전력 시스템에서의 단락 전류 제한 및 고장 전류 제한기(FCL)의 적용

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전력 시스템의 발전과 증가하는 부하 수요에 따라 대용량 발전 기기와 변전소 장비, 특히 부하 중심지에 위치한 대형 발전소와 대규모 전력 시스템 간의 상호 연결이 이루어짐에 따라 단락 전류 수준이 지속적으로 상승하고 있습니다. 효과적인 제한 조치 없이는 이러한 추세가 새로운 변전소 설비 투자를 크게 증가시키는 것은 물론 기존 변전소 시설의 통신선과 파이프라인에도 심각한 영향을 미쳐 개조 및 업그레이드를 위한 막대한 자금이 필요하게 됩니다.

시스템 개발 초기에는 시스템 용량이 작고 단락 전류 수준이 낮아 스위칭 장치 교체로 단락 전류 증가를 해결할 수 있으며, 이 시점에서 다른 변전소 장비는 충분한 여유를 가지고 있습니다. 그러나 전력 시스템 용량이 크고 단락 수준이 높으며, 시스템 상호 연결이나 추가 용량 확장으로 인해 단락 전류가 계속해서 상승하는 경우, 단순히 회로 차단기를 교체하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 기존 변전소에서는 회로 차단기뿐만 아니라 주 변압기, 분리기, 계측 변환기, 모선, 절연자, 구조물, 기초, 접지 시스템 등의 강화나 교체가 필요할 수 있으며, 통신선은 차폐가 필요하거나 심지어 지중 통신 케이블로 전환될 수도 있습니다.

여러 요인으로 인해 220kV 그리드에 새로운 대용량 발전 기기와 발전소가 계속 통합되면서 단락 전류 수준이 너무 빠르게 증가하고 있습니다. 많은 220kV 회로 차단기, 심지어 전체 변전소의 차단 용량과 동적 안정성 성능이 상승하는 단락 수준에 맞추지 못하여 심각한 기술적이고 경제적인 도전 과제를 초래하고 있습니다. 따라서 단락 전류 제한에 대한 연구가 시급합니다.

​1 전통적인 전류 제한 조치와 그 한계​
단락 전류 제한은 시스템 구조, 운영, 장비의 관점에서 다룰 수 있습니다. 전통적인 조치는 다음과 같은 범주로 나눌 수 있지만, 각각이 중요한 한계를 가지고 있습니다:

• ​a. 그리드 구조 조정​
  고전압 그리드 개발, 저전압 그리드/모선 분할, 그리드 분리 등을 포함합니다.
• 고전압 그리드 개발: 큰 투자가 필요하며 환경 문제를 야기합니다.
• 저전압 그리드 분할/분리: 실행이 간단하고 단락 전류 제한 효과가 크지만, 시스템 안전 여유를 줄이고 운영 유연성을 제한하므로 필요한 상황에만 적합합니다.
• ​b. 직류 상호 연결 기술​
  직류 상호 연결은 단락 전류를 크게 줄일 수 있지만 양쪽 변환소의 투자가 매우 높습니다. 짧은 거리와 낮은 전력 교환이 있는 경우 이 솔루션은 경제적으로 실현 가능하지 않습니다.
• ​c. 고 임피던스 변압기​
  저전압 측에서 단락 전류를 제한하기 위해 고 임피던스 변압기를 사용하는 것은 일반적으로 채택되는 조치입니다. 그러나 이러한 변압기는 정상 상태 운전 중에 더 높은 손실을 나타내어 시스템 경제성을 저하시킵니다.
• ​d. 직렬 리액터​
  직렬 리액터는 제작 기술이 성숙되어 있고 명확한 전류 제한 효과가 있어 이미 발전소 보조 시스템과 10-35kV 변전소에서 사용되고 있습니다. 그러나 초고압 시스템에서의 적용은 네트워크 손실을 증가시키고 시스템 안정성을 감소시켜 적합성이 제한됩니다.
• ​e. 장비 용량 확장 및 개조​
  회로 차단기 교체와 기존 변전소의 고용량 단락 전류 처리를 위한 개조는 직접적인 해결책이지만, 높은 투자와 복잡한 공사로 인해 경제 효율성과 시기 적절성이 떨어집니다.

전통적인 조치의 중요한 한계를 고려할 때, 현대 전력 시스템에 적응할 수 있는 새로운 전류 제한 장치 개발이 필수적입니다. 단락 전류 제한기(FCL)가 이러한 해결책으로 등장했으며, 유연한 교류 전송 시스템(FACTS)의 중요한 구성 요소이기도 합니다.

​2 전력 시스템에서의 단락 전류 제한기(FCL)의 응용​

​2.1 FCL의 모델과 기본 원리​
FCL의 기본 원리는 직렬 리액터 전류 제한 기술에서 파생되었으며, 전력 전자 기술을 통해 전통적인 직렬 리액터의 단점을 극복했습니다(예: 정상 상태 손실이 높고 시스템 안정성에 영향을 미침). 그 핵심 모델은 "정상 상태에서는 반항이 없고, 고장 시에 신속하게 반항을 삽입하여 전류를 제한한다"로 요약할 수 있습니다.

• 정상 상태: 스위칭 장치가 닫혀 있어 FCL의 등가 임피던스는 거의 0이며, 시스템에 영향을 미치지 않습니다.
• 고장 상태: 스위칭 장치가 신속하게 열려 전류 제한 리액터가 삽입되어 단락 전류를 억제합니다.

FCL의 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

1. 고속 단락 전류 감지 요소: 시스템 전류를 실시간으로 모니터링하여 단락 고장을 신속하게 식별합니다.
2. 고속 스위칭 장치: 고장 시 신속하게 "반항 없음"과 "반항 있음" 상태 사이를 전환합니다.
3. 전류 제한 리액터: 핵심적인 전류 제한 구성 요소로, 임피던스를 통해 단락 전류를 억제합니다.
4. 과전압 보호 요소: 고장 스위칭 중 발생하는 과전압을 방지하여 시스템 장비를 보호합니다.

​2.2 FCL의 기능 및 설계 요구 사항​

​2.2.1 FCL의 핵심 기능​
FCL은 전력 시스템에서 단락 전류 제한을 위한 새로운 접근 방법이며, 현대 전력 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 그 장점은 다음과 같습니다:

• 회로 차단기 부담 줄이기: 높은 전압 수준은 더 크고 차단하기 어려운 고장 전류를 의미합니다. FCL은 회로 차단기의 차단 전류를 직접적으로 줄여 장비 수명을 연장합니다.
• 시스템 안정성 향상: 단락 전류를 신속하게 제한하면 선로 전압 강하와 발전기의 비동기화 확률을 줄여 전력 각도, 전압, 주파수 안정성을 향상시킵니다.
• 장비 및 선로 활용도 증가: FCL이 단락 전류 피크 전에 작동하면 열 및 동적 안정성 한도 요구사항을 줄여 실제로 선로의 전송 용량을 증가시킵니다.
• 전압 품질 최적화: 고장 해제 전의 신속한 전류 제한은 고장이 없는 선로의 전압 강하 시간을 단축하여 그리드 전압 안정성을 보장합니다.
• 주변 시설에 대한 간섭 감소: 고전압 그리드에서 단락 전류를 제한하면 인근 통신선과 철도 신호 시스템에 대한 전자기 간섭을 줄입니다.

​2.2.2 FCL의 설계 요구 사항​
전력 시스템의 운전 특성에 적응하기 위해 FCL은 다음 설계 표준을 충족해야 합니다:

• 정상 상태에서는 시스템에 영향을 미치지 않음 (전압 강하가 거의 0).
• 고장 시 신속한 응답 (1-2 ms 내), 피크 및 정상 상태 단락 전류를 제한하면서 과전압과 같은 부작용 없음.
• 고장 해제 후 자동 재설정 (수동 개입 없음).
• 보호 릴레이의 정상 운전 논리에 간섭하지 않음.
• 합리적인 비용과 높은 비용 효율성, 유틸리티 공학 응용 프로그램 요구 사항 충족.

​2.3 다양한 FCL 구현 방안 비교​

​2.3.1 방안 비교​

• ​결론: 신소재 기반(특히 초전도) 및 전력 전자 기반 FCL은 현재 최적의 솔루션입니다. 전자는 간단하고 신뢰성이 높지만 소재 기술에 의존하며, 후자는 강력한 제어 가능성을 제공하며, 전력 전자 비용이 감소함에 따라 공학적으로 가능해져 가장 유망한 R&D 방향이 되었습니다.

​2.5 FCL의 미래 연구 방향​
FCL의 미래 연구는 "성능 최적화, 기능 통합, 공학적 적응"에 집중해야 합니다. 주요 방향은 다음과 같습니다:

1. 지속적으로 조정 가능한 임피던스 컨버터: 현재 "두 가지 상태의 임피던스(0 또는 무한)" 제한을 넘어, 고장 전류가 클수록 더 높은 임피던스를 동적으로 일치시키는 반응성 있고 지속적으로 조정 가능한 임피던스 컨버터를 개발합니다. 또한 전력 인자 보상과 과전압 흡수를 결합하고, 제어 이론(예: 음의 피드백, PID 제어)을 사용하여 시스템 자동화를 향상시킵니다.
2. FACTS 컨트롤러와의 통합: FCL을 다른 FACTS 구성 요소(예: SVG, SVC)와 결합하여 종합적인 제어 장치를 개발하여 전체적인 비용 효율성을 향상시키고, 제어 가능한 교류 전송 및 배전 시스템을 진전시킵니다.
3. 핵심 기술 돌파구:
• FCL이 전력 시스템 안정성에 미치는 영향 메커니즘.
• FCL과 보호 릴레이 간의 조정 논리.
• 초고속 고장 신호 감지 시스템 및 컨트롤러의 최적화.
• FCL이 전력 품질(예: 고조파, 전압 변동)에 미치는 영향 및 완화 조치.

​3 결론​

• a. 전력 시스템에서의 단락 전류 제한은 긴급히 해결해야 하는 중요한 문제가 되었습니다. 새로운 보호 장치인 단락 전류 제한기(FCL)는 효과적인 해결책을 제공하며, 현대 그리드에 적응할 수 있는 FCL 개발은 중요한 이론적이고 공학적인 가치를 가집니다.
• b. 전력 전자 기반 FCL은 이미 이론적 기초와 공학적 실용성을 갖추고 있습니다. 우수한 제어 성능과 전력 전자 장치의 비용 감소는 광범위한 발전 가능성을 예고합니다.
• c. FACTS/CusPow 기술의 발전에 따라, FCL은 FACTS 가족의 핵심 구성원으로서 전송 및 배전 그리드의 전류 제한 문제를 독립적으로 해결할 뿐만 아니라, 다른 FACTS 컨트롤러와 협력하여 제어 가능한 교류 전송 및 배전 시스템의 발전을 더욱 촉진해야 합니다.