2.1 LVDC 배전망의 사고전류 발생 메커니즘

일반적으로, LVDC 배전망의 사고 유형은 그림 1과 같이 메인 컨버터의 AC 측 3상 단락과 LC 필터측 지락, 암 단락(arm short), DC 측 단락(P-P) 등의 사고로 구분된다^[2]. 여기서, 그림 1의 ①과 같이 메인 컨버터의 전원을 공급하는 AC 측에서 3상 단락사고가 발생하는 경우, AC 계통 측과 메인 컨버터의 DC Link 커패시터로부터 사고전류가 유입될 가능성이 있다. 또한, 메인 컨버터의 LC 필터는 그림 1의 ②와 같이 메인 컨버터의 빈번한 스위칭 동작에 의한 열화에 의하여 지락사고가 발생할 가능성이 높다. 또한, 메인 컨버터의 스위칭 소자에서는 그림 1의 ③과 같이 소손에 의한 암 단락이 발생할 가능성이 있는데, 계통과 커패시터 성분으로부터 대전류가 유입되어 스위칭 소자에 손상을 초래할 가능성이 있다. 한편, 메인 컨버터의 DC 출력단에서 그림 1의 ④와 같이 단락사고가 발생하는 경우, IGBT 모듈은 자기보호 동작을 통해 신속히 개방되어 DC Link 커패시터의 앞단과 분리되며, DC Link 커패시터에 축적된 에너지가 방전하여 LVDC 배전망에 사고전류를 공급할 수 있다.

그림 1. LVDC 배전망의 사고전류 발생 메커니즘

Fig. 1. Mechanism of fault current in LVDC distribution system

2.2 IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV 및 누설전류 발생 메커니즘

LVDC 배전망의 메인 컨버터는 그림 2와 같이 IGBT, LC 필터, DC Link 커패시터, 등으로 구성된다. 여기서, IGBT는 5~10 [kHz] 대역의 고주파 스위칭으로 전력변환을 수행하며, 이때 발생하는 열을 발산하기 위하여 방열판(heat sink)이 필수적으로 설치된다. 하지만, IGBT 모듈의 도전부와 방열판 사이에 형성되는 기생 커패시턴스(stray capacitance)에 의하여, 접지 경로를 통한 공통 모드 전압(CMV, common mode voltage)이 발생될 수 있으며, 이로 인해 누설전류(leakage current)가 유입될 수 있다. 즉, 누설전류는 메인 컨버터의 입력측 수용가 변압기의 중성점과 외함접지의 경로를 통해 유입될 가능성이 있다. 한편, 기생 커패시턴스는 식 (1)과 같이 IGBT 모듈과 방열판의 구조적인 특성을 고려하여 산정되며, CMV의 크기에 직접적인 영향을 미친다^[3]. 또한, IGBT 스위칭 동작에 의한 누설 전류($i_{leak,\: IGBT}$)는 식 (2)와 같이 시간에 따른 IGBT 스위칭의 전압 변화량($dv/dt$)과 기생 커패시턴스($C_{str}$)에 의해 결정되므로, 메인 컨버터의 스위칭 주파수와 방열판의 구조가 누설전류의 발생에 큰 영향을 미칠 수 있다^[4].

여기서, $C_{str}$ : 기생 커패시턴스, $\epsilon_{r}$ : $Al_{2}O_{3}$의 비유전율, $\epsilon_{0}$ : 진공 유전율, $w$ : IGBT 모듈의 폭, $Y$ : 방열판 높이, $H$ : IGBT 모듈 중심과 방열판 사이의 거리, $A$ : 방열판 면적, $d$ : IGBT 모듈 밑면과 방열판 사이의 거리, $i_{leak,\: IGBT}$: IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류, $v$: 스위칭 전압, $t$: 스위칭 시간

그림 2. IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV 및 누설전류 발생 메커니즘

Fig. 2. Mechanism of CMV and leakage current with IGBT switching

2.3 불평형 부하에 의한 순환전류 발생 메커니즘

불평형 부하에 의한 순환전류($I_{unbal}$)는 그림 3과 같이, 대부분의 전류($I_{trans}$)가 변압기의 중성선을 통하여 흐르게 되지만, 일부 전류는 접지선을 따라 DC 측의 메인 컨버터와 구간 컨버터의 외함($I_{con}$)으로 유입될 가능성이 있다. 여기서, 중성선에 흐르는 불평형 전류($I_{unbal}$)는 식 (3)과 같이 각 상 전류의 벡터합으로 산정되고, 부하 불평형률은 식 (4)와 같이 각 상 전류의 최대값과 최소값의 차이를 평균값으로 나눈 비율로 나타낸다^[5]. 한편, 수용가용 변압기의 중성점 접지와 전력변환장치, 수용가 외함 등을 공통으로 접지한 경우, 순환전류가 설비의 외함 접지를 통해 유입되어 작업자와 전기설비의 안전성에 악영향을 줄 수 있으며, 제어설비의 파손, 기기 오동작, 통신장애 등을 유발할 수 있다.

여기서, $I_{unbal}$: 불평형 부하에 의한 순환전류, $I_{"R",\: rms}$: R상 전류의 RMS 값, $I_{S,\: rms}$: S상 전류의 RMS 값, $I_{T,\: rms}$: T상 전류의 RMS 값, $r_{unbal}$: 부하 불평형률, $I_{\max}$: 단상부하 전류의 최대값, $I_{\min}$: 단상부하 전류의 최소값, $I_{R}$: R상 전류, $I_{S}$: S상 전류, $I_{T}$: T상 전류 사고 유형과 위치에 따라 AC 및 DC 측 차단기가 동작하면, 선로의 인덕터에 저장된 자기 에너지와 차단기 극간 커패시터에 축적된 정전 에너지가 순간적으로 방전되어, 서로 다른 형태의 개폐서지가 발생하여 LVDC 배전망에 악영향을 미칠 수 있다. 즉, 차단 동작에 의한 서지는 그림 4와 같이 메인 컨버터의 기생 커패시턴스에 의해 약 1/2로 분배된 후 (+)극과 접지 및 (-)극과 접지사이에 인가되어, 수용가에 악영향을 줄 수 있다.

그림 3. 불평형 부하에 의한 순환전류 발생 메커니즘

Fig. 3. Mechanism of circuit current by unbalanced load

2.4 보호기기의 동작에 의한 개폐서지 발생 메커니즘

그림 4. 보호기기의 동작에 의한 개폐서지 발생 메커니즘

Fig. 4. Mechanism of surge with operating the protection device

한편, 차단기 및 개폐기 동작시 발생된 서지의 전압은 그림 5와 같이 변압기의 인덕터와 메인 컨버터의 커패시터 간의 공진에 의하여, 변압기의 철심을 포화시켜 철공진 현상을 발생시킬 수 있다. 여기서, 변압기 2차측의 전압은 변압기 및 메인 컨버터의 등가 임피던스(XP)와 차단기의 극간 임피던스(XCB)의 전압 분배에 의하여 식 (5)와 같이 결정된다^[6]. 여기서, 등가 임피던스는 식 (6)과 같이 변압기의 리액턴스(XL)와 메인 컨버터의 리액턴스(XC_main)의 병렬 합으로 나타낼 수 있다.

여기서, $E_{in} $ : 입력전압[V], $E_{out} $ : 출력전압[V], $n$ : 권수비, $X_{P}$ : 변압기와 메인 컨버터의 병렬 등가 임피던스[Ω], $X_{CB} $ : 차단기의 극간 임피던스[Ω], $X_{L} $ : 변압기의 리액턴스[Ω], $X_{C_{main}}$ : 메인 컨버터의 리액턴스[Ω]

그림 5. LVDC 배전망에서 L-C 직병렬 등가회로

Fig. 5. Equivalent circuit of L-C series-parallel in LVDC distribution system

2.5 뇌격에 의한 서지 발생 메커니즘

뇌격은 대기 중에 발생하는 강력한 전기적 방전 현상으로, 그림 6과 같이 뇌 서지의 표준전압 파형과 유입 경로를 나타낼 수 있다. 먼저, 뇌격에 의한 서지는 그림 6(a)와 같이 KS C IEC 62305에 제시된 표준파형과 크기를 기준으로 나타낼 수 있으며, 전압의 10 [%]에서 90 [%]까지 급격하게 상승하는 시간($T_{1}$)과 규약 영점($O_{1}$)에서 최고점의 50 [%]까지 감소하는 시간($T_{2}$), 그리고 최고점에서의 전압($V_{peak}$)으로 정의된다^[7]. 한편, LVDC 배전망의 뇌서지 유입경로는 그림 6(b)와 같이 공통 접지를 통해 형성되며, 전기설비의 도전성 부분에는 안전을 위한 등전위 본딩이 채용된다. 즉, 낙뢰에 의한 뇌격 에너지는 피뢰 도선을 따라 지면으로 전달된 후 공통접지로 유입되며, 이 과정에서 각 전기설비 외함의 기생 커패시턴스와 결합되어 높은 서지를 초래할 수 있다^[8]. 따라서, 뇌격에 의한 서지는 외함 접지를 통해 감전사고를 유발할 수 있으며, 전원선과 신호선 등 다양한 경로를 통해 전기ㆍ제어설비의 파손과 오동작을 야기시켜, 인명 및 설비의 안전성에 큰 악영향을 미칠 수 있다.

그림 6. 뇌격에 의한 서지 발생 메커니즘

Fig. 6. Mechanism of surge with lightning strike

3.1 AC 전원부 모델링

AC 전원부는 그림 7과 같이 AC 전원과 수전 변압기, 차단기, 계측기, 등으로 구성된다. 여기서, AC 전원은 AC 380 [V], 3상 4선식으로 구성되고, 수전 변압기는 12 [kVA]의 정격용량과 Y-Yg 결선 방식의 380/380 [V] 변압비를 적용한다.

그림 7. AC 전원부 모델링

Fig. 7. Modeling of AC source

3.2 메인 컨버터부 모델링

LVDC 배전망의 메인 컨버터는 그림 8과 같이 L-C 필터, IGBT 모듈, 기생 커패시턴스, DC-Link 커패시터, DC/DC 컨버터, 등으로 구성되며, IGBT 모듈은 그림 8(a)와 같이 3상 AC 380 [V]를 DC 전압으로 변환하는 3-leg 구조를 상정한다. 여기서, L-C 필터는 전력변환 과정에서 발생하는 고조파와 노이즈를 저감시키며, DC-Link 커패시터는 출력단의 DC 전압을 안정적으로 유지하는 역할을 수행한다. 또한, DC/DC 컨버터는 full-bridge 토폴로지를 채용하고, DC 전압을 강압하기 위하여 사용된다. 한편, 메인 컨버터의 기생 커패시턴스는 그림 8(b)와 같이, 하나의 방열판에 3개의 IGBT 모듈이 설치되는 구조를 상정하는 경우, 상기의 식 (1)에 의하여 약 0.15 [nF]으로 산정되어, 각 IGBT에 0.04 [nF]의 값으로 병렬로 배분된다.

그림 8. 메인 컨버터부의 모델링

Fig. 8. Modeling of main converter

3.3 구간 컨버터부 모델링

LVDC 배전망의 구간 컨버터부는 그림 9와 같이 IGBT 모듈과 고주파 변압기(high frequency transformer), 정류용 다이오드 모듈(full-bridge diode module), 기생 커패시턴스, 전압 제어기, DC-Link 커패시터, 등으로 구성된다. 여기서, IGBT 모듈은 그림 9(a)와 같이 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키는 full- bridge 구조로 상정한다. 또한, 고주파 변압기는 1, 2차 권선의 절연을 통해 고주파 노이즈 성분을 차단하여 다이오드 모듈의 정격전압으로 변환하고, 정류용 다이오드 모듈은 이를 DC 전압으로 출력한다. 한편, 구간 컨버터의 기생 커패시턴스는 그림 9(b)과 같이 하나의 방열판에 2개의 IGBT 모듈과 2개의 다이오드 모듈이 설치되는 구조를 상정하는 경우, 상기의 식 (1)에 의하여 각각 약 0.104 [nF]과 0.096 [nF]으로 산정되어, 각 모듈에 병렬로 배분된다.

그림 9. 구간 컨버터부의 모델링

Fig. 9. Modeling of section converter

3.4 전기적 위해요인 발생장치부의 모델링

LVDC 배전망에서 사고전류의 운용특성을 모의하기 위한 사고 발생장치부는 그림 10과 같이, 메인 컨버터의 AC 측 3상 단락과 LC 필터측 지락, 암 단락, DC 측 단락 모의장치로 구성된다. 여기서, 각 사고 유형은 실계통 사례 및 기술기준에 근거하여 단락 및 지락저항을 상정하여 사고를 모의한다. 한편, 순환전류 발생장치부는 그림 11과 같이 부하 불평형률 제어장치와 3상 모의 부하장치로 구성된다. 여기서, 부하 불평형률 제어장치는 상정한 제어값(불평형률)을 바탕으로 가변 임피던스로 구성된 3상 모의 부하장치를 독립적으로 제어하여 불평형 부하에 의한 순환전류를 발생시킨다.

그림 10. 사고발생 장치부의 모델링

Fig. 10. Modeling of generator device for fault current

한편, 보호기기의 차단 동작과 뇌격에 의한 서지를 모의하기 위한 발생장치부는 그림 12와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 차단기 및 개폐장치는 그림 12(a)와 같이 AC 측 보호기기와 DC 측 보호기기로 구성되며, 차단기 개방 및 투입 저항은 각각 1 [MΩ], 1 [µΩ]으로 상정한다. 또한, 뇌격 발생장치는 그림 12(b)와 같이, 뇌 서지 발생장치와 시퀀스 제어기로 구성된다. 즉, 뇌 서지 발생장치는 lighting strike generator를 기반으로 시퀀스 제어기의 지령에 따라, 가변 전압원을 통해 최대 50 [kV]의 뇌 서지를 발생시킨다.

그림 11. 불평형 부하에 의한 순환전류 발생장치부 모델링

Fig. 11. Modeling of circuit current generator device by unbalanced load

그림 12. 서지발생 장치부 모델링

Fig. 12. Modeling of surge generator device

3.5 전체 시스템 모델링

상기의 내용을 바탕으로 전체 시스템을 나타내면 그림 13과 같다. 여기서, section A는 AC 380 [V], 3상 4선식의 AC 전원부, section B는 AC 380 [V]를 DC 400 [V]로 변환하는 메인 컨버터부, section C는 DC 400 [V]를 DC 200 [V]로 강압하는 구간 컨버터부로 구성된다. 또한, section D는 사고발생장치와 순환전류 발생장치, 뇌격 발생장치, 차단기 및 개폐장치로 구성된 전기적 위해요인 발생장치부이며, section E는 400 [V]급의 DC 부하와 200 [V]급의 DC 부하, 선로 임피던스로 구성된 모의 부하장치부를 나타낸다.

그림 13. 전체 시스템 구성

Fig. 13. Modeling of entire system

4.1 AC 전원부

AC 전원부는 그림 14와 같이 AC 전원과 수전 변압기, 차단기(MCCB), PT(potential transformer, 계기용 변압기) 및 CT(current transformer, 변류기)로 구성된다. 여기서, AC 전원은 AC 380 [V], 3상 4선식으로 구성되고, 수전 변압기는 12 [kVA]의 정격용량과 Y-Yg 결선방식의 380 [V]/380 [V]을 적용한다.

그림 14. AC 전원부의 구성

Fig. 14. Configuration of AC source

4.2 메인 컨버터부

LVDC 배전망을 공급하기 위한 메인 컨버터는 그림 15와 같이 주회로와 제어기로 구성되며, AC 380 [V]의 전원을 입력받아 DC 400 [V]를 출력한다. 여기서, 메인 컨버터의 주회로는 그림 15(a)와 같이 L-C 필터와 IGBT 모듈, DC-Link 커패시터, DC/DC 컨버터, 등으로 구성된다. 또한, 메인 컨버터의 제어기는 그림 15(b)와 같이 PLL(phase locked loop)과 고조파 제어, outer loop인 전압과 inner loop인 전류의 이중 제어 루프로 구성된다.

그림 15. 메인 컨버터부

Fig. 15. Configuration of main converter

4.3 구간 컨버터부

LVDC 배전망을 공급하기 위한 구간 컨버터는 그림 16과 같이 주회로와 제어기로 구성되며, DC 400 [V]를 DC 200 [V]로 변환한다. 여기서, 구간 컨버터의 주회로는 그림 16(a)와 같이 IGBT 모듈과 고주파 변압기, 정류용 다이오드 모듈 등으로 구성된다. 한편, 구간 컨버터의 제어기는 그림 16(b)와 같이 outer loop인 전압과 inner loop인 전류의 이중 제어 루프로 구성된다.

그림 16. 구간 컨버터부

Fig. 16. Configuration of section converter

4.4 전기적 위해요인의 발생장치부

LVDC 배전망에서 순환전류의 운용특성을 모의하기 위한 발생장치부는 그림 17과 같이 각 상에 대하여 단위저항을 조합하여 부하 용량을 50 [W] ~ 500 [W]까지 가변할 수 있도록 구성하며, 부하 불평형률을 10 [%] ~ 30 [%]까지 조정할 수 있도록 구현한다. 또한, LVDC 배전망에서 개폐서지의 운용특성을 모의하기 위한 차단기 및 개폐장치는 그림 18과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, AC 측(3상 380 [V])과 DC 측(400 [V])의 선로에 MCCB를 설치하여 차단 및 개폐 동작을 수행한다.

그림 17. 불평형 부하에 의한 순환전류 발생장치의 구성

Fig. 17. Configuration of circuit current generator device by unbalanced load

그림 18. 차단 및 개폐장치에 의한 개폐서지 발생장치의 구성

Fig. 18. Configuration of circuit breaker and switch device in AC and DC side

4.5 전체 시험장치의 구성

상기의 내용을 바탕으로 LVDC 배전망의 전기적 위해요인 평가시험장치의 전체 구성도를 나타내면 그림 19와 같다. 여기서, section A는 AC 380 [V], 3상 4선식과 Y-Yg 결선방식의 변압기(380/380 [V])가 적용된 AC 전원부, section B는 AC 380 [V]를 DC 400 [V]로 변환하는 메인 컨버터부, section C는 DC 400 [V]를 DC 200 [V]로 강압하는 구간 컨버터부로 구성된다. 또한, section D는 순환전류 발생장치와 차단기 및 개폐장치로 구성된 전기적 위해요인 발생장치부이며, section E는 400 [V]급의 DC 부하와 200 [V]급의 DC 부하로 구성된 모의 부하장치부를 나타낸다. 한편, section F는 (+)단자와 접지, (-)단자와 접지 사이에 계측장비를 설치하여 CMV와 서지를 측정하고, 변압기와 각 설비의 접지부에서 누설전류와 순환전류를 계측하는 측정장치부를 나타낸다. 상기의 내용을 바탕으로, 구현된 전체 시험장치의 외관은 그림 20과 같다.

그림 19. 전체시스템 구성도

Fig. 19. Configuration of entire system

그림 20. 전체시스템 외관도

Fig. 20. Outline of entire system

5.1 시뮬레이션 및 시험 조건

상기에서 제시한 LVDC 배전망의 사고 유형에 따른 사고전류의 상정 시나리오를 나타내면 표 1과 같다. 여기서, Case 1 ~ Case 4는 메인 컨버터의 AC 측 3상 단락과 LC 필터 측 지락, 암단락, DC 측 단락에 대한 사고 조건을 나타낸 것으로, 단락 저항은 0.03 [Ω], 0.1 [Ω], 1.0 [Ω]으로 분류하고, 지락 저항은 10 [Ω]으로 상정한다. 즉, 단락 저항은 메인 컨버터의 제조사가 제시한 값과 선로 조건에 따라 산정된 0.03 [Ω]과 0.1 [Ω], 1.0 [Ω]을 적용한다^[9]. 또한, 지락 저항은 KSC IEC 60364-4-41의 저압 일반설비 기준을 바탕으로 10 [Ω]을 상정한다^[10]. 단, 선로 임피던스는 사고전류에 가장 큰 영향을 미치는 저항성분과 인덕턴스 성분을 고려하여, 1 [Ω]+5.36 [mH]으로 상정한다^[11].

한편, 본 논문에서 제안한 모델링과 구현한 시험장치를 바탕으로, IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV와 누설전류의 상정 시나리오를 나타내면 표 2와 같다. 여기서, Case 5 ~ Case 8은 CMV 및 누설전류의 발생 조건을 나타낸 것으로, 메인 컨버터의 기생 커패시턴스는 0.15 [nF], 1.5 [nF]으로 분류하고, 부하 용량은 1 [kW], 10 [kW]로 상정한다. 단, 기생 커패시턴스는 그림 8에서 제시한 IGBT 모듈과 방열판의 구조에 따라 산정된 0.15 [nF]의 값과 제조회사에서 사용하고 있는 1.5 [nF]의 값을 적용한다^[12]. 또한, 부하 용량은 경부하, 피크부하 시에 각각 1 [kW], 10 [kW]를 고려한다. 한편, 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지와 뇌격에 의한 서지의 상정 시나리오를 나타내면 표 3과 같다. 여기서, Case 9 ~ Case 14는 개폐서지와뇌격의 발생 조건을 나타낸 것으로, 상기와 동일한 조건으로 상정하고, 뇌격에 의한 서지는 모델링에 의한 시뮬레이션만으로 평가한다. 단, 뇌격은 수전 변압기 2차 측으로 유입되는 크기를 50 [kV]로 상정하며, 이 값은 IEC 61000-4-5 표준에서 제시된 기준을 바탕으로 실계통의 운용 환경에서 발생 가능한 값을 적용한다^[13].

한편, 불평형 부하에 의한 순환전류의 발생 시나리오를 나타내면 표 4와 같다. 여기서, Case 15 ~ Case 17은 10 [%], 20 [%], 30 [%]의 부하 불평형률을 고려한 순환전류의 발생 조건을 상정한 것으로, 이 값은 전기안전관리자 직무고시에서 규정한 30 [%] 이하의 기준에 따라, 실 계통의 운용 환경에서 발생 가능한 값을 적용한다^[14]. 단, DC 수용가 부하는 가장 가혹한 조건인 피크 부하시를 고려한다.

5.2 전기적 위해요인의 모델링에 의한 운용특성

5.2.1 사고전류 특성

상기의 표 1에서 제시한 사고전류 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 메인 컨버터의 AC 측 3상 단락과 LC 필터측 지락, 암 단락, DC 측 단락에 의한 사고전류의 특성을 나타내면 그림 21과 같다. 여기서, Case 1의 메인 컨버터의 AC 측 3상 단락에 의한 사고전류는 그림 21(a)와 같이 6.0 [kA] 정도로 산정되며, Case 2의 LC 필터측 지락에 의한 사고전류는 수전 변압기의 2차 측이 ∆ 결선이므로, 그림 21(b)와 같이 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 또한, Case 3의 메인 컨버터의 암 단락에 의한 사고전류는 그림 21(C)와 같이 2.42 [kA]로 산정되며, Case 4의 DC 측 단락에 의한 사고전류는 그림 21(d)와 같이 480 [A] 정도 산정됨을 알 수 있다. 따라서, LVDC 배전망에서 사고전류는 사고 유형에 따라 최대 6.0 [kA]까지 발생하여, 작업자의 안전과 설비 손상 등 시스템의 안정적인 운용에 악영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그림 21. LVDC 배전망의 사고 유형에 따른 사고전류 특성

Fig. 21. Characteristics of fault current by fault types in LVDC distribution system

5.2.2 CMV와 누설전류의 운용특성

상기의 표 2에서 제시한 CMV 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV의 운용특성을 나타내면 표 5와 같고, 기생 커패시턴스와 부하 용량에 대하여 가장 가혹한 시나리오인 Case 8에 대한 CMV는 그림 22와 같다. 여기서, (+) 단자와 접지 사이에 최대 205.1 [V]로 산정되어, 기준전압의 약 3 [%] 이내로 LVDC 배전망의 절연내력에 큰 영향이 없음을 알 수 있다.

표 5 모델링에 의한 시나리오별 CMV 운용특성

Table 5 Operation characteristics of CMV by modeling

Case	(+)단자 [V]	(-)단자 [V]
Case 5	204.8 ~ 194.3	-205.2 ~ -194.2
Case 6	204.9 ~ 194.1	-205.1 ~ -194.1
Case 7	205.2 ~ 194.6	-205.2 ~ -194.7
Case 8	205.1 ~ 194.7	-205.1 ~ -194.8

그림 22. IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV 운용특성

Fig. 22. Operation characteristics of CMV with IGBT switching

한편, 상기의 표 2에서 제시한 누설전류 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류의 운용특성을 나타내면 표 6과 같다. 여기서, 메인 컨버터의 IGBT 모듈의 기생 커패시턴스의 크기가 0.15 [nF]에서 1.5 [nF]으로 증가함에 따라 누설전류가 상승함을 알 수 있다. 즉, Case 5와 Case 8의 누설전류의 특성을 비교하면, 메인 컨버터의 누설전류가 1.14 [mA]에서 12.35 [mA]로 10.8배 정도 증가하고, 변압기 측의 누설전류는 0.81 [mA]에서 5.31 [mA]로 6.5배, 공통접지 측의 누설전류는 1.77 [mA]에서 11.33 [mA]로 6.4배 정도 상승하지만, 구간 컨버터의 누설전류는 큰 변동이 없음을 알 수 있다.

표 6 모델링에 의한 시나리오별 누설전류 운용특성

Table 6 Operation characteristics of leakage current by modeling

Case	누설전류 [mA]
	변압기 (①)	공통접지 (②)	메인 컨버터 (③)	구간 컨버터 (④)
Case 5	0.81	1.77	1.14	0.95
Case 6	0.93	1.81	1.16	0.97
Case 7	5.29	11.28	12.17	0.97
Case 8	5.31	11.33	12.35	0.98

한편, 그림 23은 기생 커패시턴스의 크기와 부하 용량에 대하여 가장 가혹한 시나리오인 Case 8에 대한 누설전류의 운용특성을 나타내는데, 그림 23(a)와 그림 23(b)는 각각 설비에 유입되는 누설전류의 방향과 크기를 나타낸다. 즉, 메인 컨버터(③)와 구간 컨버터(④)에서 각각 12.35 [mA], 0.97 [mA]의 누설전류가 발생하며, 이는 변압기 2차 측(①)으로 5.31 [mA], 공통접지(②) 측으로 11.28 [mA] 만큼 유입됨을 알 수 있다. 따라서, IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류는 최대 12.35 [mA]까지 발생하여, 전기설비 기술기준 제 13조에서 규정한 허용 기준치(1 [mA])를 크게 초과하게 되어, 인체 감전 및 화재 발생 가능성을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

그림 23. IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류 운용특성

Fig. 23. Operation characteristics of leakage current with IGBT switching

5.2.3 서지전압의 운용특성

상기의 표 3에서 제시한 서지 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지의 운용특성을 나타내면 표 7과 같다.

표 7 모델링에 의한 시나리오별 개폐서지 운용특성

Table 7 Operation characteristics of switching surge by modeling

Case	(+)단자 [V]	(-)단자 [V]	비고
Case 9	-15.2	15.3	AC 측 보호기기에 의한 개폐서지
Case 10	-31.8	32.1
Case 11	-75.5	75.5	DC 측 보호기기에 의한 개폐서지
Case 12	-128.6	128.8

여기서, 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지는 부하 용량이 1 [kW]에서 10 [kW]로 증가함에 따라 상승하며, AC 측보다 DC 측에서 크게 발생함을 알 수 있다. 즉, Case 9와 Case 10의 개폐서지 특성을 비교하면, AC 측 보호기기에 의한 개폐서지는 2.1배 정도 증가하고, Case 11과 Case 12와 같이 DC 측 보호기기에 의한 개폐서지는 1.7배 정도 상승함을 알 수 있다. 또한, Case 10과 Case 12와 같이, 10 [kW]의 동일한 부하 용량에 대한 개폐서지 특성을 비교하면, DC 측 보호기기에 의한 개폐서지가 AC 측보다 4.1배 정도 크게 발생함을 알 수 있다. 한편, 그림 24는 Case 10의 AC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지의 운용특성을 나타내는데, 그림 24(a)와 같이 (+) 단자 측에서 –31.8 [V], 그림 24(b)와 같이 (-) 단자 측에서 32.1 [V]의 개폐서지가 발생한다. 또한, 그림 25는 Case 12의 DC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지의 운용특성을 나타내는데, 그림 25(a)와 같이 (+) 단자 측에서 –128.6 [V], 그림 25(b)와 같이 (-) 단자 측에서 128.8 [V]의 개폐서지가 발생한다. 따라서, AC 및 DC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지는 부하 용량에 대하여 각각 최대 31.8 [V], 128.6 [V]로 산정되어, LVDC 배전망의 절연내력에 영향을 미칠 가능성이 있음을 알 수 있다.

그림 24. AC 측 보호기기의 차단동작에 의한 개폐서지 운용특성

Fig. 24. Operation characteristics of switching surge with protection device in AC side

그림 25. DC 측 보호기기의 차단동작에 의한 개폐서지 운용특성

Fig. 25. Operation characteristics of switching surge with protection device in DC side

한편, 상기의 표 3에서 제시한 서지 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 뇌격에 의한 서지의 운용특성을 나타내면 표 8과 같고, 기생 커패시턴스와 부하 용량에 대하여 가장 가혹한 시나리오인 Case 14에 대한 뇌격에 의한 특성은 그림 26과 같다.

표 8 모델링에 의한 시나리오별 뇌서지 운용특성

Table 8 Operation characteristics of lightning surge by modeling

Case	(+)단자 [V]	(-)단자 [V]
Case 13	10,021	-5,765
Case 14	10.072	-5,767

여기서, (+) 단자와 접지 사이에 10 [kV] 정도로 산정되어, 설비의 절연내력(정격전압의 3배)을 크게 초과함을 알 수 있다. 따라서, 뇌격에 의한 서지는 부하 용량에 관계없이 상당한 크기로 발생하여, LVDC 배전망의 안전성에 악영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그림 26. 뇌격에 의한 서지 운용특성

Fig. 26. Operation characteristics of lightning surge with lightning strike

5.2.4 순환전류의 운용특성

상기의 표 4에서 제시한 순환전류 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 불평형 부하에 의한 순환전류의 운용특성을 나타내면 표 9와 같다. 여기서, Case 15와 Case 17의 순환전류의 특성을 비교하면, 부하 불평형률이 10 [%]에서 30 [%]로 증가함에 따라 각 설비 측에 유입되는 순환전류가 2.4배 정도 상승함을 알 수 있다.

표 9 모델링에 의한 시나리오별 순환전류 운용특성

Table 9 Operation characteristics of circuit current by modeling

Case	순환전류 [mA]
	불평형 부하 (①)	변압기 (②)	공통접지 (③)	메인 컨버터 (④)	구간 컨버터 (⑤)
Case 15	241.5	133.3	2.3	66.7	51.5
Case 16	422.9	232.1	4.1	116.2	89.4
Case 17	559.3	313.4	5.6	154.2	121.6

또한, 그림 27은 부하 불평형률이 가장 가혹한 시나리오인 Case 17에 대한 순환전류의 특성을 나타내는데, 그림 27(a)와 그림 27(b)는 각각 설비에 유입되는 순환전류의 방향과 크기를 나타낸다. 즉, 그림 27(a)의 ①과 같이, 불평형 부하에 의하여 559.3 [mA]의 순환전류가 발생하여, 그림 27(a)의 ②와 ③과 같이, 메인 컨버터와 구간 컨버터로 각각 154.2 [mA], 121.6 [mA]가 유입되고, 그림 27(a)의 ④와 ⑤와 같이, 변압기 2차와 공통접지 측으로 각각 313.4 [mA], 5.6 [mA]의 순환전류가 흘러 들어감을 알 수 있다. 따라서, 불평형 부하에 의한 순환전류는 부하 불평형률이 10 [%]에서 30 [%]로 증가함에 따라 최대 559.3 [mA]까지 발생하여, 인체 및 설비의 안전성에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그림 27. 부하 불평형에 의한 순환전류 운용특성

Fig. 27. Operation characteristics of circuit current by unbalanced load

5.3 전기적 위해요인의 시험장치에 의한 운용특성

5.3.1 CMV와 누설전류의 특성

상기의 표 2에서 제시한 CMV 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV의 측정결과는 표 10과 같고, 기생 커패시턴스와 부하 용량에 대하여 가장 가혹한 시나리오인 Case 6에 대한 CMV는 그림 28과 같다. 여기서, (+) 단자와 접지 사이에 최대 204.9 [V]로 측정되어, 기준전압의 약 3 [%] 이내로 LVDC 배전망의 절연내력에 큰 영향이 없음을 알 수 있다.

표 10 시험장치에 의한 시나리오별 CMV 운용특성

Table 10 Operation characteristics of CMV by test device

Case	(+)단자 [V]	(-)단자 [V]
Case 5	205.0 ~ 197.7	-201.7 ~ -194.3
Case 6	204.9 ~ 197.7	-201.8 ~ -194.2

그림 28. IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV 운용특성

Fig. 28. Operation characteristics of CMV with IGBT switching

한편, 상기의 표 2에서 제시한 누설전류 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류의 측정결과를 분석하면 표 11과 같다. 여기서, Case 5와 Case 6의 누설전류의 특성을 비교하면, 각 설비 지점에서의 누설전류는 부하 용량에 대하여 큰 변동이 없음을 알 수 있다. 또한, 그림 29는 부하 용량에 대하여 가장 가혹한 시나리오인 Case 6에 대한 누설전류의 측정결과를 나타낸다. 즉, 메인 컨버터(③)와 구간 컨버터(④)에서 각각 1.13 [mA], 0.92 [mA]의 누설전류가 발생하며, 이는 변압기 2차측(①)으로 0.72 [mA], 공통접지(②)측으로 1.76 [mA] 만큼 유입됨을 알 수 있다.

표 11 시험장치에 의한 시나리오별 누설전류 운용특성

Table 11 Operation characteristics of leakage current by test device

Case	누설전류 [mA]
	변압기 (①)	공통접지 (②)	메인 컨버터 (③)	구간 컨버터 (④)
Case 5	0.72	1.73	1.13	0.92
Case 6	0.77	1.76	1.15	0.94

그림 29. IGBT 스위칭 동작에 의한 누설전류 운용특성

Fig. 29. Operation characteristics of leakage current with IGBT switching

5.3.2 서지전압의 운용특성

상기의 표 3에서 제시한 서지 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지의 측정결과를 분석하면 표 12와 같다. 여기서, 보호기기의 차단동작에 의한 개폐서지는 부하 용량이 1 [kW]에서 10 [kW]로 증가함에 따라 상승하며, AC 측보다 DC 측에서 크게 발생함을 알 수 있다. 즉, Case 9와 Case 10의 개폐서지 특성을 비교하면, AC 측 보호기기에 의한 개폐서지는 2.0배 정도 증가하고, Case 11과 Case 12와 같이 DC 측 보호기기에 의한 개폐서지는 1.7배 정도 상승함을 알 수 있다. 또한, Case 10과 Case 12와 같이, 10 [kW]의 동일한 부하 용량에 대한 개폐서지 특성을 비교하면, DC 측 보호기기에 의한 개폐서지가 AC 측보다 3.9배 정도 크게 발생함을 알 수 있다.

표 12 시험장치에 의한 시나리오별 개폐서지 운용특성

Table 12 Operation characteristics of switching surge by test device

Case	(+)단자 [V]	(-)단자 [V]	비고
Case 9	-16.8	16.3	AC 측 보호기기에 의한 개폐서지
Case 10	-32.8	32.7
Case 11	-75.5	96.0	DC 측 보호기기에 의한 개폐서지
Case 12	-128.6	129.4

한편, 그림 30은 Case 10의 AC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지의 측정결과를 나타내는데, 그림 30(a)와 같이 (+) 단자 측에서 –32.8 [V], 그림 30(b)와 같이 (-) 단자 측에서 32.7 [V]의 개폐서지가 발생한다. 또한, 그림 31은 Case 12의 DC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지를 나타내는데, 그림 31(a)와 같이 (+) 단자 측에서 –128.6 [V], 그림 31(b)와 같이 (-) 단자 측에서 129.4 [V]의 개폐서지가 발생한다. 따라서, AC 및 DC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지는 부하 용량에 대하여 각각 최대 32.8 [V], 128.6 [V]로 측정되어, LVDC 배전망의 절연내력에 영향을 미칠 가능성이 있음을 알 수 있다.

그림 30. AC 측 보호기기의 차단동작에 의한 서지 운용특성

Fig. 30. Operation characteristics of switching surge with protection device in AC side

그림 31. DC 측 보호기기의 차단동작에 의한 서지 운용특성

Fig. 31. Operation characteristics of switching surge with protection device in DC side

5.3.3 순환전류의 특성

상기의 표 4에서 제시한 순환전류 상정 시나리오를 바탕으로, LVDC 배전망에서 불평형 부하에 따른 순환전류의 측정결과를 분석하면 표 13과 같다. 여기서, Case 15와 Case 17의 순환전류의 특성을 비교하면, 부하 불평형률이 10 [%]에서 30 [%]로 증가함에 따라 각 설비 측에 유입되는 순환전류가 2.1배 정도 상승함을 알 수 있다.

표 13 시험장치에 의한 시나리오별 순환전류 운용특성

Table 13 Operation characteristics of circuit current by test device

Case	순환전류 [mA]
	불평형 부하 (①)	변압기 (②)	공통접지 (③)	메인 컨버터 (④)	구간 컨버터 (⑤)
Case 15	276	139	2	70	46
Case 16	418	242	4	108	91
Case 17	561	346	6	146	137

또한, 그림 32는 부하 불평형률이 가장 가혹한 시나리오인 Case 17에 대한 순환전류의 특성을 나타낸다. 즉, 그림 32의 ①과 같이, 불평형 부하에 의하여 561 [mA]의 순환전류가 발생하여, 그림 32의 ②와 ③과 같이, 메인 컨버터와 구간 컨버터로 각각 146 [mA], 137 [mA]가 유입되고, 그림 32의 ④와 ⑤와 같이, 변압기 2차와 공통접지 측으로 각각 346 [mA], 6.0 [mA]가 측정됨을 알 수 있다. 따라서, 불평형 부하에 의한 순환전류는 부하 불평형률이 10 [%]에서 30 [%]로 증가함에 따라 최대 561 [mA]까지 발생하여, 인체 및 설비의 안전성에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그림 32. 불평형 부하에 의한 순환전류 운용특성

Fig. 32. Operation characteristics of circuit current by unbalanced load

5.4 종합분석

상기에서 제시한 모델링과 시험장치를 바탕으로 LVDC 배전망에서 전기적 위해요인의 운용특성을 평가한 결과, 사고전류는 사고 유형에 따라 최대 6.0 [kA]까지 발생하여, 작업자의 안전과 설비 손상 등 시스템의 안정적인 운용에 악영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 또한, IGBT 스위칭 동작에 의한 CMV는 기준전압의 약 3 [%] 이내로 발생하여 LVDC 배전망의 절연내력에 큰 영향이 없지만, 누설전류는 전기설비 기술기준 제 13조에서 규정한 허용 기준치(1 [mA])를 크게 초과하여, 인체 감전 및 화재 발생 가능성이 있음을 알 수 있다. 한편, AC 및 DC 측 보호기기의 차단 동작에 의한 개폐서지는 부하 용량에 대하여 각각 기준전압의 15.9 [%], 64.3 [%] 정도이지만, 뇌격에 의한 서지는 부하 용량에 관계없이 기준전압의 25배 정도로 설비의 절연내력(정격전압의 3배)을 크게 초과하여, LVDC 배전망의 안전성에 큰 악영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 불평형 부하에 의한 순환전류는 부하 불평형률이 10 [%]에서 30 [%]로 증가함에 따라 2.4배 정도 증가하고 최대 561 [mA]까지 발생하여, 인체 및 설비의 안전성에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제시한 모델링과 구현한 시험장치를 바탕으로 LVDC 배전망의 전기적 위해요인을 종합적으로 평가한 결과, 모델링과 시험장치를 이용한 전기적 위해요인의 운용특성이 거의 유사하여 본 논문의 유효성을 확인할 수 있으며, 사고전류, 누설전류, 서지, 순환전류 등의 전기적 위해요인이 LVDC 배전계통의 안전성에 악영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.