2.1 PSCAD/EMTDC를 이용한 교류 전기철도 급전계통 급전선 지락고장 시뮬레이션

TF 지락과 AF 지락 발생 시 고장 파형을 분석하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용한 AT 분리급전계통 모델링하였다. 전철변전소(SS, Substation) 1개소, 급전구분소(SP, Sectioning Post) 1개소, 보조구분소(SSP, Sub-Sectioning Post) 1개소로 Fig. 1과 같이 구성하였다. 3상 154kV 전압원(100[MVA])로부터 수전받는 철도변전소에서 스코트변압기(45[MVA])와 단권변압기(AT, Auto-Transformer, 10[MVA])를 통해 단상 27.5kV를 공급하도록 구성하였으며, 상세 파라미터는 ⁽⁶⁾을 참조하여 적용하였다. SS와 SP 간, SP와 SSP간의 간격의 각각 10km로 구성하였다. 급전선로계수는 TF의 경우, 0.1076 + j0.2614[Ω/km], 레일의 경우, 0.1052 + j0.4736[Ω/km], 급전선(AF)의 경우, 0.1180 + j0.4519[Ω/km]로 적용하였다⁽⁷⁾.

국내 AT 분리급전계통에 설치된 각 AT는 중성점은 접지되어 있어, 회로도를 기반으로 한 회로해석 및 분석을 수행하기 어렵다⁽⁸⁾. 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 수집된 전류 데이터를 이용하여, TF 지락 및 AF 지락 발생 시의 고장 전류 특성을 추출하고 그 특성을 통한 지락고장 유형 분석방법을 제시하고자 한다. Fig. 2과 같이 TF 지락 및 AF 지락을 발생시킨 후, SS, SP, SSP의 TF 전류와 AT 중성점 전류를 측정하였다. 급전선 지락고장은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 구간, SP와 SSP 사이(Zone 2)의 구간에서 TF 지락고장과 AF 지락고장을 각각 발생하여 시험을 수행하였다.

Fig. 3, 4은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 상행선로 3[km] 지점에서 TF 지락, AF 지락 모의 결과이다. 정상 운전시에는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 동일하며, Fig. 3의 결과에서도 알 수 있다시피 TF 지락 발생하는 경우 전철변전소(SS) 상행선로의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이다. 그리고 AF 지락이 발생하는 경우 상행선로에 위치한 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5, 6는 SP와 SSP 사이(Zone 2)의 하행선로 13[km] 지점에서 TF 지락, AF 지락 모의 결과이며, TF 지락 발생하는 경우 하행선로의 SP와 SSP의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이며 AF 지락이 발생하는 경우는 하행선로의 SP와 SSP의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인할 수 있다.

상행선로에서 지락고장이 발생한 경우에는 상행선로의 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이, 하행선로에서 지락고장이 발생한 경우에는 하행선로의 SS의 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 지락 고장 유형에 따라 구분되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7, 8는 급전선 지락고장은 SS와 SP 사이(Zone 1)의 구간, SP와 SSP 사이(Zone 2)의 구간에서 TF 지락고장과 AF 지락고장을 매 1[km] 마다 지락고장을 발생시켜 고장 거리별 TF 전류 위상과 AT 전류 위상의 차이를 나타낸 결과이다.

3.1 PSCAD/EMTDC를 이용한 지락 고장 유형 판단 방법검증

Fig. 7, 8에서 알 수 있다시피 TF 지락고장 발생 시는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 거의 동일하고, AF 지락고장 발생 시 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 반대인 성질을 이용하여 급전선 지락고장 유형을 구분할 수 있다. Fig. 9과 같이 TF 전류와 AT 전류의 위상차가 0~90[°] 혹은 270~360[°] 사이에 해당하는 경우 TF 지락으로 판정하고, 90~270[°] 사이에 해당하는 경우 AF 지락으로 판정한다.

3.2 위상각을 이용한 급전선 지락고장 실계통 시험

실제 급전계통에 설치된 AT흡상전류비 방식의 고장점 표정장치에 위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 기능을 추가하여 해당 방법의 유효성을 검증하였다. AT흡상전류비 방식은 단권변압기(AT)의 중성점에서 전류를 측정하여 그 전류들의 비(ratio)로 고장점을 검출하므로 AT 중성점 전류를 측정 가능하다. 리액턴스 방식이 아닌 AT흡상전류비 방식의 고장점 표정장치에 위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 기능을 적용하여 시험을 수행하였다.

Fig. 10, 11은 실제 철도 급전계통에서 발생한 TF 지락 및 AF 지락 시의 변전소의 상행 TF 전류(I-1), 하행 TF 전류(I-2), 상행 AT 전류(I-3), 하행 AT 전류(I-4) 파형을 나타낸 것이다.

앞서 설명했던 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 결과와 동일하게 실제 계통에서도 TF 지락 발생하는 경우 TF 전류 위상과 AT 전류 위상은 거의 동상이며 AF 지락이 발생하는 경우는 TF 전류 위상과 AT 전류 위상이 반대인 것을 확인하였고, TF 지락(TF-R), AF 지락(AF-R)을 구분하는 것을 확인할 수 있었다.

위상각을 이용한 급전선 지락고장 유형 판단 방식의 경우 고장점 표정장치 모장치(Master)에서 TF 전류와 AT 전류의 크기, 위상을 측정한다면 고장점 표정장치 모장치(Master)와 자장치(Slave)간의 데이터 동기화를 요구하지 않으므로 별도의 추가 장비가 요구되지 않으므로 고장점 표정장치 모장치(Master)의 기능만 추가하여 구현 가능하므로 기능 추가에 소요되는 비용은 크지 않을 것으로 판단된다.