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[전력계통 현상과 보호·억제 대책 ①] 계통현상의 종류와 그 대응
2015년 8월 1일 (토) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 8월호 - 전체 보기 )

[전력계통 현상과 보호·억제 대책 ①]
계통현상의 종류와 그 대응


계통현상의 종류는 매우 많고 다양하며 그 하나하나가 고유의 특징을 가지고 있는 한편, 트러블의 주된 요인이 되기 때문에 취급 시 고생하시는 분들도 많을 것이라 사료된다. 이번 특집에서는 여러 가지 계통현상(단락·지락·플리커·순시전압저하 등)의 개요와 특징에 대해 개설하고 그와 관련된 실무기술을 알아보기로 한다. 특히, 전압·전류파형, 간단한 등가회로 및 수치 예, 트러블 사례 등을 중심으로 살펴본다.
 
번역·정리 김대근 기자

계통현상의 종류
계통현상의 종류에는 여러 가지 분류 방법이 있는데 여기서는 실무 면에서 자주 사용되는 「전력계통 사고」와 「전력계통의 다양한 계통현상」으로 나누어 정리했다.
 
전력계통 사고
여기에는 단락사고, 지락사고, 단선사고 등을 들 수 있다. 이 중에서 단선사고는 드물게 화제가 되는 정도이다.

전력계통의 다양한 계통현상
종류의 수가 많으므로 세분화하여 살펴본다.

① 평상시에 발생하는 계통현상
△고조파 △전압 플리커 △전압 및 전류의 불평형 △변압기 여자돌입전류(인러시 전류(Inrush current, 突入電流)) △전파 노이즈 등

② 사고 시에 발생하는 계통현상
△순시전압저하 △전압저하 및 상승 △전력동요와 탈조 △주파수 저하 및 상승 △과부하 △단독운전 △사고 시의 고조파 △간헐지락 △유도전압과 전류 △CT 오차 △VT 오차 등

③ 평상시 및 사고 시에 발생하는 계통현상
△뇌서지 △개폐서지 △지락서지 △내부발생노이즈 등

④ 기타
△인버터 기기 △철공진 △잔류전압 △직류편자 △자기폭풍 등

이번에 대상으로 하는 계통현상에 대해
위의 계통현상들이 항상 문제가 되는 것은 아니며, 어떠한 조건하에서 영향이 커지게 되는 경우가 대부분이다. 계통현상의 종류에 대해 여러 가지를 언급했지만, 설계 면이나 실운용 면 등 각각의 입장에 따라 주목도가 달라진다. 여기서는 일반적으로 널리 화제가 되고 있는 △단락사고 △지락사고 △전압 플리커 △순시전압저하로 범위를 좁혀 집중적으로 살펴보고, 특히 변압기 여자돌입전류와 인버터 기기에 관한 이슈가 많기 때문에 그 파형과 트러블 사례를 간단하게 제시하기로 한다.

단락사고
개요
전력계통에서 단락사고가 발생하면 커다란 단락전류가 흘러 사고점 주변에서는 전압이 0 부근까지 떨어진다. 단락전류의 크기는 275kV 계통 등의 초고압 계통에서는 5만 암페어 정도나 된다. 6.6kV 배전계통에서도 배전용 변전소 근처의 단락사고 시는 1만 암페어를 넘는다. 단락사고가 지속되면 사고기기에 직접적인 영향을 미쳐 전력계통 전체에 영향이 가게 되고(예를 들면, 순시전압저하, 부하탈락, 발전기 주파수 상승, 전력동요와 탈조 등) 자칫 큰 사고로 이어질 우려가 있다. 이에 따라 보호장치 등의 고기능화 및 고품질화가 강하게 요구되고 있다. 정정(整定) 협조 면이나 사고 분석 면에 있어서도 현장에서의 문제점들이 많아짐에 따라 각종 실례조사 및 실무에 관한 연구회 등도 늘어나고 있는 추세이다.

특징
6.6kV 배전계통의 단락전류는 1만 암페어를 넘을 정도이지만 6.6kV 배전선의 임피던스가 크기 때문에 배전용 변전소에서 멀리 떨어진 개소의 단락사고에서는 일전하여 단락전류가 작아진다. 이로 인해 보호협조 면에서 많은 애를 먹는다고 한다.(66kV 이상의 특고계통 측이 보호협조 검토 면에서는 용이한 경우가 있다) 단락전류의 계산은 「% 임피던스법」을 채용하고 있다. 익숙해질 때까지는 어려움이 있지만, 내 것으로 만들면 강한 무기가 된다. 본 특집에서는 「단락보호협조」에 대해 상세히 해설하고 있으므로 많은 참고가 되길 바란다. 단락전류 파형의 예를 [그림 1]에 나타냈다. 사고의 시점에 따라 단락사고 직후의 전류파형이 그림에서와 같이 차이가 나기 때문에(직류분의 유무), 보호 협조면에서 애를 먹는 경우도 있다.


지락사고

개요
단락전류와 달리, 지락전류의 크기는 중성점 접지방식에 의해 크게 달라진다. 275kV 계통 등의 초고압 계통에서는 지락전류의 크기가 단락전류와 대체적으로 비슷한 정도가 된다.(직접접지방식) 66kV 계통의 특고계통에서는 지락전류의 크기가 중성점 저항치로 정해지며(고저항 접지 방식) 대체적으로 100A 정도가 된다.(중성점 저항을 380Ω으로 하면, 상전압이 약 38kV이므로 지락전류는 38000/380=100A) 6.6kV 배전계통에서는 비접지 방식의 EVT 장치(지락사고 시의 영상전압(VO) 검출용)라는 것이 있으며, 등가적인 중성점 저항이 정확하게 10kΩ이 되므로 지락전류는 대략 0.38 암페어가 된다. (3800/10000=0.38A)이 소량의 전류를 소중히 하여 지락보호가 이루어지고 있다. 골칫거리로 작용하는 문제 중에 「사고점 저항이 크다(6kΩ정도까지)」는 점과 「케이블 등 정전용량에 따른 전류가 크다(10A 정도)」는 점이 있는데, 이 전류치가 크면 사고점 저항에 대한 보호범위가 급속도로 좁아진다.

특징
지락전류의 크기는 △275kV 초고압 계통에서는 5만 암페어 정도 △66kV 특고계통에서는 100 암페어 정도 △6.6kV 배전계통에서는 0.38 암페어 정도로 각 계통마다 압도적인 차이가 생긴다는 점이 특징이다. 또 하나의 특징으로 「사고점 저항이 크다는 점(가능하면 6kΩ정도까지 보호 요망)」과 「정전용량에 따른 전류(10A 정도)」 등을 염두에 두고 지락사고 보호를 실시하는 것은 매우 어려운 일이라고 할 수 있다. 일부 전력에서는 「케이블 정전용량에 따른 증대된 전류를 보태어 고감도로 하면 불평형 등에 의한 VO 발생도 증가되므로 불필요한 동작이 예상된다」는 판단하에 DGR(방향지락릴레이)의 정정치를 정하고 있다고 한다. 간단한 계통인 것 같지만, 배전용 변전소의 DGR(방향지락릴레이) 하나만 봐도 PAS 측과의 협조를 생각하면 쉽지 않은 일이다. [그림 2]는 가장 단순한 상황에서의 사고점 저항 및 케이블 정전용량에 따른 전류가 없는 경우이다. 비접지이지만 등가적인 중성점 저항이 정확하게 10kΩ이므로 사고점 전류는 0.381 암페어를 나타낸다.(그림 안의 R, L은 무시할 수 있다)


전압 플리커

개요
아크로 부하와 같은 변동부하가 있는 경우, 조명·영상 등에서 깜박거림(명멸현상)이 발생한다. 이러한 현상(영향)을 ‘전압 플리커’라고 하며, 「깜박거림의 척도, ΔV10이라고 하는 정의」를 사용하여 이 값이 「0.45」를 넘으면 반수 이상의 사람들이 깜박거림을 느끼게 되므로 「부하변동의 발생원」에 있어 필요한 대책을 마련해야 한다. 전압 플리커 문제의 출현과 그 대응책의 검토는 1950년대 후반에 주로 아크로 부하 등을 대상으로 한 것이었다. 후술할 시감도 계수의 도입, 많은 실험을 바탕으로 한 시감도 곡선의 작성, ΔV10(0.45)의 산출 등은 현재에도 사용되고 있다. [그림 3]의 아크로(부하전류 변동), [그림 4]의 전압 플리커 파형의 예(그림에서는 10Hz 성분 10%로 하여 나타냄), [그림 5]의 전압 플리커 산출식(ΔV10의 산출)은 발생에서부터 그 대책까지의 흐름을 나타내고 있다.

지난 10년 동안 인버터 기기에 의한 전압변동 및 전압 플리커가 여러 곳에서 산견되고 있다. 발생원은 인버터 기기를 사용하는 용접기, 컨테이너 크레인(프레스기, 플라즈마 관련) 등 범위가 넓은 편이다. [그림 6]에 심 용접기(Seam Welder)의 부하변동을 나타냈다.(1초간 10회 정도의 변동도 많이 나타난다)

그 밖의 주요 참고 사례를 들어본다.

① 플리커 발생원이 2개소 있는 경우, 「주된 원인개소」의 판정으로서 「전압과 사용전력의 변화상태(트렌드 그래프)」를 사용한 예가 있었다.
② 컨테이너 크레인을 2대 사용에서 3대 사용으로 하자 「깜박거림」을 느끼는 사례도 발견됐다.
③ ②의 경우, 발생개소와 피해개소가 떨어져 있어  원인규명만 하는 데에도 시간이 꽤 소요되었다. 또 서둘러 대책을 실시하다 보니 응답이 너무 빨라서 헌팅을 일으키는 경우도 있었다.
④ 인버터 기기의 고조파·고주파 전류가 예상보다 많이 나타나는 경우가 있다. 이에 따라 전압 플리커뿐만 아니라 다른 면에서도 영향을 주는 사례가 나오고 있다.

특징
전압 플리커의 발생원이 「아크로」에서 「인버터 사용기기」로 확산되고 있다. 이 경우, 위의 각 조목에서처럼 특정 발생원 하나만 봐도 그리 간단한 문제가 아니라는 것을 알 수 있다. 이러한 때에는 전술의 ①~④의 내용, 그리고 실무 면에서의 체험담이 매우 도움이 된다.


순시전압저하(순저)

개요
순저현상을 [그림 7]에 나타냈다. [그림 7]의 계통구성 및 사고개소에서는 A고객이 순저, B고객이 정전이 된다. 지면 관계상 기기의 순저내량(瞬低耐量) 도면은 생략하지만, 간단하게 말하면 대부분의 기기가 순저 0.01초 정도에서부터 영향을 받는다. 한편, 전력계통 사고 시의 사고제거시간은 빠른 경우에 0.07초 정도가 소요되므로 너무 늦어진다. 이러한 이유로 대부분의 순저대책은 각 기기 측에서 이루어진다. 아래에 구체적인 예시를 들어 설명한다.

① 모터의 전자 개폐기(마그넷 스위치)에서는 순저가 0.3초 정도 지속되어도 탈락하지 않도록 「지연석방방식(콘덴서와 저항에 의한 간단한 회로)」이 채용되어 왔다.
② 중요부하를 가지는 수요가용으로서, 사고발생 시에는 「고속 개폐기로 순시에(0.01초 정도) 전력계통으로부터 분리」하고, 사고가 진정된 단계에서 「자동 전환」하는 고도의 방식도 있다. ([그림 8]에 전압파형의 예를 포함하여 기재)
③ 그밖에 「콘덴서 및 플라이휠을 활용」하여 「사고제거까지의 0.3초를 견디는 방식」 등이 늘어나고 있다.


특징
사고제거시간은 275kV 계통에서 0.07초 정도이며, 다른 계통에서는 대체적으로 아래와 같다.

 
154kV 특고계통에서 0.1초 정도
66kV 특고계통에서 0.1~0.2초 정도
6.6kV 배전계통에서 0.3초 정도

이 시간은 빠른 경우의 수치를 나타내며 거의 변하지 않는다. 연간 평균 순저빈도도 수요가 1건당 두서너 번꼴로 대체적으로 비슷하다. 순저의 영향 면에서는 순저범위가 상당히 확장된 사고 사례로, 순저에 의한 부하탈락량이 예상보다 컸던 사례들이 발생하고 있다. 이에 따라 향후 상당수의 태양광 발전설비가 도입될 시의 발생될 수 있는 여러 가지 상황들을 고려하여 그에 따른 대책을 강구할 필요가 있다. 순저에 의한 부하탈락 및 태양광 발전설비의 접속 유지 등에 있어서는 보다 대국적인 시각을 갖출 필요가 있다.

변압기 여자돌입전류(여돌전류)
개요
변압기 충전(여자) 시 조건에 따라서는 변압기 정격전류의 몇 배나 되는 전류가 단시간에 흐른다. 이 과도적인 큰 전류를 「변압기 여자돌입전류(여돌전류)」라고 부른다. 예를 들면, 66kV/6.6kV의 배변용(配變用) 변압기의 경우, 조건에 따라서는 「정격전류의 10배 정도(시정수), 0.1초 정도」의 여돌전류가 흐른다. [그림 9]의 충전 시 상태에서는 2차측 개방 중에 1차측을 충전하고 있다. 그림 안의 i가 여돌전류이며 각상마다 크기는 다르다. 이따금씩 A상의 전류가 커지고 있지만 투입조건에 따라서 달라지게 된다. 간략도를 사용하고 있기 때문에 자세한 설명은 할 수 없지만, 이하에 따라 결정된다.

 ① 변압기 정지 시 변압기 철심의 자속이 컸다.(철심의 잔류자속이 크다)
 ② 변압기 충전 시의 투입위상이 자속을 더욱 증가시키는 위치에 있었다.(투입위상)
 ③ 전원의 전압이 높으면 여돌전류는 더욱 커진다.

특징
보호 릴레이 협조 면의 어려움 등 현장 측에서 다방면으로 고생을 하고 있다는 사례들이 많이 들려온다. 예를 들어 변압기 충전 시의 여돌전류가 다른 수요가 기기에 영향을 미치는 등의 케이스가 있다. 전압 플리커에서도 비슷한 얘기가 나오고 있는데 원인규명에 많은 시간이 소요되기도 한다. 이와 관련해 여러 가지 사례들을 미리 정리해두면 실무 면에서 매우 큰 도움이 된다.


인버터 기기의 유의사항
개요
인버터의 반도체 소자에는 사이리스터, 트랜지스터, GTO, IGBT 등이 있는데, 이 중에서 IGBT가 지난 수년간의 주류를 이끌어 왔다. 설계 실무자들에게 물어보면 즉시 대답을 들을 수 있는 부분이다. 변환방식에는 전v압형과 전류형이 있으며, 전압형이 압도적으로 많은 수를 차지한다. 파형적으로는 △정현파 출력 △방형파 출력 △PWM파 출력 등이 있다. 고조파 및 고주파적으로는 △스위칭 주파수에 관계하는 고주파(수십 kHz 오더) △근방의 L 및 C에 흐르는 과도현상에 따른 고주파(수백 kHz~수 MHz) △ PWM 제어의 누설 고조파로 분류할 수 있다. 이러한 고조파 및 고주파를 가진 파형(전압형의 경우)이 [그림 10]이다. 관계자들의 얘기를 들어보면 「깨끗하고 문제없는 파형」이라는 평이다.


특징

인버터 기기의 에너지 절약 성능 및 고조파 면에서 조사를 실시한 결과 에너지절감과 고성능화에 있어 우수한 실적을 거둔 사례가 많은 한편 유의해야할 점들도 다소 존재하고 있다. 이하는 그 유의점들 중 하나를 나타낸 것이다. [그림 11]에서 전압파형이 바뀌고((a)→ (c)), 고주파 전류가 흐름에 따라 일정 기간이 지난 후 기설 설비의 일부 부품이 손상을 입게 되었다. 당초에는 원인조사에 많은 시간이 걸렸지만, 이러한 사례들을 바탕으로 하여 점차 많은 개선이 이루어졌다고 한다.


 

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태그 : 전력계통 현상 보호 억제 대책 계통현상 종류 대응
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