초전도한류기의 순시전력(pSFCLabc) 피크가 가장 크게 발생할 뿐 아니라 변화폭은 감소되는 것을 볼 수 있으며, 이는 대칭고장의 경우가 비대칭고장의 경우보다 초전도모듈과 초전도한류기의 부담이 가장 크게 되는 것에 기인하는 것으로 분석할 수 있다.

본문에서 분석한 일선지락, 이선지락, 삼선지락 고장에 따른 퀜치 발생시간을 정리하여 Table 1에 나타내었다. 이와 함께, 앞에서 검토한 고장종류별 초전도모듈의 전압, 전류와 초전도한류기 1차측 선로전류 및 전압으로부터 삼상지락고장발생에 따른 초전도모듈과 초전도한류기의 전력분담을 Table 2와 Table 3에 정리하여 나타내었다.