KR20100113240A - 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기. - Google Patents

중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기. Download PDF

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Abstract

본 발명은 중성점에 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기에 관한 것으로, 전차 운행시 발생하는 선로 전압강하를 보상하기 위하여 전압탭을 중성점에 근접하게 설치하여 대지간 절연 문제를 해결하여 경제적으로 전압탭의 설치할 수 있게 한 것과 선로(Rail)와 급전선에 연결되는 2차 코일에 전압탭을 조정하여 전차에 공급되는 전압의 안정화를 구현한 것을 특징으로 한다.
단권변압기, 전철급전방식, 전압강하, 전압보상, 전압안정화, 교류 철도,

Description

중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기. {The electric railroad autotransformer which has the voltage tap in neutral point.}
본 발명은 전철 선로 Rail에 연결되는 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기에 관한 것으로, 도 1(교류전기철도 AT급전방식 계통도)과 같이 현재의 교류전기철도 AT급전방식은 한국전력으로부터 154kV를 수전 받아 스코트 변압기 를 이용 90도의 위상차를 갖는 M상과 T상으로 55kV로 변성하여 전차에 27.5kV를 공급하기 위하여 권수비가 1:1인 단권변압기를 사용 27.5kV 단자 하나는 급전선에 다른 27.5kV 단자는 전차선에 중성점은 선로Rail에 결선하여 사용하고 있다. 현재 교류전기철도에서 사용하는 단권변압기는 탭이 없어 전압조정이 불가하므로 전차의 위치가 주변전실에서 멀어질수록 표 1과 같이 전차에 공급되는 전압이 감소 되게 되므로 전차 운행에 문제점이 발생하는 경우가 발생하므로 이를 방지하기 위하여 대략 10km마다 보조급전구분소(SSP; Sub-Sectioning Post) 설치하며, 끝단에는 급전구분소(SP; Sectioning Post)를 설치하고 있다.
Figure 112009022032406-PAT00001
그러나 사고로 인하여 주변전실이 고장인 경우 타 주변전소에서 연장 급전을 받아 선로가 길어진 경우나, 애초 예상치 보다 많은 전차가 투입되어 부하전류가 증가한 경우는 기준치보다 큰 전압강하가 발생하여 전차 운행에 문제점이 발생한다.
교류전철용 변압기의 중성점 단자는 Rail에 연결되므로 대지간 전압이 높지 않아 용이하게 다수의 탭의 구비가 가능하며, 볼트 체결로 수동 변경하거나 전차선에 걸리는 전압을 검출하여 전동기 구동방식의 탭변환기를 설치하여 자동으로 전압 조정이 가능하다.
본 발명은 현재 교류전기철도에서는 전차의 운전전류로 인한 선로 전압강하로 인하여 전차가 주변전실에서 멀어 질수록 전차선과 Rail을 통하여 전차에 공급되는 전압이 감소하는 문제점이 발생하고 있어, 이를 방지하고자 보조급전구분소 및 급전구분소에 단권변압기를 설치하여 보상하고 있으나, 중성점에 탭이 없는 1:1의 단권변압기 사용으로 인하여 현재 주변전실의 스코트변압기에서 만 전압조정이 가능하고 보조급전구분소 및 급전구분소에서는 전압 조정이 불가능하여, 변전소 고장으로 인하여 타변전소로의 연장급전이 필요한 경우나 차량이 증가한 경우에 선로 전압강하가 기준치를 초과하여 전차의 안전운행에 문제가 발생하는 경우가 자주 발생한다.
이를 방지하고자 전력전자기술을 응용한 교류전기철도용 인버터시스템을 활용한 전압보상시스템이 연구되고 있으며, 관련 논문과 특허(등록번호;10-0683430)가 출원되고 있으나, 아직 까지는 고가의 설치비 및 신뢰성의 문제로 적용되지 못하고 있다.
또한, 교류전기철도용 AT급전방식에는 상기와 같이 단권변압기의 권수비가 1:1인 경우 외에 급전선 측의 전압을 N배로 해서 변전소의 급전전압을 (1+N) 배로 하는 AT(1:N)방식이 급전선 전압이 높아져 전압강하 대책상 유리하나, 이는 단권변압기의 탭을 변경하는 것이 아니라 전체적으로 급전선 전압을 N배 하고 단권변압기의 권수비를 일률적으로 1:N을 사용하는 것으로 보조급전구분소 별로 전압조정이 불가 능하며, 적용을 위하여는 현재 운영되는 모든 교류전철변전소의 설비를 교체하여야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 전압비가 1:1인 교류철도용 단권변압기 사용시, 인접한 타 변전소로부터의 연장급전이 필요한 경우와 선로에 운행 중인 전차의 수량이 증가하여 일시적으로 선로 전압강하 발생시에 전압조정이 불가능한 문제점과 초기 설계시 안정적인 전차 운행을 위한 보조급전구분소 및 급전구분소의 설치거리를 증가시켜 전체적으로 보조급전구분소의 설치 수량을 감소시켜 시설투자비를 절감하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 교류전기철도용 단권변압기의 중성점에 근접한 다수의 탭을 인출하여, 급전선에 연결되는 27.5kV단자와 중성점 간의 전압보다 전차선과 연결되는 27.5kV단자와 중성점 간의 전압이 높아지도록 탭을 결선하여 전차의 위치에 따른 전차선의 전압 강하를 보상하여 보다 안정적으로 전차 운행이 가능하게 하며, 보조급전구분소 및 급전구분소의 설치 간격을 멀리할 수 있게 하여 초기 투자비를 절감 가능하게 한다.
현재의 교류전기철도용 단권변압기는 중성점을 기준으로 1:1의 권수비를 가지고 있어 변압기의 손실 및 내부 임피던스를 무시하면 단권변압기의 전압을 중성점 기준으로 보면 전차선측 단자전압과 급전선 측 단자전압이 동일하게 되므로 전차선의 전압이 10% 감소한 경우에 급전선 측 전압도 10% 감소하게 된다. 중성점의 탭이 있는 전철용 단권변압기에 있어서는 중성점을 기준으로 전차선 단자전압과 급전선 단자전압과의 전압비를 N:1 (N> 1)로 하면 중성점 기준으로 전차선의 전압이 N(N> 1) 배만큼 높아지게 되므로 전차선을 통하여 전차에 공급되는 전압을 단권변압기의 탭을 조정하여, 선로 전압강하의 보상이 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
교류전철용 변압기의 중성점 단자는 Rail에 연결되므로 대지간 전압이 높지 않아 절연비용이 감소하므로 용이하게 다수의 탭의 구비가 가능하며, 수동 변경하거나 전차선과 선로 Rail에 걸리는 전압을 검출하여 전동기 구동방식의 탭변환기를 사용하여 자동으로 전압 조정이 가능하다.
본 발명의 중성점에 근접한 전압탭을 설치한 교류전철용 단권변압기를 보조급전구분소 및 급전구분소에 설치하여, 인접한 타 변전소로부터의 연장급전이 필요한 경우와 선로에 운행 중인 전차의 수량이 증가하여 일시적으로 선로 전압강하 발생시에 단권변압기의 전압탭을 급전선에 연결되는 27.5kV단자와 중성점 간의 전압보다 전차선과 연결되는 27.5kV단자와 중성점 간의 전압이 높아지도록 결선하여 전차의 위치에 따른 전차선의 전압 강하를 보상하여 보다 안정적으로 전차 운행이 가능하게 하며, 보조급전구분소 및 급전구분소의 설치 간격을 멀리할 수 있게 하여 초기 투자비를 절감 가능하게 한다.
본 발명은 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기에 관한 것으로 도 2(본 발명에 따른 교류전철용 단권변압기를 적용한 회로 구성도)로 설명하면,
단권변압기(100)는 단자(130a, 130b, 130c)와 철심(120), 탭절환부(140),권선(110a,110b) 외함, 절연물 등으로 구성되며 1차 권선 단자(130a)는 전차선에, 2차 권선 단자(130b)는 급전선에 중성점 단자(130c)는 선로(Rail)에 결선 되어 교류전기철도 급전계통에 사용되어 진다.
철심(120)에 감긴 1차 권선(110a)과 2차 권선(110b)의 전기적으로 결선 되어있는 변압기로, 1차 또는 2차 권선에 전류가 흘러 자속이 쇄교하면 상호유도작용에 의하여 유도기전력이 발생하여 다른 권선에 유도 전압이 유기되어 진다.
여기서 상기 철심(120)은 자속의 통로가 되며, 각 코일의 권수를 n1, n2라고 하면 1차 권선의 전압(V1)과 2차권선의 전압(V2)은 다음의 수학식 1과 같다.
V1 = (n1 / n2) x V2
(1차 코일과 2차 코일의 결합률 = 1 인 경우)
V1: 1차 권선 전압 V2: 2차 권선 전압
n1: 1차 코일의 권수 n2: 2차 코일의 권수
따라서 필요한 V1를 얻기 위해서는 권수비를 조정하면 된다.
단권변압기(100)의 탭은 절연을 용이하게 하기 위하여 대지간 전압이 작게 중성점에 근접하여 인출되며, 1차 권선이나 2차 권선 어느 곳에 설치도 가능하며,탭을 인 출하는 방법은 도 3과 같이 두 가지 방법이 있으며 부하 시에 자동으로 동작 되는 탭변환기를 사용하기 위하여는 전류가 작아 지게 되도록 탭이 설치되지 않는 권선의 한끝은 중성선 연결 단자(130a)에 직접 연결되는 것이 바람직하다.
2차 권선에 탭을 설치한 경우를 예를 들어 설명하면 도 2에 도시된 바와 같이 1차 권선과(110a) , 2차 권선(110b)이 전기적으로 접속되는 중간에 설치되며 이때에 전차선 연결 단자(130a)에 유기되는 전압은 다음 수학식 2와 같다.
V1= n1 / (n2 - nT) x V2
(1차 코일과 2차 코일의 결합률 = 1 인 경우)
V1: 1차 권선 전압 V2: 2차 권선 전압
n1: 1차 코일의 권수 n2: 2차 코일의 권수
nT: 탭 코일의 권수
예를 들어 설명하면 전차선 전압이 차량 운행에 지장을 주는 20kV로 강하된 경우 탭을 조정하여 권수비( 1차 권선의 권수 / 2차 권선의 권수)가 1.2라고 하면 1차 권선에는 24kV(20 x 1.2=24kV)가 유기되어 정상적으로 전차의 운행을 가능하게 한다.
상기의 탭은 선로 Rail과 연결되는 중간부에서 인출되기 때문에 대지간 절연 전압이 낮으므로 전기절연이 용이하게 복수의 탭의 인출이 가능하게 하며, 1차 권선의 한끝은 중성점 단자(130c)에 직결되어 있어 도 4에 예시된 것과 같이 권수비가 1:1 인경우에는 각 단권변압기의 각 권선으로 분기되어 흐르는 전류는 중성점 단자로 흐르는 전류의 1/2의 전류가 흐르므로 탭으로 흐르는 전류의 저감이 가능하다.
특히 SCR 등의 반도체 스윗칭소자를 사용하여 탭을 자동으로 전환하는 경우에는 경제적으로 탭변환기의 제작이 가능하게 된다.
가압 상태에서의 탭의 변환시, 선로(Rail)와 결선 된 중선점과 2차 권선의 탭권선이 일시적으로 개방되면 급전선과 같은 고전압이 유기되므로 상기에서 설명한 전기적 절연의 용이성이 상실되므로 순간적으로 개방이 되지않는 방식의 전동구동장치가 포함된 부하시탭전환장치(OLTC; On Load Tap Changer)나 반도체를 사용한 탭전환장치의 사용이 필요하다.
본 발명은 전차선의 전압을 PT로 검출하여, 전압에 따라 자동으로 탭 절환이 가능한 전동조작 방식의 부하시탭전환장치(OLTC; On Load Tap Changer)나 반도체 스윗칭소자를 사용하여 전차선의 전압이 규정 범위 내로 되도록 자동으로 조정하여, 연장급전과 전차의 수량증가에 따른 전차선의 전압 강하를 자동으로 보상하여 보다 안정적으로 전차 운행이 가능하게 한다.
도 1은 교류전기철도 AT급전방식 계통도.
도 2는 본 발명에 따른 교류전철용 단권변압기를 적용한 회로 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 교류전철용 단권변압기를 탭 구성도.
도 4는 교류전기철도 AT급전방식 전류분포도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 교류전철용 단권변압기
110a: 교류전철용 단권변압기 1차 권선
110b: 교류전철용 단권변압기 2차 권선
120: 철심
130a: 전차선 연결 단자
130b: 급전선 연결 단자
130c:중성선(Rail) 연결 단자
140: 탭절환부
200: 전차선
300: 선로(Rail)
400: 급전선

Claims (3)

1차 권선(110a), 2차 권선(110b), 변압기 제조용 철심(120), 전차선 연결 단자( 130a), 급전선 연결 단자(130b), 중성선(Rail) 연결 단자(130c), 탭절환부(140)로 구성되고, 전차선 연결 단자(130a)는 전차선(200)에 결선하고 급전선 연결 단자(130b)는 급전선(400)에 결선하고 중성점 연결 단자는(130c)은 선로(300)에 결선하여 사용되는 교류 전기철도용 단권변압기에 있어서, 전차선의 전압 강하를 보상하기 위하여 복수의 전압탭을 인출한 것과, 탭절환부(140)의 대지간 절연전압을 낮추기 위하여 선로(300)에 접속되는 중성선 연결 단자(130a)에 전기적으로 결선 되는 권선 측에서 탭을 인출한 것을 특징으로 하는 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기.
청구항 제1항에 있어서,
1차 권선 2차 권선 둘 중에 하나의 권선의 한 끝은 탭절환부(140)를 통하기 않고 중성점 연결 단자(130c)에 직결되어 탭절환부(140)의 전류 용량을 줄인 것을 특징으로 하는 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기.
청구항 제1항에 있어서,
가압 상태에서 자동으로 탭 절환을 하여 전차선의 전압 조정을 가능하게 하기 위하여, 탭절환 동작시에 탭의 대지간 전압상승을 방지하기 위하여 일시적으로 회로가 개방되지 않는 탭절환부(140)를 가지는 중성점에 근접한 전압탭을 구비한 교류전철용 단권변압기.
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