적응형 100% 고정자 접지 고장 보호 기술

초록

본 논문은 사선형 동기발전기 고정자 권선 대지 고장을 검출하기 위한 적응형 보호 방식을 제안한다. 3차 고조파 차동 전압과 서브하모닉 전류를 이용한 두 가지 전통적 방법에 적응형 알고리즘을 결합하고, 실험실 규모의 실제 발전기 모델과 FEM‑기반 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다. 결과는 제안된 적응형 스킴이 기존 비적응형 릴레이보다 민감도와 보안성(신뢰성)에서 우수함을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 사선형 동기발전기의 고정자 권선 대지 고장(Stat​or‑to‑Ground Fault, SGF) 검출에 초점을 맞추고 있다. 전통적으로 SGF는 3차 고조파 차동 전압(Third‑Harmonic Differential Voltage, THDV) 방식과 서브하모닉 전류(Sub‑Harmonic, SH) 방식으로 보호된다. THDV 방식은 정상 운전 시 3차 고조파 전압이 각 상에 균등하게 분포한다는 가정에 기반해, 고장이 발생하면 차동 전압이 급격히 증가하는 원리를 이용한다. 그러나 부하 변화, 전압 변동, 비대칭 고장 등 외란에 민감해 오동작(false‑trip)이나 미검출(miss‑trip) 위험이 있다. SH 방식은 고정자 절연 저항이 감소하면 저주파(보통 20 ~ 60 Hz 이하) 전류가 증가한다는 현상을 활용한다. 이 역시 절연 저항 변화 외에도 온도, 습도, 기계적 스트레스 등에 의해 신호가 왜곡될 수 있다.

논문은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘적응형’ 제어 로직을 도입한다. 핵심 아이디어는 실시간으로 시스템 파라미터(예: 전압 평형도, 부하 전류, 고조파 비율)를 추정하고, 이를 기반으로 보호 임계값을 동적으로 조정하는 것이다. 구체적으로는 Kalman Filter 기반 상태 추정기를 사용해 3차 고조파 성분과 서브하모닉 전류의 평균·분산을 지속적으로 업데이트한다. 그 후, 통계적 신뢰구간(예: 99% 신뢰구간) 내에서 벗어나는 경우에만 고장으로 판단한다. 이 접근법은 다음과 같은 장점을 제공한다.

1. 민감도 향상: 작은 접지 저항(수십 옴 이하)에서도 고조파·서브하모닉 신호가 통계적으로 유의미하게 변함을 포착한다.
2. 보안성 강화: 부하 급변, 전압 강하 등 정상 운전 변동이 발생해도 동적으로 임계값을 재조정하므로 오동작을 크게 억제한다.
3. 다중 모드 통합: THDV와 SH 두 방식을 동시에 적용해 상보적 검출을 구현한다. 하나의 방식이 불확실할 경우 다른 방식이 보완한다.

시뮬레이션은 유한요소해석(FEA)과 연계된 자기 회로 모델을 사용해 전자기적 파라미터(자속, 인덕턴스, 저항)를 정확히 재현하였다. 특히, 고정자 코어의 비선형 BH 곡선과 온도에 따른 절연 저항 변화를 모델에 포함시켜 실제 현장 상황을 고도화했다. 실험은 5 kVA 급전기(실제 발전기 1 MW급을 1/200 비율로 축소)와 전압·전류 센서, 디지털 신호 처리 보드(DSP)로 구성된 시험 설비에서 수행되었다. 고장 저항을 10 Ω, 30 Ω, 100 Ω 등으로 변화시키며 다양한 부하(0.2 p.u. ~ 1.0 p.u.)와 전압 강하(±10 %) 조건을 적용하였다.

실험 결과, 적응형 스킴은 10 Ω 이하의 저저항 고장에서도 평균 20 ms 이내에 정확히 검출했으며, 비정상 부하 변동 상황에서도 오동작률이 0.2% 이하로 유지되었다. 반면 기존 비적응형 릴레이는 30 Ω 이상 고장에서 검출 지연이 150 ms를 초과하거나, 부하 급변 시 오동작이 3% 수준으로 나타났다. 또한, 두 방식의 결합은 단일 방식 대비 검출 신뢰도를 1.8배 향상시켰다.

결론적으로, 논문은 적응형 파라미터 추정과 통계적 임계값 설정을 통해 고정자 접지 고장 보호의 핵심 성능 지표인 ‘민감도’와 ‘보안성(신뢰성)’을 동시에 개선했으며, 실험·시뮬레이션을 통한 검증으로 실제 발전소 적용 가능성을 입증하였다. 향후 연구에서는 대형 1 GW급 발전기에 대한 파일럿 테스트와, 디지털 트윈 기반 실시간 모니터링 시스템과의 연계 방안을 제시하고 있다.