고장 전류 제한기 | 기술 및 그리드 안정성 영향

1 고장 전류 제한기(FCL) 기술 소개

고저항 변압기, 고정 리액터, 분할 버스바 운전과 같은 전통적인 수동형 고장 전류 제한 방법은 그리드 구조의 교란, 정상 상태 시스템 임피던스 증가, 시스템 보안 및 안정성 감소와 같은 본질적인 단점을 가지고 있습니다. 이러한 접근 방식은 오늘날 복잡하고 대규모의 전력망에는 점점 더 적합하지 않습니다.

반면, 고장 전류 제한기(FCLs)를 대표하는 활성 고장 전류 제한 기술은 정상적인 그리드 운영 중에 낮은 임피던스를 나타냅니다. 고장이 발생하면 FCL은 빠르게 고임피던스 상태로 전환하여 고장 전류를 낮은 수준으로 효과적으로 제한함으로써 고장 전류의 동적 제어를 가능하게 합니다. FCLs는 전력 전자, 초전도, 자기 회로 제어와 같은 첨단 기술을 통합하여 전통적인 직렬 리액터 기반 전류 제한 개념에서 발전해왔습니다.

FCL의 기본 원리는 도 1에 표시된 모델로 간소화할 수 있습니다: 정상 시스템 운영 중에는 스위치 K가 닫혀 있으며, FCL은 어떠한 전류 제한 임피던스도 제공하지 않습니다. 고장이 발생할 때만 K가 빠르게 열려 리액터가 삽입되어 고장 전류를 제한합니다.

대부분의 FCLs는 이 기본 모델 또는 그 확장된 변형을 기반으로 합니다. 다양한 FCL들 사이의 주요 차이는 전류 제한 임피던스의 특성, 스위치 K의 구현, 그리고 관련 제어 전략에 있습니다.

2 FCL 구현 방안 및 적용 현황

2.1 초전도 고장 전류 제한기(SFCLs)

SFCLs는 초전도체의 초전도 상태에서 정상 상태로의 전환(S/N 전환)을 사용하여 전류를 제한하는지 여부에 따라 퀴칭형(quench-type) 또는 비퀴칭형(non-quench-type)으로 분류할 수 있습니다. 구조적으로는 저항형, 다리형, 자기 차폐형, 변압기형, 포화 코어형으로 더 나뉩니다. 퀴칭형 SFCLs는 온도, 자기장 또는 전류가 임계값을 초과할 때 S/N 전환(초전도체가 저항이 없는 상태에서 고저항 상태로 전환됨)을 이용하여 고장 전류를 제한합니다.

비퀴칭형 SFCLs는 초전도 코일을 다른 구성 요소(예: 전력 전자 장치 또는 자기 요소)와 결합하고 작동 모드를 제어하여 단락 전류를 제한합니다. SFCLs의 실제 적용은 비용과 냉각 효율과 같은 일반적인 초전도 문제에 직면하고 있습니다. 또한, 퀴칭형 SFCLs는 긴 복구 시간으로 인해 시스템 재접속과 충돌할 수 있으며, 비퀴칭형 SFCLs의 임피던스 변화는 계전기 보호 조정에 영향을 미칠 수 있어 재설정이 필요합니다.

2.2 자기 요소 전류 제한기

이들은 플럭스 취소형과 자기 포화 스위치 형으로 나뉩니다. 플럭스 취소형에서는 동일한 코어에 서로 반대되는 극성을 가진 두 개의 와인딩이 감겨져 있습니다. 정상 조건에서는 동등하고 반대되는 플럭스가 서로 상쇄되어 낮은 누설 임피던스를 갖습니다.

고장이 발생하면 하나의 와인딩이 우회되며, 플럭스 균형이 깨지고 높은 임피던스가 발생합니다. 자기 포화 스위치 형은 정상 조건에서 DC 바이어스 등을 통해 전류 제한 와인딩을 포화 상태로 바이어싱하여 낮은 임피던스를 얻습니다. 고장이 발생하면 고장 전류가 코어를 포화 상태에서 벗어나게 하여 고임피던스를 생성하여 전류를 제한합니다. 복잡한 제어 요구 사항으로 인해 자기 요소 제한기는 제한적인 적용을 보이고 있습니다.

2.3 PTC 저항 전류 제한기

양의 온도 계수(PTC) 저항은 비선형이며, 정상 조건에서는 저저항과 최소한의 발열을 나타냅니다. 단락이 발생하면 그들의 온도가 급격히 상승하여 밀리초 내에 저항이 8-10차례로 증가합니다. PTC 저항을 기반으로 한 FCLs는 저전압 응용 분야에서 상업적으로 사용되고 있습니다.

그러나 단점으로는: 유도 전류 제한 중 과전압이 발생하여(병렬 과전압 보호가 필요), 저항이 작동 중에 팽창하여 기계적 스트레스, 제한된 전압/전류 등급(수백 볼트, 몇 암페어), 시리즈-병렬 연결이 필요하며 고전압 사용에 제약이 있으며, 긴 복구 시간(몇 분)과 짧은 수명으로 대규모 배포를 방해한다는 점이 있습니다.

2.4 고체 상태 전류 제한기(SSCLs)

SSCLs는 전력 전자를 기반으로 하는 새로운 종류의 단락 제한기로, 일반적으로 전통적인 리액터, 전력 전자 장치, 컨트롤러로 구성됩니다. 다양한 위상, 빠른 응답, 높은 작동 내구성, 간단한 제어를 제공합니다. 전력 전자 장치의 상태를 제어하여 SSCL의 등가 임피던스를 변경하여 고장 전류를 제한합니다. 새로운 FACTS 장치로 간주되며, SSCLs는 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 고장 중에 전력 전자 장치는 전체 고장 전류를 처리해야 하므로, 높은 장치 성능과 용량이 요구됩니다. 여러 SSCLs 간 또는 다른 FACTS 제어 시스템과의 조율은 중요한 과제입니다.

2.5 경제적인 전류 제한기

이들은 성숙한 기술, 높은 신뢰성, 낮은 비용, 외부 제어 없이 자동 전환을 제공합니다. 주로 아크 전류 이동형과 직렬 공진형으로 분류됩니다. 아크 전류 이동형은 진공 스위치와 전류 제한 저항이 병렬로 구성됩니다. 정상 작동 중에는 부하 전류가 스위치를 통해 흐릅니다. 단락이 발생하면 스위치가 열리면서 전류가 저항으로 이동하여 전류를 제한합니다.

문제점으로는: 아크 전압과 부수적 인덕턴스에 의해 이동 전류가 영향을 받으며, 스위치 속도에 따라 이동 시간이 결정되며, 낮은 아크 전압에서 전류 이동이 어려워 보조 장치를 사용하여 아크 전압을 높이고 강제로 전류 제로 교차를 유도해야 한다는 점이 있습니다. 직렬 공진형 FCLs는 포화 리액터 또는 서지 아레스터를 스위치로 사용합니다. 정상 조건에서는 캐패시터와 인덕터가 직렬 공진 상태로 낮은 임피던스를 가지며, 고장 발생 시 고전류로 인해 리액터가 포화되거나 아레스터가 활성화되어 공진이 해조되고 리액터가 회로에 삽입되어 전류를 제한합니다. 전자기 반발 빠른 스위치는 캐패시터를 빠르게 우회할 수도 있습니다.

2.6 FCL 엔지니어링 응용 현황

실용적인 가치를 위해서 FCLs는 고장 중에 빠르게 임피던스를 삽입할 뿐만 아니라 자동 재설정, 연속적인 작동, 낮은 고조파 생성, 투자 및 운영 비용이 허용 가능한 수준이어야 합니다. 현재 기술적 과제와 비용 효율성으로 인해, 세계 각국에서 다양한 실험 프로토타입이 개발되었음에도 불구하고, 실제 그리드 응용은 매우 제한적이며 대부분 저전압, 소용량 시범 프로젝트에 국한되어 있습니다.

해외에서는 이 분야가 더 일찍 시작되어, 고체 상태 및 초전도 FCL 상용화에서 눈에 띄는 진전을 이루었습니다. 1993년 미국 뉴저지 주의 육군 전력 센터에서 4.6kV 피더에 6.6MW의 역병렬 GTO를 사용하는 고체 상태 브레이커가 설치되어 300μs 내에 고장을 해결할 수 있었습니다. 1995년 EPRI와 Westinghouse가 공동으로 개발한 13.8kV/675A 고체 상태 FCL이 PSE&G 변전소에서 운영되었습니다. 초전도 FCLs의 경우, 1998년 ACEC-Transport와 GEC-Alsthom이 공동으로 개발한 하이브리드 AC/DC FCL이 상용화되었습니다. 1999년 General Atomics와 다른 기관들이 공동으로 개발한 15kV/1200A SFCL이 남가주 에디슨(SCE) 변전소에 배치되었습니다.

국내 FCL 연구는 늦게 시작했지만 빠르게 진행되었습니다. 2007년 중국의 35kV 초전도 포화 코어 FCL, 톈진 전기 기계 홀딩스와 베이징 윤디안 응나 초전도 케이블 Co., Ltd.가 공동으로 개발한 것이 윈난의 푸지 변전소에서 그리드 연결 시험 운영을 거쳤으며, 당시 세계에서 가장 높은 전압, 가장 큰 용량의 초전도 제한기 시험 운영이었습니다. 직렬 공진형 FCLs의 경우, 중국 전력 연구원, 중전 푸리, 동중국 그리드가 공동으로 개발한 중국 최초의 500kV 장치가 2009년 말 500kV 빙요 변전소에서 운영되기 시작하여, 단락 전류를 47kA 미만으로 줄였습니다.

전 세계적으로 FCL 응용은 여전히 개별 프로젝트에 국한되어 있지만, 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 용량 증가, 내전압, 재료 개선, 열 방출, 비용 관리, 위상 최적화에 대한 연구에서 큰 잠재력이 남아 있습니다.

3 FCL 통합이 전력 시스템 보안 및 안정성에 미치는 영향

FCLs는 고장 중에 빠르게 임피던스를 삽입하여 전류를 효과적으로 제한하지만, 네트워크 매개변수를 변경하여 일시적 안정성, 전압 안정성, 계전기 보호 설정, 재접속에 영향을 미칩니다. 불충분한 제어는 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다. 여러 FCLs의 조정된 제어와 최적의 구성은 최적의 성능을 달성하기 위해 필수적입니다.

3.1 계전기 보호 및 재접속 설정에 미치는 영향

포화 코어 SFCLs의 경우, 긴 복구 시간으로 인해 고장 후에도 상당한 임피던스가 지속되므로, 자동 재접속 및 계전기 보호 재설정이 필요할 수 있습니다. 문헌에 따르면, 발전기 및 주 변압기 브랜치에 퀴칭형 SFCLs를 설치하는 것이 제안되며, 보호 재설정이 필요하지만, 복구 중에 지속되는 고임피던스는 일시적 안정성에 도움이 될 수 있는 제동 저항으로 작용할 수 있습니다. SFCLs를 고려한 다양한 거리 보호 설정 방법이 제안되었습니다. 고체 상태 FCLs는 thyristor 트리거 신호, 우회 브레이커 접점, FCL 스위치 위치, GAP 회로를 사용하여 FCL 삽입 후 제로 순서 전류 보호 설정을 전환하여 민감도 문제를 해결할 수 있습니다.

3.2 일시적 전력-각도 안정성에 미치는 영향

FCLs는 일반적으로 정상 작동 중에는 낮은 임피던스, 고장 중에는 높은 임피던스로 작동하지만, 특정 작동 및 구조에 따라 일시적 전력-각도 안정성에 다양한 영향을 미칩니다. 고체 상태 및 초전도 FCLs는 고장 중에 높은 임피던스를 삽입하여 발전기 전자기력을 증가시키고 일시적 안정성을 개선할 수 있습니다.

저항형 FCLs는 인덕턴스형보다 더 많은 발전기 전력을 소모하는 댐핑 저항을 제공하여 안정성을 더 많이 향상시킵니다. 그러나 잘못된 저항 값은 발전기에 역방향 전력 흐름을 일으켜 전력 부족을 악화시킬 수 있습니다. 분석 결과, 발전기로부터 멀리 떨어진 고장의 경우, 인덕턴스형 SFCLs가 총 전송 반응항이 감소함에 따라 더 유익하다는 것을 보여줍니다. 저항형 SFCLs도 특정 저항 값을 넘어서 유사한 특성을 보입니다.

영향은 고장 위치와 유형에 따라 달라집니다. FCLs는 고장이 설치된 선路上的指示似乎被截断了。请提供完整的内容，以便我能够继续翻译。