윤민호
(Min-Ho Yoon)
1iD
최승수
(Seung-Su Choi)
1iD
임성훈
(Sung-Hun Lim)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Republic of Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Symmetrical components analysis, Reactor type superconducting fault current limiters, Three phase systems
1. 서 론
현대 전력계통은 대규모 발전원과 부하가 상호 복잡하게 연결되어 있으며, 단순히 안정적으로 전력을 공급하는 것을 넘어 효율적이고 신뢰도 높은 운영이
요구된다. 특히 전력계통에 고장(단락, 지락 등)이 발생할 경우, 빠르고 정확한 보호 및 차단이 이루어지지 않으면 대규모 정전이나 설비 손상으로 이어질
수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 전력계통 보호 기술은 지속적으로 발전해 왔으며, 삼상 대칭성분 분석은 비대칭 고장을 쉽고 체계적으로 파악할
수 있는 핵심 기법으로 자리 잡았다[1-3].
전력계통에서 고장은 대칭 고장과 비대칭 고장으로 구분된다. 대칭 고장은 삼상의 전압과 전류가 동일하게 단락되는 경우로, 실제 발생 빈도는 낮지만 매우
큰 단락 전류를 유발하여 설비 손상 위험이 크다. 반면 비대칭 고장은 한 상만 지락되거나 두 상이 단락되는 형태로, 실제 계통에서 더 자주 발생한다.
이러한 비대칭 고장은 각 상의 전압, 전류가 서로 달라 복잡한 해석을 필요로 한다. 하지만 대칭성분 분석법을 적용하면 고장을 정상, 영상, 역상성분으로
분리하여 체계적으로 파악할 수 있다.
최근에는 전력계통의 안정성과 전력품질 향상을 위한 다양한 신기술이 제안되고 있으며, 그중 하나가 초전도소자를 활용한 방식이다. 초전도소자는 임계온도
이하에서 전기저항이 ‘0’에 가까워져, 큰 전류도 열손실 없이 흐를 수 있게 한다. 이러한 특성은 한류기로의 응용 가능성을 높이고 있으며, 고장 시
단락 전류를 제한하거나 차단하는 효과가 뛰어나다. 이에 따라 계통 보호기기의 용량을 줄이거나, 기존 보호 시스템을 보완·최적화하는 데에도 기여할 수
있다[4].
기존 연구에서는 초전도 한류기를 활용한 보호 시스템과 분석 방법에 대한 다양한 연구가 이루어졌다. 리액터형 초전도 한류기는 구조가 단순하며, 고장
전류를 즉각적으로 제한하는 장점이 있어 많은 연구에서 주목받고 있다[5-6]. 하지만 이러한 연구들은 주로 고장 전류 제한 성능에 초점을 맞추었으며, 고장 발생 후 대칭성분의 변화를 분석하거나 보호 시스템의 최적화를 구체적으로
다루지 않는 경우가 많았다. 또한, 초전도 소자의 퀜치현상과 임계전류 초과 시 발생하는 임피던스 변화를 정량적으로 분석하지 않아, 고장 진단의 정확성을
확보하기 어려운 한계가 있었다. 본 연구는 기존 연구의 이러한 한계점을 해결하고자, 초전도 한류기를 삼상 전력계통에 적용했을 때와 적용하지 않았을
때 고장 전압, 전류 및 임피던스의 대칭성분 변화를 정량적으로 분석하여, 최적화된 보호 방법을 제안하는 데 중점을 두었다. 특히, 초전도 소자의 동작
특성과 고장 발생 후 대칭성분의 변화를 체계적으로 분석하여, 기존 보호 시스템에서 미비했던 고장 진단의 정확성을 향상시키고 최적화된 보호 방법을 제안하는
데 중점을 두었다.
2. 본 론
2.1 실험 구성 및 등가회로
그림 1(a)는 실험 구성도이다. 리액터형 초전도 한류기는 주 전원과 직렬로 연결되며, 유도전동기와 저항 부하는 병렬로 연결되어 있다. 전원전압 200[V]는
주 전원 스위치(SW1)를 통해 인가된다. 전원이 인가되면 유도전동기는 Y결선 직기동 방식으로 기동한다. 일정 시간 후, 유도전동기는 정상 기동 상태에서
지락 스위치(SW2)를 0.2[s] 동안 투입하여 비대칭 고장(일선지락)과 대칭 고장(삼선지락)을 모의하였다. 그림 1(b)는 리액터형 초전도 한류기의 삼상 등가 회로를 나타낸다. 듀얼 철심을 이용한 단권변압기형 초전도한류기는
탭을 이용하여 권선을 두 개의 구간 (kN, (1-k)N)으로 분리하여 구성할 수 있으며,
두 개의 구간중 한 구간은 초전도 모듈($R_{a}^{SC},\: R_{b}^{SC},\: R_{c}^{SC}$)이
직렬로 연결되어, 고장전류를 즉각적으로 제한하는 장점이 있다.
초전도 모듈은 초전도 코일, 초전도 벌크를 포함하여 초전도 박막으로 제작된
초전도체를 활용할 수 있으며, 본 논문에서는 퀜치 발생시 충분히 큰 저항발생이
용이하고 비교적 작은 냉각공간을 확보할 수 있는 박막형태로 제작된
초전도모듈을 활용하였다 [7-8]. 두 개의 상에 연결된 권선은 하나의 철심을 공유하므로 서로 간에 상호 인덕턴스를 가지게 되며, 이로 인해 각 철심에 유기되는 자속($\Phi_{m}^{ab},\:
\Phi_{m}^{bc},\: \Phi_{m}^{ca}$)은 각 상의 자화 전류에 의해 유도된다[9-10]. 리액터형 한류기를 구성하는 초전도 모듈과 설계 및 제작된 철심, 권선의 사양은 표 1에 나타내었다. 표 1에서 X는 철심의 가로 길이, Y는 철심의 세로 길이를 나타내며, T는 철심의 두께를 나타낸다. 권선의 탭 비율(k)은 0.75로 설정하였고, kN과
(1-k)N의 권선 수는 각각 72와 24로 설계하였다. 초전도 모듈은 박막(Thin Film)형태의 YBCO를 사용하였고, 임계전류는 27[A]로
정상 기동 상태에서는 퀜치현상이 발생하지 않지만 계통에 고장이 발생할 경우 임계전류를 초과하여 초전도 소자가 퀜치한다.
그림 1. 모의배전계통 구성도 (a) 유도기가 연계된 모의배전계통 구성도 (b) 리액터형 한류기 등가회로
Fig. 1. Simulated Distribution System Diagram (a) Simulated Distribution System Diagram
with an Induction Motor (b) Reactor-Type Fault Current Limiter Equivalent Circuit
표 1 리액터형 초전도한류기 구성요소 사양
Table 1 Design parameters of components comprising three-phase reactor-type SFCL
|
구성요소
|
설계사양
|
값
|
단위
|
|
철심
|
Xin & Xout
|
140 & 240
|
mm
|
|
Yin & Yout
|
150 & 248
|
mm
|
|
T
|
134
|
mm
|
|
권선
|
권선 수
|
96
|
Turns
|
|
탭
|
0.75
|
Ω
|
|
초전도 모듈
|
초전도체 종류
|
YBCO
|
-
|
|
제작형태
|
Thin Film
|
-
|
|
임계온도 (TC)
|
87
|
K
|
|
임계전류 (IC)
|
27
|
A
|
|
션트저항
|
2.3
|
Ω
|
|
선로 부하
|
선로 임피던스(Z1)
|
0.111+j0.745
|
Ω
|
|
선로 임피던스(Z2)
|
0.129+j0.746
|
Ω
|
|
유도전동기 용량 (IM)
|
3.7
|
kW
|
|
저항부하 (Load)
|
40
|
Ω
|
2.2 모의 배전계통 시험
Y결선 유도전동기를 연계한 모의 배전계통에서 한류기 적용에 따른 모선전압과 선로전류를 측정하였다. 고장이 발생함에 따라 선로전류($i_{a}^{SFCL},\:
i_{b}^{SFCL},\: i_{c}^{SFCL}$)는 급격하게 증가한다. 한류기가 적용되지 않는 경우($i_{a}^{w/o SFCL}$)에는 고장
발생 후 약 191[A]까지 고장 전류가 발생하지만, 한류기가 적용되면 고장 전류는 약 28[A]로 제한되어 고장 전류 제한 효과를 확인할 수 있다.
그림 2(a)는 비대칭 고장의 대표적인 예시인 a상 일선지락을 나타낸다. 고장 발생 전에는 삼상 평형 상태를 유지하다가, a상 일선지락이 발생하면 a상의 전류가
증가한다. 그림 2(b)는 대칭 고장의 대표적인 예시인 abc상 삼선지락을 나타낸다. 고장 발생 전에는 삼상 평형 상태를 유지하며, 고장 발생 직후에는 삼상 평형을 이루지
않지만, 고장이 지속되면서 고장 전류는 삼상 평형 상태를 유지한다.
그림 2. 지락고장 발생시 한류기적용에 따른 모선전압,선로전류 (a) a상 일선지락 (b) abc상 삼선지락
Fig. 2. Bus Voltage and Line Current Occurring Fault Current with SFCL (a) Single-line
Ground Fault in Phase a (b)Three-phase Ground Fault in phases a,b,c
그림 3. 지락고장 발생시 초전도 소자 전압,전류 (a) a상 일선지락 (b) abc상 삼선지락
Fig. 3. Voltage and Current of the Superconducting Device Occurring under Fault Current
(a) Single-line Ground Fault in Phase a (b)Three-phase Ground Fault in phases a,b,c
그림 3(a)는 a상 일선지락 고장에 따른 초전도 소자의 전압 및 전류를 측정한 결과를 나타낸다. 초전도 소자의 임계전류(Ic)는 27[A]로, 고장이 발생하기
이전에는 소자 전류가 임계전류를 넘지 않으며 소자는 초전도 상태를 유지한다. 고장이발생하면서 소자전류가 임계전류를 초과하여 퀜치 현상이 발생한다.
a상 일선지락이기 때문에 a상 초전도 소자만 퀜치한다. 그림 3(b)는 abc상 삼선지락 고장에 따른 초전도 소자의 전압 및 전류를 측정한 결과를 나타낸다. 그림 3(a)와 마찬가지로 고장 전에는 임계전류를 넘지 않으며 초전도 상태를 유지한다. 그러나 고장이 발생하면 임계전류를 초과하여 초전도 소자들이 퀜치 현상을
일으킨다. abc상 삼선지락이기 때문에 a, b, c상 초전도 소자 모두 퀜치한다.
2.3 대칭성분 분석
대칭분석은 전력 시스템에서 비대칭 고장을 분석하는 중요한 기법이다. 전력 시스템은 일반적으로 삼상 시스템으로 설계되어 있으며, 대칭분석을 통해 삼상
시스템의 비대칭 상태를 분석할 수 있다. 전력 시스템에서 비대칭 고장이 발생하면, 각 상은 동일하게 영향을 받지 않게 된다. 따라서, 각 상의 전압과
전류를 이용하여 대칭성분 분석을 진행한다. 삼상의 데이터를 이용하여 3개의 대칭 성분(영상성분, 정상성분, 역상성분)으로 분리하여 계산한다. 이 3개의
대칭성분으로 분리하는 수식은 수(1~수식 3)과 같다. 수식에 사용된 a는 크기가 1이고, 120도의 위상을 갖는 복소수이다. 이러한 대칭성분 분석은 수학적 계산을 단순화하고, 각 상에 발생하는
불균형을 분석할 수 있게 하며, 보호장치를 설정하는 데 중요한 역할을 한다.
2.4 결과 및 고찰
2.4.1 a상 일선지락시 대칭성분 분석
그림 4는 한류기 적용 여부에 따른 a상 일선지락 시 전압 대칭성분의 변화를 나타낸다. 고장 발생 전에는 삼상 평형 상태로 인해 정상성분을 제외한 영상성분과
역상성분은 거의 존재하지 않는다. 또한, 정상성분은 주로 실수성분으로 구성되어 있다. 비대칭 고장이 발생하면 영상성분과 역상성분이 급격히 증가하며,
고장 과도 기간 동안 크게 변동하다가 안정적인 값에 수렴한다. 한류기가 적용 된 경우 대칭성분의 크기가 상대적으로 작게 나타난다. 이는 한류기 적용으로
전압 강하가 감소했기 때문이며, 대칭성분의 크기를 제한되어 기존 보호 계전기의 고장 감지능력이 저하된다.
그림 4. 한류기 적용에 따른 a상 일선 지락 시 전압 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기 미적용
역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 4. Voltage Symmetrical Component Analysis for Single-line Ground Fault in Phase
a with SFCL (a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component
without SFCL (c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component
with SFCL (e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component
with SFCL
그림 5는 한류기 적용에 따른 a상 일선지락 시 전류 대칭성분 분석을 나타낸다. 고장이 발생하면 선로 전류는 급격히 증가하며, 이로인해 대칭성분 분석에서도
영상성분과 역상성분이 증가한다. 이러한 증가는 그림 4에서 나타낸 전압 대칭성분보다 더 두드러진다. 한류기를 적용한 경우, 대칭성분 전류는 30[A]를 넘지 않지만, 한류기를 적용하지 않은 경우에는 45[A]를
초과한다. 이처럼 한류기가 적용되면 대칭성분 전류의 크기가 제한되어 기존 보호 계전기 감지능력이 저하된다.
그림 5. 한류기 적용에 따른 a상 일선지락 시 전류 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기 미적용
역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 5. Current Symmetrical Component Analysis for Single-line Ground Fault in Phase
a with SFCL (a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component
without SFCL (c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component
with SFCL (e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component
with SFCL
그림 6. 한류기 적용에 따른 a상 일선지락 시 임피던스 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기
미적용 역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 6. Impedance Symmetrical Component Analysis for Single-line Ground Fault in Phase
a with SFCL (a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component
without SFCL (c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component
with SFCL (e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component
with SFCL
그림 6은 한류기 적용 여부에 따른 a상 일선지락 시 임피던스 대칭성분 분석 결과를 나타낸다. 임피던스는 전압 대칭성분을 전류 대칭성분으로 나누어 계산하였다.
고장 발생 이전에는 삼상 평형 상태를 유지하고 있어 전압과 전류의 대칭성분크기가 매우 작아, 임피던스 계산 과정에서 수치적 불안정성이 나타난다. 그러나
고장이 발생하면 전류 대칭성분이 전압 대칭성분에 비해 급격히 증가하며, 이로인해 임피던스는 고장 시 감소하는 특징을 보인다. 분석 결과는 한류기가
적용된 상황에서도 임피던스를 활용하여 고장 발생 시 차단 동작을 효과적으로 수행할 수 있음을 보여준다.
2.4.2 abc상 삼선지락 시 대칭성분 분석
그림 7. 한류기 적용에 따른 abc상 삼선지락시 전압 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기 미적용
역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 7. Voltage Symmetrical Component Analysis for Three-phase Ground Fault with SFCL
(a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component without SFCL
(c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component with SFCL
(e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component with SFCL
그림 7은 한류기 적용 여부에 따른 abc상 삼선지락 시 전압 대칭성분 분석 결과를 나타낸다. 고장 발생 전에는 삼상 평형 상태를 유지하므로 정상성분을 제외한
영상성분과 역상성분은 존재하지 않는다. 삼선지락 고장이 발생하면 영상성분과 역상성분은 증가하지 않고, 정상성분만 감소하는 양상을 보인다. 고장 발생
과도 기간 동안에는 삼상 평형 상태가 일시적으로 깨지면서 역상성분이 증가하지만, 고장이 지속되면서 역상성분은 다시 ‘0’에 수렴한다. 한류기가 적용된
경우, 계통에 심각한 영향을 미칠 수 있는 삼선지락 고장이 발생하더라도 전압 강하가 감소하여 고장 과도 기간 동안 역상성분의 크기가줄어든다. 또한,
정상성분의 크기가 제한되어 기존 보호 계전기의 고장 감지능력이 저하된다.
그림 8. 한류기 적용에 따른 abc상 삼선지락시 전류 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기 미적용
역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 8. Current Symmetrical Component Analysis for Three-phase Ground Fault with SFCL
(a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component without SFCL
(c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component with SFCL
(e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component with SFCL
그림 8은 한류기 적용 여부에 따른 abc상 삼선 지락 시 전류 대칭 성분 분석 결과를 나타낸다. 고장 발생 시 선로 전류는 급격히 증가하며, 대칭 고장이므로
영상 성분과 역상 성분은 존재하지 않아야 한다. 그러나 고장 과도 기간 동안에는 일시적으로 역상 성분이 증가하지만, 고장이 지속되면서 역상 성분은
다시 ‘0’에 수렴한다. 한류기를 적용한 경우, 정상 성분 전류는 40[A]를 넘지 않는 반면, 한류기를 적용하지 않은 경우에는 140[A]를 초과하는
것을 확인할 수 있다. 또한, 한류기의 적용으로 인해 정상 성분 전류의 크기가 제한됨에 따라 기존 보호 계전기가 고장능력이 저하된다.
그림 9는 한류기 적용 여부에 따른 abc상 삼선 지락 시 임피던스 대칭 성분 분석 결과를 나타낸다. 임피던스는 전압 대칭 성분을 전류 대칭 성분으로 나누어
계산하였다. 고장 발생 이전에는 삼상 평형 상태를 유지하고 있어 전압과 전류의 크기가 매우 작아, 임피던스 계산 과정에서 수치적 불안정성이 나타난다.
고장이 발생하면 전압 대칭 성분에 비해 전류 대칭 성분이 크게 증가한다. 이로인해 임피던스 측면에서는 고장이 발생하면 오히려 감소하는 특징을 보인다.
계통에서 빨리 차단해야하는 삼선지락이 발생하더라도, 한류기가 적용된 상황에서 임피던스를 활용하여 고장 발생 시 차단 동작을 효과적으로 수행할 수 있음을
보여준다.
그림 9. 한류기 적용에 따른 abc상 삼선지락시 임피던스 대칭성분 분석 (a) 한류기 미적용 영상성분 (b) 한류기 미적용 정상성분 (c) 한류기
미적용 역상성분 (d) 한류기 적용 영상성분 (e) 한류기 적용 정상성분 (f) 한류기 적용 역상성분
Fig. 9. Impedance Symmetrical Component Analysis for Three-phase Ground Fault with
SFCL (a) Zero-sequence component without SFCL (b) Positive-sequence component without
SFCL (c) Negative-sequence component without SFCL (d) Zero-sequence component with
SFCL (e) Positive-sequence component with SFCL (f) Negative-sequence component with
SFCL
그림 10은 지락 고장 시 초전도 소자의 전압 대칭성분 분석 결과를 나타낸다. 그림 10(a)~(a)는 a상 일선지락을 나타내며, 고장 발생 이전에는 초전도 소자전압이 ‘0’전압 상태를 유지하다가 고장이 발생하면 고장전류가 초전도 소자 임계전류를
초과하여 a상 소자에서 퀜치현상이 발생한다. 대칭성분 분석 결과, 고장 발생 후 정상성분 뿐만 아니라 영상성분과 역상성분이 증가하는 것을 확인할 수
있다. 그림 10(e)~(e)는 abc상 삼선지락을 나타내며, 고장 과도 기간을 제외하고는 영상성분과 역상성분이 ‘0’전압을 유지한다. 삼선지락 고장의 경우, 고장 과도기 동안
각 상의 전압 불균형 상태가 나타나지만, 고장이 지속되면서 이러한 불균형이 사라지고 ‘0’전압으로 수렴하는 특징을 보인다. 정상성분의 경우, 삼상
소자 모두에서 퀜치 현상이 발생하기 때문에 a상 일선지락에 비해 정상 성분의 크기가 약 3배 크다.
그림 10. 지락고장시 초전도 소자 전압 대칭성분 분석 (a) a상 일선지락 영상성분 (b)a상 일선지락 정상성분 (c) a상 일선지락 역상성분
(d) abc상 삼선지락 영상성분 (e) abc상 삼선지락 정상성분 (f) abc상 삼선지락 역상성분
Fig. 10. Voltage Symmetrical Component Analysis of Superconducting Device under Fault
Current (a) Zero-sequence component of a-phase single line-to-ground fault (b) Positive-sequence
component of a-phase single line-to-ground fault (c) Negative-sequence component of
a-phase single line-to-ground fault (d) Zero-sequence component of abc-phase three-phase
fault (e) Positive-sequence component of abc-phase three-phase fault (f) Negative-sequence
component of abc-phase three-phase fault
그림 11은 지락 고장 시 초전도 소자의 전류 대칭성분 분석 결과를 나타낸다. 그림 10의 소자전압 대칭성분에서는 고장 발생 전에는 ‘0’전압을 유지하였지만, 소자전류에서는 고장 전에도 임계값 이하의 전류가 흐르기 때문에 정상성분이 존재한다.
그림 11(a)~(a)에서 a상 일선지락은 비대칭 고장이므로 고장이 발생하면서 영상성분과 역상성분이 존재하게 된다. 소자 전압 대칭성분 분석과 유사하게, 고장 과도기간을
지난 후에는 일정한 값에 수렴한다. 그림 11(d)~(d)에서 abc상 삼선지락의 경우 고장 발생 전에는 임계전류 이하의 전류가 흐르기 때문에 정상성분이 존재한다. 고장 발생 과도 기간동안 소자 전류의 불균형이
나타나지만 고장이 지속됨에 따라 이러한 불균형이 사라지고 일정한 값에 수렴하게 되는데 이는 삼선지락이 유지됨에 따라 삼상 초전도소자가 모두 퀜치하기
때문에 영상성분과 역상성분은 존재하지않는다. 삼상 소자가 퀜치한 경우는, a상 소자만 퀜치한 비대칭 고장에 비해 정상성분의 크기가 약 2.5배 더
크게 나타난다.
그림 11. 지락고장시 초전도 소자 전류 대칭성분 분석 (a) a상 일선지락 영상성분 (b) a상 일선지락 정상성분 (c) a상 일선지락 역상성분
(d) abc상 삼선지락 영상성분 (e) abc상 삼선지락 정상성분 (f) abc상 삼선지락 역상성분
Fig. 11. Current Symmetrical Component Analysis of Superconducting Device under Fault
Current (a) Zero-sequence component of a-phase single line-to-ground fault (b) Positive-sequence
component of a-phase single line-to-ground fault (c) Negative-sequence component of
a-phase single line-to-ground fault (d) Zero-sequence component of abc-phase three-phase
fault (e) Positive-sequence component of abc-phase three-phase fault (f) Negative-sequence
component of abc-phase three-phase fault
그림 12는 지락 고장 시 초전도소자의 임피던스 대칭성분 분석 결과를 나타낸다. 고장 발생 이전에는 소자전류가 임계전류를 넘지 않아 퀜치현상이 발생하지 않는다.
이로 인해 전압대칭성분이 존재하지 않으며, 전압 대칭성분을 전류 대칭성분으로 나누어 계산하는 임피던스 대칭성분 역시 나타나지 않는다. 고장이 발생한
이후에는 소자 전류가 임계전류를 초과하면서 퀜치가 발생하고, 이에 따라 임피던스가 증가한다. 하지만 고장 이후 소자의 전압과 전류가 모두 증가하기
때문에 임피던스 변화에는 상대적으로 큰 영향을 미치지 않는다.
그림 12. 지락고장시 초전도 소자 임피던스 대칭성분 분석 (a) a상 일선지락 영상성분 (b) a상 일선지락 정상성분 (c) a상 일선지락 역상성분
(d) abc상 삼선지락 영상성분 (e) abc상 삼선지락 정상성분 (f) abc상 삼선지락 역상성분
Fig. 12. Impedance Symmetrical Component Analysis of Superconducting Device under
Fault Current (a) Zero-sequence component of a-phase single line-to-ground fault (b)
Positive-sequence component of a-phase single line-to-ground fault (c) Negative-sequence
component of a-phase single line-to-ground fault (d) Zero-sequence component of abc-phase
three-phase fault (e) Positive-sequence component of abc-phase three-phase fault (f)
Negative-sequence component of abc-phase three-phase fault
3. 결 론
본 논문에서는 전력 시스템에서 발생할 수 있는 비대칭 고장에 대해 대칭성분 분석을 적용하여, 특히 초전도 소자가 사용된 리액터형 한류기의 동작을 분석하였다.
대칭성분 분석은 전력 시스템의 비대칭 고장을 해석하고, 각 상에 미치는 영향을 명확히 파악할 수 있도록 돕는 중요한 기법이다. 이 기법을 통해 고장
발생 시 전압과 전류의 대칭성분을 분리하고, 이를 분석함으로써 고장 유형에 따른 시스템의 동작을 예측할 수 있다. 특히, 초전도 소자가 적용된 리액터형
한류기를 통해 전력계통에서의 고장 전류를 제한할 수 있는 가능성을 제시하였으며, 고장 발생 시 정상성분, 영상성분, 역상성분의 변화를 명확히 확인할
수 있었다. 그러나 이러한 초전도 소자와 같은 새로운 기술이 도입될 경우, 대칭성분 분석에 몇 가지 문제점이 발생할 수 있다. 초전도 소자는 동시에
퀜치하지 않기 때문에, 일부 고장 상황에서 역상성분과 영상성분에서 값의 변동이 발생할 수 있으며, 이는 정확한 보호 장치 설정과 고장 해석에 어려움을
초래할 수 있다.
따라서 전력계통 보호에 초전도 소자를 활용하려면, 기존의 대칭성분 분석 방법에 대한 추가적인 개선이 필요하다. 초전도 소자를 사용할 경우, 전류의
크기가 효과적으로 제한되기 때문에, 기존의 전류 기반 차단 방식이 아닌 임피던스를 이용한 차단 방식을 도입하는 것이 필요하다. 이는 고장 발생 시
초전도 소자로 인해 제한된 전류 조건에서도 정확하고 신속한 차단 동작을 보장할 수 있는 방법으로, 전력 계통의 안정성과 신뢰성을 높이는 데 중요한
역할을 할 것이다. 향후 연구에서는 초전도 소자를 포함한 다양한 계통에서의 대칭성분 분석의 정확도를 높이고, 전력 계통의 안정성을 더욱 강화할 수
있는 방안을 모색해야 할 것이다.
Acknowledgements
Ministry of SMEs and Startups in 2023 (RS-2023-00226455) and Korea Institute for Advancement
of Technology (KIAT) grant funded by Korea Government (MOTIE) (P0017033, The Competency
Development Program for Industry Specialist)
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저자소개
He received B.S. degree from Soongsil Univ., Korea in 2023. Currently, he is a combined
Master’s-Doctoral course student in the Dept. of Electrical Engineering at Soongsil
Univ., Korea.
He received B.S. degree from Soongsil Univ., Korea in 2023. Currently, he is a combined
Master’s-Doctoral course student in the Dept. of Electrical Engineering at Soongsil
Univ., Korea.
He received B.S., M.S., Ph.D. degrees from Chonbuk National Univ., Korea in 1996,
1998, and 2003, respectively. Currently, he is a professor in the Dept. of Electrical
Engineering at Soongsil Univ., Korea.