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  1. (Dept. of Electrical Engineering, Korea University of Technology and Education, Korea)



Active current, Charging current, Detector for current comparator, GVT, Single line short circuit, Ungrounded system, Zero-sequence current

1. 서론

최근 산업현장의 비접지계통에서 보호기기들이 노후화됨에 따라, GVT(Ground Voltage Transformer)의 내부고장에 따른 계통 정전사고가 자주 일어나고 있다. 그러나, 이러한 사고에 대한 원인분석과 대책방안에 대한 연구가 거의 진행되지 않아, 사고원인을 모르는 상태에서 사고 후 GVT를 교체하는 일이 반복되고 있으며, 이로 인한 정전의 피해가 증가하고 있다. 비접지계통에서 자주 발생하는 1선 지락사고의 경우, GVT에서 감지된 영상전압과 지락과전압계전기(Over Voltage Ground Relay, OVGR)를 이용하여 검출할 수 있다[1]. 그러나, 다수 부하선로(Feeder)가 존재하는 계통에서는 지락사고가 발생한 부하선로 만을 선택적으로 차단하기 위해, GVT의 영상전압과 영상변류기(Zero phase sequence Current Transformer, ZCT)에서 감지된 영상전류, 그리고 선택지락계전기(Selective Ground Relay, SGR)가 이용되고 있다[2-6]. 한편, 대규모 시설의 산업현장 구내배전계통은 메인 및 로컬변전실로 구성되며, 각각의 변전실마다 GVT가 설치되어 있다. 로컬변전실의 GVT 3차측 단상 단락사고 발생 시, 메인변전설의 진공차단기(Vacuum Circuit Breaker, VCB)가 동작하여 계통 전체가 정전될 수 있다. 이는 GVT 3차측에서 발생된 영상전압으로 인해, GVT 1차측에서 1선 지락사고 시 보다 수배나 큰 고장전류(유효전류+충전전류)가 흐르기 때문에, 메인변전실의 ZCT가 영상전류(유효분)를 감지하고 SGR에 의해 VCB가 동작하게 된다[7,8]. 따라서, 본 논문에서는 GVT 3차측 단상 단락사고가 계통에 미치는 영향을 분석하여, 전체 계통이 정전되는 것을 방지하기 위한 보호기기 운용 알고리즘을 제안하였다. 실 계통을 축약한 비접지계통 보호기기 시뮬레이터를 구현하고, 배전계통 과도해석 프로그램인 PSCAD/ EMTDC를 이용한 모델링을 제시하여, 이를 바탕으로 다양한 시나리오 기반의 시뮬레이션을 수행한 결과, 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.

2. GVT 3차측 단상 단락사고 분석 및 보호기기 운용 알고리즘

2.1 GVT 3차측 단상 단락에 따른 문제점 분석

그림. 1과 같이 로컬변전실의 GVT 3차측 내부고장(단상 단락사고)이 발생하면, CLR에 의한 유효전류와 대지 정전용량에 의한 충전전류가 흐르고, GVT 3차측에서는 영상전압이 유도되며, CLR에 의한 유효전류가 ZCT 1에서 검출됨으로써 메인변전실의 SGR이 동작하여 계통전체가 정전될 가능성이 있다[9-11]. 따라서, 본 논문에서는 GVT 3차측 단상 단락사고로 인해 계통의 정전사고가 발생하는 메카니즘을 분석하여, 그 대책을 제시하고자 한다.

그림. 1. 비접지계통의 구성

Fig. 1. Configuration of ungrounded power system

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2.2 GVT 3차측 단상 단락사고 모델링

그림. 1과 같이 로컬변전실의 GVT 3차측 단상 단락이 발생하면, 메인과 로컬변전실의 GVT 3차에는 동시에 영상전압이 발생하고, 메인변전실의 CLR에 의한 유효전류 $I _{P1}$와 로컬변전실의 CLR에 의한 유효전류 $I _{P2}$, 그리고 대지 정전용량에 의한 충전전류가 모두 고장점으로 흐른다. 즉, 유효전류 $I _{P1}$, $I _{P2}$와 충전전류 $I _{C1}$, $I _{C2}$, $I _{C3}$가 고장점(로컬변전실 GVT 단상 단락지점)인 $Z _{0}$로 모두 흐르기 때문에, 그림. 2와 같이 등가회로로 나타낼 수 있다.

그림. 2. GVT 3차측에서의 단상 단락 시 등가회로

Fig. 2. Equivalent circuit for single line short circuit at 3rd winding of GVT

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상기의 그림. 2에서 고장전류($I _{f}$)는 그림. 1의 로컬변전실 GVT 1차측에서 흐르는 고장전류이고, 메인과 로컬변전실에 흐르는 유효전류($I _{P}$)와 계통전체의 케이블 대지정전용량에 의한 충전전류($I _{C}$)로 구성된다. 메인과 로컬변전실의 유효전류 크기는 GVT 3차측에 접속된 CLR을 1차로 환산한 등가저항 ${\acute{R _{e1}^{}}}$, ${\acute{R _{e2}^{}}}$에 의해 결정되고, $V _{0}$는 GVT 1차측 단상의 영상전압이다. 따라서, 고장전류($I _{f}$)는 메인과 로컬변전실에 흐르는 유효전류($I _{P}$)와 계통 전체에 충전전류($I _{C}$) 성분으로 나타낼 수 있는데, 그림. 2의 등가회로에 의하여 식(1)~식(5)와 같이 정식화 할 수 있다. 여기서, 식(1)의 $R _{N}$는 ${\acute{R _{e1}^{}}}$과 ${\acute{R _{e2}^{}}}$를 병렬 합성한 것이고, $C _{0}$는 계통 전체의 케이블정전용량, $V$는 계통의 선간전압이다.

(1)
$I _ { f } = I _ { P } + I _ { C } = \frac { \frac { 1 } { R _ { N } } + j 3 \omega C _ { 0 } } { 1 + \frac { Z _ { 0 } } { R _ { N } } + j 3 \omega C _ { 0 } Z _ { 0 } } \times \frac { V } { \sqrt { 3 } }$

(2)
$I _ { P } = \frac { \frac { 1 } { j 3 \omega C _ { 0 } } } { R _ { N } + \frac { 1 } { j 3 \omega C _ { 0 } } } \times I _ { f } = \frac { 1 } { 1 + j 3 \omega C _ { 0 } R _ { N } } \times I _ { f }$

(3)
$I _ { C } = \frac { R _ { N } } { R _ { N } + \frac { 1 } { j 3 \omega C _ { 0 } } } \times I _ { f } = \frac { j 3 \omega C _ { 0 } R _ { N } } { 1 + j 3 \omega C _ { 0 } R _ { N } } \times I _ { f }$

(4)
$V _ { 0 \Delta 1 } = \frac { 3 } { n } \times I _ { P 1 } R _ { e 1 } ^ { \prime }$

(5)
$V _ { 0 \Delta 2 } = \frac { 3 } { n } \times I _ { P 2 } R _ { e 2 } ^ { \prime }$

한편, 식(2)에서 유효전류 성분은 그림. 3과 같이 메인변전실 GVT 1차측에서 로컬변전실 고장점으로 흐르는 유효전류($I_ {P1}$)와 그림. 4와 같이 단락이 발생한 GVT 1차측에서 고장점으로 흐르는 유효전류($I_ {P2}$)의 합으로 나타낼 수 있다. 여기서, $I_ {P1}$과 $I_ {P2}$는 각각 식(6)식(7)과 같이 나타낼 수 있다.

그림. 3. 메인변전실 GVT의 유효전류 흐름

Fig. 3. Active current flow of GVT in main transformer

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그림. 4. 로컬변전실 GVT의 유효전류 흐름

Fig. 4. Active current flow of GVT in local transformer

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(6)
$I _ { P 1 } = \frac { 3 } { n } \times I _ { l 1 } = \frac { 3 } { n } \times \frac { V _ { 0 \Delta 1 } } { R _ { e 1 } } = \frac { 3 } { n } \times \frac { 3 E _ { 3 } } { R _ { e 1 } } = \frac { 9 } { n ^ { 2 } } \times \frac { E _ { 1 } } { R _ { e 1 } }$

(7)
$I _ { P 2 } = \frac { 2 } { n } \times I _ { l 2 } = \frac { 2 } { n } \times \frac { V _ { 0 \Delta 2 } } { R _ { e 2 } } = \frac { 2 } { n } \times \frac { 3 E _ { 3 } } { R _ { e 2 } } = \frac { 6 } { n ^ { 2 } } \times \frac { E _ { 1 } } { R _ { e 2 } }$

식(6)식(7)에서, $n$은 GVT의 권수비이고, $V _{0 \Delta 1}$는 메인변전실 GVT 3차측 영상전압, $V _{0 \Delta 2}$는 로컬변전실 GVT 3차측 영상전압, $E_ {1}$과 $E_ {3}$는 GVT 1차측과 3차측 상전압이며, $I_ {l1}$ 및 $I_ {l2}$는 메인과 로컬의 CLR($R_ {e1}$, $R_ {e2}$)에 의해 GVT 3차측에서 순환되는 유효전류이다.

2.3 GVT 내부고장 시 보호기기 운용 알고리즘

로컬변전실의 GVT 3차측 단상 단락사고가 발생하면, 메인과 로컬변전실의 GVT 3차측에 영상전압이 동시에 발생되고, CLR에 의한 유효전류로 인해 메인변전실의 SGR이 동작하여 VCB가 Trip됨으로써 해당 계통 전체가 정전될 수 있다. 따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 로컬변전실 GVT 1차측에 전류비교기와 진공개폐기(VCS : Vacuum Contact Switch)를 함께 설치하여, GVT 내부고장이 계통의 정전사고로 확대되지 않도록 한다. 즉, 전류비교기가 GVT 1차측 각 상의 전류를 실시간으로 측정하고, 어느 한 상의 유효전류가 다른 두 상의 유효전류보다 일정값 이상이 되면 VCS에 Trip 신호를 보내고 GVT를 계통으로부터 즉시 분리시킨다. GVT 내부고장 시 보호기기 운용 알고리즘을 나타내면 다음과 같다.

[Step 1] 메인과 로컬변전실로 구성된 수전계통에서 로컬변전실의 GVT 3차측 단상이 단락되면, 일정한 크기의 영상전압이 발생하므로, 우선 GVT 3차측의 영상전압을 측정한다.

[Step 2] 고장점에 흐르는 고장전류($I _{f}$)를 식(1)을 이용하여 산정하고, 고장전류에 포함된 유효전류($I _{P}$) 및 충전전류($I _{C}$)의 크기와 위상이 메인변전실의 SGR 동작범위 이내 인지 비교한다.

[Step 3] SGR의 동작범위 이내면, 로컬변전실 GVT 1차측 각 상의 유효전류 크기를 비교하여, 어느 한 상의 전류가 다른 두 상의 전류보다 임의의 값(χ배) 이상인지 평가한다.

[Step 4] [Step 3]에서 임의의 값(χ배) 이상이면, GVT의 내부고장으로 판단하여 접점을 출력하고, GVT 1차측에 설치된 개폐기를 동작시켜 GVT를 계통으로부터 분리시킨다.

[Step5]만약, [Step 3]에서 임의의 값(χ배) 미만이면, [Step 1]로 돌아가서 해당 과정을 반복한다.

상기 절차를 플로우차트로 나타내면 그림. 5와 같다.

그림. 5. 비접지계통의 보호기기 운용 알고리즘

Fig. 5. Operation algorithm of protection device in ungrounded system

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3. PSCAD/EMTDC에 의한 비접지계통의 보호기기 모델링

메인변전실과 로컬변전실로 구성된 수용가 계통에서 로컬변전실의 GVT 3차측 단상 단락사고가 발생하는 경우, 보호기기의 운용특성을 분석하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모델링하면 그림. 6과 같이 나타낼 수 있다. 이 그림에서와 같이 대상계통은 메인 변압기와 메인변전실의 GVT, 로컬변전실의 GVT, 부하선로 1, 부하선로 2로 구성되며, 단락사고 지점은 로컬변전실의 GVT 3차측이다. 또한, GVT 3차측 단락사고 시, 메인과 로컬변전실의 GVT 3차측에서 영상전압을 산정하며, 각 상의 유효전류는 GVT 1차측, 영상전류는 ZCT에서 산정한다. 한편, 전체 계통의 충전전류는 콘덴서 설치 개소에서 산정한다.

그림. 6. 비접지계통의 보호기기 모델링

Fig. 6. Modeling of protection device in ungrounded system

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4. 비접지계통의 보호기기 시뮬레이터 구현

메인변전실과 로컬변전실로 구성된 수용가 계통에서 로컬변전실의 GVT 3차측 단상 단락사고가 발생하는 경우, 보호기기의 운용특성을 분석하기 위하여 그림. 7과 같이 실제 계통을 축약하여 보호기기 시뮬레이터를 구성한다. 이 그림에서와 같이 메인변전실에는 주변압기(380V/220V, △-△결선)와 GVT(CLR 포함), MCCB 1, SGR 1, OVGR 1 등으로 구성하며, 로컬변전실에는 2개의 부하선로를 대상으로, MCCB 2와 MCCB 3, GVT(CLR 포함), SGR 2, SGR 3, OVGR 2 등으로 구성한다. 또한, 메인변전실과 로컬변전실에 설치된 GVT의 용량은 50[VA], 권수비는 2:1이고, 1상당 내부 임피던스는 9.35+j5.99[Ω]로 상정한다. 한편, CLR은 SGR을 구동할 수 있는 유효전류를 발생시키기 위해 750[Ω]으로 설정하고, 용량을 400[W]로 선정하여 CLR의 과열을 방지한다. 그리고, 실계통과 유사한 케이블 정전용량에 의한 충전전류를 고려하기 위하여 메인과 로컬변전실 사이의 대지정전용량을 6[$\mu F$], 로컬변전실부터 전동기 부하까지는 2[$\mu F$]의 콘덴서를 상정하였다.

그림. 7. 보호기기 시뮬레이터의 구성

Fig. 7. Configuration of protection device simulator

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본 시뮬레이터는 GVT 1개소인 경우와 GVT 2개소인 계통에서 단락 이벤트 스위치를 이용하여 GVT 3차측 단상 단락사고를 발생시킨 후, 각 단자(①~⑨)에서 전류와 전압을 측정하고, 콘덴서 연결단자(④)를 사용하여 유효전류 및 충전전류를 구한다. 또한, 단자(⑥)에서 ZCT에 흐르는 영상전류의 크기와 위상을 측정하여, SGR의 동작여부를 확인한다. 한편, SGR(유도원판형)은 한시 조정이 불가능하므로, 지락과전압계전기(OVGR)를 사용하여 시간지연을 하고, 여기서 메인변전실의 OVGR 한시 TAP은 55[V](로컬변전실의 경우 35[V]), 한시 LEVER는 완전지락 시 0.5초 정도에 동작하도록 모두 3[A]로 정정한다.

5. 시뮬레이션 결과 및 분석

5.1 보호기기 시뮬레이터에 의한 특성분석

5.1.1 GVT 1개소(메인) 계통의 GVT 3차측 단상 단락시험

4장에서 구현한 보호기기 시뮬레이터에 의하여 GVT 3차측의 C상을 단락시킨 경우, GVT의 1차측의 유효전류는 그림. 8과 같이 나타낼 수 있다. 이 그림에서와 같이 정상상태인 A상과 B상에서는 각각 부하측으로 140∠-2.9°[mA], 128∠-5.5°[mA]가 흐르고, C상에서는 전원측 방향으로 267∠176.1°[mA] 만큼 측정된다. 즉, A상과 B상에서 합산된 유효전류가 C상으로 흐르기 때문에 전류의 크기는 동일하고 위상은 반대이므로, 영상전류($3I _{0}$)는 발생하지 않는다. 따라서, GVT 1개소 계통에서는 영상전류가 발생하지 않으므로 SGR이 동작하지 않음을 알 수 있었다.

그림. 8. GVT의 유효전류

Fig. 8. Active current at GVT

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5.1.2 GVT 2개소(메인+로컬) 계통의 GVT 3차측 단상 단락시험

로컬변전실의 GVT 3차측 C상을 단락시킨 후, 메인변전실의 GVT 1차측 유효전류를 구하면, 그림. 9와 같이 나타낼 수 있다. 이 그림에서와 같이, 각 상의 유효전류는 비슷한 크기와 위상을 가지며, 영상전류($3I _{0}$)는 369∠-2.9°[mA]의 크기와 위상으로 로컬변전실의 고장점으로 흐르는 것이 확인되었다. 또한, 로컬변전실의 GVT 1차측 유효전류를 구하면, 그림. 10과 같이 나타낼 수 있다. 이 그림에서와 같이 정상상태인 A상, B상의 유효전류는 각각 136∠-2.8°[mA], 124∠-5.5°[mA]씩 부하측 방향으로 흐르며, 단락된 상인 C상의 유효전류는 628∠176.4°[mA]가 전원측 방향으로 흐르는 것을 알 수 있었다. 즉, A상, B상의 유효전류와 메인변전실에서 발생한 영상전류가 합산된 값이 측정된 것이다. 따라서, 정상상태인 A상, B상과 단락상태인 C상간의 유효전류 크기는 최소 4.6배 이상이며, 방향은 서로 반대임을 알 수 있었다.

그림. 9. 메인 GVT의 유효전류

Fig. 9. Active current at main GVT

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그림. 10. 로컬 GVT의 유효전류

Fig. 10. Active current at local GVT

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한편, 그림2와 같이 고장전류($I _{f}$)는 메인과 로컬에 흐르는 유효전류($I _{P}$)와 계통전체의 케이블 대지정전용량에 의한 충전전류($I _{C}$)의 합으로 나타낼 수 있다. 상기에서와 같이, 메인 및 로컬변전실의 유효전류는 총 628∠176.4°[mA]이고, 계통 전체선로에 흐르는 충전전류($I _{c}$)는 그림. 11과 같이 메인과 로컬변전실 사이($I _{c1}$)의 충전전류인 914∠86°[mA]와 Feeder 1번과 2번에서 발생한 충전전류($I _{c2}$, $I _{c3}$)인 301∠86.8°[mA], 304∠86.0°[mA]가 합산된 1,498[mA]∠85.6°이고, 고장전류는 유효전류와 충전전류의 벡터합으로서 그림. 12와 같이 1,503∠60.9°[mA]가 측정되었다. 그러나, ZCT 1에서 충전전류는 모두 상쇄되어 측정되지 않고, ZCT 2와 ZCT 3에서만 검출되며, 유효전류는 그림. 13과 같이 ZCT 1에서만 메인변전실 방향으로 폐루프를 구성하여 순환되는 374∠-2.9°[mA]의 전류가 측정되므로 메인변전실의 ZCT 1에서 SGR 1을 동작시킬 수 있는 충분한 크기임을 확인하였다.

그림. 11. 전체 시스템의 충전전류

Fig. 11. Charging current in total system

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그림. 12. 로컬 GVT의 사고전류 및 ZCT의 전류

Fig. 12. Fault current at local GVT and current at ZCT

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그림. 13. GVT 3차측 단상 단락 시 유효전류의 흐름

Fig. 13. Active current flow in single line short circuit at 3rd winding of GVT

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5.2 PSCAD/EMTDC에 의한 보호기기 특성분석

5.2.1 GVT 1개소 계통의 GVT 3차측 단상 단락시험 특성

GVT 3차측 C상을 단락시킨 후, GVT의 1차측 유효전류는 그림. 14와 같이 나타낼 수 있는데, 정상상태인 A상과 B상에서는 각각 부하측으로 126.2[mA]가 흐르고, C상에서는 전원측으로 252.3[mA]만큼 흐른다. 즉, A상과 B상에서 합산된 유효전류가 C상으로 흐르기 때문에 전류의 크기는 동일하고 위상은 반대이므로, 그림. 15과 같이 영상전류($3I _{0}$)는 발생하지 않게 된다. 따라서, GVT 1개소 계통에서는 영상전류가 발생하지 않으므로 SGR이 동작하지 않음을 알 수 있었다.

그림. 14. GVT의 각 상 유효전류

Fig. 14. Active current of each phase at GVT

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그림. 15. GVT의 영상전류

Fig. 15. Zero sequence current at GVT

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5.2.2 GVT 2개소 계통의 GVT 3차측 단상 단락시험 특성

로컬변전실의 GVT 3차측 C상을 단락시킨 후, 메인변전실의 GVT 1차측 유효전류를 구하면, 그림. 16과 같이 각 상의 모든 유효전류가 113.3[mA]이고 동일한 크기와 방향을 가지며, 그림. 17과 같이 영상전류($3I _{0}$)가 340[mA]의 크기로 로컬변전실의 고장점 방향으로 흐르는 것이 확인되었다.

그림. 16. 메인 GVT의 유효전류

Fig. 16. Active current at main GVT

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그림. 17. 메인 GVT의 영상전류

Fig. 17. Zero sequence current at main GVT

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또한, 로컬변전실의 GVT 1차측 유효전류를 구하면, 그림. 18과 같이 정상상태인 A, B상의 유효전류가 113.3[mA]씩 부하측 방향으로 흐르며, 단락된 상인 C의 유효전류는 581[mA]가 전원측 방향으로 흐르는 것을 알 수 있었다. 즉, A, B상의 유효전류와 메인변전실에서 발생한 영상전류 340[mA]가 모두 합산된 581 [mA]가 산정된 것이다. 따라서, 정상상태인 A, B상과 단락상태인 C상간의 유효전류 크기는 약 5배 정도이며, 방향은 서로 반대이다.

그림. 18. 로컬 GVT의 유효전류

Fig. 18. Active current at local GVT

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한편, 그림. 2와 같이 고장전류($I _{f}$)는 메인과 로컬에 흐르는 유효전류($I _{P}$)와 계통전체의 케이블 대지정전용량에 의한 충전전류($I _{C}$)의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, 상기에서와 같이 메인 및 로컬변전실의 유효전류는 총 581[mA]이고, 계통 전체선로에 흐르는 충전전류($I _{c}$)는 그림. 19와 같이 1,370[mA]이므로, 고장전류($I _{f}$)는 벡터합으로 1,499[mA]가 산정되었다. 하지만, 고장전류($I _{f}$) 중 ZCT 1에서 충전전류는 상쇄되어 나타나지 않으며, 그림. 20과 같이 메인변전실로 폐루프를 구성하여 순환되는 유효전류 363[mA] 만이 산출된다. 따라서, 로컬변전실 GVT 3차측 단상 단락사고로 인해, 메인변전실의 ZCT 1에서 유효전류가 SGR 1을 동작시킬 수 있는 충분한 크기임을 확인하였다.

그림. 19. 전체 시스템의 충전전류

Fig. 19. Charging current in total system

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그림. 20. 로컬 GVT의 영상전류

Fig. 20. Zero sequence current at local GVT

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5.3 종합분석

5.3.1 GVT 1개소 계통의 GVT 3차측 단상 단락사고 특성

위의 실험을 통해 GVT 1개소의 계통에서 GVT 3차측 C상에서 단락사고가 발생할 경우, 표 1과 같이 1차측 C상에 흐르는 유효전류의 크기는 건전상(A, B상) 보다 2배 이상 발생했지만, 영상전류가 없으므로 SGR이 동작되지 않음을 확인하였다. 따라서, GVT 1개소 계통에서는 GVT 3차측에서 단상 단락사고가 발생해도 계통에 정전사고를 파급시키지 않음을 확인하였다.

표 1. GVT의 유효전류 및 영상전류

Table 1. Active and zero sequence current at GVT

$I _{oa}$ [㎃]

$I _{ob}$ [㎃]

$I _{oc}$ [㎃]

$I _{oa} +I _{ob} +I _{oc}$ [㎃]

Calculation

129 ∠ -4.4°

129 ∠ -4.4°

258 ∠ 175.6°

0 ∠ 0°

Simulator

140 ∠ -2.9°

128 ∠ -5.5°

267 ∠ 176.1°

0 ∠ 0°

PSCAD/EMTDC

126.2

126.2

252.3

0

5.3.2 GVT 2개소 계통의 GVT 3차측 단상 단락사고 특성

GVT 2개소의 계통에서 로컬변전실의 GVT 3차측 C상에서 단락사고가 발생할 경우, 표 2, 표 3과 같이 메인변전실과 로컬변전실에서 유효전류가 산정되었다. 이 표에서와 같이 메인변전실 GVT 1차측 유효전류의 크기는 모두 유사하였고, 로컬변전실의 C상에 흐르는 유효전류 크기는 정상상태(A, B상) 보다 최소 4배 이상이 산정되었다. 또한, ZCT 1에서 충전전류는 상쇄되어 나타나지 않으며, 유효전류도 메인변전실로 폐루프를 구성하여 순환되는 전류를 제외한 전류만이 산정되어 ZCT 1에 나타나는 사고전류는 표 4와 같다. 따라서, 로컬변전실 GVT 3차측 단상 단락사고로 인해, 메인변전실의 ZCT 1에서 검출된 전류는 SGR 1을 동작시킬 수 있는 충분한 크기임을 확인하였다.

표 2. 메인 GVT의 유효전류 및 영상전류

Table 2. Active and zero sequence current at main GVT

$I _{Moa}$ [㎃]

$I _{Mob}$ [㎃]

$I _{Moc}$ [㎃]

$3I _{o _{-} M}$ [㎃]

Calculation

128.5 ∠ -7.9°

128.5 ∠ -7.9°

128.5 ∠ -7.9°

385.5 ∠ -7.9°

Simulator

131 ∠ -2.9°

119 ∠ -6.4°

118 ∠ 0°

369 ∠ -2.9°

PSCAD/EMTDC

113.3

113.3

113.3

340

표 3. 로컬 GVT의 유효전류 및 영상전류

Table 3. Active and zero sequence current at local GVT

$I _{Loa}$ [㎃]

$I _{Lob}$ [㎃]

$I _{Loc}$ [㎃]

$3I _{o _{-} L}$ [㎃]

Calculation

128.5 ∠ -7.9°

128.5 ∠ -7.9°

642.5 ∠ 172.1°

385.5 ∠ 172.1°

Simulator

136 ∠ -2.8°

124 ∠ -5.5°

628 ∠ 176.4°

368 ∠ 177.1°

PSCAD/EMTDC

113.3

113.3

581

363.5

표 4. 로컬 GVT 1차측의 사고전류 및 ZCT의 전류

Table 4. Fault current of GVT 1st winding local transformer and current in ZCT

$I _{ZCT1}$ [㎃] (Active current)

$I _{ZCT2}$ [㎃] (Charging current)

$I _{ZCT3}$ [㎃] (Charging current)

Calculation

385 ∠ -7.9°

291 ∠ -97.9°

291 ∠ -97.9°

Simulator

374 ∠ -2.9°

278 ∠ -93.8°

275 ∠ -92.9°

PSCAD/EMTDC

363

274

274

5.3.3 GVT 보호기기 운영방안

상기에서와 같이 GVT 2개소 이상에서는 GVT 내부고장에 의하여 정전사고가 파급될 가능성이 있다. 따라서, 본 연구에서는 그림. 21과 같이, 로컬변전실 GVT 1차측에 전류비교기와 진공개폐기(VCS: Vaccum Contact Swtch)를 설치하여, GVT 내부고장이 계통의 정전사고로 확대되지 않도록 한다. 즉, 전류비교기를 이용하여 로컬변전실의 GVT 1차측 각 상의 전류를 실시간으로 비교한 후, 어느 한 상의 유효전류가 다른 두 상의 유효전류보다 최소 4배 이상이 되면 차단기(VCS)를 사전에 Trip 시킴으로써 계통으로부터 GVT를 분리시켜 사고확대를 미연에 방지시킨다.

그림. 21. 전류비교기의 구성

Fig. 21. Configuration of detector for current comparator

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/fig21.png

6. 결 론

본 논문에서는 비접지계통에서 GVT 3차측 단상 단락사고가 계통에 미치는 영향을 분석하기 위하여, GVT 내부고장으로 인해 전체 계통이 정전되는 것을 방지할 수 있는 보호기기 운용 알고리즘을 제안하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) GVT 1개소 계통에서 GVT 3차측 C상 단락사고 시, GVT 1차측에 영상전류가 발생하지 않으므로 계통에 별다른 영향을 미치지 못함을 확인하였다.

(2) GVT 2개소인 계통에서는 로컬변전실에 설치된 GVT 3차측 단상 단락 시, GVT 3차측에 영상전압이 발생되고, 단락된 상의 GVT 1차측 C상에 흐르는 유효전류의 크기가 정상상태(A상, B상) 보다 최소 4배 이상 크게 되며, 이에 의하여 메인변전실의 SGR이 동작하여 VCB가 Trip 되고, 해당 계통 전체가 정전되는 것을 확인하였다.

(3) GVT 2개소인 계통에서 GVT 내부고장이 발생하는 경우, 로컬변전실의 GVT 1차측에 전류비교기 및 진공개폐기(VCS)를 설치하여, 계통으로부터 GVT를 분리함으로써 계통의 정전사고를 방지할 수 있음을 확인하였다.

감사의 글

이 논문은 2018년도 한국기술교육대학교 교수 교육연구진흥과제 지원에 의하여 연구되었음.

References

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저자소개

윤 형 익 (Hyoung-Ik Yoon)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/au1.png

1999년 2월: 군산대학교 전기공학과(공학사)

2019년 2월: 한국기술교육대학교 대학원 전기공학과(공학석사)

2001년 6월~현재: 한국전기기술인협회 인적자원개발팀 팀장

[관심분야] 신재생에너지, 전력품질해석, 구내배전계통 운용

최 성 식 (Sung-Sik Choi)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/au2.png

2010년 5월: 한국기술교육대학교 정보통신공학부(공학사)

2014년 8월: 동대학원 전기공학과(공학석사)

2015년 2월~현재: 동대학원 전기공학과 박사과정 재학중

[관심분야] 배전계통 운용, 신재생에너지, 품질해석, 마이크로그리드, ESS

이 후 동 (Hu-Dong Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/au3.png

2016년 8월: 한국기술교육대학교 전기공학과(공학사)

2018년 8월: 동대학원 전기공학과(공학석사)

2018년 9월~현재: 동대학원 전기공학과 박사과정 재학 중

[관심분야] 배전계통, 분산전원, 마이크로그리드

남 양 현 (Yang-Hyun Nam)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/au4.png

2016년 8월: 한국기술교육대학교 전기공학과(공학사)

2018년 8월: 동대학원 전기공학과(공학석사)

2018년 9월~현재: 동대학원 전기공학과 박사과정 재학 중

[관심분야] 배전계통 운영, 신재생에너지, 마이크로그리드

노 대 석 (Dae-Seok Rho)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.253/au5.png

1985년 2월: 고려대학교 전기공학과(공학사)

1987년 2월: 동대학원 전기공학과(공학석사)

1997년 3월: 일본 북해도대학교대학원 전기공학과(공학박사)

1987년 3월~1998년 8월: 한국전기연구소 연구원/선임연구원

1999년 3월~현재: 한국기술교육대학교 전기전자통신공학부 교수

[관심분야] 전력/배전 계통, 분산전원연계, 전력품질해석