1. 서 론
현재 국내에서 운용중인 전력계통 중 가공송전선로가 많은 비중을 차지하고 있다. 하지만 도심지의 인구집중화 현상과 새로운 산업부지 및 도시개발 등으로 인해 기존의 가공송전선로 일부를 지중화 한 혼합송전선로의 건설이 해마다 증가하고 있는 추세이다. 실제로 국내의 지중화율은 수도권의 경우 70% 이상이며, 광역대도시지역은 30% 이상을 보이고 있다[1].
전력케이블에 전류가 흐르면 시스는 전자유도현상에 의하여 시스에 전압이 유기 된다. 이때 접지 등에 의해 시스회로가 폐회로이면 시스순환전류가 흐르는데 전류의 크기, 케이블 간격, 케이블 길이 등에 따라 여러 가지 양상을 보인다. 그리고 시스유기전압이 상시 과도하게 발생할 경우 인체에 위험을 초래하며 시스순환전류를 상승시키는 요인으로 작용한다. 시스순환전류가 상승하면 시스에 손실이 발생하고 이 손실로 인해 케이블의 온도를 상승시켜 송전용량에 영향을 미치게 되며 절연체나 방식층의 파괴로 인한 고장을 유발시킬 수도 있어 시스유기전압 및 시스순환전류를 억제시켜야 한다[2].
현재 지중송전계통의 시스 접지는 보통접지와 크로스본드 접지방식을 채용하여 운용한다. 즉, 첫번째 보통접속함(NJ)과 다음 보통접속함 사이에 절연접속함(IJ) 두개를 설치하고 NJ에서는 직접접지방식을, IJ에서는 A-B, B-C, C-A상의 시스를 상호 연결시키는 접지방식을 사용하기 때문에 IJ는 같은 위치에 시공되어 있다[2-3].
최근 지중송전계통에서는 인입부 부근에서 사고가 자주 발생하는 경우가 있다. 이의 원인은 여러 가지가 있겠지만 정상과 과도상태에서 과도한 시스유기전압과 순환전류의 발생이 원인 중의 하나라로 평가되기도 하여 이를 위해 여러 측면에서의 연구가 진행되었다. 그러나 인입부 부근 케이블 접속함 위치에서 접속함 변경과 접지방식 변경도 분명히 시스성분에 영향을 줄 것으로 사료되며 변경 방식에 따라 시스성분을 억제할 수 있다고 평가된다[1-3].
따라서 본 논문에서는 특히 지중송전선로 인입부 부근에서의 시스유기전압과 시스순환전류를 정상상태와 과도상태에서 기존 IJ의 위치를 변경하기 전후, 기존 크로스본드 접지방식의 변경 전후를 상정하고, 이들의 경우에 대해 시스유기전압과 시스순환전류를 해석하고 평가하며 이를 통해 효용성이 가장 높은 IJ 위치 및 접지방식을 제안하고자 한다. 본 연구에서 모델링 및 해석은 EMTP/ATPDraw를 사용하였다[2]-[7].
2. 지중송전계통 모델링
2.1 지중송전계통 모델링
본 논문에서는 그림 1과 같이 지중송전계통의 전 구간 길이를 5.4km로 구성하였으며, 결선방식은 대지간방식과 교락비접지방식을 혼용한 혼합방식을 채용하였다. 총 선로 길이는 실제상황과 유사하게 선정한 것으로서 (NJ 1개 + IJ 2개)를 한구간이라고 할 때 여섯 구간을 구성하였기 때문이다. 모델링은 154kV 지중송전 계통을 대상으로 하였으며, 케이블은 XLPE 2,000mm2를 사용하였다. 매설은 전력구식이며, 부하전류는 사용된 케이블의 연속허용전류인 1,616A로 선정하였다. IJ 위치변경에 따른 접지 리드선의 임피던스는 EMTP Cable Constants 루틴으로 계산하였다. 선로의 총 길이 및 접속함 간의 거리는 실제 선로와 유사하게 구성하였으며 그 내용은 표 1과 같다.
그림 1지중송전계통 Fig. 1 Underground transmission system.
표 1EMTP 모델링 표준모델 Table 1 EMTP Modeling Standard.
본 논문에서 해석하여야 할 지중송전계통의 CASE들은 표 2와 같은 열 가지로 나누었다.
표 2EMTP 모델링 및 해석을 위한 CASE Table 2 Case for EMTP modeling and analysis.
2.2 지중송전계통 접속함 위치 및 접지방식
표 3Type 모델구성 Table 3 Type Model Composition.
그림 2(Type 1)은 기존의 지중송전계통에서 사용하고 있는 개별 접지된 IJ의 크로스본드 방식을 보이고 있다. 한편, 그림 3(Type 2)는 그림 2에서 IJ의 접지방식을 개별접지방식에서 통합 접지방식으로 변경한 계통을 나타낸 것이다.
그림 2기설선로 개별접지방식(Type 1) Fig. 2 Individual grounding type at existing system.(Type 1)
그림 3기설선로 통합접지방식(Type 2) Fig. 3 Common grounding type at existing system.(Type 2)
그림 4(Type 3)는 기존계통에서 사용되고 있는 IJ의 위치를 변경한 계통의 모습을 나타낸 것이고, 그림 5(Type 4)은 그림 4에서 IJ의 접지방식을 개별접지방식에서 통합접지방식으로 변경한 계통을 나타낸 것이다.
그림 4절연접속함 위치변경 및 개별접지방식(Type 3) Fig. 4 Location change of IJ and Individual grounding type.(Type 3)
그림 5절연접속함 위치변경 및 통합접지방식(Type 4) Fig. 5 Location change of IJ and common grounding type.(Type 4)
3. 시스유기전압
3.1. 이론적 검토
초고압 케이블 도체에 전류가 흐르면 케이블 주위에 자계가 형성되어 자계 영향권에 있는 금속시스에는 전압이 유기된다. 이 때 유기된 전압은 도체에 흐르는 전류의 크기, 케이블간의 간격, 케이블길이 등에 의해 영향을 받으며 특히 케이블 길이에 선형적으로 비례하여 증가한다. 식 (1)은 정상상태시 케이블의 도체전류로부터 전자유도에 의해서 시스에 유기되는 전압을 표현한 것이다. 한 지점에 시스를 접지하면 다른 지점에서는 그 접지점으로부터의 거리에 비례하여 시스와 대지간에 전압차가 발생한다[2].
여기서, Xm : 도체와 시스의 상호리액턴스 [Ω/km] I : 도체전류 [A]
NJ를 접지한 일반적인 상태에서 시스전류가 흐를 경우 시스에 유기되는 전압은 다음과 같다. 그림 6은 시스유기전압을 도식적으로 표현한 것이다[1].
그림 6시스유기전압 표현 Fig. 6 Sheath induced voltage.
제 1구간인 (0 ≤ x ≤ l1) 에서의 시스유기전압은 구간길이 x의 변화에 따라 식 (2)와 같이 표현된다.
제 2구간인 (l1 ≤ x ≤ l1 + l2) 에서의 시스유기전압은 구간길이 x의 변화에 따라 식 (3)과 같이 표현된다.
제 3구간인 (l1 + l2 ≤ x ≤ l1 + l2 + l3 ) 에서의 시스유기전압은 식 (4)와 같이 표현된다.
한편, 단위 크로스본드 구간의 끝단인 x = l1 + l2 + l3 위치인 NJ 구간에서는 0이다. 여기서, X 는 시스리액턴스이며 식 (5)와 같이 표현된다.
여기서, rs : 시스 평균외경[m] D0 : 등가 선간거리[m] I : 도체전류(상시허용전류) L = l1 + l2 + l3 [m]
단, 등가선간거리는 1회선일 경우 D0 (1)은 식 (6)으로 표현되며, 2회선일 경우 D0 (2)는 식 (7)과 같이 표현된다.
4. 정상상태시 해석 및 평가
4.1 시스유기전압의 이론적 분석과 해석결과 비교
본 논문에서는 모델링의 정확성 검증을 위해 IJ의 위치와 크로스본드 접지방식이 기존의 상태와 동일한 경우, 시스유기전압을 정상상태에서 이론식과 EMTP에 의해 해석한 후 비교하였다. 그 결과들을 상호 비교하면 표 4와 같다. IJ-1 구간에서만 6.93% 차이를 보이고 나머지 구간은 거의 동일함을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 수행할 모델링은 이론값이 큰 차이가 발생하지 않아 신뢰성이 있다고 사료된다.
표 4Case 1 시스유기전압 해석결과 비교 Table 4 Comparison between measured and calculated values.
4.2 시스성분 해석
본 논문에서는 우선 정상상태에서 IJ의 위치변경과 크로스본드 접지방식 변경을 고려한 네 가지 CASE에 대한 시스유기전압과 시스순환전류를 해석한 후 그 효용성을 평가하였다.
표 5는 CASE 1-1과 1-2에서 시스유기전압 및 시스순환전류를 IJ의 위치변경 전후에 대해 해석한 후 구간별로 그 값을 제시 한 것이다. 위치변경 전후를 비교하였을 때 시스유기전압의 차이가 최대로 나타나는 구간은 IJ-1이며 IJ 위치를 변경한 IJ 구간이 변경 전보다 10.16% 증가하였다. 한편 시스순환전류는 모든 IJ 구간에서 절연접속함의 위치변경이 변경전보다 전반적으로 작으며 차이가 최대인 구간은 IJ-1이며, 변경전보다 72.22%로 감소하였다.
표 5시스유기전압 및 시스순환전류(CASE 1-1, CASE 1-2) Table 5 Sheath induced voltage and circulating current. (CASE 1-1 & 1-2)
그림 7은 CASE 1-1를 표현한 그래프로서 Type 1보다 Type 3일 때 높은 것을 알 수 있으며, 최대로 차이를 보이는 구간은 IJ-1이다.
그림 7시스유기전압 비교(CASE 1-1) Fig. 7 Comparison of sheath induced voltage.(CASE 1-1)
그림 8는 CASE 1-2를 표현한 그래프로서 IJ-1, IJ-2 구 간이 Type 1이 Type 3보다 높은 것을 알 수 있으며 그 이후의 지점에서는 비슷한 경향을 보인다.
그림 8시스순환전류 비교(CASE 1-2) Fig. 8 Comparison of sheath circulating current.(CASE 1-2)
표 6은 CASE 1-3과 1-4에서 시스유기전압 및 시스순환전류를 위치변경 전후에 대해 해석하여 구간별로 그 값을 제시한 것이다. 시스유기전압은, 위치변경 전후를 비교하였을 때 차이가 최대로 나타나는 구간은 IJ-1으로서 시스유기전압이 9.38% 증가하였다. 시스순환전류는 IJ 위치변경 전후에 CASE 1-4보다 전반적으로 낮으며 최대로 차이가 나타난 구간은 IJ-1이고, 변경전보다 71.92%로 감소하였다.
표 6시스유기전압 및 시스순환전류(CASE 1-3, CASE 1-4) Table 6 Sheath induced voltage and circulating current. (CASE 1-3 & 1-4)
그림 9은 CASE 1-3을 표현한 그래프로서 전반적으로 Type 2가 Type 4보다 낮은 것을 알 수 있으며 IJ-10구간부터는 비슷한 경향을 보이고 있다.
그림 9시스유기전압 비교(CASE 1-3) Fig. 9 Comparison of sheath induced voltage.(CASE 1-3)
그림 10은 CASE 1-4을 분석한 그래프로서 IJ-1, IJ-2구간이 Type 2가 Type 4보다 높은 것을 알 수 있으며 그 다은 지점에서는 비슷한 경향을 보이고 있다.
그림 10시스순환전류 비교(CASE 1-4) Fig. 10 Comparison of sheath circulating current.(CASE 1-4)
5. 과도상태시 해석 및 평가
5.1 뇌 서지 모델링 및 해석
본 논문에서는 정상상태와 동일한 상정조건 하에서 과도상태에 대한 해석을 위해 뇌격 침입시 과전압을 해석하였다. 이를 위해 송전선로는 그림 11와 같이 가공선로 4km, 지중선로 2.7km 인 혼합송전선로를 구성하였으며, 뇌격은 가공선로 말단에 상도체 A상에 직격뢰가 침입한 것을 가정하였다[4]-[6].
그림 11뇌격전류 모델링 Fig. 11 Lightning current modeling.
파고치는 100kA를 선정하였으며 파두장과 파미장은 2/70μs Heidler파를 이용하여 모델링을 수립한 후 해석하였다. 뇌 과전압을 비교 분석하기 위하여 정상상태 및 각각의 접지방식에 따라 뇌 과전압을 측정하며 측정 위치는 접속함 구간 IJ, NJ 마다 측정하였으며 크로스본드 대 구간 3 구간 시스전류 및 시스전압을 해석하였다[4-6].
5.2 과도상태 해석
본 절에서는 우선 기존선로에서 크로스본드 접지방식 변경을 고려한 두 가지 CASE에서 시스유기전압과 시스순환전류를 해석하여 효용성을 평가하였다.
표 7은 CASE 2-1과 2-2에서 시스유기전압 및 시스순환전류를 기존선로에서 크로스본드 접지방식에 따라 해석하여 구간별로 그 값을 제시한 결과이다. 시스유기전압을 비교분석하면 최대로 차이가 나타나는 구간은 IJ-1이며 Type 2가 Type 1보다 42.67% 증가하였다. 시스고장전류를 접지방식에 따라 Type 1과 Type 2 일 때 큰 차이가 난 곳이 없으며 기존선로에서는 전반적으로 비슷한 경향을 보였다.
표 7시스유기전압 및 시스순환전류(CASE 2-1, CASE 2-2) Table 7 Sheath induced voltage and circulating current. (CASE 2-1 & 2-2)
그림 12은 CASE 2-1를 분석한 그래프로서 Type 1과 Type 2의 인입부 지점에서 Type 2가 Type 1 보다 높은 것을 알 수 있으나 IJ-2구간부터는 Type 2와 Type 1이 비슷한 경향을 보이고 있다.
그림 12시스유기전압 비교(CASE 2-1) Fig. 12 Comparison of sheath induced voltage.(CASE 2-1)
그림 13는 CASE 2-2를 분석한 그래프로서 Type 1과 Type 2가 전반적으로 비슷한 경향을 보이고 있다.
그림 13시스순환전류 비교분석(CASE 2-2) Fig. 13 Comparison of sheath circulating current.(CASE 2-2)
5.3 접지종류에 따른 기존선로와 위치변경 해석
본 절에서는 우선 기존선로에서 IJ의 위치변경과 크로스본드 접지방식 변경을 고려한 네 가지 CASE에서 시스유기전압과 시스 순환전류를 해석하여 효용성을 평가하였다.
표 8은 CASE 2-3과 2-4에서 시스유기전압 및 시스고장전류를 해석하여 구간별로 그 값을 제시한 결과이다. 시스유기전압은 Type 1보다 Type 3 일 때 높게 나오는 것을 볼 수 있으며, 특히 측정지점이 차이가 최대로 나타나는 IJ-2구간에서 16.58% 증가하였다. 시스고장전류는 Type 1이 Type 3 보다 전체적으로 높은 측정값을 보이며 차이가 최대로 나타나는 IJ-1구간에서 48.17% 증가하였다.
표 8시스유기전압 및 시스순환전류(CASE 2-3, CASE 2-4) Table 8 Sheath induced voltage and circulating current. (CASE 2-3 & 2-4)
그림 14는 CASE 2-3을 비교분석한 그래프로서 전반적으로 접속함 Type 3이 Type 1 일 때 높게 나오는 것을 볼 수 있으나 IJ-5구간부터는 Type 3이 Type 1보다 낮아졌다가 IJ-6지점부터 비슷한 경향을 보이고 있다.
그림 14시스유기전압 비교(CASE 2-3) Fig. 14 Comparison of sheath induced voltage.(CASE 2-3)
그림 15은 CASE 2-4을 비교분석한 그래프로서 IJ-1구간은 Type 3이 Type 1보다 낮은 값을 보이며, IJ-2구간부터는 IJ-5구간에서 Type 1가 Type 3보다 높은 것을 알 수 있으며 이를 제외하면 전반적으로 비슷한 경향을 보인다.
그림 15시스순환전류 비교분석(CASE 2-4) Fig. 15 Comparison of sheath circulating current.(CASE 2-4)
표 9는 CASE 2-5와 2-6에서 시스유기전압 및 시스고장전류를 해석하여 구간별로 그 값을 제시한 결과이다. 시스유기전압은 Type 4보다 Type 2 일 때 높게 나오는 것을 볼 수 있으며, 측정지점이 차이가 최대로 나타나는 IJ-1 구간에서 9.57% 증가하였다. 시스고장전류를 Type 2가 Type 4 일 때보다 전체적으로 높은 측정값을 보이며 차이가 최대로 나타나는 IJ-1구간에서 83.84% 증가하였다
표 9시스유기전압 및 시스순환전류(CASE 2-5, CASE 2-6) Table 9 Sheath induced voltage and circulating current. (CASE 2-5 & 2-6)
그림 16은 CASE 2-5를 비교분석한 그래프로서 전반적으로 그래프가 비슷한 경향을 보이고 있으나 인입부 지점이 Type 2가 높은 것을 알 수 있다.
그림 16시스유기전압 비교(CASE 2-5) Fig. 16 Comparison of sheath induced voltage.(CASE 2-5)
그림 17은 CASE 2-6을 비교분석한 그래프로서 IJ-1구간을 제외하면 전반적으로 비슷한 경향을 보이나 인입부 지점에서 IJ-1에서 Type 2가 높은 것을 알 수 있다.
그림 17시스순환전류 비교분석(CASE 2-6) Fig. 17 Comparison of sheath circulating current.(CASE 2-6)
5. 결 론
본 논문에서는 지중송전계통 인입부의 사고예방책을 수립하는 방안 중의 하나로 인입부 부근에 있는 IJ의 위치 변경과 크로스본드 접지방식의 변경을 통하여 시스유기전압 및 시스순환전류의 저감 방법을 상정하였다. 그리고 변경 전후 지중송전계통에 대해 정상상태와 뇌격이 침입하는 과도상태시의 시스유기전압 및 시스순환전류를 해석한 후 효용성이 가장 높은 IJ의 위치와 접지방식을 제안하였다. 이 연구 과정을 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 정상상태에서는 기존 계통에서 IJ 위치를 변경하기 전 개별접지방식과 통합접지방식을 비교하여 볼 때 시스유기전압과 시스순환전류의 크기에는 차이가 작았다. (2) 또한 기존 계통에서 IJ 위치를 변경한 후 개별접지방식과 통합접지방식을 비교하여 볼 때 인입부 부근 시스유기전압은 약간 증가하나 시스순환전류는 큰 폭으로 저감되었다. (3) 과도상태시 기존계통에 크로스본드 접지방식을 개별접지방식과 통합접지방식을 비교하여 볼 때 시스유기전압에서는 인입부 부근에서 크게 차이가 났으며 시스순환전류의 크기의 차이는 작았다. (4) 과도상태시 기존계통과 IJ 위치를 변경한 후 개별접지방식에서 비교하여 볼 때 시스유기전압은 약간 저감하였으며 시스순환전류에서도 큰 폭으로 저감되었다. (5) 또한 기존계통과 IJ 위치를 변경한 후 통합접지방식에서 비교하여 볼 때 시스유기전압은 시스절연내력 50kV를 초과하였으나 시스순환전류에서는 저감되었다. (6) 따라서 다양한 경우에서의 해석결과를 비교하여 평가해 볼 때 지중송전계통 인입부 부근에서의 시스유기전압과 시스순환전류의 감소효과는 정상상태나 과도상태 모두 IJ의 위치를 변경하고 크로스본드 접지방식은 개별접지방식이 가장 컸다. 이를 통하여 볼 때 지중송전계통은 기존의 방식보다 시공의 공간이 허락된다면 본 논문에서 다룬 항목만 근거하여 볼 때 IJ의 위치를 변경하고 크로스본드 접지방식을 개별접지방식을 채용하여 운용하는 것이 효용성이 있다고 사료된다.
다만, 본 논문의 연구결과는 지중송전선로의 인입부 부근의 사고 증가에 따른 문제점을 해소하는 계획단계에서의 방안이 될 수 있을 것으로 사료되지만, 이런 방식을 수용하려면 그 이외의 더 많은 현장 검토 항목들을 고려하여 분석 및 평가하여야만 할 것이다.
참고문헌
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