KR20210065158A - 변압기 중립 차단 시스템 및 트리거된 위상 연결해제를 통한 전력망 보호 - Google Patents
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Abstract
보호 회로가 개시된다. 보호 회로는 변압기의 중립 및 접지 사이에 전기적으로 연결된 직류(DC) 차단 구성요소와 DC 차단 구성요소와 병렬로 전기적으로 연결된 과전압 보호 장치를 포함한다. 과전압 보호 장치는 변압기 중립에서 임계 값을 초과하는 전압에 응답하여 과전압 보호를 반복적이고 안정적으로 제공하도록 구성된다. DC 차단 구성요소는 미리 정해진 값 미만의 임피던스를 가지므로 변압기의 중립을 효과적으로 접지한다. DC 차단 구성요소는 변압기 중립에 연결되어 지속적으로 유지된다.
Description
본 출원은 2019년 9월 27일자로 출원된 PCT 국제 출원으로서, 2018년 9월 28일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/738,826호에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 상기 출원의 전체 개시물은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 전기 장비를 위한 전기 보호 장치에 관한 것이다; 특히, 본 발명은 전력망(power grid) 보호를 위한 시스템, 예를 들어 변압기 중립 차단 회로(transformer neutral blocking circuits) 및 전압 트리거 변압기 위상 연결해제(voltage-triggered transformer phase disconnection)에 관한 것이다.
전기 시스템, 특히 고전압, 고전력 전기 시스템은 예상치 못한 상당한 전기 이벤트가 발생할 때 손상될 수 있다. 손상에 취약한 전기 시스템 및 장치의 특정 예로는 전력망에 설치된 고전압 변압기, 발전기, 차단기 및 반응형 전력 지원 장비가 있다.
전자기장에 노출되면 특히 전력망과 같은 민감한 회로에 포함된 다양한 유형의 전기 시스템이 손상될 수 있다. 예를 들어, 전자기 펄스(electromagnetic pulse, EMP) 및 지자기 방해(geomagnetic disturbance, GMD) 이벤트는 전기 장비에 간섭 또는 손상을 유발하여 해당 장비가 오작동하거나 작동하지 않게 만들 수 있다. 전기 장비는 강한 EMP 또는 지자기 폭풍(geomagnetic storm)에 의해 파괴될 수 있다. EMP 방사선의 자세한 특성은 “중대한 긴급 임무를 수행하는 지상 기반 C41 시설에 대한 고고도 전자기 펄스 보호”라는 제목의 군사 표준 188-125(Military Standard 188-125)및 오크리지 국립연구소 메타-R-321(Oak Ridge National Laboratories Meta-R-321) “후기(E3) 고고도 전자기 펄스(High-Altitude Electromagnetic Pulse, HEMP)와 그 영향이 미국 전력망에 미치는 영향”에 기술되어 있다.
지자기 유도 전류(geomagnetically induced current, GIC)의 경우 손상의 추가 예가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 전기 장비에서도 상당한 유도 전류가 발생할 수 있지만, 이 전류는 전력망 내에서 보다 점진적으로 나타난다(밀리 초 단위가 아닌 초/분 단위). 지자기 폭풍의 자세한 특성은 오크리지 국립연구소 메타-R-319 “지자기 폭풍과 그것이 미국 전력망에 미치는 영향”에 기술되어 있다. AC 그리드 시스템 근처에서 작동하는 HVDC 시스템은 접지 연결을 통해 AC 그리드 시스템에 영향을 미칠 수 있는 접지 전류를 발생시킬 수 있다. 일 예는 접지 리턴 모드(ground return mode)이며, HVDC 시스템이 접지 전극에 DC 전류를 주입할 수 있으며, 이로 인해 인근 변압기의 중립에 흐르는 부유 DC 전류를 유발할 수 있다.
위의 각 손상 원인은 고전압 변압기와 같은 전력망 전기 구성요소의 고장을 야기할 수 있다. 이는 대규모 인구/지역에 대한 정전의 형태로 원치 않는 결과를 초래할 수 있다. 이러한 대형 변압기는 비용이 많이 들고 일반적으로 재배치가 어렵기 때문에 이러한 변압기를 수리하거나 교체를 완료하는데 상당한 시간이 소요될 수 있다.
EMP E3 이벤트에는 상대적으로 빠르게(밀리 초 이내) 발생하는 구성요소가 포함되어 있는 반면, GIC 유형 이벤트는 더 점진적으로 발생한다. 따라서, 전력망 구성요소에 대한 보호 시스템은 이벤트 유형의 하위 집합으로부터 보호되도록 구성되거나 다양한 유형의 이벤트에 응답하도록 구성되어 있으므로 빠르고 느린 응답시간이 필요하다. 이러한 이벤트는 전력 시스템 신호와 관련된 50Hz 또는 60Hz 주파수에 비해 낮은 주파수에 있는 신호를 유도하기 때문에 직류(DC) 또는 유사-DC로 간주된다.
추가 고려 사항은 EMP E3로부터 전력망 구성요소를 보호하도록 설계된 장비는 저항력이 있어야 하며 EMP의 이전 E1 및 E2 구성요소를 통해 작동할 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해서는 특수 차폐 및 설계 사양이 필요하다. Mil-Std 188-125는 군사 표준 464, "시스템에 대한 전자파 환경 영향 요건"뿐만 아니라 필요한 조건과 개선 사항을 설명한다. EMP E1에 저항하는 전자 장치를 만드는데 필요한 차폐 및 보호 장치는 일반적으로 IEC 61000-2-13 “고전력 전자기(High-power electromagnetic, HPEM) 환경-방사 및 전도”에 설명된 의도적 전자기 간섭(intentional electromagnetic interference, IEMI)과 같은 기타 유해한 고주파 이벤트로부터 보호한다.
EMP/IEMI 및 GIC 이벤트로부터 보호하는 데 사용할 수 있는 보호 시스템의 한 가지 예는 미국 특허 제8,878,396호에 설명되어 있다. 이 특허는 중립 연결이 변압기 중립과 접지 사이 회로의 직류(DC) 차단 구성요소로 제한되는 시스템을 설명한다. 일반적인 작동 중에 접지에 직접 연결된 병렬 회로 경로는 닫힌 상태로 유지되고 EMP/IEMI 또는 GIC 이벤트 발생시 고속 작동 스위치가 열린다.
참조된 특허에 설명된 시스템은 이러한 잠재적 손상 이벤트로부터 보호하는 데 효과적이지만, 일부 전력망 운영자는 스위치-인(switched-in) 구성요소가 보호 회로 내 영구적으로 포함된 구성요소보다 신뢰성이 떨어질 수 있다는 인식으로 인해 스위칭 구성요소 사용을 피하는 것을 선호한다. 따라서 이러한 시스템 운영자는 회로 구성요소를 보호 회로에 선택적으로 도입하기 위해 스위치를 사용할 필요가 없는 다른 솔루션을 채택할 수 있다.
손상 이벤트의 능동적 감지 및 그러한 이벤트에 대응하기 위한 스위칭을 필요로 하지 않는 보호 회로 및 관련 시스템은 본 개시에서 "수동 시스템"으로 간주된다. 이러한 수동 시스템은 자동 우회 스위치를 통합하여 다양한 조건("자동 우회가 있는 수동 시스템")에서 DC 차단 구성요소(DC-blocking component)를 우회하거나 자동 우회 스위치없이 구성("완전 수동 시스템")될 수 있다. 이들은 변압기의 중립과 접지 사이의 회로에 DC 차단 구성요소를 자동으로 선택적으로 도입하는 "능동 시스템"과 대조 될 수 있다.
다양한 수동 시스템이 존재한다. 일반적인 구성요소는 변압기 중립과 접지 사이에 포함될 수 있는 과전압 보호 장치(예: 스파크 갭 또는 금속 산화물 배리스터(metal oxide varistor, MOV) 사용)이다. 그러나 대부분의 시스템에서 기존 과전압 보호 장치는 여러 오류 이벤트를 견디도록 구성되지 않는다. 대량 전원 시스템에서 고장과 관련된 매우 높은 전류 때문에 시스템을 다시 작동하기 전에 과전압 보호 시스템이 우회되고 재설정 또는 수리되어야 한다. 스파크 갭(Spark gap)은 일반적으로 오류 이벤트의 스트레스로 인해 크게 부식되며, 재료의 부식은 갭이 발생하는 항복 전압(breakdown voltage)을 크게 변화시켜, 허용할 수 없을 정도로 항복 전압을 높은 수준으로 증가시킴으로써 과전압 보호 장치로서의 효율성을 감소시키거나 제거한다. MOV 또는 사이리스터(thyristors) 같은 입체 회로 소자(solid-state device)의 경우 고전류로 인해 장치가 가열되고 다시 서비스를 시작할 준비가 되기 전에 오랜 기간의 냉각이 필요하다. 이것이 수동 시스템이 자동 우회 스위치를 필요로 하는 이유 중 하나이다.
또한 기존의 수동 보호 회로는 손상 이벤트가 없는 경우 작동과 관련하여 단점이 있다. 예를 들어, 이러한 수동 시스템인 “풀타임(full time)”에 포함된 선형 저항기의 경우(즉, 우회 스위칭 등으로 인/아웃 되지 않음) 일반적인 작동 중에 변압기 중립과 접지 사이의 연결에서 상당한 저항이 유지된다. 이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다: 상대적으로 높은 저항 값이 사용되지 않는한 효율성이 제한되고, 시스템은 더 이상 효과적으로 접지된 중립을 가지지 않으며, 변압기 절연 레벨 및 접지 오류 계전기 체계에 악영향을 수반한다. 또한 중립 전류(시스템 불균형으로 인한)가 0이 아닌 경우 중립 저항은 강제 냉각이 필요할 수 있는 I2R 손실을 가질 수 있다. 또한 선형 저항은 GIC로 인한 고조파(harmonic)를 방지하지 못한다. 변압기는 GMD 또는 EMP 이벤트 중에 여전히 포화 상태 일 수 있으며, 배전 네트워크로 이동하여 비즈니스 손실, 고객 장비 손상 및 심각한 경우 전압 붕괴(voltage collapse)를 유발하는 고조파를 유발할 수 있다.
따라서 전력망 내에서 잠재적으로 손상 될 수 있는 전압/전류 이벤트에 대한 인지된 신뢰성과 실제 응답성 측면에서 전력망 운영자의 모든 요구 사항을 충족하는 기존 장치는 없다. 또한 기존 수동 장치는 장치가 DC 전압 내성 한계에 도달하고 더 이상 변압기를 보호할 수 없는 지점까지만 보호 기능을 제공한다. 이는 대규모 GMD 또는 EMP 이벤트와 같이 매우 큰 DC 전류가 예상되는 시나리오와 관련이 있다. 이러한 이벤트의 경우, 전력망 내의 유도 된 전류 및 전압은 모니터링되는 위치뿐만 아니라 전력망 내의 다른 위치에서 변압기 및 관련 회로에 손상을 줄 수 있다.
이러한 이유와 다른 이유로 개선이 바람직하다.
다음 개시에 따라 상기 및 기타 문제는 다음과 같이 해결된다: 제1 측면에서, 보호 회로가 개시된다. 보호 회로는 변압기의 중립과 접지 사이에 전기적으로 연결된 직류(DC) 차단 구성 요소 및 DC 차단 구성요소와 병렬로 전기적으로 연결된 과전압 보호 장치를 포함한다. 과전압 보호 장치는 임계 값을 초과하는 변압기 중립의 전압에 응답하여 과전압 보호를 반복적이고 안정적으로 제공하도록 구성된다. DC 차단 구성요소는 미리 정해진 값 미만의 임피던스를 가지므로 변압기의 중립을 효과적으로 접지한다. DC 차단 구성요소는 변압기 중립에 연결하여 지속적으로 유지된다.
제2 측면에서, 전기 보호 시스템은 하나 이상의 연결을 갖는 변압기 어셈블리를 포함하고, 각각의 연결은 교류 전력 신호의 상이한 전력선 위상 또는 교류 전력 신호의 3 상 모두와 관련된다. 시스템은 변압기 중립과 접지를 가로지르는 전압의 검출시 신호를 전송하는 전압 측정 장치 및 변압기의 전력선 위상에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 차단기를 더 포함한다. 상기 시스템은 변압기 중립과 접지 사이에 전기적으로 연결된 직류 중립 차단 회로를 더 포함한다. 상기 시스템은 전압 측정 장치로부터 신호를 수신하는 프로세서 및 상기 프로세서는 전기적으로 직접 연결되거나 적어도 하나의 차단기에 간접적으로 연결되고 변압기 중립과 접지의 전압이 미리 결정된 임계 값 이상인지 확인하는 프로세서의 결정에 응답하여 전압 측정 장치로부터 신호를 수신할 때 변압기의 전력선 위상에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 차단기를 열기 위한 신호를 전송하도록 구성된다.
일부 측면에서, 미리 결정된 임계 값을 초과하면 과전압 보호 장치가 발화하거나 DC 차단 구성요소의 DC 전압 내성 한계 및/또는 변압기 중립 절연이 초과될 위험이 있다. 목표는 가능한 많은 DC 전류를 차단한 다음 안전하게 큰 위상 회로 차단기를 열고 변압기의 전원을 차단하여 DC 전압 내성 한계에 도달하거나 DC 전류의 유입이 시작되기 전에 절대적으로 필요한 경우에만 변압기를 위험에서 제거하는 것이다.
또 다른 측면에서, 전력망 내의 전력망 변압기의 중립에서 유도된 전류 또는 전압으로 인한 손상으로부터 전력망을 보호하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 전력망 내의 제1 변압기의 변압기 중립에서, 전력망 내에 포함된 전기 장비에 대한 잠재적인 손상을 나타내는 특성을 갖는 전압 및 전령망 내의 제1 변압기 이외의 하나 이상의 변압기를 선택하는 단계를 포함하고, 하나 이상의 변압기는 위상 차단기 및 제어 회로와 관련된다. 상기 방법은 위상 차단기를 오픈하도록 제어 회로에 지시하는 작동 명령을 하나 이상의 변압기와 관련된 제어 회로에 전송하여 전력망을 분할하는 단계를 더 포함하고, 본질적으로 제1 변압기의 전압 레벨 강하를 초래하는 “라인 단축”이다.
도 1은 본 발명의 가능한 실시예에 따른, 발전 또는 배전 변전소 현장에 설치된 수동 변압기 중립 차단 회로의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 3a-3b는 본 개시의 추가 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 가능한 실시예에 따른 감지 및 제어 전자 장치와 결합 된 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 5는 본 개시의 추가 가능한 실시예에 따른, 유지 및 AC 차단기 스위치를 갖는 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 추가 가능한 실시예에 따라 위상 회로 차단기로 신호를 보내는 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 8a-8d는 도 1-7의 수동 변압기 중립 차단 회로 내에서 사용할 수 있는 과전압 보호 장치의 예를 도시한다.
도 9는 수동 과전압 보호 장치 어셈블리의 예시적인 실시예의 정면도이다.
도 10은 높은 DC 또는 유사-DC 전류가 차단될 때 변압기 중립의 DC 전압 플롯(plot)이다.
도 2는 본 발명의 제 2 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 3a-3b는 본 개시의 추가 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 가능한 실시예에 따른 감지 및 제어 전자 장치와 결합 된 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 5는 본 개시의 추가 가능한 실시예에 따른, 유지 및 AC 차단기 스위치를 갖는 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 가능한 실시예에 따른 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 추가 가능한 실시예에 따라 위상 회로 차단기로 신호를 보내는 수동 변압기 중립 차단 회로의 사시도이다.
도 8a-8d는 도 1-7의 수동 변압기 중립 차단 회로 내에서 사용할 수 있는 과전압 보호 장치의 예를 도시한다.
도 9는 수동 과전압 보호 장치 어셈블리의 예시적인 실시예의 정면도이다.
도 10은 높은 DC 또는 유사-DC 전류가 차단될 때 변압기 중립의 DC 전압 플롯(plot)이다.
본 발명의 다양한 실시예가 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이며, 여기서 동일한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 동일한 부품 및 어셈블리를 나타낸다. 다양한 실시예에 대한 참조는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 여기에 첨부 된 청구 범위에 의해서만 제한된다. 추가로, 본 명세서에 제시된 임의의 예는 제한하려는 의도가 아니며 청구된 발명에 대한 많은 가능한 실시예 중 일부를 제시할 뿐이다.
일반적으로, 본 개시는 DC 전류를 손상시키고 그 결과 전력선 상의 고조파 성분으로부터 전력 유틸리티 변압기 및 기타 전기 또는 전기 기계 장비를 보호하기 위한 시스템 및 방법을 설명한다. 큰 DC 중립 전류 및 고조파(harmonic)는 지자기(태양 광) 폭풍(geomagnetic(solar) storm), 고고도 전자기 E3 펄스(high altitude electromagnetic E3 pulse, HEMP-E3) 또는 접지 리턴 모드(ground return mode)에서 작동하는 HVDC의 결과일 수 있다.
전반적으로, 본 개시는 중요한 전기 장비를 보호하기 위해 잠재적으로 손상될 수 있는 중립 DC 전류를 수동적으로 차단 또는 감소시키고 50Hz 또는 60Hz 전력선 소스의 고조파 성분 생성을 방지하는 방법 및 시스템을 설명한다. 설명된 방법과 시스템은 유지가 거의 필요하지 않으며 DC 차단 회로는 스위치와 같은 능동 구성요소를 사용할 필요가 없으므로 지속적으로 유지되는 보호가 가능하다. 또한, 설명된 시스템 및 방법은 효과적으로 접지된 변압기를 제공하기 위해 저임피던스 커패시터(capacitor) 또는 커패시터 뱅크(들)(capacitor bank)를 사용하여 계전기 보호 시스템의 임계 값 설정과 관련된 전력 시스템 내의 잠재적인 문제를 방지한다. 전기 회로는 IEEE 표준 C62.91에 명시된 접지 정의를 충족할 때 효과적으로 접지된다.
본 개시에 따르면, 본 명세서에서 "지속적으로 유지된" 직류 차단 기능을 가진 것으로 언급되는 보호 회로는 그러한 직류 차단이 최소한 작동 중일 때 변압기의 중립에 연결되어 우회하지 않고 있음을 의미한다. 설명을 위해, 유지 목적(즉, 서비스될 비 작동 기간 동안 수동 분리)을 위한 수동 우회 스위치가 있는 장치는 지속적으로 유지되는 반면, 변압기가 작동하는 동안 작동 모드간에 스위칭할 수 있는 자동 스위치 또는 전자 제어 스위치가 있는 장치는 변압기 중립에서 DC 차단 구성요소를 지속적으로 유지하지 않는다. 또한, 유지 작업 중에만 사용되지만 작동 조건에 대응하여 직류 차단 구성요소를 우회하도록 활성화되지 않은 자동 스위치를 가진 장치는 해당 회로 작동 중에 직류 차단 기능을 지속적으로 유지하는 회로일 것이다.
본 명세서에 개시된 수동 변압기 중립 차단 시스템은 표준 변압기 접지 방식과 호환되는 접지 방식을 제공하므로 일반적인 상황에서 전력 시스템 계전기(power system relay) 설정을 변경할 필요가 없다. 높은 DC(또는 유사-DC) 전류 또는 전압 또는 높은 고조파 전력 함량이 있는 경우, DC 차단 구성요소는 시스템에서 DC 또는 유사-DC 전류를 차단하거나 감쇠한다. 유사-DC 또는 DC 전류를 차단하면 변압기의 반주기 포화를 방지하여 과도한 무효 전력 손실, 과열 및 손상으로부터 변압기를 보호한다. 추가적으로, DC 전류를 차단하는 것은 부분적으로 포화된 변압기에서 고조파 생성을 방지할 수 있다. 이러한 전력 고조파는 잠재적으로 전력 시스템 계전기를 트립(trip) 할 수 있으며, 이로 인해 지역 또는 광역 정전이 발생할 수 있다. 과전압 이벤트가 발생하거나 짧은 시간 내에 연속적인 과전압 이벤트가 발생할 때마다 수동 과전압 보호 장치(overvoltage protection device, OVPD)가 작동하여 부품을 과전압으로부터 보호 할 수 있다. 본 개시의 다양한 예시적인 실시예들에 따른 과전압 보호 장치는 다음 중 하나 이상을 포함 할 수 있다: 스파크 갭(spark gap), 금속 산화물 배리스터(metal oxide varistor), 실리콘 탄소 배리스터(silicon carbon varistor), 가변 저항기, 서지 피뢰기(surge arrestor) 또는 임의의 다른 적절한 접지 경로를 형성하고 임계 전압을 초과하는 신호에 대해 보호된 구성요소로부터 떨어져 있도록 설계된 구성요소.
예시적인 실시예에서, 본 개시의 시스템 및 방법은 전력선 변압기를 위한 효과적인 교류(AC) 접지 연결을 유지하기 위해 낮은 임피던스, 낮은 저항 연결을 유지하면서 지자기 유도 전류(geomagnetically induced currents, GIC)의 차단을 허용하고, 고조파 신호의 생성을 방지한다. 따라서, 계전기 재설정이 필요하지 않다. 또한, 냉각 기간이 없고 우회 스위치가 필요없이 고전류 및 고전압의 오류를 반복적으로 처리하는 과전압 보호 장치가 포함될 수 있다. 또한, 회로가 수동이기 때문에 자동 우회 스위치에 필요한 EMP 차폐 또는 필터링 기능을 포함할 필요가 없으며 잠재적으로 손상될 수 있는 직류, 고조파 또는 ECP-E1 펄스를 감지하는 경우 트리거가 필요하지 않으므로 전체 회로를 단순화한다.
또한, 예시적인 실시예에서, 변압기 중립에서 DC 전압이 DC 차단 구성요소 또는 변압기 중립의 절연의 내성 한계에 가까운 임계 값에 도달하면, 자동 스위치를 전환하여 DC 차단 구성요소를 우회하거나 과전압 장치가 트리거되도록 하는 대신(DC 전류가 흐를 수 있음), 본 개시 시스템의 시스템은 높은 DC 전류의 유입으로부터 변압기를 보호하기 위해 변압기의 전원을 안전하게 차단하기 위해 대형 AC 위상 차단기를 여는 신호를 전송한다.
도 1은 본 개시에 따른 수동 변압기 중립 차단 시스템(100)의 일반화된 실시예다. 수동 변압기 중립 차단 시스템(100)은 일반적으로 변압기(12)의 변압기 중립(10)과 접지(14) 사이에 연결된다. 수동 변압기 중립 차단 시스템(100)은 변압기 중립(10)에 대한 연결과 접지(14) 사이에 연결된 DC 차단 구성요소(110)를 포함한다. 아래의 예에서 추가로 설명되는 바와 같이, DC 차단 구성요소(110)는 변압기 중립(10)에서 DC 또는 유사-DC 접지 전류의 손상을 방지하기 위해 접지(14)와 변압기 중립(10) 사이에 하나 이상의 직류 차단 장치(예를 들어, 커패시터 또는 저항기)를 포함 할 수 있고, 이는 변압기(12)에 손상을 줄 수 있다. 특정 애플리케이션에 따라, 용량성 또는 저항성(또는 이들의 일부 조합) 차단 장치(110)가 사용될 수 있다. DC 차단 구성요소의 다양한 구성이 예를 들어 미국 특허 번호 8,878,396에 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 여기에 참조로 포함된다. 그러나 비교를 통해 해당 특허에서 DC 차단 구성요소는 해당 시스템의 보호 체계의 일부로 DC 차단 구성요소를 우회하도록 작동할 수있는 스위칭 구성을 통해 변압기 중립(10)과 접지 사이의 회로로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 본 출원에서, 수동 과전압 장치는 시스템(100)을 손상시킬 가능성이 있는 높은 DC 전압 이벤트를 방전하기 위해 대신 사용될 수 있다.
본 개시에 따르면, 수동 과전압 보호 장치(OVPD)(112)는 DC 차단 부품과 변압기를 보호하기 위해 변압기 중립(10)과 접지(14) 사이에 DC 차단 부품(110)과 병렬로 연결될 수 있다. 수동 OVPD(112)는 단시간 내에 여러 과전압 이벤트가 발생하는 경우 보호를 유지할 수 있다. 수동 OVPD(112)는 이전에 설명되고 아래의 예에서 추가로 설명되는 바와 같이 임의의 수의 장치를 포함 할 수 있다. 본 개시의 다양한 예시적인 실시예들에 따른 과전압 보호 장치는 다음 중 하나 이상을 포함 할 수 있다: 스파크 갭, 금속 산화물 배리스터, 실리콘 탄소 배리스터, 가변 저항기, 서지 피뢰기 또는 임의의 다른 적절한 접지 경로를 형성하고 임계 전압을 초과하는 신호에 대해 보호된 구성요소로부터 떨어져 있도록 설계된 구성요소. 예시적인 실시예에서, 수동 OVPD(112)는 예를 들어, 비파괴적으로 반복적으로 과전압 이벤트를 방전하도록 구성된 특정 유형의 스파크 갭을 포함할 수 있다. OVPD(112)로 사용할 수 있는 예시적인 스파크 갭은 "전력 시스템을 위한 과전압 보호"라는 제목의 미국 특허 번호 9,660,441에 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 여기에 참조로 포함된다. 이러한 장치의 대체 버전은 도 8A-8D 및 도 9와 관련하여 아래에 설명되어 있다.
수동 OVPD(112)는 수동 변압기 중립 차단 시스템(100) 및 변압기(12)에 대한 보호를 제공하고, 대형 GMD 또는 HEMP-E3 이벤트에 의해 잠재적으로 야기되는 것과 같이 DC 차단 또는 제한 장치의 성능을 초과하는 큰 DC 또는 유사-DC 전압 또는 오류가 발생한 경우에 유용하다. 대형 GMD 또는 HEMP-E3 이벤트의 경우, 일부 유틸리티는 DC 차단 장치의 DC 전압 내성 한계까지 DC를 차단한 다음 대형 AC 위상 차단기를 트리거하여 수동 OVPD 트리거와 DC 전류가 흐르기 시작하기 전에 변압기의 전원을 차단하는 것이 좋다.
이제 도 2를 참조하면, 수동 변압기 중립 차단 시스템(200)의 추가 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 수동 변압기 중립 차단 시스템(200)은 전력 저항기(204)를 포함한다. 전력 저항(204)는 임의의 철 공진을 감쇠시키기에 충분한 저항을 추가하고, 결함 또는 과도 이벤트 동안 커패시터 뱅크(capacitor bank) 양단의 전압을 감소시키고 커패시터 뱅크로부터의 방전 전류를 제한한다. 예시적인 실시예에서, 전력 저항기(204)는 일반적으로 0.3 내지 5.0 Ohms 사이의 값을 가질 수 있다.
이제 도 3a를 참조하면, 수동 변압기 중립 차단 시스템(300)의 추가 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, DC 차단 구성요소는 일반적으로 커패시터 뱅크(310)로 지칭되는 병렬로 전기적으로 연결된 커패시터 뱅크(310a-n)로 구성된다. 커패시터 뱅크(310)는 추가 커패시터를 더하여 시스템의 임피던스를 낮춘다. 도 3b는 커패시터를 직렬로 추가하여 시스템의 전압 스탠드 오프(standoff)를 증가시키는 커패시터 뱅크(320a-n)가 있는 추가 실시예를 도시한다. 계전기는 고임피던스 커패시터를 사용할 때 재설정이 필요할 수 있으므로 이러한 저임피던스 커패시터 뱅크를 사용하는 것이 좋다. 저임피던스 커패시터 뱅크는 접지를 위한 IEEE 표준, C62.91 정의에 따라 효과적인 접지를 유지하는데도 중요하다. 전력 시스템 계전기(예: 전력선의 위상에 연결된 계전기)는 네트워크로 연결되어 있으며 전력선 위상에 전달되는 신호 레벨에 따라 접지 오류를 제거하기 위해 함께 작동한다.
이제 도 4를 참조하면, 수동 변압기 중립 차단 시스템(400)의 다른 예시적인 실시예가 도시된다. 이 예시적인 실시예에서, 중립 전류 모니터링 장치(402)는 수동 OVPD(112)와 접지 사이뿐만 아니라, DC 차단 구성요소(110)와 접지(14) 에도 연결된다. 중립 모니터링 장치(402)는 전력 시스템의 AC 전류를 측정하고 전자장치 모듈(408)과 함께 전력 시스템의 유지가 필요한 시기를 결정하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 중립 전류 모니터링 장치(402)는 로고스키 코일(Rogowski coil) 또는 변류기(current transformer)일 수 있다.
도 4는 또한 본 개시의 가능한 실시예에 따른 전자장치 모듈(408)을 도시한다. 전자장치 모듈(408)은 중립 차단기 및 변압기의 전체 성능을 모니터링하고 결과를 통신 네트워크(412)를 통해 제어실(414)에 보고할 수 있다. 제어실(414)은 전자장치 모듈(408)로부터 로컬 또는 원격 일 수 있다. 이 예에서, 도 4는 변압기 중립(10)과 접지 사이의 전압을 전자장치 모듈(408)에 보고 하기 위한 전압 측정 장치(406)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 전자장치 모듈(408)은 고주파, 고전력 전자기 신호가 엔클로저로 들어가는 것을 방지하기 위해 차폐 엔클로저(shielded enclosure, 410) 내에 둘러싸여 있어 민감한 전자장치를 잠재적인 간섭 및 손상에 노출시킨다. 전자장치 모듈은 예를 들어, 변압기 중립(10)에서 그리고 시스템(400) 내에서 또는 일반적으로 전력망의 넓은 부분에 걸쳐 관찰된 다양한 이벤트의 통지를 생성하기 위한 중립 모니터링 장치(402) 및/또는 전압 측정 장치(406)로부터 입력을 수신하는데 사용할 수 있는 신호 조절 회로뿐만 아니라, 마이크로 프로세서 및/또는 통신 회로로 구현되는 제어 회로를 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서, 차폐 엔클로저(410)는 일반적으로 약 14kHz 내지 10GHz의 전자기 주파수로부터 복사 보호를 제공하기 위해 모든 도어 개구(door opening) 주위에 전도성 밀봉부를 갖는 EMP/IEMI 패러데이(Faraday) 차폐 엔클로저다.
이제 도 5를 참조하면, 수동 변압기 중립 차단 시스템(500)의 추가 실시예가 도시된다. 이 예에서, 유지 우회 스위치(maintenance bypass switch, 502) 및 AC 회로 차단기(504)가 모두 도시된다. 본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 유지 우회 스위치(502)는 수동 변압기 중립 차단 회로의 안전한 유지를 허용하고, AC 회로 차단기(504)는 유지 우회 스위치(502)를 가로지르는 아크(arc)를 방지함으로써 유지 우회 스위치(502)의 안전한 작동을 허용한다. 유지 스위치(502)는 일반적으로 닫혀 있고 변압기 중립(10)과 수동 변압기 중립 차단 회로 사이에 연결되는 반면, AC 회로 차단기(504)는 변압기 중립(10)과 접지(14) 사이에 연결되고 정상적으로 오픈(open)되어 있다. 중립 전류 모니터링 장치(402)는 또한 중립 AC 불균형을 측정하고 유지 스위치(502)를 작동하는 것이 안전한지 시기를 결정하는데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 유지 스위치(502)는 수동으로 오픈되지 않는한 폐쇄 상태로 유지되기 때문에, DC 차단 구성요소(110)는 시스템(500) 내에서 지속적으로 유지된다.
이제 도 6을 참조하면, 수동 변압기 중립 차단 시스템(600)의 추가 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 전자장치 모듈(408)은 엔클로저(410)의 주변에 배치된 복수의 필터(622)를 포함한다. 필터(622)는 일반적으로 엔클로저 내부의 전자 장치 및 신호 처리 구성요소의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수있는 신호를 억제하기 위해 서지 억제(surge suppression) 기능이 있는 저역 통과(low pass) 또는 대역 통과(band pass) 필터 일 수 있다. 이러한 실시예에서, 보호를 보장하기 위해, 엔클로저(410)를 관통하는 모든 전기 전도성 와이어 상에 필터링이 존재한다. 추가로, 도시된 실시예에서, 필터(622)는 시스템 운영자에 대한 출력뿐만 아니라 전원 입력(634)에 배치된다. 추가 필터(622)는 센싱 전자 장치(624)와 하나 이상의 전자기 디텍터(들)(detector)(650) 사이에 전기적으로 연결된다. 전자기 디텍터(650)는 예를 들어 EMP/IEMI 이벤트를 검출하도록 구성된 차폐 자기 루프 안테나 기반 검출기(shielded magnetic loop antenna-based detector) 일 수 있다. 그러한 디텍터의 예는 미국 특허 제 8,773,107 호에 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 센싱 전자 장치(624)는 중립 모니터링 장치(402) 및/또는 전압 측정 장치(406)로부터의 신호를 감지하고 이러한 신호를 전자 장치(624)로부터 로컬 또는 원격 위치에 있는 제어실에 보고하는 데 사용될 수 있다. 센싱 전자 장치(624)는 메시지가 생성될 수있는 신호 임계 값(전류 및/또는 전압)을 정의하기 위한 명령을 저장하는 데 사용할 수 있는 메모리뿐만 아니라 마이크로 프로세서 또는 프로그램 가능 게이트 어레이 유형 장치(programmable gate array type device)와 같은 프로그램 가능 회로를 포함 할 수 있다. 센싱 전자 장치(624)는 또한 아래에 설명된 바와 같이 관찰된 전류 및/또는 전압 이벤트에 응답하여 특정 동작을 수행하기 위해 작동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면 변압기 중립 차단 시스템(700)의 추가 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 고전압 차단기(702)는 변압기(12)의 전력선 상에 전기적으로 연결된다. 이러한 중립 차단 시스템의 예는 미국 특허 출원 번호 15/887,781에 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 그 전체가 여기에 참조로 포함된다.
변압기 중립 차단 시스템(700)의 작동 중에, 전압 측정 장치(406)는 변압기 중립(10)을 가로질러 접지(14)에 이르는 DC 전압을 전자장치 모듈(408)에 보고 할 수 있으며, 이는 DC 전압이 잠재적으로 DC 차단 구성요소(110)(예를 들어, 특정 커패시터 또는 커패시터 뱅크의 정격 전압 이상) 또는 변압기 자체(예를 들어, 변압기 내의 절연 물질에 대한 손상이 가능한 수준에 있음)에 손상을 줄 수 있는 이벤트를 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 전체 시스템(700) 내의 또 다른 유형의 손상도 전자장치 모듈(408)에 의해 검출될 수 있으며, 예를 들어, DC 전압이 미리 설정된 임계 값을 초과하거나 DC 전압의 변화율이 미리 설정된 임계 값 비율보다 초과하는 경우에 근거할 수 있다(위에서 언급한 바와 같이). 전자장치 모듈(408)은 이후 도 10을 참조하여 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, DC 임계 값을 초과하는 DC 전압에 대한 수동 OVPD(112)의 트리거링을 방지하기 위해 하나 이상의 고전압 차단기(702)를 오픈하는 신호를 전송할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 실시예의 DC 임계 값은 수동 OVPD(112)를 트리거하는 DC 전압보다 낮게 설정될 수 있으며, 이에 의해 수동 OVPD(112)가 트리거되면 흐를 수 있는 DC 전류를 막을 수 있다. 또한, 고전압 차단기(702)는 예를 들어 통신 네트워크(412)를 통해 전자장치(408)와의 통신을 통해 제어실(414)에 의해 제어 될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 또한 도 6에 도시된 전자기 디텍터(들)(detector, 650)와 같은 전자기 디텍터를 포함할 수 있다. 이러한 배치에서, 시스템이 EMP/IEMI 이벤트에 응답하도록 구성되기 때문에, 이러한 이벤트 동안 적절한 작동 및 보호를 보장하기 위해 고전압 차단기가 차폐될 수 있다.
일반적으로 도 7을 참조하면, 여기에 설명 된 변압기 중립 차단 시스템은 작동시 많은 이점을 가질 수 있다. 특히, DC 전류가 손상될 가능성이 있는 이벤트에서, 고전압 차단기(702)의 작동은 변압기가 보호 된 상태로 유지되는 반면 고전압 차단기(702)는 전자장치 모듈(408)의 작동 신호에 의해 작동될 수 있음을 의미한다. 위에서 언급 한 바와 같이, 이러한 이벤트는 예를 들어 전압 측정 장치(406)(예를 들어, 전압 프로브(probe) 또는 다른 전압 측정 장치)가 미리 설정된 임계 값을 초과하거나 미리 정해진 시간 동안 미리 설정된 임계 값을 초과하는 전압을 감지했음을 전자장치 모듈(408)에서 검출하는 것을 포함 할 수 있다. 또한 전자장치 모듈(408)은 예를 들어 빠른 전압 상승 시간으로 인해 허용 가능한 변화율을 초과하는 전압 변화에 응답하여 작동 신호로 고전압 차단기(702)를 트리거할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 약 100 V/ms 내지 약 175 V/ms의 전압 변화율은 전형적인 AC 전류와 구별되는 빠른 상승 시간을 나타낼 수 있다.
또한 고전압 차단기의 작동은 추가 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 회로 차단기(702)의 작동은 전체 전력망로부터 변압기(12)의 연결해제를 초래하거나, 적어도 전력망의 분할(segmentation)을 초래할 수 있다. 변압기 중립 또는 전력선 위상에서 유도된 DC 전압이 발생할 수 있는 경우(그 크기는 볼트/미터 기준으로 결정됨) 그리드(grid) 내에서 더 짧은 세그먼트는 전압이 유도될 수 있는 길이가 짧아지기 때문에 DC 전압이 낮아질 수 있다. 따라서, 이러한 세그먼트는 또한 변압기(12) 또는 DC 차단 구성요소(110)에 대한 잠재적인 손상으로부터 보호한다.
전자장치(408)가 제어실(414)과 통신하는 예시적인 실시예에서(또는 다른 전력망 변압기와 관련된 다른 변압기 중립 보호 회로와 관련하여 위치하는 다른 전자 장치(408)), 전자 장치(408) 또는 제어실(414)은 다른 변압기와 관련된 전자 장치로 주소가 지정된 통신 네트워크(412)를 통해 신호를 전송할 수 있다. 이러한 방식으로 하나의 변압기에서 발생하는 높은 DC 전압 이벤트(또는 전압 변화율 이벤트)를 감지하면 이러한 이벤트를 감지해야하는 각 보호 회로에 의존하지 않고 전력망 내의 다른 곳에서도 손상을 방지하는 방식으로 전력망의 즉각적인 분할을 트리거 할 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 전자 장치(408) 또는 제어실(414)은 다른 전력망 변압기의 위상에서 고전압 차단기를 오픈하기 위하여 전력망 내의 많은 수의 보호 시스템 중에서 어떤 보호 시스템이 작동 명령을 수신 할지를 선택하기 위한 알고리즘을 실행할 수 있다. 예를 들어, 상기 알고리즘은 전력망을 가능한 많은 전력망에 대한 전원 연결을 유지하면서 상당히 높은 전압을 유도할 가능성이 없는 길이를 갖는 세그먼트로 전력망을 안전하게 분할할 수 있는 변압기를 식별하는 것이 포함할 수 있다. 이 분할은 변압기 사이의 거리(따라서 생성된 세그먼트의 길이) 또는 연결해제할 발전소와 변압기 사이의 거리(예: 차단기 작동으로 인한 전력 손실을 최소화하기 위해)를 기초로할 수 있다. 어떤 경우에는 차단기 작동 신호가 전송되어야 하는 특정 변압기 보호 회로를 선택하기 위해 이러한 요소를 경험한 전압과 결합하는 알고리즘이 적용된다.
또한, 구체적으로 도 7과 관련하여, 고전압 차단기(702)의 작동은 본 명세서에 참조로 포함된 특허 및 공보에 기술된 다른 유형의 수동 및 능동 중립 차단 장치와 함께 본 발명의 수동 중립 차단 장치와 결합하여 유리할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 고전압 차단기(702)의 작동은 여기에 설명 된 수동 모드 시스템에 대해 설명 된 바와 같이 시스템 내에서 DC 차단 구성요소를 유지하면서 특정 DC 전압의 검출에 응답하여 수행될 수 있다. 그러나 이러한 작동은 미국 특허 제8,878,396호에 표시된 것과 같이 변압기 중립과 접지 사이에 DC 차단 구성요소를 선택적으로 우회하거나 선택적으로 도입하는 스위치의 작동과 함께(또는 이와 독립적지만 동일한 회로 내에서) 수행될 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 변압기 중립에서 관찰된 DC 전압의 플롯(1000)이 시간의 함수로 나타나 있으며, 여기에 설명된 시스템의 작동을 설명하기 위해 다양한 임계 값이 예시되어 있다. 이 도면 및 전체 개시와 관련하여, 용어 DC 전압 또는 DC 전류는 각각 DC 전압 및 유사-DC 전압, 또는 DC 전류 및 유사-DC 전류를 각각 지칭한다는 점에 유의해야 한다.
표시된 플롯(1000)에서, 변압기 중립에서 경험되는 DC 전압(예: 전압 측정 장치(406)에 의해 검출 됨)이다. 도시된 예에서, DC 중립 차단 구성요소(110)는 DC 전압 레벨 C에 대응하는 DC 전압 내성 한계를 가질 수 있으며, 이 한계를 초과하는 DC 전압은 DC 중립 차단 구성요소(110)를 파괴하거나 손상시키기 시작하고 변압기를 손상의 위험에 두거나 추가/대안적으로 변압기(12) 자체 내의 절연체를 손상시키기 시작할 수 있다. 이러한 임계 값은 일반적으로 각각 DC 중립 차단 구성요소 및/또는 변압기 절연의 내전압 또는 내전압 한계라고 한다. 전압 범위의 예는 아래에 나와있다.
추가적으로, 수동 OVPD(112)는 DC 전압 레벨 C보다 낮은 전압 레벨 B에서 트리거하도록 설정될 수 있으며, 이는 DC 중립 차단 구성요소(110) 및 변압기(12) 모두를 과전압 이벤트의 손상(예를 들어, 결함)으로부터 보호할 수 있다. DC 전압 한계 B는 일반적으로 DC 중립 차단 구성요소(110) 또는 변압기(12)의 정격 전압보다 약간 낮을 수 있고, 아래에 언급된 범위 내에 있을 수 있다.
전압 레벨 B에서 수동 OVPD(112)를 트리거하면 바람직하지 않은 DC 전류가 접지로 흐르게 된다. 따라서, 도 7과 관련하여 위에서 설명된 다양한 회로 변형을 사용할 때 전자장치 모듈(408)은 활성화 신호를 전송하여 DC 전압 레벨 A에서 하나 이상의 고전압 차단기(702)를 오픈하도록 구성될 수 있다. DC 전압 레벨 A는 일반적으로 전압 레벨 B보다 낮게 설정되어 수동 OVPD (112)가 DC 전압에서 트리거되는 것을 방지하여 높은 DC 전류가 유입되기 전에 변압기의 전원을 안전하게 차단한다.
일부 실시예에서, 변압기(12)는 35kV DC 전압 제한을 가질 수 있으며, 그 이상에서는 변압기 중립 절연의 열화 위험이 허용되지 않는 것으로 간주된다. 일부 실시예에서, DC 차단 구성요소(110) DC 전압 내성 한계는 DC 전압 레벨 C에 대응하는 16-34kV DC의 범위에 있다. 따라서, 수동 OVPD(112)는 전압 레벨 B에 대응하는 약 8-15 kV 범위 내에 있도록 구성된 DC 트리거 전압을 가질 수 있다. 전자장치 모듈(408)은 DC 전압 레벨 A에 대응하는 약 7-14 kV DC 범위 내의 DC 전압 레벨에서 하나 이상의 고전압 차단기(702)를 오픈하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 변압기(12)의 전압 한계, DC 차단 구성요소(110)의 내성 한계, 수동 OVPD(112)의 트리거 전압 및 전자장치 모듈이 하나 이상의 고전압 차단기를 오픈하는 전압 레벨은 위에서 언급한 것과 다를 수 있다. 그러나, 동작의 상대적 순서는 일반적으로 DC 중립 차단 구성요소(110) 또는 변압기(12)의 손상으로부터 보호하기 위해 선택될 것이다.
이제 도 8a-8d를 참조하면, 위에서 설명한 수동 보호 회로와 함께 사용할 수있는 수동 OVPD의 예가 제공된다. 도 8a는 예시적인 실시예에 따른 수동 OVPD 어셈블리(800)의 사시도이다. 수동 OVPD 어셈블리(800)는 복수의 서브 어셈블리(801a-c) 및 회로 리드(lead)(802a-b)를 포함한다(802b는 도 8d에 도시됨). The subassemblies are connected in parallel to the circuit leads 802a-b. 서브 어셈블리는 회로 리드(802a-b)에 병렬로 연결된다. 추가로, 각각의 서브 어셈블리(801a-c)는 스파크 갭(806a-c)을 포함한다. 상기 도면에는 세 개의 서브 어셈블리가 있지만, 다른 실시 예는 더 많거나 더 적은 서브 어셈블리를 포함한다. 서브 어셈블리(801a-c)는 컨덕터(803a-c)(예를 들어, 일반적으로 제이콥의 사다리(Jacob's ladder)로 형성됨) 및 전극(810a-c)의 좁은 영역에서 스파크 갭(806a-c)을 포함한다.
일부 실시예에서, 스파크 갭(806a-c)의 폭은 실질적으로 동일하다. 큰 지락 전류(ground fault current)가 스파크 갭(806a-c) 중 하나의 항복 전압을 트리거 할 때, 스파크 갭을 둘러싸는 대응하는 전극의 일부가 제거되고 스파크 갭의 폭이 변경 될 수 있다. 스파크 갭 폭의 이러한 변화는 증가일 수 있으며, 이는 해당 특정 스파크 갭의 항복 전압에 대응하는 증가를 유발한다. 경우에 따라 큰 지락 전류로 인한 절제(ablation) 후 스파크 갭의 항복 전압이 다른 스파크 갭 중 하나의 항복 전압보다 클 수 있다. 따라서 다음 큰 지락 전류 동안 아크(arc)는 다른 스파크 갭에서 시작된다. 이러한 방식으로, 어셈블리(800)는 증가된 수명을 가질 것이고 다수의 큰 지락 전류를 견딜 것이다.
추가 실시예에서, 그리고 병렬 장치로 인해 유지된 항복 전압의 상기 특징에 추가하여, 실직적으로 절제-탄력적이고 로렌츠 힘이 스파크 갭 영역에서 전극의 끝을 향해 파괴적인 아크를 밀어내어 스파크 갭 영역을 보존하는 방식으로 구성됨으로써, 스파크 갭(806a-c) 중 하나의 스파크 갭 폭은 일반적으로 큰 지락 전류가 트리거 된 후에도 유지 될 수 있다. 이러한 배치에서, 항복 전압은 갭 폭의 실질적인 변화를 초래하지 않을 수 있으며, 결과적으로 여러 히트(hit)에 걸쳐 특정 스파크 갭의 항복 전압이 증가한다. 일반적으로 스파크 갭 항복 전압은 지정된 이벤트 수에 걸쳐 미리 정해진 범위에 남아 있어야 한다.
일부 실시예에서, 수동 OVPD 어셈블리(800)는 5-8kV 초과 및 28kV 미만의 항복 전압에 대응하고 적어도 60 밀리 초에 걸쳐 8,000 암페어 초과의 전류를 갖는 과전압 이벤트에 노출될 수 있다. 다른 예에서, 과전압 이벤트는 적어도 40 밀리 초에 걸쳐 약 5,000A 이상의 전류로 5-8kV 초과 및 약 35kV 미만의 항복 전압에 대응할 수 있다. 다른 임계 값도 설정할 수 있다; 임계 값의 예는 이전에 참조로 통합된 미국 특허 제9,660,441호에 설명되어 있다.
도 8b는 수동 OVPD 어셈블리(800)의 서브어셈블리(801a)의 정면도이다. 서브어셈블리(801a)는 컨덕터(conductor, 803a-c)를 지지하는 마운트(804a-b)를 포함하고, 컨덕터(803a)만이 투시로 인해 도시된다. 각각의 컨덕터(803a-c)는 하부 컨덕터(805a-b) 및 상부 컨덕터(807a-b)로서 각각 도시 된 하부 컨덕터 및 상부 컨덕터로부터 형성된다. 또한, 전극(810a-b)은 하부 및 상부 컨덕터의 결합부에 형성된다. 수동 OVPD 어셈블리(800)를 위한 지지 구조는 마운트(804a-b)와 결합된 절연체(814a-b) 및 원통형 쉴드(816a-b)를 포함한다.
마운트(804a-b)는 도시된 바와 같이 원하는 각도로 컨덕터(805a-b)를 고정하고 지지하도록 구성된 견고한 지지 구조이다. 일부 실시예에서, 마운트는 수직으로부터 2.5-20 도의 각도로 컨덕터(805a-b)를 위치 시키도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 컨덕터의 각도는 변할 수있다; 예를 들어, 약 2-90도 사이의 각도가 사용될 수 있다. 일반적으로, 이 각도는 적어도 부분적으로 위에서 설명한 전압 및 전류 범위에서 아크 전류의 경우에 발생하는 상당한 로렌츠 힘으로 인해 전극(810a-b)을 가로질러 상부 컨덕터(807a-b)를 향해 형성되는 방전 아크 전류를 촉진한다. 마운트(804a-b)는 아크 전류가 형성 될 때 컨덕터(805a-b) 사이에 생성 된 로렌츠 힘을 견디도록 구성된다.
일반적으로, 하부 컨덕터(805a-b)(본 명세서에서 회로 리드라고도 함) 및 상부 컨덕터(807a-b)(본 명세서에서 연장부라고도 함)는 접합되어 컨덕터(803a-c)를 형성하는 큰 직경의 원통형 막대이고; 하부 컨덕터와 상부 컨덕터의 결합에 전극(810a-b)이 형성된다. 컨덕터(805a-b 및 807a-b)의 직경은 과전압 보호 어셈블리(800)의 주어진 적용에 대한 예상 아크 전류에 기초하여 선택된다. 컨덕터(805a-b)는 전극(810a-b)이 서로 인접하도록 서로를 향해 각을 이룬다. 일부 실시예에서, 컨덕터(805a-b) 사이의 대각은 5-40도이다. 전극(810a-b)은 스파크 갭(806a)에 의해 분리된다.
일부 실시예에서, 하부 컨덕터(805a-b), 상부 컨덕터(807a-b) 및 전극(810a-b)은 융점이 높은 강성 전도 물질로부터 일체로 형성된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 컨덕터(805a-b, 807a-b) 및 전극(810a-b)은 구리(copper)/텅스텐(tungsten) 합금으로 형성된다. 다른 실시예에서, 컨덕터(805a-b, 807a-b) 및 전극(810a-b)은 텅스텐, 구리 및 니오븀(niobium)과 같은 상이한 재료로 형성된다.
추가적으로, 전극(810a-b) 사이의 간격은 절연체(814a-b)에 의해 더욱 확보된다. 절연체(814a-b)는 견고하고 절연 재료로 형성된다. 일부 실시예에서, 절연체(814a-b)는 원통형 형상을 갖는다. 절연체(814a-b)는 마운트(804a-b), 컨덕터(805a-b) 및 전극(810a-b) 사이의 간격을 확보하도록 구성되며, 이에 따라 스파크 갭(806)의 폭도 확보된다. 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 절연체(814a-b)는 전극(810a-b)을 가로 지르는 아크 전류의 형성 방향으로 배향되어 위치하여 아크 전류 방향의 로렌츠 힘으로 인해 아크 전류가 형성되는 경우 수동 OVPD 어셈블리(800)의 손상을 방지하기 위해 해당 방향으로 추가적인 강화를 제공한다.
일부 실시예에서, 쉴드(816a-b)가 포함된다. 쉴드는, 도시 된 예에서, 절연체(814a-b)와 지지체(804a-b) 사이에 배치되고 절연체(814a-b)의 표면을 따라 전도성 경로(아크 동안 증착된 탄소 또는 배출되는 물질로부터)의 형성을 방해하도록 구성된 금속 탭이다. 대안적인 실시예에서, 쉴드(816a-b)는 예를 들어 원통형 및 주변 절연체(814a-b)와 같이 다르게 형상화될 수 있다.
도 8c는 수동 OVPD 어셈블리(800)의 확대 된 정면도이다. 서브 어셈블리(801a)는 컨덕터(805a-b 및 807a-b), 전극(810a-b)을 포함하고, 스파크 갭(810a-b)은 전극(810a-b)의 바닥보다 더 작은 거리만큼 분리된다. 예를 들어, 일부 실시예에서 전극(810a-b)의 상부는 제 1 폭 W1에 의해 분리되고 전극(810a-b)의 하부는 약간 더 큰 제 2 폭W2만큼 분리된다. 일부 실시예에서, 폭 W1은 0.65mm이고 폭 W2는 0.82mm이다. 다른 실시예에서, 폭 W1은 0.5mm와 1mm 사이이고 폭 W2는 0.75mm와 1.25mm 사이이다. 또 다른 실시예에서, 폭 W1은 0.25 밀리미터와 10 밀리미터 사이이고, 폭 W2은 0.4 밀리미터와 20 밀리미터 사이이다. 일부 실시예에서, 제 1 폭과 제 2 폭 사이의 차이는 약 0.4mm이다. 다른 실시예에서, 제 1 폭과 제 2 폭 사이의 차이는 0.15mm와 15mm 사이이다. 일부 실시예에서, 전극(810a-b)의 평평한 표면은 높이 H를 갖는다. 일부 실시예에서, 높이 H는 1 인치이다. 다른 실시예에서, 높이 H는 0.5 인치와 4 인치 사이이다. 그러나, 다른 높이 및 다른 제 1 및 제 2 폭을 갖는 다른 실시예도 가능하다. 일부 실시예에서, 높이 H는 5mm 내지 15mm이다. 그러나, 다른 높이 및 다른 제 1 및 제 2 폭을 갖는 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, 폭 W1과 W2는 동일하여 스파크 갭이 평행한 표면을 갖도록 만들 수 있다. 이것은 스파크가 발생하는 위치에 대한 제어가 적기 때문에 차선책이지만 작동한다. 초기 높은 지락 전압 동안, 아크 전류는 전극(810a-b)의 상부에서 형성될 것이다. 높은 지락 전류 이벤트 동안 재료가 제거됨에 따라 아크는 스파크 갭(806)의 낮은 위치에서 시작된다. 그럼에도 불구하고, 스파크 갭에서의 제거는 수동 OVPD 어셈블리(800), 특히 컨덕터(803a-b)의 형상에 의해 최소화되어 컨덕터(807a-b)의 단부(연장부의 단부에서)에서 제거가 발생하도록 보장한다.
어셈블리(800)는 35kV 미만(그러나 일반적으로 약 5-8kV 이상)의 항복 전압 및 적어도 40 밀리 초에 걸쳐 5,000 암페어 이상의 전류를 견디도록 구성된다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 어셈블리(800)는 더 크거나 더 낮은 항복 전압 및/또는 전류를 견디거나 다른 시간 기간에 걸쳐 그러한 전력 손실을 견디도록 구성될 수 있다.
또한, 전극(810a-b) 사이의 특정 거리는 마운트(804a-b) 내의 각각의 컨덕터(803a-b)의 위치를 각각 조정함으로써 조정될 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 하부 도체(805a-b)의 각도로 인해 도체(803a-b)를 마운트로부터 더 연장하여 장착함으로써 전극(810a-b) 사이의 거리가 더 짧을 수 있고, 도체(803a-b)를 마운트로부터 더 짧은 거리로 연장하여 장착함으로써 전극이 더 이격되게 된다. 따라서, 전극 사이의 거리에 따라 정확한 항복 전압을 선택할 수 있다.
도 9는 수동 OVPD 어셈블리(900)의 특정 예시적인 실시예의 정면도이다. 서브 어셈블리(901a)는 단면적(915a)을 갖는 컨덕터(905a), 단면적(917a)을 갖는 컨덕터(907a), 스파크 갭(906) 및 스파크 갭(906) 영역에서 컨덕터(905a 및 907a)의 결합체(908a)에 의해 형성된 단면적(918a)을 포함한다. 구체적으로, 일부 실시예에서(예를 들어, 전술한 전극(810a-b)의 일부로서), 스파크 갭의 영역에 평탄화 된 표면이 형성 될 수 있고, 위의 도 8C에 도시된 사다리꼴 전극 영역 내에서 특히 평탄화될 수 있다. 일부 실시예에서, 컨덕터(905a 및 907b)는 원형 또는 타원형 단면 영역(915a 및 917a)을 갖는 일반적으로 원통형일 수 있다. 다른 실시예에서, 컨덕터(905a 및 907a)는 다른 기하학적 단면적 형상을 갖는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 컨덕터(905b)는 905a와 실질적으로 동일한 형상 및 단면적을 가지며, 컨덕터(907b)는 907a와 실질적으로 동일한 형상 및 단면적을 가지며, 결합체(908b)는 결합체(908a) 및 단면적(918a)과 실질적으로 동일한 형상 및 단면적(918b)을 갖는다.
도 9는 또한 단면적(917a)의 길이 A 및 B, 단면적(918a)의 길이 C, D 및 G, 및 단면적(915a)의 길이 E 및 F를 도시한다. 일부 실시예에서, 길이 A, B, E 및 F는 모두 1 인치이다. 다른 실시예에서, 길이 A, B, E 및 F는 0.5 인치 내지 5 인치이다. 그러나, 다른 길이 A, B, E 및 F를 갖는 다른 실시예도 가능하다. 일부 실시예에서, 길이 C 및 D는 1 인치이고 길이 G는 0.2 인치이다. 다른 실시예에서, 길이 C 및 D는 2 인치이고 길이 G는 0 인치이다. 또 다른 실시예에서, 길이 C 및 D는 0.5 인치 내지 5 인치이고 길이 G는 0 인치 내지 3 인치이다. 그러나, 다른 길이 C, D 및 G를 갖는 다른 실시예도 가능하다.
전반적으로, 본 명세서의 다양한 실시예는 회로 보호와 관련하여, 특히, 발전, 송전 또는 배전을 위해 사용되는 변압기와 같은 교류(AC) 전기 장비의 접지 연결에서의 고조파 신호, 또는 DC 또는 유사 DC 신호와 관련하여 다수의 이점을 제공하는 것이 인식된다. 예를 들어, DC 또는 유사 DC 중립 전류를 차단하는 것은 변압기 코어 내 반주기 포화를 방지하여 변압기 과열, 손상 또는 고장을 방지한다. 나아가, DC 전류 차단은 전력 시스템 계전기를 활성화할 수 있고 정전은 물론 심각한 불안정을 야기하는 고조파를 감소시킴으로써 전력 품질을 개선한다. 이는 유틸리티 전력 시스템 계전기의 트립(tripping), 전력 보상 및 기타 중요한 구성요소의 연결해제를 크게 방지하고, GIC 이벤트 또는 EMP 이벤트에서 전력망의 부분 또는 전체적인 붕괴를 예방한다. 또 다른 이점은 전력망 전체 또는 그 일부의 선택적이고 조정된 보호를 포함한다.
상기 명세서, 예시 및 데이터는 본 발명의 구성물의 제조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 본 발명의 많은 실시예가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있으므로, 본 발명은 첨부된 청구항에 존재한다.
Claims (24)
- 변압기를 포함하는 교류 시스템에서 사용 가능한 보호 회로로서,
상기 회로는:
변압기의 중립(neutral) 및 접지(ground) 사이에 전기적으로 연결된 직류(DC) 차단 구성요소; 및
상기 직류(DC) 차단 구성요소와 전기적으로 병렬로 연결된 과전압 보호 장치로서, 임계 값을 초과하는 변압기 중립의 전압에 응답하여 과전압 보호를 반복 가능하고 신뢰성있게 제공하도록 구성되는 과전압 보호 장치를 포함하고,
상기 DC 차단 구성요소는 미리 결정된 값 미만의 임피던스(impedance)를 가지고, 이에 따라 변압기의 중립을 효과적으로 접지하고,
상기 DC 차단 구성요소는 상기 보호 회로의 작동 중에 상기 변압기 중립에 연결되어 지속적으로 유지되는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 DC 차단 구성요소 및 상기 과전압 보호 장치는 상기 보호 회로의 동작 중에 상기 변압기 중립 및 접지 사이에 연결되어 유지되는 보호 회로.
- 제 1 항에 있어서,
상기 보호 회로는 상기 변압기 중립으로부터 상기 DC 차단 구성요소 및 상기 과전압 보호 장치를 자동으로 연결해제할 수 있는 자동 스위칭 구성요소가 없는 보호 회로.
- 제 1 항에 있어서,
상기 변압기 중립 및 상기 DC 차단 구성요소와 전기적으로 직렬로 연결된 전력 저항기를 더 포함하는 보호 회로.
- 제 1 항에 있어서,
상기 DC 차단 구성요소는 커패시터(capacitor)를 포함하는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치는,
스파크 갭(spark gap);
금속 산화물 배리스터(metal oxide varistor);
실리콘 탄소 배리스터(silicon carbon varistor);
가변 저항기; 및
서지 피뢰기(surge arrestor)로 구성된 그룹(group)으로부터 적어도 하나의 장치를 포함하는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치는, 상기 변압기 및 상기 DC 차단 구성요소 중 적어도 하나의 내전압 미만으로 유지되는 미리 결정된 범위 내에서 작동성을 유지하는 동안, 복수 회 임계 값을 초과하는 변압기 중립의 전압에 응답하여 동작하도록 구성되는 보호 회로.
- 제 1 항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치는 스파크 갭을 포함하는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치는,
제1 컨덕터(conductor) 및 대향하는 제2 컨덕터 - 상기 제1 컨덕터 및 대향하는 제2 컨덕터 각각은 회로 리드(lead), 전극 영역 및 절제 단부(ablating)로 이어지는 연장부를 포함함-;
상기 제1 컨덕터의 전극 영역 및 상기 제2 컨덕터의 전극 영역 사이에 형성된 스파크 갭 - 상기 회로는 상기 과전압 보호 장치에 전기적으로 연결되고 항복 전압(breakdown voltage)이 35,000 볼트(volts) 미만이고, 적어도 40 밀리초(milliseconds)에 걸쳐 5,000 암페어(amps)를 초과하는 전류 범위를 가지는 가능한 전기적 이벤트에 노출됨 -;을 포함하고,
상기 스파크 갭은 상기 가능한 전기적 이벤트의 범위 내에서 전기적 이벤트가 발생한 경우, 스파크 갭에서의 항복 전압은 미리 결정된 범위 내에서 유지되어 상기 가능한 전기적 이벤트에 대응하는 전기적 이벤트와 관련하여 스파크 갭을 반복적으로 사용할 수 있도록 설계되는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치는:
제1 전기적 연결;
제2 전기적 연결;
상기 제1 전기적 연결에 연결된 제1 전도성 버스 및 상기 제2 전기적 연결에 연결된 제2 전도성 버스를 포함하는 방전 장치;를 포함하고,
상기 방전 장치는 제1 항복 전압을 가지고, 제1 전도성 버스 및 제2 전도성 버스 사이의 전압 차이가 제1 항복 전압을 초과할 때, 제1 전류가 제1 전도성 버스와 제2 전도성 버스 사이를 통과하는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 변압기의 중립 및 접지 사이에 전기적으로 연결된 전압 측정 장치를 더 포함하는 보호 회로.
- 제11항에 있어서,
상기 전압 측정 장치에 연결된 제어 회로를 더 포함하고,
상기 변압기는 하나 이상의 전력선 위상에 연결되고, 상기 하나 이상의 전력선 위상은 변압기를 전력망(electrical grid)에 연결하고,
미리 결정된 시간 동안 임계 값을 초과하는 전압에 응답하여, 상기 제어 회로는 하나 이상의 전력선 위상의 전력선 위상에 각각 전기적으로 연결된 하나 이상의 회로 차단기를 작동시켜 전력망으로부터 변압기를 전기적으로 연결해제하도록 작동 신호를 전송하도록 구성되는 보호 회로.
- 제11항에 있어서,
상기 전압 측정 장치에 연결된 제어 회로를 더 포함하고,
상기 변압기는 하나 이상의 전력선 위상에 연결되고, 상기 전력선 위상은 변압기를 전력망(electrical grid)에 연결하고,
미리 결정된 변화율을 초과하는 전압 변화율에 응답하여, 상기 제어 회로는 하나 이상의 전력선 위상의 전력선 위상에 각각 전기적으로 연결된 하나 이상의 회로 차단기를 작동시켜 전력망에서 변압기를 전기적으로 연결해제하여 작동 신호를 전송하도록 구성되는 보호 회로.
- 제11항에 있어서,
상기 전압 측정 장치에 연결된 제어 회로를 더 포함하고,
상기 변압기는 하나 이상의 전력선 위상에 연결되고, 상기 하나 이상의 젼력선 위상은 변압기를 전력망(electrical grid)에 연결하고,
상기 전압 측정 장치가 감지한 전압이 임계 값에 도달하는 것에 응답하여,
상기 제어 회로는 전력선 위상에 전기적으로 연결된 하나 이상의 회로 차단기를 작동시켜 전력망에서 변압기를 전기적으로 연결해제하여 작동 신호를 전송하도록 구성되는 보호 회로.
- 제 11 항에 있어서,
상기 전압은 직류 전압을 포함하는 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 DC 차단 구성요소 및 상기 변압기 중립 사이에 전기적으로 연결된 유지 우회 스위치(maintenance bypass switch)를 더 포함하고,
상기 유지 우회 스위치는 유지 동안 상기 변압기 중립으로부터 상기 DC 차단 구성요소를 분리하는데(decouple) 사용가능한 보호 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 회로는 상기 보호 회로의 정상 작동 동안 작동되는 변압기 중립 및 접지 사이의 DC 차단 구성요소와 병렬로 경로를 따라 전기적으로 연결된 전자적 제어 스위치(electronically-controlled switch)를 결여한 보호 회로.
- 하나 이상의 연결을 가지는 변압기로서,
각각의 연결은 교류 전력 신호의 상이한 전력선 위상과 관련되는 변압기;
변압기 중립 및 접지 사이에 전기적으로 연결된 직류 중립 차단 회로(direct current neutral blocking circuit);
상기 변압기의 중립과 접지를 가로지르는 전압이 검출되면 신호를 전송하는 전압 측정 장치;
상기 변압기의 전력선 상에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 차단기;
상기 전압 측정 장치로부터 신호를 수신하고,
상기 변압기 중립 및 접지 양단의 전압이 미리 결정된 임계 값 이상이라는 결정에 응답하여 상기 변압기의 전력선 위상에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 차단기를 오픈(open)하는 신호를 전송하도록 구성된 제어 회로;를 포함하고,
상기 미리 결정된 임계 값 이상의 전압 레벨에서, 과전압 보호 장치는 전압을 방전하기 위해 트리거하도록 구성되는 전기 보호 시스템.
- 제18항에 있어서,
상기 과전압 보호 장치가 전압을 트리거 및 방전하도록 구성되는 전압 레벨은 제2 전압 레벨 미만이고, 상기 제2 전압 레벨은 직류 중립 차단 회로 또는 상기 변압기의 변압기 중립 절연체(insulation) 중 적어도 하나의 내전압 한계인 전기 보호 시스템.
- 제18항에 있어서,
상기 직류 중립 차단 회로는 수동(passive) 직류 중립 차단 회로 또는 능동(active) 직류 중립 차단 회로 중 하나를 포함하는 전기 보호 시스템.
- 전력망(power grid) 내의 전력망 변압기의 중립에서 유도된 전류 또는 전압으로 인한 손상으로부터 전력망을 보호하는 방법으로서,
전력망 내의 제1 변압기의 변압기 중립에서, 전력망 내에 포함된 회로에 대한 잠재적 손상을 나타내는 특성을 가지는 전압을 검출하는 단계;
전력망 내의 제1 변압기 이외의 하나 이상의 변압기를 선택하는 단계 - 상기 하나 이상의 변압기는 위상 차단기 및 제어 회로와 관련됨-;
상기 위상 차단기를 오픈(open)하도록 제어 회로에 지시하는 작동 명령을 상기 하나 이상의 변압기와 관련된 제어 회로에 전송하고, 그에 따라 상기 하나 이상의 변압기를 연결해제하고, 상기 전력망을 분할하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 제1 변압기와 관련된 위상 차단기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 하나 이상의 변압기는 상기 제1 변압기로부터 원격으로 위치되어 있는 방법.
- 제21항에 있어서,
상기 하나 이상의 변압기를 선택하는 단계는 발전소로부터 하나 이상의 변압기의 거리 및 제1 변압기와 하나 이상의 변압기 사이의 거리에 적어도 부분적으로 기초하여 전력망 내의 복수의 변압기 중에서 하나 이상의 변압기를 선택하는 알고리즘을 실행하는 단계를 포함하는 방법.
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