외부 기둥 장착 진공 회로 차단기의 성능 특성 및 구조 설계
2009년부터 2010년까지 국가전력망은 스마트 그리드 계획의 시범 단계에 있었으며, 강력한 스마트 그리드 개발 계획을 작성하고 주요 기술 연구개발, 장비 제조, 그리고 다양한 분야에서의 시범 프로젝트를 수행하는 데 집중했습니다. 2011년부터 2015년까지는 전면적인 건설 단계였으며, 이 기간 동안 스마트 그리드 운영 관제 및 상호 작용 서비스 시스템이 초기 형태로 형성되었고, 주요 기술과 장비에서 중요한 돌파구가 이루어져 광범위하게 적용되었습니다.
2016년부터 2020년까지는 선도 및 업그레이드 단계로, 통합되고 강력한 스마트 그리드가 완전히 구축되었으며, 기술과 장비는 국제적으로 고급 수준에 도달하였습니다. 그 결과, 전력망의 자원 배분 최적화 능력이 크게 향상되었습니다. 국가 스마트 그리드 발전 목표에 대응하기 위해 주요 전력망에 설치된 실외 기둥형 진공 회로 차단기는 고감도의 마이크로컴퓨터 기반 지능형 보호를 달성해야 합니다. 즉, 최소 일차 운전 전류 값이 낮아야 합니다.
따라서 세 단계 각각에 차동 보호를 위한 별도의 전류 변환기가 장착되는 것 외에도, 실외 기둥형 진공 회로 차단기에는 마이크로컴퓨터 보호를 위한 잔류 전류 변환기가 장착되어야 하며, 이를 통해 마이크로컴퓨터에 대한 정확한 누설 보호를 제공해야 합니다. 전통적인 잔류 전류 변환기는 크기가 크고 무거우며 정확도가 낮습니다.
설치 공간 제약과 긴 2차 리드 회로 등의 요인으로 인해, 이러한 변환기는 실외 기둥형 진공 회로 차단기의 마이크로컴퓨터 보호 요구 사항을 충족시키기 어렵습니다. 현재, 국가 스마트 그리드 요구 사항을 충족하는 모든 실외 회로 차단기는 외국 기업에서 생산되므로 비용이 높습니다. 국가 스마트 그리드 발전 요구 사항에 적응하기 위해서는 국가 스마트 그리드 요구 사항을 충족하는 실외 회로 차단기를 개발해야 합니다.
현재 우리가 해결해야 하는 주요 기술적 과제는 이러한 회로 차단기와 함께 사용할 수 있는 마이크로컴퓨터 보호용 잔류 전류 변환기를 개발하여, 작은 공간 설치, 고감도 누설 마이크로컴퓨터 보호, 정확한 작동을 충족시키고, 마이크로컴퓨터 보호용 잔류 전류 변환기의 국산화를 먼저 달성하는 것입니다.
마이크로컴퓨터 보호용 잔류 전류 변환기의 응용 및 성능 요구 사항
잔류 전류 변환기(영차 전류 변환기)는 잔류 전류(영차 전류)를 변환하도록 설계된 특수한 전류 변환기입니다. 중성 절연 시스템에서 단상 접지 보호에 사용됩니다. 3상 전도체가 변환기 코어 창을 동시에 통과하며, 변환기의 일차 권선 역할을 합니다.
시스템이 정상적으로 작동할 때 3상 전류의 위상 합은 0이며, 잔류 전류 변환기의 2차측에서는 출력이 없습니다. 특정 회로에서 단상 접지 결함이 발생하면, 잔류 전류 변환기의 일차 전류가 계전기 또는 마이크로컴퓨터 보호의 최소 운전 전류에 도달하여 보호 장치가 작동합니다. 그렇지 않으면, 활성화되지 않습니다. 전통적인 잔류 전류 변환기에서는 2차측이 직접 계전기에 연결됩니다. 변환기의 일차 권선 회수가 일반적으로 1이므로, 2차 권선 회수는 매우 작습니다. 전통적인 잔류 전류 변환기의 최소 일차 운전 전류는 대부분 2.4A에서 10A 사이이며, 전통적인 잔류 전류 변환기의 정격 일차 전류는 일반적으로 15A에서 300A 범위 내에서 선택됩니다. 정확도 요구 사항을 충족하기 위해 변환기의 코어 단면적이 상대적으로 크게 설계되어, 크기가 크고 무겁고 정확도가 낮고 2차 부하가 작습니다.
결함 전류가 2.4A 미만일 때, 전통적인 변환기의 출력 전류는 계전기를 활성화하기에 충분하지 않아 "사각지대"가 생깁니다. 따라서 변환기가 넓은 운전 전류 범위 내에서 사각지대 없이 마이크로컴퓨터에 대해 정확한 보호를 제공하기 위해서는 마이크로컴퓨터 보호와 함께 사용할 수 있는 특수한 잔류 전류 변환기를 설계해야 합니다.
회로 차단기의 설치 공간 제약으로 인해, 마이크로컴퓨터 보호용 특수 잔류 전류 변환기는 크기가 작고 무게가 가볍고, 정밀한 2차 출력과 큰 2차 부하가 필요합니다. 일반적으로 변환기의 일차 운전 전류는 0.2A에서 10A 사이여야 합니다. 변환기가 큰 2차 부하 출력 조건에서도 좋은 선형성과 감도를 보장할 수 있다면, 마이크로컴퓨터 보호 요구 사항을 충족하고 "사각지대" 발생을 피할 수 있습니다.
마이크로컴퓨터 보호용 잔류 전류 변환기의 구조 설계
변환기의 정격 부하 매개변수 선택
실외 기둥형 진공 회로 차단기는 일반적으로 실외에 설치되며 지원 자동화 장치와 멀리 떨어져 있습니다. 그러나 마이크로컴퓨터 보호 자체가 요구하는 부하는 매우 낮습니다. 잔류 전류 변환기를 설계할 때, 정격 부하는 주로 변환기의 2차 리드 회로 부하를 고려합니다. 마이크로컴퓨터 보호 장치가 일반적으로 실외에 설치된 기둥형 회로 차단기와 멀리 떨어져 있으므로, 변환기의 정격 부하는 일반적으로 상대적으로 크며, 최대 약 200Ω (이 부하는 사용자의 실제 상황에 따라 결정될 수 있습니다)로 선택됩니다.
일차 및 2차 권선 회수, 코어 모양 및 재료 선택
마이크로컴퓨터 보호용 잔류 전류 변환기는 매우 높은 감도가 필요하며 신속하고 정확하게 반응해야 합니다. 감도는 변압기의 2차 권선이 누설 전류에 반응하는 능력을 의미하며, 다음과 같이 설명할 수 있습니다: 특정 양의 누설 전류에서, 다른 변압기보다 더 높은 유도 전동력이 있으면, 그 변압기의 감도가 더 높습니다.
감도는 변압기의 일차 및 2차 권선 회수와 관련이 있습니다. 2차 권선의 회수가 많을수록 감도가 높아집니다. 잔류 전류 변환기는 3상 일차 전도체에 직접 설치되며, 일차 전선은 보호 라인으로, 일차 권선 회수는 1입니다. 일차 권선 회수를 늘리는 것은 실질적으로 불가능합니다.
2차 권선의 유도 전동력 U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, 여기서:
I1은 정격 일차 전류를 나타냅니다.
S는 철심의 단면적입니다.
μ는 자기 투과율입니다.
f는 주파수입니다.
N2는 2차 권선의 회수입니다.
공식에서 알 수 있듯이, 변환기의 설치 위치 제한으로 인해 변환기의 외부 치수는 매우 크지 않아야 합니다. 따라서 변환기의 철심 단면적은 상대적으로 작습니다. 변환기의 감도를 향상시키기 위해서는 2차 권선 회수를 늘리거나, 변환기의 철심 자기 투과율을 향상시켜야 합니다.
실외 회로 차단기의 정격 일차 전류는 기본적으로 630A 이하입니다. 변환기의 철심 단면적이 작다는 것을 고려할 때, 높은 감도를 확보하기 위해 실험을 통해 2차 권선 회수는 일반적으로 1500에서 2000 회수 사이로 초기 설정됩니다. 구체적인 회수는 마이크로컴퓨터가 요구하는 변환기의 2차 부하 및 2차 출력 전압에 따라 결정됩니다.
철심 단면적, 회수, 2차 부하가 결정되면, 변압기의 2차 유도 전동력(즉, 감도)에 영향을 미치는 매개변수는 철심의 자기 투과율뿐입니다. 따라서 변압기에 사용되는 철심의 재료를 결정하는 것이 매우 중요합니다. 나중에 언급할 변압기의 선형성과 잔류 특성도 철심 재료와 밀접한 관련이 있습니다.
표 1의 데이터를 분석하면, 나노결정 합금과 메트글라스 모두 가장 높은 자기 투과율을 가집니다. 그러나 메트글라스는 상대적으로 낮은 포화 유도 강도를 가지고 있으며, 시장에서 가격이 비싸기도 합니다. 종합적으로 고려할 때, 우리는 우선적으로 나노결정 합금을 재료로 선택합니다. 변압기의 감도는 철심의 자기 투과율과 비례하며, 철심의 형태와 자기 회로의 길이와도 직접적인 관계가 있습니다.
일반적으로, 철심에 고자성 재료를 사용하여 변압기의 감도를 향상시키는 것 외에도, 가능한 한 철심의 자기 회로를 짧게하여 자기 누설을 줄이고 철심의 활용률을 보장하려고 합니다. 일반적으로 원형 철심은 가장 짧은 자기 회로를 가집니다. 그러나 실외 기둥형 회로 차단기의 3상 일차 전도체가 일직선으로 나란히 배열되기 때문에, 공간이 허용되는 경우, 철심은 회로 차단기의 3상 일차 전도체의 배열 형태와 간격에 따라 타원형으로 설계되어야 합니다. 변압기의 형태와 일차 전도체와의 위치 관계는 도 1에 표시되어 있습니다.
잔류 전류 변환기는 회로에서 이상 누설 상태에 신속하게 반응하고 마이크로컴퓨터 보호 장치에 실행 가능한 전압 신호를 제공해야 합니다. 변환기는 회로의 작동 상태를 사실대로 반영하기 위해 우수한 선형성을 가져야 합니다. 선형성은 변압기의 입력 전류 변화량과 출력 전압 변화량의 비율이 일정한 것을 의미하며, 도 2에 표시되어 있습니다.
변압기의 2차 유도 전동력(즉, 감도)에 영향을 미치는 매개변수는 철심의 자기 투과율뿐입니다. 따라서 변압기에 사용되는 철심의 재료를 결정하는 것이 매우 중요합니다. 나중에 언급할 변압기의 선형성과 잔류 특성도 철심 재료와 밀접한 관련이 있습니다.
회로에서 회로 차단기의 최소 일차 운전 전류는 일반적으로 10A 미만이어야 합니다. 따라서 변압기의 일차 전류가 10A 미만일 때, 변압기의 입력 전류 변화량과 출력 전압 변화량의 비율이 선형일수록 사용 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있습니다. 변압기의 선형성 요구 사항은 반복 테스트가 필요합니다.
특정 철심 자기 투과율과 2차 부하 조건에서, 철심의 단면적이나 2차 권선 회수를 조정하여 변압기의 전압 출력이 선형적으로 변하도록 보장할 수 있습니다. 그러나 실제 회로에서는 변압기가 마이크로컴퓨터 보호 장치에 정확한 전압 신호를 제공하는 데 영향을 미치는 다른 요소가 종종 있습니다.
변압기를 설치할 때, 일직선으로 나란히 배열된 3상 전도체에 슬립온 방식으로 장착해야 합니다. 일차 전도체가 정격 전류를 통과할 때, 잔류 전류 변환기는 3상 전류가 생성하는 자기장의 간섭을 받게 되며, 철심의 일부 지역의 자기 플럭스 밀도가 증가합니다. 만약 철심의 일부 지역이 포화 상태에 도달하면, 변압기의 선형성이 저하되어 2차 출력 전압의 크기에 심각한 영향을 미칩니다. 결과적으로, 마이크로컴퓨터 보호 장치가 오작동하거나 작동하지 않을 수 있습니다.
실제 작동 중, 잔류 전류 변환기가 대규모 대지 결함 전류의 충격을 받은 후, 보호 동작이 완료되고 전력 공급이 재개되어 계속 작동할 때, 변압기의 기술적 매개변수가 충격 이전의 상태로 돌아가지 않는다면, 즉, 변압기의 철심에 잔류 자기가 남아있을 경우, 다음 누설 보호기의 정확한 동작에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
이 잔류 전류 변환기를 설계할 때, 다음 사항을 주의해야 합니다:
철심은 자기 투과율이 높고 잔류 자기가 낮은 나노결정 합금으로 만드는 것이 좋습니다. 이 재료는 과전류 충격 시 쉽게 초기 자기 상태로 돌아갈 수 있으며, 일차측에서 다양한 대지 결함 전류를 시뮬레이션하여 변압기의 잔류 전압을 제어하고 검출할 수 있습니다. 그러나 변압기의 잔류 전압은 일반적으로 정격 일차 전류가 증가할수록 증가합니다. 그러나 철심이 자기 포화 상태에 도달하면, 변압기의 2차측 잔류 전압이 급격히 증가합니다.
변압기를 설계할 때, 일차 전류가 잔류 전류 변환기의 잔류 전압 값에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 자기 투과율이 높고 잔류 자기가 낮은 나노결정 합금을 철심으로 선택하면서, 철심의 단면적을 적절히 늘리거나 2차 권선의 내부 저항을 줄이는 등의 조치를 함께 취하여 잔류 전류 변환기의 잔류 전압을 줄일 수 있습니다.
