KR100364866B1 - 콘덴서 뱅크 열화 진단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력계통에서 전압변동을 최소화하여 양질의 전력을 공급하기 위한 전압조정장치의 일종으로, 전력계통의 특성상 다양한 주파수와 써지의 영향을 받아 서서히 열화되어 사고까지 이르는 현상을 미리 사전에 감지하여 운전자에게 열화정도에 관한 정보를 제공함과 동시에 운전상태에 관한 정보를 제공하고자 하는 콘덴서 뱅크 열화진단 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 인가받아 이를 측정하고, 측정된 데이터로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 확인할 수 있도록 하는 콘덴서 뱅크 열화 진단장치에 있어서, 상기 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 변성기와 변류기에 통과되어 처리된 전압, 전류의 정보를 인가받아 잡음과 직류성분을 여과하는 필터회로를 거치며 위상이 변화된 신호를 원 위상의 것으로 보정하는 오프셋(off-set) 보정회로 및 위상정보회로와; 상기 원 위상의 것으로 보정된 전압, 전류 정보의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와; 상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보를 입력받아 콘덴서와 리액터 권선에 방전이 일어나는 현상을 미분기를 통해 순간적으로 포착하는 방전검출회로와; 상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보를 입력받아, 입력받은 정보의 전압, 전류를 기준전압, 전류와 비교하여 이를 펄스 형태의 신호로 발생시켜 써지 침입정보를 취득하는 써지침입 검출회로와; 상기 A/D 변환기, 방전검출회로, 써지침입 검출회로의 각 신호를 입력받아 콘덴서와 리액터의 임피던스 실제 계산값을 위상검출회로에서 발생시킨 전압에 대한 전류의 정보를 근거로 산출하고, 침입된 과전압과 써지의 정보를 시간정보와 더불어 메모리에 저장하여 정격값과 대비한 후 이를 근거로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 판단하는 DSP(digital signal processor; 디지털 시그날 프로세서)를 갖추어서 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 열화 진단장치를 제공한다.

Description

콘덴서 뱅크 열화 진단장치 { A Diagnostic System for Condenser Bank in Electric Power System }

본 발명은 전력계통에서 전압변동을 최소화하여 양질의 전력을 공급하기 위한 전압조정장치의 일종인 콘덴서 뱅크를 열화진단하는 장치에 관한 것으로, 전력계통의 특성상 다양한 주파수와 써지의 영향을 받아 서서히 열화되어 사고까지 이르는 현상을 미리 사전에 감지하여 운전자에게 열화정도에 관한 정보를 제공함과 동시에 운전상태에 관한 정보를 제공하고자하는 장치이다.

일반적으로 콘덴서뱅크(도 1 참조)를 구성하고 있는 소자는 콘덴서(31, 32, 33)와 이와 직렬로 리액터(24, 25, 26)가 연결되고이상전압의 감소와 충전전압의 위험성을 최소화하기 위한 저항(41)으로 구성된다.

전기회로의 성질상 콘덴서와 리액터가 직렬로 연결된 회로에서는 반드시 내부적으로 공진현상이 존재하고 이러한 공진현상이 일어나는 주파수를 공진 주파수라고 한다. 이렇게 내부에 존재하는 공진 주파수와 외부에서 가해지는 주파수가 같게될 때 커다란 에너지의 흐름이 존재함으로서 콘덴서뱅크(도 1)가 파괴되는 우려가 있어 설계시 전력계통에서 존재할 수있는 3고조파( 180Hz ), 혹은 5고조파( 300Hz )를 피해 내부 공진 주파수를 설계하는 것이 보통이다.

콘덴서 뱅크(도 1)의 용량은 정격전압에서 작용하는 콘덴서 용량에서 리액터 용량을 뺀 수치를 의미한다. 이 때 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26)는 정격전압, 정격전류, 정격용량으로 규격이 정해진다. 또한 이 때의 정격은 정상상태, 정상상태 해석으로 정해진다.그러나, 실제 동작상황에서는 내부 공진 주파수와 차단기(17, 18, 19)의 차단동작과 투입동작에 의해 순간적으로 정격전압, 정격전류보다 더 높은 전압, 전류가 흐르는 것이 실제 동작현상이다. 이러한 순간적인 과전류, 과전압은 콘덴서 뱅크를 이루고 있는 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26)를 열화시키는 원인으로 작용하고 있다.

일반적으로 콘덴서뱅크(도 1)를 운전하는데 운전자에게 전달되는 정보는 변류기(21, 22, 23)에 의한 전류 정보와 변성기(14, 15, 16)에 의한 전압정보가 눈금이나 숫자로 제공되는 것이 전부이기 때문에 순간적으로 과전압 및 과전류가 흐르는정보를 운전자에게 제공되지 않고 있다. 또한 운전중에 콘덴서뱅크(도 1)가 작용하는 용량등의 정보는 운전자에게 제공되지 않는다.따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 개선하여 운전중에 순간적으로 일어나는 현상을 순간적으로 포착하여 열화의 원인 및 빈도를 측정하고, 정상상태의 운전시 콘덴서 뱅크의 용량계산, 3상 불평형 계산등의 정보를 운전자에게 제공함으로서 운전의 효율성에 기여하고 열화정도를 알림으로서 고장의 파급을 최소화하도록 열화 진단장치를 제공한다.

도 1 은 종래의 콘덴서 뱅크의 운전상태의 전기적 개략도

도 2 는 본 발명의 방법에 따른 콘덴서 뱅크 진단장치의 블록도

도 3 은 본 발명에서 위상을 설명하기 위한 전압전류 파형 개략도

도 4 는 부분방전이 일어날 때 이를 검출하기 파형 개념도

도 5 는 변성기로부터의 전압을 A/D 변환하기 전의 처리과정을 설명하기 위한 회로의 개념도

도 6 은 변류기로부터 얻는 정보인 전류를 A/D 변환하기 전의 처리과정을 설명하기 위한 회로의 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11, 12, 13: 모선 A, B, C상17, 18, 19: 차단기14, 15, 16: 변성기21, 22, 23: 변류기24, 25, 26: 직렬리액터31, 32, 33: 위상보정용 콘덴서41: 보호저항51: 전류정보 회로52: 전압정보 회로53: 방전검출회로54: offset 보정회로 및 위상보정회로55: A/D 변환기56: 불평형 전류 검출용 변류기57: 써지 침입 검출회로60: DSP(digital signal processor; 디지털 시그날 프로세서)61: 경련열화 판정알고리즘62: 써지 침입 카운터63: 위상 검출회로64: 용량계산알고리즘65: 소자값 변화량 계산66: 알람회로67: 저장회로68: 통신회로

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다음과 같은 특징의 구성을 갖는다.

본 발명은 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 인가받아 이를 측정하고, 측정된 데이터로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 확인할 수 있도록 하는 콘덴서 뱅크 열화 진단장치에 있어서,

상기 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 변성기와 변류기에 통과되어 처리된 전압, 전류의 정보를 인가받아 잡음과 직류성분을 여과하는 필터회로를 거치며 위상이 변화된 신호를 원 위상의 것으로 보정하는 오프셋(off-set) 보정회로 및 위상정보회로와; 상기 원 위상의 것으로 보정된 전압, 전류 정보의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와; 상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보를 입력받아 콘덴서와 리액터 권선에 방전이 일어나는 현상을 미분기를 통해 순간적으로 포착하는 방전검출회로와; 상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보를 입력받아, 입력받은 정보의 전압, 전류를 기준전압, 전류와 비교하여 이를 펄스 형태의 신호로 발생시켜 써지 침입정보를 취득하는 써지침입 검출회로와; 상기 A/D 변환기, 방전검출회로, 써지침입 검출회로의 각 신호를 입력받아 콘덴서와 리액터의 임피던스 실제 계산값을 위상검출회로에서 발생시킨 전압에 대한 전류의 정보를 근거로 산출하고, 침입된 과전압과 써지의 정보를 시간정보와 더불어 메모리에 저장하여 정격값과 대비한 후 이를 근거로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 판단하는 DSP(digital signal processor; 디지털 시그날 프로세서)를 갖추어서 된 것을 특징으로 한다.

상기 특징의 구성을 갖는 본 발명의 부분방전 검출 및 경년열화 판정 그리고 운전상태 정보처리는 다음 각 단계별로 수행된다.

본 발명은, 우선 변류기와 변성기의 정보를 처리하는 단계와, 변류기와 변성기의 전압 및 전류 정보를 하드웨어로 처리하여 필요한 부분방전정보와 과전압 빈도의 정보를 처리하는 단계와, 변류기와 변성기의 전압 및 전류인 아날로그 정보를 DSP(Digital Signal Processor;디지털 시그날 프로세서)의 디지털시스템이 받아 들일 수 있도록 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 장치인 A/D 변환기를 통하는 단계와, 변류기와 변성기의 전압 및 전류인 아날로그 정보를 A/D 변환기를 통과한 디지털 신호를 처리하여 콘덴서 뱅크를 구성하고 있는 전기소자인 콘덴서와 리액터의 경년열화 판정, 전압을 기준으로 한 전류의 위상 검출, 콘덴서의 작용용량, 리액터의 작용용량 계산, 필요한 정보의 저장기능을 수행하는 단계, 위의 단계에서 수행한 정보를 종합 판단하여 콘덴서 뱅크 운전자에게 운전정보와 이상정보를 제공하는 단계를 수행하게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 콘덴서 뱅크 진단장치를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 콘덴서 뱅크의 일례를 도시한 도면으로 제작사와 설계자에 따라 다소 상이한 결선상태를 취할 수는 있지만 전제적인 기능은 콘덴서가 무효전력을 공급하는 관점에서 보면 서로 다른 점은 없다.

도 2 는 본 발명에 따른 콘덴서 뱅크를 효율적으로 운전하고 열화원인인 이상전압 및 과전압, 과전류를 측정하고 이 측정한 정보를 가공하는 순서 및 항목을 설명하기 위한 도면이고, 도 3 은 본 발명 장치의 설명을 용이하기 위한 전압 및 전류의 파형을 예시한 도면이며, 도 4 는 본 발명의 방전검출부분(53)의 설명을 부분 방전시의 전압 및 전류의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 1 과 도 2 를 참조하면, 본 발명에서 사용하는 전류정보(51) 및 전압정보(52)는 기존의 콘덴서 뱅크에 부착된 변성기(PT, Potential Transformer,14, 15, 16)와 변류기(CT, Current Transformer, 21, 22, 23)를 이용하는 것으로 전압정보인 경우에는 전압이므로 이를100:1 정도의 분압을 통한 전압을 연산증폭기를 통해 받아들이는 구조를 갖도록 설계한다.(도 5 참조) 전류정보는 현재 사용중인 변류기(21, 22, 23)에 별도의 100:1 정도의 변류비를 갖는 변류기를 별도로 설치한 후 전류정보로 활용하는 구조를 갖고 있다.(도 6 참조)

전류정보(51)와 전압정보(52)를 통과한 전압과 전류는 오프셋(off-set) 보정회로 및 위상보정회로(54)를 거친다. 일반적인 변성기와 변류기의 특성상 상당한 잡음과 직류성분이 함유되어 있는 경우가 많으므로 이를 오프셋 회로를 통과시키고 필터회로를 통과시킨다. 이렇게 여러 단계의 여과과정을 거치면 위상이 변하게 되는 것이 신호의 특성이므로 이를 위상보정회로를거쳐 위상보정을 시킴으로서 변류기에서 얻은 원래의 위상을 갖게 함으로서 정확한 전압 및 전류정보가 DSP 프로세서(이하, DSP라 약칭함)에 전달되도록 한다.

도 2 에서 방전검출회로(53)는 콘덴서 뱅크가 외부의 써지나 과전압에 의해 구성요소인 콘덴서와 리액터 권선에 방전이일어나는 현상 즉, 국부적으로 절연이 파괴되는 현상을 포착하기 위한 회로이고, 도 4 는 이를 그림으로 설명하고 있다. 부분적인 방전현상이 일어나면 전류는 순간적으로 증가하고 전압은 순간적으로 감소한다. 이를 포착하는 방법으로 전압정보(52) 전류정보(51)로 부터의 신호에 미분기를 삽입하면 이 미분기의 동작이 전류정보를 미분하면 증가하는 방향으로,전류정보를 미분하면 감소하는 방향으로 작용하므로 이와 동시에 일어나는 점을 착안하여 부분방전이 일어나는 현상을 포착하는 회로이다. 이렇게 포착된 신호는 인터럽트 단자를 통해 DSP 칩에 전달된다.

오프셋 보정회로와 위상보정회로를 거친 전압과 전류의 신호는 16bit의 분해능으로 작용하는 A/D 변환기(55)를 거쳐 계산이 용이한 디지털 숫자로 환산된다.

불평형전류 검출용 변류기(56)는 보호저항(41)의 전단에 취부한다. 이 보호저항(41)에는 정상상태에서는 3상(A, B, C)이평형상태에서는 벡터(Vector)적으로 3상 전압의 합이 영(zero)이므로 동작하지 않지만 3상 전압이 불평형이 되는 경우와 써지(surge)등이 외부에서 침입하는 경우에는 전류가 흐르므로 이를 변류기를 통해 취득함으서 콘덴서뱅크(도 1)가 정상적으로 동작하고 있는가를 판별할 수 있는 중요한 정보를 제공하게 된다.

한편, 외부에서 써지등의 이상전압 혹은 과전압이 침입되었는지를 판단하기 위한 장치가 써지 침입 검출회로(57)이다. 이회로는 정상상태에서는 동작하지 않도록 기준전압과 기준전류를 설정하여 변류기로부터의 전류정보와 변성기로부터의 전압정보를 기준전압과 기준전류와 비교하여 이상전압과 과전압이 발생하였을 때, 펄스(pulse)형태의 신호를 발생하도록 설계되어있다. 발생된 펄스는 DSP(60)의 인터럽트(interrupt)단자를 통해 DSP(60)에 제공되어 발생빈도를 날짜 정보와 함께누적된다.

이하의 설명은 상기에서 설명한 전압, 전류, 불평형 전류를 DSP(60)에서 읽어들여 소프트웨어로 판단하는 단계로 경년열화 판단알고리즘(61)은 정상상태의 동작에서 전압정보와 전류정보로부터 임피던스(impedance)를 계산하여 콘덴서(31, 32,33)와 리액터(24, 25, 26)의 소자값을 계산한다. 이 계산값과 설계시의 정격값을 비교함으로서 정상상태이고 운전중에 소자의 경년열화를 판단할 수 있다. 이때 임피던스를 계산할 때 반드시 필요한 요소가 전압에 대한 전류의 위상이므로 소프트웨어적으로 동작하는 위상검출회로(63)가 반드시 필요하다.

이 위상검출회로(63)는 전압과 전류의 파형이 영점을 지나는 점을 계산함으로서 위상검출이 가능하게 된다. 이 회로에서전류는 기본파(60Hz)와 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26)가 원인이 되어 생기는 공진주파수 성분이 함께 포함되어 있으므로 두 가지 성분을 별도로 나누어 계산한다. 위상을 검출하기 위해서는 전류의 기본파 성분만을 검출하여 전압과 비교함으로서 위상을 정확하게 측정 가능하다는 점을 이용할 수 있다.

외부에서 써지가 침입하는 경우 대부분의 과전압 및 써지는 리액터(24, 25, 26)가 담당하게 되므로 써지가 침입한 회수및 강도를 감지할 필요성이 요구된다. 그러므로 DSP 외부에서 써지 검출회로(57)가 검출한 신호가 DSP의 인터럽트 단자를 통해 전달되면 이 정보와 시간정보를 함께 메모리(RAM)에 저장하여 누적횟수를 기록하는 방법을 선택한다.

콘덴서 뱅크가 정상상태에서 운전시 작용하는 콘덴서 용량을 계산하기 위해서 외부에서 전달된 전압, 전류정보를 받아 작용하는 콘덴서 용량을 소프트웨어로 구현하여 계산한다. 기본적으로 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26)의 설계값을 알 수 있으므로 전압과 전류정보를 이용하면 작용용량의 계산이 가능하다는점을 이용했다

외부의 써지나 과전압에 의해 소자값이 열화되어 변하므로 소자값을 계산하는 것은 콘덴서 뱅크가 열화되었는지를 판단하는 중요한 요소가 된다. 이를 계산하기 위한 방법으로는 전압정보와 전류정보로부터 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24,25, 26)가 공진하는 주파수를 계산할 수 있으므로 전류성분중 기본파를 제외한 파형을 분석함으로서 소자의 열화상태의 판정이 가능하다.

상기에서 계산한 써지 침입정보, 위상정보, 작용용량계산 정보, 소자값정보를 종합하여 변화율이 급격하게 되는 점에서 알람회로(66)를 구동한다. 이 알람회로는 두가지의 방법으로 이루어진다. 현장에서 부자를 구동시키는 방법과 통신회로(68)를 통해 원격으로 전달하는 방법을 선택했다.

상기에서 계산한 써지 침입정보, 위상정보, 작용용량계산 정보, 소자값정보를 저장하는 저장회로(67)는 우선 램(RAM)에일시적으로 순차적으로 시간정보와 함께 저항한 다음 필요에 따라 직렬통신시스템으로 원하는 사용자에게 공급한다.

통신회로(68)는 기본적으로 RS232C를 이용하는 것으로 하고 장거리 송신을 위한 직류전류 포트(port)를 겸비한 시스템으로 하고 경보를 위한 릴레이(relay)를 구동시켜 판단 유무만을 전달하는 기능도 함께 수행한다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 무효전력을 보상하는 장치인 콘덴서뱅크의 열화상태를 감지하고 운전정보를 제공함으로서, 다음과 같은 효과를갖는다.

첫째, 써지의 침입을 포착하여 열화원인이 되는 써지 및 과전압의 침입횟수에 관한 정보를 누적함으로서 콘덴서 뱅크의 열화진단에 도움이 된다.

둘째, 전압, 전류의 정보를 취득하여 공진 현상을 분석하여 소자의 설계값변화 및 소자의 동작특성을 분석하여 운전상태과 열화상태를 함께 진단한다.

셋째, 전압, 전류의 정보를 취득하여 정상상태의 콘덴서 뱅크의 안정적인 운전이 기여한다.

넷째, 전압, 전류, 및 보호저항에 흐르는 정보를 분석하여 고장원인 및 열화상태를 판정하여 운전자에게 제공함으로서 콘덴서뱅크의 고장 및 사고를 미연에 방지한다.

Claims (6)

1. 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 인가받아 이를 측정하고, 측정된 데이터로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 확인할 수 있도록 하는 콘덴서 뱅크 열화 진단장치에 있어서,

   상기 콘덴서 뱅크의 전압, 전류를 변성기(14, 15, 16)와 변류기(21, 22, 23)에 통과되어 처리된 전압, 전류의 정보(52, 51)를 인가받아 잡음과 직류성분을 여과하는 필터회로를 거치며 위상이 변화된 신호를 원 위상의 것으로 보정하는 오프셋(off-set) 보정회로 및 위상정보회로(54)와;

   상기 원 위상의 것으로 보정된 전압, 전류 정보(52, 51)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(55)와;

   상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보(52, 51)를 입력받아 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26) 권선에 방전이 일어나는 현상을 미분기를 통해 순간적으로 포착하는 방전검출회로(53)와;

   상기 변성기, 변류기의 전압, 전류의 정보(52, 51)를 입력받아, 입력받은 정보의 전압, 전류를 기준전압, 전류와 비교하여 이를 펄스 형태의 신호로 발생시켜 써지 침입정보를 취득하는 써지침입 검출회로(57)와;

   상기 A/D 변환기(55), 방전검출회로(53), 써지침입 검출회로(57)의 각 신호를 입력받아 콘덴서(31, 32, 33)와 리액터(24, 25, 26)의 임피던스 실제 계산값을 위상검출회로(63)에서 발생시킨 전압에 대한 전류의 정보를 근거로 산출하고, 침입된 과전압과 써지의 정보를 시간정보와 더불어 메모리에 저장하여 정격값과 대비한 후 이를 근거로 콘덴서 뱅크의 열화정도를 판단하는 DSP(digital signal processor; 디지털 시그날 프로세서)(60)를 갖추어서 된 것을 특징으로 하는 콘덴서 뱅크 열화 진단장치.
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