직류계통의 보호방식

직류계통의 보호방식

도시철도 변전소의 수전 전압은 3상 교류 22.9Kv가 사용되고 있다. 전동차용 전력은 22.9Kv에서 정류용 변압기에 의해 강압되고 정류기에서 교류를 직류로 변환하여 급전용 직류차단기를 거쳐 전차선에 직류 1500V를 급전한다. 전차선의 전압은 도시철도 구간은 직류 1500V로 통일되어 있다.

직류로 변성한 전력을 직류 모선에서 방면별로 직류 고속도차단기(54F)를 거처 급전선로에 공급한다. 또한 대부분의 급전선로는 인근변전소의 급전선로와 병렬로 급전한다.

보호장치로서는 교류측의 변압기의 1차측에 과전류계전기(50/51)를 설치한다. 여기서 51은 과전류 검출 요소로서 한시요소를, 50은 단락사고 검출용으로 순시요소를 가리킨다. 또한 직류측 과부하 보호용으로서 직류고속도차단기 (54) 및 역전류 검출용으로서 역전류 검출계전기(32)를 설치한다.

정류기 용량은 1500KW, 2000KW, 3000KW 및 4000KW 가 많이 사용되고 있다. 또한 정격은 D종(정격출력시 연속 사용가능, 150%부하에서 2시간, 300%부하에서 1분간 견디는 것)이 주로 사용되고 있다.

급전회로의 보호장치는 직류 고속도차단기의 자동차단(과전류 차단)의 조건을 병열 급전의 대향 변전소에 보내어 대향 차단기를 차단하는 연락 차단장치(85F)외에 전류의 증가분과 시작하는 때의 돌진율로 운전전류와 사고전류를 판별하여 차단시키는 급전선 고장선택장치(50F : 도시철도의 경우 PCU - P6000)가, 지락보호장치로서는 부극(-)과 대지간에 직류지락계전기(64P)를 설치하고 지락 발생시에 대지전위의 상승을 검출하고 해당 변전소의 직류 차단기를 전부 차단시킨다. 이외에 피뢰기(LA)나 전류, 전압 측정용 변성기(분류기와 MIU) 및 계기가 있다. 이중에서 역전류계전기(CR3)와 급전선 고장선택장치(PCU-P6000) 및 직류지락계전기(64P)에 대하여 알아보도록 하겠다.

 

[직류계통 단선도]

1. 역전류 계전기(CR3)

이 장치(CR3-E)는 정방향성을 갖는 직류고속도 차단기를 사용하는 경우에 적용하는 계전기로써 직류모선으로 과전류가 흐르는 경우에는 동작하지 않고, 직류모선에서 정류기로 과전류가 흐르는 경우에 동작하는 계전기이다. 직류 역전류계전기와 직류고속도 차단기를 정류기의 직류 출력 측에 설치하여 정류기 과부하시에는 동작하지 않고 정류기 내부 단락 등의 사고시 정류기 내부로 흐르는 유입전류를 차단하여 사고의 확대를 방지한다.

 

가. 결선도

나. 동작특성

션트의 단자나 전압브리지 회로를 통하여 수급되어 변조된 입력 전압은 고절연 변압기 1차측에 유기되며 2차 전압은 다시 변조(복조)되어 필터링한 후 출력신호로 공급된다.

출력회로는 전력 증폭기(POWER AMPLIFIER)에 의해 고정밀 연산 증폭기로 만들어지고 이 회로는 부동성부하(Floating load)인 전압 발생기 또는 전류 발생기로 동작한다.

 

[CR3 동작특성 그래프]

 

ㅇ표준감도범위 : 4 ～ 21mV

(전위차계 R33에 의해서 조정)

 

ㅇTAP은 1～10까지 조정가능하며 SHUNT비에 따라 동작전류는 변화한다

TAP	입력전압[mV]	전 류[A]	TAP	입력전압[mV]	전 류[A]
1	5.7	760	6	14.2	1893
2	7.4	987	7	15.9	2120
3	9.1	1213	8	17.6	2347
4	10.8	1443	9	19.3	2573
5	12.5	1667	10	21	2800

※ SHUNT비가 4000A/30mV일 경우

2. 64P 계전기

가. 64P의 회로구성 및 동작원리

우리나라 지하철도구간에는 직류회로의 접지보호 계전기로서 64P계전기가 설치되어 있다. 64P 계전기는 원래 변전소내의 직류 지락보호를 주목적으로 한 것이나 직류회로 접지사고시 이를 검출할 수 있다. 64P 계전기 회로 구성은 지하철 1,2,3,4호선 변전소에 설치한 것과 도시철도 5,6,7,8호선 변전소에 설치된 것이 조금 다르나 그 기본 원리는 같다. 양쪽을 같이 살펴보기로 하자(도시철도 64P 계전기 설치도 참조).

이것은 애초의 설치 목적은 변전소내에서 직류 주회로가 지락한 경우에 대지전위 가 상승하는 현상을 이용하여 지락 고장을 검출하기 위한 것으로서, 직류 전압계전기의 플러스(+)측을 변전소 접지 간선에 접속하고, 마이너스(-)측을 부극모선(귀선 레일)에 접속하여 접지 간선의 부극 모선에 대한 전위 상승이 어느 일정치(整定値)를 넘은 경우에 직류 지락을 검출하여 판정하는 방식이다.

 

나. 운용

직류 지락이 발생하면 큰 피해로 연결되는 경우가 있기 때문에 대부분 차단기를 개방할 필요가 있다. 64P가 동작하면 변전소의 보호연동으로 전정류기(全整流器)의 교류측 및 직류측 차단기를 병행하여 全方向의 급전 차단기를 개방시킨다. 동시에 이들을 전력 사령실에서 개방시켜 직류 주회로는 전정전시킨다. 또한 운용상의 문제이지만 복구조작을 신속히 하기 위하여 64P의 쇄정은 행하지 않을 수도 있다.

64P는 동작 원리상 변전소 이외의 급전회로 등의 지락시에도 동작하기 때문에 복구에 있어서 우선 지락점이 변전소의 내부인가 아니면 외부인가를 판정을 행할 필요가 있다. 복구 조작은 잠시 기다렸다가 정류기를 1대 운전시켜 지락점이 변전소인가 어떤가를 판정한다. 운전으로 간 경우는 급전용 차단기를 구간 마다 투입한다.

또한, 급전회호의 지락에서는 50F(ΔI)로 검출 가능한 경우도 있기 때문에 이 경우는 그 구간에서 먼저 투입하고 지락점의 판정을 행한다. 또 64P 표시의 변전소에 보수 요원이 입소중인 때 및 급전 계통에 전차선이 있는 경우는 현지와 직접 연락을 행하고 안전을 확인하고 복구 조작을 행하고 있다.

 

다. 64P의 동작상황

본래의 64P의 설치 목적인 변전소내 직류 지락 사고는 과거 1건도 발생하지 않았고 동작 원인은 거의 변전소 외 급전회로의 사고이다. 사고예로서는 가공선 구간에서의 은박지 풍선(도전성 알미늄 풍선)에 의한 지락 사고가 있다. 이것은 승객이 승강장내에 가지고 온 은박지 풍선응 잘못하여 공중에 날려 보내고 이것이 갱내에 날라다니다가 강체 전차선과 지지금구에 접촉하여 지락사고를 일으킨 경우이다.또한 지상부의 카테나리 전차선 구간에서 급전용 아레스타(피뢰기)선이 강풍에 흔들려 가태(架台)에 지락시킨 예도 있다. 어느 경우의 지락도 고장이 계속되는 경우는 없고 순간의 지락이어서 곧 바로 복구되는 것이 특색이다.

64P는 이들 변전소 외 급전회로의 순간 지락에 대해서도 유효한 보호를 행하고 있다. 이와 같은 지락 사고에서는 64P 동작 변전소가 복수(2 ~ 3개소)로 되는 경우가 많고 전차선의 정전 범위도 광범위하게 되어 열차운전에 큰 영향을 주는 경우도 많다. 64P는 본래의 설치 목적인 변전소내 직류 지락 검출 외에 정류기용 변압기 2차측 및 변전소 외 급전회로의 지락 검출도 가능한 경우가 있어 이들의 백엎 설비로 쓰는 방법도 많다.

그러나, 동작시는 많은 승객을 당황시키기 때문에 본래의 목적인 변전소내 지락보호 만을 행하고 변전소 외 급전회로의 보호는 50F(ΔI)로 하는 것이 이상적이다. 50F는 회선마다 설치되어 있기 때문에 해당 구간 만의 정전으로 다른 열차운전에의 영향은 적다. 금후의 검토 과제로서는 64P와 50F의 보호협조가 대두된다. 급전회로의 지락은 제1단계로서 50F로 검출한다. 지락전류가 적어 50F로서는 검출할 수 없는 경우는 제2단계로서 64P로써 검출시키는 경우도 있지만 여태까지의 동작 상황에서 64P의 동작 회수를 감하는 것이 가능한 것 같다.

이 때문에 50F는 순시동작, 64P는 한시 동작으로 할 필요가 있다. 64P의 동작시간을 0.1초 정도 지연시키면 이 보호협조는 행하지고 또 변전소내 지락 및 50F로 검출할 수 없는 변전소외 급전회로 지락시에도 0.1초 정도의 지연으로 설계되어 설치된 DUR2 장치가 6호선과 7호선 2단계 구간에서 운영하고 있다.

 

3. MIU(Measuring Amplifier With Garvanic Insulation)

전류 또는 전압 측정용 장치인 MIU는 직류 또는 교류 전압 증폭기로서 입력측과 출력측이 전기적으로 절연되어 있다.

기본동작원리는 입력측에 입력된 전류(I)는 분류기(Shunt)에 의하여 4000A/30mV의 비율로 전압파형으로 변성되고, 그것은 변조기(Modulator)에 의하여 구형파(Square-wave)로 변조된다. 그 구형파는 변압기에 의하여 변성되고 다시 복조기(De-modulator)에 의하여 복조되어 연산증폭기의 입력측에 인가된다. 연산증폭기에 입력된 전압 파형은 탭에 따라 정해지는 연산증폭기의 귀환 저항값에 의해 출력전압이 정해진다. 그리고, 변조기와 복조기는 시스템의 발진기(Oscillator)에 의하여 동기화(Synchronized)되어 있다.

 

가. 입력

MIU의 입력전압은 분류기나 전압 브리지의 단자를 통하여 접속된다. 그 입력된 전압은 변조기에 의해서 변조되고, 다음에 그 것은 변압기의 1차측 단자에 접속되는데 그 변압기는 전기적인 절연을 확실히 한다.

변압기 2차측 단에 접속된 전압은 복조되고 여파되어 출력 신호에 공급되기 위하여 증폭된다.

나. 출력

출력회로는 전력변압기(Power Amplifier)와 그 뒤에 연결된 매우 높은 정밀도를 가진 연산 증폭기로 이루어져 있다. 이 회로는 부동부하(浮動負荷)가 접속되는 전압 발생기 또는 전류발생기로서 작동한다.

 

4. 급전선 고장선택장치 (PCU - P6000)

이 보호장치는 16비트 마이크로 프로세스(Micro Processer)를 응용한 전자장치로 이 장치에는 직류차단기를 설치한 급전선로에서 개별로 제어되는 감시기능과 보호기능을 가지고 있으며 각 유니트(Unit)는 단독으로 동작할 수 있을 뿐만 아니라 전 회로를 콘트롤하는 중앙장치로 RS-485 프로토콜에 의해 정보를 전달할 수 있다.

SHUNT로부터 전류입력을 받아 설정된 시간과 전류변화율(di/dt)을 근거로 그 전류차를 계측하여 설정값을 상회하면 사고로 인지하여 차단기를 차단시킨다.

◦ 과부하의 최대 플러스전류(Imax+)

◦ 과부하의 최대 마이너스전류(Imax-)

◦ DDL delta I 및 T

◦ 섹션보상 기능이 있다.

 

가. 과부하에 의한 Imax-, + 보호

ㅇ Imax+ 보호(과부하 및 회로 단락)

급전선에 흐르는 전류 Id를 분석하여 선로상의 사고를 검출한다.

만약 Id > Imax+ 이고 측정시간 t(s) > T+ 이면 차단기는 트립된다.

여기서 Imax+는 순방향 전류이다. 아래 그림에서 t1〈 T+〈t2

ㅇ Imax- 보호(과부하 및 회로 단락)

이기능은 역전류를 감지기능으로 급전선에 흐르는 전류 Id를 분석하여 선 로의 사고 검출, 전류 Id > Imax-이고 측정시간 t(s) > T- 이면 차단기가 트립된다. 단 Imax-는 역방향 전류이다.아래 그림에서 t1〈 T-〈t2

나. DDL delta I 및 T

HSCB가 투입된 후 Feeder에 흐르는 전류 If를 측정한다.

기울기 di/dt를 계산하여 셋팅 초기값 E와 F를 비교한다.

di/dt가 기울기 E 이상이면, 시간과 전류 증가분 ΔI를 측정하기 시작한다.

ΔI가 셋팅 된 DI이상이면 TΔI 시간지연 후 ΔI를 감지하여 트립하거나, 전류시간이 셋팅된 시간 T 이상, 측정값 ΔI가 ΔImin 이상이면 T를 감지하여 트립한다.

ΔI나 ΔT를 감지하기 전에 di/dt가 기울기 F이하이면, ΔI와 ΔT를 측정하여 자동으로 0값에 재 셋팅된다.

ㅇ DDL E

               V                           1600V

DDL : ---------- = ------------------------------ = 100KA

           L×Km            2mH / Km × 8Km

                  V                        R      1             1

L------> ---------- = I ×R(---- = --- = -----------)

               L × Km                L       τ         sec  

                

 

R ～ 0.08Ω/Km,

L ～ 2mH/Km,

ℓmax = 8Km

100KA의 50%로 설정 : 48 [KA/S]

 

ㅇ DDL F [5～30KA/S]

 

SETTING 값 : 12KA/S

 

DDL E (처음 기울기), DDL F(나중기울기) ; 전차선과 RAIL에는 항상 리액턴스와 저항 성분이 존재한다.  

OCR이 근거리 사고를 감지하는 기능이 있지만 근접사고시 OCR과 DDL이 같이 동작할 확률이 있고, 사고 구분이 어렵다는 단점이 있다.

ΔI의 SETTING 값

보통 차량기동전류의 70%로 한다.

현 SETTING치:

ΔImin=471A, ΔI=4300A

 

ㅇ 차량기동전류와 사고전류곡선 차이점

－ 사고전류와 기동전류의 전류변화량의 초기 기울기 비교

사고전류의 경우 기동전류보다 초기 기울기 값이 급격히 증가하며 그래프에서 보는 봐와 같이 기동전류는 완만한 상승곡선을 그린다.

－ 기동전류의 경우 사고전류에 비해 초기값은 증가 할수 있으나, 일정시간 경과후 정상전류로 변화하며, 사고전류의 경우 비록 기동전류에 비해 작은 전류일지라도 초기 기울기의 급격한 증가 및 전류변화량의 지속성을 가지고 있다.

 

다. 섹션보상 기능

한 개의 Feeder 안에는 -di/dt가 똑같이 공급되는 인근 변전소 Feeder에서 발생하는 +di/dt와 같으면 PCU에서 감지하여 트립되지 않는다.

ΔI의 SETTING 값

보통 차량기동전류의 70%로 한다.

현 SETTING치: ΔI=4300A

※ 차량기동시 특성곡선(역행시