중간 전압 변압기의 급속 전류 저감을 위한 제어 스위칭 장치

중간 전압 범위의 제어 스위칭 장치

30년 이상 전부터 제어 스위칭 장치(CSDs)는 분기 반응기와 캐패시터 뱅크에 연결된 고전압 회로 차단기에 의한 스위칭 일시적인 현상을 완화하기 위해 처음 도입되었습니다. 후속 연구에서는 이를 송전선과 전력 변압기에 적용하는 방안이 확장되었습니다. 초기에는 이러한 장치들이 독립적으로 극을 작동시키는 회로 차단기(IPO)를 사용하여 각 상별로 스위칭 시기를 최적화하였습니다.

최근 전 세계 에너지 수요의 급증으로 인해 중간 전압 배전망에도 재생 가능 에너지 소스가 통합되면서 고전압(HV) 송전 시스템에만 의존하지 않게 되었습니다. 이러한 변화는 변압기 가동 시 제어되지 않은 돌입 전류로 인한 전압 저하 문제를 해결할 필요성을 부각시켰습니다.

중간 전압 스위치 기기는 일반적으로 세 개의 극을 동시에 작동시키는데, 이는 고전압 응용 분야에서의 독립적인 작동과 대조됩니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 CSD 기술은 표준 스위치를 사용하여 동시 극 작동을 통해 변압기 가동 시 돌입 전류를 효과적으로 관리하는 데 필요한 중요한 발전을 이루었습니다. 오늘날 이러한 혁신은 풍력 발전소와 광발전 설비와 같은 재생 가능 에너지 설치뿐만 아니라 산업 설비 및 교통 네트워크에서도 널리 활용되고 있으며, 여기서 돌입 전류를 제어하는 것은 중간 및 고전압 변압기의 안정적인 가동에 필수적입니다.

중간 전압 변압기의 돌입 전류

변압기 가동 시 돌입 전류의 크기는 변압기 코어 내 잔류 플럭스에 크게 영향을 받습니다. 잔류 플럭스 수준이 높을수록 무작위 가동 시 더 큰 돌입 전류가 발생할 수 있습니다. 효과적인 완화 전략은 운영 장애를 피하고 전력망의 안정성을 보장하기 위해 필수적입니다.

고급 제어 스위칭 기법을 구현함으로써 이러한 돌입 전류를 최소화하거나 완전히 제거할 수 있습니다. 이러한 방법은 시스템 신뢰성 향상뿐만 아니라 장비 수명 연장, 유지보수 비용 절감, 그리고 중간 전압 배전망의 전체 효율성 향상에도 기여합니다. 이러한 기술의 채택은 현대 전력 배전 네트워크의 변화하는 요구 사항에 적응하는 중요한 진전을 의미합니다.

잔류 플럭스와 변압기 돌입 전류의 관계

동시 극 작동 회로 차단기와 스위치 기기에 CSDs를 조사하면서 수집된 현장 데이터는 잔류 플럭스와 변압기 돌입 전류 간의 관계를 확인했습니다. CSDs를 사용하면 무작위 가동보다 3:1의 비율로 돌입 전류를 감소시킬 수 있어 잠재적인 장애를 크게 완화할 수 있습니다.

동시 극 작동 회로 차단기를 사용한 돌입 전류 완화 방법

다음 설명은 전력 변압기에 대한 돌입 전류 완화를 위한 제어 스위칭 개념을 설명합니다:

소멸된 전력 변압기의 R 상이 전압의 영점에서 가동될 때 (도 1 왼쪽 참조), 변압기 코어는 심하게 포화 상태에 들어가며, 코어에 추가로 2 단위(p.u.)의 플럭스가 유입됩니다. 이러한 조건은 코어 포화로 인해 상당한 돌입 전류를 초래할 수 있습니다.

그러나 변압기가 양의 전압 정점에서 가동될 때, 이 초기 양의 1/4 주기 동안 코어에 1 p.u.의 플럭스만이 추가됩니다. 그 후 전압이 음의 반주기로 전환하면서 코어 내의 플럭스가 감소하기 시작합니다. 이러한 조건 하에서는 변압기가 포화 한도에 도달하지 않으므로 코어 포화를 피하고 돌입 전류 발생을 방지할 수 있습니다.

이 시나리오는 변압기의 정상 상태 가동에 해당하며, 여기서 코어 플럭스는 전압보다 90도 지연됩니다. 전압 파형의 최적 점과 가동 시기를 정확히 맞추면 돌입 전류 위험이 최소화되어 더 부드럽고 안정적인 변압기 작동이 가능합니다.

요약하자면, 제어 스위칭 기법은 정확한 타이밍을 활용하여 돌입 전류를 효과적으로 완화합니다. 전압 주기의 전략적인 가동 시점을 통해 코어 포화를 피함으로써 이러한 방법은 변압기 성능의 신뢰성을 보장하고, 전력망의 안정성을 향상시키며, 운영 장애를 줄입니다. 이 접근 방식은 중간 전압 스위치 기술의 중요한 진전을 나타내며, 새로운 설치 및 기존 시스템 업그레이드 모두에 실질적인 이점을 제공합니다.

세 개의 극을 동시에 작동시키는 3상 스위치를 사용할 때 상황은 더 복잡해집니다. 실제로 한 상의 돌입 전류를 최소화하는 가동 시점은 다른 두 상에 해롭게 작용할 수 있습니다. 이는 도 2에서 보여주듯, 소멸된 변압기의 R 상(왼쪽)에서 돌입 전류를 완화하면 Y 상과 B 상(오른쪽)에 악영향을 미칩니다.

한 상의 가동 시점을 최적화하여 돌입 전류를 줄이면 다른 두 상의 조건은 우연히 돌입 전류를 증가시킬 수 있으므로, 다상 시스템에서는 균형 잡힌 접근 방식이 필요합니다.

앞서 설명했듯이, 전력 변압기의 잔류 플럭스 패턴은 이전에 소멸되었던 결과입니다.

변압기가 재가동될 때, 적용된 전압에 의해 유도되는 동적 플럭스는 적용된 전압의 극성에 따라 잔류 플럭스에 더하거나 빼집니다. 제어 스위칭의 원칙에 따르면, 전력 변압기의 한 상에 대한 최적의 가동 시점은 유도된 예상 플럭스가 기존 잔류 플럭스와 일치할 때입니다 (도 3, 왼쪽). 예를 들어, 양의 잔류 플럭스가 있는 경우, 음의 전압을 적용하면 먼저 음의 전압 정점에서 코어 플럭스를 0으로 감소시키고, 즉시 코어 포화 없이 변압기의 정상 상태 작동에 도달합니다.

반대로 (도 3, 오른쪽), 전압의 양의 영점에서 상을 가동하면 기존 0.5 p.u.의 잔류 플럭스에 2 p.u.의 양의 플럭스가 코어에 추가됩니다. 이는 전력 변압기 코어를 심하게 포화 상태로 몰아넣어 과도한 돌입 전류를 초래합니다. 따라서 변압기의 가동이 제어되지 않을 때 잔류 플럭스의 존재는 최대 돌입 전류를 증가시킵니다.

유도 플럭스와 잔류 플럭스를 일치시키도록 정확히 가동 시점을 선택하면 코어 포화를 효과적으로 방지하고, 돌입 전류를 줄이며, 변압기의 부드러운 작동을 보장할 수 있습니다. 이 전략은 시스템 신뢰성을 향상시키고, 장비 수명을 연장하며, 유지보수 비용을 줄입니다. 특히 다상 시스템에서는 각 상의 성능을 균형있게 유지하여 전력망의 안정성과 효율성을 보장하기 위해 가동 시기의 정확한 타이밍이 중요합니다.

이 접근 방식은 잔류 플럭스의 영향을 고려하여 전력 변압기용 제어 스위칭 기술을 설계하고 구현할 때 더 효율적이고 신뢰성 있는 전력 전송 네트워크를 달성하기 위한 중요성을 강조합니다.

변압기 코어에 잔류 플럭스가 있을 때, 동시 극 작동 회로 차단기를 사용하는 상황은 더욱 복잡해집니다. 최적의 가동 시점은 모든 세 상의 동시 작동을 고려해야 합니다. 그러나 각 가능한 잔류 플럭스 패턴에 대해 항상 최소 변압기 포화를 가져오는 최적의 가동 시점이 있습니다 (도 4).

다음 예제에서는 R, Y, B 상의 잔류 플럭스 패턴이 각각 0, -0.5, +0.5 p.u.입니다. 변압기를 90° (R 상의 전압 정점)에서 가동하면 각 상의 최소 포화가 발생합니다. 그러나 B 상(파란색 상)을 전압의 양의 영점(240°)에서 폐쇄하면 가장 나쁜 돌입 전류가 발생하며, 이는 CSD(CSD)로 계산된 최적의 스위칭 순간보다 6.5배 더 큽니다.

이는 각 특정 잔류 플럭스 조건에 대해 최적의 가동 시점을 정확히 결정하는 것이 변압기 포화와 돌입 전류를 최소화하는 데 중요함을 강조합니다. 적절한 타이밍은 더 부드러운 작동을 보장하고, 전력 시스템의 신뢰성과 효율성을 향상시킵니다.

전력 변압기의 가동을 제어하지 않을 때, 가장 높은 잔류 플럭스를 가진 상에서 가장 나쁜 돌입 전류가 항상 발생합니다. 제어 스위칭 장치(CSD)는 잔류 플럭스 패턴을 기반으로 최적의 극 폐쇄 순간을 계산하여 가동 돌입 전류를 최소화합니다. 따라서 특정한 고 잔류 플럭스 조건에서는 돌입 전류를 완전히 제거할 수 있습니다.

도 5는 변압기에서 측정된 세 가지 잔류 플럭스 중 가장 높은 값에 따른 이론적인 가동 시 돌입 전류를 나타냅니다 (포화 경계가 1.2 p.u.). 최대 가동 전류는 소멸된 코어의 최대 가동 전류로 정규화됩니다. 코어 잔류 플럭스가 높을 때 (수평축), CSD는 변압기가 포화 상태에 들어가지 않도록 함으로써 돌입 전류를 제거합니다 (파란 선의 하단 영역). 반면, 무작위 시점에서 변압기를 가동하면 변압기가 완전 포화 상태에 들어가 (빨간 선), 과도한 돌입 전류와 그로 인한 전력망의 전압 저하가 발생합니다. 이 도표는 CSD가 무작위 또는 제어되지 않은 가동에 비해 돌입 전류 완화의 효과를 보여줍니다.