KR20120053606A - 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반 - Google Patents

능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변압기를 기준으로 고압반과 저압반 등으로 구성되는 3상 4선식 수배전반에 있어서 능동형 영상고조파 필터를 상기 저압반에 설치하여 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 효율적으로 저감하며, 상기 능동형 영상고조파 필터에 과부하가 걸리지 않도록 미연에 방지하여 상기 능동형 영상고조파 필터가 계통에서 탈락없이 연속적으로 저감기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 3상의 각 위상선뿐만 아니라 중성선에서 발생되는 무효전력을 측정하여 현대의 수배전반 계통에 적합한 전력 역률 감시 기능을 제공하며, 중성선 상 부스바의 너비 및 두께를 3상의 각 위상선 상 부스바의 너비 및 두께와 동일하게 유지하면서도 수용 용량을 증가시켜 안정적인 수배전반 운용을 가능하게 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 관한 것이다.

Description

능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반{Incoming and Distributing Panel with Zero-Phase Harmonic Active Filter}
본 발명은 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변압기를 기준으로 고압반과 저압반 등으로 구성되는 3상 4선식 수배전반에 있어서 능동형 영상고조파 필터를 상기 저압반에 설치하여 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 효율적으로 저감하며, 상기 능동형 영상고조파 필터에 과부하가 걸리지 않도록 미연에 방지하여 상기 능동형 영상고조파 필터가 계통에서 탈락없이 연속적으로 저감기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 3상의 각 위상선뿐만 아니라 중성선에서 발생되는 무효전력을 측정하여 현대의 수배전반 계통에 적합한 전력 역률 감시 기능을 제공하며, 중성선 상 부스바의 너비 및 두께를 3상의 각 위상선 상 부스바의 너비 및 두께와 유사하게 유지하면서도 수용 용량을 증가시켜 안정적인 수배전반 운용을 가능하게 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 관한 것이다.
일반적으로 수배전반은 발전소나 변전소 등 전력 공급처에서 특고압의 전력을 송전받아 실사용에 적합한 정격 전력으로 감압 변환하여 각 요소로 배전하기 위한 각종 설비와 장비를 구비하여 한 곳에 집중시켜 놓은 장치를 말한다. 이와 같은 수배전반은 변압기를 기준으로 크게 고압반과 저압반으로 구분되는데, 각각에는 안전을 위한 각종 개폐 장치, 차단 장치, 측정 장치 등이 구성되어 있다.
우리나라의 전력 계통에서 사용하고 있는 3상4선식 전력계통은 단상 및 3상 부하를 동시에 이용할 수 있는 장점이 있지만 단상 부하와 3상 부하가 혼합되어 중성선에 불평형 전류가 발생할 수 있다. 구체적으로 3상4선식 전력계통에서 중성선에 발생되는 전류는 각 상 전류의 벡터합으로 정의되는데, 3상의 부하가 평형 상태일 경우에는 각 상 전류의 위상차에 의해 중성선에는 전류가 상쇄되어 흐르지 않게 된다. 하지만, 부하가 불평형 상태에 있는 경우에는 각 상의 전류가 상쇄되지 못하고 중성선으로 유입되어 불평형 전류가 흐르게 되는데, 이 중에서 3상 중 하나의 상에만 부하가 있고 나머지 두 개의 상은 무부하 상태에 있는 경우 가장 큰 불평형 전류가 흐르게 된다.
또한, 중성선에는 이와 같은 불평형 전류 이외에도 컴퓨터, 조명장치, 사무기기, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply : UPS) 등과 같은 비선형 부하로 인한 고조파 전류가 발생하여 유입되는 경우도 있다.
고조파(高調波, Harmonics) 전류란 기본 주파수의 2배, 3배, 4배 등 정수배에 해당하는 주파수 성분을 가지는 전류를 말하는데, 이와 같은 고조파 전류는 기본 주파수와의 차수 관계에 따라 4차7차10차 등과 같이 기본 주파수의 (3n+1) 배수에 해당하는 주파수 성분을 가지는 정상고조파 전류와, 2차5차8차 등과 같이 기본 주파수의 (3n-1) 배수에 해당하는 주파수 성분을 가지는 역상고조파 전류와, 3차6차9차 등과 같이 기본 주파수의 3n 배수에 해당하는 주파수 성분을 가지는 영상고조파 전류로 나누어진다.
이때, 3상의 각 위상선에서 발생한 정상고조파 전류와 역상고조파 전류는 그 위상이 120°씩 차이가 나므로 벡터합으로 상호 상쇄되어 전력 계통에 영향을 미치지 않지만, 영상고조파 전류는 그 위상이 동일하므로 벡터합이 아닌 스칼라합에 의하여 각 위상선 전류보다 더 큰 전류가 중첩 형성되어 중성선으로 흐르게 된다.
이와 같이 전력 계통의 중성선에 과다한 영상고조파 전류가 흐르게 되면 감전사고 등과 같은 인적 피해는 물론이거니와 과전류에 의한 중성선의 과열 및 소손, 차단기의 잦은 오작동 유발, 부하의 전압 왜형률 증가, 통신선 잡음, 중성선을 공유하고 있는 부하와의 간섭현상으로 인한 전기 전자 장비의 오작동 유발 등과 같은 물리적으로 여러 가지 다른 문제를 일으키게 된다.
이에 따라 전력 계통을 보호하기 위하여 중성선에 유입된 영상고조파 전류를 저감하기 위한 여러 가지 영상고조파 필터가 개발되어 사용되고 있다. 그러나 종래의 영상고조파 필터는 전력 계통에서 영상고조파 전류가 다량으로 발생하여 처리량이 많아져서 영상고조파 필터 용량의 한계를 초과하는 경우 과열, 소손 등의 자체 전기 사고와 이로 인한 화재 등의 2차 사고가 발생할 위험이 존재하였으므로, 이를 방지하기 위하여 영상고조파 필터에 별도의 기계적 보호 계전장치를 부착하여야 했다.
이러한 별도의 기계적 보호 계전장치로 인해 영상고조파 필터가 대형화되어서 수배전반 등 배전 설비의 외부에 따로 공간을 확보하여 설치하여야 하는 문제점이 있었고, 이와 같이 별도의 외부 공간에 이격하여 설치하게 되면 영상고조파 전류가 발생하는 전력 계통 측에서 멀리 떨어지게 되어 영상고조파 필터의 효율도 낮아지질 수밖에 없었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 영상고조파 필터와 전력 계통을 연결하는 도선 상에 간단한 차단스위치를 구비하고 영상고조파 필터 내부의 온도에 따라 상기 차단스위치가 작동하도록 구성하여 영상고조파 필터가 과열되어 일정 온도 이상으로 상승하면 전력 계통과 연결되는 차단스위치가 개방되어 영상고조파 필터를 전력 계통에서 탈락시켜 영상고조파 필터의 작동을 중지시키고, 적정 온도 이하로 하강하면 다시 차단스위치를 연결하여 영상고조파 필터가 다시 작동되도록 하는 과부하 보호장치가 제안되었다.
그러나 이러한 종래의 영상고조파 필터의 과부하 보호장치는 이미 영상고조파 필터에 과부하가 걸려 위험이 발생한 상태에서 사후 대책을 마련한 것뿐이며, 더욱 중요하게는 전력 계통에서 영상고조파 필터가 탈락되어 작동을 중단하고 있는 동안에는 계통에서 발생되는 영상고조파 전류를 전혀 처리하지 못하고, 이로 인해 다량의 영상고조파 전류가 중성선을 통해 그대로 부하 측으로 흐르게 되어 영상고조파 전류로 인한 문제점이 발생하게 될 위험이 높았다.
한편, 부하의 불균형과 비선형 부하장치의 증가로 인한 3상 4선식 전력계통의 중성선에 불평형 전류와 영상고조파 전류가 다량으로 발생할 가능성이 매우 높은 것이 현대의 전력 사용 실태이다. 이에 따라, 불평형 전류와 영상고조파 전류 등 중성선에 의한 무효전력이 발생할 확률이 매우 높음에도 불구하고, 종래의 수배전반 등 각종 배전 설비는 3상의 각 위상선만 각종 계측 장치 등을 이용하여 상태를 감시하거나 그에 대처하여 왔을 뿐이었고, 중성선에서 발생하는 무효전력에 대하여는 전혀 점검하고 대비할 수 없는 문제점이 있었다.
한편, 수배전반의 내부 배전 선로를 구성하는데 있어서는 일반적인 전력 케이블을 대신하여 부스바를 주로 사용하는데, 상기 부스바는 금속 재질의 넓고 긴 평판 형태를 이루고 있어 방열 효과가 크고 표면적이 넓어 도체의 표면에 흐르는 고주파 교류 전류의 임피던스를 낮출 수 있기 때문이다.
종래의 부스바는 전체가 구리 또는 알루미늄의 단일 재질의 판상으로 구성되거나, 비용과 강성을 고려하여 알루미늄에 구리를 코팅하여 구성되기도 하였다. 이와 같은 형태의 종래 부스바를 3상 4선식 전력 계통에 사용하는 경우, 중성선에는 앞서 상술한 바와 같이 3상의 각 위상선의 불균형 전류 및 영상고조파 전류가 중첩되어 흐르는 경우가 발생할 수 있어서 중성선 상의 부스바는 각 위상선 상의 부스바보다 2 ~ 3 배의 수용 용량을 가지는 것을 사용하여야 안정적으로 운용할 수 있다.
따라서, 종래의 부스바로 중성선 상의 부스바에 요구되는 수용 용량을 맞추기 위해서는 단면상 그 너비나 두께 등을 3상의 각 위상선 상의 부스바보다 넓거나 두껍게 형성하여 상호 다른 규격으로 제조할 수 밖에 없었고, 이에 따라 배전반 등의 중성선 상의 각종 설비를 3상의 각 위상선상의 설비와는 별도의 규격으로 제조하거나 조정해주어야 하는 번거롭고 비효율적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로써,
본 발명의 목적은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반의 저압반에 능동형 영상고조파 필터를 내장하여 설치하고 상기 능동형 영상고조파 필터에 과부하가 걸리는 것을 미연에 방지하는 장치를 부가하여 구성한 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반의 저압반에 설치된 능동형 영상고조파 필터에 다량의 영상고조파 전류가 유입되어 과열 등으로 인하여 전력 계통에서 물리적으로 탈락되어 작동이 중단되는 일이 없이 연속적으로 영상고조파 전류를 저감하는 기능을 수행할 수 있는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반에 있어서 3상의 각 위상선뿐만 아니라 중성선 상에 유입되는 전류 등을 계측하여 무효전력의 발생을 감시하고 외부에 그 상태를 표시할 수 있는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반에 사용되는 부스바에 있어서 3상의 각 위상선 상의 부스바와 비교하여 그 단면상 너비와 두께 등 외형은 동일하되 그 수용 용량은 2 ~ 3배에 달하는 중성선 상의 부스바가 설치되어 있는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반은, 변압기를 기준으로 고압반과 저압반으로 구성되는 3상4선식 전력 계통의 수배전반에 있어서 상기 저압반에 연결되어 위치하며, 상기 저압반의 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 저감하는 능동형 영상고조파 필터; 및 상기 능동형 영상고조파 필터의 상태 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 측정된 정보를 수신하여 분석하고 PWM 신호를 생성하는 제어부와, 상기 제어부로부터 수신한 PWM 신호에 따라 상기 능동형 영상고조파 필터와 상기 저압반의 연결단을 PWM 신호의 주기에 따라 개폐를 반복하는 개폐구동장치로 구성되는 과부하 예방장치를 포함하여 구성되어, 상기 능동형 영상고조파 필터가 수배전반 계통에서 과부하로 인해 탈락됨이 없이 연속적으로 영상고조파 전류 저감 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 능동형 영상고조파 필터는 상기 저압반의 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 구성되는 지그재그 결선 변압기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 검출부에서 측정된 상태 정보를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 AD 변환장치와, 상기 AD 변환장치로부터 디지털 신호를 수신하여 처리하는 중앙처리장치와, 상기 중앙처리장치로부터 명령을 받아 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개폐구동장치는 상기 제어부에서 생성된 PWM 신호의 주기에 따라 계폐동작을 반복하는 무접점 반도체 스위칭 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 검출부는 상기 능동형 영상고조파 필터의 온도를 측정하여 상태 정보를 검출하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 미만인 경우에는 상기 제어부에서 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하고, 상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 이상 95℃ 미만인 경우에는 상기 검출부에서 측정된 온도에 따라 상기 제어부에서 계산된 0 초과 1 미만의 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하도록 한다.
이때, 상기 제어부에서 생성된 PWM 신호의 작동비가 0 초과 0.3 미만인 경우에 상기 제어부로부터 신호를 수신하여 계통에 다량의 영상고조파 전류가 유입됨을 수배전반 외부에 현출하여 표시하는 위험표시부를 함께 구성할 수 있다.
한편, 상기 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 상기 저압반의 중성선 상에 인가되는 전압과 전류 등의 정보를 획득하여 중성선 상의 전력량과 역률, 무효 전력 등을 계측하는 중성선 감시부를 더 구성할 수 있으며, 또한, 상기 중성선 감시부에서 획득되고 계측된 각종 정보를 수배전반 외부에 현출하여 표시하는 중성선 상태표시부도 함께 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에 사용되는 부스바 중에서 중성선 상의 부스바는 다수개의 금속판을 적층하여 형성하는데, 이때 3상의 각 위상선 상의 다른 부스바와 단면에서 보았을 때 너비와 두께가 동일하도록 제조하여 외형상 구별이 없도록 하는 것이 좋다.
본 발명은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반의 저압반에 내장되어 설치되어 있을 뿐만 아니라 과부하가 걸리는 것을 미연에 방지할 수 있도록 구성된 능동형 영상고조파 필터로 인하여 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 효율적으로 저감하고 과부하로부터 상기 능동형 영상고조파 필터를 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반의 저압반에 내장되어 설치되어 있는 능동형 영상고조파 필터로 유입되는 영상고조파 전류량을 조절하여 상기 능동형 영상고조파 필터가 과열 등으로 인하여 전력 계통에서 탈락됨이 없이 연속적으로 영상고조파 전류 저감기능을 수행하여 전력 계통을 효율적으로 보호할 수 있는 다른 장점이 있다.
또한, 본 발명은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반에 있어서 3상의 각 위상선은 물론이고 중성선 상에 유입되는 전류 등을 계측하여 무효전력의 발생을 감시함으로 인하여 전체 전력 계통의 역률 개선의 대책을 수립하는 데에 도움을 주고 수배전반의 상태를 파악하는데 용이한 또 다른 장점이 있다.
또한, 본 발명은 3상 4선식 전력 계통의 수배전반에 사용되는 중성선 상의 부스바에 있어서 다수의 금속판을 적층하여 형성함으로 인하여 각 위상선 상의 부스바와 비교하여 너비와 두께 등 외형은 동일하지만 그 수용 용량은 2 ~ 3배에 이르도록 하여, 각종 설비를 별도로 제조하거나 재조정할 필요가 없이 공통적으로 사용할 수 있어 효율적일 뿐만 아니라 계통을 안정적으로 보호할 수 있는 또 다른 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터 및 과부하 예방장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개폐구동장치의 회로도이다
도 4는 일반적인 구형파의 파형도이다.
도 5는 톱니파와 정현파를 이용하여 생성한 펄스 폭 변조 신호의 파형도이다.
도 6은 온도에 따른 특정 작동비를 가지는 PWM 신호와 이에 대응하여 유입이 제어되는 영상고조파 전류의 파형도이다.
도 7은 다른 온도에 따른 특정 작동비를 가지는 PWM 신호와 이에 대응하여 유입이 제어되는 영상고조파 전류의 파형도이다.
도 8은 온도에 대한 PWM 신호의 작동비의 변화도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 과부하 예방장치의 제어 순서도이다.
도 10(a)는 3상의 각 위상선 상의 부스바의 단면 사시도이고, 도 10(b)는 본 발명의 일실시예에 의한 중성선 상의 부스바의 단면 사시도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 수배전반은 크게 변압기를 기준으로 발전소나 변전소로부터 특고압의 전력을 송전받아 처리하는 고압반(A)과 변압기에 의해 실사용 전력으로 변환된 전력을 처리하는 저압반(B)으로 구분된다.
이때, 상기 고압반과 저압반에는 각종 개폐기, 차단기, 측정 장치 등이 구비되어 있는데, 도 1에 개시되어 있는 장치를 중심으로 수배전반에 일반적으로 설치되는 각종 장치를 간단히 살펴보도록 한다.
ALTS는 자동부하절환개폐기(Automatic Load Transfer Switch)로써 전력 공급원으로부터 이중 전원을 확보하여 주전원 정전시 또는 주전원의 전압이 기준치 이하로 떨어지는 경우에 예비전원 측으로 자동으로 절환함으로써 항상 일정한 전원을 공급받을 수 있도록 하는 장치이다.
LBS는 부하개폐기(Load Breaker Switch)로써 수배전 설비의 인입구 개폐기로 많이 사용되는 장치이며, 부하전류 차단기의 역할 뿐만 아니라 전력 퓨즈와 조합하여 설치되어 어느 한 상의 전력 퓨즈가 끊어지는 경우 다른 상 모두 자동 트립하여 결상을 방지하는 역할을 수행하게 된다.
PF는 전력 퓨즈(Power Fuse)로써 고압 및 특고압 기기의 단락 보호용 퓨즈이며, 높은 아크 저항을 발생하여 단락 전류를 강제적으로 한류 억제해서 차단하는 한류형 퓨즈가 많이 사용된다.
LA는 피뢰기(Lightening Arrester)로써 낙뢰 등과 같은 외부의 이상전압 침입시 전기설비 및 선로의 보호를 위하여 내부로 침입하는 이상전압을 대지로 방전시킨 후 신속히 정상적인 상태로 자동 복귀하는 장치이다.
MOF는 계기용 변성기(Metering Out Fit)로써 전기 사용량을 측정하기 위한 장치로, 계기용 변압기와 계기용 변류기를 조합하여 한 곳에 내장하고 적산 전력량계를 통하여 정확한 전기 사용량을 계산하게 된다.
UVR은 부족전압계전기(Under Voltage Relay)로써 선로에 가해지는 전압이 정상치보다 낮을 경우에 차단기를 개방하여 부하나 선로를 보호하는 장치로, 주로 정전 후 복귀되었을 때에 전력의 돌발 재투입을 방지하기 위해서 설치된다.
OCR은 과전류 계전기(Over Current Relay)로써 선로에 흐르는 전류가 정상치를 초과하였을 경우에 차단기를 개방하여 부하나 선로를 보호하는 장치이다.
OCGR은 과전류 지략 계전기(Over Current Ground Relay)로써 선로나 부하의 지락사고 발생시 발생되는 지략 전류를 검출하여 차단기를 개방하여 선로를 차단하는 장치이다.
도면에는 개시되어 있는 상기 UVR, OCR, OCGR 이외의 보호 계전기로써 OVR(과전압 계전기, Over Voltage Relay), OVGR(과전압 지략 계전기, Over Voltage Ground Relay) 등 또한 사용될 수 있는데, 상기 OCR, OCGR과 유사한 장치이지만 전류 대신 전압에 반응하여 동작하게 된다.
PT는 계기용 변압기(Potential Transformer)로써 고압의 전력의 경우에는 전압계 등을 이용하여 직접적으로 계측할 수 없기 때문에 간접적으로 계측할 수 있도록 저압의 전력으로 강압하여 전압계, 전력계, 역률계 등에 계기용 전압으로 사용할 수 있게 하는 장치이다.
CT는 계기용 변류기(Current Transformer)로써 PT에서와 마찬가지 이유로 대전류를 소전류로 변성시켜 전류계, 전력계 등에 계기용 전류로 사용할 수 있게 하는 장치이다.
상기 PT와 CT에 연결되는 측정 계기로는 전압계(V), 전류계(A), 전력계(KW), 역률계(PF), 주파수계(F) 등이 있다.
VCB는 진공차단기(Vacuum Circuit Breaker)로써 고압 선로의 차단을 고진공의 용기 내에서 접점을 개폐하여 실행하는 장치로, 진공 중의 아크 소호능력을 이용하여 매우 높은 절연내력을 지니는 차단기이다.
ACB는 기중차단기(Air Circuit Breaker)로써 전기회로의 접촉자간 개폐 동작이 대기 중에서 행해지는 차단기로, 선로 개폐시 발생되는 아크는 대기로 소호되는 장치이다.
MCCB는 배선용 차단기(Molded Case Circuit Breaker)로써 개폐기구, 트립장치 등을 절연물 용기 내에 일체로 조립한 저압용 차단기로, 통전 상태의 전로를 수동으로 또는 과부하나 단로 등의 이상상태 발생시 자동으로 전류를 차단하는 장치이다.
ATS는 자동 절환 개폐기(Automatic Transfer Switch)로써 정전 사고가 발생한 경우 저압반의 중요 부하에 비상전원을 공급하기 위하여 비상 발전기가 가동되면 자동적으로 주전력 공급원 측에서 비상 발전기 측으로 스위치가 절환되어 각종 부하에 비상전원이 공급되도록 한다.
SC는 진상콘덴서(Static Condenser)로써 전압과 전류의 위상차에 의하여 발생한 무효전류로 인하여 감소된 부하의 역률을 보상하기 위한 장치이다.
ZCT는 영상변류기(Zero Current Transformer)로써 부하기기에 지락사고가 발생하였을 경우에 흐르는 지락전류를 검출하는 장치로, 지락계전기와 조합하여 회로를 차단할 수 있게 된다.
ELD는 누전경보기(Earth Leakage Detector)로써 지락사고가 발생하였을 경우에 부하기기 등에 발생하는 고장전압 또는 지락전류를 검출하여 경보를 나타내는 장치이다.
TR은 변압기(Transformer)로써 철심과 권선을 가지고 전자유도작용으로 배전전압을 부하에 적당한 전압으로 변환하는 장치이다.
본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반은 상기와 같은 장치와 함께 능동형 영상고조파 필터, 과부하 예방장치 및 중성선 감시부로 구성되어 있다.
먼저 능동형 영상고조파 필터와 과부하 예방장치를 살펴보도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터 및 과부하 예방장치의 구성도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 개폐구동장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터는 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되어 있는 지그재그 결선 변압기(100)로 구성되어 있으며, 과부하 예방장치(200)는 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도를 측정하는 검출부(210)와, 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도에 따른 PWM 신호를 생성하는 제어부(220), 및 PWM 신호에 의해 동작하는 개폐구동장치(230)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 능동형 영상고조파 필터는 상기 수배전반 저압반 초입의 기중차단기(ACB)와 저압반 말단의 배전 분기점 사이의 임의의 일 지점에 위치하여 상기 수배전반과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 수배전반의 외부에 장착할 수도 있지만 상기 수배전반의 내부에 내장되어 장착되는 것이 영상고조파 전류의 발생원에서 가까워져 효율적인 측면에서 좋은 것은 물론이다.
본 발명의 일실시예에서는 3상의 각 위상선과 중성선에 지그재그 결선되어 구성되는 지그재그 결선 변압기(100)를 이용하여 능동형 영상고조파 필터가 개시되어 있지만, 수배전반에 내장되어 설치가 가능하며 영상고조파 전류를 효율적으로 저감할 수 있는 장치이면 어떤 것이든 영상고조파 필터로 사용할 수 있는 것은 물론이다.
상기 지그재그 결선 변압기(100)에 대해서 살펴보면, 상기 지그재그 결선 변압기(100)는 동일 철심에 2개의 권선을 반대방향으로 감은 것으로서 철심 a의 1번 권선은 직렬로 철심 c의 6번 권선에 연결되어 있고, 철심 b의 3번 권선은 직렬로 2번 권선에 연결되어 있으며, 철심 c의 5번 권선은 4번 권선에 연결되어 있는 구조이다. 이런 지그재그 결선 구조를 이루어 1번 권선은 자기적으로 2번 권선과 결합되고, 3번 권선은 자기적으로 4번 권선과 결합되며 5번 권선은 자기적으로 6번 권선과 결합되어 있다.
상기 지그재그 결선 변압기(100)를 이용한 능동형 영상고조파 필터의 기본 원리를 전압 관계식으로 나타내보면, 먼저 상기 지그재그 결선 변압기(100)에서 각 권선은 일반적으로 동일한 권선수를 가지므로 각 권선의 전압은 다음 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서 Va1, Vb3, Vc5는 각 3상의 1차측 권선 전압이며 Va2, Vb4, Vc6은 2차측 권선 전압을 나타내며, Vm1에서 Vm은 기본파 전압의 크기이고 아래첨자 1은 차수를 표시한다.
이를 이용하여 중성선에 대한 각 상의 전압을 구하면 다음 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
위의 수학식 2에서 알 수 있듯이 중성선에 대한 각 상의 전압 중에서 영상고조파 성분의 전압 Vm3은 상쇄되어 제거되었다. 즉, 부하에서 발생되는 영상고조파 전류는 상기 지그재그 결선 변압기(100)에 완전히 흡수되어 저감되고, 상기 지그재그 결선 변압기(100)는 이론적으로 영상 임피던스가 0이 되는 것이다.
한편, 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 구성된 능동형 영상고조파 필터에는 상기 과부하 예방장치(200)가 장착되는데, 상기 과부하 예방장치(200)는 검출부(210), 제어부(220), 및 계폐구동장치로 구성되어 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류를 제어하여 과부하가 걸리는 것을 미연에 방지하는 역할을 한다.
이때, 상기 검출부(210)는 상기 지그재그 결선 변압기(100)에 걸리는 부하량을 검출하는 역할을 하는데, 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도, 바람직하게는 지그재그 결선 변압기(100)의 철심이나 권선의 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 지그재그 결선 변압기(100)에 어느 정도의 부하가 걸려 있는지 간접적으로 판단하는 것이 좋다.
왜냐하면 상기 검출부(210)에서 직접적으로 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류를 측정하도록 구성하는 것도 가능하지만, 본 실시예에서와 같이 온도를 측정하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 상태를 간접적으로 검출하도록 하는 것이 보다 소형으로 장치를 구성할 수 있어 수배전반 내부에 상기 능동형 영상고조파 필터를 장착하는데 용이하기 때문이다.
한편, 상기 제어부(220)는 상기 검출부(210)로부터 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도 정보를 수신하여 이에 대응하는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 이하 PWM이라 칭한다.) 신호를 생성하는 역할을 한다.
우선 펄스 폭 변조에 대하여 살펴보도록 한다.
도 4는 일반적인 구형파의 파형도인데, 펄스 폭 변조란 도 4에 도시된 것과 같이 고레벨 상태와 저레벨 상태가 시간에 따라 주기적으로 반복되는 구형파에서 한 주기의 경과 시간은 동일하게 유지하면서 고레벨 상태와 저레벨 상태의 유지 시간의 비율에 변화를 가하여 결과적으로 구형파의 평균값의 변화를 가져오게 하는 변조방식이다.
이와 같은 펄스 폭 변조에서는 구형파의 평균값에 영향을 끼치는 고레벨 상태와 저레벨 상태의 비율이 중요한데, 이를 나타내는 지표로 작동비(Duty Ratio)라는 개념을 주로 사용한다. 이때, 작동비는 구형파의 한 주기(T) 동안 고레벨 상태가 유지되는 시간(DT)의 비(D)로 정의되고, 따라서 구형파의 작동비가 커지면 고레벨 상태가 유지되는 시간이 길어지므로 구형파의 평균값은 증가하게 되며, 역으로 구형파의 작동비가 작아지면 고레벨 상태가 유지되는 시간이 짧아지므로 구형파의 평균값은 감소하게 된다.
도 5에는 톱니파와 기준파를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 간단한 방법이 개시되어 있다. 즉, 콤퍼레이터 회로의 양 입력단에 톱니파와 기준파를 입력하고 두 파를 비교하여 기준파가 톱니파보다 큰 값을 가지는 경우에는 콤퍼레이터 회로의 출력단에서 고레벨 상태의 수평 직선파를 출력하고, 기준파가 톱니파보다 작은 값을 가지는 경우에는 콤퍼레이터 회로의 출력단에서 저레벨 상태의 수평 직선파를 연속적으로 출력하여 PWM 신호를 생성하게 된다.
도 5에서는 정현파를 기준파로 사용하여 작동비가 계속하여 변화하는 PWM 신호가 생성되는 것을 나타나 있지만, 기준파로 일정한 값을 가지는 수평 직선파를 이용하는 경우에는 일정한 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성할 수 있고, 이 경우 입력되는 수평 직선파의 값을 변화시킴으로써 출력되는 PWM 신호의 작동비를 임의로 결정할 수 있게 된다.
이와 같은 특정의 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 역할을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 제어부(220)는 AD 변환장치(221), 중앙처리장치(222), 및 PWM 발생장치(223)로 구성된다.
이때 상기 AD 변환장치(221)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 장치로 다양한 분야에서 일반적으로 널리 쓰이고 있는 장치와 동일하며, 상기 검출부(210)에서 검출된 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도 정보를 수신하여 디지털 신호로 변환하게 된다.
상기 중앙처리장치(222)는 상기 AD 변환장치(221)로부터 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도 정보를 나타내는 디지털 신호를 입력받아 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 상태를 분석하고 그 대응하는 PWM 신호의 알맞은 작동비를 계산하여 상기 PWM 발생장치(223)로 전달하는 역할을 한다.
상기 PWM 발생장치(223)는 기준파로 수평 직선파를 이용하여 일정한 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하되 수평 직선파의 값을 필요에 따라 즉시 변화시켜 작동비를 임의로 조절할 수 있도록 구성하여, 상기 중앙처리장치(222)에서 결정된 작동비를 전달받아 즉시 상기 작동비를 가지는 PWM 신호를 연속적으로 생성할 수 있도록 한다.
한편, 상기 PWM 발생장치(223)에서 생성된 PWM 신호는 상기 개폐구동장치(230)로 입력되는데, PWM 신호가 고레벨 상태에 있으면 상기 개폐구동장치(230)는 연결 상태를 유지하고 PWM 신호가 저레벨 상태에 있으면 개방 상태를 유지하도록 구성된다. 즉 PWM 신호가 고레벨 상태이면 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 영상고조파 전류가 유입되고 PWM 신호가 저레벨 상태이면 영상고조파 전류가 유입되지 않으므로, 이러한 연결과 개방을 순간적인 PWM 신호의 주기에 따라 연속적으로 반복함으로 인하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류를 제어할 수 있게 된다.
상기 개폐구동장치(230)는 스위칭소자와 구동 회로로 구성되는데, 이와 같은 순간적인 개폐동작을 연속적으로 반복하기 위해서는 MOSFET이나 BJT 등과 같은 반도체를 이용한 무접점 반도체 스위칭소자를 이용하여 구성하는 것이 바람직하며, 이는 상기 능동형 영상고조파 필터를 소형화하여 수배전반 내부에 장착할 수 있도록 하는 데도 도움이 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개폐구동장치(230)의 회로도인데, 현재 스위칭소자로 많이 사용되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터)를 이용한 개폐구동장치(230)가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐구동장치(230)는 포토커플러(231)와, 두 개의 트랜지스터로 이루어진 버퍼단(232), 바이어스 전원(Vcc) 및 게이트 저항(R4, R5)과 IGBT(233)를 포함하여 구성된다.
상기 포토커플러(231)에는 상기 PWM 발생장치(223)에서 생성된 PWM 신호가 입력되는데, PWM 신호가 고레벨 상태에 있으면 상기 포토커플러(231)가 턴온되며 저레벨 상태에 있으면 턴오프된다. 상기 포토커플러(231)가 턴온 상태에 있으면 상기 바이어스 전원(Vcc)으로 인해 상기 버퍼단(232)의 트랜지스터의 게이트로 전압이 인가되어 트랜지스터가 턴온되며, 상기 버퍼단(232)의 트랜지스터가 턴온되면 다시 상기 바이어스 전원(Vcc)으로 인해 상기 IGBT(233)의 게이트로 전압이 인가되어 상기 IGBT(233)가 턴온되어 상하 연결단을 연결하게 된다. 그러나 상기 포토커플러(231)가 턴오프 상태에 있으면 상기 버퍼단(232)의 트랜지스터도 턴오프되며 따라서 상기 IGBT(233)도 턴오프되어 상하 연결단이 개방 상태에 있게 된다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터 및 과부하 예방장치(200)의 작동을 살펴보도록 한다.
3상4선식 전력 계통의 수배전반에 영상고조파 전류가 발생하여 중성선으로 유입되면 계통보다 영상 임피던스가 낮은 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 영상 고조파전류가 흡수되어 영상고조파 전류가 저감되게 된다. 이때, 상기 검출부(210)에서는 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도를 실시간으로 측정하여 온도 정보를 검출하고, 상기 검출부(210)에서 검출된 온도 정보는 상기 AD 변환장치(221)를 통해 디지털 신호화되어 상기 중앙처리장치(222)로 전달된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 과부하 예방장치(200)의 제어 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에서는 이와 같이 영상고조파 전류가 유입되어 작동함에 따른 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도를 다음의 세 가지 구간으로 나누어 대응을 하게 된다.
첫 번째 구간은 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 70℃ 미만인 경우인데 그 하한 온도는 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 주변 환경에 따라 가변하므로 특정할 수 없으며, 이 구간에서는 상기 지그재그 결선 변압기(100)가 지극히 정상적으로 동작하고 있는 것으로 별다른 제어가 요구되지 않는다.
두 번째 구간은 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 70℃ 이상 95℃ 미만인 경우인데, 이 구간에서는 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 더 이상 상승하지 않도록 하는 제어가 필요한 구간이다.
세 번째 구간은 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 95℃ 이상인 경우인데, 이 구간은 상기 지그재그 결선 변압기(100)가 정상적으로 작동하는 한계를 초과한 경우 이므로 수배전반 계통 전체를 점검해야하는 등 특별한 조치가 필요한 구간이다.
중성선에 적은 양의 영상고조파 전류가 유입되는 경우에는 상기 지그재그 결선 변압기(100)에서 저감되어 처리되는 용량이 적으므로 상기 검출부(210)에서 측정되는 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도는 70℃ 미만일 것이다. 이와 같이 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 첫 번째 구간 내에 있는 것으로 검출되면 상기 중앙처리장치(222)는 상기 PWM 발생장치(223)로 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하도록 명령한다.
작동비가 1인 PWM 신호는 항상 고레벨 상태를 갖는 구형파이므로 직선파와 마찬가지이다. 따라서 상기 PWM 발생장치(223)로부터 작동비가 1인 PWM 신호를 전달받은 상기 개폐구동장치(230)는 계속하여 연결 상태를 유지하게 되고 중성선으로 유입되는 모든 영상고조파 전류를 상기 지그재그 결선 변압기(100)가 저감할 수 있게 된다.
한편, 다량의 영상고조파 전류가 발생하여 중성선으로 유입되기 시작하면 상기 지그재그 결선 변압기(100)에서 저감되어 처리하여야 하는 양이 증가하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 점차 상승하게 될 것이다.
상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 어느 정도 상승하여 70℃ 이상 95℃ 미만으로써 두 번째 구간에 있는 것으로 검출되는 경우에, 상기 중앙처리장치(222)는 상기 PWM 발생장치(223)로 0 보다 크고 1 보다 작은 범위에서 온도에 따른 특정한 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하도록 명령한다. 작동비가 0보다 크고 1보다 작은 PWM 신호는 작동비에 따라 고레벨 상태와 저레벨 상태가 주기적으로 반복되는 일반적인 구형파를 형성하므로 이와 같은 PWM 신호를 입력받은 개폐구동장치(230)는 연결과 개방 동작을 순간적인 PWM 신호의 주기에 따라 연속적으로 반복하게 된다.
즉, PWM 신호가 고레벨을 유지하는 순간에는 상기 개폐구동장치(230)가 상기 지그재그 결선 변압기(100)와 3상의 연결단을 연결하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 영상고조파 전류가 유입되게 하고, PWM 신호가 저레벨을 유지하는 순간에는 상기 개폐구동장치(230)가 상기 지그재그 결선 변압기(100)와 각 상의 연결단을 개방하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 영상고조파 전류가 유입되지 않게 한다. 특정 작동비를 가지는 PWM 신호와 이에 따라 영상고조파 전류의 유입이 제어되는 관계는 도 6에 잘 나타나 있다.
이와 같이 온도에 따른 특정한 작동비를 가지는 PWM 신호에 의해 상기 개폐구동장치(230)가 연결과 개방을 계속하여 반복함으로써 전체적으로 상기 지그재그 결선 변압기(100)로의 영상고조파 전류의 유입을 제어하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도를 낮출 수 있게 된다.
이후 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류를 제어함으로 인하여 상기 검출부(210)에서 측정되는 온도가 70℃ 미만으로 하강하여 첫 번째 구간에 있는 것으로 검출되는 경우에 상기 중앙처리장치(222)는 다시 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하도록 PWM 발생장치(223)로 명령을 하게 되며, 상기 지그재그 결선 변압기(100)로의 영상고조파 전류의 유입을 제어하지 않고 모든 영상고조파 전류를 저감하도록 한다.
하지만, PWM 신호를 이용하여 영상고조파 전류의 유입을 제어하였음에도 온도가 계속하여 70℃ 이상을 유지하고 있는 경우에는 우선 먼저 측정한 온도와 현재 측정한 온도를 비교하여 동일한지, 상승하였는지, 아니면 하강하였는지를 상기 중앙처리장치(222)에서 판단한다.
이와 같이 비교 판단한 결과 먼저 측정한 온도와 동일하거나 오히려 먼저 측정한 온도보다 상승한 경우에는, 이전보다 더 낮아진 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하도록 상기 중앙처리장치(222)에서 상기 PWM 발생장치(223)로 명령하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류가 더욱 감소되도록 한다. 즉, 예를 들어 도 6에서와 같은 특정 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하여 영상고조파 전류의 유입을 제어하고 있었는데, 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 이전과 동일하거나 오히려 상승한 경우에는 도 7에서와 같이 더 작은 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하여 영상고조파 전류의 유입을 더욱 제어하여 온도가 하강하도록 유도하는 것이다.
다음 경우로 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 여전히 70℃을 유지하고 있지만 먼저 측정한 온도와 비교하여 하강한 경우에는, 이전의 작동비를 계속적으로 유지하도록 하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 계속 하강하여 70℃ 미만의 첫 번째 구간으로 진입할 수 있도록 한다. 이 경우에 온도가 하강한 비율을 고려하여 이전보다 조금 큰 작동비를 가지도록 하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류가 조금 증가하도록 할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예는 상기 지그재그 결선 변압기(100)에 과부하가 걸려서 온도가 상승하는 것을 미연에 억제하도록 미리 PWM 신호의 작동비를 조절하여 유입되는 영상고조파 전류를 제어하는 것이므로, 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도에 따른 작동비가 매우 중요한 역할을 하며, 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 상승하면 PWM 신호의 작동비는 작아지게 되고 온도가 하강하면 작동비는 커지게 되는데 이와 같은 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도와 PWM 신호의 작동비의 대략적인 관계는 도 8에 잘 나타나 있다.
한편, 이와 같이 PWM 신호의 작동비를 조절하여 상기 지그재그 결선 변압기(100)로 유입되는 영상고조파 전류를 제어하는 도중 작동비가 계속 하강하여 0.3 미만의 값을 가지게 되는 경우가 발생할 수도 있다. 이 경우는 상기 지그재그 결선 변압기(100)에서 저감되어 처리되는 영상고조파 전류가 계통에서 발생되는 영상고조파 전류의 30% 미만에 불과하다는 의미인데, 일반적으로는 이러한 상태에 도달하지 않지만 계통에 이상이 발생한 경우나 부하의 증설로 상기 지그재그 결선 변압기(100) 용량의 한계에 가까워진 경우에는 이러한 상황이 발생할 수 있다.
이와 같은 위험상황을 방치하게 되면 상기 지그재그 결선 변압기(100)뿐만 아니라 수배전반 전체의 안전에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 이 같은 상황을 상기 수배전반의 관리자 또는 기타 관련자가 인식할 필요가 있다. 이를 위하여 상기 능동형 영상고조파 필터에 위험표시부(240)를 더 부가하여 구성함으로써 PWM 신호의 작동비가 0.3 미만인 경우 상기 중앙처리장치(222)에서 상기 위험표시부(240)로 신호를 보내어 상기 수배전반의 외부에 가시적으로 인식할 수 있는 표시를 하도록 하여 위험상황을 알리도록 한다.
그리고, 본 발명의 일실시예가 제대로 작동하고 있는 경우라면 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 온도가 95℃ 이상으로 상승하여 세 번째 구간으로 진입하는 경우는 거의 발생하지 않겠지만, 전력 계통의 이상이나 상기 지그재그 결선 변압기(100) 또는 상기 과부하 예방장치(200)의 고장으로 이러한 경우가 발생할 수도 있다. 이 경우에도 상기 위험표시부(240)를 통하여 상황을 외부에 현출하고 상기 지그재그 결선 변압기(100)의 작동을 중지시키거나 상기 수배전반 전체의 작동을 중지시킬 수도 있다.
다음으로 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반의 다른 일 구성요소인 중성선 감시부에 대해서 살펴보도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 중성선 감시부(300)는 중성선 상에 직렬 연결된 계기용 변류기와, 중성선 상에 병렬 연결된 계기용 변압기와, 상기 계기용 변류기와 계기용 변압기에 연결된 전류계, 전압계, 전력계, 역률계로 구성된다.
모든 전력 계통에 있어서 무효 전력의 발생과 이에 따른 역률의 감소는 매우 중요하고 시급한 사항인데. 3상 4선식 전력 계통에서는 특히 비선형 부하로 인해 발생되는 영상고조파 전류 또한 역률의 감소에 큰 영향을 미치는 한 요소이며 따라서 영상고조파 전류가 유입되는 중성선 감시의 중요성도 매우 크다고 할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반에서는 종래의 수배전반에서와 같이 3상의 각 위상선을 각종 계측기를 이용하여 감시하는 이외에 중성선 상태의 감시를 위하여 상기 중성선 감시부(300)를 더 구성하도록 한 것이다. 이때, 상기 중성선 감시부(300)를 구성하는 장치는 앞서 언급한 장치 이외에도 여러 가지 장치를 더 부가하여 다양한 정보를 습득할 수도 있으며, 전압이나 전류, 무효전력 등 각종 정보를 검출할 수 있는 장치이면 대체하여 어떤 것이든 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 중성선에 유입된 불평형 전류나 영상고조파 전류와 같은 중성선 전류와 중성선에서 발생하는 무효전력 등 상기 중성선 감시부(300)에서 계측되는 각종 정보를 수배전반 외부에 현출할 수 있도록 중성선 상태표시부를 더 구성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 중성선 상태표시부를 별도로 구성할 수도 있지만 상기 능동형 영상고조파 필터의 위험표시부(240)와 함께 사용되도록 구성할 수도 있다. 즉, 수배전반 외부에 액정표시장치(LCD)나 발광다이오드(LED) 디스플레이 등으로 이루어진 하나의 표시장치를 마련하고 필요한 정보를 수집하고 그것을 현출하여 상기 위험표시부(240)와 중성선 상태표시부의 역할을 하도록 할 수 있다. 물론 수배전반 전체의 상태를 외부에 현출할 수 있는 표시장치가 별도로 구성되어 있으면, 상기 표시장치를 통해 상기 위험표시부(240)와 중성선 상태표시부의 역할을 하도록 할 수도 있다.
다음으로 상기 수배전반 내부의 배전 선로를 구성하는 부스바 중에서 중성선 상의 부스바에 대해서 살펴 보도록 한다.
도 10은 부스바의 단면 사시도인데, 도 10(a)는 3상의 각 위상선 상의 부스바이고, 도 10(b)는 중성선 상의 부스바이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 중성선 상의 부스바는 다수개의 얇은 금속판이 적층되어 형성되어 있되 3상의 각 위상선 상의 부스바와 너비와 두께가 동일한 단면을 가지도록 형성되어 있다.
중성선 상에 영상고조파 전류가 유입되어 흐르는 경우에는 3상의 각 위상선 상의 전류보다 최대 3배의 전류가 중첩되어 흐르게 되므로, 일반적으로 중성선 상의 부스바를 단일 금속판으로 형성할 경우에는 각 위상선 상의 부스바보다 2 ~ 3 배 정도의 두께를 가지는 두꺼운 부스바를 사용하여야 무리 없이 중성선 전류를 수용할 수 있다.
여기에서 고주파를 가지는 교류 전류가 금속 등과 같은 도체에 흐르는 경우에는 표피효과(skin effect)가 나타나게 되는데, 표피효과란 고주파 교류 전류가 도체에 흐를 때 도체 단면 전체에 걸쳐 전류가 균일하게 흐르는 것이 아니라 표면 가까이에 집중되어 흐르게 되는 현상을 말한다. 즉, 아무리 두꺼운 도체라도 실질적으로는 도체 표면에서 일정한 깊이까지에만 전류가 집중되어 흐르게 되고, 도체의 표면적을 넓히면 전류의 수용 용량을 크게 할 수 있다. 이런 이유로 일반적으로 부스바는 표면적을 넓게 하기 위하여 판상을 하고 있는 것이다.
도 10(b)와 같이 중성선 상의 부스바를 단면상 너비가 a이고 두께가 d/4 인 금속판 4개를 적층하여 형성한 경우에는 단면상 너비가 a이고 두께가 d인 도 10(a)의 3상의 각 위상선 상의 부스바와 외형상으로는 동일하게 형성된다. 하지만 이와 같이 금속판을 적층하여 형성된 중성선 상의 부스바는 각 금속판마다 개별적으로 단위 길이당 (2a+d/2)의 표면적을 가지고 있으므로 전체 표면적은 단위 길이당 (8a+2d)가 되고, 따라서 3상의 각 위상선 상의 부스바의 전체 표면적인 단위 길이당 (2a+2d) 보다 훨씬 넓은 표면적을 가지게 되므로 표피효과에 의하여 전류의 수용 용량도 그만큼 커지게 된다.
따라서, 이와 같이 적절한 두께의 금속판을 다수개 적층하여 구성함으로써 3상의 각 위상선 상의 부스바와 외형상 동일하게 형성하면서도 3상의 각 위상선 상의 부스바의 전류 수용용량보다 2 ~ 3 배 큰 전류 수용용량을 가진 중성선 상의 부스바를 형성할 수 있게 되는 것이다.
이때, 부스바가 외형상 상호 동일하다는 것은 단면상으로 보았을 때 너비와 두께가 동일하다는 것을 의미하고 길이는 배전 선로를 어떻게 형성하느냐에 따라 차이가 날 수밖에 없을 것이며, 또한 동일하다는 것이 반드시 수치적으로 엄격하게 동일하다는 의미는 아니며 관련 기술분야의 일반적인 기술자가 보았을 때 허용되는 오차 범위 내에서 동일하다는 의미이다.
이와 같이 종래의 크고 두꺼운 부스바를 대체하여 다수 개의 금속판이 적층된 부스바로 중성선 상에 이용함으로써, 3상의 각 위상선과 중성선 상의 부스바의 너비나 두께가 다름으로 인하여 각종 장치를 각각의 너비와 두께에 맞추어 별도로 제작하거나 조정해 주어야 하는 경제적인 비효율과 번거로움을 피할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 - 지그재그 결선 변압기 200 - 과부하 예방장치
210 - 검출부 220 - 제어부
221 - AD 변환장치 222 - 중앙처리장치
223 - PWM 발생장치 230 - 개폐구동장치
231 - 포토커플러 232 - 버퍼단
233 - IGBT 240 - 위험표시부
300 - 중성선 감시부
A - 고압부 B - 저압부

Claims (11)

  1. 변압기를 기준으로 고압반과 저압반으로 구성되는 3상4선식 전력 계통의 수배전반에 있어서,
    상기 저압반에 연결되어 위치하며, 상기 저압반의 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 저감하는 능동형 영상고조파 필터; 및
    상기 능동형 영상고조파 필터의 상태 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 측정된 정보를 수신하여 분석하고 PWM 신호를 생성하는 제어부와, 상기 제어부로부터 수신한 PWM 신호에 따라 상기 능동형 영상고조파 필터와 상기 저압반의 연결단을 PWM 신호의 주기에 따라 개폐를 반복하는 개폐구동장치로 구성되는 과부하 예방장치를 포함하여 구성되어,
    상기 능동형 영상고조파 필터가 수배전반 계통에서 과부하로 인해 탈락됨이 없이 연속적으로 영상고조파 전류 저감 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동형 영상고조파 필터는 상기 저압반의 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 구성되는 지그재그 결선 변압기인 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출부에서 측정된 상태 정보를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 AD 변환장치와, 상기 AD 변환장치로부터 디지털 신호를 수신하여 처리하는 중앙처리장치와, 상기 중앙처리장치로부터 명령을 받아 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 개폐구동장치는 상기 제어부에서 생성된 PWM 신호의 주기에 따라 계폐동작을 반복하는 무접점 반도체 스위칭 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 능동형 영상고조파 필터의 온도를 측정하여 상태 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 미만인 경우에는 상기 제어부에서 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하고, 상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 이상 95℃ 미만인 경우에는 상기 검출부에서 측정된 온도에 따라 상기 제어부에서 계산된 0 초과 1 미만의 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부에서 생성된 PWM 신호의 작동비가 0 초과 0.3 미만인 경우에 상기 제어부로부터 신호를 수신하여 계통에 다량의 영상고조파 전류가 유입됨을 수배전반 외부에 현출하여 표시하는 위험표시부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저압반에 위치하여 중성선 상에 인가되는 전압과 전류 등의 정보를 획득하고 중성선 상의 전력량과 역률, 무효전력 등을 계측하는 중성선 감시부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중성선 감시부에서 획득되고 계측된 각종 정보를 수배전반 외부에 현출하여 표시하는 중성선 상태표시부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수배전반 중성선 상의 부스바는 다수개의 금속판을 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수배전반 중성선 상의 부스바는 3상의 각 위상선 상의 부스바와 단면상으로 너비와 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터가 구비된 수배전반.
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