KR100456298B1 - 3상 3선 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 3선 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 변압기에 비해 중량과 크기가 작고 성능이 우수한 3상 3선 변압기에 관한 것이다. 이를 위해, 3상 입력배선(T, S, R) 및 3상 출력배선(T', S', R')이 주권선에 각각 연결되고, 한 쌍의 여자권선을 각각 갖는 제 1 승압기(50), 제 2 승압기(52), 제 3 승압기(54); 를 포함하고, 제 1 승압기(50)의 제 1 여자권선(60)이 제 2 승압기(52)의 제 2 여자권선(62)측과 전기적으로 연결되고, 제 2 승압기(52)의 제 1 여자권선(64)이 제 3 승압기(54)의 제 2 여자권선(66)측과 전기적으로 연결되고, 제 3 승압기(54)의 제 1 여자권선(68)이 제 1 승압기(50)의 제 2 여자권선(69)측과 전기적으로 연결되는 것이 제공된다.

Description

3상 3선 변압기{3 phases 3 lines transformer}

본 발명은 3상 3선 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 변압기에 비해 중량과 크기가 작고 성능이 우수한 3상 3선 변압기에 관한 것이다.

도 1은 종래의 3상 3선 델타 결선용 변압기의 회로구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 3상 3선 변압기는 제 1 승압기(20), 제 2 승압기(22) 및 제 3 승압기(24) 및 콘덴서(10)로 구성되어 있다.

그리고, 각 승압기(20, 22, 24)에는 철심코아, 주권선 및 1개의 여자권선이 구비되어 있다.

제 1 승압기(20)의 여자권선은 제 1 여자배선(30)을 통해 제 2 승압기(22)의 여자권선측에 전기적으로 연결되고, 제 2 승압기(22)의 여자권선은 제 2 여자배선(32)을 통해 제 3 승압기(24)의 여자권선측에 전기적으로 연결되고, 제 3 승압기(24)의 여자권선은 제 3 여자배선(34)을 통해 제 1 승압기(20)의 여자권선측에 전기적으로 연결되어 있다.

또한, 콘덴서(10)는 제 1, 2, 3 콘덴서로 구성되고, 제 1 콘덴서는출력배선(T', S') 사이에 연결되고, 제 2 콘덴서는 출력배선(S', R') 사이에 연결되며, 제 3 콘덴서는 출력배선(T', R') 사이에 연결되어 있다.

이와 같은 종래의 변압기를 통해 승압되는 출력전압(E₂)는 다음과 같은 식으로 정해진다.

여기서, e₁은 승압기의 1차 정격전압, e₂는 승압기의 2차 정격전압, E₁은 입력전압, E₂는 출력전압이다.

그러나, 이와 같은 종래의 3상 3선 변압기는 가격이 고가이고, 중량이 많이 나갈 뿐만 아니라 부피가 비대하는 단점이 있었다. 이와 같은 문제점은 델타결선 뿐만 아니라 Y결선으로 구성된 3상 변압기에도 마찬가지이다.

또한, 도 7은 종래의 Y-결선 변압기에서 지락이 발생하였을 때 전압 변화를 나타내는 벡터도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 지락(땅에 닿음)이 발생하지 않았을 때에는 각 상(u, v, w)에 220V가 인가(o-v, o-u, o-w)되나 v 상에서 지락이 발생하였을 때(접지로 표시) u상과 w 상의 전압벡터가 합성되면서 v-M간에 330V ×2 = 660V 만큼의 전압이 발생하게 된다. 3PH 20KVA(380/380V)의 규격을 가진 변압기에서 한상에 지락이 발생하였을 경우 각 상의 변화를 실험하여 [표 1]에 나타내었다.

단자	전압(V)	지락전류(A)	부하종류
u-v	9.5
v-w	9.1
w-u	15
u-e	9.5	0.0
v-e	0	29.0
w-e	9.1	2.0
접지		22.0

즉 [표 1]에서 지락이 발생하였을 때 접지에서 매우 높은 전류(22.0A)가 발생함을 알 수 있고, 이는 매우 위협적인 요소이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 동일한 용량의 변압을 수행하면서도 가격이 저렴하고 변압기의 부피가 작고, 중량이 가벼운 3상 3선 변압기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

3상 입력배선(T, S, R) 및 3상 출력배선(T', S', R')이 주권선에 각각 연결되고, 한 쌍의 여자권선을 각각 갖는 제 1 승압기(50), 제 2 승압기(52), 제 3 승압기(54); 를 포함하고,

제 1 승압기(50)의 제 1 여자권선(60)이 제 2 승압기(52)의 제 2 여자권선(62)측과 전기적으로 연결되고,

제 2 승압기(52)의 제 1 여자권선(64)이 제 3 승압기(54)의 제 2 여자권선(66)측과 전기적으로 연결되고,

제 3 승압기(54)의 제 1 여자권선(68)이 제 1 승압기(50)의 제 2 여자권선(69)측과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기에 의해달성될 수 있다.

아울러, 상기 제 1 승압기(50), 제 2 승압기(52), 제 3 승압기(54)는 동일한 용량을 갖는 것이 가장 바람직하다.

그리고, 3상 입력배선(T, S, R)에는 3상 출력배선(T', S', R')이 각각 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 각 여자권선(60, 62, 64, 66, 68, 69)의 권선횟수(x)와 각 주권선(210, 220, 230)의 권선횟수(y)의 비율은 2 : 8 내지 4 : 6인 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 3 : 7 이다.

그리고, 각 여자권선(60, 64, 68, 62, 66, 69)의 단면 굵기는 정격용량의 1 - 3배인 것이 바람직하다.

아울러, 전압을 상쇄시키기 위하여 상기 각 여자권선 종단(99)의 한지점을 접지하고, 상기 접지선을 철심에 정권과 역권선(300)의 횟수를 동일하게 한 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 배선(R, S, T)에 전압을 상쇄시키기 위한 역권선(300)을 더 설치하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래의 3상 3선 델타결선용 변압기의 회로구성도,

도 2는 본 발명에 따른 3상 3선 변압기의 회로구성도,

도 3은 도 2에 도시된 회로구성도의 등가회로도,

도 4는 도 2의 결선 벡터 회로도,

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 결선 벡터 회로도,

도 6은 본 발명의 변형례에 따라 역권선(300)이 설치된 변압기의 회로도,

도 7은 종래의 Y-결선 변압기에서 지락이 발생하였을 때 전압 변화를 나타내는 벡터도,

도 8은 본 발명에 따른 3상 3선 변압기에서 지락이 발생하였을 때 전압상태를 나타내는 벡터도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

40 : 콘덴서, 50 : 제 1 승압기,

52 : 제 2 승압기, 54 : 제 3 승압기,

60, 64, 68 : 제 1 여자권선, 62, 66, 69 : 제 2 여자권선,

210, 220, 230 : 주권선, e₁: 승압기의 1차 정격전압,

e₂: 승압기(주권선)의 2차 정격전압, E₁: 입력전압,

E₂: 출력전압, N : 중성선,

99 : 대체선, 300 : 역권선.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3상 3선 변압기의 구성에 대하여첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

우선, 도 2는 본 발명에 따른 3상 3선 변압기의 회로구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3상 3선 변압기는 크게 제 1 승압기(50), 제 2 승압기(52) 및 제 3 승압기(54) 및 콘덴서(40)로 구성되어 있다.

그리고, 각 승압기(50, 52, 54)에는 철심코아, 주권선 및 2개의 여자권선이 각각 구비되어 있고, 3상 입력배선(T, S, R) 및 3상 출력배선(T', S', R')이 주권선에 각각 연결되어 있다.

제 1 승압기(50)에는 제 1, 2 여자권선(60, 69)이 구비되어 있고, 제 2 승압기(52)에는 제 1, 2 여자권선(64, 62)이 구비되어 있고, 제 3 승압기(54)에는 제 1, 2 여자권선(68, 66)이 구비되어 있다.

그리고, 제 1 승압기(50)의 제 1 여자권선(60)이 제 2 승압기(52)의 제 2 여자권선(62)측과 전기적으로 연결되고, 제 2 승압기(52)의 제 1 여자권선(64)이 제 3 승압기(54)의 제 2 여자권선(66)측과 전기적으로 연결되고, 제 3 승압기(54)의 제 1 여자권선(68)이 제 1 승압기(50)의 제 2 여자권선(69)측과 전기적으로 연결되도록 구성된다.

또한, 콘덴서(40)는 제 1, 2, 3 콘덴서로 구성되고, 제 1 콘덴서는 출력배선(T', S') 사이에 연결되고, 제 2 콘덴서는 출력배선(S', R') 사이에 연결되며, 제 3 콘덴서는 출력배선(T', R') 사이에 연결되어 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 변압기를 통해 승압되는 출력전압(E₂)는 다음과같은 식으로 정해진다.

여기서, e₁은 승압기의 1차 정격전압, e₂는 승압기의 2차 정격전압, E₁은 입력전압, E₂는 출력전압이다.

도 3은 도 2에 도시된 회로구성도의 등가회로도이고, 도 4는 도 2의 결선 벡터 회로도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 변압기에서 존재하던 중성선(N)에 3상이 델타(△) 형태로 고정되어 전류 및 전압불균형 부하시 중성점이 이동하지 않고, 동시에 대체선(99)을 구축하여 중성점이 보다 안정된 전기 공급이 가능해지는 것이다. 즉 등가회로에서 알 수 있는 바와 같이 Y결선을 적당한 지점에서 여자권선 2개로 분할하여 제작한 것임을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 Y-결선 벡터 회로도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예는 각 여자권선(60, 62, 64, 66, 68, 69)의 권선횟수(x)를 줄이고, 이에 상응하도록 주권선(210, 220, 230)의 권선횟수(y)를 증가시킨 것이다. 즉, 다시 말해, 도 4의 실시예에서는 x : y = 10 : 0 이고, 도 5의 실시예에서는 x : y = 2 : 8, 3 : 7, 4 : 6, 5 : 5 또는 6 : 4 인 것이다. 그리고, 본 실시예에서는 x : y = 5 : 5 인 경우를 도시하였다. 이와 같이 x : y의 비율이 2 : 8 내지 6 : 4 범위일 때 변압손실이 저감되며, Y 결선의 단점인 1상 지락, 1상 결상사고시 벡터전압(도 7 참조)의 위상이 변화되는 것을 방지하고, 고조파도 제거되고, 중성점의 전위도 더 안정적이 된다.

도 6은 본 발명의 변형례에 따라 역권선(300)이 설치된 변압기의 회로도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 고조파 및 상 불균형으로 인해 중성선에 흐르는 전류를 제거하기 위해 도 6과 같이 중성선(N)의 한상을 수회 권선하고 다시 역방향으로 동일횟수만큼 권선하여 권수비에 따라 발생하는 전압을 서로 상쇄시켜 고조파 전류의 유입을 억제하였으며, 각 상(R, S, T)에도 역방향 상쇄권선을 감아 고조파의 유입을 근본적으로 차단함으로서 부하에서 발생하는 고조파 및 선로에서 유입되는 고조파를 근본적으로 차단할 수 있다. 또한, 단상 3상 및 모두 필요에 따라 상쇄시킬 수 있으며 그 형태는 다양하게 변형 가능하다.

또한, 각 여자권선(60, 62, 64, 66, 68, 69)의 단면적은 도 7과 같이 1상 지락시 상전압의 3배로 상승하며 지락전류도 3배로 상승하는 것을 방지하기 위하여 1/3 용량의 단면적이 되도록 한다. 이는 종래 Y-Y 결선에서 30%의 추가 용량을 갖는 델타 권선이 별도로 설치된 제품이 통용되고 있었다. 그런데 본 실시예에서는 각 여자권선(60, 62, 64, 66, 68, 69)의 단면적을 증가시켜 용량을 증대함으로서 종래의 추가 용량에 관한 비경제성을 극복하였다.

본 발명의 실제적인 실험에서 각 승압기(50, 52, 54)는 20KVA 짜리 용량을 사용하였으며, E₁은 380V일 때, 여자권선의 중간점과 중간점 사이에 걸리는 전압(V₁, V₂)은 약 0.2V 였다. 이와 같은 실험을 통해 종래의 변압기에 보다 높은약 3% ~ 6% 정도의 절전효과가 있음을 알 수 있었다.

또한, 도 8은 본 발명에 따른 3상 3선 변압기에서 지락이 발생하였을 때 전압상태를 나타내는 벡터도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 지락이 발생하지 않았을 때에는 각 상(u, v, w)에 약 380V가 인가되나 v 상에서 지락이 발생하였을 때(접지로 표시) 전혀 지락전류가 발생하지 않음을 실험으로 알 수 있었다. 실험은 3PH 20KVA(380/380V)이고, 입력전압은 U : 380V, V : 383V, W : 373V 이다.

단자	전압(V)	지락전류(A)	부하종류
u-v	380
v-w	383
w-u	373
u-0	213	0
v-0	218	0
w-0	215	0
접지		0

즉 [표 2]에서 지락이 발생하였을 때 접지에서 전혀 지락전류(0 A)가 발생하지 않았음을 알 수 있다.

비록, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 도시된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 국한되는 것이 아니라 당업자 수준에서 도 2 및 도 3을 바탕으로 다양한 변형이 가능하며, 이러한 변형 역시 본 발명의 요지범위내에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 변압기는 380볼트에 한정되는 것이 아니라 수천볼트 내지 수만볼트라도 동일한 연결관계를 이용하여 변압을 수행할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 3상 3선 변압기에 따르면, 동일한 용량의 변압을 수행하면서도 가격이 저렴하고 변압기의 부피가 작으며, 또한 중량이 가벼워지는 특징이 있다.

예를 들어, 상기 고전압 델타 결선의 전전압 절연구조에서 단절연구조로 축소되었으며 전압이 높을 수록 그 효과는 크며, 본 발명에 따른 3상 3선 변압기의 경우 한전등에서 사용중인 지상설치형 변압기의 오각철심구조를 삼각철심구조로 사용함으로서 설치면적을 줄이는 획기적인 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (6)

1. 3상 입력배선(T, S, R) 및 3상 출력배선(T', S', R')이 주권선에 각각 연결되고, 한 쌍의 여자권선을 각각 갖는 제 1 승압기(50), 제 2 승압기(52), 제 3 승압기(54); 를 포함하고,

   제 1 승압기(50)의 제 1 여자권선(60)이 제 2 승압기(52)의 제 2 여자권선(62)측과 전기적으로 연결되고,

   제 2 승압기(52)의 제 1 여자권선(64)이 제 3 승압기(54)의 제 2 여자권선(66)측과 전기적으로 연결되고,

   제 3 승압기(54)의 제 1 여자권선(68)이 제 1 승압기(50)의 제 2 여자권선(69)측과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 입력배선(T, S, R)에는 3상 출력배선(T', S', R')이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각 여자권선(60, 62, 64, 66, 68, 69)의 권선횟수(x)와 각 주권선(210, 220, 230)의 권선횟수(y)의 비율은 2 : 8 내지 4 : 6 인 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 각 여자권선(60, 64, 68, 62, 66, 69)의 단면 굵기는 정격용량의 1 - 3배인 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압을 상쇄시키기 위하여 상기 각 여자권선 종단(99)의 한지점을 접지하고, 상기 접지선을 철심에 정권과 역권선(300)의 횟수를 동일하게 한 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 배선(R, S, T)에 전압을 상쇄시키기 위한 역권선(300)을 더 설치하는 것을 특징으로 하는 3상 3선 변압기.