2.1 모의계통의 구성

배전선로 내 고장발생시 고장이 발생하지 않은 건전선로의 영향과 초전도 한류기 적용에 따른 변화를 확인하기 위하여 그림 1과 같은 모의계통를 구성하였으며 상세 데이터는 표 1을 통해 나타내었다. 회선은 총 3회선으로 각 회선에는 부하로 연계되는 간선을 갖고 있고 각 회선 인출부에 초전도 한류기와 차단기를 설치하였다.

회선 내 고장발생시 보호기기들과 초전도 한류기가 적정 동작할 수 있도록 설정하였으며 부하는 총 4,750 [호]로 상세 데이터를 표 2를 통해 나타내었다. 모의 계통의 구성은 국내 배전선로 구성 사례들과 한국전력공사의 배전계통 보호지침 등을 참고하여 실계통과 유사하게 구성 하였다^[8].

그림 1. 초전도한류기 적용 영향 분석을 위한 모의계통

Fig. 1. Simulated power system configuration to analyze the effect by SFCL

그림 2. 시뮬레이션에 적용된 초전도 한류기의 구조

Fig. 2. Composition of applied SFCL in simulation

2.2 초전도 한류기의 구성 및 적용

초전도 한류기는 선로 전구간에서 고장전류와 전압강하에 영향을 줄 수 있도록 선로 인출부에 적용을 하였으며 구성은 실적용 사례를 참고하여 하이브리드 형태로 가정하였다.

한류소자(CLR)는 저항과 리액터를 대상으로 하였으며 이는 고장 발생시 스위치 동작에 따른 선로 변경으로 적용되는 한류소자의 종류에 따른 전압강하 보상 영향을 확인하기 위함이다. 적용된 CLR의 임피던스 크기에 따른 영향도 함께 분석하기 위하여 1[Ω], 2[Ω], j1[Ω], j2[Ω]으로 나누어 분석을 수행하였다^[9-11].

3.1 초전도 한류기의 적용에 따른 전압 강하 영향

앞서 제시된 사례 구성에 따라 시뮬레이션을 수행하였으며 전압강하는 일반적으로 0.5 ~ 30 [cycle] 내에 발생하는 경우를 가리키므로 과도상태에서의 변동분은 제외하고 0.5 [cycle]이상 지속된 전압강하만을 대상으로 실효값의 전압레벨을 산출하였다.

그림 3은 균등 부하시 Feeder3의 고장 발생 거리별 Feeder1의 전압 레벨을 시뮬레이션 한 결과이다. 고장 발생 위치의 거리가 전원측으로부터 증가함에 따라 모든 경우에서 전압 강하율이 감소하고 초전도 한류기의 전압 강하 보상 영향도 감소하는 것을 확인 가능하였다. 이는 Feeder3에서의 고장 위치가 전원측으로부터 멀어짐에 따라 선로 임피던스로 인한 계통 임피던스가 증가하여 건전상의 전압강하 영향이 작아진 결과로 분석된다.

모든 사례에서 고장 발생위치가 전원측에 가까울수록 건전선로의 전압강하가 크게 발생하였으며 이는 고장선로의 선로 임피던스가 감소하여 전체 전력계통의 임피던스도 감소한 영향으로 판단된다. 그러나 초전도 한류기가 적용된 경우에는 초전도 한류기의 임피던스가 계통의 임피던스를 증가시켜 전압강하를 저감할 수 있으며 고장위치가 근거리일수록 계통 임피던스 내 초전도 한류기의 임피던스가 미치는 영향의 비중이 높아져 더욱 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

초전도 한류기 CLR의 종류와 관계없이 각 소자의 임피던스 크기가 크면 클수록 더 많은 전압보상이 확인 되었으며 CLR이 리액터로 적용된 경우보다는 저항으로 적용된 경우 더 높은 전압 강하 보상 효과를 보였다. 이로 인해 분석된 사례들 중에서는 CLR이 2[Ω]인 경우가 가장 높은 전압 강하 보상이 이루어진 것으로 확인되었다. 이는 초전도 한류기 및 CLR이 저항보다 리액터로 적용되는 경우 더 큰 고장전류 저감 효과를 갖는 특성으로 인해 연계된 결과로 분석되었다.

그림 4는 말단 집중 부하시 Feeder3의 고장 발생 거리별 Feeder1의 전압 레벨을 시뮬레이션 한 결과이다. 균등 부하와 유사하게 Feeder3의 고장 발생 위치 거리가 전원에서 멀어짐에 따라 모든 경우에서 전압 강하율이 감소하고 초전도한류기의 전압 강하 보상 영향도 감소하는 것을 알 수 있었다. 고장 발생 위치가 전원측에서 원거리에 위치함에 따라 선로 임피던스가 증가하여 계통 임피던스를 증가시키고 이로 인해 건전선로의 전압강하 영향을 감소시킨 것으로 분석되며 이는 균등부하와 유사한 결과이다.

초전도 한류기 CLR의 임피던스 유형 및 크기에 따른 전압강하 보상 효과도 균등부하와 같은 경향성을 보였으며 2 [Ω]의 CLR이 적용된 경우가 가장 효과가 좋았다.

균등 부하와 말단 집중 부하의 초전도한류기 적용에 따른 영향과 경향성은 유사하게 나타났으나 전압 강하 보상 효과는 모든 사례에서 다르게 나타났다. 균등 부하보다 말단 집중 부하의 사례에서 전압 강하 저감율이 전 구간에서 비교적 미소한 차이로 높게 나타났으며 이는 부하의 분포와 이에 따른 임피던스 영향으로 판단된다.

그림 3. 균등 부하시, Feeder3의 고장 발생 거리별 Feeder1의 전압레벨

Fig. 3. Voltage level of Feeder1 with uniform loads according to the fault distances in case of Feeder3 fault

그림 4. 말단 집중 부하시, Feeder3의 고장 발생 거리별 Feeder1의 전압레벨

Fig. 4. Voltage level of Feeder1 with concentrated loads at rear according to the fault distances in case of Feeder3 fault

3.2 선로 내 부하 분포 특성을 반영한 전압 강하 영향 분석

초전도 한류기의 적용으로 인해 건전 선로 내 부하 분포 특성에 따른 전압 강하 보상 효과를 상세 분석하기 위하여 SARFI (System Average RMS variation Frequency Index)를 확인하였다. SARFI는 공급받는 전압의 주파수와 전압 크기를 기준 전압 레벨을 설정하여 이를 경험하는 고객의 비율을 산출한 것이다.

본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 분석된 전압 강하율을 기반으로 수식 1과 같이 고객이 겪는 전압 레벨별로 구간을 나누어 SARFI를 산출하고 누적하여 건전선로의 고객들이 고장 발생시 겪는 전압 레벨의 추세를 분석하였다.

그림 5는 균등부하시, 초전도 한류기의 CLR 크기 및 유형에 따른 Feeder3의 SARFI를 산출한 결과이다. 그림 5에 표시된 그래프는 SARFI의 누적그래프이며 고객들이 겪는 전압 레벨의 범위별 SARFI 구분은 상단에 표시하였다.

그림 5에서 나타난 누적그래프를 통해 CLR의 임피던스 크기가 증가할수록 고객들이 겪는 전압 레벨이 높아지며 SARFI가 개선됨을 확인할 수 있었다. 또한 동일한 임피던스일 경우 저항 성분의 CLR에서 더 많은 SARFI의 개선이 확인되었다. 고객들이 겪는 전압 레벨이 높아지고 해당 전압레벨 구간의 고객수가 많을수록 전압 강하로 인한 고객 피해는 감소할 것이며 이러한 효과를 초전도 한류기 적용 및 특성에 따라 유도 가능함을 확인 할 수 있었다.

그림 6은 말단 집중 부하시, 초전도 한류기의 CLR 크기 및 유형에 따른 Feeder3의 SARFI를 산출한 결과이다. 그림 6에 표시된 누적그래프의 색 분류에 따른 고객들이 겪는 전압 레벨 범위는 상단에 표시하였으며 그림 5의 표기와 같다.

그림 6의 누적그래프 결과가 앞서 제시된 그림 5의 균등부하 누적그래프와 전반적인 추세는 유사하였다. CLR의 임피던스 크기가 증가할수록 고객들이 겪는 전압 레벨은 높아지며 SARFI를 통해 초전도 한류기 미적용 대비 높은 전압 레벨을 겪는 고객수도 증가하여 전압 강하 보상 효과가 있었음을 알 수 있다. 또한 동일 임피던스의 경우 앞서 제시된 결과와 동일하게 저항 성분을 적용하는 경우 더 많은 개선이 이루어졌다.

그림 5와 그림 6의 비교를 통해 균등 부하와 말단 집중 부하를 비교하면 말단 집중 부하에서 각 구간별 SARFI가 전반적으로 균등 부하 대비 더 많은 개선이 이루어짐을 확인할 수 있다. 이는 전압 강하 보상이 균등 부하 대비 말단 집중 부하에서 미소하게 높았던 부분이 SARFI 산정시 기준 전압 레벨 설정에 따라 상위 레벨 구간으로 산입되어 산정되었기 때문으로 분석 되었다.

그림 5. 균등 부하시, 초전도 한류기의 CLR 크기 및 유형에 따른 Feeder3의 SARFI

Fig. 5. SARFI of Feeder3 with uniform loads according to CLR types and magnitudes

그림 6. 말단 집중 부하시, 초전도 한류기의 CLR 크기 및 유형에 따른 Feeder3의 SARFI

Fig. 6. SARFI of Feeder3 with concentrated loads at rear according to CLR types and magnitudes

말단 집중 부하의 경우 균등 부하 대비 말단부에서 고객수가 증가하므로 해당 구간에서 상위 기준 전압 레벨로 해당되는 경우 SARFI 산정시 그 효과가 더욱 크게 나타나는 특성을 확인할 수 있었다. 또한 해당 범위 내에 민감 부하가 존재하는 경우 전압 강하 보상의 효과는 더욱 크게 나타날 수 있어 향후 부하의 전압 민감도 등을 종합 고려한 평가가 필요함을 알 수 있다.