건설 현장에서의 변압기 접지 보호 기술 분석

현재 중국은 이 분야에서 일정한 성과를 달성했습니다. 관련 문헌에서는 원자력 발전소 저압 배전 시스템의 접지 고장 보호를 위한 전형적인 구성 방안을 설계하였습니다. 국내외 사례 분석을 통해 원자력 발전소 저압 배전 시스템의 접지 고장이 변압기 제로시퀀스 보호의 오작동을 초래한 원인을 파악하였으며, 이러한 전형적인 구성 방안을 바탕으로 원자력 발전소 보조 전력 시스템의 접지 고장 보호 조치 개선 제안을 하였습니다.

관련 문헌에서는 차동 전류와 제한 전류의 변화 패턴을 연구하고, 차동 전류와 제한 전류 사이의 비율을 계산하여 이러한 고장 조건 하에서 주 변압기 비율 차동 보호의 적응성을 정량적으로 분석하였습니다.

그러나 위의 방법들은 여전히 해결해야 할 많은 문제들을 가지고 있습니다. 예를 들어, 과도한 접지 저항, 부적절한 접지 방법 선택, 불충분한 번개 보호 접지 조치 등—이러한 문제들은 모두 변압기 고장을 유발하고 심지어 안전사고를 일으킬 수 있습니다. 따라서 공사 현장에서 변압기 접지 보호 기술에 대해 더 깊이 있는 연구와 분석을 수행하고, 최신 연구 결과와 기술 발전을 통합할 필요가 있습니다.

이 연구를 통해 변압기 접지 보호 기술의 이론적 수준을 향상시키는 것은 물론 실제 건설 프로젝트에 실용적이고 실행 가능한 솔루션과 조치를 제공할 수 있습니다. 이 연구가 학자들로부터 공사 현장에서의 변압기 접지 보호 기술에 대한 더 많은 관심과 강조를 받기를 바라며, 이 분야의 발전을 공동으로 촉진하기를 기대합니다.

1 변압기 접지 방법 결정

전통적인 변압기 중성점 직접 접지 방법은 특정 조건 하에서 과도한 단락 전류를 발생시켜 장비를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 중성점 저저항 접지 방법이 제안되었습니다. 중성점 저저항 접지는 변압기 중성점과 지구 사이에 저저항을 연결하여 변압기 접지 전류를 효과적으로 제어하는 효과적인 변압기 접지 방법입니다. 이 접지 방법은 접지 전류의 크기를 조절하고 번개 및 과전압의 영향을 줄여 운전 안정성을 향상시키는 동시에 단락 전류를 제한하여 장비 손상 위험을 줄일 수 있습니다.

구체적으로, 공사 현장에서 변압기에 중성점 저저항 접지를 구현할 때, 첫 번째 단계는 적절한 접지 저항 값을 결정하는 것입니다. 오ーム의 법칙에 따르면, 접지 저항 값은 접지 전류와 접지 전압과 반비례합니다. 따라서 중성점 저저항 접지 방법의 접지 저항 값을 선택할 때, 먼저 저항 값을 결정해야 하며, 계산식은 다음과 같습니다:

공식에서 R₀는 접지 저항기의 저항 값, U₀는 공사 전기 시스템의 평균 정격 전압, I₀는 중성점 저항을 통과하는 전류를 나타냅니다. 공식 (1)의 계산에 따라 단락 전류를 효과적으로 제한하면서 변압기에 과도한 영향을 미치지 않는 적절한 접지 저항 값을 선택해야 합니다.

다음은 접지선의 단면적과 재료 등의 매개변수 결정입니다. 접지선 재료는 우수한 도전성과 부식 저항성을 갖추어야 하며, 이를 통해 수명과 신뢰성을 보장해야 합니다. 본 연구는 공사 현장에서의 변압기 접지의 실제 조건을 종합적으로 고려하여 납 도금 구리 선을 접지 도체로 선택하였습니다. 이 재료는 좋은 도전성, 편리한 배선, 강한 부식 저항성을 갖추어 중성점 저저항 접지 방법의 요구사항을 충족합니다.

접지선의 단면적은 그 저항 값에 직접 영향을 미치며, 이는 다시 접지 전류에 영향을 미칩니다. 따라서 다음 공식을 기반으로 적절한 접지선 단면적을 선택합니다:

공식에서 S는 중성점 저저항 접지 방법의 접지선 단면적, η는 중성점 접지 저항과 변압기 접지 저항 간의 비율 계수, T는 접지선의 허용 온도 상승을 나타냅니다. 마지막으로, 접지 전극의 매설 깊이를 결정해야 합니다. 혹독한 환경에서도 접지 전극의 안정적인 작동을 보장하기 위해, 그 매설 깊이는 공사 현장의 동토층 두께를 초과해야 합니다. 이를 통해 접지 시스템의 신뢰성과 안전성을 포괄적으로 보장합니다.

요약하면, 공사 현장에서 변압기 접지를 구현할 때, 중성점 저저항 접지 방법을 채택하고, 저항 값, 접지선 단면적, 재료 선택, 접지 전극의 매설 깊이 등 접지 매개변수를 합리적으로 설정함으로써, 공사 중 변압기의 안정적인 작동을 위한 견고한 기반을 제공합니다.

2 변압기 접지 보호 방안 설계

위의 내용에 따르면 건설 현장에서 변압기 접지 보호 기술에 중성점 저항 접지 방법이 채택되었습니다. 이 접지 방법은 주로 저항을 통해 변압기 접지 전류를 효과적으로 제어합니다. 변압기 작동 중 다양한 고장이 발생할 수 있으며 가장 일반적인 것은 단상 접지 고장입니다. 단상 접지 고장은 변압기의 한 상 권선과 지구 사이에 단락이 발생하면서 다른 두 상은 정상적으로 작동하는 것을 의미합니다. 이 고장은 변압기의 중성점 전위 변화를 초래하여 세 상 전류 불균형을 유발합니다. 이러한 특성을 활용하여 변압기의 세 상 전류 불균형을 기반으로 한 보호 방안이 제안됩니다:

첫 번째는 제로 시퀀스 섹션 I 보호로 그 설정 계산 공식은 다음과 같습니다:

공식에서 I₁은 건설용 변압기의 제로 시퀀스 보호 동작 전류 값이며 γ₁은 신뢰성 계수이고 γ₂는 제로 시퀀스 분기 계수입니다. I₂는 건설용 변압기의 인접 구성 요소의 제로 시퀀스 보호 동작 전류 값을 나타냅니다. 공식 (3)에 따라 제로 시퀀스 섹션 I 보호의 전류 값을 계산한 후 섹션 I 보호의 동작 시간은 일반적으로 다음 단계의 제로 시퀀스 보호 동작 시간보다 약 0.5초 더 길게 설정됩니다.

다음은 제로 시퀀스 섹션 II 보호입니다. 그 보호 전류 값의 계산 공식은 제로 시퀀스 섹션 I 보호와 동일하며 즉, 보호 전류도 공식 (3)에 따라 얻지만 동작 시간이 다르며, 제로 시퀀스 섹션 I 보호의 동작 시간보다 약 0.3초 증가해야 합니다.

마지막으로 제로 시퀀스 전압 보호가 있습니다. 건설 현장에서 변압기의 단상 접지 고장 중 중성점이 고유의 감도를 잃을 수 있다는 점을 종합적으로 고려하면, 제로 시퀀스 전압 보호의 동작 전압은 단상 접지 고장 중 보호 설치 지점에서 나타나는 최대 제로 시퀀스 전압보다 낮아야 합니다. 제로 시퀀스 전압 보호 전압 값은 주로 다음 공식에 따라 결정됩니다:

공식에서 U₁은 제로 시퀀스 전압 보호의 동작 전압이고 U₂는 세 개의 부속 권선의 정격 전압을 나타냅니다.

요약하면, 완전한 세 상 전류 불균형 보호 방안을 형성하기 위해서는 제로 시퀀스 섹션 I, 제로 시퀀스 섹션 II, 그리고 제로 시퀀스 전압 보호의 계산 공식을 포함한 일련의 복잡한 계산이 필요합니다. 이러한 공식들의 도출 및 적용은 건설 현장에서 발생하는 단상 접지 고장의 종류와 심각성을 더 정확하게 판단하는 데 도움이 됩니다. 이 보호 방안은 접지 고장을 빠르게 위치 파악하고 격리할 수 있을 뿐만 아니라 접지 고장으로 인한 정전 사고의 확률을 줄이는 데에도 기여합니다. 또한 중성점 저항 접지 방법과 결합하여 건설용 변압기에 대한 포괄적인 접지 보호 구조를 형성하여 변압기의 안전한 작동을 강력히 보호합니다.

3 실험 분석

앞서 언급된 변압기 접지 보호 기술의 효과를 검증하기 위해 본 장에서는 전력 시스템 시뮬레이션 소프트웨어 PowerFactory를 사용하여 변압기 접지 보호 시뮬레이션 실험을 수행할 것입니다. 먼저 시뮬레이션 소프트웨어에서 건물 전기 시스템 모델을 구축하는데, 이 모델은 주로 변압기, 고저압 선로, 부하 등 설비를 포함합니다. 표 1은 실험용 변압기의 모델 및 매개변수 사양을 나타냅니다.

트랜스포머의 구체적인 구조는 도표 1에 표시되어 있습니다.

그 후 중성점 저저항 접지, 중성점 고저항 접지, 소멸 코일을 사용한 중성점 접지라는 세 가지 다른 접지 방법을 각각 사용하여 트랜스포머 접지 보호 시뮬레이션 실험을 수행했습니다. 접지 방법을 설정할 때, 중성점 저저항 접지 방법에서는 저항 값이 작은 저항을 선택하여 특히 0.5 Ω로 설정하여 저저항 접지 효과를 시뮬레이션하였고, 중성점 고저항 접지 방법에서는 저항 값이 큰 저항을 선택하여 10 Ω로 설정하여 고저항 접지 특성을 시뮬레이션하였습니다.

실험 중에는 단상 접지 고장 상태에서 트랜스포머의 접지 전류 수준을 시뮬레이션하였습니다. 고장 위치는 트랜스포머의 저전압 측에서 한 상선의 중간 지점으로 설정되었으며, 고장 저항은 100 Ω로 설정하여 접지 고장 중의 접지 저항을 시뮬레이션하였습니다. 고장 시뮬레이션 과정에서 고속 샘플링 데이터 수집 시스템을 사용하여 접지 전류 데이터를 기록하였으며, 샘플링 주파수는 1초당 1000회로 설정하여 접지 전류의 미세한 변화를 포착하도록 하였습니다.

고장 발생 시점의 접지 전류 값을 기록하는 것 외에도, 고장 발생 후 0.1초, 0.5초, 1초, 5초, 10초 등의 여러 시간 지점을 설정하여 서로 다른 시간 지점에서의 접지 전류 변화를 관찰하였습니다. 실험 결과의 임의성을 피하기 위해 접지 전류 데이터를 10번 기록하고 평균값을 최종 실험 결과로 삼았습니다. 도표 2는 다양한 접지 방법에서의 트랜스포머 접지 보호 효과 비교를 제공합니다.

도표 2에 나타난 바와 같이, 시뮬레이션 분석은 중성점 저저항 접지, 고저항 접지, 소멸 코일 접지 방법에서 단상 고장 상태의 트랜스포머 접지 전류 특성을 비교하였습니다. 결과는 트랜스포머의 단상 접지 고장 시, 중성점 저저항 접지 방법에서의 접지 전류가 중성점 고저항 접지 및 중성점 소멸 코일 접지 방법보다 현저히 높다는 것을 나타냅니다.

설계된 접지 보호 기술 하에서, 평균 트랜스포머 접지 전류는 70.11 A로, 대조군 기술과 비교하여 각각 43.44 A와 21.62 A 증가하였습니다. 이는 고장 지점의 아크 강도를 줄이고 고장의 자동 제거 능력을 가속화하는 데 도움이 됩니다. 따라서 설계된 접지 보호 기술은 실용적 적용에 적합하며, 특히 건설 현장에서 트랜스포머의 단상 접지 고장에 대한 효과적인 보호를 제공하여 트랜스포머의 운영 안전을 효과적으로 보호합니다.

4. 결론

건설 현장의 트랜스포머를 위한 접지 보호 기술은 중성점 저저항 접지 방법을 기반으로 제로 시퀀스 과전류 보호 방안을 제안합니다. 비교 실험을 통해 설계된 접지 보호 기술이 트랜스포머 단상 고장에 대한 주요 보호에서 우수함이 입증되었습니다. 일부 연구 성과가 있음에도 불구하고 여전히 특정 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, 실험 조건과 데이터 샘플이 충분하지 않을 수 있으므로, 결론의 일반성을 더욱 검증해야 합니다.

향후 연구는 다음과 같은 영역에 집중할 수 있습니다. 첫째, 실험 범위를 확장하고 데이터 샘플을 늘려 결론의 정확성과 일반성을 향상시키는 것입니다. 둘째, 다른 보호 방안과 기술에 대해 심층적인 연구를 수행하여 더 효율적이고 신뢰성 있는 트랜스포머 접지 보호 방법을 탐색하는 것입니다. 마지막으로, 실제 공학 응용 프로그램과 함께 더 높은 성능의 보호 장치와 시스템을 개발하는 것입니다.