KR20050095270A - 유효전력을 이용한 전력용 콘덴서 상시진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력계통에서 유효전력의 비율을 표시하는 역률을 개선하고 계통전압을 안정화시키는데 이용되는 전력용 콘덴서의 열화정도를 판별하고자 하는 목적으로 고안된 전력용 콘덴서(이하 SC Bank) 상시 진단방법 및 장치이다.

SC Bank는 전력계통에서 전압변동을 최소화하여 양질의 전력을 공급하기 위한 전압조정장치의 일종으로 무효전력만을 생산하는 전력 기기이다.

정상적인 동작이 이루어질 경우 콘덴서 뱅크의 전압과 전류사이의 유효전력분은 이상적으로는 '0'이고 실제로도 매우 적은값이다. 따라서 인가전압과 전류에 의하여 계산되어진 유효전력의 수치는 거의 0에 가깝게 나타나게 된다. 무효전력만을 공급하는 SC Bank에서 유효전력이 발생되었다는 것은 SC Bank내에 문제가 있다는 것을 의미한다. 따라서 SC Bank의 유효전력을 측정함으로서 SC Bank의 문제점을 찾아내고 열화정도를 판단하고자 함이 본 발명의 목적이다.

Description

유효전력을 이용한 전력용 콘덴서 상시진단 방법{omitted}

전력용 콘덴서(이하 SC Bank, 8)의 성질상 콘덴서(4)와 리액터(3)가 직렬로 연결된 회로에서는 반드시 내부적으로 공진현상이 존재하고 이러한 공진현상이 일어나는 주파수를 공진 주파수라고 한다. 이렇게 내부에 존재하는 공진 주파수와 외부에서 가해지는 주파수가 같게 될 때 커다란 에너지의 흐름이 존재함으로서 SC Bank(8)가 파괴되는 우려가 있어 설계시 전력계통에서 존재할 수 있는 3고조파, 혹은 5고조파를 피해 내부 공진 주파수를 설계하는 것이 보통이다. 이러한 고조파가 아닌 공진 주파수를 만들어 SC Bank가 안전하게 작동하기 위해서는 각 소자를 역할에 맞게 설치하는 것이 중요하다.

리액터(3)는 콘덴서(4)가 고주파에 대해 취약한 점을 보완하고 3,5고조파를 거르는 필터의 역할을 수행하도록 하는 목적으로 설치되었다. 그러나 이 리액터(3)는 시간이 경과하면서 L값이 저하되는 특성을 갖고 있고 서지를 늘담당하고 있어 열화가 빠른 특성을 가지고 있다. 또한 L값이 저하되면서 공진주파수를 5고조파근처로 이동시켜 평상시의 동작에서 계전기를 오동작시키는 원인을 제공한다. 이러한 L값은 역률과 전압, 전류, 공진주파수를 정확히 측정함으로서 운전상태에서 L값을 구할 수 있다.

일반적으로 소자 각각의 임피던스값은 주파수와 그 소자가 가지고 있는 고유 용량으로 계산할 수 있다. 그리고 소자값에 의해 이라는 공식이 성립되고 여기서 주파수 ω 즉, 공진주파수를 구할 수 있다. 하지만 열화가 일어나고 있는 콘덴서(4)나 리액터(3)의 경우 고유 용량이 변하기 때문에 이와 같은 식의 임피던스 계산은 무의미 할 수밖에 없다. 특히 SC Bank(8)에 걸리는 전압이 매우 크기 때문에 일반적인 활선상태에서의 검사는 매우 힘들어 진다.

현재 개발되어 있는 SC Bank 진단장치는 전부 사선상태에서 콘덴서(4)와 리액터(3)를 관찰하는 방법이므로 활선상태에서 SC Bank(8) 진단이 매우 힘들다. 따라서 SC Bank(8)의 진단이 주기적으로 이루어지지 않고 일정한 기간에 SC Bank(8)를 따로 진단하거나 혹은 완전히 SC Bank(8)의 소자에 문제가 생긴후 문제가 생긴 소자를 교환하는등 SC Bank(8)의 순간 소손은 대책이 없는 것이 현실이다.

실제 SC Bank(8) 고장의 유형별로 보면 2001년 하반기에는 리액터(3) 소손이 가장 많은 것으로 나타난다. 그 원인을 보면 SC Bank(8)의 차단시 유입되는 서지가 클 경우 작동되는 피뢰기에 의해서 전압이 제단될 때 그 현상이 더 심화되어 리액터(3)의 절연이 파괴되는 현상이 나타난다. 이때 리액터(3)의 절연이 파괴되는 현상이 지속적으로 나타나기 때문에 리액터(3)의 용량이 점차 줄어들게 된다.

차단시 문제점을 보완한 후에는 새로운 문제점이 추가로 발생되었는데 그중 가장 큰 문제는 콘덴서(4) 셀이 지속적으로 소손되는 현상이 나타난다는 점이다. 또한 보완후 그 빈도는 줄었지만 리액터(3) 열화에 대한 대책이 수립되지 않고 있는 실정이다.

현재 SC Bank(8)의 운전에서 이루어지고 있는 문제점은 다음과 같다.

첫째, 한 변전소에 여러대의 SC Bank(8)를 병렬 운전하는 경우 어느 한 SC bank(8)가 투입될 때 이미 운전중인 SC bank(8)에 영향을 미친다. 보통 변전소에서는 하나의 변압기에 여러 개의 SC Bank(8)를 운영하거나 각기 다른 변압기에 변압기마다 SC Bank(8)를 운영하고 있다. 이때 정상적으로 운전하는 SC Bank(8)는 다른 SC Bank(8)의 동작에 영향을 받지 않아야 하지만 실제 이상데이터 취득시 다른 SC Bank가 투입될 때 큰 영향을 받는 것이 측정되었다(41). 이 현상은 SC Bank(8)의 차단기가 투입되었을때 생기는 공진현상으로 인해 SC Bank(8)에 주는 영향보다 더 크게 SC Bank(8)에 악영향을 끼친다.

둘째, 야간시간 등의 저부하상태에서 진상운전현상이 발생하면서 계통에 존재하는 공진주파수가 하향이동되어 5고조파 공진현상이 발생하는 현상이 나타나고 있다. 일반적으로 계통의 공진주파수는 부하에 따라 변하는데 일반적으로 계통의 전체 공진주파수는 SC Bank(8)의 공진주파수와 달리 5고조파에 가깝게 측정되고 있다. 따라서 야간의 경우 공진주파수가 평상시보다 5고조파 근처로 이동된 상태에서 이상 공진현상이 일어날 경우 SC Bank(8)에 치명적인 영향을 미치게 된다.

셋째, 투입현상(31)과 공진현상(41)은 전압과 전류가 동상이므로 유효전력에 해당한다. 이런 현상이 계속될 경우, 특히 공진현상이 자주 발생될 경우 SC Bank(8)의 콘덴서(4)나 리액터(3)가 소손될 확률이 커지고 리액터(3) 소손보다 열에 취약한 콘덴서(4)가 소손될 확률이 더 크다.

위와 같은 문제점이 있지만 SC Bank(8)의 보호용으로 설치하고 있는 보호기기(9)의 대부분은 운전 상태 자체만을 중점적으로 보고 있다. 기존 보호 계전기(9)는 OCR, OCGR, UVR, OVR, VRY등으로 모두 SC Bank(8)의 열화를 감지하는 기능이나 유효전력을 감시하고 공진현상에 대해서 관리를 하지 않고 전압이나 전류, 주파수만을 측정하기 때문에 열화에 대한 대책이 전무한 실정이다.

본 발명에서는 활선상태에서 상시 SC Bank(8)의 상태를 감시하여 갑작스러운 외부영향에 의해서 SC Bank(8)가 소손되는 것을 방지하고 기존 SC Bank(8)의 보호 계전기가 감시하지 못하는 SC Bank(8)의 열화, 유효전력, 공진현상을 감시하여 SC Bank(8)를 보호하는데 그 목적이 있다.

SC Bank(8)는 기본적으로 정상상태에서는 무효전력만을 발생한다. 만일 SC Bank(8)에 유효전력이 크게 흐른다면 SC Bank(8)에 악영향을 미치게 된다. 하지만 실측에 의하면 SC Bank에는 무효전력의 1％이하의 유효성분이 존재하지만 이 유효성분은 SC Bank의 구성요소들의 열에 의해서 발생되는 유효전력 성분이다.

소자의 절연상태가 좋지 않아 유효전력이 열로 발생할 때 열에 의하여 SC Bank(8)가 소손되는 현상이 발생된다. 이 현상은 선산변전소등 일부 변전소에서 관찰되는 현상으로 유효전력이 발생되는 주요 원인으로 관측되고 있다.

유효전력이 발생되는 다른 이유로는 SC Bank(8)의 전류경로가 정상적이지 않고 애자, 혹은 방전코일(5), CT, PT등을 통해서 흐를 때 유효전력이 발생하여 소손된다. 이 현상은 신포항 전력소등에서 나타난 현상으로 정상적인 동작을 하는 SC Bank(8)의 경우 콘덴서(4)와 리액터(3)로 정상적으로 흐르는 때에는 큰 문제가 없지만 순간적으로 다른 장치에 전류가 흐를 경우 유효전력에 의해 순간적으로 장치가 소손되는 현상이다.

유효전력이 발생되는 다른 이유는 공진현상이다.(도 7) 공진현상이 발생할 때 공진전류는 전압 전류동상으로 유효전력에 해당한다. 즉 공진현상이 발생하면 SC Bank(8)에 유효전력이 유입되기 때문에 SC Bank(8)가 소손된다.

공진현상은 크게 두 가지가 있는데 공진주파수 공진과 전체 계통의 공진 혹은 변압기와의 공진이 있다. 공진주파수의 공진은 차단기 투입시 주로 발생한다. 차단기 투입시 공진현상이 생기면 SC Bank(8)내부로 충전전류가 흐른다. 대부분 콘덴서 뱅크가 이 때의 과전압, 과전류에 대해서 견디도록 되어 있기 때문에 어느 정도 열화에 보호되고 있다.

계통공진 및 변압기와의 공진현상은 상남변전소와 간성변전소등에 나타난 현상으로 계통에서 존재하는 리액터성분과 콘덴서 성분이 SC Bank(8)와 작용하여 SC Bank(8)의 공진주파수를 변화시켜 공진되는 현상으로 이러한 현상으로 사고가 발생하고 있다.

마지막으로 SC Bank(8)의 유효전력이 발생하는 경우는 절연내력이 떨어지는 경우이다. SC Bank(8)의 구성은 L과 C의 직렬회로로 구성된다. L과 C는 전기적 등가회로는 L과 저항의 병렬구성, C 또한 저항과의 병렬회로로 등가화된다. 그런데 이때 L과 C의 병렬로 구성되는 저항은 절연내력에 해당되고 절연내력이 저하하면 저항값이 적어지므로 저항에 흐르는 전류가 증가하게 된다. 저항에 흐르는 전류는 유효성분이므로 유효전력을 증가시키게 된다.

본 발명에서는 각 상에서 인가 전압과 전류를 받아 이 두개의 연산으로 구해지는 유효전력치를 사용하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명의 구성으로 각 상의 전압과 전류를 받는 입력부(11)가 구비되어야 한다. 이 입력부(11)에서 받은 전압과 전류는 알고리즘 연산부(13)에서 디지털 처리되기 위해서 AD 변환부(12)에서 디지털 신호로 변환을 하게 된다.

알고리즘 연산부(13)에서는 인가 전압과 전류로 유효전력을 계산하여 계속적으로 유효전력 수치를 비교 분석한다. 이때 분석되는 유효전력수치가 순간적으로 높은 수치의 값이 나타나거나 공진현상등으로 유효전력이 높아지면 외부에 표시를 함과 동시에 외부제어부에서 필요에 따라서는 SC Bank의 동작을 중지하여 SC Bank의 열화를 막는다.

앞에서 언급한 SC Bank(8)의 유효전력 발생 원인을 보았을때 SC Bank(8)의 유효전력 발생이 측정되면 우선적으로 SC Bank(8)의 이상유무를 확인하거나 SC Bank(8)의 동작을 중지시킬 필요가 있다. 계통사이의 공진이나 공진현상이 생긴 뒤에 지속적으로 유효전력이 유지되는 현상이 이어질 경우(62)가 이에 해당된다.

하지만 SC Bank(8)의 차단기 투입시에는 SC Bank(8)의 자체 공진현상으로 유효전력이 발생하기 때문에 이 경우는 예외로 두어야 한다(31). 따라서 이 경우는 지속적으로 유효전력이 발생되지 않고 순간적으로 유효전력이 생성되고 점차 줄어드는 현상(32)을 이용하여 그 조건에 만족될 경우 투입시 생성되는 유효전력으로 생각하여 SC Bank(8)를 감시한다.

현재 정상적인 동작이 이루어지고 있는 SC Bank(8)의 진단을 하기 위해서 다음과 같은 특징을 갖는 SC Bank 진단방법을 적용한다.

가. 무효전력만 발생하는 SC Bank(8)의 진단에 적용

나. 공진이 발생하는 경우에도 진단이 가능하다.

다. 정상상태 운전중에도 소자값의 열화가 진행되고 있는지 알수 있다.

그에 따른 발명의 효과는 다음과 같다.

첫째, 유효전력만을 감시함으로서 SC bank(8)의 열화상태, 위험상태, 부적적한 전류경로등을 확인할 수 있다. 현시점에서 대부분의 SC Bank진단장치는 SC Bank(8)가 동작하지 않는 사선상태에서 진단이 이루어진다. 그리고 다른 상시상태 감시장치는 열화의 정도나 다른 문제점을 계측하기보다 전압과 전류의 수치를 감시하는 정도이다.

대부분의 장치들이 유효전력을 계산하더라도 그 수치에 대한 이용을 하지 못하고 있어 현 시점에서 유효전력성분만을 측정하여 진단하는 방법은 사용되지 않고 있기 때문에 SC Bank(8)가 무효전력성분만을 공급하는 특징을 이용하여 SC Bank(8)의 열화상태를 진단할 수 있다.

둘째, 간단한 장치로서 상시열화진단이 가능하다. SC Bank 진단장치(1)에 필요한 입력은 각 상의 전압과 전류만 필요로 하기 때문에 간단한 연결만으로 진단이 가능하다. 기존의 다른 조건의 장비일 경우 그 조건에 맞는 입력 부분을 주기 위해 외부의 입력을 추가로 구비해야했고 그에 따라 장비를 설치할 때마다 외부 공사를 진행하여야 했다. 하지만 본 발명은 다른 보호계전기(9)의 입력인 CT(S)와 PT(7)을 그대로 사용하므로 부가장치를 설치할 필요가 없다.

셋째. 상시 열화의 정도도 알 수 있다. 기존 SC Bank 진단장치는 SC Bank(8)가 운전중인 상태에서는 진단이 불가능했다. 하지만 본 발명으로는 항시 동작하는 인가 전압과 전류를 읽어 감지하기 때문에 SC Bank(8)의 상시 열화 진단이 가능하다. 또한 SC Bank(8)가 열화됨에 따라 유효전력의 수치값이 변화하기 때문에 SC Bank(8)의 열화 정도도 계측할 수 있다.

넷째. SC bank(8)의 각종 구성요소인 리액터, 콘덴서, 방전코일, 중성점 저항기의 이상유무를 알수 있다. 지속적인 유효전력의 관찰로 유효전력의 증가분이 지속적으로 나타났을때 SC Bank의 구성요소중 하나가 문제가 생겼음을 알고 대처할 수 있다.

도 1은 SC 상시감시장치의 연결도

SC 상시감시장치는 SC Bank의 배전반(9)에서 이미 설치되어 사용하는 CT(6)와 PT(7)를 그대로 사용하여 SC Bank에 인가되는 전압과 전류를 받아서 유효전력을 계산하게 된다. 그러므로 SC 상시감시장치외에 부가장치가 필요없다.

도 2는 SC 상시감시장치의 내부도

SC Bank로부터 SC 상시감시장치로 인가되는 전압과 전류는 입력부에서 받아지고 이 전압과 전류는 AD변환부에서 디지털화 되어서 알고리즘 연산부로 보내진다. 알고리즘 연산부에서는 전압과 전류를 계산하여 매 시점마다 유효전력치를 산출하게 된다. 이 유효전력치는 표시부를 통해서 외부사용자에게 표시되고 기준에 의해서 유효전력치가 높게 나올 경우 제어신호부로 출력을 내보내 SC Bank를 제어한다.

도 3은 SC Bank의 차단기 투입시 생성되는 유효전력 성분

SC Bank 차단기 투입시 공진주파수에 해당되는 서지가 발생되어 SC Bank에 흐른다. 이때 공진현상으로 유효전력이 발생되어 공진현상이 끝나는 시점까지 유효전력이 나타나게 된다. 따라서 SC Bank의 차단기가 투입시 측정되는 유효전력성분으로 투입현상인지를 알 수 있고 그에 따른 대처가 가능하다.

도 4는 SC Bank의 운전중 다른 SC Bank의 차단기 투입으로 인한 SC Bank 공진현상

정상적으로 동작하는 SC Bank는 차단기 투입시 이외에는 유효전력이 순간적으로 높아지지 않는다. 따라서 외부조건에 의해서 정상 동작하는 SC Bank가 유효전력이 증가하는 현상은 SC Bank에 열화를 줄 수 있는 요인으로 그 값을 측정하여 외부 조건에 의해 SC Bank가 열화되는지를 판단할 수 있다.

도 5는 평상 유효전력 측정 데이터중 유효전력 과다 측정 예시 그래프

SC 상시감시장치를 이용하여 유효전력을 관찰할 경우 하루데이터중 과도하게 유효전력 성분이 증가했다는 것은 SC Bank가 정상적으로 동작하지 않았다는 것을 의미하므로 SC Bank의 점검을 통하여 SC Bank에 문제가 생겼는지를 확인할 필요가 있다.

도 6은 SC Bank의 공진현상등으로 유효전력 성분이 측정되었을때 일반 현상과 달리 유효전력 성분이 유지되는 측정 예시 그래프

SC Bank는 필요에 따라서 투입과 차단을 행하기 때문에 차단기 투입시 생기는 유효전력분에 대해서는 방지대책이 없는 실정이다. 하지만 투입시 유효전력분은 순간적으로 생성되고 이에 대한 SC Bank의 내전압등 방지책이 생성되어 있다. 그런 반면에 특정한 이유로. 유효전력이 지속적으로 유지될 경우 SC Bank에 문제가 발생한 것으로 판정하여 SC Bank의 작동을 중지시켜야 한다.

도 7은 공진현상이 유효전력임을 증명하는 그래프

SC Bank(8)에 공진주파수의 전압 인가시 전압과 전류의 파형을 보면 전압과 전류가 동상으로 나타나기 때문에 공진현상이 일어나면 유효전력 성분이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호 설명〉

1. SC 상시감시장치

2. CB (Circuit Breaker)

3. 리액터

4. 콘덴서

5. 방전코일

6. CT

7. PT

8. SC Bank

9. 배전반에서 사용되는 계측기기

11. 입력부

12. AD변환부

13. 알고리즘 연산부

14. 제어신호부

15. 표시부

31. SC Bank 투입시 측정되는 전류 파형

32. 유효전력 증가

33. 유효전력 그래프

41. SC Bank 정상운전시 외부영향에 의해 공진현상이 일어난 전류 파형

42. 유효전력 증가분

43. 유효전력 그래프

51. 유효전력 과다 측정부분

52. 일일 유효성분 측정 그래프

53. 설정 유효성분

61. 유효전력 그래프

62. 이상 유효전력이 계속 유지되는 현상

Claims (6)

1. 전력계통에서 유효전력의 비율을 표시하는 역률을 개선하고 전력계통에서 전압변동을 최소화하여 양질의 전력을 공급하기 위한 전압조정장치의 일종으로 무효전력만을 생산하는 전력 기기인 SC Bank(8)에서

   정상적인 동작이 이루어질 경우 콘덴서 뱅크의 전압과 전류사이의 유효전력분은 이상적으로는 '0'이고 실제로도 매우 적은 값으로, 인가 전압과 전류에 의하여 계산되어진 유효전력의 수치는 거의 0에 가깝게 나타나고 무효전력만을 공급하는 SC Bank에서 유효전력이 발생되었다는 것은 SC Bank 내에 문제가 있다는 것을 의미하므로,

   SC Bank(8)의 각 상의 전압과 전류를 받아서 두 인가 전압과 전류사이의 위상차를 이용하여 구한 유효전력을 상시 감시함으로서,

   상시 무효전력만을 공급하는 SC Bank(8)에 유효전력성분의 증가분을 감시하여 유효전력 성분 증가는 SC Bank의 이상으로 인한 내부 열화, 혹은 공진현상임을 판별하는 것을

   특징으로 하는 전력용 콘덴서 상시 진단 방법
2. 제 1항에 있어서 SC Bank(8)의 유효전력 성분 증가시,

   공진현상이 나면 공진시 측정되는 SC Bank(8)의 전압, 전류가 동상이므로 공진시 측정되는 유효전력성분이 일반 상태보다 증가하게 되어,

   SC bank(8)의 공진현상(41)이 일어날 때 유효전력을 감지하여 소손을 방지하는 것을

   특징으로 하는 전력용 콘덴서 상시 진단 방법
3. 제 1항에 있어서 SC Bank(8)의 유효전력 성분 증가시,

   정상상태 평상시에도 L과 C의 절연내력이 떨어지면 유효전력이 증가하는 점에 착안하여 평상시에도 소자값 및 SC bank 전체의 절연내력 저하를 감지할 수 있는 것을

   특징으로 하는 전력용 콘덴서 상시 진단 방법
4. SC Bank(8)의 전압과 전류를 받아 SC Bank의 상태를 감시함에 있어,

   인가 전압과 전류를 받는 입력부(11)와,

   상기 입력부(11)에서 받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD변환부(12),

   상기 AD변환부(12)에서 변환된 디지털 신호를 이용하여 유효전력 연산을 하기 위한 알고리즘 연산부(13),

   SC Bank(8)의 상태를 표시하고 유효전력 발생시, 감시자에게 그 상황을 알리긴 위한 표시부(15),

   SC Bank(8)의 이상시 SC Bank(8)의 동작을 중지시키거나 외부 제어를 하기 위한 제어신호부(14)

   로 구성된 것을 특징으로 하는 유효전력을 이용한 전력용 콘덴서 상시 진단 장치.
5. 제 4항에 있어서 알고리즘 연산부(13)에서는 SC Bank(8)는 무효전력만을 발생하는 특징을 이용하여 전압과 전류의 계산으로 유효전력을 산출하여 유효전력 발생시 열화정도와 절연내력을 감시할수 있는

   것을 특징으로 하는 유효전력을 이용한 전력용 콘덴서 상시 진단 장치.
6. 제 4항에 있어서 제어 신호부(14)에서는

   SC Bank(8)가 지속적으로 유효전력 성분이 유지되거나 증가될 때(62), 평상 유효전력에서 정상적인 상태보다 순간적으로 증가될 때(51),

   제어신호를 차단기(2)로 보내어 SC Bank(8)의 운전을 중지시킬 수 있는

   것을 특징으로 하는 유효전력을 이용한 전력용 콘덴서 상시 진단 장치.