자속구속형 초전도 한류기의 동작특성에 관한 연구

Abstract

In this paper, current limiting characteristics of a three - phase magnetic flux confinement current limiter for power system are analyzed. A three - phase magnetic flux confinement current limiter was designed and fabricated using a YBCO thin film as a superconducting element. An equivalent circuit of a three - phase magnetic flux confinement current limiter is constructed and its operating principle is analyzed.In comparison with the flux-restrained high-temperature superconducting fault current limiter in which the three phases are separated and the three phases are integrated, magnetic flux is not induced in each iron core before the occurrence of the three-phase accident. However, when one or more arbitrary phases occur, The magnetic flux is induced only in the iron core corresponding to the phase of the superconducting element to induce the magnetization of the superconducting element. On the other hand, the integrated model induces magnetic fluxes in the coils of healthy coils to induce the choke of the high-temperature superconducting elements in the healthy phase. It can be seen that the integrated model is advantageous for simultaneous detection. In the case of the three - phase ground fault, it can be seen that the fault current is limited independently for each phase, and it can be seen that most of the current flows into the coil 1 of each phase due to the generation of the superconducting element in each phase.The three-phase integrated model has a structure in which coils of each phase are connected to the same iron core. Therefore, even if an accident occurs in the accident due to the magnetic coupling between the phases, a current is induced in the coils of the healthy coils, which causes the coils to exceed the critical current of the superconducting element connected to the solid phase. In the simulation of the fault current limiting characteristics of the machine, it is considered that the modeling of the difference of the magnetic flux coupling between the coils of the respective phases and the difference in the critical characteristics of the superconducting elements connected to the respective phases can provide similar results to the fault current limiting experiment.|해마다 급증하고 있는 전력량 급증으로 인한 전력설비의 증가는 실계통의 복잡화와 전력계통 임피던스의 감소를 야기하게 되었으며 이는 단락사고시 고장전류의 증가를 초래하게 되어 관련 전력선로를 포함한 전기기기 설비의 기계적 및 전기적 충격에 대한 보완을 강조하게 되었다. 이에 대한 대책으로, 대용량 차단기로의 교체는 비용 상승으로 인한 경제적인 부담과 차단기 동작을 위하여 구성요소를 포함한 기술적인 한계에 부딪히게 된다. 또 다른 대안으로 모선분리를 실시하고 있으나 계통안정도 저하, 접해있는 계통의 과부하 등의 문제점을 감수하고 있는 실정이다. 그 밖에 직렬리액터를 설치하는 방안, 고임피던스 기기 활용방안 등이 있으나 평상시 계통에 미치는 영향과 전력손실발생에 따른 역률저하의 문제점이 나타나게 된다[1]. 고온초전도체를 한류기로 사용하는 기술은 지금까지 다른 보호 장치를 사용하여 구현할 수 없는 이상적인 전류제한 특성을 가지고 있다. 개발된 고온초전도 한류기 중 저항형 한류기는 구조가 단순하며 사고전류의 차단이 고속으로 차단 할 뿐만 아니라 소형화에 유리한 반면 사고전류가 직접 도통된다는 점 때문에 파손우려가 있다. 특히 박막형태로 제작할 경우 적층구조를 통한 밀집화로 소형 경량화가 가능하게 된다. 그러나 전력계통 적용시 단위소자가 갖는 임계특성의 한계로 직병렬 연결을 통한 용량증대를 기대할 수 있으나 과도한 소자수의 증가와 초전도 소자들간의 임계특성 차이에서 오는 불균일한 전력분배가 용량증대의 문제점을 증가시키고 있다. 차폐유도형은 직접적인 고장전류가 선로에 흐르지 않아 초전도체의 우려가 적으나 링 또는 튜브 형태의 초전도체 때문에 제작기술과 철심사용에 따른 부피증가 및 철손실 발생이 전력계통 적용에 불리하여 현재는 개발이 중단된 상태이다. 한편 브리지형은 전력용 다이오드를 이용하여 초전도 코일의 인덕턴스에 의해 고장전류를 제한하는 형태로 초전도 소자의 퀜치가 발생되지 않아 반복동작에 따른 성능저하가 없는 반면 전력소자의 손실발생 및 초전도 코일 제작에 따른 경제적 비용 및 이로 인하여 부피증가가 발생되는 문제점이 있다[2-4]. 초전도 한류기는 초전도체의 초전도성을 이용해 계통에 임피던스를 투입함으로써 고장전류를 차단기가 차단 가능한 용량으로 제한하는 기기이다. 초전도 한류기는 다음과 같은 특징을 갖고 있다. 정상 상태에서는 임피던스가 제로여서 기존 전력계통에 영향을 미치지 않는다. 사고발생 1/4주기 이내에 사고전류를 제한 할 수 있고 선로전류가 임계전류 값 이상만 넘으면 임피던스가 발생하므로 전류를 급속하게 제한 한다. 사고가 종료되면 자동적으로 초전도 소자의 임피던스가 감소하여 초전도성질을 회복하고 정상 운전 상태로 다시 복귀하는 특징이 있다. 초전도체의 전류제한 특성은 잠재적 사고전류 크기와 상관이 없다. 선로전류가 임계 전류 값만 넘으면 임피던스가 발생하므로 전류제한 특성이 사고전류의 크기와 상관이 없다. 초전도 한류기는 기존 차단기와 틀리게 추후에 고장전류가 더 증가하였을 때에도 교체할 필요가 없다. 이러한 좋은 특성들 때문에 많은 연구가 국내외에서 많은 연구를 진행하고 있다[5-20]. 본 논문에서는 철심의 무게와 크기를 줄일 수 있는 하나의 철심에 일체화된 3상 자속구속형 고온초전도 고장전류 제한기의 고장전류제한 특성을 모델링하였다. 이를 위해서, 등가회로 분석과 3상 시뮬레이션 모의회로를 구성하여 3상 사고각별 사고전류제한 특성을 수치해석을 이용한 컴퓨터시뮬레이션 결과를 통해 분석하였다.