10KV급 피더 자동전압조정기의 설계 및 응용 측면은 무엇인가요?

농촌 전력망 개조 프로젝트 이후 농촌 배전망은 상당한 개선을 보였습니다. 그러나 지형, 풍경, 투자 규모 등의 제약으로 인해 배치가 최적화되지 않았습니다. 결과적으로 일부 10kV 송전선의 공급 반경이 합리적인 범위를 초과하게 되었습니다. 계절과 낮밤의 변화에 따라 전압 변동이 크게 나타나, 전력 품질 부족 및 상대적으로 높은 선로 손실 등의 문제가 발생하여 농민들의 생활과 생산에 심각한 영향을 미치고 있습니다. 따라서 본 논문에서는 새로운 유형의 전압 조정 장치인 피더 자동 전압 조정기를 설계하였습니다.

1. 전압 조정기의 작동 원리

자동 전압 조정기는 입력 전압의 변화를 자동으로 추적하여 안정적인 출력 전압을 유지하는 장치입니다. 이는 6kV, 10kV, 35kV 전력 공급 시스템에서 널리 사용될 수 있으며, 20% 범위 내에서 입력 전압을 자동으로 조정할 수 있습니다. 선로의 시작점에서 1/2 또는 2/3 거리에 설치하면 선로의 전압 품질을 보장할 수 있습니다.

주 변압기에 적재 전압 조정 기능이 없는 변전소에서는 주 변압기의 출구 측에 자동 전압 조정기를 설치하여 적재 전압 조정을 달성할 수 있습니다. 변압기의 2차 측에는 여러 개의 탭이 있으며, 단일 칩 마이크로컴퓨터를 사용하여 트라이아코드의 켜짐과 꺼짐을 제어하여 다양한 수준의 전압 조정을 제공함으로써 피더 전압 조정의 목적이 달성됩니다.

2. 전압 조정기의 탭 변경 동작 전압 설정

피더 전압 조정기는 다양한 부하 조건에 따라 탭을 조정하고 선로 전압에 따라 변비를 변경하여 전압 조정을 수행할 수 있습니다. 7개의 탭과 30%의 전압 조정 범위를 갖추어 농촌 전압 조정 요구 사항을 잘 충족할 수 있습니다.

2.1 전압 조정기의 탭 변경 전압 설정 원리

부하 변동으로 인해 선로 말단의 전압이 변동합니다. 서로 다른 전압 강하에 따라 전압 조정기의 탭 설정을 조정해야 합니다. 그림 1은 일반적인 농촌 전송 전력망을 나타냅니다. 여기서 선로 길이는 L km로 설정되고, 선로 말단의 전력은 S = P + jQ MVA로 설정됩니다.

변속 기어 변경 요구 사항: 선로 말단의 전압이 7% 범위 내에서 변동하도록 하되, 일반적으로 기어 건너뛰기는 허용되지 않으며, 기어 변경 횟수는 가능한 한 적어야 합니다.

변비를 K, 선로 시작점의 전압을 U₀, 선로 말단의 전압을 U₁, 전압 조정기의 입력 전압을 U_in, 출력 전압을 U_out로 가정하며, U_out = K * U_in와 같습니다.

U₁ = U_out - ΔU₁.

여기서 ΔU₁는 전압 조정기 설치 지점부터 선로 말단까지의 전압 강하이며, x는 전압 조정기 설치 지점부터 선로 시작점까지의 거리입니다. 따라서:

(U₀ - U_in)는 선로 시작점부터 전압 조정기 설치 지점까지의 전압 강하입니다. α = U₀/U_out는 전압 조정기 설치 지점 앞뒤의 선로 전압 수준 비율입니다. (L - x)/x = K₁로 놓고 대입하면:

그 중 선로 말단의 전압 U₁은 9.7 < U₁ < 10.7의 제약 조건을 만족해야 합니다. 이를 위 공식에 대입하면, K가 알려진 조건 하에서 U_in의 범위를 얻을 수 있습니다. 그러나 명백히 U₀/U_out의 존재로 인해 일변수 이차 방정식을 풀어야 하며, 근의 문제도 발생합니다. 이 논문에서는 이 방정식을 단순화하였습니다.

α = U₀/U_out의 분석에서, U_out과 U₁은 같은 증감 경향을 보입니다. U₀는 상수이므로, α = U₀/U_out은 U₁과 역비례합니다. 또한 U₁ = 9.3일 때, α ≈ 1이고, U₁ = 10.7일 때, α는 약간 1보다 작은 값을 가집니다. 따라서 제약 조건은 다음과 같이 작성할 수 있습니다:

즉:

2.2 설정 예시

공식 (5)에서 볼 수 있듯이, 실제로 기어 변경 동작의 설정은 전압 조정기의 입력 전압 U_in과 전압 조정기 설치 지점에서 선로 길이까지의 거리 비율 K_t만 관련됩니다. 선로 말단의 실제 부하를 측정할 필요가 없으므로 실제 공학의 어려움을 크게 단순화합니다.

특정 실제 전송선을 예로 들어보겠습니다. 여전히 그림 1의 모델을 사용합니다. 전송선의 길이는 20km이며, 전압 조정기는 일반적으로 선로 중앙에 설치됩니다. 여기서 선로 시작점에서의 거리는 x = 9km로, K_t = 11/9입니다. 이를 공식 (5)에 대입하면 다음과 같습니다:

특정 기어 위치에서, 선로 말단의 전기 에너지 품질 요구 사항을 충족하는 입력 전압 범위는 상한과 하한이 있으며, 이것이 해당 기어의 동작 전압(변경 전압)입니다. 각 기어는 그에 해당하는 동작 전압을 가지며, 이러한 관계는 수직선에서 더 직관적으로 볼 수 있습니다.

그 중 기어 1은 일반적인 조건에서는 입력 전압이 이 기어의 상한을 초과하지 않으므로 사용되지 않습니다. 기어 1은 단상 접지 단락과 같은 특수 운전 조건에서 오류 허용 운전으로 사용할 수 있습니다. 다음은 기어가 동작 전압에 도달했을 때의 전환 조건을 설명합니다:

기어 4에서 하향 변속할 때, 직접 기어 2로 하향 변속합니다. 이는 기어 3과 기어 4의 하행 동작 한계가 매우 가까워서, 기어 4에서 기어 3으로 하향 변속한 후에도 즉시 기어 2로 하향 변속해야 할 가능성이 있기 때문입니다. 이로 인해 동작 횟수가 증가하므로, 동작 횟수를 줄이기 위해 크로스 기어 변속이 허용됩니다.

3. 기어 변경 제어기 설계

현재 일반적으로 채택되는 기어 변경 방법은 모터를 사용하여 기어 스위치 블레이드를 움직이는 것입니다. 그러나 모터의 신속하고 정확한 회전을 어떻게 보장할 것인지 항상 문제가 되었습니다. 더 나은 제어 효과를 달성하기 위해, 이 논문에서는 트라이아코드 제어 시스템을 채택하였습니다.

3.1 트라이아코드 제어 원리

트라이아코드는 약한 전류로 고출력 회로를 제어할 수 있습니다. 피더 전압 조정기는 7쌍의 양방향 트라이아코드를 사용하여 기어를 제어합니다. 그림 2와 같이 각 트라이아코드 쌍은 변압기의 다른 감속선에 연결되어 서로 다른 변비를 대응합니다.

3.2 단일 칩 마이크로컴퓨터 기어 변경 제어기 설계

양방향 트라이아코드의 제어는 TTL 게이트 회로로부터의 전압 구동만 필요하며, 단일 칩 마이크로컴퓨터의 출력 포트에 직접 연결할 수 있습니다. 출력 포트를 절약하기 위해 3개의 포트만 사용하고 외부 3-8 디코더를 연결하여 7개의 기어 위치를 제어합니다. 그림 3과 같습니다.

4. 지능형 제어 시스템 설계

제어 칩을 갖춘 전압 조정기의 경우, 단순히 자동 전압 조정 기능만으로는 충분하지 않으며, 단일 칩 마이크로컴퓨터의 성능을 완전히 활용하지 못합니다. 완전한 제어 시스템은 그림 4와 같이 키보드 입력, 표시 회로, 무선 통신, 외부 클럭, 외부 저장, 고장 보호를 포함합니다.

키보드 입력은 프로그램 조정을 가능하게 하며, 무선 통신은 전압 조정기의 실시간 모니터링을 가능하게 합니다. 외부 클럭은 단일 칩 마이크로컴퓨터의 전원 공급 중단 시 시간 기록을 보장합니다. 외부 저장은 시스템 운영 데이터를 안전하게 저장하여 향후 연구에 활용할 수 있습니다. 고장 보호는 이상 조건 하에서 단일 칩 마이크로컴퓨터가 특수 운전 모드로 진입하여 전력 전송 작업을 수행하고, 고장 시 손상을 방지하며, 계전기 보호 장치와 협력하여 전송선을 보호합니다.

5. 결론

전송선 모델을 구축하고 부하 흐름 계산을 수행함으로써, 전압 조정기의 기어 동작 전압 설정 규칙을 결정했습니다. 변압기 탭 제어에 있어서는 전통적인 기계식 제어를 더 편리하고 빠른 트라이아코드 제어로 대체하여, 간단한 설계와 좋은 제어 효과를 달성했습니다. 피더 자동 전압 조정기는 넓은 전압 조정 범위를 가지고 있어 전송선의 전압 품질을 효과적으로 보장합니다.