변압기 누설전류 통합 감시 장치는 변압기 중성선에 흐르는 누설전류를 검출하여 실시간으로 모니터링이 가능한 장치로, 지정 값 이상의 누설전류가 검출되면 관리자에게 경보함으로써 전기적인 사고를 사전에 예방할 수 있다. 본 논문에서는 변압기 누설전류 통합 감시장치에 대해 설명하고, 국내 현재 설비상황 및 실제 사고 사례를 통해 변압기 누설전류 통합 강시장치의 필요성에 대해 설명하였다.
배전계통에서 전력수요의 증가와 분산전원의 증가로 대용량 변압기의 적용이 불가피하게 되었다. 하지만, 대용량 변압기로 교체할 경우 배전계통에 고장발생시 고장전류의 크기가 증가되어 기존에 설치된 차단기 및 보호기기의 차단용량 초과로 인해 교체에 따른 경제적 비용 상승이 우려된다. 따라서, 대용량 변압기의 교체시 고장전류 증가 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나로 초전도한류기를 설치하는 방안을 검토하고 있다. 초전도 한류기는 평상시에 초전도 상태인 영 저항이므로 전력손실이 발생하지 않으며, 고장 발생시 치로 인한 신속한 저항 발생으로 고장전류를 빠르게 감지 및 제한함으로써 기존에 설치된 차단기의 차단 용량이하로 감소시켜 줄뿐만 아니라 계통의 안정도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 초전도한류기는 도입위치에 따라 ��치 발생시 초전도한류기의 저항 크기가 다르게 되며, 고장전류 제한효과 및 보호협조를 고려한 적정의 한류기 저항 설정이 필요하다. 이에 대한 선행연구로서, 본 논문에서는 모의 배전계통에 초전도한류기를 적용하였을 경우 도입위치에 따라 전류제한, 모선 전압강하, 초전도한류기의 전력부담을 실험을 통하여 비교 분석하였다. 분석을 통해 초전도한류기를 피더에 설치하였을 경우 전류제한 효과, 모선 전압강하 보상효과는 가장 우수하였으나 가장 많은 전력부담을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
한전의 분산전원 연계규정에 따르면 수전고객은 변압기 결선이 ${\triangle}-Yg$ 주로 사용되나 분산전원 연계선로는 변압기 결선이 $Yg-{\triangle}$ 형태로 연계되어 있다. 전원계통 고장시 ${\triangle}-Yg$ 결선 방식은 역조류가 발생되지 않으나, $Yg-{\triangle}$ 결선방식은 중성선을 통해 최대 2000[A]까지 역으로 고장전류를 공급한다[1]. 이때 보호계전기 오동작뿐만 아니라 연계용변압기, 케이블 등 설비보호를 위해서는 고장전류의 크기를 반드시 제한해야 된다. 본 논문은 연계용변압기에 의해서 공급되는 중성선의 과전류 현상을 해석하고, 이론적으로 해석된 결과를 PSCAD/EMTDC로 검증하였으며 고장전류의 크기를 저감하기 위해 NGR 저항 값을 조절하면서 고장전류의 크기를 시뮬레이션 하였다. 분산전원 연계선로에서 영상분 고장전류의 크기를 저감하는 방법으로 연계용 변압기($Yg-{\triangle}$) 1차 측에 중성선에 NGR(Neutral Grounding Reactor; 중성점 접지리액터)을 설치해야 하며 영상임피던스를 조절하는 방법을 제시하였다.
본 논문에서 제안한 주상변압기 열화진단 장치는 활선 상태에서 변압기 외함온도, 2차전류 및 누설전류 등을 측정하고, 지정값 이상의 상태가 발생하면 변압기 관리자에게 유선 및 이동통신기를 통하여 자동통보함으로써 사고를 사전에 예방할 수 있다. 또한 무선데이터통신을 이용하여 수집된 정보를 분석하고 각 상별 전류분포, 이용률 및 온도변화 추이를 그래프로 나타냄으로서 각 상별 부하의 불평형 정도와 변압기의 열화 추이 상태를 파악할 수 있다. 실계통 실험을 통하여 제안한 주상 변압기 열화 진단 장치의 효용성을 입증하였다.
분산전원 연계기준에 따라 변압기 1차 중성점을 접지운전시 Y-Y-3Limb, $Y-{\Delta}$결선방식은 비대칭 계통전압에 의해 순환전류가 발생된다. 이러한 순환전류는 상별 전류에 영향을 주어 보호계전기 오동작 및 전력량계 오차를 발생시킨다. 따라서 순환전류로 인한 전력계산의 문제를 해결하기 위해 신동파워이론을 만들었다. 본 이론의 핵심은 비대칭 3상 전압과 변압기 결선 및 구조에 의해 발생되는 영상 임피던스(R+jX) 해석을 통해 중성선의 순환전류를 계산하였다. 따라서 정확한 전력계산을 위해 순환전류에 의해 발생되는 상별전류를 보정하는 새로운 이론을 소개 하고자 한다.
본 논문은 컨버터용 변압기의 여자전류 해석을 통해 DC 성분 유입시 자속밀도-여자전류 곡선 그래프를 도출하여 철심포화 여부를 확인하며, 철심 공극에 의해 발생되는 누설자속(Leakage Flux)으로 인한 철구조물(Lock Plate)의 와전류 손실을 계산하였다. 변압기 해석을 위해 상용 해석 소프트웨어인 Maxwell 3D를 이용하였고, 철심의 비선형성을 고려하여 해석하였다.
변압기의 %임피던스는 무부하손, 부하손, 효율, 전압변동율 등과 밀접한 관계가 있으며, %임피던스의 크기에 따라 변압기 2차에서 단락고장이 발생할 경우에 고장전류의 크기가 결정되어 변압기 보호장치 선정의 기준이 된다. 특히 전압변동율과 직접 관계가 있어 저압 배전선로의 규정전압을 유지하기 위해서 1992년부터 주상변압기의 용량별로 일정범위를 규정하여 운영하고 있다. 규정 전압의 관리측면에서는 %임피던스가 가급적 낮게 운영하여야 하나, 고장전류의 증가에 따른 변압기 단락강도의 개선이 수반되어 변압기 제조기술에 제약요인이 있다. 이에 따라 주상변압기의 %임피던스와 전압변동률을 중심으로 현재 운영하고 있는 각종 배전용 변압기의 특성값을 분석하고 이에 대한 개선방안을 모색하였다.
엑티브 클램프 포워드 컨버터는 고효율, 간단한 구조의 특징으로 PC 파워 시스템, 서버 파워 시스템과 같은 어플리케이션에 많이 사용 되고 있다. 특히 더블 앤디드 엑티브 클램프 포워드 컨버터는 작은 출력 필터와 고효율의 장점이 있으나, 변압기 오프셋 전류로 인해 변압기의 크기와 코어 손실이 증가하게 된다. 본 논문에서는 새로운 게이트 신호 조정을 통해 낮은 변압기 오프셋 전류를 갖는 새로운 더블 앤디드 엑티브 클램프 포워드 컨버터를 제안한다. 따라서 변압기의 크기와 코어 손실, 1차측과 출력 인덕터의 전력손실이 감소함으로써 높은 전력밀도와 고효율을 달성하게 된다.
본 논문에서는 동적전압보상기 (DVR)를 구성하기 위한 정합 변압기의 돌입전류 제어기법을 제안하였다. DVR 시스템은 배전계통에서 발생하는 순시적 전압강하를 보상하기 위한 직렬전압 주입장치로서, 임의의 전압을 생성하는 PWM 인버터와 전압 평활용 LC 수동필터 및 절연을 위한 정합 변압기 등으로 구성된다. 그러나 정합 변압기의 사용은 변압기내에서 자속 포화현상에 의하여 정격의 수배에 달하는 돌입전류가 발생하여 시스템의 절연파괴를 초래하고 이 때문에 변압기의 정격용량을 2 배 정도로 초과하여 사용하게 한다. 따라서 본 연구에서는 정합 변압기의 자속 포화현상에 따른 돌입전류의 크기를 분석할 수 있는 새로운 모델링 분석기법 및 돌입전류의 크기를 제한하는 자화전류 제어기법을 제안하였다. 모의실험 및 실험을 통하여 제안된 DVR 제어기법의 타당성을 입증하였다.
본 논문은 실제 배전계통에서 사용하는 다양한 형태의 변압기의 고장상태 결과를 제시하였다. 변압기는 Y결선과 ${\Delta}$결선을 이용하여 여러 가지 결선형태를 만들 수 있으며, 똑같은 조건의 고장이 발생하더라도 결선에 따라 고장상태 해석 또한 다르게 나타난다. 본 논문에서는 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 바탕으로 다양한 변압기들이 똑같은 조건에서 고장이 발생했을 때 나타나는 고장전류와 건전상의 전압, 전류 등을 구하여 비교, 분석해 보았다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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