765kV 분로리액터 공진현상에 대한 대책

[새벽하늘]

765kV 분로리액터 공진현상에 대한 대책

1. 배경

선로 충전용량 문제는 765kV 계통의 특성을 고려할 때 가장 중요한 과제의 하나이다. 대전력 수송체계 구축을 위한 765kV 송전선은 장거리이며 다도체(ACSR 480mm2×6B)를 사용함에 따라 2회선 100km 기준 3상충전용량이 633Mvar로서 345kV의 약 4.9배에 달한다. 따라서 초기 1차사업 규모(당진 T/P∼신서산 S/S∼신안성 S/S∼신가평 S/S∼신태백 S/S∼울진N/P)의 조건에서도 경부하시 모선전압 상승억제 및 발전기의 진상운전 방지를 위하여 분로리액터의 투입이 필요한 것으로 검토되었다. 단지 초기의 1차사업규모에서는 송전거리가 최대 160km 정도이며 다상 재폐로를 위한 2차아크 소호방식도 HSGS를 적용하고 2010년 까지 변전소당 300Mvar의 분로리액터 용량이 필요하여 345kV 모선측에 설치하는 것으로 검토되었다.
그러나 이후 장기전원개발계획에 따른 계통규모 확대로 765kV 2단계사업이 추가되면서 신안남 T/L의 경우 250km에 달하는 장거리 선로가 되고 전체적으로도 분로리액터의 대폭적인 용량증가가 필요하게 되었다. 따라서 2단계사업 규모를 고려한 조상설비 용량 재검토결과 2010년 기준 변전소당 최대 1,600Mvar를 설치해야 하는 것으로 검토되었다.

2. 공진현상 발생의 이론적 고찰

765kV 송전계통의 충전용량을 분로리액터로 보상하기 위해 선로직부로 설치할 경우 선로개방시 선로의 대지 정전용량과 분로리액터가 병렬공진 상태가 되어 개방선로에 매우 높은 회복전압이 발생하게 되는데 이 공진을 이상전압의 발생은 선로에 접속하는 분로리액터의 보상정도 및 선로개방조건에 따라 달라지게 된다.
전력연구원에서 신안남 T/L에 대해 검토한 결과를 보면 EMTP와 TNA가 약간의 발생값 차이가 있지만 모두 동일한 현상을 나타내고 있으며 결국 선로직부 분로리액터가 설치된 765kV 송전선로에서 공진현상의 발생은 피할 수 없는 것으로 판단된다.

3. 실계통에서의 적용대책

765kV 신안남 T/L은 준공기한이 2007년이므로 선로직부 분로리액터의 설치 문제가 당장은 대두되지 않는 것으로 생각될 수도 있으나 변전소 Layout 구성에 있어서는 가부간에 상당한 차이가 있어 신안성 뿐만 아니라 모든 변전소에서 건설당시부터 고려해야만 경제적이고 효율적인 설계가 가능하다.
따라서 공진현상에 대해 실계통에서 적용 가능한 대책을 다각적으로 검토하였다. 후술하는 세가지 방안 이외에도 미국 AEP와 같이 고속 개폐장치를 갖춘 4각 분로리액터 설치바안을 생각할 수 있으나 이것은 경제적, 기술적 문제점 이외에도 고속재폐로를 할수 없게 되므로 적용자체가 불가능하며 결국 아래와 같이 세가지 방안을 검토하였다.

가. 선로차단시 분로리액터용 CB를 동시에 OFF/ON하는 방안
선로직부 분로리액터에 의한 공진현상을 방지할 수 있는 방법으로는 선로를 차단할 때(상시 또는 고장시) 분로리액터를 동시에 차단하는 것인데 이 경우 콘덴서 분압에 의해 고장상에 유기되는 전압을 0.3[P.U]로 낮출수 있다. 그러나 이 경우 순시고장에 의한 재페로시에는 분로리액터도 투입해야만 한다. 이 때 고장상의 재투입은 수전단축 분로리액터를 선투입하고 → 송전선로 투입 → 송전단 분로리액터 투입의 순서로 하여야 분로리액터의 공진성 과전압을 억제할 수 있다.
그러나 이방법은 아래와 같은 문제점이 있어 현실적으로 적용이 곤란하다. 즉, 선로 양단에 변전소간의 통신채널이 추가로 필요하고 동시에 각각의 변전소에서 Interlocking Circuit가 구성되어야 하므로 회로가 몹시 복잡해져서 신뢰도가 저하된다. 특히, 765kV 송전선로에서는 HSGS의 동작을 위한 "선로양단 통신 및 Interlock System"이 이미 필수 불가결하게 되어 있으므로 결국 재폐로를 위해 "선로양단 통신 및 Interlock System"이 선로당 2조씩 구비되어야 함을 의미한다. 이것은 회로의 단순화에 의한 신뢰도 제고에 역행하는 불합리를 안고 있다. 또한 재폐로 진행과정에서 선로 혹은 분로리액터용 차단기에 Breaker Faulure 가 발생할 경우에는 영구고장으로 진전될 가능성이 증가한다는 문제점을 안고 있다.

나. 765kV계통 운전전압을 735kV로 하향조정하는 방안
선로직부 분로리액터를 설치하지 않고 250km의 송전선로를 가압하는 경우 송전단측 모선전압을 735kV로 낮추어 운전하는 방안을 고려할 수 있다. 이 경우 수전단측의 전압상승을 800kV이하로 유지 가능하기 때문이다. 이 방법은 선로직부 분로리액터에 의한 공진현상의 대책으로 가장 경제적인 해결책이 될 수 있으나 다음과 같은 문제점을 안고 있다.
첫째, 발전소를 제외하고는 계통상황에 따라 송전단과 수전단이 다를 수 있고 이것은 순시적으로도 변화될 수 있으므로 결국 765kV계통에서 거의 모든점에서 운전전압을 735kV로 해야한다. 이것은 모든 기기가 정격전압에서 최고의 효율이 나도록 설계된다는 점에 비추어 볼 때 장기적으로 기기열화 촉진, 송전요량 감소, 송변전 손실 증가, 발전소 출력제약 등의 문제점이 있다.
둘째, 전력계통 운용에 있어 중요한 과제의 하나인 전압-무효전력제어를 통해 계통 각지점에서의 적절한 전압 유지와 송전선의 무효전력조류를 적정화시킴으로써 송전손실을 경감함과 앙울러 송변전설비의 이용율을 향상시켜야 하는데 이를 위한 적정한 전압-무효전력제어를 어렵게하여 결국 계통운용의 안정도를 지하시키고 경제급전에 지장을 초래할 수 있다.
셋째, 결과적으로 공칭전압이 765kV에서 735kV로 낮아지면서도 계통 최고전압은 800kV를 유지해야 하는 전압체계의 모순이 따르게 된다.

다. 송전선로의 긍장을 160km로 제한하는 방안
긍장 160km이내의 송전선로에서는 선로직부 분로리액터가 없어도 경부하시 수전단측 전압상승치를 1.05[P.U]이내, 즉 800kV이하로 운전이 가능하다. 물론 계통전체의 집중보상용으로는 345kV 모선에 설치하는 분로리액터가 필요하며 경우에 따라서는 765kV 모선에도 분로리액터의 설치를 고려할 수 있을 것이다. 이 방안은 결국 장거리 구간의 경우 중간에 개폐소 또는 변전소의 추가 설치를 의미하므로 그 만큼의 비용 증가를 초래하게 되낟. 그러나 현재 전력연구원에서 검토한 바에 따르면 신안남 T/L과 같이 장거리 선로에서는 송전선로의 절연설계가 강화되어야 하며 이에 따른 송전선로 건설비 상승분을 고려하면 종합 경제성에 있어서는 오히려 더 유리할 수도 있을 것을 판단된다. 또한 우리나라의 지리적 여건에서는 345kV계통에서도 그랬듯이 초기계통에서는 일부 장거리 선로가 발생해도 장기적으로는 단거리 선로로 되어갈 것이 예견되므로 이 방안이 더욱 유리하다.

4. 결론

765kV 2회선 비연가 불평형 선로에서 선로직부 분로리액터에 의한 공진현상은 피할수 없으며 이에 대한 대책으로는 전력계통의 중추역할을 담당하는 765kV 선로의 신뢰도와 안정성을 고려, 장기 송변전 설비계획 수립시 미래의 선로 분기 가능지점에 개폐소를 설치하는 등 선로의 실제 긍장이 160km를 넘지 않도록 하는 것이 장기적으로 또한 종합경제성 측면에서도 최선의 대책으로 사료된다.