2.1 개발된 변압기의 일반 특성

본 연구에서 개발한 지그재그 변압기는 중성선 영상분 전류가 서로 반대 방향으로 흐르도록 지그재그로 결선하여 영상분 고조파 전류를 서로 상쇄시킬 수 있으며 접지를 제공하기 때문에 기존 접지 및 보호협조 체계에도 혼선을 야기하지 않는다.

그림 1은 3상 내철형 구조 지그재그 변압기의 결선도를 나타낸다. 지그재그 변압기는 그림 1과 같이 중성선 영상분 전류가 서로 반대 방향으로 흐르도록 결선하여 영상분 고조파 전류가 서로 상쇄되어 없어지도록 하는 구조이다.

그림. 1. 지그재그 변압기 결선도

Fig. 1. Structure of Zigzag grounding transformer

그림. 2. 1선 지락 시 지그재그 변압기 연계 계통의 전류 분포

Fig. 2. Current flow of power system with zigzag grounding transformer

다음 그림 2는 임의의 지점에서 1선 지락고장 발생 시 영상분 전류의 분포를 나타내며 화살표는 영상분 전류의 흐름을 나타낸다. 고장전류 또는 접지전류는 일반적인 Y-△ 결선된 변압기와 마찬가지로 각각의 권선으로 동등하게 분배되어 흐르며 전력계통 임피던스와 지그재그 권선 사이의 임피던스에 의해 제한되어 진다.

2.2 지그재그 변압기 설계 및 제작

본 연구에서 개발한 지그재그 변압기의 사양은 3상 400kVA로 다음 표 1과 같은 정격에 적합하도록 설계하였다. IEC 60076-5의 표 3 (Maximum permissible values of the average temperature of each winding after short circuit)을 참조하여 온도상승 한계값을 선정할 수 있으며, IEC60076-5의 4.1.5절 (Calculation of temperature )를 따라 변압기의 단락 후 권선의 평균 온도를 구할 수 있다 ⁽⁷⁾.

다음 표 2는 개발된 변압기 1차 측에 대한 단락 후 권선의 평균 온도 를 나타낸다. 온도 계산 식은 알루미늄 도체에 대한 계산식을 이용하였다 ⁽⁴⁾.

변압기 2차 측에 대한 단락 후 권선의 평균 온도 의 계산은 1차 측과 동일하게 계산된다. 권선은 양질의 도체를 사용하고 몰드타입 권선에 적합한 전기 절연 재료를 사용하여 높은 절연강도를 가지는 구조로 설계, 제작된다. 또한, 내열성과 절연성능이 우수한 절연물로 처리한 후 고진공 상태에서 Epoxy Resin을 주형하기 때문에 기계적 강도 및 전기적 성능이 우수하다.

권선의 배치는 1차와 2차를 각상의 동심 상에 배치하는 구조로 되어 있으며 지지를 위하여 탄성체 Spacer를 넣어 고정시키므로 진동 및 소음을 저감시키는 구조로 제작되었다.

2.3 지그재그 변압기 성능검증

본 연구에서 개발된 지그재그 변압기는 제작 이후 특성시험(자체시험)과 공인기관 인증시험을 거쳐 성능을 검증하였다. 다음은 대표적인 시험인 임피던스 측정 시험과 무부하 시험, 권선 저항 측정에 대한 절차를 간략히 나타낸 것이다⁽⁶⁾.

3.1 변압기 결선 및 파라미터 입력

상용 EMTP 중 하나인 PSCAD 내 라이브러리에는 지그재그 변압기 모델이 존재하지 않기 때문에 단상 2권선 변압기 3대를 이용하여 지그재그 결선을 직접 수행하는 식으로 모델링 해야 한다. 다음 그림 3은 PSCAD 내에서 모델링 된 3상 지그재그 변압기를 나타낸다.

각 단상 변압기에는 변압기의 용량, 정격 주파수, 누설 리액턴스, 와전류손, 동손, 1차 측 및 2차 측 정격 전압 등의 파라미터를 입력해야 한다. 각 파라미터는 표 3에서 나타낸 특성시험 결과와의 비교를 통하여 적절히 입력되었는지의 여부를 확인해볼 수 있다.

그림. 3. PSCAD 내 지그재그 변압기 결선도

Fig. 3. Structure of Zigzag grounding transformer in PSCAD

누설 리액턴스는 변압기의 임피던스에 직접적으로 영향을 미치는 파라미터로 변압기의 용량과 임피던스 전압에 의해 계산되는 정격 전류의 값을 결정하는 파라미터이다. PSCAD 내에서는 누설 리액턴스의 값이 p. u. 단위로 입력되야 한다. 다음 식 (2)는 변압기의 자체 임피던스를 알고 있을 때 p. u. 단위의 임피던스로 변환하는 식을 나타낸다.

여기서, $Z_{p. u.}$ : p. u. 단위로 변환된 변압기 임피던스

$Z_{\Omega}$ : $\Omega$ 단위로 측정된 변압기 임피던스

$V_{n}$ : 정격 전압

$I_{n}$ : 정격 전류

특성시험, 공인시험을 통해서 변압기의 임피던스는 약 15 Ω으로 측정되었고, 1차 측 및 2차 측 정격 전압은 22.9 kV로 동일하기 때문에 변환되는 임피던스의 값을 쉽게 계산할 수 있다.

PSCAD 변압기 모델의 와전류손은 변압기 정격을 기준으로 한 무부하 손실의 와전류손 부분을 나타낸다. 상기 표 3과 같이 측정된 무부하 손실의 변압기 정격에 대한 비율을 입력하여 무부하 손실 중 와전류손 부분을 표현할 수 있다.

변압기의 권선 저항의 경우 직접적으로 입력할 수 없다. PSCAD 내의 변압기 모델에서는 동손값을 입력하면 자동으로 등가저항을 계산하여 변압기의 저항 성분을 처리한다. 따라서 측정된 저항값을 이용하여 역으로 동손을 계산한 후 이를 입력하는 방법으로 반영하였다.

3.2 모델링된 변압기의 검증

본 절에서는 모델링된 지그재그 변압기의 각 파라미터가 잘 반영되었는지를 확인하기 위해 특성시험과 동일한 회로도를 구성한 후 결과를 비교하는 방법을 통해 변압기 모델링을 검증하였다.

다음 그림 4는 영상 임피던스 측정 시험 결과이다.

그림. 4. PSCAD 내 임피던스 측정 시험 결과

Fig. 4. Results of transformer impedance test in PSCAD

앞의 2.3절에서 설명한 것과 같이 지그재그 변압기의 임피던스 측정을 위해 2차 측을 단락한 상태로 1차 측에 임피던스 전압을 인가하여 정격 전류가 흐르도록 하였다. 그림 5에서 보이는 것과 같이 100% 정격 전류를 인가하기 위해 환산된 임피던스 전압 29.38 V를 인가하여 정격 전류 10.05 A가 흐르는 것을 확인하였다. 환산되기 전 전압은 $\sqrt{3}$배 된 50.89 V 이며, 이는 표 3의 특성시험 결과에서 나타낸 전압과 일치한다. 정격 전류는 0.3% 오차를 가지고 계산되어 변압기의 임피던스 성분이 잘 반영된 것을 확인하였고, 식 (1)에 따라 15.19 Ω 으로 계산된다.

다음 그림 5는 무부하 시험 결과이다. 2.3절에서 설명한 것과 같이 지그재그 변압기의 한쪽 단자는 개방한 상태로 반대쪽 단자에서 정격 전압인 22.9 kV를 인가한 후, 인가한 측에서 전류와 전력을 측정하였다. 측정된 무부하 전류는 0.1501 A 이며 무부하 손실은 min-max 평균값 기준 2.7295 kW이다. 각각 0.07%, 5.8% 오차를 보임으로서 변압기의 무부하 관련 파라미터 또한 잘 반영된 것을 확인하였다.

그림. 5. PSCAD 내 무부하 시험 결과

Fig. 5. Results of no-load test in PSCAD

그림. 6. 모의 배전계통

Fig. 6. Distribution system for simulation

4.1 모델 계통

다음 그림 6은 지그재그 변압기의 동작 성능검증을 위해 PSCAD로 임의로 구성한 분산전원이 연계된 배전계통이다.

다음 표 4 는 지그재그 변압기 연계 전과 후, 각 모의에 사용된 배전계통의 선로 파라미터를 나타낸다.

불평형 부하 모의를 위해 각 모선에 불평형율 7.32%를 갖는 5.91 MVA 부하를 연계하였다. 다음 표 5는 각 모선에 대한 정보를 나타낸다. 배전계통의 주변압기 측에는 0.6 Ω의 NGR을 설치하였으며 분산전원 연계용 변압기는 NGR을 설치하지 않았다. 지그재그 변압기를 설치하기 전과 후의 각 변압기 중성선에 흐르는 상시 순환전류를 각각 비교하였고, 지그재그 변압기는 개발된 모델의 정격을 그대로 반영하였다.

배전계통의 주변압기 측에는 0.6 Ω의 NGR을 설치하였으며 분산전원 연계용 변압기는 NGR을 설치하지 않았다. 지그재그 변압기를 설치하기 전과 후의 각 변압기 중성선에 흐르는 상시 순환전류를 각각 비교하였고, 지그재그 변압기는 개발된 모델의 정격을 그대로 반영하였다.

4.2 지그재그 변압기를 통한 상시 순환전류 저감 결과

다음 그림 7은 지그재그 변압기를 설치하기 전의 전원 측, 분산전원 측의 중성선에 흐르는 전류를 나타낸다. 각 전류의 측정 개소는 그림 6에 나타내었다.

그림. 7. 지그재그 변압기 연계 전 중성선 전류 비교

Fig. 7. Comparison of the neutral current for each transformer without zigzag grounding transformer

다음 그림 8은 지그재그 변압기를 설치한 이후의 전원 측, 분산전원 측, 지그재그 변압기 측의 중성선 전류를 나타낸다.

그림. 8. 지그재그 변압기 연계 후 중성선 전류 비교

Fig. 8. Comparison of the neutral current for each transformer with zigzag grounding transformer

그림 8과 9에서 알 수 있듯이 지그재그 변압기를 설치함에 따라서 분산전원의 연계용 변압기 중성선에 흐르는 전류가 저감되는 것을 확인할 수 있다. 지그재그 변압기 연계 전에는 분산전원 측 중성선에 19.03 A가 흐르고 지그재그 변압기 연계 후에는 13.65 A가 흘러 상시 순환전류를 약 28% 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 분산전원 측 변압기 중성선에 직접 NGR을 설치하는 것과는 다르게, 지그재그 변압기의 경우 전원 측 변압기의 중성선 전류에 크게 차이가 없어 기존의 보호체계를 무너뜨리지 않고 운영이 가능하다. 또한, 분산전원 연계용 변압기가 비접지 방식으로 운영될 때에는 지그재그 변압기를 이용하여 유효접지를 제공하는 등 부가적인 효과들을 얻을 수 있다. 시뮬레이션 결과는 다음 표 6과 같이 정리할 수 있다.

본 연구에서는 개발된 변압기를 임의의 계통에 연계하여 어느 정도의 순환전류 저감 효과가 있는지만을 확인하였지만 향후 순환전류 저감 효과의 경제적인 측면에서의 분석이나, 분산전원이 아닌 수용가 부하 측 변압기 앞단에도 지그재그 변압기를 연계하여 운영할 때 얻을 수 있는 이익 등 다양한 측면에서의 활용방안을 고려해볼 필요가 있다.