동남아시아 초고압 전력망에서의 고장전류제한기(FCL)와 단상자동재개폐(SPAR)를 위한 협업 솔루션

1. 소개: 연구 배경 및 의의​
   동남아시아의 빠른 경제 발전에 따라 전력망 규모가 계속 확장되고 부하가 증가하면서 시스템 단락 전류가 회로 차단기의 차단 용량 한계에 가까워지거나 초과하는 경우가 발생하고 있습니다. 이는 전력망 운영의 안전성과 안정성을 심각하게 위협하고 있습니다. 또한, EHV 송전선은 지역 간 전력 연결의 기반을 이루고 있으며, 70% 이상의 고장이 일상 접지 고장이며, 이 중 약 80%는 일시적인 고장(예: 번개, 바람으로 인한 외부 물체)입니다. 단상 자동 재폐합(SPAR) 기술은 고장을 신속히 제거하고 전력 공급을 복원하며 전력망의 안정성과 신뢰성을 보장하는 주요 방법입니다.

고장 전류 제한기(FCLs), 특히 비용 효율적인 금속 산화물 방전관(MOA)형 FCL은 단락 전류를 억제하는 효과적인 조치로 점차 EHV 전력망에 적용되고 있습니다. 그러나 기존 연구는 주로 FCL이 시스템 일시적 안정성 및 계전 보호에 미치는 영향에 집중하여 SPAR 성공률에 미칠 수 있는 잠재적인 부정적인 영향을 간과해왔습니다. 본 제안은 FCL과 SPAR 간의 상호 작용을 심층적으로 분석하고, 동남아시아 전력망에 적합한 협업 제어 전략을 제시함으로써 이러한 연구 격차를 메우려 합니다. 이러한 전략은 효과적인 전류 제한과 신뢰성 있는 전력 공급을 모두 보장합니다.

​1. 금속 산화물 방전관형 FCL의 작동 원리​
이 유형의 FCL은 주로 다음과 같은 구성 요소로 구성되며, 이들은 "정상 작동 중에는 저임피던스이고 고장 발생 시에는 고임피던스"라는 핵심 기능을 달성하기 위해 상호 협력합니다:

작업 흐름: 정상 시스템 작동 중에는 Lf와 Cf가 공진 → FCL 임피던스는 거의 0 → 전력 흐름에 영향 없음. 단락 고장 발생 시, MOA가 빠르게 작동하여 Cf를 단락 → 전류 제한 리액터 L이 시스템에 삽입되어 단락 전류를 억제 → 트리거 갭이 파괴되어 바이패스 스위치 K를 닫는 신호를 보내 → K가 닫힌 후, 전류를 분산하여 MOA를 보호합니다.

​2. 문제 분석: FCL이 2차 아크 전류 및 SPAR에 미치는 부정적인 영향​
2차 아크 전류는 SPAR 작동 중 고장 위상 회로 차단기가 열렸을 때 건전 위상에서의 전자기적 및 정전기적 결합에 의해 고장점에서 지속되는 전류이며, 이 전류의 크기와 특성은 고장 아크가 스스로 소멸할 수 있는지 여부를 결정하며, 이는 SPAR 성공에 매우 중요합니다.

시뮬레이션 분석(EMTP 기반, 모델 매개변수는 중국 남부 500 kV 시스템 참고)에 따르면 FCL 설치는 새로운 문제를 유발할 수 있습니다:

• 바이패스 스위치(K) 타이밍의 영향: 회로 차단기가 트립될 때 바이패스 스위치 K가 열려 있으면, 2차 아크 전류는 큰 진폭(최대 225 A), 느린 감쇠, 매우 낮은 주파수(약 3–3.25 Hz)를 가진 구성 요소를 포함하게 됩니다. 이 낮은 주파수 구성 요소는 전류 제로 교차 횟수를 크게 줄여 아크 자체 소멸을 어렵게 만들고, SPAR 성공률을 크게 낮춥니다.
• 아크 경로 저항(Rg)의 영향: 고장점의 전환 저항이 클 때(예: 300 Ω), 단락 전류가 작아져 선로 끝의 FCL이 작동하지 않을 수 있습니다(MOA가 작동 전압에 도달하지 않음). 이 경우, Cf는 단락되지 않고 선로 병렬 리액터와 함께 낮은 주파수 진동 회로를 형성하여 아크 소멸에 해로운 낮은 주파수 구성 요소를 생성합니다.

​3. 메커니즘 조사: 낮은 주파수 구성 요소의 기원​
등가 임피던스 네트워크와 라플라스 변환을 사용한 이론적 분석은 낮은 주파수 구성 요소의 메커니즘을 밝혀냅니다:
근본적인 원인은 FCL의 콘덴서 Cf입니다. 회로 차단기가 트립되고 고장 위상이 격리된 후, Cf에 저장된 에너지는 병렬 리액터와 고장점 아크 저항을 통해 방전됩니다. 이 방전 회로는 낮은 주파수 진동 회로를 형성하며, 진동 주파수(약 3 Hz)는 주로 Cf와 선로 병렬 리액터 매개변수에 의해 결정되며, 고장 위치와는 크게 관련이 없습니다. 이 낮은 주파수 진동은 바이패스 스위치 K가 닫혀 Cf를 완전히 단락할 때만 제거됩니다.

​4. 핵심 해결책: FCL과 SPAR의 타이밍 조정 전략​
FCL이 효과적으로 전류를 제한하면서 SPAR에 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 본 제안은 다음과 같은 정확한 타이밍 조정 전략을 제시하며, 전체 지속 시간은 0.66–0.73초로 제어됩니다:

전략 핵심: 계전 보호 장치의 회로 차단기 트립 신호를 바이패스 스위치 K를 빠르게 강제로 닫는 명령으로 사용하고, 2차 아크 발생 기간(약 0.2초) 동안 K를 계속 닫아두는 것입니다. 이렇게 함으로써 Cf를 완전히 단락하여 2차 아크 전류의 낮은 주파수 진동 구성 요소를 완전히 제거하고, 아크 자체 소멸에 유리한 조건을 만듭니다.

​5. 방안의 효과성 및 장점​
EMTP 시뮬레이션 결과, 이 타이밍 조정 전략은 다음과 같은 효과를 달성합니다:

1. 낮은 주파수 해로움 제거: 2차 아크 전류의 3 Hz 낮은 주파수 구성 요소를 완전히 제거하여 아크 소멸에 대한 부정적인 영향을 피합니다.
2. 아크 소멸 특성 최적화: 2차 아크 소멸 시간을 약 4.5% 줄이고 전력 주파수 구성 요소 전류를 10.5% 줄여 SPAR 성공률을 크게 향상시킵니다.
3. 호환성 및 신뢰성: 시스템의 원래 전압 복구 특성에 영향을 미치지 않으며, FCL의 안전성(MOA 보호)과 신속한 복구 요구 사항 사이의 균형을 유지합니다.
4. 실현 가능성: 기존 보호 신호를 기반으로 하여 2차 시스템에 최소 수정만 필요하며, 비용이 낮고, 동남아시아 국가의 기존 또는 새로운 EHV 프로젝트에 적합합니다.

​6. 결론 및 권장 사항​
금속 산화물 방전관형 FCL을 계획 중이거나 이미 장착한 동남아시아 EHV 전력망에서는 2차 아크 전류의 낮은 주파수 진동 가능성이 SPAR 성공률을 낮추고 전력 공급 신뢰성을 위협할 수 있으므로 이를 중요하게 고려해야 합니다.