KR200434435Y1 - 전력케이블 콘덴서 성분을 이용한 가스 절연 개폐장치의차단기 동작시간차 측정장치 - Google Patents

전력케이블 콘덴서 성분을 이용한 가스 절연 개폐장치의차단기 동작시간차 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 전력설비에서 일선지락 등의 전력설비 사고를 차단하여 사고파급을 방지하는 차단기의 시험방법과 장치에 관한 것이다. 현재 차단기는 정기적으로 점검을 행하고 있다. 3상 차단기의 점검항목 중 가장 중요하게 다루어지는 항목은 투입시와 차단시에 A, B, C상이 동시에 전기적인 동작이 이루어지는가를 확인하는 동작시간차 시험이다. 현재는 사선상태(무압상태)에서 직류전압을 각상의 접점에 인가하여 차단기를 동작시키고 투입과 차단시의 각상의 시간을 측정하여 동작시간차를 측정한다.
최근에 변전설비가 GIS(Gas Insulation Switchgear) 시스템으로 발전되면서 차단기가 GIS 탱크 속에서 운전되고 있기 때문에 외부의 접점에 직류전압을 인가하는 기존의 방법으로는 동작시간차 측정이 곤란하게 되었다. 이에 본 고안에서는 GIS 차단기의 한쪽 접점이 케이블로 연결되어 있다는 사실에 착안하고, 케이블의 심선과 시스사이에 존재하는 콘덴서 성분을 이용하여 케이블 시스와 케이블 심선 사이에 고주파 전압을 인가하고 콘덴서 성분을 통해 심선으로 신호가 전달될 수 있도록 폐 회로를 형성하여 GIS 차단기 동작시간차를 측정하는 방법과 장치를 고안하였다.

Description

전력케이블 콘덴서 성분을 이용한 가스 절연 개폐장치의 차단기 동작시간차 측정장치 { GIS CB Operation Timing Difference Measurment System using the Capacitance of Power Cable }
도 1은 종래에 사용하는 3상 차단기(CB, Circuit Breaker)의 전기적 설명이다.
도 2는 상기 도 1에서 3 상중 한 상의 구조를 좀 더 명확히 하기 위해 도시한 그림이다.
도 3은 종래 3상 차단기의 동작시간차 시험을 위한 도면이다.
도 4는 종래의 차단기가 아닌 GIS(Gas Insulation Switchgear) 시스템과 GIS 차단기(40)의 구조를 나타내고 있다.
도 5는 GIS 차단기(40)를 대상으로 하고, 본 고안에서 제안하는 방법으로 동작시간차를 측정하기 위한 개념도이다.
도 6은 케이블의 구조와 전기적 등가 회로에 대한 도식이다.
도 7은 본 고안에서 제안한 방법으로 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정하는 측정 장치를 설명하고 있다.
도 8은 본 고안에서 제안하는 방법으로 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정하는 GIS 차단기 동작시간차 측정장치(59)를 구성하는 한 요소인 주처리장치(MPU) 의 내부 프로그램을 설명하고 있다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
11. 차단기 한 상(single phase)의 전기기호
12. 차단기(CB: Circuit Breaker): 차단기 기호
13. 차단기의 전기적 요소 중 하나인 가동자
14. 차단기의 전기적 요소 중 하나인 고정자
15. 차단기 접점
21. 가동자 제어기: 가동자를 사용자의 지령에 따라 움직이게 하는 기계장치
22. 차단기 내부 도체
23. 절연애자: 기존 차단기 내부의 전기적 회로와 외부의 전기적 회로를 연결하면서 지지하는 절연지지물
24. 단자대: 기존 차단기의 내부와 외부를 연결할 수 있는 전기적 연결 장치
25. 기존 차단기 절연체: 기존 차단기 내부의 절연 담당
26. 차단기 외함: 차단기 외부와 내부 사이에 공기의 출입을 방지하고 차단기 내부의 밀폐를 책임져서 내부의 절연이 확보되는 차단기 외함
30. 기존의 차단기 동작시간차 측정 장치
31. 직류전압원: 기존의 차단기 동작시간차를 측정하기 위한 직류 전압원
32. 차단기의 차단동작(open 혹은 trip 동작): 보호계전기나 혹은 사용자가 차단기의 차단동작을 명령할 때 조작기구에 의해 회로가 전기적으로 끊어지는 동작
33. 차단기의 투입동작(close 동작) 보호계전기나 혹은 사용자가 차단기의 투입 동작을 명령할 때 조작기구에 의해 회로가 전기적으로 연결되는 동작
34. 저항: GIS 차단기의 동작시 각상에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항
34-a 저항: GIS 차단기의 동작시 A상에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항
34-b 저항: GIS 차단기의 동작시 B상에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항
34-c 저항: GIS 차단기의 동작시 C상에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항
35. 차단기 A상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
36. 차단기 B상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
37. 차단기 C상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
38. 투입상태의 동작시간차: 가장 먼저 투입된 상(phase)과 가장 늦게 투입된 상(phase)과의 시간차
39. 차단상태의 동작시간차: 가장 먼저 차단된 상(phase)과 가장 늦게 차단된 상(phase)과의 시간차
40. GIS 차단기: GIS 외함 속에 내장된 GIS 시스템의 차단기
41. GIS 외함: GIS(Gas Insulated Switchgear)의 도체 및 차단기와 같은 스위치류를 절연가스로 채워진 상태로 내장하기 위한 용기(외피)
42. 부스바(bus bar): GIS 시스템의 A, B, C 각상의 내부도체
43. ES(Earth Switch) 접지스위치: GIS(Gas Insulated Switchgear) 장치를 점검하거나 수리할 때 안전을 위해 각상의 부스바를 접지시킬 수 있는 스위치
44. 접지스위치 외부단자: 접지와 연결하기 위한 단자
45. 케이블 헤드(Cable Head): GIS내부의 전력을 외부의 전력 케이블선로로 전달하기 위한 전기적 장치
46. 시스 접지단자: 전력 케이블 시스( Power Cable Sheath)를 접지와 연결하기 위한 단자
47. 전력케이블( Power Cable ): 전력을 공급하는 선로
48. GIS 차단기의 1차측 고정자 단자
49. GIS 차단기의 2차측 고정자 단자
51. 고주파 전압원: 본 고안에서 제안한 GIS 차단기 동작시간차를 측정하기 위한 고주파 전압 공급 장치
52. GIS 차단기 A상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
53. GIS 차단기 B상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
54. GIS 차단기 C상의 차단과 투입을 측정하기 위한 측정단자
55. GIS 차단기의 투입 동작시간차: 가장 먼저 투입된 상(phase)과 가장 늦게 투입된 상(phase)과의 시간차
56. GIS 차단기의 차단 동작시간차: 가장 먼저 차단된 상(phase)과 가장 늦게 차단된 상(phase)과의 시간차
57. 본 고안에서 제안한 GIS 차단기 동작시간차 측정 전압
58. GIS 차단기 동작시간차 측정 전압의 시간축 확대 전압
59. GIS 차단기 동작시간차 측정장치
61. 케이블 심선: 전력 전달 도체
62. 전력 케이블 절연체: 고전압이 인가되는 도체와 영전위인 시스사이의 절연을 확보하는 절연체
63. 전력케이블 시스(Sheath): 전력케이블의 영전위를 확보하고 접지회로를 구성할 수 있는 도체
64. 전력케이블 외장: 안전을 위한 절연체
65. 등가저항 : 전력케이블의 전기적 등가회로에서 케이블 심선과 시스사이의 전기적 등가 저항
66. 등가 콘덴서: 전력케이블의 전기적 등가회로에서 케이블 심선과 시스사이의 전기적 등가 콘덴서
71. ES(Earth Switch) 연결단자 : 본 고안에서 제안한 GIS 차단기 동작시간차 측정장치(59)에서 ES(Earth Switch)의 외부단자(44)와 연결하기 위한 연결단자
72. C상 케이블 시스 연결단자: 본 고안에서의 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)와 C상 케이블 시스를 연결하기 위한 단자
73. B상 케이블 시스 연결단자: 본 고안에서의 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)와 B상 케이블 시스를 연결하기 위한 단자
74. A상 케이블 시스 연결단자: 본 고안에서의 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)와 A상 케이블 시스를 연결하기 위한 단자
75. 주처리장치(MPU: Main Processing Unit): GIS 차단기 동작시간차 측정 장치로 측정된 데이터를 분석하고 처리하는 장치
76. 표시장치: GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)를 이용하여 측정된 측정값과 알람등을 표시하기 위한 장치
77. 제어장치: 조작자가 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)의 기능을 조작하기 위한 버튼들로 구성되어 있는 장치
81. Start(Program Subroutine): GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)의 주처리장치(MPU: Main Processing Unit)가 처리하는 처리부분 중의 하나로서 제어장치(77)에서 신호를 받아 처리를 시작하는 Subroutine
82. Auto Frequency Selection: GIS 차단기와 전력케이블의 종류에 따라 작용하는 콘덴서(66) 성분이 다를 수 있으므로 전압 신호가 잘 전달되어 측정이 용이하도록 주파수를 조정하는 Program Subroutine
83. Voltage Output: Auto Frequency Selection(82) Subroutine 에서 결정된 주파수로 전압을 송출하는 Program Subroutine
84. Measuring Voltage: GIS 차단기 동작시간차 측정장치(59)를 이용하여 GIS 차단기의 동작시간차를 측정할 때 케이블 시스와 케이블 심선간에 고주파 전압원(51)에 의해 전압이 인가된 상태에서 차단기가 투입, 차단동작을 하면 장치의 저항(34-a, 34-b, 34-c)에 걸리는 전압을 이산화(A/D)하여 측정하는 Program Subroutine
85. Calculating Gap Time: Measuring Voltage Subroutine에서 측정된 전압(52,53,54)으로 동작시간차를 계산하는 Program Subroutine
86. Display: Calculating Gap Time Subroutine에서 계산된 결과를 표시장치(76)로 전달하여 사용자에게 동작시간차(55, 56)를 알려주는 Program Subroutine
87. Retry: 사용자로부터 재시도 명령을 기다리는 Program Subroutine
88. End: 장치를 안전하게 종료하는 Program Subroutine
본 고안은 전력계통에서 사용하고, 전력계통에서 발생하는 사고구간을 분리하는데 가장 중요한 역할을 하는 차단기(CB)의 점검 방법 중 하나인 차단기 접점(15) 동작시간차(이하 "동작시간차")를 측정하는 새로운 방법에 대한 것으로서, 최근에 전력계통의 차단기 구조가 새로운 변전소 시스템인 GIS(Gas Insulated Switchgear)시스템 도입으로 변경되면서, 동작시간차를 측정하는데 필수적인 기존 차단기(도 2)의 단자대(24)가 더 이상 독립적으로 존재하지 않게 됨으로서 기존의 차단기 점검방법 중의 하나인 상간의 동작(투입동작 차단동작) 시간차(동작시간차, 38, 39)를 기존의 동작시간차 측정방법(도 3)을 이용하여 측정할 수 없게 되었다.
차단기(CB)는 전력계통에 사용되는 스위치(Switch)로서 부하전류나 고장전류를 끊을 수 있는 능력을 갖는다. 가장 중요한 역할로는 고장 구간의 양단에 설치된 차단기가 차단동작을 이루면서 고장구간을 전력계통에서 분리하는 역할을 수행한다. 또한 인위적으로 부하를 절체(絶體) 할 때 투입동작(33)과 차단동작(32)이 일어난다.
이러한 3상의 차단기가 차단동작(32, Trip, open)과 투입동작(33, close)이 일어날 때 A, B, C의 각 상이 동시에 전기적으로 동작하면 가장 이상적이지만 차단 기의 전기적 특성상 혹은 기계적 특성상 동시에 차단동작과 투입동작이 일어나지 않는다. 3상 차단기가 차단동작과 투입동작을 일으킬 때 가장 먼저 전기적으로 동작한 상의 시간과 가장 최후에 전기적으로 동작한 상의 동작시간과의 차를 동작시간차(time difference, gap time)라고 한다. 차단기의 접점(15) 등이 마모되거나 기계적으로 열화되는 경우 동작시간차가 증가한다. 이러한 현상 때문에 차단기 점검항목 중에 반드시 동작시간차 시험에 들어 있으며 허용 동작시간차를 규정하고 있다.
3상 차단기의 경우 이렇게 규정된 동작시간차 이내에 동작을 하고 있는가를 늘 점검하고 관측할 필요성이 있다.
이러한 3상 차단기의 동작시간차 측정은 사선상태(무전압상태), 즉 계통에서 차단기를 분리한 상태에서 3상 단자대(24)에 직류전압원(31, DC voltage source)을 인가하여 동작시간차(38, 39)를 구한다(도 3). 3상의 단자대(24)에 직류전압을 인가하고 외부에 저항(도 3의 34)을 연결하여 차단기의 접점(투입동작(33), 차단동작(32))을 동작시키고 저항(도 3의 34)의 양단에서 각상의 전압(35, 36,37)을 측정하면 도 3의 기존의 차단기 동작시간차 Time chart를 얻을 수 있다.
동작시간차 측정은 도 3에서 알 수 있듯이 투입동작(33)의 경우, 가장 먼저 동작한 상과 가장 최후에 동작한 상의 시간차(38)를 측정하는 것을 의미하고, 차단(32)동작의 경우에도 가장 먼저 차단된 상과 가장 최후에 차단된 상과의 시간차(39)를 계산하여 동작시간차를 측정 할 수 있다. 이러한 동작시간차(38, 39)의 측정은 차단기의 성능을 점검하는 방법으로 차단기 점검 중 매우 중요한 요소이다. 동작시간차가 발생하게 되면 동작시간차가 존재하는 시간 동안 3상 불평형이 커져 계통상으로 전력의 유동현상을 발생시키거나 혹은 절연사고나 계통사고와 같은 악영향을 계통에 미치므로 계통 운전상 악조건에 해당한다.
최근에 변전소 시스템이 가공 전선 시스템에서 GIS 시스템(도 4)으로 바뀌면서 종래의 차단기 동작시간차 측정방법(도 3)의 적용이 불가능하게 되었다. 가공 전선 시스템과는 달리 GIS시스템에서는 각 상의 단자대(24)가 독립적으로 외부로 인출되어 있지 않아 기존의 측정 방법으로는 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정 할 수 없다. 기본적으로 GIS에서 인출은 대부분 전력 케이블(47)로 연결되어 단자대(24)의 모습을 찾아 볼 수 없기 때문이다. 물론 전력 케이블(47)을 분리하면 측정이 가능하지만 전력케이블을 케이블 해드(45)에서 분리하는 작업의 악영향은 절연사고와 고장확률을 증가하는 요인으로 작용 할 수 있기 때문에 현재의 변전소 시스템에서는 행하지 않고 있고, 행하지 않는 것이 원칙이다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 고안의 목적은 변전소가 GIS(Gas Insulation Switchgear) 시스템으로 구성되어 있고, 기존 차단기의 인출이 절연애자(23)를 동반하여 외부로 노출된 단자대(24)로 구성된 반면, GIS 시스템의 차단기는 케이블 해드(45)와 전력 케이블(47) 그리고 부스바(42)와 연결된 ES 접지스위치(43)로 구성되어 외부로 노출된 단자대(24)가 존재하지 않는 GIS시스템의 GIS 차단기(40)를 대상으로 한 동작시간차 시험방법(도 5)과 GIS 차단 기(40) 동작시간차 측정 장치(59)에 관한 것으로, 전력 케이블(47)을 케이블 해드(45)에서 분리하지 않고 3상 GIS 차단기(40)의 동작시간차(55, 56)를 측정할 수 있는 방법과 장치이다. 차단기 3상의 동작시간차를 측정하기 위해서는 차단기 접점(15)을 포함하여 폐회로가 성립되어야 가능하다. 도 5와 같이 회로를 연결하면 겉으로 보기에는 폐회로가 형성되지 않는 것처럼 보이지만 고주파 전압원(51)의 주파수를 높이면 전력 케이블(47)의 시스 접지단자(46)와 케이블 심선(61)사이에 존재하는 콘덴서(66) 성분 때문에 고주파 폐회로가 성립된다. 전력 케이블 시스(63)와 시스 접지단자(46)는 전선으로 연결되어 전기적으로 같은 점(node)이다. 고주파 전압원을 이용하여 폐회로를 구성하는 방식은 케이블 시스와 케이블 심선사이에 존재하는 콘덴서(66) 성분이 주파수가 높아질수록 임피던스가 작아지기 때문이다. 즉,
Figure 112006053965109-utm00001
의 성질 때문이다. 여기서
Figure 112006053965109-utm00002
는 각주파수 이고
Figure 112006053965109-utm00003
는 벡터를 나타내는 복소수 기호이다. 고주파 전압원의 주파수를 높이면 다음과 같은 순서대로 차단기 접점(15)을 포함한 폐회로가 형성된다. 폐회로 순서는 고주파 전압원(51) - 측정을 위한 저항(도 5의 34-a, 34-b, 34-c) - 케이블 시스 접지단자(46) - 케이블 심선(61)과 전력 케이블 시스(63)사이의 콘덴서(66) - 차단기 접점(도5의 Aφ1과 Aφ2) - 접지스위치(43) - 접지스위치 외부단자(44) - 고주파 전압원(51)이다. 콘덴서는 직류에서는 개방(open, 저항∞)된 회로로 작용하므로 직류전원을 사용하는 기존의 차단기 동작시간차 측정방법은 적용할 수 없다. 또한 저주파나 상용주파수(60Hz)를 사용하는 경우에도 기존의 측정방법으로는 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정할 수 없다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 구성은
첫째, 차단기를 포함한 GIS(Gas Insulation Switchgear)가 도 5와 같이 전력 케이블(47)과 접지스위치(43)를 포함하는 구조에서 동작시간차를 측정하기 위한 폐회로를 고주파 전압원(51) - 측정을 위한 저항(도 5의 34-a, 34-b, 34-c) - 케이블 시스 접지단자(46) - 케이블 심선(61)과 전력 케이블 시스(63)사이의 콘덴서(66) - 차단기 접점(도5의 Aφ1과 Aφ2) - 접지스위치(43) - 접지스위치 외부단자(44) - 고주파 전압원(51)으로 구성된다.
둘째, GIS 3상 차단기(40)의 동작시간차 시험이 가능하도록 하는 폐회로를 차단기 접점(15)과 전력케이블(47)의 콘덴서(66) 성분이 포함하도록 구성하고, 이 회로가 정상적인 폐회로(close loop)가 될 수 있도록 하기 위한 역할을 하는 고주파 전압원(51)으로 구성된다. 이 고주파 전압원(51)은 도 5에서 구성한 폐회로의 한 요소로 케이블의 콘덴서(66) 성분에 따라 전압원의 고주파 신호가 최적화 될 수 있도록 고주파를 자동으로 가변 할 수 있는 기능을 가지고 있다. 또한 이러한 주파수 조절기능은 장치의 주처리장치(75, MPU)에서 소프트웨어적으로 처리 가능한 구조이다.
셋째, 고주파 전압원(51)과 3개의 저항(도 5의 34)을 연결하고 각각의 저항은 A, B, C상의 케이블 시스단자(46)와 연결할 수 있도록 본 장치(59)에는 인출 단자(72, 73, 74)가 마련되어 있다. 또한 GIS에 존재하는 접지스위치 외부단자(44)와 본 장치(59)의 고주파 전압원(51)의 한 쪽과 연결할 수 있는 연결단자(71)로 구성 되어 있다.
넷째, 장치(59)의 내부에 각상의 전류의 흐름을 측정하기 위해 구성된 저항(도 7의 34)의 양단 전압은 디지털화되어 주처리장치(75)에 입력된다. 그러므로 차단기의 동작에 의한 전류의 흐름이 주처리장치(75)에 전달되고, 이 정보에 의해 동작시간차55, 56)가 계산된다.
다섯째, 본 GIS 차단기 동작시간차 측정장치(59) 내에 사용자에게 측정한 동작시간차(55, 56) 정보를 전달하는 표시장치(76)와 사용가가 측정을 요구할 때 사용하는 조작키를 포함하는 제어장치(77)로 구성
여섯째, 본 GIS 차단기 동작시간차 측정장치(59)의 주처리장치(75)는 전체의 측정시스템을 제어하고 통제한다. 또한 측정알고리즘을 포함한다. 주처리장치(75)는 외부에서 사용자가 제어장치를 통해 측정을 요구하면 측정을 시작한다(81). 주처리장치(75)는 측정하기 가장 좋은 주파수를 선택하고 고주파 전압원을 이용하여 최적의 고주파 전압파형을 외부로 송출한다(83). 송출된 고주파 전압파형에 의해 케이블 시스와 케이블 심선 사이에 구성된 폐회로에 전류가 흐르게 되고 이때 각상에 흐르는 전류를 저항(도7의 34)을 이용하여 전압으로 변환하고 주처리장치(75)로 읽어 들인다(84). 주처리장치가 읽은 각상의 전압 정보를 가지고 동작시간차(55, 56)를 계산한다(85). 계산한 동작시간차를 표시장치(76)를 이용하여 사용자에게 전달한다(86). 또한, 사용자에게 재측정을 물어보고 재측정 여부를 결정한다(87). 측정 종료가 결정되면 종료한다(88).
본 고안을 위한 그림은 도 1에서 도 8까지 구성되어 있다.
도 1은 종래에 사용하는 3상 차단기(CB, Circuit Breaker)의 전기적 설명이다. 3상 차단기(12)는 3상을 전기적으로 회로를 끊고 연결하는 작용을 하는 전기기기이다. 구조적으로 크게 고정자(14)와 가동자(13)로 구성되어 있다. 가동자(13)는 스프링, 가스압력, 솔레노이등의 기구에 의해 짧은 순간에 움직여 고정자(14)에 전기적으로 연결 혹은 투입(close) 그리고 다른 또 하나의 동작인 차단(open, trip)을 하게 된다.
도 2는 상기 도 1에서 3상중 한상의 구조를 좀 더 명확히 하기 위해 도시한 그림이다. 종래의 차단기는 외함(26) 내부에 차단기의 가동자(13)와 고정자(14)가 내장되어 있다. 또한 차단기 접점(15)도 차단기 외함(26)에 부착되어 있다. 차단기 외함(26)과 외부의 연결은 절연애자(23)에 의해 절연되어 연결된다. 애자의 끝에는 1상당 2개씩 단자대(24)가 연결되어 있어 여기에 외부의 회로를 연결할 수 있다. 그러므로 종래 3상 차단기의 경우 6개의 절연애자(23)가 존재하며 차단기 가동자(13)는 가동자 제어기(21)에 의해 차단(trip, open)동작과 투입(close)동작을 하게 된다.
도 3은 종래 3상 차단기의 동작시간차 시험을 위한 도면이다. 절연 애자장치로 연결된 6개의 단자대(24)를 이용하여 도 3처럼 연결한다. 각상의 접점(Aφ1, Aφ2, Bφ1, Bφ2, Cφ1, Cφ2)에 직류(DC) 전압을 인가하여 가동자 제어기(21)에 의해 차단동작(32)과 투입동작(33)을 시키면, 투입동작(33)에서는 각상에 연결된 저항(34)에 직류 전압이 측정된다. 반면에 차단동작(32)에서는 전압이 측정되지 않 는다. 여기서 투입동작(33)에서의 동작시간차는 가장 먼저 투입된 상(도 3의 C상)과 가장 나중에 투입된 상(도 3의 B상)의 시간차이고, 차단동작(32)에서의 동작시간차는 가장 먼저 차단된 상(도 3의 B상)과 가장 나중에 차단된 상(도 3의 A상)의 시간차이다.
도 4는 종래의 차단기가 아닌 GIS시스템과 GIS 차단기(40)의 구조를 나타내고 있다. 이해의 편의성을 위해 3상중 한 상(sing phase)만을 예를 들어 설명한다. 가동자(13)와 고정자(14)가 가동자 제어기(21)에 의해 조작되는 것은 기존의 차단기(도 2)와 같으나 절연애자(23)가 없는 것이 특징이다. 절연애자(23) 대신 한쪽의 접점(도 4의 Aφ1)은 케이블 해드(45)를 통해 전력 케이블(47)과 연결되어 GIS 외부와 연결되어 있고, 다른 한쪽의 접점(도 4의 Aφ2)은 A상 부스바(42, BUS bar)에 연결되어 있다. 기본적으로 GIS 시스템은 부스바와 차단부가 내장되는 시스템이다. 그리고 점검시의 안전을 고려한 ES 접지스위치(43, ES: Earth Switch)가 있다. 이러한 GIS 차단기(40)의 구조에서는 절연애자(23)의 단자대(24)와 연결하여 측정하는 방식을 사용하고 있는 기존의 동작시간차 측정시스템을 적용할 수 없다. 왜냐하면 접점(15)의 양쪽을 연결하려면 전력 케이블(47)을 분리하여야 하는데 케이블 접속부를 분리하면 이 부분에서 절연의 취약점이 생겨 사고의 위험성이 커져 현실적으로 케이블을 분리하지 않기 때문이다. 그렇기 때문에 케이블을 분리하지 않는 한 기존의 동작시간차 측정방법을 GIS 차단기(40) 동작시간차 시험에 적용할 수 없는 것이다.
도 5는 GIS 차단기(40)를 대상으로 하고, 본 고안에서 제안하는 방법으로 동 작시간차를 측정하기 위한 개념도이다. GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정하고자 하는 차단기 접점 2점(도 5의 Aφ1과 Aφ2)을 포함하는 폐회로를 구성하기 위해 GIS 내부의 ES 접지스위치(43, ES)를 닫고 외부에 접지스위치 외부단자(44)를 도선으로 연결한다. 케이블 해드(45)에는 전력케이블 시스(63)와 연결된 시스 접지단자(46)가 존재하고 있는데 이 시스 접지단자(46)를 동작시간차 측정 장치의 외부단자(74)와 연결한다. 그리고 외부단자(74)와 측정 장치의 저항(34)를 연결한 후 이를 고주파 전압원(51)에 연결한다. 이와 같이 GIS 차단기(40)와 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치를 구성하면 케이블 시스와 케이블 심선 사이에 존재하는 콘덴서(66) 성분 때문에 고주파 신호가 통과하게 되고 전류가 잘 흐르는 전기적 폐회로가 형성된다. 위와 같은 방법으로 측정된 동작시간차는 도 5의 GIS 차단기 동작시간차 Time Chart와 같다. 따라서 본 고안에서 제안한 방법을 도입하면 차단기 동작시간차(55, 56)를 측정함에 있어서 기존의 차단기 측정시스템(도 3)과 동일한 방법으로 동작시간차를 측정할 수 있다.
도 6은 케이블의 구조와 전기적 등가회로에 대한 도식이다. 케이블은 중심에 전력을 전달하는 케이블 심선(61)이 있고, 케이블 심선 외층에 절연체(62)가 있다. 절연체 외층에는 케이블 시스(63)라고 하는 도체가 존재하는데 이는 접지회로와 연결된다. 시스회로 외층에 케이블 외장(64)이라고 불리는 안전을 위한 보호층이 있다. 이러한 케이블 심선(61)과 케이블 시스(63)사이에 존재하는 절연체(62)가 전기적으로 저항(65)과 콘덴서(66)의 병렬회로로 등가화 된다. 일반적으로 저항(65)은 매우 큰 값이고, 콘덴서(66)는 매우 작은 값이다.
도 7은 본 고안에서 제안한 방법으로 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정하는 측정 장치를 설명하고 있다. GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)는 외부의 GIS 시스템과 연결하기 위한 단자( 71, 72, 73,74)와, 고주파 전압원(51)과, 주처리장치(75)와, 표시장치(76)와 제어장치(77)로 구성되어 있다.
도 8은 본 고안에서 제안하는 방법으로 GIS 차단기(40)의 동작시간차를 측정하는 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)를 구성하는 한 요소인 주처리장치(75)의 내부 프로그램을 설명하고 있다.
본 고안의 효과는 다음과 같다.
첫째, 전력계통의 변전소에서 사용하는 기존 3상 차단기의 구조(도 2)는 각상의 접점(15)이 절연애자(23)와 단자대(24)로 연결되어 외부로 인출되는 방식에서 GIS(Gas Insulation Switchgear) 차단기(40)의 형태, 즉 차단기의 한쪽 접점(15)은 전력 케이블에 연결되고, 다른 쪽은 GIS 내부의 부스바(42)에 연결되는 구조로 변경되어 외부로 인출할 수 없는 방식으로 변경됨에 따라 기존의 동작시간차 측정방법(도 3)을 사용한 동작시간차 측정이 불가능하게 되었다. 이에 본 고안에서는 전력케이블을 제거하지 않은 상태에서 전력 케이블의 시스와 케이블의 심선사이에 존재하는 콘덴서(66) 성분을 이용하여 폐회로를 형성하고 고주파 전압원(51)을 이용하여 케이블 시스와 케이블 심선에 고주파 전압을 인가하여 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치의 내부 저항 양단에 걸리는 전압을 측정하여 그림 도 5와 같이 GIS 3상 차단기의 동작시간차(55, 56)의 측정을 가능하게 하였다.
둘째, GIS 차단기(40)가 각 제조사마다 조금씩 다른 전기적 특성이 있고, 전력케이블(47)에 존재하는 콘덴서(66) 값도 제조사와 사용전압에 따라 조금씩 다르다. 이러한 점을 감안하여 본 고안에 의한 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치(59)는 가장 감도가 좋은 고주파를 찾는 기능을 포함하고 있어 차단기의 종류와 전력케이블의 콘덴서(66)가 다소 다르더라도 도 5와 같은 GIS 구조를 갖는 경우에 차단기 동작시간차의 측정이 가능한 기능을 갖는다.

Claims (4)

  1. GIS(Gas Insulation Switchgear) 차단기(40) 접점들의 동작시간차를 측정하기 위한 GIS 차단기 동작시간차 측정장치에 있어서
    각상의 전력케이블 내부의 케이블 시스(63)와 전기적으로 연결되어 있는 시스 접지단자(46)와 접지스위치 외부단자(44)간에 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압원(51)과,
    상기 고주파 전압원(51)과 시스 접지단자(46)간 또는 접지스위치 외부단자(44)간에 직렬로 연결되는 측정 소자와,
    상기 측정소자에 흐르는 전류와 양단에 걸리는 전압을 측정 분석하고 GIS 차단기의 가동자(13)를 동작시키는 가동자 제어기(21)에 명령을 하달하는 주처리장치를 포함하는 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치
  2. 상기 제 1 항에서 고주파 전압원에 의한 시험용 고주파 전압은 10kHz - 20kHz 인 것을 특징으로 하는 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치
  3. 상기 제 1 항에서 측정소자는 저항을 이용하는 것을 특징으로 하는 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치
  4. 상기 제 1 항에서 고주파 전압원으로부터 송출되는 전압의 주파수를 결정함에 있어 각 상의 측정소자 양단에 걸리는 전압(VA, VB, VC)의 주파수를 10kHz - 20kHz 사이에서 가변하면서 측정하고 전압의 크기가 가장 큰 주파수를 찾아 고주파 전압을 송출하는 GIS 차단기 동작시간차 측정 장치
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