KR20110133400A - 수전 설비 - Google Patents

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KR20110133400A
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Abstract

본 발명은 제3 고조파 등의 노이즈의 발생을 억제할 수 있으며, 경량이면서 공간절약형 전원 변압기를 사용할 수 있는 3상 수전(受電) 설비를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은, 적어도 2차 코일을 델타결선한 3상 변압기(13)와, 철심에 감은 제1 코일 및 제2 코일을 가지고, 상기 제1 코일과 제2 코일을 이들로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지는 복수개의 밸런서 BL1, BL2, BL3를 구비하고, 상기 밸런서를 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 접속하고, 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상에 접속되는 3상 부하, 및 상기 밸런서의 제1 코일 및 제2 코일 중 적어도 어느 하나의 코일에 병렬로 접속되는 단상 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

수전 설비{POWER RECEIVING EQUIPMENT}
본 발명은 3상 수전(受電) 설비에 관한 것으로서, 특히 불평형 부하라도 평형한 전압을 안정적으로 부하에 공급할 수 있는 3상 수전 설비에 관한 것이다.
공장, 대규모 점포, 오피스 빌딩 등, 대전력을 소비하는 수요에 대해서는, 6kV 이상의 고전압의 3상 교류 전압이 배전되고 있다. 한편, 일반 가정, 소규모 점포, 소규모 오피스 빌딩 등의 소전력을 소비하는 수요에 대해서는, 단상 3선식의 저압 배전선로에 의해 배전되고 있다.
도 4는, 단상 3선식 배전 방식에 있어서의 수전 설비를 설명하는 도면이다. 수전 설비는, 고압의 3상 교류 전압을 수전하고, 수전한 3상 교류 전압을 상기 수전 설비 내에 설치된 수전 변압기에 의해, 단상 200V 및 단상 100V로 변환하여, 단상 200V 부하 L3, 또는 단상 100V 부하 L1, L2에 공급하고 있다.
단상 3선식 배전 계통에 있어서는, 접속되어 있는 부하는 모두 단상(單相)이며, 또한 이들 다수의 단상 부하는 단상 3선식 배전선의 선 사이에 랜덤하게 접속되어 있다. 또한, 이들 단상 부하는 수요측의 사정으로 임의의 시점에서 온·오프된다. 그러므로, 상기 단상 3선식 선로에 흐르는 전류는 반드시 평형하다고는 할 수 없다. 극단적인 경우, 한쪽 선로와 중성선(neutral line)에 접속된 부하만이 가동하고, 다른 쪽 선로와 중성선에 접속된 부하는 정지 상태로 될 수도 있다.
그러므로, 현재, 단상 3선식 배전 계통의 말단에 밸런서(balancer)로 불리우는 변압기를 설치하여, 선로 전류의 평형을 이루도록 하는 방식이 채용되고 있다.
밸런서 BL은, 도 4에 나타낸 바와 같이 권수비(turn ratio)가 1 대 1인 변압기로서, 통상 단상 3선식 선로의 배선의 말단에 설치된다. 밸런서를 형성함으로써, 한쪽 선로(외선 A)에 흐르는 전류와 다른 쪽 선로(외선 B)에 흐르는 전류가 상이한 경우(즉, 부하 L1과 L2의 용량이 상이한 경우)에, 밸런서는 외선 A, B에 보상 전류 io를 공급하여, 외선 A, B에 흐르는 전류의 불평형을 해소한다.
예를 들면, 외선 A에 흐르는 전류가 외선 B에 흐르는 전류보다 큰 경우에는, 중성선 C로부터 밸런서에 보상 전류 2io가 유입되고, 유입된 전류의 일부 iO는 코일 n1을 통해 부하 L1에 공급된다. 또한, 유입된 전류의 잔부 iO는 코일 n2를 통해 전원 변압기 T에 유입된다.
이와 같이, 밸런서를 설치하면, 외선 A, B는 밸런서를 통해 유도적으로 결합되므로, 외선 A와 중성선 C, 또는 외선 B와 중성선 C 사이에 접속된 부하에 불균형이 있어도, 또한 중성선 C가 전원 측에서 차단되어도, 외선 A와 중성선 C 사이의 전압과 외선 B와 중성선 C의 사이의 전압은 항상 균형을 이루도록 작용한다.
이와 같이 밸런서는, 단상 3선식 배전로의 양쪽의 전압(외선 A와 중성선 및 외선 B와 중성선 사이의 전압) 및 외선의 전원 측에 흐르는 전류가 균형을 이루도록, 보상 전류를 흐르게 한다.
도 5는, 3상 교류 변압기와 단상 1턴 변압기(밸런서)를 구비한 종래의 수전 설비를 설명하는 도면이다.
도 5에서, 인용부호 51, 52, 53은 각각 3상 변압기의 1차 코일이며, 델타결선(delta-connection)되어 있다. 인용부호 51', 52', 53'는, 각각 상기 1차 코일과 전자기 결합하는 2차 코일이며 스타결선(star-connection)되어 있다.
인용부호 R, S, T는 각각 a상(a-phase), b상(b-phase), c상(c-phase)의 배전선이며, 이 배전선을 통하여 3상 부하 L에 3상 전력을 공급한다.
BL은 상기 배전선 R, S, T의 선 사이에 설치된 밸런서이다. 밸런서 BL은, 철심(iron core)(54)에 감은 제1 코일(55) 및 제2 코일(56)을 구비하고, 제1 코일(55)과 제2 코일(56)은 이들로부터 발생하는 자속(magnetic flux)의 방향이 일치하도록 직렬로 접속되고, 직렬 접속점으로부터는 중점 탭(midpoint tap) n이 도출된다.
이와 같이 하여 형성된 밸런서 BL은 상기 a상의 배전선 R과 b상의 배전선 S 사이에 접속된다.
인용부호 58, 59, 60은 단상 부하이며, 단상 부하(58, 59, 60)는 배전선 R 또는 S와 중성선 C 사이, 또는 배전선 R, S 사이에 접속된다.
일본 특허출원 공개번호 2005-197623호 공보
전술한 종래 기술에 의하면, 고압 수전 설비를 구성하는 3상 변압기의 출력 단자 a-b간, 출력 단자 b-c간, 출력 단자 c-a간에 각각 밸런서 BL을 접속하고, 밸런서 BL의 양 단자와 중성점 사이에 단상 부하를 접속하고, 또한 상기 3상 변압기의 각 출력 단자 사이에 3상 부하를 접속할 수 있다. 또한, 상기 3상 변압기의 중성점은 접지할 수 있다.
3상 변압기의 중성점을 접지하면, 상기 3상 변압기의 소형화가 가능하며, 경량이면서 공간절약형 전원 변압기를 만들 수 있다. 또한, 대지 전압(voltage to ground)의 상승을 억제할 수 있다.
그러나, 상기 3상 변압기의 1차 코일(51, 52, 53)은 델타결선되어 있어도, 이 1차 코일과 전자기 결합하는 2차 코일(51', 52', 53')은 스타결선되어 있다. 그러므로, 3상 변압기의 2차 코일에는 제3 고조파가 발생하고, 발생한 제3 고조파의 영향은 상기 배전선 R, S, T에 나타난다.
상기 2차 코일의 중성점을 접지하지 않는 경우에는 중성점 전위가 변동한다. 중성점을 접지하는 경우에는, 대지(ground)를 귀로(return path)로 하여 제3 고조파 전류 등이 상기 배전선을 흘러, 전자기 유도 간섭(electromagnetic induction interference)이 발생한다. 그러므로, 이에 대한 대책을 필요로 한다.
본 발명은 이들 문제점을 감안하여 행해진 것이며, 제3 고조파 등의 노이즈의 발생을 억제할 수 있으며, 경량이면서 공간절약형의 전원 변압기를 사용할 수 있는 3상 수전 설비를 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 수단을 채용하였다.
적어도 2차 코일을 델타결선한 3상 변압기와, 철심에 감은 제1 코일 및 제2 코일을 가지고, 상기 제1 코일과 제2 코일을 이들로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지는 복수개의 밸런서를 구비하고, 상기 밸런서를 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 접속하고 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상에 접속되는 3상 부하, 및 상기 밸런서의 제1 코일 및 제2 코일 중 적어도 어느 하나의 코일에 병렬로 접속되는 단상 부하에 전력을 공급한다.
본 발명은, 전술한 바와 같이 구성되므로, 제3 고조파 등의 노이즈의 발생을 억제할 수 있으며, 경량이면서 공간절약형의 전원 변압기를 사용하여 3상 수전 설비를 구성할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 수전 설비를 포함하는 급전 계통을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 수전 설비를 설명하는 도면이다.
도 3은 단상 3선식 배전 방식을 설명하는 도면이다.
도 4는 밸런서를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 수전 설비를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 실시예에 따른 수전 설비를 포함하는 급전 계통을 설명하는 도면이다.
도 1에 있어서, 인용부호 1은 3상 교류 발전기, 인용부호 2는 송전용 변압기, 인용부호 3은 수전용 변압기를 포함하는 수전 설비, 인용부호 4는 3상 교류 부하이다.
3상 교류 발전기에서 발전된 교류 전력은, 송전용 변압기에 의해 승압된 후, 송배전망을 통하여 수전용 변압기를 포함하는 수전 설비에 급전된다. 수전용 변압기를 포함하는 수전 설비는 수전한 3상 교류 전압을 강압한 후, 3상 배전선을 통하여 3상 부하(14) 또는 단상 부하에 급전한다.
도 2는, 수전용 변압기를 포함하는 수전 설비를 상세하게 설명하는 도면이다.
이들 도면에 있어서, 인용부호 11, 12, 13은 각각 3상 변압기(수전용 변압기)의 1차 코일이며, 스타결선되어 있다. 인용부호 11', 12', 13'는, 각각 상기 1차 코일과 전자기 결합하는 2차 코일이며 델타결선되어 있다.
R, S, T, 는 각각 a상, b상, c상의 배전선이며, 이 배전선을 통하여 3상 부하(14)에 3상 전력을 공급한다.
BL1, BL2, BL3는, 각각 상기 배전선 R, S, T의 선 사이에 설치한 밸런서이다.
밸런서 BL1, BL2, BL3는, 각각 철심(21)에 감은 제1 코일(22) 및 제2 코일(23)을 구비하고, 상기 제1 코일(22)과 제2 코일(23)은 이들로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속되고, 직렬 접속점으로부터는 중점 탭 n이 도출된다.
인용부호 25, 26은, 수전용 변압기의 2차 코일(11')을 전원으로 하는 단상 3선식 배전선로의 외선 A, 및 외선 B이며, 상기 중점 탭 n에 접속한 중성선 C 사이에는, 각각 단상 부하(100V 부하)(27, 28), 및 단상 부하(200V 부하)(29)가 접속된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 수전 설비를 구성하는 수전용 변압기의 1차 코일(11, 12, 13)은 스타결선되고, 또한, 스타결선된 상기 1차 코일과 전자기 결합하는 2차 코일(11', 12', 13')은 델타결선되어 있다. 그러므로, 수전용 변압기를 구성하는 철심의 자기 포화 등에 기초하여, 수전용 변압기를 구성하는 3상 변압기의 2차 코일에 각각 제3 고조파가 발생해도, 이 고조파는 델타결선된 2차 코일(11', 12', 13') 내를 순환한다. 그러므로, 제3 고조파에 의한 유도 간섭의 문제는 거의 무시할 수 있다.
도 3은, 밸런서의 다른 예를 설명하는 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, "ㅁ"자형 철심 F의 한쪽 다리에 감은 제1 코일 n1 및 제2 코일 n2, 및 "ㅁ"자형 철심의 다른 쪽 다리에 감은 제3 코일 n3 및 제4 코일 n4를 구비하고, 제3 코일 n3, 제1 코일 n1, 제2 코일 n2 및 제4 코일 n4를 이들로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어진다. 이와 같이 하여 형성된 밸런서는 상기 3상 변압기의 델타결선된 2차 코일의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 접속된다. 또한, 상기 3상 변압기의 델타결선된 2차 코일의 각 출력 단자, 및 상기 밸런서의 제1 코일과 제2 코일과의 접속 단자를 배전선의 급전단(feed terminal)으로 할 수 있다.
밸런서 BL1, BL2, BL3는, 각각 권수비가 1 대 1인 변압기로서, 각각 2차 코일(11', 12', 13')에 병렬로 접속된다.
각 상을 구성하는 2차 코일과 병렬로 밸런서를 형성함으로써, 단상 부하(22와 23)이 불평형의 경우라도, 단상 부하(22, 23)에 중성점(24)으로부터 보상 전류 io를 공급함으로써 외선 A, B에 흐르는 전류의 불평형을 해소할 수 있다.
예를 들면, 부하(27)에 흐르는 전류가 부하(28)에 흐르는 전류보다 큰 경우에는, 중성점 n으로부터 밸런서에 보상 전류 io가 유입되고, 코일(22, 23)을 통하여 유출된다. 이와 같이, 밸런서를 설치하면, 부하(27, 28)는 코일(22, 23)을 통해 유도적으로 결합되므로, 외선 A와 중성선 C 또는 외선 B와 중성선 C 사이에 접속한 부하에 불균형이 있어도, 또한, 중성선 C를 전원 전원측[변압기 2차 코일(11')의 중점]에 접속하지 않아도, 외선 A와 중성선 C 사이의 전압과 외선 B와 중성선 C의 사이의 전압은 항상 균형을 이루도록 작용한다. 마찬가지로, 밸런서 BL2, BL3의 중성선 C를 2차 코일(12', 13')의 중점에 접속하지 않아도, 외선 A와 중성선 C 사이의 전압과, 외선 B와 중성선 C의 사이의 전압은 항상 균형을 이루도록 작용한다.
이와 같이 밸런서를 형성함으로써, 단상 부하(27, 28)에 인가되는 전압이 항상 균형을 이루도록 수 있다.
여기서, 밸런서 BL1, BL3를 통하여 흐르는 전류를 ia, 밸런서 BL1, BL2를 통하여 흐르는 전류를 ib, 밸런서 BL2, BL3를 통하여 흐르는 전류를 ic, 밸런서의 각 코일의 자기 인덕턴스를 L, 상호 유도를 M이라 하면,
2jωL*ia + zi(2ia - ib - ic) = jωM(ib + ic) …(1)
2jωL*ib + zi(2ib - ic - ia) = jωM(ic + ia) …(2)
2jωL*ic + zi(2ic - ia - ib) = jωM(ia + ib) …(3)
이 성립한다. 여기서 L≒M이므로,
식 (1), (2), (3)으로부터,
(2ia - ib - ic)(jωL + zi) = 0 …(4)
(2ib - ic - ia)(jωL + zi) = 0 …(5)
(2ic - ia - ib)(jωL + zi) = 0 …(6)
이 얻어진다. 또한, 식 (4), (5), (6)으로부터,
ia = ib = ic …(7)이 얻어진다.
또한, jωL + zi = 0가 되도록 zi를 선정하면 밸런서의 코일을 낮은 임피던스로 접지할 수 있으며, 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 중성점의 전위 VN은
VN = (Eab + Ebc + Eca)/2 = 0이므로, 중성점 N은 접지할 수 있다.
즉, 각 밸런서의 중성점 n은, 접지 임피던스 Zi를 통하여 접지할 수 있다. 그러므로, 배전선 등에 노이즈가 침입한 경우에도, 이를 접지 전위에 흘려보내 노이즈를 억제할 수 있다.
그러므로, 단상 3선식 배전선로에 접속한 기기를, 외부로부터 침입하는 노이즈에 대하여 보호할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 적어도 2차 코일을 델타결선 한 3상 변압기와, 철심에 감은 제1 코일 및 제2 코일을 구비하고, 상기 제1 코일과 제2 코일을 이들로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지는 밸런서를 구비하고, 상기 3상 변압기의 2차측의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 상기 밸런서를 접속하고, 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상에 접속되는 3상 부하, 및 상기 밸런서의 제1 코일 및 제2 코일 중 적어도 어느 하나의 코일에 병렬로 접속되는 단상 부하에 전력을 공급한다.
그러므로, 상기 단상 부하에 불평형이 있어도, 상기 단상 부하에 항상 균형을 이루는 전원 전압을 공급할 수 있다.
또한, 각 밸런서의 중성점(24)은, 접지 임피던스 Zi를 통하여 접지할 수 있다. 그러므로, 배전선 등에 제3 고조파 등의 노이즈가 침입한 경우에도, 이를 접지 전위에 흘려보내 노이즈를 억제할 수 있다.
R, S, T: 배전선 4: 3상 부하
11, 12, 13: 1차 코일 11', 12', 13': 2차 코일
BL1, BL2, BL3: 밸런서 22: 제1 코일
23: 제2 코일 27, 28: 단상 부하

Claims (4)

  1. 적어도 2차 코일을 델타결선(delta-connection)한 3상 변압기와,
    철심에 감은 제1 코일 및 제2 코일을 가지고, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일로부터 발생하는 자속(magnetic flux)의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지는 복수개의 밸런서(balancer)를 포함하고,
    상기 밸런서를 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상(phase)의 출력 단자 사이에 각각 접속하고, 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상에 접속되는 3상 부하, 및 상기 밸런서의 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 어느 하나의 코일에 병렬로 접속되는 단상(單相) 부하에 전력을 공급하는, 수전 설비.
  2. 적어도 2차 코일을 델타결선한 3상 변압기와,
    철심에 감은 제1 코일 및 제2 코일을 가지고, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지는 복수개의 밸런서를 포함하고,
    상기 밸런서를 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 접속하고, 각각의 상기 밸런서의 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 직렬 접속점(series connection point)을 임피던스를 통하여 접지하고, 상기 3상 변압기의 2차 측의 각 상에 접속되는 3상 부하, 및 상기 밸런서의 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 어느 하나의 코일에 병렬로 접속되는 단상 부하에 전력을 공급하는, 수전 설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임피던스는 상기 밸런서의 한쪽 코일의 자기 인덕턴스와 공진하는 값인, 수전 설비.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 밸런서는,
    "ㅁ"자형 철심의 한쪽 다리(leg)에 감은 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일, 및 "ㅁ"자형 철심의 다른 쪽 다리에 감은 제3 코일 및 제4 코일을 구비하고, 상기 제3 코일, 상기 제1 코일, 상기 제2 코일 및 상기 제4 코일을, 상기 제3 코일, 상기 제1 코일, 상기 제2 코일 및 상기 제4 코일로부터 발생하는 자속의 방향이 일치하도록 직렬로 접속하여 이루어지고,
    상기 3상 변압기의 델타결선된 상기 2차 코일의 각 상의 출력 단자 사이에 각각 상기 밸런서를 접속하고, 상기 3상 변압기의 델타결선된 상기 2차 코일의 각 출력 단자, 및 상기 밸런서의 상기 제1 코일과 상기 제2 코일과의 접속 단자를 배전선의 급전단(feed terminal)으로 하는, 수전 설비.
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