고압 변전소의 고장 전류 제한기 신뢰성 분석

1 소개

전기 에너지에 대한 수요가 급속히 증가함에 따라 발전, 송전, 배전 시스템도 그에 맞게 발전해야 합니다. 이러한 발전의 주요 문제 중 하나는 단락 전류의 급격한 증가입니다. 단락 전류의 증가는 다음과 같은 여러 위험을 초래합니다:

• 고장 경로에 직렬 연결된 장치의 과열;
• 전류 차단 중 일시적 및 회복 전압의 증가, 이는 절연 시스템을 손상시킬 수 있습니다;
• 코일 기반 장비(예: 변압기, 발전기, 리액터)에서 극도로 높은 기계적 힘의 발생;
• 고장 전류의 크기와 제거 시간에 따라 시스템 불안정 가능성;
• 기존의 회로 차단기는 증가된 고장 전류를 차단할 수 없어 비싸고 시간과 돈이 많이 드는 교체가 필요하게 됩니다; 이러한 비용을 피하기 위해 병렬 전력 변압기를 제한하거나 시스템 상호 연결성을 줄일 수 있지만, 이는 송전 용량과 시스템 신뢰성을 저하시킵니다;
• 증가한 고장 전류로 인해 수정 작업이 지연되어 정전 시간이 길어지고 경제적 손실이 커집니다;
• 그리드 신뢰성 감소.

현재 이러한 영향을 완화하기 위한 세 가지 주요 해결책이 있습니다:

• 최소 고장 확률을 가진 그리드 구조를 건설하는 것;
• 더 높은 차단 용량을 가진 회로 차단기를 사용하거나 약한 차단기를 더 강력한 것으로 교체하는 것;
• 그리드를 수정하여 단락 전류 수준을 줄이는 것. 이러한 해결책들은 일반적으로 최적의 네트워크 설계를 달성하면서 시스템 신뢰성을 수용 가능한 범위 내에서 유지하기 위해 조합으로 사용됩니다. 그러나 고장 가능성은 완전히 제거될 수 없으며, 계속해서 증가하는 단락 전류를 기반으로 전력 장비를 설계하는 것은 상업적으로 실현 가능하지 않습니다. 세 번째 해결책은 다음과 같이 나눌 수 있습니다:
  • 시스템 상호 연결성을 줄이는 것(예: 버스 분할);
  • 고장 전류 제한기(FCLs) 적용.

더 높은 차단 용량을 가진 회로 차단기를 교체하는 것은 비용이 많이 들고 특정 경우에 실행 불가능할 수 있습니다. 또한, 보호 시스템은 릴레이 사양에 따라 고장 감지를 지연합니다. 회로 차단기 작동 및 아크 소멸은 즉시 이루어지지 않으며, 일반적으로 고장을 완전히 제거하기 위해서는 3-5 사이클이 필요합니다. 따라서 고장 후 첫 2-8 사이클 동안 매우 높은 전류가 고장 경로의 직렬 장치를 통과하며, 이 짧은 기간 동안에도 특히 첫 사이클에는 고장 전류의 직류 성분이 특히 높아 파괴적일 수 있습니다.

버스 분할과 시스템 상호 연결성 감소는 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 고려될 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 전송 용량 감소, 전력 흐름 변화, 손실 증가 등의 다른 운영적 도전과제를 초래합니다. FCLs의 필요성은 비싼 비용과 취약한 장비를 보호하기 위한 것입니다. 일반적으로 모든 제안된 FCL 전략은 고장 시 직렬 경로에 높은 임피던스를 삽입하는 것에 기반하며, 구현 방법만 다릅니다. 이상적인 FCL의 바람직한 특성은 일반적으로 다음과 같습니다:

• 정상적인 전력 시스템 조건에서는 매우 낮은 임피던스;
• 고장 시 높은 임피던스 삽입;
• 고장 전류의 직류 성분을 제한하기 위한 빠른 작동;
• 짧은 시간 내에 여러 번 작동하고 자동 복구할 수 있는 능력;
• 전력 시스템에 하모닉을 도입하지 않는 것;
• 일시적 과전압 최소화;
• 높은 신뢰성.

2 고장 전류 제한기의 신뢰성

변전소에서 FCLs의 적용은 일반적으로 두 가지 주요 이유로 동기부여됩니다:

• 설치된 회로 차단기를 더 높은 단락 용량을 가진 것으로 교체하는 비싼 해결책을 피하기 위함;
• 운영 또는 신뢰성 문제로 인해 버스 분할을 피하고 변전소 구조를 유지하기 위함. 현재 FCLs의 신뢰성 특성에 대한 신뢰할 수 있는 출처나 참고 자료는 없습니다; 따라서 본 연구에서는 기술적 특성을 고려하여 이 문제를 분석하려고 합니다. 일부 FCLs는 매우 복잡한 기술을 사용하여 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

FCLs의 다양한 유형이 있으며, 공진형 및 초전도형 FCLs가 더욱 두드러집니다.

A. 공진형 FCLs

공진형 FCLs의 다양한 구성을 제안했습니다. 일반적으로 직렬 공진형 및 병렬 공진형 FCLs로 분류됩니다. 공진형 FCLs는 고장 제한에 유리한 여러 특성을 가지고 있습니다:

• 전류 차단 없이 작동;
• 고장에 대한 빠른 반응;
• 고장 기간 동안 단락 전류를 운반할 수 있는 능력;
• 초기화 능력.

그러나 공진형 FCLs는 일반적으로 여러 구성 요소로 구성되며, 전체 신뢰성은 각 구성 요소의 정확한 작동에 의존합니다. 또한, 일부 공진형 FCLs는 외부 트리거 장치가 필요하므로, 단락을 감지하고 트리거를 시작하기 위해 추가 구성 요소가 필요합니다. 이는 시스템의 복잡성을 증가시키고 신뢰성을 감소시킵니다. 따라서 자기 트리거되는 FCLs가 더 신뢰성이 높습니다.

B. 초전도형 FCLs

공진형 FCLs에 비해 초전도형 FCLs는 구성 요소가 적고 자기 트리거됩니다. 고장 전류 제한 전략은 초전도 재료의 자연적인 행동에 기반한 간단한 것입니다. 초전도 상태는 매우 낮은 온도에서만 존재하므로, 초전도형 FCLs는 추가적인 냉각 장비가 필요하며, 이는 투자 비용을 증가시킵니다. 본 논문에서 제안된 개념은 FCL 적용이 변전소 신뢰성에 미치는 영향을 평가하는 데 한정됩니다.

3 FCLs의 고장 모드

고압 변전소의 다른 구성 요소들과 마찬가지로, FCLs도 고장 모드를 나타내며, 이를 고려하여 FCLs를 포함한 송전 변전소의 신뢰성을 평가해야 합니다. 이 섹션에서는 다양한 유형의 FCLs의 고장률을 비교합니다.

완전한 시스템의 신뢰성과 그 하위 시스템의 수 사이에는 기본적인 관계가 있으며, 모든 하위 시스템이 정확하게 작동해야 원하는 전체 기능을 달성할 수 있습니다.

• A. 활성 고장 모드
• B. 수동 고장 모드
• C. 고정 고장 모드

명백히, 트리거 시스템을 필요로 하는 FCLs(외부 트리거 FCLs)는 더 높은 고장률을 가집니다. 일반적으로, 트리거 또는 코미테이션을 포함하는 모든 FCLs는 여러 개의 스위칭 장치의 순차적인 작동을 필요로 하며, 정확한 동기화와 조정이 필요하므로, 전통적인 회로 차단기에 비해 크게 복잡해집니다.

공진형 FCLs(외부 및 자기 트리거 모두)에서는 작동 조건(예: 온도)의 변화나 정격 조건 이외의 작동으로 인해 공진 요소의 특성이 변함에 따라 고정 고장 모드가 발생할 수 있습니다.

초전도형 FCLs는 과도한 냉각이 거의 발생하지 않으므로, 이러한 고장 모드는 거의 발생하지 않습니다. 따라서 초전도형 FCLs는 본질적으로 이러한 고장 모드가 없다고 말할 수 있습니다. 대부분의 경우, 초전도형 FCLs는 예측 가능한 매개변수로 설계되고 수천 번의 활성화 및 복구 사이클을 견딜 수 있습니다. 또한, 더 작은 FCLs를 사용하면 신뢰성과 전류 제한 능력을 동시에 향상시킬 수 있습니다. 표 1은 다양한 FCL 유형의 다양한 고장 모드 발생률을 간략하게 비교합니다.

4 실제 적용

도 1에 표시된 샘플 변전소는 FCLs의 구현이 변전소 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해 사용됩니다. 유지보수 중에는 버스 분할 회로 차단기를 사용하여 보호 계획을 관리하고 변전소 구성을 유연하게 하는 것이 일반적인 관행입니다. 변전소의 고장 전류 수준이 회로 차단기의 차단 용량을 초과하는 경우, 버스 분할 차단기를 FCL로 교체하는 것이 가능한 해결책이 됩니다. 실제로, 인터버스 FCL은 FCLs의 가장 일반적인 응용 중 하나입니다.

330 kV 버스에 연결된 모든 부하가 동일하다고 가정합니다. 신뢰성 평가는 왼쪽 330 kV 버스의 부하 1과 오른쪽 330 kV 버스의 부하 5에 집중됩니다. 부하 신뢰성은 다음 지표를 사용하여 평가됩니다: (1) 부하 손실 확률(%); (2) 연간 정전 시간(U). 330 kV 버스는 완전히 신뢰성이 있다고 가정합니다. 불필요한 계산을 피하기 위해, 세 개 이상의 구성 요소가 동시에 실패하는 고장 모드는 고려하지 않습니다. 이러한 고장 모드의 발생률이 매우 낮으므로, 이 가정은 큰 오류를 초래하지 않습니다.

표 2는 구성 요소의 고장률과 수리 시간을 보여줍니다. 초기 분석을 위해, 왼쪽 330 kV 버스와 관련된 신뢰성 지표를 계산하기 시작합니다. 포괄적인 비교를 위해 이론적으로 L1부터 L7까지의 모든 부하 지점의 신뢰성 지표를 계산해야 합니다. 그러나 이러한 부하들이 유사하고 동일한 버스에 연결되어 있으므로, 유사한 고장 모드를 가질 것입니다. 따라서 왼쪽 버스의 부하 지점 1(L1)과 오른쪽 버스의 부하 지점 5(L5)의 신뢰성 지표만 계산하면 됩니다.

앞서 언급했듯이, 분석을 위해 두 가지 확률 지표를 사용합니다: 부하 손실 확률(f/yr)과 연간 정전 시간(시간/년, A). 이러한 지표는 단일 구성 요소의 고장 경우에 대해 평가됩니다.

두 개의 구성 요소가 동시에 실패하는 경우, 등가 고장률(λₑ), 평균 정전 시간(r), 연간 정전 시간(u)은 다음과 같이 표현됩니다:

세 개의 수준에서 동시에 실패하는 경우, 다음과 같이 표현됩니다:

모든 고장 모드를 고려하면, 전체 고장률과 연간 정전 시간은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

표 3은 부하에 대한 신뢰성 분석 결과를 보여줍니다.

이제 다른 230 kV 버스의 피더에 대해 동일한 계산을 수행합니다. 표 4는 부하 지점 LS와 관련된 결과를 보여줍니다.

5 결론

본 논문은 고장 전류 제한기(FCLs)의 적용을 통해 변전소 신뢰성을 향상시키는 방법을 제시하고, 신뢰성 계산을 위한 수학적 모델과 절차를 설명하며, FCL 구현이 변전소 신뢰성에 미치는 영향을 평가합니다. 결과는 FCLs를 사용하여 변전소 신뢰성이 향상됨을 나타냅니다. 또한, FCL의 활성 고장률, 수동 고장률, 수리 시간 등의 다양한 매개변수가 신뢰성 지표에 미치는 영향을 검토하기 위한 민감도 분석도 수행되었습니다.