KR102109414B1 - 활선상태에서 2차 전류 변동량으로 변류기 고장을 검출할 수 있는 수배전반 - Google Patents

활선상태에서 2차 전류 변동량으로 변류기 고장을 검출할 수 있는 수배전반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변류기, 변류기의 2차측 선로에 연결되어 있는 전력량계 또는 보호계전기, 변류기와 전력량계 또는 보호계전기 사이의 2차측 선로에 직렬 연결되며 2차측 선로에 시험부담을 투입하지 않은 상태와 시험부담을 투입한 상태에서 각각 측정된 2차 전류의 변동량으로 활선상태에서 변류기의 내부고장 여부를 검출하는 변류기 내부고장 검출장치를 포함하며, 변류기 내부고장 검출장치는 변류기의 2차측 선로에 시험부담을 투입하는 부담투입부, 변류기의 2차측 선로에서 시험부담이 투입되지 않은 상태 및 시험부담이 투입된 경우 각각 2차 전류를 측정하는 전류측정부, 전류측정부에서 검출된 신호를 처리하는 신호처리부, 부담투입부에 시험부담 투입신호를 인가 또는 해제하고, 신호처리부에서 처리된 신호를 수신하여 시험부담 투입 전과 후 2차 전류 변동량을 연산하여 변류기의 이상 유무를 판단하는 제어 및 연산부를 포함하여, 활선상태에서 변류기 2차측 선로에 시험부담을 투입하고, 그 투입 전후에 변동하는 2차 전류의 크기를 비교함으로써, 내부고장 발생 유무를 검출할 수 있는 수배전반을 제공한다.

Description

활선상태에서 2차 전류 변동량으로 변류기 고장을 검출할 수 있는 수배전반{Switchgear capable of detecting current transformer faults by variation in secondary current}
본 발명은 활선상태에서 2차 전류 변동량을 측정하여 변류기 내부의 고장을 검출할 수 있는 기능을 구비하고 있는 수배전반에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활선상태에서 고압선로의 1차 전류를 측정하지 않고, 2차측 선로에 시험부담이 인가되지 않는 일반적인 사용 상태와 시험부담을 투입(인가)한 상태에서 각각 측정된 2차 전류의 변동량으로 변류기 또는 변압변류기(MOF, Metering Out Fit)의 내부고장을 검출할 수 있는 기능을 구비하고 있는 수배전반에 관한 것이다.
수배전반은 일정 용량 이상의 시설물에 설치되며, 전력을 안정적으로 수전하여 사용부하로 공급하기 위한 변압기, 전기요금 과금을 위한 변류기 또는 변압변류기, 계기 및 보호 계전기 등의 전력기기, 전력량계 등의 전기요금 계량설비가 배열되어 있는 전력설비이다.
수배전반에 설치된 기기 중에서 변류기(변압변류기를 포함한다)는 수배전반내 전류량을 계측하는 계기로, 일반적으로 보호 계전기 및/또는 전력량계와 조합하여 과전류 등의 사고전류로부터 설비를 보호하거나, 전기요금 과금을 위해 전력사용량을 계량하는데 사용된다.
안정적인 전력공급 및 올바른 전기요금 산정을 위해서 변류기는 상시 정상적인 동작을 보장하도록 관리되어야 하는데, 오랜 시간 사용하는 경우 사용 중 발생하는 이상전압, 과전류 등 외부 스트레스의 유입으로 지락고장 등의 내부고장이 발생하여 계량오차 불량 등 비정상적인 상태로 운전될 수 있다.
이런 변류기 고장은 비정상적인 전류계측으로 인한 보호설비 오작동으로 전기재해를 유발할 수 있고, 정확한 전기요금 과금을 어렵게 하는 문제를 유발하는데, 변류기 고장은 일반적으로 외관상 별다른 이상 징후를 보이지 않아 문제가 있는지 파악하는 것조차 상당히 어렵다.
따라서 변류기가 정상적으로 작동하고 있는지를 주기적으로 검사할 필요가 있는데, 이런 검사 방법으로는 크게 2가지가 있다. 하나는 사선(死線) 상태에서, 다른 하나는 활선(活線) 상태에서 하는 방법이다.
사선상태에서의 변류기 시험은 통상 사용되는 방법이다. 이는 시험을 행하는 일정 시간 동안 반드시 정전이 수반되어야 하며, 이로 인하여 수용가가 전기를 사용하지 못하는 상당히 큰 단점이 있다.
이런 문제점을 해결하고자 활선상태에서 시험하는 방법이 있는데, 이는 활선상태에서 1차측과 2차측 전류를 측정하는 전류 오차 시험기를 이용하여 변류기를 시험하는 방법이다. 도 1에 종래기술로서 공개특허공보 제10-2006-0063829호의 도 4에 개시된 시험장치가 도시되어 있다.
상기 종래기술은 1차 고압측의 전류를 측정하도록 훅(15)이 형성되어 있는 훅미터(12)를 포함하는 1차 검지부(10), 2차 저압측의 전류를 측정하도록 훅(23)이 형성되어 있는 훅미터(21)를 포함하는 2차 검지부(20) 및 상기 1, 2차 검지부(10, 20)에서 측정된 데이터를 입력 받은 후 비오차 등의 연산 처리를 행하여 변류기의 이상 유무를 판단하는 본체(30, 측정장비)를 포함하고 있다.
(선행기술 001) 공개특허공보 제10-2006-0063829호
그런데 이런 활선상태 시험방법은 특고압(7000V 이상) 또는 고압선로(600V 이상)에서 1차 전류 측정시 인명 피해를 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 이를 방지하기 위하여 1차 전류 측정 부분에 특별한 장치를 부가하여야 하는 문제점이 있었고, 또한 1차측 전류가 낮게 흐르거나 부하 사용량이 변동하는 경우 변류기에 분명히 이상이 있음에도 불구하고 정상적으로 작동하는 것으로 잘못 판단하는 문제점이 있었다. 그 이외에 위 종래기술의 변류기 검사방법은 상당한 전문장비를 필요로 하고, 더구나 간헐적이고 일시적인 시험으로 인하여 고장 검출 및 그에 대한 대처가 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 활선상태에서 수배전반 내 특고압, 고압 등의 1차측 선로에 대한 전류측정 없이 3 내지 5V 정도의 미소전압이 걸리는 변류기 2차측 선로에 시험부담을 투입하고, 그 투입 전후에 변동하는 2차 전류의 크기를 비교함으로써, 변류기의 내부고장 발생 유무를 검출할 수 있는 수배전반을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하고자 본 발명은, 변류기, 변류기의 2차측 선로에 연결되어 있는 전력량계 또는 보호계전기, 상기 변류기와 상기 전력량계 또는 보호계전기 사이의 2차측 선로에 직렬 연결되며, 상기 2차측 선로에 시험부담을 투입하지 않은 상태로서 일반적으로 작동하고 있는 상태와 시험부담을 투입한 상태에서 각각 측정된 2차 전류의 변동량으로 활선상태에서 변류기의 내부고장 여부를 검출하는 변류기 내부고장 검출장치를 포함하는 수배전반을 제공한다.
상기 변류기 내부고장 검출장치는 변류기 2차측 선로에 시험부담을 투입하는 부담투입부, 변류기 2차측 선로에서 시험부담이 투입되기 전 일반 사용 상태의 2차 전류 및 시험부담이 투입된 경우 2차 전류를 측정하는 전류측정부, 상기 전류측정부에서 검출된 신호를 처리하는 신호처리부, 상기 부담투입부에 부담투입 신호를 인가하고, 신호처리부에서 처리된 신호를 수신하여 일반 사용 상태와 부담투입 후의 전류크기 변동량을 연산하여 변류기의 이상 유무를 판단하는 제어 및 연산부를 포함한다.
아울러 상기 제어 및 연산부는 상기 부담투입부에 투입신호를 인가 또는 해제하는 투입제어부, 상기 부담투입 전과 후의 전류크기 변화량을 계산하는 연산부, 상기 연산부에서 계산된 전류 변동값을 사용자가 미리 설정한 임계값과 비교하여 변류기 내부고장 유무를 판단하는 판단부 및 외부기기와 통신으로 연결하는 통신부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제어 및 연산부로부터 신호를 인가받아 변류기의 고장 여부를 출력하는 디스플레이패널을 포함하여 고장시 바로 알릴 수 있도록 하는 것도 바람직하다.
본 발명의 변류기 내부고장 검출기능을 구비한 수배전반은, 기존 변류기 시험방법처럼 고압의 변류기 1차 선로에 대한 접촉 및 고가의 전류측정 장비 필요 없이, 활선상태에서 변류기 2차측 선로에서 시험부담 투입 및 2차 전류 변동량 측정을 통하여 변류기 내부고장을 상시 정확하고 간단하게 검출할 수 있다. 다만 본 발명의 효과는 이런 문언적 기재에만 한정되지 않고, 통상의 기술자가 본 발명을 통해 유추할 수 있는 것까지 모두 포함한다.
도 1은 종래 활선상태에서 변류기 시험기이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수배전반에 관한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기 내부고장 검출장치의 개략도이다.
도 4a, 4b는 일 실시예에 따른 각 정상 상태, 고장 상태 변류기의 등가회로 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부담투입부에 관한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 및 연산부에 관한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 이런 실시예들은 본 발명을 쉽게 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 이런 실시예들에 한정되지는 않는다.　본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위해 사용되었으며, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 구성 등이 존재한다는 것을, “연결”은 전기적으로 연결되는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수배전반의 개략도이고, 도 3은 변류기 내부고장 검출장치의 개략도이다. 우선 본 발명은 변류기 또는 변압변류기를 포함하는 수배전반인데, 변압변류기 역시 변류기를 포함하고 있으므로, 본 발명에서 사용되는 변류기(1)는 순수 변류기 그 자체 이외에 변압변류기를 포함하는 개념이다.
본 발명의 수배전반은 변류기(1), 상기 변류기의 2차측 선로에 연결되어 있는 전력량계 또는 보호계전기(2) 및 상기 변류기(1)와 상기 전력량계 또는 보호계전기(2) 사이 변류기(1)의 2차측 선로에 연결되어, 시험부담이 투입되기 전으로서 일반적인 사용 상태와 시험부담을 투입한 상태에서 각각 측정된 2차 전류의 변동량으로 변류기(1)의 내부고장 여부를 검출하는 변류기 내부고장 검출장치(3) 및 고장 여부 검출시 이를 알릴 수 있는 경보기(4)를 포함한다.
변류기 내부고장 검출장치(3)는 수배전반 내부의 변류기(1)와 보호 계전기 또는 전력량계(2) 사이에 설치되어 활선상태에서 변류기(1)의 내부고장 발생유무를 검출하는 것으로서, 변류기(1)의 2차측 선로에 직렬회로로 설치하고, 변류기(1) 2차측에 시험부담을 투입함에 따른 전류크기 변동량을 기준으로 내부고장 유무를 판단한다.
변류기 내부고장 검출장치(3)는 부담투입부(10), 전류측정부(20), 신호처리부(30), 제어 및 연산부(40), 디스플레이부(50)를 포함하는데, 시험부담 투입을 통한 변류기 내부고장 검출원리와 변류기 내부고장 검출장치(3)의 구성에 대하여 설명한다.
변류기 부담은 2차측 선로에 연결된 부하 임피던스를 말하는데, 통상적으로 정격 2차 전류의 제곱에 임피던스를 곱한 볼트암페어(VA=i2Z)로 표시한다. 정격부담의 의미는 규격에서 정한 정밀도 한도를 초과하지 않는 범위에서 연결이 가능한 최대부하 임피던스 값을 의미하며, 일반적으로 15, 25VA 등의 제품이 사용되고 있다.
예를 들어, 2차 정격전류가 5A이고, 정격부담이 25VA, 정밀도 1%의 변류기의 경우, 2차 단자에 1Ω(Z=VA/I2) 이내의 임피던스를 연결하는 경우 1%의 정밀도 기준을 만족하는 것으로 간주할 수 있다. 이러한 변류기 부담특성을 고려하여 변류기에 연결되는 전선, 계전기 및 전력량계는 일반적으로 1 내지 2VA 수준으로 정격부담보다 낮은 임피던스를 가지도록 설치한다.
도 4a는 정상 변류기와 부담에 대한 등가 회로도이고, 도 4b는 내부고장 변류기와 부담에 대한 등가 회로도이다. 이를 이용하여 시험부담 투입을 통한 변류기 이상상태 검출원리에 대하여 설명한다.
도 4a, 4b에서 i1은 1차 전류, i2는 2차 전류, im은 여자 전류, if는 고장 전류, Zm은 자화 임피던스, Zf 고장 임피던스, Zi 시험부담 임피던스, Zb은 사용부담 임피던스이다.
변류기 2차 전류(i2)는 임피던스 비율에 따라 그 크기가 결정되는데, 변류기 사용부담 임피던스(Zb)가 정격부담 이내를 만족하면 사용부담 임피던스(Zb) 대비 자화 임피턴스(Zm)와 고장 임피던스(Zf)의 상대적 크기는, 자화 임피던스(Zm)는 매우 크지만 고장 임피던스(Zf)는 유사하거나 작게 된다.
이런 점을, 도 4a를 이용하여 정상 변류기에서 시험부담 투입에 따른 2차 전류 변화 양상으로 설명하면, 시험부담 임피던스(Zi)를 투입하여 변류기의 총 부담을 증가시키더라도 총 부담 임피던스(Zi+Zb)가 정격부담 이내이면, 자화 임피던스(Zm)는 총 부담 임피던스보다 매우 크기 때문에(Zm>>Zi+Zb) 시험부담 투입 전후 임피던스 비율의 차이는 미소하며, 아래와 같은 식을 만족하게 된다.
Figure 112020017332473-pat00001
따라서 시험부담 투입에 따른 임피던스 비율 변화는 매우 작아 2차 전류(i2) 변동폭은 매우 작으며, 그 변화폭은 규격에 명시된 변류기 정밀도 한도 수준으로 제한된다. 예를 들어, 전력수급용 변류기의 정밀도 한도는 ±0.5%로, 부담 임피던스가 정격부담 범위에서 변동한다면 정상적인 변류기의 2차 전류는 정격전류 5A의 1%(0.05A) 수준에서 변동하게 되는 것이다.
그러나 변류기 내부에 권선지락 등의 내부고장이 발생하면 고장 임피던스(Zf)가 생기고, 고장 임피던스(Zf)는 그 고장 정도에 따라, 사용부담 임피던스(Zb) 대비하여 유사하거나 작은 값을 가진다. 따라서 내부고장이 발생한 변류기의 경우 정상 변류기와 비교하여 시험부담 임피던스(Zi)의 투입 유무에 따라 고장 전류(if)와 2차 전류(i2) 변화가 상당히 민감하게 나타난다.
이런 점을 도 4b를 이용하여 설명한다. 1차 전류(i1), 고장 임피던스(Zf) 및 사용부담 임피던스(Zb)가 일정한 상태에서, 시험부담 임피던스(Zi)가 투입됨에 따라 고장 임피던스(Zf)와 총 부담 임피던스(Zi+Zb)의 비율이 크게 변동하게 된다. 그리고 시험부담 임피던스(Zi)를 투입하는 경우, 그 투입 이전과 비교하여 상대적으로 고장 전류(if)가 증가함에 따라 2차 전류(i2)가 감소하는 양상을 보인다.
Figure 112020017332473-pat00002
즉 고장 변류기는 정상 변류기와 비교하여 시험부담이 투입됨에 따라 2차 전류가 상대적으로 크게 변동하는 특성을 보이며, 이와 같이 변류기 2차측에 정격부담 임피던스를 초과하지 않는 수준에서 시험부담 임피던스(Zi)를 투입하여 변류기의 정상적인 운전에 영향을 주지 않으면서 변류기 내부고장을 검출하는 것이 가능하게 되는 것이다.
이를 기반으로 위에서 언급한 변류기 내부고장 검출장치(3)에 대하여 설명하면, 부담투입부(10)는 수배전반 내 변류기(1)와 보호 계전기 또는 전력량계(2) 사이 2차 선로에 직렬회로로 설치되어 변류기(1) 2차측에 시험부담 임피던스(Zi)를 투입하는 기능을 수행한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 변류기(1) 2차측에 시험부담 임피던스(Zi)를 추가하기 위한 시험부담 모듈(10A)과 제어 및 연산부(40)의 신호를 받아 상기 시험부담 모듈(10A)의 투입(인가) 여부를 제어하는 제어스위치(10B)를 포함할 수 있다.
상기 부담투입부(10)는 통상 작동 시에는 변류기(1) 2차측 선로를 시험부담 모듈(10A) 연결 없이 단락시키고 있다가, 시험부담을 인가하려는 경우 제어 및 연산부(40)의 신호에 따라 시험부담 모듈(10A)를 연결시켜 변류기(1) 2차측에 부담을 인가하는 기능을 수행한다. 아울러 시험부담 모듈(10A)의 크기는 투입되었을 때, 변류기 2차측 선로, 계전기 또는 전력량계(2)의 임피던스를 고려하여 정격부담을 초과하지 않는 크기 이내이어야 한다.
전류측정부(20)는 시험부담 투입에 따라 변동하는 변류기 2차 전류의 크기를 측정하기 위한 것으로 시험부담 투입 전의 일반 사용 상태와 시험부담 투입 후의 전류를 각각 측정한다. 신호처리부(30)는 상기 전류측정부(20)에서 전송되는 아날로그 전류신호를 디지털 신호로 변환하여 제어 및 연산부(40)에 제공한다. 신호처리부(30)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하면서 신호에 포함된 잡음을 제거하고, 필요한 대역대의 신호를 추출하기 위하여도 사용된다.
제어 및 연산부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 부담투입부(10)에 부담투입을 인가 또는 해제하도록 제어하는 투입제어부(41), 신호처리부(30)에서 전달되는 신호로부터 부담투입 전과 후의 2차 전류 변동량을 계산하는 연산부(42), 2차 전류 크기 변동량을 기준으로 변류기 내부고장을 판단하는 판단부(43), 수배전반의 경보기(4)를 구동하기 위한 경보기 제어부(44) 및 변류기 내부고장 검출장치(3)를 외부기기와 연결하기 위한 통신부(44)를 포함한다. 통신부(44)는 사용자 또는 관리자가 변류기 내부고장 검출장치(3)를 원격지 또는 근거리에서 실시간으로 모니터링하거나 설정내용을 변경하기 위한 것으로, RS-485, 와이파이, 블루투스 등의 유무선통신장치 중에서 적절히 선택된다.
판단부(43)는 연산부(42)로부터 전달받은 내용를 이용하여 다음 수식과 같이 시험부담 투입 전과 후의 2차 전류 크기 변동량을 계산한다. 수식에서 I2는 시험부담 투입 전 전류크기(실효치), I2' 시험부담 투입 후 전류크기(실효치) 이다.
Figure 112020017332473-pat00003
그리고 이를 미리 설정된 임계값과 비교하여 변류기 내부고장 유무를 판단하고, 고장검출시 경보기 제어부(44)를 통하여 경보기(4)로 제어신호를 제공한다. 변류기 내부고장 검출시험은 사용자의 시험버튼 조작을 통하여 수동적으로 진행되거나, 정해진 주기에 따라 자동적으로 진행되며, 수배전반의 정상적인 작동에 영향을 미치지 않으며, 상시적으로 검사를 수행할 수 있다.
이렇게 주기적으로 검출되는 검출정보는 제어 및 연산부(40)에 마련된 저장장치 혹은 메모리에 소정 시간 단위로 저장된다. 디스플레이부(50)는 제어 및 연산부(40)로부터 신호를 받아 주기적으로 검출되는 변류기 내부고장 발생 유무를 출력한다. 수배전반의 투시창에 설치되고, 사용자가 도어를 개방하지 않아도 외부에서 확인 가능하거나 또은 기존에 설치된 수배전반 디스플레이와 연동하도록 구성될 수 있다.
위에서는 변류기 내부고장 검출장치(3)는 수배전반내 변류기(1)와 보호계전기 또는 전력량계(2) 사이의 선로에 설치되는 것으로만 설명되었는데, 변류기 내부고장 검출장치(3)를 변류기(1)와 변류기의 단자대 사이, 변류기와 TTB(Test Terminal Bed) 단자대 사이에 설치하는 것도 가능하며, 아울러 보호계전기, 전력량계(2), 단자대 등에 내장하는 것도 가능하다.
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.
1 : 변류기(변압변류기) 2 : 보호계전기(전력량계)
3 : 변류기 내부고장 검출장치 4 : 경보기
10 : 부담투입부 10A : 시험부담 모듈 10B : 제어스위치
20 : 전류측정부 30 : 신호처리부 40 : 제어 및 연산부
41 : 부담제어부 42 : 연산부 43 : 판단부
44 : 경보기 제어부 45 : 통신부 50 : 디스플레이부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 변류기(1);
    상기 변류기(1)의 2차측 선로에 연결되어 있는 전력량계 또는 보호계전기(2);
    상기 변류기(1)와 상기 전력량계 또는 보호계전기(2) 사이의 상기 2차측 선로에 직렬 연결되며, 상기 2차측 선로에 시험부담을 투입하지 않은 상태와 시험부담을 투입한 상태에서 각각 측정된 2차 전류의 변동량으로 활선상태에서 변류기(1) 내부고장 여부를 검출하는 변류기 내부고장 검출장치(3)를 포함하며,
    상기 변류기 내부고장 검출장치(3)는,
    상기 변류기(1)의 2차측 선로에 정격부담을 초과하지 않는 시험부담을 투입하는 부담투입부(10);
    상기 변류기(1)의 2차측 선로에서 시험부담이 투입되지 않은 상태 및 시험부담이 투입된 상태 각각 2차 전류를 측정하는 전류측정부(20);
    상기 전류측정부(20)에서 검출된 신호를 처리하는 신호처리부(30);
    상기 부담투입부(10)에 시험부담 투입신호를 인가 또는 해제하고, 신호처리부(30)에서 처리된 신호를 수신하여 시험부담 투입 전과 후 2차 전류 변동량을 연산하여 변류기의 이상 유무를 판단하는 제어 및 연산부(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수배전반
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어 및 연산부(40)로부터 신호를 받아 변류기의 고장 여부를 출력하는 디스플레이패널(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수배전반
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