KR200330107Y1

KR200330107Y1 - 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기

Info

Publication number: KR200330107Y1
Application number: KR20-2003-0024785U
Authority: KR
Inventors: 김승규
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2003-10-11

Abstract

본 고안의 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기는, 입력 전압이 인가되는 하나의 1차 코일, 상기 1차 코일과의 권선수 비율에 따라 상기 입력 전압의 레벨을 조절하는 적어도 하나 이상의 2차 코일, 입력 전압을 받아들여 분압 커패시턴스를 형성하기 위한 제1 및 제2커패시터, 상기 제1 및 제2커패시터의 중간 노드와 상기 1차 코일 사이에 연결되어 상기 입력 전압을 상기 1차 코일에 전달하기 위한 리액터 및, 상기 2차 코일의 중심점과 어느 한 단자 사이에 직렬 연결된 가포화 리액터 및 제동 저항을 포함한다. 상기 가포화 리액터는 상기 1차 코일 및 2차 코일에서 철공진 현상이 발생할 때에만 스위칭되어 상기 제동 저항에 전압이 인가되도록 함으로써 상기 제동 저항에서 전력 소비가 이루어지도록 한다. 따라서, 본 고안은 전력 손실의 현저한 감소로 경제적인 이득을 얻을 뿐만 아니라, 제동 저항에서의 과열 현상을 방지할 수 있어서 전위 변성기의 급속한 열화 및 고장을 예방하는데 기여할 수 있다.

Description

철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기{VOLTAGE TRANSFORMER HAVING FERRO-RESONANCE PREVENTING CIRCUIT}

본 고안은 철공진(ferro-resonance) 방지회로를 갖는 전위 변성기(voltage transformer)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 전송 분야인 변전소 등에서사용되며 철공진 현상에 효과적으로 대응할 수 있는 콘덴서형 전위 변성기에 관한 것이다.

일반적으로, 전위 변성기는 발전소로부터 송전된 전기를 수용가 또는 다른 변전소에 전달하는 역할을 하는 변전소에서 전자기 유도에 의해 전압의 레벨을 조정하는데 사용된다. 특히, 본 고안의 전위 변성기는 전압의 레벨을 낮추는 즉, 강압시키는 작용을 수행한다.

도 1a 및 도 1b에는 종래의 기술에 따른 전위 변성기가 도시되어 있다.

도 1a에는 154 kV의 전압을 처리하기 위한 전위 변성기가 도시되어 있고, 도 1b에는 345 kV의 전압을 처리하기 위한 전위 변성기가 도시되어 있다.

상기 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 전위 변성기는 하나의 1차 코일(10)과 두 개의 2차 코일(20, 30)을 가진다. 또한, 직렬 연결된 두 개의 커패시터(C1, C2)와, 상기 커패시터(C1, C2)의 중간 노드와 상기 1차 코일(10) 사이에 연결된 리액터(11)가 더 구비되어 있다. 그리고, 상기 2차 코일(30)의 중심점과 하나의 단자(2n) 사이에는 제동 저항(damping resister)(R)이 구비되어 있다.

발전소와 연결된 송전선으로부터 공급된 154 kV의 전압은 커패시터(C1)에 인가된다. 상기 각 커패시터(C1, C2)는 분압 커패시턴스(capacitance)를 제공하며, 리액터(11)는 상기 커패시터(C1, C2)의 중간 노드 전위를 전위 변성기의 1차 코일(10)에 전달한다. 상기 리액터(11)는 교류 전류의 급격한 변화에 대해 유도성 리액턴스(reactance)를 나타내는 작용을 한다. 상기 전위 변성기의 1차 코일(10) 전압과 2차 코일(20, 30) 전압 간에는 각 코일의 권선수 비율에 대응하는 관계가성립한다. 즉, 상기 리액터(11)를 경유하여 1차 코일(10)에 인가되는 전압은 전자기 유도 작용에 의해 상기 권선수 비율에 대응하여 그 레벨이 조정되어 상기 2차 코일(20, 30)에 각각 유도된다. 도 1b에 도시된 전위 변성기는 입력 전압이 345 kV이고, 2차 코일(20, 30)에 각각 제동 저항(R)이 연결되어 있다는 점 외에는 상기 도 1a에 도시된 전위 변성기와 그 구성 및 작용이 유사하므로, 중복을 피하기 위하여 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.

상기와 같이 구성되는 종래의 기술에 따른 전위 변성기에서는, 분압 커패시턴스 형성용 커패시터(C1, C2)와 인덕턴스(inductance) 성분의 1차 코일(10)이 서로 병렬로 연결되어 있으므로, 병렬 연결된 LC 공진 회로와 유사하게 작용하여 입력 전압의 소정 주파수에서 공진 현상이 일어날 수 있다. 이와 같이, 전력계통에서 발생하는 공진 현상을 철공진(ferro-resonance) 현상이라고 하며, 이러한 철공진 현상은 전위 변성기의 고장을 유발하는 원인으로 작용할 수 있다.

종래의 전위 변성기에서는 이와 같은 철공진으로 인한 영향을 상쇄시키기 위하여 2차 코일의 일부(30) 또는 전부(30)에 제동 저항(R)을 연결하는 방법이 사용되고 있다. 즉, 상기 제동 저항(R)은 2차 코일(30)에 유도된 전기에너지를 열(주울열)의 형태로 소비하여 철공진 현상이 제동되도록 한다. 그런데, 상기 제동 저항(R)은 약 23~26Ω의 저항값을 가지므로, 2차 코일(30)에 유도된 전기에너지 중 일부는 상기 저항에 의해 소비되며, 그 양은 대략 4,555 k쪼/년에 이른다. 즉, 상기 제동 저항(R)이 상시적으로 제동 작용을 함으로써 위와 같은 전력 소비를 감수해야 하는 문제점이 있다. 또한, 전위 변성기를 구성하는 기계적 부품인 절연물(절연유, 절연지 등)의 열화를 촉진시켜서 전위 변성기의 고장을 유발하는 원인으로 작용하는 문제점이 있다.

본 고안은 상기 설명된 바와 같은 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 철공진 현상이 발생할 경우에만 제동 작용을 하는 철공진 방지회로를 2차 코일에 구비함으로써 전력 손실을 감소할 수 있고 이로 인해, 전위 변성기 구성 부품의 열화 감소 및 고장 예방의 효과를 달성할 수 있는 전위 변성기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 및 1b는 종래의 기술에 따른 전위 변성기를 도시한 도면.

도 2a 및 2b는 본 고안에 따른 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기를 도시한 도면.

도 3은 상기 도 2에 적용된 철공진 방지회로의 등가 회로를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 1차 코일 11 : 리액터

20 : 제1의 2차 코일 30 : 제2의 2차 코일

R : 제동 저항 L : 가포화 리액터

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기는, 입력 전압이 인가되는 하나의 1차 코일, 상기 1차 코일과의 권선수 비율에 따라 상기 입력 전압의 레벨을 조절하는 적어도 하나 이상의 2차 코일, 입력 전압을 받아들여 분압 커패시턴스를 형성하기 위한 제1 및 제2커패시터, 상기 제1 및 제2커패시터의 중간 노드와 상기 1차 코일 사이에 연결되어 상기 입력 전압을 상기 1차 코일에 전달하기 위한 리액터 및, 상기 2차 코일의 중심점과 어느 한 단자 사이에 직렬 연결된 가포화 리액터 및 제동 저항을 포함하며, 상기 가포화 리액터는 상기 1차 코일 및 2차 코일에서 철공진 현상이 발생할 때에만 스위칭되어 상기 제동 저항에 전압이 인가되도록 함으로써 상기 제동 저항에서 전력 소비가 이루어지도록하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b에는 본 고안에 따른 철공진 방진회로를 갖는 전위 변성기가 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 전위 변성기는 154 kV의 입력 전압을 처리하기 위한 것이고, 도 2b에 도시된 전위 변성기는 345 kV의 입력 전압을 처리하기 위한 것이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 전위 변성기는 입력 전압이 각각 154 kV와 345 kV인 점을 제외하고는 회로 구성 및 작용이 서로 동일하다.

상기 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기는 하나의 1차 코일(10)과 두 개의 2차 코일(20, 30)을 가진다. 여기서, 2차 코일(20, 30)은 적어도 하나 이상 구비되며, 생성하고자 하는 전압 레벨의 종류에 따라 그 수가 확장될 수 있다. 또한, 1차 코일(10) 측에는 직렬 연결된 두 개의 커패시터(C1, C2)와, 상기 커패시터(C1, C2)의 중간 노드(node)와 상기 1차 코일(10) 사이에 연결된 리액터(11)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 2차 코일(30)의 중심점과 하나의 단자(2n) 사이에는 직렬 연결된 가포화 리액터(saturable reactor)(L) 및 제동 저항(R)이 구비되어 있다.

발전소와 연결된 전력선으로부터 공급되는 154 kV의 전압이 커패시터(C1)에 인가되면, 본 고안에 따른 전위 변성기의 동작이 시작된다. 상기 각 커패시터(C1, C2)는 분압 커패시턴스(capacitance)를 상기 전위 변성기에 제공하며, 상기 리액터(11)는 상기 커패시터(C1, C2)의 중간 노드 전위를 전위 변성기의 1차코일(10)에 전달한다. 상기 리액터(11)는 교류 전류의 급격한 변화에 대해 유도성 리액턴스(reactance)를 나타내는 작용을 한다. 상기 전위 변성기의 1차 코일(10) 전압과 2차 코일(20, 30) 전압 간에는 각 코일의 권선수 비율에 대응하는 관계가 성립한다. 즉, 상기 상기 1차 코일(10)에 인가된 전압은 전자기 유도 작용에 의해 상기 1차 코일(10)과 상기 권선수 비율에 대응하여 그 레벨이 조정되어 상기 2차 코일(20, 30)에 각각 유도된다. 상기 2차 코일(20, 30)에는 중심점을 포함하여 3개의 단자(예를 들어, 2a1, 2a2, 2n)가 구비되어 있으며, 이들 단자를 적절히 선택함으로써 의도하는 출력 전압이 얻어질 수 있다. 도 2b에 도시된 전위 변성기는 입력 전압이 345 kV인 점 외에는 상기 도 2a에 도시된 전위 변성기와 그 구성 및 작용이 유사하므로, 중복을 피하기 위하여 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.

한편, 본 고안에 따른 전위 변성기에서는 2차 코일(20, 30) 중의 어느 하나(30)의 중심점과 임의의 한 단자(2n) 사이에는 본 고안에 따른 철공진 방지회로가 구비되어 있다. 본 고안에 따른 철공진 방지회로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 직렬 연결된 가포화 리액터(L) 및 제동 저항(R)으로 이루어진다. 상기 철공진 방지회로에서는 예를 들어, 상기 1차 코일(10) 및 2차 코일(20, 30)에서 철공진 현상이 발생할 때에만 상기 제동 저항(R)에 전압이 인가되는데, 가포화 리액터(L)는 예를 들어, 상기 1차 코일(10) 및 2차 코일(20, 30)에서 철공진 현상이 발생할 때에만 상기 제동 저항에 전압이 인가되도록 한다. 이러한 작용을 수행하기 위하여, 상기 가포화 리액터(L)는 다음과 같은 요건을 충족하여야 한다. 즉, 상기 가포화 리액터(L)의 포화 전압은 상기 전위 변성기의 포화 전압보다 낮아야 하고,상기 가포화 리액터(L)에 상기 가포화 리액터(L)의 포화 전압보다 높은 전압이 인가될 경우에는 급격히 포화되어야 하며, 상기 가포화 리액터(L)에 상기 가포화 리액터(L)의 포화 전압보다 낮은 전압이 인가될 경우에는 상기 가포화 리액터(L)가 무한대에 가까운 매우 높은 저항으로 작용하여야 한다. 상기 가포화 리액터(L)가 위와 같은 요건을 충족하면, 상기 전위 변성기의 1차 코일(10) 및 2차 코일(20, 30)에서 철공진 현상이 발생할 경우, 상기 전위 변성기가 포화되기 전에 상기 가포화 리액터(L)가 먼저 포화되어 스위칭 역할을 수행한다. 따라서, 상기 가포화 리액터(L)에 의해 제동 저항(R)에서 전기에너지가 열로 변환되는 전력 소비가 발생하여 철공진 현상이 억제될 수 있다. 한편, 상기 전위 변성기에서 철공진 현상이 발생하지 않을 경우에는, 상기 가포화 리액터(L)가 무한대에 가까운 저항으로 작용하여 상기 제동 저항(R)으로는 전류가 흐르지 않기 때문에 전력소비가 발생하지 않는다.

그리고, 상기 제동 저항(R)의 크기는 "정격 전압을 인가한 상태에서 2차 측을 순간 단락시킨 후 개방시켰을 때, 철공진 현상이 2초 이상 진행하지 않도록 하여야 하고, 정격 전압의 120 %를 인가한 상태에서 2차 측을 순간 단락시키고 난 후 급속히 단락회로를 개방한 10 Hz 후의 2차 전압과 단락시키기 전의 2차 정격 전압과의 변화차가 10 % 이내이어야 한다."라는 철공시험 기준(IEC-186)에 부합되도록 선정된다. 상기 선정 방법은 전자 과도해석 프로그램(EMTP : electromagnetic transient program)을 활용한 모의 실험을 통해 상기 제동 저항(R)의 크기를 변화시키면서 그 크기를 결정하는 방식이다. 상기 모의 실험의 결과, 약 0.5 Ω정도의크기에서 IEC-186 기준에 부합하는 결과가 얻어짐을 알 수 있다.

즉, 위에서 설명한 요건을 만족시키는 가포화 리액터와 상기 전자 과도해석 프로그램을 적용하여 결정된 제동 저항을 직렬 연결한 본 고안의 철공진 방지회로를 154 kV 및 345 kV의 전위 변성기에 결합하여 실증시험(시험기관 : 한국 전기연구원)을 한 결과, 다음과 같이 IEC-186 기준에 부합하는 결과가 얻어진다.

1. 철공진 현상 진행시간(기준 : 2초 이내)

1) 154 kV 전위 변성기 : 약 0.067 초

2) 345 kV 전위 변성기 : 약 0.167 초

2. 철공진 현상에 의한 전압 변화율(기준 : 10 % 이내)

1) 154 kV 전위 변성기 : 약 1.7 %

2) 345 kV 전위 변성기 : 약 2.8 %

이상 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기는 가포화 리액터와 제동 저항을 2차 코일측에 직렬로 연결한 구성에 의해 철공진 현상이 발생할 경우에만 상기 가포화 리액터가 포화되어 제동 저항에 의한 전력 소비가 이루어지도록 함으로써, 전력 손실(연간, 약 4,555 kWH/대)의 현저한 감소로 경제적인 이득을 얻을 뿐만 아니라, 제동 저항에서의 과열 현상을 방지할 수 있어서 전위 변성기의 급속한 열화 및 고장을 예방하는데 기여할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 고안에 따른 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 실용신안등록청구의 범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 고안의 기술적 정신이 확장될 수 있다고 할 것이다.

Claims

입력 전압이 인가되는 하나의 1차 코일;

상기 1차 코일과의 권선수 비율에 따라 상기 입력 전압의 레벨을 조절하는 적어도 하나 이상의 2차 코일;

입력 전압을 받아들여 분압 커패시턴스를 형성하기 위한 제1 및 제2커패시터;

상기 제1 및 제2커패시터의 중간 노드와 상기 1차 코일 사이에 연결되어 상기 입력 전압을 상기 1차 코일에 전달하기 위한 리액터; 및

상기 2차 코일의 중심점과 어느 한 단자 사이에 직렬 연결된 가포화 리액터 및 제동 저항을 포함하며,

상기 가포화 리액터는 상기 1차 코일 및 2차 코일에서 철공진 현상이 발생할 때에만 스위칭되어 상기 제동 저항에 전압이 인가되도록 함으로써 상기 제동 저항에서 전력 소비가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기.
제1항에 있어서,

상기 가포화 리액터의 포화 전압은 상기 전위 변성기의 포화 전압보다 낮아야 하고, 상기 가포화 리액터에 상기 가포화 리액터의 포화 전압보다 높은 전압이인가될 경우에는 급격히 포화되어야 하며, 상기 가포화 리액터에 상기 가포화 리액터의 포화 전압보다 낮은 전압이 인가될 경우에는 상기 가포화 리액터가 무한대에 가까운 저항으로 작용하는 것을 특징으로 하는 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기.
제1항에 있어서,

상기 제동 저항의 크기는 정격 전압을 인가한 상태에서 2차 측을 순간 단락시킨 후 개방시켰을 때, 철공진 현상이 2초 이상 진행하지 않도록 하여야 하고, 정격 전압의 120 %를 인가한 상태에서 2차 측을 순간 단락시키고 난 후 급속히 단락회로를 개방한 10 Hz 후의 2차 전압과 단락시키기 전의 2차 정격 전압과의 변화차가 10 % 이내이어야 한다는 기준에 부합되도록 선정되는 것을 특징으로 하는 철공진 방지회로를 갖는 전위 변성기.