2.1 초전도 한류기에 따른 거리계전기 오·부동작 문제

송전 선로 내에 초전도 한류기의 적용과 동작으로 인해 발생하는 임피던스가 계전기에 미치는 영향을 확인하였다. 아래 [그림 1]은 초전도 한류기가 적용된 송전선로 내에 거리계전기의 언더리치 발생 예시이다. Zone1은 내부고장을 검출하기 위한 범위이며 Zone2는 외부고장을 검출하기 위한 범위이다. 초전도 한류기의 동작에 따라 발생된 임피던스가 선로의 총 임피던스를 변화 시키며 이로 인해 임피던스의 궤적이 바뀜을 알 수 있다. 임피던스의 궤적과 귀착점의 형성이 초전도 한류기가 저항 성분인 경우 x축으로 축 이동을 하게 되고 리액턴스 성분인 경우 y축으로 축 이동이 발생되었다. 이러한 축 이동은 기존 거리계전기에 설정되어 있는 Zone1의 보호범위 내에 궤적과 귀착점이 도달하지 않는 문제를 유발 가능하며 이는 언더리치 현상이 발생된 것이므로 차단기의 부동작을 초래하게 된다. 또한 궤적과 귀착점이 Zone2에 형성되는 경우 외부고장으로 판단이 이루어지고 이는 오버리치(Over Reach)로서 보호협조 체계 내에서 타 선로의 차단기를 오동작 시킬수 있다. 그러므로 임피던스 궤적과 귀착점이 정상적으로 해당 보호 범위 내에 형성 되는 것이 중요하다.

그림 1. 거리계전기의 언더리치 예시

Fig. 1. Under reach example of relay

2.2 과전류 요소를 활용한 복합 계전 방안

거리계전기의 언더리치 발생 문제를 해결하기 위한 방안으로 초전도 한류기의 동작 여부를 계전 요소로서 적용하는 방안을 아래 [그림 2] 복합계전 방안의 흐름도 및 논리 회로도를 통해 제안하고자 한다. 제안된 방안으로 인해 적용된 사항들은 음영을 통해 구분하였다. 초전도 한류기의 동작은 고장 발생을 의미하므로 계전 요소로서 활용 가능하며 임피던스의 변화로 인한 거리계전기의 오·부동작 문제를 보완 가능할 것으로 판단된다.

거리계전기의 설정은 기존 선로의 임피던스를 기존과 같이 설정 또는 유지 가능하며 초전도 한류기에서 계측되는 과전류와 상전도 저항 발생 여부를 상호 확인후 고장을 판별하였다. 과전류의 설정은 초전도 한류기의 동작 전류를 활용함으로서 초전도 한류기의 동작 여부를 1차적으로 확인하도록 유도 하였다. 초전도 한류기가 동작을 하는 경우에 한하여 임피던스의 변화가 발생하므로 해당 방안이 적절할 것으로 판단되었다. 또한 초전도 한류기의 임피던스 발생 여부를 상호 확인하도록 설정 하였는데 이는 초전도 한류기가 자체 결함 또는 고장으로 인해 선로 내 고장을 오검출 할 가능성도 있으므로 이를 보완하기 위한 방안으로 적용이 되었다. 이를 통해 본 제안의 방안이 신뢰성을 확보할 수 있도록 하였다. 이러한 논리 구성은 [그림 2] 우측 하단의 논리회로도를 통해 나타내었다.

그림 2. 복합계전 방안의 흐름도 및 논리 회로도

Fig. 2. Flowchart and logic diagram of complex relay method

초전도 한류기와 앞서 제안된 계전방안이 송전선로 내에 적용된 경우 고장 발생 상황에 따른 변화들을 [그림 3]을 통해 나타내었다. [그림 3]의 상단 그래프 A를 통해 초전도 한류기s는 동작시 초전도 상태를 벗어남에 따라 임피던스가 발생하고 이로 인해 고장 전류가 저감되며 고장전류가 없어지면 초전도 상태로 점차 회귀함을 알 수 있다.

[그림 3]의 하단 B에서는 초전도 한류기의 동작으로 인해 거리계전기가 부동작 하게 되고 초전도 한류기를 통한 계전 요소를 통해 고장 검출이 된 상황을 차단 신호를 통해 나타내었다. 초전도 한류기의 동작 여부 및 과전류 발생 여부가 차례대로 확인됨에 따라 차단기에 동작신호가 전달되어 정상적인 고장 제거가 이루어질 수 있음을 확인 가능하다.

초전도 한류기의 동작 여부는 최대 상전도 저항의 도달 여부, 하이브리드 형태의 경우 한류 소자로의 절환 여부 등 다양한 요소를 통해 적용 가능할 것으로 판단되며 적용 방법 및 판단 기준에 따라 신호의 발생 시점은 가변 될 것으로 예상된다. 이는 실 적용시 선로의 보호체계, 설비 구성 등 다양한 요소들을 검토하여 적용하면 적절할 것이다^[5-6].

그림 3. 초전도 한류기와 제안된 복합계전 방안 적용 예시

Fig. 3. Example of application of SFCL and proposed complex relay method

3.1 초전도 한류기의 구성에 따른 영향

초전도 한류기는 [그림 5]와 같이 하이브리드 형태로 적용 되었으며 구성에 따른 영향을 확인하기 위하여 [표 1]과 같이 사례를 구성하였다.

그림 5. 시뮬레이션에 적용된 초전도 한류기의 구조

Fig. 5. Composition of applied SFCL in simulation

초전도체는 저항형(RSC)으로 1[Ω]과 2[Ω]을 가정하고 한류 소자(ZFCL)의 경우 1[Ω], 2[Ω], j1[Ω], j2[Ω]으로 저항과 리액턴스로 구분 적용하였다. 이는 송전선로 내 임피던스의 구성 비율 특성으로 인해 리액턴스가 더 큰 고장전류 저감 성능을 갖는 과거 연구 사례를 참조하였다^[3-4]. 또한 복합 계전 방안의 적용 영향을 확인하기 위하여 복합 계전 방안이 미적용된 경우에는 Case.n으로 사례 번호를 표기하고 복합 계전 방안이 적용된 경우에는 Case.n´으로 표기를 하여 구분하였다. Case.n과 Case.n´은 제안된 복합계전 방안의 적용 여부만 차이가 있으며 회로의 구성, 설비 특성 등 다른 차이점은 없도록 설정하였다.

시뮬레이션 결과, 초전도체와 한류 소자의 임피던스로 인해 임피던스 변화가 발생하고 보호범위의 경계점 부근에서 거리 계전기의 언더리치 현상이 확인 되었다.

[그림 6]은 사례 0∼4, 1´∼4´까지의 거리계전기 동작 결과를 도식화한 결과이다. Case.0는 기존 선로의 거리계전기 동작 결과이며 Case.1∼4,와 Case.1´∼4´은 초전도 한류기가 적용된 선로들의 거리계전기 동작 결과이며 제안된 복합계전 방안의 적용 여부만 차이가 있다. Case.1∼4와 Case.1´∼4´의 임피던스 궤적은 동일하게 나타났으며 이는 선로 내 임피던스의 변화는 동일하기 때문으로 해석된다.

초전도 한류기가 적용되지 않은 Case.0에서는 보호범위 내 경계선 인근에 임피던스 궤적이 도달하여 귀착점을 형성함으로서 거리계전기가 고장을 검출할 수 있었다. 그러나 Case.3, 3´과 Case.4, 4´는 귀착점이 보호범위 설정 구역 외에 귀착점이 형성되어 고장 검출이 불가능 하였다. Case.1, 1´의 경우 임피던스의 변화는 발생 하였으나 귀착점이 보호범위 내에 형성되어 거리계전기를 통한 고장 검출이 가능함을 알 수 있었다.

임피던스 궤적의 귀착점은 저항형 초전도체로 인해 x축으로 전반적인 이동이 확인 되었다. 또한 한류 소자의 유형에 따라 추가적인 x축으로의 축 이동 또는 y축으로의 축 이동이 발생하였으며 이로 인해 공통적으로 보호 설정 범위에서 귀착점이 멀어짐을 확인 할 수 있었다.

그림 6. 사례 0∼4, 1´∼4´의 시뮬레이션 결과

Fig. 6. Result of simulation for case 0∼4, 1´∼4´

[그림 7]은 사례 5∼8, 5´∼8´까지의 거리계전기 동작 결과를 도식화한 결과이다. 초전도 한류기가 적용되지 않은 Case.0는 앞서 제시된 결과와 같다. Case.5∼8와 Case.5´∼8´은 초전도 한류기가 적용된 선로들의 거리계전기 동작 결과이며 제안된 복합계전 방안의 적용 여부만 차이가 있다. Case.1∼4와 Case.1´∼4´의 임피던스 궤적과 유사하게 Case.5∼8와 Case.5´∼8´의 임피던스 궤적도 동일하게 나타났다.

Case.5, 5´의 경우 보호범위 내 경계선 인근에 임피던스 궤적이 도달하여 귀착점을 형성 하였으며 거리계전기에서 고장 검출이 되었으나 계전기의 샘플링 주기 및 고장 판단을 위한 데이터 확인 개수 설정에 따라 고장검출이 이루어지지 않을 수도 있을 것으로 예상되었다. Case.6∼8, 6´∼8´은 귀착점이 보호범위 설정 구역 외에 귀착점이 형성되어 고장 검출이 불가능 하였다.

앞서 제시된 [그림 6]과 비교시 임피던스가 커짐에 따라 설정된 보호 범위에서 귀착점이 더 멀리 벗어나는 것을 확인 할 수 있었으며 이에 따른 거리계전기의 부동작이 예상되었다. 고장전류의 효과적인 저감을 위해서는 초전도 한류기의 임피던스가 크게 설정되어야 하므로 고장 발생시 선로 내 총 임피던스의 변화는 더욱 심화되고 거리계전기의 부동작 문제도 더 가중 될 수 있음을 예상 가능하다. 또한 앞서 [그림 1]과 같이 동작시간에 차이를 주어 Zone2, Zone3를 설정하는 한시차 거리계전 방안 등이 적용되어 있는 경우 오버리치의 문제로 인한 오·부동작 및 고장 검출의 지연 등이 더 심화될 수 있다.

그림 7. 사례 0, 5∼8, 5´∼8´의 시뮬레이션 결과

Fig. 7. Result of simulation for case 0, 5∼8, 5´∼8´

3.2 제안된 복합계전 방안의 타당성 검토 결과

제안된 방안을 적용한 시뮬레이션을 통해 차단기의 동작 신호가 정상적으로 발생하였는지 확인하고 이를 [그림 8]을 통해 나타내었다.

[그림 8]의 상단 A는 Case.0∼8까지에 해당되는 결과로 제안된 복합계전 방안이 적용되지 않은 경우의 거리계전기 신호이다. 임피던스의 변화가 적어 설정된 Zone1로 임피던스의 궤적 및 귀착점이 형성되는 경우에는 정상적인 신호가 발생하며 차단기 신호가 3[cycle] 이내에 발생하였다. 하지만 Case.2∼4, 6∼8의 경우 임피던스 궤적 및 귀착점이 Zone1에 언더리치 됨으로서 Zone2로 판단이 되었고 한시차 거리계전 설정에 따라 t[s] 만큼의 신호 발생 지연이 발생하였다.

본 논문에서는 한시 설정을 20[cycle]로 설정하고 있어 시뮬레이션 결과에서는 약 0.33[s]의 지연이 발생하는 것으로 나타났으나 이는 설정에 따라 일부 변동이 가능하므로 t[s]로 표기하였다.

[그림 8]의 하단 B는 Case.1´∼8´의 차단기 신호 발생 결과를 나타낸 결과이다. 복합계전 방안이 적용된 결과 모든 경우에서 Case.0와 유사한 시점에 차단기 신호가 발생하여 정상적으로 고장을 제거 할 수 있음을 확인 가능하였다. 이를 통해 제안된 복합 계전 방안이 효과적으로 고장 검출이 가능함을 알 수 있다. 초전도 한류기의 동작 전류의 설정값에 따라 고장 검출 시점은 변동되며 동작 전류가 작을수록 고장 검출 시점은 빨라진다. 그러나 고장 검출의 신뢰성, 보호협조 관계, 계통에 미치는 영향 등을 고려한 추가적인 검토는 필요할 것으로 판단된다.

그림 8. 사례 0∼8, 1´∼4´의 차단기 신호

Fig. 8. Breaker signals for case.0∼8, 1´∼8´