KR101099953B1 - 복합절연 계기용 전자식 변성기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압 계기용 변성기를 전자식 변성기로 구성하고 고체절연과 기체절연을 혼합 사용함으로써 절연의 효율을 높이고 제품의 가격 경쟁력 및 안정성을 확보할 수 있는 복합절연 계기용 전자식 변성기에 관한 것으로, 저항 분압을 이용하는 전자식 전압 변성기, 로고스키 코일을 적용한 전자식 전류 변성기, 상기 전자식 전압 변성기및 상기 전자식 전류 변성기와 연결되며 고압 및 대전류가 흐르는 부스바, 계기용 전자식 변성기의 외면을 형성하며 외부공기로부터 차폐된 케이스 그리고, 상기 부스바에 연결되며 상기 케이스의 외부에 돌출되어 고압의 외부 케이블과 연결되는 부싱을 포함하며, 상기 전자식 전압 변성기, 전자식 전류 변성기, 부스바 및 부싱은 고체매질에 의해 몰딩되어 1차 절연되며, 상기 케이스의 내부는 가스가 충진되어 2차 절연되는 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

Description

복합절연 계기용 전자식 변성기{Composite Insulated Electronic Instrument Transformer}

본 발명은 복합절연 계기용 전자식 변성기에 관한 것으로, 고압 계기용 변성기를 전자식 변성기로 구성하고 고체절연과 기체절연을 혼합 사용함으로써 절연의 효율을 높이고 제품의 가격 경쟁력 및 안정성을 확보할 수 있는 복합절연 계기용 전자식 변성기에 관한 것이다.

계기용 변성기란 고압/대전류의 신호를 저압/소전류로 변성하여 계량기에서 전력량을 계량할 수 있도록 하는 장치이다.

도 1은 고압선로에 연결되어 전력을 계량하기 위한 기존 철심형 계기용 변성기의 회로도를 나타낸 도면이다. PT(계기용 변압기)부와 CT(계기용 변류기)부를 조합한 계기용 변성기로서, PT부는 고압선과 중성선 사이에 전기적으로 연결되어 있으므로 1, 2차 권선의 단락 등의 사고가 일어나게 되면 큰 사고 전류가 PT 1차측을 통하여 계통으로 흐르게 되고, 이러한 결과로 MOF(Metering Out-Fit)의 손상 뿐만 아니라 전체 계통으로의 사고 파급의 우려가 있었다.

한편, 철심형 계기용 변성기는 크게 유입형과 몰드형으로 구분되며, 특히 몰드형은 절연 매질로 몰드를 사용하기 때문에 최근 많이 사용되고 있다. 도 2는 기존 철심형 계기용 변성기의 단면을 나타낸 도면이다. 철심 코어(3, 6)에 1차 권선(1, 4)와 2차 권선(2, 5)를 권취하여 고전압 및 대전류 신호를 저전압 및 대전류 신호로 변성을 한다.

도 2에서와 같이 기존의 계기용 변성기는 절연 매질로 오일 또는 에폭시 몰드를 이용한다. 내부가 철심과 권선 등의 금속으로 채워져 있기 때문에 무겁고 크기가 매우 크다.

또한, 오일을 사용하여 절연하는 유입형의 경우는 가격은 저렴하나 크기가 크고, 부분방전 특성이 좋지 않기 때에 오일의 열화에 의해 장기간의 작동에 따른 신뢰성이 저하되고 유지보수가 어려운 문제가 있었다.

또한, 에폭시 몰드를 사용하여 절연한 몰드형의 경우는 유지보수가 용이하고 부분방전 및 절연 특성은 우수하나 고가이고, 에폭시 표면에 전하가 충전되므로 사용시 안전성을 담보하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 일부 절연물의 두께가 매우 얇아 에폭시 경화시 초기 크랙 발생 확률이 매우 높고, 외부 충격에 약한 문제가 있었다. 한편, 방전이 발생하게 되면 표면 침식현상으로 절연물의 두께가 시간이 지남에 따라 얇아지게 되며 그에 따른 사고의 발생 위험도 커지게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 기계식 변성기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 계기용 변성기를 전자식 변성기로 구성하여 기존 변성기 대비 계통에 대한 변성기의 안전성 및 신뢰성을 높이고 고체절연과 기체절연을 혼합 사용함으로써 절연의 효율을 높이고 제품의 가격 경쟁력 및 안정성을 확보하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 계기용 전자식 변성기는 저항 분압을 이용하는 전자식 전압 변성기, 로고스키 코일을 적용한 전자식 전류 변성기, 상기 전자식 전압 변성기및 상기 전자식 전류 변성기와 연결되며 고압 및 대전류가 흐르는 부스바, 계기용 전자식 변성기의 외면을 형성하며 외부공기로부터 차폐된 케이스 그리고, 상기 부스바에 연결되며 상기 케이스의 외부에 돌출되어 고압의 외부 케이블과 연결되는 부싱을 포함하며, 상기 전자식 전압 변성기, 전자식 전류 변성기, 부스바 및 부싱은 고체매질에 의해 몰딩되어 1차 절연되며, 상기 케이스의 내부는 가스가 충진되어 2차 절연되는 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 계기용 전자식 변성기는 상기 전자식 전류 변성기와 상기 부스바는 일체로 몰딩되는 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 계기용 전자식 변성기는 상기 케이스는 외부의 고전압이나 노이즈를 차폐하도록 금속재질로 형성되며 접지된 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 계기용 전자식 변성기는 상기 고체매질은 에폭시, 폴리머 계열의 수지 및 실리콘 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 계기용 전자식 변성기는 상기 케이스의 내부에 충진되는 가스는 6플루오린화황(SF6)인 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기를 제공한다.

전자식 변성기는 기존에 사용하던 철심형 변성기와는 다르게 출력 신호가 고에너지의 전압과 전류가 아닌 소신호의 전압으로 출력되기 때문에 마이크로프로세서 응용기기에 적합하다. 특히 철심을 이용하지 않기 때문에 작고 가벼우며, 포화가 되지 않기 때문에 하나의 센서로 계전과 계측이 모두 가능하다. 또한 2차측 개방 및 단락에 의한 소손이 없기 때문에 사고의 위험이 적고 변성기에서 발생한 사고를 상위의 계통으로 전파시키지 않기 때문에 계통의 안전성 확보도 가능하다.

또한, 에폭시가 최소한 적용되었으므로 기존의 몰드형 계기용 변성기보다 가볍고, Dry Air로 2차 절연되었으므로 안전성이 높다. 또한 금속제 케이스를 사용하였으므로 전기적/기계적 안전성이 모두 높다.

또한, 접지된 금속 케이스로 차폐가 되었으므로 전자식 변성기의 출력신호가 안정적이고 고정밀의 전자식 변성기 제작이 가능하다.

또한, 하나의 계기용 변성기로 탭을 변화시키지 않아도 수십 Ampere의 저전류에서 수천 Ampere의 고전류까지 고정밀도로 계측이 가능하다. 보다 구체적으로는, 기존 철심형 변성기 전류 정격은 50,100 및 200A 등으로 사용 용도에 맞게 Tap을 변화시켜 고정적으로 사용되나, 본 발명과 같이 계기용 전자식 변성기를 사용하는 경우 50~1000A 사이에서 Tap을 변화시키지 않아도 광범위로 정밀도를 유지하여 측정 가능한 이점이 있다.

따라서, 기존의 철심형 변성기를 대신해 전자식 변성기를 사용함으써 제품의 사이즈 및 무게를 축소하였고, 2차측 단락이나 개방, 전압과 전류 변성기 혼촉에 의하여 사고가 발생하는 기존의 철심형 변성기 보다 안전성 및 신뢰성이 우수하다.

또한, 기존의 Oil을 사용한 유입형 대신 에폭시를 사용한 고체 절연과 Dry Air를 사용함으로써 친환경적인 변성기를 제작할 수 있으며, 제품의 무게를 경량화 할 수 있게 된다. 외부에 접지된 금속 케이스를 설치함으로써 에폭시에 충전되는 전하에 의한 사고 가능성이 배제될 수 있고, 외부 Noise 또는 이상 신호에 따른 전자식 변성기의 오차를 줄여 정밀도를 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 계기용 변성기의 작동 원리를 나타내는 회로도.
도 2는 종래 기술에 따른 계기용 변성기의 정단면도.
도 3은 본 발명에 따른 복합절연 계기용 전자식 변성기의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 복합절연 계기용 전자식 변성기의 단상조립상태를 나타낸 측면도.
도 5는 로고우스키 코일의 작동 원리를 나타낸 도면.
도 6은 로고우스키 코일의 차폐구조물을 나타낸 사시도.
도 7은 전자식 전압변성기를 나타낸 사시도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합절연 계기용 전자식 변성기의 사시도.
도 9는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 복합절연 계기용 전자식 변성기의 단상조립상태를 나타낸 측면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합절연 계기용 전자식 변성기를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 개념에 따른 전자식 변성기를 나타내며, 도 4는 단상조립도를 나타낸다. 3상(R, S, T)의 에폭시로 1차 절연된 전자식 전류 변성기(8)와 전자식 전압 변성기(9)가 에폭시로 절연된 고압의 대전류가 흐르는 부스바(10)와 연결되어 건조된 공기에 의해 2차 절연되어 금속재질의 케이스(7)에 수용된다. 상기 부싱(11)은 고압의 케이블과 직접 연결되는데, 에폭시로 몰딩되어 부스바(10)와 연결된다. 한편, 상기 부싱(11)은 상기 케이스(7)에 형성된 개구에 삽입되어 결합하는데, 외부 공기와 케이스(7)의 내부가 기밀되도록 케이스(7)와 부싱(11)이 결합되는 부위는 실링되는 것이 바람직하다.

도 5는 로고우스키 코일을 이용한 종래의 전자식 전류 변성기에 대한 기본 개념을 나타낸다. 코어(12)가 내부에 공간을 가지고 도선(13)이 권취되면, 코어 내부의 공간은 단면적(S)를 가지고, 상기 코어 내부 공간을 관통하는 도체(14)에 흐르는 전류(i)에 따라 출력(v)가 발생하게 된다.

상기와 같이 코어(12)에 의한 공간의 단면적(S)를 관통하는 도체(14)에 전류(i)가 인가되면, 코어(12)에 권선된 도선(13)에 유도되는 전압의 식은 다음과 같다.

이때 μ。는 진공의 투자율이고, n 은 코어(12)에 권선된 단위 길이당 권선 수, S는 코어의 내부 공간의 단면적을 의미한다. 상기와 같이 로고우스키 코일에 의해 유도된 출력은 소신호 출력이므로 외부의 자계에 대해 민감하게 반응한다. 따라서 외부 자계의 차폐와 노이즈를 막기 위한 수단이 필요하다.

도 6은 로고우스키 코일에 전자기적 차폐를 위한 구조물을 도시한다. 이하, 이를 차폐구조물(15)이라 한다. 로고우스키 코일은 특성상 고압이 인가되지 않고 접지와 소전압 신호 출력을 발생시키는 부분으로 구성되어 있으므로 자체만으로는 전기적으로 안전하다.

그러나, 로고우스키 코일이 접지된 차폐구조물(15)로 마감이 되어 있으므로 고압이 인가되는 부스바(10)와 사이에서 절연의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 안전성을 증가시키기 위하여 부스바(10)뿐만이 아니라 로고우스키 코일도 절연하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 차폐구조물(15)이 에폭시로 절연된 실시예가 도 6의 우측에 도시된다.

도 7은 저항 분압을 이용한 전자식 전압 변성기를 나타낸다. 상기 전압 변성기는 상부의 고압저항(16)과 하부의 저압저항(17)으로 구분되는데, 아래의 수학식과 같은 공식에 따라 부스바(10)에 인가된 고압을 저전압으로 분압한다.

이때, 고압저항(16)의 저항 값은 R₁, 저압저항(17)의 저항 값은 R2이고 부스바(10)에 인가된 전압 값은 V(t)_i이고, 출력 전압값은 V(t)_o으로 표시된다. 여기서, 전자식 전압변성기에는 고압~접지가 순차적으로 인가되므로, 전체적으로 절연이 필수적이다. 따라서 에폭시로 절연하고 연면거리를 증가시키기 위하여 표면에 굴곡을 준다.

따라서, 고압부싱(11)을 제외하고 고압이 인가되는 모든 부분과 전자식 전류 변성기가 본 발명의 개념에 따라 몰딩되며, 바람직하게는 5~10mm 두께의 에폭시로 몰딩된다. 일반적으로 정격전압 25.8kV에서 5mm의 에폭시는 상용주파 내전압과 임펄스 내전압을 모두 견딜 수 있다.

그러나, 사용 시간이 증가함에 따라 에폭시 표면에 먼지나, 염분, 금속 가루 등의 이물질이 쌓이게 되면 절연내력이 저하된다. 또한 방전등에 의하여 에폭시 표면에 전기적 충격이 가해지게 되면 표면은 침식되고 이 또한 절연내력의 저하로 이어진다. 그리고 에폭시에는 전하가 충전될 수 있으므로 사용자가 표면을 접촉할 경우 사고 발생이 가능하다.

또한, 에폭시를 두껍게 몰딩 할 경우 제품의 무게와 크기가 커지는 문제점이 발생한다. 따라서 고압 부싱(11)을 제외하고 접지된 외함(7)에 들어가는 모든 부품은 최소한의 에폭시로 몰딩하고 수분과 이물질 등을 제거한 Dry Air를 이용하여 2차로 절연한다. Dry Air를 대기압과 비교하여 수배로 충전시킬 경우 절연내력은 그만큼 강화되는 이점이 있게 된다.

또한 접지된 케이스(7)는 안전성 뿐만이 아니라 외부의 고전압이나 noise를 차폐시키므로 보다 안정적인 전자식 변성기의 출력 신호를 얻을 수 있어 고정밀의 변성기 제작이 가능해진다. 일반적으로 로고우스키 코일은 선형성이 우수하여 기존의 변성기처럼 탭을 변환시키지 않아도 넓은 전류 범위의 계측이 가능하다. 그러나 저전류에서는 외부의 영향을 받으므로 정밀도를 유지하기가 어렵다. 그러나 접지된 금속 케이스(1)는 외부의 영향을 차폐하여 저전류 영역에서도 고정밀도를 유지할 수 있게 한다. 그리고 외함 설치시 외부의 기계적 충격으로부터 제품을 보호할 수 있으므로 전기적인 안전성 뿐만이 아니라 기계적 안전성도 강화된다.

도 8 및 도 9는 전자식 전류 변성기와 부스바를 하나로 몰딩하는 개념을 나타낸다. 도 8은 케이스 외부에 돌출되는 각 상의 부싱이 일체로 형성되는 것을 도시한다. 도 9는 부스바가 하나로 몰딩되는 모습을 나타낸다. 이러한 개념에 따라 전자식 전류 변성기가 조립될 때 필요한 공간이 축소되며, 전체적인 제품의 사이즈가 작아지는 이점이 있다.

한편, 전자식 변성기는 저항 분압형 전자식 전압 변성기를 사용할 수 있지만, 커패시터 분압형 전자식 전압 변성기를 사용할 수 있음은 물론이다.

또한, 케이스 내부에 충진되는 Dry Air는 절연을 위해 사용되는데 일반적인 대기에서 수분과 이물질을 제거하여 충진되는데, N₂+O₂의 혼합공기로 제작될 수 있다. 또한, 바람직하게는 H₂와 같은 인체에 무해한 기체로 절연이 가능하다. 또한, 6플루오린화황(SF6) 가스를 사용할 수 있는데, SF6 가스를 사용하는 경우 절연효율이 높으므로 케이스의 사이즈가 50~70% 축소가 가능한 이점이 있음에 유의하여야 한다.

한편, 절연 매질에 상기 에폭시와 같은 매질을 예로 들었지만, 폴리머 계열이나 실리콘을 이용한 고체절연도 가능하며, 그 밖에 고체 매질을 사용한 절연매질로 선택하여 사용할 수 있음은 물론이다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

7...케이스 8...전류 변성기
9...전압 변성기 10...부스바
11...부싱 12...코어
13...도선 14...도체
15...차폐구조물 16...고압저항
17...저압저항

Claims (5)

1. 계기용 전자식 변성기로서,
   저항 분압을 이용하는 전자식 전압 변성기;
   로고스키 코일을 적용한 전자식 전류 변성기;
   상기 전자식 전압 변성기 및 상기 전자식 전류 변성기와 연결되며 고압 및 대전류가 흐르는 부스바;
   계기용 전자식 변성기의 외면을 형성하며
   외부공기와, 고전압 및 노이즈를 차폐하도록 금속재질로 형성되며 접지된 케이스; 및
   상기 부스바에 연결되며 상기 케이스의 외부에 돌출되어 고압의 외부 케이블과 연결되는 부싱;을 포함하며,
   상기 전자식 전압 변성기, 전자식 전류 변성기, 부스바 및 부싱은 에폭시, 폴리머 계열의 수지 및 실리콘 중의 어느 하나로 마련되는 고체매질에 의해 몰딩되어 1차 절연되고,
   상기 케이스의 내부는 6플루오린화황(SF6) 가스가 충진되어 2차 절연되며,
   상기 전자식 전류 변성기와 상기 부스바는 일체로 몰딩되는 것을 특징으로 하는 계기용 전자식 변성기.
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