2.1.1 정전유도 현상 고찰

정전유도 전압은 도체에 인가된 전압과 타 도체와의 상호 캐패시턴스의 불평형에 의해서 정전적으로 유도되는 전압으로서 이는 고장시 뿐만 아니라 정상시에도 발생한다. 상기 그림의 정전유도 전압(Vs) 식에서 알 수 있듯이 정전유도 전압은 정전용량과 송전선로의 전압에 의해서 결정된다. AC 3상 송전선로가 완전히 연가되어 각 상과의 상호 정전용량이 평행하고, 이격거리 역시 동일한 경우에는 정전 유도전압이 영(zero)이 되지만 실제 계통에서는 이러한 이상적인 경우는 없으므로 상 불평형에 의한 정전유도 전압이 발생하는 것이 일반적이다.

2.1.2 전자유도 현상 고찰

전자유도는 특정 도체에 전류가 흐르면 자기장(Magnetic Field)이 생성되고 이러한 자계가 주변에 있는 다른 도체와 쇄교하면서 전자유도 전압이 유기되는 현상을 의미한다. 여기서 주변도체에 쇄교하는 자기장이 시간에 따라 변화해야 유도전류가 흐르게 된다. 따라서, AC 전류에 의해 발생하는 자기장은 시간에 따라서 변화되므로 주변 도체에 역방향의 유도전류를 흐르게 하지만, DC 전류로 인한 자기장은 시간에 따른 변화가 없으므로 주변 도체에 유도전류가 흐르지 않는다. 또한 AC 도체에 의해서 시변 자기장이 발생하더라도 주변도체가 폐루프를 형성하고 있지 않으면 역시 유도전류가 흐를 수 없다. 이는 케이블에서 금속시스를 접지했을 경우 전자유도전류가 흐르지만 한쪽이라도 접지하지 않았을 때는 전자유도 전류가 흐르지 않는 것을 설명해 준다. 결국, 정상상태에서 AC/DC 병행선로에서는 765kV AC 전류에 의한 500kV DC계통 전자유도 영향이 존재하며, 500kV DC 전류에 의한 765kV AC 계통 전자유도현상은 미미할 것으로 예상된다.

2.1.3 유도전류 허용기준

선행 연구에 따르면, 정상상태에서 DC 전류 리플의 기본파(I60)가 컨버터 정격의 0.1% 이하인 경우 DC 시스템 성능에 악영향을 미치지 않고, 변환용변압기의 Core Instability 또는 Leakage flux heating을 발생시키지 않는다면 I60은 정격 DC 전류의 0.2% 수준까지 문제가 없는 것으로 보고 있다^(3-5). 참고로, 컨버터 변압기와 I60 간의 관계식은 다음과 같으며, 일반적으로 DC 성분 전류는 기본파 유도전류(I60)의 약 55% 수준으로서 이를 고려해서 시스템을 설계해야 한다.

여기서, Idc: dc current in the valve

I60: peak induced fundamental current in the HVDC line

만약 주어진 AC/DC 병행선로 이격거리에서 상기 기준치 이상의 유도전류가 발생한다면, AC선로의 연가, Blocking Filter 적용 등의 방안을 고려해야 한다. 국내계통에서 AC 765kV 송전선로는 비연가를 기본으로 하고 있으므로, 향후 AC/DC 병행선로에서 실제 유도전류 문제가 발생한다면 연가 적용여부를 고려할 수도 있다.

2.3.1 정상상태 및 고장상태 유도현상 해석 사례

정상상태 해석에서는 병행구간의 길이가 27km, AC/DC 송전선로 간 이격거리 100m, 대지저항률 1000Ωm를 BASE-CASE로 하여 병행구간의 길이가 10km, 20km, 40km, 50km로 변경될 경우(CASE-S1)와 이격거리가 70m, 90m, 150m로 변경될 경우(CASE-S2) 유도현상의 영향 및 경향성에 대해 검토하였다. 해당 CASE를 정리하면 아래 표 1과 같다.

고장상태 해석은 위의 정상상태 BASE-CASE 조건에서 AC계통과 HVDC계통의 다양한 고장사례를 모의하여 각각의 경우 유도전류 및 전압에 대한 해석결과와 계통에 미치는 영향에 대해 고찰해보았다. AC계통 고장의 경우, 유도 전류 및 전압이 가장 크게 나타나는 병행구간 종료지점(신가평 변환소 기준 27km 지점)을 고장위치로 하였으며, HVDC계통 고장의 경우 AC계통에 미치는 영향을 보다 세부적으로 분석하기 위해 고장위치를 다양하게 적용하였다. 해당 CASE를 정리하면 아래 표 2와 같다.

2.3.2 정상상태 유도현상 해석 결과 및 분석

해석결과 DC에 의한 AC계통 유도전압은 거의 없는 것으로 나타났다. 아래 그림 6과 같이 정상상태 시 AC계통에 유도되는 DC 전압은 최대 3V 내외로서 상-대지 정격전압 441 kVrms 대비 거의 0%에 가까운 수치를 나타냈다. 이러한 결과는 병행구간 및 이격거리를 변동시킨 사례에서도 유사한 결과를 확인할 수 있었다.

이러한 결과는 AC/DC 병행선로에서 정전유도 영향은 미미하고 전자유도 현상이 더 큰 영향을 미치는데, DC전압/전류 변화율이 유도전압을 유기할 만큼 충분히 크지 않기 때문인 것으로 판단된다.

DC에 의해서 AC계통에 유도되는 DC 유도전류는 기본사례의 경우, 최대 6.5A로서 부하전류 대비 약 0.45%로 미미하고, 병행구간 길이 및 이격거리를 변화시킨 사례에서도 최대 1%를 초과하지 않는 수준으로 나타났다.

상기 유도전류는 전자유도에 의해서 나타나는 현상으로, 일반적으로 AC 송변전설비는 최대 상시 50~70% 수준으로 운전하는 것이 보통이므로 이처럼 1% 이하의 유도전류는 AC계통에 전혀 영향을 미치지 않는 수준이다.

AC에 의한 DC계통 유도의 경우, AC전압/전류가 시간에 따라 변하므로 전자유도 현상에 의해 DC계통에 AC 유도전압 및 전류가 발생하였으며, 그림 8,9과 같이 병행구간 길이가 증가하거나 이격거리가 가까워질수록 유도전압 및 유도전류가 증가하는 경향을 보였다.

기본사례(병행구간 27km, 이격거리 100m)에서는 최대 유도전압은 0.53V로서 정격전압 대비 약 0.1%, 유도전류는 약 3.47A로 정격전류 대비 0.09% 수준이다. 이는 앞서 2장에서 설명한 유도전류 제한 기준치 = 0.1% 이하로 HVDC 계통에 주는 영향은 아주 적을 것이라 판단된다.

DC계통에 유도되는 AC전류의 기본파는 병행구간 길이 변동사례에서는 27km 이하로 병행시에 정격전류 4,000A 대비 약 0.09% 이하, 이격거리 변동사례(CASE-S2)는 70m 이상 이격시 0.1% 미만이 되어 운영에 문제가 없다고 판단된다.

2.3.3 고장상태 유도현상 해석 결과 및 분석

AC 765kV 가공선로의 병행구간 종료지점(신가평 기준 27km) 고장 시 HVDC 가공선로에도 DC 고장수준의 과도전류(최대 약 10kA)가 발생하고 전압 또한 고장수준으로 변동함을 해석을 통해 확인하였다.(그림 10)

그러나, 본 사례는 인버터 측인 신가평 변환소의 AC 모선이 0.6PU 이하로 감소하고 이에 따라서 HVDC 시스템의 전류실패(Commutation Failure)에 기인한 결과임을 확인하였다. 즉, AC 765kV 신가평 변전소의 345kV 모선과 DC 500kV 신가평 변환소의 AC 모선이 동일한 모선이기 때문에, 765kV 송전선로와 HVDC 시스템의 인버터 측이 전기적으로 매우 가깝고 이에 따라서 765kV 선로고장에 의한 전압강하가 인버터의 전류실패를 유발할 가능성이 높을 것으로 판단된다.

상기 사례에서 AC 계통 고장에 의한 순수한 DC 계통의 유도 전류/전압을 확인하기 위하여 AC 계통과 DC 계통을 각각 등가 전압원으로 모델링하여(AC 및 DC 계통을 물리적으로는 분리) AC 765kV 고장을 모의하였다. 본 검토에서는 상기 사례와 동일하게 AC/DC 병행구간 종료지점(신가평 기준 27km)에서 1선지락 고장이 발생한 것으로 가정하였다.

아래 결과와 같이 상기 사례에서 순수한 AC 유도 의한 전류는 약 100A(순시치), 전압은 10kV(순시치) 내외인 것으로 나타났으며, 이는 타 사례에서도 크게 차이가 나지는 않을 것으로 예상된다. 즉, 대략 유도전류 수백A, 유도전압 수십 kV가 일시적(765kV 고장제거시간 약 5cycle 이하)으로 발생할 것으로 판단되며, 이는 HVDC 제어시스템으로 충분히 제어가 가능하다. 단, 실제 계통에서는 765kV 송전선로 고장이 발생하는 경우, HVDC 가공선로에 유도되는 전류보다는 HVDC 전류실패에 의한 과도 전류/전압이 훨씬 크게 발생할 가능성이 높다.

DC계통 고장에 의한 AC 유도전류 및 전압 해석결과에 따르면, HVDC 계통의 지락고장 위치에 따라서 AC 765kV 송전선로에 최대 수 kV의 DC유도전압과 약 수백 A의 DC 유도전류가 발생하고, 최대 약 186Arms의 영상전류가 발생했다. 본 사례는 DC 계통의 고장 시 발생하는 큰 고장전류의 변화에 따른 AC 계통에 발생하는 전자유도현상에 의한 유도전류가 나타난 것으로서, 병행구간 종료지점(신가평 기준 27km)에서 #1 Bipole의 (+) 극도체 지락고장 시 가장 큰 영상분 유도전류가 발생했다. 또한, 모든 사례에서 HVDC 가공선로 양단보다는 중간에서 고장이 발생할 때 상대적으로 큰 영상전류가 유도되었다.