KR101081792B1 - 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법 및 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치 - Google Patents

콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법 및 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크(capacitor bank) 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법은, A상, B상, 및 C상인 3상 각각에 병렬로 연결되는 하나 이상의 콘덴서 부하를 포함하는 콘덴서 뱅크(capacitor bank) 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에 있어서, 상기 3상 각각에 대한 임피던스(impedance) 변화를 산출하는 단계; 상기 임피던스 변화에 따른 상기 3상 각각에 대한 전류 변화의 패턴(pattern)을 도출하는 단계; 및 상기 패턴 확인 결과 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 15% 이상 증가하는 경우, 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손(燒損)이 발생하였음을 사용자에게 리포팅하는 단계를 포함한다.

Description

콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법 및 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치{METHOD FOR PROTECTING CAPACITOR BANK}
본 발명은 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무효전력계통인 콘덴서 뱅크에서 각 상에 대한 임피던스 및 유효전력을 측정하여 소손된 콘덴서 부하를 판별함으로써 역률 보상회로에 대한 사고 예방에 효과적으로 대응할 수 있는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 콘덴서 뱅크 케이스의 내압 상승으로 인한 케이스의 위치변이(케이스의 팽창)에 의거하여 스위칭을 행하고 상기 스위칭에 의하여 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 연결 및 해제하여 보다 간편하게 콘덴서 뱅크에 대한 사고를 예방할 수 있는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 관한 것이다.
최근 들어 역률 보상회로에 대한 사고가 자주 발생하고 있고 역률 보상회로의 사고로 인한 피해는 많은 인명과 재산 피해를 유발하고 있다. 변압기 및 전동기의 코일, 형광등, 아아크로 등과 같은 대부분의 부하는 유도성이기 때문에 불가피하게 무효전력을 수반하게 된다. 따라서, 전력을 공급하는 선로 즉, 발전소에서 송배전 변전소를 경유하여 수용가에 이르기까지 비효율적인 과잉 전류가 흐르게 되어 장거리 선로의 열손실, 저역률, 선로 및 변압기의 과부하를 초래하게 된다.
콘덴서는 유도성 무효전력과 반대되는 용량성 무효전력을 효과적으로 발생시켜 변압기 및 선로의 무효전력을 쉽게 제거할 수 있기 때문에 가장 보편화 되어있는 역률 보상장치이다. 또한, 타 장치에 비해 정지기기로써 수명이 반영구적이며 취급이 쉬울 뿐만 아니라 뛰어난 경제성을 가지고 있다. 이러한 전력용 콘덴서를 사용함으로써 저역률에 대한 예방뿐만 아니라 자가 설비의 관리를 보다 효과적으로 할 수 있다.
역률 보상회로에 대한 사고의 원인으로 잦은 회로차단기(circuit breaker)의 투입으로 인한 개폐서지의 발생이 열화의 원인으로 작용하고 있고, 사고 보호차원의 계전기가 제대로 동작을 해주지 못한다는 점을 들 수 있다. 보호계전기의 특성상 고장을 인지하여 역률 보상회로의 차단을 수행하기까지는 최소 3사이클(3/60초)이 필요하나 종래의 사고 파형을 통해 알 수 있듯이 콘덴서 뱅크의 실제 고장에서 폭발까지는 보호계전기의 차단명령 이전에 진행된다. 따라서, 종래의 보호계전기로는 역률 보상회로를 효과적으로 보호할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 역률 보상설비를 운전하는 데 있어 콘덴서 뱅크의 특성을 반영한 새로운 보호계전시스템이 필요한 실정이다. 이에, 특성화된 콘덴서 뱅크 보호계전기의 개발이 요구되고 있다.
콘덴서뱅크는 리액터와 콘덴서의 직렬결선 구조로서 직렬공진회로를 갖은 임계안정상태로 운전되기 때문에 다른 전력기기에 비해 안정성이 떨어진다. 특히 공진주파수인 제4고조파와 유사한 전원이 공급되면 과전류로 콘덴서가 소손될 수 있다. 또한 잦은 차단기 동작(전원 투입·개방)에 의한 과전압, 과전류로 리액터와 콘덴서 셀이 소손될 수 있다.　 반면, 현행 보호계전기는 콘덴서뱅크의 특성을 고려하지 않은 일반선로용 계전기를 사용하여 개선이 지적돼 왔다.
이에, 현행 보호계전기 기능에다, 콘덴서뱅크의 운전특성과 고장특성에 적합한 전용 보호기능을 첨가한 콘덴서뱅크 보호장치의 개발이 요구되고 있다. 특히 콘덴서와 리액터가 소손될 때 나타나는 임피던스와 유효전력의 변화는 물론 공진회로에 대한 보호요소를 추가하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
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본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 정상적인 콘덴서 뱅크의 경우 열의 발생 및 축적이 없고 일정한 부하전류로 인한 임피던스 균형을 유지하는데 이러한 콘덴서 뱅크의 특성을 이용하여 각 상에서의 임피던스 및 유효전력을 통해 소손된 콘덴서 부하를 판별함으로써 역률 보상회로에 대한 사고 예방에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 케이스의 내압 상승으로 인한 케이스의 위치변이(케이스의 팽창)에 의거하여 스위칭을 행하고 상기 스위칭에 의하여 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 연결 및 해제하는 리미트스위치 및 리미트스위치와 연동하여 콘덴서 부하가 소손되었음을 알리는 경보수단을 구비하여 보다 간편하게 콘덴서 뱅크에 대한 사고를 예방할 수 있는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법은, A상, B상, 및 C상인 3상 각각에 병렬로 연결되는 하나 이상의 콘덴서 부하를 포함하는 콘덴서 뱅크(capacitor bank)의 보호 회로에 있어서, 상기 3상 각각에 대한 임피던스(impedance) 변화를 산출하는 단계; 상기 임피던스 변화에 따른 상기 3상 각각에 대한 전류 변화의 패턴(pattern)을 도출하는 단계; 및 상기 패턴 확인 결과 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 15% 이상 증가하는 경우, 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손(燒損)이 발생하였음을 사용자에게 리포팅하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에서, 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로는 콘덴서 뱅크가 포함하는 부하의 접속이 와이(Y)결선인 와이(Y)회로이거나 상기 콘덴서 뱅크가 포함하는 부하의 접속이 델타(△)결선인 델타(△)회로인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에서, 상기 임피던스 변화는 무한대에서 0으로 근접하는 방향으로 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에서, 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로는 상기 콘덴서 부하와 병렬 연결되는 가상의 무한대 저항을 포함하고, 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 해당 콘덴서 부하와 병렬 연결되어 있는 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에서, 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 상기 콘덴서 부하를 포함하는 해당 상에서의 임피던스값은 감소하고, 상기 임피던스값의 변화로 인한 임피던스 불균형은 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로에 불평형 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치는, 하나 이상의 콘덴서 부하를 케이스에 수납하는 콘덴서 뱅크(capacitor bank)를 보호하는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 있어서, 상기 케이스의 일측벽에 설치되어 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 상기 케이스의 내압 상승으로 인한 상기 케이스의 위치변이에 따라 스위칭을 행하고 상기 스위칭에 의하여 상기 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 제어하는 리미트 스위치부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에서, 상기 리미트 스위치부는 상기 케이스의 내압 상승으로 인한 상기 케이스의 위치변이가 소정치를 초과하는 경우 리미트접점 간을 연결하여 상기 리미트접점이 연결되었음을 알리는 리미트접점신호를 상기 차단기로 송출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치는 경보부를 포함하고, 상기 경보부는 상기 리미트 스위치부가 온 상태일 경우에 동작하도록 구성되고 시각적으로 비상상황을 표시하기 위한 발광수단 및 청각적으로 비상상황을 표시하기 위한 사운드 발생수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에 따르면, 무효전력만을 생산하는 무효전력계통인 콘덴서 뱅크에 있어서 콘덴서 뱅크의 내부 소자 소손시 발생하는 유효전력을 측정함으로써 역률 보상회로에 대한 사고 예방에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 따르면, 케이스의 내압 상승으로 인한 케이스의 위치변이(케이스의 팽창)에 의거하여 스위칭을 행하고 상기 스위칭에 의하여 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 연결 및 해제하는 리미트스위치 및 리미트스위치와 연동하여 콘덴서 부하가 소손되었음을 알리는 경보수단을 구비하여 보다 간편하게 콘덴서 뱅크에 대한 사고를 예방할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 역률보상설비의 계통도를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 A상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 와이-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 A상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 와이-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로의 경우 각 상의 전류 변화 패턴을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 AB상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로를 도시한 회로도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 AB상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로의 경우 각 상의 전류 변화 패턴을 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
콘덴서 뱅크 보호 회로는 역률을 보상하는 콘덴서(static condenser), 스파이크 전압으로부터 상기 콘덴서를 보호하고 공진점을 짝수고조파에 맞추어 공진을 방지하는 리액터(reactor), 및 콘덴서 충전전류를 방전하는 방전코일을 포함한다.
전력부하는 일반적으로 저항과 유도성 리액턴스로 이루어져 있으며, 전압과 전류는 저항과 리액턴스의 조합인 임피던스에 의하여 위상차(cosθ)가 발생하게 되고 상기 위상차를 역률이라고 한다. 따라서, 역률을 보상하기 위하여 부하와 병렬로 전력용 콘덴서를 설치하면 상기 콘덴서에 흐르는 전류는 회로에 흐르는 전류보다 앞서기 때문에 유동성 리액턴스에 흐르는 전류와 상쇄되어 역률이 개선된다.
즉, 회로에 흐르는 전류는 지연 무효전류를 여분으로 흐르게 하여 여러 가지 장애를 가져오므로 상기 회로에 앞선 무효전력을 공급할 필요가 있고 이것을 역률 개선 혹은 역률 보상이라고 한다. 앞선 무효전력을 공급하는 기기가 콘덴서이다. 상기 전력용 콘덴서는 부하의 역률을 개선함으로써 뒤진 무효전력을 보상하여 전압강하를 경감할 수 있다.
예를 들어, 순수한 저항만의 부하에서는 전압과 전류의 위상차가 없기 때문에 무효전류가 흐르지 않아 역률이 100%이지만 코일이나 콘덴서 부하에서는 전압과 전류의 위상차가 생긴다. 상기 콘덴서에서는 충전작용하는 특성으로 전류가 전압보다 90도 앞서고(진상) 상기 코일에서는 코일 자속에 의한 전류 흐름의 방해작용으로 전류가 90도 뒤진다(지상). 이러다 보니 전압과 전류의 위상 차이만큼의 무효전력이 생기게 된다. 상기 무효전력이 크면 클수록 역률이 낮아 각종 기기의 설비 용량이 쓸데없이 커야 하고 그만큼 전력 손실이 따른다. 그러므로, 모터 등 일반 부하는 대부분 코일(유도성)이기 때문에 상기 부하의 역률을 개선하기 위하여 전력용 콘덴서를 설치한다. 이에 따라, 전선로 내의 전력 손실이 감소되고 전압강하나 전압변동률이 개선되며 설비에 여유가 생기는 효과를 얻을 수 있다.
계통에 접속된 지상역률의 부하에 콘덴서를 병렬로 연결하여 모선에서 진상전류를 취하게 하여 상기 부하에 의한 지상전류를 보상한다. 계통에서 지상전류를 필요로 하는 부하는 여자전류를 필요로 하는 변압기 및 유도전동기가 대표적이다. 또한, 지상전류가 없으면 교류전력계통은 성립될 수 없기 때문에 반드시 필요하지만 너무 크게 되면 전압강하가 커지고 전력손실도 크게 되므로 적절한 방법을 사용하여 이를 보상하여야 하는데 이러한 보상기기 중 가장 값이 저렴하고 유지보수도 간편하며 운전도 매우 편리한 설비가 콘덴서이다.
상기 전력용 콘덴서를 유도성 부하에 접속하는 경우 개별 모터 선로 및 강압용 변압기의 손실을 경감할 수 있고, 상기 모터 선로의 전압변동률을 개선할 수 있으며 주어진 부하량에서 역률을 개선시켜 동(copper)량을 절감할 수 있다.
역률 개선용으로 콘덴서를 사용하면 상기 콘덴서에 고조파 유입시 상기 콘덴서의 용량성 때문에 전류 파형의 왜곡을 확대할 수 있고 때로는 고조파를 발생할 수 있다. 상기 고조파의 발생으로 나타나는 문제점을 보완하고 상기 콘덴서 투입시 돌입전류를 억제하기 위하여 콘덴서용 직렬리액터를 설치한다. 즉, 상기 콘덴서 설치시 고조파 전류가 흘러 파형이 나빠지게 되므로 파형개선의 목적으로 직렬리액터를 설치한다. 상기 직렬리액터는 파형을 개선하기 위하여 상기 전력용 콘덴서와 직렬로 설치된다. 상기 직렬리액터는 고조파의 유입을 저감시키고 전원 투입시 돌입전류(inrush current)를 완화하며 직렬공진에 의한 특정 고조파를 제거하기 위하여 설치된다. 상기 돌입전류란 전원 투입시 과도상태에서의 써지전류를 의미한다.
고조파를 말할 때 기본이 되는 주파수가 있는데 50Hz 나 60Hz를 기본파 혹은 기본주파수라고 하며, 상기 기본주파수에 대해 2배, 3배, 4배 등과 같이 정수의 배에 해당하는 물리적인 전기량을 고조파라 한다. 왜형파는 하나의 기본파와 그 정수배 주파수를 갖는 고조파로 분해할 수 있다. 일반적으로 상기 왜형파는 무한개의 고조파를 포함하고 고차일수록 그 함유율은 감소한다.
주파수가 f(Hz)인 교류에 있어서 정전용량 C(F)인 콘덴서의 임피던스는 1/2πfC(Ω)이다. 즉, 상기 임피던스는 f에 반비례하므로 높은 주파수에 대해서 낮은 임피던스로 되어, 고조파 전류가 흐르게 쉽게 되어 있다. 따라서, 콘덴서 뱅크를 고조파에 대하여 무대책으로 사용하면 고조파전류가 콘덴서 뱅크 설비에 유입되어 온도상승현상 혹은 전원 리액턴스와의 공진으로 인한 높은 고조파 전압 발생 등과 같은 이상현상이 발생한다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 제5 고조파 이상의 주파수에 대하여 상기 콘덴서 뱅크 설비가 유도성 임피던스가 되도록 상기 콘덴서 뱅크의 상기 콘덴서에 직렬로 상기 리액터를 접속할 수 있다.
상기 직렬리액터란 철심에 코일을 감아 직렬로 결선한 것을 의미한다. 즉, 상기 직렬리액터는 인덕턴스의 성질을 이용한다. 따라서, 교류는 주파수 성분을 포함하는 리액턴스 성분으로 나타나게 되는데 XL=R+jωL=R+j2πfL으로 구현될 수 있다.
여기서, 리액턴스는 주파수가 높아질수록 허수부분(j2πfL)이 커지게 되고 이에 따른 XL의 유도성 리액턴스 값이 커지게 되면 전류의 흐름이 제한되어 상기 콘덴서 투입시 돌입전류를 제한하는 역할을 하게 된다.
반대로 상기 콘덴서에서는 XC=R+1/jωC=R+1/j2πfC 이다.
여기서, 고조파가 흐를수록 주파수 허수부분(1/j2πfC)이 작아지게 된다. 따라서, XC의 용량성 리액턴스 값이 작아져 상기 콘덴서에 고조파로 인한 전류가 많이 흐르게 되어 정격 이상의 전류가 장시간 흐르게 되면 수명 저하 및 소손의 우려가 많게 된다.
상기 콘덴서나 상기 리액터의 임피던스 크기는 변하지 않는다. 만일 상기 임피던스의 크기가 변화하면 이상이 생긴 것으로 판단할 수 있으며 상기 임피던스의 각 θ가 -90도 또는 90도를 벗어나는 경우 유효전력이 발생되는 것을 알 수 있다.
상기 콘덴서 뱅크는 무효전력계통이므로 순저항(R) 성분이 없어 열의 발생 및 축적이 없다. 즉, 상기 콘덴서 뱅크가 정상적으로 동작하는 경우, 상기 콘덴서 뱅크는 무효전력만 흐르는 XL 및 XC 의 회로이다. 따라서, 정상적인 콘덴서 뱅크의 경우 J = i2R 에서 R = 0 이므로 열이 발생하지 않는다.
상기 콘덴서 뱅크에 유효전력이 흐르게 된다면 즉, 내부 소자의 단락 등에 의하여 순저항(R) 성분이 생긴다면 J = i2R 에 의하여 i2R의 줄열로 변환되고 열의 축적 혹은 공진 등과 같은 현상이 발생하여 상기 콘덴서 뱅크는 소손될 수 있다. 상술한 바와 같이, 무효전력계통인 상기 콘덴서 뱅크에서 순저항(R) 성분을 측정하여 상기 콘덴서 뱅크의 열화를 진단할 수 있다.
전력계통의 모든 저항 성분을 임피던스라고 하는 경우, 순저항(R) 성분에 흐르는 전류는 실제로 일을 하는 유효전력분이 되고 리액터(XL)와 콘덴서(XC)에 흐르는 전류는 일을 하지 않는 무효전력이 된다. 따라서, 전력계통의 임피던스는 Z = R + jωL + 1/jωC 가 된다.
상기 콘덴서 뱅크에는 가상의 무한대 저항이 상기 콘덴서 부하와 병렬 연결되어 있다고 가정할 수 있다. 이러한 경우, 테브난 노튼의 정리에 의하여 상기 저항 회로는 단락으로 인식될 수 있다. 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락 등에 의하여 소손되는 경우 상기 콘덴서 부하와 병렬 연결된 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하게 된다. 즉, 상기 콘덴서 뱅크에서 열화가 진행되는 경우 상기 저항의 크기는 무한대에서 점차 작아지게 된다.
입력되는 전압은 일정한 크기로 인가되고 있으므로 임피던스 크기에 따라 전류의 크기가 결정되게 된다. 열화가 진행되기 전에는 3상의 임피던스가 평형을 이루지만 열화가 진행되면 병렬 저항성분이 더해지게 되므로 열화가 진행되는 쪽의 임피던스는 낮아지게 된다. 상술한 바와 같이, 상기 콘덴서 부하가 소손되는 경우 상기 생성된 상기 순저항(R) 성분으로 인하여 병렬 연결된 저항 성분이 더해지게 되므로(즉, XC 및 R) 열화가 진행되는 상의 임피던스는 낮아지게 된다.
상기 임피던스값의 변화로 인한 임피던스 불균형은 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로에 불평형 전류를 흐르게 하며 이 때 전류의 변화 패턴을 확인함으로써 열화가 진행되는 콘덴서 뱅크의 상을 판별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 역률보상설비의 계통도를 도시한 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 뱅크는 도 1에 도시된 바와 같이 중성점이 접지와 연결되지 않는 비접지 방식으로 구현될 수 있다. 모터에 6.6kV의 전압이 인가될 수 있고 상기 모터와 병렬로 전력용 콘덴서와 직렬리액터가 부착될 수 있다. 상기 모터 쪽으로 흐르는 전류와 상기 콘덴서 뱅크 쪽으로 흐르는 전류를 감시하기 위하여 각각에 과전류 계전기(OCR: Over Current Relay)가 설치될 수 있다. 상기 콘덴서 뱅크는 A상, B상, 및 C상인 3상 각각에 병렬로 연결되는 하나 이상의 콘덴서 부하를 포함할 수 있다.
상기 역률보상설비가 정상운전상태인 경우 상기 펌프를 기준으로 각 요소값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 펌프의 콘덴서 용량이 200kVA이고 리액터 용량이 12kVA인 경우 콘덴서 1상에 작용하는 용량 Q = 200/3kVA 가 되고 용량성 리액턴스는 (6600/√3)2 / XCY = (200×103) / 3 이므로 XCY = 217.8Ω 이 되며 전원주파수가 60Hz 인 경우 1상당 C값은 1/(ωCY) = 217.8 이므로 CY = 1/(2×π×60×217.8) = 12.179uF 가 된다. 또한, 리액터 1상에 작용하는 용량 Q = 12/3 = 4kVA 가 되고 V2/XL = Q 이므로 단자전압 V = 229V 인 경우 유도성 리액턴스는 2292/XL = 4×103 이므로 XL = 13.11025Ω 이 되며 1상당 L값은 L = 13.11025/(2×π×60) = 34.776mH 가 된다. 이러한 경우, 공진주파수 fc = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π√(LCY)) = 244.554Hz 가 되고 1상에 흐르는 전류 I = (6600/√3)/ (√((ωL-(1/ωC))2)) = 18.616A 가 된다. 상술한 바와 같이 상기 펌프의 1상당 L값은 34.776mH 이고, 1상당 C값은 12.179uF 이다. 따라서, ZA = √((XL+XC)2) = √((13.11025-217.8)2) = 204.689Ω, ZB = √((XL+XC)2) = √((13.11025-217.8)2) = 204.689Ω, 및 ZC = √((XL+XC)2) = √((13.11025-217.8)2) = 204.689Ω 으로 3상의 임피던스가 서로 평형을 이룬다. 또한, IA = 3810.51∠0/204.689∠-90 = 18.616∠90, IB = 3810.51∠-120/204.689∠-90 = 18.616∠-30, 및 IC = 3810.51∠120/204.689∠-90 = 18.616∠210 으로 같은 크기의 전류가 흐른다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 A상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 와이-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로를 도시한 회로도이다.
A상에 위치하는 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락 등에 의하여 소손되는 경우 상술한 바와 같이 병렬 연결된 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, A상에 위치하는 소손된 콘덴서 부하는 콘덴서 뱅크의 A상에 1kΩ 병렬저항을 삽입하여 구현될 수 있다. 상기 3상 각각에 대한 임피던스 변화를 산출한다. 상기 계산된 상기 요소값을 이용하여 각 상의 임피던스를 산출할 수 있다. 상기 산출 결과 ZA = jωL+((1/jωC)×R)/((1/jωC)+R) = (R/(ω2C2R2+1))+j(ωL-(ωCR2)/(ω2C2R2+1)) = 45.28-j194.82, ZB = jωL+(1/jωC) = -j204.68, 및 ZC = jωL+(1/jωC) = -j204.68 으로 A상의 임피던스 크기는 200Ω이고, B상 및 C상의 임피던스 크기는 204.68Ω 이다. 상술한 바와 같이, 열화가 진행되는 A상의 임피던스 크기는 B상 및 C상의 임피던스 크기보다 작게 나타난다.
또한, 키르히호프의 전압법칙(KVL)에 따라 I1에 대하여 망로 방정식을 풀면 VAB = (ZA+ZB)I1-ZBI2 가 되고 I2에 대하여 망로 방정식을 풀면 VBC = -ZBI1+(ZB+ZC)I2 가 되며 상기 두 개의 망로 방정식을 연립하여 I1 및 I2 를 계산할 수 있다. 상기 계산된 상기 전류값을 이용하여 각 상의 전류를 산출할 수 있다. 상기 산출 결과 IA = I1 = 19.01∠81.33A, IB = I2-I1 = 17.44∠-32.6A, 및 IC = -I2 = 19.92∠-151.86A 으로 A상의 전류 크기가 가장 크게 나타난다. 또한, B상의 전류 크기는 정상운전상태에서의 전류 크기인 18.616A 보다 작으므로 A상에 위치하는 콘덴서 부하에 이상이 있음을 알 수 있다.
즉, A상에 위치하는 콘덴서 부하가 소손되는 경우 A상에서의 임피던스값은 감소하고 상기 A상에서의 임피던스 변화로 인한 임피던스 불균형은 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로에 불평형 전류를 흐르게 한다. 또한, 상기 A상에서의 임피던스값 감소에 대응하여 상기 A상에서의 전류값은 증가한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 A상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 와이-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로의 경우 각 상의 전류 변화 패턴을 도시한 도면이다.
A상에 위치하는 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락 등에 의하여 소손되는 경우 상술한 바와 같이 병렬 연결된 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하게 된다. 상기 콘덴서 부하의 열화가 진행될수록 상기 저항의 크기는 무한대에서 점차 작아지게 된다. 이러한 경우, A상에 위치하여 열화가 진행중인 콘덴서 부하는 상기 콘덴서 뱅크의 A상에 삽입된 병렬저항의 크기를 1100Ω에서 1Ω으로 변화시켜 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, A상에 위치하는 콘덴서 부하의 열화에 따른 1100Ω에서 1Ω으로의 임피던스 변화에 대한 상기 3상 각각에서의 전류 변화 패턴을 도출할 수 있다. 상기 패턴 확인 결과 A상의 전류 크기가 가장 크게 나타나고 B상의 전류 크기는 정상운전상태에서의 전류 크기인 18.616A 보다 작게 나타나므로 A상에 위치하는 콘덴서 부하에 이상이 있음을 알 수 있다.
상기 패턴 확인 결과 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 15% 이상 증가하는 경우, 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손이 발생하였음을 사용자에게 리포팅한다. 발명자들이 수차례 실험을 통해 상기 콘덴서 부하의 소손 여부를 판별하기 위한 수치값으로 상기 15% 라는 값을 산출하였다.
보다 안정적으로 상기 콘덴서 부하에 대한 소손 여부를 판별하기 위하여 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 22% 이상 증가하는 경우 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손이 발생하였음을 리포팅할 수도 있다.
단일 콘덴서는 약 8%의 유효전력에서 파괴됨에 따라 상기 8% 이전에 경보대역 혹은 회로차단대역을 설정할 수 있다. 예를 들어, 4%의 유효전력에서 경보, 6%의 유효전력에서 회로차단을 수행하도록 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 AB상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로를 도시한 회로도이다.
AB상에 위치하는 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락 등에 의하여 소손되는 경우 상술한 바와 같이 병렬 연결된 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하게 된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, AB상에 위치하는 소손된 콘덴서 부하는 콘덴서 뱅크의 AB상에 1kΩ 병렬저항을 삽입하여 구현될 수 있다. 상기 3상 각각에 대한 임피던스 변화를 산출한다. 상기 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로에 대하여 인가전압이 6.6kV, 전원주파수가 60Hz, 1상당 L값이 104.328mH, 1상당 C값이 4.0596uF 인 경우 상기 요소값을 이용하여 각 상의 임피던스를 산출할 수 있다. 상기 산출 결과 ZAB = jωL+((1/jωC)×R)/((1/jωC)+R) = (R/(ω2C2R2+1))+j(ωL-(ωCR2)/(ω2C2R2+1)) = 299.195-j418.87, ZBC = jωL+(1/jωC) = -j614.07, 및 ZCA = jωL+(1/jωC) = -j614.07 으로 AB상의 임피던스 크기는 514.51Ω이고, BC상 및 CA상의 임피던스 크기는 614.07Ω 이다. 상술한 바와 같이, 열화가 진행되는 AB상의 임피던스 크기는 BC상 및 CA상의 임피던스 크기보다 작게 나타난다.
또한, IAB = VAB/ZAB = 6600∠30/514.51∠-54.44 = 12.82∠84.44A, IBC = VBC/ZBC = 6600∠-90/614.07∠-90 = 10.747∠0A, 및 ICA = VCA/ZCA = 6600∠150/614.07∠-90 = 10.747∠240A 이므로 키르히호프의 전류법칙(KCL)에 따라 각 상의 전류를 산출할 수 있다. 상기 산출 결과 IA = IAB-ICA = 23.02∠73.3A, IB = IBC-IAB = 15.91∠-53.3A, 및 IC = ICA-IBC = 18.61∠-150A 으로 A상의 전류 크기가 가장 크게 나타난다. 따라서, AB상에 위치하는 콘덴서 부하에 이상이 있음을 알 수 있다.
즉, AB상에 위치하는 콘덴서 부하가 소손되는 경우 AB상에서의 임피던스값은 감소하고 상기 AB상에서의 임피던스 변화로 인한 임피던스 불균형은 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로에 불평형 전류를 흐르게 한다. 또한, 상기 AB상에서의 임피던스값 감소에 대응하여 상기 A상에서의 전류값은 증가한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 AB상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로의 경우 각 상의 전류 변화 패턴을 도시한 도면이다.
AB상에 위치하는 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락 등에 의하여 소손되는 경우 상술한 바와 같이 병렬 연결된 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하게 된다. 상기 콘덴서 부하의 열화가 진행될수록 상기 저항의 크기는 무한대에서 점차 작아지게 된다. 이러한 경우, AB상에 위치하여 열화가 진행중인 콘덴서 부하는 상기 콘덴서 뱅크의 AB상에 삽입된 병렬저항의 크기를 1100Ω에서 1Ω으로 변화시켜 구현될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, AB상에 위치하는 콘덴서 부하의 열화에 따른 1100Ω에서 1Ω으로의 임피던스 변화에 대한 상기 3상 각각에서의 전류 변화 패턴을 도출할 수 있다. 상기 패턴 확인 결과 A상의 전류 크기가 가장 크게 나타나므로 AB상에 위치하는 콘덴서 부하에 이상이 있음을 알 수 있다.
상기 패턴 확인 결과 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 15% 이상 증가하는 경우, 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손이 발생하였음을 사용자에게 리포팅한다.
상술한 바와 같이, 상기 콘덴서 부하의 소손 여부를 판별하기 위한 상기 15% 라는 수치값은 발명자들이 수차례 실험을 통해 산출한 값이다. 또한, 보다 안정적으로 상기 콘덴서 부하에 대한 소손 여부를 판별하기 위하여 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 22% 이상 증가하는 경우 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손이 발생하였음을 리포팅할 수도 있다.
예를 들어, 4%의 유효전력에서 경보, 6%의 유효전력에서 회로차단을 수행하도록 설정함으로써 상기 사용자에게 상기 콘덴서 뱅크에서 열화가 진행중임을 리포팅할 수 있다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 상술한 바와 같이, A상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 와이-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로 및 AB상에 소손된 콘덴서 부하를 포함하는 델타-결선 콘덴서 뱅크 보호 회로를 예로 들어 설명하지만, 상기 3상 중 어느 하나 이상의 상에서 소손된 콘덴서 부하를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 콘덴서 뱅크는 상기 하나 이상의 콘덴서 부하를 케이스에 수납한다. 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 상기 케이스의 내압은 상승하게 되고 이로 인해 상기 케이스는 팽창하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 따르면 상기 케이스의 위치변이에 따라 스위칭을 행하는 리미트 스위치를 포함할 수 있다. 상기 리미트 스위치는 상기 케이스의 일측벽에 설치될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치는 상기 리미트 스위치의 스위칭에 의하여 상기 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 제어할 수 있다.
리미트 스위치부는 상기 콘덴서 부하의 소손에 의하여 상기 케이스가 팽창하는 경우 리미트접점 간을 연결할 수 있다. 이러한 경우, 상기 리미트 스위치부는 상기 리미트접점 간이 연결되었음을 알리는 리미트접점신호를 상기 차단기로 송출할 수 있다.
상기 차단기는 상기 리미트 스위치부로부터 상기 리미트접점신호를 수신하고 상기 리미트접점신호에 대응하는 전류·전압 트립신호를 생성한다. 상기 차단기는 상기 전류·전압 트립신호를 상기 콘덴서 뱅크로 전송하여 상기 콘덴서 뱅크의 운전을 중지시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 따르면 상기 리미트 스위치부와 연동하여 콘덴서 부하가 소손되었음을 알리는 경보수단을 더 구비할 수 있다. 상기 경보수단은 시각적으로 비상상황을 표시하기 위한 발광수단 및 청각적으로 비상상황을 표시하기 위한 사운드 발생수단 중 하나 이상을 포함하도록 구현될 수 있다. 상기 경보수단은 상기 리미트 스위치부가 온 상태일 경우에 동작하도록 구성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 따르면 상기 경보수단을 통해 상기 콘덴서 부하에 소손이 발생하였음을 상기 사용자에게 리포팅할 수 있다.
삭제
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. A상, B상, 및 C상인 3상 각각에 병렬로 연결되는 하나 이상의 콘덴서 부하를 포함하는 콘덴서 뱅크(capacitor bank) 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법에 있어서,
    상기 3상 각각에 대한 임피던스(impedance) 변화를 산출하는 단계;
    상기 임피던스 변화에 따른 상기 3상 각각에 대한 전류 변화의 패턴(pattern)을 도출하는 단계; 및
    상기 패턴 확인 결과 상기 3상 중 가장 큰 전류 변화량을 갖는 해당 상에서의 전류값이 상기 해당 상에 대한 초기 전류값보다 15% 이상 증가하는 경우, 상기 해당 상에서 콘덴서 부하에 대한 소손(燒損)이 발생하였음을 사용자에게 리포팅하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서 뱅크 보호 회로는 콘덴서 뱅크가 포함하는 부하의 접속이 와이(Y)결선인 와이(Y)회로이거나 상기 콘덴서 뱅크가 포함하는 부하의 접속이 델타(△)결선인 델타(△)회로인 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 변화는 무한대에서 0으로 근접하는 방향으로 변화하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서 뱅크 보호 회로는 상기 콘덴서 부하와 병렬 연결되는 가상의 무한대 저항을 포함하고, 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 해당 콘덴서 부하와 병렬 연결되어 있는 가상의 무한대 저항이 순저항(R) 성분으로 작용하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 상기 콘덴서 부하를 포함하는 해당 상에서의 임피던스값은 감소하고, 상기 임피던스값의 변화로 인한 임피던스 불균형은 상기 콘덴서 뱅크 보호 회로에 불평형 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 보호 회로의 콘덴서 뱅크 보호 방법.
  6. 하나 이상의 콘덴서 부하를 케이스에 수납하는 콘덴서 뱅크(capacitor bank)를 보호하는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치에 있어서,
    상기 케이스의 일측벽에 설치되어 상기 콘덴서 부하가 내부 소자의 단락에 의하여 소손되는 경우 상기 케이스의 내압 상승으로 인한 상기 케이스의 위치변이에 따라 스위칭을 행하는 리미트 스위치부의 스위칭에 의하여 상기 콘덴서 뱅크 및 차단기 간의 접속을 제어하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 리미트 스위치부는 상기 케이스의 내압 상승으로 인한 상기 케이스의 위치변이가 소정치를 초과하는 경우 리미트접점 간을 연결하여 상기 리미트접점이 연결되었음을 알리는 리미트접점신호를 상기 차단기로 송출하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 콘덴서 뱅크의 기계적 보호장치는 경보부를 포함하고,
    상기 경보부는 상기 리미트 스위치부가 온 상태일 경우에 동작하도록 구성되고 시각적으로 비상상황을 표시하기 위한 발광수단 및 청각적으로 비상상황을 표시하기 위한 사운드 발생수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크의 기계적 보호 장치.
  9. 삭제
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