KR101146885B1 - Ｈｖｄｃ 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법 - Google Patents

Ｈｖｄｃ 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법 Download PDF

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Abstract

HVDC 송전 시스템의 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법으로서, 상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계; 상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 및 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.

Description

ＨＶＤＣ 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법{METHOD FOR DESIGNING BASIC INSULATION LEVEL OF RETURN-SIDE IN HVDC SYSTEM}
본 발명은 초고압 시스템의 기기정격 및 안정성을 위해 설계되는 절연 레벨 설계 및 검증 방법에 관한 것으로, 상세하게는 초고압 직류(HVDC; High Voltage Direct Current) 송전 시스템에 적용되는 밸브, 변압기, AC 필터, DC 선로 등의 각각 구성품 중 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법에 관한 것이다.
초고압 직류(HVDC) 송전 시스템의 설계시 이에 속하는 기기의 절연 레벨을 정하고 검증하는 기술이 필요하다. 절연 레벨 설계는 HVDC 송전 시스템에서 나타날 수 있는 임펄스 과전압의 충격으로부터 주요 소자(변압기, 사이리스터, 밸브 등)를 보호하기 위한 보호 레벨 결정에 사용되고, 신뢰성 있고 경제성이 확보된 변환 설비를 설계하기 위해 BIL(Basic Impulse Insulation Level), BSL(Basic Switching Withstand Level) 및 클리어런스(clearance) 등을 최적화하기 위하여 사용된다. BIL에는 뇌(雷)로 인한 LIWL(Lightning Impulse Withstand Level) 및 스위칭으로 인한 SIWL(Switching Impulse Withstand Level)이 있다.
따라서, 이러한 절연 레벨 설계 방법이 HVDC 송전 시스템 분야에서 요구되나, 현재로서는 IEC 규격 또는 경험을 통해 획득한 방법에 의해 결정되고 있어 새로운 절연 레벨 설계 방법의 제안이 시급한 실정이다.
본 발명은 HVDC 송전 시스템 중 귀로 측의 절연 레벨 설계를 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 레벨 설계는 HVDC 송전 시스템의 각 기기의 절연 레벨, BIL, BSL 등을 결정하고 검증하기 위해 이용된다. 또한, 본 발명을 통한 절연 레벨 설계는 HVDC 송전 시스템의 보호를 위한 피뢰기 정격 및 에너지 용량 산정, 설치 면적, 이격 거리 등을 결정하는데 적용될 수 있다.
초고압 직류 송전 시스템의 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법이 개시된다. 상기 방법은 상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계; 상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 및 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 통해 정확한 귀로 측의 절연 레벨 설계를 구현할 수 있다. 또한, 이러한 귀로 측의 절연 레벨 설계는 HVDC 송전 시스템에서 가장 많은 에너지 보호를 담당하는 것으로, 이를 이용하여 피뢰기 보호 레벨 및 크리피지/클리어런스(Creepage/Clearance) 설계가 가능하며 기존의 설계방법인 경험으로부터 범위를 좁혀나가는 과정을 줄여 설계에 수반되는 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 HVDC 송전 시스템의 송전단을 도시한다.
도 2는 HVDC 송전 시스템의 송전단의 절연 레벨의 위치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 귀로 측의 절연 레벨 설계를 위한 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법을 도시한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 초고압 직류 송전 시스템의 송전단의 회로 구성(100) 및 각 구성에 대한 절연 레벨을 도시한다. 도 1은 HVDC 송전 시스템의 회로 구성을 도시하고, HVDC 송전 시스템의 절연 레벨 위치를 나타낸다. 설계되어야 할 절연레벨은 각 기기의 구성 및 조합에 따라 달라진다. 도 1에서 변압기 1차측인 k, l, i, j, h, aa의 절연 레벨은 기존 교류 변전소의 절연 레벨 설계 방법을 이용하여 계산할 수 있다.
도 1에서 레벨 d는 밸브 내의 직렬 사이리스터의 개수로 산정될 수 있다. 도 1에서 레벨 f 및 g는 밸브의 직렬 조합으로 구성될 수 있다. 도 1에서 레벨 m은 6-펄스 정류기에 연결된 사이리스터의 직렬 조합을 통해 계산될 수 있으며, 레벨 o는 HVDC 시스템의 최종 출력인 DC 출력의 고조파 리플율을 고려하여 계산될 수 있다. 도 1의 레벨 a(타원으로 표시함)는 귀로 측의 절연 레벨로서, 종래에는 이 절연 레벨을 경험이나, 교류 시스템에서 사용된 시뮬레이션을 통하여 설계되었다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 방법을 제안하고자 한다.
도 2는 HVDC 송전 시스템의 송전단의 회로 구성(200)을 도시한다. 도 2는 HVDC 송전 시스템의 회로를 도시한다. 도 2의 201 내지 211은 HVDC 송전 시스템에 설치된 기기를 스위칭 서지/뇌 서지(Switching Surge/Lightning Surge)등의 외란으로부터 보호하기 위해 설치된 피뢰기의 위치를 나타낸다. 도 2의 피뢰기의 위치는 시스템의 정격 및 변압기 등 주요 기기의 조합에 따라 달라질 수 있다. 도 2의 피뢰기의 위치에서 귀로 측(타원으로 표시함)에 피뢰기가 도시되어 있다. 상기 피뢰기는 DC측 케이블이 개방되거나, 중성선이 가공선로인 경우 가장 영향을 많이 받는 부분이며 HVDC 송전 시스템의 보호에 있어서 가장 많은 에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 이러한 에너지 흡수를 위한 귀로 측의 정확한 절연 설계가 필수적이다.
종래의 기술은 IEC 규격이나, 경험적인 값에 의존하여 도 1 및 도 2에 도시된 HVDC 송전 시스템의 절연 레벨 위치와 피뢰기 위치를 계산하였으며, 해당 보호 레벨 및 WL(Withstand Level; 저항 레벨) 또한 경험적으로 산정하였다. 종래의 기술은 다음과 같다.
MCOV = X 식(1) SIWL = SIPL?MSIWL 식(5)
SIPL = MCOV?KSIPL 식(2) LIWL = LIPL?MLIWL 식(6)
LIPL = SIPL?KLIPL 식(3) FWWL = FWPL?MFWWL 식(7)
FWPL = LIPL?KFWPL 식(4)
종래의 기술에서 일반적으로 고전압 AC 시스템에 사용되는 것과 유사하게 HVDC 송전 시스템의 보호 레벨 및 저항 레벨을 결정한다. 식(1) 내지 식 (7)은 HVDC 송전 시스템에 설치된 기기들에 공통적으로 사용될 수 있는 식이다.
식(1)의 X는 각 기기 마다 달라지는 값이며 경험적인 값 또는 시뮬레이션, 모델링 등을 통해 결정될 수 있다. MCOV는 최대 지속 전압을 나타낸다. 식(2)의 SIPL(Switching Impulse Protective Level)은 스위칭 임펄스에 대한 보호레벨이며, MCOV에 인자(KSIPL)를 곱하여 결정할 수 있다. 이 값은 피뢰기의 특성을 통해 결정될 수 있다.
식(3)의 LIPL(Lightning Impulse Protective Level)은 뇌 임펄스에 대한 보호 레벨을 나타내고, 식(2)에서 계산된 SIPL에 인자(KLIPL)를 곱하여 결정할 수 있다. 식(4)의 FWPL(Front of Wave Protective Level)은 전단파에 대한 보호 레벨을 나타내고, 식(3)에서 계산된 LIPL에 인자(KPWPL)를 곱하여 결정할 수 있다. LIPL 및 FWPL 또한 경험적인 배수 또는 피뢰기의 특성을 통하여 결정될 수 있다. 식(5) 내지 식(7)은 각 보호 레벨에 대한 저항 레벨을 정하는 방법이다. MSIWL, MLIWL 및 MFWWL은 마진으로써, 각각 약 10% 내지 150%의 마진을 고려하여 결정할 수 있다. 이 값은 결정 후 각 기기의 정격 산정, 가격 산정, 설치면적 고려시 수정될 수 있다.
여기에서 식(1)의 X는 앞서 언급한 것과 같이 경험적인 값, IEC 규격, 시뮬레이션등을 통해 결정될 수 있고, X는 크리피지/클리어런스 및 기타 보호 레벨을 결정하기 위해 필수적이기 때문에 매우 중요하다. 특히 귀로 측 부분은 가장 큰 에너지 흡수 용량이 필요하므로 대략적인 값보다 정확한 값을 구하는 것이 HVDC 송전 시스템의 최적화를 하는데 있어서 중요하다.
종래의 기술과 관련하여 고압 절연 규격은 IEC 60071-1이 있으며, 아래의 표 1을 이용하여 결정을 하거나 경험적인 값으로 결정하였다.
Highest voltage for equipment
Um
kV
(r.m.s value)		 Standard short-duration
power-freqeuncy
withstand voltage
kV
(r.m.s value)		 Standard
lightning impulse
withstand voltage
kV
(peak value)
3.6 10 20
40
7.2 20 46
60
12 28 60
75
95
17.5 38 75
95
24 50 95
125
145
36 70 145
170
52 95 250
또한, 실제의 피뢰기의 보호 레벨이나 기기의 정격 산정시 HVDC 송전 시스템이 파괴되지 않게 하기 위해 마진을 부여하거나, 최적화하기 위해서 반복적인 설계 과정을 통해야 하므로 많은 시간이 소요되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 직류 리액터 양단의 절연 레벨 설계를 위한 회로도(300)를 간략히 도시한다. 도 3은 HVDC 송전 시스템의 바이폴(bipole) 구성 중 모노폴(monopole)만을 도시한다. 도 3의 화살표는 송전단의 DC 선로의 고장시 귀로 측에서 발생할 수 있는 고장 전류의 흐름을 도시한다. 이러한 상황의 등가 회로는, 귀로 측에 존재하는 기생 라인 트랩(line trap)과 가공 또는 지중 귀로로 되어있는 메탈릭 라인(metallic line)의 임피던스, 변압기의 델타 결선 측의 임피던스 등가 회로를 구성할 수 있다.
이러한 등가 회로를 통해, 직류 리액터 양단의 절연 레벨은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112011020173515-pat00001
이며, SIPLEL은 귀로 측의 절연 레벨, MEL은 절연 레벨의 마진, V는 변압기 1차측 선간 전압 실효치, IndEL은 귀로 측의 DC 케이블의 등가 인덕턴스, IndTR은 상기 3상 변압기의 등가 인덕턴스를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법을 도시한다. 상기 방법은 상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계(S410); 상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계(S420); 상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계(S430); 및 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계(S440)를 포함할 수 있다.
회로를 구성하는 단계(S410)는, HVDC 송전 시스템의 송전단의 회로 구성을 등가 회로로 간략히 구성할 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 간략함을 위해 3상 중 하나의 상에 대해서만 등가 회로를 구성할 수 있다. 회로를 구성하는 단계(S410)는, 상기 3상 변압기를, 상기 3상 변압기의 1차측 전원 및 상기 3상 변압기의 델타 결선된 정류기로 구성할 수 있다. 따라서, 등가 회로는 3상 변압기의 델타 결선된 정류기, 3상 변압기의 1차측 선간 전압, 및 귀로 측의 선로의 메탈릭 라인으로 구성될 수 있다. 여기서, 귀로 측의 메탈릭 라인 또한 유도성 리액터로 구성될 수 있다.
회로를 구성하는 단계(S410)는 상기 HVDC 시스템의 직류 리액터 측의 전기적 연결이 개방된 것으로 회로를 구성할 수 있다. 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계(S420)는, 3상 중 하나의 상에 대해, 상기 3상 변압기의 델타 결선된 정류기를, 유도성 리액턴스 값을 갖는 2개의 다이오드로 치환하는 단계를 포함할 수 있다. 3상 변압기의 델타 결선된 정류기의 등가 유도성 리액턴스의 크기는 회로 구성시에 획득할 수 있다.
귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계(S430)는, 선로를 메탈릭 라인으로 치환하는 단계를 포함할 수 있다. 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계(S430)는 상기 메탈릭 라인의 등가 유도성 리액턴스의 값을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
귀로 측 선로의 절연 레벨을 계산하는 단계(S440)는, 앞 단계들에서 획득하거나 계산된 3상 변압기의 유도성 리액턴스의 값, 귀로 측의 선로의 등가 유도성 리액턴스 값 및 3상 변압기의 1차측 선간 전원의 크기를 이용하여, 상기 식(8)에 따라 귀로 측의 절연 레벨을 계산할 수 있다. 3상 변압기의 1차측 선간 전압은 HVDC 송전 시스템의 설계시에 획득할 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.

Claims (6)

  1. 초고압 직류(HVDC; High Voltage Direct Current) 송전 시스템의 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법으로서,
    상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 및
    상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 회로를 구성하는 단계는 상기 HVDC 시스템의 직류 리액터 측의 전기적 연결이 개방된 것으로 회로를 구성하는 단계를 포함하는, HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법.
  2. 삭제
  3. 초고압 직류(HVDC; High Voltage Direct Current) 송전 시스템의 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법으로서,
    상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 및
    상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 회로를 구성하는 단계는 상기 3상 변압기를, 상기 3상 변압기의 1차측 선간 전원 및 상기 3상 변압기의 델타 결선된 정류기로 구성하는, HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계는,
    3상 중 하나의 상에 대해, 상기 3상 변압기의 델타 결선된 정류기를, 유도성 리액턴스 값을 갖는 2개의 다이오드로 치환하는 단계를 포함하는, HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법.
  5. 초고압 직류(HVDC; High Voltage Direct Current) 송전 시스템의 귀로(return) 측의 절연 레벨 설계 방법으로서,
    상기 HVDC 송전 시스템의 3상 변압기 및 상기 3상 변압기에 연결되는 귀로 측의 선로를 구비하는 회로를 구성하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계;
    상기 구성된 회로에 포함된 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계; 및
    상기 3상 변압기의 등가 리액턴스의 크기 및 상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기에 기반하여 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 귀로 측의 선로의 등가 리액턴스의 크기를 획득하는 단계는 상기 선로를 메탈릭 라인(metallic line)으로 치환하고, 상기 치환된 메탈릭 라인의 등가 유도성 리액턴스의 값을 도출하는 단계를 포함하는, HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하는 단계는,
    제 1 수학식에 의해 상기 귀로 측의 절연 레벨을 계산하고, 상기 제 1 수학식은,
    Figure 112011020173515-pat00002

    이며, SIPLEL은 귀로 측의 절연 레벨, MEL은 절연 레벨의 마진, V는 변압기의 1차측 선간 전압 실효치, IndEL은 귀로 측의 선로의 등가 인덕턴스, IndTR은 상기 3상 변압기의 등가 인덕턴스인, HVDC 송전 시스템의 귀로 측의 절연 레벨 설계 방법.
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