저압 직류 차단기에 대한 Black-box 아크 모델 적용성 평가 및 아크 특성 매개 변수 비교 분석

Abstract

최근에는 신재생 에너지, ESS 및 분산전원 등 다양한 직류 부하의 급증으로 인한 직류 배전이 주목 받고 있다. 직류 배전은 교류와 비교하였을 때, 서로 다른 주파수의 계통 연계가 가능하며 표피효과와 리액턴스 성분에 의한 손실 이 없어 송전 효율이 높다는 등 많은 장점을 가지고 있다. 직류 배전에 대한 관심이 높아지면서 시스템 보호 대책 중 하나인 직류 차단기 연구가 활발히 진행되고 있다. 직류 차단기의 경우 교류차단기와 달리 영점이 존재하지 않아 아크를 소호하는데 어려움이 있다. 따라서 직류차단기의 안정성 및 성능을 확 보하기 위해서는 차단 시 발생하는 아크의 거동성에 대한 분석이 선행되어야 한다. 차단기 개방 시 발생하는 아크 현상을 분석하기 위해 물리적 아크 모델 이 일반적으로 사용되고 있으나, 아크 차단 과정에서 발생하는 열역학 및 수 학 방정식과 같은 많은 물리적 조건들을 이해해야하기 때문에 물리적 아크 모 델을 통한 아크 분석 및 응용은 복잡하다. 블랙박스 아크 모델의 경우 아크의 비선형적인 도전율을 기반으로 아크와 회로 간 발생하는 전압/전류 응답을 표 현하여 다른 아크 모델들 보다 아크의 거등성을 분석하는데 용이하다. 본 연 구에서는 영점이 존재하지 않는 직류 차단기를 개발하기 위해서는 차단 시 발 생하는 비선형적인 아크 특성에 대한 과도 분석이 필요하다. 이전 연구에서는 AC 아크 특성을 분석하기 위해 블랙박스 아크 모델을 사용했지만 DC 아크를 분석하기 위해 적용된 사례가 거의 없는 실정이다. 본 논문에서는 실제 직류 차단기 실험 데이터를 기반으로 KEMA와 Habedank 블랙박스 아크 모델을 이용하여 직류 차단기의 적용성 평가를 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 블랙 박스 아크 모델의 매개변수는 차단 시간, 아크 전압, 아크 시정수와 같은 주요 요소에 대해 Parameter Sweep을 진행 후 Curve fitting을 통해 설정하였다. 결과적으로 DC 아크 거동성을 예측하여 직류 차단기에 대한 블랙 박스 아크 모델의 적용성을 검증하였으며, 두 개의 블랙 박스 아크 모델의 파형을 비교 및 분석하여 직류 차단기에 적합한 블랙 박스 아크 모델을 제안하였다.