KR20230055043A - 아크전류를 동반한 변류기의 2차측 개방 여부 검출 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계기용 변류기의 2차측 개방 여부를 검출하는 방법으로서, 계기용 변류기의 2차측 전압와 전류를 동시에 측정하는 단계, 상기 측정된 2차측 전압과 전류를 정상 상태에서의 계기용 변류기의 전압 및 전류와 대비하는 단계 및 상기 계기용 변류기의 2차측 전류가 정상 상태와 대비하여 감소하고, 2차측 전압이 정상 상태와 대비하여 증가하는 현상이 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복적으로 측정되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하는 단계를 포함하는 계기용 변류기의 개방 여부를 검출하는 방법으로서, 아크를 동반한 변류기 2차측 개방 여부를 검출하고 방지할 수 있으며, 1차전류와 관계없이 상시 개방 상태 검출이 가능하다.

Description

아크전류를 동반한 변류기의 2차측 개방 여부 검출 방법 및 장치{Detection method and apparatus for current transformer secondary open with arcing current}

본 발명은 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있는지 여부를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변류기의 2차측 전압과 전류를 동시에 측정하고 그 크기의 변화를 비교하여 미소전류를 동반하는 변류기의 2차측이 개방되어 있는지 여부를 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

계기용 변류기(Current Transformer, CT)는 큰 전류로부터 그것에 비례하는 작은 전류를 얻는 장치로서, 계측용, 계전기용, 전력 계량용 등으로 구분된다.

계측용은 정밀도가 1% 내외이고 계통 및 부하전류 크기 측정을 위하여 사용된다. 계전기용은 정밀도가 5% 내외이고 계통 사고시 발생하는 대전류 측정을 통한 보호설비 기동용으로 사용된다. 전력 계량용은 전기 요금 과금을 위하여 전력 사용량 계량에 사용되는 것으로서 정밀도가 0.5% 내외로서 가장 정밀하며, 운전 안전성을 항상 보장하는 것이 요구된다.

변류기는 철심에 권선수가 적은 1차코일과 권선수가 많은 2차코일을 감아 구성되며, 변류기의 1차와 2차 전류비는 각각 코일 권선수에 반비례한다. 1차전류는 수십 A에서 수천 A까지 여러 가지가 있으며, 2차전류의 정격값은 대부분이 5A이다. 그리고 2차코일에 전력량계, 계전기 등이 연결 설치되어 사용된다.

도 1a는 정상 사용 상태에서의 변류기 등가회로이다.

변류기 2차측(k, l 단자)에 전력량계 혹은 보호 릴레이가 연결된 정상 사용 상태에서, 1차전류(I_S)는 대부분 2차전류(부하전류, I_L)로 변환된다. 변류기의 2차측 유기전압(V_S)은 변류기 내 여자전류(I_M)의 크기와 비례하여 증가하는 특성을 가지고 있는데, 여자전류(I_M, I_M=I_S-I_L)가 상대적으로 낮게 흐름에 따라 유기전압(V_S)도 낮게 결정된다.

도 1b는 도 1a와 달리 개방 상태에 있는 변류기의 등가회로이다.

변류기 개방(Open)이란 단자 접속 불량, 선로 노후화에 따른 단선 등의 사유로 변류기 2차측에 회로가 끊어진 상태를 의미한다.

변류기 2차측 회로가 개방되는 경우 변류기 2차측 단자부에 매우 높은 부하전압(V_B)이 발생하게 되며, 이는 변류기의 소손 및 절연파괴에 의한 피해를 유발할 수 있다. 변류기 2차측이 개방되면 철심이 자기포화로 과열되고 권선수가 많은 2차권선에는 이 포화자속으로 인해 상당한 고전압이 유기되어 감전과 절연파괴 등으로 인한 화재 위험을 초래하는 등 상당히 위험한 상황이 발생하게 된다.

이런 변류기 소손은 변류기 자체에만 한정되는 것이 아니라, 전력량 계측 오류 또는 불능에 따라 전력사용량 오계량 및 전기요금 과금 손실이 발생하고, 대규모 정전사고도 유발하게 된다.

도 2a, 2b에는 종래 변류기 2차측 개방 검출 장치가 도시되어 있다.

도 2a에 도시된 장치는 등록특허공보 제10-1772196호에 개시된 것으로, 변류기 개방시 수반되는 전압 상승 현상을 이용하여 개방 상태를 파악하는 방식을 취하고 있다. 변류기 2차측에 설치된 전압검출회로를 통해 전압을 검출하고 이상 전압이 발생하는 경우 개방 상태로 파악하는 것이다.

그런데 전압측정에 기초하는 이런 방식은, 변류기가 개방 상태가 아님에도 개방 상태로 오인하거나, 개방이 발생하였음에도 인지하지 못하는 등 개방 검출에 대한 신뢰도 부분에서 상당히 문제점이 있다. 또한 1차전류의 크기에 따라 개방 상태 검출 오작동이 발생하거나, 적절한 동작지연 시간 미설정 또는 변경시 오작동이 발생하는 등의 문제점도 있었다.

특히 전압 측정 방식의 경우, 변류기 개방 전압은 변류기의 종류, 크기 및 제작 사양에 따라 큰 차이를 보여 개방 기준 전압 선정이 쉽지 않고, 때로는 고전류(대전류)인가 혹은 돌입전류 등으로 변류기 2차단자의 전압 상승 현상이 발생하는 경우 개방이 아님에도 개방 상태로 오인하여 작동할 수 있었다. 더욱이 1차전류가 낮은 경우 변류기가 개방되어도 높은 전압이 유기되지 아니하여 개방 상태를 감지할 수 없는 원천적인 문제점이 존재하였다.

한편 이런 종래기술은 변류기 2차측 개방 여부를 판단함에 있어서, 2차측 전압 크기 이외에, 그 전압의 지속시간이 어느 정도인지도 같이 고려하였다. 계통 고장 시 큰 전류가 변류기에 흐르면 큰 전압이 유기되고 계전기가 동작할 때까지 변류기의 2차측에 큰 전압이 유기되므로, 변류기 2차 개방을 단지 전압의 크기만을 기준으로 판단하면 오판을 할 수 있기 때문이었다.

그래서 큰 전압이 설정된 시간으로서 수초 동안 지속되면 변류기 2차측 개방으로 판단하였으며, 이런 변류기 2차 개방 판단 전압의 크기와 지속 시간은 변류기의 종류와 보호 계전 알고리즘에 따라 달라졌다.

변류기의 정격전압은 정격부담에 의해 결정되는데, 정격부담이 15VA인 경우, 변류기 2차전류의 정격이 5A이면 3V가 정격전압이 된다. 그리고 전압의 크기가 정격전압의 수배 이상으로 상승하고 이 전압이 수초 동안 유지되는 경우 개방으로 판단하는데, 종래 동작 전압으로는 AC 30V, 60V, 90V, 120V가 있었으며, 이 전압이 1초에서 8초동안 유지되면 개방으로 판단을 하였던 것이다.

이와 같이 정격전압에서 대략 10배에서 40배 정도 이상으로 설정된 시간 동안 증가했을 경우 개방으로 판단하였는데, 다만 전압을 30V 이하로 작게 하면 변류기 정상 동작시 2차전압이 증가하여 오동작을 하게 되므로 30V 이하로 낮추는 것은 가능하지 아니하였다.

이에 변류기 개방이 발생했는데도 불구하고, 변류기 1차전류가 작아 변류기 2차전압이 개방 판단 전압인 30V보다 작은 경우 개방을 판단하지 못하였고, 이런 경우 변류기 개방으로 인해 변류기가 손상되거나 보호계전기 또는 제어기 등이 제대로 동작하지 못하게 되었다. 또한 기존 보호계전기의 설정치들이 달라지는 경우, 보호협조를 위해 변류기 개방 방지 장치의 전압 및 지속시간의 설정치를 변경하여야 하는데, 그렇지 않은 경우 오동작이 발생하는 경우도 있었다.

도 2b는 도시된 장치는 본 출원인이 개발한 것으로서 도 2a에 개시되어 있는 장치의 문제점을 해결하기 위한 것인데, 변류기 개방시 수반되는 전압 상승과 전류 차단 현상을 이용하여 개방 상태를 파악하는 방식을 취하고 있다.

이런 종래 장치가 반영되어 있는 특허로는 등록특허공보 제2006591호가 있는데, 이는 변류기 2차측에 설치된 변류기를 통해 전류를 측정하여 전류가 측정되지 않고 전압검출기를 통해 측정된 전압이 설정된 전압 이상으로 발생하는 경우 개방 상태로 파악하는 것이다.

(선행기술 001) 등록특허공보 제10-1772196호

(선행기술 002) 등록특허공보 제10-2006591호

한편 이런 종래기술은 본질적으로 전압만을 기준으로 하거나, 전류가 측정되지 않는 상태를 기초로 하는 것으로서, 미소전류를 동반한 변류기 개방 상태에 대해서는 결코 적용될 수 없다는 문제점이 있었다.

이에 대하여 설명하면, 도 3에는 도 1a, 도 1b와 달리 미소전류를 동반하여 개방 상태에 있는 변류기의 등가회로가 도시되어 있다.

운전 중 변류기 2차측 회로가 단선처럼 전기적으로 완전히 분리되는 개방이 발생하지 않고, 나사의 풀림과 같은 미소한 개방이 발생하게 되면 높은 부하전압이 발생하고 아크 전류와 같은 미소 전류가 흐르며, 교류인 부하전압의 크기 변화에 따라 아크의 소멸과 진행이 지속적으로 반복해 나타난다.

이러한 상태는 기계적으로는 분리되어 있지만 전기적으로는 도통하는 것으로서, 이런 아크를 동반한 변류기의 2차측 단자가 개방(Open)되는 것은 매우 위험하다. 이와 같은 현상 발생으로, 변류기의 2차측이 개방되었을 때 이를 즉시 감지할 필요가 있는데, 종래기술로는 이를 전혀 해결하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것에서 시작하여, 변류기 2차전류가 영이 되지 않는 미소 전류(아크 전류)를 동반한 개방에 대해서 변류기 2차측 개방 여부를 검출하고 방지할 수 있도록 한 것이다.

상기 과제를 해결하고자 본 발명은, 계기용 변류기의 2차측 개방 여부를 검출하는 방법으로서, 계기용 변류기의 2차측 전압와 전류를 동시에 측정하는 단계, 상기 측정된 2차측 전압과 전류를 정상 상태에서의 계기용 변류기의 전압 및 전류와 대비하는 단계, 상기 계기용 변류기의 2차측 전류가 정상 상태와 대비하여 감소하고, 2차측 전압이 정상 상태와 대비하여 증가하는 현상이 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복적으로 측정되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하는 단계를 포함하는 계기용 변류기의 개방 여부를 검출하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 계기용 변류기의 2차측 전류는 관통 분할형 변류기를 이용하여 측정하는 것이 바람직학다.

아울러 본 발명은 계기용 변류기의 2차측 전압을 측정하는 전압 측정부, 계기용 변류기의 2차측 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 계기용 변류기의 2차측 전류가 정상 상태와 대비하여 감소하고, 그와 동시에 2차측 전압이 정상 상태와 대비하여 증가하는 현상이 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복적으로 측정되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하고 변류기 2차측 단락 회로부를 단락시켜 계기용 변류기의 2차측 개방으로 인한 계기용 변류기의 파손을 방지할 수 있도록 제어하는 제어부를 포함하는 계기용 변류기의 개방 방지 장치도 제공한다.

본 발명은 변류기 2차 전류가 영이 되지 않는 아크를 동반한 변류기에 대하여 개방 여부를 판단할 수 있으며, 이를 통해 변류기 및 전력 설비에 대한 운전 안전성을 향상시킬 수 있다. 아울러 종래 개방 전압 및 동작지연 시간 설정을 위한 모듈이 필요 없어져 전체적으로 시스템이 단순화되는 장점도 있다.

다만 본 발명의 효과는 이런 문언적 기재에만 한정되지 않고, 통상의 기술자가 본 발명을 통해 유추할 수 있는 것까지 모두 포함한다.

도 1a는 변류기가 정상 사용 상태에 있는 경우 등가회로이다.
도 1b는 변류기가 개방 상태에 있는 경우 등가회로이다.
도 2는 종래 전압 기반의 변류기 개방 상태 방지 장치의 등가회로이다.
도 3은 아크 전류를 동반하는 개방 상태에 있는 경우 등가회로이다.
도 4a, 4b는 본 발명의 실시예에 따른 변류기 2차측 전류와 전압 회로이다
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장치의 등가회로이다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 이런 실시예들은 통상의 기술자에게 본 발명을 쉽게 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 이런 실시예들에 한정되지는 않는다.　본 출원에서 사용한 용어는 특정 실시예를 설명하기 위해 사용되었으며, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 구성 등이 존재한다는 것을 의미하고, "연결"은 전기적으로 연결되는 것을 의미한다.

도 4a, 4b는 본 발명의 실시예에 따른 변류기 2차측 전류와 전압 회로이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기 개방 검출 및 방지 장치에 대한 등가회로도이다.

본 발명은 계기용 변류기의 2차측 전압과 전류를 동시에 측정하고, 측정된 전압과 전류를 정상 상태 전압 및 전류와 대비하여, 도 4a, 4b에서 보이는 바와 같이 2차측 전류가 정상 상태 대비하여 감소하고 그와 동시에 2차측 전압이 정상 상태 대비하여 증가하는 현상이, 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하는 단계를 포함한다.

여기에서 정상 상태 전압 및 정상 상태 전류는 2차측 전류가 감소하거나 2차측 전압이 증가하기 전에 나타나던 전압 및 전류로서, 변류기가 정상적인 상태에서 사용할 때 나타나는 전압과 전류이다.

아울러 정상 상태 대비하여 2차측 전류가 감소하는 것은 정상 상태 전류치보다 낮은 전류, 바람직하게는 20% 이하로 되는 경우로서 미소 전류, 일종의 아크 전류가 발생하는 것을 의미한다고 할 수 있다. 또한 반복적으로 나타나는 경우는 2차측 전류를 예로 들면, 정상 상태와 낮은 상태가 반복하여 나타나는 경우를 의미하며 반복의 횟수에는 달리 제한은 없다.

구체적으로 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 변류기 2차측의 전류 측정부(300)에서 전류를 측정하고, 동시에 변류기 2차측의 전압 측정부(200)에서 변류기 2차측의 전압을 측정하여, 측정치를 제어부(500)로 보내고 제어부(500)에서 변류기 2차측의 전류와 전압을 기초로 변류기 2차측이 개방되어 있는지를 판단한다.

변류기 2차측이 정상 상태에 있는 경우, 도 4a, 4b에서 볼 수 있는 바와 같이 전류 측정부(300)와 전압 측정부(200)에서는 일정하게 파장을 그리는 전류와 전압이 측정된다. 마찬가지로 아크전류를 동반하여 변류기 2차측이 개방이 되는 경우에도, 정상 상태의 경우와 마찬가지로, 변류기 2차측의 전류 측정부(300)에서 전류가 측정되고, 전압 측정부(200)에서 전압이 측정된다.

아크전류를 동반한 상태에서 변류기 2차측이 개방된 경우, 전류 측정부(300)에서 전류가 측정되므로, 전류가 측정되지 않고 전압이 측정되는 것을 기준으로 변류기 2차의 개방을 판단하는 방법으로는 판단이 가능하지 않은데, 본 발명은 아크전류와 정상 상태에서의 변류기 2차 전류에 대한 상승 및 하강이 반복하여 발생하고, 이에 따라 전압도 하강 및 상승이 반복하여 발생하는 점을 이용한 것이다.

이에 대하여 추가적으로 설명하면, 진동 등으로 인하여 단자대가 풀리는 등의 이유로 변류기 2차측에서 아크를 동반한 개방이 발생하였을 경우, 변류기 2차측은 기계적으로 분리되었지만 전기적으로는 도통하여 2차 전류는 미소한 전류가 흐르는 상태가 되고, 1차 전류(I_S)는 미소한 전류를 제외하고 여자 전류(I_M, I_M

I_S)로 작용하게 된다(도 1b).

이런 경우 여자전류(I_M)와 유기전압(V_S)의 관계에 따라 높은 유기전압(V_S)이 발생하여, 결국 변류기 2차측 단자부에 높은 부하전압(V_B)이 발생되게 된다. 이와 같이 미소전류가 측정되고 전압이 정상 상태에서의 전압 이상으로 증가하는 경우 변류기 2차 단자가 개방되었다고 판단하게 되는 것이다.

아울러 변류기 2차측이 개방된 것으로 판단되는 경우, 제어부(500)에서 단락 회로부(400)에 관련 신호를 보내고, 단락 회로부(400)를 단락시킴으로써 변류기 2차 단자를 단락(Short)시켜 변류기 개방으로 인한 소손을 방지할 수 있다.

그와 동시에 개방 사실을 중앙 관제소 등에 유선 또는 무선 통신을 이용하여 전송하여 신속한 조치가 이루어질 수 있도록 한다.

한편 본 발명은 이미 기존에 설치되어 있는 변류기에도 분해 또는 해체 등의 작업 없이 활선 상태에서 그대로 적용될 수 있다. 기존 변류기는 전압 측정을 통해 2차측 개방 여부를 검출하였으므로, 이에 전압 측정기가 설치되어 있다. 여기에 활선 상태를 그대로 유지하면서 변류기 2차측에 관통 분할형 변류기를 이용하여 전류를 검출함으로써 적용될 수 있는 것이다.

관통 분할형 변류기는 중앙에 전선이 통과하는 관통공이 형성되어 있고 상하부가 서로 분할되어 있는데, 분할시킨 상태에서 2차측 전선이 관통공에 위치하도록 하고, 그 이후 분할된 변류기를 조립함으로써 활선 상태에서 계기용 변류기의 2차측 전선에 쉽게 장착하여 전류를 측정하는 것이다. 아울러 필요한 경우 그 탈착 역시 쉽게 할 수 있다.

아울러 본 발명은 도 5에서와 같이 변류기의 2차측 전압을 측정하는 전압 측정부(200), 변류기의 2차측 전류를 측정하는 전류 측정부(300), 상기 계기용 변류기의 2차측 전류가 정상 상태와 대비하여 감소하고, 그와 동시에 2차측 전압이 정상 상태와 대비하여 증가하는 현상이 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하고 변류기 2차측 단락 회로부(400)를 단락시켜 계기용 변류기(100)의 2차측 개방으로 인한 계기용 변류기(100)의 파손을 방지할 수 있도록 제어하는 제어부(500)를 포함하는 계기용 변류기의 개방 방지 장치를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상은, 각각 독립적으로 실시될 수도 있고, 둘 이상이 서로 조합되어 실시될 수도 있다.

100 : 계기용 변류기 200 : 전압 측정부
300 : 전류 측정부 400 : 단락 회로부
500 : 제어부

Claims (3)

1. 계기용 변류기의 2차측 개방 여부를 검출하는 방법으로서,
   계기용 변류기의 2차측 전압와 전류를 동시에 측정하는 단계:
   측정된 2차측 전압과 전류를 정상 상태에서 계기용 변류기 2차측의 전압 및 전류와 대비하는 단계;
   측정된 2차측 전류가 정상 상태 전류와 대비하여 감소하고, 2차측 전압이 정상 상태 전압과 대비하여 증가하는 현상이, 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복되는 경우 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 변류기의 개방 여부를 검출하는 방법
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 계기용 변류기의 2차측 전류는 관통 분할형 변류기를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 계기용 변류기의 개방 여부를 검출하는 방법
3. 계기용 변류기(100)의 2차측 전압을 측정하는 전압 측정부(200);
   계기용 변류기(100)의 2차측 전류를 측정하는 전류 측정부(300);
   상기 전류 측정부(300)에서 측정된 2차측 전류가 정상 상태와 대비하여 감소하고 그와 동시에 전압 측정부(200)에서 측정된 2차측 전압이 정상 상태와 대비하여 증가하는 현상이, 계기용 변류기의 2차측 전류와 전압이 정상 상태인 경우와 함께 반복되는 경우, 계기용 변류기의 2차측이 개방되어 있다고 판단하고, 변류기 2차측 단락 회로부(400)를 단락시켜 계기용 변류기(100)의 2차측 개방으로 인한 계기용 변류기(100)의 파손을 방지할 수 있도록 제어하는 제어부(500):를 포함하는 것을 특징으로 하는 계기용 변류기의 개방 여부 검출 및 방지 장치
   
   

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