김진혁
(Jin-Hyuk Kim)
1
김규호
(Kyu-Ho Kim)
3†
이재균
(Jea-Kyun Lee)
2
우정욱
(Jung-Wook Woo)
2
-
(Dept. of IoT Convergence Industry, Hankyong National University, Korea)
-
(Dept. of Korea Electric Power Corporation, Korea)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Hankyong National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Surge arresters, Lightning strike, Wind turbine, Ground impedance, Deterioration
1. 서론
전 세계 많은 국가에서 재생에너지가 경쟁력 있는 주류 에너지원으로 확고히 자리를 잡았고 재생에너지 발전용량은 기록적으로 늘어나고 있다. 파리협정 체결이후
각국 정부의 재생에너지 지원 정책은 강화될 전망이다. 기후변화 대응을 위한 189개국의 국가별 기여방안을 살펴보면 147개국이 재생에너지를 언급하고
있고 2016년 초를 시점으로 146개국이 재생에너지 지원 정책을 시행하고 있다
(1). 국내에서는 전통 기저발전을 담당해 왔던 원전과 석탄발전의 비중을 줄이는 대신 신재생에너지를 확대하는 방향으로 에너지정책을 추진할 계획이다. 또한
신재생에너지 목표치는 발전 비중을 2030년에 20% 수준까지 끌어 올리는 것이다
(2). 이렇게 산업구조가 다변화해짐에 따라 전력설비의 급증으로 전력계통의 높은 신뢰성과 안정성이 절실히 요구되며, 전력계통설비의 신뢰성을 확보하기 위한
대책이 필요하다. 현재 전력계통에 사용되는 전력설비의 안정성을 향상시키는 방안중 하나로 전력용 피뢰기를 사용하고 있으며, 정상운전상태에서의 과도과전압
및 뇌서지 등에 대한 방호 대책으로 사용되고 있다
(3,4). 하지만 피뢰기는 전력 계통에 이상전압이 발생하면 전력 설비를 절연내력 이하로 보호하지만, 반복적인 보호 동작으로 열화가 발생하고
(5-7), 피뢰기의 절연파괴는 지락 과전류 계전기의 오동작을 일으켜 경제적 손실을 초래하거나 변압기를 포함한 중요기기 들의 고장을 야기하여 고장복구에 적지
않은 비용과 시간이 소비될 수 있으며 심할 경우 변압기 고장을 일으킬 수 있다
(8,9). 이에 본 논문에서는 EMTP-ATPDraw를 이용하여 모의풍력발전단지를 모델링하고 시뮬레이션을 통해 풍력발전단지에서 피뢰기가 열화되었을 때 접지
임피던스 변화에 따른 낙뢰 과전압과 인접터빈의 영향을 분석한다.
2. 시뮬레이션 구성
2.1 모의 해상풍력단지 구성
해상풍력 단지는 9개의 풍력터빈으로 구성되어있고 풍력터빈은 690V의 전력을 생산해 33kV로 승압을 시키고 해저케이블을 통해 154kV로 승압시키는
변전소와 연결된다
(10).
본 논문에서는 변전소와 가장 가까운 WT4에 낙뢰를 인가하였고, 이 때 인접터빈 WT1의 영향을 비교하였다.
2.2 낙뢰 조건 선정
낙뢰 모델은 EMTP-ATPdraw에서 제공하는 HEIDLER Surge type을 이용하였다. 낙뢰 모델은 0s부터 파미장이 80μs까지 지속되고,
단일 스트라이크의 최대 낙뢰전류는 크기는 20kA이다. 멀티 스트라이크의 경우 두 번째 낙뢰 크기는 첫 번째 낙뢰 크기의 약 2/3에서 1/3이며,
세 번째 낙뢰가 존재할 경우 그 크기는 두 번째 낙뢰보다 더 작다
(11). 본 시뮬레이션에서는 멀티 스트라이크의 최대 낙뢰전류를 20kA이고 4ms에 15kA의 낙뢰 전류를 인가하였다. 낙뢰 모델의 수식은
식(1)로 나타내었고 수식의 T
f 는 최대값 도달 시간, τ는 낙뢰 지속시간, n은 상승계수를 나타낸다.
표 1. 단일 스트라이크 낙뢰 상수
Table 1. Single strike lightning function
|
진폭[A]
|
20000
|
|
Tf[μs]
|
8
|
|
tau[μs]
|
80
|
|
n
|
1
|
|
Tstart[s]
|
0
|
|
Tstop[s]
|
1000
|
표 2. 멀티 스트라이크 낙뢰 상수
Table 2. Multi strike lightning function
|
진폭[A]
|
15000
|
|
Tf[μs]
|
8
|
|
tau[μs]
|
80
|
|
n
|
1
|
|
Tstart[s]
|
0.004
|
|
Tstop[s]
|
1000
|
3. 시뮬레이션 결과
뇌서지의 주파수가 10kHz 이하일 때는 접지 임피던스의 리액턴스 성분은 무시할 수 있을 정도로 접지저항과 같고 그 이상의 주파수에서는 유도성 효과에
의해 접지 임피던스가 증가하였다
(12). 따라서 대지 기반물질을 해수로 선정하면 대지 저항률을 2Ω·m이고 뇌서지의 주파수를 100kHz, 1MHz, 10MHz로 가정했을 때 접지 임피던스는
각각 약 4.4Ω, 13Ω, 40Ω이다
(13). 피뢰기는 낙뢰가 인가된 WT4의 피뢰기가 열화되어 건전상태의 피뢰기보다 정격전압이 낮아져 방전특성이 저하되었고, 이후 연계된 WT1의 피뢰기도
열화되었을 때를 각각의 접지임피던스에 대하여 시뮬레이션하였다.
3.1 단일 스트라이크 시 피뢰기 열화로 인한 낙뢰 과전압
그림. 1에서 WT4에 단일 스트라이크가 인가되고 피뢰기가 열화되어 제기능을 못할 때를 시뮬레이션 하였다. 접지임피던스가 4,4Ω 일 때 WT4는 최초 낙뢰로
인해 약 30kV의 과전압이 걸렸지만 이후 제기능을 상실하였고 WT1은 최대 약 26.72kV의 낙뢰 과전압이 걸렸다. 접지임피던스가 13Ω일 때
WT4는 약 47.54kV, WT1에는 약 46.68kV가 걸렸다. 접지 임피던스가 40Ω일 때 WT4에는 약 83.44kV, WT1에는 58.95kV가
걸렸다. 시뮬레이션 결과 WT4의 피뢰기가 열화되어 제기능을 못할 때 WT4의 내부망 전압은 최초 과전압 이후 지락고장이 발생되었고, WT1까지 과전압의
영향을 미쳤다.
그림. 1. 모의 해상 풍력단지 구성
Fig. 1. Configuration of Offshore Wind Farm
그림. 2. 단일 스트라이크 낙뢰 파형
Fig. 2. Single strike lightning
그림. 3. 멀티 스트라이크 낙뢰 파형
Fig. 3. Multi strike lightning
그림. 4. 피뢰기 접지임피던스가 4.4Ω일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 4. When the ground impedance at 4.4Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
그림. 5. 피뢰기 접지임피던스가 4.4옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 5. When the ground impedance is 4.4Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning overvoltage of WT1
그림. 6. 피뢰기 접지임피던스가 13옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 6. When the ground impedance at 13Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
그림. 7. 피뢰기 접지임피던스가 13옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 7. When the ground impedance is 13Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning overvoltage of WT1
3.2 멀티 스트라이크 시 피뢰기 열화로 인한 낙뢰 과전압
WT4에
그림. 1의 단일 스트라이크가 인가되고 피뢰기가 열화되어 제기능을 못할 때를 시뮬레이션 하였다. 접지임피던스가 4.4Ω 일 때 WT4는 최초 낙뢰로 인해 약
30kV의 과전압이 걸린 이후, 멀리 스트라이크로 인해 4ms 때 약 19kV의 과전압이 걸린 이후 제기능을 상실하여 지락고장이 발생되었고, 이 때
WT1은 약 46.68kV 이후 약 4ms 때 15.54kV가 걸렸다. 접지임피던스가 13Ω일 때 WT4는 약 47.54kV 이후 4ms 때 약 43.46kV,
WT1은 46.68k 이후 4ms 때 약 30.13kV, 접지임피던스가 40Ω일 때 WT4는 약 83.44kV, 4ms 때 약 74.92kV, 이
때 WT1은 약 58.95kV 4ms 때 약 49.02kV가 걸렸다, WT4의 피뢰기가 열화되어 제기능을 못할 때 WT4의 내부망 전압은 최초 낙뢰로
인한 과전압 이후 두 번째 낙뢰로 인해 과전압 발생시켜 WT1에 영향을 미쳤고 또한 단일 스트라이크보다 전압 변동이 크게 나타났다.
그림. 8. 피뢰기 접지임피던스가 40옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 8. When the ground impedance at 40Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
그림. 9. 피뢰기 접지임피던스가 40옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 9. When the ground impedance is 40Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning over- voltage of WT1
그림. 10. 피뢰기 접지임피던스가 4.4옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 10. When the ground impedance at 4.4Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
3.3 WT1, WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
WT4에 낙뢰가 인가되고, 그 때 WT4와 인접한 WT1의 피뢰기가 모두 열화되어 제기능을 못할 때 낙뢰 과전압을 비교하였다. 접지임피던스는 40Ω으로
통일 하였고 WT4에 단일 스트라이크와 멀티 스트라이크를 인가하였을 때 낙뢰 과전압을 비교하였다. WT4는 최초 낙뢰 과전압 이후, 멀티 스트라이크로
인해 4ms 때 한번 더 낙뢰 과전압이 걸렸지만 WT1은 피뢰기 열화로 인해 제기능을 상실하여 내부망 전압이 0V에 가까웠다.
그림. 11. 피뢰기 접지임피던스가 4.4옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 11. When the ground impedance is 4.4Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning overvoltage of WT1
그림. 12. 피뢰기 접지임피던스가 13옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 12. When the ground impedance at 13Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
그림. 13. 피뢰기 접지임피던스가 13옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 13. When the ground impedance is 13Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning overvoltage of WT1
그림. 14. 피뢰기 접지임피던스가 40옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 낙뢰 과전압
Fig. 14. When the ground impedance at 40Ω, the lightning overvoltage during arrestor
deterioration of WT4
그림. 15. 피뢰기 접지임피던스가 40옴일 때 WT4의 피뢰기 열화 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 15. When the ground impedance is 40Ω and the arrestor deterioration during in
WT4, the lightning overvoltage of WT1
그림. 16. WT1, WT4의 피뢰기 열화 시 WT4에 단일 스트라이크 뇌격 시 WT4의 낙뢰 과전압
Fig. 16. When the lightning arrester of WT1 and WT4 deteriorates, the lightning strike
overvoltage of WT4
4. 결 론
본 논문에서 해상 풍력발전단지에서 피뢰기가 열화되었을 때 접지 임피던스 변화에 따른 단일 스트라이크 낙뢰와 멀티 스트라이크 낙뢰로 인한 과전압과 인접
터빈의 영향을 분석하였다.
시뮬레이션 결과 WT4의 피뢰기가 열화되었고 단일 스트라이크 낙뢰 시 피뢰기의 접지 임피던스가 40Ω일 때 WT4에 걸린 낙뢰 과전압의 크기는 약
83.44kV, 4.4Ω 일 때 약 30kV가 걸렸고, 인접 터빈 WT1 에서는 접지 임피던스가 40Ω일 때 약 58.95kV, 4.4Ω일 때 약
26.72kV가 걸렸다. 피뢰기의 접지임피던스가 작을수록 낮은 낙뢰 과전압이 걸렸고, WT4피뢰기의 열화로 인한 낙뢰 과전압은 인접 터빈 WT1 까지
영향을 미쳤다. 멀티 스트라이크 낙뢰 시 마찬가지로 WT4의 피로기 열화로 인한 낙뢰 과전압은 인접터빈 WT1에 영향을 미쳤고, 4ms 이후의 멀티
스트라이크로 인해 단일 스트라이크보다 더 큰 전압 변동이 발생했다. WT4와 WT1의 피뢰기가 모두 열화되었을 때는 피뢰기의 제기능을 상실하여 지락고장이
발생하였다. 따라서 낙뢰 과전압을 줄이기 위해서는 피뢰기의 접지임피던스를 낮추고 피뢰기의 열화상태를 사전에 감지하여 기능을 상실하지 않도록 해야 한다.
향후 연구로는 피뢰기가 열화되어 기능을 상실하였을 때 피뢰기의 재투입 시간에 따른 계통 회복 등의 후속 조치를 연구할 예정이다.
그림. 17. WT1, WT4의 피뢰기 열화 시 WT4에 단일 스트라이크 뇌격 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 17. When the lightning arrester of WT1 and WT4 deteriorates, the lightning strike
overvoltage of WT1
그림. 18. WT1, WT4의 피뢰기 열화 시 WT4에 멀티 스트라이크 뇌격 시 WT4의 낙뢰 과전압
Fig. 18. When the lightning arrester of WT1 and WT4 deteriorates, the multi-strike
lightning overvoltage of WT4
그림. 19. WT1, WT4의 피뢰기 열화 시 WT4에 멀티 스트라이크 뇌격 시 WT1의 낙뢰 과전압
Fig. 19. When the lightning arrester of WT1 and WT4 deteriorates, the multi-strike
lightning overvoltage of WT1
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2017, Analysis of lightning surge impacts and measures for stable operation of offshore
wind farm, KEPCO
저자소개
1991년 1월 6일생
2017년 한경대 전기공학과 졸업
2017~현재 동 대학원 IoT융합산업학과 석사과정
1966년 3월 8일생
1988년 한양대 전기공학과 졸업
1990년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)
1996년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박)
1996년 신안산대학 전기과 부교수
2011년 9월~2012년 8월 Baylor University Visiting Scholar
2008년 9월~현재 국립한경대학교 전기공학과 교수
1964년 8월 17일생
1998년 남서울대 전자계산학과 졸업
2001년 중앙대 산업대학원 정보경영학과 졸업(석사)
2013년 한경대 대학원 전기공학과 졸업(석사)
2017~현재 한경대 대학원 전기전자제어학과 박사과정
현재 한국전력 경기본부 안성지사 차장
관심분야: 전력공급 부장 직무대행, 중장기 투자계획 및 전력공급 총괄, 배전설비 운영 및 고장 총괄
1968년 9월 19일생
1992년 경북대학교 공대 전기공학과 졸업
1994년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)
2007년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사)
현재 한전 전력연구원 책임연구원
관심분야: 절연설계, 내뢰설계, 낙뢰관측, 신변전기기 개발 및 고장해석 등