양회장 블로그

UPFC (종합조류제어기, Unified Power Flow Controller)

UPFC는 송전선로의 유효 및 무효전력 조류와 모선 전압 제어를 동시에 독립적으로 수행가능하다. 이는 병렬 보상설비인 STATCOM과 직렬 보상설비인 SSSC를 결합함으로 가능하게 되었다. UPFC는 전력전송에 영향을 미치는 3가지 파라미터(위상각, 전압, 선로 임피던스)를 종합적으로 제어할 수 있다는 점에서 궁극적인 계통 제어설비라고 할 수 있다. 또한 계통의 위급상황을 보다 효과적으로 처리하기 위해 하나의 보상모드에서 다른 보상모드로의 실시간 천이가 가능하게 되었다. 따라서 UPFC는 전력계통의 확장이나 변화에도 하드웨어 변형 없이 쉽게 적용가능한 동작상의 유연성을 갖고 있다.

1) 제어 원리

UPFC는 구조적으로는 STATCOM과 같은 병렬 인버터와 SSSC와 같은 직렬 인버터가 DC 커패시터로 결합된 구조이다. 병렬 인버터는 STATCOM과 같이 모선 전압을 제어하는 한편 직렬 인버터에 의해 소요되는 유효 전력을 공급하는 역할도 수행한다. 직렬 인버터에 유효 전력을 공급하면 직렬 인버터의 출력전압, 즉 직렬 주입전압의 크기뿐만 아니라 위상까지 가변할 수 있다. 직렬 인버터는 UPFC의 핵심적인 역할을 수행하는데 송전선로에 직렬변압기를 통하여 전압을 주입한다. 이때 주입 전압의 크기와 위상각을 동시에 변화 시켜 송전선로의 유효전력 및 무효전력 조류를 제어한다. SSSC의 경우 주입전압의 크

기 제어만 가능한데 반해 UPFC의 직렬 인버터의 경우 주입전압의 위상제어가 가능한 차이가 있다.

2) 적용 효과

UPFC는 전력 계통 조류와 모선 전압을 동시에 또한 독립적으로 제어할 수 있는 혁신적인 FACTS 설비이다. 또한 직렬 요소에 의해 계통의 안정화 제어에도 매우 효과 적이다. 그리고 전력계통의 제어효과를 극대화하기 위하여 계통 보상방식을 다양하게 변경할 수 있는 등 다목적 FACTS 설비라고 할 수 있다.

디지털 변전소

Hard-wire로 전송되던 변전설비의 아날로그 신호(상태에 대한 감시/계측 정보와 제어/보호계전정보)를 디지털정보(LN, Logical Node)로 정의하고 정의된 정보를 교환하기 위한 통신방법(MMS, GOOSE, SV)을 정의한 국제표준을 말한다. 변전소 시스템을 효율적으로 엔지니어링하기 위한 방법(SCL)을 정의한 국제 표준이며, 변전소의 통신 네트워크와 통신 시스템에 대한 전반적인 사항을 다루고 있다.

IEC61850의 범위

• 스테이션 레벨(Station level)

SA운영장치(HMI장치),정보연계장치(Gateway장치), 프린터, SNTP등 SA 상위장치 시스템의 범위. 일반적으로 “SA상위운영시스템”이라 부른다.

• 베이 레벨(Bay level)

IED들로 구성된 시스템의 범위를 나타내며, 현장설비들로부터 정보를 입력받아 처리한다.(보호, 제어, 감시, 계측기능)

• 프로세스 레벨(Process level)

현재 제어케이블로 연결/구성된 CT, PT, 차단기 트립코일, 기계적 접점 등의 물리적인 회로에 대응한 시스템범위이다.

버스 (Bus)

통신 설비들을 통한 IED들 사이의 통신 시스템 접속하는 설비를 말한다.

클라이언트 (Client)

서버에 서비스를 요청하거나 또는 서버에서 비요청 데이터를 받는 개체를 말한다.

서버 (Server)

통신 네트워크상에서 다른 기능 노드들에 데이터를 제공하거나 그들을 통해 네트워크의 자원에 접근하도록 하는 기능 노드. 한편 서버는 소프트웨어 알고리즘 구조 내에서 동작의 독립성을 갖는 논리적인 일부분이 될 수도 있다.

베이 컨트롤러 (Bay controller)

IED와 의미상으로는 같은 개념이나 전력설비의 Bay마다 설치되어 해당 설비를 감시/제어/계측하는 IED를 지칭한다. (일반적으로 보호계전 전용의 IED와 구분하여 지칭하는 경우 사용한다.)

지능형 전자장치 (IED : Intelligent Electric Device)

변전소내 현장설비 등의 각종 정보를 현장설비에서 제공받아 디지털화된 Data로 변환하고 내부의 Software (Algorithm 포함)를 이용하여 감시, 제어, 계측, 보호계전, 인터록, HMI 기능 등을 수행하며 통신을 이용하여 원격으로 정보를 제공하는 장치를 말한다.

SA운영장치 (HMI장치)

SA 전력설비에 대한 운용자 인터페이스를 제공하는 장치로, 변전소의 모든 전력설비에 대한 정보를 화면에 보여주고, 운용자의 명령을 처리한다. IEC61850 기반의 IED와 RTU장치로부터 전송받은 현장기기의 각종 운전정보를 연산하고, 데이터베이스 관련 처리를 수행하며, 취득된 데 이터의 분석/진단 결과를 운용자에게 가청 및 가시적인 방법으로 알려주고, 운용자의 조작명령을 전송하는 역할을 한다.

정보연계장치

SA 시스템의 중추가 되는 장치로, 변전소 전력설비의 운전정보를 취득 및 처리하고 전력 설비의 제어를 수행하는 장치이다. IEC61850 기반의 IED와 RTU를 연계하여 전력설비의 감시/제어/계측/보호 정보를 송수신하며, 급전(분)소와 연계할 수 있는 기능이 구비된다. 즉, IEC61850 표준에서 정의한 통신방식과 기존 SCADA에서 사용되고 있는 통신방식이 적용된 장치이다.

표준시각동기장치 (Simple network time protocol server)

변전소내 장치들의 시각 동기화를 위해 표준시각을 GPS로부터 수신하여 각 장치에 통신으로 제공해주는 Time Server이다. 모든 IED는 Time Server로 부터 전송받은 시각 정보로 동기화된다.

이더넷 (Ethernet)

미국의 DEC, 인텔, 제록스(Xerox) 3사가 공동 개발한 구내 정보통신망(LAN)의 모델. 데이터 단말(data station) 간의 거리 약 2.5km 내에서 최대 1,024개의 데이터 단말 상호 간에 10Mbps의 전송속도로 정보를 교환할 수 있는 지역적인 네트워크로, IEEE 802.3 표준을 구현한 모델의 하나이다. 사용 케이블은 10BASE 5, 10 BASE 2 및 10 BASE-T 등이 있으나 주로 사용되는 것은 배선 공사가 용이하고 관리 및 안전성 등이 우수한 10BASE-T이다.

이더넷 스위치 (Ethernet switch)

IEC61850 표준에서 정의하는 통신 네트워크를 구축하기 위한 네트워크 장비이다. 변전소내의 IED와 스테이션 레벨의 SA운영장치, 정보연계장치 등의 장비들을 연결하기 위해 사용된다. 각 장치가 연결되는 이더넷 스위치를 액세스(access) 스위치라 명명하고, 각 액세스 스위치는 백본(backbone) 스위치에 연결된다.

전자식 전류 변환기 (Electronic current transducer)

1차 설비에서 시스템 전류를 측정하고 낮은 수준의 아날로그 및 디지털 출력을 제공하는 변환기를 말한다.

전자식 전압 변환기 (Electronic voltage transducer)

1차 설비에서 시스템 전압을 정하고 낮은 수준의 아날로그 및 디지털 출력을 제공하는 변환기를 말한다.

머징 유닛(Merging unit)

2차 컨버터에서 들어오는 전류 및/또는 전압 데이터에 대해 시간 간섭성의 결합을 수행하는 물리단위 장치이다. 머징 유닛은 현장에서 변환기의 단일 부분이 될 수 있으며 예를 들어 제어실에서는 분리된 단위 장치가 될 수도 있다.[IEC 60044-8 다중 CT/VT 및 이진 입력들을 받아들이고 논리인터페이스 4와 5를 통해 데이터 통신을 제공하기 위해 다중 시간 동기화된 직렬 단방향 다분기 디지털 점 대 점 출력들을 생성하는 인터페이스 단위 장치이다.

네트워크 관리 시스템 (NMS : Network Management System)

네트워크 운영과 관련된 정보를 수집 및 분석하여 네트워크에 접속된 각종 장비들을 감시 및 통제할 수 있는 시스템을 말한다.

네트워크 접근 제어 시스템 (NAC : Network Access Control System)

비인가 사용자가 네트워크에 접근하는 것을 제어하고, 이상 트래픽과 트래픽 폭주를 차단하여 안정적인 네트워크를 보장하는 시스템을 말한다.

TCSC (싸이리스터 제어 직렬커패시터,Thyristor-Controlled Series Capacitor)

TCSC는 기존의 직렬 커패시터 설비를 Thyristor를 이용한 TCR과의 조합을 통하여 개선한 직렬 보상 제어 설비이다. 일반 직렬 커패시터의 경우 송전선로의 인덕턴스성분과 공진 현상을 발생시킬수 있으며, 선로 고장시 고장전류로 인한 직렬커패시터 보호를 위한 보호간극이 방전될때 과도안정도가 저하할 수 있다. 또한 직렬커패시터를 차단기를 이용하여 기계적으로 제어할 경우, 사용빈도에 제한이 있으며, 보상치가 일정한 값으로 고정되고, SSR현상을 유발하기 쉽다는 단점이 있다. 그러나 TCSC는 기존 직렬 커패시터 보상기에 비해, 정밀하고 효과적인 제어가 가능하며, 동작횟수에 제한받지 않고 상시 운용이 가능하다.

1) 제어 원리

주요 구성요소로는 직렬 커패시터, Thyristor 소자, TCR, Bypass 스위치, 제어 및 감시시스템, 보호시스템 등으로 구성된다. TCSC의 기본적인 제어는 아래 그림과 같이 싸이리스터의 TCR 완전도통, TCR 완전차단, 연속점호각 제어모드 등으로 나누어진다. TCR 완전 도통의 경우 직렬 커패시터와 인덕터의 합성 임피던스가 계통에 연계되는것과 같으며, TCR 완전 차단의 경우 직렬 커패시터만 계통에 연계됨과 같다. 반면 연속 점호각제어 모드의 경우 점호각을 연속적으로 제어함에 따라 커패시터와 인덕터의 합성 임피던스가 가변되는 제어 모드가 된다.

TCSC는 기존 직렬 커패시터에 비하여 제어성이 우수하므로 아래 그림과 같이 연속적인 임피던스 제어와 공진영역을 회피 제어가 가능하다.

2) 적용 효과

TCSC는 송전선로의 임피던스를 제어하여 계통의 조류 제어 및 안정도 제어를 수행한다. TCSC의 적용은 계통의 임피던스를 보상하므로 정전압 송전계통에서 송전용량을 증대시킨다. 또한 Thyristor 제어의 속응성을 이용하여, 저주파 전력 동요조건과 같은 과도 현상을 제어할 수 있어서, 직렬보상에 따른 이상현상의 억제 및 과도 안정도 향상에 유용하다.

TCBR (싸이리스터 제어 제동저항,Thyristor-Controlled Braking Resistor)

TCBR은 기존의 기계식 제동저항을 싸이리스터 전력소자로 대체하여 계통의 과도안정도 효과를 극대화 하기 위한 제어설비이다. 전력계통에 단락과 같은 사고가 발생하면, 발전기에 막대한 가속전력이 더해져, 발전기가 탈조될 수 있다. TCBR은 이러한 가속전력에 의한 발전기의 탈조를 방지하고 과도안정도를 향상시키기 위한 설비로써, 제동 저항을 통하여 발전기의 기계적 가속에너지를 전기적 에너지로 소비․발산시켜 가속전력을 감소시키는데 활용 한다.

1) 제어 원리

TCBR은 제동저항, Thyristor 소자, 변압기, 제어 및 감시시스템, 보호시스템 등으로 구성된다. 제동저항은 발전기단자의 모선에 주로 설치되며, 계통 사고가 제거된 직후에 투입되는데, 제동저항의 컨덕턴스를 제어함으로서 발전기의 출력을 제어할 수 있게 된다. 기존의 기계식 제동저항은 차단기를 이용하여 제동저항의 컨덕턴스를 기계적으로 ON/OFF 제어하는 방식이기 때문에, 발전기 및 계통 상태에 적합한 제어를 하기가 어렵다는 단점이 있어서, 과도안정도 향상을 위한 경제적인 수단이라는 장점에도 불구하고, 보편적인 이용에 한계가 있었다. TCBR은 Thyristor 스위칭 제어장치를 이용하여 제동저항의 컨덕턴스를 제어함으로서, on/OFF 제어외에 연속적인 컨덕턴스 제어가 가능하므로 기존의 제동저항에 비해 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 제동저항의 임계 차단 시간을 정할 필요가 없다

(2) 제동 파워를 발전기 회전자의 상대 속도의 절대치에 비례하도록 설정할 수 있어 정밀제어가 가능하다.

(3) 브레이크의 투입 및 차단이 자동적으로 행해진다.

2) 적용 효과

TCBR은 제동저항의 싸이리스터 스위칭 제어를 통하여 계통고장시 상차각 동요, 과도안정도향상을 주목적으로 한다. 또한 싸이리스터 스위칭을 통하여 반복적으로 투입하여, 계통동요 및 저주파 공진(SSR)을 억제하는 역할을 수행할 수 있다.

TCPR (싸이리스터 제어 위상 변환기,Thyristor-Controlled Phase Angle Regulator)

TCPR은 기존 위상조정변압기의 Tap제어를 싸이리스터 스위칭 제어방식으로 개선한 것이다. 계통의 전력 조류를 제어하는 가장 간단한 방법은 선로 양단 전압의 위상 각차를 조정하는 것인데 기존에는 이를 위해 위상조정변압기를 사용하였다. 위상 조절 변압기는 탶 변환기(Load-Tap changing:LTC)와 역순 스위치(Reversing Switch)를 이용해서 위상을 조정하였으나, 이러한 장치들은 작동속도가 느리고 사용빈도도 제한되는 단점이 있다.

그러나 TCPR은 사용빈도에 제한을 받지 않고 상시 운용이 가능하다.

1) 제어 원리

TCPR은 기존 위상조절 변압기에서 Tap을 싸이리스터스위치로 대체한것으로, 1:3:9의 비율로 독립적으로 구성된 3개의 변압기 권선과 이 권선들을 bypass 또는 역접속

시키는 스위칭장치로 구성된다. 이와 같은 구성에서는 여러개의 Thyristor 스위치를 사용하여 위상변화의 단계를 조정할 수 있다. 여기서 Thyristor 위상제어를 할 경우 고조파가 발생하기 때문에 다단계 제어 방식을 수행한다.

2) 적용 효과

TCPR은 Thyristor 제어의 속응성을 이용하여 신속한 조류제어가 가능하다. 또한 과도안정도 및 계통동요와 같은 동적현상의 제어에도 이용할 수 있다.

STATCOM (Static synchronous Compensator)

STATCOM은 Thyristor 스위칭 방식의 전력제어 설비가 아닌 전압원 인버터에 의한 무효전력제어 설비이다. 전압원 인버터는 IGCT, IGBT 등 자려식 전력소자의 대용량화에 의해 가능하게 되었다. STATCOM은 기능 측면에서는 SVC와 유사한 특성을 가지지만 제어원리는 동기조상기(Synchronous Condenser)와 매우 유사하다. 동기조상기가 과여자제어로 계통에 무효전력을 공급하고 저여자제어로 무효전력을 흡수하듯 인버터 출력전압을 제어하여 계통에 무효전력을 공급 또는 흡수한다. 동기조상기는 회전력관성을 갖고 있으므로 약한 계통의 안정화 제어에 좀더 유리하지만, STATCOM은 속응성(1～2cycle)과 비용, 설치면적, 유지 보수측면에서 유리하다.

1) 제어 원리

STATCOM은 전압원 인버터, 계통연계 변압기, 제어 및 감시시스템, 보호시스템 등으로 구성된다. 기본적으로는 DC 커패시터로 구동되는 3상 인버터로 되어 있으며, AC 3상 출력 전압은 교류 계통 전압과 위상이 일치하도록 되어있다. 전압원 인버터에 의한 출력 전압이 계통전압과 동기(In phase)가 되어 있으므로 출력전압 크기 제어에 의해 무효전력만의 제어가 가능하다. 전압원 인버터의 출력전압이 계통전압보다 높으면 진상 전류가 흘러서

STATCOM이 커패시터 부하의 역할을 하며, 계통전압보다 낮으면 지상 전류가 흘러서 STATCOM이 유도성 부하의 역할 수행한다. 이때 양 전압의 차이에 의해 STATCOM과 계통사이에 흐르는 무효전류량이 결정되고 보상 무효전력량이 결정된다. 아래 그림은 이에 대한 설명이다.

그러나 SVC는, 실제 인덕터나 커패시터를 이용하여 무효전력을 제어하므로 저전압시 무효전력보상량이 전압의 제곱에 비례하여 감소하는 단점이 있다.

따라서, STATCOM은 저전압시 SVC보다 적은 용량으로도 동일한 전압 안정도 향상효과를 얻을 수 있다. 그밖에 STATCOM은 인버터에 의해 구동되므로 동기조상기나 SVC에 비해 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

(1) 기계적 동작부가 없기 때문에 조작 신뢰도가 높고 운전보수가 용이하며 진동 소음이 작다.

(2) 진상 무효전력에서 지상무효전력까지 무효전력을 연속적으로 세밀하게 제어할 수 있다.

(3) 응답특성이 빠르므로 계통의 과도 안정도 향상에 기여할 수 있어 송전용량을 증가시킬 수 있다.

(4) 대용량의 전력용 커패시터나 인덕터를 사용하지 않기 때문에 설치면적이 적다.

(5) 전압원 인버터 후단에 에너지 공급장치를 추가할 경우 유효전력 제어도 가능하다.

2) 적용 효과

STATCOM은 송전계통 및 배전계통에 설치할 수 있는데, 송전계통에 설치할 때는 주로 모선 전압 보상, 전압 안정도 향상, 계통 동요 억제를 통한 안정도 향상을 목적으로 한다.

배전계통의 경우에는 D-STATCOM으로 불리우는 경우가 많으며 플리커 저감, 전압보상 등 전력 품질 향상에 많이 사용된다.

SSSC (직렬 동기 직렬 보상기, Static Synchronous Series Compensator)

SSSC는 전압원 인버터에 의한 직렬 무효전력 보상장치이다. 기본적인 동작 특성은 TCSC와 유사하며, TCSC와 같이 커패시터나 인덕터로 구성된 설비가 아니므로 TCSC보다 넓은 제어범위를 가지며 속응성 또한 우수하다.

1) 제어 원리

(l) SSSC의 시스템 구조

SSSC는 전압원 인버터, 직렬 변압기, 제어 및 감시 시스템, 보호시스템 등으로 구성된다. 기본적으로는 변압기가 직렬 변압기라는 점 외에는 STATCOM과 구조상 동일하다. SSSC는 직렬 변압기를 통해 선로 전류와 위상차가 90도인 전압을 주입하여 무효전력 제어를 수행한다. 주입전압이 송전선로 전류와 비교하여 90도 진상인 경우 SSSC는 직렬 커패시터와 동일한 용량성 보상을 수행하고, 90도 지상인 경우 직렬 인덕터와 동일한 유도성 보상을 수행한다. 유도성 보상인 경우 선로 임피던스에 인가되는 전압과 동상인 전압이 주입된다. 이는 선로 임피던스가 증가 되는 것과 같은 효과가 발생하며 유효 전력조류를 감소시킨다. 반대로 용량성 보상의 경우 반대의 효과가 발생한다. 용량성 및 유도성 보상의 정도는 주입 전압의 크기를 조절함에 의해 가능하다. 주입 전압의 조절은 STATCOM과 마찬가지로 전력소자의 제어를 통하여 점호 펄스폭제어(PWM)나 DC 커패시터의 순간 충방전 조절을 통하여 가능하다. SSSC는 출력 전압과 송전선로 전류 사이가 90도 이므로 인버터와 전력계통 사이에는 무효전력 공급 또는 흡수만 이루어진다. 따라서 DC 커패시터 단에 별도의 전력 공급 장치가 필요없다.

2) 적용 효과

SSSC는 정상상태에서의 유효전력 조류제어, 송전선로 임피던스 제어에 의한 직렬 보상(용량성,유도성) 에 유용하다. 또한 계통 임피던스 제어 효과로 인하여 과도 안정도 향상에 효과적이다. 그러나 현재까지 SSSC는 단독시스템으로 사용 보다는 STATCOM과 조합하여 UPFC 시스템으로 많이 사용된다.

MI 케이블

도체는 IEC 60228에 의해 전기동으로 만들어진 Round key-stone stranded type이며 하나의 중앙심과 3층의 key-stone형 전기동선으로 구성되어있다. 고밀도 유침 크라프크지를 절연체로 사용하는데 이로 인해 허용온도가 55줩C로 제한된다. 1953년 스웨덴 ABB사에서 제작한 MI 90㎟ 케이블을 Gotland 프로젝트에 (∂150kV, 100km-4c) 최초 시공하였다. 현재 운전중인 HVDC 해저 케이블은 대부분 MI 케이블이 사용되고 있다.

XLPE 케이블

제작이 쉽고 가격이 비교적 싸다.그러나 HVDC 케이블로 사용할 때에는 공간전하 축적이라는 문제점이 있다. 절연물 내에서의 국부적 전하축적은 전계강도를 대폭 증가시키게 되고 절연수명이 단축된다. 2002년 스웨덴 ABB사에서 제작한 VSC용 XLPE (HVDC Light) 1300㎟ 케이블을 미국 Cross Sound 프로젝트(∂150kV,42km-2C)에 최초 시공하였다.

OF 케이블

긍장이 최대 50km 이상에서는 적용이 불가능하다. 그 이유는 OF케이블의 경우, 부하전류 변화에 따라 절연유의 팽창과 수축이 일어나게 되며, 선로길이가 50km이상이 되면 이때 발생한 과도 유압의 폭이 케이블의 허용압력을 초과하고, 방대한 양의 유조실(Pressure Tank)을 필요로 하게 된다.

OF Cable은 과열에 의한 유압상승과 냉각시 수축으로 인한 압력저하로 sheath의 절연파괴 고장 가능성이 있으며, sheath 파열시 절연유의 유출로 인하여 심각한 해양오염

을 일으키므로 현재 거의 사용하지 않는 추세에 있다. 다만, 허용온도가 90℃로 높은 장점이 있다.

HVDC 제어 시스템

HVDC 시스템은 탁월한 전력제어능력을 가지고 있다.

HVDC 시스템을 효율적으로 사용하기 위해서는 전력계통이 원하는 응답을 낼 수 있도록 이러한 제어를 적절히 사용해야 한다. 효율적이고 안정적인 계통운전 여건 제공과 전력제어의 유용성 극대화라는 목적을 위해서 다양한 수준의 제어가 체계적으로 제공되어야 한다.

1) HVDC 제어의 기본수단

선로 위 임의지점에서의 직류 전압과 전류는 내부전압 Vdor cos α와 Vdoi cos γ를 제어함으로써 제어될 수 있다. 이러한 제어는 싸이리스터 밸브의 점호각 제어, 혹은 컨버터변압기의 탭제어를 통한 교류전압제어에 의해서 이루어진다. 빠른 응답 특성 (대략 1∼10ms)을 갖는 점호각 제어와 느린 응답 특성을 가지는 탭 제어는 서로 보완적 인 관계를 가진다. 먼저 점호각 제어는 초기의 빠른 동작을 위해 사용되며, 이후에 α 혹은 γ와 같은 컨버터의 값들을 평상시의 값으로 되돌리기 위한 탭제어가 뒤따르게 된다. 흐르는 유효전력을 역으로 바꾸는 것은 양쪽의 직류전압의 극을 변환함으로써 이루어진다

2) 제어선택의 기본 원리

제어특성을 선택할 때에는 다음과 같은 사항들을 고려해야만 한다.

(1) 교류전압의 변동에 따른 직류전류의 큰 변동을 막는다.

(2) 직류전압을 정격 근처로 유지한다.

(3) 송전단과 수전단의 역률을 가능하면 크게 유지한다.

전류형 HVDC

전류형 HVDC 방식에 주로 사용되는 방식은 LCC 방식이며 주요특징은 다음과 같다.

(1) LCC(Line Commutated Converter)방식

현재 제주-해남 HVDC 및 제주-진도 HVDC에 사용되는 형식으로 싸이리스터 밸브를 정류하기 위해서는 AC계통의 전압이 반드시 필요하며, 주요 특징은 다음과 같다.

(1) 전력전송 방향 변경은 DC 전압의 역전으로 가능하다

(2) 일반적으로 유효전력의 50∼60%의 무효전력이 필요하다

(3) 무효전력 흡수는 AC필터와 병렬 캐패시터로 보상한다.

(4) 가공송전 또는 케이블송전 그리고 가공, 지중혼합 사용 가능하다.

전압형 HVDC

전압형(VSC, Voltage Source Converter)

 HVDC는 ABB사가 1999년 스웨덴 본토와 고틀랜드섬 사이를 연계하여 상업 운전하고 있는 것이 최초이다. 이 시스템은 일반적으 로 BTB (Back-to-Back)의 기능도 가지고 있으나 육지의 전력을 섬에 전송하는 방식이 기본방식이며 스위칭 패턴은 PWM 또는 MMC (Multi-Module Converter)방법을 사용하고 있다. ABB의 HVDC Light, SIEMENS의 HVDC Plus, ALSTOM의 HVDC Extra 등이 전압형 HVDC에 해당한다. 전압형 HVDC 시스템의 주요 특징은

다음과 같다.

(1) VSC 밸브는 IGBT나 GTO등과 같은 자기전류(selfcommutating)가 가능한 소자로 구성된다.

(2) DC 전압은 항상 한 개의 극성이며, 전력의 방향전환은 DC 전류의 역전을 통해 이루어진다.

(3) LCC에 비해 손실이 크고 비용이 고가이다.

(4) Multi-terminal System과 케이블 송전에 적합하다

(5) 매우 적은 단락용량 (Short Circuit Ratio) 에서도 정전기동 (black start)이 가능하다.

(6) 캐패시터와 리액턴스의 무효전력과 설비정격내의 유효전력을 독립적으로 제어한다.

(7) LCC변환소보다 VSC변환소의 부지가 작다.

(8) LCC에 비해 VSC는 고가이다.

(9) LCC손실 (0.7%)에 비해 VSC손실 (1.0%)이 많으나, 점차 줄어들고 있는 추세이다.

(10) VSC 변환기는 소용량의 2-level과 대용량의 3-level 등이 있으며, 현재는 다중 모듈방식 (MMC)의 변환기가 주류를 이루고 있다.

FACTS

(유연송전기술, Flexible AC Transmission System)

유연송전기술(FACTS : Flexible AC Transmission System)이란 종래의 교류 전력계통에 전력용 반도체 스위칭 소자를 이용한 전력전자 제어 기술을 도입하여 계통의 유연성을 증대시킴으로, 교류 계통의 단점을 보완하고 특성을 개선시킨 새로운 전력계통 운영 기술이다. 교류 계통의 경우 전력 조류를 제어하기가 쉽지않고, 부하 변동에 따라 선로 전압이 급격히 변동하는 등 전압 안정도를 제어하기 어렵다는 문제점이 있다. 한편 전력용 반도체 소자의 발달은 기존의 차단기나 변압기 탭 절체장치, 병렬 콘덴서 개폐기와 같은 기계식 제어장치의 대체와 이를 응용한 인버터 장치의 개발을 가능케 하였다

전력계통에 FACTS 기술을 도입함에 따른 주요 효과는 다음과 같다.

1) 전력계통 제어 범위의 확대로 인한 송전용량 증대

2) 송전용량을 제한하거나 기기고장을 일으킬 수 있는 계통 동요억제, 계통 안정화 제어

3) 계통 사고 및 기기고장 파급억제용 고장파급 방지

전력조류를 제어하기 위해서는 다음과 같은 제어를 수행하여야 한다.

1) 전압 증대

2) 선로 임피던스 감소

3) 위상각차 증대

전압은 통상 공칭전압으로 유지되어 있어 전압격상이외에는 크게 증가 시킬수 없어 기존에는 송전전력을 제어하기 위해서 위상각차를 제어하는 방법이 많이 사용되었다.

SVC (정지형 무효전력보상장치, Static Var Compensator)

SVC는 기존의 기계식 차단기에 의해 개폐제어 되던 무효전력 보상장치인 인덕터와 커패시터 뱅크들을 Thyristor를 이용하여 개폐 제어하는 무효전력 보상설비이다. 기계식 차단기를 싸이리스터로 대체함에 따라 기계적인 한계를 극복하고 고속의 연속적인 무효전력 제어가 가능하게 되었다.

1) 제어 원리

주요 구성요소로는 변압기, Thyristor 소자, TCR, TSC, 고조파 필터, 제어 및 감시시스템, 보호시스템 등으로 구성된다. SVC의 핵심요소인 TCR(Thyristor Controlled

Reactor)의 경우 싸이리스터 스위치를 이용하여 연속적인 점호각 제어가 가능한 인덕터를 의미한다. 연속적인 점호각 제어를 통하여 인덕턴스가 가변되는 효과가 발생한다.

싸이리스터의 점호각제어는 고조파를 발생시키는데 이를 위해 별도의 고조파 필터를 설치하거나, 변압기의 Δ결선 구성, TSC의 필터요소 설계등 다양한 방법을 사용한다.

TSC(Thyristor Switched Capacitor)의 경우, TCR과는 달리 개폐서지로 인하여, 연속적인 점호각 제어를 수행하지 않고 싸이리스터 스위칭 소자에 의한 커패시터 뱅크 On/Off 스위칭 제어만 수행한다. TSC의 스위칭 제어는 고조파를 발생시키지는 않으나, TCR과 같은 연속적인 제어를 기대할 수는 없다

그러나 TCR과 TSC의 조합을 통해 연속적인 선형 임피던스 제어가 가능하다. 아래 그림은 SVC의 운전 제어특성, 전압-(무효)전류 특성을 나타낸다. SVC가 설치된 계통에 서 전압변동이 발생할 경우 SVC의 선형 전압제어 구간을 따라 전압 보상 운전점과 무효전력 보상량이 결정된다.

동작비율(動作比率)

비율차동계전기의 동작coil에 흐르는 전류의 억제coil에 흐르는 전류에 대한 백분율을 동작비율이라 하며 변압기의 변압비와 변류기의 변류비가 적당하여 변류기 2차측의 전류가 서로 같게 되면 문제가 없으나 일반적으로 다르기 때문에 계전기 원리상 차전류를 적절히 보상해 줄 필요가 생기게 되며 변류기 2차 전류가 큰 쪽에 단상 보상변류기 (CCT)를 연결하여 평상시 차동전류를 zero가 되도록 하며, 계전기 동작 coil 및 2개의 억제coil중 한쪽 coil에 각각tap을 설치하여 기자력(AT)을 같도록 함으로써 평상시 동작coil이 평형상태에 있도록 하는데 이때에 전원측의 이상으로 계전기에는 차동전류가 흐른다. 동작비율의 tap은 mismatch율과 발생 가능 오차율 및 여유를 합하여 보통 35%이상에 선정하는 것이다. 또 최근에 생산되는 비율차동 계전기는 동작비율을 조정할 수 있다.

전류전압특성(電流電壓特性, V-I Characterictic)

계전기의 입력전류(전압)가 응동에 미치는 영향을 말한다. 단 전기량 상호간의 관계를 비율로 표시할 수 있는 경우에는 비율특성이라고 할 때도 있다.

최대감도 위상특성각(最大感度位相特性角, Maximum Torque Angle)

복수입력(전압과 전류 또는 전류와 전류)으로 동작하는 계전기가 같은 크기의 입력을 위상만 변화시키면서 동작시켰을 때 동작 torque가 최대로 되는 위상각을 그 계전기 의 최대감도 위상특성 또는 최대감도 위상각이라 한다.

주파수특성(周波數特性, Frequency Characteristic)

계전기의 입력 주파수가 응동에 미치는 영향을 말한다. 즉, 거리계전기에는 전압회로에 RC의 위상조정회로를 사용하여 주파수에 따라서 조정 위상각이 변하여 위상특성이 변화된다. 즉 주파수가 저하될 때 Mho계전기는 직경 및 최대감도 위상각이 감소한다.

연쇄동작(連鎖動作, Cascading)

연쇄동작이란 용어는 여러가지 분야에 사용되고 있으나, 여기서는 배전선보호장치인 리클로저의 보호협조시에 사용되는 실례를 설명한다. 배전선에 직렬로 리클로저를 2대 이상 설치 운전시에, 각 리클로저의 설치위치, 정격, 동작 시퀀스 등을 적절하게 선정하지 않으면 각 리클로저간의 보호협조가 되지 않아 배전선 고장 발생시 직렬로 설치된 각 리클로저가 연쇄적으로 개방 및 투입을 반복하게 되는데 이러한 현상을 연쇄동작이라고 한다. 일반적으로 이러한 현상을 방지하고 효과적인 보호협조를 위해서는 전위 리클로저와 후비 리클로저의 동작 시간차를 3상 리클로저의 경우, 8Hz이상 유지해야 한다.

반전(反轉)

계전기에 작용하는 입력이 급감하는 경우 가동부가 급감전의 입력에 의하여 구동력과 역방향으로 동작하는 현상을 말한다. 예로서 양방향 접점을 가진 계전기가 가령 어떤 방향의 전류가 흘러 우측의 접점이 닫혀진다면 이러한 상태에서 입력전류가 급감하여 “0”이 되면, 전기적 Torque도 “0”으로 급감하여, 우측접점에 누르고 있던 가동부가 탄력으로 강하게 좌측에 반발되어 진다. 이러한 힘이 커지면 중립위치를 통과해서 좌측의 접점에 까지 도

달되어 좌측접점을 오동작시키기도 한다. 가동부가 최종에는 입력전류 “0”이 되어 중립위치에 도달하므로 이러한 현상은 과도적이다. 또 비율차동계전기등와 같이 억제력을 취하는 것으로서 제어력이 급감한 경우에 제어 방향으로 강하게 닫혀 있던 가동부가 탄력에 의해서 반발되어 동작방향으로 움직이는 일이 있으며 이러한 경우도 최종적으로는 억제력이 작용하는 위치에 가동부가 되돌아 간다. 이상은 기계적인 과도현상이며, 또 전기적인 과도현

상도 있다.

온도특성(溫度特性, Temperature Characteristic)

계전기의 주위온도가 응동에 미치는 영향을 말한다. 특히 정지형 계전기에서는 영향을 받기 쉽다.

고속도(高速度, High Speed)

응동시간이 빨라지도록 특히 고려한 경우의 응동을 말한다. 일반적으로 일정입력(200%)에서 0.04 sec 이내로 동작하는 경우이다.

순시(瞬時, Instantaneous)

응동시간에 대해 특히 고려하지 않는 경우의 응동을 말하며 일반적으로 일정입력(200%)에서 0.2sec이내로 동작하는 경우이다.

한시(限時, Time Delay)

소정의 입력에 대하여 동작시간이 늦어지도록 고려한 경우에 계전기가 시간지연으로 동작하는 것을 말한다.

정한시 (Definite Time)

입력의 크기에 관계없이 정해진 한시에 동작하는 것을 말한다.

반한시 (Inverse)

입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하나 입력이 어떤 범위를 넘으면 일정 한도에 동작하는 것을 말한다.

강반한시 (Very Inverse)

입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하는 율이 크며, 대체로 lever 10일 때 2배의 pick up시의 동작시간은 3.0sec 정도인 것이다.

초반한시 (Extremely Inverse)

입력이 커질수록 짧은 한시에 동작하는 율이 가장 크며 tap전류의 20배 되는 전류에서의 동작시간은 lever 10에서 0.2sec로 동작하나 tap전류의 2배의 전류에서는 10sec정도로 나타난다.

동작시간특성 (動作時間特性, Operating Time Characteristic)

계전기의 입력이 동작시간에 미치는 영향을 말하며 그 예로 계전기에 가해지는 입력의 대소에 관계없이 일정시간에 동작하는 정한시 특성, 입력이 크면 클수록 동작시간이 짧아지는 반한시 특성 등이 있다.

최소용융시간(最小鎔融時間, Minimum Melting Time Characteristic)

전력용 fuse에 있어 주위온도 10～40℃ 의 상태에서 정격전류 이상의 어느 전류를 fuse에 통했을 때 최초에 녹기 시작하는 시간과 전류와의 관계 곡선으로, 종축은 시간 (sec), 횡축은 전류(A)를 나타낼 때 반한시특성으로 나타나며 배전선로의 협조에 있어서 중요한 특성곡선이다. 또한 종류에 따라서 다양한 최소용융곡선이 존재하게 된다.

최대고장 제거시간 특성

(最大故障除去時間特性, Maximum Clearing Time Characteristic)

전력용 fuse에 있어 주위온도 10～40℃ 상태에서 fuse의 정격전류 이상의 어느 전류를 fuse에 통했을 때 최초에 fuse가 녹아 끊어지는 최대의 시간과 전류와의 관계 곡선으로 종축에 시간(Sec), 횡축에 전류(A)를 나타내며 최소 용융곡선의 상위에 있게 된다.

시간 전류특성곡선(T-C Curve)

계전기의 입력전류와 동작시간과의 관계를 종축에는 시간(sec), 횡축에는 전류(A)로 하여 표시한 곡선을 시간 전류특성곡선(T-C곡선)이라 한다.

총 누적시간(TAT : Total Accumulated Time)

배전선 보호장치인 섹셔널라이저 (sectionalizer) 보호협조에 사용되는 용어로써 섹셔널라이저 전방에 고장이 발생하면, 섹셔널라이저는 후비보호 장치인 리클로저(recloser) 또는 차단기와 보호협조하여 고장을 제거하는데 이경우 보호협조가 불량하면 후비보호장치가 동작된다. 이때 후비보호장치가 동작되어 lock out될 때까지의 시간을 총누적시간이라 하며, 섹셔널라이저의 효과적인 보호협조를 위해서는 섹셔널라이저의 기억시간이 반드시 후비장치의 TAT보다 반드시 길어야 한다.

주요소(主要素, Main Unit)

계전기 본래의 책무를 수행하는 주요부로서 전압, 전류에 의해 미리 규정된 전기량이나 물리량의 크기에 따라 응동한다.

보조요소(輔助要素, Auxiliary Unit)

계전기의 책무를 수행하기 위해 주요소에 보조적으로 부가되어 있는 요소로서 동작표시기, 보조접점, 한시요소 등을 예로 들 수 있다.

동작표시기(動作表示器, Target)

보호계전기의 보조요소로서 계전기의 동작을 표시하며 주요소에 의해 기계적으로 동작하거나 트립전류에 의해 동작하여 주요소가 복귀하더라도 계전기의 동작을 계속 표시하는 장치이다. 또 동작표시기에 보조접점(contact switch)과 지지코일(holding coil)을 구비하여 주요소 접점 동작시 지지코일에 전류가 흐르면 보조접점이 폐로되어 트립전류가 흐르는 동안 주접점을 단락하여 트립을 보장하고 주접점 개로시 접점 보호역할을 겸하게 하는 경우도 있다.

외부단자(外部端子, External Terminal)

계전기의 외함에 취부된 단자로서 계전기의 각 요소와 내부에서 연결되어 있으며 이들 단자에 계전기입력(전류, 전압, 구동용 DC전원등), 동작신호등을 제어 케이블을 이용, 관련기기나 차단기등의 조작회로에 연결하도록 되어 있다. 외부단자는 대부분 bolt형이나 최근에는 socket형도 사용된다.

역전력보호(逆電力保護, Reverse Power Protection)

교류전력이 상시와 반대로 흐를 경우에 대한 보호다. 발전기 보호방식에서 모터링 보호를 말하는 경우도 있다

동기탈조 보호(同期脫調保護, Out of Step Protection)

동기탈조 보호는 송전선 보호 또는 동기기 보호에 적용된다. 송전계통에서 동기탈조가 발생하여 어느 선로의 양단 전압 위상차가 180도가 되면 계통의 전압, 전류는 전기적 중성점에서 3상 단락고장이 발생한 경우와 같게 되므로 그 점을 동작범위로 하는 송전선 보호계전기가 오동작할 수 있다. 따라서 동기탈조시에는 거리계전기에 의한 차단을 저지하는 방식을 채용하고 있으며, 우리 계통에서 는 일반적으로 송전선 주보호와 Zone-1,2 차단을 저지시 키고 최종 후비보호인 Zone-3의 차단은 허용한다.

동기기에서 보면, 부하상태로 기동되는 동기전동기의 경우 동기탈조보호가 반드시 필요하지만 동기발전기는 계자상실이 되지 않는 한 동기탈조의 가능성은 희박하며, 발전소간의 동기탈조는 송전선 보호에 포함된 탈조 보호장치로 검출이 가능하기 때문에 일반적으로 발전기에는 계자상실 계전기 이외에 별도의 동기탈조계전기는 생략되어 왔다. 그러나, 최근 전력계통의 대형화에 따라 선로 임피던스가 감소하는 반면 발전기의 임피던스는 증가하는

추세에 있어 동기탈조시 전기적 중성점이 발전기에 근접되는 경우가 나타나므로 동기발전기에 동기탈조보호를 적용하는 경우도 있으며 계전기의 특성은 블라인더형의 거리계전기가 주로 사용된다.

선로가압시 고장검출(SOFT, Switch on to Fault Trip)

송전선 보호용 거리계전기의 전압 입력으로 선로측 PT를 사용하는 보호계전기는 유지 보수 후 접지장치를 제거하지 않거나 고장이 제거되지 않은 상태에서 차단기를 투입하면 3상이 접지된 상태에서는 고장 전압이 거의 0이고 기억 작용이 되지 않으므로 거리계전기는 동작할 수 없다. 이 경우에 계전기 고장 검출이 가능하도록 하는 것이 SOFT기능이다. 통상 차단기 투입후 일정시간(약 500ms 정도)까지 기능이 동작하며 이 목적을 위해 CB 보조계전기 접점 신호가 사용된다.

Stub Protection

거리계전기의 전압 입력으로 선로측 PT를 사용한 경우에 사용되는 보호방법이다. 선로용 DS가 열리고 차단기 CB1, CB2가 닫힌 상태에서는 선로 전압은 0이며 거리계전기는 동작할수 없다. 따라서 이 맹점구간 보호를 위하여 선로 조건(선로용 CB 투입 및 DS 개방)이 만족되고 과전류 계전기로써 차단기를 차단시키는 방식이다.

VT 이상검출 (VTF, VT Failure Detection)

VT(Voltage Transformer)회로의 불량(단락, 지락 등)이 발생될 경우 거리계전기는 동작하게 된다. 그러므로 VT(Voltage Transformer) 불량이 발생될 경우 거리계전기 동작을 저지시켜야 한다. 제작사별로 여러 종류의 검출 방법이 사용되고 있으나 일반적으로 VT 이상시에는 영상 전압이 발생되고 영상전류는 발생되지 않는 원리를 이용하여 VT의 이상을 검출하고 있다

시동(始動, Start)

계전기를 동작시키는 방향으로 입력이 변했을 때 최초의 위치에서 가동부가 움직이기 시작하여 최초 위치에서 의 기능에 변화가 생기는 것을 시동이라 하며, 시동에 필요한 한계 입력치를 시동치라 한다.

동작(動作, Operation)

계전기가 소정의 책무를 수행하는 것을 동작이라 하며, 동작에 필요한 한계입력을 동작치, 입력이 동작치를 넘는 순간부터 계전기가 동작한 때까지의 시간을 동작시간이라 한다.

지지(支持, Holding)

계전기에 입력이 가해지면 계전기의 가동부가 동작 후 동작상태 그대로 동작기능을 유지하는 것을 지지라 하며 계전기의 접점이 동작기능 상태로 유지되는 최소의 입력치를 지지치라 하며, 최초의 지지상태에서 지지가 해제되는 상태까지의 시간을 지지시간이라 한다.

석방(釋放, Release)

계전기의 가동부가 동작상태에서 복귀방향으로 움직이기 시작하여 동작상태에서 기능에 변화가 생기는 것을 말하며, 석방에 필요한 한계 입력치를 석방치, 가동부가 원래의 위치로 움직이기 시작하여 최초의 무입력 상태에 까지 도달하는데 필요한 시간을 석방시간이라 한다.

복귀(復歸, Drop Out or Reset)

계전기가 pick up후의 위치에서 입력이 영(0)인 위치까지 이동하는 것을 말하며, 복귀에 필요한 한계 입력치를 복귀치, 입력이 복귀치를 넘는 순간부터 계전기가 복귀한 때까지의 시간을 복귀시간이라 한다.

자기복귀 (Self Reset)

동작 후 입력이 복귀치 이하가 되면 자동으로 복귀하는 것을 말한다.

수동복귀 (Manual Reset)

동작 후 입력이 복귀치 이하가 되어도 자동복귀 되지 않고 계전기를 수동으로 복귀시키는 것을 말한다.

전기복귀 (Electrical Reset)

동작 후 입력이 복귀치 이하가 되어도 자동 복귀되지 않고 복귀를 목적으로 외부에서 다른 전기입력에 의하여 계전기를 복귀시키는 것을 말한다.

한시복귀 (Time Delayed Reset)

계전기가 동작후 입력치를 영으로 하여 원위치로 복귀 할 때 시간 지연으로 복귀하는 것을 말한다.

픽업(Pick Up)

계전기의 가동부가 입력이 영인 위치에서 입력을 가했을 때 최종 동작위치까지 이동하는 것을 말한다.

부동(浮動, Floating)

계전기의 가동부가 동작 또는 복귀행정의 도중에서 정지하여 계전기의 기능이 불안정하게 되는 현상을 말한다.

잠동(潛動, Creeping)

두 개의 입력이 곱으로 구동력이 생기는 계전기에서 그중 한 쪽만의 입력으로 가동부가 구동되어 진동하는 현상이다.

관성동작(慣性動作)

동작행정의 도중에서 입력이 부동작하는 값으로 급변해도 가동부가 관성으로 운동을 계속해서 동작하는 것을 말한다.

반도(反跳, Rebound)

접점의 폐로 또는 개로시 접점이 불필요하게 개폐를 반복하는 현상을 말한다.

Chattering

그 원인이 주로 국부적인 접촉부의 진동에 기인하는 비교적 짧은 주기로 개폐를 반복하는 현상을 chattering이라 한다.

Bouncing

전반적인 가동부의 진동에 기인하는 비교적 긴 주기로 접점개폐를 반복하는 현상을 bouncing이라 한다.

억제(抑制, Restraint)

계전기의 동작 방향과 반대 방향의 힘 또는 전기량을 작용시키는 것을 말한다.

저지(沮止, Blocking)

계전기가 동작 입력의 여하에 관계없이 어떤 계전기나 system의 일부가 동작되어도 전체 기능을 발휘할 수 없도록 하는 것을 말한다.

자기지지(自己支持, Self Holding)

계전기가 동작했을 때 특정 기구 또는 다른 입력에 의해 동작 기능을 스스로 유지하는 것을 말한다.

기억작용(記憶作用, Memory Action)

계전기의 입력이 급변했을 때 변화 전의 전기량을 계전기에 일시적으로 잔류시키게 하는 것을 말하며 주로 Mho형 거리계전기에 사용한다.

접점협조(接點協助, Contact Coordination)

계전기 접점의 동작 및 복귀시간을 잘 조합, 상호간에 협조하여 소정의 목적을 달성하도록 하는 것을 말한다. 예로서 C/R수신 relay와 내부고장 검출 relay간의 접점협조가 있다.

단락보호(短絡保護, Short Circuit Protection)

단락고장이란 정상상태에서의 전위가 서로 다르고, 대지전위가 다른 전기회로가 서로 접촉되는 고장을 말한다.단락고장에 대한 보호를 단락보호라 한다.

(예, 송전선에서 a상 도체와 b상 도체의 접촉)

지락보호(地絡保護, Earth Fault Protection)

지락고장이란 정상상태에서 대지전위와 다른 전기회로가 대지전위를 갖는 점과 접촉되는 고장을 말한다. 지락고장에 대한 보호를 지락보호라 한다.

(예, 송전선에서 a상 도체가 대지 또는 철탑과 접촉)

층간(層間)단락보호

(Protection Against Turn To Turn Fault)

3상 전력기기에서 동일한 상의 권선간의 단락고장을 층간단락 고장이라 하며, 이에 대한 보호를 층간단락 보호라 한다.

과부하보호(過負荷保護, Overload Protection)

전력기기 또는 송배전선로의 과부하 상태에 대한 보호로서 보호장치로는 주로 반한시형 과전류계전기 또는 온도계전기(thermal relay)가 사용된다. 온도계전기는 기기에 흐르는 전류의 크기로써 온도상승을 추정하는 replica type과 저항 온도 검출기(resistance temperature detector)로써 필요한 부분의 실제온도를 측정하는 방법이 있는데 후자는 냉각계통의 고장으로 인한 과열현상도 검출하며 일반적으로 대형 기기보호에 적용된다. 한편 송전선의 단락보호용 거리계전기(Zone 3)로서 선로 과부하 보호를 겸하는 경우도 있다.

과열보호(過熱保護, Overheating Protection)

전력기기의 온도가 허용치 이상으로 상승하는 경우에 대한 보호로서 검출방법으로는 저항온도 검출기 (R.T.D) 또는 열전대로 온도를 검출하고자 하는 장소에 매설하고 여기에 wheatstone bridge와 방향성 계전기를 접속하는 방법과 과열상태를 검출하고자 하는 회로의 전류를 직접 또는 C.T를 통하여 피보호설비와 가급적 같은 비율로 가열 및 냉각되는 특성의 온도차단기에 가하는 replica type의 보호장치가 있다. 전자의 방법은 주로 대용량 회전기보호에 사용되며 후자는 변압기 보호 및 비교적 소용량 회전기보호에 적용되는데 기기 냉각계통의 고장으로 인한 과열은 검출되지 않는 단점이 있다.

과전압 보호(過電壓保護, Overvoltage Protection)

과전압으로 인한 절연파괴 또는 철손(iron loss) 증가 등에 대한 보호로서 발전기,동기조상기(rotary condenser),정전축전기(static condenser), 분로리액터(shunt reactor)등의 기기에 적용되며 이 보호장치의 동작시간 특성은 순시형, 반한시형, 정한시형이 있다. 한편 지락보호의 한 방법으로서 영상전압회로에 지락 과전압계전기를 접속하는 방식도 있다.

저전압 보호(低電壓保護, Undervoltage Protection)

저전압 보호는 전원전압의 저하 또는 무전압 상태를 검출하여 부하설비를 보호 또는 전원절체 등의 조치를 취하기 위하여 적용된다. 특히 전동기는 전원전압이 저하되면 기동이 곤란하고 운전중에 속도가 저하되거나 과부하가 될 수 있으므로 저전압에 대한 보호가 필요하며, 한편 1개의 전원에 다수의 전동기가 접속되는 계통에서는 정전후 전원이 회복될 때 전동기들의 동시기동에 따른 전원측 과부하로 재정전 될 수 있으므로 정전시는 부족전압 보호장치로서 전동기를 전원으로부터 분리하는 방식도 적용된다. 부족전압 보호는 관련 계통고장에 의한 순간적인 저전압에 동작치 않도록 한시형이 널리 사용된다. 이밖에 모선보호장치 또는 송전선보호장치 등에서 부족전압계전기가 고장검출용으로 사용되는 경우가 있으며 이때에는 순시형이 쓰인다.

저주파수 보호 (低周波數保護, Under Frequency Protection)

저주파수 보호는 대략 아래의 2가지 경우에 적용된다.

• 계통주파수 저하시 부하차단 저주파수 보호

발전력 탈락등으로 계통주파수가 저하되면 증기터빈 발전기의 터빈이 진동으로 손상을 받게 되고, 계통에 운전중인 모든 회전기의 속도가 떨어지는 등 계통이 불안정하게 되며 심한 경우에는 계통이 붕괴될 수도 있다. 이에 대비하여 계통주파수 저하시에는 미리 정해진 몇 단계의 주파수에서 각각 일정량의 부하를 차단하므로써 계통의 발전력 부족을 상쇄시켜 계통주파수를 회복시키는 방법이 적용된다.

• 발전기 보호용 저주파수 보호

앞에 설명한 바와 같이 계통주파수가 저하하여 증기 터빈 발전기의 공진속도에 접근하면 터빈 날개 (특히 저압터빈의 최종단 날개)는 심한 진동으로 손상되며 발전소소내 보조기기의 속도가 떨어져 정상운전이 곤란하게 된다. 따라서 발전기 보호용 저주파수계전기(under frequency relay UFR)를 설치하여 발전기를 정지시키는 방식도 적용된다. 발전기 보호용 UFR동작으로 발전기가 정지되면 계통 주파수는 더욱 저하되므로 이 용도의 UFR 정정시에 는 그 발전기의 저주파수 운전한계(off frequency limit)외에 계통의 부하 차단용 UFR 정정치와 협조되도록 검토해야 한다.

역상보호 (逆相保護, Negative Phase Sequence Protection)

역상보호는 결상, 부하 불평형, 상회전 방향의 반전 등의 원인으로 3상 계통에 역상분 전류가 흐르게 되는데 대한 보호로서, 적용되는 경우는 대략 아래와 같다.

• 1차측이 fuse로 보호되는 주변압기 1상의 fuse만이 용단되어 단상공급이 될 경우에 대비하여 역상과전류계전기를 설치하고, 이 계전기가 동작하면 주변압기 2차측 차단기로써 3상을 모두 차단시킨다.

• motor보호 전원의 상회전방향이 바뀔 우려가 있고 따라서 motor가 역회전하면 큰 위험이 따르는 경우에는 역상과전압계전기가 사용된다. 이 계전기로부터 전원 측에 서 차단이 될 경우는 결상검출도 가능하나 motor측에서의 결상에는 역상분전압이 적어서 검출이 곤란하므로 결상에 대한 보호에는 불평형 전류를 이용, 검출하는 방식이 더 좋다.

• 발전기 보호 동기발전기의 전기자전류가 불평형이 되어 역상분이 포함되면 이 전류는 회전자를 계통주파수의 2배의 속도로 끊게 되고 따라서 회전자에는 기전력이 유기되고 이 기전력에 의한 전류가 회전자 철심에 흘러 과열된다. 따라서 발전기의 역상분 전류에 대한 보호에는 역상filter와 역상분 전류에 의한 회전자 과열특성에 맞는 반한시형 과전류계전기 요소로서 구성된 역상과전류계전기가 사용된다.

결상보호 (缺相保護)

교류3상 전력계통에서 1상이 결상되면 불평형전류가 흐르거나 단상전력이 공급되므로 전력계통에 큰 피해를 줄수 있다. 따라서 각 설비별로 아래와 같은 보호방식이 적용된다.

- 차단기 : 차단기의 보조접점을 이용하여 3극이 동시에 투입 또는 개방되지 않을 경우를 검출하여 차단기를 trip시킨다.

- 1차측 퓨즈로 보호되는 주변압기 : 1상의 fuse만이 용단될 경우에 대비하여 역상 과전류계전기를 설치하고 이 계전기가 동작하면 주변압기 2차측의 차단기로서 3상을 모두 차단시킨다.

- 전동기 : connector failure 또는 fuse failure등으로 1상만 개방될 수 있는 대용량 motor 또는 소용량 motor group을 공급하는 feeder에 적용된다. 검출 방법으로 는 Ia와 Ib, Ib와 Ic가 각각 반대방향의 torque를 발생 시키는 2개의 요소를 두어 결상에 의한 전류 불평형시 동작토록 하는 방법과 역상과전류 계전기를 사용하는 방법이 있다.

- 발전기 : 발전기에는 별도의 결상 보호장치를 사용치는 않으나 역상과전류계전기로서 결상에 대하여 보호가 가능하다.

계자상실보호(界磁喪失保護, Loss of Field Protection)

동기발전기의 계자가 상실되면 동기속도를 벗어나 유도발전기로 운전되며 이때 유기되는 회전자 전류를 흘려줄제동권선이 없는 증기 터빈 발전기에서는 회전자 끝부분이 급속히 과열된다. 수력기에는 대부분 제동권선(damper winding)이 있으므로 이와 같은 과열은 일어나지 않으나 발전기의 종류에 관계없이 전기자전류는 정격의 2～4배까지 증가하여 전기자가 과열되고, 무효전력을 계통으로부터 취하게 되므로 계통전압이 떨어지고 계통동요가 생긴다. 보호방식은 계자상실시 발전기 단자에서 본 임피던스 궤적의 변화를 이용하여 off set mho형 거리계전기로서 검출한다.

과속도 보호(過速度保護, Overspeed Protection)

과속도 보호는 원동기로 구동되는 모든 발전기에 적용된다. 발전기에는 조속기(governor)가 있어 평상시 속도를 제어하고 정격출력 운전 중 부하가 갑자기 탈락되어도 속도가 위험치에 이르지 않도록 설계되어 있으나 과속도에 대한 추가 보호로써 과속도 보호장치가 사용된다. 과속도 검출 방법으로는 원심 스위치를 이용하는 기계적인 방법과 속도에 비례하는 전압을 발생시키는 tacho- meter dynamo를 발전기 축에 설치하고 여기에 과전압계전기를 접속하거나 overfrequency relay로서 과속도를 검출하는 전기적인 방법이 있다. 과속도 보호장치는 전부하 탈락속도 보다 3～5% 높게 정정하는 것이 일반적이며 Turbo Generator는 정격속도의

110% 정도가 된다.

모터링 보호(Anti-motoring Protection)

계통과 병렬운전중인 동기발전기의 원동기 입력이 감소하여 발전기 무부하 운전에 필요한 값 이하가 되면 발전기는 계통으로부터 전력을 받아 동기전동기로서 운전된다. 이 경우 증기 터빈 발전기에서는 풍손에 의한 열이 축척되어 터빈이 과열되고, 디젤엔진 발전기에서는 불완전연소된 연료에 인화되거나, 폭발할 우려가 있는 등 원동기의 종류에 따라 각각의 바람직하지 못한 현상이 나타나므로 모터링에 대한 보호장치가 적용된다. 보호장치로는 유효전력으로 동작하는 방향성 전력계전기가 사용되며 동작시간 특성은 발전기의 계통병입시 또는 계통동요에 의한 순간적인 역전력 현상에 동작치 않도록 충분한 지연동작을 시킨다.

동기조상기, SVC

(Static Var Compensator), STATCOM (Static Sychronous Compensator) 까지 다양하다. 매우 강한 교류 시스템의 경우에는 병렬 커패시터만 있으면 된다. 약한 교류 시스템의 경우는 적절한 동적 제어를 위해 SVC, STATCOM 또는 동기조상기가 필요하다.

고조파 필터 (Harmonic Filter)

컨버터는 상당한 양의 고조파 전류를 발생시킨다. 필터링을 하지 않으면 고조파 전류는 교류 전압에 왜곡을 만들고 통신 시스템을 방해하게 된다. 고조파 필터는 임피던스가 작은 병렬 선로를 설치하여 고조파 전류가 흘러나가게 함으로써 교류 전압의 왜곡을 수용할 수 있는 범위 이내로 만드는 역할을 한다.

12펄스 컨버터의 특성 교류 고조파는 12n∂1 성분에 해당한다. 필터가 필요한 고조파 성분은 11차, 13차, 23차 그리고 25차 성분이다. 그 이상 높은 차수의 고조파 성분은 감

쇄되는 고주파 통과 필터에 의해서 감쇄된다. 특별한 동작이 필요할 때나 교류 시스템의 상태에 따라서 3차와 같이 낮은 차수의 고조파 필터가 필요하기도 한다.

AC필터는 고조파 전류를 바이패스하기 위해 콘덴서와 리액터를 직좵병렬로 조합시켜 특정차수에 대하여 저 임피던스를 나타내도록 함으로써, 저차형 고조파 저감을 위한 Band-Pass Filter와 고차형의 High-Pass Filter 등으로 구분된다.

Passive Filter는 교류 Filter, L-C Filter, 수동 Filter라고 부르며 동조필터와 고차수 필터가 있다. L-C 필터의 기본적인 회로는 L과 C의 공진현상을 이용한 것으로 n차 고조파전류는 대부분 필터를 통해 흡수되고, 계통으로 유출 고조파 전류를 저감시킬 수 있다. 그

병렬 리액터 뱅크(Shunt Reactor Bank)

HVDC 컨버터는 전력전송량에 비례하여 무효전력을 흡수하므로 이에 비례하여 AC 필터나 Sh-C를 투입하게 된다. HVDC가 저전력으로 운전할 때 무효전력 흡수량보다 AC 필터나 Sh-C에 의한 무효전력 공급량이 더 많아지는 경우가 있는데 이때 발생되는 과전압을 해소하기 위하여 병렬 리액터 뱅크가 필요할 수 있다.

피뢰기 (Surge Arrester)

컨버터의 AC yard에 설치되는 피뢰기는 표준 교류 변전소의 과전압 보호를 목적으로 컨버터 터미널 교류 부분에 사용된다.

변환용 변압기(Converter Transformer)

변환용 변압기의 기본적인 역할은 교류 시스템에 사용되는 교류 전압을 정류(Rectification)와 인버젼(Inversion)에 필요한 직류전압을 만들기 위한 수준의 교류 전압으로 바 꾸어 주는 것이다.

정확한 전압-위상 관계를 위해서 1차측 혹은 교류측은 접지된 Y-결선을 사용하고 직류측 밸브 중 하나는 접지되지 않은 Y-결선을 다른 하나는 △-결선을 사용한다. 선간 전압은 각 밸브 측 결선에서 똑같다.

밸브측 변압기 결선은 접지 되어 있지 않기 때문에 직류 바이어스 전압을 가질 수 있다. 그러므로 밸브측 결선의 절연체는 교류 전압이 상 사이에만 존재하는 경우에도 표준 교류 변압기의 절연체와 다르다.

컨버터 변압기는 교류전압과 직류전류가 변화함에 따라 직류전압을 제어하기 위하여 부하 탭 체인저(LTC)가 필요하다. 일반적인 LTC의 범위는 1%∼2% 스텝의 변화에 대해 총 20% 정도이다. LTC의 운용은 무효전력 수요를 제한하기 위하여 밸브 점호각 제어와 무효전력원의 스위칭 제어로 구성된다.

컨버터 변압기의 권선에는 주된 주파수 성분이 거의 직사각형 파형의 순환하는 직류 전류가 나타난다. 이것은 동손과 전류 실효치의 크기를 증가시킨다. 이러한 효과는 직류 절연과 LTC의 필요와 맞물려 보통의 동등한 용량의 교류 변압기의 크기에 비해 컨버터 변압기의 크기를 증가 시키는 경향이 있다.

싸이리스터 밸브와 밸브 홀

싸이리스터 밸브는 HVDC 시스템의 핵심 기술 중 하나이며 교류를 직류로 변환시키는 전력변환기의 역할을 하고 있다.

밸브 전기 회로

실제 싸이리스터 밸브는 이상적인 스위치가 아니기 때문에 정상상태 및 과도상태에서 정상적인 동작을 하기 위해서 스너버 커패시터(snubber capacitor), 스너버 저항

(snubber resistor), di/dt 리액터(saturable reactor), 직류 분압저항 등의 보조적인 소자들과 방열판, 보호회로, 점호 회로 등의 구성이 필요하다. 1개 싸이리스터에 연결되는

추가 회로들을 포함하여 싸이리스터 레벨이라 하며 기본 동작 단위가 된다.

개별 싸이리스터 한 개의 정격전압은 일반적으로 5∼8kV이며 부하정격전류는 수 kA이다. 실제 HVDC 시스템에서 필요한 정격전압을 얻기 위하여 여러 개의 싸이리스터를 직렬로 연결하여 구성하며 이러한 변환기의 기본소자를 싸이리스터 밸브라 한다. 한 개의 밸브는 한 개의 대용량 싸이리스터로 그 기능을 등가화시킬 수 있는 직렬/병렬 싸이리스터의 집합체이다.

정류회로를 구성하는 싸이리스터 밸브의 개수가 증가할수록 발생되는 고조파 왜곡을 최소화할 수 있지만, 기기와 제어회로의 복잡성 등 경제적인 측면을 고려할 때 12개의 밸브로 조합된 12펄스 싸이리스터 브리지가 일반적으로 사용된다.

밸브 기계장치

싸이리스터 밸브는 일반적으로 경제적인 이유로 4개의 밸브로 구성된 쿼드리 밸브(quadri-valve) 구조를 이루며 3개의 쿼드리 밸브는 1개 HVDC pole를 구성한다. 쿼드리 밸브는 밸브홀의 천장에 절연물질로 매달려 있거나 바닥에 설치되어 고정된다. 밸브홀 내에 설치되는 화재예방시스템의 적정성, 밸브 유지보수의 용이성, 지지물의 기계적 강도 뿐만 아니라 전기적인 요구 특성을 충족시키기 위한 싸이리스터 밸브 내의 개별 소자, 전기회로, 부속품들 간의 접속 또한 고려되어야 한다.

밸브 냉각 시스템(Cooling System)

싸이리스터 밸브는 스위칭 동작 과정에서 많은 열이 발생하며 이를 제거하지 않을 경우 밸브 동작을 위한 적정온도범위를 벗어나 밸브의 성능이 크게 저하된다. 밸브에 서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 전력손실을 최소화하기 위해서는 싸이리스터 소자의 온도상승을 방지할 수 있는 냉각시스템이 필요하다. 전력용 반도체의 방열 방법으로는 자연 공냉식, 강제 공냉식, 수냉식 방법 등이 있다. 이러한 냉각 방식 중에서 공기를 이용한 방식은 구조가 간단하고 유지 보수가 간단하여 산업현장에서 많이 이용되지만, 시스템이 대용량화하는 경우에는 방열판의 크기가 커지며 방열능력이 포화되기 때문에 수냉식으로 설계되어야 한다. 밸브 냉각 시스템은 밸브 냉각수를 통한 부분방전을 방지하기 위해 탈 이온화된 냉각수를 밸브에 공급해야 하고 밸브 냉각수의 전도도를 감지할 수 있는 장비를 제공해야 하며, 밸브의 냉각수를 냉각시키기 위한 열교환기를 설치해야 한다. 또한 냉각수가 밸브 홀 외부의 가장 낮은 대기온도에서 결빙되는 것을 방지하여야 한다.

 평활 리액터(Smoothing Reactors)

직류 평활 리액터는 몇 가지 중요한 역할을 수행한다.

(1) 직류 필터와 함께 전체적인 직류 고조파 필터링에 중요한 역할을 한다.

(2) 직류 선로나 스위치 부분으로 향하는 steep-front surge가 밸브 홀로 들어가는 것과 싸이리스터 밸브의 과도한 스트레스를 제한하는 역할을 한다.

(3) 저전력 전송시 직류 전류의 리플성분을 평활하게 하여 불연속이 되는 것을 막는다.

(4) 빠른 전압 변화에 의해 발생되는 전류의 변화율을 제한함으로써 전류실패를 막는다.

DC 고조파 필터(Harmonic Filter)

고조파 전류가 직류 송전선로에 흐르면 근처의 통신회로에 유도작용을 일으켜 음성신호의 질을 떨어뜨린다. 그러므로 직류 고조파 필터는 직류 가공선로 시스템에서 주로 사용된다. Back-to-back 시스템 및 송전선로가 케이블로 된 시스템에서는 직류 고조파 필터가 필요 없다.

DC 피뢰기(DC Surge Arrester)

DC 피뢰기들은 싸이리스터 밸브와 싸이리스터 밸브 구조물을 계통에서 발생될 수 있는 예상치 못한 모든 과전압으로부터 보호하도록 함께 동작한다.

밸브 홀에서 보통 사용되는 피뢰기의 종류는 다음과 같다.

(1) 싸이리스터 밸브 각각에 교차하여 직접 연결된 밸브 피뢰기

(2) 각각의 6펄스 브리지에 교차하여 직접 연결된 6펄스 브리지 피뢰기

(3) 6펄스 브리지와 접지 사이의 지점에 위치한 중간점피뢰기

(4) 직류 Bus에서 그라운드로 연결되는 지점에 위치한 직류 Bus 피뢰기

HVDC 케이블

HVDC 케이블은 주로 해저케이블로 사용된다는 점 때문에 수압, 해류의 영향과 항해 선박이나 어구 등에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 육상케이블과 달리 외장철선으로 감싸는 구조를 이루어 기계적 강도를 강화시켰다. 오늘날 HVDC 해저 케이블은 대부분 유침지 절연케이블(MI Cable : Mass Impregranted Cable)이 사용되고 있다. 이 케이블은 과거 약 50년 동안 사용되어 왔고 아주 신뢰성이 높지만, 제작 공정이 복잡하고 비싸서 다른 적당한 절연물을 개발하기 위한 노력이 진행되고 있다. 그 중 하나가 XLPE 케이블이다.

직류송전시스템의 구성형태

• Point-to-Point 방식

PTP(Point-to-Point)는 두 지점 간을 가공선이나 케이블을 사용하여 연결하는 HVDC의 기본적인 구성이다.

PTP에 주로 많이 사용되는 방식은 단극(monopole) 및 양극(bipole)시스템 이다. 단극시스템은 하나의 송전선과 2개의 변환기로 이루어진다. 단극 시스템의 경우 전극소를 이용한 대지귀로(Ground Return) 및 해수귀로방식과 전극소를 사용하지 않고 별도 선로를 이용하는 도체귀로 (Metalic Return) 방식으로 나누어진다. 대지귀로 방식의 경우 육지에서는 전식등의 영향으로 적절한 장소를 찾기 힘들기 때문에 가공 전송방식에는 이용되지 않는 추세이다. 국내 최초 설치된 제주-해남간 HVDC는 해수 귀로 방식이 사용되었다. 해수는 매우 우수한 도체이며 전극소(sea electrodes)의 위치선정이 용이하다. 전극소는 10∼20

kV의 저전압 직류선로로 변환기의 중성점에 연결된다.

직류송전에서 가장 많이 선호되는 것은 양극(bipole)시스템이다. 대부분의 가공선 방식은 양극성(bipole) 구성방식으로 양극(＋)과 음극(－)에 각각 1개의 도체를 사용한다.

이 방식은 2개의 극중 한극에 고장이 발생하더라도 다른 한극만으로 운전이 가능하다는 장점을 갖는다. PTP 방식에서 송전전압은 최소의 투자비와 최소의 송전손실에 대하여 최적화된 값으로 결정된다.

• Back-to-Back 방식

2개의 변환기가 동일 장소에 존재하는 BTB (Back-to-Back) 방식은 PTP (Point-to-Point)방식에서 직류 송전선이 없는 시스템으로 볼 수 있다. 직류 송전선이 없으므 로 PTP에 비해 저전압, 대전류로 설계가 가능하여 절연설계 측면에서 유리한 장점이 있다. BTB는 설치장소와 기타 설비의 공유로 인해 PTP방식보다 비용이 15∼20% 더 경제적이다.

• 다단자(multi-terminal)방식

다단자 방식은 2개 이상의 터미널을 갖는 방식이다. 이러한 시스템은 일반적인 PTP 방식보다 복잡하기 때문에 보다 정교한 제어시스템이 요구되며 변환소간의 통신이 보다 중요하게 된다. 이렇게 병렬 연결된 다단자 구성에 서, 점호각의 제어나 기계식 스위치로 터미널의 접속을 역전시킴으로써 각각의 변환기는 정류기나 인버터로 동작하여 전력조류의 방향과 크기를 제어할 수 있다.

컨버터의 동작원리

컨버터는 교류와 직류를 상호 변환하고, HVDC 송전선의 전력조류를 제어하는 장치이다. 컨버터를 구성하는 주요소는 밸브 브리지와 컨버터 변압기인데, 밸브 브리지는 고전압에 견딜 수 있는 스위치들의 배열로 구성되어 있으며, 3상 교류와 직류 선로를 연결하여 전력을 변환하고 제어한다. 또한 컨버터 변압기는 교류와 직류 사이의 접속을 담당한다.

 싸이리스터 밸브의 기본동작 원리

HVDC 컨버터의 밸브는 제어 가능한 전자식 스위치이다.

이 스위치는 양극에서 음극으로, 즉 순방향으로만 도통한다. 만약 음극의 전압이 양극의 전압보다 높아서 역방향전압이 스위치에 걸리면, 밸브는 전류를 차단하게 된다

싸이리스터 밸브도 마찬가지로 양극의 전압이 음극의 전압보다 높고, 제어 게이트에 양의 전압이 인가될 때 비로소 도통하게 된다. 다시 말해서 게이트에 적절한 극성의 순

간적인 전류펄스 혹은 지속적인 전류펄스를 가하게 될 때 비로소 도통이 시작되게 되는 것이다. 밸브가 한번 도통되면, 전류가 0으로 떨어지고 밸브에 역방향의 전압이 걸

릴 때까지 전류는 계속 흐르게 된다. 순방향의 전류는 게이트에 제어펄스가 인가되기 전에는 흐르지 않는다. 밸브가 도통되지 않았을 때 싸이리스터 밸브는 양극과 음극

사이에 걸리는 순방향 전압과 역방향 전압을 모두 견딜 수 있어야만 한다.

전류 (轉流, Commutation)

싸이리스터는 스위치로 동작하여 AC 전압이 순차적으로 on/off되어 직류전압을 공급하도록 동작한다. 각 싸이리스터가 turn-on 되면 전류가 흐르기 시작하고 하나의 밸브는 전류가 0으로 감소하면서 turn-off 되며 6펄스변환기의 경우, 이러한 동작이 60도 간격으로 순차적으로 일어나게 된다. 전류(轉流, Commutation)라 함은 두 개의 싸이리스터가 동시에 하나는 turn-on 되고 또 하나는 turn-off되면서 하나의 싸이리스터에서 다른 싸이리스터로 전류가 옮겨가는 현상을 말한다.

전류 실패 (轉流失敗, Commutation Fail)

전류 실패 (轉流失敗, Commutation Fail)는 轉流전압의 극성이 반전되기 전까지 도통될 밸브가 도통되지 못하는 사고이다. 싸이리스터가 도통상태에서 오프상태로 천이 할 때 내부 PN 접합면 사이에 충전된 캐리어가 원래의 상태로 복귀되어야만 완전한 off 상태로 유지될 수 있다.

도통 상태에서 비 도통 상태로 천이 하는데 소요되는 시간을 싸이리스터의 턴 오프(Turn-off) 시간 이라 한다. 소호각 γ=π-(α+μ)은 싸이리스터의 Turn-off 시간보다는 길어야 한다. 그렇지 않을 경우 소호되어야 할 싸이리스터는 ωt = π에서 정극성의 교류 전압에 의하여 정방향 저지(forward block)상태에 있지 못하고 재 도통하게 된다. 이때 교류전압 극성은 바뀌었으나 전류방향은 그대로 유지되어 인버터는 정류모드로 동작하는 전류실패 (轉流失敗,Commutation Fail)가 일어난다.

전류실패 (轉流失敗, Commutation Fail)가 일어나면 인버터의 직류전압 극성이 “- => +” 바뀌게 되고 큰 전류가 흐르게 되며, 직류전류가 교류전류보다 크게 나타나게 되므로 이러한 현상에서 轉流실패 발생을 검출 할 수 있다.

전류실패가 일어나면 DC에서 AC로의 전력변환이 이루어 지지 않게 된다. 정상운전 상태에서 변환기로 흘러들어가 는 교류전류와 흘러나가는 직류 전류의 크기는 동일하다.

Commutation Fail이 발생하게 되면 직류전류의 크기가 교류전류보다 커지는 현상이 발생한다. 일반적으로 전력변환기는 일시적인 轉流실패에 견디도록 설계되며 교류 전원이 수십-수백 msec 이내에 정상으로 회복되면 제거된다. 그러나, 열용량을 넘어서는 과전류가 흐르게 되면 싸이리스터가 소손 될 수 있기 때문에 이로부터 싸이리스터를 보호할 필요가 있다.

HVDC 역률 및 무효전력

손실이 무시된 이론적인 경우 교류 유효전력은 직류전력과 동일하다.

HVDC 주요 설비

HVDC 변환소는 AC-Yard, DC-Yard, Thyristor Valve 건물 (AC와 DC의 연결부분)과 같이 세 개 지역으로 구분된다. BTB (Back To Back) 변환소는 송․수전단의 AC-Yard가 동일 변환소에 존재하며 각각 동일한 싸이리스터 건물에 연결되어 있다.

• 변환소의 AC-Yard

컨버터 터미널의 교류 부분은 커패시터, 리액터, 차단기, 변압기 등 고전압에 흔히 이용되는 전형적인 교류 시스템 설비를 포함하지만 일반적인 방법으로 배열되지는 않는다.

 병렬 커패시터와 다른 무효전력 공급원

직류 컨버터는 특성상 많은 양의 무효전력을 소비한다.

보통 컨버터의 무효전력은 전송되는 유효전력의 50%∼60%에 해당하는 양이 필요하다. 무효전력 요구량이 매우 크기 때문에 일반적으로 컨버터와 연결되어있는 교류 시스템은 무효전력을 스스로 공급하거나 일반적인 한계내의 전압을 유지하는 것이 불가능하다.

교류 시스템에 무효전력을 공급하는 장치의 형태는 스위치 병렬 커패시터 (고조파 필터를 포함),

석탄가스화복합발전

(IGCC : Integrated Gasfication Conbined Cycle)

석탄을 증기 및 산소와 함께 고온․고압의 가스화기에서 불완전 연소시켜 합성가스인 일산화탄소와 수소를 제조하여 가스터빈을 구동하며, 폐열로 증기를 생산하여 증기터빈을 구동하는 복합발전 시스템을 말한다

합성천연가스 (SNG : synthetic natural gas)

석유나 석탄 등을 원료로 만들어지는 가스를 말한다.

메탄이 주성분인 천연가스와 성분이 비슷하며. SNG의 S는 synthetic(합성) 또는 substitute(대체)의 뜻으로 합성천연가스 혹은 대체천연가스라 한다.

석탄액화기술 (CTL : Coal to Liqid)

고체상태인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키기 위하여 고온 (430-460℃) 및 고압 (약100-280기압)의 반응조건 하에서 수소를 첨가시켜서 생성물의 수소/탄소-비를 1.5 - 2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술이다. 석탄을 직접 녹여 액화시키는 직접액화기술과 가스화한 후 액화시키는 간접액화기술로 분류된다.

석탄가스화 (Gasification of coal)

고온에서 석탄에 산소, 수소, 공기, 수증기 등을 단독 또는 병용하여 반응시켜 수소, 일산화탄소, 메탄 등을 주성분으로 하는 합성가스를 얻는 기술로 먼지와 황산화물 등의 석탄 공해를 해결할 수 있으며, 석탄액화에 비해 기술의 안정성, 경제성 면에서 높게 평가되고 있다.

탄소포집저장

(CCS : Carbon Capture and Storage)

지구온난화의 원인물질인 대량의 이산화탄소가 대기에 배출되기 전에 고농도로 포집 후 압축 수송해 지층 또는 해양에 저장하는 기술이다.

수소에너지 (Hydrogen energy)

수소에너지기술은 물,유기물,화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리,생산해서 이용하는기술이며, 이 에너지는 원료에 자원적인 제약이 없고, 태워도 생성물은 물뿐이므로 깨끗하며 자연의 순환을 교란시키지 않고, 파이프 수송이 가능하므로 경제적이고 효율적 수송이 가능하며, 에너지 저장의 수단이 된다는 특색을 가지고 있다. 열원으로서의 이용 이외에 자동차연료, 항공기연료 등으로 이용분야가 넓다.

수소 스테이션 (Hydrogen station)

수소연료전지 차량에 연료인 수소를 충전할 수 있게 수소를 제조,주입하는 수소충전소. 차량에 수소를 충전할 수 있게 소형의 수소 제조,저장,분배 장치로 구성된다.

셰일가스 (Shale gas)

오랜 세월동안 모래와 진흙이 쌓여 단단하게 굳은 탄화수소가 퇴적암(셰일)층에 매장되어 있는 가스를 말하며, 탄화수소가 풍부한 셰일층(근원암)에서 개발, 생산하는 천연가스를 말한다. 셰일이란 우리말로 혈암(頁岩)이라고 하며, 입자 크기가 작은 진흙이 뭉쳐져서 형성된 퇴적암의 일종으로 셰일가스는 이 혈암에서 추출되는 가스를 말하는 것이다. 전통적인 가스전과는 다른 암반층으로부터 채취하기 때문에 비전통 천연가스로 불린다. 난방ㆍ발전용으로 쓰이는 메탄 70∼90%, 석유화학 원료인 에탄 5%, LPG 제조에 쓰이는 콘덴세이트 5∼25%로 구성돼 있다. 유전이나 가스전에서 채굴하는 기존 가스와 화학적 성분이 동일해 난방용 연료나 석유화학 원료로 사용할 수 있다.

HVDC 및 FACTS

1 HVDC

(직류송전시스템, High Voltage Direct Current)

직류송전시스템이란, 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜서 송전한 후 수전점에서 교류로 재 변환시켜 전력을 공급하는 방식을 말한다. 이러한 송전방식은 교류송전기술에 비하여 리액턴스 성분에 의한 영향이 없기 때문에 선로의 열용량까지 전력전송량을 증가시킬 수 있으며, 전력전송의 방향 및 크기를 고속으로 제어할 수 있어 계통안정도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

반도체 및 전력전자기술의 혁신적인 발달은 HVDC 시스템 성능과 신뢰성, 그리고 경제성을 크게 향상시키고 있으며, 현재 장거리 대전력 전송, 주파수 변환, 비동기 연계등의 목적에 널리 이용되고 있다.

2 직류송전의 특징

동일한 전력을 전송할 경우에 HVDC 송전망은 AC에 비해 철탑 크기 및 소요부지가 작다. AC 송전과 비교하여 HVDC의 이점을 크게 경제적 요인과 기술적 요인으로 나누어보면 다음과 같다.

1) 경제적 요인

(1) 낮은 투자비

HVDC의 경제성을 AC 방식과의 단순 비교설명하기는 어렵다. AC 대신 HVDC를 선택하는 이유는 각각의 사례마다 모두 다르고 투자비 규모도 많은 차이를 보일 수 있다. HVDC 시스템은 초기에 변환소 건설비용으로 인해 투자비용이 높지만, 장거리 전력전송에 있어서는 교류송전에 비해 가격이 저렴해 진다. 일반적으로 가공선을 이용한 전력전송의 경우에는 600∼800km 이상의 장거리 송전의 경우에 HVDC 방식이 경제적일 수 있다. 케이블을 이용한 전력전송의 경우에는 50km 이상의 경우에 HVDC를 사용하는 것이 경제적일 수 있다.

(2) 낮은 전송손실

표피효과, 리액턴스 성분에 의한 손실이 없기 때문에 동 일한 전력량에 대하여 HVDC 송전선에서의 손실이 AC 송전선보다 적게 발생한다. 전력변환과정(converter station) 에서의 손실은 전류형의 경우, 전송전력의 약 0.7%, 전압형의 경우, 약 1.0%정도만을 차지한다. 특히 장거리 대전력 전송에서 더욱 유리하다.

2) 기술적 요인

(1)비동기 연계(asynchronous connection)

서로 다른 전력계통을 교류로 직접 연계할 때에는 두 계통의 주파수와 위상이 같아야 하며, 한쪽 전력계통의 전압이나 주파수 변동 등이 연계되어있는 다른 전력계통에 직접적으로 영향을 끼치게 된다. 그러나, 직류계통으로 연계할 경우 위에서 언급된 상호 영향의 문제는 존재하지 않게 되는데 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 전송전력의 크기와 방향이 전력용 반도체 소자로 구성된 전력변환기에 의해 고속(수백ms이내)으로 제어되어 계통간의 상호 영향을 신속히 차단할 수 있기 때문이다. 교류 계통의 경우 전송전력의 크기와 방향은 두 지점의 전압 크기, 위상차, 선로의 임피던스에 의해 결정되며 임의로 제어할 수 없다.

둘째, HVDC 송전의 경우 두 계통의 전압위상을 일치시킬 필요가 없게 된다. 남북한이 직류로 연계되어 있으면 남북한의 전력계통은 독립적으로 운영이 가능하다.

(2) 낮은 단락전류

대용량의 AC계통으로 발전소와 부하중심지가 연결되면, 단락전류가 수전단측에서 증가하게 된다. 큰 단락전류는 큰 용량의 차단기 및 기타 설비를 요구하게 된다.

HVDC 계통은 컨버터의 제어와 DC에 의한 AC 계통 분할 효과로 인하여 단락전류의 크기가 작아진다. 신규 증설 발전소를 HVDC를 이용하여 기존의 AC 계통에 연결할 경우 단락전류의 증가에 의해 야기되는 문제들을 피할 수 있다. 또한, 기존의 AC 계통을 Back-to-Back HVDC로 분리할 경우 계통 분할 효과로 단락전류의 크기를 감소시킬 수 있다.

(3) 높은 제어성(controllability)

HVDC는 정전력제어(constant power control), 정주파수제어(constant frequency control) 등 AC 계통 특성에 맞는 여러 가지 제어방식이 가능하다. 또한 고속 제어 특성을 이용하여 AC 계통의 감쇠제어(damping control) 등 안정화 제어도 가능하다. 이를 통하여 AC 계통의 송전용량을 증대시킬 수 있다.

(4) 장거리 해저(수중) 송전

DC의 경우 케이블의 정전용량에 의한 영향이 없다. 해저 송전의 경우 케이블의 사용이 불가피하기 때문에 HVDC를 사용하는 것이 AC에 비해 확실히 유리하다.

매립지가스 (LFG, Land Fill Gas)

쓰레기 매립지에 매립된 폐기물 중 유기물질이 혐기성 분해 과정에 의해 분해되어 발생되는 가스를 말하며 그 성분은 주로 메탄(CH4;40∼60%)과 이산화탄소(CO2;30∼

50%)로 구성된다.

메탄발효 (Methane fermentation)

일반적으로 대부분의 유기물은 혐기성균의 공동작용에 의하여 분해되며, 메탄과 이산화탄소를 생성하는 발효를 말한다. 제1단계는 복잡한 화합물이 간단한 화합물 특히 저급지방산으로의 분해이고 제2단계는 메탄과 이산화탄소의 분해이다. 메탄발효는 제2단계 분해를 말하며 이것에 관여하는 세균을 메탄세균이라고 총칭한다. 발효온도는 중온과 고온이 있고, 고온의 경우 유기물의 분해속도가 빠르다.

혐기성 소화공정

(嫌氣性消化工程, Anaerobic digestion process)

산소가 없는 상태 하에서 미생물을 이용해서 유기물을 분해하여 주로 메탄가스를 생성시키는 공정을 말한다.

팜오일 폐수 (POME : Palm Oil Mill Effluent)

팜 오일은 팜 야자를 고온으로 삶고 찐 후, 파쇄좵압착 과정을 통해 생산되며, 이때 부산물로써 갈색의 점성이 있는 액체인 팜 오일 폐수(POME)이 발생되며, 유기물 함량이 매우 높아 바이오가스 생산 원료로 이용된다.

폐기물에너지 (Waste energy)

사업장, 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해, 고형화, 연소 등의 가공처리를 통해 고체연료, 액체연료, 가스연료, 폐열 등으로 생산하여 생산 활동에 재이용 할 수 있는 재생에너지이다.

부생가스 (副生 Gas)

석탄에 열을 가했을 때 부산물로 생성되는 가스로 주로 제철공장, 석유화학공장 등의 공정등에서 많이 생성된다.

고형연료 (Solid fuel)

 RDF(Refused Derived Fuel)

생활폐기물 고형연료 제품으로 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료이다.

 RPF(Refused Plastic Fuel)

폐플라스틱 고형연료 제품을 말하며, 중량기준으로 폐플라스틱의 함량이 60%이상 함유된 것을 말한다.

연료전지 (Fuel cell)

연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전해질내에서 이루어 지며 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40∼60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다.

알카라인 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)

농축수산화칼륨(Concentrated KOH)을 전해질로 사용하는 연료전지, 수산화칼륨의 농도는 전지의 작동온도(최대 250℃)에 따라 35∼85wt% 범위에서 선택된다. 공기극(Cathode)에서 생산된 수산화이온(OH-)은 전해질을 통해서 연료극(Anode)으로 이동하고, 연료극에서 수소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.

직접 메탄올 연료전지

(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

고분자 전해질 연료전지의 작동원리와 유사하며, 메탄올을 직접 연료로 사용한다는 것이 가장 큰 차이점이다.

고분자 전해질 연료전지이다. 시스템의 경우 연료로 직접 수소를 사용하지 않을 경우 개질기가 필요하지만, 직접 메탄올 연료전지는 개질기가 필요없기 때문에 시스템을 보다 간소화시킬 수 있고, 부하 응답 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 낮은 반응속도에 의한 저출력 밀도 및 다량의 백금촉매의 사용, 메탄올의 투과현상 등이 해결되어야 할 큰 과제로 남아있다. 운전 온도는 주로 상온에서 100℃ 사이이다.

용융탄산염 연료전지

(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)

전해질로 용융 탄산염을 쓰는 연료전지이다. 600℃ 이상의 고온에서 작동하고, 양질의 폐열을 얻을 수 있어 열병합 발전으로 시스템의 효율을 증대시킬 수 있으며, 연료로는 수소 이외에 일산화탄소도 사용이 가능하므로 석탄가스화 장치와 조합하여 대규모 발전시스템을 구성할 수 있다. 또한 고온 운전시 발생되는 열로 천연가스를 전지 내부에서 직접 수소와 CO로 개질하여 연료로 이용하는 내부 개질이 가능하기 때문에 연료의 전처리 공정을 단순화시킬 수 있는 장점도 있다.

인산형 연료전지

(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

전해질로 인산(H3PO4)을 사용하는 연료전지이며, 작동 온도는 160∼250℃ 정도이다. 인산형 연료전지는 95% 이상의 진한 인산을 탄화규소(SiC) 매트릭스에 함침시킨 것을 전해질로 사용하며, 천연가스, 나프타, 액화석탄가스와 같은 화석연료나 메탄올 등의 연료를 개질기를 통하여 수소를 발생시켜 사용할 수 있으며 이에 함유되어 있는 이산화탄소나 미반응 탄화수소도 연료전지의 반응에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 인산은 가격이 저렴하고 풍부하므로, 1960년대부터 주로 미국에서 개발이 진행되어 실용화된 시스템이며, 가장 먼저 상용화된 연료전지이다.

고분자 전해질 연료전지

(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)

고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전되며, 주로 사용되는 운전온도는 상온에서 80℃ 정도이다. 연료전지 자동차에 적용될 경우 영하의 온도에 서도 시동이 가능하도록 제작되고 있다. 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온(H+)은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다, 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)가 있으며, 이 두 형태의 연료전지가 모두 프로톤(Proton) 교환막을 사용하기 때문에 이 둘을 합하여 프로톤 교환막 연료전지(PEMFC : Proton Exchange

Membrane Fuel Cell)라고도 한다. 일반적으로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 수소를 연료로 사용하는 경우에 가장 많이 일컬어진다.

고체 산화물 연료전지

(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

전해질로 고체 산화물(주로 이트륨옥사이드(Y2O3)로 도핑된 지르코늄 옥사이드(ZrO2)를 많이 사용)을 사용하는 연료전지이며, 공기극에서 연료극으로 산소 음이온이 이동한다. 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700∼1000℃)에 서 연료전지 반응이 이루어진다.

연료전지 발전시스템

(Fusel cell generation system)

연료전지 발전시스템은 개질기, 스택, 전력변환기로 구성된다.

1) 개질기(Reformer)

화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생 시키는 장치이다.

2) 스택(Stack)

원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체를 말한다.

3) 전력변환기(Inverter)

연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치이다.