KR100543738B1

KR100543738B1 - 변류기 개방 판단 방법

Info

Publication number: KR100543738B1
Application number: KR1020030035203A
Authority: KR
Inventors: 강용철; 강상희; 임의재
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2006-01-20
Also published as: KR20040103249A

Abstract

본 발명은 변류기(current transformer)의 2차측이 개방(open)되는 고장이 발생한 경우, 2차측으로부터 샘플링된 각 상의 전류를 이용하여 실시간으로 이를 검출해 냄으로써, 계전기가 오동작하는 것을 피하도록 하기 위한 변류기 개방 판단 방법을 제공하기 위한 것이며, 각 상의 변류기 2차 전류(Ia, Ib, Ic)를 샘플링하는 단계; 각 상의 2차 전류를 사용하여 영상 전류(Io)를 구하는 단계; 각 상의 변류기 2차 전류 각각이 미리 정하여진 임계값 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 각 상의 변류기 2차 전류 중 어느 하나가 임계값 이하이고, 나머지 상들의 변류기 2차 전류의 절대값과 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 각각 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 임계값 이하인 상만이 개방된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

변류기, 전력 계통, 개방, 2차 전류, 사고판단

Description

변류기 개방 판단 방법{METHOD FOR DETECTING OPEN-CIRCUIT OF CURRENT TRANSFORMERS}

도 1에서는 변류기의 일반적 구성을 나타내었다.

도 2에서는 간략화한 변류기의 등가 회로를 나타내었다.

도 3에서는 변류기 개방시의 등가 회로를 나타내었다.

도 4에서는 본 발명의 변류기 개방 판단 방법의 한 실시예를 나타내었다.

도 5에서는 실시예의 개방 판단 방법을 순서도를 사용하여 보다 구체적으로 나타내었다.

도 6에서는 제시한 방식을 검증하기 위하여 예시적으로 사용된 모델 계통의 구성을 나타내었다.

도 7a는 A상 개방 시 3배의 영상 전류의 실효값을 나타낸다.

도 7b는 A상 개방 시 A상 전류의 실효값을 나타낸다.

도 7c는 A상 개방 시 B상 전류의 실효값을 나타낸다.

도 7d는 A상 개방 시 C상 전류의 실효값을 나타낸다.

도 7e는 A상 개방 전/후의 각 상(A, B, C 및 영상 전류)의 크기와 위상을 나타난다.

도 7f는 A상 개방 시 전류 차동 계전기 동작을 나타낸다.

도 7g는 A상 개방 시 계전기 출력, A상 개방신호, 최종 트립 신호(relay trip)를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

32 : 선로 34 : 철심

36 : 2차 권선

본 발명은 전력 계통을 보호하기 위한 보호용 계전 시스템에 있어서 변류기의 개방을 판단하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 변류기(current transformer)의 2차측이 개방(open)되는 고장이 발생한 경우 2차측으로부터 샘플링된 각 상의 전류를 이용하여 실시간으로 이를 검출해 냄으로써, 계전기가 오동작하는 것을 피하도록 하기 위한 변류기 개방 판단 방법을 제공하기 위한 것이다.

변류기란 전력 계통에 흐르는 전류를 측정하여 보호 계전기에 입력하기 위한 장치이며, 도 1에 나타낸 바와 같이 선로(32)에 흐르는 1차 전류에 의하여 발생하는 자속(magnetic flux)을 집속시키기 위한 코어(34)와 상기 코어(34)에 유기된 자속에 의하여 2차 전류를 발생시키기 위하여 상기 코어(34)를 감싸는 2차 코일(36)로 이루어지는 장치이다. 1차 코일의 역할을 하는 선로(32)에 흐르는 전류에 의하여 2차 코일(36)에 그에 비례하는 전류가 유기되고 변류비에 의하여 2차 전류의 크기가 결정된다. 여기서, 선로(32)와 2차 코일(36)간의 쇄교 자속을 최대로 하기 위 하여 대부분의 경우에는 코어(34)가 철인 철심 변류기를 사용하고 있다.

도 2에서는 간략화한 변류기의 등가 회로를 나타내었다. 여기서 L_m은 변류기의 자화 인덕턴스이며, i_m 은 자화 전류, i₁은 1차 전류에 의해 2차 측에 유기된(즉, 변류비에 맞는) 2차 전류, i₂ 는 실제 측정되는 2차 전류를 말한다. 상기 자화 인덕턴스 L_m은 상수 값이 아니고 자화 전류에 따라 다른 값을 갖게 된다.

회로에 이상이 없는 정상적인 상태에서는 변류기는 1차측 전류에 의하여 유기된 2차측 전류에 의하여 계전기에 1차측 전류에 관한 데이터를 입력하게 되나, 도 3에서와 같이 시스템의 낙후나, 기타 사고로 인해 변류기 2차측의 회로가 끊어진 경우가 문제가 된다. 이러한 경우에 변류기가 "개방"되었다고 한다.

계전기의 정확한 작동을 위해서는 변류기 2차측이 계통 선로에 흐르는 전류(1차측 전류)를 잘 반영하여야 하나 위와 같은 변류기의 개방으로 인하여 계전기 작동에 문제가 발생된다. 예를 들어, 보호 대상의 양쪽 단자에 흐르는 전류의 차(Differential Current, 이하에서는 이를 '차전류'라 한다)를 구해서 그 값이 어느 이상이 되면 내부사고로 판단하는 방식을 사용하는 전류차동 방식의 보호 계전기에서는, 변류기 2차측이 개방되어 선로의 전류가 감지되지 않는 경우 차전류가 발생한 것으로 잘못 인식하게 되어 하게 되어, 사고가 아님에도 불구하고 사고로 판정하여 전류차동 계전기의 오동작을 유발하게 된다.

이와 같은 변류기 개방으로 인한 전류차동 계전 시스템의 오동작을 방지하기 위한 종래 기술의 방법으로는, 사고 발생시에 보호 대상에 걸리는 전압이 작아지는 반면, 변류기 개방시에는 전압이 작아지지 않는 점을 이용하여, 저전압 계전기와 전류차동 계전기가 동시에 작동할 때만 사고라고 판단하여 트립신호를 내 보내도록 하는 개량된 방법이 사용되고 있다. 다시 말하면, 전류차동 계전기에 부가하여, 저전압 계전기를 사고 판단의 중첩(superimposing)요소로 사용하여 두 계전기가 동시에 작동할 때만 사고라고 판단하도록 하는 방식에 의하여, 변류기 개방에 의한 보호 계전기의 오동작을 방지하고 있는 것이다.

그러나 이러한 방법은 다음과 같은 문제를 가지고 있다. 예를 들어, 변류기가 개방되어 있는 상태라면 차전류가 발생하므로, 종래의 전류차동 계전기는 개방에 의한 차전류의 발생인지, 보호 구간 내 사고에 의한 차전류의 발생인지를 구별할 수 없으므로, 보호 구간 내의 사고가 아님에도 불구하고 보호 구간 내의 사고로 판단하게 된다. 만일, 이때 전류 차동 계전기가 담당하는 보호 구간을 벗어난 외부 구간에서 사고가 발생한다면, 역시 보호 대상에 저전압이 발생되므로, 저전압 계전기가 작동하게 된다. 따라서 이러한 경우에, 저전압 계전기와 전류차동 계전기가 동시에 작동하게 되므로 위의 종래 기술의 방법에 따르면 차단기의 트립 신호가 발생되게 되며, 이러한 경우는 계전기가 담당하는 구간 내의 사고가 아닌데도 불구하고 사고로 판정하여 트립 신호가 발생되는 것이므로 결국 계전기는 오동작을 하고 있는 결과가 된다.

따라서 이와 같은 종래 기술의 방법을 사용할 경우에는 변류기 개방이 된 경우에, 외부사고가 발생하면 오동작하게 되는 기술적 한계가 있으며, 나아가서, 저전압 계전기와 전류차동 계전기를 병행하여 사용하여야 하므로 추가의 설비 및 비 용이 소요되게 된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변류기 개방 시 발생하게 되는 영상 전류를 이용하여 변류기 2차측 회로의 개방 여부를 검출하는 방법을 제공한다.

본 발명의 특징에 의한 변류기 개방 판단 방법은, 상기 변류기 각 상 2차 전류로부터 그 영상 전류를 구하여, 영상 전류의 실효치와 각 상 전류의 관계로부터 단일 상의 개방인지, 두 상의 개방인지 또는 전 상의 개방인지를 구별할 수 있도록 하며, 이를 통하여 개방이 발생한 상을 정확히 검출해 내어 이를 외부에서 인식할 수 있도록 표시함으로써 신속한 대책을 마련할 수 있도록 하고, 이를 계통의 사고로 인식하지 않도록 미리 블록킹 신호를 내보낼 수 있으므로, 전류차동 계전기의 오동작을 방지할 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 의한 변류기의 개방을 판단하기 위한 방법은, 각 상의 변류기 2차 전류(Ia, Ib, Ic)를 샘플링하는 단계; 상기 각 상의 2차 전류를 사용하여 영상 전류(Io)를 구하는 단계; 상기 각 상의 변류기 2차 전류 각각이 미리 정하여진 임계값 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 어느 하나가 상기 임계값 이하이고, 나머지 상들의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 각각 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 상만이 개방된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 본 발명의 변류기 개방 판단 방법은, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 두 상이 상기 임계값 이하이고, 나머지 상의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 두 상이 개방된 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는 본 발명의 변류기 개방 판단 방법은, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 모두가 상기 임계값 이하이고, 각각의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 모든 상이 개방된 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는 본 발명의 변류기 개방 판단 방법은, 상기 개방으로 판단된 상이 개방임을 표시하는 신호를 발생시키는 단계를 더 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

사고 전의 각 상의 전류와 영상 전류는 다음과 같은 형태로 표현되어진다.

(1)

(2)

(여기서, Ia, Ib, Ic는 각 상의 1차 전류, Io는 영상 전류를 나타내고,

이다.)

변류기가 개방되어 있지 않다면, 2차 전류는 1차 전류를 그대로 반영하므로, 식 (1)과 식 (2)를 만족한다. 그러나, 도 3과 같이 변류기의 2차측이 개방된 경우에는, 하나 이상의 2차 전류가 0이 되므로 영상 전류가 관측된다. 예를 들어, A상 변류기가 개방일 때 A상 2차 전류는 0이 되므로, 계산한 영상 전류는 다음과 같은 형태가 된다.

(3)

그런데, 사고가 발생하지 않은 정상상태에서, A상 변류기가 개방일때는, 1차 각 상전류의 크기는 같으므로 다음과 같은 식이 성립한다.

(4)

또한, A 및 B상의 변류기 개방일 때는 A상과 B상의 2차 전류는 0이 되므로, 영상 전류는 다음과 같은 형태가 된다.

(5)

사고가 발생하지 않은 정상상태에서, A상, B상 변류기가 개방일때는 1차 A상 전류와 B상 전류의 합의 크기와 C상 전류의 크기는 같으므로 다음 식이 성립한다.

(6)

만일 A, B, C상의 변류기가 모두 개방일 때 A상, B상, C상의 2차 전류는 모두 0이므로, 영상 전류는 0이 된다.

(7)

그리고, 2차 전류도 모두 0이므로, 다음과 같은 식이 성립한다.

(8)

따라서, 입력된 변류기 2차 전류에서 3배 영상 전류(

) 값 및 각 상 전류의 페이서의 크기(

,

)를 구하여 위의 조건에 부합하는지 여부를 판단함으로써 변류기의 개방 여부를 판단할 수 있을 뿐만 아니라, 어느 상이 개방되었는지 까지도 정확히 알아낼 수 있다.

3상 선로의 경우에 적용한 본 발명의 변류기 판단 방법의 한 실시예를 도 4에 나타내었다.

본 실시예의 방법은, 각 상의 변류기 2차 전류(Ia, Ib, Ic)를 샘플링하는 단계(S10)와, 상기 각 상의 2차 전류를 사용하여 영상 전류(Io)를 구하는 단계(S20)와, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 각각이 미리 정하여진 임계값 이하인지 여부를 판단하여, 단일 상의 개방인지, 두 개 상의 개방인지 또는 세 개 상 모두가 개방인지 여부를 판단하는 단계(S30, S40 및 S50)가 이어진다.

단일 상 개방 조건에 해당되는지 여부의 판단을 위해서는, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 어느 하나가 상기 임계값 이하이고, 나머지 각각의 상들의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 각각 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 상만이 개방된 것으로 판단하면 된다.

또한, 두 개 상 개방 조건에 해당되는지 여부의 판단을 위해서는, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 두 상이 상기 임계값 이하이고, 나머지 상의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 두 상이 개방된 것으로 판단하면 된다.

마지막으로, 세 개 상 모두가 개방 조건에 해당되는지 여부의 판단을 위해서는, 상기 각 상의 변류기 2차 전류 모두가 상기 임계값 이하이고, 각각의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 모든 상이 개방된 것으로 판단하면 된다.

도 5에서는 도 4의 실시예의 방법을 적용하여 구체적인 알고리즘을 구현한 경우의 순서도를 예시적으로 나타낸다.

A상, B상, C상의 단일 상만이 각각 개방된 경우와, AB상, AC상, BC상의 두 개 상만이 개방된 경우와, ABC상 모두가 개방된 경우가 각각 구별되어 판별이 가능하다. 각각의 판별 조건은 순서도에 도시된 바와 같다. 여기서 각상 전류가 0인지 등을 판단하는 단계의 판단 조건문(예를 들어, Ia=0 등)이나, 또는 3배 영상 전류의 실효치가 각 상 전류의 실효치가 같은지를 판단하는 판단문(예를 들어, |3Io|=|Ic| 등)의 경우, 실제 검출 및 계산된 각 상 전류와 영상 전류는 오차를 포함할 수 있어 이들이 완전히 이상적으로 0이 되거나 완전히 같아지는 경우는 실제 상황에서는 있을 수 없으므로, 식을 변형하여(예를 들어, Ia < 임계값 또는 |3Io|-|Ic| < 임계값), 그 차가 미리 정하여진 오차의 한계에 해당하는 임계값 이하인 경우에 위의 조건들이 만족한 것으로 보는 등의 방식이 사용될 수 있다. 임계값은 오차 범위 내에 해당되는 극히 작은 값으로 계통의 상황이나 시스템의 사양에 따라 임의로 선택 가능하다. 예를 들어, 정상 상태의 경우에 각 상 전류 실효치의 1% 이 하 또는 0.1% 등으로 다양하게 설정하는 것이 가능하다.

본 발명의 방법의 타당성을 검증하기 위하여 도 6에 도시한 모델 계통에 예시적으로 적용하였다. 도 6에서는 송전선 양단에서 측정된 변류기의 2차 전류 값에 기초하여 송전선을 보호하는 전류차동 계전기를 사용하는 경우를 나타내었다.

도 6의 계통에서 P모선의 오른쪽에 설치된 A상 변류기 2차측이 개방된 경우의 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7a는 계산되어진 3배의 영상 전류의 실효값을 나타내었다. 50ms에서 2차측 A상을 개방되어 도 7b의 A상 전류의 실효값이 0으로 감소하는 것을 알 수 있다. 도 7c와 도 7d에 B상과 C상 전류의 실효값을 나타내었다. 도 7b, 도 7c, 도7d에서 초기 한 주기(16.7 ms)동안의 값은 데이터 윈도우가 한 주기 값을 가지기 이전의 값이므로 정확한 값이 아니므로 무시한다. 도 7e는 변류기 개방전과 개방후의 A상, B상, C상 그리고 영상 전류의 크기와 위상을 나타내었다. 변류기의 A상이 개방되기 전은 상기 식 (1)의 관계를 만족하지만, 사고 후에는 A상 전류는 0이 되어 없어지고 상기 식 (3)의 형태와 같이 3배의 영상전류가 B상 전류와 C상 전류의 합이 된다. 따라서, 3배의 영상전류의 크기와 B상 전류와 C상 전류의 합의 크기는 같게 된다.

도 7f는 송전선의 보호를 담당하는 가변비율 전류차동 계전기의 트립 영역을 나타내었다. 트립 영역의 시작부분에 1.5의 마진을 두었으며, 가변비율 전류 차동 계전기의 억제 전류값이 5이하인 첫번째 기울기는 0.3이며, 2번째 기울기는 그것의 3배인 0.9로 하였다. 도 7g의 첫번째 도면을 참조하면, 사고가 발생하지 않았음에도 변류기 개방으로 인해 차전류가 발생하게 되어 사고가 아님에도 불구하고 70.3 ms에 계전기가 동작영역 안으로 진입함을 알 수 있다. 즉, 변류기 개방 이후에 약 20 ms 이후에 계전기가 오동작하게 된다.

그러나 도 7g에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 방법을 적용할 경우 변류기 개방 시 이를 인식하여 65.0 ms에 개방 표시신호(인디케이터)를 블록킹 신호로 발생하였다. 즉, 변류기 개방이 발생한지 한 주기 이내에 변류기 개방을 감지하여, 변류기 개방 시에도 이를 계통의 사고라 잘못 판정하여 계전기가 오동작 하는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명에 따라 변류기 각 상의 2차 전류로부터 그 영상 전류를 구하여, 영상 전류의 실효치와 각 상 전류의 관계로부터 단일 상의 개방인지, 두 상의 개방인지 또는 전 상의 개방인지를 구별할 수 있도록 하며, 이를 통하여 개방이 발생한 상을 정확히 검출해 내어 이를 외부에서 인식할 수 있도록 표시함으로써 신속한 대책을 마련할 수 있도록 하고, 이를 계통의 사고로 인식하지 않도록 블록킹 신호를 발생하여 전류차동 계전기의 오동작을 방지할 수 있어, 계통의 보호와 원할한 전력 수급에 기여하여 전력 서비스의 질을 보다 향상시키는 것이 가능하다.

Claims

변류기의 개방을 판단하기 위한 방법에 있어서,

각 상의 변류기 2차 전류(Ia, Ib, Ic)를 샘플링하는 단계;

상기 각 상의 2차 전류를 사용하여 영상 전류(Io)를 구하는 단계;

상기 각 상의 변류기 2차 전류 각각이 미리 정하여진 임계값 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및

상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 어느 하나가 상기 임계값 이하이고, 나머지 상들의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 각각 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 상만이 개방된 것으로 판단하는 단계를 포함하는 변류기 개방 판단 방법.
제 1항에 있어서,

상기 각 상의 변류기 2차 전류 중 두 상이 상기 임계값 이하이고, 나머지 상의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 임계값 이하인 두 상이 개방된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 변류기 개방 판단 방법.
제 2항에 있어서,

상기 각 상의 변류기 2차 전류 모두가 상기 임계값 이하이고, 각각의 변류기 2차 전류의 절대값과 상기 영상 전류의 3배의 절대값(|3Io|)의 차가 모두 미리 정하여진 임계값 이하인 경우에, 상기 모든 상이 개방된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 변류기 개방 판단 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 개방으로 판단된 상이 개방임을 표시하는 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 변류기 개방 판단 방법.