분류부터 배선 방식까지, 접지 변압기에 대한 가장 포괄적인 설명

일반적으로 전력 시스템의 6kV, 10kV 및 35kV 전력망은 중성선 비접지 운전 모드를 채택합니다. 전력망의 주 변압기 저전압 측은 일반적으로 삼각형 방식으로 연결되어 있으며, 접지할 수 있는 중성점이 없습니다. 중성선 비접지 시스템에서 단상 접지 사고가 발생하면 선간 전압 삼각형은 대칭을 유지합니다. 따라서 전력 시스템은 1~2시간 동안 사용자에게 전력을 계속 공급할 수 있으며, 용량성 전류는 비교적 작아(10A 미만) 간헐적인 아크를 발생시키지 않습니다. 일부 과도 접지 사고는 자동으로 사라지기도 하여 전력 공급 신뢰성을 향상시키고 정전 사고를 줄이는 데 매우 효과적입니다. 그러나 도시 전력망의 지속적인 확장과 케이블 송전선의 증가로 인해 시스템의 접지 용량성 전류가 급격히 증가하고 있으며, 단상 접지 후 고장 지점을 통해 흐르는 용량성 전류는 매우 커졌습니다(10A 이상).

아크는 쉽게 소멸되지 않으며, 자성 공명 과전압을 발생시켜 간헐적인 아크 방전 접지 과전압을 유발하여 절연 손상, 선로 차단 및 사고 확산을 초래할 수 있습니다.

구체적으로:

단상 접지 아크의 간헐적인 소멸 및 재점화는 최대 4U(U는 정상 상전압의 최대값) 이상의 진폭을 갖는 아크 접지 과전압을 장시간 발생시켜 전기 장비의 절연에 심각한 손상을 입히고 절연이 약한 곳에서 절연 파괴를 일으켜 막대한 손실을 초래할 수 있습니다.

지속적인 아크로 인한 공기 분리는 주변 공기의 절연을 파괴하고 상간 단락을 일으키기 쉽습니다.

강자성 공명으로 인한 과전압은 변압기를 쉽게 소손시키고 피뢰기를 손상시키며, 심지어 피뢰기가 폭발하는 사고를 초래할 수 있습니다. 이러한 결과는 전력망 설비의 절연을 심각하게 위협하고 전력망의 안전한 운영을 저해할 수 있습니다.

단상 접지 사고 발생 시 접지로 흐르는 용량성 전류를 줄이기 위해서는 변압기 중성점에 아크 억제 코일 및 기타 보상 장치를 설치해야 합니다. 따라서 접지 단락 차단 전류를 줄이고 시스템 전원 공급의 신뢰성을 향상시키기 위해 아크 억제 코일을 중성점에 연결할 수 있도록 수동으로 중성점을 설치해야 합니다.

■ 국내외 현재 사용 현황

중국에서 접지 변압기는 일반적으로 Z형 배선(또는 지그재그 배선)을 채택합니다. 투자 비용과 변전소 공간을 절약하기 위해, 변전소 내 장비에 전력을 공급하는 데 사용되는 변압기를 대체하기 위해 접지 변압기에 세 번째 권선을 추가하는 경우가 많습니다. 국가 리액터 표준에 따르면, 접지 변압기의 접지 방식은 직접 접지와 직접 접지로 나눌 수 있습니다. 직접 접지는 리액터, 저항 및 아크 억제 코일을 통해 접지됩니다. 중국에서는 직접 접지 방식이 아직 사용되지 않았지만, 일부 전력 연구 부서에서 이 방식에 대한 논의가 시작되었습니다. 해외에서는 접지 변압기가 일반적으로 Z형 결선을 채택하는데, 이는 10kV 무접지 시스템에 사용되며 배전망의 접지 보호 기능을 구성합니다. 시스템에 접지 고장이 발생하면, 접지 변압기는 순방향 및 역방향 전류에 대해 높은 임피던스를, 역방향 전류에 대해서는 낮은 저항을 나타내어 접지 보호 기능이 안정적으로 작동하도록 합니다.

■ 3상 접지 변압기

삼상 접지 변압기는 Z형 배선(또는 지그재그 배선)을 사용하는 변압기입니다. 일반 변압기와 다른 점은 각 상의 코일을 두 그룹으로 나누어 해당 상의 자극에 역방향으로 감는다는 것입니다. 이러한 연결 방식의 장점은 영순위 자속이 자극을 따라 흐른다는 것입니다. 반면 일반 변압기의 영순위 자속은 누설 회로를 따라 흐릅니다. 따라서 Z형 접지 변압기의 영순위 임피던스는 매우 작습니다(약 10Ω). 반면 일반 변압기의 영순위 임피던스는 훨씬 큽니다. 규정에 따르면 일반 변압기의 아크 억제 코일 용량은 변압기 용량의 20%를 초과할 수 없습니다. 하지만 Z형 변압기는 90%~100% 용량의 아크 억제 코일을 장착할 수 있습니다. 또한 접지 변압기는 아크 억제 코일 외에도 2차 부하를 장착할 수 있어 변전소 변압기를 대체할 수 있으므로 투자 비용을 절감할 수 있습니다.

■ 단상 접지 변압기

단상 접지 변압기는 주로 중성점 및 중성점 접지 저항 캐비닛이 있는 발전기에 사용되어 저항 캐비닛의 비용과 부피를 줄입니다.

■ 작동 특성

(1) 영순환 전류의 출력을 보장하기 위한 낮은 영순환 임피던스.

(2) 무부하 전류를 줄이기 위한 높은 여기 임피던스.

(3) 일일 운영에 필요한 에너지 소비를 절약하기 위해 무부하 손실이 낮습니다.

■ 배선 모드

YNyn 연결

이러한 연결 방식을 사용하는 변압기는 일반적으로 3상 3주식 철심을 채택하며, 고전압 측 중성점에 아크 억제 코일을 연결하여 접지를 구현할 수 있습니다. 그러나 단상 접지 영순환 전류가 고전압 측 권선을 통과할 때, 발생하는 영순환 자기 전위가 2차측 자기 전위와 평형을 이루지 못하고, 동일 방향의 영순환 자속이 3주식 철심 내에서 루프를 형성하지 못하여, 다량의 영순환 자속이 클램프, 오일 및 오일 탱크 본체를 통과하여 폐루프를 형성하게 됩니다. 이로 인해 오일 탱크와 클램프에서 추가 손실이 발생하고, 국부적인 과열이 발생하여 변압기 용량 이용률이 제한됩니다. 중국 전력 부문의 관련 운전 규정에서는 YNyn 연결 변압기의 중성점 연결 아크 억제 코일의 작동 상태에 대해 다음과 같은 규정을 두고 있습니다.

(1) 아크 억제 코일의 용량은 변압기 정격 용량의 20%를 초과해서는 안 됩니다.

(2) 변압기의 아크 억제 코일을 통과하는 영순환 전류에 의해 발생하는 영순환 전압 강하는 정격 위상 전압의 10%를 초과해서는 안 됩니다.

YNd 결선 변압기와 아크 억제 코일 XL의 결선 방식은 2차측 삼각 결선을 통해 영순환 전류의 폐쇄 경로를 제공하여 영순환 리액턴스가 작다는 특징이 있습니다. 또한, 각 코어 컬럼의 1차 및 2차 권선의 영순환 자기 전위가 균형을 이루므로 영순환 누설 전류도 작습니다. 그러나 YN 결선 권선이 외부에 있는 경우, 오일 탱크 및 기타 부품에서 발생하는 영순환 추가 손실을 완전히 피할 수는 없습니다. 아크 억제 코일과 연결하더라도 용량 활용에 제약이 따릅니다. 해외 시험 연구에 따르면 YNd 결선 접지 변압기의 허용 가능한 운전 모드는 다음과 같습니다.

(1) 2차 전체 부하가 정상일 때 YN 측에 연결된 아크 억제 코일의 용량은 변압기 정격 용량의 50%를 초과하지 않아야 합니다.

(2) 2차 부하가 평소 변압기 용량의 50%에 불과한 경우 아크 억제 코일 용량은 변압기의 정격 용량과 같을 수 있습니다.

이 연결의 2차측은 지역 부하 또는 변전소 자체에 전력을 공급할 수 있지만, 삼각 연결 방식은 하이브리드 전력 및 조명 사용자에게 동시에 전력을 공급하기 어렵기 때문에 그 적용 범위가 크게 제한될 것입니다.

YN, 개방형 삼각형 결선은 아크 억제 코일 XL과 연결되며, 이는 YNd 결선과 유사합니다. 개방형 삼각형 결선 방식에서는 개방 삼각형 측면에 저항이나 리액터를 연결하여 변압기의 영순위 리액턴스를 조정할 수 있으며, 저항을 연결하면 네트워크의 자성 공진을 억제할 수도 있습니다. 3상 5주 철심을 사용하면 영순위 임피던스 값을 크게 높일 수 있고, 아크 억제 코일을 생략하는 것도 가능하지만 구조가 복잡해지고 비용이 증가합니다. 또한, 개방형 삼각형 결선은 지역 부하 및 자가용 전력 공급과 같은 특수한 용도에는 적합하지 않아 널리 사용되지 않습니다.

지그재그 연결 변압기는 아크 억제 코일 XL과 연결되는데, 이는 접지 변압기에 흔히 사용되는 연결 방식입니다. 지그재그 연결 방식에서는 동일한 철심 기둥의 상하 권선의 영순위 자기 전위가 크기가 같고 방향이 반대이므로 서로 상쇄되어 영순위 누설 자속이 매우 작아집니다. 따라서 영순위 리액턴스 값도 매우 작아지며, 그 용량은 연결된 아크 억제 코일의 용량과 동일할 수 있습니다.

국내외에서 널리 사용되는 접지 변압기는 주로 이러한 방식으로 연결됩니다. 저전압 측에 yn 접합 방식을 채택하여 국부 전력 또는 변전소 자체 전력을 동시에 공급할 수 있습니다. 저전압 측 용량은 일반적으로 고전압 측 용량보다 작으며, 대부분 80~200kVA 범위 내에 있습니다.

고전압 측 정격 용량은 연결된 아크 억제 코일의 용량과 같을 수 있지만, Z자형 연결은 Y자형 연결보다 권선 수가 1.15배 더 많으므로 접지 변압기의 실제 용량은 아크 억제 코일 용량의 1.15배가 되어야 합니다.

■ 작동 원리

시스템에서 단상 단락 사고 발생 시 접지 변압기의 작동 원리는 일반적인 ZNyn 배선을 통해 설명됩니다. 접지 변압기가 작동 중에 일정 크기의 영순환 전류를 통과할 때, 동일한 철심 기둥에 있는 두 개의 단상 권선을 통해 흐르는 전류는 방향이 반대이고 크기가 같으므로 영순환 전류에 의해 발생하는 자기 전위는 오프셋과 정확히 반대 방향이 되어 영순환 임피던스 또한 매우 작아집니다.

접지 변압기에 고장이 발생하면 중성점에는 보상 전류가 흐를 수 있습니다. 영순위 임피던스가 작기 때문에 영순위 전류가 흐를 때 발생하는 임피던스 전압 강하는 시스템의 안전을 확보하기 위해 최소화됩니다. 접지 변압기는 영순위 임피던스가 낮은 특성을 가지므로, C상에서 단상 접지 고장이 발생하면 C상 접지 전류 I가 대지를 통해 중성점으로 흐르고, 세 부분으로 균등하게 나뉘어 접지 변압기로 흐릅니다. 접지 변압기로 흐르는 세 상 전류의 크기가 같으므로 중성점 N의 변위는 변하지 않고, 삼상 선로 전압은 대칭을 유지합니다.

그러나 제조 과정에서 고전압 권선의 상하 권선 권선 수와 기하학적 치수가 완전히 동일하지 않아, 영순환 전류에 의해 발생하는 자기 전위가 정확히 반대 방향으로 상쇄되지 않고 일정량의 영순환 임피던스(일반적으로 약 6~10Ω)가 발생합니다. 600Ω의 스타 결선 변압기의 영순환 임피던스와 비교하면 그 장점은 자명합니다. 또한, 지그재그 접지 변압기는 무부하 전류와 무부하 손실을 최소화할 수 있습니다. 일반 스타 결선 변압기와 비교하여 지그재그 결선 변압기의 각 상 철심은 두 개의 철심 기둥으로 구성됩니다. 벡터 다이어그램에 따르면, 동일한 전압에서 일반 스타 결선 변압기보다 1.16배 더 많이 감아야 합니다. 중성점 저항 접지 방식에서 단상 접지를 사용하는 도시 배전망의 영순환 임피던스와 정순환 임피던스의 크기는 크게 다릅니다. 3상 순방향 및 역방향 전류가 흐를 때, 접지 변압기의 각 철심 기둥에 걸리는 자기 전위는 해당 철심 기둥에 걸리는 서로 다른 상의 두 권선의 자기 전위의 페이저 합과 같습니다. 세 개의 철심 기둥에 걸리는 자기 전위는 120°의 위상차를 갖는 3상 평형량의 집합입니다. 생성된 자속은 세 개의 철심 기둥에 루프를 형성할 수 있습니다. 자기 회로의 자기 저항은 작고, 자속은 크며, 유도 전위도 커서 순방향 및 역방향 임피던스가 크게 나타납니다. 따라서 접지 변압기는 순방향 및 역방향 임피던스가 크고 영방향 임피던스가 작은 특성을 가집니다.

■ 주요 기술 매개변수

배전망에서 아크 억제 코일 접지 보상 요구 사항을 충족하고 변전소 전력 및 조명 부하 요구 사항도 충족하기 위해 Z형 연결 변압기를 선택하며, 접지 변압기의 주요 매개변수를 합리적으로 설정해야 합니다.

(1) 정격 용량을 갖는 접지 변압기의 1차측 용량은 아크 억제 코일의 용량과 일치해야 합니다. 기존 아크 억제 코일의 용량 사양에 따라 접지 변압기의 용량을 아크 억제 코일 용량의 1.05~1.15배로 설정하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 200kVA 아크 억제 코일 1개를 장착한 접지 변압기의 용량은 215kVA입니다.

(2) 중성점 보상 전류의 단상 고장 발생 시 변압기 중성점을 통해 흐르는 총 전류:

어디:

U는 배전망의 선간 전압(V)이고, Zx는 아크 억제 코일의 임피던스(Ω)입니다.

Zd는 접지 변압기의 1차 영순위 임피던스(Ω/상)입니다.

Zs는 시스템 임피던스(Ω)입니다.

중성점 보상 전류의 지속 시간은 아크 억제 코일의 지속 시간과 동일해야 하며, 명시된 바와 같이 2시간이어야 합니다.

(3) 영순위 임피던스 영순위 임피던스는 접지 변압기의 중요한 매개변수로, 단상 접지 단락 전류를 제한하고 과전압을 억제하는 계전기 보호에 중요한 영향을 미칩니다. 2차 코일이 없는 지그재그(Z형) 및 스타/개방 델타 결선 접지 변압기의 경우, 영순위 임피던스라는 하나의 임피던스만 존재하므로 제조 부서에서 전력 부서의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

(4) 손실은 접지 변압기의 중요한 성능 매개변수입니다. 2차 코일이 있는 접지 변압기의 무부하 손실은 동일 용량의 이중 권선 변압기와 동일할 수 있습니다. 부하 손실의 경우, 2차측이 최대 부하 운전 중일 때 1차측의 부하 손실은 2차측의 부하가 낮기 때문에 동일 용량의 이중 권선 변압기보다 작습니다.

(5) 국가 표준에 따르면 접지 변압기의 온도 상승은 다음과 같습니다.

1) 정격 연속 전류 하에서의 온도 상승은 일반 전력 변압기의 건식 변압기에 대한 국가 표준 규정을 준수해야 하지만, 이는 주로 2차측에 빈번한 부하가 걸리는 접지 변압기에 적용됩니다.

2) 단시간 부하 전류 지속 시간이 10초 미만인 경우(주로 중성점이 저항에 연결된 경우), 온도 상승은 단락 조건에서의 온도 상승 제한에 관한 국가 표준 전력 변압기 규정을 준수해야 합니다.

3) 접지 변압기와 아크 억제 코일이 함께 작동할 때의 온도 상승은 아크 억제 코일의 온도 상승에 관한 규정을 준수해야 합니다. 정격 전류가 연속적으로 흐르는 권선의 온도는 80K이며, 이는 주로 스타/개방 델타 결선 접지 변압기에 적용됩니다. 정격 전류의 최대 흐름 시간이 2시간으로 지정된 권선의 경우, 지정된 온도는 100K입니다.