KR0179877B1 - 회로 차단기의 과전류 차단 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 수용가의 배전반에서 안정적 전력공급을 위해 사용하는 지락 과전압 계전기에 있어서, 영상 변압기를 통해 입력되는 기본 주파수 성분의 신호에 고주파성분이 포함됨으로 인해 이 기본 주파수 성분이 왜곡되고 이로인하여 발생하는 오동작으로 방지하기 위한 방법을 제공하는 것으로, 입력 영상전압을 복소수로 표현하고 이를 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)를 이용하여 전압의 크기를 구하고 이를 처리하여 직교함수의 특성으로 인한 고조파 성분의 왜곡으로 인한 지락 과전압 계전기의 오동작을 방지할 수 있게한 것이다.

Description

지락 과전압 계전기의 고장판단 방법

제1도는 일반적인 지락 과전압 계전기의 구성도.

제2도는 정지형 지락 과전압 계전기의 내부 구성도.

제3도는 제2도에서 이상 발생시 각 부의 출력파형도.

제4도는 디지탈형 지락 과전압 계전기의 구성도.

제5도는 입력 영상전압의 파형도.

제6도는 본 발명 지락 과전압 계전기의 고장판단 방법의 동작흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 입력신호변환부 2 : 필터부

3 : 증폭부 4 : A/D 변환기

5 : 처리부 6 : 구동부

7 : 표시부 8 : 정정부

본 발명은 전력 수용가의 배전반에서 안정적 전력공급을 위해 사용하는 지락 과전압 계전기에 관한 것으로, 특히 배전계통에 지락고장이 발생하였을때 발생하는 지락 영상전압을 검출하여 내부 아날로그/디지탈 변환기를 통해 수집된 디지탈 값으로 부터 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)를 이용하여 입력 영상전압의 크기를 구한값으로부터 고장을 판단하는 지락 과전압 계전기의 고장판단 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수용가에서 운용되는 여러 전기기기를 보호하고 차단기 또는 개폐기등의 제어기기등을 제어하기 위해서는 배전반에서 발생하는 각종 고장을 감지하여 보호기능을 수행하는 계전장치가 필요하다. 계전장치는 전압, 전류, 영상전류, 영상전압, 주파수등의 각종 전기량을 감지하여 이 감지한 전기량과 정상운전시의 기준값을 비교하여 크기나 전기량 상호간의 위상이 미리 정해놓은 기준치를 벗어날 경우에 해당 보호대상을 전력원으로 부터 분리시키기 위한 각종 차단기류나 개폐기류로 동작지령을 내리는 제어기능을 수행하는 장치이며, 대규모 전력을 사용하는 공장 빌딩, 공공건물들에는 이러한 장치가 답재되어 있는 배전반이 안정된 전력공급을 위해 설치되어 있는것이 보통이다.

한편, 배전계통의 경우 고장이 발생되지 않아 정상적으로 운전되고 있을때에는 배전선의 교류 3상전압을 각각 Vr, Vs, Vt라고 할때 이들 3상전압의 벡터합은 '0'이 되어 평형상태가 된다.

그러나, 지락 고장이 발생하게 되면 이들 3상전압이 유지하던 평형상태가 깨어져 상기 벡터합은 '0'이 되지 않고 고장에 따른 영상전압이 발생하게 된다.

배전계통을 지락사고로 부터 보호하기 위해 영상전압이 기준전압 이상 발생되면 고장이라 판단하여 경보를 출력하거나 배전반 내부의 차단기를 동작시키게 하면 이들 배전계통의 지락사고로 부터 계통을 보호할 수 있게 되며, 이러한 기능을 수행하는 계전기를 지락 과전압 계전기라 한다.

제1도는 일반적인 지락 과전압 계전기의 구성도로서, 이에 도시한 바와같이, 영상변압기(GPT)는 교류차단기(52)를 통하여 부하와 연결되는 3상 배전선(R,S,T)과 병렬로 연결되어 배전반 3상(R,S,T)의 전압으로 부터 영상전압을 검출한다. 즉, 영상변압기(GPT)의 1차측은 배전선 각상(R,S,T)의 전압을 성형결선한 후 중성점을 접지하고, 2차측은 개방 환형으로 결선하여 이 환형결선의 양단에 나타나는 전압을 입력신호로 하면 이 전압은 3상전압의 벡터합인 3배의 영상전압(3V₀)이 나타나게 된다.

따라서, 이 3배의 영상전압(3V₀)을 검출하여 해당 배전계통의 지락고장을 판단하게 된다.

이러한 일반적인 지락 과전압 계전기는, 내부에 아날로그 소자를 이용하여 고장을 검출하는 정지형(Solid-State Type)과 내부에 디지탈 처리부를 가지고 입력신호를 디지탈 값으로 변환한 뒤 처리부에서 입력신호에 대한 실효값을 계산하여 그 크기로 고장을 검출하는 디지탈형으로 나눈다.

제2도는 전형적인 정지형 지락 과전압 계전기의 내부 구성도로서, 이를 제3도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

영상변압기(GPT)의 2차측 양단에 전류제한저항(R1)을 연결하면 양단전압의 크기에 비례하는 전류(I)가 흐르며, 이 전류(I)는 브르지다이오드(BD)에서 정류되고 증폭기(AMP)에서 적절한 레벨로 증폭된 후 저항(R2)과 콘덴서(C)를 거쳐서 전압비교기에서 전원전압(Vcc)을 분합한 기준전압(er)과 비교되며 지연기(DELAY)에서 소정시간(t) 지연되어 배전반 차단기류의 트립코일을 여자하기 위한 여자회로로 출력된다.

정상적인 경우에는, 전류(I)는 '0'에 근사하므로 나타나지 않다가 지락 고장이 발생되면 이 전류(I)는 제3a도와 같고 브리지다이오드(BD)를 거친 증폭기(AMP)의 출력전압(e1)은 제3b도와 같다. 또한, 저항(R2)과 콘덴서(C)로 결정되는 시정수만큼 지연되어 제3c도와 같은 전압(e2)이 비교기(COMP)에 입력되어 기준전압(er)과 비교된다.

이때, 전압(e2)이 기준전압(er)보다 크면 논리값 1에 해당하는 전압이 지연기(DELAY)로 출력되며 이 전압은 상기 지연기(DELAY)에서 소정시간(t) 지연되어 차단기류의 여자코일에 여자신호로 출력하게 되며 이 때의 파형은 제3d도와 같다.

그러나 이와같이 동작하는 정지형 지락 과전압 계전기는 제3c도와 같이 전원전압(Vcc)의 흔들림으로 기준전압(er)이 미세하게 나마 변동되거나 증폭기(AMP)의 출력전압(e2)이 이전 단의 아날로그 소자가 가지는 오차에 의해 정밀도를 유지하지 못했을 때 지연기(DELAY)의 출력전압(e0)이 제3d도와 같이 고장발생시점부터 정확한 시간후에 출력되지 못함으로 인해 정확한 동작시간을 기대하기 힘든 문제점이 있다.

또한 실제 이 정지형 계전기가 배전반에서 단독으로 쓰이는 경우는 드물고 과전류계전기나 선택지락 계전기등과 같은 다른 계전기와 함께 설치되어 배전계통을 보호하게 되는데 이때는 계전기 상호간에 서로 다른 동작시간으로 인해 고장 발생시 차단기 동작으로 인한 정전구역을 최소화하는 등 최대한의 동작협조를 하여야 하며, 이를 위해서는 다양한 동작시간 정정이 가능하여야만 한다.

그러나 동작시간을 정정하거나 기준전압을 바꾸기 위해서는 내부 하드웨어 자체를 바꾸어야 하므로 다양한 보호기능의 구현이나 다양한 배전반 상황에 대응하기가 용이하지 않아 기기의 표준화는 기대할 수 없는 문제점이 있다.

이와같은 정지형 지락 과전압 계전기의 문제점을 해결하기 위해서 사용되는 디지탈형 지락 과전압 계전기는 제4도에 도시한 바와같이, 영상변압기(GPT)를 이용하여 영상전압을 입력받아 이를 다시 내부 변압기(PT)에서 변압하고 저항(R1)(R2)으로 분압하는 입력신호 변환부(1)와, 상기 입력신호 변환부(1)에서 변환된 전압에서 고차의 고조파 성분을 제거하기 위해 필터링하는 필터부(2)와, 디지탈 변환 분해능을 향상시키기 위하여 필터링된 아날로그 소신호를 증폭하는 증폭부(3)와, 증폭된 아날로그 값을 디지탈 값으로 변환하는 아날로그/디지탈(A/D) 변환부(4)와, 변환된 디지탈 값의 실효치로부터 고장을 판단하여 외부차단기를 동작시키기 위한 동작지령을 출력하는 처리부(5)와, 이 동작지령에 의해 차단기류를 구동하는 구동부(6)와, 상기 처리부(5)와 병렬 연결되어 각종 동작 정정치를 산정하는 정정부(7) 및 정정치나 측정전기량을 표시하는 표시부(8)로 구성된 것으로, 이와같이 구성된 디지탈형 지락 과전압 계전기의 동작은 다음과 같다.

영상변압기(GPT)로 부터 입력된 영상전압은 내부 변압기(PT)에서 다시 변환되고 필요한 값으로 두개의 저항(R1)(R2)에서 분압되어 필터부(2)에서 필터링 된 후 증폭부(3)에서 증폭되어 A/D변환부(4)에서 디지탈 값으로 변환되어 처리부(5)로 입력된다.

이 처리부(5)에서는 다음과 같은 식으로 그 크기, 즉 실효값을 연산하게 된다.

여기서, N은 주기당 샘플수이고,

S_k는 1주기를 N번 샘플링한 이산신호이며,

Δt는 1주기를 N으로 나눈값이다.

즉, 각 주기마다 N번 샘플링한 이산신호를 각각 제곱한 후 이를 1주기 전체에 대하여 합을 구한후 평균하여 제곱근을 구함으로써 실효값을 연산한다.

이와같이 계산한 후 기 설정된 동작 기준값보다 크면 고장으로 판단하여 동작지령을 발생시키게 되고, 구동부(6)에서는 동작지령에 따라 차단기류를 구동하게 된다.

그러나 실제 배전계통에는 전동기나 각종 유도성 부하가 연결되어 운용되므로 영상변합기를 통해 입력된 영상전압에는 기본 주파수 성분의 신호뿐만 아니라 여러 차수의 고조파도 다수 포함되어 실제 입력신호는 상당히 왜곡된 파형형태를 보인다.

제5도는 입력 영상전압의 파형도로서,는 기본주파수 성분의 전압을 1과 -1로 정규화하였을때의 파형이고,는에 고조파성분이 함유되어 왜곡된 파형을 도시하며,와 같이 입력신호가 왜곡되고 이 왜곡된 입력신호에 대해 상기한 식으로 그 실효치를 계산하면 실제 고장이 아닌 단순한 고조파가 함유된 신호에 대해서도 고장으로 판단하여 동작지령을 발생하므로써 오동작하거나, 실제로 지락 고장이 발생하였을 때에는 고장신호에 고조파가 포함되어 상기와는 반대로 고장으로 판단하지 않게되어 부동작을 하게되는 문제점이 발생하게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)가 갖는 직교함수의 특성을 이용한 복소 영상전압으로 부터 입력 영상전압의 크기를 구하고 이와함께 동작정정시간을 설정하여 고장을 판단하는 지락 과전압 계전기의 고장판단 방법을 제공함에 있다.

이와같은 목적을 갖는 본 발명 지락 과전압 계전기의 고장 판단방법은, 입력 아날로그 영상전압을 디지탈 영상전압으로 변환한 값에 대하여 임의의 샘플링 시점에서 디지탈 값을 수집하는 단계(S1)와, 상기 단계에서(S1)에서 수집한 영상전압의 디지탈 값으로 부터 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)로 실수성분과 허수성부을 구하고, 이 실수, 허수성부으로 부터 그 크기를 계산하는 단계(S2)와, 상기 단계(S2)에서 구한 크기와 설정된 영상전압 정정치를 비교하여 고장으로 판단되면 소정시간을 지연시키는 단계(S3)와, 상기 단계(S3)에서 지연되는 시간이 기 설정된 동작시간 정정치보다 크면 고장으로 판단하여 계전기 동작명령을 하달하는 단계(S4)로 이루어진다.

이와같이 이루어지는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치는 상기한 제4도와 같으며, 이의 작용 및 효과를 제4도 내지 제6도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제4도에 도시한 바와같이, 영상변압기(GPT)로 부터 입력된 영상전압은 내부 변압기(PT)에서 다시 변환되고 필요한 값으로 두개의 저항(R1)(R2)에서 분압되어 필터부(2)에서 필터링 된 후 증폭부(3)에서 증폭되어 A/D변환부(4)에서 디지탈 값으로 변환하는 과정은 상기한 디지탈 지락과전압 계전기의 동작과 동일하다.

한편, 상기 A/D변환부(4)의 주기당 샘플수를 N이라고 할때 임의의 k번째 시점의 샘플링 점에서 수집된 입력 영상전압의 복소표현을 나타내면 다음과 같다.

이와같이 표현되는 복소 영상전압의 각각의 실수성분과 허수성분을 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)를 이용하여 구하면 다음과 같이 되고,

(k = 0, 1, 2, ···, N-1)

여기서, Vok는 k번째 샘플점에서의 디지탈 값이고, Vok-n는 k번째 샘플점보다 한 주기 이전 샘플점에서의 디지탈 값이고, Vork-1, Voik-1은 k번째 샘플점보다 한 샘플점 이전 샘플 페이저의 실수 및 허수성분이며, Vork, Voik는 k번째 샘플점에서의 샘플 페이저의 실수성분 및 허수성분이다.

또한 상기와은 주기당 샘플수N을 통해 정해지며, 처리부(5)의 기 설정된 테이블에 저장되어 있으므로 매 샘플점에서 샘플 페이저의 실수성분 및 허수성분은 식(3)(4)로 부터 2×1회의 곱셈과 2×2회의 덧셈으로 구할 수 있게된다.

따라서, 상기 Vork와 Voik로 부터 k번째 샘플점에서의 입력 영상전압의 크기를 다음과 같이 구한다.

이와같이 구한 영상전압의 크기를 정정부를 통해 기 설정된 영상전압 정정치와 비교한 후 비교결과 영상전압정정치보다 크면 고장으로 판단하고 시간지연에 대한 값을 소프트웨어적으로 설정한 지연카운트값(TRIPcnt)을 1 증가시키게 된다.

이후, 상기 지연카운트값(TRIPcnt)값이 기 설정된 동작정정치보다 크게되면 제4도의 구동부(6)에 동작지령을 하달하게 되며 이와같은 동작흐름을 제6도에 도시하였다.

따라서, 상기 cos 및 sin 삼각함수의 계산을 기 설정된 테이블에서 2×1회의 곱셈과 2×2회의 덧셈으로 구할 수 있게되어 고속이 아닌 범용의 처리수단으로도 처리가 가능해지며, 또한 제5도의와 같이 실제계통 주파수의 2배의 주파수를 갖는 제2고조파와, 3배의 주파수를 갖는 제3고조파가 포함됨에 따라 왜곡된 입력 영상전압에 대해서 본 발명의 cos 함수로 표현되는 복소 입력 영상전압의 실수성분과 sin 함수로 표현되는 복소 입력 영상전압의 허수성분이 서로 직교하는 특성을 나타내기 때문에 실제 연산에 이용되는 신호는 고조파 성분이 제거된 계통 기본 주파수 성분, 즉 제5도의로 나타나는 신호가 되어 파형왜곡으로 인하여 발생할 수 있는 오동작을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 입력 아날로그 영상전압을 디지탈 영상전압으로 변환한 값에 대하여 임의의 샘플링 시점에서 디지탈 값을 수집하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 수집한 입력 영상전압의 디지탈 값으로 부터 재귀적 DFT(Recursive Fourier Discrete Transform)로 실수성분과 허수성분을 구하고 이 실수, 허수성분으로 부터 그 크기를 계산하는 제2단계와, 제2단계에서 구한 크기와 설정된 영상전압 정정치를 비교하여 고장으로 판단되면 소정시간을 지연시키는 제3단계와, 상기 제3단계에서 지연되는 시간이 기 설정된 동작시가 정정치보다 크면 고장으로 판단하여 계전기 동작명령을 하달하는 제4단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지락 과전압 계전기의 고장판단 방법.