KR100789412B1 - 인공지락 시험장치 및 이를 이용한 고장점 표정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력을 공급하는 배전계통에 지락고장 발생시 고장지점의 검출을 위하여 전력계통에 충격없이 실제 계통에서 인공지락시험을 하여 선로정수의 실측 및 고장상태의 분석을 가능하게 하는 인공지락 시험장치를 제공하기 위한 것으로서, 과전류계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치; 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이의 선로상에 상기 과전류계전기를 경유하여 연결되고 전압, 전류 및 역율을 측정할 수 있는 전력분석부; 상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 기준저항; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 전류조정부;를 포함하되, 상기 전류조정부는 공유철심의 일측에 권회된 일차권선과 타측에 권회된 두 개의 제1 및 제2의 이차권선으로 구성되며, 상기 일차권선은 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이에 직렬 접속되며, 상기 두 이차권선은 공유철심내의 쇄교자속이 상쇄 방향이 되도록 양단을 교차 접속하여 구성된 폐회로내에 순환전류가 유기될 수 있도록 하되, 두 이차권선 중 제2 이차권선에는 가변 접속이 가능하도록 탭을 형성하여 이차권선에 유기되는 순환전류량을 조정함으로써 일차권선의 지락 전류량을 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

인공지락, 고장점, 표정, 고장 전류, 고장 위치, 선로 정수, 선로 임피던스

Description

인공지락 시험장치 및 이를 이용한 고장점 표정 방법{An Artificial Grounding Tester and Method for Locating Fault Distance Using the Same}

도1은 철도 차량의 전체적인 전기배선 계통을 도시하고 있다.

도2는 철도 차량 선로의 거리에 따른 임피던스 형태를 도시하고 있다.

도3은 본 발명에 따른 인공시험 지락장치를 도시하고 있다.

도4는 본 발명에 따른 선로 임피던스를 측정원리를 설명하기 위한 등가회로를 나타낸다.

본 발명은 전력을 공급하는 배전계통에 지락고장 발생시 고장지점의 검출 및 보호계전기의 고장시에 전력 흐름의 변화 상태 등을 확인 분석을 위하여 전력계통에 충격없이 실제 계통에서 인공지락시험을 하여 선로정수의 실측 및 고장상태의 분석을 가능하게 하는 인공지락 시험장치 및 선로임피던스 검측 방법과 이를 이용한 고장점 표정 방법을 제공하기 위한 것이다.

일반적으로 전력계통은 항상 가압되어 외부환경에 노출되어 온도, 습도 바람 등의 변화는 물론 이 물질의 접촉 외부, 충격 등에 따라 고장이 발생될 가능성이 상존한다. 특히 전기철도에 대한 전력계통은 항시적으로 급격한 부하 변화를 겪게 됨에 따라 전력설비가 계속적으로 스트레스를 받게 되므로 일반 전력설비보다 가혹한 조건으로 운전되고 있다.

따라서 고장발생을 근본적으로 없애는 것은 불가능하고, 다만 고장 발생시에 그 장애 범위를 최소한으로 국한시키면서 신속하게 고장점을 검출하여 복구하여 신속하게 고장을 제거할 필요가 있다.

그러므로 변전소에 설치된 거리계전기 또는 고장점 표정장치에 의해 정확한 고장점의 연산이 필요하며, 이를 위하여는 변전소 또는 급전소(SP)에 설치된 거리계전기 또는 고장점 표정장치에 의하여 기준점부터 고장점까지의 임피던스(R+jX)를 연산하여 단위 거리당 임피던스 값으로 나누어서 고장점 까지의 거리를 연산하게 되므로 정확한 고장점을 검출하거나 보호계전기의 정확한 동작을 위하여 정확한 임피던스 값의 확보가 필수적이다.

그러나 전차선로의 임피던스는 일반 급전선이 거리에 직선적으로 비례하여 증가 하는 것과는 달리 급전선 중간 중간에 단권변압기(AT) 또는 보호선연결선(CPW) 등이 설치되어 있어 직선적으로 비례하여 증가하지 않고 AT 및 CPW 설치점 사이에 산 모양을 띠는 곡선을 그리며 증가하게 된다. 또한 급전선(F), 트롤리선(T), 레일(R), 보호선(PW)의 설치 방법 및 설치위치에 따라 임피던스 값이 달라지므로 정확한 연산이 곤란하므로, 거리에 따른 정확한 선로정수 데이터를 얻기 위하 여 실측에 의존하는 것이 불가피한 실정이다.

선로정수에는 직렬 임피던스 Z(저항, 인덕턴스), 병렬어드미턴스 Y(정전용량, 누설콘덕턴스) 등을 들 수 있으며, 이중 선로 임피던스(Z)는 전력계통에 직렬로 작용하므로 고장전류, 전압강하, 고장점 표정, 보호계전기 정정과 관련된다. 따라서 상용주파수에서의 임피던스 측정은 고장점 표정에 필수적인 선결 작업이다.

종래에는 선로정수를 측정하기 위하여 동일 주파수의 저압 소전류를 인가하여 실제로 계통을 단락시키는 방식이 사용되었다. 이러한 방법은 전동차량의 운행을 중단하고 시험을 위하여 전압을 낮추어야 하는 단점이 있었다. 또한 이는 실계통에서 지락고장을 모의하는 것으로 큰 고장 전류에 의하여 변압기, 변류기(CT) 등 전력설비에 심한 충격을 주게 됨으로써 수명이 단축되고 전력설비 파손의 원인이 되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 고장 전류를 효과적으로 조정하여 인공지락 시험을 안전하게 수행함은 물론, 고전압을 차단하거나 철도 운행을 중지하지 않고도 계통의 전력 설비에 충격을 가하는 일 없이 용이하게 선로의 임피던스를 정확히 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배전선로에 접속하기 위한 접속단과 접지를 하기 위한 접지단을 구비하고 상기 접속단과 상기 접지단 사이의 전류량을 조정하여 인공지락을 발생시키기 위한 인공지락 시험장치에 있어서, 과전 류계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치; 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이의 선로상에 상기 과전류계전기를 경유하여 연결되고 전압, 전류 및 역율을 측정할 수 있는 전력분석부; 상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 기준저항; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 전류조정부;를 포함하되, 상기 전류조정부는 공유철심의 일측에 권회된 일차권선과 타측에 권회된 두 개의 제1 및 제2의 이차권선으로 구성되며, 상기 일차권선은 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이에 직렬 접속되며, 상기 두 이차권선은 공유철심내의 쇄교자속이 상쇄 방향이 되도록 양단을 교차 접속하여 구성된 폐회로내에 순환전류가 유기될 수 있도록 하되, 두 이차권선 중 제2 이차권선에는 가변 접속이 가능하도록 탭을 형성하여 이차권선에 유기되는 순환전류량을 조정함으로써 일차권선의 전류량을 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따라 고장점을 표정하는 방법은 (a) 상기 인공지락 시험장치의 제2 이차권선의 탭을 조정하여 제1 이차권선 권회수와 폐회로 구간내의 제2 이차권선의 권회수가 동일하도록 탭 위치를 조정하는 단계; (b) 시험 대상 선로 구간상에 시험점을 선정하여 상기 인공지락 시험장치의 접속단을 시험점 위치에 접속하고 접지단을 접지하는 단계; (c) 상기 인공지락 시험장치의 탭 위치를 조정하여 접속단으로부터 접지단으로 전류를 형성함으로써 인공지락을 발생시키는 단계; (d) 시험 대상 선로의 전력공급단에서 전압(V₁), 전류(I₁), 역율(cosφ₁)을 측정하는 단계; (e) 상기 인공 지락 시험장치의 전력분석부에 의하여 전압(V₂), 전류(I₂), 역율(cosφ₂)을 측정하는 단계; (f) 상기 시험점에서의 선로 임피던스(Z₁)를 측정된 전압, 전류 및 역율로 관계식에 의하여 결정하는 단계; (g) 시험대상 선로 구간상에 시험점을 복수개 선정하여 상기 단계(a) 내지 단계(f)를 반복하여 수행하는 단계; (h) 상기 대상 선로 구간에서 거리에 따른 선로 임피던스의 함수로 작성하는 단계; 및 (i) 고장발생시 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도1은 통상적인 전기 차량 배전선로를 나타낸다. 좌측은 전력공급단을 표시하고 우측은 전차선로를 나타내며 위로부터 트롤리선(T), 레일(R), 급전선(F) 및 보호선(PW)을 도시하였다. 통상 급전 전압은 5만볼트가 인가되며 전차 인가 전압은 2만5천 볼트가 사용된다. 도1에 보인 바와 같이 주기적인 간격으로 자동 변압기(AT)가 설치되며 또한 레일은 보호선과 접속되는 [보호선연결선](CPW)을 갖는다.

전차선로의 시작점을 기준 위치로 하여 트롤리선의 선로정수(임피던스)를 측정하면 통상적으로 거리에 따라 증가하나 급전선 중간 중간에 단권변압기(AT) 또는 보호선연결선(CPW) 등의 영향으로 도2에 도시된 바와 같이 굴곡을 가지며 증가한다. 따라서 전차선로의 임피던스는 이와 같이 일반 급전선이 거리에 직선적으로 비례하여 증가하는 것과는 다르므로 연산에 의한 산출이 곤란하여 직접 계측을 통하여 거리에 따른 선로 임피던스를 미리 측정하여 함수표로 작성하여 두면, 고장 발생시에 이를 활용하여 고장 지점을 정확히 검출할 수 있다.

그러나 25000V급의 전압을 직접 지락 시키면 수천 암페어의 큰 고장전류가 흘러 전력설비에 큰 충격을 주게 되므로 수회 시험시 기기의 수명 단축, 폭발 등 매우 위험한 결과를 초래할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 인공지락 시험장치는 전차선로의 선정된 시험점에 접속하기 위한 접속수단과 접지를 용이하게 하기 위한 접지수단을 구비하고 상기 접속수단과 접지수단에 의하여 형성된 접속단과 접지단 사이에 흐르는 전류량을 조정할 수 있는 전류조정부를 두어 소전류의 인공지락을 발생시킬 수 있도록 구성된다. 이와 같은 인공지락 시험은 운행중에 실시 가능하므로 사용되는 주파수는 상용 주파수인 것이 바람직하다.

상기 전류조정부는 공유철심의 일측에 권회된 일차권선과 타측에 권회된 두 개의 이차권선으로 구성되며, 상기 일차권선은 상기 접속단과 접지단 사이에 직렬 접속되며, 상기 두 이차권선은 도3에서 보는 바와 같이 공유철심내의 쇄교자속(intercepted magnetic flux)이 상쇄 방향이 되도록 양단을 교차 접속하여 폐회로를 구성하도록 하고, 이렇게 구성된 폐회로내에 순환전류가 유기될 수 있도록 한다. 그러나 일차권선의 쇄교 자속에 의하여 제1 이차권선 및 제2 이차권선에 유기되는 전류의 방향은 서로 반대 방향이므로 상쇄되고 난 후 순순환전류(net loop current)가 일차권선에 흐르는 전류량에 비례하는 관계에 있게 된다. 그러므로 두 이차권선 중 하나의 이차권선에는 가변 접속이 가능하도록 탭(tap)을 형성하여 이차권선에 유기되는 순환전류량을 조정함으로써 일차권선의 전류, 즉, 접속단으로부터 접지단으로 흐르는 인공 지락 전류를 조정할 수 있게 하였다.

이를 변압기의 원리를 이용하여 다시 설명하면, 두개의 이차권선에 유기전압 이 분압되게 하고, 이중 하나의 이차권선에 탭을 두어 폐회로 구간내에 유기전압의 크기가 변화되도록 조정하여, 폐회로 구간내의 양 이차권선의 권회수를 동일하게 하면 두 이차권선의 유기전압이 동일하여 이차권선 폐회로내에 순환전류는 흐르지 않게 되며, 따라서 1차측 권선을 통과하는 지락전류도 흐르지 않게 되고, 반면에 Tap을 적당히 조정하여 두 이차권선의 유기전압을 달리하면 2차측 폐회로 내에 순순환전류가 흐르고 이에 비례하여 1차측 권선을 통하여 인공 지락 고장 전류를 흘릴 수 있다.

탭이 달린 이차권선의 권회수는 다른 이차권선의 권회수보다 같거나 다소 크게 폐회로 구간내의 이차권선의 권회수를 동일하게 조정하는 것이 가능하도록 하여, 고장전류를 완전히 영("0")으로 할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 인공지락 시험장치(100)는 접속단 하류에 과전류계전기(OCR)에 의하여 단속되는 입력단 스위치를 두어 장치를 과전류로부터 보호할 수 있도록 구성하고, 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이의 선로상에 상기 과전류계전기(OCR)를 경유하여 연결되는 전력분석부(P₂)를 구비하여 전압(V₂), 전류(I₂), 역율(cosφ₂)을 측정할 수 있도록 한다.

또한 도3에 보인 바와 같이 상기 전력분석부(P₂) 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 기준저항(R₂)을 구성하여 전력분석부(P₂)에 적정량의 전압이 걸릴 수 있도록 한다.

이러한 인공지락 시험장치를 이용하면 전압(V₂), 전류(I₂), 역율(cosφ₂)을 측정하여 인공지락 장치 내의 기준 임피던스(Z₂=R₂+jX₂)를 확인하고, 전력공급단에서 전력분석기(P₁)에 의하여 전압(V₁), 전류(I₁), 역율(cosφ₁)을 측정하면 다음과 같은 방법으로 선로 임피던스(Z₁=R₁+jX₁)를 결정할 수 있다.

도4는 전력분석기(P₂)가 포함된 인공지락 시험장치가 접속된 상태에서의 간략화된 등가회로를 도시하고 있다. P₁과 P₂에서 각각 전력분석기에 의하여 측정된 전압, 전류, 역율을 각각 V₁, I₁, cosφ₁ 및 V₂, I₂, cosφ₂라 하면,

의 관계식이 성립하고, I₁=I₂이므로 이를 Ig라 하고,

의 관계를 이용하면

가 되므로 이로부터 선로임피던스(

)는 측정된 V₁, I₁, cosφ₁ 및 V₂, I₂, cosφ₂를 사용하여 결정된다.

상기 인공지락 시험장치를 사용하여 고장점을 표정하는 방법은 다음과 같다.

먼저 (a) 상기 인공지락 시험장치의 제2 이차권선의 탭을 조정하여 제1 이차권선 권회수와 폐회로 구간내의 제2 이차권선의 권회수가 동일하도록 탭 위치를 조정한다.

(b) 시험 대상 선로상에 시험점을 선정하고 상기 인공지락 시험장치의 접속단을 시험점 위치에 접속하고 접지단을 접지한다.

(c) 상기 인공지락 시험장치의 탭 위치를 조정하여 접속단으로부터 접지단으 로 전류를 형성함으로써 인공지락을 발생시킨다.

(d) 시험 대상 선로의 전력공급단에서 전압(V₁), 전류(I₁), 역율(cosφ₁)을 측정한다.

(e) 상기 인공 지락 시험장치의 전력분석부에 의하여 전압(V₂), 전류(I₂), 역율(cosφ₂)을 측정하고 확인한다.

(f) 상기 인위고장점에서의 선로 임피던스(

)를 상기 수학식 3 및 4에 의하여 결정한다.

그리고 (g) 시험대상 선로구간에서 시험점을 복수개 선정하여 상기 단계(a) 내지 단계(f)를 반복하여 수행한다.

(h) 상기 대상 선로 구간에서 시험점의 거리에 따른 선로 임피던스를 함수표로 작성하여 둔다.

(i) 고장발생시 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수표에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단한다.

본 발명에 의하여 동작중인 실제의 계통에서 인공고장전류를 조정하여 인공지락시험이 가능하도록 하는 효과가 있다. 특히 전기철도와 같은 급전계통은 선로임피던스 계산이 곤란하므로 본 발명에 의한 장치와 방법을 사용하여 고장시 나타 날 선로 저항과 리액턴스를 검출하여 각 지점에 대응되는 임피던스를 DB화 함으로써 고장 발생시 고장지점의 정확한 검출과 거리계전기의 보호구간을 확실하게 보호할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 전기 차량 배전계통뿐만 아니라 통상적인 고전압 배전계통에도 유용하게 적용 가능함은 당업자에게 자명한 사항이다.

Claims (5)

1. 배전선로에 접속하기 위한 접속단과 접지를 하기 위한 접지단을 구비하고 상기 접속단과 상기 접지단 사이의 전류량을 조정하여 인공지락을 발생시키기 위한 인공지락 시험장치에 있어서,

   과전류계전기에 의하여 단속되는 입력단 스위치;

   상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이의 선로상에 상기 과전류계전기를 경유하여 연결되고 전압, 전류 및 역율을 측정할 수 있는 전력분석부;

   상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 기준저항; 및 상기 전력분석부 후단과 상기 접지단 사이에 직렬 연결되는 전류조정부;를 포함하되,

   상기 전류조정부는 공유철심의 일측에 권회된 일차권선과 타측에 권회된 두 개의 제1 및 제2의 이차권선으로 구성되며, 상기 일차권선은 상기 입력단 스위치 및 상기 접지단 사이에 직렬 접속되며, 상기 두 이차권선은 공유철심내의 쇄교자속이 상쇄 방향이 되도록 양단을 교차 접속하여 구성된 폐회로내에 순환전류가 유기될 수 있도록 하되, 두 이차권선 중 제2 이차권선에는 가변 접속이 가능하도록 탭을 형성하여 이차권선에 유기되는 순환전류량을 조정함으로써 일차권선의 전류량을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 인공지락 시험장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 이차권선의 권회수는 제1 이차권선의 권회수보다 같거나 크게 한 것을 특징으로 하는 인공지락 시험장치.
3. 제1항 또는 제2항의 인공지락 시험장치를 이용하여 고장점을 표정하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 인공지락 시험장치의 제2 이차권선의 탭을 조정하여 제1 이차권선 권회수와 폐회로 구간내의 제2 이차권선의 권회수가 동일하도록 탭 위치를 조정하는 단계;

   (b) 시험 대상 선로 구간상에 시험점을 선정하고 상기 인공지락 시험장치의 접속단을 시험점 위치에 접속하고 접지단을 접지하는 단계;

   (c) 상기 인공지락 시험장치의 탭 위치를 조정하여 접속단으로부터 접지단으로 전류를 형성함으로써 인공지락을 발생시키는 단계;

   (d) 시험 대상 선로의 전력공급단에서 전압(V₁), 전류(I₁), 역율(cosφ₁)을 측정하는 단계;

   (e) 상기 인공 지락 시험장치의 전력분석부에 의하여 전압(V₂), 전류(I₂), 역율(cosφ₂)을 측정하는 단계; 및

   (f) 상기 시험점에서의 선로 임피던스(Z₁)를 하기 식에 의하여 결정하는 단계;

   

   여기서

   

   ,

   

   ,

   (g) 시험대상 선로 구간상에 시험점을 복수개 선정하여 상기 단계(a) 내지 단계(f)를 반복하여 수행하는 단계;

   (h) 상기 대상 선로 구간에서 거리에 따른 선로 임피던스의 함수로 작성하는 단계; 및

   (i) 고장발생시 전력공급단에서 선로 임피던스를 측정하고 상기 함수에서 대응되는 거리를 읽음으로써 고장지점을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장점 표정 방법.
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