2.1 교류 수용설비 표준 단선결선도

우리나라의 교류(AC) 수용설비는 이미 오랜 기간 동안 표준화가 이루어져 있다. 특히, 특고압 이상의 전력을 수전받는 수용설비의 경우, 전기설비 검사·점검 기준에서 표준단선결선도를 제시하고 있다 ^[8]. 이 표준 단선결선도는 그림 1과 같이 CT(Current Transformer) 와 VT(Voltage Transformer) 의 설치 위치, 주회로 차단기 구성, 계측 및 보호계전기 배치 등을 포함한다. 그림 1을 포함하여 CT와 VT의 위치에 따른 표준단선도 3종이 제시되어 있으며 간이수전방식 1종을 포함하여 총 4종의 표준단선도를 제시하고 있다.

그림 1 교류 특고압 수전설비 표준모델

Fig. 1 Standard Single-Line Diagram of Extra-High Voltage AC Incoming Facilities

이러한 표준단선결선도는 수용설비 설계·시공·검사 과정의 일관성을 보장하며, 전기적 안전성을 확보하는 최소 기준으로 기능하고 있다. 반면, 직류 설비에는 아직 이와 같은 표준도가 제시되지 못하고 있어, 교류의 사례는 직류 표준모델 개발 시 중요한 참조 기반이 된다.

2.2 한국전기설비규정(KEC)

국내의 모든 전기설비는 한국전기설비규정(KEC)에 따라야 한다 ^[9]. 그러나 저압 직류 시스템의 경우, KEC에는 일반적이고 선언적인 내용만 제시되어 있어 세부 기술 규정이 부족하다. 이에 따라 KEC 내에서 직류에도 적용 가능한 교류 기반 조항을 발췌·재해석하여 표 1과 같이 저압직류 표준모델에 반영하였다. 적용된 주요 조항은 개폐기 설치, 접지 시스템, 변압기 설치(DC/DC 컨버터에 해당), 도체 보호, 과부하 보호장치 설치, 단락보호장치 설치, 누전차단기 설치 등이다. 이들 규정을 분석하여 직류 시스템 특성에 맞게 직접 적용하거나 수정·보완함으로써, 현재의 규제 공백을 해소하고 안전한 저압 직류 시스템 구현을 위한 실질적 기반을 마련하였다.

2.3 제안하는 저압직류 수용설비 표준모델

앞서 언급한 교류 표준 단선결선도와 KEC를 종합 분석하여 그림 2와 같은 표준모델을 도출하였다. 또한, 그림 3과 같이 다양한 저압 직류 수용설비 구성에 적용가능한 6종의 저압직류 표준 단선결선도를 도출하였다. 아직 국내 저압직류 관련 표준전압이 정해지지 않아 일반적으로 적용되는 저압직류 전압을 참고용으로 표준모델 및 표준단선결선도에 표기하였다.

그림 2 제안하는 저압직류 수전설비 표준모델

Fig. 2 Proposed Standard Model for Low-Voltage DC Incoming Facilities

또한, 표준모델을 참고하여 저압직류 사이트를 구성할 경우, 차단기의 차단용량은 컨버터의 단락전류 특성, 선로 임피던스 등을 고려하여 산정이 가능하다 ^[10].

그림 3 저압직류 설비 구성에 따른 단선결선도

Fig. 3 Single-Line Diagram According to the Configuration of Low-Voltage DC Facilities

3.1 AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터 정상운전 시험

AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터 간의 연계 시 정상적으로 전력을 변환·공급하는지를 확인하기 위하여 부하 변동, 부하 급변, AC/DC 컨버터 출력전압 변동 시험을 수행하였다. Case 1 시험은 DC MCCB #3을 개방한 상태에서 진행하였다.

1) Case 1-1 부하 변동 시험

DC/DC 컨버터 #1에 연계된 부하를 10 kW 단위로 40 kW까지 증가시키며 컨버터의 안정적 동작 여부를 검토하였다. 그림 6에서 40 kW 부하시의 750 V 및 380 V 전로 전압·전류 파형을 보면 두 컨버터 모두 정상적인 출력을 유지함을 확인할 수 있다. 모든 부하 조건(10, 20, 30, 40 kW)에서 전압 유지·전류 응답·스위칭 동작 모두 이상 없음을 확인하였다.

그림 6 Case 1-1 시험(40 kW) 결과 그래프

Fig. 6 Test Result Graph of Case 1-1 (40 kW)

2) Case 1-2 부하 급변 시험

다음으로 부하가 급격하게 변동할 때 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터 모두 정상적으로 부하 변동에 대응하는지 검증하기 위한 시험을 수행하였다. 시험은 0 kW에서 40 kW로 급변할 경우와 40 kW에서 0 kW로 급변할 경우 두가지를 시험하였다. 먼저 0에서 40 kW로 부하가 급변하는 경우, 그림 7을 보면 부하 변동 시작점에서 750 V전로는 순간적으로 흔들리고, 380 V전로는 전압이 순간적으로 감소하는 구간이 있었으나 1초 이내에서 복구되는 모습을 보였다. 전류 또한 약 1초 이내에서 40 kW급의 부하 전류를 출력하여 두 전력변환장치가 정상적으로 동작하는 것을 검증하였다.

40 kW에서 0 kW로 부하가 급변하는 경우는 본 논문의 뒤편의 그림 18의 과부하로 인한 차단기 동작과 유사한 형태의 결과를 보였다. 부하변동 시작점에서 부하가 급격하게 감소함에 따라 380 V 전로의 전압이 순간적으로 크게 상승하였으나 0.2초 정도에 400 V 이하로 감소하였으며 점차 380 V로 수렴하는 모습을 보였다. 750 V 전로도 순간적인 전압의 출렁임은 있었으나 빠르게 750 V를 유지하는 모습을 보였으며 다른 설비들도 이상동작을 수행하지 않았다.

3) Case 1-3 AC/DC 컨버터 출력전압 변동 시험

다음으로 AC/DC 컨버터의 출력전압이 변동하였을 때, 각 설비의 정상 동작 여부를 검증하는 시험을 수행하였다. 그림 8은 AC/DC 컨버터의 출력전압이 750 V에서 700 V로 변동되었을 때의 결과 그래프이다. 보유하고 있는 AC/DC 컨버터의 출력 특성상 급격한 전압강하를 모의하지는 못하였으나 약 2초에 걸쳐 점진적으로 전압이 강하하였을 때도 모든 설비가 이상동작없이 정상적으로 운전하였으며 반대로 750 V에서 800 V로 전압을 상승시켰을 때도 이상 동작이 발생하지 않고 정상적으로 운전함을 검증하였다.

그림 7 Case 1-2 시험(0 kW-40 kW) 결과 그래프

Fig. 7 Test Result Graph of Case 1-2 (0 kW–40 kW)

그림 8 Case 1-3 시험(750 V-700 V) 결과 그래프

Fig. 8 Test Result Graph of Case 1-3 (750 V–700 V)

3.2 DC/DC 컨버터 병렬연계 정상운전 시험

컨버터 병렬운전 시험은 제조사가 상이한 DC/DC 컨버터를 병렬로 연결하였을 때 이상없이 동작하는지 검증하기 위해 시험을 수행하였으며 이 시험에서는 그림 5의 구성을 그대로 사용하였다.

1) Case 2-1 부하 변동 시험

Case 2-1 시험은 DC/DC 컨버터#1에 연계된 부하를 10 kW부터 40 kW 까지 10 kW씩 변동시켜가며 시험을 수행했으며 모든 부하 조건에서 AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터#1, DC/CD 컨버터#2, 보호기기 등 모든 설비가 정상적으로 동작함을 확인하였다. 그림 9는 부하가 40 kW일 때 각 컨버터의 출력 전압과 출력 전류 그래프로 이상 없이 동작함을 확인할 수 있다.

2) Case 2-2 부하급변 시험

DC/DC 컨버터를 병렬연계 시, 부하가 급변하는 경우 각 설비가 정상적으로 동작하는지 검증하기 위해 부하 급변 시험을 수행하였다. 부하 급변시험은 DC/DC 컨버터 #1의 부하를 0 kW에서 40 kW로 순간적으로 높였을 때와 40 kW에서 0 kW로 순간적으로 낮췄을 때를 시험하였다. 먼저 40 kW에서 0 kW로 부하를 낮췄을 때의 결과는 그림 10과 같다.

그림 9 Case 2-1 시험(40 kW) 결과 그래프

Fig. 9 Test Result Graph of Case 1-2 (40 kW)

DC/DC 컨버터#1의 출력전압이 순간적으로 증가하였으나 약 0.4초 정도만에 380 V정도로 복원되었으며 AC/DC 컨버터의 출력 전압은 순간적으로 흔들렸으나 곧 정상전압으로 복구되었다. DC/DC 컨버터 #2의 출력전압 및 전류는 큰 변동동없이 유지되는 것을 검증하였다. 부하가 0 kW에서 40 kW로 급변하는 시험을 수행하였으며 DC/DC 컨버터#1의 출력전압이 순간적으로 강하하는 것 이외에는 그림 10과 유사한 결과를 보여 제조사 및 용량이 상이한 DC/DC 컨버터를 병렬 연계하여도 정상적으로 운전함을 검증하였다.

그림 10 Case 2-2 시험(40 kW-0 kW) 결과 그래프

Fig. 10 Test Result Graph of Case 1-2 (40 kW–0 kW)

3.3 지락사고 모의시험

저압 직류 계통의 지락사고는 380 V 전로의 접지 형태에 따른 시험이 수행되어야 하나 실험실 환경에서 실제 땅으로 지락사고를 내기는 어려워 땅으로 가정한 선로를 만들어 지락사고를 모의하였다. 이 경우, TT계통과 TN-S계통이 결국 동일한 형태로 지락사고가 발생하게 되어 TN-S 계통에 대한 지락사고를 수행하였다. IT 계통의 경우 지락고장이 발생하여도 고장전류가 흐르는 경로가 형성되지 않아 영향이 거의 없었다. 이 경우, 익히 알려진 바와 같이 IMD 등의 절연저항감시장치 설치를 통해 지락사고를 검증할 수 있으나 본 논문에서는 IMD까지는 고려하지 않았다. 추가적으로 750 V전로 역시 비접지 계통으로 구성하여 별도의 지락사고 시험을 수행하지 않았다.

지락 고장 시험은 그림 11과 같이 수행하였고 시험 결과는 그림 12와 같다. 지락 고장은 MCCB #5의 부하측에서 발생 시켰으며 고장발생 후 약 0.2초에 MCCB #5가 차단동작을 수행하였다. 고장이 발생하면서 DC/DC 컨버터 #1이 과전류 Fault를 띄우면서 비상정지하여 출력전압이 0 V가 된 것을 확인할 수 있다. AC/DC 컨버터는 출력전압이 약간 흔들리고 출력전류가 순간적으로 증가하였으나 0.5초 정도에 거의 정상으로 복구되는 모습을 보였다. DC/DC 컨버터 #2의 출력전압 및 전류는 지락사고에 영향을 거의 받지 않고 정상적으로 운전되는 것을 검증하였다.

그림 11 Case 3 시험 설명도

Fig. 11 Case 3 Test Schematic

그림 12 Case 3 시험 결과 그래프

Fig. 12 Test Result Graph of Case 3

3.4 단락사고 모의시험

1) Case 4-1 750 V 전로 단락고장 모의 시험

750 V전로의 단락 고장은 그림 13과 같이, 혹시 모를 DC/DC 컨버터의 손상을 막기위해 MCCB#2 및 MCCB #3을 개방한 상태에서 MCCB#1의 부하측에서 단락고장을 모의하였고 그 결과는 그림 14와 같다. 단락고장이 발생 시 AC/DC 컨버터 출력단의 커패시터에 의한 방전전류가 순간적으로 발생하고 그 후 컨버터 스위칭 동작에 의한 단락전류가 유지되다가 0.01초 정도에 고장전류가 모두 제거되었다.

그림 13 Case 4-1 시험 설명도

Fig. 13 Case 4-1 Test Schematic

그림 14 Case 4-1 시험 결과 그래프

Fig. 14 Test Result Graph of Case 4-1

이 시험에서 특이사항은 MCCB#1은 고장을 차단하는데 최소 0.01초 이상이 필요하나 AC/DC 컨버터의 보호기능이 이보다 빠르게 동작하면서 차단기가 동작하지 않고 컨버터 자체적으로 고장을 차단하였다.

2) Case 4-2 380 V 전로 단락사고 모의시험

380 V 전로의 단락시험은 그림 15와 같이, MCCB #5의 부하측에서 단락사고를 모의하였으며 그 결과는 그림 16과 같다. 단락사고는 지락사고와 유사한 형태를 보였는데 시험내에서 고장저항을 별도로 설정하지 않아 TN-S계통에서 양극접지-음극지락, 음극접지-양극지락 등과 고장전류가 거의 유사한 경로로 흐르게 되어 거의 같은 형태로 현상이 나타났다.

그림 15 Case 4-2 시험 설명도

Fig. 15 Case 4-2 Test Schematic

3.5 분기 과부하 모의시험

마지막으로 그림 17과 같이 380 V 전로에서 과부하 모의시험을 수행하였고 그 결과는 그림 18과 같다. 과부하는 MCCB #6에 연결된 부하의 부하전류를 약 60 A로 유지하여 모의하였다.

그림 16 Case 4-2 시험 결과 그래프

Fig. 16 Test Result Graph of Case 4-2

과부하 발생 시 일정시간동안 과부하 전류가 흐른 후 특정 시점에 MCCB #6이 차단동작을 정상적으로 수행하였으며 AC/DC 컨버터의 출력 전압이 약간 흔들린 후 정상 출력전압을 유지하였고 DC/DC 컨버터 #2의 출력 전압 및 전류가 정상적으로 유지됨을 검증하였다.

그림 17 Case 5 시험 설명도

Fig. 17 Case 5 Test Schematic

그림 18 Case 5 시험 결과 그래프

Fig. 18 Test Result Graph of Case 5