2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A135 PSCAD/EMTDC 를이용한직류전기철도급전계통모델링 Modeling for power feeding system of DC electric railway using the PSCAD/EMTDC 정현기 * Hyun-Ki Jung * 초록직류전기철도는 DC 1,500V 전차선로등급전계통에서단락또는지락사고발생시 DC over current relay(76i) 와 DC under voltage relay(mid-point relay, 80A) 를사용하는계전시스템으로급전선로를보호하거나, 또는 DC fault selective relay(50f) 를사용하여보호하는계전시스템을주로적용하고있다. 본논문은이러한직류전기철도에적용하는급전계통의보호계전시스템에대한동작특성을비교분석하기위해전력계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC 를이용하여직류전기철도의복선급전계통을모델링하였으며, 시뮬레이션을수행하였다. 또한, DC fault selective relay(50f) 를적용하는보호계전시스템의유용성도검증하였다. 주요어 : 직류전기철도, 급전계통, 보호계전시스템, PSCAD/EMTDC, 80A, 50F 1. 서론 직류전기철도로건설된도시철도에서는 DC 1,500V 전차선로등의급전계통에서단락또는지락사고가발생할경우, 전력시스템을보호하기위해서예전에는 DC over current relay(76i) 와 DC under voltage relay(mid-point relay, 80A) 를사용하였으나, 근래에는 DC fault selective relay(50f) 를사용하여보호하는계전시스템을적용하고있다. 본논문은이러한도시철도의 DC 1,500V 급전계통에적용되고있는보호계전시스템에대하여신뢰성확보및계통안정화를위하여전력계통해석프로그램인 PSCAD/EMTDC을이용하여직류전기철도의급전계통을모델링하고, 각 Case별로단락전류및사고지점의전압에대한시뮬레이션을통해보호계전시스템의동작특성을비교분석하고, 나아가 DC fault selective relay(50f) 를적용하는보호시스템의유용성을검증하고자한다. 교신저자 : 서울메트로기술본부 (hyunki@seoulmetro.co.kr) * 서울메트로기술본부
2. 본론 2.1 직류급전계통모델링직류급전도시철도에서사용하고있는 50F( 고장선택계전기 ) 와 Midpoint Relay 80A( 직류저전압계전기 ) 의동작특성분석및검증을위하여전력계통해석프로그램 (PSCAD/EMTDC) 을이용하여직류급전계통을모델링하였다. 여기서직류급전계통은전력사업자로부터 3상 22.9kV를수전하여도시철도변전소에서 -, -Y 변압기결선을통해 590[Vac] 로변전하고, 정류기로정류하여 DC 1,500V( 무부하시 1,620V) 를급전선로에공급하는것으로복선계통을모의하기위해변압기용량은 10[MVA] 로설정하고정류기는실리콘다이오드정류기로구성하였으며급전선로는상하행선의복선병렬회로로구성하였으며전체시스템구성은그림 1과같다. Fig. 1 Modeling for power feeding system of DC electric railway (double track) 2.2 단락시뮬레이션직류전기철도의급전계통에서단락사고가발생하였을경우, 50F와 80A의동작유무를분석하기위해급전구간중앙에서급전선과레일이단락되는사고를모의하였다. 실제급전사고와같은상황을모의하기위해변전소의간격 (L) 과고장저항 값을변경하여다음과같은경우를 Case A, B로정하여시뮬레이션을수행하였다. 1) Case A : 변전소간격 (L = 4 km), 고장저항 ( = 0[Ω], 0.1[Ω]) 일경우 2) Case B : 변전소간격 (L = 5 km), 고장저항 ( = 0[Ω], 0.1[Ω]) 일경우
2.2.1 Case A 시뮬레이션결과변전소간격이 4 km 일경우로모의하여선로의고장저항 (0[Ω], 0.1[Ω]) 을변경하여시뮬레이션하였다. 단락사고는 0.2 초시점에발생시켰으며, 모의시험결과, 각 Case 별단락전류와사고지점의전압파형은표 1 과같다. Table 1 Simulation results of the short-circuit current and accidents voltage due to accident resistance change Short-circuit current (,, ) 고장저항이 Zero 상태인완전단락사고 ( = 0[Ω]) 를모의시험한결과, 변압기및정류기용량, 변전소내부임피던스, 선로및레일임피던스에따라총단락전류는 13.75 [ka] 이고한변전소에서고장지점으로흐르는전류는 6.88 [ka] 로나타났다. 또한완전단락사고시사고지점의전압은매우크게발생하므로 80A 가동작하기에충분한것으로나타났다. 하지만고장저항 이증가할수록사고지점의전압은점점낮게발생하며, 80A 의동작값을 850[V] 로설정할경우고장저항이 0.1[Ω] 보다큰단락사고발생시에는고장이감지되지않은것으로나타났다. 또한, 50F 의동작을유무를확인하기위해 50F 의동작전류값을 2 [ka], t 값을 10 ms 로설정하여 I 을측정하였으며, 이경우고장저항이큰단락사고의경우에도고장을감지하는것으로나타났다. 표 2 는사고저항의변화에따른 I 값과사고지점의전압을나타내며, 그에대한 50F 및 80A 의동작여부를나타낸다.
Table 2 Simulation results & whether of the protection relay operation Short-circuit current & (, ) Accident before Accident after Whether of the protection relay operation 50F (2kA) 80A (850V) 0 [ka] 5.094 [ka] 1820 [V] 138 [V] 0 [ka] 3.317 [ka] 1820 [V] 906 [V] 2.2.2 Case B 시뮬레이션결과변전소간격이 5 km일경우로모의하여고장저항 (0[Ω], 0.1[Ω]) 을변경하여시뮬레이션을수행하였다. 단락사고는 0.2초시점에발생시켰으며시뮬레이션결과, 각 Case별단락전류및사고지점의전압파형은표 3과같다. Table 3 Simulation results of the short-circuit current and accidents voltage due to accident resistance change Short-circuit current (,, ) 고장저항이 Zero상태인완전단락사고 ( = 0[Ω]) 의경우를모의시험한결과, 변압기및정류기용량, 변전소내부임피던스, 선로및레일임피던스에따라총단락전류는 13.75 [ka] 이고, 한변전소에서고장지점으로흐르는전류는 6.88 [ka] 로나타났다. 또한완전단락
사고시사고지점의전압은매우크게발생하므로 80A가동작하기에충분한것으로나타났다. 하지만고장저항 이증가할수록사고지점 (mid point) 의전압은점점낮게발생하며, 80A의동작값을 850[V] 로설정할경우고장저항이 0.1[Ω] 보다큰단락사고발생시에는고장이감지되지않은것으로나타났다. 또한, 50F의동작을유무를확인하기위해 50F의동작전류값을 2 [ka], t 값을 10 ms로설정하여 I을측정하였으며, 이경우고장저항이큰단락사고의경우에도고장을감지하는것으로나타났다. 표 4는사고저항의변화에따른 I 값과사고지점전압을나타내며, 그에따른 50F 및 80A의동작여부를나타낸다. Table 4 Simulation results & whether of the protection relay operation Short-circuit current & (, ) Accident before Accident after Whether of the protection relay operation 50F (2kA) 80A (850V) 0 [ka] 4.382 [ka] 1820 [V] 130 [V] 0 [ka] 3.193[kA] 1820 [V] 863 [V] 3. 결론본연구에서는직류전기철도의급전계통인 DC 1,500V 전차선로양단의고장선택계전기 50F 와 Midpoint Relay 80A의동작특성을비교하기위해 PSCAD/EMTDC를이용하여시뮬레이션하였다. 연구분석고찰한결과, 80A를사용하는경우는고장저항크기와관계가있어고장저항이적을 (0~0.08[Ω]) 경우에는동작하였으나 0.1[Ω] 이상이면동작하지않는것으로나타났다. 그러나 50F( 고장선택계전기 ) 의경우는고장저항의크기나선로길이가변하더라도고장발생시점에서약 0.01[sec] 지나면고장전류의크기가 50F 동작설정값보다크게되어동작하였다. 따라서 80A와 50F의동작특성만으로단순비교하면 50F의보호성능이우수하다고판단된다. 참고문헌 (1) 정현기, 정종진, 안태풍 (2008) 지하철직류보호계전시스템의동작특성에관한연구, 한국철도학회학술대회논문집, pp 499-463 (2) JR교본연구회 (2003) 급전회로보호시스템 (3) Myung-Hwan Min, Ho-Sung Jung (2010) A Study on the Real Time Measuring Technique of Return Current in the DC railway System, 16 th International Conference on Electrical Engineering