KR102481654B1 - 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 이를 통해 전자식 탭 절환기의 절체 위상을 선택적으로 확대 또는 축소로 제어하여 전자식 탭 절환기를 안정적으로 동작시킴과 더불어 변압기의 소손을 미연에 방지하도록 한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치에 관한 것으로서, 송전선으로부터 전원을 공급받아 부하에 대응되는 전압으로 조절하여 출력하기 위해 1차측 코일에 각기 다른 변압비를 가지도록 서로 다른 권선수를 갖는 위치에 설치되는 복수의 권선 탭을 구비한 변압기와, 상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 상기 변압기의 변압비를 조절하기 위하 다수의 전자식 스위치를 구비한 전자식 탭 절환기와, 상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 단락 전류를 감지하는 복수의 전류 검출기와, 상기 각 전류 검출기로부터 감지된 각 권선 탭의 단락전류를 전달받아 정격 전류와 비교하여 선택적으로 상기 각 전자식 스위치 소자의 절체 위상을 확대 또는 축소를 통해 가변하여 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치{Electronic tap-changer control of tap-changer transformer}

본 발명은 탭 절환 변압기에 관한 것으로, 특히 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 이를 통해 전자식 탭 절환기의 절체 위상을 선택적으로 제어하여 전자식 탭 절환기를 안정적으로 동작시킴과 더불어 변압기의 소손을 미연에 방지하도록 한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 변압기는 2차 전압(저압 전압, 부하 전압, 수용가전압 등으로도 불림)을 규정된 정격 전압으로 유지할 필요가 있는데, 현실적으로 변압기 설치 장소에 따라 1차 전압(고압 전압, 수전 전압)이 일정하지 않고, 부하 전류의 크기나 역률에 따라 변압기에서 발생하는 내부 전압 강하도 계속 달라지므로, 2차 전압은 계속 달라질 수 밖에 없다.

이렇게 본질적으로 계속 변동하는 2차 전압을 정격 전압에 근접하여 유지할 수 있도록 변압기 권선에 다수의 탭들이 형성될 수 있다. 1차 전압 또는 2차 전압에 연결된 탭을 변경하면 변압기의 권선비가 달라지며, 상황에 따라 적절히 탭을 선택하면 2차 전압을 정격 전압으로 유지할 수 있다.

통상적으로 탭들은 변압기의 1차 권선에 형성되는데, 변압기 1차 전압이 정격을 초과하더라도 철심이 과포화되는 것을 막을 수 있고, 1차 권선에 흐르는 전류가 2차 권선의 전류에 비해 상대적으로 작으므로 좀더 용이하게 탭들을 형성할 수 있기 때문이다.

이렇듯 탭을 자동으로 변환시키는 장치를 탭 절환 장치라고 하며, 특히 부하가 공급되는 도중에 자동 또는 수동으로 탭을 절환하는 장치는 부하 시 탭 절환 장치(OLTC, On-Load Tap Changer)나 SVR(Step Voltage Regulator) 등이 있다.

OLTC는 2차측의 어떤 지점의 측정 전압이 미리 설정해 둔 상한 기준이나 하한 기준을 벗어나면 탭을 변동하는 방식인 DVM(Digital Voltage Meter) 방식과 배전 선로들을 하나의 등가 배전 선로로 모델링하고 전압 강하에 따라 탭을 변동하는 방식인 LDC(Line Drop Compensator) 방식이 있다.

DVM 방식의 OLTC는 최초에 설정된 부하 중심점에서 DVM을 통해 측정되는 전압을 이용하며, 부하 측의 배전 선로가 신설 또는 증설, 부하의 이동 등의 상황 변동 시에는 부하 중심점의 변동을 파악하기 어렵고, 배전 선로의 구성이 변경될 경우에 탭 절환 장치의 설정값을 정정해야 하는데 정정되는 설정값의 신뢰도가 낮다.

또한 고정된 부하 중심점을 사용하기 때문에, 배전 계통의 말단 수용가에서 전압 강하가 발생하더라도 부하 중심점에서는 전압이 정상 범위 내에서 측정될 수 있으며, 따라서 적절한 탭 절환 동작을 하기 어려울 수 있다.

이를 해결하기 위해 부하 중심점들을 미리 다수 설정하고 배전 계통의 상황에 따라 적절히 선택되는 하나의 부하 중심점에서 측정되는 전압 값을 이용하는 OLTC 방식도 제안되었다. 하지만, 배전 계통의 조건이 변동할 때에 부하 중심점을 잘 선택해야 하는 문제가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 변압기의 기계식 탭 절환장치의 일 예시도를 나타내는 것으로, 변압기(10)에서 고압이 인가되는 1차측 코일의 양단 사이에 단계별로 다수의 탭(t1~t5)이 인출되고, 수조작으로 탭 셀렉터를 정방향 혹은 역방향으로 회전시켜 탭(t1~t5)과의 접촉위치에 따라 1차측 코일의 권수를 올리거나 내려서 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비를 변경함으로써 출력전압을 조정할 수 있도록 되어 있다.

이러한 기계식 탭 절환장치는 기계적인 로터리 방식으로 탭 절환이 이루어지기 때문에, 1차측 코일의 권선수를 증가시키고자 탭 셀렉터를 탭(t1)에서 탭(t5) 방향으로 회전시킬 때 단계적으로 증가하게 되는 한편, 1차측 코일의 권선수를 감소시키고자 탭 셀렉터를 탭(t1)에서 탭(t5) 방향으로 회전시킬 때 단계적으로 감소하게 된다. 탭 셀렉터를 탭(t1)에서 탭(t3)으로 절환하려해도 반드시 탭(t2)을 거쳐야 하므로 절환에 소요되는 시간이 오래 걸리게 되며, 절환하는 단계 수가 증가할 수록 절환에 소요되는 시간은 더욱 오래 걸리게 된다.

또한, 종래 기술에 의한 전자식 스위치를 이용한 탭 절환기의 절체 동작은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 각 상의 위상이 90도가 되는 지점에 캡 절환기를 제어하여 출력전압을 조정할 수 있다. 여기서, 도 2는 종래의 탭 절환 변입기에서 탭 권선에서 발생하는 단락전류의 흐르는 방향을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래의 탭 절환 변압기의 탭 절환기의 절체 동작을 나타낸 도면이다.

즉, 종래의 전자식 탭 절환기는 변압기의 탭 권선 내부에서 발생하는 단락 전류를 방지하기 위해 전압의 90도 위상 근처에서만 절체 동작을 수행하게 되기 때문에 그 만큼 절체 시간이 길어지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 이를 통해 전자식 탭 절환기의 절체 위상을 선택적으로 확대 또는 축소로 제어하여 전자식 탭 절환기를 안정적으로 동작시킴과 더불어 변압기의 소손을 미연에 방지하도록 한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치는 송전선으로부터 전원을 공급받아 부하에 대응되는 전압으로 조절하여 출력하기 위해 1차측 코일에 각기 다른 변압비를 가지도록 서로 다른 권선수를 갖는 위치에 설치되는 복수의 권선 탭을 구비한 변압기와, 상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 상기 변압기의 변압비를 조절하기 위하 다수의 전자식 스위치를 구비한 전자식 탭 절환기와, 상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 단락 전류를 감지하는 복수의 전류 검출기와, 상기 복수의 전류 검출기로부터 감지된 각 권선 탭의 단락전류를 전달받아 정격 전류와 비교하여 선택적으로 상기 다수의 전자식 스위치의 절체 위상을 가변하여 확대 또는 축소를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 제어부는 상기 전류 검출기로부터 감지된 단락 전류를 전달받아 정격전류와 비교하는 비교부와, 상기 비교부의 결과를 근거로 상기 다수의 전자식 스위치의 절체 위상을 확대 또는 축소를 선택하는 선택부와, 상기 선택부의 선택에 따라 상기 다수의 전자식 스위치에 절체 위상을 가변하여 출력하는 출력부 및 외부 서버와 이더넷 통신을 수행하기 위한 이더넷 통신부 및 USB 형태로 결과 데이터를 외부로 출력하기 위한 외부 USB 연결부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 이를 통해 전자식 탭 절환기의 절체 위상을 확대 또는 축소로 가변 제어함으로써 절체 시간을 줄일 수 있다.

둘째, 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 단락 전류가 크게 발생할 경우 절체 위상을 축소하도록 제어함으로써 탭 절환기를 안정적으로 동작시킬 수 있다.

셋째, 탭 권선의 단락 전류를 실시간으로 감시하고 단락 전류가 발생할 경우 동작을 정지시킴으로써 변압기의 소손을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 변압기의 기계식 탭 절환장치를 나타낸 일 예시도
도 2는 종래의 탭 절환 변입기에서 탭 권선에서 발생하는 단락전류의 흐르는 방향을 나타낸 도면
도 3은 종래의 탭 절환 변압기의 탭 절환기의 절체 동작을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 5는 도 4의 탭 절환 변압기의 절체 위상의 가변 제어를 설명하기 위한 구성도
도 6은 도 4의 제어부를 보다 구체적으로 나타낸 구성도
도 7은 본 발명에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기의 절체 동작을 나타낸 도면

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 4는 본 발명에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 5는 도 4의 탭 절환 변압기의 절체 위상의 가변 제어를 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명에 의한 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 송전선으로부터 전원을 공급받아 부하에 대응되는 전압으로 조절하여 출력하기 위해 1차측 코일에 각기 다른 변압비를 가지도록 서로 다른 권선수를 갖는 위치에 설치되는 복수의 권선 탭을 구비한 변압기(100)와, 상기 변압기(100)의 각 권선 탭에 연결되어 상기 변압기(100)의 변압비를 조절하기 위하 다수의 전자식 스위치를 구비한 전자식 탭 절환기(200)와, 상기 변압기(100)의 각 권선 탭에 연결되어 단락 전류를 감지하는 복수의 전류 검출기(300)와, 상기 각 전류 검출기(300)로부터 감지된 각 권선 탭의 단락전류를 전달받아 정격 전류와 비교하여 선택적으로 상기 각 전자식 스위치 소자(N1~N11)의 절체 위상을 확대 또는 축소를 통해 절체 위상을 가변하여 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 변압기(100)는 송전 계통에서 수전 전압을 수전하는 1차 권선과 정격의 저압 전압을 수용가 계통에 공급하는 2차 권선을 포함하고, 1차 권선 또는 2차 권선 중 하나에 복수의 탭들을 구비한다. 앞서 설명한 바에 따라 탭들은 1차 권선에 구비되는 것이 바람직할 수 있다.

예를 들어, 복수의 탭들은, 권선비 1:1.1부터 권선비 1:0.9 사이를 권선비가 0.02씩 줄어드는 10개의 구간들로 나눌 수 있도록 설정할 수 있는, 11개의 탭들일 수 있다. 이 경우에, 탭 번호 k는 1부터 11 중 하나이고, 만약 탭 번호 k=3이라면 권선비는 1:1.06이고, 탭 번호 k=9라면 권선비는 1:0.94이다.

이때, 상기 변압기(100)의 1차 권선에는 복수 개의 탭이 구비되며 각각의 탭은 권선비가 다른 지점에 위치한다. 따라서, P1으로 교류 전원이 공급되는지 아니면 P2로 교류 전원이 공급되는 지에 따라서 1차 권선에 나타나는 교류 전압의 크기가 달라진다.

여기서, 상기 제어부(400)는 외부의 요인으로 인하여 전력선으로부터 공급되는 전압이 갑자기 커지는 등의 다양한 요인에 의해 변압기(100)에서 출력되는 전압이 변화될 경우, 변압기(100)의 변압비를 조절하여 출력되는 전압이 부하에 대응되도록 설정된 기준 전압에서 허용된 범위를 벗어나지 않도록 제어하여 안정적으로 전력을 공급하게 된다.

즉, 상기 전자식 탭 절환기(200)는 상기 제어부(400)의 제어를 받아 부하로 전력을 공급하기 위하여 변압기(100)를 통하여 출력되는 전압이 부하에서 허용할 수 있는 허용치 이내일 경우에는 변압비를 조절하지 않고 전력을 공급하게 되고, 허용치를 넘을 경우에는 허용치 이내의 전압으로 조절하여 출력하여야 한다.

상기 전류 검출기(300)는 변압기의 탭 권선에 대한 단락전류를 감지하기 위한 것으로, Hall CT 또는 전류 계기용 변류기(Current Transformer)를 사용할 수 있다.

상기 제어부(400)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전류 검출기(300)로부터 감지된 단락 전류를 전달받아 정격전류와 비교하는 비교부(410)와, 상기 비교부(410)의 결과를 근거로 상기 각 전자식 스위칭 소자(S1~S11)의 절체 위상을 확대 또는 축소를 선택하는 선택부(420)와, 상기 선택부(420)의 선택에 따라 상기 각 전자식 스위칭 소자(S1~S11)에 절체 위상을 가변하여 출력하는 출력부(430)를 포함하여 이루어진다.

상기 전자식 탭 절환기(200)를 구성하는 전자식 스위칭 소자(S1~S11)를 정확한 타이밍 즉, 단락전류를 감지한 후 정격전류와 비교하여 절체 위상을 확대 또는 축소를 통해 절체 위상의 가변 제어를 통해 절환되도록 하여 전자식 스위칭 소자(S1~S11)에 가해지는 부하를 최소화하고 낭비되는 에너지를 절감할 수 있게 된다. 즉, FET와 같은 전자적인 스위칭 소자(S1~S11)는 OFF 상태에서 ON 상태로 스위칭하거나, ON 상태에서 OFF 상태로 스위칭할 때 시간이 소요되며, 이러한 스위칭시에 에너지의 손실이 발생하게 된다.

예를 들면, ON 상태에서 전류가 흐르는 상태에서 OFF 신호를 인가하게 되면 스위치가 천천히 OFF 상태로 변하게되는데, 이론상 ON 상태의 스위치 양단의 전압은 0V이지만 단번에 변하는 것이 아니라 일정 시간을 두고 스위칭되면 스위치의 양단에 조금씩 전압이 걸리게 되어 V·I 만큼의 에너지가 소비되게 된다.

이렇게 소비되는 에너지는 스위치에서 열로 방출되는데, 이 에너지가 커지게 되면 스위치가 열로 인하여 손상되거나 심할경우 타버리는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 전자식 탭 절환기(200)를 제어하기 위해 변압기(100)의 권선 탭에 대한 단락전류를 전류 감지기(300)를 통해 실시간으로 측정하여 제어부(400)를 통해 측정된 단락전류와 정격전류를 비교하여 절체 위상을 가변하여 정확한 타이밍에 스위칭 되도록 제어하여 전자식 스위칭 소자(S1~S11)를 통하여 소모되는 에너지를 최소화하고 스위치의 부하를 줄여줌으로써, 전자식 스위칭 소자(S1~S11)의 내구성을 높이게 된다.

또한, 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만 상기 제어부(400)에 전원을 공급하는 전원 공급부와, 상기 제어부(400)의 결과를 외부에 전달하는 통신단자 및 디스플레이 단자를 더 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 제어부(400)는 외부 서버와 이더넷 통신을 수행하기 위한 Ethernet 통신부 및 USB 형태로 시험 결과 데이터를 외부로 출력하기 위한 외부 USB 연결부를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 제어부(400)는 근거리의 다른 장비와 근거리 무선 통신으로서 블루투스 통신을 수행하는 블루투스 통신부 및 결과를 프린트하기 위한 인쇄장치부 중 적어도 하나 이상을 더 포함한다.

상기 제어부(400)는 상기 변압기(100)의 입력 및 출력단에 대한 전압과 전류 정보를 전달받아 상기 비교부(410)에 전달하는 아날로그 프로세서를 구비한다.

따라서 본 발명은 도 7에서와 같이, 전류 감지기(300)를 통해 변압기(100)의 탭 권선에 대한 단락 전류를 실시간으로 감시하고 이를 통해 전자식 탭 절환기(200)의 절체 위상을 확대 또는 축소로 가변 제어함으로써 절체 시간을 줄임과 함께 전자식 탭 절환기를 안정적으로 동작시키면서, 단락 전류가 발생할 경우 동작을 정지시킴으로써 변압기의 소손을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

100 : 변압기 200 : 전자식 탭 절환기
300 : 전류 감지기 400 : 제어부

Claims (5)

1. 송전선으로부터 전원을 공급받아 부하에 대응되는 전압으로 조절하여 출력하기 위해 1차측 코일에 각기 다른 변압비를 가지도록 서로 다른 권선수를 갖는 위치에 설치되는 복수의 권선 탭을 구비한 변압기와,
   상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 상기 변압기의 변압비를 조절하기 위하 다수의 전자식 스위치를 구비한 전자식 탭 절환기와,
   상기 변압기의 각 권선 탭에 연결되어 단락 전류를 감지하는 복수의 전류 검출기와,
   상기 복수의 전류 검출기로부터 감지된 각 권선 탭의 단락전류를 전달받아 정격 전류와 비교하여 선택적으로 상기 다수의 전자식 스위치의 절체 위상을 가변하여 확대 또는 축소를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고,
   상기 제어부는 상기 전류 검출기로부터 감지된 단락 전류를 전달받아 정격전류와 비교하는 비교부와, 상기 비교부의 결과를 근거로 상기 다수의 전자식 스위치의 절체 위상을 확대 또는 축소를 선택하는 선택부와, 상기 선택부의 선택에 따라 상기 다수의 전자식 스위치에 절체 위상을 가변하여 출력하는 출력부 및 외부 서버와 이더넷 통신을 수행하기 위한 이더넷 통신부 및 USB 형태로 결과 데이터를 외부로 출력하기 위한 외부 USB 연결부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부에 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부의 결과를 외부에 전달하는 통신단자 및 디스플레이 단자를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 검출기는 Hall CT 또는 전류 계기용 변류기를 사용하는 것을 특징으로 하는 탭 절환 변압기의 전자식 탭 절환기 제어장치.

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