35kV 야외 복합 변압기의 측정 이상 분석 및 처리

1. 소개

결합 변압기에서 PT 소모와 일차측 융단 용융이 자주 발생하면 에너지 미터 측정이 부정확해지고 전력망의 안전한 운영을 심각하게 위협합니다. 이 논문은 35kV 결합 변압기의 반복적인 PT 손상과 융단 용융 문제를 중점적으로 다루고, 고장 원인을 조사하며 해결책을 제안하고, 수정 계수를 통해 잘못된 전력량을 복구하여 그리드 손실을 효과적으로 줄이고 서비스 위험을 완화합니다.

1.1 결합 변압기 소개

전력 시스템에서 결합 변압기는 측정 및 보호 장치의 핵심 구성 요소입니다. 전압 변압기(PT)와 전류 변압기로 구성되어 일차 및 이차 코일 간의 턴 차이를 이용하여 큰 일차측 전류와 높은 전압을 이차측 기기와 중계 보호에 적합한 작은 전류와 전압으로 변환합니다. 동시에 일차 및 이차 사이드 간의 전기적 격리를 달성하여 이차측 인원과 장비의 안전을 보장합니다.

2. 결합 변압기 고장의 위험

전력 시스템에서 결합 변압기의 PT는 고전압 신호를 저전압 신호로 변환하여 측정/보호 장치에 공급하는 역할을 합니다. PT가 손상되거나 고전압 융단이 용융되면 다음과 같은 위험이 있습니다:

• 측정 정확도 저하 : PT 손상과 융단 용융은 전기 에너지 측정 시스템에서 오류를 유발하여 측정 정확도에 영향을 미치고, 전력 공급 기업과 사용자 간의 분쟁을 초래할 수 있습니다.

• 장비 고장률 증가 : PT 손상은 시스템 전압 불균형(과도히 높거나 낮음)을 초래하여 시스템 안정성을 방해할 수 있으며, 변압기 고장은 보호 장치의 비정상 작동을 유발하여 다른 장비의 고장 위험을 증가시킵니다.

• 개인 안전 위협 : 결합 변압기는 고전압 장비입니다. 손상은 절연 파괴와 누설을 초래하여 운용 및 유지 관리 인원의 개인 안전을 위협할 수 있습니다.

3. 결합 변압기의 과전압 고장 원인

실제 운영 중에는 결합 변압기가 고전압 융단 용융과 PT 소모를 자주 경험합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다:

• 페로마그네틱 공진 과전압 : 페로마그네틱 구성 요소는 정격 전압에서는 선형입니다. 고장 시 자기 회로가 포화되고 인덕턴스가 비선형으로 변화합니다. 이를 시스템 커패시턴스와 함께 진동 회로를 형성하여 지속적인 페로마그네틱 공진을 유발합니다. 과전압은 PT 고전압 융단의 자주적인 용융과 소모를 유발하여 그리드 안전을 위협합니다.

• 과도한 이차 부하 : 과도한 이차 부하는 변압기에 많은 열을 발생시키고 열 방출이 어려워 내부 권선 온도가 너무 높아져 결국 PT가 소모됩니다.

• 일차-이차 사이드 단락 : PT의 일차/이차 사이드에서 단락이 발생하면 큰 전류가 발생하여 고전압 융단이 용융되고 장비가 소모됩니다.

• 스위칭 과전압 : 부적절한 운용으로 과전압이 발생하여 PT 고전압 융단이 용융됩니다.

• 번개 과전압 : 직접적이거나 유도된 번개 과전압은 권선 절연을 파괴하여 장비를 손상시킵니다.

4. 사례 분석
4.1 기본 사용자 정보

2021년 8월 23일, 35kV 사용자의 결합 변압기에서 A상 PT 소모 고장이 발생하여 에너지 미터 측정이 부정확해졌습니다. 이전 해에 이 결합 변압기는 3회의 고장을 겪었습니다. 2021년 1월 이전까지 사용자는 35kV Shazi 변전소로부터 정상적인 측정으로 전력을 공급받았습니다. 2021년 8월 이후, 전력 공급은 110kV Zhoujiaba 변전소의 35kV 출구선(주완선 #353과 주리선 #354 더블 서킷 전력 공급)으로 변경되었습니다. 총 선로 길이는 약 1.5km이며, 35kV 측은 아크 억제 코일을 통해 접지됩니다. 측정점은 110kV Zhoujiaba 변전소의 2회선 35kV 출구선에 설정되어 있습니다. 일차 배선은 그림 1에 표시되어 있습니다.

4.2 측정점 및 고장 타임라인

두 측정점 모두 35kV 결합 변압기를 사용하며, 3상 3선 연결과 V/V 연결을 사용합니다. 그 중:

• 35kV 주리선 #354 (측정점 2): 정상 작동, 고장 없음;

• 35kV 주완선 #353 (측정점 1): 자주적인 고장.

고장 타임라인:

• 2021년 8월 23일: 첫 번째 PT 소모, Henan Xinyang Hutong Electric Co., Ltd. 제품으로 교체;

• 2022년 3월 4일: 다시 PT 소모, Jiangxi Gandi Electric Co., Ltd. 결합 변압기로 교체;

• 2022년 6월 13일: C상 고전압 융단 용융, 전압 손실;

• 2022년 9월 21일: A상 고전압 융단 용융, 다시 전압 손실.

4.3 고장 분석

고장 발생 시 사용자의 부하가 적었으며, 이차 배선은 정상적이었고 단락은 없었습니다. 검사 결과:

• 선로 접지 저항은 규정을 준수하였으며, 비효율적인 접지 시스템에 속합니다. 접지 고장은 번개 전류가 방전되지 못하게 하여 융단 용융을 유발할 수 있습니다;

• 운영 및 유지 관리 중 과전압은 없어 인간 요인이 제거되었습니다.

고장 현상과 일반적인 원인을 종합하여 주요 원인은 페로마그네틱 공진 과전압으로 판단되며, 구체적인 트리거 시나리오는 다음과 같습니다:

• 접지 고장에 의한 트리거: 선로에서 단상 접지가 발생하면 PT 권선과 선로 대지 커패시턴스가 병렬 회로를 형성하여 페로마그네틱 공진의 조건을 충족합니다. 단상 접지는 다른 두 상의 전압을 상승시키고, 철심이 빠르게 포화되며, 공진으로 인해 권선 전류가 급증하여 고전압 융단이 용융됩니다. 장시간의 과전류는 또한 PT를 소모시킵니다.

• 부적절한 운용에 의한 트리거: 시스템의 3상 부하는 기본적으로 균형을 이루지만, 스위칭 작업 중 3상이 동기화되지 않으면(폐쇄/개방이 동시에 이루어지지 않음) 전압 변압기 권선과 철심에서 인러시 전류가 발생하여 철심 포화를 유발하고, 페로마그네틱 공진 과전압을 트리거합니다.

4.4 해결책

고장 원인을 분석한 후 다음 조치를 취합니다:

• 하모닉 제거 장치 설치: 변전소의 35kV 버스 측에 1세트의 하모닉 제거 장치를 설치하여 페로마그네틱 공진의 재발을 억제합니다.

• 이차측 과전압 보호: 이차측에 과전압 보호 장치를 설치하여 환경 요인으로 인한 과전압을 저항하고 변압기 내부 절연을 보호합니다.

• 하모닉 감지 및 처리: 현장 전기 에너지 미터 교정기로 이차 전압의 하모닉을 감지합니다. 이상이 있을 경우 사용자에게 처리하도록 독려하여 GB/T 14549-1993 "전력 품질 - 공공 전력망의 하모닉"을 준수하도록 합니다: 35kV 전압의 총 하모닉 왜곡률 ≤ 3%, 홀수 차 하모닉 ≤ 2.4%, 짝수 차 하모닉 ≤ 1.2%.

실행 효과: 조치가 실행된 후 결합 변압기는 정상적으로 작동하며, PT 소모나 융단 용융 고장은 없습니다.

4.5 전력량 조정 계산

전기 에너지 측정의 정확성은 전력 공급 및 소비 당사자의 경제적 이익과 관련이 있습니다. 고장 시 전력량 조정이 필요합니다. 이 논문은 세 번째 고장을 예로 들어 수정 계수 방법을 사용하여 계산합니다:

원칙: 정확한 측정과 부정확한 측정 중 활성 전력 비교를 통해 수정 계수 k를 얻고, 이를 통해 조정 전력량 \(\Delta W\)를 계산합니다. 3상 부하 균형을 가정하면 수정 계수 k의 공식은 다음과 같습니다:

(1) 수정 계수 k 해석

k > 1일 때, 정확한 측정 중의 활성 전력이 부정확한 측정 중의 활성 전력보다 큽니다. 고장 중 에너지 미터는 전력을 부족하게 측정하므로 고객은 전력량을 보충해야 합니다. k = 1일 때, 에너지 미터는 정확하게 측정합니다. 0 < k < 1일 때, 에너지 미터는 전력을 과다하게 측정하므로 고객에게 전력량을 환불해야 합니다. k < 0일 때, 에너지 미터는 역방향으로 작동하여 고객은 전력량을 보충해야 합니다.

(2) 사용자 관련 측정 매개변수

사용자의 수용 용량은 2500 kVA이며, 측정 방법은 고공급 고측정(고전압 결합 측정 박스로 측정)입니다. 전압 비율은 35000 V/100 V, 전류 비율은 50 A/5 A입니다. 종합 측정 배수는 3500입니다. 에너지 미터의 용량은 3&times;100 V/3&times;1.5 - 6 A이며, 정확도는 0.5S입니다.

사용자의 세 번째 고장은 2022년 6월 13일에 발생하여 C상에서 전압 손실이 발생했습니다. 2022년 8월 4일 오전 8시경 전력이 복구되었습니다. 2022년 7월 1일부터 시간대별 전력 가격이 시행되었습니다. 시스템 전압, 전력, 전력 인자 등 수집된 데이터는 표 1에 표시되어 있습니다.

첫 번째 단계의 조정 전력량 계산

표 1에서 볼 수 있듯이, 2022년 6월 13일부터 2022년 6월 30일까지 A상의 전압은 정상이며, 평균 전력 인자는 0.82이고, 요소 각도는 34&deg;(L)입니다. 그러면 전력 인자 각 &phi;=4&deg;(L)입니다. 부하가 균형을 이루는 것으로 가정하면 수정 계수는 다음과 같습니다:

조정 전력량 계산은 다음과 같습니다:

공식 (2)과 공식 (3)에서 k > 1임을 알 수 있으므로, 전력이 부족하게 측정되었으므로 15,134 kWh의 추가 전력량을 복구해야 합니다.(2) 두 번째 단계의 조정 전력량 계산. 2022년 7월 1일부터 2022년 8월 4일까지 A상의 전압은 정상이며, 평균 전력 인자는 0.87이고, 요소 각도는 29&deg;(L)입니다. 그러면 전력 인자 각 &phi;=0&deg;입니다. 부하가 균형을 이루는 것으로 가정하면 수정 계수는 다음과 같습니다:

조정 전력량 계산은 다음과 같습니다:

공식 (4)과 공식 (5)에서 k > 1임을 알 수 있으므로, 전력이 부족하게 측정되었으므로 51,996 kWh의 추가 전력량을 복구해야 합니다.총 복구해야 하는 조정 전력량:

5. 결론

실제 운영 중 결합 변압기는 자주 소모되며 고전압 융단이 용융되어 그리드 안전을 심각하게 위협합니다. 이러한 문제는 일반적으로 공진 과전압, 부적절한 장비 설계/선택 및 매개변수 불일치로 인해 발생합니다.

고장 분석 시: 먼저 변압기 결함을 확인하고 고전압 융단 용량을 검증합니다. 그 다음, 공진 과전압을 해결하기 위해 적절한 일차 하모닉 제거 장치를 설치합니다. 사고 발생 후 신속하게 대응하고 올바르게 처리하여 사태 확산과 사회적 영향을 방지합니다. 마지막으로 경험을 통해 고장 처리 능력을 향상시키고 그리드 안전을 보장합니다.