그라운딩 변압기와 일반 변압기의 차이점은 무엇인가요

그라운딩 변압기는 무엇인가요?

그라운딩 변압기는 충전 매체에 따라 기름식과 건식으로, 상수에 따라 3상 및 단상 그라운딩 변압기로 분류할 수 있습니다.

그라운딩 변압기와 일반 변압기의 차이점

그라운딩 변압기의 목적은 델타(Δ) 또는 와이(Y) 구성에서 접근 가능한 중성점이 없는 경우 아크 억제 코일이나 저항을 연결하기 위한 인공적인 중성점을 생성하는 것입니다. 이러한 변압기는 지그재그형("Z형") 감전 연결을 사용합니다. 일반 변압기와의 주요 차이점은 각 상의 감전이 같은 자기 코어 램에 반대 방향으로 두 그룹으로 나뉘어 감전된다는 점입니다. 이 설계는 영차 순서 자기 유속이 코어 램을 통해 흐를 수 있게 하며, 일반 변압기에서는 영차 순서 유속이 누설 경로를 따라 흐릅니다. 

따라서 Z형 그라운딩 변압기의 영차 순서 임피던스는 매우 낮습니다(약 10 Ω), 반면 일반 변압기의 경우 훨씬 높습니다. 기술 규정에 따르면, 일반 변압기를 사용하여 아크 억제 코일을 연결할 때, 코일 용량은 변압기의 정격 용량의 20%를 초과해서는 안 됩니다. 반면 Z형 변압기는 자신의 용량의 90%~100%까지 아크 억제 코일을 운반할 수 있습니다. 또한, 그라운딩 변압기는 2차 부하를 공급하고 발전소 서비스 변압기로 사용될 수 있어 투자 비용을 절약할 수 있습니다.

그라운딩 변압기의 작동 원리

그라운딩 변압기는 저항이 매우 낮은(일반적으로 5옴 미만이 요구됨) 접지 저항을 통해 인공적인 중성점을 생성합니다. 또한, 전자기 특성 때문에, 그라운딩 변압기는 정-부순서 전류에 대해 높은 임피던스를 나타내며, 감전에는 작은 자극 전류만 흐릅니다. 각 코어 램에서 두 개의 감전 구간은 반대 방향으로 감전됩니다. 동일한 램을 통과하는 감전에 동일한 영차 순서 전류가 흐르면, 그들은 저임피던스를 나타내고, 결과적으로 전압 강하가 최소화됩니다. 

접지 고장 시, 감전은 정-부-영차 순서 전류를 운반합니다. 감전은 정-부순서 전류에 대해 높은 임피던스를, 그러나 영차 순서 전류에 대해서는 저임피던스를 나타냅니다. 같은 상 내에서 두 감전은 반대 극성으로 직렬로 연결되므로, 그들의 유도 전동력은 크기는 같지만 방향이 반대이므로 서로 상쇄됩니다.

많은 그라운딩 변압기는 단순히 저저항 중성점을 제공하기 위해 사용되며, 2차 부하를 공급하지 않으므로 많은 경우 2차 감전 없이 설계됩니다. 정상적인 전력망 운영 중, 그라운딩 변압기는 본질적으로 무부하 상태로 작동합니다. 그러나 고장 시에는 일시적으로 고장 전류만 운반합니다. 저저항 접지 시스템에서 단상 접지 고장이 발생하면, 매우 민감한 영차 순서 보호 장치가 고장 피더를 신속하게 식별하고 일시적으로 격리합니다. 

그라운딩 변압기는 고장 발생부터 피더의 영차 순서 보호 장치 작동 사이의 짧은 시간 동안 활성화됩니다. 이 시기에, 영차 순서 전류는 중성 접지 저항과 그라운딩 변압기를 통해 흐르며, 다음 공식을 따릅니다: IR = U / R₁, 여기서 U는 시스템 상 전압이고 R₁은 중성 접지 저항입니다.

그라운딩 아크가 신뢰성 있게 소멸되지 못했을 때의 결과

• 단상 접지 아크의 간헐적인 소멸과 재점화는 진폭이 4U(여기서 U는 최대 상 전압) 또는 그 이상에 달하며, 오랜 시간 동안 지속되는 아크-접지 과전압을 생성합니다. 이것은 전기 장비의 절연성을 심각하게 위협하며, 약한 절연 부분에서 파손을 일으키고, 큰 손실을 초래할 수 있습니다.

• 지속적인 아크는 주변 공기의 절연성을 저하시키고, 상간 단락 회로 발생 가능성을 증가시킵니다.

• 페로레조넌스 과전압이 발생할 수 있으며, 이는 쉽게 전압 변압기와 서지 방지기의 손상을 초래하고, 심지어 방지기 폭발을 일으킬 수도 있습니다. 이러한 결과는 전력 시스템 장비의 절연성과 전체 전력 시스템의 안전한 운영을 심각하게 위협합니다.

정-부-영차 순서 전류란 무엇인가요?

• 부순서 전류: A상은 B상보다 120° 뒤처져 있고, B상은 C상보다 120° 뒤처져 있으며, C상은 A상보다 120° 뒤처져 있습니다.

• 정순서 전류: A상은 B상보다 120° 앞서 있고, B상은 C상보다 120° 앞서 있으며, C상은 A상보다 120° 앞서 있습니다.

• 영차 순서 전류: 모든 세 상(A, B, C)이 동위상입니다—어떤 상도 다른 상보다 앞서거나 뒤처지지 않습니다.

3상 단락 고장 및 정상 작동 중, 시스템은 정순서 성분만 포함합니다.
단상 접지 고장 중, 시스템은 정-부-영차 순서 성분을 포함합니다.
2상 단락 고장 중, 시스템은 정-부순서 성분을 포함합니다.
2상 대 접지 단락 고장 중, 시스템은 정-부-영차 순서 성분을 포함합니다.

그라운딩 변압기의 운용 특성

정상적인 전력망 운행 중 접지 변압기는 무부하 상태에서 작동하며, 고장 시 단기간 과부하를 겪습니다. 요약하자면, 접지 변압기의 기능은 접지 저항을 연결하기 위한 인공적인 중성점을 생성하는 것입니다. 접지 고장 시에는 정상 및 부전류에 대해 높은 임피던스를, 영전류에 대해서는 낮은 임피던스를 보여주어 접지 고장 보호 장치의 안정적인 작동을 보장합니다.

아크 억제 코일 시스템을 통한 중성점 접지

설비 절연이 불량하거나 외부 손상, 조작 오류, 내부 과전압 등 기타 원인으로 일시적인 단상 접지 고장이 발생할 때, 접지 고장 전류는 아크 억제 코일을 통해 유도 전류로 흐릅니다. 이 유도 전류는 용량 전류와 방향이 반대이므로, 고장 지점의 전류를 매우 작은 값이나 0까지 줄여서 아크를 소멸시키고 관련 위험을 제거합니다. 이렇게 하면 계전기 보호 또는 회로 차단기 트리핑 없이 고장이 자동으로 해소되며, 전력 공급 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

세 가지 보상 운용 모드

보상 운용 모드에는 보상 부족, 완전 보상, 그리고 보상 과다 세 가지가 있습니다.

• 보상 부족: 보상 후 유도 전류가 용량 전류보다 적습니다.

• 보상 과다: 보상 후 유도 전류가 용량 전류보다 큽니다.

• 완전 보상: 보상 후 유도 전류가 용량 전류와 같습니다.

아크 억제 코일 시스템을 통한 중성점 접지에서 사용되는 보상 모드

아크 억제 코일을 통해 중성점이 접지된 시스템에서는 완전 보상을 피해야 합니다. 시스템 불균형 전압의 크기에 관계없이 완전 보상은 직렬 공진을 일으켜 아크 억제 코일에 위험한 고전압을 가하게 됩니다. 따라서 실제로는 보상 과다 또는 보상 부족이 채택되며, 보상 과다는 가장 일반적으로 사용되는 모드입니다.

보상 과다를 채택하는 주요 이유

보상 부족 시스템에서는 고장 시 쉽게 과전압이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 고장이나 기타 이유로 일부 선로가 분리되면, 보상 부족 시스템은 완전 보상으로 이동하여 직렬 공진을 일으키고, 매우 높은 중성점 이동 전압과 과전압을 초래할 수 있습니다. 또한, 보상 부족 시스템에서 큰 중성점 이동은 절연의 무결성을 위협하는 문제를 야기하는데, 이는 보상 부족이 사용되는 한 피할 수 없는 단점입니다.

보상 부족 시스템에서 3상 불균형이 심각한 경우, 정상 운전 중에도 매우 높은 철자 공진 과전압이 발생할 수 있습니다. 이 현상은 보상 부족 아크 억제 코일(ωL > 1/(3ωC₀))과 선로 용량(3C₀) 사이의 철자 공진으로부터 발생합니다. 이러한 공진은 보상 과다에서는 발생하지 않습니다.

전력 시스템은 계속 확장되고 있으며, 그에 따라 대지에 대한 시스템의 용량도 증가합니다. 보상 과다를 사용하면, 원래 설치된 아크 억제 코일이 어느 정도 시간 동안 서비스를 유지할 수 있으며, 결국 보상 부족으로 이동하더라도 문제가 되지 않습니다. 그러나 시스템이 보상 부족으로 시작하면, 즉시 추가 보상 용량이 필요해집니다.

보상 과다에서는 고장 지점을 통과하는 전류가 유도 전류입니다. 아크 소멸 후, 고장 상 전압의 복구 속도가 느려져 아크 재점화 가능성이 줄어듭니다.

보상 과다에서는 시스템 주파수 감소는 일시적으로 보상 과다의 정도를 증가시키지만, 정상 운전 중에는 문제가 되지 않습니다. 반면, 보상 부족과 주파수 감소는 시스템을 완전 보상에 가깝게 만들 수 있어, 중성점 이동 전압이 증가할 수 있습니다.

요약

접지 변압기는 또한 변전소 서비스 변압기로서 작용하여, 35 kV 전압을 380 V 저전압으로 낮추어 배터리 충전, SVG 팬 전원, 유지 보수 조명 및 일반 변전소 보조 부하에 전력을 공급합니다.

현대 전력망에서는 케이블이 공중선로를 대체하고 있습니다. 케이블 선로의 단상 용량 접지 고장 전류가 공중선로보다 훨씬 크므로, 아크 억제 코일을 통한 중성점 접지는 종종 고장 아크를 소멸시키거나 위험한 공진 과전압을 억제하지 못합니다. 따라서 우리의 변전소는 저저항 중성점 접지 방식을 채택합니다. 이 방법은 단단히 접지된 중성점 시스템과 유사하며, 단상 접지 고장 보호 장치를 설치하여 회로 차단기를 트립시키도록 작동합니다. 단상 접지 고장이 발생하면 고장 피더가 신속하게 격리됩니다.