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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 74, No. 08, p.1324-1331

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 14 Jan. 2025Revised : 13 Mar. 2025Accepted : 07 Jun. 2025

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2025.74.8.1324

배전계통에 한류기의 적용에 따른 과전류 및 저전압 계전기간 보호협조 특성 분석

Analysis on Protection Coordination Between Overcurrent and Undervoltage Relays According to Current-Limiting Reactor/Resistor of SFCL in Power Distribution System

박영호 (Young-Ho Park) ¹iD 김수현 (Su-Hyeon Kim) ¹iD 임성훈 (Sung-Hun Lim) ^†iD 이종필 (Jong-Pil Lee) ²

(Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Republic of Korea.)
(Dept. of Electrical Semiconductor and Computer Engineering, Jungwon University, Republic of Korea.)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Republic of Korea. E-mail : superlsh73@ssu.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

In a power distribution system supplying 6.6 kV to multiple feeders connected to various loads, a fault on one feeder can result in voltage drops across other connected feeders. Voltage sags can severely affect on facilities with rotating machinery by causing motors to draw excessive current to maintain output power and continuous or repeated voltage sag lead to overheating, insulation damage and motor failure. This paper studied protection coordination between under voltage relay (UVR) in a sound feeder and overcurrent relay (OCR) in a faulted feeder considering application of a superconducting fault current limiter (SFCL). Proper current limiting reactor/resistor (CLR)’s value comprising the SFCL to ensure the coordination between OCR and UVR was investigated to prevent relay malfunction. Through the comparative analysis due to the impedance magnitude of resistive and inductive CLRs, the proper CLR value of the SFCL was confirmed to be required to protect sensitive rotating machinery load.

Key words

Voltage sag, Protection coordination, Undervoltage relays (UVR), Overcurrent relay (OCR), Superconducting fault current limiter (SFCL), Current Limiting Reactor/Resistor (CLR)

1. 서 론

현대 배전계통은 다양한 부하와 복잡한 네트워크 구조를 특징으로 하며, 그중에서도 6.6 [kV] 배전계통은 민감한 회전기 부하를 포함한 여러 설비에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 시스템에서 하나의 피더에 고장이 발생하면 동일 모선에 연결된 다른 피더에서도 전압강하가 발생할 수 있다. 이러한 전압 강하는 특히 회전기 부하를 사용하는 설비에서 심각한 영향을 미칠 수 있으며 전압이 부족하면 전동기는 동일한 부하를 유지하려면 충분한 토크가 필요하며 전압이 부족할 경우 토크가 감소하므로 출력도 자연스럽게 감소한다. 이에 따라 전동기의 효율이 낮아지고, 과부하로 인한 고장이 발생할 수 있다^[1-^3]. 나아가 반복적인 전압 부족은 전동기 내부 부품에 지속적인 스트레스를 가하여 장기적으로 수명을 단축하는 요인이 된다. 이에 따른 전압강하로 인한 문제를 완화하기 위해 저전압 계전기(Under Voltage Relay, UVR)가 널리 사용되고 있다. UVR은 전압강하를 감지하고 민감한 부하를 보호하는 데 중요한 역할을 하지만, UVR과 과전류 계전기(Over Current Relay, OCR) 간의 협조를 유지하는 것은 여전히 중요한 과제다^[4].

특히, 초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limier, SFCL)가 도입된 계통에서는 계전기의 동작 특성에 변화를 일으키는데, 이는 SFCL내에 사용되는 CLR(Current Limiting Reactor/Resistor,CLR)과도 관련이 있다 ^[5-^6]. CLR 값이 과전류를 얼마나 제한하느냐에 영향을 미치므로 고장선로에 있는 OCR의 지연 동작을 유발할 수 있다. 그뿐만 아니라 SFCL이 선로의 인입 단에 설치될때 고장시 모선의 전압강하를 억제하는데, 이는 곧 건전선로에 있는 UVR의 오부 동작을 유발할 수 있다. 따라서 CLR값을 적절히 설정하지 않으면 고장 피더와 건전 피더 모두에서 보호계전기의 오작동 가능성이 높아지고, 이는 시스템 안정성과 신뢰성을 저하할 수 있다^[7-^11].

본 연구에서는 SFCL의 CLR값과 종류를 조정함으로써 고장 전류 제한과 보호계전기에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 통해 회전 기기에 미치는 영향을 최소화하며, 시스템을 신속하게 복구할 방법을 제안하고자 한다.

2. 배전계통 및 한류기 구성

2.1 유도전동기 구성 및 동작 특성

유도전동기와 유도전동기 연계 변압기의 세부사항을 표 1에, 그리고 유도전동기의 동작 특성에 대해 그림 1에 도시하였다. 유도전동기의 전압과 전류 및 출력속도와 토크 특성을 그림 1에 도시하였다. 고장이 발생하는 경우 그림 1의 Section 1과 같이 유도전동기 양단에 인가되는 전압과 전류가 감소하는데, 전압의 감소는 곧 식 (1)과 같이 정의되는 전기적 토크가 즉각적으로 감소하는 결과로 이어진다. 반면 기계적 토크는 기계적 관성으로 인하여 비교적 느리게 반응하기 때문에, 그림 1의 (b)에 나타낸 바와 같이 고장 발생 후 UVR이 동작할 때까지 천천히 감소하는 모습을 볼 수 있다. 또한, 전압이 감소하면 식 (2)와 같이 유도전동기 회전자의 회전 속도가 감소하여 슬립이 증가하게 되고, 이에 따라 식 (3)과같이 정의되는 출력 속도가 감소하게 된다. UVR이 동작하고 EPS가 투입된 후인 그림 1의 Section 2구간에서는 유도전동기 양단에 인가되는 전압이 회복되기 때문에, 전기적 토크가 다시 증가한다. 이에 따라 다소 느린 감소 추세를 보이던 출력 속도가 감소를 멈추게 된다. OCR이 동작하여 고장을 완전히 제거한 후인 그림 1의 Section 3구간에서는 유도전동기의 전류와 전기적 토크가 고장 전의 안정적인 수준으로 복귀하며, 시간이 지남에 따라 기계적 토크와 전기적 토크도 점차 균형을 이루게 된다.

표 1 유도전동기와 연계 변압기 세부사항

Table 1 Specifications of transformer for induction motor and transformer for induction motor

		Value	Unit
Transformer for induction motor (TR_IM)	Voltage	22.9	kV
	Capacity	500	kVA
	Voltage ratio of primary and secondary windings	6.6 : 0.38	kV
	Winding method	Delta-Wye	-
Induction motor (IM)	Rated phase voltage	380	V_rms
	Rated current	5	A_rms
	Base angular frequency	60	Hz
	Pole number	4	-

그림 1. 유도전동기 특성 (a) 모터전압과 모터전류 (b) 모터 출력속도, 기계적토크, 전기적토크

Fig. 1. Characteristics of induction motor (a) motor voltage and motor current (b) motor output speed, mechanical torque and electrical torque

(1)

$T_{e}=\dfrac{3V_{S}^{2}R_{r}/s}{\omega_{s}[(R_{s}+R_{r}/s)^{2}+X_{l}^{2}]}$

Vs : stator voltage

Rs : stator resistance

Rr : rotor resistance

Xl : stator leakage reactance

s : slip

(2)

$s(slip)=\dfrac{n_{s}-n}{n_{s}}$

ns : synchronous speed of magnetic field

n : actual rotor speed

(3)

$n_{out}=n_{s}\bullet(1-s)$

2.2 트리거형 한류기 구성 및 동작 원리

계통에 적용한 SFCL의 경우 트리거형 한류기를 사용하였으며, 그 구조와 관련 파라미터를 그림 2와 표 2에 각각 도시하였다. 트리거형 한류기는 초전도 소자의 전압을 이용하여 구동하는 스위치 및 제어 회로와 CLR로 구성되었다. 정상상태에서 SW가 닫혀있고 초전도 소자(HTSC)가 영 저항이므로 상대적으로 저항이 큰 CLR 선로로 전류가 흐르지 않고 초전도소자와 SW를 통하여 부하전류가 흐른다. 그러나 고장이 발생하여 소자에 흐르는 전류가 1.25 [kA] 이상이 될 경우, 초전도 소자가 퀜치하면서 저항이 발생하여 소자 양단에 전압이 발생하게 된다. 이때 초전도 소자 양단의 전압이 일정값 이상이 되면 제어회로가 SW에 개방 신호를 보내 SW가 개방되며, 이에 따라 고장전류는 CLR을 통해서만 흐르게 되면서 초전도 소자는 고장전류로부터 분리된다. 이를 통해 트리거형 SFCL은 고장시 고장전류를 효과적으로 제한하며 계통의 안정성과 보호 성능을 향상할 수 있다.

표 2 트리거형 한류기 파라미터

Table 2 Parameters of trigger-type SFCL

Parameters	Value	Unit
V_SET	1.5	kV_rms
I_SET	1.2	kA_rms
Maximum resistance of the HTSC element (R_n)	5	Ω
Critical current	1.25	kA

그림 2. 트리거형 한류기 구조

Fig. 2. Configuration of trigger-type SFCL

2.3 OCR 및 UVR의 동작 특성

논문에서 모델링한 OCR의 경우 반한시 특성이며 UVR은 역 반한시 특성으로 설정하였다. OCR 동작시간의 수식은 식(4), (5)에 나타냈으며, OCR의 파라미터는 표 3에 도시하였다. TD(Time Delay)는 반한시 특성값이며 값이 커질수록 OCR의 동작시간이 지연된다. M은 동작 지시 값으로, 계측 전류 IOCR을 픽업 전류 Ipickup으로 나눈 값이며 픽업 전류는 대체로 정상전류의 1.5배의 값으로 선정한다. M 값이 1 미만일 경우 OCR은 트립 신호를 적분하지 않으며, 고장 발생 후 M값이 1 이상으로 증가할 때 INTOCR에 값이 누적되기 시작하다가 1에 도달하면 트립 신호를 내보낸다.

(4)

$T_{OCR}=TD\times\left(\dfrac{A}{M^{P}-1}+B\right)$

(5)

$M=\dfrac{I}{I_{p ickup}}$

(6)

$\int_{OCR}=\begin{cases}0&\qquad\qquad\qquad{if}{M}<1\\\sum &\dfrac{1}{{T}_{{trip}}\times{f}}{}{}{}{}{}{}{}\qquad{if}{M}\ge 1\end{cases}$

표 3 OCR 동작 파라미터

Table 3 Operational parameters of OCR

TD	A	B	P
0.05	39.85	1.084	1.95

UVR의 경우 표 4에 파라미터를 UVR의 동작시간의 수식은 식 (7), (8)에 도시하고 있으며, M은 동작 지시 값으로 계측 전압 VUVR을 픽업전압 Vpickup으로 나눈 값이다. 픽업 전압은 대체로 정상 전압의 0.8배의 값으로 선정한다. M 값이 1 초과일 경우 OCR은 트립 신호를 적분하지 않으며, 고장 발생 후 M 값이 1 이하로 감소할 때 INTUVR에 값이 누적되기 시작하다가 1에 도달하면 트립신호를 내보낸다.

(7)

$T_{UVR}=TD\times\left(\dfrac{A}{1-M^{P}}\right)$

(8)

$M=\dfrac{V}{V_{\pi ckup}}$

(9)

$I NT_{UVR}=\begin{cases}0&\qquad\qquad\qquad{if}{M}\ge 1\\\sum &\dfrac{1}{{T}_{{trip}}\times{f}}{}\qquad{if}{M}<1 \end{cases}$

표 4 UVR 동작 파라미터

Table 4 Operational parameters of UVR

TD	A	P
0.03	8	2.2

3. SFCL의 CLR값에 따른 OCR과 UVR의 보호협조 분석

3.1 SFCL적용이 OCR 및 UVR의 보호협조 영향

키르히호프의 전압 법칙(KVL)과 임피던스 분배 법칙에 따르면, 전원 임피던스, 변압기 임피던스, 그리고 선로 임피던스가 직렬로 연결되어 있다고 가정할 수 있다. 고장이 발생하면 고장점으로 전류가 유입되면서 모선의 전압이 감소하며, 이러한 전압강하는 인접한 선로의 부하에 저전압 현상을 초래하게 된다. 이때, 모선 전압과 고장선로의 전류는 각각 식 (10), (11)과같이 표현할 수 있다.

(10)

$V_{Bus}=\dfrac{Z_{line}}{Z_{S}+Z_{MTR}+Z_{line}}\bullet V_{S}$

(11)

$I_{fault}=\dfrac{V_{S}}{Z_{S}+Z_{MTR}+Z_{line}}$

특히, SFCL을 선로의 출력단에 설치하면, 식 (10)에 따라 모선 전압식의 분모와 분자에 ZSFCL항이 추가되며, 이를 통해 모선 전압 식을 식 (12)로 재구성할 수 있다. 이러한 변화를 통해 고장 발생시 모선에서의 전압강하가 효과적으로 완화될 수 있음을 확인할 수 있다.

(12)

$V_{Bus}=\dfrac{Z_{line}+Z_{SFCL}}{Z_{S}+Z_{TR_{main}}+Z_{line}+Z_{SFCL}}\bullet V_{S}$

(13)

$I_{fault}=\dfrac{V_{S}}{Z_{S}+Z_{TR_{main}}+Z_{line}+Z_{SFCL}}$

그림 3에 OCR 및 UVR 동작 특성곡선을 도시하였다. 위 첨자 ‘w/o’는 ‘without’의 약자로 SFCL이 적용되지 않은 계통에서 OCR과 UVR의 동작 특성을 의미한다. 본 논문에서는 건전 선로에있는 회전기 부하가 부족 전압 상황을 최대한 겪지 않는 것을 목적으로 하고 있으므로, 건전선로의 계전기를 빠르게 동작시키기 위해 UVR의 TD를 OCR의 TD보다 작게 설정하였다. 그림 4와 같이 SFCL이 연계가 되었을때도 동일한 동작 형태를 보여야 한다. SFCL이 작동 중일 때 ZSFCL 값이 증가하면, 고장점으로 흐르는 전류가 줄어든다. 또한 SFCL이 고장 전류를 제한하며 모선 전압의 강하를 억제하므로 UVR의 동작이 지연되며 제한된 고장 전류가 여전히 OCR의 임곗값을 여전히 초과하여 OCR이 더 빠르게 동작하는 경우가 발생한다. 이를 방지하기 위해 적절한 CLR 값을 선정하는 것이 중요하다.

그림 3. OCR과 UVR 동작 특성곡선

Fig. 3. Operational characteristic curves of the OCR and UVR

3.2 SFCL의 CLR값에 따른 OCR 및 UVR 보호협조 영향

트리거형 SFCL 내에서 CLR은 초전도 소자 퀜치 후 전류가 CLR로 우회하면서, 고장전류로부터 초전도 소자의 부담을 덜어냄과 동시에 고장전류를 제한하는 역할을 수행한다. CLR은 크게 저항성 그리고 유도성으로 구분되며, 각각의 물리적 특성과 동작 방식이 다르다. 즉, 식 (10)과 식 (11)의 ZSFCL에 포함되어 정의되는 CLR의 임피던스에 따라 특성이 달라진다고 할 수 있다. 저항성 CLR이 투입될 때 고장전류의 크기만을 제한하지만, 유도성 CLR의 경우에는 갑작스레 유입되는 고장전류의 흐름을 억제할 수 있다. 또한 저항성 CLR를 적용할 때 전력손실이 일어나지만, 유도성 CLR은 전력손실이 일어나지 않는다는 점에서도 차이가 있다. 더불어 배전계통에 적용되는 선로 임피던스가 R보다 L 값이 크기 때문에, 저항성 CLR보다 유도성 CLR을 적용하였을 때 고장전류의 크기를 감소시킬 뿐만 아니라 위상까지 지연시키면서 전체선로에서 더 큰 전압강하를 유발한다. 따라서 같은 임피던스라고 한다면, 저항성보다 유도성 CLR을 적용하였을 때 고장전류는 더 제한되면서, 모선의 전압강하가 더 발생하므로 그림 4에서 UVR의 동작시간인 TUVR을 더 앞당기고 OCR의 동작시간인 TOCR은 지연된다.

4. 결과 및 분석

4장 1절부터 3절까지 3상 지락사고를 기반으로 OCR과 UVR의 보호 협조를 분석하였으며, 특히 CLR 유형과 임피던스 크기가 동작 특성에 미치는 영향을 중점적으로 살펴보았다. 4장 1절의 경우, 모의 배전계통의 구성에 대해 나타낸다. 4장 2절의 경우, SFCL내 CLR을 동일한 임피던스값을 지닌 저항성 CLR과 유도성 CLR로 적용한 경우로 나누어 진행함으로써, CLR의 종류가 보호협조 동작에 끼치는 영향에 분석한다. 3절의 경우 저항성 및 유도성 CLR의 크기를 변경하여 진행하고, 4장 4절에서는 CLR의 크기를 매우 작게 설정하여 진행함으로써 CLR의 크기가 OCR과 UVR의 보호협조 동작에 끼치는 영향에 대해 알아본다.

4.1 모의 배전계통 구성

본 논문에 적용한 배전계통의 단선도와 계통 구성요소를 그림 4과 표 5에, 비상 전원 및 비상 전원 변압기의 세부 사항에 대해 표 6에 도시하였다. 계통은 주전원과 주변압기(Main Transformer, MTR), 그리고 비상 전원 및 비상 전원용 변압기 (Transformer for Emergency Power Source)와 모선에서 인출되는 두 개의 대표 선로로 구성된다. 본 연구에서는 계전기의 동작을 분석하기 위하여 좌측의 OCR이 연계된 고장선로와 우측의 UVR이 연계된 건전선로를 구성하였다.

고장은 3상 지락 고장(Triple Line-to-Ground Fault, TLGF)으로 설정하고 SW Fault를 12초 시점에서 닫음으로써 영구고장을 발생시킬 수 있도록 구성하였다. SFCL은 선로의 인출 단에 적용되었을 때 모선의 전압강하에 영향을 미치며, 본 논문에서는 SFCL의 CLR이 모선의 전압을 이용하여 작동하는 전압 계전기에 미치는 영향을 분석하고자 SFCL을 고장선로의 인출 단에 적용하였다. 또한 건전선로에 있는 유도전동기 부하를 전압강하로부터 보호하기 위하여 건전선로의 인출 단에 UVR을 적용하였다. 건전선로와 고장선로 모두 길이는 6km로 설정하였으며, 두 선로 모두 0.0015+j0.01 [MVA]의 부하를 3km 간격으로 선로 중간 단과 말단에 배치하였다. 또한 건전선로에는 본 논문에서 주 보호 대상으로 간주하는 유도전동기를 부하가 설치된 지점과 동일하게 3km, 6km 지점에 추가하였다.

그림 4. 배전 계통 단선도

Fig. 4. Single line diagram of power distribution system

표 5 배전 계통 구성요소 세부사항

Table 5 Specifications of power distribution system

		Value	Unit
Main Transformer (MTR)	Capacity	10	MVA
	Winding method	Wye-Delta	-
	Voltage ratio of primary and secondary windings	22.9 : 6.6	kV
Line Impedance	Z₁₁, Z₁₂, Z₁₃, Z₁₄	1.86+j4.42	%Ω/km
Load	Load₁₁, Load₁₂, Load₂₁, Load₂₂	0.0015+j0.01	MVA

표 6 비상전원용 변압기 세부사항

Table 6 Specifications of transformer for emergency power source

		Value	Unit
Transformer for emergency power source (TR_EPS)	Capacity	4.08	MVA
	Winding method	Wye-Delta	-
	Voltage ratio of primary and secondary Windings	22.9 : 6.6	kV

4.2 CLR의 임피던스 크기가 0.3인 경우 보호협조 특성분석

OCR의 픽업 전류의 경우 평상시 CB1전류의 RMS 값인 약 0.81 [kA]에 1.5배를 곱하여 1.21 [kA]로 선정하였다. UVR의 픽업 전압의 경우 SFCL이 적용되지 않은 계통에서 평상시 모선전압의 RMS 값인 2.21 [kV]의 90%를 적용하여 1.98 [kV]로 설정하였다. 이 절에서 두 가지 사례에 대해 SFCL 미적용시와 비교하여 OCR과 UVR에 미치는 영향을 분석한다.

각 케이스에 관한 결과를 살펴보기 전 한류기를 적용하지 않았을 경우인 그림 5의 아랫첨자 without의 파형에 대해 살펴보면, 모선전압이 2.21 [kV]에서 12 [s] 시점에 발생하는 고장에 의해 UVR 픽없값 이하인 1.37 [kV]까지 감소함에 따라 UVR이 고장발생 430 [ms]이후 동작하였다. 또한 평상시 CB1전류가 약 0.81 [kA]이다가 고장 발생 후 OCR 픽업 전류값 이상인 2.08 [kA]까지 증가하여 고장발생 520 [ms] 이후 동작하였다.

• Case A : 임피던스의 크기가 0.3인 유도성 CLR로만 구성된 SFCL을 적용한 경우

• Case B : 임피던스의 크기가 0.3인 저항성 CLR로만 구성된 SFCL을 적용한 경우

그림 5. 임피던스의 크기가 0.3인 유도성 CLR로 구성된 SFCL을 적용한 case A의 파형 (a) SFCL적용시와 미적용시 UVR측 전압, M과 INT값 (b) SFCL적용시와 미적용시 OCR측 전류, M과 INT값 (c) SFCL내 초전도소자와 CLR에 흐르는 전류

Fig. 5. Waveforms of case A where inductive CLR with impedance of 0.3 is applied to power distribution system (a) voltage, M, and INT values of UVR with and without SFCL application (b) current, M, and INT values of OCR with and without SFCL application (c) currents of superconducting element and CLR In SFCL

그림 5(a)의 보는 봐와같이 평상시 모선 전압이 약 2.21 [kV]에서 12 [s] 시점에 발생하는 고장에 의해 전압강하가 발생하여 1.56 [kV]까지 감소함에 따라 UVR의 픽업 전압 아래로 떨어졌다. 이에 따라 고장 발생 600 [ms] 후 UVR이 동작 하여 고장 구간과 분리하여 비상 전원으로부터 정상 전원을 공급받았다. 이는 SFCL 미적용시의 동작시간인 430 [ms]보다 170 [ms] 지연되었다. 그림 5(b)를 보면 평상시 CB1전류가 약 0.81 [kA]에서 고장 발생 후 1.71 [kA]까지 증가함에 따라 OCR 픽업 전류 이상으로 증가하여 780 [ms] 후 OCR이 동작 후 고장 구간으로부터 보호 대상인 회전기 부하를 분리하였다. 이는 SFCL 미적용 시의 동작시간인 520 [ms]보다 260 [ms] 지연되었다. 또한 그림 5(c)를 통해, SFCL의 초전도소자가 고장 발생 3 [ms] 이후 회로로부터 분리되면서 CLR로만 전류가 흐르면서 한류 효과가 발생하고 있음을 알 수 있다.

case B의 결과를 나타내는 그림 6(a)의 보는 봐와같이 평상시 모선 전압이 약 2.21 [kV]에서 고장 발생 시 전압강하가 발생하여 1.56 [kV]까지 감소함에 따라 UVR의 픽업 전압 아래로 떨어진다. 이에 따라 고장 발생 600 [ms] 후 UVR이 동작하며 이때 고장 구간과 분리하여 비상 전원으로부터 정상 전원을 공급받았다. 이는 SFCL 미적용 시의 동작시간보다 170 [ms] 지연되었다. 그림 6(b)를 보면 평상시 CB1 전류가 약 0.81 [kA]에서 고장 발생 시 1.93[kA] 까지 증가함에 따라 OCR 픽업 전류 이상으로 증가하여 650 [ms] 후 OCR이 동작하여 고장 구간으로부터 보호대상인 회전기 부하를 분리하였다. 이는 SFCL 미적용 시의 동작시간보다 130 [ms] 지연되었다.

case A와 B를 비교하였을 때, 같은 0.3 [$ohm$]의 임피던스를 가지는 CLR의 경우 UVR의 동작시간은 유사했지만, OCR 동작시간의 경우 유도성 CLR을 적용하였을 때 한류효과가 더 크게 나타나 동작시간이 더욱 지연됨을 알 수 있다.

그림 6. 임피던스의 크기가 0.3인 저항성 CLR로 구성된 SFCL을 적용한 case B의 파형 (a) SFCL적용시와 미적용시 UVR측 전압, M과 INT값 (b) SFCL적용시와 미적용시 OCR측 전류, M과 INT값 (c) SFCL내 초전도소자와 CLR에 흐르는 전류

Fig. 6. Waveforms in case B where resistive CLR with impedance of 0.3 is applied to power distribution system (a) voltage, M, and INT values of UVR with and without SFCL application (b) current, M, and INT values of OCR with and without SFCL application (c) currents of superconducting element and CLR in SFCL

4.3 CLR의 임피던스 크기가 0.6인 경우 보호협조 특성분석

4.2절에서는 앞서 분석한 case A와 case B에 대하여 각각 CLR의 크기를 0.6 [$ohm$]으로 증가시켜 case C와 case D를 진행함으로써, 유도성 CLR과 저항성 CLR 각각에 대하여 CLR의 크기에 보호협조 특성을 분석한다.

• Case C : 임피던스의 크기가 0.6인 유도성 CLR로만 구성된 SFCL을 적용한 경우

• Case D : 임피던스의 크기가 0.6인 저항성 CLR로만 구성된 SFCL을 적용한 경우

그림 7(a)의 보는 봐와같이 평상시 모선 전압이 약 2.21 [kV] 에서 고장 발생시 전압강하가 발생하여 1.74 [kV]까지 감소함에 따라 UVR의 픽업 전압 아래로 떨어졌다. 이에 따라 고장 발생 980 [ms] 후에 UVR이 동작 후 고장 구간과 분리하여 비상 전원으로부터 정상 전원을 공급받았다. 이는 case A에서 600 [ms]였던 UVR의 동작시간보다 380 [ms] 지연되었다. 또한 그림 7(b)를 보면 평상시 CB1 전류가 약 0.81 [kA]이다가 고장 발생 시 1.44 [kA]까지 증가함에 따라 OCR 픽업 전류 이상으로 증가하여 1280 [ms] 후에 OCR이 동작 후 고장구간으로부터 보호 대상인 회전기 부하를 분리하였다. 이는 case A에서 780 [ms]였던 OCR의 동작시간보다 500 [ms] 지연되었음을 알 수 있다.

그림 7. 임피던스의 크기가 0.6인 유도성 CLR로 구성된 SFCL을 적용한 case C의 파형 (a) SFCL적용시와 미적용시 UVR측 전압, M과 INT값 (b) SFCL적용시와 미적용시 OCR측 전류, M과 INT값 (c) SFCL내 초전도소자와 CLR에 흐르는 전류

Fig. 7. Waveforms in case C where inductive CLR with impedance of 0.6 is applied to power distribution system (a) voltage, M, and INT values of UVR with and without SFCL application (b) current, M, and INT values of OCR with and without SFCL application (c) currents of superconducting element and CLR in SFCL

그림 8에 나타낸 case D의 경우, 평상시 모선 전압이 약 2.21 [kV]에서 고장 발생시 전압이 1.82 [kV]까지, 감소하였다. 또한 그림 8(b)의 보는 봐와같이 평상시 고장전류가 약 0.81[kA]이다가 고장 발생시 1.75[kA]까지 증가함에 따라 고장 발생 860 [ms] 후에 OCR이 동작하였다. 이는 SFCL 미적용시의 동작시간보다 330 [ms] 지연된다. 이에 따라 INTUVR이 누적되다가 1에 도달하기 전, OCR이 고장 발생 860 [ms] 후에 동작하여 고장이 제거됨으로써 누적이 중단되어 UVR이 동작하지 못하였다.

그림 8. 임피던스의 크기가 0.6인 저항성 CLR로 구성된 SFCL을 적용한 case D의 파형 (a) SFCL적용시와 미적용시 UVR측 전압, M과 INT값 (b) SFCL적용시와 미적용시 OCR측 전류, M과 INT값 (c) SFCL내 초전도소자와 CLR에 흐르는 전류

Fig. 8. Waveforms in case D where resistive CLR with impedance of 0.6 is applied to power distribution system (a) voltage, M, and INT values of UVR with and without SFCL application (b) current, M, and INT values of OCR with and without SFCL application (c) currents of superconducting element and CLR in SFCL

즉, case B에서 고장 발생 600 [ms] 후 동작하였던 UVR과 달리, case D에서와 같이 저항성 CLR의 크기를 적합하지 않게 키울 때 OCR의 동작이 지연되면서 건전선로가 부족전압 상황에 길게 노출될 수 있음을 의미한다. 또한 UVR이 동작하지 않아 비상 전원이 연결되지 않는다면, 유도전동기 코일에는 불완전한 전압이 인가될 수 있으며 이는 코일의 과열 및 절연 손상을 유발할 가능성이 있다. 이를 통해 case A와 C, case B와 D의 비교를 바탕으로 같은 임피던스를 지니더라도 유도성 CLR이 한류효과는 더 크나 전압강하 보상효과는 저항성 CLR보다 작은 것을 확인할 수 있으며 적절한 CLR 값 선정으로 오동작을 방지해야 한다.

4.4 CLR의 임피던스 크기가 매우 작은 경우 보호협조 특성분석

그림 9(a)의 보는 봐와같이 평상시 모선 전압이 약 2.21 [kV]에서 12 [s] 시점에 발생하는 고장에 의해 전압강하가 발생하여 UVR 픽없값 이하인 1.32 [kV]까지 감소하였다. 이에 따라 고장 발생 417 [ms] 후 UVR이 동작하였다. 이는 SFCL 미적용 시의 동작시간인 430 [ms]와 유사하다. 그림 9(b)를 보면 평상시 CB1전류가 약 0.81 [kA]이다가 고장 발생 후 OCR 픽업 전륫값 이상인 2.18 [kA]까지 증가하여 523 [ms] 후 OCR이 동작하여 고장 구간으로부터 보호 대상인 회전기 부하를 분리하였다. 이는 SFCL 미적용시의 동작시간인 520 [ms]와 유사하다. 이처럼 한류기의 CLR 값이 너무 낮아 적절하지 못한 경우 전압강하 및 고장전류 제한효과를 볼 수 없는 사례가 발생할 수 있다.

그림 9. 임피던스의 크기가 매우작은 CLR로 구성된 SFCL SFCL을 적용한 파형 (a) SFCL적용시와 미적용시 UVR측 전압, M과 INT값 (b) SFCL적용시와 미적용시 OCR측 전류, M과 INT값 (c) SFCL내 초전도소자와 CLR에 흐르는 전류

Fig. 9. Waveforms where resistive CLR with a very small impedance is applied to power distribution system (a) voltage, M, and INT values of UVR with and without SFCL application (b) current, M, and INT values of OCR with and without SFCL application (c) currents of superconducting element and CLR in SFCL

그림 5부터 그림 9까지의 결과를 토대로, 트리거형 한류기의 트리거형 한류기의 CLR값이 너무 작으면 단락 전류 제한 효과가 부족하고, 너무 크면 고장시 전압강하가 크게 발생하므로 한류기 뒷단에 연결된 계통의 성능이 저하될 수 있음을 확인하였다.

마지막으로 표 7은 OCR 및 UVR의 동작시간과 협조 시간을 나타내며 유도성 CLR로 구성된 SFCL을 적용하면 협조 시간이 CLR의 크기가 커질수록 증가하고 저항성 CLR로 구성된 SFCL을 적용하면 협조 시간이 감소하나. 일정값 이상 증가하면 UVR이 동작하지 않는 오동작이 발생한다.

표 7 OCR 및 UVR의 동작시간과 협조시간 차

Table 7 Operating time and protection coordination interval between OCR and UVR

	UVR [ms]	OCR [ms]	CT_I
case w/o	430	520	90
case A	600	780	180
case B	600	650	50
case C	980	1280	300
case D	X	860	-

5. 결 론

본 연구에서는 SFCL을 적용한 배전 계통에서 OCR과 UVR 간의 보호 협조 특성을 분석하고, SFCL내 CLR의 종류나 크기가 계전기의 동작에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 다양한 크기의 유도성, 저항성 CLR에 따른 여러 사례를 PSCAD/EMTDC를 통해 비교하였다.

분석 결과, 유도성 CLR은 과도 상태에서 전류 상승을 효과적으로 억제하는 데 유리하며, 저항성 CLR은 안정적인 전압 보상을 제공하는 장점이 있음을 확인하였다. 또한 CLR값을 적절하게 선정한 경우 계전기 간의 보호 협조를 개선하고, 소비단이 필요로 하는 전력수요를 공급할 수 있으므로 배전계통의 신뢰성을 향상 할 수 있음을 제시하였다. 그러나 CLR의 값을 적절하게 선정하지 않을 때 SFCL을 설치하였음에도 한류효과를 보지 못하거나, UVR의 오부동작 유발할 수 있음을 검증하였다.

따라서 본 논문의 결과는, SFCL을 전력계통에 설치할 경우 적절한 한류효과를 보면서도 UVR의 오부동작을 유발하지 않기 위해서 SFCL의 CLR값을 어떻게 선정하여야 하는지에 대한 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 추후, 본 논문에 적용한 계통 이외에도 말단에 분산전원이 연계된 계통 혹은 다양한 부하가 연계된 계통에서의 CLR값 선정에 관한 연구를 진행할 예정이다.

Acknowledgements

This work was supported by Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) grant funded by Korea Government (MOTIE) (P0017033, The Competency Development Program for Industry Specialist)

References

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Sung-Hun Lim and Seung-Taek Lim, “Analysis on coordination of over-current relay using voltage component in a power distribution system with a SFCL,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 29, no. 5, pp. 1–5, 2019. DOI:10.1109/TASC.2019.2904668

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저자소개

박영호(Young-Ho Park)

He received B.S. degree from Andong Univ., Korea in 2023. Currently, he is in M.S. degree from Dept. of Electrical Engineering from Soongsil Univ., Korea.

김수현(Su-Hyeon Kim)

She received B.S. degree from Soongsil Univ., Korea in 2024. Currently, she is in M.S. degree from Dept. of Electrical Engineering from Soongsil Univ., Korea.

임성훈(Sung-Hun Lim)

He received B.S., M.S., and 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.

이종필(Jong-Pil Lee)

He received the Ph.D. in electric engineering from Kwangwoon University, Republic of Korea, in 2004. He is currently professor in the Dept. of Electrical Semiconductor and Computer Engineering at Jungwon Univ., Korea.

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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Analysis on Protection Coordination Between Overcurrent and Undervoltage Relays According to Current-Limiting Reactor/Resistor of SFCL in Power Distribution System

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 배전계통 및 한류기 구성

2.1 유도전동기 구성 및 동작 특성

(1)

(2)

(3)

2.2 트리거형 한류기 구성 및 동작 원리

2.3 OCR 및 UVR의 동작 특성

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3. SFCL의 CLR값에 따른 OCR과 UVR의 보호협조 분석

3.1 SFCL적용이 OCR 및 UVR의 보호협조 영향

(10)

(11)

(12)

(13)

3.2 SFCL의 CLR값에 따른 OCR 및 UVR 보호협조 영향

4. 결과 및 분석

4.1 모의 배전계통 구성

4.2 CLR의 임피던스 크기가 0.3인 경우 보호협조 특성분석

4.3 CLR의 임피던스 크기가 0.6인 경우 보호협조 특성분석

4.4 CLR의 임피던스 크기가 매우 작은 경우 보호협조 특성분석

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

박영호(Young-Ho Park)

김수현(Su-Hyeon Kim)

임성훈(Sung-Hun Lim)

이종필(Jong-Pil Lee)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers