KR20230072785A - 다회로 변압기 - Google Patents

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KR20230072785A
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신부현
김현중
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한국전력공사
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Abstract

규정 전압 유지 및/또는 분산전원 연계를 위한 배전 변압기가 개시된다. 상기 배전 변압기는, 중공이 형성되는 철심, 상기 철심의 제 1 변에 감기는 특고압을 입력받는 1차 권선, 및 철심의 상기 제 1 변에 맞은편으로 대응되는 제 2 변에 감기여 다중출력을 위한 다중회로를 형성하는 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 다중 회로는 단상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로, 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다회로 변압기{Multi switch transformer for power distribution}
본 발명은 배전 변압기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다회로 및 다단자 구조를 갖는 배전용 다회로 변압기에 대한 것이다.
고품질의 전력 공급을 위해 정전압, 정주파수를 유지해야 한다. 부연하면, 전기 사업법 시행규칙 및 배전전압관리업무 지침에 따르면, 표준 전압은 단상 207 ~ 238[V], 삼상 342 ~418[V]가 된다.
또한, 배전전압관리업무 지침에 따라 배전설비별 전압강하한도가 있다. 즉, 특고압의 경우, 10%이내이고, 저압설비의 경우, 10%이내(주상 변압기: 2%, 인입선: 2%)가 된다.
또한, 배전선로는 송전선로에 비해 단거리 선로이므로 집중정수 회로를 고려한다. 즉, 누설 콘덕턴스와 정전용량을 무시하고 저항과 인덕턴스만으로 구성된 집중정수회로로 구성한다.
또한, 저압 대용량 고객 수전 및 분산형 전원연계에 따른 전압관리가 곤란하다는 문제점이 있다. 부연하면 수용가 계약 전력을 계산하여 전선 및 변압기 용량을 설계 및 시공해야된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, ΣPr: 부하설비의 합계(kW)
r: 예상 연평균 부하 증가율
n: 과부하한도 도달성정년수
D: 부하의 수용률
Pt: 변압기 정격용량(kVA)이다.
과부하 한도 도달상정연수(n)는 변압기의 이용율이 130%에 도달될 때까지의 소유년수이며, 일반적으로 7~9년 정도의 범위가 적용된다. 또한, 설치지역 부하여건 등을 감안하여 가감 적용할 수 있다.
공급부하의 수용율(D)은 일반적으로 상가 및 번화가등의 부하의 경우, 0.65이고, 기타지역의 경우, 0.5, 냉/온방기기등의 계절성 부하의 경우, 1.0이다. 또한, 가동시간등이 특수한 경우에는 그 조건을 고려하여 적용할 수 있다.
저압 대용량 고객 수전 및 분산형 전원 연계에 따른 전압 관리가 곤란하다는 단점이 있다. 부연하면, 대용량 저압부하 신규 접속에 따른 말단 고객 전압 강하가 발생하고, 분산전원연계에 따른 과전압이 발생한다.
또한, 전압 관리를 위해 변압기 탭조정, 선로공사 등이 요구된다. 즉, 말단선로 등 저전압방지를 위한 탭조정으로 변압기 직하(인접) 고객측에서 과전압 발생한다. 변압기 탭조정은 부하가 없고, 작업자가 주상에서 작업해야 하므로 적용하기 어렵다. 또한, 특고압 연장, 변압기 증설, 전선교체 등의 선로 공사는 많은 투자비를 발생시킨다.
즉, 일반적으로 전압강하 보상을 위해 저압선로 굵기변경, 변압기 증설, 특고압 연장 등이 요구된다는 문제점들이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2011-0086330호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 규정 전압 유지 및/또는 분산전원 연계를 위한 배전용 다회로 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 별도 조작없이 최초연결후 상시운영이 가능한 배전 변압기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 규정 전압 유지 및 분산전원 연계를 위한 배전 변압기를 제공한다.
상기 배전 변압기는,
중공이 형성되는 철심;
상기 철심의 제 1 변에 감기는 특고압을 입력받는 1차 권선; 및
철심의 상기 제 1 변에 맞은편으로 대응되는 제 2 변에 감기여 다중출력을 위한 다중회로를 형성하는 2차 권선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 다중 회로는 단상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로, 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 전압(A) 내지 상기 제 3 저압(C)은 서로 다른 전압 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 저압(A), 상기 제 2 저압(B), 상기 제 3 저압(C)의 크기는 상기 제 1 저압(A) > 상기 제 2 저압(B) > 상기 제 3 저압(C)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 저압 회로는 상기 2차 권선 중 권선수가 가장 많은 회로이고, 상기 제 2 저압 회로는 상기 2차 권선 중 권선수가 중간인 회로이고, 상기 제 3 저압 회로는 상기 2차 권선 중 권선수가 가장 적은 회로인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 저압 회로 내지 제 3 저압회로의 출력단은 각각 다른 저압 전압선에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 단상 다회로 변압기는, 외관을 형성하는 원통형의 외함;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 외함의 표면에는 상기 제 1 저압 회로의 출력과 연결되는 상단 단자, 상기 제 2 저압 회로의 출력과 연결되는 중간 단자 및 상기 제 3 저압회로의 출력과 연결되는 하부 단자가 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 사다리꼴 형상의 철심; 상기 철심의 최좌측에 있는 제 1 변에 감기는 특고압을 입력받는 1차 권선; 및 상기 제 1 변에 평행하게 일정한 제 1 간격으로 형성되는 3개의 제 2 변에 감겨 다중회로를 형성하는 2차 권선;을 포함하는 단상 다회로 변압기를 제공한다.
이때, 상기 다중회로는 단상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로, 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 철심은 평행하게 제 2 간격으로 형성되는 2개의 가로부와 2개의 상기 가로부 사이에 제 3 간격으로 형성되어 상기 제 1 변 및 제 2 변이 되는 세로부가 일체로 형성되어 상기 사다리꼴 형상이 되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 일정 간격으로 형성되는 5개의 다리를 갖는 사다리꼴 형상의 철심; 각 상을 변환하는 3개의 단위 변압부를 생성하기 위해, 5개의 상기 다리 중 최외각측 다리를 제외한 나머지 3개의 다리에 감겨 다중회로를 형성하는 2차 권선; 및 3개의 상기 다리에 감겨 특고압을 입력받는 1차 권선;을 포함하는 삼상 다회로 변압기를 제공한다.
이때, 상기 다중회로는 단상/삼상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로, 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다리에 직접 감긴 2차 권선상에 절연지와 상기 1차 권선사이 절연지가 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 규정전압 유지 및 분산전원 연계를 위한 다회로의 배전 변압기를 적용함으로써 말단선로 전압강하 예방, 분산전원 연계지점 과전압 방지 등의 전기 품질을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 사선상태에서 해야하는 변압기의 탭조정 방식과 다르게 별도 조작없이 최초 연결후 상시운영이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 다회로의 배전 변압기로 기기 설치외에 별도 공사비용이 발생하지 않아 말단 선로 전압강하 방지를 위한 투자비가 발생하지 않는다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 배전 변압기의 말단은 기준전압보다 높은 단자에서 연결하고, 직하는 규정전압으로 공급함으로써 변압기 직하선로의 과전압 방지가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 권선비를 이용한 단상 다회로 변압기의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단상 다회로 변압기의 외관 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 단상 다회로 변압기를 배전 선로에 적용한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼상 다회로 변압기의 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 삼상 다회로 변압기의 외관 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다회로 변압기를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 권선비를 이용한 단상 다회로 변압기(100)의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 중공이 형성되는 철심(110)의 한변에 1차 권선(120)이 감기고, 철심(110)의 다른변에 2차 권선(130)이 감긴다. 2차 권선(130)에는 제 1 저압 회로(131) 내지 제 3 저압회로(133)가 형성된다. 제 1 저압 회로(131)의 출력 전압은 A[V]이고, 제 2 저압 회로(132)의 출력 전압은 B[V]이고, 제 3 저압 회로(133)의 출력 전압은 C[V]이다.
부연하면, 제 1 저압 회로(131)는 2차 권선(130) 중 권선수가 가장 많은 회로이고, 제 2 저압 회로(132)는 2차 권선(130) 중 권선수가 중간인 회로이고, 제 3 저압 회로(133)는 2차 권선(130) 중 권선수가 가장 적은 회로이다.
일반적으로, 2차 유기 전압은 다음 수학식과 같다.
Figure pat00002
여기서, e는 유기 전압이고, n은 권선수이고, φ는 자속이다.
또한, 1차측 전압, 2차측 전압, 권선수의 관계는 다음식과 같다.
Figure pat00003
여기서, N1은 1차측 권선수, N2는 2차측 권선수, V1은 1차측 전압, V2는 2차측 전압, I1은 1차측 전류, I2는 2차측 전류이다.
1차측(특고압) 전압과 권선수가 동일하면 2차측(저압) 전압은 2차측 권선수에 비례한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00004
도 1에 도시된 바와 같이, 단상 다회로 변압기는 1차측(특고압) 측 13,200V는 단일회로(2단자)로 구성하고, 2차측(저압)을 다회로로 구성하는 방식이다. 2차측 전압은 2차 권선이 감소하면 줄어들므로, 권선수가 많은 상단 단자에는 높은 전압(A 전압), 중간 단자에는 중간 전압(B전압), 권선수가 가장 적은 하단 단자에는 전압이 제일 낮은 낮은 전압(C전압)이 공급된다.
저압단상은 220Vㅁ13V이므로 207 ~ 233V의 범위에 들어오면 규정 전압 범위에 들게 된다. 기존 변압기에서는 전압강하를 고려하여 2차측 정격전압을 230V로 공급한다.
이와 달리, 본 발명의 일실시예를 통해서 A전압은 230V, B전압은 220V, C전압은 210V로 공급할수 있다. A전압은 전압강하를 고려하여 변압기와 멀리 연결된 수용가에 연계되고, B 전압은 변압기에 인접한 수용가에 연계되고, 그리고 C전압은 분산형 전원을 연계하면 하나의 변압기에 다양한 수용가를 연계할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 단상 다회로 변압기(100)의 외관 사시도이다. 도 2를 참조하면, 단상 다회로 변압기(100)는 외관을 형성하는 외함(210)를 갖는다. 외함(210)의 재질로는 엔지니어링 플라스틱, 강철 등이 사용될 수 있다. 물론, 강철의 경우, 절연을 위해 외함(210) 내부면에 절연 처리가 된다.
외함(210)은 원통형으로 표면에 상단 단자(201), 중간 단자(202), 하단 단자(203)가 구성된다. 상단 단자(201)는 맨 위에 위치되며, 제 1 저압 회로(131)의 출력과 연결된다. 중간 단자(202)는 중간에 위치되며, 제 2 저압 회로(132)의 출력과 연결된다. 하부 단자(203)는 맨 아래에 위치되면, 제 3 저압회로(133)의 출력과 연결된다. 외함(210)의 상부에는 특고압 케이블(220)이 연결된다. 특고압 케이블(220)은 1차 권선(120)의 입력 단자에 연결된다.
도 3은 도 1에 도시된 단상 다회로 변압기(100)를 배전 선로에 적용한 개념도이다. 도 3을 참조하면, 컷아웃 스위치(cos: cut out switch)(210)가 단상 다회로 변압기(100)의 입력단측에 설치된다. 또한, 제 1 저압 회로(131) 내지 제 3 저압회로(133)의 출력단은 각각 다른 저압 전압선(331,332,333)에 연결된다.
부연하면, 제 1 저압회로(131)는 제 1 저압 전압선(331)에 연결되고, 제 2 저압회로(132)는 제 2 저압 전압선(332)에 연결되고, 제 3 저압회로(133)는 제 3 저압 전압선(333)에 연결된다. 제 1 저압 회로(131) 내지 제 3 저압회로(133)는 공통적으로 접지측 전선(320)에 연결된다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 삼상 다회로 변압기(400)의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 삼상 다회로 변압기(400)는 결선의 복잡함으로 인하여, 단상 변압기 3대를 조합하는 것이 아니라 3상용 변압기 1대로 설계한다.
이를 위해, 변압기(400)의 철심(410)은 Y-Y결선으로 구성하기 위해 5개의 다리(413)(5 legs)으로 구성하며 1개 다리에 저압과, 특고압 권선을 같이 결선한다. 다리(413)에 저압권선인 2차 권선(430)을 먼저 감고, 절연지(미도시)로 분리한뒤 특고압 권선인 1차 권선(420)을 감는다.
즉, 각 상을 변환하기 위해 3개의 단위 변압부(401,402,403)가 구성된다.
전압을 조정하는 방법은 단상 다회로 변압기와 마찬가지로 2차측(저압)의 권선비를 조정한다.
3상은 380Vㅁ38V 이므로 342 ~ 418V 범위에 들어오면 규정전압 범위에 들게 된다. 따라서 A 회로는 400V, B회로는 380V, C회로는 360V와 같은 방식으로 공급할 수 있다.
단상과 마찬가지로 A회로는 전압강하를 고려하여 변압기와 멀리 연결된 수용가에, B회로는 변압기외 인접한 수용가 그리고 C회로는 분산전원에 연계하면 하나의 변압기의 다양한 수용가를 연계할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 삼상 다회로 변압기(400)의 외관 사시도이다. 도 2를 참조하면, 삼상 다회로 변압기(400)는 외관을 형성하는 외함(510)를 갖는다. 외함(510)의 재질로는 엔지니어링 플라스틱, 강철 등이 사용될 수 있다. 물론, 강철의 경우, 절연을 위해 외함(510) 내부면에 절연 처리가 된다.
외함(510)은 박스 형상으로 정면에 단자부(530)가 배치된다. 단자부(530)는 A상,B상,C상,N상에 연결되는 제 1 내지 제 3 단자 조립체(531 내지 533)로 구성된다.
물론, 외함(510)의 상부에는 특고압 케이블(520)이 연결된다. 특고압 케이블(520)은 1차 권선(520)의 입력 단자에 연결된다. 도 5의 경우, A상 케이블(521), B상 케이블(522), 및 C상 케이블(523)로 구성된다.
100: 단상 다회로 변압기
120,420: 1차 권선
130,430: 2차 권선
131,431: 제 1 저압 회로
132,432: 제 2 저압 회로
133,433: 제 3 저압 회로
400: 삼상 다회로 변압기

Claims (8)

  1. 중공이 형성되는 철심(110);
    상기 철심(110)의 제 1 변에 감기는 특고압을 입력받는 1차 권선(120); 및
    철심(110)의 상기 제 1 변에 맞은편으로 대응되는 제 2 변에 감기여 다중출력을 위한 다중회로(131,132,133)를 형성하는 2차 권선(130);을 포함하며,
    상기 다중 회로(131,132,133)는 단상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로(131), 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로(132) 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로(133)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단상 다회로변압기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전압(A) 내지 상기 제 3 저압(C)은 서로 다른 전압 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 단상 다회로변압기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 저압(A), 상기 제 2 저압(B), 상기 제 3 저압(C)의 크기는 상기 제 1 저압(A) > 상기 제 2 저압(B) > 상기 제 3 저압(C)인 것을 특징으로 하는 단상 다회로 변압기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 저압 회로(131)는 상기 2차 권선(130) 중 권선수가 가장 많은 회로이고, 상기 제 2 저압 회로(132)는 상기 2차 권선(130) 중 권선수가 중간인 회로이고, 상기 제 3 저압 회로(133)는 상기 2차 권선(130) 중 권선수가 가장 적은 회로인 것을 특징으로 하는 단상 다회로변압기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 저압 회로(131) 내지 제 3 저압회로(133)의 출력단은 각각 다른 저압 전압선(331,332,333)에 연결되는 것을 특징으로 하는 단상 다회로변압기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    외관을 형성하는 원통형의 외함(210);을 포함하며, 상기 외함(210)의 표면에는 상기 제 1 저압 회로(131)의 출력과 연결되는 상단 단자(201), 상기 제 2 저압 회로(132)의 출력과 연결되는 중간 단자(202) 및 상기 제 3 저압회로(133)의 출력과 연결되는 하부 단자(203)가 배치되는 것을 특징으로 하는 단상 다회로변압기.
  7. 일정 간격으로 형성되는 5개의 다리(413)를 갖는 사다리꼴 형상의 철심(410);
    각 상을 변환하기 위해 3개의 단위 변압부(401,402,403)를 생성하기 위해, 5개의 상기 다리(413) 중 최외각측 다리를 제외한 나머지 3개의 다리에 감겨 다중회로(431,432,433)를 형성하는 2차 권선(430); 및
    3개의 상기 다리에 감겨 특고압을 입력받는 1차 권선(420); 을 포함하며,
    상기 다중회로(431,432,433)는 단상 또는 삼상을 공급하도록 제 1 전압(A)을 출력하는 제 1 저압 회로(431), 제 2 전압(B)을 출력하는 제 2 저압 회로(432) 및 제 3 전압(C)을 출력하는 제 3 저압 회로(433)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼상 다회로 변압기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다리에 직접 감긴 2차 권선(430)상에 절연지와 상기 1차 권선(420)사이 절연지가 적층되는 것을 특징으로 하는 삼상 다회로 변압기.
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