KR102038259B1 - 탭 전환기를 포함하는 변압기의 보호 - Google Patents

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토르드 벵트손
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

본 발명은 탭 전환기를 포함하는 변압기를 보호하는 보호 디바이스, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품, 및 변압기 및 보호 디바이스를 포함하는 변압기 배열체에 관한 것이다. 변압기는 전력이 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들을 갖고, 탭 전환기는 임피던스 소자들, 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 사이에서 변경할 때 임피던스 소자들을 점진적으로 접속하도록 구성되는 스위치를 포함한다. 본 방법은 보호 디바이스에서 수행되며, 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들 (Iin, Uin, Iout, Uout) 을 획득하는 단계 (32), 측정된 물리적 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하는 단계 (34, 38, 46), 추정되어진 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하는 단계 (40), 및 임계값이 초과되는 경우에 변압기를 보호하는 단계 (42) 를 포함하고, 축적된 에너지의 추정은 전력이 입력되는 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 변압기를 나가는 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 변압기의 전력 손실을 결정하고, 전력 손실을 적분하는 것을 포함한다.

Description

탭 전환기를 포함하는 변압기의 보호
본 발명은 탭 전환기를 포함하는 변압기를 보호하기 위한 보호 디바이스, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
탭 전환기들이 장착된 변압기들은 10 kV 이상과 같은 다양한 유형의 전력 송신 환경에서 자주 이용된다. 탭 전환기를 포함하는 변압기는 권선들 사이의 턴 레이트를 변경하여 이에 의해 전압 레벨들을 변경가능하다. 이 능력은 많은 시스템들에서 전력의 전달을 제어하기 위해 이용된다.
변압기들은 일반적으로 신뢰성이 있다. 이들이 실패할 확률은 약 1 % 정도로 낮다. 그러나, 이들 중 실패할 확률 1 % 는 일반적으로 20 내지 40 % 가 탭 전환기의 실패인 것에 기인하여 일어난다.
그 이유는 탭 전환기가 기계적 가동 소자들을 갖는 변압기의 유일한 부분이기 때문이다. 따라서, 변압기의 이 부분은 변압기의 나머지 부분보다 실패를 일으킬 가능성이 더 크다.
따라서, 탭 전환기가 장착된 변압기를 탭 전환기를 모니터링하는 것을 통하여 보호하는 것이 관심 대상이 된다.
부적절한 탭 전환기 동작이 치명적인 결과들을 가져올 수도 있기 때문에 보호는 탭 전환기 동작이 적절하게 수행되는지를 검출하고자 한다. 따라서, 보호도 또한 신속해야 한다.
본 발명은 이러한 변압기 보호에 관한 것이다.
EP 2541 571 은 탭 전환기를 통과하는 전류가 검출되고 전류 표시 신호를 생성하는데 이용되는 탭 전환기에 대한 보호 배열체를 개시한다. 전류 표시 신호의 지속 기간은 임계값과 비교된 다음, 이것이 있다면 결함 표시 신호가 생성된다.
WO02/48730 은 탭 전환기에 대한 보호 배열체를 개시하며, 여기에서, 탭 전환기의 조건 진단은 실제 온도, 탭 전환기와 주변 공기 및 변압기 사이의 예상되는 열 교환, 탭 교환기에 의해 생성되는 열의 양 및 실제 유체 온도에 기초하여 이루어진다.
US 2007/0225945 는 탭 전환기에 대한 보호 배열체를 개시하였다. 탭 변경 후의 탭 전환기의 온도는 탭 교환 동작 전의 탭 전환기 온도에 관련된 제 1 임계값과 비교된다.
본 발명은 탭 전환기 결함 때문에 실패하는 과정에 있는 변압기를 보호하는 것에 관한 것이다.
이 목적은 탭 전환기를 포함하는 변압기를 보호하기 위한 보호 디바이스를 통하여 실현되는 본 발명의 제 1 양태에 따르며, 변압기는 탭 전환기를 포함하고, 변압기는 전력이 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들을 갖고, 탭 전환기는 임피던스 소자들, 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 사이에서 변경할 때 임피던스 소자들을 순차적으로 접속 (gradually connect) 하도록 구성되는 스위치를 포함하고, 보호 디바이스는: 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은, 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들을 획득하고, 측정된 전력 전달 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 상기 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하고, 추정되어진 상기 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하고, 그리고 임계값이 초과되는 경우에 변압기를 보호하도록 구성되고, 축적된 에너지를 추정할 때의 제어 유닛 (26) 은 전력이 들어오는 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 변압기를 나가는 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 변압기의 전력 손실을 결정하고, 전력 손실을 적분하도록 동작된다.
이 목적은 탭 전환기를 포함하는 변압기를 보호하는 방법을 통하여 실현되는 제 2 양태에 따르며, 변압기는 탭 전환기를 포함하고, 변압기는 전력이 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들을 가지며, 탭 전환기는 임피던스 소자들, 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 사이에서 변경할 때 임피던스 소자들을 점진적으로 접속하도록 구성되는 스위치를 포함한다. 본 방법은 보호 디바이스에서 수행되며, 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들을 획득하는 단계, 측정된 물리적 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하는 단계, 추정되어진 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하는 단계, 및 임계값이 초과되는 경우에 변압기를 보호하는 단계를 포함하고, 축적된 에너지를 추정하는 단계는 전력이 들어오는 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 변압기를 나가는 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 변압기의 전력 손실을 결정하고 (34), 전력 손실을 적분하는 단계를 포함한다.
이 목적은 탭 전환기를 포함하는 변압기를 보호하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품을 통하여 실현되는 본 발명의 제 3 양태에 따르며, 변압기는 전력이 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들을 갖고, 탭 전환기는 임피던스 소자들, 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 사이에서 변경할 때 임피던스 소자들을 점진적으로 접속하도록 구성되는 스위치를 포함하고, 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 프로그램 코드를 갖는 데이터 캐리어를 포함하고, 컴퓨터 프로그램 코드는 보호 디바이스의 제어 유닛으로 하여금: 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들을 획득하게 하고, 측정된 물리적 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하게 하고, 추정되어진 상기 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하게 하고, 그리고 임계값이 초과되는 경우에 변압기를 보호하게 하며, 축적된 에너지의 추정은 전력이 입력되는 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 변압기를 나가는 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 변압기의 전력 손실을 결정하고, 전력 손실을 적분하는 것을 포함한다.
본 발명은 다수의 이점들을 갖는다. 이는 실패된 탭 전환기의 고속 검출을 가능하게 한다. 이는 또한, 최소한의 추가적인 하드웨어를 이용하는 것에 의해 이루어지고 그리고 변압기에서 이미 측정된 전력 전송 특성들만을 측정하는 것에 의해 추가적인 센서들의 도입을 방지할 수도 있다.
본 발명은 다음에서 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며 도면에서,
도 1 은 탭 전환기가 장착된 변압기를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 에서의 변압기의 탭 전환기와 하나의 권선을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 탭 변경 동작 동안에 변압기에서의 전력 손실을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 변압기의 보호를 제어하는 제어 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 제어 유닛에 의해 수행되는, 변압기를 보호하는 일 방법에서의 방법 단계들의 흐름도를 도시한다.
도 6 은 제어 유닛을 구현하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 데이터 캐리어의 형태로 된 컴퓨터 프로그램 제품을 개략적으로 도시한다.
다음에서, 본 발명의 바람직한 실시형태들의 상세한 설명이 주어질 것이다.
도 1 은 서로 자기적으로 결합되는 제 1 권선 (12) 및 제 2 권선 (14) 을 갖는 변압기 (10) 를 도시한다. 이들 권선들은 따라서 페어를 형성하고 종종 1차 권선 및 2차 권선으로 표기된다. 제 1 권선 (12) 은 탭 전환기 (16) 에 또한 접속된다. 도면에는, 또한 동작 동안에 측정될 수도 있는 변압기의 복수의 전력 전송 특성들이 도시된다. 제 1 권선 (12) 에 공급되는 입력 전류 (In) 및 제 1 권선 (12) 을 통해 인가되는 입력 전압 (Uin) 이 존재한다. 또한, 제 2 권선 (14) 으로부터 전달된 출력 전류 (Iout) 및 제 2 권선 (14) 에 의해 제공된 출력 전압 (Uout) 이 존재한다. 입력 전류 (In) 및 입력 전압 (Uin)은 제 1 권선 (12) 의 제 1 및 제 2 측정 단자 (MT1 및 MT2) 에서 측정된 측정 양들이며, 제 1 측정 단자 (MT1) 는 제 1 권선 (12) 의 제 1 단부에 제공되고 제 2 측정 단자 (MT2) 는 제 1 권선 (12) 의 제 2 단부에 제공된다. 출력 전류 (Iout) 및 출력 전압 (Uout) 은 제 2 권선 (14) 의 제 3 및 제 4 측정 단자 (MT3 및 MT4) 에서 측정된 측정 양들이며, 제 3 측정 단자 (MT3) 는 제 2 권선 (14) 의 제 1 단부에 제공되고 제 4 측정 단자 (MT4) 는 제 2 권선 (14) 의 제 2 단부에 제공된다. 따라서, 전력이 측정 단자들에서 변압기에 들어오고 나가게 된다는 것을 알 수 있다. 상술한 예는 변압기를 통해 제 1 권선으로부터 제 2 권선으로의 전력 전달을 가정한다. 따라서, 제 1 권선 (12) 은 변압기 (10) 의 입력측을 형성하고, 제 2 권선 (14) 은 변압기 (10) 의 출력측을 형성한다. 그러나, 전력이 반대 방향으로 전달될 수도 있다는 것을 알아야 하며, 이 경우에 입력 전류 및 입력 전압은 제 3 및 제 4 측정 단자들 (MT3 및 MT4) 에서 측정되는 한편 출력 전류 및 출력 전압은 제 1 및 제 2 측정 단자들 (MT1, MT2) 에서 측정된다. 그 다음, 제 2 권선 (14) 은 입력측을 형성하고 제 1 권선 (12) 은 출력측을 형성할 것이다.
도시된 변압기가 개략적으로 표현된다. 이는 또한 철심을 포함할 수도 있음을 알아야 한다. 또한 변압기는 많은 경우 3상 변압기라는 것을 알아야 한다. 이는 3 개의 쌍의 권선들이 있음을 의미한다. 변압기는 또한 동일한 1차 권선에 자기적으로 결합된 1 보다 많은 2차 권선을 포함할 수도 있다. 탭 전환기는 대안으로서 제 2 권선에 또한 접속될 수도 있다.
도 2 는 조절 권선 (19) 을 포함하는 탭 전환기와 함께 제 1 권선 (12) 을 개략적으로 도시한다. 제 1 권선은 제 1 및 제 2 단부를 갖고, 제 1 단부는 제 1 측정 단자 (MT1) 에 접속되고 제 2 단부는 조절 권선 (19) 에 접속가능하다. 조절 권선 (19) 은 또한 제 1 및 제 2 단부를 갖는다. 탭 전환기는 또한 다이버터 (20) 및 1차 권선 (12) 에 접속되어야 하는 조절 권선 (19) 의 권회수를 선택하는 셀렉터 (18) 를 포함한다.
셀렉터 (18) 는 조절 권선 (19) 의 배향을 반전시키기 위해 이용되는 전환 스위치 (change over switch)(24) 를 가지며, 따라서 제 1 권선 (12) 의 제 2 단부에 접속되는 제 1 단부, 및 2 개의 포지션들인, 조절 권선 (19) 의 제 1 단부에 있는 제 1 포지션과, 조절 권선 (19) 의 제 2 단부에서의 제 2 포지션 사이에 가동하는 제 2 단부를 갖는다. 각각의 권선 (14 및 19) 은 전기 컨덕터의 복수의 턴들을 포함한다. 또한, 조절 권선 (19) 은 복수의 탭 포인트들을 포함하고, 이들 중 6 개 (1, 2, 3, 4, 5 및 6) 가 일 예로서 도시되어 있다. 탭 포인트들은 제 1 다이버터 단자 (DT1) 에 접속된 제 1 셀렉터 아암 및 제 2 다이버터 단자 (DT2) 에 접속된 제 2 셀렉터 아암에 의해 제 1 권선에 접속되어야 하는 조절 권선 (19) 의 턴들이 얼마나 많은지를 결정하기 위하여 이용된다.
다이버터 (20) 는 이어서 제 2 측정 단자 (MT2) 에 접속된 제 1 단부 및 4 개의 컨택 포지션들 사이에 접속가능한 제 2 단부를 갖는 다이버터 스위치 (22) 를 포함하며, 여기에서, 제 1 컨택 포지션 (P1) 은 제 1 다이버터 아암을 통하여 제 1 다이버터 단자 (DT1) 로 이어지고, 제 2 컨택 포지션은 제 1 저항기 (R1) 의 형태로 임피던스 소자를 통하여 제 1 다이버터 단자 (DT1) 로 이어지고, 제 3 컨택 포지션은 제 2 저항기 (R2) 의 형태로 임피던스 소자를 통하여 제 2 다이버터 단자 (DT2) 로 이어지고, 제 4 컨택 포지션 (P4) 은 제 2 다이버터 아암을 통하여 제 2 다이버터 단자 (DT2) 로 직접 이어진다. 다이버터 (20) 는 2 개의 셀렉터 아암들 사이의 부하를 정류하기 위해 제공된다.
여기에서, 이것은 셀렉터 및 다이버터 탭 전환기의 일 실현예에 불과함을 알아야 한다. 수개의 다른 유형들의 셀렉터와 다이버터 탭 전환기들이 존재한다. 다른 유형의 탭 전환기들이 또한 존재한다. 또 다른 유형은 예를 들어 셀렉터와 탭 전환기이며, 이는 일 동작에서 선택 및 정류를 결합하지만, 셀렉터 및 다이버터 탭 전환기와 유사한 컨택 시퀀스를 갖는다. 또 다른 예는 접촉 시퀀스가 종종 수정되지만 임피던스 소자에서 전력이 손실되는 시간을 여전히 포함하는 진공 탭 전환기이다. 도시된 탭 전환기는 또한 임피던스 소자로서의 저항기들을 포함한다. 그러나, 다른 유형의 임피던스 소자들, 이를 테면, 인덕터들을 이용하는 것도 또한 알려져 있다. 또한, 도시된 탭 전환기에서는 2 개의 임피던스 소자들이 있다. 소수의, 이를 테면, 하나, 또는 그 이상, 이를 테면, 3 또는 4 개를 갖는 것이 또한 가능함을 알아야 한다.
모든 이들 탭 전환기들에 대해 공통적인 것은 탭 변경 동안에 2 개의 포지션들 사이에서 스위치의 점진적 이동이 있다는 것이고, 이는 도 2 에서의 탭 전환기의 경우에, 제 1 및 제 제 4 포지션들 (P1 및 P4) 사이에서 이동하는 다이버터 스위치 (22) 이다. 탭 변경이 요구될 때, 셀렉터 아암들 중 하나는 탭 포지션과 대응하는 다이버터 단자 사이에 원래 접속된다. 일례로서, 제 1 셀렉터 아암은 도 2 에 도시된 제 2 탭 포지션 (2) 과 제 1 다이버터 단자 (DT1) 사이에 접속될 수도 있으며, 동시에 다이버터 스위치 (22) 는 제 1 컨택 포지션 (P1) 에 있다. 이에 의해 제 1 셀렉터 아암이 로딩되고, 즉, 이에 따라 부하 전류가 제 1 다이버터 아암을 통과하여 제 1 셀렉터 아암으로 전달된다. 원하는 턴 레이트 변경을 얻는 탭 포지션은 비-로딩된 셀렉터 아암 (이 예에서는 제 2 셀렉터 아암) 에 대해 선택된다. 따라서, 제 2 다이버터 단자 (DT2) 는 언로딩된 제 2 셀렉터 아암을 선택된 탭 포지션에 접속하며, 이 탭 포지션은 도 2 의 예에서는 제 1 탭 포지션 (1) 이다. 부하를 정류하기 위해, 즉 턴 레이트의 변경을 수행하기 위해, 다이버터 스위치 (22) 는 제 1 내지 제 4 접촉 포지션으로 점진적으로 이동된다. 이러한 점진적인 이동에서, 다이버터 스위치 (22) 는 먼저, 제 1 컨택 포지션 (P1) 과 접촉하고 있는 동시에 제 1 저항기 (R1) 와의 컨택을 확립한다. 그 후, 다이버터 스위치 (22) 는 제 1 컨택 포지션 (P1) 및 제 1 다이버터 아암과의 접촉을 차단한다. 부하 전류는 이때 제 1 저항기 (R1) 를 통하여 제 1 셀렉터 아암으로만 흐를 것이다. 그 후, 다이버터 스위치는 제 2 저항기 (R2) 에 접속된다. 이 시점에서 부하 전류는 저항기들 (R1 및 R2) 양쪽 모두를 통해 제 1 및 제 2 셀렉터 아암들 양쪽 모두로 흐를 것이다. 또한, 다이버터 단자들 (DT1 및 DT2) 사이의 전압 차이를 통하여 생성된 순환 전류가 존재할 것이다. 이것에 이어서, 다이버터 스위치 (22) 가 제 1 저항기 (R1) 와의 접속을 차단하고 이에 의해 부하 전류가 제 2 저항기 (R2) 를 통하여 제 2 셀렉터 아암으로만 흐른다. 마지막으로 다이버터 스위치가 제 4 컨택 포지션 (P4) 에 도달한 다음 부하 전류가 제 2 다이버터 아암을 통하여 제 2 셀렉터 아암으로 흐를 것이다. 이에 의해, 탭 변경 동작이 완료된다. 이러한 이동 동안에, 에너지는 적어도 하나의 임피던스 소자, 도 2 의 예에서는 2 개의 저항기들 (R1 및 R2) 로 로딩되거나 또는 축적되며, 에너지는 저항기의 경우에 소모되지만 인덕터의 경우에 일시적으로 단지 저장만 됨을 알 수 있다.
도 2 에서의 탭 전환기의 위에 언급된 동작을 통하여, 즉, 포지션들 (P1 및 P4) 사이의 점진적 변경 동안에, 측정 단자들 (MT3 및 MT4) 사이에 임피던스들 (R1 및 R2) 이 접속되고, 이에 따라 에너지가 이들에 축적될 것이다. 이 예에서 임피던스들이 저항기들이기 때문에 실제 전력은 손실된다. 임피던스들이 유도적이면, 무효 전력이 대신 저장된다.
순간 전력 손실은 예를 들어 아래의 식 (1) 에 따라 결정될 수도 있다.
Figure 112019027043662-pct00001
이에 의해 3상 시스템에 제공되는 식은 3상 변압기의 전력 손실을 정의한다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 측정 단자들 (MT1, MT2, MT3 및 MT4) 에서, 입력 전압 (Uin) 에 입력 전류 (In) 를 곱한 것에서, 출력 전압 (Uout) 에 출력 전류 (Iout) 를 곱한 것을 뺀 것으로서 획득된 전력 전달 특성 측정값들에 기초하여 순간 전력 손실 (Ploss) 이 계산되고, 여기에서, 3 개의 이러한 차이가 각각의 위상에 대해 하나씩 얻어진다.
한 주기에서의 순간 전력 손실의 평균으로서의 식 (1) 에서의 실제 전력 손실, 및 제로 평균의 오실레이션으로서 무효 전력 손실의 평균을 구하는 것이 가능하다.
탭 전환기가 장착된 이러한 3상 변압기의 낮은 부하에서 전력 손실이 나타나는 방식은 도 3 에서 볼 수 있다. 도면에서 모든 3 개의 위상들에서 동시 탭 변경 동작을 통하여 각각의 위상 마다의 전력 손실이 도시된다. 제 1 위상에서, 전력 손실 (Ploss_A) 이 있고, 제 2 위상에서 전력 손실 (Ploss_B) 이 있고, 제 3 위상에서는 전력 손실 (Ploss_C) 이 있다. 이들 3 개의 전력 손실들은 총 전력 손실 (Ploss) 까지 합산되고, 총 전력 손실 (Ploss) 은 "펄스" 의 형상을 갖는다. 도면에서, 탭 변경 동작은 시간들 0.00초와 0.02 초 사이에서 수행됨을 알 수 있다. "펄스" 또는 일 예로서 이 구간은 20 ms 의 폭을 갖고 이 폭은 에너지 축적의 공칭 피크 지속기간 시간 (nominal peak duration time; NPDT) 또는 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간이며, 이 구간에서, 각각의 위상은 전력 손실을 경험함을 알 수 있다. "펄스"는 보다 구체적으로 결함이 없을 때의 탭 변경 동작을 나타낸다.
도 3 에 도시된 탭 전환기가 계획에 따라 동작하는 경우에, "펄스" 폭 또는 구간은 상당히 짧다. 그러나, 원하는 접속들이 제시간에 완료되지 않은 결과로 실패가 있는 경우에, "펄스"가 더 넓어지거나 구간이 더 길어진다. 이는 저항기들이 변압기 출력/입력에 장시간 접속된다는 사실에 기인한다.
이는 과열로 인한 변압기의 실패로 이어질 수도 있는데 이 과열은 매우 심각할 수 있고 예를 들어, 변압기에 이용된 냉각 및/또는 절연 매체에서 화재로 이어질 수 있다.
그러나, 탭 변경 동작에 기인한 이러한 전력 손실은 실시간으로 검출되고 평가될 수 있다면, 변압기를 신속하게 보호 조치를 취하고 변압기를 신속하게 접속해제할 수 있어 변압기와 그 환경 모두에 대해 치명적인 결과들을 회피할 수 있다. 이 때문에, 결과적인 변압기 리페어가 보다 신속하고 덜 비용이 들게 한다.
이러한 보호성을 제공하기 위해 보호 디바이스가 제공된다.
보호 디바이스 (25) 를 실현하는 일 방법이 도 4 에 도시되어 있다. 보호 디바이스 (25) 는 측정된 전력 전송 특성들 (In, Uin, Iout 및 Uout) 뿐만 아니라 선택적으로 또한 탭 전환기 제어 신호 (TC_CTRL) 의 형태로 측정 양들을 수신하는 제어 유닛 (26) 을 포함하며, 이 탭 전환기 제어 신호는 탭 변환 동작을 실시하거나 또는 시작하기 위하여 탭 전환기에 전송되는 제어 신호이다. 이러한 제어 신호는 통상적으로 일 예로서 전력 전송 시스템의 전력 제어와 연관될 수도 있는 탭 전환기 제어 유닛으로부터 전송된다. 제어 유닛 (26) 은 또한 변압기를 보호하기 위해 이용되는 보호 회로에 보호 신호 (TR_PROT) 를 전달한다.
제어 유닛 (26) 은 측정값 획득 블록 (MO; 28), 축적된 에너지 추정 블록 (DEE)(30) 및 축적된 에너지 평가 블록 (DEA)(32) 을 더 포함한다.
제어 유닛 (26) 은 상술된 블록들을 구현하는 컴퓨터 명령들을 포함하는 연관 프로그램 메모리로 컴퓨터 또는 프로세서를 통해 구현될 수도 있다. 블록을 실현하는 ASIC들 (Application Specific Integrated Circuits) 또는 FPGA들 (Field Programmable Gate Arrays) 과 같은 하나 이상의 전용 컴포넌트들을 통해 실현될 수도 있다.
이때, 변압기를 보호하기 위한 제어 유닛 (26) 의 동작은 변압기 (10) 를 보호하는 방법에서의 복수의 방법 단계들의 흐름도를 도시하는 도 5 를 또한 참조하여 설명될 것이다.
제어 유닛 (26) 은 실시간으로, 즉 변압기 (10) 가 동작 중일 때 동작된다. 따라서, 변압기 (10) 는 제 1 권선 (12) 으로부터 제 2 권선 (14) 으로 또는 제 2 권선 (14) 으로부터 제 1 권선 (12) 으로 전력을 전달함에 있어서 액티브하다. 이 경우 탭 전환기 (16) 가 특정 설정을 가질 때인, 변압기 (10) 의 정상 상태 동작에서, 저항 소자가 이용되지 않기 때문에 손실은 일반적으로 낮다.
이 동작 동안, 측정값 획득 블록 (28) 은 단계 33 에서 측정 양들 (In, Uin, Iot 및 Uout) 을 연속적으로 획득할 수도 있다. 이는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 측정 단자들 (MT1, MT2, MT3 및 MT4) 에 접속된 연관 센서들로부터 측정값들을 수신하는 것을 통하여 수행될 수도 있다. 그 후, 이들 양들을 축적된 에너지 추정 블록 (30) 에 공급할 수도 있고, 이 블록은 변압기 (10) 로 입력된 전력 및 변압기 (10) 로부터 출력된 전력을 연속적으로 결정할 수 있는데, 여기서 주어진 예에서는 전력이 제 1 권선 (12) 에 입력되고 전력이 제 2 권선 (14) 으로부터 출력된다. 축적된 에너지 추정 블록 (30) 은 예를 들어 상기 주어진 식 (1) 에 따라 각각의 위상의 2 개의 자기적으로 결합된 권선들로부터 입력된 전력과 이들 권선들로부터 출력된 전력 사이의 차이로서 전력 손실 (Ploss) 을 보다 특히 결정할 수도 있다 (단계 34). 이에 의해, 전력이 변압기에 들어오는 측정 단자들과 전력이 변압기를 나가는 측정 단자들 사이의 전력 손실을 결정한다.
그 후, 제어 유닛 (26) 및 본 예에서, 축적된 에너지 추정 블록 (30) 은 탭 변경이 임박해 있다는 표시를 수신할 수도 있으며 (단계 36), 이 예에서 이는 탭 변경을 실시하기 위해 탭 전환기 제어 유닛으로부터 탭 전환기로 전송된 탭 변경 제어 신호 (TC_CTRL) 를 수신하는 것을 통하여 행해진다.
이 표시는 탭 변경 동작 동안, 즉 다이버터 (20) 의 다이버터 스위치 (22) 가 제 1 포지션 (P1) 으로부터 제 4 포지션 (P4) 으로 점진적으로 변경될 때 탭 전환기 (16) 의 임피던스 소자들 (R1 및 R2) 내에 축적되는 에너지의 추정에 대한 트리거일 수도 있다.
따라서, 신호 (TC_CTRL) 가 수신될 때, 축적된 에너지 추정 블록 (30) 은 축적된 에너지의 추정을 시작한다.
이 실시형태에서, 추정은 연속적으로 결정되는 전력 손실을 적분하는 것을 통하여 수행된다.
신호 (TC_CTRL) 의 수신에 의해 트리거되어, 적분이 시작하도록 설정될 수도 있음이 또한 가능하다.
따라서, 축적된 에너지 추정 블록 (30) 은 전력 손실을 적분한다 (단계 38). 축적된 에너지 추정 블록 (30) 은 또한 시간 범위 (Tint) 내에서 적분을 수행하도록 설정될 수도 있다. 이 시간 범위 (Tint) 는 상술한 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간 (NPDT) 과 관련하여 설정된다. 공칭 탭 변경 동작이 완료되면서 동시에 실패가 명확하게 검출될 수 있도록 설정된다. 시간 범위는 충분한 마진을 갖는 공칭 피크 지속기간 축적 시간 (NPDT) 을 초과해야 한다. 예를 들어, 공칭 피크 지속기간 (NPDT) 의 10 내지 100 배로 설정될 수도 있다. 하나의 예로서 NPDT 의 25 배로 설정될 수도 있다. 따라서, 시간 범위는 실패가 검출되지 않는 한 적분이 얼마나 오래 지속할지를 정의한다.
적분은 다음에 따라 일 예로서 수행될 수도 있다:
Figure 112019027043662-pct00002
여기에서, s 는 적분 결과이고, ts 는 샘플링 시구간, Tint 는 적분 시간 스케일, Ploss 는 순간 전력 손실이다.
적분 결과는 또한 축적된 에너지 평가 블록 (32) 에 제공된다. 축적된 에너지 평가 블록 (32) 의 동작은 또한 신호 (TC_CTRL) 에 의해 트리거될 수도 있다. 또한, 이는 축적된 에너지 평가 블록 (32) 이 비교를 수행하기 시작하는 것에 대한 트리거이고, 그 비교가 곧 기술될 것이다.
식 (2) 를 보는 것을 통해, 한 시점에서의 하나의 적분 결과 (s) 는 이전 시점의 적분 결과 (s) 에, 현재 순간 전력 손실 (Ploss) 과 샘플링 시간 (ts) 을 곱한 것을 더한 다음, 가중된 이전 적분 결과 (s) 를 뺀 것이며, 가중은 샘플링 시구간 (ts) 의 단위로 반전된 최소 적분 시간 (Tint) 으로 설정됨을 알 수 있다.
축적된 에너지 평가 블록 (32) 에서, 적분된 값은 그 후, 공칭 피크 검출 시간 (NPDT) 에서의 탭 변경 동작 및 나머지 구간 (Tint) 에서의 정상 상태 변압기 동작에 의해 얻어진 에너지보다 높지만, 연장된 탭 변경 동작에 의해 케이싱되는 실패를 안전하게 검출할 만큼 충분히 낮은 에너지 임계값인 실패 임계값 (FT) 과 비교된다. 따라서, 실패 임계값은 변압기 (10) 를 위태롭게 하는 것을 회피하는 레벨로 설정된다. 공칭 "펄스" 의 에너지는 저항기 사이즈, 공칭 피크 지속기간 시간 (NPDT), 전류 부하, 2 개의 인접 탭 포인트들 사이의 턴 레이트 및 앞서 언급한 순환 전류에 대한 정보를 이용하여 결정될 수도 있다.
따라서, 축적된 에너지 평가 블록 (32) 은 적분된 전력 손실의 형태로 추정된 축적 에너지를, 실패 임계값 (FT) 과 비교하고, 추정되어진 축적된 에너지가 실패 임계값 (FT) 보다 더 높으면 (단계 40), 변압기 (10) 가 보호된다 (단계 42). 이는 보호 신호 (TR_PROT) 를 보호 회로에 전송하는 축적된 에너지 평가 블록 (32) 을 통해 수행될 수도 있고, 그 후, 이 보호 회로는 보호 회로가 이용되는 동력 전달 시스템으로부터 변압기 (10) 를 접속해제할 수도 있다.
그러나, 실패 임계값 (FT) 을 초과하지 않으면 (단계 40), 축적된 에너지 평가 블록 (32) 은 적분에 소비된 시간 (t) 을 적분 시구간 (Tint) 과 비교한다. 이것이 만료되면 (단계 44), 탭 전환기는 만족스럽게 수행되고 있으며, 축적된 에너지 평가 블록 (32) 은 축적된 에너지 추정 블록 (30) 에, 통지하고, 이어서 축적된 에너지의 추정을 정지시킨다 (단계 46). 또한 적분이 동시에 정지되는 것도 가능하다.
그러나, 적분 시간 (t) 이 한계값 (Tint) 에 아직 도달하지 않으면 (단계 44), 축적된 에너지 평가 블록 (32) 은 리턴하여 임계값을 가진 축적된 에너지를 다시 조사한다.
동작은 그후, 실패 임계값이 초과되거나 또는 적분 시간이 시간 범위 (Tint) 에 도달할 때까지 추정되어진 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하고 적분 시간을 적분 기간과 비교하는 축적된 에너지 평가 블록 (32) 으로 반복된다.
이 방식으로, 실패된 탭 전환기를 검출하는 것이 가능함을 알 수 있다. 이는 또한 변압기에서 이미 측정된 전력 송신 특성들을 측정하고 최소한의 추가적인 하드웨어를 이용하여 고속으로 행해질 수도 있다. 적분의 이용을 통하여, 부하 변동들이 제거되어, 이에 의해 축적된 에너지가 보다 쉽게 검출된다.
본 발명은 다수의 방식들로 변경될 수도 있다. 변경될 수도 있는 하나의 방법은 측정 양들을 획득하고 전력 손실을 결정하는데 있다. 이는 연속적으로 수행되는 것으로서 위에서 설명되었다. 대안으로서, 이들 단계들은 탭 변경 동작에 대한 조사가 수행될 때에만 수행되는 것도 가능하다. 따라서 이들 활동들은 신호 (TC_CTRL) 에 의해 트리거될 수도 있으며 실패의 검출 시구간 (Tint) 의 만료의 경우에 종료될 수도 있다. 또 다른 가능한 변형은 추정되어진 축적된 에너지가 정규 동작 임계값과 비교되고 추정된 에너지가 정규 동작 임계값에 도달하지 못하는 경우 경보가 발생되는 것이다. 이 임계값은 통상적인 탭 전환기 동작에 대응하는 에너지 레벨, 즉 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간 미만의 "펄스" 폭에 대응하는 에너지 레벨로 설정될 수도 있다. 따라서, 정규 동작 임계값에 도달하지 못하면 지시된 탭 변경 동작이 발생하지 않음을 표시할 것이다.
또 다른 가능한 변형은 또한 적분이 연속적으로 수행되는 것이다. 이 경우, 신호 (TC_CTRL) 의 수신시의 적분 값이 기록되어 실패 임계값을 조정하는데 이용될 수도 있다.
서브스테이션에 제공될 수도 있는 보호 디바이스는 제어 유닛을 포함하는 것으로만 도시되었다. 보호 디바이스는 이러한 서브스테이션에서의 다른 기능성에 대한 복수의 다른 제어 유닛들을 대안으로서 또한 포함할 수도 있음을 알아야 한다.
제어 유닛은 개별 부품들의 형태로 구현될 수도 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 프로세서 상에서 실행될 때 원하는 제어 기능을 수행하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 프로그램 메모리를 수반하는 프로세서의 형태로 또한 구현될 수도 있다. 이 코드를 수록한 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 프로그램 코드를 수록한 하나 이상의 CD ROM 디스크 또는 하나 이상의 메모리 스틱들과 같은 데이터 캐리어로서 제공될 수도 있고, 이는 전압 소스 컨버터의 제어 유닛 내에 로딩될 때 상술한 제어 기능성을 수행한다. 컴퓨터 프로그램 코드 (50) 를 수록한 CD 롬 디스크 (48) 의 형태로 된 하나의 이러한 데이터 캐리어는 도 6 에 도시되어 있다.
앞에서의 논의로부터, 본 발명이 다수의 방식들로 변경될 수 있음은 자명하다. 결과적으로, 본 발명은 오직 다음의 청구항들에 의해서만 제한될 것임이 이해될 것이다.

Claims (13)

  1. 탭 전환기 (16) 를 포함하는 변압기 (10) 를 보호하기 위한 보호 디바이스 (25) 로서,
    상기 변압기 (10) 는 전력이 상기 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들 (12, 14) 을 갖고, 상기 탭 전환기 (16) 는 임피던스 소자들 (R1, R2), 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 (P1, P4) 사이에서 변경할 때 상기 임피던스 소자들을 순차적으로 (gradually) 접속하도록 구성되는 스위치 (22) 를 포함하고,
    상기 보호 디바이스는 제어 유닛 (26) 을 포함하고,
    상기 제어 유닛 (26) 은,
    상기 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들 (Iin, Uin, Iout, Uout) 을 획득하고,
    측정된 전력 전달 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 상기 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하고,
    추정되어진 상기 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하고,
    상기 실패 임계값을 초과하는 경우에 상기 변압기를 보호하도록 구성되고,
    상기 제어 유닛 (26) 은 상기 축적된 에너지를 추정할 때, 또한 전력이 들어오는 상기 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 상기 변압기를 나가는 상기 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 상기 변압기의 전력 손실을 결정하고, 상기 전력 손실을 적분하도록 동작하는, 보호 디바이스 (25).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (26) 은, 임박해있는 탭 변경 동작의 표시 (TC_CTRL) 를 획득하고, 상기 표시가 획득되는 시점에서 상기 추정되어진 축적된 에너지를 상기 실패 임계값과 비교하기 시작하도록 동작하는, 보호 디바이스 (25).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탭 전환기 (16) 는 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간 (NPDT) 을 갖고, 상기 제어 유닛 (26) 은 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간을 초과하는 시간 범위 (Tint) 에서 축적된 에너지의 추정을 수행하도록 동작하는, 보호 디바이스 (25).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시간 범위 (Tint) 는 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간의 10 - 100 배이거나 또는 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간의 25 배인, 보호 디바이스 (25).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (26) 은 적분할 때, 하기 식을 채용하도록 동작하고,
    Figure 112019027098088-pct00011

    식에서, s 는 적분 결과이고, ts 는 샘플링 시간 인스턴트이고, Ploss 는 순간 전력 손실이고, Tint 는 적분 시간 스케일인, 보호 디바이스 (25).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (26) 은, 상기 추정되어진 축적된 에너지를 정규 동작 임계값과 비교하고, 상기 추정되어진 축적된 임계값이 상기 정규 동작 임계값에 도달하지 않는지를 표시하도록 동작하는, 보호 디바이스 (25).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (26) 은 상기 변압기의 동작 동안에 실시간으로 동작하는, 보호 디바이스 (25).
  8. 탭 전환기 (16) 를 포함하는 변압기 (10) 를 보호하는 방법으로서,
    상기 변압기 (10) 는 전력이 상기 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들 (12, 14) 을 갖고, 상기 탭 전환기 (16) 는 임피던스 소자들 (R1, R2), 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 (P1, P4) 사이에서 변경할 때 상기 임피던스 소자들을 순차적으로 (gradually) 접속하도록 구성되는 스위치 (22) 를 포함하고,
    상기 방법은:
    상기 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들 (Iin, Uin, Iout, Uout) 을 획득하는 단계 (32),
    측정된 물리적 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 상기 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하는 단계 (34, 38, 46),
    추정되어진 상기 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하는 단계 (40), 및
    상기 실패 임계값을 초과하는 경우에 상기 변압기를 보호하는 단계 (42) 를 포함하고,
    상기 축적된 에너지를 추정하는 단계는 전력이 들어오는 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 상기 변압기를 나가는 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 상기 변압기의 전력 손실을 결정하는 단계 (34), 및 상기 전력 손실을 적분하는 단계 (39) 를 포함하는, 변압기 (10) 를 보호하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    임박해있는 탭 변경 동작의 표시 (TC_CTRL) 를 획득하는 단계 (36) 를 더 포함하고, 상기 추정되어진 축적된 에너지를 상기 실패 임계값과 비교하는 단계는, 상기 표시가 획득되는 시점으로부터 시작하여 행해지는, 변압기 (10) 를 보호하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탭 전환기는 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간 (NPDT) 을 갖고, 상기 축적된 에너지의 추정은 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간을 초과하는 시간 범위 (Tint) 에서 수행되는, 변압기 (10) 를 보호하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시간 범위 (Tint) 는 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간의 10 - 100 배이거나, 또는 상기 공칭 피크 지속기간 에너지 축적 시간 (NPDT) 의 25 배인, 변압기 (10) 를 보호하는 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 적분은 하기 식을 채용하여 수행되고,
    Figure 112019027098088-pct00012

    식에서, s 는 적분 결과이고, ts 는 샘플링 시간 인스턴트이고, Ploss 는 순간 전력 손실이고, Tint 는 적분 시간 스케일인, 변압기 (10) 를 보호하는 방법.
  13. 탭 전환기 (16) 를 포함하는 변압기 (10) 를 보호하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 (50) 를 가진 데이터 캐리어 (48) 상에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 변압기는 전력이 상기 변압기에 들어오고 나가는 단자들 (MT1, MT2, MT3, MT4) 을 갖는 적어도 2 개의 자기적으로 결합된 권선들 (12, 14) 을 갖고, 상기 탭 전환기는 임피던스 소자들 (R1, R2), 및 탭 변경 동작 동안에 2 개의 탭 전환기 포지션들 (P1, P4) 사이에서 변경할 때 상기 임피던스 소자들을 순차적으로 (gradually) 접속하도록 구성되는 스위치 (22) 를 포함하고,
    상기 컴퓨터 프로그램 코드 (50) 는 보호 디바이스 (25) 의 제어 유닛 (26) 으로 하여금,
    상기 자기적으로 결합된 권선들에서의 동력 전달 특성들의 측정값들 (Iin, Uin, Iout, Uout) 을 획득하게 하고,
    측정된 물리적 특성들에 기초하여 탭 변경 동작 동안에 임피던스 소자들에 축적된 에너지를 추정하게 하고,
    추정되어진 상기 축적된 에너지를 실패 임계값과 비교하게 하고,
    상기 실패 임계값을 초과하는 경우에 변압기를 보호하게 하며,
    상기 축적된 에너지의 추정은 전력이 입력되는 상기 단자들 (MT1, MT2) 과 전력이 상기 변압기를 나가는 상기 단자들 (MT3, MT4) 사이에서 상기 변압기의 전력 손실을 결정하고, 상기 전력 손실을 적분하는 것을 포함하는, 변압기 (10) 를 보호하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 (50) 를 가진 데이터 캐리어 (48) 상에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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