KR102025533B1 - 변압기의 고장유형 자동 판별 장치 - Google Patents

변압기의 고장유형 자동 판별 장치 Download PDF

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진승환
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Abstract

본 발명은 변압기의 고장유형 자동 판별 장치에 관한 것으로, 변압기(TR)의 복수의 각 단자(1차 단자, 2차 단자)에 접촉되는 복수의 프로브(제1, 2 프로브)를 포함하며, 상기 각 단자에 형성된 산화피막을 제거하거나 뚫고, 이 산화피막의 하부층에 접촉 및 연결되는 측정부; 및 상기 측정부를 통해 상기 변압기에서 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 자기진단을 통해 오결선, 장비 자체 오차 발생, 내부 회로 이상 유무 등을 스스로 진단하며, 상기 자기진단 결과 및 상기 측정한 측정 결과를 저장, 및 온도 보정하여, 이 측정값들을 바탕으로 종합적으로 변압기의 상태를 판단하여 레포트나 디스플레이 화면을 통해 출력하는 제어부;를 포함한다.

Description

변압기의 고장유형 자동 판별 장치{APPARATUS FOR AUTOMATICALLY DETERMINING FAULT TYPE OF TRANSFORMER}
본 발명은 변압기의 고장유형 자동 판별 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기의 고장 원인에 대한 정확한 고장 분석을 위하여, 변압기 단자 표면의 산화 피막을 제거하는 프로브(Probe)를 이용하여, 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 상기 측정값들을 이용하여 변압기의 상태를 정확히 판단할 수 있도록 하는, 변압기의 고장유형 자동 판별 장치에 관한 것이다.
최근 통계에 따르면, 배전용 변압기는 2017년 12월 기준 약 98만대가 설치 운전되고 있으며, 최근 5년간의 통계에 의하면 매년 설치수량의 약 1%인 9천대가 증가하고 있는 추세이다. 그리고 고장발생 대수는 약 5.76%인 6천대가 매년 발생되고 있으며 매년 증가하는 변압기 대수의 약 67%를 점유하고 있다.
이러한 변압기 고장(소손) 원인에 대한 정확한 고장 분석 결과, 요청 변압기의 약 38%가 고장 판정착오로 인해 정상 제품이 철거되고 있는 실정이다.
이와 같이 정상 제품(즉, 정상변압기)을 고장으로 오인 판정하는 이유는, 변압기 자체의 원인이 아닌, 외부적 요인(예 : 부하측 단락에 의한 일시적 과전류, 외물접촉, 보호장치 휴즈 정격미달 등)에 의해 변압기의 보호장치인 COS(Cut Out Switch)가 단순 개방 동작(Off)될 경우 발생하는데, 이는 변압기의 고장여부를 판정하는 측정장치의 신뢰도 미흡, 측정장치의 단자접속 부적합 등, 측정자(사용자)의 오류, 또는 기존 측정장치의 기능 부족 등이 주원인으로 작용한다.
상기와 같이 정상 제품을 고장으로 오인 판정하는 원인을 정리하면 아래의 표 1과 같다.
Figure 112018070979230-pat00001
종래의 변압기 진단이나 점검을 위해 사용하고 있는 장비는 TLC(Transformer Last Check, 변압기 분야에서 사용하고 있는 측정장치)로써, 이는 단순히 변압기 권선의 단선유무 및 절연저항만을 측정하여 변압기 상태 판정을 내리고 있다.
따라서 실제 현장에서는 TLC의 부정확성 때문에 TLC를 비롯한 여러 장비(또는 측정장치, 측정장비)를 중복 사용하고 있으며, 이러한 변압기의 진단이나 점검 측면에서, 종래 사용 장비(또는 측정장치, 측정장비)의 기술적 한계점을 정리하면 아래의 표 2와 같다.
Figure 112018070979230-pat00002
종래의 측정장비(예 : TLC)가 지닌 기능적 한계성을 정리하면 표 3과 같다.
Figure 112018070979230-pat00003
상기와 같이 정상 변압기를 불량 변압기로 오인 판단하여 철거하는 원인을 정리하면 크게 3가지로 구분할 수 있다.
먼저, 변압기가 사용되는 환경적 특성상 외부에 장시간 노출되어 1차 및 2차 단자 부식, 즉, 산화피막 형성(도 1 참조)에 따른 접촉저항 증가(산화피막에 의해 거의 부도체 수준으로 변함)로 인한 측정오류가 하나의 원인이다. 따라서 이러한 산화피막에 의한 측정오류를 방지하기 위해서 산화피막을 자동으로 제거하는 프로브가 필요한 상황이다. 도 1은 일반적인 변압기에서 산화피막이 형성되는 1차 및 2차 단자를 촬영한 사진을 보인 예시도이다.
다음, 변압기 점검 시 여러 요소, 즉, 권선저항, 권수비, 및 절연저항 등을 측정하여, 이 측정값들을 이용해 종합적이 판단이 이루어져야 되는데, 측정자의 주관적인 판단을 수행하므로 측정자별 판단 편차로 인한 측정오류가 또 하나의 원인이다. 따라서 상기 측정값들을 종합적으로 이용해 객관적인 판단을 수행할 장치가 필요한 상황이다.
또한 여러 가지 다양한 장비(즉, 측정장치, 측정장비)가 사용되므로, 각 장비별 상이한 판단기준이 적용되거나, 어느 하나의 장비 자체의 불량으로 인한 측정오류가 또 하나의 원인이다. 따라서 하나의 장치에서 변압기(이하, TR, Transformer로 간단히 기재할 수도 있음)의 모든 측정값들을 한꺼번에 측정하여 종합할 수 있는 장치가 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2015-0037267호(2015.04.08. 공개, 외부조작형 탭 절환 변압기 및 이를 이용한 고장 진단 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 변압기의 고장 원인에 대한 정확한 고장 분석을 위하여, 변압기 단자 표면의 산화 피막을 제거하는 프로브(Probe)를 이용하여, 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 상기 측정값들을 이용하여 변압기의 상태를 정확히 판단할 수 있도록 하는, 변압기의 고장유형 자동 판별 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치는, 변압기(TR)의 복수의 각 단자(1차 단자, 2차 단자)에 접촉되는 복수의 프로브(제1, 2 프로브)를 포함하며, 상기 각 단자에 형성된 산화피막을 제거하거나 뚫고, 이 산화피막의 하부층에 접촉 및 연결되는 측정부; 및 상기 측정부를 통해 상기 변압기에서 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 자기진단을 통해 오결선, 장비 자체 오차 발생, 및 내부 회로 이상 유무를 스스로 진단하며, 상기 자기진단 결과 및 상기 측정한 측정 결과를 저장, 및 온도 보정하여, 상기 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 바탕으로 종합적으로 변압기의 상태를 판단하여 레포트나 디스플레이 화면을 통해 출력하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로브는, 악어 클립형 머리부를 이용해 변압기의 클램프 단자를 물고, 손잡이를 잡은 사용자가 좌우로 회전함으로써, 악어 클립형 머리부에 형성된 이빨처럼 뾰족하게 튀어나와 맞물리게 형성된 부분을 이용해 각 단자 표면의 산화피막을 제거하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로브는, 사용자가 프로브의 레버를 누른 상태에서, 변압기의 클램프 단자에 밀어 넣으면 머리부의 입구측에 형성된 피막제거 팁이 클램프 단자의 산화피막을 제거하고, 이 상태에서 레버를 놓으면 탐침이 상기 산화피막이 제거된 부분과 접촉할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 변압기의 고장유형 자동 판별 장치의 전원을 켜면, 자가진단 및 캘리브레이션(Calibration)을 실시하고, 상기 자가진단 및 캘리브레이션 결과, 비정상이면 사용자에게 알람(Alarm)을 출력하고, 정상이면 사용자에게 정상표시를 하며, 자동 또는 수동 점검 모드 중, 사용자가 사용 환경에 맞게 자동 모드를 선택하면, 자동 모드를 실행하여 변압기의 상태 측정값을 자동으로 측정하여 고장 여부를 자동으로 판별하고, 사용자가 수동 모드를 선택하면, 사용자로부터 상태 측정값에 대한 측정 작업의 지시를 받아 해당하는 측정값을 바탕으로 고장 여부를 판별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 자동모드가 실행되면, 변압기 용량을 선택하고, 변압기의 용량에 따라 권선저항을 측정하고, 이어서 권수비 및 절연저항을 측정하며, 상기 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 디스플레이 화면에 표시함과 동시에 상기 측정값들을 분석하여, 권선저항 측정값이 설정된 정상범위에 있는지 여부, 권수비 측정값이 설정된 정상범위에 있는지 여부, 및 절연저항이 설정된 정상범위에 있는지 여부에 따는 불량이나 정상 상태 여부를 디스플레이 화면에 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 변압기의 권선저항 측정 시 권선 길이에 의해 저항값이 변동하므로, 아래의 수학식 1을 이용해 권선저항의 정상화여부를 판단하되,
(수학식 1)
Figure 112018070979230-pat00004
ε : 저항 변화율(%), Mn : n 번째 권선저항 측정값
상기 저항 변화율(ε)이 설정한 설정값 또는 장비오차 보다 작거나 같으면 권선저항이 안정적으로 정상화되었다고 판단하고, 상기 저항 변화율(ε)이 설정한 설정값 또는 장비오차보다 크면 에러인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 권선비 측정을 위하여, 동작전원 소스 및 설정된 측정변수를 초기화하고, 1차측 측정 동작전원과 2차측 측정 동작전원을 온시킨 후, AC 출력값 및 AC 입력값을 측정 및 계산하고, 상기 AC 출력값 및 AC 입력값을 이용하여 권선비를 계산하되,상기 권선비 측정 시 1차 권선에 AC 입력전원을 인가하고 2차 측으로 출력되는 전압을 측정하여, 아래의 수학식 2와 수학식 3을 이용해 권선비를 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 2)
Figure 112018070979230-pat00005
(수학식 3)
Figure 112018070979230-pat00006
여기서, N은 권선수, V는 전압, I는 전류
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 계산된 권선비가 지정된 오차범위 이내이면 상기 계산된 권선비를 저장부에 저장하고, 상기 계산된 권선비가 오차범위를 벗어나면 측정을 종료하거나 재시작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 절연저항 측정을 위해, 측정회로부의 동작전원을 On시키고, DC 1kV 전원(HV)을 생성하여 인가하고, 현재의 온도를 측정하며, 변압기의 주 절연물을 통해 흐르는 누설전류(leakage_current)를 측정하여 절연저항 값을 계산하되, “
Figure 112019049066706-pat00030
”을 적용하여, 상기 절연저항에 대해 온도보상을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안, 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하는지 체크하고, 상기 체크 결과, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하면, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값을 저장부에 저장하고, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하지 않으면, 지정된 루프시간 동안 상기 체크 과정을 반복 수행하고, 상기 지정된 루프시간 후에도 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하지 않으면, 에러로 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 측정값을 이용하여 변압기의 최종 상태를 판단하기 위하여, 권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값에 대한 상태를 판단하고, 상기 권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값 중 하나라도 불량이면 변압기는 불량 상태로 최종 판단하며, 상기 권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값이 모두 다 정상이면 변압기는 정상 상태로 최종 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 변압기의 고장 원인에 대한 정확한 고장 분석을 위하여, 변압기 단자 표면의 산화 피막을 제거하는 프로브(Probe)를 이용하여, 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 상기 측정값들을 이용하여 변압기의 상태를 정확히 판단할 수 있도록 한다.
도 1은 일반적인 변압기에서 산화피막이 형성되는 1차 및 2차 단자를 촬영한 사진을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 복수의 프로브의 형상을 촬영한 사진을 보인 예시도.
도 4는 상기 도 2에 있어서, 회전식 이빨을 갖는 형태의 프로브를 보인 예시도.
도 5는 상기 도 2에 있어서, 제어부의 개략적인 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 6은 상기 도 2에 있어서, 제어부의 변압기 진단을 위한 동작을 설명하기 위한 흐름도.
도 7은 상기 도 6에 있어서, 자동 모드를 실행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 상기 도 7에 있어서, 변압기의 용량별 권선저항을 선택하는 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 상기 도 6에 있어서, 수동 모드를 실행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 10은 상기 도 7에 있어서, 권선저항 측정 방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도.
도 11은 상기 도 10에 있어서, 보다 구체적인 권선저항 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 12는 상기 도 7에 있어서, 권수비 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 13은 상기 도 7에 있어서, 절연저항 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 14는 상기 도 7에 있어서, 측정값을 이용하여 변압기의 상태를 종합적으로 판단하는 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 15는 본 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치를 이용한 현장 측정 방법과 측정 결과 화면을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치는, 측정부(100), 제어부(200), 출력부(300), 및 저장부(400)를 포함한다.
상기 측정부(100)는 변압기(TR)의 복수의 각 단자(예 : 1차 단자, 2차 단자)에 접촉되는 복수의 프로브(제1, 2 프로브)(110, 120)를 포함하되, 각 단자(예 : 1차 단자, 2차 단자)에 형성된 산화피막을 제거하거나 뚫고, 이 산화피막 층의 하부에 접촉 및 고정(연결)된다.
이때 상기 복수의 프로브(제1, 2 프로브)(110, 120)가 각기 접촉 및 고정(연결)되는 단자(예 : 1차 단자, 2차 단자)가 반드시 고정되어야 하는 것은 아니며 서로 바꿔 연결될 수도 있음에 유의한다.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 복수의 프로브의 형상을 촬영한 사진을 보인 예시도이다. 여기서 도 3의 (a)는 변압기(TR)의 1차 단자에 연결되는 제1 프로브(110)를 보인 예시도이고, 도 3의 (b)는 변압기(TR)의 2차 단자에 연결되는 제2 프로브(120)를 보인 예시도이다.
이미 상술한 바와 같이 변압기(TR)에 사용되는 클램프 단자는, 통상적으로 KS D 6024의 청동주물, 또는 KS D 5101의 단조용 항동 재질을 사용한다. 따라서 외부 환경에 장시간 노출될 경우 단자 표면에 산화피막이 형성된다. 상기 산화피막은 절연성분으로써, 단자와 측정 프로브 사이에 고저항을 형성시켜 규정된 권선저항 보다 높은 값을 표시하여 마치 권선이 단선된 것처럼, 변압기의 진단 오류를 발생시키는 원인이 된다.
따라서 상기 측정부(100)는, 상기 산화피막에 의한 오류를 방지해서 위해서, 산화피막 층을 뚫거나 제거하고, 이 산화피막 층의 하부에 접촉할 수 있도록 한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 상기 제1 프로브(110)는 악어 클립형 머리부를 이용해 변압기의 클램프 단자를 물고, 손잡이를 잡은 사용자가 좌우로 회전함으로써, 악어 클립형 머리부에 형성된 이빨(이빨처럼 뾰족하게 튀어나와 맞물리게 형성된 부분)을 이용해 단자 표면의 산화피막을 제거하게(또는 뚫게) 된다.
도 3의 (b)를 참조하면, 상기 제2 프로브(120)는 머리부 내부에 뾰족한 탐침(123)을 설치하고, 내부의 스프링으로 클램프를 장악한 뒤, 손잡이를 잡은 사용자가 좌우로 회전함으로써, 상기 탐침(123)이 이빨처럼 단자 표면의 산화피막을 제거하게(또는 뚫게) 된다. 보다 상세하게는, 사용자가 제2 프로브(120)의 레버(122)를 누른 상태에서, 변압기의 클램프 단자에 밀어 넣으면 머리부의 입구측에 형성된 피막제거 팁(121)이 클램프 단자의 산화피막을 제거하고, 이 상태에서 레버(122)를 놓으면 접촉 단자(즉 탐침)(123)가 상기 산화피막이 제거된 부분과 접촉할 수 있는 구조이다.
이때 상기 측정부(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 손잡이를 회전시켜 이빨이 튀어나오게 하여 산화피막 층을 뚫을 수 있는 형태의 프로브를 포함할 수도 있다. 도 4는 상기 도 2에 있어서, 회전식 이빨을 갖는 형태의 프로브를 보인 예시도이다.
한편 변압기를 설치하기 전후에 필수적으로 점검해야 할 요소로는, 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 변압기의 주절연 성능을 확인하기 위한 절연저항 측정이다. 그중 가장 보편적으로 사용하고 있는 측정 요소는 권선저항이다. 하지만 변압기의 용량에 따라 권선이 길이, 및 굵기가 다르기 때문에 저항도 달라진다. 뿐만 아니라 권선의 재질이 구리에서 알루미늄으로 변경되면서 고장 양상도 달라졌는데, 가령 부분적 절연파괴에 대응하는 권선저항이 측정되지만, 실제로는 턴간 또는 층간 단락되면서 권수비가 달라진 경우도 발생하고 있다. 따라서 권선저항 하나의 측정값만을 이용하여 변압기의 상태를 판정해서는 안된다.
이에 따라 상기 제어부(200)는 변압기 점검의 신뢰도를 높이기 위해 필수 점검 요소를 각각 측정 및 판단하고, 그 결과들을 조합하여 최종적으로 판단하는 알고리즘을 적용한다.
도 5는 상기 도 2에 있어서, 제어부의 개략적인 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 변압기의 클램프 단자에 형성된 산화피막 제거 기능이 있는 프로브(110, 120)를, 변압기의 총 4개의 클램프 단자에 각기 연결하고(S111), 상기 제어부(200)는 변압기의 상태진단을 위해 필요한 필수요소들(예 : 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 절연저항 등)을 측정하고, 또한 자기진단(또는 자가진단) 기능을 통해 오결선, 장비 자체 오차 발생, 내부 회로 이상 유무 등을 스스로 진단한다(S112). 또한 상기 제어부(200)는 상기 측정한 측정 결과(측정값)를 기록, 및 보정(온도보정)하여 이 측정값들을 바탕으로 종합적으로 판단하고 그 판단 결과를 저장부(400)에 저장한다(S113). 또한 상기 제어부(200)는 상기와 같이 저장된 정보를 사용자가 원하는 형태로 레포트(report)를 작성하여 저장하고 출력할 수 있다(S114).
이하 상기 제어부(200)의 보다 구체적인 동작에 대해서 설명한다.
도 6은 상기 도 2에 있어서, 제어부의 변압기 진단을 위한 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 장비(즉, 변압기의 고장유형 자동 판별 장치)의 전원을 켜면(S121), 상기 제어부(200)는 알고리즘이 시작되면서(S122) 자가진단(Self 점검) 및 캘리브레이션(Calibration)을 실시한다(S123).
상기 자가진단 및 캘리브레이션 결과, 비정상이면(S123의 비정상) 사용자에게 알람(Alarm)을 출력하고(S125), 정상이면(S123의 정상) 사용자에게 정상표시를 한다(S124).
그 후 자동 또는 수동 점검 모드를 선택할 수 있도록 구성하여, 사용자가 사용 환경에 맞게 자동 모드를 선택하면(S126의 자동), 상기 제어부(200)는 자동 모드를 설정하고(S129) 해당하는 자동 모드를 실행한다(S130). 한편 사용자가 수동 모드를 선택하면(S126의 수동), 상기 제어부(200)는 수동 모드를 설정하고(S127) 해당하는 수동 모드를 실행한다(S128).
도 7은 상기 도 6에 있어서, 자동 모드를 실행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 8은 상기 도 7에 있어서, 변압기의 용량별 권선저항을 선택하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 9는 상기 도 6에 있어서, 수동 모드를 실행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 자동모드가 실행되면, 상기 제어부(200)는 변압기 용량을 선택한다(S141).
여기서 상기 변압기의 용량 선택은, 자동 모드 및 수동 모드에 공통으로 적용되는 기능으로서, 변압기 용량 선택은 1차 권선의 저항 정상범위가 아래의 표 4와 같이 정해져 있기 때문이다.
이에 따라 상기 제어부(200)는 상기 변압기의 용량에 따라 권선저항(즉, 1차 권선저항)을 측정하고(S142), 권수비를 측정하며(S143), 또한 절연저항을 측정하여(S144), 상기 측정값들을 표시하고(S145), 아울러 상기 측정 데이터를 분석한다(S146).
즉, 상기 제어부(200)는 상기 1차 권선저항 측정값이 정상범위(표 4 참조)에 있는지 비교분석 한다. 마찬가지로, 상기 제어부(200)는 권수비 및 절연저항 측정값을 분석하여 불량이나 정상 상태 여부를 표시하고(S147, S148), 상기 데이터를 저장부(400)에 저장한다(S149).
Figure 112018070979230-pat00007
도 8을 참조하면, 변압기 용량별 권선저항을 선택하기 위하여, 상기 제어부(200)나 사용자는 자동 또는 수동 모드에 따라, 제1 용량(예 : 20KVA)이면(S161의 예) 해당 용량을 선택하고(S162), 제2 용량(예 : 30KVA)이면(S162의 예) 해당 용량을 선택하고(S164), 제3 용량(예 : 50KVA)이면(S165의 예) 해당 용량을 선택하고(S166), 제4 용량(예 : 75KVA)이면(S167의 예) 해당 용량을 선택하고(S168), 제5 용량(예 : 100KVA)이면(S169의 예) 해당 용량을 선택하고(S170), 제6 용량(예 : 160KVA)이면(S171의 예) 해당 용량을 선택한다(S172).
도 9를 참조하면, 수동모드가 실행되면, 사용자는 사용자 인터페이스(미도시)를 통해 변압기 용량을 선택한다(S151). 이후 사용자는 권선저항을 측정하도록 지시하고(S152), 권수비를 측정하도록 하며(S153), 절연저항을 측정하도록 하여(S154) 상기 측정값들을 표시하도록 한다(S155). 사실상 상기 수동모드는 측정 작업을 지시하는 모드라고 할 수 있다.
이하 권선저항 측정 방법에 대해서 설명한다.
참고로 변압기의 권선은 1차(Primary)와 2차(Secondary)로 나누어 있으며, 2차 권선은 도체 단면적이 넓고 긍장(Line Legnth)이 짧기 때문에 저항이 작고(0.1Ω) 측정이 매우 쉽다. 하지만 1차 권선은 단면적이 작고 긍장이 매우 길기 때문에 측정하는 순간 저항값의 변동이 심하고 지정된 일정 시간이 경과해야만 저항값이 안정화 되어 참값을 알 수 있게 된다.
도 10은 상기 도 7에 있어서, 권선저항 측정 방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이고, 도 11은 상기 도 10에 있어서, 보다 구체적인 권선저항 판단 알고리즘(방법)을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 변압기의 1차측 권선저항 및 2차측 권선저항을 측정한 후(S211, S212), 이들의 권선저항값을 계산한다(S213).
여기서 권선저항값의 계산은, 사용자가 설정할 수 있으며, 통상 ms 단위로 측정하여 평균값을 구하여 그 값을 대표값으로 한다.
이때 권선저항 측정 시 권선 길이에 의해 저항값이 변동하고, 지정된 일정 시간(예 : 20초)이 경과되면 수렴할 수 있게 된다(S215).
따라서 상기 제어부(200)는 지정된 일정 시간이 경과되기를 기다린 후(S214의 아니오, 및 S215 반복), 상기 저항의 측정 기준값을 산정하기 위해, 아래의 수학식 1과 같은 권선저항판단 알고리즘(방법)을 적용하여, 권선저항의 정상화여부를 판단한다(S214).
Figure 112018070979230-pat00008
ε : 변화율(%), Mn : n 번째 권선저항 측정값
상기 수학식 1은 권선저항 측정 시 수렴값을 구하기 위한 식으로 측정값의 변화율을 계산하여 최종 권선저항 측정값으로 인식하도록 한다.
상기와 같이 판단된 권선저항 측정값은 저장부(400)에 저장된다(S216).
이때 만약 상기 권선저항 측정 도중 사용자에 의해 취소 버튼이 입력될 경우(S217), 측정 동작은 종료(또는 재시작)된다.
도 11을 참조하면, 권선저항의 정상화 여부를 판단하는 과정(S214)은, 상기 수학식 1을 통해 산출한 변화율(ε)이 사용자가 설정한 설정값 또는 장비오차 보다 작거나 같으면(S214a의 예) 권선저항이 안정적으로 정상화화되었다고 판단하여 상기 권선저항 측정값을 저장부(400)에 저장(S216)한 후 종료하고, 상기 변화율(ε)이 설정값 또는 장비오차(즉, 오차범위)보다 크면(S214a의 아니오) 에러처리 하고 종료한다(S214b).
도 12는 상기 도 7에 있어서, 권수비 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 상기 제어부(200)는 동작전원 소스 및 설정된 측정변수를 초기화한다(S241, S242). 또한 상기 제어부(200)는 1차측 측정 동작전원과 2차측 측정 동작전원을 온시킨다(S243, S244). 또한 상기 제어부(200)는 AC 출력값 및 AC 입력값을 측정 및 계산한다(S245, S246). 또한 상기 제어부(200)는 상기 S245 및 S246의 측정값을 이용하여 권선비를 계산한다(S247).
그리고 상기 계산된 권선비가 오차범위 이내이면(S248의 예) 상기 계산된 권선비를 저장부(400)에 저장한 후 종료(또는 재시작)하고(S249), 상기 계산된 권선비가 오차범위를 벗어나면(S248의 아니오) 곧바로 종료(또는 재시작)한다. 이때 도면에는 도시되어 있지 않지만 알람을 출력할 수도 있다.
참고로 한국 배전선로에서 사용하고 있는 배전급 변압기 권수비(변압비)는, 아래의 표 5와 같이, KS C 4306(2011)에서 허용차를 정의하고 있다.
Figure 112018070979230-pat00009
여기서 허용차란, 규정값과 시험 결과의 차이가 허용할 수 있는 범위를 의미한다.
참고로 상기 S247 단계에서 권수비(또는 권선비)를 계산하는 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명하면, 권수비 측정 시 1차 권선에 AC 입력전원을 인가하고 2차 측으로 출력되는 전압을 측정하여 아래의 수학식 2와 수학식 3을 통해 권수비를 계산한다.
아래의 수학식 2는 변압기 권수비 계산 일반식이고, 수학식 3은 권수비 측정식이다.
Figure 112018070979230-pat00010
Figure 112018070979230-pat00011
여기서, N은 권선수, V는 전압, I는 전류
이에 따라 계산된 권수비를 상기 표 5에서 설정한 값(허용차)과 비교하여 정상 유무 판정 및 계산값을 저장한 후 종료한다.
이하 절연저항 측정 방법에 대해서 설명한다.
참고로 절연저항을 변압기 내부의 주절연, 즉, 절연지와 절연유의 절연성능을 확인하기 위해 일반적으로 DC 1kV를 인가한 상태에서 누설전류를 측정하여 절연저항을 계산한다. 그런데 기존의 절연저항 측정기에는 산화피막을 제거할 수 있는 프로브나 온도 보정 회로가 없었기 때문에 측정값이 부정확하여 변압기의 정확한 상태판단이 어려웠다.
도 13은 상기 도 7에 있어서, 절연저항 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 온도 보정기능을 추가하여 변압기의 정확한 상태판단을 실시할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(200)는 절연저항 측정을 위해 측정회로부(미도시)의 동작전원을 On시키고(S261), DC 1kV 전원(HV)을 생성하여 인가 한다(S262, S263).
이때 절연저항에 대한 온도보상을 하기 위해 온도를 측정하고(S264), 변압기의 주 절연물을 통해 흐르는 누설전류(leakage_current)를 측정하여 절연저항 값을 계산한다(S265).
또한 상기 제어부(200)는 상기 S265 단계에서 계산된 절연저항에 대해 온도보상을 수행한다(S266).
여기서 상기 절연저항의 온도보상(온도보정)은, “절연저항*(1+(1/(234.5 + 온도)*(온도-25.0)))”을 적용할 수 있다. 상기 온도보상을 위한 연산식은 반복적인 실험과 시뮬레이션을 통해 산출될 수 있다.
상기와 같이 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간(예 : 3초) 동안, 기 설정된 오차범위(예 : 50Kohm) 내의 값을 유지하는지 체크한다(S267).
상기 체크(S267) 결과, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간(예 : 3초) 동안 기 설정된 오차범위(예 : 50Kohm) 내의 값을 유지하면(S267의 예), 상기 제어부(200)는 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값을 저장부(400)에 저장한다(S268).
그러나 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간(예 : 3초) 동안 기 설정된 오차범위(예 : 50Kohm) 내의 값을 유지하지 않으면(S267의 아니오), 지정된 루프시간(예 : 10초) 동안 상기 S264 내지 S267 단계를 반복 수행하고(S269), 상기 지정된 루프시간(예 : 10초) 후에도 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 설정된 오차범위(예 : 50Kohm) 내의 값을 유지하지 않으면(S267의 아니오), 에러 처리를 하고 곧바로 종료한다(S270). 이때 도면에는 도시되어 있지 않지만 에러 처리 시 알람을 출력할 수도 있다.
이하 상기 측정값을 이용하여 변압기의 상태를 종합적으로 판단하는 방법에 대해서 설명한다.
도 14는 상기 도 7에 있어서, 측정값을 이용하여 변압기의 상태를 종합적으로 판단하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(200)는 권선저항을 측정하여(S311), 상기 저장부(400)에 저장시켜 둔 측정값을 불러온 후(S312), 변압기(TR) 용량별 권선저항(즉, 1차 권선저항)을 비교하여(S313) 그 결과값을 출력한다(S314).
또한 상기 제어부(200)는 권수비를 측정하여(S315), 상기 저장부(400)에 저장시켜 둔 측정값을 불러온 후(S316), 사용자 설정값 또는 KS 규격과 비교하여(S317) 그 결과값을 출력한다(S318).
또한 상기 제어부(200)는 절연저항을 측정하여(S319), 상기 저장부(400)에 저장시켜 둔 측정값을 불러온 후(S320), 사용자 설정값 또는 KS 규격과 비교하여(S321) 그 결과값을 출력한다(S322).
또한 상기 제어부(200)는 상기 3가지 결과값의 상태(예 : 정상, 비정상)를 비교하여(S323), 최종 판단 결과를 리포트로 작성하여 출력하거나(S324), 디스플레이 화면을 통해 출력한다(S325).
예컨대 상기 최종 판단은, 3가지 측정값 중 하나라도 불량이면 불량, 모두 다 정상일 때 정상으로 최종 판단한다(도 15의 (c) 참조).
도 15는 본 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치를 이용한 현장 측정 방법과 측정 결과 화면을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 변압기의 고장유형 자동 판별 장치는 모든 측정요소(권선저항, 권수비, 및 절연저항)를 바탕으로 변압기의 상태를 판정하고, 자기진단을 수행할 수 있다.
상기와 같이 본 실시예에서는 변압기의 정확한 상태판단을 위해, 변압기의 단자 표면에 형성된 산화피막을 제거하는 프로브(110, 120)와 필수 측정요소인 권선저항, 권수비, 및 절연저항 측정을 한꺼번에 실시한다. 그 이유는 종래의 기술은 산화피막에 의한 고저항으로 정상을 불량으로 오인 판정하거나, 한 가지 값만 측정할 경우 다른 값의 결함을 간과하여 정상으로 오인 판정하는 경우가 많기 때문이다. 또한 기존의 장비는 단순히 측정값만을 표시하기 때문에 변압기에 대한 배경지식이 없는 상태에서 사용자가 주관적으로 판단하는 인적 실수가 발생할 수 있기 때문이다.
하지만, 본 실시예는 변압기 진단 시 모든 측정요소(권선저항, 권수비, 및 절연저항)를 바탕으로, 사용자의 주관적 판단 개입을 배제시킴으로써 객관적이고 정확한 변압기 상태 판정을 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
TR : 변압기 100 : 측정부
110 : 제1 프로브 120 : 제2 프로브
200 : 제어부 300 : 출력부
400 : 저장부

Claims (11)

  1. 변압기(TR)의 복수의 각 단자(1차 단자, 2차 단자)에 접촉되는 복수의 프로브(제1, 2 프로브)를 포함하며, 상기 각 단자에 형성된 산화피막을 제거하거나 뚫고, 이 산화피막의 하부층에 접촉 및 연결되는 측정부; 및
    상기 측정부를 통해 상기 변압기에서 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 측정하고, 자기진단을 통해 오결선, 장비 자체 오차 발생, 및 내부 회로 이상 유무를 스스로 진단하며, 상기 자기진단 결과 및 상기 측정한 측정 결과를 저장, 및 온도 보정하여, 상기 1차 및 2차 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 바탕으로 종합적으로 변압기의 상태를 판단하여 레포트나 디스플레이 화면을 통해 출력하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 프로브는,
    악어 클립형 머리부를 이용해 변압기의 클램프 단자를 물고, 손잡이를 잡은 사용자가 좌우로 회전함으로써, 악어 클립형 머리부에 형성된 이빨처럼 뾰족하게 튀어나와 맞물리게 형성된 부분을 이용해 각 단자 표면의 산화피막을 제거하도록 형성된 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 프로브는,
    사용자가 프로브의 레버를 누른 상태에서, 변압기의 클램프 단자에 밀어 넣으면 머리부의 입구측에 형성된 피막제거 팁이 클램프 단자의 산화피막을 제거하고, 이 상태에서 레버를 놓으면 탐침이 상기 산화피막이 제거된 부분과 접촉할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    변압기의 고장유형 자동 판별 장치의 전원을 켜면, 자가진단 및 캘리브레이션(Calibration)을 실시하고,
    상기 자가진단 및 캘리브레이션 결과, 비정상이면 사용자에게 알람(Alarm)을 출력하고, 정상이면 사용자에게 정상표시를 하며,
    자동 또는 수동 점검 모드 중,
    사용자가 사용 환경에 맞게 자동 모드를 선택하면, 자동 모드를 실행하여 변압기의 상태 측정값을 자동으로 측정하여 고장 여부를 자동으로 판별하고,
    사용자가 수동 모드를 선택하면, 사용자로부터 상태 측정값에 대한 측정 작업의 지시를 받아 해당하는 측정값을 바탕으로 고장 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어부는,
    자동모드가 실행되면,
    변압기 용량을 선택하고,
    변압기의 용량에 따라 권선저항을 측정하고, 이어서 권수비 및 절연저항을 측정하며, 상기 권선저항, 권수비, 및 절연저항을 디스플레이 화면에 표시함과 동시에 상기 측정값들을 분석하여,
    권선저항 측정값이 설정된 정상범위에 있는지 여부, 권수비 측정값이 설정된 정상범위에 있는지 여부, 및 절연저항이 설정된 정상범위에 있는지 여부에 따는 불량이나 정상 상태 여부를 디스플레이 화면에 표시하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    변압기의 권선저항 측정 시 권선 길이에 의해 저항값이 변동하므로, 아래의 수학식 1을 이용해 권선저항의 정상화여부를 판단하되,
    (수학식 1)
    Figure 112019049066706-pat00012

    ε : 저항 변화율(%), Mn : n 번째 권선저항 측정값
    상기 저항 변화율(ε)이 설정한 설정값 또는 장비오차 보다 작거나 같으면 권선저항이 안정적으로 정상화되었다고 판단하고,
    상기 저항 변화율(ε)이 설정한 설정값 또는 장비오차보다 크면 에러인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    권선비 측정을 위하여,
    동작전원 소스 및 설정된 측정변수를 초기화하고, 1차측 측정 동작전원과 2차측 측정 동작전원을 온시킨 후, AC 출력값 및 AC 입력값을 측정 및 계산하고, 상기 AC 출력값 및 AC 입력값을 이용하여 권선비를 계산하되,
    상기 권선비 측정 시 1차 권선에 AC 입력전원을 인가하고 2차 측으로 출력되는 전압을 측정하여, 아래의 수학식 2와 수학식 3을 이용해 권선비를 계산하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
    (수학식 2)
    Figure 112019049066706-pat00013

    (수학식 3)
    Figure 112019049066706-pat00014

    여기서, N은 권선수, V는 전압, I는 전류
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 계산된 권선비가 지정된 오차범위 이내이면 상기 계산된 권선비를 저장부에 저장하고,
    상기 계산된 권선비가 오차범위를 벗어나면 측정을 종료하거나 재시작하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    절연저항 측정을 위해,
    측정회로부의 동작전원을 On시키고, DC 1kV 전원(HV)을 생성하여 인가하고,
    현재의 온도를 측정하며,
    변압기의 주 절연물을 통해 흐르는 누설전류(leakage_current)를 측정하여 절연저항 값을 계산하되,
    “
    Figure 112019049066706-pat00031
    ”을 적용하여, 상기 절연저항에 대해 온도보상을 수행하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안, 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하는지 체크하고,
    상기 체크 결과, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하면, 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값을 저장부에 저장하고,
    상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 지정된 시간 동안 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하지 않으면, 지정된 루프시간 동안 상기 체크 과정을 반복 수행하고, 상기 지정된 루프시간 후에도 상기 온도보상을 수행한 절연저항 값이 기 설정된 오차범위 내의 값을 유지하지 않으면, 에러로 처리하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    측정값을 이용하여 변압기의 최종 상태를 판단하기 위하여,
    권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값에 대한 상태를 판단하고,
    상기 권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값 중 하나라도 불량이면 변압기는 불량 상태로 최종 판단하며,
    상기 권선저항 측정값, 권선비 측정값, 및 절연저항 측정값이 모두 다 정상이면 변압기는 정상 상태로 최종 판단하는 것을 특징으로 하는 변압기의 고장유형 자동 판별 장치.
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