KR101573183B1

KR101573183B1 - 인출형 고장전력 복구 변압기

Info

Publication number: KR101573183B1
Application number: KR1020150101566A
Authority: KR
Inventors: 김나운; 김인태
Original assignee: 김인태; (주)대정전기
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-11-30

Abstract

고장전력 복구 변압기 자체의 소손 등 고장시에 그리고 변압기의 용량 변경 등 교체시에 정전 상태를 만들지 않고 정상적인 전력의 사용이 가능하도록 하면서 변압기 교체가 가능한 인출형 고장전력 복구 변압기에 관한 발명. 본 발명은, 각 상별 레그와, 이 레그에 권취된 하나 이상의 권선, 그리고 하나 이상의 권선의 각 권선의 양단 와이어가 연결되는 인출용 단자를 포함하는 상별 단위 모듈; 상기 단위 모듈들이 수용되는 랙프레임; 상기 랙프레임에 포함되며, 상기 상별 단위 모듈의 인출용 단자가 탈착가능하도록 접속되는 랙프레임 접속부; 상기 랙프레임 접속부에 상기 인출용 단자가 접속된 때에 상기 권선들이 고장전력 복구 변압기로 작용할 수 있도록 각 인출용 단자에 연결된 권선들의 와이어를 상기 랙프레임 접속부 측에서 배선하는 배선부를 포함하여, 각 상의 단선 내지는 결상을 자동으로 복구하는 고장전력 복구 변압기의 작용에 의하여 무정전 상태에서 상기 단위 모듈을 교체하는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

인출형 고장전력 복구 변압기 {Withdrawable power failure recovery transformer}

본 발명은 인출형 고장전력 복구 변압기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고장전력 복구 변압기 자체의 고장시에, 그리고 변압기의 용량 변경 등 교체시에, 정전 상태를 만들지 않고 정상적인 전력의 사용이 가능하도록 하면서 변압기 교체가 가능한 인출형 고장전력 복구 변압기에 관한 것이다.

정보화 사회에서는 전기는 동맥과도 같으며, 이를 관리하는 것이 생활의 품질을 높이는 중요한 시작점이다. 일반적으로 전력계통에 있어서, 22.9kV-Y 배전방식은 3상 4선식 배전선로를 통해 변전소로부터 공장이나 빌딩과 같은 큰 규모의 수용가에 직접 전력을 공급하거나, 2차 변압기를 통해 소규모 공장이나 일반 가정에 전력을 공급하는 방식이다. 그리고 전기의 안정적인 사용을 위하여 단계별로 다양한 계전장치를 통하여 관리되고 있다.

전기사업자는 에너지 효율을 위하여 초고압으로 전기를 전송하며, 전송된 전기는 하부 자가용수용가로 내려갈수록 변압기를 통해 단계적으로 낮은 전압으로 변환되어 사용된다. 그리고 안정적인 동작을 위하여 각 단계마다 계전기가 사용된다. 계전기는 입력되는 전압과 전류를 감지하여 과전류/과전압/결상/역상/지락전류 등을 검출하고 차단기(CB: circuit break)를 동작시켜 전력망을 독립적으로 동작시켜 자가용수용가 측의 고장이 전기사업자 측으로, 또는 전기사업자 측의 고장이 자가용수용가 측으로 전파되지 않도록 하여, 전체 계통망을 안정적으로 동작될 수 있도록 하는 역할을 한다.

이러한 계전기 동작 중에 가장 대표적인 동작이 과전류와 결상이다. 일반적으로 과전류는 부하에서 나타나며, 따라서 자가용수용가 측 계전기가 부하 전류를 감지하여 부하를 차단시키면 된다. 따라서 가장 흔한 과전류에 의한 계전기 동작은 개별적인 동작으로 일어나며, 과전류가 발생한 바로 상부 계전기만 동작하면 된다. 만일 발생된 과전류가 최상부 계전기(전기사업자 계전기)까지 동작시킬 수 있는 큰 전류였다면, 상부 계전기도 과전류 동작에 의해 상부 차단기를 차단시킬 것이며, 이에 전기사업자에 연결된 모든 자가용수용가가 동시에 차단되는 대형 사고가 발생된다.

따라서 이러한 동작을 억제하기 위하여 과전류 계전기는 정한시/반한시/초반한시 등의 다양한 동작 조건을 갖고 과전류의 크기에 따라서 동작시간이 가변적으로 동작하도록 구성된다. 다시 말하면, 하부 과전류 계전기의 동작시간이 상부 과전류 계전기의 동작시간보다 빠르도록 설정하여, 과전류를 만들어 내는 부하를 빠른 시간 내에 계통으로부터 분리해냄으로서 전체 계통망이 안정적으로 동작하도록 하고 있다.

따라서 일반적인 모든 조건에서는 과전류 계전기가 동작한 경우는 동작한 계전기 아랫단에서 과전류가 발생되었음을 쉽게 알 수가 있으며, 이는 고장 부위를 한정적으로 제시해 주기 때문에 빠른 시간 내에 고장 원인을 찾을 수 있어 원상 복구가 가능하다.

그리고 현장에서 흔히 발생하는 또다른 계전 동작에 결상계전기의 동작이 있다. 이는 3상 중 어느 한상이 전압이 나오지 않는 상태 즉 결상이 발생한 경우에 결상계전기가 동작하는 것이다. 결상은 망에서 한 상의 회로가 단선되는 경우이며, 그 원인은 퓨즈의 단선/배전선로의 단선/변압기의 단선/차단기의 단선/접촉불량 등이 있다. 결상이 발생하면, 부하의 입장에서는 한 상에 전원이 공급되지 못하는 상태가 되므로 3상을 사용하는 시스템에서는 치명적인 문제점이 발생한다. 따라서 빠른 시간 내에 이를 감지하여 차단시킬 필요가 있다. 그러나 결상계전기의 동작은 과전류 계전기와는 다르게 일어나며, 따라서 결상이 발생한 부위를 능동적으로 찾아내기가 쉽지 않다.

3상 4선식 전력계통은, Y 결선, 델타 결선, 와이델타 결선 등의 방법으로 중성선(N)과 전력선(R상, S상, T상)을 결합하여 전력을 공급해주게 된다. 여기서 연결시 하나의 전력선과 다른 전력선을 연결하면 380V가 되고, 하나의 전력선(예를 들어, A상)과 중성선(N)을 연결하면 220V가 되어 부하에 전력을 공급해주게 된다. 여기서 중성선(N)은 다상 다선식 선로에서 각 상의 한쪽의 선로를 공통(common)으로 하는 선로를 의미한다.

원칙적으로 3상을 사용하려면 전선이 6가닥이 필요하다. 하지만, 단상 2선식 선로의 위상을 120°씩 틀어서 한쪽 선을 모두 공통으로 하면 4가닥으로 줄어들고, 공통으로 한곳의 전위는 벡터적 합에 의하여 제로(0)가 된다. 이러한 제로전위(영 전위)가 바로 기준전위가 되고 이른바 N상, 즉, 중성선이 된다. 이런 상태에서 중성선은 원칙적으로 대지 전위인 영전위를 가져야 하나 실제로 현장에서 각 상의 위상이 정확히 120°가 나오지 않을 때는 약간의 전압이 나타날 수도 있다. 이때 중성선 전위의 상승을 막기 위해 대지 전위선인 접지선에 중성선을 공통연결하면 각 상의 위상이 약간 차이가 나게 되어도 대지와 닿아 있기 때문에 영전위를 유지하게 된다.

3상 4선식을 채택하고 있는 우리나라의 전력계통의 특징상 단상부하와 3상부하가 혼합되어 중성선과 전력선에는 불평형 전류가 흐르게 되고, 불평형 전류가 발생하면 변압기의 효율이 저하되어 전력이 낭비되고 변압기 소손의 원인이 된다.

또한 최근에는 컴퓨터, LED 등 조명장치, 복사기 등 사무기기, 무정전전원공급장치(UPS) 등과 같은 비선형 부하장치의 증가로 인하여 중성선에는 더 많은 영상 고조파가 흐르게 되었다. 여기서 고조파(Harmonics)란 기본 주파수의 2배, 3배, 4배와 같이 정수배에 해당하는 주파수를 말하며, 왜곡파 또는 왜형파라고 하며, 특히 여러 차수의 고주파 중에서 3, 6, 9 등과 같이 고주파 차수가 3의 배수에 해당하는 고주파 성분을 영상 고조파라고 한다.

영상 고조파는 각 3상의 위상이 동상의 값을 가지므로 단상전원 3개가 병렬로 연결된 것과 같이 중성선에 중첩되어 최대 3배의 영상 고조파가 흐르게 된다. 이와 같이 중성선에 과다한 영상 고조파가 흐르게 되면 중성선 도체의 과열 등으로 인해 붓싱 부분이 단선되거나 중성선이 단선되고, 또는 중성선과 전력선에 과도한 전류가 흐르게 된다.

여기서 중성선이 단선되면 임피던스가 큰 부하측 누전차단기의 파손이 발생하고, 중성선과 전압측 선로에 연결된 엘리베이터 약전 기기 등의 부하가 소손하는 사고가 발생하게 된다. 또한 중성선과 전력선에 과도한 불평형 전류가 흐르게 되면 전력이 낭비되고 변압기 및 중성선의 소손 원인이 제공된다.

이러한 결상, 단선, 불평형 과전압, 과전류, 영상고조파로 인해 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 본 발명자는 등록특허 10-1441791(2014.9.17. 공고)(발명의 명칭: 배전계통의 결상시 결상복구기 및 그 복구방법)와 등록특허 10-1446308(2014.10.1. 공고)(명칭: 변압기를 구비한 결상복구기)를 발명한 바 있다. 여기에는, 3상 4선식 배전 계통에서 전력선의 결상, 중성선의 단선 및 전력선과 중성선에 불평형 이상전류가 발생할 시, 전력선의 결상, 중성선의 단선 및 전력 불평형의 발생을 정상으로 복구하고, 영상 고조파를 감소시켜 정상전력을 유지시켜 줄 수 있도록 하는 결상복구기 및 이를 고장전력 복구 변압기가 개시되어 있다.

이들 선등록 특허에서는 결상 복구를 위하여 도 1과 같이 구성되는 변압기를 제시하고 있다. 도 1은 본 발명자의 선등록 특허에 따른 결상복구기가 구현된 고장전력 복구 변압기를 나타낸다. 도 1의 변압기에서는 1차측은 생략되어 있고 2차측만 도시되어 있다. 도 1에서 R, S, T는 각각 3상의 위상, N은 중성선, Rt는 R상의 전력선(코일)이 T상의 위상에 권취된 권선, Rs는 R상의 전력선(코일)이 S상의 위상에 권취된 권선, Rr은 R상의 전력선(코일)이 R상의 위상에 권취된 권선, St는 S상의 전력선이 T상의 위상에 권취된 권선, Ss는 S상의 전력선이 S상의 위상에 권취된 권선, Sr은 S상의 전력선이 R상의 위상에 권취된 권선, Tt는 T상의 전력선이 T상의 위상에 권취된 권선, Ts는 T상의 전력선이 S상의 위상에 권취된 권선, Tr은 T상의 전력선이 R상의 위상에 권취된 권선을 나타낸다. 170은 코일, 즉, 권선을 나타내고, 120은 제1레그, 130은 제2레그, 140은 제3레그를 나타낸다.

도 1에서 Y 결선과 V 결선의 벡터도를 볼 수 있다. 예를 들어 전력선의 R상이 결상되었다고 가정하여 설명하면, 전력선의 결상과 동시에 전력선에 접속 연결되어 있는 결상복구기의 R, S, T레그(120, 130, 140)의 인덕턴스를 구비한 코일은, 결상된 R상의 전력없이 S상과 T상의 두 전력이 결상복구기에 공급되어 이 전력 공급장치의 전력선과 연결된 Y 결선된 결상복구기의 S상과 T상에 권취된 코일(Ss, Tt)에 의해서 S(130)와 T(140)의 레그(철심)에는 자속이 형성되고, S상과 T상의 레그에 권취된 코일(Ss, Tt)의 상기 코일의 반대로 권취된 코일들 중에서 전력선 R과 연결된 V 결선된 코일(Rs, Rt)이 전자기 유도되어 S(130)상과 T(140)상의 반대의 위상(벡터)을 코일이 권취된 순서대로 R상(120)과 같은 위상을 만들어 전력을 공급하게 되면 R상에 Y 결선된 코일(Rr)에 의해 R상의 레그(120)에도 자속이 형성되어 정상적으로 전력을 공급하게 된다. 더 상세하게 설명하면, 상기 전력 공급장치의 전력선(R, S, T)인 전력선 R상을 기준으로 하였을 때 왼쪽으로 120도 틀어진 T위상(벡터)과 오른쪽으로 120도 틀어진 S위상(벡터), 상기 S, T위상(벡터)이 각각 반대의 위상(벡터)인 180도를 회전하면, R위상(벡터)을 기준으로 S위상(벡터)은 왼쪽으로 60도가 틀어지고, T위상(벡터)은 오른쪽으로 60도가 틀어진 상태가 되며, S와 T위상(벡터)은 R위상(벡터)을 중심으로 하여서 각각 60도, 즉, S위상(벡터)과 T위상(벡터)은 120도를 유지하는 위상(벡터)이 된다. 이런 상태를 유지하는 S, T위상(벡터)을 각각 1:1로 더하면 R상의 위상이 생성되어 나타난다. 그러므로 결상된 상기 전력선의 위상이 복구되어 정상전력을 유지하게 된다.

등록특허공보 10-1441791 (2014.9.17. 공고) 등록특허공보 10-1446308 (2014.10.1. 공고)

그러나 상기와 같은 본 발명자의 선등록 발명에서는 3상 4선식 또는 3상 3선식 전력계통에서 전력선 또는 중성선 결상, 단선, 불평형전력, 영상고조파의 발생을 정상전력으로 복구하여 전기고장으로 인한 문제점을 일부 해결할 수는 있으나, 한편, 복구용변압기 자체가 소손되는 등의 고장이 발생한 경우에 변압기를 교체하기 위하여 전원을 차단해야 해서 정전 상태를 피할 수 없게 된다. 또한, 변압기의 용량을 변경하여 재설치할 때에도 전기사고 예방을 위하여 전원을 차단해서 정전 상태를 만든 후에 변압기를 교체해야만 한다.

이에, 전력계통에서 복구용 변압기 자체의 소손 또는 복구용 변압기의 용량변경 등에 의한 교체시에 전력복구용 변압기가 설치된 전력계통에서 전기를 공급받는 수용가 전체를 정전처리해야 하는 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기를 연구하였다.

따라서 본 발명이 해결하려는 하나의 과제는, 3상 4선식 또는 3상 3선식 전력계통에서 전력선과 중성선의 결상 또는 단선시의 전력 불평형 및 과전류.과전압의 발생을 방지하고 정상전압을 유지시켜 주며 각 상별 전력 불평형을 전력 평형으로 유지하고 중성선에 흐르는 영상고조파를 고장전력 복구용 변압기를 통과하여 감소할 수 있도록 하며, 고장전력 복구 변압기 자체의 소손 등 고장시에 그리고 변압기의 용량 변경 등 교체시에 정전 상태를 만들지 않고 정상적인 전력의 사용이 가능하도록 하면서 변압기 교체가 가능한 인출형 고장전력 복구 변압기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 각 상별 레그와 2차 권선을 포함하며 전력선과 중성선의 결상/단선시 이를 복구하기 위한 고장전력 복구 변압기에 있어서, 상기 각 상별 레그와, 이 레그에 권취된 하나 이상의 권선, 그리고 하나 이상의 권선의 각 권선의 양단 와이어가 연결되는 인출용 단자를 포함하는 상별 단위 모듈; 상기 단위 모듈들이 수용되는 랙프레임; 상기 랙프레임에 포함되며, 상기 상별 단위 모듈의 인출용 단자가 탈착가능하도록 접속되는 랙프레임 접속부; 상기 랙프레임 접속부에 상기 인출용 단자가 접속된 때에 상기 권선들이 고장전력 복구 변압기로 작용할 수 있도록 각 인출용 단자에 연결된 권선들의 와이어를 상기 랙프레임 접속부 측에서 배선하는 배선부를 포함하여, 각 상의 단선 내지는 결상을 자동으로 복구하는 고장전력 복구 변압기의 작용에 의하여 무정전 상태에서 상기 단위 모듈을 교체하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 "인출형 고장전력 복구 변압기"를 제공한다.

상기 단위 모듈은 결상과 단선전력을 복구하기 위한 제1레그, 제2레그, 제3레그가 각각 분리되어 구비되고, 이 분리된 각각의 레그의 1차측 및 2차측에 권취되는 제1권선, 제2권선, 제3권선을 포함한다.

회로적으로, 상기 배선부는 상기 2차측에 권취되는 제1권선은 삼상의 위상 중에 제1위상이, 제2권선은 삼상의 위상 중에 제2위상이, 제3권선은 삼상의 위상 중에 제3위상이 출력되는 권선에 전기적으로 연결되도록 배선될 수 있다.

기구적으로, 상기 각 단위 모듈은 랙프레임 위에서 수평으로 이동가능하며 인출용 단자는 접속부에 수평으로 탈착된다. 그러나 이에 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명하다. 또한, 탈착 용이성을 위해 각 단위 모듈의 하부에는 롤러, 바퀴 등의 이동수단을 부착할 수 있다.

랙프레임의 접속부는 두 조각의 접촉 편이 탄성적으로 간격을 유지하도록 배열되고 두 접촉편 사이의 간격 틈에 인출용 단자가 삽입되도록 하는 구조로 구성가능하다.

본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기는 3상 4선식(R, S, T, N) 또는 3상 3선식(R, S, T)의 전력계통에 제공되는 전력선(R, S, T)과 접속 연결되어 전력선이 결상시 또는 중성선 단선시 결상 위상과 단선 전력을 복구하고, 불평형된 전력을 각 상(R, S, T)으로 분산시켜 흐르게 하여 평형방향으로 복구하며, 영상고조파를 감소시켜(각각의 위상을 달리한 델타 결선에서 고조파를 순환시킴) 정상전력을 유지시켜주는 기능을 기본적으로 수행한다.

아울러, 상기 전력선(R, S, T) 결상시 또는 중성선(N) 단선시 결상 또는 단선된 전력과 상이한 위상 또는 단선된 고장전력을 이용하여 결상 또는 단선된 고장전력을 실시간 복구하는 인덕턴스 결선 구조에 의해서 상시에는 영상고조파와 불평형 전류.전압을 감소시키면서 대기하고, 전력선의 결상시에는 정상적인 두 개의 위상의 반대의 위상을 이용하여 결상된 위상을 복구한다.

본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기의 경우에도 선등록 고장전력 복구 변압기와 마찬가지로, 변압기가 결상, 단선을 복구하고, 결상, 단선되어 소손된 전력계통을 보수하기 위해서는 관리자가 결상, 단선된 전력선과 중성선을 인지하여야 한다. 즉 고장전력 복구 변압기가 자체적으로 전력선과 중성선의 결상, 단선된 전력을 정상전력으로 복구하면 관리자는 이를 인지하기 곤란하다.

그러므로 인출형 고장전력 복구 변압기의 전력이 복구되는 입출력 전력을 감시하여 결상, 단선시 또는 고장전력 복구 변압기의 고장시, 결상, 단선되어 고장난 변압기가 아닌 다른 위상의 입출력 전력에서 복구되는 전력이 본 인출형 고장전력 복구 변압기의 R 또는 S 또는 T 또는 N의 단자에서 입 출력되는 것이 검출되면 통보(시각, 청각, 통신) 발생 기능을 구현하도록 구성할 수 있다.

시각 및/또는 청각 경보가 발생한 상태에서 관리자가 이를 인식하면, 신속하게 후속 조치를 취하게 되고, 이로써 전력선과 중성선의 결상, 단선, 불평형전력, 영상고조파의 발생으로 인해 야기되는 각종 재난 및 사고를 방지하게 되는 것이다.

예컨대, 본 발명에 따르면 전력 공급 장치의 전력선과 중성선의 결상, 단선으로 인해 발생하는 상별 전력 불평형을 방지하고, 영상고조파를 감소시키고, 부하쪽의 전기기기가 소손되는 것을 방지하고, 전력품질을 개선하고, 전력의 낭비를 막을 수 있다.

그리고 전력선과 중성선 결상, 단선이 발생하면 바로 경보를 발생하여 관리자가 고장라인을 인지하도록 하며, 이후 관리자가 후속 조치를 신속하게 취할 수 있도록 함으로써, 전력선과 중성선의 결상, 단선으로 인해 추후 발생할 수 있는 부하의 과열로 인한 화재나 과전압, 과전류로 인한 시스템 고장 등의 재난 및 사고를 방지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기는, 전력계통인 전신주, 배전선로, 변압기, 분전반 및 배전반 등의 전력 공급장치에 설치 구성될 수 있다.

이때 전력선 또는 중성선이 결상, 단선이 되면 삼상 또는 단상 부하들이 소손 또는 화재로 이어지거나, 결상 보호용 계전기의 동작 또는 차단기의 동작으로 전기 공급이 정지되어 정전사고에 의한 전기재난으로 이어지며, 우리의 생활에 큰 불편을 야기하고, 결상이 발생하고 난 후에 결상의 원인을 찾게 되거나, 변압기 자체 고장으로 교체하거나 보수하는 정전 시간동안 인명과 재산, 국가시설에 피해를 초래하여 국가발전의 저해 요인이 된다.

이러한 사고를 방지하기 위해서 본 발명에서는 고장전력 복구 변압기가 상시 전력선과 중성선에 접속 연결되어, 전력선과 중성선의 결상, 단선시 전력선과 중성선의 결상 및 단선전력복구를 수행함과 동시에 전력 불평형을 감소시키고, 중성선에 발생한 영상고조파를 델타로 연결된 코일에 순환시켜 제거하며, 고장전력 복구 변압기가 고장 나면 정상전력을 공급하면서 고장이 난 변압기의 레그를, 즉, 단위 모듈을 교체한다.

따라서, 결상된 상기 전력선의 위상이 복구되어 정상전력을 유지하게 되고, 상기 레그 중에 하나가 고장이 나거나 인출이 되어도 두 개의 레그에서 정상전력을 공급하며, 또한 복구되는 S2와 T2의 위상(벡터)에서 복구되어 출력되는 전압은 S와 T에 입력되어 전자기유도를 하게 하는 전원 쪽의 코일이 권취된 변압비(권선비)에 비례하여 전자기유도 되어 복구되는 2차 전압을 기존의 변압비와 같이 임의대로 조정하게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기도 전류 불평형을 각각의 위상으로 분산하여 감소시키고, 영상 고조파를 델타로 연결된 코일에 가두어 외부로 유출되지 않게 하여 중성선 과열, 중선선 고장, 변압기 등의 배전기기의 손상을 방지하고, 전력품질을 복구하여 낭비되는 전력을 절감하고 정전에 의한 사고를 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 레그에 권취된 각 권선의 연결점과 중성점 사이에 리액터가 삽입된다. 이 리액터는 각 권선과 중성점 사이에 전압 편차가 발생하여서 전력 계통에 항시 과도한 전력 소모가 있게 되는 문제점을 해결하기 위하여 리액터를 통해 전압 편차를 보상하기 위한 것이다. 리액터로는 인덕터를 사용할 수 있으며, 이 인덕터의 L값은 상기 권선 연결점과 중성점 사이에 2차 전압의 소정 비율의 전압이 발생되어 전압 편차를 보상할 수 있는 값으로 정한다.

본 발명의 또다른 실시예에서는 레그에 권취된 각 권선의 연결점과 중성점 사이에 스위치가 삽입된다. 이 스위치는 위 실시예의 리액터에 의한 자동 전압 편차 보상과 다른 접근방식으로서, 이 스위치를 끊어 놓고서 전기가 흐르지 않도록 하여서 전압 편차에 따른 과도한 전력 소모를 막고 있다가, 결상시에 자동 복구가 되면 이 결상 상태를 검출하여 이 스위치를 연결시킴으로써 리액터의 역할을 대신하도록 하기 위한 것이다. 이 스위치는 제어 신호에 의하여 자동 단속되는 형태의 스위치(가령, 릴레이, 솔레노이드, 또는 전자 스위칭 회로 등)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상의 해결 수단의 구성 및 작용은 이하에서 도면과 함께 설명한 대표 실시예의 설명을 통해 보다 더 명확해질 것이다.

본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기에 따르면, 3상 4선식 또는 3상 3선식 전력계통에서 전력선과 중성선에 결상 발생시에, 전력선과 중성선의 결상을 복구하고 전력선과 중성선의 결상으로 인한 이상전력의 발생을 방지하고 전력의 불평형 상태를 전력 평형 상태로 유지하며, 발생된 영상고조파를 순환 제거하여 부하 측에 정상전력을 지속적으로 유입시켜 줄 수 있는 선등록 발명의 고장전력 복구 변압기에 있어서, 무정전 상태에서 각 상별 인출이 가능하도록 하는 구성에 의해서, 전력계통의 결상, 단선시 불평형 및 과전류, 과전압에 의해 부하측 전기기기가 소손되거나, 그로 인해 화재가 발생하거나, 정전으로 인한 2차 피해 발생을 방지할 수 있게 되며, 중성선 고장의 원인인 영상고조파 발생을 감소시켜 중성선의 소손을 막고 전력 품질을 복구하여 전기에너지를 절감할 수 있다.

또한, 변압기의 교체시에도, 정전없이 정상전력을 사용할 수 있는 상태에서 상별로 교체가 가능하므로, 결상 또는 변압기 고장에 의한 부하기기의 고장을 용이하게 방지할 수 있고 변압기 교체시의 정전으로 인한 2차 사고를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명자의 선등록 특허의 결상, 단선, 전력불평형, 영상고조파의 발생을 정상으로 복구하기 위한 고장전력 복구 변압기의 일례의 회로 구성도 및 벡터도
도 2는 3개의 단위 모듈(120, 130, 140)로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 회로 구성도
도 3은 본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기의 실체 구성도
도 4는 도 2 및 도 3에서 각 단위 모듈(120, 130, 140)의 인출용 단자(110)와 랙프레임(160)의 접속부(115)의 기능을 설명하기 위한 모식도
도 5는 스위치를 구비한 고장전력 복구 변압기의 구성도
도 6은 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 다른 실시예를 설명하기 위한 벡터도
도 7은 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 도 6의 벡터도의 권선 구성도
도 8은 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 다른 실시예의 실제 회로도
도 9a는 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 또다른 실시예를 설명하기 위한 실제 회로도
도 9b는 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 또다른 실시예를 설명하기 위한 권선 구성도
도 10은 1차 권선을 포함하여 도시한 다양한 고장전력 복구 변압기의 실시예 회로도

이하 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 가지 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 회로 구성을 나타내고, 도 3은 실체 구성도이다. 기본적인 고장전력 복구의 원리는 앞에서 설명한 도 1에 나타낸 선등록 발명에서 전력선과 중성선의 결상/단선시 이를 복구하기 위한 고장전력 복구 변압기와 실질적으로 동일하다.

도 2에는 단위 모듈(210, 220, 230)이 각각, 레그(120, 130, 140)와 각 상별 2차 권선(Rr, Tr, Sr)(Ss, Rs, Ts)(Tt, St, Rt)과 인출용 단자(110)로 구성됨을 나타내었다. 세 개의 단위 모듈(210, 220, 230)의 각 인출용 단자(110)는 도 3에서와 같이, 랙프레임(160)의 접속부(115)에 각각 탈착가능하도록 접속된다. 인출용 단자(110)는 해당 단위 모듈(210, 220, 또는 230)의 각 권선의 양단 와이어가 1:1로 연결되는 단순한 형태의 코넥터 단자이다.

각 단위 모듈(210, 220, 230)에도 각 상별 1차 권선이 포함되지만 이는 설명의 편의상 그리고 이해의 용이를 위하여 생략하였다.

또한, 랙프레임(160)의 접속부(115) 쪽에서는 각 단위 모듈(210, 220, 230)의 2차 권선들을 배선하는데, 단위 모듈(210, 220, 230)이 모여서 전체적으로 결상/단선 등의 전력고장 복구 작용을 하는 변압기로 작용할 수 있도록 배선한다(가령, 도 1의 고장전력 복구 변압기의 구성과 동일하게 배선). 도 2에서는 이를 배선부(180)로 표시하였다.

각 상의 단선 내지는 결상을 자동으로 복구하는 고장전력 복구 변압기의 작용상, 특정 단위 모듈의 인출용 단자(110)가 랙프레임(160)의 접속부(115)에서 분리되더라도 전원 계통상의 정전이 생기지 않게 되므로, 필요시(변압기 고장시, 변압기 용량 증설시 등)에 단위 모듈을 무정전 상태에서 교체하는 것이 가능해지는 것이다.

도 3에서와 같이 각 모듈(210, 220, 230)은 랙프레임(160) 위에서 수평으로 이동가능하며 인출용 단자(110)와 접속부(115)에 탈착된다. 탈착 용이성을 위해 각 모듈의 하부에 롤러, 바퀴 등의 이동수단(150)을 부착할 수 있다.

도 4에는 모듈(210, 220, 230)의 인출용 단자(110)와 랙프레임(160)의 접속부(115)를 상세히 나타내고 있다. 랙프레임(160)의 접속부(115)는 두 조각의 접촉 편(116)이 스프링(117)에 의해 탄성적으로 배열되고 두 접촉편(116) 사이의 틈에 인출용 단자(110)가 삽입되도록 하는 구조로 되어 있다. 그러나 이는 하나의 예시일 뿐이다.

앞의 과제의 해결 수단에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 인출형 고장전력 복구 변압기의 경우에 선등록 고장전력 복구 변압기와 마찬가지로, 변압기가 결상, 단선을 복구하고, 결상, 단선되어 소손된 전력계통을 보수하기 위해서는 관리자가 결상, 단선된 전력선과 중성선을 인지하여야 한다. 이는 도 5에서와 같이 고장전력 복구 변압기에 결상복구를 위한 스위치(M1)를 추가함으로써 구현할 수 있다. 또한 주지의 결상계전기를 추가로 포함시켜서 전력선 결상시 또는 중성선 결상시에 결상계전기의 제어신호에 의하여 고장전력 복구 변압기에 구비되어 있는 스위치(M1)가 작동되고 결상계전기에 구비된 경보 기능 또는 경보발생을 가능하게 하는 결상계전기의 접점을 이용하여 경보발생을 할 수 있게 할 수 있다.

고장전력 복구 변압기가 고장시에 정상전력을 공급하는 상태에서 고장이 난 변압기의 단위 모듈을 교체할 수 있는 원리에 대해서 좀더 구체적으로 설명한다. 도 1에서 Y 결선과 V 결선의 벡터도를 볼 수 있다. 예를 들어 전력계통에 제공된 전력선의 R상이 결상이 되었다고 가정하고 설명하면, 상기 전력선 R상의 결상과 동시에 전력선에 접속 연결되어 있는 고장전력 복구 변압기의 R, S, T, 레그(120, 130, 140)의 인덕턴스를 구비한 코일은 결상된 R상의 전력은 없이 S상과 T상의 두 전력이 고장전력 복구 변압기에 공급되어 전력선과 연결되어 Y 결선된 고장전력 복구 변압기의 S상(130)과 T상(140)에 권취된 코일(Ss, Tt)에 의해서 S(130)와 T(140)의 레그(철심)에는 자속이 형성되고, S상과 T상의 레그에 권취된 코일(Ss, Tt)의 상기 코일의 반대로 권취된 코일들 중에서 전력선 R과 연결되어 V결선된 코일(Rs, Rt)이 전자기 유도되어 S(130)상과 T(140)상의 반대의 위상(벡터)을 코일이 권취된 순서대로 R상(120)과 같은 위상을 만들어 전력을 공급하게 되면 R상에 Y 결선된 코일(Rr)에 의해 R상의 레그(120) 에도 자속이 형성되어 정상적으로 전력을 공급하게 되는 것이다.

그러므로 결상된 상기 전력선의 위상이 복구되어 정상전력을 유지하게 되고, 상기 레그(120, 130, 140) 중에 하나가 고장이 나거나 인출이 되어도 두 개의 레그에서 정상전력을 공급하며, 또한 복구되는 S2와 T2의 위상(벡터)에서 복구되어 출력되는 전압은 S와 T에 입력되어 전자기유도를 하게 하는 전원 쪽의 코일이 권취된 변압비(권선비)에 비례하여 전자기유도 되어 복구되는 2차 전압을 기존의 변압비와 같이 임의대로 조정하게 되는 것이다.

한편, 실제로 고장전력 복구 변압기 사용시에 도 2의 기본 구성에서 Sr, Ts, Rt 권선의 각각과 중성점 사이에 도 6의 벡터도와 같이 전압 편차가 발생하여서 전력 계통에 항시 과도한 전력 소모가 있게 된다. 이를 해결하기 위하여 도 7에서와 같이 같이 권선 Sr, Ts, Rt 각각과 중성점 N 사이에 리액터 ℓ1, ℓ2, ℓ3을 삽입하여 전압 편차를 보상한다. 도 7은 도 6의 벡터도를 알기 쉽게 표현하기 위하여 권선을 실체적으로 표현한 것이다. 그러나 도 7의 경우는 각 상의 권선 연결을 등가회로로 그린 것이라서 세 개의 리액터가 있는 것으로 표현되어 있지만 실제로는 도 8에서와 같이 권선 Sr, Ts, Rt의 연결점 C와 중성점 N 사이에 하나의 리액터 L이 삽입된다. 이 때의 L값은 상기 연결점 C와 중성점 N 사이에 2차 전압(가령, 380V, 220V)의 소정 비율의 전압이 발생되어 전압 편차를 보상할 수 있는 값으로 정한다.

도 9a,b는 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 또다른 실시예를 나타낸다. 도 8의 리액터 L 대신에 그 자리에 스위치 SW를 삽입하였다. 이 스위치의 역할은 리액터 L에 의한 자동 전압 편차 보상과 다른 접근방식으로서, 스위치 SW를 끊어 놓고서 전기가 흐르지 않도록 하여서 전압 편차에 따른 과도한 전력 소모를 막고 있다가, 결상시에 자동 복구가 되면 이 결상 상태를 검출하여 이 스위치 SW를 연결시킴으로써 리액터의 역할을 대신하도록 할 수 있다. 스위치 SW는 제어 신호에 의하여 자동 단속되는 형태의 스위치(가령, 릴레이, 솔레노이드, 또는 전자 스위칭 회로 등)를 사용할 수 있다.

도 9a는 도 8에 대응하여 리액터 L 대신에 스위치 SW를 실제 회로에 삽입한 것을 나타내고, 도 9b는 도 7에 대응하여 각 상별로 개념적 스위치 sw1, sw2, sw3이 필요한 것을 나타낸다.

도 10은 본 발명에 따른 인출형 고장전력 복구 변압기의 기술 사상을 구현하는 다양한 고장전력 복구 변압기의 여러 실시예를 나타내는 회로도이다.

이상에서 본 발명의 특정 실시예에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

110: 인출용 단자, 115: 랙프레임 접속부, 116: 접촉편, 117: 스프링, 120: 제1레그, 130: 제2레그, 140: 제3레그, 150: 바퀴, 160: 랙프레임, 170: 코일(제1권선, 제2권선, 제3권선), 180: 배선부, 210 220 230: 단위 모듈, L: 리액터, M1: 스위치, S2: 전력선 중에 S의 위상이 입력되어 전자기유도로 출력되는 위상, T2: 전력선 중에 T의 위상이 입력되어 전자기유도로 출력되는 위상, SW: 스위치

Claims

각 상별 레그와 2차 권선을 포함하며 전력선과 중성선의 결상/단선시 이를 복구하기 위한 고장전력 복구 변압기에 있어서,
상기 각 상별 레그와, 이 레그에 권취된 하나 이상의 권선, 그리고 하나 이상의 권선의 각 권선의 양단 와이어가 연결되는 인출용 단자를 포함하는 상별 단위 모듈;
상기 단위 모듈들이 수용되는 랙프레임;
상기 랙프레임에 포함되며, 상기 상별 단위 모듈의 인출용 단자가 탈착가능하도록 접속되는 랙프레임 접속부;
상기 랙프레임 접속부에 상기 인출용 단자가 접속된 때에 상기 권선들이 고장전력 복구 변압기로 작용할 수 있도록 각 인출용 단자에 연결된 권선들의 와이어를 상기 랙프레임 접속부 측에서 배선하는 배선부를 포함하여,
각 상의 단선 내지는 결상을 자동으로 복구하는 고장전력 복구 변압기의 작용에 의하여 무정전 상태에서 상기 단위 모듈을 교체하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 상기 단위 모듈은 결상과 단선전력을 복구하기 위한 제1레그, 제2레그, 제3레그가 각각 분리되어 구비되고, 이 분리된 각각의 레그의 1차측 및 2차측에 권취되는 제1권선, 제2권선, 제3권선을 포함하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제2항에 있어서, 상기 배선부는, 상기 각 레그의 2차측에 권취되는 제1권선은 삼상의 위상 중 제1위상이 출력되는 권선에 전기적으로 연결되도록 배선되고, 상기 각 레그의 2차측에 권취되는 제2권선은 삼상의 위상 중 제2위상이 출력되는 권선에 전기적으로 연결되도록 배선되고, 상기 각 레그의 2차측에 권취되는 제3권선은 삼상의 위상 중 제3위상이 출력되는 권선에 전기적으로 연결되도록 배선되는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 상기 각 단위 모듈은 랙프레임 위에서 수평으로 이동가능하며 인출용 단자는 접속부에 수평으로 탈착되는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 상기 각 단위 모듈의 하부에는 이동수단이 부착되는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 전력선과 중성선에 결상 또는 단선이 발생하면 경보를 발생하여 관리자가 고장라인을 인지하도록 하는 수단이 추가로 포함되는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 상기 단위 모듈의 레그에 권취된 각 권선의 연결점과 중성점 사이에 리액터가 추가로 포함되어, 각 권선과 중성점 사이의 전압 편차를 보상하는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제7항에 있어서, 상기 리액터는 인덕터인 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제1항에 있어서, 상기 단위 모듈의 레그에 권취된 각 권선의 연결점과 중성점 사이에 스위치가 추가로 포함되어, 결상시에 자동 복구가 되면 이 결상 상태를 검출하여 이 스위치를 연결시켜서, 각 권선과 중성점 사이의 전압 편차를 보상하는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.
제9항에 있어서, 상기 스위치는 제어 신호에 의하여 자동 단속되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 인출형 고장전력 복구 변압기.