KR20040039880A

KR20040039880A - 부하율 특성을 이용한 변압기 병렬 운전장치 및 그제어시스템

Info

Publication number: KR20040039880A
Application number: KR1020020068115A
Authority: KR
Inventors: 김영일; 윤지희
Original assignee: 주식회사 케이디파워
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-05-12
Also published as: KR100460996B1

Abstract

본 발명의 목적은 변압기를 효율적으로 운전하기 위해 하나의 패키지 내에 2개의 변압기를 설치한 후 부하율의 변동에 따라 이들 변압기가 병렬운전 또는 단독운전되도록 한 부하율 특성을 이용한 변압기 병렬운전 장치 및 그 제어시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 변압기 병렬운전 제어시스템은 하나의 패키지 내에 일체형으로 병렬 설치되는 제1,2변압기(10,20)와, 상기 제1,2변압기의 전단 및 후단에 각각 설치되는 제1,2컷오프스위치A(11,12) 및 제1,2컷오프스위치B(21,22)와, 상기 제2컷오프스위치A,B(12,22)의 후단에 설치되어 부하측에 대한 변압기의 병렬운전 또는 단일운전을 선택하고 그 선택신호를 발생하는 타이브레이커(30)와, 부하 출력라인 상에 설치되어 부하전류 및 전압하여 디지털신호로 변환하는 검출부(40)와, 상기 검출부에 의해 검출된 부하 전류 및 전압 검출 값을 연산처리하여 전력관련 계측을 수행하는 것으로 제1,2컷오프스위치A,B 및 타이브레이커의 트립제어신호를 발생하고 이들 컷오프스위치 및 타이브레이커의 작동신호를 입력 처리하는 연산제어부(50)와, 상기 연산제어부의 부하제어출력에 따라 상기 제1,2컷오프스위치A,B 제어용 접점신호를 발생하는 릴레이부(70)와, 상기 연산제어부의 표시제어출력에 따라 부하상태정보 및 전력제어상태정보를 출력하는 LCD(90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부하율 특성을 이용한 변압기 병렬 운전장치 및 그 제어시스템{Parallel opperating apparatus of transformer using a load factor and Parallel operating control system thereof}

본 발명은 변압기를 효율적으로 운전하기 위한 변압기 병렬운전 제어기술에 관한 것으로, 특히 하나의 패키지 내에 2개의 변압기를 설치하고 이들 2개의 변압기에 접속된 부하의 부하율을 체크하여 그 부하율에 따라 변압기의 단독운전 또는 병렬운전이 자동으로 선택되도록 함으로써 부하변동에 따른 변압기 이용효율의 최적화 및 전력손실의 최소화를 달성할 수 있는 부하율 특성을 이용한 변압기 병렬 운전장치 및 그 제어시스템에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 부하측에 전류를 공급하는 수전설비의 변압기를 효율적으로 운용하기 위해서는 무부하 손실을 작게 하고 최대효율이 되는 부하용량으로 운전해야 한다.

변압기의 무부하 손실은 부하의 크기에 관계없이 일정하게 나타나며 변압기 용량이 커지면 커질수록 무부하 손실도 증가되므로 이러한 무부하 손실을 가능한 한 최소화하는 방향으로 변압기를 운전 관리해야 한다.

따라서 수전설비의 용량이 최대 수요전력과 비교하여 비교적 크고 그 부하율이 낮을 경우 부하의 사용특성과 변압기의 뱅크구성을 심도있게 검토하여 병렬운전하는 것이 유리하다.

지금까지는 변압기 효율증대를 위한 병렬운전을 위해 수용가측의 전력수요 예측하고 그에 따른 타임스케줄에 따라 시간대별로 변압기의 단독운전 또는 병렬운전을 선택하는 방식을 사용하고 있었다.

그러나 위와 같은 변압기 병렬운전 제어 방식은 실질적인 유효 부하변동에 대해 대응하기 곤란하다는 단점을 지니고 있다.

특히, 프로그램에 따라, 단독운전 상황에서의 병렬운전제어로 인한 무부하손의 증가문제와 병렬운전 상황에서의 단독운전으로 인한 변압기의 오버로드 문제를 초래하여 변압기제어의 효율성 저하 또는 과부하의 위험에 노출될 수 있다.

본 발명의 목적은 변압기를 효율적으로 운전하기 위해 하나의 패키지 내에 2개의 변압기를 설치한 후 부하율의 변동에 따라 이들 변압기가 병렬운전 또는 단독운전되도록 한 부하율 특성을 이용한 변압기 병렬운전 장치와 그 제어시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 변압기에서 부하율에 따른 무부하손 변화 그래프이다.

도 2는 변압기에서 부하율에 따른 부하손의 변화 그래프이다.

도 3은 변압기에서의 전력손실(부하손+무부하손) 그래프이다.

도 4는 변압기의 병렬운전 및 단독운전 전환 경계의 부하율 그래프이다.

도 5은 본 발명의 변압기 병렬운전 및 단독운전 자동전환회로의 구성도이다.

도 6은 본 발명의 변압기 병렬운전 및 단독운전 자동전환 제어흐름도이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 다른 변압기 병렬운전장치의 구성예시도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10,20 : 제1,2변압기 11,12 :제1,2컷오프스위치A

13,14,23,24 : 트립코일 21,22 : 제1,2차컷오프스위치B

30 : 타이브레이커 40 : 검출부

50 : 연산제어부 60 : 릴레이드라이버

70 : 릴레이부 80 : LCD드라이버

90 : LCD 100 : UART

110 : PC A : 병렬장치

x : 부하율 Pi : 무부하손

Pc : 부하손

본 발명은 상기한 종래의 변압기 병렬운전기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 변압기 병렬운전 제어시스템은 하나의 패키지 내에 일체형으로 병렬 설치되는 제1,2변압기와, 상기 제1,2변압기의 전단 및 후단에 각각 설치되는 제1,2컷오프스위치A 및 제1,2컷오프스위치B와, 상기 제2컷오프스위치A,B의 후단에 설치되어 변압기의 병렬운전 또는 단일운전을 선택하고 그 선택신호를 발생하는 타이브레이커와, 부하 출력라인 상에 설치되어 부하전류 및 전압하여 디지털신호로 변환하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 검출된 부하 전류 및 전압 검출 값을 연산처리하여 전력관련 계측을 수행하는 것으로 제1,2컷오프스위치A,B 및 타이브레이커의 트립제어신호를 발생하고 이들 컷오프스위치 및 타이브레이커의 작동신호를 입력 처리하는 연산제어부와, 상기 연산제어부의 부하제어출력에 따라 상기 제1,2컷오프스위치A,B 제어용 접점신호를 발생하는 릴레이부와, 상기 연산제어부의 표시제어출력에 따라 부하상태정보 및 전력제어상태정보를 출력하는 LCD를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면들을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

변전소로부터 특고압을 인입시켜 저압으로 변압시켜 부하 또는 수용가 측에 전력을 공급하는 변압기의 병렬운전방식은 부하율 연산에 의한 운전 대수제어를 필요로 한다.

아래의 전력손실관계의 설명에서는 정격용량대비 그 절반이하로 운전되고 있는 동일한 무부하손 및 부하손 특성의 두대의 변압기에 대해 변압기를 그대로 병렬운전할 경우와 단독(1대)으로 운전할 때를 기준으로 하였다.

먼저, 변압기의 손실은 무부하손(Pi)와 부하손 (Pc)로 나눌 수 있다.

무부하손은 무부하전류에 의한 손실로서 변압기가 가동하는 시간내내(24시간)발생하는 손실로서 크게 철손, 히스테리시스손 및 와전류손 등이 있으며, 부하율(x) 대비 무부하손실 변화 그래프는 도 1과 같다.

부하손은 동손이라고도 하며 변압기 코일에 부하전류가 흐를 때 발생하는 손실로서 주로 동손이 대부분을 차지한다. 이 손실은 부하전류의 제곱에 비례하므로 그 부하율(x) 대비 부하손은 도 2와 같은 함수 그래프로 나타난다.

이와 같은 부하손과 무부하손의 합은 전체전력손실 값(PI=Pi+Pc)이 되며, 도 3에서 보여지고 있는 것처럼, 총 전력손실(PI)은 부하율(x)에 대한 2차함수로 나타나 진다.

이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

Pl[KW]=Pc*x²+ Pi 식1

2대의 변압기를 이용하여 병렬운전할 경우 부하율에 의한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

현재 2대의 변압기의 부하손(Pc)과 무부하손(Pi)이 동일 하다고 하였을 때 변압기 단독운전(1대운전)시의 전력손실을 "W1"이라고 하고, 변압기 병렬운전시의 전력손실을 "W2"이라고 하면 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

W1=Pc(2x)²+Pi 식2

W2=2(Pc*x²+Pi) 식3

여기서 부하율 "x"는 정격용량에 대한 부하율이며, 윗 식2,식3에서 W2>W1을 만족시키는 부하율은 아래 식으로 나타내 진다.

x < (Pi/2Pc)^1/2식4

윗 식4에서 얻어진 부하율을 경계로 전력손실이 역전하므로, 이때는 변압기를 병렬운전하므로서 전력손실을 최소화시킬 수 있으며, 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

W2-W1=(2Pc*x²)+2Pi-(4Pc*x²)-Pi

=(-2Pc*x²)+Pi 식5

도 4는 변압기 2대를 병렬운전할 경우의 전력손실(W2)과 변압기1대를 단독운전할 경우의 전력손실(W1)의 차를 보면 부하율 x는 식4를 경계로 하여 부하가 정격전류의 이하인 경우일 때 변압기 1대로 단독운전하면 전력손실이 감소되고, 부하율이 정격전류의 (Pi/2Pc)^1/2이상인 경우일 때 변압기 1대로 단독운전하면 전력손실이 증가하게 됨을 도식적으로 나타내고 있다.

따라서 부하율 x가 (Pi/2Pc)^1/2보다 클 경우 변압기 2대를 병렬운전 함으로써 전력손실을 줄일 수 가 있는 것이다.

도 5는 본 발명의 변압기 병렬운전 및 단독운전 자동전환회로의 구성도이다.

여기에서 참고되는 바와 같이, 본 발명의 변압기 병렬운전 제어시스템은 하나의 패키지 내에 제1,2변압기(10,20)를 일체형으로 병렬 설치하고, 상기 제1,2변압기의 전단 및 후단에 각각 제1,2컷오프스위치A(11,12)와 제1,2컷오프스위치B(21,22)를 설치한다.

이 제1,2컷오프스위치A,B(11,12,21,22)에는 각각 이들의 스위치 작동을 위한트립코일(13,14,23,24)이 설치되고 있다.

상기 제2컷오프스위치A,B(12,22)의 후단에는 변압기의 병렬운전 또는 단일운전을 선택하고 그때의 선택신호를 발생하는 타이브레이커(30)를 설치한다.

이 타이브레이커에도 트립코일이 마련되고 있다.

상기 제1,2컷오프스위치(11,12,21,22) 및 타이브레이커(30)에 의해 선택된 변압기(10,20)의 출력은 부하측에 공급되게 연결한다.

부하라인 상에는 전류트랜스, 전압트랜스 및 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 포함하는 검출부(40)를 설치하여 여기에서 검출되는 부하 출력정보가 연산제어부(50)에 인가되게 연결한다.

상기 연산제어부(50)는 CPU와 메모리를 포함하며 검출부(40)에서 출력되는 검출신호 디지털정보를 연산처리하여 메모리에 전송한다. 또한 3상 전류 전압의 디지털 데이터를 가공처리하여 전력제어와 관련한 다수의 계측을 수행하고, 컷오프스위치의 트립코일의 트립제어 및 트립수행-감시와 그의 표시데이터를 생성하도록 한다.

상기 연산제어부(50)에는 UART(100)을 설치하여 이 것을 통해 각각의 컷오프스위치(11,12,21,22)및 타이브레이커(30)의 트립작동상태정보를 수집할 수 있게 구성하며 또한 PC(110)와도 결합시켜 PC로의 각종 전력제어정보의 수집 및 PC에 의한 제어파라미터를 입력시킬 수 있게 구성한다.

상기 연산제어부(50)의 컷오프스위치 등의 제어정보는 릴레이드라이버(60)를 통해 다수의 릴레이가 마련된 릴레이부(70)에 인가되게 연결하고, 이 릴레이부(70)의 각각의 릴레이접점에 의해 제1,2컷오프스위치A,B 및 타이브레이커에 설치된 트립코일(13,14,23,24) 등이 구동하게 연결한다.

또한 상기 연산제어부(50)에서 처리된 제어값의 표시정보는 LCD드라이버(80)를 통해 각종 정보를 표시하는 LCD(90)에 인가되게 연결한다.

이 연산제어부(50)에는 이더넷콘트롤러(120)와 LAN카드(130)를 통해 원격지 제어를 위한 네트워크 시스템을 결합시킬 수 있다.

상기 연산제어부(50)는 부하전류검출기로부터 입력되는 부하의 크기 값과 PC등 외부로부터 입력되는 제1,2변압기의 무부하손(Pi) 및 부하손(Pc)데이터를 비교 처리하여 단독운전과 병렬운전간의 최소 전력손실 경계에 해당하는 부하율 ⅹ≥이면 상기 제1,2변압기를 병렬운전회로로 전환하고 부하율 ⅹ<이면 상기 변압기를 단독운전회로로 각각 전환하기 위한 신호를 생성하여 상기 제1,2컷오프스위치A,B(11,12,21,22)를 작동시키기 위한 제어신호를 생성하도록 연산 프로그램을 삽입한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 변압기 병렬운전 제어시스템의 동작을 도 5 및 도 6을 설명하면 다음과 같다.

먼저, PC(110) 등의 데이터입력수단을 통하여 제1,2변압기의 부하손 및 무부하손 값을 연산제어부(50)에 입력하고 변압기 병렬운전을 스타트 시키면, 상기 연산제어부(50)는 릴레이드라이버(60)와 릴레이부(70)를 통해 제1컷오프스위치A,B(11,21)를 온시키고 이어서 제2컷오프스위치A,B(12,22)를 온시켜, 변전소로부터 인입된 특고압을 각각의 제1,2변압기(10,20)에서 저압으로 변압시켜 부하 또는 수용가측으로 공급한다.

이때, 본 고안의 병렬운전제어시스템을 병렬운전모드로 유지하기 위해 타이브레이커(30)를 온시킨다.

상기 제1,2변압기(10,20)에 의해 변압되어 부하측으로 인가되는 병렬운전 변압기의 전압 전류는 검출부(40)에서 검출되어 연산제어부(50)에 제공된다.

이에 앞서, 연산제어부(50)는 데이터 입력수단을 통하여 입력된 각 변압기의 부하손 데이터와 무부하손 데이터를 이용하여 부하율을 산출하여 가지게 된다.

따라서, 연산제어부(50)는 검출부(40)에 의한 부하전류 값으로부터 현재의 부하상태를 산출하고 이를 앞서 계산한 부하율(x)에 대비하는 것으로 부하율 : x ≤Pi/2Pc 에 이르렀는지 여부를 판단한다.

그 결과 부하율 : x ≤Pi/2Pc 의 조건을 충족하면 제1,2변압기(10,20)를 현재의 상태대로 병렬운전모드로 유지하고, 이 상태에서 타이브레이커(30)의 작동으로 부하는 풀모드로 전환되고, 상기 타이브레이커(30)의 작동이 없으면 서브로드 상태로 유지된다. 이때의 타이브레이커의 작동확인신호, 즉 상태신호는 UART(100)를 통해 연산제어부(50)에 전송된다.

그러나 위와는 달리, 부하율 : x ≤Pi/2Pc 조건을 충족하지 못하면 연산제어부(50)는 제1,2컷오프스위치B(21,22) 또는 제1,2컷오프스위치A(11,12)를 오프시키기 위한 제어신호를 생성하여 릴레이드라이버(60)로 출력하므로서, 상기 제1,2컷오프스위치B(21,22) 또는 제1,2컷오프스위치A(11,12)는 릴레이부(70)의 각각의 릴레이접점에 의해 오프되어 제1변압기(10) 또는 제2변압기(20)중 어느 한대 만의 단독운전모드로 스위치된다.

이와 같은 변압기 단독운전모드에서 상기 타이브레이커(30)의 작동이 있으면 부하는 풀로드가되고 상기 타이브레이커의 작동이 없으면 서브로드 상태로 유지된다.

이러한 연산제어부(50)의 동작에 따른 상태별 연산처리정보는 LCD드라이버(80)를 통해 LCD(90)에 표시된다. 그 표시정보의 예로서, 타임, 트립코일의 온/오프상태, 전압, 전류, 파워, 에너지, 역률, 주파수, 부하율 등이 제공될 수 있으며, 모든 정보는 연산제어부 내의 메모리에 저장된다.

또한 상기 연산제어부(50)에 이더넷콘트롤러(120)와 LAN카드(130)를 통해 네트워크 상에서의 전력제어 및 병렬운전제어가 가능하다.

한편, 도 7a 및 도 7b는 각각 변압기 병렬운전을 위한 장치의 2변압기 일체형 패키지의 구성예로서 그 구성상의 효율적인 레이아웃을 위해, 도 7a는 제1,2변압기(10,20)를 수직방향으로 나란히 배치시킨 것이고, 도 7b는 제1,2변압기(10,20)를 수평방향으로 나란히 적층 배치시킨 것이며, 이들 변압기 간에는 아이솔레이터가 설치된 것을 나타내고 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 수전설비의 변압기를 부하율에 따라 병렬운전함으로써, 부하증가에 의한 신속한 대응 및 증설이 용이하고, 사고시 무정전으로 복전이 가능하므로 전력공급상의 신뢰성을 유지할 수 있는 특유의 효과를 가져온다.

또한 본 발명은 변압기 운전중의 보수점검의 효율성이 증대되고, 2차 차단 용량의 문제점이 줄어들게 되며, 부하율에 따른 전력손실의 최소화를 이룰 수 있다.

Claims

단일의 패키지 내에 변압기 병렬운전을 위해 수평적층배치 또는 수직병립배치된 제1,2변압기(10,20)와, 상기 제1,2변압기의 전단 및 후단에 각각 설치되는 제1,2컷오프스위치A(11,12) 및 제1,2컷오프스위치B(21,22)와, 상기 제1,2컷오프스위치B에 의해 선택된 변압기와 부하 사이에 설치되는 타이브레이커(30)와, 부하전류전압을 검출하는 검출부(40)와, 상기 부하 검출부에 의해 검출된 부하전류 값과 제1,2변압기의 무부하손(Pi) 및 부하손(Pc)데이터로부터 단독운전과 병렬운전간의 최소 전력손실 경계에 해당하는 부하율(x)에 도달하면 상기 제1,2변압기를 병렬운전회로로 전환하고 부하율(x)이 상기 경계 값에 이르지 못한 상태이면 상기 변압기를 단독운전회로로 각각 전환하기 위한 신호를 생성하여 상기 제1,2컷오프스위치A,B(11,12,21,22)에 온/오프 제어신호로 내보내는 연산제어부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하율 특성을 이용한 변압기의 병렬운전장치.
하나의 패키지 내에 일체형으로 병렬 설치되는 제1,2변압기(10,20)와, 상기 제1,2변압기의 전단 및 후단에 각각 설치되는 트립코일을 가지는 제1,2컷오프스위치A(11,12) 및 제1,2컷오프스위치B(21,22)와, 상기 제2컷오프스위치A,B(12,22)의 후단에 설치되어 부하측에 대한 변압기의 병렬운전 또는 단일운전을 선택하고 그 선택신호를 발생하는 타이브레이커(30)와, 부하 출력라인 상에 설치되어 부하전류및 전압하여 디지털신호로 변환하는 검출부(40)와, 상기 검출부에 의해 검출된 부하 전류 및 전압 검출 값을 연산처리하여 전력관련 계측을 수행하는 것으로 제1,2컷오프스위치A,B 및 타이브레이커용 트립제어신호를 발생하고 이들 컷오프스위치 및 타이브레이커의 작동신호를 입력 처리하는 연산제어부(50)와, 상기 연산제어부의 부하제어출력에 따라 상기 제1,2컷오프스위치A,B 제어용 접점신호를 발생하는 릴레이부(70)와, 상기 연산제어부의 표시제어출력에 따라 부하상태정보 및 전력제어상태정보를 출력하는 LCD(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하율 특성을 이용한 변압기의 병렬 운전 제어시스템.
제2항에 있어서, 상기 검출부(40)는 전류트랜스와 전압트랜스와 ADC를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하율 특성을 이용한 변압기의 병렬 운전 제어시스템.
제2항에 있어서, 상기 연산제어부(50)는 검출부에 의해 검출된 부하전류 값과 제1,2변압기의 무부하손(Pi) 및 부하손(Pc)데이터로부터 단독운전과 병렬운전간의 최소 전력손실 경계에 해당하는 부하율(x)에 도달하면 상기 제1,2변압기를 병렬운전회로로 전환하고 부하율(x)이 상기 경계 값에 이르지 못한 상태이면 상기 변압기를 단독운전회로로 각각 전환하기 위한 신호를 생성하되, 상기 부하율(x)에 의한 병렬운전의 경계값은 ⅹ≥의 값인 것을 특징으로 하는 부하율 특성을 이용한 변압기의 병렬운전제어 시스템.