KR20140121586A - 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반 - Google Patents

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Abstract

3상 4선식 또는 3상 3선식 분배전반에서 역상의 전력을 정상위상으로 복구하고, 중성선(neutral line) 단선 또는 중성선에 이상 전류가 발생할 시 과전압과 과전류 및 전력 불평형의 발생을 복구하고, 전력 복구 후에도 이상 전력 검출 시 전력을 차단하고, 발생한 영상 고조파를 감소시켜 정상전력을 유지시켜줄 수 있도록 한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반이 개시된다.
개시된 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반은, 3상 3선식(R, S, T) 또는 3상 4선식(R, S, T, N)을 통해 전력을 공급해주는 전력 공급장치와 연계하고, 상기 전력 공급장치에 구비된 전력선의 이상상태를 검출하여, 전력선의 역상이 검출되면 상기 역상을 차단 후 정상위상을 공급하는 스위치를 연결하고, 상기 연결된 스위치를 통하여 상기 역상을 정상위상으로 복구하고, 정상전력을 유지시켜주는 전력품질 복구장치를 포함하며, 이러한 전력품질 복구장치는, 상기 전력선의 역상여부를 검출하는 역상 검출기와; 상기 중성선의 단선 여부를 검출하는 단선검출기와; 상기 중성선과 전력선에 이상 전류가 흐르는 것을 검출하는 전류검출기와; 상기 중성선의 온도를 검출하는 온도검출기와; 상기 역상검출기에서 출력되는 역상검출 값과, 상기 단선검출기에 의해 출력된 단선 검출 값과, 상기 전류검출기에 의해 출력된 이상전류 값과, 상기 온도검출기에 의해 출력된 온도 검출 값으로 이상여부를 판단하고, 상기 전력선의 역상, 상기 중성선의 단선 또는 상기 전력선과 상기 중성선에 이상전류가 흐를 시 상기 중성선과 상기 전력선 이상전력 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기와; 상기 제어기에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 전력 공급장치에 구비된 중성선과 전력선의 이상전력를 복구하여 전력(전압, 전류)의 평형유지와 영상고조파를 감소시키는 전력품질 복구기를 구비한다.

Description

역상과 전력품질을 복구하는 분배전반 {Switchboard to recover the reversed- phase and power quality}
본 발명은 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3상 4선식 또는 3상 3선식 배전 계통(수배전반)에서 전력선의 역상 및 중성선(neutral line) 단선 또는 전력선과 중성선에 이상전류가 발생 시, 상기 역상을 정상위상으로 복구하고, 상기 중성선(neutral line) 단선에 의한 불평형 과전류와 불평형 과전압의 발생을 방지하고 정상전압을 유지시켜주며, 전력 불평형을 평형으로 유지시켜주고, 영상고조파를 감쇄할 수 있도록 하여 전력품질 저하로 인한 전력의 낭비를 방지하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반에 관한 것이다.
일반적으로 전력계통에 있어서, 22.9kv-y 배전방식은 3상 4선식 배전선로를 통해 변전소로부터 공장이나 빌딩과 같은 큰 규모의 수용가에 직접 전력을 공급하거나, 2차 변압기를 통해 소규모 공장이나 일반 가정에 전력을 공급하는 방식이다.
이와 같은 배전선로는 도시 외곽이나 농어촌 등지에서는 가공선 형태로 시공되나, 대도시나 유원지와 같이 미관이 중시되는 지역에서는 지중으로 매설 시공한다.
3상 4선식 배전 계통은, Y결선, 델타 결선, 와이 델타결선 등의 방법으로 중성선(N)과 전력선(R상, S상, T상)을 결합하여 전력을 공급해주게 된다. 여기서 연결 시 하나의 전력선과 다른 전력선을 연결하면 380V가 되고, 하나의 전력선(예를 들어, A상)과 중성선(N)을 연결하면 220V가 되어, 부하에 전력을 공급해주게 된다.
여기서 중성선(N)은, 다상 다 선식 선로에서 각상의 한쪽의 선로를 공통(common)으로 한 선로를 의미한다. 원칙적으로 3상을 사용하려면 전선이 6가닥이 필요하다. 하지만, 단상 2선식 선로의 위상을 120°씩 틀어서 한쪽 선을 모두 공통으로 하면 4가닥으로 줄어들고, 공통으로 한곳의 전위는 벡터적 합에 의하여 제로(0)가 된다. 이러한 제로전위(영전위)가 바로 기준전위가 되고 이른바 N상 즉, 중성선이 된다.
이런 상태에서 중성선은 원칙적으로 대지 전위인 영 전위를 가져야 하나 실제로 현장에서 각상의 위상이 정확히 120°가 나오지 않을 때는 약간의 전압을 가질 수도 있다. 이때 중성선 전위의 상승을 막기 위해 대지 전위 선인 접지선에 중성선을 공통연결하면 각상의 위상이 약간 차이가 나게 되어도 대지와 닿아있기 때문에 영 전위를 유지하게 된다.
3상 4선식을 채택하고 있는 우리나라의 배전 계통의 특징상 단상부하와 3상부하가 혼합되어 중성선과 전력선에는 불평형 전류가 흐르게 되고, 불평형 전류가 발생하면 변압기의 효율이 저하되어 전력이 낭비되고 변압기 소손의 원인이 된다. 또한 최근에는 컴퓨터, LED 등 조명장치, 복사기 등 사무기기, 무정전전원공급장치(UPS) 등과 같은 비선형 부하장치의 증가로 인하여 중성선에는 더 많은 영상 고조파가 흐르게 되었다.
여기서 고조파(Harmonics)란 기본 주파수의 2배, 3배, 4배와 같이 정수배에 해당하는 주파수를 말하며, 왜곡파 또는 왜형파라고 하며, 특히 여러 차수의 고주파 중에서 3, 6, 9 등과 같이 고주파 차수가 3의 배수에 해당하는 고주파 성분을 영상 고조파라고 한다.
영상 고조파는 각 3상의 위상이 동상의 값을 가지므로 단상전원 3개가 병렬로 연결된 것과 같이 중성선에 중첩되어 최대 3배의 영상 고조파가 흐르게 된다. 이와 같이 중성선에 과다한 영상 고조파가 흐르게 되면 중성선 도체의 과열 등으로 인해 붓싱 부분이 단선되거나 중성선이 단선 또는 중성선과 전력선에 과도한 전류가 흐르게 된다.
여기서 중성선이 단선되면 임피던스가 큰 부하 측 누전차단기의 파손이 발생하고, 중성선과 전압측 선로에 연결된 엘리베이터 약전 기기 등의 부하가 소손하는 사고가 발생하게 된다. 또한 중성선과 전력선에 과도한 전류가 흐르게 되면 전력이 낭비되고 변압기 및 중성선의 소손원인이 제공된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 3상 4선식 전력 계통에서 정상회로의 상별 전압 및 전류 흐름을 도시한 것이다(부하 불평형이 3:1인 경우).
정상회로에서의 전압은 A상과 N선 220V, B상과 N선은 220V가 공급되고, 전류의 흐름은 A상에서 N선으로, B상에서 N선으로 흐른다.
그러나 중성선(N)이 단선 또는 중성선에 과도한 전류가 흐를 경우되면 220V는 없어지고, 380V만 존재하게 된다. 즉, 중성선은 전류가 흐르지 못하고 A상에서 부하를 직렬로 통하여 B상으로 흐르게 된다.
즉, 도 2에 도시된 회로도와 같이, 각 상과 중성선과의 임피던스는 A상의 부하와 B상의 부하에 반비례하는 임피던스가 직렬로 되어 380V가 연결된 것과 같게 되므로, 경부하 쪽의 부하가 소손되는 사고가 발생하게 된다.
여기서 부하가 평형인 경우에도, 전압이 변하게 되며 중성선이 연결된 상태에서는 220V로 중성선과 양측 전압선(전력선) 간의 전압이 220V로 동일하지만, 중성선이 단선되면 전압의 불평형이 발생하게 되며, 경부하측 부하의 단선, 소손 등으로 점점 불평형은 심화되고, 끝내는 경부하측 기기가 거의 모두 손상된다.
결론적으로, 3상 4선식 배전 계통에서 중성선이 단선되면, 경부하(輕負荷)인 단자의 전압은 상승하게 되고, 중부하(重負荷)인 쪽은 감소하게 되며, 경부하쪽 부하에는 이상이 발생하게 되므로 스위치를 끄거나 고장으로 회로가 개방되게 되며, 전압 불평형은 점점 심화되어 종래에는 경부하쪽 전기기기가 거의 모두 손상하게 된다.
한편, 단상 3선식 배전 계통에서도 중성선이 단선되면 과전압이 흘러 부하쪽 전기기기가 손상하게 되는 문제점을 발생한다. 또한, 부하의 원인제공으로 전력 불평형과 영상고조파가 발생하면 전력이 낭비되고 배전계통의 기기들이 과열하거나 소손하는 전기사고가 발생한다.
이러한 중성선 단선으로 인해 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 종래에 제안된 기술이 대한민국특허청 등록특허 등록번호 10-1052471호(2011.7.22. 등록)(발명의 명칭: 전력계통에서 중성선 대체장치 및 그 방법)(이하, "종래기술 1" 이라 약칭함)와 대한민국특허청 등록특허 등록번호 10-0883771호(발명의 명칭: 역상 및 결상 보호용 전자식 계전기)(이하, "종래기술 2" 이라 약칭함)에 개시되어 있다.
개시된 종래 기술 1은, 중성선 단선 또는 중성선에 과도한 전류가 흐를 경우가 검출되면 3상(R, S, T) 전원을 내부의 중성선 보호기에 연결하고 공통 선로를 형성하여 상기 이상이 발생한 중성선을 대체하여 이상전압의 발생을 방지하였다.
또한, 개시된 종래기술 2는, 계전기에 관한 것으로서, 삼상 부하 기기에 공급되는 전원의 역상 또는 결상 여부를 감지하여 공급되는 전원을 차단할 수 있게 하며, 내부 전자소자를 전원으로부터 안전하게 보호하고 역상 또는 결상 여부를 사용자에게 신속하게 알려줄 수 있게 하고, 역상 및 결상발생 시 전원공급을 중단하여 정전을 발생한다.
등록특허 10-1052471호(20011.7.22. 등록)(발명의 명칭: 전력계통에서 중성선 대체장치 및 그 방법) 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0883771호(발명의 명칭: 역상 및 결상 보호용 전자식 계전기)
그러나 상기와 같은 종래의 기술은 3상 3선식 또는 3상 4선식 전력 계통에서 역상 전력의 발생에 계전기를 동작하여 전력을 차단하여 정전 발생을 방지할 수가 없었고, 중성선의 단선 시 경부하쪽 전기기기가 소손되는 문제점을 어느 정도는 해결할 수 있으나, 반면, 중성선 고장의 원인이 되는 전력의 불평형과 영상고조파가 해결되지 않는 문제점이 있었다.
따라서 전력의 불평형과 고조파에 의해 중성선 대체장치의 효율이 떨어지고, 불필요한 전력이 낭비되며, 중성선 대체장치가 소손되거나, 부하기기의 소손, 화재, 전기로 인한 사고의 문제가 발생하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 중성선 대체장치에서 발생하는 제반 문제점들을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,
본 발명이 해결하려는 과제는, 3상 3선식 또는 3상 4선식 배전 계통에서 전력선의 역상 시에 정상위상으로 복구하고, 중성선(neutral line) 단선 시 과전압의 발생을 방지하고, 정상전압을 유지시켜주며, 각상별 전력 불평형을 전력 평형으로 유지하고, 중성선에 흐르는 영상고조파를 감소할 수 있도록 한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 전력 불평형에 의하여 중성선 대체장치가 소손 되거나, 불필요한 전력의 낭비를 줄일 수 있도록 한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 중성선 고장의 원인인 고조파 발생을 감소시켜 중성선 대체장치의 소손을 막고, 전력 품질을 복구하여 전기에너지를 절감할 수 있도록 한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 중성선 단선 또는 중성선에 이상 전류가 검출되면 경고를 하여, 후속 조치가 이루어질 수 있도록 한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 전력선의 역상과 중성선 단선 또는 중성선에 이상 전류가 발생하여 전력품질 복구기를 동작시킨 상태에서도 전력선의 역상 또는 전압 불평형과 이상전류가 검출되면 자동으로 차단기 또는 스위치를 동작시켜 역상에 의한 기계장치의 소손과 중성선 이상으로 인한 과전압, 과전류에 의해 부하의 기기가 소손되는 것을 방지하기 위한 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.은,
3상 3선식(R, S, T) 또는 3상 4선식(R, S, T, N)을 통해 전력을 공급해주는 변압기, 차단기가 구비된 전력 공급장치와 연계하고, 상기 전력 공급장치에 구비된 전력선의 이상상태를 검출하여, 전력선의 역상이 검출되면 상기 역상을 차단 후 정상위상을 공급하는 스위치를 연결하고, 상기 연결된 스위치를 통하여 상기 역상을 정상위상으로 복구하고, 정상 전력을 유지시켜주는 전력품질 복구장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력품질 복구장치는,
상기 전력선의 역상 여부를 검출하는 역상검출기와
상기 중성선의 단선 여부를 검출하는 단선검출기와;
상기 전력선과 중성선에 이상 전류가 흐르는 것을 검출하는 전류검출기와;
상기 중성선의 온도를 검출하는 온도검출기와;
상기 역상검출기에 의해 출력된 역상 검출 값과, 상기 단선검출기에 의해 출력된 단선 검출 값과, 상기 전류검출기에 의해 출력된 이상전류 값과, 상기 온도검출기에 의해 출력된 온도 검출 값으로 전력품질의 이상 여부를 판단하고, 상기 전력선의 역상과 상기 중성선의 단선 또는 상기 전력선과 상기 중성선에 이상전류가 흐를 시 상기 전력선과 상기 중성선의 역상 및 이상전력 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기와;
상기 제어기에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 전력 공급장치에 구비된 전력선의 역상 및 상기 전력선과 상기 중성선의 이상전력을 복구하여 역상인 전력을 정상위상으로 복구하고, 중성선 단선과 전력 불평형, 영상고조파로 인한 이상전력을 복구하여도 전력 이상 검출 시는 전력을 차단하고, 불평형 전력(전압, 전류)의 평형유지와 발생한 영상고조파를 감소시키는 전력품질 복구기를 포함한다.
상기 단선검출기는,
상기 중성선과 3상의 단상전압을 측정하여, 상기 중성선과 3상의 단상전압이 불평형 전압이 검출될 경우 중성선 단선검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류검출기는,
상기 중성선에 흐르는 전류량을 측정하여 설정 기준치보다 많은 전류가 검출될 경우 과전류 검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도검출기는,
상기 중성선의 온도를 실시간 측정하여 설정 기준치보다 초과된 온도가 검출될 경우 이상 온도 검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력품질 복구기는,
상기 전력선의 역상의 위상을 정상의 위상으로 변환하고, 상별 전압의 불평형과 상별 전류 불평형을 상별 평형으로 유지하고, 영상고조파를 감소시키기 위한 하이브리드 트랜스와 제1 스위치와 제2 스위치와 제3 스위치를 포함한다.
본 발명에 따르면, 3상 3선식 또는 3상 4선식 배전 계통에서 전력선(power line)의 역상이 발생하거나, 중성선(neutral line) 단선이 발생하거나, 전력선과 중성선에 이상전류가 흐를 경우, 상기 전력선의 역상을 정상의 위상으로 변환하고, 중성선 단선 및 전력선과 중성선의 이상전류를 신속하게 정상적으로 복구해줌으로써, 과전압의 발생을 방지하고, 전력의 불평형을 전력 평형으로 유지하며, 발생된 영상고조파를 제거하여 부하 측에 정상전력을 지속적으로 유입시켜줄 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 역상과 과전압에 의해 부하기기가 소손되는 것을 방지하고, 전력 불평형 및 영상고조파 발생으로 인하여 야기되는 전력품질의 저하로 인한 변압기의 성능저하 등으로 낭비되는 전력의 손실을 막을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 3상 4선식 전력 계통의 상별 전압 및 전류 흐름도.
도 2는 종래 3상 4선식 전력 계통에서 중성선 단선에 의해 이상전압 발생을 설명하기 위한 설명도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.의 회로도.
도 4는 하이브리드 트랜스의 회로도와 벡터도.
도 5는 전력품질 복구기의 일 실시예의 회로도.
도 6은 영상고조파가 각각의 다른 3상의 정상위상의 인덕턴스를 구비한 각각의 레그를 권선이 권취된 순서대로 통과하면서 감소되는 흐름도.
도 7은, 영상고조파가 각각의 다른 3상의 권선중에 각각의 레그에 반대로 권취된 2개의 권선을 본 발명에 따라 각각의 권선이 권취된 순서대로 통과하면서 감소되는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.의 회로도로서, 전력 공급장치(100)와 연계된 전력품질 복구장치(200)를 포함한다.
이러한 전력품질 복구장치(200)는 하나의 모듈로 구현하여 제품화하면, 기존에 설치된 전력 기기에도 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
전력 공급장치(100)는 한국전력에서 공급해주는 전력을 3상 4선식(R, S, T, N) 또는 3상 3선식(R, S, T)으로 공급해주는 일반적인 전력 공급장치를 의미한다.
전력품질 복구장치(200)는 3상 4선식(R, S, T, N) 또는 3상 3선식(R, S, T)을 통해 전력을 공급해주는 전력 공급장치(100)와 연계하고, 상기 전력 공급장치(100)에 구비된 전력선과 중성선(N)의 이상 상태를 검출하여, 상기 전력선의 역상이 검출되면 역상이 발생된 전력을 차단하고 정상위상으로 변환된 전력을 공급하며, 전력선과 중성선의 이상이 검출되면 상별 인덕턴스를 연결하고, 연결된 인던턴스를 통하여 전력 불평형을 전력 평형으로 복구하고, 또한, 복구용 중성선에 접속하여 중성선 복구를 통해 과전압과 과전류의 발생을 방지하고, 영상고조파를 감소시켜 정상전압을 유지시켜주는 기능을 수행한다.
이러한 전력품질 복구장치(200)는, 상기 전력선의 역상 여부를 검출하는 역상 검출기(190)와; 상기 중성선(N)의 단선 여부를 검출하는 단선검출기(210)와; 상기 전력선과 상기 중성선에 이상 전류가 흐르는 것을 검출하는 전류검출기(220)와; 상기 중성선의 온도를 검출하는 온도검출기(230)와; 상기 역상검출기에서 출력된 역상 검출 값과, 상기 단선검출기(210)에 의해 출력된 단선 검출 값과, 상기 전류검출기(220)에 의해 출력된 이상 전류 검출 값과, 상기 온도검출기(230)에서 출력된 온도 검출 값으로 상기 전력선의 역상과 중성선의 단선 또는 상기 전력선과 상기 중성선의 이상 전류 여부를 판단하고, 상기 전력선의 역상 발생과 상기 중성선 단선에 의한 전압 불평형과 상별 부하의 불평형에 의한 전력 불평형과 영상고조파 감소 등의 전력품질 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기(250)와; 상기 제어기(250)에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 전력 공급장치(100)에 구비된 전력선(R, S, T)으로 역상 발생을 정상위상으로 복구하고, 상기 전력선과 중성선(N)의 불평형 전력 이상을 복구하여 상별 전압의 평형과 상별 전류의 평형을 유지하고, 영상고조파를 감소시키는 전력품질 복구기(240)를 포함한다.
여기서 제어기(250)는 제어 가능한 프로그램을 저장하고, 상기 저장한 프로그램에 따라 전력품질 복구장치(200)의 전체 동작을 제어할 수 있는 마이컴, 마이크로프로세서, 중앙처리장치, 마이크로컨트롤러 등으로 구현하는 것이 바람직하다.
상기에서 전력품질 복구기(240)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전력품질 복구를 위해 전력선에 스위치(M1, M2, M3)를 구비하고, 역상이 발생하였을 시에는 스위치(M2)의 연결된 전력을 차단하고 정상위상을 공급하기 위한 스위치(M3)를 동작하여 정상전력으로 변환된 전력을 부하에 공급하고, 전력선과 중성선의 전력품질 이상 시에는 인덕턴스를 연결하기 위한 스위치(M1)와 상별 전류의 평형을 유지하고, 고조파를 감소시키는 하이브리드 트랜스(150)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전력품질 복구장치(200)는, 상기 제어기(250)에 의해 출력되는 경보 발생 제어신호에 따라 전력선의 역상과 중성선 단선 또는 중성선과 전력선에 이상한 전류가 흐를 시 경보하는 경보 발생기(260)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전력품질 복구장치(200)는, 상기 경보 발생기(260)에 의해 경보가 발생한 후 관리자에 의해 경보해제를 위한 경보해제 스위치가 조작되면 경보해제 신호를 발생하여 상기 제어기(250)에 전달하는 경보해제신호 입력부(270)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 경보해제신호 입력부(270)는 주지한 바와 같이 경보해제 스위치를 구비한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.은, 한국전력으로부터 공급되는 전력을 1차 변압기를 통해 공급받은 후 전력 공급장치(100)가 Y결선 방식을 통해 분전반 및 배전반 등에 공급해주게 된다.
이때 전력선에 역상이 발생되면 역상으로 인한 기계장치가 소손되거나 기존에 구비된 역상계전기의 동작으로 정전되어 정보화시대의 동맥과도 같은 전기가 마비되어 큰 불편과 손실을 초래하고, 중성선이 단선되면 각상별로 공급되는 전압이 부하의 용량에 따라 다르게 되고, 이로 인해 경부하 쪽 에서는 이상 전압(과전압)에 의해 화재가 발생하거나 부하 기기가 소손되는 사고가 발생하며, 전력 불평형과 영상고조파가 발생하면 중성선에 과도한 전류가 흐르게 되며, 그로인해 전력이 낭비되고, 중성선이 과열되거나 단선된다.
이러한 사고를 미리 방지하기 위해서 본 발명에서는 전력품질 복구장치(200)가 상시 전력선과 중성선의 상태를 감지하고, 전력선의 역상 발생 시 전력품질 복구기(240)에 구비된 스위치가 동작하여 역상전력을 정상 시 연결되어 있는 스위치(M2)로 차단하고 경보를 즉시 발생하며, 상기 역상을 정상위상으로 변환하는 전력 스위치(M3)를 동작하여 역상의 전력을 정상의 전력으로 복구하고, 중성선의 단선 또는 전력선과 중성선에 이상 전류 또는 전력 불평형이 감지되면 즉시 경보를 수행함과 동시에 전력품질 복구기(240)에 구비된 하이브리드 트랜스(150)를 동작하여, 상간 전력 불균형을 보상함과 동시에 경부하 쪽에 과전압이 흐르지 못하도록 작용을 하고, 전력 불평형을 평형으로 유지하며, 중성선에 발생한 고조파를 제거한다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 전력 공급장치(100)에 의해 전력이 공급되면, 역상검출기(190)와 단선검출기(210)와 전류검출기(220)와 온도검출기(230)는 동작을 하여 전력선의 역상 여부를 검출하는 역상검출기(190)의 검출 값과, 중성선(N)의 단선 여부를 검출하는 단선검출기(210)의 검출 값과, 중성선의 이상 전류 여부를 검출하는 전류검출기(220)의 검출 값과, 중성선의 온도를 검출하는 온도검출기(230)의 검출 값을 제어기(250)에 전달한다. 예컨대, 역상검출기(190)는 전력선(R, S, T)의 위상각을 검출하여 위상각의 순서가 R, S, T 또는 S, T, R 또는 T, R, S의 순서일 때는 정상 위상으로 판단하고, 상기 R, S, T 또는 S, T, R 또는 T, R, S 외의 순서일 때는 역상으로 판단한다. 또 다른 방법으로는 전압을 검출하여 전압의 순서(펄스)가 R, S, T 또는 S, T, R 또는 T, R, S의 순서일 때는 정상 위상으로 판단하고 그 외의 순서일 때는 역상으로 판단한다. 또 다른 방법으로는 기존에 구비된 역상계전기를 이용하여 역상계전기가 동작하면 역상으로 판단한다, 또한, 단선검출기(210)는 중성선의 전압 및/또는 대지전압을 측정하여, 중성선에 전압이 검출되는지 아니면 대지전압이 검출되는지를 확인하여 중성선의 단선을 판단한다. 또 다른 방법으로서, 중성선과 각 상의 전압 불평형 여부를 판단하여 중성선의 단선을 판단한다. 또 다른 방법으로서, 중성선의 A점과 B점의 전압을 측정하여, 전압 검출 여부로 중성선의 단선을 판단한다. 또 다른 방법으로서, 접촉 불량 검출장치를 통해 중성선 단자의 접촉 불량 여부를 검출하여 중성선의 단선을 판단한다. 또 다른 방법으로 기존에 구비된 결상 보호장치를 이용하여 결상 보호장치의 동작 여부로 중성선의 단선을 판단하며, 전류검출기(220)는 중성선에 흐르는 전류의 기준 설정치에 의하여 판단한다. 또 다른 방법으로 3상의 전류비(Ri+Si +Ti=Ni, Ri+Si+Ti+Ni=0)를 비교하여 중성선과 전력선에 이상전류가 발생하면 과전류로 판단한다. 또 다른 방법으로 각각의 3상의 전류 불평형의 비율이 30％(내선규정)이상이면 과전류로 판단한다. 온도검출기(230)는 중성선의 온도를 감시하여 기준 설정치 이상으로 온도가 올라가면 과전류로 판단한다.
이 판단 결과 전력선의 역상으로 판단되면, 전력선 역상검출기(190)는 전력선 역상이상 정보를 포함시켜 제어기(250)에 제공하고, 중성선의 단선으로 판단되면, 중성선 단선검출기(210)는 중성선 단선이상 정보를 포함시켜 제어기(250)에 제공하고, 전류검출기(220)는 중성선에 과도한 전류가 흐르거나, 영상 고조파의 증가로 판단되면 이상 전류 정보를 포함시켜 제어기(250)에 제공하고, 온도검출기(260)는 중성선의 미리 설정한 온도 기준치를 초과하면 이상 전류 정보를 포함시켜 제어기(250)에 제공한다. 여기서 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 이상 전류가 흐를 경우의 이상 정보는 하이신호(5V)라고 할 수 있으며, 전력선 역상 또는 중성선의 단선 또는 전력선과 중성선에 이상 전류가 검출되지 않을 경우 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 과전류 검출 값은 로우신호(0V)라고 할 수 있다.
제어기(250)는 상기 역상검출기(190)로부터 제공되는 역상 정보, 상기 단선검출기(210)로부터 제공되는 단선정보, 전류검출기(220)와 온도검출기(230)로 부터 제공되는 이상전류 검출 값을 내장된 제어 프로그램으로 분석하여, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 과전류가 아니라고 판단이 되면 전력품질 복구기(240)를 동작하지 않게 되며, 이와는 달리 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 흐르는 것이라고 판단이 되면 전력품질 복구기(240)를 동작시키게 된다. 즉, 전력 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 흐를 경우 검출 값이 하이신호이면 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 불평형 과전류로 판단을 하고, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 불평형 과전류 검출 값이 로우신호이면 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 불평형 과전류가 아니라고 판단을 한다.
전력품질 복구기(240)는 도 4에 도시한 바와 같이, 내부적으로 복구용 중성선과 각각 다른 상의 전력을 전자기유도하여 전력으로 사용할 수 있는 인덕턴스(하이브리드 트랜스)를 구비하고, 상기 제어기(250)에 의해 동작 제어신호가 전달되면, 스위치(M1)가 동작을 하여 하이브리드 트랜스에 전력을 공급하면, 복구용 중성선(N)과 연결하게 된다. 즉, 복구용 중성선(N)은 항상 존재한 상태에서 중성선 단선 또는 중성선과 전력선에 이상한 전류가 흐를때 3상의 전력이 연결된 하이브리드 트랜스(150)를 통해 복구용 중성선에 연결하여 중성선 단선 또는 중성선과 전력선에 이상한 전류가 흐를 경우 전력품질 복구기(240)를 동작하게 된다. 여기서 스위치는 마그넷 스위치 또는 전자식 스위치(SSR) 또는 ACB 또는 ATS 등을 이용하는 것이 바람직하다.
전력품질 복구기(240)가 동작을 하여 전력선의 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류가 흐르는 것을 복구하면, 전력선 역상으로 전력이 마비되거나, 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류로 인해 발생할 수 있는 각 상별 전력의 불평형을 이전과 같이 평형 상태로 유지할 수 있으며, 영상 고조파는 감소하여, 이로 인해 전력 공급장치(100)의 중성선이 단선 또는 중성선에 이상 전류가 흐르게 되어도 종래와 같이 경부하 쪽에 과전압이 흐르는 것을 방지하고, 전력 불평형을 평형상태로 유지하며, 영상 고조파를 감소시켜서 정상전압을 유지시켜주게 되므로 기존과 같이 과전압 또는 과전류가 흘러 전기기기를 소손하게 되거나 전력을 낭비하는 문제를 방지하게 된다.
또한, 전류 불평형을 전류 평형으로 유지하고, 영상 고조파의 감소로 중성선 과열, 중선선 고장, 중성선 대체장치의 소손, 변압기 등의 배전기기의 손상을 방지하고, 전력품질을 복구하여 낭비되는 전력을 절감할 수 있다.
한편, 제어기(250)는 주지한 바와 같이 전력선 역상 또는 중성선의 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류가 흐르는 것으로 판단이 되면 즉시 경보 발생기(260)를 구동시키게 된다. 경보 발생기(260)는 구동을 하여 중성선 단선 또는 중성선에 전류 이상을 경보하게 되는 데, 본 발명에서는 시각적인 경보 및/또는 청각적인 경보 방법을 이용하여 경보를 하게 된다.
시각 및/또는 청각 경보가 발생한 상태에서 관리자가 이를 인식하면, 신속하게 후속 조치를 취하게 되고, 이로써 전력선 역상 또는 중성선의 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 흐를 경우로 인해 발생할 수 있는 각종 사고를 방지하게 되는 것이다.
또한, 관리자는 필요에 따라 발생한 경보를 해제할 수 있다. 예컨대, 경보해제신호 입력부(270)에 구비된 경보해제 스위치를 조작하면, 경보해제신호 입력부(270)에서 경보해제 신호를 발생하여 제어기(250)에 전달한다.
제어기(250)는 경보 해제신호가 전달되면, 경보 발생기(260)의 동작을 정지시켜, 경보를 해제하게 된다.
또한, 본 발명은 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류에 대한 경보를 수행한 후, 미리 설정된 일정 시간 이내에 경보 해제가 요청되지 않으면 자동으로 부하에 공급되는 전력을 차단하여, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류로 인해 발생할 수 있는 사고를 미리 방지하게 된다.
또한, 본 발명은 주지한 바와 같이, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전류에 의해 전력품질 복구기(240)를 동작시킨 상태에서 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상전력 검출기(190, 210, 220, 230)들을 통해 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선의 이상 전력을 지속적으로 검출하게 되는 데, 이때 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 이상전력으로 인해 전력품질 복구기(240)를 동작시켰는데도 불구하고 역상이 검출 되거나, 전력(전압, 전류) 불평형이 검출되거나, 영상 고조파가 증가하면 제어기(250)에서 제어신호를 이용하여 자동으로 차단기(LBS, AISS, ASS, VCB, ACB, MCCB, ELB, 기타 등)를 동작시키거나, 중성선 단선 시 단상 부하 전력만을 차단하거나, 메인 차단기와 단상 부하 전력을 동시에 차단하여 부하의 기기가 소손되는 것을 방지하게 된다.
예컨대, 본 발명에 따르면 전력 공급 장치의 전력선 역상 또는 중성선이 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 전류가 흐르면 자동으로 전력품질 자동복구를 수행하여, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 흐르므로 인해 발생하는 전력품질 이상과 상별 전력 불평형을 방지하고, 영상고조파를 감소시키고 중성선 단선으로 인해 경부하쪽의 전기기기가 소손되는 것을 방지하고, 중성선 고장의 원인인 전류 불평형과 고조파의 발생을 억제시켜 전력품질을 개선하고, 전력의 낭비를 막을 수 있다. 그리고 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 발생하면 바로 경보를 발생하여 관리자가 이를 인지하도록 하며, 이후 관리자가 후속 조치를 신속하게 취할 수 있도록 함으로써, 전력선 역상 또는 중성선 단선 또는 전력선과 중성선에 과도한 불평형 전류가 흐르므로 인해 추후 발생할 수 있는 과열로 인한 화재나 과전압과 역상으로 인한 시스템 고장 등의 사고를 방지할 수 있게 되는 것이다.
또한, 전력품질 복구에 실패한 경우에는 차단기 동작 제어신호를 발생하여 차단기를 동작시킴으로써, 역상, 불평형 과전류, 불평형 과전압 등에 의해 후단 기기가 손상되는 것을 방지하게 되는 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
R, S, T… 3상의 위상(전력선)
N… 중성선
Rt… R상의 전력중에 T상의 위상에 권취된 권선
Rs… R상의 전력중에 S상의 위상에 권취된 권선
Rr… R상의 전력중에 R상의 위상에 권취된 권선
St… S상의 전력중에 T상의 위상에 권취된 권선
Ss… S상의 전력중에 S상의 위상에 권취된 권선
Sr… S상의 전력중에 R상의 위상에 권취된 권선
Tt… T상의 전력중에 T상의 위상에 권취된 권선
Ts… T상의 전력중에 S상의 위상에 권취된 권선
Tr… T상의 전력중에 R상의 위상에 권취된 권선
Rr1, Rs1, Rt1… 영상고조파의 파형(전력 위상과 역상인 파형은 상쇄되어 없어진다)
100… 전력 공급 장치
150… 하이브리드 트랜스
190… 역상검출기
200… 전력품질 복구장치
210… 단선 검출기
220… 전류 검출기
230… 온도 검출기
240… 전력품질 복구기(역상, 중성선 단선, 전력불평형, 영상고조파)
250… 제어기
260… 경보 발생기
270… 경보해제신호 입력부
280… 하이브리드 트랜스의 각각의 다른 위상을 통과한 벡터도
300… 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
M1… 하이브리드 트랜스를 연결하기 위한 제1 스위치
M2… 역상전력과 이상전력을 차단하기 위한 제2 스위치
M3… 역상전력을 정상으로 복구하기 위한 제3 스위치

Claims (6)

  1. 중성선 복구 기능과 고조파감쇄 기능이 있는 분배전반에 있어서,
    3상 3선식(R, S, T) 또는 3상 4선식(R, S, T, N)을 통해 전력을 공급해주는 변압기, 차단기가 구비된 전력 공급장치와 연계하고, 상기 전력 공급장치에 구비된 전력선의 이상상태를 검출하여, 전력선의 역상이 검출되면 상기 역상을 차단 후 정상위상을 공급하는 스위치를 연결하고, 상기 연결된 스위치를 통하여 상기 역상을 정상위상으로 복구하고, 정상전력을 유지시켜주는 전력품질 복구장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전력품질 복구장치는,
    상기 전력선의 역상 여부를 검출하는 역상검출기와
    상기 중성선의 단선 여부를 검출하는 단선검출기와;
    상기 중성선과 전력선에 이상 전류가 흐르는 것을 검출하는 전류검출기와;
    상기 중성선의 온도를 검출하는 온도검출기와;
    상기 역상검출기에 의해 출력된 역상 검출 값과, 상기 단선검출기에 의해 출력된 단선검출 값과, 상기 전류검출기에 의해 출력된 이상전류 값과, 상기 온도검출기에 의해 출력된 온도 검출 값으로 전력품질의 이상 여부를 판단하고, 상기 전력선의 역상과 상기 중성선의 단선 또는 상기 전력선과 상기 중성선에 이상전류가 흐를 시 상기 중성선과 상기 전력선의 역상 및 이상전력 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기와;
    상기 제어기에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 전력 공급장치에 구비된 전력선의 역상 및 상기 전력선과 상기 중성선의 이상전력을 복구하여 역상인 전력을 정상위상으로 복구하고, 중성선 단선으로 인한 이상전압을 복구하고, 전력(전압, 전류)의 평형유지와 영상고조파를 감소시키고, 상기 이상 전력복구 후에도 이상 전력 검출 시는 전력을 차단하는 제어신호를 출력하는 전력품질 복구기를 포함하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 단선검출기는,
    상기 중성선과 상별 단상전압을 각각 측정하여, 상기 중성선과 상별 단상전압이 불평형 전압이 검출될 경우 중성선 단선검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 전류검출기는,
    상기 중성선에 흐르는 전류량을 측정하여 설정 기준치보다 많은 전류가 검출될 경우 이상전류 검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 온도검출기는,
    상기 중성선의 온도를 실시간 측정하여 설정 기준치보다 초과된 온도가 검출될 경우 이상 전류 검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 전력품질 복구기는,
    상기 전력품질 복구기는 상기 상별 전압의 불평형과 상기 상별 전류 불평형을 상별 전압 평형과 상별 전류 평형으로 유지하고, 영상고조파를 감소시키기 위한 하이브리드 트랜스와 제1 스위치와, 전력선의 역상 전력을 정상 전력으로 복구하기 위한 제2 스위치와 제3 스위치를 포함하는 역상과 전력품질을 복구하는 분배전반.
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KR102181801B1 (ko) * 2019-11-14 2020-11-24 주식회사 우삼 자동 역상계전시스템

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