KR102419753B1 - 운전 중인 전력설비 내부 전기회로정수 측정에 의한 설비 건전상태 감시 방법 - Google Patents

운전 중인 전력설비 내부 전기회로정수 측정에 의한 설비 건전상태 감시 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력회사의 발, 변전소나 공장 등의 수전실에 설치하여 운전중에 있는 대형 전력설비(발전기, 변압기, 송전선로 등)의 이상유무 및 건전 상태를 알아보기 위한 감시 방법과 이를 위한 하드웨어장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 설비 이상시 필연적으로 변화 할 수밖에 없는 설비 내부의 전기적 회로정수를 측정하여 감시하는 방법을 사용하였다. 이 방법에서 설비의 입력과 출력단의 전압 전류를 받아들이고 설비규모에 알맞은 등가회로 모델에 따른 각부 전압과 전류관계를 나타내는 1차 대수방정식(미지의 회로정수가 포함 된)을 수립하고 이것을 해석하여 회로정수를 측정하였다.
여기서 미지수가 2개인 방정식일 경우에는 2개의 연립방정식이 필요한 바("T", "π"등가의 경우) 앞에서 일단 측정 수립한 방정식은 소정의 절차를 거쳐 저장해 두었다가 나중에 검색하여 연립 사용하는 방법을 특징으로 한다.
이렇게 구해진 각 회로정수는 각기 설비의 어떤 물리적 특성을 나타내고 있는바 변화가 관측되는 경우 설비의 이상을 예측 감지 할 수 있으며 그의 변화경향, 그래프 및 도표, 메시지, 경보 수단 등을 통하여 설비를 감시 할 수 있게 하여주는 단계에 특징이 있다.

Description

운전 중인 전력설비 내부 전기회로정수 측정에 의한 설비 건전상태 감시 방법{Facility health monitoring method by measuring the electric circuit constant inside the power facility in operation}
본 발명은 전압이 인가되어 상시 운전중인 전력설비의 이상유무 및 건전성을 확인하여 안전운전을 도모하고 사고발생을 회피 또는 예방할 수 있게 하는 감시방법에 대한 기술적 방법과 이를 위한 하드웨어 장치에 관한 것이다.
전력설비의 이상 유무나 상태변화는 1차적으로 그 내부의 회로정수들 (저항 r, 유도리액턴스
Figure 112021051279832-pat00001
, 용량성리액턴스
Figure 112021051279832-pat00002
, 누설저항
Figure 112021051279832-pat00003
)의 변화에 의하여 비롯된다. 그러나 지금까지는 운전중인 전력설비의 회로정수를 측정하는 방법은 없었고 전력설비에 센서들을 부착하여 설비의 회로정수 변화로부터 발생된 2차적인 물리현상인 설비의 온도, 압력, 진동, 특정 가스 발생 및 부분방전 현상 등을 감지하여 전력설비의 상태를 예측하여 운전해오고 있는 실정이며, 이윽고 사고상태에 이르면 과전류나 전압, 차전류 등의 확대된 현상을 검출하는 보호계전장치 등을 이용하여 전력기기를 긴급 정지시키거나 경보를 발생하여 알려 주는 운전제어 방식을 사용한다.
예컨대, 온도에 의해 감시하는 경우, 설비의 모든 부분에 온도를 감지하는 것이 아니고 온도센서가 설치된 부위의 과열이나 온도 변화만을 검출하게 되며 감지할 수 없는 부위가 존재하게 되거나 이상 검출에 시간지연이 존재할 수 있는 등 이상여부 검출 및 감시 방식에 부족함이 있고 사고초기에는 더욱 그러하다. 특히 넓은 공간에 거처 설치되는 송전선로의 경우에는 다수의 센서들을 설치해야 하고 이들을 유지보수하는데 에도 많은 어려움이 있어 기존의 감시방식들은 실용성이 떨어지게 된다.
선행 특허(선행특허문헌 참조)에서는 동일한 목적을 추구하고 있으나 주로 송전선로를 대상으로 하는 방법으로써 2단계 연산과정을 거쳐 복잡한 해석과정이 필요 하며 설비에 대한 등가전기회로를 좌우대칭으로 고려하고 있어 선로가 아닌 발전기나 변압기에서는 적합하지 않는 측정결과를 준다.
그러나 본 제안의 방법은 전력설비 입력단에서 출력단까지 전체 구간에 펼쳐있는 회로정수(각 도체의 상태, 접속부 상태와 설비들을 연결하는 접촉단자, 차단기, 개폐기류의 접촉부의 상태불량 등에 대하여는 회로저항(r)이, 설비 권선상의 측간 단락 등의 이상, 철심의 이상 등에 대하여는 유도성리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00004
), 절연체의 누전이나 절연 열화 등에 대하여는 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00005
) 및 용량성 리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00006
))의 값들이 설비의 여러가지 상태를 나타내주고 있음에 착안한 방법으로 감시효과와 실용성이 높은 새로운 방법으로 고가의 주요설비 상태감시에 적합하다.
국내특허 등록번호 10-1171027-0000(2012.05.05.) (특허의 대상 설비나 기능은 유사하나 방법과 장치가 다름)
최신 송배전공학 1999. 2. 송길영 공학박사 저, ISBN 89-381-0198-3 동일출판사
본 발명은 운전중인 전력설비의 이상 유무나 건전성을 감시하기 위하여 설비의 내부 회로정수들을 측정해야 하는데 재래식 방법으로는 회로의 임피던스크기를 측정하는 거리계전기가 있으나 이 거리계전기는 전력설비의 임피던스 뿐 만 아니라 계통 및 부하측 임피던스도 함께 측정함으로써 자체만의 회로정수를 측정 할 수 없으며, 입출력 단에 2대의 임피던스 계전기를 설치하고 동시 측정된 임피던스의 차이값을 산출하여 측정하는 방법이 있겠으나 설비의 내부 회로정수가 직병열로 연결되어 각각의 정수를 정확히 산출하기가 어렵다.
따라서, 본 발명은 운전 중인 전력설비 내부 전기회로정수 측정에 의한 설비 건전상태 감시 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전력설비의 내부 전기회로정수를 측정하기 위하여 [도-1] 과 같이 마이크로프로세서를 중심으로 한 하드웨어 장치(1)를 전력설비에 연결하여 전압변성기들(2)과 변류기들(3)로부터 전압, 전류를 입력받아 소정의 소프트웨어적 방법으로 전기회로정수를 산출 측정하고 그 값들의 변화정도에 따라 설비의 상태를 판단하고 감시하게 된다.
전력설비의 실제 내부 전기회로는 매우 복잡하지만 전기적 특성을 해석하기 위해서는 각 설비에 알맞은 등가회로 모델들을 사용하는 것처럼 본 발명에서도 발전기, 변압기, 송전선에 대한 등가회로 모델을 설비규모와 종류에 알맞도록 [도-2] , [도-3] , [도-4] 에 나타낸 바와 같은 3가지 형태로 정하고 해당 설비 입, 출력단으로 부터 측정된 순시치 전압, 전류들을 받아들여 소정의 디지털 연산 기법을 이용하여 그의 폐이저량(복소수 값) 크기를 산출하여 해당 모델회로에 맞는 2~3개의 회로방정식(1차방정식) 들을 수립하고 이 방정식을 해석함으로써 설비상태를 나타내는 전기회로 정수들을 측정한다.
여기서 미지수가 하나인 방정식으로 부터는 바로 미지의 회로정수를 산출하고, 미지의 회로정수가 2개인 방정식의 경우에는 앞서 측정하여 저장해둔 동종의 방정식들 중 현재 측정된 전압, 전류와는 ±5%이상 차이가 있는 것(설비 출력에 차이가 있는 것)을 검색하여 총 2개의 1차 연립방정식을 구성하여 이들로부터 2개의 미지 회로정수를 산출한다.
이와 같이 산출 측정되는 회로정수의 변화를 비교 검토하여 그 변화가 일정치이상 증가 또는 감소되는 경우에는 설비의 이상 또는 불량으로 판단하여 적절한 대응이 가능토록 감시하는 방법을 특징으로 하는 방법이다.
동일한 목적으로 선행된 특허에 의한 방법은 모든 전력설비를 송전선과 같이 좌우가 대칭인 4단자정수(
Figure 112021051279832-pat00007
)를 가진 회로로 모델링하므로써 실제의 상세한 회로정수를 측정하는데 부적당하고 복잡한 수학함수 처리나 여러번의 연산처리가 필요함에 비하여 본 발명에서는 2개의 연립 1차방정식을 푸는 것만으로도 다양한 회로정수를 구할 수 있다.
본 발명은 전력설비에 이상 현상이 발생되면 필연적으로 변화되는 전기회로 정수들(직열저항:r, 직열리액턴스:
Figure 112021051279832-pat00008
, 누설저항:
Figure 112021051279832-pat00009
, 병열리액턴스:
Figure 112021051279832-pat00010
등)과 이들로부터 절연상태를 알 수 있는 유전정접(tanδ)을 정략적으로 측정하여 운전 중에 그의 변화를 감시함으로써 사고가 크게 진전되기 이전에 전력설비의 이상유무 상태를 더 신속하고 정확하게 감시할 수 있어 지금까지의 기술적 방법보다 우수한 결과를 기대 할 수 있다. 이로써 설비 이용률 향상 및 수명연장에 크게 이바지 하여 전력회사들과 전기사용자들의 전력설비 운용성과 전력공급신뢰도 향상에 큰 도움을 기대할 수 있다.
[도 1] 본 발명에 의한 상태감시 장치가 피감시 전력설비와 연결되어 사용되는 결선도이다.
[도 2] 본 발명에 의한 상태감시장치의 내부 구조 및 기능을 나타내는 블록도이다.
[도 3] 설비 전압, 용량본 발명의 원리를 적용하기 위한 "T"형 등가회로도이며 중소용량, 중단거리(전압 70kV,용량50MVA이상)설비에 해당된다.
[도 4] 본 발명의 원리를 적용하기 위한 "π"형 등가회로도며 중대용량, 중장거리 설비(전압 200kV, 용량 350MVA이상)설비에 해당된다.
[도 5] 본 발명의 원리를 적용하기 위한 "ㄱ"형 등가회로도이며 그 밖의 소규모 설비에 해당된다.
[도 6] 본 발명이 시행되는 절차를 도시한 순서 흐름도이다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 운전 중 회로정수 측정에 의한 전력설비 상태감시에 대한 실시방법에 대하여 상세하게 기술한다.
입, 출력단 전압, 전류 정상분 산출 저장
상태감시장치(1)는 전력설비에 설치된 전압 변성기(2) 및 변류기(3)로부터 3상 전압 및 전류를 동시에 입력받아 전압 입력모듈(4)과 전류 입력모듈(5)에 입력되어 낮은 레벨의 신호로 조정과 필터링을 통한 잡음제거 과정을 거쳐 순차적으로 AD변환모듈(7)에서 디지털 데이터로 변환되어 Data처리 모듈을 통해 저장모듈(13)로 보내져 대기되어 있다가 필요에 따라 연산처리 모듈(10)에 보내져 퓨리에 변환과정의 연산처리를 통하여 각 전압, 전류 값들이 복소수형태로 얻어진다. 이 때 얻어진 전압, 전류에 대하여는 편의상 각각 [수 1] 및 [수 2] 와 같이 표기한다. 이 값들은 일단 Data저장모듈(13)로 보내져 저장되어 있다가 이후의 과정에서 사용된다.
[수 1]
Figure 112021051279832-pat00011
여기서
Figure 112021051279832-pat00012
: 1차측 A상 전압(복소수값:phasor value)),
Figure 112021051279832-pat00013
: 1치측 A상 전압의 실효값(real value)
Figure 112021051279832-pat00014
: 1차측 A상 전압의 허수값(imaginary value)
Figure 112021051279832-pat00015
: 2차측 A상 전압(복소수값: phasor value)),
Figure 112021051279832-pat00016
: 2치측 A상 전압의 실효값(real value)
Figure 112021051279832-pat00017
: 2차측 A상 전압의 허수값(imaginary value)
이하 다른 상(B상, C상) 전압도 같은 형식의 기호 표시를 가지며 각각의 표기는 생략 한다.
[수 2]
Figure 112021051279832-pat00018
여기서
Figure 112021051279832-pat00019
: 1차측 A상 전류(페이저값: phasor value)),
Figure 112021051279832-pat00020
: 1치측 A상 전류의 실효값(real value)
Figure 112021051279832-pat00021
: 1차측 A상 전류의 허수값(imaginary value)
Figure 112021051279832-pat00022
: 2차측 A상 전류(페이저값: phasor value)),
Figure 112021051279832-pat00023
: 2치측 A상 전류의 실효값(real value)
Figure 112021051279832-pat00024
: 2차측 A상 전류의 허수값(imaginary value)
이하 다른 상(B상, C상) 전류도 같은 형식의 기호 표시를 가지며 각각의 표기는 생략한다.
순수 정상분 전압, 전류 산출 저장 (비특허문헌 참조)
이어서 회로 정수측정에 오차를 유발할 수 있는 3상 계통의 영상분이나 역상분 전압, 전류를 산출하여 앞에서 구한 각상 전압, 전류값에서 감산함으로써 포함된 영상분, 역상분을 각각 제거해주어 회로정수측정에 오차를 최소화하는 과정이 필요하다. 여기서 영상분이나 역상분을 산출하는 과정과 상기 [수 1] 및 [수 2] 에서 구해진 각상 전압, 전류로부터 영상, 역상성분을 감산하여 순수한 정상 성분을 구하는 과정은 일반 송배전공학 또는 전력공학 교재에 나타나 있는 방법을 그대로 적용할 수 있어 본 명세서에서는 설명을 생략하며 이후부터는 [수 1] 및 [수 2] 로부터 구해진 각상 전압과 전류 값은 이미 영상분 및 역상분 및 고조파, 고주파 성분이 제거된 순수한 정상분 값으로 구해진 것으로 간주한다.
설비 등가회로 모델 채택
이어서 전력설비 내부회로정수를 산출하기 위하여 3가지 등가회로 모델을 설정하여 도입한다. 전력설비인 발전기, 변압기 및 송전선 등은 규모에 따라 이들의 전기적 특성을 가장 실제와 근접하게 표시할 수 있는 등가회로를 채택하여 이용하는 것이 일반적이다. 본 발명에서도 이와 같이 중소용량, 중단거리 설비(전압 70kV이상 또는 용량50MVA이상)에 대하여는 [도 3] 과 같은 "T"형 등가회로로, 중대용량, 중장거리 설비(전압 200kV이상 또는 용량 350MVA이상)에 대하여는 [도 4] 와 같은 "π"형 등가회로로, 그 미만 소규모 설비에 대하여는 [도 5] 와 같은 "
Figure 112021051279832-pat00025
"형 단순등가회로를 적용하여 설비 내부의 전기회로정수를 산출하도록 한다. 등가회로는 각상이 동일하므로 단지 "A"상에 대하여만 나타내었다.
[실시예 1]
"T"형 등가회로를 이용한 중소용량 전력설비(전압 70kV이상 또는 용량 50MVA이상) 회로정수 측정방법을 설명한다.
1) 직열 회로정수
Figure 112021051279832-pat00026
구하기
[도 3] 의 등가회로에서 각 임피던스(
Figure 112021051279832-pat00027
)의 양단에 나타나는 전압, 전류에 관한 전기회로이론을 방정식으로 표현하면 다음 수식 [수 3] [수 4] [수 5] 들과 같다. 여기서 실제로 전력설비들은 3상 회로이지만 각상이 동일한 형태이므로 대표적으로 a상에 대하여만 수식을 표기하였다.
[수 3]
Figure 112021051279832-pat00028
여기서
Figure 112021051279832-pat00029
: 입력단측 a상 직열임피던스(
Figure 112021051279832-pat00030
)
Figure 112021051279832-pat00031
: 입력단 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00032
: 중간점 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00033
: 입력단 a상 전류
[수 4]
Figure 112021051279832-pat00034
여기서
Figure 112021051279832-pat00035
: 출력단측 a상 직열임피던스(
Figure 112021051279832-pat00036
)
Figure 112021051279832-pat00037
: 출력단 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00038
: 중간점 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00039
: 출력단 a상 전류
[수 5]
Figure 112021051279832-pat00040
여기서
Figure 112021051279832-pat00041
: 중간점 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00042
: 설비내부 a상 병렬임피던스
Figure 112021051279832-pat00043
: 입력단 a상 전압
Figure 112021051279832-pat00044
: 출력단 a상 전류
미지의 정수
Figure 112021051279832-pat00045
를 산출하기 위하여 [수 5] 의
Figure 112021051279832-pat00046
를 [수 3] 및 [수 4] 에 각각 대입하고 이들을 종합적으로 정리하면 아래 [수 6] 식과 같이 된다.
[수 6]
Figure 112021051279832-pat00047
상기 [수 6] 에서 4개의 상태변수인
Figure 112021051279832-pat00048
는 측정된 값으로 기지수이고
Figure 112021051279832-pat00049
2개는 구하고자 하는 미지수이다. 따라서 이 2개의 미지수를 산출(측정)하기 위하여는 또 다른 운전조건(전압,전류가 다른)에서 수립된 [수 6] 과 같은 형태의 1차 방정식이 1개 이상 더 필요하다. 따라서 앞서 측정되고 방정식으로 수립되어 저장된 [수 6] 형태의 다른 방정식 중 출력단 전압, 전류 값(
Figure 112021051279832-pat00050
)이 현재 것과 일정치 이상 차이(예 ±5%이상)가 있는 것 중 차이가 크고 기타 운전환경(외기 온도 등)은 현재와 유사한 경우를 검색하여 2개의 1차 연립방정식을 구성하고 이로부터 미지의 회로정수를
Figure 112021051279832-pat00051
를 구한다. 따라서 매번 측정하여 수립되는 [수 6] 형태의 방정식은 저장하는 것은 원칙으로 하되 이미 저장된 방정식의 전압, 전류의 크기와 위상각이 각각 ±5%이상 차이가 나는 것들을 저장하여 이후과정에서 필요에 따라 선택 사용 할 수 있도록 해야 한다. 다만 2일 이상 오래 저장된 방정식은 자동으로 삭제 되도록 하여 오래된 데이터로부터 오차 발생이 생기지 않도록 한다. 아울러 설비 별 현장별 여건에 따라 적합하게 이들의 크기 레벨을 수동으로 조정 할 수 있도록 장치를 설계 제작한다.
2) 내부병렬 회로정수
Figure 112021051279832-pat00052
구하기
설비의 내부 회로정수를 구성하는 어드미턴스(
Figure 112021051279832-pat00053
)를 산출하기 위하여는 중간점 전압
Figure 112021051279832-pat00054
을 알아야 하므로 식 [수 7] 을 이용하고 이어서 전압, 전류간의 관계에 따라 식 [수 8] 과 같이 연산하여 산출 한다. 여기서 설비가 변압기나 리액터가 아닌 경우는
Figure 112021051279832-pat00055
성분은 존재하지 않아 생략된다.
[수 7]
Figure 112021051279832-pat00056
Figure 112021051279832-pat00057
을 산출한 후 식 [수 5]
Figure 112021051279832-pat00058
로부터
[수 8]
Figure 112021051279832-pat00059
이로써 병열회로를 이루는 누설저항과 철손 저항이 종합된 (
Figure 112021051279832-pat00060
) 성분과 리액턴스 성분인 정전용량(
Figure 112021051279832-pat00061
)과 유도성 성분(
Figure 112021051279832-pat00062
:변압기, 리액터의 경우만 존재) 측정이 가능하며 그들의 변화에 따라 설비에 이상을 예측 할 수 있게 된다.
[실시예 2]
"π"형 등가회로를 이용한 중대용량 전력설비(전압 200kV이상 또는 용량350MVA이상)회로 정수 산출
1) 내부병렬 회로정수 산출
Figure 112021051279832-pat00063
구하기
등가회로도 [도 4] 에서 π회로의 좌우측 분기점에서의 전류관계를 수식으로 나타내면 [수 9] 이 성립되며 역시 변압기나 리액터가 아닌 경우는
Figure 112021051279832-pat00064
성분은 존재하지 않는다.
[수 9]
Figure 112021051279832-pat00065
상기 [수 9] 식에 양단의 전압(
Figure 112021051279832-pat00066
)을 도입하여 회로의 전압-전류간의 관계를 1차 회로방정식으로 나타내면 [수 10] 으로 표현된다.
[수 10]
Figure 112021051279832-pat00067
여기서 역시 [수 10] 에는 기지수(측정된 값)가 4개에 미지수가 2개인 1차 방정식으로써 앞의 "T"모델 에서와 같이 2개의 연립방정식이 필요한바 앞서 측정 수립된 설비의 다른 운전조건에서의 [수 10] 형태의 방정식이 필요하다. 이에 대하여 상기 "T"형 에서와 같이 앞 단계에서 저장된 과거의 방정식들 중 차이가 큰 것을 선별하여 2개의 연립방정식으로부터 미지 회로정수
Figure 112021051279832-pat00068
를 구한다. (이 부분에서 앞의 "T"형 등가회로에서와 동일한 처리가 필요하다.)
2) 직열 회로정수
Figure 112021051279832-pat00069
구하기
[도 4] 의 양 분기점에서 성립되는 전압, 전류에 대한 수식 [수 11] 으로 부터 첫번째 분기점의 전류
Figure 112021051279832-pat00070
를 구하고, 두지점간의 전압강하 식 [수 12] 으로 부터 회로정수
Figure 112021051279832-pat00071
을 구한다.
[수 11]
Figure 112021051279832-pat00072
[수 12]
Figure 112021051279832-pat00073
[실시예 3]
"
Figure 112021051279832-pat00074
"형 등가회로: 소용량 전력설비(전압 70kV이하, 용량50MVA미만)회로 정수 산출 방법을 설명한다
1) 내부병렬 회로정수
Figure 112021051279832-pat00075
구하기
[도 5] 등가회로에서
Figure 112021051279832-pat00076
회로 분기점 전압
Figure 112021051279832-pat00077
은 출력측 전압
Figure 112021051279832-pat00078
과 같으며 따라서 바로 [수 13] 를 통하여 병렬회로의 회로정수
Figure 112021051279832-pat00079
를 구할 수 있다. (역시 변압기나 리액터가 아닌 경우
Figure 112021051279832-pat00080
성분은 존재하지 않음.)
[수 13]
Figure 112021051279832-pat00081
2) 직렬 회로정수
Figure 112021051279832-pat00082
구하기
[도 5] 에서 알 수 있는 바와 같이 양단 전압차(
Figure 112021051279832-pat00083
)를 이에 흐르는 전류 (
Figure 112021051279832-pat00084
)로 나누는 전압, 전류방정식 [수 14] 을 이용하여 구한다.
[수 14]
Figure 112021051279832-pat00085
[실시예 4]
전력설비 절연상태를 나타내는 유전정접(tanδ) 산출 감시방법을 설명한다.
일반적인 전기설비 또는 송전선(특히 지중 케이불 선로)의 절연상태를 나타내는 데 [수 15] 와 같이 정의되는 유전정접(tanδ a : a상분)를 사용하며 이를 측정하기 위하여는 전력설비를 운전정지 시킨 상태에서 별도의 전압 인가장치와 전류 측정기가 조합된 시험장치를 사용하여 측정한다.
[수 15]
Figure 112021051279832-pat00086
여기서
Figure 112021051279832-pat00087
: 설비의 절연부분(가압된 a상 회로와 대지사이)에 존재하는 정전용량 (
Figure 112021051279832-pat00088
)
Figure 112021051279832-pat00089
: 설비의 절연부분(가압된 a상회로와 대지사이)을 통하여 누전되는 일종의 사고성 전기 저항값(=
Figure 112021051279832-pat00090
)
정전용량(C a )에 의한 전류와 누전되는 전류 사이에 위상각이 90°차이가 있어 누전전류가 미소량 증가하여도 tanδ a 값이 큰 값으로 증가하여 절연상태를 식별하기가 용이하여 이를 측정 사용하고 있다. 이에 본 발명에서는 앞에서 산출 측정한 회로정수를 이용하여 아래와 같은 방법으로 유전정접을 산출하여 설비 상태감시에 이용한다. 변압기나 리액터의 경우는 본 발명에서 측정하는 정전용량이나 누설저항 값이 여자회로와 복합되어있어 절연체에 대한 순수한 값과는 차이가 있으나 절연상태를 나타내는 준 유전정접(Qusi-tanδ a )값으로서 설비 운전중 절연상태 감시에는 유용성이 있다.
이하는 앞에서 제시한 3가지 등가회로로 표시된 전력설비에서 유전정접(tanδ a )를 산출하는 방법을 설명한다.
1) 발전기, 송전선로인 경우를 설명한다.
발전기나 송전선로는 앞서 제시된 3가지 등가회로( [도 3] ~ [도 5] )에서 병열회로의 인덕턴스(
Figure 112021051279832-pat00091
)로 표시되는 부분은 실제로 없는 부분으로서 나머지 저항 성분(
Figure 112021051279832-pat00092
)과 정전용량(
Figure 112021051279832-pat00093
) 성분회로만이 존재하며 이에 흐르는 전류들("T" 및 "
Figure 112021051279832-pat00094
"등가회로의 경우
Figure 112021051279832-pat00095
, "π" 등가회로의 경우 (
Figure 112021051279832-pat00096
)을 각각 산출한 후 해당 분기점 전압(
Figure 112021051279832-pat00097
또는
Figure 112021051279832-pat00098
및
Figure 112021051279832-pat00099
)을 도입한 식 [수 15] 및 [수 16] 을 이용하여 각각의 실수 저항성분(
Figure 112021051279832-pat00100
)과 허수 정전용량(
Figure 112021051279832-pat00101
) 성분 구함으로써 각각의 tanδ a 를 산출 할 수 있다.
[수 15] : "T" 및 "
Figure 112021051279832-pat00102
"등가회로의 경우
Figure 112021051279832-pat00103
[수 16] : "π" 등가회로의 경우
Figure 112021051279832-pat00104
2) 변압기, 리액터 등의 경우를 설명한다.
이 설비에 대한 등가회로는 [도 3] 또는 [도 4] 에 해당되며 앞의 발전기, 송전선로와 다른 점은 병열회로에 권선에 의한 리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00105
) 성분과 철심의 철손저항(
Figure 112021051279832-pat00106
)성분이 각각 용량성 리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00107
) 및 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00108
)에 병열로 합성되어 나타나므로 앞 단계에서 산출 측정한 회로정수 값에서 이들 성분을 분해시킨(병열회로 해석에 의해 배제시킨) 값을 산출하여야 한다. 여기서 변압기나 리액터가 가지는 철손저항(
Figure 112021051279832-pat00109
) 값과 여자리액턴스 (
Figure 112021051279832-pat00110
) 값은 주로 설계제작에 의해 정해지는 값들로써 개발시험이나 규격승인시험 또는 준공시험 결과 등을 통하여 얻을 수 있는 바 이 값들을 본 장치에 입력시켜 필요로 하는 용량성 리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00111
) 및 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00112
) 산출시 사용한다.
이 부분에 대하여 [도 6] 을 통하여 보다 자세히 설명하기로 한다. 등가회로의 병렬회로 부분을 세부적으로 나타내면 저항성분(
Figure 112021051279832-pat00113
)에는 철손저항(
Figure 112021051279832-pat00114
) 과 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00115
)이 병렬연결 되어 나타나므로 구하고자 하는 미지의 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00116
)은 측정된 병렬회로 전체의 임피던스중 실수부(Real Part)에서 병렬 연결된 철손저항(
Figure 112021051279832-pat00117
)을 배제시키는 회로방정식 [식 17] 으로 산출할 수 있다.
[식 17]
Figure 112021051279832-pat00118
아울러 병열회로 리액턴스 부분에 대하여도 저항성분과 같은 방법으로 합성임피던스의 허수부분(Imaginary Part)에서 변압기의 여자리액턴스 값(
Figure 112021051279832-pat00119
)을 감산하면 순수한 정전용량을 내포한 용량성 리액턴스 값(
Figure 112021051279832-pat00120
)을 얻을 수 있으며 식으로 표시하면 [식 18] 과 같다.
[식 18]
Figure 112021051279832-pat00121
이렇게 하여 구한 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00122
) 과 용량성리액턴스 (
Figure 112021051279832-pat00123
) 값으로 부터 유전정접(tanδ a )을 산출 할 수 있고 그 크기의 변화시 이상 유무를 감시할 수 있게 된다. 변압기 및 리액터에 관한 유전정접은 회로 구조상 엄밀한 의미의 유전정접이 아닌 준 유전정접(Quasi tanδ a )에 해당되지만 절연 불량 상태로 되면 이 값에도 변화가 발생하여 상태감시에 유용하게 된다.
[실시예 5]
전력설비 상태감시를 위한 이상 유무 판별 방법을 설명한다.
전력설비 내부에 이상이 발생되면 앞의 실시 예들을 통하여 산출 된 회로정수들과 유전정접(tanδ)의 값들 중 일부 또는 다수에 필연적으로 변화가 나타나게 되는바 본 방법과 장치를 통하여 이들의 값을 상시 운전중 측정하여 이들의 변화를 비교 분석하여 설비상태를 제공함으로써 해당 전력설비의 건전성 및 운전 상태를 감시 파악 할 수 있게 된다.
본 발명의 방법과 장치를 적용하면 평소 운전 상태가 조금씩 나빠지고 있는 경우에도 모르고 운전을 하던 과거의 설비운영 방식에서 소량의 상태변화 일 지라도 사전에 검출 조치함으로써 사고를 미연에 방지 할 수 있음에 본 발명의 큰 가치가 있는 것이다.
설비의 회로연결 및 접속부 상태 불량시 측정되는 현상을 설명한다.
전력설비가 운전 중 각 모델회로 [도 3] [도 4] [도 5] 의 직렬회로정수의 절대값(
Figure 112021051279832-pat00124
)이나, 저항 성분(r,r 1,r 2)이 증가 된다면 그 전력설비의 주 회로를 구성하는 권선이나 도체 접속부, 차단기 또는 스위치류의 접속 내지 접촉부, 변압기의 경우 부하시 탭절환기 등의 접촉부, 송전선의 경우는 전선이나 케이블 접속부 등의 전기적인 접속상태 불량으로 판단할 수 있다. 접속 상태가 불량하면 초기에는 국부과열을 일으키지만 지속되면 접속부의 저항이 증가되어 과열이 심화되고 점차 넓은 범위의 과열로 진전되어 이윽고 대형사고로 확대 될 수 있다.
설비 내부 회로 및 절연체 절연상태 불량시 측정되는 현상을 설명한다.
전력설비 절연체의 성능이 열화되거나, 부분적인 단락사고가 발생되면 병열회로 정수인 누설저항(
Figure 112021051279832-pat00125
)이나, 리액턴스(
Figure 112021051279832-pat00126
또는
Figure 112021051279832-pat00127
) 값들 및 유전정접(tanδ a ) 값에 변화가 나타나게 된다. 이들에 대한 변화량과 당시의 부하 운전 조건 및 설비의 기타 일반적인 운전조건(온도, 압력, 외기 상태 등)를 종합 고려하여 설비상태를 표시 또는 제시할 수 있으며, 이로부터 운전, 유지보수 전략이나 방향을 정하여 중요한 고가의 전력설비 자산관리 및 전력회사 경영을 크게 개선 할 수 있게 된다.
세부적으로는 전력설비 종류에 따라 전기적인 회로 구성이나 물리적인 구성이 다름을 고려하여 다음 [표 1] 과 같은 세부적인 방법을 적용하여 상태를 감시 할 수 있다. 특별히 이 부분에서는 각 전력설비 설계, 제작, 운전, 유지, 보수 분야의 전문가들의 경험과 지식을 총합하여 대책을 결정하는 의사결정과정에 인공지능기법을 적용하면 매우 효과적일 것으로 생각된다.
Figure 112021051279832-pat00128
Figure 112021051279832-pat00129
4) 운전중 전력설비 상태 감시 종합 절차를 설명한다.
이제까지 설명한 방법들과 절차를 블록도로 나타내면 그림 [도 7] 과 같다.
본 발명에 따른 전력설비 회로정수 변화를 측정하여 전력설비상태를 감시하는 시스템은 피 감시 전력설비로 부터 입, 출력 전압 및 전류들을 받아들이고 이어서 측정 오차를 줄이기 위하여 영상 및 역상분을 제거함과 동시 고조파 및 고주파 성분을 제거 하고, 해당 설비에 알맞은 등가회로 모델을 선택하여 전압, 전류와 회로정수들로 구성되는 전기회로 방정식(2~3개의 1차방정식)을 구성한다.
이때 미지수가 2개인 방정식은 전에 저장해두었던 방정식 중 출력 또는 전압, 전류 값이 이번 것과 ±5%이상 차이가 있는 것을 검색하여 2개의 연립방정식을 구성하여 미지의 회로정수를 산출하여 값을 측정 한다.
이어서 본 발명 장치는 측정된 회로정수들의 변화를 감시하고 미리 정해둔 값 이상의 변화를 보이거나 변하가 지속되면 앞에서 설명한 방법에 따라 HMI를 이용하여 예상되는 설비 이상 내지 불량사항을 그래프나 메시지를 통하여 제시하며 필요한 조치사항들을 안내하거나 자동으로 설비를 차단 및 정지시킬 수 있다.
여기서 방정식을 수립 할 때 미지수가 2개인 방정식이 수립되면 이후 다른 순간에 수립되는 미지수가 2개인 방정식과 연립하여 미지수를 구할 수 있도록 하기 위하여 저장해두는 과정이 필요하다.
본 발명에서 회로정수 측정시 나타나는 오차는 전압전류변성기에서 발생하는 오차와 장치 및 연산과정에서 발생하는 오차가 있는데 이들은 거의 일정한 수준으로써 본 상태감시에는 그 정수들의 참값을 이용하는 것이 아니라 측정 된 값의 변화를 대상으로 전력설비 상태를 감시하는 것으로써 특별한 문제가 되지 않는다.
본 발명은 전력회사의 발변전소나 전기사용 장소에 설치된 발전기나 변압기 및 송전선로 등의 전력설비에 부설하여 지금까지는 설비를 운휴시켜야 측정 할 수 밖에 없었던 회로정수(
Figure 112021051279832-pat00130
)와 절연상태 지수인 유전정접(Tanδ)등을 운전 중에 측정 할 수 있는 방법과 장치를 개발 적용함으로써 전력설비의 이상 유무 상태를 실시간으로 파악하여 고가의 중요 설비가 사고에 이르기 전에 조치 할 수 있도록 자동 감시하는 새로운 고안이다. 이를 위한 측정방법이나 변화 감지 방법은 현재의 일반적인 디지털 기술 및 소프트웨어로 어렵지 않게 구현이 가능하며 현재 사용중인 전압, 전류 변성기와 기타 센서들로 부터 필요한 입력을 받아들일 수 있어 현실 산업현장에서 용이하게 이용이 가능하고 설비 안전 및 장수명화 등에 기여 할 새로운 고안이다.
1: 전력설비 상태감시 장치
2: 설비의 입력과 출력측 고전압을 저압으로 낮추어주는 전압변성기들
3: 고전압 대전류를 1~5암페어 수준으로 낮추어 주는 전류변성기들
4: 전압입력모듈
5: 전류입력모듈
6: 주변환경 정보(온도, 일기조건 등)를 받아들이는 모듈
7: 아나로그 정보들을 디지털 형태로 변환시키는 A/D변환모듈
8: 시간 동기를 이루기 위해 필요한 GPS수신 모듈이며
9: 디지털화된 정보를 메모리에 저장하는 모듈
10: 연산처리장치
11: HMI모듈
12: 인터페이스 모듈
13; 데이터 저장모튤
14: 전원 공급 모듈

Claims (6)

  1. 전력설비의 내부 전기회로정수를 측정하기 위하여 [도-1] 과 같이 마이크로프로세서를 중심으로 한 하드웨어 장치(1)를 전력설비에 연결하여 전압변성기들(2)과 변류기들(3)로부터 전압, 전류를 입력받아 소정의 소프트웨어적 방법으로 전기회로정수를 산출 측정하고 그 값들의 변화정도에 따라 설비의 상태를 판단하고 감시하며,
    전기적 특성을 해석하기 위해서는 각 설비에 알맞은 등가회로 모델들을 사용하는 것처럼
    발전기, 변압기, 송전선에 대한 등가회로 모델을 설비규모와 종류에 알맞도록 [도-2] , [도-3] , [도-4] 에 나타낸 바와 같은 3가지 형태로 정하고 해당 설비 입, 출력단으로 부터 측정된 순시치 전압, 전류들을 받아들여 일정의 디지털 연산 기법을 이용하여 그의 폐이저량(복소수 값) 크기를 산출하여 해당 모델회로에 맞는 2~3개의 회로방정식(1차방정식) 들을 수립하고, 상기 회로방정식을 해석함으로써 설비상태를 나타내는 전기회로 정수들을 측정하며,
    여기서 미지수가 하나인 회로방정식으로 부터는 바로 미지의 회로정수를 산출하고, 미지의 회로정수가 2개인 회로방정식의 경우에는 앞서 측정하여 저장해둔 동종의 회로방정식들 중 현재 측정된 전압, 전류와는 ±5%이상 차이가 있는 것(설비 출력에 차이가 있는 것)을 검색하여 총 2개의 1차 연립방정식을 구성하여 이들로부터 2개의 미지 회로정수를 산출하고,
    이와 같이 산출 측정되는 상기 회로정수의 변화를 비교 검토하여 그 변화가 일정치이상 증가 또는 감소되는 경우에는 설비의 이상 또는 불량으로 판단하여 적절한 대응이 가능토록 회로정수 산출 감시방법으로 된 운전 중인 전력설비 내부 전기회로정수 측정에 의한 설비 건전상태 감시 방법
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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