KR20130132397A

KR20130132397A - 전력망 보호 시스템의 센싱 및 제어 전자장치

Info

Publication number: KR20130132397A
Application number: KR1020137003984A
Authority: KR
Inventors: 프레더릭 알. 팍스보그; 월라스 젠센; 테런스 알. 노; 크랙 에이드; 데이빗 블레이크 잭슨; 그렉 퍼츠; 게일 노드링
Original assignee: 엠프리머스, 엘엘씨
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-12-04
Also published as: IL224227A; JP2013539336A; EP2596561A2; BR112013001343A2; CA2805587A1; US8537508B2; MX2013000743A; AU2011282204A1; WO2012012517A2; WO2012012517A3; US20120019962A1; HK1186005A1; CN103201919B; CN103201919A; DK2596561T3; EP2596561B1; JP5901631B2; BR112013001343B1; AU2011282204B2; CA2805587C

Abstract

변압기에서 잠재적인 유해 고조파 및 직류 신호를 검출하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 이와 같은 시스템은 전력망 상의 하나 이상의 연결지점으로부터 이어지는 전기 신호선에 전기적으로 연결된 복수의 검출 컴포넌트, 및 복수의 임계값 검출기를 포함하며, 각 임계값 검출기는 검출 컴포넌트로부터 들어오는 신호와 임계값을 가지는 소정의 신호를 비교한다. 이 시스템은 복수의 검출기 각각으로부터 출력을 수신하고, 임계값 이상으로 검출된 신호에 대한 복수의 임계값 검출기 중 적어도 하나로부터 수신되는 지시에 대응하여 외부 컴포넌트를 구동하도록 구성된 컨트롤러를 또한 포함한다.

Description

전력망 보호 시스템의 센싱 및 제어 전자장치{Sensing and Control Electronics for a Power Grid Protection System}

본 발명은 일반적으로 고전압 변압기 보호 시스템에 관련되고, 특히 본 발명은 고전압 변압기, 전력설비, 전자장치, 컴퓨터 시스템에 이용될 수 있는 제어 시스템에 관련된다.

전자장치, 및 특히, 교류를 이용하여 동작하는 전자장치는 입력 신호 및 조건을 다양하게 한다. 종래방식에 있어서, 미국 내 교류장치는 소정의 크기(예컨대, 북 아메리카는 120볼트 또는 유럽은 240볼트)를 가진 60Hz의 전력선 소스(또는 유럽은 50Hz)를 수신한다. 이런 전력소스들이 어느 정도 상이할 수 있더라고, 특정 전류를 이용하기 위해 만들어진 장치들은 수신된 전력신호의 일부 경미한 변화를 다룰 수 있다.

몇몇 경우에 있어서, 전력신호는 외부조건 또는 고조파로 인해 크게 달라질 수 있다. 전력신호에 고조파 또는 의사-직류(quasi-direct current(DC))를 야기시킬 수 있는 외부조건은 자기폭풍 또는 전자장치의 영향을 포함한다. 이와 같은 이벤트들은 전력신호의 입력 전압 및 전류가 급격하게 변하도록 야기시키고, 전력신호를 수신하는 전자장치에도 잠재적인 손상을 야기시킨다. 고고도 전자기펄스(HEMP; high altitude electromagnetic pulse)와 관련된 E3 펄스 또는 자기폭풍은 고전압 전력생성, 전송 및 분배 시스템 컴포넌트(즉, 전력 전송선 및 전력 변압기)에서 자기유도전류(GIC; geomagnetic induced currents)로 불리는 DC 또는 의사-DC 전류를 유도한다. 이러한 DC전류는 전력 변압기 코어에서 반주기 포화를 야기시킬 수 있고, 이것은 결국 과도한 무효파워 손실, 과열(heating), 손상 및/또는 이와 같은 변압기의 고장을 야기시키는 결과를 만들 수 있고 특히 오래되고 좋지 않은 변압기에서는 더욱 그러하다. 또한, 반주기 포화는 초기 주파수(primary frequency; 50 또는 60Hz)의 고조파 생성을 야기시킬 수 있다. 이 고조파 성분은 전력 시스템 릴레이를 작동시키고(trigger), 이것은 요구된 보상 컴포넌트들을 분리시킨다. 결국 이것은 전력망의 국부 또는 넓은 영역 부분을 손상시킨다.

대략 지난 20년간, 전력 시스템에서 GIC 또는 HEMP(E3) 유도전류를 감소시키기 위한 몇몇 제안된 접근방식이 제안되었다. 이 솔루션들은 일반적으로 몇몇 형태 중 하나를 보인다. 제1솔루션은 유도 DC 전류에 용량성 회로를 이용하여 AC 접지 경로(grounding path) 및 블록을 동시에 제공하는 것이다. 이 솔루션은 일반적으로, 정상 접지된 변압기 연결 사이를 스위칭하는 것 및 용량성 회로를 통한 접지를 허용하는 스위치 세트를 포함한다. 이 솔루션은 의도하지 않게 변압기 중성선(transformer neutral)과 접지연결을 개방하는 것 또는 접지사고 조건을 핸들링 하기 위해 고가의 전자장치를 요구할 수 있다. 이 용량성 회로 솔루션은 현재 동작 파라미터와 비교하여 전력 시스템 릴레이 설정을 재조정하도록 요구할 수 있다.

제2솔루션은 변압기 중성선과 접지 연결 내의 DC 또는 의사-DC 전류로부터 잠재적인 유해(damaging) GIC 이벤트를 감소시키도록 이용되는 능동소자의 계속적인 사용을 포함한다. 이 솔루션은 일반적으로 고가의 전력 장비 및 지속적인 동작이 요구되고, 이와 같은 임의의 고장이 이 시스템을 불안정하게 만들 수 있다. 추가적으로, 이 솔루션인 초기에 전력 시스템에 설치되면, 많은 릴레이/브레이커(relays/breakers)에 대한 설정이 재조정되어야한다.

제3솔루션은 일반적으로 저항에 대한 접근방식을 이용하며, 고정값 저항이 변압기의 중성선과 접지연결 내의 DC전류를 감소시키기 위해 지속적으로 이용되고; 그러나 이 접근방식에서, 저항은 일반적으로 높은 저항값을 가져야 하고, DC 또는 의사-DC 중성선 전류를 감소시키기만 하고 제거하지 않는다. 추가적으로, 이러한 솔루션을 설치하는 동안, 전력 시스템의 릴레이 설정의 재조정이 요구될 수 있다. 전력 전달 시스템과 호환 가능한 안정적이고 저비용의 보호 회로를 제공하는 솔루션이 현재는 존재하지 않는다. 또한, 상당한 현장 정비를 요구하지 않는 이와 같은 보호 시스템을 제어하기 위한 안정이고, 테스트할 수 있는 시스템이 존재하지 않는다.

전력 시스템에서 GIC 또는 E3 유도전류를 감소시키거나 차단하기 위한 몇몇 제안된 접근방식이 제안돼왔다. 그러나 이 시스템들 중 어느 것도 잠재적으로 발생할 수 있는 유해한 결과의 다양한 종류를 처리하기 위한 종합적인 방안을 제공하지 못한다. 특히, GIC 또는 E3 이벤트의 존재를 센싱하고 DC 차단장치를 스위칭하여 고전압 변압기를 보호하는 센싱 및 제어 시스템을 이용하는 접근방식은 알려진바 없다.

이와 같은 기타 이유로 개선이 요구된다.

아래의 설명에 따라, 상술한 및 다른 이슈들이 아래의 설명에 적용될 수 있다:

제1측면에서, 전기보호회로에 이용하기 위한 센싱 및 제어 시스템이 개시된다. 이 시스템은 변압기 전력선에서 유해 고주파 및 DC 또는 의사-DC 전류 또는 EMP 및 IEMI 환경 이벤트를 검출하기 위해 구성된 복수의 검출 컴포넌트를 포함한다. 이 검출 컴포넌트는, 고조파 분석기, 변압기 중성선 및 접지 사이에 전기적으로 연결된 분류기(shunt resistor), 변압기(transformer) 중성선(neutral) 및 접지(ground) 사이에 전기적으로 연결된 홀효과 전류센서(Hall Effect current sensor) 및 차폐 인클로저(shielded enclosure)의 외부에 위치한 전자기장 검출기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 이 시스템은 검출 컴포넌트로부터의 신호와 조절 가능한 소정의 신호를 비교하기 위해 구성된 복수의 임계값 검출기를 더 포함하며, 상기 검출기 컴포넌트로부터의 신호가 소정의 신호값을 초과하면 상기 임계값 검출기는 신호 정보를 컨트롤러에 출력한다. 상기 컨트롤러는 차폐 인클로저 내에 위치하고, 상기 복수의 임계값 검출기 중 적어도 하나로부터 신호 정보를 수신함으로써 외부 검출회로 내에 정상 닫힘(normally closed) 스위치를 개방하도록 구성된다. 컨트롤러는 제어입력을 더 포함하며, 상기 제어입력은 차폐 인클로저로부터 원격의 전력 시스템 오퍼레이터로부터 수신된다. 컨트롤러는 하나 이상의 셀프 테스트 절차를 수행하도록 더 구성되고, 이 절차는 이 시스템이 정상적으로 작동하는지 결정하기 위해 잠재적인 유해 신호를 시뮬레이션 하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러는 차폐 인클로저(예컨대, 제어 시스템)로부터 원격의 전력 시스템 오퍼레이터로부터의 신호 수신에 응답하여 정상 닫힘 스위치를 개방하도록 구성된다. 이 시스템은 전자기 펄스(EMP) 및/또는 의도적인 전자기 방해(IEMI; Intentional ElectroMagnetic Interference)로부터 전자부품을 보호하기 위해 구성된 차폐 인클로저를 선택적으로 포함한다. 이와 같은 선택적인 구성에 있어서, 고주파, 고전력 전자기 신호가 차폐 인클로저로 들어가는 것 및 전자부품을 잠재적으로 손상시키는 것을 방지하기 위해 구성된 필터가 차폐 인클로저의 내측 주변부(inner periphery)를 따라서 위치된다.

제2측면에서, 전기보호회로에 이용하기 위한 센싱 및 제어 시스템이 개시된다. 이 시스템은 전자기 펄스(EMP) 및/또는 의도적인 전자기 방해(IEMI)로부터 전자부품을 보호하기 위해 구성된 차폐 인클로저를 포함한다. 필터는 차폐 인크로저의 내측 주변부를 따라서 위치되고, 고주파, 고전력 전자기 신호가 차폐 인클로저로 들어가는 것 및 전자부품에 잠재적으로 손상을 주는 것을 방지하도록 구성된다. 이 시스템은 차폐 인클로저 내에 위치한 적어도 하나의 고조파 분석기를 더 포함하고, 이 고조파 분석기는 변압기 전력선에서 유해 고조파를 검출하도록 구성된다. 이 시스템은 고조파 분석기로부터의 신호와 조절 가능한 소정의 신호를 비교하도록 구성된 적어도 하나의 임계값 검출기를 더 포함하고, 여기서 상기 임계값 검출기는 상기 고조파 분석기로부터의 신호가 상기 소정의 신호값을 초과하는 경우 신호 정보(signal indication)를 컨트롤러로 출력한다. 컨트롤러는 또한 차폐 인클로저의 내부에 위치하고, 컨트롤러는 상기 임계값 검출기 중 적어도 하나로부터의 신호 정보를 수신함으로써 외부 보호회로 내에 정상 닫힘 스위치를 개방하도록 구성된다. 컨트롤러는 제어입력을 더 포함하며, 제어입력은 차폐 인클로저로부터 원격의 전력 시스템 오퍼레이터로부터 수신된다.

제3측면에서, 변압기내 전력 고조파를 검출하는 방법이 개시된다. 이 방법은 차폐 인클로저 내에서 전력선 신호를 수신하는 단계, 상기 전력선 신호를 기초로 총고조파왜곡값(total harmonic distortion value)을 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 총고조파왜곡값을 임계값 검출기 내의 프리셋(preset) 임계값과 비교하는 단계 및 소정의 값 이상의 총고조파왜곡값을 검출한 경우, 스위치 제어 출력을 생성하는 단계를 더 포함하며, 여기서 스위치 제어 출력은 변압기 중성선 및 접지연결 사이에 위치된 정상 닫힘 스위치를 개방한다.

추가적인 측면에서, 센싱 및 제어 시스템을 셀프 테스트하기 위한 방법이 개시된다. 이 방법은 교류신호를 변압기에 적용하는 단계, 여기서 상기 교류신호는 상기 전력 시스템 주파수와 상이한 주파수를 가지고 있음, 및 공지의 교류 테스트 신호의 진폭 및 직류 차단 컴포넌트를 통한 전류 측정을 기초로 직류차단(DC) 컴포넌트의 차단 특성(blocking characteristic)(예컨대, 임피던스)의 기능 및 크기(functionality and magnitude)를 측정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 직류(DC)차단 컴포넌트의 정확한 동작을 판단하기 위해 직류(DC)차단 컴포넌트의 차단 특성의 크기와 기대값을 비교하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 고조파 테스트 신호를 전력선 신호에 적용하는 단계를 더 포함하고, 이 고조파 신호는 고조파 분석기에 관련된 임계값 검출기에 의해 정의된 프리셋(preset) 임계값 이상의 진폭을 가지며, 이 임계값은 진폭의 범위를 정의한다. 이 방법은 고조파 분석기가 고조파 테스트 신호의 존재를 검출했는지 여부를 판단하기 위해 고조파 분석기에서의 고조파 테스트 신호를 분석하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 변압기 중성선과 접지 사이에 흐르는 직류를 시뮬레이션하기 위해 직류(DC) 전압 신호를 변압기의 중성선에 적용하는 단계; 및 전자기(EM) 검출 신호를 적용하는 단계를 포함하며, 여기서 EM 신호는 임계값 검출기에 의해 정의된 프리셋 임계값보다 높은 진폭을 가지며, 이 임계값은 진폭의 범위를 정의한다.

본 발명에 따르면, 유해 전류를 센싱하고, 이러한 유해 전류로부터 전자장치를 보호하기 위해 전자장치를 제어하는 장치 및 방법이 제안된다.

도1은 고전압 변압기 환경의 예시적인 실시예와 연결된 센싱 및 제어 전자기기의 정면도이다.
도2는 본 발명의 제어 시스템 외부의 전기보호회로의 예시적인 실시예를 설명한다.
도3은 전기보호회로의 예시적인 실시예를 포함하는 연속된 접지 시스템에 연결된 센싱 및 제어 시스템의 예시적인 실시예를 설명한다.
도4는 외부 전자기장 검출기를 포함하는 차폐 인클로저 내에 구성된 센싱 및 제어 시스템의 예시적인 실시예이다.
도5는 차폐 인클로저 내에 구성된 센싱 및 제어 시스템의 예시적인 실시예이다.
도6은 센싱 및 제어 시스템내에 구성된 고조파 분석기의 예시적인 실시예이다.
도7은 센싱 및 제어 시스템 내에 구성된 고조파 분석기의 다른 예시적인 실시예이다.
도8은 센싱 및 제어 시스템내에 구성된 고조파 분석기의 다른 예시적인 실시예이다.
도9는 센싱 및 제어 시스탬 내에 구성된 임계값 검출회로의 예시적인 실시예를 설명한다.
도10은 셀프 테스트 기능을 포함하는 센싱 및 제어 전자장치의 예시적인 실시예이다.

일반적으로, 본 발명은 전력선에 고조파 성분을 야기시키는 유해(damaging) DC 또는 의사(quasi)-DC 전류를 센싱하는 단계 및 고전압 변압기 및 다른 전자부품을 상기 유해 DC 또는 의사-DC 전류로부터 보호하기 위해 전기보호회로 내 스위치 어셈블리를 제어하는 단계에 대한 방법 및 시스템을 설명한다. 큰 DC 중성선 전류 및 고조파 전압은 자기(태양)폭풍, 고고도전자기E3펄스(HEMP-E3) 또는 동일한 전력망 또는 국부 전력 회로 상에 있는 스위칭 전원장치, 아크용접장치, 플라즈마 절단(plasma cutting), 방전가공장치, 아크용접 램프 등과 같은 다른 전자장치의 결과일 수 있다. 전반적으로, 본 발명은 50Hz 또는 60Hz의 전력선 소스의 고조파 성분 및 잠재적인 유해 중성선 DC 전류를 센싱하고, 이와 같은 고조파 또는 DC 전류가 검출되면 전자장치가 보호 동작모드로 스위칭 되도록 제어하기 위한 시스템 및 방법을 설명한다.

GIC(태양폭풍) 및 EMP E3펄스로부터 고전압 전력 시스템의 보호는 전력선 신호 상의 유해 DC 전류 및 외부의 높은 전자기 이벤트를 센싱하는 시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 이 센싱 시스템은 고(high) 및 초고압 전력 변압기의 중성선 연결에서 DC전류의 존재를 검출하는데 이용되는 전자장치를 제공한다. 센싱 시스템은 고조파 또는 총고조파왜곡(HD 또는 THD) 센서를 더 포함할 수 있으며, 이 센서는 DC 전류 및 변압기권선 내 반파 포화(half wave saturation)에의해 야기된 전력선 신호 상의 고조파를 센싱한다. 센싱 시스템은 전자기장 검출기를 더 포함할 수 있으며, 이 전자기장 검출기는 외부의 전자기 펄스(EMP) 이벤트를 검출한다. 센싱 시스템은, 분류기를 통하는 전류를 계산하는 검출기 또는 변압기 중성선에 전기적으로 연결된 홀효과 전류센서를 더 포함할 수 있다. 본 발명은 제어 시스템을 더 포함하며, 이 제어 시스템은 전기보호회로 내에 구성된 DC 차단 어셈블리 내 스위치 어셈블리의 동작을 제어하도록 전기보호회로에 신호를 보낸다. 제어 시스템은 고전압 변압기를 지자기 및 EMP(E3펄스) 유도 전류로부터 보호하기 위해 전기보호회로 내 스위치를 제어한다. DC 차단 컴포넌트(하나 이상의 커패시터, 저항 또는 이들의 조합을 포함)는 고전력 시스템, 예컨대, "Y"자로 구성된 고(high) 변압기 또는 단권 변압기의 중성선에 무정전(uninterruptable) AC 접지 경로를 제공하기 위해 전기보호회로 내에 고정된다(hard wired). 정상동작에서, 제2병렬 접지 경로는 낮은 임피던스와 닫힌 스위치 어셈블리를 통해 표준 접지 경로를 제공한다.

도1은 본 발명의 특징에 따라 보호되는 예시적인 전자장치 및 본 발명의 특정 컴포넌트들의 물리적인 배치에 대한 정면도이다. 실시예에서, 전자장치의 일부로 나타나는 고전압 변압기(100)는 전기보호회로(102)에 전기적으로 연결된다. 전기보호회로(102)는 예컨대 도2 내지 도9에 보여지는 실시예들에 따라서 설명되는 장치들의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 고전압 변압기(100)는 일반적으로 콘크리트 패드상에 부착된다. 전기보호회로(102)는 상술한 바와 같이 고전압 변압기(100)와 전기적으로 연결되고, 하우징으로 감싸지고, 전기적으로 접지된 서포트(103) 상에 위치된다. GIC 이벤트에 대항하여 보호하는 것에 더해서, 모든 제어 전자장치(반도체 장치)는 EMP/IEMI 차폐 내에 감싸지고, 전기적으로 필터링된 인클로저(104, enclosure)는 전기보호회로(102) 및 고전압 변압기(100)와 전기적으로 연결되고, 센싱 및 스위치 제어회로(105)를 포함한다. 차폐 및 필터링된 인클로저(104)가 없이도, 상기 시스템은 GIC 및 EMP E3 이벤트에 대항하여 변압기를 보호할 수 있지만 EMP E1, E2 및 IEMI 펄스 위협에 대하여는 보호할 수 없다는 점이 주목된다.

특정 실시예에서, 전기보호회로(102)는 도2 및 도3에서 설명되는 스위치 어셈블리 및 DC 차단 컴포넌트를 포함하고, 제어 시스템(104)은 도3 내지 도10에서 설명되는 센싱 및 스위치 작동 회로를 포함한다. 그러나, 전기보호장치의 컴포넌트들의 다른 구성이 제공될 수도 있다.

도2를 참조하면, 본 발명의 센싱 및 제어 전자장치와 함께 사용할 수 있는 전기보호회로(200)의 제1실시예가 나타난다. 회로(200)는 일반적으로 변압기(12)(상기 실시예에서 보여지는 Y자 변압기)의 변압기 중성선(10)과 접지(14) 사이에 연결된다. 전기보호회로(200)는 변압기 중성선(10)과 접지(14) 사이에 연결된 전기적으로 제어되는 스위치(204)를 포함하는 스위치 어셈블리(202)를 포함한다. 분류기(206)는 스위치(204) 및 접지(14) 사이에 연결될 수 있고, 변압기 중성선(10) 및 접지(14) 사이를 통과하는 DC전류를 센싱하는데 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 분류기(26)는 스위치를 통한 저(low) 임피던스 접지 연결이 되도록 일반적으로 몇 밀리옴(few milliohms)정도의 낮은 저항을 가진다. 다른 실시예에서, 분류기(206)는 홀효과 전류센서 또는 다른 비접촉 전류센서에 의해 대체될 수 있다. 추가적으로, 전기적으로 제어되는 고전압 접지 스위치(208)는 예컨대 접지고장이 발생한 동안 스위치(240)를 고전압으로부터 보호하기 위해 변압기 중성선(10) 및 스위치(204)사이에 연결될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접지(14)는 스테이션 접지 그리드(station ground grid)에 연결될 수 있고, 다른 실시예에서는 접지된 변압기 하우징에 연결되어 결국 접지될 수 있다.

스위치(204)는 고전압 회로 브레이커 스위치와 같은 임의의 다양한 속응(fast acting) 전기제어 스위치일 수 있다. 실시예에서, 스위치(204)는 정상 닫힘 상태로 연결돼있고, 전기적인 제어입력을 통해서 빠르게 개방될 수 있다. 예시적인 센싱 및 제어회로는 제어입력과 연결될 수 있고, 이 제어입력은 도3 내지 도10에 관련되어 하기에서 설명된다.

DC 차단 컴포넌트(210)는 변압기 중성선(10) 및 접지(14) 사이에 스위치 어셈블리(202)와 병렬로 연결된다. 하기의 예시에서 더 설명되는 바와 같이, DC 차단 컴포넌트(210)는 접지(14) 및 변압기 중성선(10) 사이 전류 경로를 차단하는 몇몇의 차단수단을 삽입할 수 있는 하나 이상의 직류 차단장치(예컨대, 커패시터 또는 저항)를 포함하여, 변압기(12)에 손상을 입힐 가능성 있는 변압기 중성선(10) 내의 유해DC 또는 의사DC 접지 전류를 방지한다. 구체적인 응용에 따르면, 용량성 또는 저항성(또는 이들의 몇몇 조합) 차단 장치(210) 중 적어도 하나가 보호회로(302) 내에 채용될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, DC 차단 컴포넌트(210)는 접지(14)에 고정(hard wired)되고 따라서 변압기(또는 다른 전력 컴포넌트) 및 심지어 스위치(204) 및 (208)에 우연한 고장이 있는 경우에도 AC 접지를 제공한다.

정상(normal) 동작에서, 변압기 중성선(10)은 스위치 어셈블리(202)를 통해 접지된다. 즉, 스위치(204) 및 고전압 접지 스위치(208)를 포함하는 스위치 어셈블리(202)는 일반적으로 닫힌 위치에 존재한다. 이것은 유틸리티에 이용되는 표준 접지 구성에 대응되며; 따라서 본 명세서에서 설명되는 것과 같은 접지 시스템은 사용 전에 부가된 상용 전자장치의 재조정을 요구하지 않는다. 제1동작모드에서, 스위칭 어셈블리가 그 주변에 단락을 형성하기 때문에, DC 차단 컴포넌트(210)는 동력을 공급받지 않는다. 정상동작모드(GIC가 없음)의 동작 중에 접지 사고가 검출된 경우, 스위치 어셈블리를 통한 접지가 전력 시스템 릴레이가 고장 난 장치를 격리시킬 때까지 접지고장 전류를 처리할 것이다. 중성선과 접지 연결 내에 고전력 고조파 또는 의사DC전류 중 적어도 하나가 존재하는 것으로 검출된 경우, 스위치 어셈블리는 GIC 센싱 및 제어 전자장치에 의해 개방된다. 제2 동작모드에서, DC 차단 컴포넌트(210)는 변압기 중성선에 AC접지를 제공한다. 이 동작모드는 GIC 또는 EMP E3 이벤트 중 적어도 하나와 관련된 DC 또는 의사DC에 대항하여 보호한다. 이 GIC 보호모드는 원격의 전력 시스템 오퍼레이터가 종료 이벤트를 선언하거나 스위치 어셈블리(202)를 다시 닫을 때까지 선택적인 상태로 유지된다.

몇몇 실시예에서, GIC 및 접지사고가 동시에 일어나는 매우 드문 경우를 설명하기 위해, 종종 배리스터 또는 MOV(금속산화물배리스터)로 알려진 서지 어레스터(212) 또는 다른 서지 어레스팅 장치가 차단 컴포넌트(210)를 보호하기 위해 작동된다. 스위치 어셈블리(208)는 변압기 중성선 전류를 통한 릴레이 검출 고장전류로부터의 신호에의해 다시 닫힐 것이고, 그리고 변압기(214)는 고전압 스위치(208)가 다시 닫히도록 동작할 것이다. 따라서 서지 어레스터(212)는 접지사고의 한 주기 내에 스위치 어셈블리(202)가 다시 닫힐 수 있을 때까지 초기 접지를 제공한다. 이 동시 다발적인 이벤트(GIC 및 접지사고)의 가능성이 매우 낮아서 시스템의 라이프타임 동안에는 일어나지 않을 수 있다는 점이 주목된다.

서지 어레스터(212)의 비용을 줄이기 위해, 희생 부재형(sacrificial device) 저가의 서지 어레스터를 이용하는 것이 바람직할 수 있으며, 이와 같은 서지 어레스터는 1회의 이벤트만 보호하고, 이후에는 교체가 요구된다. 서지 어레스터가 사용된 후, 이 디자인에 의해 이것은 접지에 단락 회로가 된다. 제2옵션은 초기 설치에 추가 서지 어레스터와 스위치를 포함하여, 제1어레스터가 사용되면 제2어레스터가 필요에 따라서 스위칭될 수 있다. 제3옵션은 초기 설치에 매우 튼튼한(heavy duty) 서지 어레스터를 포함하여 서지 어레스터가 고장 없이 많은 접지사고 이벤트를 견뎌낼 수 있다.

스위치 어셈블리의 개방에 의해, 도2의 DC차단 컴포넌트(210)는 AC접지 경로를 변압기 중성선(10)에 제공하고, 동시에 자기폭풍 또는 EMP E3 이벤트에 의해 유도된 DC 또는 의사DC를 차단하거나 감소시킨다. 두 DC를 차단하는 것은 결국 변압기(12)가 변압기 초과 무효전력 손실, 과열, 손상 또는 심지어 고장을 야기시키는 반주기 포화로 들어가는 것을 방지한다. 추가적으로, DC를 차단하는 것은 전력 시스템에서 고조파의 생성을 방지하고, 결국 전력 릴레이의 트리핑(tripping), 전력보상 컴포넌트의 연결해제, 초과 무효전력 부담 및 전력망의 작거나 큰 부분의 잠재적인 붕괴를 예방할 수 있다.

또한, DC 차단 컴포넌트(210)의 안정도를 증가시키기 위해, 다수의 커패시터 또는 저항 병렬 뱅크 중 적어도 하나가 사용되어, 하나 이상의 이 커패시터 또는 저항이 실패하는 경우, 다른 것들이 차단 컴포넌트로써 여전히 이용될 수 있다.

추가적으로, 하기에 설명된 것에 더해서, 전자기 펄스(EMP)의 E1 및 E2 부분 및/또는 의도된 전자기 방해(IEMI)로부터 보호하기 위해, 이 같은 시스템의 모든 민감한 센싱 및 제어 전자장치가 차폐되고 전기적으로 필터링된 인클로저(도1의 제어 시스템(104)을 포함하는 인클로저와 같은) 내에 위치할 수 있다. 차폐 인클로저 내에 하우징되지 않은 모든 컴포넌트는 민감한 반도체 전자장치를 포함하지 않기 때문에, EMP 또는 IEMI 이벤트에서 존속할 것이다. 센싱 및 제어 전자장치가 차폐되고 전기적으로 필터링된 인클로저 내에 위치하지 않은 다른 실시예에서, 변압기는 자기 유도GIC로부터 보호될 것이다. 본 명세서에서 설명되는 인클로저의 구성 성분에 관련된 추가적인 세부사항이 하기에서 더 설명된다.

다양한 실시예에서, 전기보호회로의 상이한 타입이 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전기보호회로는 미국특허출원번호 13/519,374 "Continuous Uninteruptable AC Grounding System for Power System Protection"에 설명된 구성들을 포함하며, 위 출원의 전체적인 내용이 참조됨으로써 본 발명에 포함된다.

도3을 참조하면, 본 발명의 센싱 및 제어 시스템(310)과 전기적으로 연결된 전기보호회로(302)를 포함하는 시스템(300)에 대한 예시적인 실시예가 나타난다. 이 예시적인 실시예에서, 홀효과 전류센서가 변압기 중성선에서 접지 연결 내의 DC전류를 측정하기 위해 도2의 분류기의 위치(전류 센싱장치(314), 하기에 설명됨)에서 대안적으로 이용될 수 있다. 이 같은 실시예에서, 홀효과 센서는 EMP 또는 IEMI 공격으로부터 희생될 수 있다. 변압기(10)의 한 상에 연결된 용량성 전압 변압기(CVT; capacitive voltage transformer)(미도시)가 EMP 또는 IEMI 공격으로부터 희생될 수 있다.

센싱 및 제어 회로(310)는 센싱 및 제어모듈(312)과 같은 제어 전자장치뿐 만아니라 전류센싱부(314)를 포함한다. 릴레이 제어회로(316)는 센싱 및 제어 전자장치(312)와 연결되고, 스위치(204) 및 스위치(208)를 작동시키는데 이용되는 스위치 제어출력(313)을 생성한다.

센싱 및 제어 모듈(312)은 GIC이벤트 하에서 반주기 포화된 변압기 내에서 생성된 고조파를 센싱한다. 예컨대, 모듈(312)은 변압기 위상 중 어느 하나의 위상에 위치한 표준 용량성 전압 변압기(CVT)(미도시)로부터의 신호를 측정하는 고조파 센서를 포함할 수 있다. 중성선 DC전류 또는 고조파 센서 중 적어도 하나로부터의 신호가 프리셋 값을 초과하는 경우, 신호는 스위칭 어셈블리(202) 내 두 개의 스위치를 개방하기 위해 보내진다. 프리셋 값은 각각의 특정 설치에 대한 보호 요구사항에 따라서 유틸리티 또는 전력 시스템 엔지니어에 의해 선택된다. DC 또는 의사DC전류의 프리셋 값의 일반적인 범위는 약 5-50amp 범위 내로 예상된다. 전력 고조파 레벨의 프리셋 값의 일반적인 범위는 약 1% 내지 10% 총고조파왜곡(THD)으로 예상된다. 전류센싱회로(314)는 자기폭풍에 의해 야기되어 분류기(206)를 가로지르는 중성선DC 또는 의사DC 전류를 측정하고, 필요에 따라 릴레이 제어회로(316)를 작동시키도록 측정결과를 센싱 및 제어모듈(312)로 보낸다.

일 실시예에서, 제어회로(310)는 차폐 인클로저(320) 내에 감싸지고, 인클로저(320)의 주변부에 위치된 복수의 필터(322)를 포함하여, 고주파, 고전력 전자기 방사가 인클로저 내로 들어가는 것을 방지하고, 민감한 제어 및 센싱 전자장치를 잠재적인 방해 및 손상으로부터 예방한다. 필터(322)는 일반적으로 고전압 신호가 인클로저 내로 들어가는 것을 억제하기 위한 서지 억제기능(surge suppression)을 갖는 로우패스 또는 밴드패스 필터일 수 있다. 상기 실시예에서, 차폐 인클로저(322)는 약 14kHz 내지 10GHz의 일반적인 전자기 주파수로부터 방사 보호를 제공하기 위해 개방하는 모든 도어(door) 둘러싼 도전 개스킷(conductive gasket)을 갖는 EMP/IEMI 패러데이 차폐 인클로저이다. 추가적으로, 일 상기 실시예에서, 필터(322)는 전원입력(324) 상에 위치하고 또한 CVT입력(326), 오퍼레이터 입력 및 출력(328), 스위치 제어출력(313), 및 분류기(206)의 양면을 가로질러 연결되는 전류 센싱입력(330) 상에 위치한다. 추가적으로, 인클로저(320) 안과 밖의 광섬유통신(fiber communication)이 적절한 도파관-비욘드-컷오프 주파수 침투(waveguide-beyond-cutoff frequency penetration)를 통해 필터링되며, 이것은 본질적으로 EMP 및 IEMI 이벤트에 대한 보호를 제공할 것이다.

동작에 있어서, GIC이벤트가 제어회로(310)에의해 검출되면, 낮은 DC전압 스위치, 즉, 스위치(204)는 릴레이 제어회로(316)에의해 스위치 제어출력(313)을 통해 개방된다. 다음의 이 동작에서 신호는 고전압 접지 스위치(208)를 개방한다. 접지 스위치(208)는 그 후 일반적으로 약 몇 시간에서 며칠을 자기폭풍에 개방된 상태로 유지된다. 이 기간 동안 DC차단 컴포넌트(210)(이 경우에는 커패시터(304))가 변압기(12)의 변압기 중성선(10)에 AC 접지를 제공한다. 자기폭풍이 지나간 후에 접지 스위치(208)의 재 닫힘이 전력 시스템의 오퍼레이터에 의해 일반적으로 제어된다. 그러나, 몇몇 유틸리티 설치는 그들의 시스템이 스위치를 자동적으로 다시 닫히게 하는 것을 선호할 수 있는바, 예컨대, 소정의 시간주기가 지난 후에 다시 닫히게 하는 것을 선호할 수 있다.

EMP 또는 IEMI 공격에 대한 변압기 보호기능 유지를 보장하기 위해, 전자기(EM)장, 센싱 및 제어 전자장치(312)와 필터(322)를 통해 연결된 검출기(352)가 여기 나타난 보호 시스템에 더해질 수 있다. 검출기(352)는 인클로저(320)의 바깥쪽에 존재하고, EMP E1 또는 E2펄스 또는 IEMI 펄스 중 적어도 하나의 검출을 허용하며, 스위치(204), (208)을 포함하는 스위치 어셈블리(202)를 개방하는데 이용되고, 필요한 변압기 보호를 위해 스위치 한다. EM 검출기(352)는 제어 하우스의 위 또는 옆면에 장착될 수 있고, 보호되는 제어 전자장치(310)에 차폐도관을 통해서 연결된다.

다양한 실시예에서, 다양한 타입의 전자기장 검출기가 검출기(352)로써 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전자기장 검출기는 미국특허출원 12/906,902 "Electromagnetic Field Detection System and Methods" 에 설명된 구성들을 포함하며, 위 출원의 전체적인 내용이 참조됨으로써 본 발명에 포함된다.

동작에 있어서, 홀효과 센서 및/또는 CVT(미도시)가 전자기 이벤트에 의해 손상되거나 파괴되더라도, EM 검출기(352)는 스위치 어셈블리(202)를 개방하고, HV 변압기(10)를 보호한다.

본 발명의 센싱 및 제어 시스템(310)은 차폐 인클로저(320) 내에 포함된다. 차폐 인클로저의 주변부는 복수의 필터(322)에 의해 안쪽에 막이 형성되고, 상기 필터는 센싱 및 제어 전자장치(312)와 전기적으로 연결된다. 몇몇 실시예에서, 센싱 및 제어 전자장치는 도4에 더 설명된 고조파 분석기(406), 복수개의 임계값 검출기(408), 및 컨트롤러(410)를 포함한다. 센싱 및 제어 전자장치(312)는 전력선 내에 잠재적으로 유해한 고조파 및/또는 DC 전류를 센싱하고, 전기보호회로(302) 내의 고전압 접지 스위치(208) 및 DC 스위치(204)를 동작시킨다.

도4를 참조하면, 본 발명의 센싱 및 제어 시스템(400)의 제1실시예가 나타난다. 도4는 변압기(12) 또는 본 발명의 주제에 따른 전자 장비에 잠재적으로 유해한 신호의 다양한 타입을 검출하기 위한 시스템을 설명한다. 특히, 시스템은 센싱 및 제어 시스템(400)을 포함하고, 이 시스템은 본 발명에 따라 전력 고조파, 직류(또한 의사 직류신호), 및 EMP/IEMI 이벤트를 검출한다.

본 실시예의 센싱 및 제어 시스템(400)은 차폐 인클로저(402)를 포함하며, 차폐 인클로저는 차폐 인클로저의 주변부를 따라서 막을 형성한 복수의 필터(404)를 포함한다. 센싱 및 제어 시스템(400)은 차폐 인클로저(402)의 바깥쪽에 위치되고, 필터(404)와 전기적으로 연결된 전자기장 검출기(412) (예컨대, 도3의 검출기(352)와 유사)를 더 포함한다. 각 필터(404)는 임계값 검출기(406a) 내지 (408c)(임계값 검출기(408)로써 전체적으로 언급된다), 고조파 분석기(406), 또는 직접적으로 컨트롤러(410)와 전기적으로 연결된다. 고조파 분석기(406)의 출력(부)은 임계값 검출기(408b)와 전기적으로 연결된다. 각 임계값 검출기(408a) 내지 (408c)는 컨트롤러(410)에 신호를 출력한다. 컨트롤러(410)는 복수의 필터(404)를 통해 차폐 인클로저(402)로부터 신호를 원격으로 보낸다.

동작에 있어서, 센싱 및 제어 시스템(400) 내 컴포넌트들은 EMP/IEMI 차폐 인클로저(402)에 포함되고, 이는 센싱 및 제어 전자장치를 전자기 방해로부터 보호하도록 구성된다. 차폐 인클로저(402)의 주변부는 복수의 로우패스 또는 밴드패스 필터로 막이 형성되어 고주파, 고전력 전자기 신호가 상기 인클로저로 들어가는 것과 민감함 제어 및 센싱 전자장치가 잠재적인 방해 및 손상에 노출되는 것을 방지한다. 필터(402)는 일반적으로 상술한 도3의 필터(322)와 유사하다.

특정 실시예에서, 본 발명은 하기에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 차폐 인클로저(402) 내에 위치한 고조파 분석기(406)를 포함한다. 고조파 분석기(406)는 변압기(12)로부터 들어오는 전력선 신호에서 총고조파 왜곡(THD)을 검출하는데 이용되는 검출 컴포넌트의 다른 예이다. 고조파 분석기(406)는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 컨트롤러(410)에 전기적으로 연결된다.

일 실시예에서, 복수의 임계값 검출기(408a) 내지 (408c)는 외부 전자기(EM)장 검출기(412)와 같은 검출 컴포넌트로부터 들어오는 신호 정보를 조정 가능한 소정의 임계값과 비교하도록 각각 구성된다. 상기 소정의 임계값이 초과되면, 이에 대응하는 임계값 검출기(408)는 신호를 차폐 인클로저(402) 내에 위치된 컨트롤러(410)에 보낸다. 컨트롤러(410)는 도3의 스위치(204)와 같은 전기보호회로(200)의 외부 컴포넌트 중 적어도 하나를 구동시키도록 구성된다. 예컨대, 변압기 중성선 및 접지 사이에 위치된 분류기(206)를 통한 DC 또는 의사-DC 전류가 임계값 검출기(408)의 상기 소정의 임계값을 초과하는 경우, 임계값 검출기(408)는 컨트롤러(410)에 지시(indication)를 보낸다. 컨트롤러(410)는 필터(404)를 통해 신호를 보내서 변압기 중성선 및 접지 사이에 위치된 정상 닫힘 스위치(204)를 개방하고, 고전압 변압기(12)가 손상되는 것을 방지한다.

일 실시예에서, 각각의 임계값 검출기(408a) 내지 (408c)는 상이한 신호 타입 또는 상이한 동작 임계 값을 갖는 수신된 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 소정의 임계값 이상의 소정의 직류를 검출하도록 구성된 임계값 검출기(408a)는 제1임계값 이상인 경우, 컨트롤러(410)를 동작시키도록 구성될 수 있고, 고조파 분석기(406)으로부터 신호를 수신하는 검출기(408b)는 상이한 신호타입을 기초로 하거나 상이한 신호 임계값 수준에서 컨트롤러(410)을 동작시키도록 구성될 수 있다. 전자기장 검출기(412)로부터 신호를 수신하는 임계값 검출기(408c)도 위와 동일하다. 다른 실시예에서, 추가적인 타입의 잠재적인 유해 신호가 모니터링 되고, 컨트롤러(410)를 동작시키기 위해 임계값 검출기에 입력될 수 있다.

컨트롤러(410)는 수많은 타입의 프로그램 가능 회로(programmable circuit) 중 임의의 타입이 될 수 있고, 하나 이상의 임계값 검출기(408a) 내지 (408c)로부터의 신호 수신에 대응하여 스위칭 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러(410)는 임계값 검출기 또는 제어입력(414) 중 적어도 하나로부터의 신호 검출을 기초로 한 프로그램 가능 논리를 기초로 스위칭 출력을 관리하도록 구성된 마이크로 프로세서이다. 일 실시예에서, 제어입력(414)은 컨트롤러(410)에 전기적으로 연결되고, 차폐 인클로저(402)에서 원격의 시스템 컨트롤러로 이어진다. 제어입력(414)은 예컨대, 센싱 및 제어 전자장치로부터 동작된 스위칭 이벤트의 히스토리를 전달하고 원격 동작 및 리셋 기능을 제공하기 위해 시스템 컨트롤러 및 컨트롤러(410) 사이에 데이터를 교환할 수도 있다. 제어입력(414)은 목적물을 모니터링하기 위해 잠재적인 유해 신호를 시뮬레이션하도록 구성된 하나 이상의 셀프 테스트 절차의 실행을 또한 동작시킬 수 있다. 컨트롤러(410)는 예컨대, 스위치 지시 및 상기 설명된 바와 같이 고전압 접지 스위치 지시 입력을 기초로 스위치 동작을 테스트할 수 있다. 셀프 테스트 절차는 하기에서 전체적으로 설명된다.

도5는 변압기의 전력 고조파를 검출하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다. 전자장치(500)는 예컨대 도4의 센싱 및 제어 전자장치의 일부로써 또는 대체적으로 DC신호의 센싱을 포함하는 것 대신에 고조파 신호가 주요 사항인 상황에서의 스탠드 얼론 장치로써 이용될 수 있다. 이 예시적인 실시예는 복수의 필터(504)가 주변부에 달라 붙은 차폐 인클로저(502) 내에 포함된 일련의 센싱 및 제어 컨포넌트를 포함한다. 이 필터들은 도4에 묘사된 필터들과 유사하다. 센싱 컴포넌트(501)는 필터(504), 고조파 분석기(506) 및 임계값 검출기(508)를 포함한다. 전도된 고 에너지 전자기 펄스 및 유도 전자기 방해(IEMI)에 저항하기위한 필터(504)는 차폐 인클로저(502) 안으로 이어진 하나의 라인에 전기적으로 연결된다. 필터(504)는 고조파 분석기(506)와 전기적으로 연결되고, 분석기는 임계값 검출기(508)로 신호를 출력한다. 임계값 검출기(508)는 차폐 인클로저(502) 내에 포함된 컨트롤러(510)에 전기적으로 연결된다.

다른 예시적인 실시예에서, 예컨대, DC 전류가 주요 사항인 경우에 있어서, DC 신호만이 변압기 중성선과 접지 연결 내에서 센싱될 수 있다.

본 발명은 컨트롤러(510)와 전기적으로 연결된 통신 버스(514)를 또한 포함한다. 통신 버스(514)는 차폐 인클로저(502)와 원격으로 떨어진 시스템 오퍼레이터로 이어진다. 통신 버스(514)는 목적물을 모니터링하기 위해 잠재적인 유해 신호를 시뮬레이션하도록 구성된 하나 이상의 셀프 테스트 절차를 또한 실행할 수 있다. 이 셀프 테스트 절차는 아래에서 더 전체적으로 설명된다.

동작에 있어서, 고조파 분석기(506)는 전력 변압기(12)의 상(phase) 중 어느 하나의 상에 위치된 CVT(미도시)로부터 필터(504)를 통해 전압 신호를 수신한다. 고조파 분석기(506)는 변압기(12) 내의 전력 고조파를 검출한다. 고조파 분석기(506)에의해 검출된 고조파는 임계값 검출기(508)의 조절 가능한 소정의 임계값과 비교된다. 이 고조파가 상기 임계값 검출기(508)의 소정의 임계값을 초과하는 경우, 임계값 검출기는 임계값이 초과되었다고 나타내는 신호를 차폐 인클로저(502)내에 위치된 컨트롤러(510)로 보낸다. 고조파 분석기에 대한 몇몇 실시예에서, 임계값 검출기 및 컨트롤러는 모두 마이크로 프로세서에 의해 구현된다. 컨트롤러(510)는 필터(504)를 통해 스위치 지시신호를 보내서 도2 및 도3의 스위치(204)와 같은 DC 스위치를 개방시키고, 뒤이어 신호에 의해 고전압 접지 스위치(208)를 개방하여 변압기(12)를 보호하고/하거나 변압기 중성선내에 잠재적인 유해 DC 전류로부터 전기 전력망 안정성를 제공하여 전선 신호상의 고조파를 감소시킨다.

도6 내지 도8을 참조하면, 고조파 분석기를 포함하는 센싱 및 제어 전자장치에 대한 다양한 실시예가 도3 내지 도5의 시스템에서(예컨대, 고조파 분석기(406)) 이용될 수 있다. 도6은 변압기(12) 내의 전력 고조파를 검출하기 위한 도4의 고조파 분석기(406) 또는 도5의 고조파 분석기(506)로 이용될 수 있는 고조파 분석기(600)의 가능한 제1실시예를 설명한다. 이 실시예는 마이크로 프로세서(600)를 이용하여 고속푸리에변환(FFT)을 계산하여 전력신호(603)내에 전력 고조파를 검출한다. 이 실시예는 FFT 계산부(602)를 포함하는 마이크로프로세서(800) 및 총고조파왜곡 계산부(606)을 포함한다. 마이크로 프로세서(600) 내의 FFT계산부(602)는 전력선 신호(603)를 밴드패스 필터 뱅크 역할을 하는 복수의 주파수 신호로 변환한다. FFT에서 포인트의 수 및 시스템의 샘플링 레이트는 입력 신호의 각 고조파가 상이한 필터로 나뉘도록 설정된다. 이 신호들(605)은 고속푸리에변환 필터밴드(602)내 밴드패스 필터를 이용하여 전력 주파수 60Hz(또는 50Hz)의 고조파 범위에 대응하는 주파수 밴드(607)로 분리된다. 이 고조파들은 마이크로 프로세서(600)내의 총고조파왜곡 계산부(606)를 이용해 총고조파왜곡(THD, 609)을 계산하는데 이용된다.

이 총고조파왜곡신호(609)는 마이크로 프로세서(예컨대, 임계값 검출기(608)로 설명된)내 프리셋 임계값과 비교되고, THD신호가 프리셋 범위를 초과하면 신호가 보내져서 스위치(204) 및 (208)을 포함하는 스위치 어셈블리를 개방한다.

도7은 고조파 분석기(700)의 가능한 추가 실시예를 설명한다. 고조파 분석기(700)는 변압기(12) 내의 전력 고조파를 검출하기 위해, 도4의 고조파 분석기(406) 또는 도5의 고조파 분석기(506) 대신에 이용될 수 있다. 고조파 분석기(700)는 필터(701)와 임계값 검출기(716)사이에 전기적으로 연결된다. 총괄적으로, 이 컨포넌트들은 센싱 컴포넌트(501)를 포함한다. 고조파 분석기(700)에대한 이 예시적인 실시예들은 증폭기(704) 및 위상보정모듈(706)에 전기적으로 연결된 로우패스 필터(702)를 포함한다. 위상보정모듈(706)의 출력은 가산증폭기(708)와 전기적으로 연결된다. 가산증폭기(708)의 출력은 정류회로(709)에 전기적으로 연결되며, 정류회로는 신호의 진폭을 조절하고, 총고조파왜곡에 비례하는 신호(714)를 만든다.

동작에 있어서, 예시적인 실시예의 고조파 분석기(700)는 필터링되고 위상변이된 신호(712)에서 필터링되지 않은 전력선 신호(710)를 빼서 조정된 진폭을 만들어 총고조파왜곡신호(714)를 출력한다. 이 예시적인 실시예는 필터링되지 않은 전력선 신호(710)의 노이즈를 필터링하기 위해 구성된 로우패스 필터(702)를 포함한다. 로우패스 필터로부터, 필터링된 전력선 신호가 진폭조정을 위해 증폭기(704)를 통과한다. 이 신호는 그 후, 위상조정되고 필터링된 신호의 위상을 동기(synchronize)하기 위해 구성된 위상보정모듈(706)을 통과한다. 필터링되고, 진폭조정되고, 위상변이된 신호(712)는 필터링되지 않은 전력선 신호(710)와 가산증폭기(708)에서 비교된다. 가산증폭기(608)는 전력선 신호의 전력선 고조파(714)를 출력하기 위해 두 신호를 뺀다(차를 계산한다). 이 전력선 고조파 신호는 그 후 정류회로(709)에서 정류되어 전력선상의 THD에 비례하는 전압이 생성된다. 총고조파왜곡신호(714)는 그 후, 도5에 관련되어 설명된 바와 같이 총고조파왜곡과 비교하기 위해 임계값 검출기(716)로 보내진다.

도8은 변압기(12)내에 전력 고조파를 검출하기 위한 도4의 고조파 분석기(406) 또는 도5의 고조파 분석기(506)로 이용할 수 있는 고조파 분석기(800)의 다른 가능한 실시예를 설명한다. 고조파 분석기(800)는 로우패스 필터(801) 및 임계값 검출기(812)와 전기적으로 연결된 전력선 신호를 포함한다. 이 예시적인 실시예의 고조파 분석기(800)는 위상고정 정현파 발진기(804)와 전기적으로 연결된 로우패스 필터(802)를 포함한다. 발진기(804)는 고조파 성분이 없는 순수(clean) 신호를 생산하는데 이용되고, 60Hz(50Hz) 전력선 신호를 복제(replicate)한다. 진폭조정회로(808)는 발진기(804)의 출력을 조정하여 예상되는 전력선 신호 주파수에 매칭시킨다. 위상고정 정현파 발진기(804), 조정된 진폭의 출력은 (진폭보정회로(808)로부터) 가산증폭기(810)에 전기적으로 연결된다. 최종적으로, 가산증폭기(810)의 출력은 정류기(811)에 연결되어 전력선 상의 총 고조파왜곡(THD)에 비례하는 신호(818)를 생산한다. 총괄적으로, 이 컴포넌트들은 센싱 컴포넌트(801)를 포함한다.

이 예시적인 실시예는 도7의 고조파 분석기(706)와 유사하지만, 필터링 되지 않은 전력선 신호(814)에서 감산된 순수 120V, 60Hz(또는 순수 240V, 50Hz) 기준신호를 생성하기 위해 위상고정 정현파 발진기(808)를 이용한다. 이 대안적인 실시예는 필터링되지 않은 전력선 신호(814)의 노이즈 및 고조파를 필터링하도록 구성된 로우패스 필터(802)를 포함한다. 이 필터링된 신호는 그 후 위상고정 정현파 발진기(804)에 입력되는 기준신호로서 이용된다. 위상고정 정현파 발진기(804)는 순수 120V, 60Hz 신호(816)를 생성하고, 이 신호는 필터링되지않은 전력선 신호(814)와 가산증폭기(810)에서 비교된다. 가산증폭기(810) 및 정류기(811)는 전력선 신호(814)상의 총고조파왜곡에 비례하는 신호(818)를 출력하고, 이 출력된 신호는 임계값 검출기(812)로 보내진다.

도9는 변압기(12) 내의 전력 고조파 및 DC 전류를 비교하기 위한 도5의 임계값 검출기(508) 또는 도4의 임계값 검출기(408)로써 이용할 수 있는 임계값 검출기(900)의 가능한 실시예를 설명한다. 이 예시적인 실시예의 임계값 검출기는 비교기(904)와 전기적으로 연결된 정류기로부터(예컨대, 도7의 전류기(709) 또는 도8의 (811)) 고조파 또는 의사-DC 전류를 수신한다. 비교기(904)는 기준 생성기(reference generator, 906) 및 홀드-리셋 회로(hold-reset circuit, 908)에 전기적으로 연결된다. 홀드-리셋 회로(908)는 임계값 검출기(900)의 외부에 위치하고 전기적으로 연결된 컨트롤러(901)로 신호를 출력한다.

동작에 있어서, 임계값 검출기는 들어오는 전력선 신호 또는 고조파 분석기(406)로부터 고조파 또는 의사-DC 전류를 수신한다. 비교기(904)는 정류된 신호(903) 및 기준신호(907)를 비교한다. 비교기(904)는 변압기(12)에 허용 가능한 고조파 왜곡을 정의하는 조정 가능한 기준 발생기(906)로부터 기준신호(907)를 수신한다. 기준신호(907) 및 입력신호(903) 사이의 비교에 따라서, 비교기(904)는 홀드-리셋 회로(908)에서 캡쳐될 수 있는 신호를 생성한다. 캡쳐된 신호는 그 후 도2 내지 도3의 스위치(204)를 작동시키는데 이용될 수 있는 컨트롤러(910)로 보내진다.

도10은 도4에서 설명된 본 발명의 예시적인 실시예를 나타내지만, 적절한 시스템 동작을 위한 셀프 테스트 구성을 더 포함한다. 본 발명의 이 실시예는 차폐 인클로저(402) 내에 위치한 셀프 테스트 DC 전압소스(1012), 셀프 테스트 고조파 소스(1014), 셀프 테스트 전자기(EM) 검출기소스(1016), 및 셀프 테스트 AC 전압소스(1018)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이 셀프 테스트 구성들은 컨트롤러(410)에 의해 주기적으로 자동으로 동작된다. 이 셀프 테스트 구성들은 차폐 인클로저(402)로부터 원격지에 위치한 제어 시스템을 동작시키는 사용자에 의해 동작 될 수도 있다.

셀프 테스트 AC 전압소스(1018)는 변압기(12)에서 수신된 신호와 상이한 주파수를 가진 AC 신호를 생성한다. 상기 AC 전압은 필터(1004)를 통해 차폐 인클로저(402)를 나가고, 변압기 중성선(10)에 적용된다. 도2의 전기보호회로(200)는, 정상 동작모드에서, AC 전압소스(1018)에 의해 생성된 AC 신호의 알려진 진폭을 기초로, DC 차단장치(210)를 가로지르는 전류의 크기를 측정한다. 컨트롤러(410)는 DC 차단장치가 정상적으로 동작하는지 판단하기 위해 DC 차단장치(210)의 크기(magnitude)와 기대값을 비교한다.

본 발명의 다른 셀프 테스트 기능은 셀프 테스트 DC 전압소스(1012)로서, DC 전압소스는 변압기 중성선(10)과 접지(14) 연결내의 직류를 시뮬레이션하기 위해, 유도된 직류를 생성한다. 생성된 직류는 변압기 중성선(10)과 접지(14)연결에서의 직류의 정상동작범위 밖에 있다. 셀프 테스트 DC 전압소스(1012)에의해 생성된 직류는 필터(1004)를 통해 차폐 인클로저(402)를 나가고, 직류신호입력을 통해서 차폐 인클로저(402)로 다시 들어간다. 상기 생성된 신호는 그 후 변압기(12)에 허용 가능한 것으로 알려진 값과 비교하기 위해 임계값 검출기(408)를 통과한다. 센싱 및 제어 시스템(1000)이 정상적으로 동작하는 경우, 컨트롤러(410)는 필터(404)를 통해 차폐 인클로저(402)를 나가는 지시 신호를 이용해 전기보호회로(200)의 스위치(204)를 개방한다. 컨트롤러(410)가 스위치(204)를 개방하지 않은 경우, 컨트롤러(410)는 차폐 인클로저(402)의 외부에 있는 원격 제어 시스템으로 에러 메시지를 보낸다.

본 발명의 다른 셀프 테스트 기능은 셀프 테스트 고조파소스(1014)로, 상기 고조파소스는 전력선 상에 의도하지 않은 고조파를 시뮬레이션하도록, 유도된 고조파 신호를 생성한다. 생성된 고조파 신호는 필터(1005)를 통해 차폐 인클로저(402)를 나가고, 전력선 신호 입력(부)을 통해 차폐 인클로저(402)로 다시 들어온다. 이 신호는 알려진 허용 가능한 주파수와 생성된 고조파 신호를 비교하는 고조파 분석기(406)를 통과된다. 센싱 및 제어 시스템(1000)이 정상적으로 동작하는 경우, 컨트롤러(410)는 필터(404)를 통해 차폐 인클로저(402)를 나가는 지시 신호를 이용해 도2의 전기보호회로(200) 내의 스위치(204)를 개방시킨다. 컨트롤러(410)가 스위치(204)를 개방시키지 않는 경우, 컨트롤러(410)는 차폐 인클로저(402)의 외부의 원격 제어 시스템으로 에러 메시지를 보낸다.

위 상세한 설명, 예시들 및 데이터는 본 발명의 온전한 구성의 이용 및 제조의 설명을 제공한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 만들어질 수 있는 다양한 실시예들, 본 발명은 아래의 첨부된 특허청구범위에 속한다.

Claims

변압기 중성선 내의 높은 직류 및 제1 전력 주파수의 고조파를 포함하는 잠재적인 유해 전자기 신호를 검출하는 시스템으로서:
전력망 상의 하나 이상의 연결 지점으로부터 이어지는 하나 이상의 전기 신호선과 전기적으로 연결된 복수의 검출 컴포넌트;
복수의 임계값 검출기-각 임계값 검출기는 상기 복수의 검출 컴포넌트 중에서 선택된 검출 컴포넌트로부터 들어오는 신호와 임계값을 가진 소정의 신호를 비교하도록 구성됨-;
인테리어 볼륨(interior) 내에 위치하고 상기 복수의 임계값 검출기 각각의 출력을 수신하는 컨트롤러-상기 컨트롤러는 상기 복수의 임계값 검출기 중 적어도 하나로부터의 임계값 이상의 검출된 직류 신호 또는 고조파에 대한 지시를 수신하는 것에 대응하여 적어도 하나의 외부 컴포넌트를 구동시키도록 구성됨-를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 검출 컴포넌트는,
고조파 분석기;
변압기 중성선 및 접지 사이에 전기적으로 연결된 분류기;
상기 변압기 중성선 및 접지 사이에 연결되고, 접지선을 거쳐 연결된 홀효과 전류센서; 및
전자기장 검출기로 구성된 검출기 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 시스템.
제2항에 있어서,
인테리어 볼륨을 포함하는 차폐 인클로저-상기 차폐 인클로저는 상기 인테리어 볼륨을 전자기 방해로부터 보호하도록 구성됨-; 및
상기 차폐 인클로저의 주변부를 따라 위치하고, 상기 전기 신호선과 연결된 복수의 필터-상기 전기 신호선은 상기 차폐 인클로저의 외부에서 상기 인테리어 볼륨 내로 이어지고, 상기 필터는 고주파, 고전력 전자기 신호가 상기 차폐 인클로저로 들어가는 것을 방지하도록 구성됨-를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제3항에 있어서,
상기 고조파 분석기는 상기 차폐 인클로저 내에 위치된 것을 특징으로 하는 시스템.
제4항에 있어서,
상기 분류기는 상기 차폐 인클로저 외부에 위치된 것을 특징으로 하는 시스템.
제5항에 있어서,
상기 홀효과 전류센서는 상기 차폐 인클로저 외부에 위치된 것을 특징으로 하는 시스템.
제6항에 있어서,
상기 전자기장 검출기는 상기 차폐 인클로저 외부에 위치된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 변압기 중성선과 접지 연결 사이에 연결된 정상-차단(normally-closed) 스위치를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 변압기 중성선에서 임계값 이상의 고조파 또는 직류 신호가 검출된 것으로 가리키는 상기 복수의 임계값 검출기 중 임의의 검출기로부터의 신호를 수신 시 정상-차단 스위치를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 임계값 검출기 중 적어도 하나로부터 수신된 지시는,
상기 임계값 검출기와 관련된 임계값 이상으로 검출된 고조파, 직류 신호 또는 전자기 펄스를 나타내는 것을 특징으로 하는 시스템.
제10항에 있어서,
상기 각 임계값 검출기는 각 상이한 관련 임계값을 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 각 상이한 관련 임계값은 조정 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러와 전기적으로 연결된 제어입력을 더 포함하되,
상기 제어입력은 상기 차폐 인클로저에서 원격으로 위치한 시스템 오퍼레이터로부터 수신되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 하나 이상의 셀프 테스트 절차를 실행하도록 구성되고,
상기 셀프 테스트 절차는,
이벤트 저하에대한 손상이 예상되는대로 시스템이 동작하는 것을 확인하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제14항에 있어서,
상기 하나 이상의 셀프 테스트 절차는:
상기 변압기에 상기 전력 시스템의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 교류신호를 적용하는 단계;
상기 고조파 분석기와 관련된 임계값 검출기에의해 정의된 프리셋 임계값 이상의 진폭을 가지는 고조파신호를 고조파 분석기에 적용하는 단계-상기 임계값은 진폭의 범위를 정의함-;
상기 변압기 중성선에 수신된 직류를 시뮬레이션 하도록 직류(DC)전압 신호를 상기 변압기 중성선에 적용하는 단계; 및
임계값 검출기에의해 정의된 상기 프리셋 임계값 이상의 진폭을 갖는 전자기(EM) 검출 신호를 적용하는 단계-상기 임계값은 진폭의 범위를 정의함-로 구성된 절차그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
변압기 신호 또는 전력선에서 고조파를 검출하기위한 시스템으로:
인테리어 볼륨을 갖는 차폐 인클로저-상기 차폐 인클로저는 전자기 방해로부터 상기 인테리어 볼륨을 보호하기 위해 구성됨-;
상기 차폐 인클로저의 주변부를 따라 위치하고, 상기 차폐 인클로저의 외부로부터 상기 인테리어 볼륨으로 이어진 전기 신호선와 연결된 복수의 필터-상기 필터는 고주파수, 고전력 전자기신호가 상기 차폐 인클로저로 들어가는 것을 방지하기 위해 구성되고 상기 전기 신호선 중 적어도 하나는 전력선 신호에 연결됨-;
상기 인테리어 볼륨 내에 위치되고, 상기 전력선 신호와 전기적으로 연결된 고조파 분석기-상기 고조파 분석기는 상기 전력선 신호상의 총 고조파왜곡을 출력하도록 구성됨-;
상기 총고조파왜곡의 프리셋 임계값 신호와 비교하도록 구성된 임계값 검출기-상기 임계값 검출기는 상기 프리셋 임계값 신호가 초과된 경우 스위칭 신호를 출력하도록 구성됨-; 및
상기 인테리어 볼륨 내에 위치되고, 상기 스위칭 신호를 수신하도록 구성된 컨트롤러-상기 컨트롤러는 상기 스위칭 신호에 대응하여 복수의 외부 스위칭 컴포넌트를 구동시키도록 구성됨-을 포함하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 고조파 분석기는:
밴드패스 필터 뱅크로 동작하도록 상기 전력선 신호에 대해 고속푸리에변환을 수행하여 상기 전력선 주파수 및 고조파에 대응하는 푸리에변환계수를 출력하도록 구성된 프로그램 가능 회로; 및
상기 프로그램 가능 회로 내에 위치하고, 상기 복수의 주파수 밴드 내의 상기 주파수 신호의 크기를 기초로 총 고조파 왜곡을 계산하는 총 고조파 왜곡 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서,
상기 총고조파왜곡계산부는,
제1 주파수 밴드를 제외한 각 주파수 밴드의 상기 주파수 신호 크기를 제1 주파수 밴드의 신호 크기로 나누도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 고조파 분석기는:
상기 전력선 신호로부터의 노이즈를 필터링하도록 구성된 로우패스 필터;
상기 필터링된 전력선 신호의 진폭을 조정하도록 구성된 증폭기;
상기 필터링된 전력선 신호의 위상을 동기하기 위해 구성된 위상변이 컴포넌트-상기 위상변이 컴포넌트는 필터링된 신호를 출력함-;
상기 전력선 신호에서 상기 필터링된 신호를 감산하고, 상기 전력선의 고조파 성분을 나타내는 신호를 출력하도록 구성된 가산증폭기; 및
상기 전력선 신호의 총고조파왜곡을 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 고조파 분석기는:
상기 전력선 신호로부터의 노이즈를 필터링 하도록 구성된 로우패스 필터;
상기 전력신호의 주파수를 조정하도록 구성된 제로교차 검출기;
상기 전력선 신호의 진폭을 조정하도록 구성된 증폭기;
기준신호를 생성하도록 구성된 위상고정 정현파 발진기;
상기 전력선 신호에서 상기 필터링된 신호를 감산하고, 상기 전력선의 고조파 성분을 나타내는 신호를 출력하도록 구성된 가산증폭기;
상기 전력선 신호의 총고조파왜곡을 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 임계값 검출기는:
고조파왜곡신호를 정류하도록 구성된 정류기;
기준신호를 공급하도록 구성된 기준 생성이기;
상기 기준신호와 상기 고조파왜곡신호를 비교하도록 구성된 비교기 회로;
상기 비교기 회로로부터 출력 신호를 수신하고, 상기 외부 스위칭 컴포넌트의 스위칭을 지시하는 제어신호를 생성하도록 디자인된 홀드-리셋 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제21항에 있어서,
상기 기준신호는 상기 변압기에서 허용 가능한 고조파왜곡의 범위를 정의하도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
제21항에 있어서,
상기 임계값 검출기는 적어도 부분적으로 마이크로 프로세서에 포함된 것을 특징으로 하는 시스템.
변압기 내의 전력 고조파를 검출하기 위한 방법으로,
전력선 신호를 수신하는 단계;
상기 전력선 신호를 기초로 총고조파왜곡값을 생성하는 단계;
상기 총고조파왜곡값과 프리셋 임계값을 비교하는 단계; 및
상기 프리셋 임계값 이상의 총고조파왜곡값을 검출하는 경우, 스위치제어회로에서 변압기 중성선과 접지연결 사이에 위치된 정상-닫힘 스위치를 통과하는 스위치 제어 출력신호를 생성하는 단계를 포함하는 시스템.
제24항에 있어서,
상기 전력선 신호를 기초로 총고조파왜곡값을 생성하는 단계는:
필터링된 신호를 출력하도록 로우패스 필터를 이용하여 상기 전력선 신호를 필터링하는 단계;
증폭기를 이용하여 상기 필터링된 신호의 진폭을 조정하는 단계;
동기되고 필터링된 신호를 출력하도록 구성된 위상변이모듈을 이용하여 상기 필터링된 신호의 위상을 조정하는 단계;
상기 전력선의 고조파 성분을 나타내는 신호를 출력하기 위해, 상기 두 신호를 빼도록 구성된 가산증폭기를 이용하여 상기 전력선 입력전압과 상기 동기되고 필터링된 신호를 비교하는 단계;
총고조파왜곡값을 생성하고 출력하기 위해 고조파 성분을 나타내는 상기 신호를 정류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제23항에 있어서,
상기 전력선 신호를 기초로 총고조파왜곡값을 생성하는 단계는:
복수의 주파수 신호를 생성하도록 상기 전력선 신호에 푸리에변환을 수행하는 단계;
복수의 주파수 밴드를 생성하도록 복수의 밴드패스 필터를 이용하여 상기 복수의 주파수 신호를 필터링하는 단계; 및
상기 복수의 주파수 밴드 각각의 밴드 내 신호의 크기를 기초로 총고조파왜곡을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
변압기 중성선에 대한 손상 또는 저하 이벤트 또는 신호를 검출하는 시스템에서 동작 가능한 셀프 테스트 방법으로,
상기 전력 시스템 주파수와 상이한 주파수를 가진 교류신호를 변압기에 적용하는 단계;
공지의 상기 교류 테스트 신호의 진폭 및 직류 차단 컴포넌트를 통한 전류 측정을 기초로, 상기 직류차단(DC) 컴포넌트의 차단 특성의 기능성 및 크기를 측정하는 단계;
상기 직류(DC) 차단 컴포넌트의 정확한 동작을 판단하기 위해 상기 직류(DC) 차단 컴포넌트의 차단 특성의 크기와 기대값(exptected value)을 비교하는 단계;
고조파 분석기와 관련된 임계값 검출기에 의해 정의된 상기 프리셋 임계값 이상의 진폭을 갖는 고조파 신호를 전력선 신호에 적용하는 단계-상기 임계값은 진폭의 범위를 정의함-;
고조파 분석기가 상기 고조파 신호의 존재를 검출하였는지 여부를 판단하기 위해 상기 고조파 분석기에서 상기 고조파 신호를 분석하는 단계;
상기 변압기 중성선 및 접지 사이에 직류 흐름을 시뮬레이션하기 위해 직류(DC)신호를 상기 변압기 중성선에 적용하는 단계; 및
임계값 검출기에 의해 정의된 상기 프리셋 임계값 이상의 진폭을 갖는 전자기 검출(EM) 신호를 적용하는 단계-상기 임계값은 진폭의 범위를 정의함-
를 포함하는 방법.
제27항에 있어서,
하나 이상의 상기 교류신호, 상기 고조파 신호, 상기 직류 신호, 및 전자기 검출 신호의 검출에 대응하여 제어신호를 컨트롤러에서 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.