시리즈 공진 고장 전류 제한기: 기존 구성 요소를 기반으로 한 경제적이고 신뢰성 있는 단락 전류 솔루션

1. 소개: 연구 배경 및 핵심 목표

1. 단락 전류 문제의 심각성
   전력망 규모와 용량이 지속적으로 확장됨에 따라 시스템 단락 전류 수준이 급격히 상승하여 기존 장비의 내구 한도를 근접하거나 초과하고 있습니다.
   • 데이터 지원: 국내 일부 500kV, 220kV, 심지어 10kV 변전소에서 예상 단락 전류가 100 kA를 초과하는 것으로 모니터링되었습니다. 주요 전력 공급원에서 단락 전류의 최대 주기 성분은 300 kA에 달합니다.
   • 중대한 위험: 매우 높은 단락 전류는 적합한 고압 회로 차단기 모델 부족, 열 및 전자역학적 힘 한도 초과로 인한 전기 장비 손상, 통신 시스템의 전자기 간섭, 지면 전위 상승, 스텝 전압 등 안전 문제를 초래할 수 있습니다. 이는 전력망의 안전하고 경제적인 발전을 제약하는 주요 기술적 병목 현상이 되었습니다.
2. 기존 FCL 기술의 한계
   현재 주류인 고장 전류 제한기(FCL) 기술은 본질적인 단점으로 인해 대규모 적용이 어렵습니다:
   • 초전도체 FCL: 초전도체 소재에 의존하는 기술로 아직 성숙하지 않으며, 신뢰성이 낮고, 운영 및 유지보수 비용이 높아 경제적으로 유리하지 않아, 단기적으로 공학적 적용이 불가능합니다.
   • 전력 전자 FCL: 전력 반도체 소자의 내전압 및 전류 용량 제한으로 인해 직렬/병렬 전압 및 전류 분배 제어에 어려움이 있으며, 복잡한 시스템 구조(추가적인 전류 제한 구성 요소 및 빠른 보호 회로 필요)와 높은 비용이 특징입니다.
3. 본 연구의 핵심 목표
   위의 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 기존 전기 구성 요소를 기반으로 하는 직렬 공진 고장 전류 제한기 솔루션을 제안하며, 이는 초전도체나 전력 전자가 아닙니다. 특히 두 가지 토폴로지를 연구합니다:
4. 포화 리액터 기반 직렬 공진 FCL
5. ZnO 방전관 기반 직렬 공진 FCL
   본 연구는 전자기 일시적 프로그램(EMTP) 시뮬레이션을 사용하여 그들의 일시적 전류 제한 특성을 깊이 분석하고 비교하여, 기술적 타당성, 경제성 및 운용 신뢰성 측면에서 중요한 장점을 최종적으로 검증할 것입니다.

II. 포화 리액터 기반 직렬 공진 FCL

1. 회로 토폴로지 및 작동 원리
   • 토폴로지 구조: 핵심은 포화 리액터 L_B, 커패시터 C, 그리고 직렬 리액터 L로 구성됩니다. L_B는 C와 병렬로 연결되며, 이 조합은 L과 직렬로 시스템에 연결됩니다.
   • 작동 원리:
   o 정상 작동: 선 전류가 작습니다. L_B는 포화 영역에서 작동하지 않으며 (그것의 등가 인덕턴스 L_B1은 매우 큽니다). C와의 병렬 조합은 인덕티브하게 작동합니다. 직렬 리액터 L과 함께, 이것은 전력 주파수 직렬 공진 조건 (ωL - 1/ωC ≈ 0)을 만족합니다. 장치는 매우 낮은 임피던스를 나타내므로 시스템 손실은 최소화됩니다.
   o 고장 상태: 단락 전류의 급격한 증가는 L_B를 빠르게 포화시킵니다 (그것의 등가 인덕턴스는 L_B2로 급격히 감소합니다). 병렬 가지는 효과적으로 커패시터 C를 단락시켜 공진 조건을 깨뜨립니다. 이 시점에서, 직렬 리액터 L과 포화된 리액터 L_B2가 모두 시스템에 삽입되어 단락 전류를 효과적으로 제한합니다.
   o 고장 해제: 고장이 해제되면 전류가 감소합니다. L_B는 자동으로 포화 상태에서 벗어나, 커패시터가 다시 연결되고, 회로는 공진 상태로 돌아가 외부 전원 없이 자동 스위칭을 달성합니다.
   • 파라미터 선택 원칙:
   o ω²L_B1C >> 1 (정상 작동 중 병렬 가지가 인덕티브하게 작동하도록 합니다)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (정상 작동을 위한 공진 조건을 만족합니다)
   o ω²L_B2C << 1 (고장 중 병렬 가지가 커패시티브하게 작동하여 커패시터를 효과적으로 단락시키도록 합니다)
2. 전류 제한 특성 시뮬레이션 분석 (EMTP)
   220kV 시스템에서 단상 대지 단락 고장 조건 하에서 시뮬레이션을 수행했습니다 (예상 단락 전류 피크: 110kA). 주요 결론은 다음과 같습니다:

III. ZnO 방전관 기반 직렬 공진 FCL

1. 회로 토폴로지 및 작동 원리
   • 토폴로지 구조: 포화 리액터 L_B를 ZnO 방전관으로 교체합니다. 나머지 구조 (병렬 C + 직렬 L)는 변경되지 않습니다.
   • 작동 원리: 포화 리액터 유형과 동일합니다. 정상 작동 중 ZnO는 높은 저항을 나타내고, 회로는 공진합니다. 고장 중 커패시터 전압이 상승하여 ZnO가 도전 (저 저항)하여, 커패시터를 단락시키고 공진을 깨뜨립니다. 직렬 리액터 L이 전류를 제한합니다. 고장 해제 후 시스템은 자동으로 복구됩니다. 전체 과정은 ZnO의 비선형 전압-전류 특성을 이용하여 자동 스위칭을 실현합니다.
2. 전류 제한 특성 시뮬레이션 분석
   동일한 시스템 조건 하에서 시뮬레이션을 수행하여 얻은 주요 결론은 다음과 같습니다:

IV. 두 FCL 방안의 종합 비교

V. 결론

본 연구는 기존 구성 요소를 기반으로 하는 두 가지 혁신적인 직렬 공진 고장 전류 제한기 솔루션을 제안함으로써, 기존 초전도체 및 전력 전자형 FCL의 기술적 및 경제적 병목 현상을 성공적으로 극복하였습니다.

1. 포화 리액터 FCL: 코어 히스테리시스 루프 특성의 세심한 최적화, 포화 인덕턴스 값(L_B2)을 커패시터 반응의 약 1/3으로 설정하고, 커패시터 및 직렬 리액터 파라미터와의 좋은 조정을 통해 커패시터 과전압을 효과적으로 억제하고 우수한 일시적 전류 제한 성능을 달성할 수 있습니다. 특히 110kV 같은 중저압 수준의 전력망에 적합합니다.
2. ZnO 방전관 FCL: ZnO의 비선형 특성을 활용하여 커패시터 과전압을 쉽게 제한할 수 있으며, 단락 위상각에 따른 성능 변화가 없습니다. 그러나 L 값이 너무 클 경우 직렬 리액터 자체의 과전압을 피해야 합니다. 커패시터 안전성에 대한 요구 사항이 높고 중간 수준의 전류 제한 요구사항이 있는 경우에 더 적합합니다.