KR200318656Y1

KR200318656Y1 - 중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치

Info

Publication number: KR200318656Y1
Application number: KR20-2003-0004034U
Authority: KR
Inventors: 정재기
Original assignee: 한빛이디에스(주)
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2003-07-02

Abstract

본 고안은 역률을 보상하여 계통전압을 안정화시키는데 이용되고 있는 전력용 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화유무를 성형결선의 중성점(15)에 흐르는 중성점전류(20)만으로 콘덴서뱅크(도 1)의 열화를 진단하는 장치에 관한 것이다.

기존의 콘덴서 뱅크(도 1)의 제어와 보호는 각상의 전압을 변성기(8,9,10)에 의해서 얻고, 콘덴서(5,6,7)에 흐르는 각상의 전류는 변류기(4)에 의해 변환하여 계전기(14)에 의해 보호되는 것이 보통이다. 기존에 제작된 열화진단장치가 있으나 이 또한 각상의 전압과 전류를 이용하고 있어 구조가 복잡하고 고가이며 추가공사의 개념을 도입하게 된다.

본 고안에서는 중성점(15)에 흐르는 전류정보만으로 콘덴서 뱅크를 진단함으로서 구조가 간단하고 편리하게 취부할 수 있다는 장점을 갖는다. 중성점 전류(20)에는 상용 주파수인 60Hz의 3상 불평형 전류, 고조파 전류, 부분방전전류, 차단기 투입시간차, 과전류정보등의 정보가 포함되어 있어 이 정보만으로 충분히 콘덴서 뱅크(도 1)의 진단이 가능해 진다.

본 고안의 장치는 중성점 정보만으로 콘덴서 뱅크(도 1)를 진단함으로 구조가 간단하고, 가격이 저렴하게 설계, 제작할 수 있고, 접지(17)점에 취부 하므로 절연의 대책을 하지 않아도 되는 장점을 갖는다.

Description

중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치{ Power Condensor Diagnostic System Using Neutral Current}

본 고안은 전력계통에서 전압변동을 최소화하여 양질의 전력을 공급하기 위한 전압조정장치의 일종인 전력용 콘덴서 뱅크(도 1)에서 중성점 전류(20) 정보만을 취득하여 콘덴서 뱅크(도 1)를 진단하므로 전력사고를 미연에 방지하는데 그 목적이 있다.

기존의 콘덴서 뱅크(도 1)의 제어와 보호에서 콘덴서 뱅크(도 1)의 전류는 변류기(4)에 의해 전류정보가 계전기(14)로 전달되고, 콘덴서의 전압은 방전코일(8, 9, 10)이라고 명명된 변성기에 의해서 콘덴서(5,6,7) 전압의 차이만큼을 계전기(14)로 전달한다. 이렇게 전달된 전압정보와 전류정보에 의해 큰 고장과 완전한 고장이 발생했을 때, 계전기(14)가 동작하므로 차단기(3)를 동작시켜 콘덴서 뱅크(도 1)를 전력계통 모선(1)으로부터 분리하게 한다. 이러한 계전기(14)에 의한 콘덴서 뱅크(도 1)의 보호는 큰 고장을 찾아내는데 주목적이 있다. 또한, 전압, 전류에 이상이 생겨 계전기(14)가 동작하는 경우는 고장이 심각하거나 사고에 이른 경우에 해당한다. 이것은 사고의 예방이 아니라 사고의 파급을 막는 조치에 불과하다. 최근에 개발이 진행되고 있는 콘덴서 뱅크 진단장치는 위에서 언급한 계전기(14)에 의한 보호와 동일하게 3상의 전압과 3상전류를 변류기(4)를 통해 받아 진단을 수행한다. 이때 처리해야하는 요소가 전압 3가지, 전류 3가지로 6개의 처리요소가 있어 장치가 복잡하고 고가일 수밖에 없다. 또한 별도의 공사를 수반한다는 단점이 존재한다.

본 고안에서는 이러한 단점을 완전히 없애고 구조가 간단한 중성점 전류(20)만으로 콘덴서 뱅크를 진단하여 사고를 미연에 방지하고자 한다.

기존의 콘덴서 보호방식이나 진단방식과는 달리 본 고안의 콘덴서 뱅크 진단장치는 중성점 전류(20)만을 사용하여 콘덴서 뱅크(도 1)를 진단함으로서 구조가 간단하고 별도의 공사가 수반되는 일이 없다.

본 고안에 따른 콘덴서 뱅크(도 1)의 중성점 전류(20)에 포함된 정보는 다음과 같다.

첫째, 중성점(15)으로 흐르는 기본파(60Hz) 전류는 콘덴서 뱅크(도 1)의 3상이 평형인 상태에서 3상 벡터 합이 '0'(zero)이 된다. 하지만, 각상을 구성하고 있는 콘덴서(5,6,7)나 리액터(11,12,13)의 값이 어떠한 원인에 의해서 변화하면 3상전류의 평형상태는 유지되지 않으므로 중성점에 흐르는 60Hz의 전류는 증가하게 된다. 여기서 60Hz의 중성점 전류가 변화한다는 것은 콘덴서 뱅크(도 1)를 구성하고 있는 콘덴서(5,6,7) 값이나 리액터(11,12,13) 값이 변화한 것으로 판단가능하다. 이러한 중성점 전류(20) 중 60Hz전류 정보는 콘덴서 뱅크를 진단하는데 유용하게 사용될 수 있다.

둘째, 중성점(15)에 흐르는 3고조파 전류성분을 관측할 때, 콘덴서 뱅크(도 1)의 중성점(15)으로 흐르는 3고조파(180Hz) 전류는 3상평형에서 대수합의 성질을 가진다. 즉, 각각의 A,B,C상에서 중성점(15)으로 흐르는 3고조파 전류는 가산되는 성질이 있다는 것이다 수식으로 서술해 보면

여기서 다음 식을 이용한다

여기서 중요한 3고조파(180Hz) 전류 성질이 나타난다. 그것은 3상평형에서 각 상의 3고조파 전류는 동상이 된다는 점이다. 그러므로 3상평형에서 3고조파의 벡터 합은 대수합이 되어 평상시 한상의 3고조파 전류의 3배가 된다. 실제로 콘덴서 뱅크의 중성점 전류(도 8, 80)를 분석(도8, 81)하면 3고조파의 전류성분이 가장 크게 측정된다. 실측된 data와 비교하여 설명하면 실측된 data에서도 중성점의 전류는 기본파인 60Hz의 성분보다 180Hz인 3고조파 성분이 평상시의 운전 시에도 더 많이 관측되고 있다.

현재 정상적으로 운전되고 있는 콘덴서 뱅크의 공진주파수는 도 5에 도시된 바와 같이 fc(54)로 4고조파 부근이고 3고조파인 180Hz에서의 임피던스 크기는 z_fc(50)이다. 이 콘덴서 뱅크(도 1)에서 공진주파수를 결정하는 요소인 리액터(11,12,13)와 콘덴서(5,6,7)의 값이 변화하여 공진주파수가 fc2(56)으로 증가 변화하면 3고조파에 해당하는 180Hz에서의 임피던스 크기는 z_fc2(57)로 증가하므로 임피던스변화(52)가 z_fc2(57)-z_fc(50)만큼 증가하게 되므로 중성점에서 측정되는 3고조파 전류는 감소하게 된다. 반대로 공진주파수가 fc1(55)으로 감소하게 되면 3고조파에서의 임피던스는 z_fc1(51)이 되고 이때도 임피던스 변화(53)가 생기게 된다. 임피던스가 감소하므로 중성점 전류 중 3고조파(180Hz)전류는 초기 정상상태에 비해 증가하게 된다.

결국, 중성점 전류 중 3고조파 전류를 감시하는 것은 콘덴서 뱅크(도 1)의 공진주파수의 변화를 감시하는 것이 된다. 그러므로 콘덴서 뱅크(도 1)의 진단이 가능해 진다.

셋째, 중성점 전류에서 도 11에 도시된 바와 같은 방전 파형(111)이 검출된다. 콘덴서 뱅크는 초고압의 모선(1)에 연결되어 있는 관계로 절연의 중요성이 강조된다. 콘덴서 뱅크(도 1)를 이루고 있는 콘덴서(5,6,7), 리액터(11,12,13), 방전코일(8,9,10) 등은 경련열화와 서지 등의 투입으로 절연이 파괴될 수 있다. 절연이 불량하게 되면 방전현상(111)이 발생한다. 이러한 방전현상(111)의 특징은 상당히 높은 MHz 이상의 고주파 성분이 포함되어 있다는 것이다. 또 하나의 특징은 주기적인 현상이라는 것이다(도 11). 부분방전(111)이 발생하면서 발생하는 전류는 중성점 전류(20)에 나타난다. 결국 중성점 전류(20)의 고주파를 측정하고, 측정된 신호가 주기적인가를 판단하면 콘덴서 뱅크(도 1)의 부분방전현상(111)을 포착할 수 있고, 결국 절연파괴로 의해 사고로 이어지기 전에 사고를 방지할 수 있게 된다.

넷째, 차단기의 투입시간차와 투입시의 과전류를 측정할 수 있다.

차단기(3) 투입시와 차단시에도 전력용 콘덴서 뱅크(도 1) 진단정보를 중성점(15)에서 얻을 수 있다.

차단기 투입시 중성점(15)에 투입된 전류를 측정하므로 차단기 투입 전류시간차, 혹은 차단기 개리차를 측정할 수 있다. 여기서, 차단기 투입시 개리차는 중성점 투입전류 파형 시간차, 즉 도 9에 도시된 ts-CBon(92)와 te-CBon(93) 차의 1/2를 하여 구해질 수 있다.

차단기 투입시와 차단시에 중성점 최대 전류값, 즉, ip-CBon(91), ip-CBoff(103) 을 구하므로 투입시와 차단시의 중성점 저항기(16)의 절연 레벨의 변화 및 차단기 개리차의 변화에 대해 알 수 있다. 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이 차단기 투입시와 차단시의 중성점 최대 전류값(91,103)이 클수록 중성점 저항기(16)가 열화 되었거나, 차단기 개리차가 길어지게 되었다는 것으로 판단 할 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 중성점 전류 재단 현상(70) 발생시 중성점 저항기(16)내에서 아크방전 현상으로 인한 저항 값의 변화를 알 수 있고 이에 대한 대책을 세울 수 있다.

도 1은 전력용 콘덴서 뱅크 회로도

도 2는 본 고안으로 설계된 중성점 정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치적용도.

도 3은 중성점 정보에 의한 콘덴서 뱅크 진단 장치 입력부 개략도

도 4는 중성점 정보에 의한 콘덴서 뱅크 진단 장치 열화판정시스템 개략도

도 5는 콘덴서 뱅크에서 작용하는 공진주파수 변화에 따른 임피던스 변화곡선

도 6은 콘덴서 뱅크 이상유무 진단 방법 및 FFT 개념도

도 7은 중성점 전류 재단 현상 파형

도 8은 정상상태 전류 파형 및 주파수 분석

도 9는 차단기 투입시 중성점 전류 파형

도 10은 차단기 차단시 중성점 전류 파형

도 11은 정상상태 인가시 방전현상에 의한 콘덴서 뱅크 중성점 전류파형

도 12는 표시기능장치

[도면의 주요부분에 대한 부호 설명]

1. 모선

전력을 공급하는 전력선으로 3상 교류가 각각 3개의 선로를 통해 흐르고 있다. 각각을 A상, B상, C상이라 하는데 3상은 주파수가 동일하고 위상이 2π/3[rad]만큼씩 다른 3개의 파형이다.

2. 단로기(DS: Disconnecting Switch)

물리적인 개폐장치로 차단기(3)와 함께 사용

3. 차단기(Circuit Breaker)

전로에 고장이 없을 때 정상전류의 개폐는 물론, 단락 등의 고장으로 인해 비정상으로 큰 전류가 흐를 경우에도 개폐할 수 있는 장치

4. 변류기(CT: Current Transformer)

콘덴서 뱅크(도 1)에 흐르는 전압 전류의 정보를 받아서 계전기(14)로 제공하는 장치

5. 6. 7. 콘덴서(Power Condensor)

콘덴서 뱅크(도 1)의 가장 주된 역할로서 역률을 보상하고 계통전압을 안정화시키는 역할. 각각은 A상, B상, C상에 설치되어 있다.

8. 9. 10. 방전코일

차단시 콘덴서(5,6,7)에 충전된 전압을 방전시키는 역할을 수행하도록 설치, 그리고 그와 동시에 직렬, 병렬로 연결된 콘덴서(5,6,7)간의 전압차이를 계전기(14)로 제공한다. 각각은 A상, B상, C상에 설치되어 있다.

11. 12. 13. 리액터(Reactor)

콘덴서(5, 6, 7)가 고주파에 대해 취약한 점을 보완하고 3,5고조파를 거르는 필터의 역할을 수행하도록 하는 목적으로 설치되어 있다. A상, B상, C상에 각각 설치되어 있다.

14. 계전기

일반적으로 전기회로를 개폐하는 조작을 다른 전기회로의 전기적인 세력의 변화에 의하여 행하는 장치로 변류기(CT: Current Transformer)(4)와 방전코일(8,9,10)에서 제공되는 정보를 받아서 콘덴서 뱅크(도 1)의 개폐를 결정

15. 성형결선 중성점

3상의 하부로 내려오는 3상선을 물리적으로 연결한 부분

16. 콘덴서 뱅크 중성점 저항기

3상의 중성점과 접지사이에 설치된 저항기

17. 접지

20. 3상 불평형 중성점 전류

21. 변류기(CT: Current Transformer)

22. 중성점 전류에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치

23. 중성점 정보에 의한 콘덴서뱅크 진단 장치

30. 변류기(21)의 2차측으로 출력되는 전류

31. 변류기에서 나온 2차측 전류(30)를 전압으로 변환하는 전류-전압 변화회로

32. 밧데리를 자동 충천 할 수 있도록 하는 밧데리 충전회로

33. 본 고안으로 제작된 장치의 공급전원용 밧데리

34. DC제거 및 불필요한 고주파를 제거하는 아날로그 필터회로

35. 열화 판정 시스템

36. 표시장치

37. 대지의 접지망과 연결되어 있는 선

40. 중성점 전류를 입력 받아 열화판정 시스템의 전류정보로 제공하는 입력부

41. DFT(Discrete Fourier Transform)부 : 이산 푸리에 변환부

연속적인 아날로그 신호를 불연속적인 이산화신호로 나타내는 푸리에 변환

42. FFT(Fast Fourier Transform)부 : 고속 푸리에 변환부

DFT부에서 변환된 불연속적인 이산화 신호를 주파수영역으로 변환하는 푸리에 변환

43. FFT부에 의해 분석된 주파수를 연산하는 연산부

44. 콘덴서 뱅크 이상유무를 진단하는 이상유무 판정부

45. 콘덴서 뱅크 이상유무 발생시 Relay 구동제어신호를 출력하는 제어신호 출력부

46. Relay(계전기)

배전반에 취부하여 콘덴서 뱅크의 이상유무를 상시로 감시하며, 콘덴서 뱅크이상유무 발생시 접점에 의해 제어 동작한다.

50. 공진주파수에서 180Hz일때의 임피던스 크기 z_fc

51. 공진주파수가 감소된 상태에서의 임피던스 크기 변화량 z_fc1

52. 정상적인 공진주파수에서 증가된 공진주파수만큼의 임피던스 변화

53. 정상적인 공진주파수에서 감소된 공진주파수만큼의 임피던스 변화

54. 정상적인 공진주파수

55. 리액터와 콘덴서 값이 변해 증가된 공진주파수

56. 리액터와 콘덴서 값이 변해 감소된 공진주파수

57. 공진주파수가 증가된 상태에서의 임피던스 크기 변화량 z_fc2

60. 열화 판정 시스템에 적용된 이상유무 판단 방법

61. 연속적인 Analog 중성점 전류 신호 입력 단계

62. 불연속적인 Digital 신호로 바꾸어 처리되는 DFT 단계

63. FFT 단계

64. FFT 분석된 주파수 연산 단계

65. 이상유무 판정 단계

66. 연속적인 아날로그 신호

67. DFT에 의해 이산화된 디지탈 신호

68. FFT분석에 의해 분석된 고조파 파형

70. 실측된 중성점 전류 재단 현상

80. 실측된 정상상태 중성점 전류 파형

81. 실측된 정상상태 중성점 전류 주파수 분석 파형

90. 실측된 차단기 투입시 중성점 전류 파형.

91. ip-CBon : 차단기(3) 투입시 최대 중성점 전류값.

92. ts-CBon : 차단기(3) 투입시 불평형 전류 시작점.

93. te-CBon : 차단기(3) 투입시 불평형 전류 끝점.

100. 실측된 차단기 차단시 중성점 전류 파형

101. ts-CBoff : 차단기(3) 차단시 불평형 전류 시작점.

102. te-CBoff : 차단기(3) 차단시 불평형 전류 끝점.

103. ip-CBoff : 차단기(3) 차단시 최대 중성점 전류값.

110. 정상상태시 중성점전류에 의해 포착된 임의의 리액터(11,12,13) 방전현상 파형

111. 콘덴서 뱅크 리액터(11,12,13) 방전현상

112. 기본파(60Hz)와 기본파의 3고조파(180Hz),기본파의 5고조파(300Hz)성분을 제거한 후의 방전현상 파형.

120. 전력용 콘덴서 뱅크의 불량 LED 표시

121. 전력용 콘덴서 뱅크의 정상 LED 표시

122. 60Hz중성점 전류값 숫자 표시 LCD

123. 3고조파(180Hz) 중성점 전류값 숫자 표시 LCD

124. 5고조파(300Hz) 중성점 전류값 숫자 표시 LCD

125. 중성점 써지 전류 포착 횟수

126. 시스템 초기화를 위한 reset SW

127. 전원 SW

본 고안은 크게 다섯가지로 구성되며, 이에 따른 작용은 다음과 같다.

첫째, 전력용 콘덴서 뱅크의 중성점(15)과 접지(17)사이에 설치된 중성점 저항기(16)에 변류기(21)를 취부하여 2차측에서 취득되는 전류(30)를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환회로(31)이다.

둘째, 중성점 저항기(16)로 유입되는 전류(20)를 변류기(21)를 통해 입력받아 불필요한 DC 성분과 noise를 제거하여 취득한 전류 정보를 열화판정시스템(35)에 제공하는 아날로그 필터회로(34).

위의 작용은 중성점 전류(20)에 포함되어 있는 기본파의 n배 되는 고조파에서 분석에 필요한 3,5고조파를 제외하고 불필요한 고조파와 주의의 noise에 의해 발생된 고주파를 제거 할 필요가 있다. 이는 콘덴서 뱅크 분석함에 있어서 신뢰성과 정확성을 높이기 위함이다.

셋째, 아날로그 필터회로(34)를 통해 들어온 중성점 전류(20)의 정보를 처리하는 열화판정시스템(35)이 있다.

상기 열화판정시스템(35)은 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화 판정을 위해 사용되고, 실제 콘덴서 뱅크(도 1)의 중성점(15)으로 흐르는 중성점전류(20)를 입력으로 받아(61) 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform)(62)을 통해 전류 아날로그 정보(66)를 불연속적인 이산화 정보(67)로 바꾼 후, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transformer)(63)을 이용하여 시간의 영역 함수를 주파수 영역으로 바꾸어 고조파 분석(68)에 사용하고, 분석된 주파수별 전류 값을 연산부(64)에서 연산한 후, 이상유무 판정 단계(65)에서 콘덴서 뱅크의 이상유무를 진단한다.상기 열화판정시스템(35)은 상기 아날로그 필터회로(34)로부터 연속적인 아날로그 중성점 전류(20)를 입력받아 이산 푸리에 변환(DFT)하여 불연속적인 이산화 전류신호로 변환하는 DFT부(41)와; 상기 DFT부(41)로부터 출력되는 불연속적인 이산화 전류신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수영역별로 분석하는 FFT부(42); 상기 FFT부(42)에 의해 분석된 주파수별 전류 값을 연산하는 연산부(43); 및 상기 연산부(43)에 의해 연산된 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 전류 값이 초기 설정값보다 커지면 콘덴서 뱅크에 3상 불평형이 커지는 이상이 발생한 것으로 판단하고, 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz)의 3고조파(180Hz) 전류 값이 한 상의 3배의 값보다 증가하거나 감소하면 콘덴서 뱅크에 콘덴서(5,6,7)나 리액터(11,12,13)의 값이 변하는 이상이 발생한 것으로 판단하여 제어신호 출력부(45)를 통해 릴레이 구동제어신호를 출력하는 이상유무 판정부(44)로 구성된다.상기 이상유무 판정부(44)는 상기 FFT부(42)에 의해 주파수영역별로 분석된 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 전류와 기본파의 3고조파(180Hz) 전류 및 기본파의 5고조파(300Hz) 전류를 제거하여 상기 기본파(60Hz) 전류에 주기적으로 포함되는 방전전류(111)를 추출하고 A/D변환한 다음, 입력된 시간을 기억하고 있다가 현재 기억된 시간을 다음 방전전류(111)가 들어오는 시간에서 빼주어 계산한 주기가 상기 기본파(60Hz)와 같을 때 콘덴서 뱅크에 리액터(11,12,13)의 부분방전 현상을 초래하는 이상이 발생한 것으로 판단하여 릴레이 구동제어신호를 출력한다.상기 이상유무 판정부(44)는 상기 아날로그 필터회로(34)로부터 연속적인 아날로그 중성점 전류(20)를 입력받아 시간축 상에서 중성점 전류(20)가 급격히 하강 또는 상승하다가 '0' 으로 수렴되는 구간 중에서 처음 급격한 하강 또는 상승 구간의 기울기가일 때의 시간과 이후로 전류가 '0' 이고 기울기가이 될 때의 시간의 차로 구한 중성점 투입 전류(20)의 개리차가 이전 측정치에 비해 점점 증가하는 것으로 판별되면 콘덴서 뱅크에 3상 투입 시 차단기(3)의 개리차가 길어지거나 중성점 저항기(16)가 열화 또는 단선되는 이상이 발생한 것으로 판단하여 릴레이 구동제어신호를 출력한다.

여기서, 본 고안에 따른 이상유무 판정 작용은 4가지 중요한 작용으로 이루어진다.

1. 중성점 전류(20)의 60Hz크기를 감시하는 것이다. 중성점 전류(20)의 60Hz가 초기 설정값보다 커지는 경우 콘덴서 뱅크(도 1)의 3상 불평형이 커지는 것으로 판단하고 있다.

즉, 3상중 어느 한 상의 60Hz 임피던스 크기나 위상이 다른 상과 크게 차이가 발생될 경우, 3상의 중성점에서 3상 벡터 합된 값이 크게 나타나게 된다.

2. 중성점(15)으로 유입된 전류의 3고조파 값을 구하므로 콘덴서 뱅크(도 1)에서 작용하고 있는 공진주파수의 변화를 알 수 있다.

콘덴서 뱅크(도 1)의 중성점 전류(20) 성분 중 3고조파 성분 전류는 벡터합이 대수합이 된다.

즉, 중성점 3고조파 전류는 한 상의 3배의 값으로 나타나며, 3고조파 전류가 증가 또는 감소 한다는 것은 각 상당 작용하고 있는 임피던스가 변화하며 공진주파수가 변화했다는 것을 알 수 있다.

또한, 공진주파수는로 구해지며, 공진주파수가 변화했다는 것은 리액터(L)나 콘덴서(C) 값이 변화 했다는 것을 알 수 있다.

3. 리액터(11,12,13)의 부분방전 현상에 의해 중성점(15)에서 발생되고 있는 방전전류(111)의 감시이다. 방전전류(111)는 중성점(15)으로 유입된 60Hz성분 전류에 주기적으로 포함되어 있다. 이러한 방전전류(111)를 검출하기 위해서는 중성점(15)에서 작용하고 있는 방전전류(111) 이외의 전류세력을 제거해야 한다. 즉, 중성점에는 기본파(60Hz)전류와 기본파의 3고조파(180Hz)성분 전류와 기본파의 5고조파(300Hz)성분 전류의 세력이 크게 작용하므로 60Hz,180Hz,300Hz 전류를 제거 하여 방전전류(112)만 추출하므로 주기적이고 첨예한 파형의 유무를 감시한다.

주기적으로 발생하는 방전전류(112)를 A/D 변환하여 processor 로 입력된 시간을 기억하고 있다가 다음 방전전류(111)가 들어오는 시간에서 빼면 주기를 계산 할 수 있다.

이 주기가 60Hz와 같을 때, 이를 방전전류(111)로 판단한다.

4. 차단기 투입시 개리차를 감시하여 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화를 진단하고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이 실측된 차단기 투입시 중성점 전류(90)의 시간축을 보면, 중성점 전류가 급격히 하강, 또는 상승하다가 '0' 으로 수렴하는 것을 알 수 있다.

여기서 기울기는이며, 처음 급격한 구간이 발생하여일 때의 시간을 ts-CBon(92)으로 하고 이후로 전류가 '0' 이고이 될 때의 시간을 te-CBon(93)으로 하여 ts-CBon(92)와 te-CBon(93)의 시간차를 구할 수 있다.

또한, 투입시 중성점 최대전류를 감시하므로 투입시 중성점 최대전류(91)가 증가 할수록 차단기의 3상 투입개리차가 커졌다고 판단 할 수 있다.

현장에서 실측되고 있는 콘덴서 뱅크(도 1)의 차단기 투입 개리차는 ts-CBon(92)와 te-CBon(93)의 시간차의 1/2로 구해 질 수 있으므로, 만일 중성점 투입 전류의 개리차가 증가했다는 것은 차단기(3)가 3상 투입시 개리차가 길어 졌다고 판단 할 수 있다.

또한, 중성점 저항기(16)가 열화 되었거나 단선 되었을 경우, 중성점 투입전류가 길어지거나 전류가 흐르지 않게 되므로 중성점 저항기(16)의 이상유무도 알 수 있다.

위에서 상술한 바와 같이 위의 4가지 이상유무판정 작용에서 콘덴서 뱅크(도 1)의 이상유무를 진단하여 정상 또는 불량 판정을 한다.

넷째, 본 고안의 진단기를 사용하는 사용자에게 정확한 중성점 저항기(16)의 상태와 전력용 콘덴서 뱅크의 상태를 현장에서 알려주는 표시장치(36)의 기능이 있다.

위의 작용은 콘덴서 뱅크의 중성점에 유입된 전류의 기본파와 고조파 값, 그리고 중성점 투입 서지 전류 횟수를 보여주는 기능이다. 즉, 콘덴서 뱅크 진단 분석에 필요한 기본파(60Hz)값(122)과 기본파의 3배인 3고조파(180Hz) 값(123), 기본파의 5배인 5고조파(300Hz)의 값(124)을 보여주며, 차단기 투입시 및 차단시 중성점에 흐르는 써지 전류를 포착하여 써지 횟수(125)를 보여주는 기능을 가지고 있으며, 현장에서는 햇빛의 노출에 의해 잘 보이지 않는 LED용 segment식이 아닌 햇빛의 노출에도 잘 보이는 숫자LCD (122 ,123,124,125)를 사용하여 현재의 값을 판독하는데 어려움이 없도록 한다.

또한, 현재 콘덴서 뱅크의 열화유무를 현장에서 알 수 있도록 정상LED(120)와 불량 LED(121)로 표시하여 준다.

다섯째, 중성점 저항기내 취부된 변류기(21)의 2차측 전류(30)에 의해 장치가 자동충전 될 수 있도록 하는 밧데리 충전회로(32)로 구성된다.

위의 작용은 장치가 상용전원(60Hz, 220V용)을 사용할 경우 상용전원을 공급해 주어야 하는 불편한점을 해소하기 위해, 상시로 중성점으로 흐르는 전류 (20)를 이용하여 장치내 부착된 전원공급 밧데리(33)에 충전을 시켜주는 기능이다.

이상 상술한 바와 같이, 본 고안의 방법에 따라 콘덴서 뱅크(도 1)에서 성형결선의 중성점 전류(20)만으로 콘덴서 뱅크(도 1)의 진단이 가능하게 된다. 이러한 고안의 효과는 다음의 다섯 가지로 대별된다.

첫째, 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화를 진단함에 있어 구조가 간단하다는 것이다. 기존의 방법은 전압을 변성기(8,9,10)에서 그리고 각상의 전류를 변류기(4)에서 받아 진단기를 구성하는 것이 보통이다. 이때 전압요소와 전류요소를 입력하는데 공사를 수반하게 된다. 그러나 중성점 전류(20)만을 이용한 측정 장치는 과전압의 문제가 되지 않는 중성점 저항기(16)하부에 변류기(21)만을 설치하고 전류를 센싱하여 콘덴서 뱅크(도 1)를 진단하므로 구조적으로 혹은 설치조건에서 간단하다는 효과가 있다.

둘째, 본 고안의 경우 구조가 간단하면서도 중성점 전류(20)에 포함되는 정보는 많다는 것이다. 이러한 정보 중에서 상용주파수인 60Hz의 전류는 일반적으로 콘덴서 뱅크(도 1)가 3상 성형 결선되어 있으므로 이미 3상이 벡터적으로 합산된 전류(20)만 중성점(15)으로 흐른다는 것이다. 만일 어느 상의 콘덴서(5,6,7) 값과리액터(11,12,13) 값이 변화하였다면 3상의 전류가 불평형이 되어 중성점(15)에 큰 전류가 흐르게 된다. 이러한 방식으로 중성점(15)의 60Hz 전류를 감시함으로서 어느 상의 콘덴서(5,6,7)나 리액터(11,12,13)가 열화되고 있다는 것을 알 수 있다.

셋째, 공진주파수의 변화가 측정된다. 콘덴서 뱅크(도 1)의 중성점 전류(20)에서 60Hz를 기준으로 3고조파는 벡터 합이 영이 아니고 대수합이 된다. 그러므로 중성점 전류(20) 중 3고조파 전류는 평상시 한상의 3고조파 전류의 3배 해당하는 크기의 전류가 흐르게 된다. 정상적인 콘덴서뱅크(도 1)의 중성점 전류(20)를 측정하면 대부분 3고조파 성분의 전류가 가장 크게 측정된다. 이러한 중성점 전류(20) 중 3고조파 성분의 전류는 콘덴서 뱅크(도 1)의 콘덴서(5,6,7) 값과 리액터(11,12,13) 값에 의해서 결정되는 공진주파수가 변화하면 3고조파 성분의 임피던스 값이 변화하게 된다. 결국, 중성점(15)의 3고조파 전류를 관측하면 공진주파수의 변화를 알 수 있다. 그러므로 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화를 진단함에 있어 간단한 구조의 열화방법으로 중성점(15)의 3고조파 전류를 관측하면 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화를 진단하는 한 가지 수단인 공진주파수를 감시할 수 있다는 것이다.

넷째, 콘덴서 뱅크(도 1)의 절연열화에 의한 부분 방전전류(111)을 검출 할 수 있다. 콘덴서 뱅크(도 1)는 계통전압, 즉 초고압의 전압이 인가된 상태로 운전되므로 절연의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 절연의 문제에 의해 발생된 과전압을 잘 견디도록 하기 위해서 콘덴서(5,6,7)는 여러 단으로 쌓아서 사용하게 된다. 콘덴서뱅크(도 1)를 구성하고 있는 콘덴서(5,6,7), 리액터(11, 12,13), 방전코일(8,9,10), 저항기(16) 등의 전력기기는 열화가 진행되거나 절연레벨이 낮아지면 부분방전현상을 수반할 수 있다. 이러한 부분방전현상으로 인한 부분방전전류(111)는 급증한 파형의 전류를 동반하면서 중성점 전류(20)에 포함되게 된다. 또한, 부분방전전류(111)의 특징은 주기적이고 상용주파수(60Hz)를 기준으로 보면 상당히 높은 MHz 단위의 전류파형이다. 전력용 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화를 진단함에 있어 중성점 전류(20)에 포함된 방전전류(111)를 관측함으로서, 부분방전 전류(111)를 검출하고 부분방전의 진전에 의해 절연이 파괴되어 발생되는 콘덴서 뱅크의 고장을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 콘덴서 뱅크(도 1)의 차단기(3)의 투입시간차의 관리가 가능하다. 콘덴서 뱅크(도 1)를 전력계통에 병입하는 장치로 차단기(3)가 사용된다. 차단기(3)는 이론적으로 혹은 이상적으로 3상이 동시에 투입되는 것으로 되어 있으나 기계적인 구조 혹은 전기적 특성에 의해 3상이 동시에 투입되지는 않는다. 이러한 3상의 투입시간차를 개리차라하고 이를 수 msec가 넘지 않도록 관리하고 있다. 이러한 차단기(3)의 투입시간차를 관리하는 이유는 투입시간차 동안 과도현상이 발생하고, 과도현상동안은 과전압 및 과전류가 발생하여 콘덴서 뱅크(도 1)의 열화 원인이 된다. 여기서는 중성점 전류(20)만을 가지고 차단기(3)의 투입시간과 과전류를 측정할 수 있어 간접적으로 차단기(3)의 상태를 점검할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

전력용 콘덴서 뱅크의 중성점(15)과 접지(17)사이에 설치된 중성점 저항기(16)에 취부되어 중성점 저항기(16)로 유입되는 중성점 전류(20)를 변류하는 변류기(21)와;

상기 변류기(21)의 2차측에서 취득되는 전류(30)를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환회로(31);

상기 중성점 저항기(16)로 유입되는 중성점 전류(20)를 변류기(21)를 통해 입력받아 불필요한 DC 성분과 noise를 제거하는 아날로그 필터회로(34);

상기 아날로그 필터회로(34)로부터 연속적인 아날로그 중성점 전류(20)를 입력받아 이산 푸리에 변환(DFT)하여 불연속적인 이산화 전류신호로 변환한 다음 이 불연속적인 이산화 전류신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수영역별로 분석한 후, 분석된 주파수별 전류 값을 연산하고, 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 전류 값이 초기 설정값보다 커지면 콘덴서 뱅크에 3상 불평형이 커지는 이상이 발생한 것으로 판단하고, 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz)의 3고조파(180Hz) 전류 값이 한 상의 3배의 값보다 증가하거나 감소하면 콘덴서 뱅크에 콘덴서(5,6,7)나 리액터(11,12,13)의 값이 변하는 이상이 발생한 것으로 판단하여 릴레이 구동제어신호를 출력하는 열화판정시스템(35);

사용자에게 전력용 콘덴서 뱅크의 상태를 현장에서 알려주기 위하여 콘덴서 뱅크의 진단 분석에 필요한 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 값과 기본파의 3배인 3고조파(180Hz) 값, 기본파의 5배인 5고조파(300Hz) 값을 숫자LCD에 표시하고, 현재 콘덴서 뱅크의 이상유무를 정상LED와 불량 LED에 표시하는 표시장치(36); 및

상기 전류-전압 변환회로(31)가 공급하는 전압으로 상기 각 구성요소에 구동전원을 공급하는 전원공급 밧데리(33)를 자동 충전시키는 밧데리 충전회로(32)

로 구성되는 것을 특징으로 하는 중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치.
제 1 항에 있어서, 상기 열화판정시스템(35)은

상기 아날로그 필터회로(34)로부터 연속적인 아날로그 중성점 전류(20)를 입력받아 이산 푸리에 변환(DFT)하여 불연속적인 이산화 전류신호로 변환하는 DFT부(41)와;

상기 DFT부(41)로부터 출력되는 불연속적인 이산화 전류신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수영역별로 분석하는 FFT부(42);

상기 FFT부(42)에 의해 분석된 주파수별 전류 값을 연산하는 연산부(43); 및

상기 연산부(43)에 의해 연산된 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 전류 값이 초기 설정값보다 커지면 콘덴서 뱅크에 3상 불평형이 커지는 이상이 발생한 것으로 판단하고, 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz)의 3고조파(180Hz) 전류 값이 한 상의 3배의 값보다 증가하거나 감소하면 콘덴서 뱅크에 콘덴서(5,6,7)나 리액터(11,12,13)의 값이 변하는 이상이 발생한 것으로 판단하여 제어신호 출력부(45)를 통해 릴레이 구동제어신호를 출력하는 이상유무 판정부(44)

로 구성된 것을 특징으로 하는 중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치.
제 2 항에 있어서, 상기 이상유무 판정부(44)는

상기 FFT부(42)에 의해 주파수영역별로 분석된 중성점 전류(20)의 기본파(60Hz) 전류와 기본파의 3고조파(180Hz) 전류 및 기본파의 5고조파(300Hz) 전류를 제거하여 상기 기본파(60Hz) 전류에 주기적으로 포함되는 방전전류(111)를 추출하고 A/D변환한 다음, 입력된 시간을 기억하고 있다가 현재 기억된 시간을 다음 방전전류(111)가 들어오는 시간에서 빼주어 계산한 주기가 상기 기본파(60Hz)와 같을 때 콘덴서 뱅크에 리액터(11,12,13)의 부분방전 현상을 초래하는 이상이 발생한 것으로 판단하여 릴레이 구동제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치.
제 2 항에 있어서, 상기 이상유무 판정부(44)는

상기 아날로그 필터회로(34)로부터 연속적인 아날로그 중성점 전류(20)를 입력받아 시간축 상에서 중성점 전류(20)가 급격히 하강 또는 상승하다가 '0' 으로 수렴되는 구간 중에서 처음 급격한 하강 또는 상승 구간의 기울기가일 때의 시간과 이후로 전류가 '0' 이고 기울기가이 될 때의 시간의 차로구한 중성점 투입 전류(20)의 개리차가 이전 측정치에 비해 점정 증가하는 것으로 판별되면 콘덴서 뱅크에 3상 투입 시 차단기(3)의 개리차가 길어지거나 중성점 저항기(16)가 열화 또는 단선되는 이상이 발생한 것으로 판단하여 릴레이 구동제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 중성점 전류정보에 의한 전력용 콘덴서 뱅크 진단장치.
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