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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

ISO Journal TitleJ Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng.

  1. (Professor, Dept. of Electrical Engineering, Dongshin University, Korea)



Current transformer, Electromagnetic transient tools, Hysteresis curve, Nonlinearity, Jiles-Atherton, model, PSCAD, Transient phenomena

1. 서 론

전력계통에서 변압기는 가장 필수적으로 중요하고 고가인 구성 요소 중의 하나이다. 변압기에서 과도한 여자돌입 및 고장 등의 외란이 발생할 경우, 전압 강하 및 고조파 발생, 변류기(CT, Current Transformer) 왜곡 및 IED(Intelligent Electronic Device) 오동작 등으로 인하여 전력계통에 부정적인 영향을 미칠 수 있다[1, 2]. 따라서 CT 및 변압기 재료의 적절한 모델 기준을 확립하고 신뢰성 있는 특성 분석을 해야 한다. 또한, 돌입전류(Inrush Current) 등의 최소화 방안 및 완화대책이 요구되고 보호 알고리즘의 보완과 적응형, AI 기반의 차세대 보호계전 기법이 개발되어야 한다[3, 4].

관련된 국내 연구로는 EMTP-RV를 이용한 변압기 여자돌입전류 모델링[5]과 코어 손실과 자속-자화 전류 곡선을 고려한 측정용 CT 2차 전류에 관한 보상 알고리즘이 발표되었다[6]. 또한, 비선형 포화특성(Nonlinear Saturation Characteristic)이 반영된 CT 모델을 개발하여 RTDS(Real Time Dynamic Simulator)에서 검증하였고[7], CT 포화 시뮬레이션을 통하여 전력계통 보호를 위한 보정이론을 정립하였다[8]. 최근에는 3권선 전력용 변압기의 EMT (Electromagnetic Transient) 기반 RDR(Ratio Differential Relaying) 및 DWT(Discrete Wavelet Transform) 보호 기법의 시뮬레이션이 제시되었다[9].

관련된 해외 연구로는 무부하 손실을 기반으로 변압기 철심의 포화특성을 계산하기 위한 알고리즘을 통해 철심 손실(iron core loss)은 인가전압의 비선형 함수임이 밝혀졌다[10]. 보호계전기 과도현상 연구를 위한 EPRI(Electric Power Research Institute)의 EMTP 기반 CT 모델의 실험적 평가가 수행되었고[11], 전력 시스템을 더 잘 이해하고 보호하기 위한 단계별 지침을 제공하기 위하여 EMTP 모델을 사용한 CT의 적합성(suitability)을 결정하였다[12]. 변압기 모델의 중요한 요소인 코어의 표현을 위하여 ATP의 표준 비선형 인덕터 모델에 대한 조사 외에도 Jiles-Atherton 이론을 기반으로 하는 고급 히스테리시스(Hysteresis) 모델이 ATP-MODELS에서 시험 되었다[13]. 또한, 돌입 전류 계산을 위한 전력용 변압기 모델링[14], 과도 조건에서 보호 CT 모델링의 비교 연구[16], PSCAD 기반 변압기 포화 히스테리시스 특성에 관한 시뮬레이션 연구가 수행되었다[17]. 최근에는 CT 포화를 고려한 변압기용 DWT를 사용하여 개선된 적응형 차동 보호가 발표되었다[18].

본 논문에서는 전력계통에서 변압기 여자돌입이나 단락·지락 등 고장 상황 발생 시 CT가 포화되어 계전신호의 왜곡에 따른 보호계전기 오동작이 발생할 수 있기에, 이를 해결하기 위한 새로운 변압기의 보호 알고리즘을 개발하는 과정에서, EMT 도구 기반 CT 모델링과 돌입 전류 및 고장 전류의 과도현상을 해석하고자 한다. 먼저, CT 소재인 자성체를 위한 Jiles-Atherton 모델 히스테리시스 자화 곡선(Magnetization Curve)을 소개한다. 해당 모델계통을 선정한 후, 모델의 사양 및 여러 가지 파라미터를 수집한다. EMT 도구인 PSCAD를 이용한 CT 모델링을 수행한 후, CT의 비선형 특성을 해석한다. 끝으로 돌입 전류 및 고장 전류를 분석한다.

2. 히스테리시스 자화 곡선

히스테리시스 자화 곡선은 여러 가지가 있다. Lucas 모델은 초기 영역 및 고 자속 밀도 영역의 두 부분으로 나눠서 표현된다. 본 논문에서는 이를 개선한 Jiles-Atherton 모델을 적용한다[14-17].

2.1 Jiles-Atherton 모델

J-A(Jiles-Atherton) 모델은 자기 모멘트 $M$과 자속 밀도 $H$ 사이의 관계로부터 도출된다. 즉, $B-H$ 루프와 $M-H$ 루프 사이의 변환은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1)
$B=\mu_{0}(H+M)$

$B$와 $H$ 사이의 자화 관계는 $H_{e}$와 $M$ 사이의 안히스테리시스(anhysteresis) 자화 곡선으로 대체하면, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

(2)
$M_{an}=M_{s}f(H_{e})$

여기서, $H_{e}$는 $H+\alpha M$, $\alpha$는 도메인 간 결합(inter-domain coupling)을 나타내는 상수, $M_{s}$는 포화 자화(saturation magnetization)이다.

J-A 모델은 수정된 Langevin 함수를 사용하여 $f(H_{e})$에 대하여 시그모이드 유형 곡선을 생성한다. J-A 모델의 $M$은 식 (3)과 같이 2개의 성분으로 나타낼 수 있다.

(3)
$M=M_{irr}+M_{rev}$

여기서, $M_{irr}$, $M_{rev}$는 각각 가역적(reversible) 및 비가역적(irreversible) 성분이다.

결국, 재료 구조의 불연속성과 탄성 방식의 관계를 기반으로 식 (4)와 같이 도출되어 $M/H_{e}$와 $B/H$ 루프를 구성하게 된다.

(4)
$\dfrac{d M}{d H}=\dfrac{c\dfrac{d M_{an}}{d H_{e}}+\dfrac{M_{an}-M}{\dfrac{\delta k}{\mu_{0}}-\dfrac{\alpha(M_{an}-M)}{1-c}}}{1-\alpha c\dfrac{d M_{an}}{d M_{e}}}$

여기서, $A$는 자성체의 초기 자화 곡선 형태를 결정하는 상수, $\alpha$는 도메인 간 결합을 나타내는 상수, $c$는 자화의 가역적 성분을 결정하는 상수, $k$는 핀닝(pinning) 상수로서 모두 자성체 재료의 물리적 특성을 반영하고, δ는 $d H/dt$의 부호에 따라 1 또는 -1 값을 갖는다. 이 식 (4)는 $(M_{an}-M)\delta$가 음수일 때 식 (5)와 같이 수정된 형태로 나타낼 수 있다[15-17].

(5)
$\dfrac{d M}{d H}=\dfrac{c\dfrac{d M_{an}}{d H_{e}}}{1-\alpha c\dfrac{d M_{an}}{d M_{e}}}$

3. CT 기반 모델계통의 해석

CT의 포화에 따른 계전 신호의 왜곡에 의하여 보호계전기의 오동작이 발생할 수 있는 바, 여자돌입 및 지락고장 시 제시한 J-A 모델을 적용하여 2∼3주기, 250주기의 CT 모델의 성능을 검증하고, 히스테리시스 커브 특성을 분석한다. 먼저, Fig. 1과 같은 모델계통을 EMT인 PSCAD로 모의하였다. 50Hz, 16kVA 11kV/250V 단상 2권선 배전 변압기로, 코어(CT 자성체)에 J-A 모델을 적용하여 CT의 비선형 특성을 시뮬레이션하였다.

Fig. 1. Model system with single distribution transformer using J-A model

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3.1 정상상태

Fig. 2는 정격부하에서 정상상태의 1차측 전류(Ia1) 및 2차측 전류(Ia2)이다. 정격부하에서 1차측 전류의 실효치(Ia1_RMS)는 1.449A, 2차측 전류의 실효치(Ia2_RMS)는 63.575A로 나타났다. 이는 각각 1·2차측 정격전류(1.455A, 64A)와 비교했을 때 오차율이 약 0.381%, 0.664%로서, 유효성을 확인할 수 있었다.

Fig. 3은 제시된 J-A 모델 CT의 B-H 곡선인 히스테리시스 곡선이다. 자화 자속(magnetizing flux)은 자화 분기 전압을 적분하여 계산한 후, 자화 전류의 변화에 따라 계산된다. Fig. 3(a)는 초기 3주기 동안의 B-H 곡선으로 원점부터 시작하여 초기 대칭 보조 곡선(symmetric minor curve)을 거쳐 가변하면서 비대칭적으로 변화한다. Fig. 3(b)는 초기 3주기 동안의 시간 영역에서의 B와 H를 나타내는데, 그 값들은 크기만 다르고 유사한 위상을 보이며 가변하는 관계를 나타내는 것을 알 수 있다. Fig. 3(c)는 안정화된 정상상태 2주기 동안에서, 1사분면 어깨 영역(shoulder region) 루프 끝(loop tip)에서 하향 곡선을 나타내면서 잔류점(remanence point)을 거쳐 3사분면으로 이동했다가, 보자점(coercive point)을 통과하여 상승 곡선을 보이면서 제1사분면의 루프 끝으로 이동하는 궤적을 나타내는 것을 알 수 있다. Fig. 3(d)는 안정화된 정상상태 2주기 동안에서, 시간 영역에서의 B와 H의 값들은 일정한 크기와 위상을 보이며 변화하는 것을 알 수 있다. Fig. 3으로부터, 자성체의 자화와 탈자화 과정에서 자기장의 변화에 따른 지연 현상을 확인할 수 있었다.

Fig. 2. Primary current and secondary current during steady state

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Fig. 3. Hysteresis curve of the proposed J-A model during steady state (interest period is 2 or 3 cycles)

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3.2 여자돌입

Fig. 4는 무부하 여자돌입시 전압위상각을 0°, 45°, 90°, 135°, 180°로 가변하면서 1/4주기(0.005s) 간격으로, 가압직후 2주기(0.04s)까지의 히스테리시스 곡선 궤적의 비교를 나타낸다. Fig. 4(a)는 전압위상각 0° 가압직후(0.1s), 2주기(0.04s) 동안의 히스테리시스 곡선의 변화를 나타낸다. H, B값은, 1/4주기 동안 (10.800, -0.618)점에서 시작하여 (46.454, 1.074) 점까지, 1/2주기 동안점에서 시작하여 (46.454, 1.074) 점까지, 1/2주기 동안 (497364.938, 2.784) 점까지, 3/4주기 동안 (-14.459, 1.095) 점까지, 1주기 동안 (-37.693, -0.616) 점까지 각각 변동하였다. 또한, 5/4주기 동안 (41.507, 1.074) 점까지, 3/2주기 동안 (497322.607, 2.784) 점까지, 7/4주기 동안 (-14.459, 1.095) 점까지, 2주기 동안 (-37.694, -0.616) 점까지 각각 변동하였다. Fig. 4(b)는 전압위상각 45° 가압직후 2주기 동안 H, B 값은, 1/4주기 동안 (22.240, 0.167) 점에서 시작하여 (328032.844, 2.571) 점까지, 1/2주기 동안 (280311.079, 2.510) 점까지, 3/4주기 동안 (-24.325, 0.107) 점까지, 1주기 동안 (10.684, 0.167) 점까지 각각 변동하였다. 또한, 5/4주기 동안 (327964.319, 2.570) 점까지, 3/2주기 동안 (280242.750, 2.510) 점까지, 7/4주기 동안 (-24.327, 0.107) 점까지, 2주기 동안 (8.971, 0.092) 점까지 각각 변동하였다. Fig. 4(c)는 전압위상각 90° 가압직후 2주기 동안 H, B값은, 1/4주기 동안 (37.045, 0.800) 점에서 시작하여 (277814.653, 2.507) 점까지, 1/2주기 동안 (-16.854, 0.818) 점까지, 3/4주기 동안 (-45.427, -0.893) 점까지, 1주기 동안 (35.586, 0.796) 점까지 각각 변동하였다. 또한, 5/4주기 동안 (277797.104, 2.507) 점까지, 3/2주기 동안 (-16.854, 0.818) 점까지, 7/4주기 동안 (-45.428, -0.893) 점까지, 2주기 동안 (35.586, 0.796) 점까지 각각 변동하였다. Fig. 4(d)는 전압위상각 135° 가압직후 2주기 동안 H, B값은, 1/4주기 동안 (30.466, 0.999) 점에서 시작하여 (-13.383, 1.043) 점까지, 1/2주기 동안 (-64.159, -1.360) 점까지, 3/4주기 동안 (8.648, -1.450) 점까지, 1주기 동안 (47.375, 0.952) 점까지 각각 변동하였다. 또한, 5/4주기 동안 (-13.348, 1.043) 점까지, 3/2주기 동안 (-64.142, -1.360) 점까지, 7/4주기 동안 (8.648, -1.450) 점까지, 2주기 동안 (47.375, 0.952) 점까지 각각 변동하였다. Fig. 4(e)는 전압위상각 180° 가압직후 2주기 동안 H, B값은, 1/4주기 동안 (-10.800, 0.618) 점에서 시작하여 (-46.455, -1.074) 점까지, 1/2주기 동안 (-497363.914, -2.784) 점까지, 3/4주기 동안 (14.460, -1.095) 점까지, 1주기 동안 (37.693, 0.616) 점까지 각각 변동하였다. 또한, 5/4주기 동안 (-41.507, -1.074) 점까지, 3/2주기 동안 (-497322.581, -2.784) 점까지, 7/4주기 동안 (14.460, -1.095) 점까지, 2주기 동안 (37.694, 0.616) 점까지 각각 변동하였다. Fig. 4와 같이, 자화 돌입시에는 정상상태의 초기와 다르게 투입 전압위상각에 따라 1사분면에서는 자화 자속의 형태가 양의 방향으로 증가하여 포화지점에 도달하거나, 3사분면에서는 자화 자속의 형태가 음의 방향으로 증가하여 포화지점에 도달하는 비대칭적인 궤적임을 알 수 있었다.

Fig. 5는 여자돌입시 전압위상각 가변에 따른 200주기(0.1s∼0.5s) 동안의 히스테리시스 곡선의 비교를 나타낸다. Fig. 5(a)는 전압위상각이 0°인 경우, 포화점의 변화 양상을 나타낸다. 1사분면의 어깨 영역 루프 끝 부분의 값이 매우 큰 것을 알 수 있다.

(10.800, -0.618) 점에서부터 변동하여 양의 방향의 (497364.938, 2.784) 점까지 변동, 음의 방향의 (-37.693, -0.616) 점까지 변동되어 포화점에 도달하였다. Fig. 5(b)는 전압위상각이 45°인 경우, 1사분면의 어깨 영역 루프 끝 부분의 값이 매우 컸으며, (22.240, 0.167) 점에서부터 변동하여 양의 방향의 (699154.475, 3.039) 점까지 변동, 음의 방향의 (-32.051, -0.361) 점까지 변동되어 포화점에 도달하였다. Fig. 5(c)는 전압위상각이 90°인 경우, 1사분면의 어깨 영역 루프 끝 부분의 값이 매우 컸으며, (37.045, 0.799) 점에서부터 변동하여 양의 방향의 (277815.653, 2.507) 점까지 변동, 음의 방향의 (-45.428, -0.893) 점까지 변동되어 포화점에 도달하였다. Fig. 5(d)는 전압위상각이 135°인 경우, 3사분면의 어깨 영역 루프 끝 부분의 값이 매우 큰 것을 알 수 있다.

즉, (30.466, 0.999) 점에서부터 변동하여 양의 방향의 (74.154, 1.496) 점까지 변동, 음의 방향의 (-936.398, -1.904) 점까지 변동되어 포화점에 도달하였다. Fig. 5(e)는 전압위상각이 180°인 경우, 3사분면의 어깨 영역 루프 끝 부분의 값이 매우 컸으며, (-10.800, 0.618) 점에서부터 변동하여 양의 방향의 (37.693, 0.616) 점까지 변동, 음의 방향의 (-497363.914, -2.784) 점까지 변동되어 포화점에 도달하였다. 전압위상각 135° 자화 돌입시 가장 작은 포화점을 보였다.

Fig. 6은 여자돌입시 전압위상각에 따른 1차측 전류의 비교를 나타낸다. 전압위상각에 따라 1차측 전류는 과도 비대칭 형태를 나타내고 2차측 전류는 거의 흐르지 않게 된다.

Table 1은 여자돌입시 전압위상각에 따른 1차측 여자돌입전류의 순시치의 양과 음의 최대치와 실효치의 비교를 나타낸다. 전압위상각의 가변에 따라 순시치 및 실효치가 달라지는데, 이번 모델계통에서는 전압위상각 45˚인 경우 2.251A의 여자돌입전류가 최대인 것을 알 수 있었고, 전압위상각 135°인 경우 가장 작은 과도전류를 보였다.

Fig. 4. Hysteresis curves according to voltage switching angle during magnetizing inrush (interest period : 2 cycles)

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Fig. 5. Hysteresis curves according to voltage switching angle during magnetizing inrush (interest period : 250 cycles)

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Fig. 6. Primary current according to voltage switching angle during magnetizing inrush

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Table 1. Comparison of peak value and rms current of primary side during magnetizing inrush according to voltage switching angle

전압위상각

최대치[A]

실효치[A]

3.815

1.471

-0.013

45˚

5.353

2.251

-0.013

90˚

2.143

0.716

-0.013

135˚

0.019

0.016

-0.030

180˚

0.013

1.471

-3.815

3.3 지락고장

Fig. 7은 2차측에서 지락고장시 전압위상각을 0°, 45°, 90°, 135°, 180°로 가변하면서 200주기(0.1s∼0.5s) 동안의 히스테리시스 곡선의 비교를 나타낸다. Fig. 7(a)는 전압위상각 0° 고장발생시 (-100.969, -1.700) 점에서부터 양의 방향으로 (9.956, -1.404) 점까지 크게 움직이지 않았고, Fig. 7(b)는 전압위상각 45° 고장발생 시 (15.561, -0.953) 점에서부터 음의 방향으로 (-14.117, -1.249) 점까지 크게 움직이지 않은 것을 알 수 있다. Fig. 7(c)는 전압위상각 90° 고장발생 시 (27.964, 0.143) 점에서부터 음의 방향으로 (-5.780, -0.153) 점까지 크게 움직이지 않았고, Fig. 7(d)는 전압위상각 135° 고장발생 시 (58.757, 1.242) 점에서부터 음의 방향으로 (-11.244, 0.946) 점까지 크게 움직이지 않았으며, Fig. 7(e)는 전압위상각 180°인 경우, 고장발생 시 (100.969, 1.700) 점에서부터 음의 방향으로 (-9.956, 1.404) 점까지 크게 움직이지 않은 것을 알 수 있다. 지락고장시에는 여자돌입의 양상과 다르고 오히려 정상상태의 안정화 상태 궤적과 유사한 형태의 궤적임을 알 수 있다. 즉, 전압위상각의 변동에 따른 고장발생 시점에 따라 비대칭 마이너 루프(asymmetric minor loop)를 보였다. 또한, 전압위상각이 0°와 45°인 경우에는 하단에서, 전압위상각이 90°인 경우에는 원점 근처에서, 전압위상각이 135°와 180°인 경우에는 상단에서 각각 변동하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 8은 1선지락고장시 전압위상각에 따른 1차측 전류의 비교를 나타낸다. 1차측 전류의 실효치는 95.652A, 2차측 전류의 실효치는 5.519A로, 전압위상각에 따라 1차측 전류 및 2차측 전류의 실효치가 동일한 것을 확인하였다.

Fig. 7. Hysteresis curves according to voltage switching angle during ground fault (interest period : 250 cycles)

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Fig. 8. Primary current and secondary current during ground fault according to voltage switching angle

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4. 결 론

본 논문에서는 CT 비선형성을 해석하기 위하여, J-A 모델을 제시하였다. EMT 도구인 PSCAD를 이용하여 단상 2권선 변압기 계통 모델을 구성하여 시뮬레이션을 수행한 후, J-A 모델 CT 히스테리시스 곡선과 과도전류의 변화 양상을 분석하였다.

먼저, 정상상태 오차율은 0.381∼0.664%로서 모델링과 시뮬레이션의 유효성을 입증하였다. 전압위상각 가변에 따른 무부하 가압직후 2주기(0.04s)의 히스테리시스 곡선 분석을 통해, B와 H의 관계를 알 수 있었고, 정상상태와 다르게 포화점에 도달하는 비대칭적인 궤적을 확인하였다. 0˚, 45˚, 90˚의 투입 위상각에서는 1사분면에서 양의 포화점을, 135˚, 180˚ 투입 위상각에서 3사분면에서 음의 포화점을 각각 나타내었다. 135° 투입 위상각에서 가장 작은 포화점을 보였다. 또한, 전압위상각에 따른 1차측 여자돌입전류의 최대치와 실효치를 비교한 결과, 135° 투입 위상각에서 가장 작은 비대칭 형태의 과도전류를 확인하였다. 전압위상각 가변에 따른 지락고장시 히스테리시스 곡선은 정상상태와 유사한 형태의 비대칭 마이너 루프의 변화 양상을 알 수 있었다. 또한, 전압위상각에 따른 1차측 여자돌입전류의 최대치와 실효치를 확인하였다.

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Biography

Kyung-Min Lee
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He was born in Korea in 1990. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, in 2014, 2017, and 2023, respectively. He was a post-doctor at Gangneung-Wonju National University, since 2023. He was a lecturer at Myongji College, since 2024. He is an assistant professor at Dongshin University, since 2025. His research interests include Smartgrid, LVDC, Microgrid, RES, PMU, AI application of power system, power system modeling & control, and power system protection. He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Lee was awarded the Paper Prize of KIIEE in 2020, the Best Paper of the APAP in 2021, and the Best Paper of KOWEPO in 2021, 2022, and the Best Paper of KHNP in 2023, and Namchon Kim Jae-Chul Academic Award of KIIEE in 2024, and the Best Paper of KERI in 2024.

Tel : 061-330-3207, Fax : 061-330-3208

E-mail:kmlee@dsu.ac.kr

Chul-Won Park
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He was born in Korea. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Sungkyunkwan University, Seoul, Korea, in 1988, 1990, and 1996, respectively. From 1989 to 1993 he was an associate researcher at Lucky GoldStar Industrial Systems. From 1993 to 1996, he was a senior researcher at PROCOM system and lecturer at S.K.K. University. At present, he is a professor in the Department of Electrical Engineering at Gangneung-Wonju National University, since 1997. His research interests include power IT, IED, LVDC, MVDC, Microgrid, Hybrid, RES, PMU, Power System Strength Index, Fuel Cell and Electrolyzer, AI application to power grid, power system modeling & control, and computer application in power system. He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Park was awarded the Paper Prize of KIEE in 2010, 2020, the Paper Prize of the KOFST in 2017, the Best Paper of the APAP in 2021, the Best Paper of KOWEPO in 2021, 2022, and the Best Paper of KHNP in 2023, and Recognition Award of JEET in 2023, and the Best Paper of KERI in 2024.

Tel : 033-760-8786/8796, Fax : 033-760-8781

E-mail:cwpark1@gwnu.ac.kr