KR102468562B1 - 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 변압기의 인덕턴스를 측정하는 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치에 관한 것이다.

Description

철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치 {Device for diagnosing the condition of main transformer for rail vehicles}

본 발명은 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 변압기의 인덕턴스와 전연 불량을 측정하는 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치에 관한 것이다.

철도 차량에서 주변압기는 고압의 전원을 통전하고 대용량의 전원을 공급하는 장치이다.

도 1은 일반적인 변압기의 구성을 나타내는 도면으로, 변압기는 철심의 코어와 그 철심을 감싸고 있는 동선의 상호 작용으로 1차 측 동선에서 흐르는 전류에 의하여 발생된 자기장이 철심 코어를 매개로 하여 2차 측 동선에 전압이 유기되어 절연된 상태로 2차측에 적절한 전원을 전달하는 방식이다.

1차측 권선이나 2차측 권선 상호 자기적으로 연결되어 있는 인덕턴스 성분을 가진다. 최초 정상 정상적으로 설계 제작된 변압기의 인덕턴스 성분의 값은 계속 사용중인 변압기가 정상적일 경우 그 값은 변하지 않는다.

주변압기는 이동 수단인 철도 차량에 내장되는 장치인 관계로 이 주변압기에 열화, 내부 단선, 내부 단락, 접지 이상 등이 발생하면 주변압기의 파손 및 관련 장치의 소손으로 열차의 운행 중단 및 많은 파급 효과가 크게 발생한다.

철도 차량에서 주변압기 파손은 열차의 많은 전기 장치 중 가장 큰 전기 사고이며 운행 중 후속 조치가 불가능하며 열차를 견인하여 관련 차량 정비 장소에 많은 시간과 비용을 들여 수리를 하여야 한다.

이러한 철도 차량의 주변압기 사고는 매년 발생하고 있으며 이러한 사고를 방지하기 위하여 열차에서 주변압기를 분리하여 변압기 관련 특성을 분석하나 이러한 작업은 매번 수행을 할 수 없고 특정한 정비 주기 기간에 수행하므로 그 기간 사이에 발생하는 주변압기 특성 저하 및 내부 단락 등에 대해서는 사전 조치를 할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한국등록특허 제10-1488348호

본 발명의 일측면은 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 변압기의 인덕턴스와 전연 불량을 측정하는 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치를 제공한다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는, 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 상기 주변압기의 인덕턴스를 측정한다.

상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는,

상기 주변압기의 1차측 출력 권선에 연결되는 제1 권선 선택용 차단기;

상기 주변압기의 2차측 출력 권선에 연결되는 제2 권선 선택용 차단기;

상기 1제 권선 선택용 차단기의 제1 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제1 제어선에 공통으로 연결된 제1 전류센서;

상기 1제 권선 선택용 차단기의 제2 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제2 제어선에 공통으로 연결된 제2 전류센서;

출력 권선의 양극 단자는 다이오드를 통해 상기 제1 전류센서에 연결되고, 출력 권선의 음극 단자는 상기 제2 전류센서에 연결되는 펄스 변압기;

일단은 상기 펄스 변압기의 입력 권선 일측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 양전압에 연결되는 전류 제어 장치;

상기 펄스 변압기의 입력 권선 타측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 음전압에 연결되는 스위칭 전력 소자; 및

상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치를 제어하는 제어기;를 포함한다.

상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는,

상기 제어기가 미리 정해진 펄스폭 신호를 출력하여 상기 스위칭 전력 소자를 동작시키면, 직류 전원을 인가받아 상기 전류 제어 장치를 거친 전원이 상기 펄스 변압기를 통전하여 동작되되,

상기 제1 권선 선택용 차단기가 ON되고 상기 제2 권선 선택용 차단기가 OFF되어 추진 전원 장치용 권선이 선택되면, 상기 펄스 변압기를 통해 출력되는 펄스 파형이 추진 전원 장치용 권선에 인가되어 상기 제1 전류센서에 의해 측정된 전류를 이용하여 상기 제어기가 인덕턴스값을 산출하고,

상기 제2 권선 선택용 차단기가 ON되고 상기 제1 권선 선택용 차단기가 OFF어 보조 전원 장치용 권선이 선택되면, 상기 펄스 변압기를 통해 출력되는 펄스 파형이 보조 전원 장치용 권선에 인가되어 상기 제2 전류센서에 의해 측정된 전류를 이용하여 상기 제어기가 인덕턴스값을 산출한다.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 변압기의 인덕턴스와 전연 불량을 측정할 수 있다.

또한, 주변압기를 분리하거나 계측기를 연결하기 위한 작업이 필요없이 철도 차량에 일정한 장치를 주변압기를 설치하여 주변압기 상태를 상시 측정하여 열차 운행 중 사고 예방과 정비의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 변압기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치의 회로도이다.
도 3은 펄스 파형의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 펄스 변압기의 출력 파형을 타나내는 도면이다.
도 5는 주변압기의 접지 절연 파괴시 전류 흐름을 나타내는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치의 구성이 도시된 회로도이다.

본 발명에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 상기 주변압기의 인덕턴스 및 전연 불량을 측정하는 장치이다.

열차가 운행 중 주 변압기 상태 불량으로 주 변압기 파손되어 열차가 운행 중 운행 중단하고 주 변압기 파손의 영향으로 관련 장비도 동시에 파손되는 많은 피해를 방지하고자 열차가 운행 시작 전에 열차의 주변압기의 각 권선의 인덕턴스를 측정하여 정상 상태의 각 권선의 인덕턴스를 측정하여 주 변압기 이상 유무를 판단하여 열차 운행 전에 사전 조치가 가능하게 하고자 한다.

열차의 운영 특성 상 주변압기는 높은 온도에서 동작하며 변압기의 제작 결함, 운영의 부실에 의하여 철심 코어의 국부적으로 과도 온도 상승이 발생하면 의한 철심 코어의 자기 특성이 변성이 발생한다. 이에 변압기의 각 권선의 인덕턴스가 변하게 되어 변압기에 정격 전류 이상이 흐르거나 변압기 온도가 비 정상적으로 상승하여 최종적으로 변압기의 파손이 발생한다.

변압기의 제조 결함 혹은 환경에 의하여 각 권선의 절연 불량이 발생하면 계속 사용 중에 점차적으로 절연 특성 저하는 계속 진행되어 이 또한 변압기 파손으로 연결된다.

철도 차량에서 주변압기의 상태를 파악하기 위하여 주변압기를 분리하거나 주변압기가 철도 차량에 설치되어 있는 상태에서 계측기를 연결하여 상태를 파악해야 한다.

그러나 철도 차량에서 주변압기는 특고압의 전원이 통전되고 여타 장치와 결합되어 있는 설치 구조상 주변압기를 분리하기 위해서는 2~3일의 작업 시간이 필요하고 주변압기가 철도 차량에 설치되어 있는 상태에서 계측기를 연결 작업을 수행하는 시간이 1일 정도의 작업 시간이 필요하여 수시로 주변압기에 계측기를 연결하여 쉽게 변압기 각 권선의 인덕턴스를 측정할 수 없다.

따라서 현재는 일정한 주기로 검사를 수행하는 주기 검사 방법을 시행하고 있으나 그 주기 기간에 변압기의 상태 이상이 발생하면 열차 운행 중 사고가 발생한다.

철도 차량에서 주변압기의 상태를 항상 점검할 수 있다면 주변압기에 의한 운행 중 사고와 정비의 효율성을 향상시킬 수 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는 철도 차량에 주 전원을 연결하기 전에 주변압기의 각 권선에 일정한 주파수의 펄스 전원을 인가하여 이 때 통전되는 전류를 측정하여 각 권선의 인덕턴스를 계측하여 차량 주변압기 상태를 확인할 수 있다. 또한, 계측 동작이 완료되면 주변압기 상태 진단 장치는 관련 정보를 저장하고 K1, K2, K3를 OFF하여 주변압기와 완전 분리하여 철도 차량 정상 운행에 영향을 주지 않는다.

주변압기 상태 계측은 철도 차량을 운행하기 전에 매번 실시하여 계속적으로 주변압기의 상태를 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는, 상기 주변압기의 1차측 출력 권선에 연결되는 제1 권선 선택용 차단기(K1), 상기 주변압기의 2차측 출력 권선에 연결되는 제2 권선 선택용 차단기(K2), 상기 1제 권선 선택용 차단기의 제1 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제1 제어선에 공통으로 연결된 제1 전류센서(CT1), 상기 1제 권선 선택용 차단기의 제2 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제2 제어선에 공통으로 연결된 제2 전류센서(CT2), 출력 권선의 양극 단자는 다이오드를 통해 상기 제1 전류센서에 연결되고, 출력 권선의 음극 단자는 상기 제2 전류센서에 연결되는 펄스 변압기(TR1), 일단은 상기 펄스 변압기의 입력 권선 일측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 양전압에 연결되는 전류 제어 장치, 상기 펄스 변압기의 입력 권선 타측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 음전압에 연결되는 스위칭 전력 소자(Q1) 및 상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치를 제어하는 제어기를 포함한다.

본 발명인 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는 철도 차량 주변압기의 출력 권선의 양단에서 측정 제어선을 각각 연결하여 장치에 입력하고 이 입력된 선은 권선 선택용 차단기인 K1, K2 각각 연결된다. 만약 주변압기 출력 권선 수가 많으면 추가적으로 측정 제어선을 추가하고 권선 선택용 차단기를 추가한다.

권선 선택용 차단기 K1, K2를 거쳐 각각 두 선중 한 선식 공통으로 연결한다. 공통으로 연결된 한 선을 (+)선으로 하고 다른 선을 (-)선으로 한다.

장치의 펄스 전압 발생 장치는 절도 차량 제어용 축전지 전원인 직류 전원의 양전압을 전원 안정화 제어 및 전류 제한 기능을 수행하는 전류 제어 장치에 입력하고 제어되는 전원을 펄스 변압기인 TR1의 입력 권선에 연결된다. 펄스 변압기 TR1의 입력 권선의 상대 권선에서 출력된 선은 스위칭 전력 소자 Q1을 지나 철도 차량 제어 전원인 축전지 전원 음전압에 연결된다.

펄스 변압기 TR1의 출력 중 (+)단자는 다이오드의 애노드를 거쳐 전류 센서인 CT1을 지나 권선 선택용 차단기 K1, K2의 공통으로 연결된 (+)선과 연결된다.

펄스 변압기 TR1의 출력 중 (-)단자는 접지 연결용 차단기 K3와 권선 선택용 차단기 K1, K2의 공통으로 연결된 (-)선으로 분기된다.

K1, K2의 공통으로 연결된 (-)선과 연결되기 위해서 전류 센서인 CT2를 지난다. 접지 연결용 차단기인 K3로 연결되기 위해서 접지 전류 센서인 CT3를 지난다.

철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치의 모든 제어를 담당하는 제어기는 장치의 각 차단기기인 K1, K2, K3를 제어하기 위한 제어 선이 연결되고 각 전류를 측정하는 CT1, CT2, CT3의 제어선이 제어기와 연결된다. 펄스 전압을 발생하기 위한 스위칭 전력 소자인 Q1의 ON/OFF 제어를 하기 위한 제어 선 또한 제어기에 연결된다.

도 3은 펄스 파형의 전류 흐름을 나타내는 도면이고, 도 4는 펄스 변압기의 출력 파형을 타나내는 도면이다.

본 장치의 구성은 기존 철도 차량의 주변압기의 출력 권선 양단에 각 감지선을 연결하고 변압기 상태 진단 장치의 제어기에서 제어기가 정해진 펄스폭 신호를 출력하여 Q1 FET를 동작 시키면 직류 전원을 받아 전류 제한 장치를 거친 전원이 펄스 변압기인 TR1을 통전하여 동작하게 된다.

TR1이 동작하면 TR1의 2차측은 다이오드를 거쳐 위의 도 4와 같은 펄스 파형을 출력하게 된다.

이 때 펄스 파형을 출력하기 전에 철도 차량의 주변압기의 출력 권선 연결을 선택하는 K1, K2 차단기에 의해서 계측하려 하는 권선이 선택되어져 있는 상태이다.

K1이 ON되어 추진 전원 장지용 권선이 선택되면 출력된 펄스 파형은 추진 전원 장치용 권선에 인가되고 위의 그림2와 같은 통전 전류가 흐른다. 이렇게 전류가 흐르는 것을 CT1을 통하여 전류를 측정할 수 있다.

전류가 측정되면 v=L di/dt의 공식을 이용할 수 있다. 여기서 v는 펄스 전압 값, L은 변압기 권선의 인덕턴스, dt는 펄스 전압 인가 시간, di는 통전되어 측정된 전류이다. 여기서 v, dt는 최초 설정된 값이며 di는 측정된 전류 값으로 앞의 공식을 L=v dt/di로 변환하여 변압기 권선의 인덕턴스 인 L값을 측정할 수 있다.

다른 권선의 인덕턴스를 측정하고자 할 경우는 K1을 OFF하고 K2를 ON하므로해서 권선 선택을 바꾸고 펄스 전압을 출력해서 측정할 수 있다.

도 5는 주변압기의 접지 절연 파괴시 전류 흐름을 나타내는 도면이다.

만약, 주변압기 내부에서 접지와 절연 파괴가 발생하면 변압기에 펄스 전압을 인가하면 도 5와 같이 전류가 흐르게 된다. 이러한 전류 흐름은 전류 센서 CT2에서는 측정되지 않고 제3 전류센서(CT3)에서 측정되는 것을 제어기는 인지할 수 있다. 또한 완전한 절연 파괴가 되지 않고 절연 불안한 불량이 되어 접지와 원래의 권선으로 전류가 분산되어 CT2와 CT3의 전류 측정으로 접지 절연 불량도 인지할 수 있다.

변압기의 특성 변화는 인덕턴스 L값 측정으로 알 수 있고 정상적인 변압기의 인덕턴스 값과 비교하여 설정된 오차 범위를 벗어나는지 확인하고 변압기 내부 접지 절연 파괴로 인한 불량은 전류가 흐르는 통로 변화를 인지하여 알 수 있어 변압기의 불량 상태를 감시할 수 있도록 한다. 또한 주변압기의 1차측 권선의 접지 불량이 발생하면 1차측 권선 수가 적게 되는 효과가 발생하여 주변압기 2차측에서 측정되는 인덕턴스 값 또한 변하게 되어 1차측 권선 이상을 인지할 수 있다.

이러한 동작은 철도 차량의 주전원은 OFF되어 있고 기동하기 위하여 최초 축전지 전원으로만 철도 차량의 제어 장치를 동작할 때 변압기 상태를 측정하고 변압기 상태 측정이 완료되면 변압기 상태 진단 장치 내의 K1, K2, K3를 OFF하여 변압기가 정상 동작할 때 차량 장치에 영향을 주지 않도록 한다. 따라서 변압기 상태 진단 장치는 철도 차량을 최초 기동할 때 마다 변압기 상태를 측정하여 차량 관리 장치에 정보를 전달하여 상태에 따라 조치가 가능하도록 하여 열차 운행 중 발생할 사고를 방지하도록 한다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

K1, K2: 권선 선택용 차단기
K3: 접지 연결용 차단기
TR1: 펄스 변압기
Q1: 스위칭 전력 소자
CT1, CT2, CT3: 전류 센서

Claims (3)

1. 철도 차량에 구비된 주변압기에 고정 설치되어 상기 주변압기에 펄스 전압을 인가하여 상기 주변압기의 인덕턴스를 측정하는, 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치에 있어서,
   상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는,
   상기 주변압기의 1차측 출력 권선에 연결되는 제1 권선 선택용 차단기;
   상기 주변압기의 2차측 출력 권선에 연결되는 제2 권선 선택용 차단기;
   상기 제1 권선 선택용 차단기의 제1 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제1 제어선에 공통으로 연결된 제1 전류센서;
   상기 제1 권선 선택용 차단기의 제2 제어선과 상기 제2 권선 선택용 차단기의 제2 제어선에 공통으로 연결된 제2 전류센서;
   출력 권선의 양극 단자는 다이오드를 통해 상기 제1 전류센서에 연결되고, 출력 권선의 음극 단자는 상기 제2 전류센서에 연결되는 펄스 변압기;
   일단은 상기 펄스 변압기의 입력 권선 일측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 양전압에 연결되는 전류 제어 장치;
   상기 펄스 변압기의 입력 권선 타측에 연결되며, 타단은 철도 차량에 구비된 축전지의 음전압에 연결되는 스위칭 전력 소자; 및
   상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치를 제어하는 제어기;를 포함하는, 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치는,
   상기 제어기가 미리 정해진 펄스폭 신호를 출력하여 상기 스위칭 전력 소자를 동작시키면, 직류 전원을 인가받아 상기 전류 제어 장치를 거친 전원이 상기 펄스 변압기를 통전하여 동작되되,
   상기 제1 권선 선택용 차단기가 ON되고 상기 제2 권선 선택용 차단기가 OFF되어 추진 전원 장치용 권선이 선택되면, 상기 펄스 변압기를 통해 출력되는 펄스 파형이 추진 전원 장치용 권선에 인가되어 상기 제1 전류센서에 의해 측정된 전류를 이용하여 상기 제어기가 인덕턴스값을 산출하고,
   상기 제2 권선 선택용 차단기가 ON되고 상기 제1 권선 선택용 차단기가 OFF어 보조 전원 장치용 권선이 선택되면, 상기 펄스 변압기를 통해 출력되는 펄스 파형이 보조 전원 장치용 권선에 인가되어 상기 제2 전류센서에 의해 측정된 전류를 이용하여 상기 제어기가 인덕턴스값을 산출하는, 철도 차량용 주변압기 상태 진단 장치.
   

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