KR20160012223A

KR20160012223A - 변압기의 코어의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 감소시키기 위한 장치

Info

Publication number: KR20160012223A
Application number: KR1020157036639A
Authority: KR
Inventors: 피터 햄버거
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2016-02-02
Also published as: CA2910674C; BR112015029477B8; EP3005383A1; KR101806293B1; BR112015029477A2; US20160125999A1; WO2014191023A1; BR112015029477B1; US10083789B2; CA2910674A1; EP3005383B1; CN105229759B; CN105229759A

Abstract

본 발명은 변압기의 코어에 자기적으로 결합되는 복수의 보상 권선들(K1, K2, K3)을 포함하는, 변압기, 특히 3상 변압기의 코어의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, - 전류를 보상 권선들(K1, K2, K3)에 공급하기 위해 제어가능 전류원(S)이 제공되고, 보상 권선들(K1, K2, K3), 특히 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점(neutral point)(P1)과 전기적으로 직렬로 배열되고, 중성점(P1)은 보상 권선들(K1, K2, K3)의 입력들에 의해 형성되고, - 중성점 접지 변압기(neutral earthing transformer)(H)가 제공되고, 보상 권선들(K1, K2, K3)의 출력들에 전기적으로 연결되고, 그리고 - 전류원(S)이 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점(P1)과 중성점 접지 변압기(H)의 중성점(P2)을 서로 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 한다.

Description

변압기의 코어의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 감소시키기 위한 장치{APPARATUS FOR REDUCING A MAGNETIC UNIDIRECTIONAL FLUX COMPONENT IN THE CORE OF A TRANSFORMER}

본 발명은 변압기(transformer), 특히 3상(three-phase) 변압기의 코어(core)의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트(magnetic unidirectional flux component)를 감소시키기 위한 장치로서, 변압기의 코어에 자기적으로 결합되는 복수의 보상 권선(compensation winding)들을 포함하는 장치에 관한 것이다.

사용 분야는 원칙적으로, 저전압 또는 중간 전압 범위의 변압기들 및 매우 고전력의 변압기들(전력 변압기들, 고전압 직류 전송 변압기들) 양쪽 모두에 있다.

에너지 분배 네트워크(energy distribution network)들에서 이용되는 바와 같은 전기 변압기들에서, 직류(direct current)가 1차 권선 또는 2차 권선에 공급되는 것이 발생할 수 있는데, 이는 바람직하지 않다. 이하에서 DC-컴포넌트(DC-component)로 또한 표시되는 이러한 직류 공급은 예컨대, 전자 구조 컴포넌트(electronic structural component)들로부터 비롯될 수 있는데, 그 이유는 전자 구조 컴포넌트들이 오늘날 전기 드라이브(electrical drive)들을 제어할 때 이용되거나 또는 심지어 무효 전력 보상(reactive power compensation)에서 이용되기 때문이다. 추가의 원인은 이른바 지자기 유도 전류들(GIC; geomagnetically induced currents)일 수 있다.

태양풍들로 인해, 지구의 자기장이 변경되고, 따라서, 매우 저주파의 전압들이 지구의 표면 상의 컨덕터 루프(conductor loop)들 상에 유도된다. 긴 전기 에너지 전송 라인(long electrical energy transmission line)들을 이용시, 그 유도된 전압은 비교적 큰 저주파 전류들(유사 직류들(quasi direct currents))을 야기할 수 있다. 지자기 유도 전류들은 대략 10년 주기로 발생된다. 이들은 모든(3개) 상(phase)들 상에 균일하게 분포되고, 상(phase) 당 30 A에 이를 수 있고, 그리고 변압기의 중성점(neutral point)을 통해 방전될 수 있다. 이는 절반-주기(half-cycle)에서 변압기의 코어의 상당한 포화를 초래하고, 그에 따라, 절반-주기에서 높은 여자 전류(excitation current)를 초래한다. 이러한 부가적인 여자(excitation)는 큰 고조파 컴포넌트(harmonic component)들을 가지며, 결과적으로, 고조파 컴포넌트를 가진 스트레이 필드(stray field)에 의해, 변압기의 코어 컴포넌트(core component)들 및 권선들에서 와전류 손실(eddy current loss)들이 초래된다. 이는 변압기의 국부 과열(local overheating)을 초래할 수 있다. 더욱이, 높은 여자 요건(excitation requirement)으로 인해, 이는, 높은 무효 전력 소비 및 전압 강하를 초래한다. 총괄하여, 이는 에너지 전송 네트워크(energy transmission network)의 불안정성을 초래할 수 있다. 매우 단순히 말하면, 변압기는 반파장(half-wave)에서 리액터(reactor)의 방식으로 거동한다.

그러므로, 일부 에너지 전송 컴퍼니(energy transmission company)들은 이미 변압기들의 규격에서 변압기의 중성점에 대해 100 A 직류를 요구하고 있다.

WO 2012/041368 A1에 따르면, 보상 권선에 유도된 전기 전압의 사용이 이루어지고, 전기 전압은, 보상 전류를 보상 권선에 도입하기 위해서, 전류 제한 리액터(current limiting reactor)와 직렬로 연결되는 사이리스터 스위치(thyristor switch)에 의해 간섭 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트(interfering magnetic unidirectional flux component)의 보상을 위해 이용된다. 이러한 해결책은 하나의 범위의 직류들이 보상되도록 잘 기능하며, 이러한 직류들은 지자기 유도 전류들보다 10배 만큼 더 작은데, 즉, 대략 10 A 미만의 범위이다. 지자기 유도 전류들에 대해, 중간 전압 레벨(medium voltage level), 즉, 대략 5 kV의 범위의 중간 전압 레벨이 이용되어야 할 것이고, 그리고 고성능 사이리스터(high-powered thyristor)들이 이용되어야 할 것이다. 그러나, 이러한 사이리스터들의 높은 전력 손실로 인해, 이러한 해결책은 경제적이지 않다.

지자기 유도 전류들에 대한 추가의 해결책은 이른바 DC 블로커(DC blocker)에 의해 표현되는데, 여기서 원칙적으로, 커패시터(capacitor)가 변압기의 중성점에 연결된다. 커패시터를 충전시키는 것에 의해 변위 전압(displacement voltage)이 생성되기 때문에, 이러한 해결책은 문제가 있다. 더욱이, 커패시터 상의 변위 전압이 제한되어서, 일반적으로, 전체 직류를 차단하는 것이 가능하지 않다. 이러한 해결책에 따른 결점은 또한, 이러한 해결책이 전송 네트워크(transmission network)에서 회로 단락(short circuit)을 초래하고 그리고 그에 따라 제로 전류(zero current)들을 초래하는 경우이다.

본 발명의 목적은 변압기의 코어의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 감소시키기 위한 장치를 제공하는 것이며, 상기 장치는 한편으로는 강력한 사이리스터(thyristor)의 높은 전력 손실 없이 동작하고, 그리고 다른 한편으로는 커패시터에 대한 변위 전압에 의해 제한되지 않는다.

이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 각각의 종속 청구항들에서 정의된다.

청구항 제 1 항은 다음을 특징으로 한다.

- 제어가능 전류원이 전류를 보상 권선들에 공급하기 위해 제공되고, 상기 전류원은 보상 권선들 그리고 특히 보상 권선들의 중성점(neutral point)과 전기적으로 직렬로 배열되고, 중성점은 보상 권선들의 입력들에 의해 형성되고, 그리고

- 중성점 접지 변압기(neutral earthing transformer)가 제공되고, 보상 권선들의 출력들에 전기 전도성으로 연결되고, 그리고

- 전류원은 보상 권선들의 중성점과 중성점 접지 변압기의 중성점을 서로 전기적으로 연결한다.

본 발명에 따른 해결책의 원리는 전류가 특히 보상 권선들에 공급되는 것에 의해, 보상 권선들에 의한 직류 보상에 다시 한번 기초하며, 그 효과는 단방향성 플럭스 컴포넌트를 상쇄시키고 그리고 변압기의 코어의 자화를 방지한다. 다시 말해, 이른바 카운터 암페어 턴(counter ampere turn)들이 변압기에 도입되며, 암페어 턴은 자기 플럭스(magnetic flux)에 대한 또다른 용어이다. 이러한 경우, 제어가능 전류원에 의해 보상 전류가 보상 권선들에 도입되고, 일반적으로 하나의 보상 권선이 변압기의 각각의 상(phase)에 대해 제공된다.

보상 전류가 저전력에서 도입될 수 있도록, 보상 권선들에 유도되는 전압들의 문제가 해결되어야 한다. 이는 그 자체로 알려진 중성점 접지 변압기에 의해 구현되며, 중성점 접지 변압기는 또한, 그라운딩 변압기(grounding transformer) 또는 접지 변압기(earthing transformer)로 표시된다. 중성점 접지 변압기는 보상 권선들의 상간 전압(phase-to-phase voltage)들과 관련하여 중성점을 발생시킨다. 그러므로, 보상 권선들의 중성점, 및 중성점 접지 변압기에 의해 형성된 중성점은 동일한 전위에 있다. 그러므로, 이러한 중성점들 사이에 제어가능 전류원이 용이하게 도입될 수 있다. 더욱이, 중성점 접지 변압기는, 자신의 중성점을 통해 도입되고 그 다음으로, 자신의 아암(arm)들의 모두(3개)에 걸쳐 균일하게 분배되는 직류들이 중성점 접지 변압기의 코어를 자화시키지 않는다는 이점을 갖는다.

본 발명의 일 실시예는, 적어도 하나의 전류 제한 리액터가 전류원과 전기적으로 직렬로 배열되는 것을 제공한다. 전류 제한 리액터를 업스트림(upstream)에 연결시킴으로써, 과도 전압들이 효과적으로 필터링(filtered out)될 수 있어서, 과도 전압들은 전류원을 통과하지 않는다.

제어가능 전류원에 의해, 원하지 않는 직류들의 보상을 위해 요구되는 전류 만이 보상 권선들에 공급된다. 요구되는 보상 전류를 결정하기 위해, 제어가능 전류원이 변압기의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 검출하기 위한 측정 디바이스(measuring device)에 연결되는 것이 제공될 수 있다. 이러한 측정 디바이스들은 예컨대, WO 2012/041368 A1에서, 센서 코일(sensor coil)을 가진 자기 분로 컴포넌트(magnetic shunt component)의 형태로 개시된다. 분로 컴포넌트는 바이패스(bypass)에서 자기 플럭스의 부분을 전도시키기 위해, 예컨대, 아암(arm) 또는 요크(yoke)에 인접한 변압기의 코어 상에 배열될 수 있다. 분로에서 전도되는 이러한 자기 플럭스로부터, 장기간 안정성을 가진 센서 신호(sensor signal)가 센서 코일에 의해 매우 용이하게 획득될 수 있으며, 상기 신호는 선택적으로 신호 프로세싱(signal processing) 이후에 매우 명백하게 단방향성 플럭스 컴포넌트(CD 컴포넌트)를 표시한다.

중성점 접지 변압기는 개선된 부하(load) 분포를 위해 지그재그 배열(zigzag arrangement)로 권선들을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 설명을 위해, 다음의 도면들에 대한 설명 부분에서 참조가 이루어지며, 본 발명의 추가의 유리한 실시예들, 상세들 및 발전들이 도면들에 대한 설명 부분으로부터 도출되는 것이 가능하다. 도면들에서:
도 1은 사이리스터 회로(thyristor circuit)를 포함하는 보상 권선에 보상 전류를 도입하기 위한 종래 기술에 따른 기본 회로를 도시하고,
도 2는 제어가능한 전류원에 의해 보상 권선들에 보상 전류를 도입하기 위한 본 발명에 따른 기본 회로를 도시한다.

도 1의 종래 기술에 따르면, 이른바 직류 보상에서, 변압기 코어의 직류 자화를 제거하기 위해, 직류는 목표된 방식으로 보상 권선(K)에 도입된다. 요구되는 자기 플럭스(이른바 직류 암페어 턴들(direct current ampere turns))를 보상 권선(K)에 도입하기 위해, 보상 권선(K)에 유도된 교류 전압의 사용이 이루어지며, 보상 권선(K)은 교류 전압원으로서 동작한다. 보상 권선(K) 상에서, 사이리스터로서 구성된 스위칭 유닛(switching unit)(T)이 전류 제한 리액터(current limiting reactor)(L)와 직렬로 연결된다. 요구되는 직류는 사이리스터(T)의 특정 점화 시간(ignition time)에서 전압-동기식 점화(voltage-synchronous ignition)에 의해 조정될 수 있다. 사이리스터가 전압 제로 트랜지션(voltage zero transition)에서 점화되는 경우, 최대 직류가 설정되지만, 최대 직류는 그 직류의 진폭 및 네트워크 주파수(network frequency)를 가진 교류(alternating current)에 의해 중첩된다(superimposed). 사이리스터(T)가 나중에 점화되는 경우, 직류는 더 작지만, 고조파 교류(harmonic alternating current)들이 또한 생성된다. 사이리스터(T)의 전류 경로는 전류 제한 리액터(L)에 의해 제한되고, 사이리스터(T)의 허용된 열적 부하(thermal load)는 전류 제한에 대해 치수화된다(dimensioned).

본 발명에 따르면, 도 2에서, 제어가능 전류원(S) 및 중성점 접지 변압기(H)가 사이리스터(T) 대신에, 그리고 이러한 실시예에서는 또한, 전류 제한 리액터(L) 대신에 이용된다.

제어가능 전류원(S)은 전기적으로 직접적으로 보상 권선들(K1, K2, K3)과 직렬로 연결되는데, 즉, 보상 권선들(K1, K2, K3)의 입력들이 함께 중성점(P1)에서 연결되며, 중성점(P1)은 전류원(S)에 직접적으로 연결된다. 하나의 각각의 보상 권선(K1, K2, K3)은 여기에 도시되지 않은 3상 변압기의 아암 상에 배열된다.

중성점 접지 변압기(H)에서, 3개의 (이 경우에서는 상부) 1차 권선들은 각각의 경우에서 자신들의 하나의 단자 단부(terminal end)에서 보상 권선(K1, K2, K3)의 출력에 연결된다. 다른 단부 단자들은 각각의 경우에서, 지그재그 배열로 3개의 (이 경우에서는 하부) 2차 권선들의 단자 단부에서 연결된다. 2차 권선의 다른 단자 단부들은, 제어가능 전류원(S)에 직접적으로 연결되는 인공 중성점(artificial neutral point)(P2)에서 합쳐진다.

지그재그 배열은, 상(phase)의 1차 및 2차 권선들(이 경우, 보상 권선)이 중성점 접지 변압기(H)의 상이한 아암들 상에 배열됨을 그리고/또는 동일한 아암 상의 권선들이 상이한 상(phase)들에 속함(상이한 보상 권선들)을 의미한다.

중성점 접지 변압기(H)의 1차 및 2차 권선들은 동일한 크기이고, 그러므로, 대략 동일한 권선 수를 갖지만, 전류는 상이한 방향들로 통과한다. 따라서, 상이한 권선들에서 동일한 전류를 이용시, 중성점 접지 변압기(H)의 코어에서 어떠한 플럭스(flux)도 유도되지 않는다.

전류원(S)은 한편으로는 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점(P1)에 그리고 다른 한편으로는 중성점 접지 변압기(H)의 중성점(P2)에 전기적으로 직접적으로 연결된다.

도 1과 유사하게, 도 2에서 또한, 전류 제한 리액터(L)가 전류원(S)과 전기적으로 직렬로 배열될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의해, 큰 보상 전류들 및 따라서 큰 자기소거 턴(demagnetizing turn)들이 저전력에서 변압기에 도입될 수 있다. 이용되는 중간 전압 레벨의 컴포넌트들, 이를테면, 중성점 접지 변압기(H)가 그 자체로 알려져 있으며, 이용가능하다. 유도된 전압들을 이용하여 보상 권선들을 중간 전압 레벨로 도입하는 것은 결국 증명된 기술을 나타낸다. 본 발명의 이점은 제어가능 전류원이 대지 전위(earth potential)에 있는 것이다. 중간 전압 레벨에서 10 kV, 20 kV 또는 30 kV에 도달하는 것이 가능하다. 보상 직류가 동시에 감소되고, 상업적으로 이용가능한 전류원들을 이용하는 것이 가능하다. 중성점 접지 변압기는 중성점에서 직류들에 매우 둔한데, 그 이유는 이들이 균일하게 분포되고 코어의 임의의 부가적인 자화를 야기하지 않기 때문이다.

H : 중성점 접지 변압기
K, K1, K2, K3 : 보상 권선
L : 전류 제한 리액터
P1 : 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점
P2 : 중성점 접지 변압기(H)의 중성점
T : 스위칭 유닛(사이리스터)

Claims

변압기(transformer), 특히 3상(three-phase) 변압기의 코어(core)의 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트(magnetic unidirectional flux component)를 감소시키기 위한 장치로서,
변압기의 코어에 자기적으로 결합되는 복수의 보상 권선(compensation winding)들(K1, K2, K3)을 포함하고,
전류를 상기 보상 권선들(K1, K2, K3)에 공급하기 위해 제어가능 전류원(S)이 제공되고, 상기 전류원은 상기 보상 권선들(K1, K2, K3) 그리고 특히 상기 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점(neutral point)(P1)과 전기적으로 직렬로 배열되고, 상기 중성점(P1)은 상기 보상 권선들(K1, K2, K3)의 입력들에 의해 형성되고,
중성점 접지 변압기(neutral earthing transformer)(H)가 제공되고, 상기 보상 권선들(K1, K2, K3)의 출력들에 전기 전도성으로 연결되고, 그리고
상기 전류원(S)은 상기 보상 권선들(K1, K2, K3)의 중성점(P1)과 상기 중성점 접지 변압기(H)의 중성점(P2)을 서로 전기적으로 연결하는,
장치.
제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 전류 제한 리액터(current limiting reactor)(L)가 상기 전류원(S)과 전기적으로 직렬로 배열되는,
장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어가능 전류원(S)은 상기 자기 단방향성 플럭스 컴포넌트를 검출하기 위한 측정 디바이스(measuring device)에 연결되는,
장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변압기의 각각의 상(phase)에 대해 하나의 보상 권선(K1, K2, K3)이 제공되는,
장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중성점 접지 변압기(H)는 지그재그 배열(zigzag arrangement)의 권선들을 포함하는,
장치.