KR102699221B1 - Earthquake-proof switchboard having real-time deterioration diagnosis function of power capacitor and series reactor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선전류, 주파수 및 선간전압에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 정격전압 및 정격전류에 기초하여 산출되는 직렬 리액터의 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 커패시터 뱅크로 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 커패시터 뱅크를 전원계통에서 분리 보호하며, 전력용 커패시터에서 검출된 온도로 전력용 커패시터의 열화를 진단하여 전력용 커패시터 온도값에 대한 경고 또는 전원분리의 정보를 제공하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 관한 것이다.
[본 발명은 충청북도 및 (재)충북과학기술혁신의 지원을 통해 수행하고 있는 2023년 충북 소재·부품·장비분야 기술개발 지원사업, 전력용 커패시터의 이상상태 진단 및 보호 기능을 갖는 배전반 과제의 연구결과입니다.]The present invention relates to an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, and more specifically, to an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, which calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on line current, frequency, and line-to-line voltage and an inductance of a series reactor calculated based on rated voltage and rated current, and isolates and protects a capacitor bank from a power system when a frequency flowing into the capacitor bank approaches the calculated resonant frequency, and diagnoses deterioration of the power capacitor by a temperature detected from the power capacitor and provides a warning about the temperature value of the power capacitor or information on power separation.
[This invention is the result of research on the 2023 Chungbuk Materials, Components, and Equipment Field Technology Development Support Project, a distribution panel project with abnormal state diagnosis and protection function for power capacitors, which is being carried out with the support of Chungcheongbuk-do and Chungbuk Science and Technology Innovation Foundation.]
Description
본 발명은 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선전류, 주파수 및 선간전압에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 정격전압 및 정격전류에 기초하여 산출되는 직렬 리액터의 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 커패시터 뱅크로 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 커패시터 뱅크를 전원계통에서 분리하여 보호하며, 전력용 커패시터에서 검출된 온도로 전력용 커패시터의 열화를 진단하여 전력용 커패시터 온도값에 대한 경고 또는 전원분리의 정보를 제공하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 관한 것이다.The present invention relates to an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, and more specifically, to an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, which calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on line current, frequency, and line-to-line voltage and an inductance of a series reactor calculated based on a rated voltage and a rated current, and protects the capacitor bank by isolating it from the power system when the frequency flowing into the capacitor bank approaches the calculated resonant frequency, and diagnoses deterioration of the power capacitor by the temperature detected from the power capacitor and provides a warning about the temperature value of the power capacitor or information on power separation.
자가용 전력설비에서 전등, 전열부하는 역률이 좋으나 방전등, 용접기, 유도전동기 등은 역률이 나빠 전압변동 및 전력손실이 증가되는 원인이 된다.In personal power equipment, lights and heating loads have good power factor, but discharge lamps, welding machines, and induction motors have poor power factor, which causes voltage fluctuations and increased power loss.
전력용 커패시터는 이러한 문제점을 해결하기 위해 부하와 병렬로 연결하여 진상전류를 공급하는 전력기기이다.Power capacitors are power devices that supply leading current by connecting them in parallel with the load to solve these problems.
이러한 전력용 커패시터를 사용함으로써 저역률에 대한 예방뿐만 아니라 자가 전력설비의 관리를 보다 효과적으로 할 수 있다.(본 발명에서 진상 콘덴서(Power condenser)의 용어는 국가기술표준원(제2020-0098호)에 따라 전력용 커패시터(Power Capacitor)로 기재하며, 기존 문헌에서 콘덴서로 기재된 용어는 그대로 콘덴서로 기재한다.)By using these power capacitors, not only can low power factor be prevented, but also self-power equipment can be managed more effectively. (In the present invention, the term power condenser is described as power capacitor according to the National Institute of Technology and Standards (No. 2020-0098), and the term described as condenser in existing literature is described as condenser.)
이러한 구성에서 전원계통의 특성상 제3 고조파 다음으로 함유량이 큰 것이 제5 고조파이다. 제3 고조파는 변압기 결선 방법 등으로 대부분 해결할 수 있으나, 제5 고조파는 전력용 커패시터와 직렬로 연결되는 직렬 리액터로 해결하고 있다. 이때, 제5 고조파가 지나치게 큰값으로 발생하면 직렬 리액터의 단자전압이 과다하게 상승하고 제5 고조파 전류가 기준값을 초과하게 되어 과열되므로 커패시터보다 직렬 리액터가 먼저 소손하게 된다.In this configuration, the fifth harmonic is the one with the second largest content after the third harmonic due to the characteristics of the power system. The third harmonic can be mostly solved by transformer wiring methods, but the fifth harmonic is solved by a series reactor connected in series with a power capacitor. In this case, if the fifth harmonic occurs at an excessively large value, the terminal voltage of the series reactor increases excessively and the fifth harmonic current exceeds the reference value, causing overheating, so the series reactor is damaged before the capacitor.
이에, 전력용 커패시터는 제5 고조파 필터 대용으로 제5 고조파에 공진할 수 있도록 하기 위해 이론상 전력용 커패시터 용량의 4%에 해당하는 리액터 용량을 가지는 직렬 리액터가 필요하나, 주파수 변동이나 경제적인 측면에서 실제로는 이론보다 약간 큰 값인 6%의 용량을 표준으로 하고 있다.Accordingly, in order for the power capacitor to resonate at the fifth harmonic as a substitute for the fifth harmonic filter, a series reactor with a reactor capacity corresponding to 4% of the power capacitor capacity is theoretically required, but in reality, a capacity of 6%, which is slightly larger than the theory, is standard due to frequency fluctuations and economic aspects.
그러나 전력용 커패시터를 포함하는 커패시터 뱅크는 무수히 많은 커패시터 소자들이 직렬 및 병렬로 구성되어 있으며, 커패시터 뱅크의 열화시 커패시터 소자들이 파괴되어 정전용량(C, 커패시턴스) 값이 변화되게 된다.However, a capacitor bank including power capacitors is composed of countless capacitor elements in series and parallel, and when the capacitor bank deteriorates, the capacitor elements are destroyed, causing the electrostatic capacity (C, capacitance) value to change.
이에, 커패시터의 정전용량 변화에 따라 커패시터 뱅크의 열화를 예측하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1226474호에 콘덴서 뱅크의 열화 예측 장치 및 방법이 개시되었다.Accordingly, as a technology for predicting deterioration of a capacitor bank according to changes in the electrostatic capacitance of the capacitor, a device and method for predicting deterioration of a capacitor bank are disclosed in Patent Publication No. 10-1226474.
상기 기술은 콘덴서 뱅크에 입력되는 전류(I) 및 전압(V) 정보를 수집하여 기본파 전압(V1) 및 전류(I1), 제n(n>1) 고조파 전압(V2) 및 전류(I2), 유효전력(P), 역률, 기본파 및 제n 고조파 임피던스(Z1, Z2)를 연산하는 단계; b) 상기 역률 및 임피던스 값을 이용해 상기 콘덴서 뱅크의 각 콘덴서의 누설 저항(R), 각 콘덴서에 대한 임피던스(XC), 각 직렬 리액터에 대한 임피던스(XL)를 연산하는 단계; c) 상기 기본파 및 제n 고조파 임피던스(Z1, Z2)를 이용하여 상수분을 제거하고 상기 각 직렬 리액터의 용량(L) 및 상기 각 콘덴서의 용량(C)을 연산하는 단계; 및 d) 상기 각 직렬 리액터의 용량(L), 상기 각 콘덴서의 용량(C) 및 누설 저항(R), 소비 전력의 변화 상태를 감시 및 추적하여 상기 각 콘덴서 또는 직렬 리액터의 열화 상태와 상기 각 콘덴서의 정전용량(C)의 감소에 따른 성능을 예측하는 단계로 구성된다.The above technology comprises the steps of: a) collecting information on current (I) and voltage (V) input to a capacitor bank, and calculating fundamental voltage (V1) and current (I1), nth (n>1) harmonic voltage (V2) and current (I2), active power (P), power factor, and fundamental and nth harmonic impedance (Z1, Z2); b) calculating leakage resistance (R) of each capacitor of the capacitor bank, impedance (XC) for each capacitor, and impedance (XL) for each series reactor using the power factor and impedance values; c) calculating capacity (L) of each series reactor and capacity (C) of each capacitor by removing a constant component using the fundamental and nth harmonic impedances (Z1, Z2); And d) a step of monitoring and tracking the change status of the capacity (L) of each series reactor, the capacity (C) and leakage resistance (R) of each capacitor, and power consumption, and predicting the deterioration status of each capacitor or series reactor and the performance according to the decrease in the electrostatic capacitance (C) of each capacitor.
그러나 정전용량(C)의 변화에 따라 유입되는 주파수 중에서 공진을 일으키는 공진주파수도 가변되기 때문에 기 설정된 고조파만을 검출하여 차단하는 경우, 가변된 공진주파수의 유입을 방지할 수 없고, 공진주파수의 유입에 의해 전력용 커패시터에 과전류가 발생되며, 과전류에 의한 발열 및 유전체의 절연능력이 감소되고, 절연파괴로 이어지는 문제점이 있다.However, since the resonant frequency that causes resonance among the incoming frequencies also varies depending on the change in electrostatic capacitance (C), if only the preset harmonics are detected and blocked, the inflow of the varied resonant frequency cannot be prevented, and the inflow of the resonant frequency causes overcurrent in the power capacitor, and there are problems such as heat generation due to the overcurrent, a decrease in the insulating capacity of the dielectric, and insulation breakdown.
한편, 전력용 커패시터의 온도를 통해 수명을 예측하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1910813호에 역률 개선용 진상용 콘덴서의 수명 예측 기능을 가지는 자동 역률 제어 장치가 개시되었다.Meanwhile, as a technology for predicting the lifespan of a power capacitor through its temperature, an automatic power factor control device having a lifespan prediction function of a phase-shift capacitor for power factor improvement is disclosed in Patent Publication No. 10-1910813.
상기 기술은 진상용 콘덴서의 케이스 온도를 계측하는 온도 계측부; 및 출력 전압 전류 계측부에 의해 계측된 전압 가변기로부터 진상용 콘덴서로 출력되는 전압과 상기 온도 계측부에 의해 계측된 진상용 콘덴서의 케이스 온도를 이용하여 진상용 콘덴서의 잔여 수명을 예측한 다음 예측된 진상용 콘덴서의 잔여 수명을 표시부에 표시하는 수명 예측부로 이루어지며, 진상용 콘덴서의 허용 온도와 진상용 콘덴서의 실제 온도에 기초하여 수학식으로 진상용 콘덴서의 수명을 예측하는 기술이다.The above technology comprises a temperature measuring unit which measures the case temperature of the power condenser; and a life prediction unit which predicts the remaining life of the power condenser by using the voltage output from the voltage variable to the power condenser measured by the output voltage and current measuring unit and the case temperature of the power condenser measured by the temperature measuring unit, and then displays the predicted remaining life of the power condenser on a display unit, and is a technology for predicting the life of the power condenser using a mathematical formula based on the allowable temperature of the power condenser and the actual temperature of the power condenser.
그러나 상기 기술은 커패시터(콘덴서)의 허용 온도와 실제 온도 사이의 차이에 의해 잔여 수명을 예측하기에 커패시터가 계통에서 운전중인 경우 또는 계절별로 검출되는 실제 온도에 차이가 발생하여 예측된 기대 수명이 정확하지 않은 단점이 있다.However, the above technology has a disadvantage in that the predicted life expectancy is not accurate because the actual temperature detected while the capacitor is operating in the system or the temperature difference between the allowable temperature of the capacitor and the actual temperature is different.
[본 발명은 충청북도 및 (재)충북과학기술혁신의 지원을 통해 수행하고 있는 2023년 충북 소재·부품·장비분야 기술개발 지원사업, 전력용 커패시터의 이상상태 진단 및 보호 기능을 갖는 배전반 과제의 연구결과입니다.][This invention is the result of research on the 2023 Chungbuk Materials, Components, and Equipment Field Technology Development Support Project, a distribution panel project with abnormal state diagnosis and protection function for power capacitors, which is being carried out with the support of Chungcheongbuk-do and Chungbuk Science and Technology Innovation Foundation.]
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 전원계통에서 검출되는 전압 및 전류 등의 정보에 기초하여 커패시턴스와 인덕턴스를 통해 공진주파수를 실시간으로 산출하고, 산출된 공진주파수에 기초하여 전원계통으로 유입되는 주파수가 공진주파수에 근접하는 경우, 해당 회로를 전원계통에서 분리하여 전력용 커패시터를 보호하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide an earthquake-resistant distribution panel having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, which calculates a resonant frequency in real time through capacitance and inductance based on information such as voltage and current detected in a power system, and, if a frequency flowing into the power system based on the calculated resonant frequency approaches the resonant frequency, isolates the corresponding circuit from the power system to protect the power capacitor.
또한, 전력용 커패시터의 온도를 검출하고 검출된 온도에 기초하여 전력용 커패시터의 이상상태를 진단할 수 있는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반을 제공하는 데 있다.In addition, the present invention provides an earthquake-resistant distribution panel having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor capable of detecting the temperature of the power capacitor and diagnosing an abnormal condition of the power capacitor based on the detected temperature.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반은 큐비클에 설치되어 역률을 개선하는 전력용 커패시터와 상기 전력용 커패시터에 직렬로 연결되어 전류위상을 보정하고 고조파 발생을 방지하는 직렬 리액터를 포함하는 커패시터 뱅크; 및 상기 전력용 커패시터의 용량성 커패시턴스에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 상기 직렬 리액터의 유도성 인덕턴스로부터 산출되는 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 배전반에 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 상기 커패시터 뱅크를 전원계통에서 분리하도록 제어하는 진단제어부를 포함하여 구성된다.In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a seismic distribution board having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, the board comprising: a capacitor bank including a power capacitor installed in a cubicle to improve a power factor, and a series reactor connected in series to the power capacitor to correct a current phase and prevent the occurrence of harmonics; and a diagnostic control unit configured to calculate a resonant frequency through a capacitance calculated based on a capacitive capacitance of the power capacitor and an inductance calculated from an inductive inductance of the series reactor, and to control the capacitor bank to be separated from a power system when a frequency flowing into the distribution board approaches the calculated resonant frequency.
여기서, 상기 진단제어부는 상기 전력용 커패시터의 선전류, 주파수, 선간전압에 기초하여 상기 전력용 커패시터 각 상의 커패시턴스를 산출하는 정전용량 산출모듈; 상기 직렬 리액터에 인가되는 정격전압과 정격전류에 기초하여 상기 직렬 리액터의 인덕턴스를 산출하는 인덕턴스 산출모듈; 상기 정전용량 산출모듈에서 산출된 커패시턴스와 상기 인덕턴스 산출모듈에서 산출된 인덕턴스에 기초하여 공진주파수를 산출하고 산출된 공진주파수에 기초하여 상기 커패시터 뱅크를 진단하는 진단모듈; 및 상기 진단모듈의 진단결과에 따라 상기 커패시터 뱅크를 전원계통에서 분리하는 제어모듈을 포함하여 구성된다.Here, the diagnostic control unit is configured to include a capacitance calculation module that calculates the capacitance of each phase of the power capacitor based on the line current, frequency, and line-to-line voltage of the power capacitor; an inductance calculation module that calculates the inductance of the series reactor based on the rated voltage and rated current applied to the series reactor; a diagnostic module that calculates a resonant frequency based on the capacitance calculated by the capacitance calculation module and the inductance calculated by the inductance calculation module and diagnoses the capacitor bank based on the calculated resonant frequency; and a control module that isolates the capacitor bank from the power system according to the diagnostic result of the diagnostic module.
이때, 상기 전력용 커패시터가 Δ결선이면, 상기 정전용량 산출모듈은 아래의 수식에 의해 상기 커패시턴스가 산출되는 것을 특징으로 한다.At this time, if the power capacitor is Δ-connected, the electrostatic capacity calculation module is characterized in that the capacitance is calculated by the following formula.
수식)formula)
여기서, CΔ1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CΔ2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CΔ3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.Here, C Δ1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Δ2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Δ3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
또한, 상기 전력용 커패시터가 Y결선이면, 상기 정전용량 산출모듈은 아래의 수식에 의해 상기 커패시턴스가 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, if the power capacitor is Y-connected, the electrostatic capacity calculation module is characterized in that the capacitance is calculated by the following formula.
수식)formula)
여기서, CY1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CY2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CY3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.Here, C Y1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Y2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Y3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
또한, 상기 인덕턴스 산출모듈은 아래의 수식에 의해 상기 인덕턴스가 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the inductance calculation module is characterized in that the inductance is calculated by the following formula.
수식)formula)
여기서, L은 직렬 리액터의 인덕턴스값, XL은 직렬 리액터의 유도성 리액턴스, ω는 각주파수(2πf), f는 주파수, VSR은 리액터 정격전압, ISR은 리액터 정격전류이다.Here, L is the inductance value of the series reactor, X L is the inductive reactance of the series reactor, ω is the angular frequency (2πf), f is the frequency, V SR is the rated voltage of the reactor, and I SR is the rated current of the reactor.
또한, 상기 진단모듈은 상기 공진주파수를 산출하면, 산출된 공진주파수의 전류가 전력용 커패시터로 인가되지 않도록 하는 차단주파수 범위를 산출하고, 상기 차단주파수 범위의 주파수가 검출되면 경보장치를 동작하도록 제어하거나 전원력용 커패시터를 전원계통에서 분리하도록 제어하는 신호를 출력하도록 구성된다.In addition, the diagnostic module is configured to calculate a cutoff frequency range that prevents current of the calculated resonant frequency from being applied to a power capacitor when the resonant frequency is calculated, and to control operation of an alarm device when a frequency in the cutoff frequency range is detected or to output a signal that controls separation of the power capacitor from the power system.
또한, 상기 차단주파수는 상기 공진주파수가 갖는 n차 고조파의 최대값(Imax)에 대해 상기 최대값의 ±1/√2의 전류값을 갖는 범위에 속하는 주파수인 것을 특징으로 한다.In addition, the cutoff frequency is characterized in that it is a frequency that falls within a range having a current value of ±1/√2 of the maximum value (Imax) of the nth harmonic of the resonant frequency.
또한, 상기 진단제어부는 진동을 검출하는 진동감지모듈을 더 포함하고, 상기 진동감지모듈에서 감지된 진동값에 기초하여 진동을 분석하고, 분석 결과에 따라 전원분리 동작을 수행하도록 제어하거나 알람을 알리도록 제어하도록 구성된다.In addition, the diagnostic control unit further includes a vibration detection module that detects vibration, and is configured to analyze the vibration based on the vibration value detected by the vibration detection module, and control to perform a power separation operation or to control to sound an alarm according to the analysis result.
또한, 상기 진단제어부는 상기 전력용 커패시터의 온도를 검출하는 온도감지모듈을 더 포함하고, 상기 온도감지모듈에서 검출된 온도에 기초하여 상기 전력용 커패시터의 열화에 의한 수명을 진단하여 제공하도록 구성된다.In addition, the diagnostic control unit further includes a temperature detection module that detects the temperature of the power capacitor, and is configured to diagnose and provide the lifespan due to deterioration of the power capacitor based on the temperature detected by the temperature detection module.
본 발명에 의하면, 전원계통에 적용되어 커패시터 뱅크의 정전용량 값이 변화되어도, 변화된 정정용량 값에 기초하여 커패시터 뱅크의 문제를 야기시킬 수 있는 공진주파수를 실시간으로 산출하여 공진주파수의 유입을 방지할 수 있으므로, 전력용 커패시터 및 직렬 리액터의 고장을 방지할 수 있고, 전원계통의 건전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, even if the capacitance value of a capacitor bank changes when applied to a power system, the resonant frequency that may cause a problem in the capacitor bank is calculated in real time based on the changed static capacitance value, thereby preventing the inflow of the resonant frequency, so that failure of power capacitors and series reactors can be prevented, and there is an advantage in that the soundness of the power system can be secured.
또한, 전력용 커패시터의 동작에 따른 검출온도에 따라 전력용 커패시터의 수명을 예측하여 제공함으로써, 전력용 커패시터의 오작동에 의한 전력의 낭비를 최소화할 수 있고, 공급되는 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.In addition, by predicting and providing the lifespan of a power capacitor based on the detected temperature according to the operation of the power capacitor, it is possible to minimize power waste due to malfunction of the power capacitor and has the advantage of enabling efficient use of the supplied power.
도 1은 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 적용된 커패시터 뱅크와 진단제어부의 결선도,
도 3은 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 적용된 진단제어부의 구성을 나타낸 것이다.Figure 1 is a drawing schematically showing the internal configuration of a seismic distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
Figure 2 is a wiring diagram of a capacitor bank and a diagnostic control unit applied to an earthquake-resistant distribution board (high-voltage distribution board, low-voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
FIG. 3 shows the configuration of a diagnostic control unit applied to an earthquake-resistant distribution panel (high-voltage distribution panel, low-voltage distribution panel, motor control panel, distribution panel) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
다음으로, 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, a preferred embodiment of an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution panel) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.In the following, the same reference symbols are used for technical elements that perform the same function, and repeated detailed descriptions are omitted to avoid redundant explanations.
또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.In addition, the embodiments described below are provided as examples to effectively demonstrate preferred embodiments of the present invention, and should not be construed to limit the scope of the rights of the present invention.
본 발명은 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선전류, 주파수 및 선간전압에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 정격전압 및 정격전류에 기초하여 산출되는 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 커패시터 뱅크로 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 커패시터 뱅크를 전원계통에서 분리 보호하며, 전력용 커패시터에서 검출된 온도로 전력용 커패시터의 열화를 진단하여 제공하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반에 관한 것이다.The present invention relates to an earthquake-resistant switchboard (high voltage switchboard, low voltage switchboard, motor control panel, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, and more specifically, to an earthquake-resistant switchboard having a real-time deterioration diagnosis function of power capacitors and series reactors, which calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on line current, frequency, and line-to-line voltage and an inductance calculated based on rated voltage and rated current, and isolates and protects the capacitor bank from the power system when the frequency flowing into the capacitor bank approaches the calculated resonant frequency, and provides a diagnosis of deterioration of the power capacitor by the temperature detected from the power capacitor.
여기서, 상기 커패시터 뱅크는 전력용 커패시터, 직렬 리액터를 포함하고 이에 방전 코일을 더 포함할 수 있는 구성이며, 전원계통은 상기 커패시터 뱅크로 공급되는 전원라인을 의미한다.Here, the capacitor bank is configured to include a power capacitor, a series reactor, and may further include a discharge coil, and the power system means a power line supplied to the capacitor bank.
도 1은 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing schematically showing the internal configuration of an earthquake-resistant distribution board (high-voltage distribution board, low-voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
첨부된 도 1을 참조하면, 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반은 소정의 틀을 형성하는 큐비클(10)과 상기 큐비클(10)의 내부에 구성되는 다양한 전력기기와 커패시터 뱅크(100) 및 진단제어부(200)를 포함한다.Referring to the attached drawing 1, a seismic distribution board having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor includes a cubicle (10) forming a predetermined frame, various power devices and a capacitor bank (100) and a diagnosis control unit (200) configured inside the cubicle (10).
상기 큐비클(10)의 내부에 설치되는 전력기기로는 자동 고장구간 개폐기(AISS: Automatic Section Switch), 피뢰기(LA: Lightening Arrester), 파워 퓨즈(PF: Power Fuse), 변압기(TR: Transformer), 계기용 변성기함(MOF: Metering Out Fit), 차단기(ACB: Air Circuit Breaker) 등으로 구성될 수 있으나, 수전 및 배전되는 전압 또는 부하측의 전력수요에 따라 전력기기의 구성을 다르게 구성된다. 또한, 도어의 내면측에는 배전반 내부의 상태를 검출하는 다양한 계전기가 설치된다.The power equipment installed inside the above cubicle (10) may include an automatic section switch (AISS), a lightning arrester (LA), a power fuse (PF), a transformer (TR), a metering out fit (MOF), an air circuit breaker (ACB), etc., but the configuration of the power equipment is configured differently depending on the voltage being received and distributed or the power demand on the load side. In addition, various relays that detect the status inside the distribution panel are installed on the inner side of the door.
커패시터 뱅크(100)는 전원계통의 역률을 개선하기 위해 설치되는 전력기기들의 집합체로서, 본 발명에서는 전력용 커패시터(110, Power Capacitor), 직렬 리액터(120, Series Reactor) 및 방전코일(130, Discharge Coil, 도 2 참조)을 포함하여 구성된다.A capacitor bank (100) is a collection of power devices installed to improve the power factor of a power system, and in the present invention, is configured to include a power capacitor (110, Power Capacitor), a series reactor (120, Series Reactor), and a discharge coil (130, Discharge Coil, see FIG. 2).
아울러, 본 발명에서는 상기 커패시터 뱅크(100)를 진단하고, 진단결과 이상이 발생된 것으로 판단되는 경우 경보장치 동작 또는 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리시키는 진단제어부(200)가 구성되는 데, 상기 진단제어부(200)는 큐비클(10)의 전면측 도어에 설치된다.In addition, in the present invention, a diagnostic control unit (200) is configured to diagnose the capacitor bank (100) and, if an abnormality is determined to have occurred as a result of the diagnosis, operate an alarm device or isolate the capacitor bank (100) from the power system. The diagnostic control unit (200) is installed on the front door of the cubicle (10).
상기의 구성에서, 자동 고장구간 개폐기(AISS)는 과부하 또는 고장사고 발생시 자동 고장구간 개폐기 전단의 보호기기(차단기, Recloser)와 협조하여 고장구간만을 개방 분리함으로써 고장의 확대를 방지하고, 피뢰기는 서지 전압을 접지시키는 기능을 수행한다.In the above configuration, the automatic fault section switch (AISS) cooperates with the protective device (circuit breaker, recloser) in front of the automatic fault section switch to open and isolate only the fault section when an overload or fault occurs, thereby preventing the expansion of the fault, and the lightning arrester performs the function of grounding the surge voltage.
또한, 파워 퓨즈는 부하전류를 안전하게 통전시키고 이상 과전류는 차단하여 전로나 기기를 보호한다.Additionally, power fuses safely conduct load current and block abnormal overcurrents to protect circuits and equipment.
또한, 변압기는 전력선에 공급되는 전압 및 전류를 일정 수준으로 변성하여 출력한다.Additionally, the transformer transforms the voltage and current supplied to the power line to a certain level and outputs it.
계기용 변성기함은 계기용 변압기(PT)와 계기용 변류기(CT)가 내장되어 있다. 또한, 상기 큐비클(10)의 전면 공간에는 배전반의 상태를 표시하도록 구성된다.The instrument transformer box has an instrument transformer (PT) and an instrument current transformer (CT) built in. In addition, the front space of the cubicle (10) is configured to display the status of the distribution board.
상기 계기용 변성기함은 고전압 고전류의 전력을 소정의 전력으로 변성하여 공급하는 기능을 수행하는 것으로, 고압 전기를 수전하여 배전하는 수배전반에서 안전하게 적산 전력량계를 연결하기 위한 것이다. 상기 계기용 변성기함의 내부에는 PT와 CT를 조합하여 고전압과 대전류를 저전압과 소전류로 각각 변압/변성하여 적산 전력량계를 설치할 수 있도록 구성된다.The above-mentioned instrument transformer box performs the function of transforming high-voltage, high-current power into a predetermined power and supplying it, and is intended to safely connect an integrated power meter in a distribution panel that receives and distributes high-voltage electricity. The inside of the above-mentioned instrument transformer box is configured to transform/transform high voltage and high current into low voltage and small current, respectively, by combining PTs and CTs, so that an integrated power meter can be installed.
차단기는 과부하 및 단락 사고 등의 이상 전류에 대해 전력을 차단하는 개폐장치이다.A circuit breaker is a switching device that cuts off power in case of abnormal currents such as overload and short circuit.
상기 내진 배전반에 구성되는 전력기기는 배전반의 수배전 전압, 종류 및 부하 용량 등에 따라 각각 다르게 구성될 수 있는 것으로서, 본 발명에서의 내진 배전반은 전력용 커패시터가 구성되는 모든 배전반을 의미한다.The power equipment configured in the above earthquake-resistant distribution board can be configured differently depending on the distribution voltage, type, and load capacity of the distribution board. In the present invention, the earthquake-resistant distribution board means any distribution board configured with a power capacitor.
도 2는 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 적용된 커패시터 뱅크와 진단제어부의 결선도를 나타낸 것이다.FIG. 2 is a diagram showing a wiring diagram of a capacitor bank and a diagnostic control unit applied to an earthquake-resistant distribution board (high-voltage distribution board, low-voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
첨부된 도 2를 참조하면, 전력용 커패시터(110)는 전력선(R, S, T)에 병렬로 연결되고, 진단제어부(200)는 상기 전력용 커패시터(110)로 인가되는 전압 및 공진주파수를 산출하여 상기 전력용 커패시터(110)의 이상 상태를 진단하여 전원공급을 제어한다.Referring to the attached Figure 2, a power capacitor (110) is connected in parallel to power lines (R, S, T), and a diagnostic control unit (200) calculates the voltage and resonant frequency applied to the power capacitor (110) to diagnose an abnormal state of the power capacitor (110) and control the power supply.
이때, 상기 전력용 커패시터(110)의 전단에는 직렬 리액터(120) 및 방전코일(130)이 구성된다.At this time, a series reactor (120) and a discharge coil (130) are configured at the front end of the power capacitor (110).
직렬 리액터(120)는 상기 전력용 커패시터(110)의 전단에 설치되며 고조파를 제거하고, 방전코일(130)은 상기 전력용 커패시터(110)와 상기 직렬 리액터(120) 사이에 병렬로 설치되어 상기 전력용 커패시터(110)에 잔존하는 잔류전하를 방전하는 기능을 수행한다.A series reactor (120) is installed in front of the power capacitor (110) and removes harmonics, and a discharge coil (130) is installed in parallel between the power capacitor (110) and the series reactor (120) and performs the function of discharging residual charges remaining in the power capacitor (110).
즉, 상기 전력용 커패시터(110)는 주회로(R, S, T)에 병렬로 연결되어 계통의 역률을 개선시키고, 직렬 리액터(120)와 직렬로 연결되어 비선형 부하에 의해 발생되는 고조파 전류를 흡수하는 필터 역할도 수행한다.That is, the power capacitor (110) is connected in parallel to the main circuit (R, S, T) to improve the power factor of the system, and is connected in series with the series reactor (120) to also perform the role of a filter that absorbs harmonic current generated by a nonlinear load.
이때, 상기 전력용 커패시터(110)는 고조파를 발생시키지 않지만 역률 개선 및 고조파 필터로 작동하는 경우 전력 계통의 주파수 응답특성을 변환시킨다.At this time, the power capacitor (110) does not generate harmonics, but when it operates as a power factor improvement and harmonic filter, it transforms the frequency response characteristics of the power system.
본 발명에서 커패시터 뱅크(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 전력용 커패시터(110)와 직렬 리액터(120)로 구성되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 전력용 커패시터(110)와 직렬 리액터(120) 및 방전코일(130)을 더 포함하는 것으로 정의한다.In the present invention, the capacitor bank (100) is defined as consisting of a power capacitor (110) and a series reactor (120) as illustrated in FIG. 1, or further including a power capacitor (110), a series reactor (120), and a discharge coil (130) as illustrated in FIG. 2.
한편, 전력 계통에서 발생하는 공진은 유도성 인덕턴스와 용량성 커패시턴스에 의해 특정 주파수에서 임피던스가 최소 또는 최대가 되는 현상을 의미하는 것으로서, 직렬공진에서는 전류가 최대이고, 병렬공진에서는 전압이 최대이며, 공진시 상기 전력용 커패시터(110)에는 상당한 전기적 스트레스가 인가되게 된다.Meanwhile, resonance occurring in a power system means a phenomenon in which impedance becomes minimum or maximum at a specific frequency due to inductive inductance and capacitive capacitance. In series resonance, the current is maximum, and in parallel resonance, the voltage is maximum, and during resonance, considerable electrical stress is applied to the power capacitor (110).
역률 개선 보상체계에서 공진주파수는 상기 전력용 커패시터(110)의 수명을 매우 단축시키거나 고장을 일으키는 원인이다. 이에, 공진주파수를 피하기 위해 직렬리액터 및 방전코일은 공진점 이하로 설계하고 있다.In the power factor improvement compensation system, the resonant frequency greatly shortens the life of the power capacitor (110) or causes failure. Accordingly, in order to avoid the resonant frequency, the series reactor and discharge coil are designed below the resonant point.
그러나 외부로부터 인가되어 유입되는 이상상태 신호에 의해 특정조건에서 발생된 고조파가 전력용 커패시터(110)의 열화를 일으킬 수 있게 된다.However, harmonic waves generated under specific conditions by abnormal state signals applied from the outside may cause deterioration of the power capacitor (110).
상기 전력용 커패시터(110)에 열화가 발생되면, 전력용 커패시터(110)의 정전용량(C, 커패시턴스) 용량이 감소되게 된다. 이러한 정전용량(커패시턴스)의 용량 감소는 공진주파수값을 변화시키게 되며, 시스템 설계시의 공진주파수와 비교하여 상대적으로 낮아지게 된다.When the above power capacitor (110) deteriorates, the electrostatic capacitance (C, capacitance) capacity of the power capacitor (110) decreases. This decrease in the electrostatic capacitance (capacitance) capacity changes the resonant frequency value, and it becomes relatively lower compared to the resonant frequency at the time of system design.
즉, 시스템 설계시 산출된 공진주파수는 고정된 상태이다.That is, the resonant frequency calculated during system design is fixed.
그러나 전력용 커패시터의 열화에 의해 커패시턴스에 의해 공진주파수가 낮아지게 된다. 결국, 시스템 설계시의 공진주파수와 시스템 운전에 의해 공진주파수는 차이값이 발생되게 된다. 이에, 낮아진 공진주파수를 갖는 시스템에 낮아진 공진주파수의 고조파 전류가 시스템에 유입되면, 설계시의 공진주파수를 그대로 적용하고 있으므로 낮아진 공진주파수의 유입을 차단할 수 없게 된다. 이렇게 유입된 공진주파수는 전력용 커패시터 및 직렬 리액터에 열화 또는 소손 등을 발생시키게 되는 원인이 된다.However, the resonant frequency is lowered by the capacitance due to the deterioration of the power capacitor. As a result, a difference value occurs between the resonant frequency at the time of system design and the resonant frequency due to the system operation. Accordingly, if a harmonic current of the lowered resonant frequency flows into the system with the lowered resonant frequency, the inflow of the lowered resonant frequency cannot be blocked because the resonant frequency at the time of design is applied as it is. The resonant frequency that flows in this way causes deterioration or damage to the power capacitor and series reactor.
이에, 본 발명에서는 전력용 커패시터(110)의 정전용량(커패시턴스)이 가변되는 경우, 이를 실시간으로 검출하여 전원계통에 문제를 야기할 수 있는 공진주파수를 산출하고, 산출된 공진주파수에 근접하는 주파수의 유입을 방지하여 전력용 커패시터(110)를 포함하는 커패시터 뱅크(100)를 안전하게 보호할 수 있는 진단제어부(200)가 구성된다.Accordingly, in the present invention, when the electrostatic capacity (capacitance) of a power capacitor (110) is varied, a diagnostic control unit (200) is configured to detect this in real time, calculate a resonant frequency that may cause a problem in a power system, and prevent the inflow of a frequency close to the calculated resonant frequency, thereby safely protecting a capacitor bank (100) including a power capacitor (110).
상기 진단제어부(200)는 전력용 커패시터(110)의 용량성 커패시턴스에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 직렬 리액터(120)의 유도성 인덕턴스로부터 산출되는 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 배전반에 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 범위에 근접하면 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하도록 제어하는 기능을 수행한다.The above diagnostic control unit (200) calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on the capacitive capacitance of the power capacitor (110) and an inductance calculated from the inductive inductance of the series reactor (120), and performs a function of controlling the capacitor bank (100) to be separated from the power system when the frequency flowing into the distribution board approaches the range of the calculated resonant frequency.
이때, 상기 진단제어부(200)의 진단결과에 따라 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하도록 상기 진단제어부(200)에서 출력되는 트립신호에 따라 전로를 단속하는 차단기(201)가 구성된다.At this time, a circuit breaker (201) is configured to cut off the power line according to a trip signal output from the diagnostic control unit (200) so as to isolate the capacitor bank (100) from the power system according to the diagnostic result of the diagnostic control unit (200).
아울러, 상기 진단제어부(200)는 AD 컨버터 및 디스플레이를 더 포함할 수 있다.In addition, the diagnostic control unit (200) may further include an AD converter and a display.
여기서, 상기 AD 컨버터는 전력용 커패시터(110)로 인가되는 전압 및 전류에 대한 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.Here, the AD converter performs the function of converting analog signals for voltage and current applied to the power capacitor (110) into digital signals and outputting them.
상기 컨버터는 전력용 커패시터로 인가되는 주회로(R, S, T)의 전류를 검출하기 위해 변류기(CT, current transformer)와 전력용 커패시터(110)로 인가되는 주회로(R, S, T)의 전압을 검출하기 위해 계기용변압기(PT, potential transformer)를 포함한다.The above converter includes a current transformer (CT) to detect the current of the main circuit (R, S, T) applied to the power capacitor and a potential transformer (PT) to detect the voltage of the main circuit (R, S, T) applied to the power capacitor (110).
계기용변압기(PT)는 전압계, 전력계, 주파수계, 역률계 및 보호계전기 등의 각종 계기용으로 사용할 수 있도록 고압회로의 전압을 저압으로 변압하는 기기로서, 1차측은 전압에 따라 다르지만 2차측 정격전압은 110V로 출력하도록 구성된다.An instrument transformer (PT) is a device that transforms the voltage of a high-voltage circuit into low voltage so that it can be used for various instruments such as voltmeters, wattmeters, frequency meters, power factor meters, and protective relays. The primary side varies depending on the voltage, but the rated voltage on the secondary side is configured to output 110 V.
변류기(CT)는 고압 회로의 대전류를 소전류로 변류하기 위해서 회로에 직렬로 접속하여 사용하는 장치이다.A current transformer (CT) is a device that is connected in series with a circuit to transform a large current in a high-voltage circuit into a small current.
또한, 디스플레이는 진단제어부(200)의 진단 및 제어 결과를 실시간으로 표시한다.Additionally, the display displays the diagnosis and control results of the diagnostic control unit (200) in real time.
이와 같은, 상기 진단제어부(200)는 전력용 커패시터(110)의 정전용량을 실시간 검출하고, 검출된 정전용량에 기초하여 공진주파수를 산출하며, 산출된 공진주파수와 계통에서 전달되는 주파수가 이상을 일으킬 수 있는 공진주파수에 근접하면, 이를 이상신호로 판단하여 경보장치 동작 또는 전력용 커패시터(110)를 전원계통에서 분리시키도록 구성된다.In this way, the above diagnostic control unit (200) detects the electrostatic capacity of the power capacitor (110) in real time, calculates the resonant frequency based on the detected electrostatic capacity, and if the calculated resonant frequency and the frequency transmitted from the system approach the resonant frequency that may cause an abnormality, it determines this as an abnormality signal and operates an alarm device or isolates the power capacitor (110) from the power system.
상세하게, 진단제어부(200)는 전력용 커패시터(110)의 용량성 커패시턴스에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 직렬 리액터(120)의 유도성 인덕턴스로부터 산출되는 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 커패시터 뱅크(100)에 유입되는 공진주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하도록 제어하는 기능을 수행한다.In detail, the diagnostic control unit (200) calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on the capacitive capacitance of the power capacitor (110) and an inductance calculated from the inductive inductance of the series reactor (120), and performs a function of controlling the capacitor bank (100) to be separated from the power system when the resonant frequency flowing into the capacitor bank (100) approaches the calculated resonant frequency.
공진주파수를 첨부된 도 2를 통해 설명하면, 전력용 커패시터(110)는 직렬 리액터(120)와 직렬로 연결됨에 따라 이를 단순회로로 간략하면, 직렬 리액터(120)의 인덕턴스(L)와 전력용 커패시터(110)의 커패시턴스(C) 및 선로저항(R)을 갖는 RLC 직렬회로가 구성된다.If the resonant frequency is explained through the attached Fig. 2, the power capacitor (110) is connected in series with the series reactor (120), and thus, if simplified as a simple circuit, an RLC series circuit is formed having the inductance (L) of the series reactor (120) and the capacitance (C) and line resistance (R) of the power capacitor (110).
RLC 직렬회로에서 유도성 리액턴스(XL(jwL))와 용량성 리액턴스(XC(1/jwC))는 서로 상쇄되어 전류와 전압이 동상이 되는 경우가 공진으로서, 공진의 조건은 다음의 수식 1을 성립하게 된다.In an RLC series circuit, the inductive reactance (X L (jwL)) and capacitive reactance (X C (1/jwC)) cancel each other out, and when the current and voltage are in phase, it is resonance. The condition for resonance is given by the following equation 1.
수식 1)Formula 1)
여기서, ω는 각주파수(2πf), L은 직렬 리액터의 인덕턴스, C는 전력용 커패시터의 커패시턴스이다.Here, ω is the angular frequency (2πf), L is the inductance of the series reactor, and C is the capacitance of the power capacitor.
상기의 수식 1에서 주파수(f)를 공진주파수(fr)로 정리하면, 공진주파수(fr)는 다음의 수식 2로 표현된다.If the frequency (f) in the above equation 1 is organized into the resonant frequency (f r ), the resonant frequency (f r ) is expressed by the following equation 2.
수식 2)Formula 2)
여기서, fr은 공진주파수, L은 직렬 리액터의 인덕턴스, C는 전력용 커패시터의 커패시턴스이다.Here, f r is the resonant frequency, L is the inductance of the series reactor, and C is the capacitance of the power capacitor.
상기 공진주파수는 전력용 커패시터(110)의 정전용량(커패시턴스, C)와 직렬 리액터(120)의 인덕턴스(L)을 검출하면 수식 2를 통해 공진주파수를 산출할 수 있게 된다.The above resonant frequency can be calculated using Equation 2 by detecting the electrostatic capacity (capacitance, C) of the power capacitor (110) and the inductance (L) of the series reactor (120).
공진주파수가 산출되면, 산출된 공진주파수의 전류가 전력용 커패시터로 인가되지 않도록 하는 차단주파수의 범위를 산출하고, 상기 차단주파수의 범위에 주파수가 검출되면 진단제어부(200)는 경보장치를 동작하도록 제어하거나 전력용 커패시터를 계통에서 분리하도록 제어하여 커패시터 뱅크(100)를 포함하는 전력용 커패시터(110)를 보호할 수 있게 된다.When the resonant frequency is calculated, a range of cutoff frequencies that prevent the current of the calculated resonant frequency from being applied to the power capacitor is calculated, and when a frequency is detected within the range of the cutoff frequency, the diagnostic control unit (200) controls to operate an alarm device or to isolate the power capacitor from the system, thereby protecting the power capacitor (110) including the capacitor bank (100).
상기에서 차단주파수는 공진주파수가 갖는 n차 고조파의 최대값(Imax)에 대해 상기 최대값의 ±1/√2의 전류값을 갖는 범위에 속하는 주파수로 정의될 수 있고, 이 범위의 주파수를 갖는 고조파 전류가 유입되는 경우, 경보장치를 동작하거나 상기 전력용 커패시터(110)를 계통에서 분리시키도록 구성되어 상기 전력용 커패시터(110)를 보호하도록 구성된다.In the above, the cutoff frequency can be defined as a frequency that falls within a range having a current value of ±1/√2 of the maximum value (Imax) of the nth harmonic of the resonant frequency, and when a harmonic current having a frequency within this range flows in, the power capacitor (110) is configured to be protected by operating an alarm device or isolating the power capacitor (110) from the system.
도 3은 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)에 적용된 진단제어부의 구성을 나타낸 것이다.FIG. 3 shows the configuration of a diagnostic control unit applied to an earthquake-resistant distribution panel (high-voltage distribution panel, low-voltage distribution panel, motor control panel, distribution panel) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 적용된 진단제어부(200)는 정정용량 산출모듈(210), 인덕턴스 산출모듈(220), 진단모듈(230), 제어모듈(240), 진동감지모듈(250) 및 온도감지모듈(260)을 포함하여 구성된다.Referring to the attached Figure 3, the diagnostic control unit (200) applied to the present invention is configured to include a correction capacity calculation module (210), an inductance calculation module (220), a diagnostic module (230), a control module (240), a vibration detection module (250), and a temperature detection module (260).
정정용량 산출모듈(210)은 상기 전력용 커패시터(110)의 선전류, 주파수, 선간전압에 기초하여 상기 전력용 커패시터 각 상의 커패시턴스를 산출한다.The capacitance calculation module (210) calculates the capacitance of each phase of the power capacitor (110) based on the line current, frequency, and line-to-line voltage of the power capacitor.
전력용 커패시터(110)의 내부 결선방식은 저압(1,000V 이하)에서 Δ결선이다. 그러나 고압(7,000V 이하) 및 특고압(7,000V 초과)에서 전력용 커패시터(110)의 결선은 Y결선으로 구성되는 데, 이는 Y결선방식의 경우 상전압이 선간전압의 1/√3으로 낮아지게 되어 전력용 커패시터의 내부전압을 낮출 수 있다.The internal wiring method of the power capacitor (110) is Δ wiring at low voltage (1,000 V or less). However, at high voltage (7,000 V or less) and extra high voltage (over 7,000 V), the wiring of the power capacitor (110) is configured as Y wiring. In the case of the Y wiring method, the phase voltage is lowered to 1/√3 of the line-to-line voltage, so that the internal voltage of the power capacitor can be lowered.
전력용 커패시터에 흐르는 전류(Ic)는 ω×C×V(여기서, ω는 각주파수, C는 정전용량, V는 정격전압)로 산출되고, 전력용 커패시터의 정격용량(Qc)은 다음의 수식 3으로 정의된다.The current (Ic) flowing through the power capacitor is calculated as ω × C × V (where ω is the angular frequency, C is the electrostatic capacitance, and V is the rated voltage), and the rated capacity (Qc) of the power capacitor is defined by the following equation 3.
수식 3)Formula 3)
여기서, Qc는 커패시터 정격용량(KVar), V는 정격전압, I는 정격전류, C는 정전용량(㎌)(커패시턴스), ω는 각주파수, f는 정격주파수이다.Here, Qc is the rated capacity of the capacitor (KVar), V is the rated voltage, I is the rated current, C is the electrostatic capacity (μF) (capacitance), ω is the angular frequency, and f is the rated frequency.
△결선의 커패시터 정격용량(Q△)은 Y결선의 커패시터 정격용량(QY)의 3배이고, 이를 수식으로 정리하면 다음의 수식 4로 정의된다.The rated capacity of the capacitor of the △ connection (Q △ ) is three times that of the capacitor of the Y connection (Q Y ), and when this is organized into a formula, it is defined as the following formula 4.
수식 4)Formula 4)
여기서, Q△는 △결선의 커패시터 정격용량, CΔ는 Δ결선의 커패시터 정전용량, f는 주파수, VL는 선간전압, QY는 Y결선의 커패시터 정격용량이다.Here, Q △ is the rated capacity of the capacitor of △ connection, CΔ is the electrostatic capacitance of the capacitor of Δ connection, f is the frequency, V L is the line-to-line voltage, and Q Y is the rated capacity of the capacitor of Y connection.
따라서 Δ결선의 커패시터 정전용량(CΔ)은 다음의 수식 5로 정의된다.Therefore, the capacitor capacitance (C Δ ) of the Δ connection is defined by the following equation 5.
수식 5)Formula 5)
여기서, CΔ는 Δ결선의 커패시터 정전용량, QΔ는 Δ결선의 커패시터 정격용량, f는 주파수, VL는 선간전압이다.Here, CΔ is the capacitor capacitance of Δ connection, QΔ is the rated capacitor capacitance of Δ connection, f is the frequency, and V L is the line-to-line voltage.
또한, Y결선에서 상전압은 선간전압의 1/√3배이고, 이를 수식으로 정리하면 다음의 수식 6으로 정의된다.Also, in the Y connection, the phase voltage is 1/√3 times the line-to-line voltage, and this is defined as the following formula 6.
수식 6)Formula 6)
따라서, Y결선의 커패시터 정전용량(CY)은 다음의 수식 7로 정의된다.Therefore, the capacitor capacitance (C Y ) of the Y connection is defined by the following equation 7.
수식 7)Formula 7)
여기서, CY는 Y결선의 커패시터 정전용량, QY는 Y결선의 커패시터 정격용량, f는 주파수, VL는 선간전압이다. Here, C Y is the capacitor electrostatic capacitance of the Y connection, Q Y is the rated capacitor capacity of the Y connection, f is the frequency, and V L is the line-to-line voltage.
상기 수식 5 및 7에 의해서 전력용 커패시터의 정전용량은 전력용 커패시터로 인가되는 전압과 주파수로 산출할 수 있고, 산출된 전력용 커패시터의 정전용량과 정상상태의 정전용량과 비교하면 실시간으로 현재 전력용 커패시터의 정전용량(커패시턴스)의 변화량을 산출할 수 있다.By the above formulas 5 and 7, the capacitance of the power capacitor can be calculated by the voltage and frequency applied to the power capacitor, and by comparing the calculated capacitance of the power capacitor with the capacitance in the steady state, the change in the current capacitance (capacitance) of the power capacitor can be calculated in real time.
상기에서 정상상태의 전력용 커패시터의 정전용량은 선간전압과 기본주파수(60Hz)로 산출되게 되는데, 산출된 전력용 커패시터의 정전용량이 정상상태의 전력용 커패시터의 정전용량에서의 편차는 95 ~ 110% 범위에 속하는 경우를 정상으로 판단할 수 있다.In the above, the electrostatic capacitance of the power capacitor in the normal state is calculated by the line voltage and the fundamental frequency (60 Hz). If the deviation of the calculated electrostatic capacitance of the power capacitor from the electrostatic capacitance of the power capacitor in the normal state is in the range of 95 to 110%, it can be judged to be normal.
따라서, 산출된 상기 전력용 커패시터의 정전용량이 정상상태의 정전용량의 95%미만이거나, 상기 전력용 커패시터의 정전용량이 정상상태의 정전용량의 110%를 초과하는 경우를 이상상태로 판단할 수 있다.Accordingly, a case where the electrostatic capacity of the power capacitor produced is less than 95% of the electrostatic capacity in the normal state or where the electrostatic capacity of the power capacitor exceeds 110% of the electrostatic capacity in the normal state can be judged as an abnormal state.
아울러, 전력용 커패시터의 각 상별 정전용량(커패시턴스)은 수식 3으로부터 유도하면 다음의 수식 8로 정의된다.In addition, the electrostatic capacity (capacitance) of each phase of the power capacitor is defined as Equation 8 below when derived from Equation 3.
수식 8)Formula 8)
여기서, C는 전력용 커패시터의 상별 정전용량, Qc는 전력용 커패시터의 정격용량, f는 주파수, V는 정격전압이다.Here, C is the phase capacitance of the power capacitor, Qc is the rated capacity of the power capacitor, f is the frequency, and V is the rated voltage.
상기 수식 8에 대해 전원계통의 각 전력선을 R, S 및 T로 정의하고, R-S상 흐르는 전류를 I1, S-T상 흐르는 전류를 I2, T-R상 흐르는 전류를 I3라 하면, △결선에서 선간전압과 상전압은 동일하므로, △결선의 각 상별 커패시터 정전용량은 다음의 수식 9로 정의된다.For the above formula 8, if each power line of the power system is defined as R, S, and T, and the current flowing in RS phase is I 1 , the current flowing in ST phase is I 2 , and the current flowing in TR phase is I 3 , then in the △ connection, the line voltage and phase voltage are the same, so the capacitor capacitance of each phase of the △ connection is defined by the following formula 9.
수식 9)Formula 9)
여기서, CΔ1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CΔ2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CΔ3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.Here, C Δ1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Δ2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Δ3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
또한, Y결선에서 상전압은 선간전압의 1/√3배이므로, Y결선의 각 상별 커패시터 정전용량은 다음의 수식 10으로 정의된다.Also, since the phase voltage in the Y connection is 1/√3 times the line-to-line voltage, the capacitor capacitance for each phase of the Y connection is defined by the following equation 10.
수식 10)Formula 10)
여기서, CY1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CY2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CY3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.Here, C Y1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Y2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Y3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
상기 수식 9 및 10을 이용하여 정정용량 산출모듈(210)은 주파수, 전류 및 전압에 따라 전력용 커패시터의 각 상별 커패시터의 정전용량, 즉 커패시턴스를 산출한다.Using the above formulas 9 and 10, the capacitance calculation module (210) calculates the electrostatic capacity, i.e., capacitance, of each phase of the power capacitor according to frequency, current, and voltage.
인덕턴스 산출모듈(220)은 직렬 리액터(120)에 인가되는 정격전압과 정격전류에 기초하여 직렬 리액터(120)의 인덕턴스를 산출하는 기능을 수행한다.The inductance calculation module (220) performs the function of calculating the inductance of the series reactor (120) based on the rated voltage and rated current applied to the series reactor (120).
전력용 커패시터에 의하여 발생되는 고조파 중 제3고조파는 변압기의 델타 결선에서 순환되므로 가장 문제가 되는 제5고조파를 제거하기 위하여 직렬 리액터의 용량은 커패시턴스 및 인덕턴스의 공진조건에 의하여 전력용 커패시터 정격용량(Qc)의 4%이나, 주파수변동이나 경제적 측면으로 고려하여 실제로는 커패시터 정격용량(Qc)의 6%로 적용된다.Among the harmonics generated by power capacitors, the third harmonic circulates in the delta connection of the transformer, so in order to remove the fifth harmonic, which is the most problematic, the capacity of the series reactor is 4% of the rated capacity (Qc) of the power capacitor due to the resonance conditions of capacitance and inductance. However, considering frequency fluctuations and economic aspects, it is actually applied as 6% of the rated capacity (Qc) of the capacitor.
직렬 리액터(120)의 인덕턴스는 리액터 정격전압과 리액터 정격전류를 이용하여 산출된다.The inductance of the series reactor (120) is calculated using the reactor rated voltage and reactor rated current.
여기서, 상전압은 선간전압/√3이고, 직렬 리액터의 용량은 전력용 커패시터 용량의 6%로 한다.Here, the phase voltage is line-to-line voltage/√3, and the capacity of the series reactor is 6% of the capacity of the power capacitor.
이를 수식으로 나타내면 다음의 수식 11로 표현된다.If expressed as a formula, it is expressed as the following formula 11.
수식 11)Formula 11)
여기서, VSR은 직렬 리액터 정격전압, VL은 회로전압이다.Here, V SR is the series reactor rated voltage and V L is the circuit voltage.
상기에서 회로전압은 전력용 커패시터와 조합되어 접속된 직렬 리액터에 인가되는 전압을 의미한다.In the above, the circuit voltage refers to the voltage applied to a series reactor connected in combination with a power capacitor.
또한, 리액터 정격전류(ISR)는 직렬 리액터의 리액터 정격용량(QL)에 의해 산출되는 것으로서, 리액터 정격용량(QL)은 리액터 정격전류(ISR)×리액터 정격전압×3으로 산출되기 때문에 이를 리액터 정격전류(ISR)로 정리하면 다음의 수식 12로 표현된다.In addition, the reactor rated current (I SR ) is calculated by the reactor rated capacity (Q L ) of the series reactor, and since the reactor rated capacity (Q L ) is calculated by the reactor rated current (I SR ) × reactor rated voltage × 3, when this is organized into the reactor rated current (I SR ), it is expressed as the following equation 12.
수식 12)Formula 12)
여기서, ISR은 리액터 정격전류, QL은 리액터 정격용량, VSR은 리액터 정격전압이다.Here, I SR is the reactor rated current, Q L is the reactor rated capacity, and V SR is the reactor rated voltage.
리액터 정격용량(QL)은 전력용 커패시터의 커패시터 정격용량(Qc)의 0.06배로 산출되고, 리액터 정격전압(VSR)은 수식 11에 의해 산출된다.The reactor rated capacity (Q L ) is calculated as 0.06 times the capacitor rated capacity (Qc) of the power capacitor, and the reactor rated voltage (V SR ) is calculated by Equation 11.
이에, 유도성 리액턴스(XL)은 ωL로 산출되나, 리액터 정격전압(VSR)과 리액터 정격전류(ISR)의 비율로 산출될 수 있다.Accordingly, the inductive reactance (X L ) is calculated as ωL, but can be calculated as the ratio of the reactor rated voltage (V SR ) and the reactor rated current (I SR ).
이를 수식으로 나타내면 다음의 수식 13으로 표현된다.If this is expressed as a formula, it is expressed as the following formula 13.
수식 13)Formula 13)
여기서, XL은 유도성 리액턴스, VSR은 리액터 정격전압, ISR은 리액터 정격전류, ω는 각주파수, L은 인덕턴스이다.Here, X L is the inductive reactance, V SR is the reactor rated voltage, I SR is the reactor rated current, ω is the angular frequency, and L is the inductance.
상기 수식 13을 인덕턴스(L)로 정리하면, 직렬 리액터의 인턱턴스(L)은 다음의 수식 14로 정리된다.If the above equation 13 is organized into inductance (L), the inductance (L) of the series reactor is organized into the following equation 14.
수식 14)Formula 14)
여기서, L은 인덕턴스, ω는 각주파수(2πf), f는 주파수, VSR은 리액터 정격전압, ISR은 리액터 정격전류이다.Here, L is the inductance, ω is the angular frequency (2πf), f is the frequency, V SR is the reactor rated voltage, and I SR is the reactor rated current.
이에, 상기 인덕턴스 산출모듈(220)은 수식 14를 이용하여 직렬 리액터(120)의 인덕턴스를 산출하게 된다.Accordingly, the inductance calculation module (220) calculates the inductance of the series reactor (120) using Equation 14.
진단모듈(230)은 정전용량 산출모듈(210)에서 수식 9 또는 수식 10에 의해 산출된 커패시턴스와 인덕턴스 산출모듈(220)에서 수식 14에 의해 산출된 인덕턴스에 기초하여 공진주파수를 산출하고, 산출된 공진주파수에 기초하여 상기 커패시터 뱅크(100)를 진단한다.The diagnostic module (230) calculates the resonant frequency based on the capacitance calculated by Equation 9 or Equation 10 in the electrostatic capacity calculation module (210) and the inductance calculated by Equation 14 in the inductance calculation module (220), and diagnoses the capacitor bank (100) based on the calculated resonant frequency.
상세하게 상기 진단모듈(230)은 공진주파수를 산출하면, 산출된 공진주파수의 전류가 전력용 커패시터로 인가되지 않도록 하는 차단주파수 범위를 산출하고, 상기 차단주파수 범위에 주파수가 검출되면 경보장치를 동작하도록 제어하거나 전력용 커패시터를 계통에서 분리하도록 제어하는 신호를 출력한다.In detail, the above diagnostic module (230) calculates a cutoff frequency range that prevents the current of the calculated resonant frequency from being applied to the power capacitor when the resonant frequency is calculated, and outputs a signal to control the operation of an alarm device or to control the disconnection of the power capacitor from the system when a frequency is detected within the cutoff frequency range.
이때, 공진주파수는 상기의 수식 2에 의해 산출된다.At this time, the resonant frequency is calculated by the above formula 2.
제어모듈(240)은 상기 진단모듈(230)의 진단결과에 따라 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하거나 경보장치를 동작한다.The control module (240) separates the capacitor bank (100) from the power system or operates an alarm device according to the diagnosis result of the diagnosis module (230).
아울러, 도면에 도시하지 않았으나, 상기 제어모듈(240)은 통신장치와 연계하여 HMI(Human Machine Interface) 등으로 전송함으로써 배전반의 제어상태를 제공하도록 구성될 수 있다.In addition, although not shown in the drawing, the control module (240) may be configured to provide the control status of the distribution panel by transmitting it to an HMI (Human Machine Interface) or the like in connection with a communication device.
한편, 배전반은 지진 등의 진동에 의해 흔들리거나 쓰러지지 않도록 지면에 견고하게 고정 설치되는 데, 배전반을 지면에 견고하게 고정할 경우 지진 발생 시 내부 전력기기에 직접적인 진동이 인가되어 파손 및 소손의 위험성이 존재한다.Meanwhile, the distribution board is installed firmly fixed to the ground so that it does not shake or fall over due to vibrations such as earthquakes. However, if the distribution board is firmly fixed to the ground, there is a risk of damage or destruction due to direct vibration applied to the internal power equipment when an earthquake occurs.
이에, 본 발명의 큐비클에는 프레임에 결합되는 코너부에 지면으로부터 전달되는 진동을 견딜 수 있도록 보강하는 내진장치가 설치된다.Accordingly, the cubicle of the present invention is equipped with an earthquake-resistant device to reinforce the corner portion connected to the frame so as to withstand vibration transmitted from the ground.
상기 내진장치는 통상의 판스프링 구조로 이루어질 수 있으며, 전달되는 진동을 판스프링의 의해 프레임과 프레임의 결합력을 보강하여 진동에 대해 프레임의 결합상태를 유지할 수 있도록 안정적으로 고정시키게 된다.The above-mentioned earthquake-resistant device can be formed of a conventional plate spring structure, and stably fixes the frame so that the frame's joint state can be maintained against vibration by reinforcing the frame-to-frame joint strength through the plate spring to transmit vibration.
이와 같이 진동에 대한 내진력을 증가시키는 내진장치가 적용되더라도, 큐비클로는 진동이 전달될 수 있고, 내진장치의 내진력을 초과하는 경우에는 큐비클에 전달되는 진동으로 내부 전력기기가 파손되거나 부하측에 이상전류가 흘러갈 수 있는 문제점이 있다.Even if a seismic device that increases the seismic resistance to vibration is applied in this way, there is a problem in that vibration can be transmitted to the cubicle, and if the seismic resistance of the seismic device is exceeded, the vibration transmitted to the cubicle can damage the internal power equipment or cause abnormal current to flow to the load side.
이에, 본 발명에서는 진동을 감지하고, 감지된 진동에 따라 신호를 출력하거나 전력 차단 등을 수행할 수 있도록 진동감지모듈(250)이 구성된다.Accordingly, in the present invention, a vibration detection module (250) is configured to detect vibration and output a signal or cut off power, etc. according to the detected vibration.
상기 진동감지모듈(250)은 진동의 변위를 검출하는 변위센서 등의 센서를 내진장치에 설치하여 진동의 크기를 검출하여 출력한다. 즉, 변위센서는 큐비클의 프레임 코너부에 결합되는 판스프링의 내진장치에 부착 설치될 수 있다.The above vibration detection module (250) detects the size of the vibration by installing a sensor, such as a displacement sensor, in the earthquake-resistant device to detect the displacement of the vibration and output the result. That is, the displacement sensor can be attached and installed in the earthquake-resistant device of the plate spring that is coupled to the frame corner of the cubicle.
상기 제어모듈(240)은 상기 진동감지모듈(250)로부터 전송된 진동값에 근거하여 제어(전력의 차단 등)하도록 구성된다.The above control module (240) is configured to control (cut off power, etc.) based on the vibration value transmitted from the vibration detection module (250).
아울러, 전력용 커패시터의 절연 열화에 영향을 미치는 요인으로는 전력용 커패시터에 공급되는 전압 및 전류 등의 조건도 있으나, 전력용 커패시터의 내·외부 온도 또한 절연 열화에 큰 영향을 준다.In addition, factors affecting the insulation deterioration of power capacitors include conditions such as voltage and current supplied to the power capacitor, but the internal and external temperatures of the power capacitor also have a significant impact on the insulation deterioration.
이에, 내전압 여유율을 상승시켜 고조파 전압 및 전류의 내성을 높이거나 전력용 커패시터가 설치된 주위 온도가 최대 45℃를 넘지 않도록 관리하면서, 전력용 커패시터에 공급되는 전류와 내·외부 온도를 정기적으로 점검하여 전력용 커패시터의 파열 사고를 방지하고 있다.Accordingly, by increasing the withstand voltage margin to enhance the withstand of harmonic voltage and current, and managing the ambient temperature where the power capacitor is installed so that it does not exceed 45℃, the current supplied to the power capacitor and the internal/external temperature are regularly checked to prevent the rupture of the power capacitor.
그러나 이러한 작업은 인력이 투입되어야 하는 것으로서, 관리에 많은 시간과 비용이 소요될 뿐만 아니라 관리에 공백이 발생될 수 있다.However, since these tasks require human resources, they not only take up a lot of time and money to manage, but can also create gaps in management.
본 발명에서는 전력용 커패시터의 온도에 기초하여 전력용 커패시터의 잔여수명을 예측 제공하기 위해 전력용 커패시터의 표면온도를 검출하는 온도감지모듈(260)을 구성하고, 상기 온도감지모듈(260)에서 검출된 온도에 기초하여 진단모듈(230)에서 전력용 커패시터의 수명을 산출하도록 구성된다.In the present invention, a temperature detection module (260) for detecting the surface temperature of a power capacitor is configured to provide a prediction of the remaining life of a power capacitor based on the temperature of the power capacitor, and a diagnosis module (230) is configured to calculate the life of the power capacitor based on the temperature detected by the temperature detection module (260).
상기 온도감지모듈(260)은 상기 전력용 커패시터(110)의 온도를 검출할 수 있는 온도센서를 포함하여 구성될 수 있다.The above temperature detection module (260) may be configured to include a temperature sensor capable of detecting the temperature of the power capacitor (110).
상기의 온도센서는 접촉식 또는 비접촉식 중 어느 것이라도 무관하나, 배전반의 종류, 설치위치 또는 수배전 전력 등을 고려하여 접촉식 온도센서가 적용될 수 있다. 이때, 상기 온도센서는 전력용 커패시터의 케이싱 표면에 부착될 수 있고, 부착은 마그네틱 등을 이용하여 탈부착이 쉽도록 구성될 수 있다.The above temperature sensor may be either a contact or non-contact type, but a contact temperature sensor may be applied considering the type of distribution panel, installation location, or power distribution power. At this time, the temperature sensor may be attached to the surface of the casing of the power capacitor, and the attachment may be configured to be easily detached using a magnet or the like.
한편, 아레니우스 모델은 여러 온도에서 초기 특성 값의 일정 변화가 발생하는 시점을 수명으로 판단하여 시간-온도의 마스터 커브(master curve) 및 관계식으로 표현된다. 이러한 관계로부터 특정 온도에서 예측 수명을 계산할 수 있으며 상온에서의 자연노화(natural aging)에 의한 수명을 가속 시험 결과로 얻어진 데이터를 이용하여 예측할 수 있다.Meanwhile, the Arrhenius model is expressed as a master curve and relationship of time-temperature by judging the time point at which a certain change in the initial characteristic value occurs at various temperatures as the life. From this relationship, the predicted life at a specific temperature can be calculated, and the life due to natural aging at room temperature can be predicted using the data obtained as the results of an accelerated test.
전력기기에서의 온도 상승의 원인은 전류에 기인하게 된다. 즉, 흐르는 전류의 크기가 클수록 전력기기에서 발생되는 온도가 상승하게 된다.The cause of temperature rise in power equipment is due to current. That is, the greater the amount of current flowing, the higher the temperature generated in the power equipment.
이에, 상기의 수식 3으로부터 전력용 커패시터에 인가되는 전류로 표현하면, 다음의 수식 15로 표현된다.Accordingly, when expressed as the current applied to the power capacitor from the above equation 3, it is expressed as the following equation 15.
수식 15)Formula 15)
여기서, IC는 전력용 커패시터에 인가되는 전류, C는 전력용 커패시터의 커패시턴스, f는 주파수, V는 전력용 커패시터에 인가되는 전압이다.Here, I C is the current applied to the power capacitor, C is the capacitance of the power capacitor, f is the frequency, and V is the voltage applied to the power capacitor.
상기 수식 15에 따르면, 전류(IC)는 주파수(f), 커패시턴스(C) 및 정격전압에 의해 결정되는 데, 전력 커패시턴스의 커패시턴스(C)는 수식 9 또는 수식 10을 이용하여 산출될 수 있다.According to the above equation 15, the current (I C ) is determined by the frequency (f), the capacitance (C) and the rated voltage, and the capacitance (C) of the power capacitance can be calculated using equation 9 or equation 10.
이때, 상기 수식 9 및 수식 10은 공진주파수를 산출하기 위한 것이나, 그 크기가 ㎌으로써, 그 크기가 변화되어도 전력용 커패시터에 인가되는 전류에 미치는 영향은 미미할 수 있다.At this time, the above equations 9 and 10 are for calculating the resonant frequency, but since its size is ㎌, even if its size changes, the effect on the current applied to the power capacitor may be minimal.
이에, 커패시턴스(C)는 변화량이 적은 것으로 가정하고 전력용 커패시터가 무효전력의 제공, 전압 안정화, 역률 개선 그리고 전원계통에서 발생하는 고조파를 저감하기 위해 직렬 리액터와 직렬 연결한 수동형 필터로 사용되는 경우, 전압이 증가할 경우 전류도 증가하여 전력용 커패시터에는 열이 발생한다. 이에, 전력용 커패시터 내부에서 발생하는 온도에 대해 아레니우스 모델을 적용하면 전력용 커패시터의 잔여수명은 다음의 수식 16)으로 표현된다.Here, if the capacitance (C) is assumed to have a small amount of change and the power capacitor is used as a passive filter connected in series with a series reactor to provide reactive power, stabilize voltage, improve power factor, and reduce harmonics generated in the power system, when the voltage increases, the current also increases, generating heat in the power capacitor. Accordingly, if the Arrhenius model is applied to the temperature generated inside the power capacitor, the remaining life of the power capacitor is expressed by the following equation 16).
수식 16)Formula 16)
여기서, Li는 전력용 커패시터의 잔여수명, A는 유전체 재료의 특유 정수, n은 과전압 지수이다.Here, L i is the remaining life of the power capacitor, A is a characteristic constant of the dielectric material, and n is the overvoltage exponent.
상기에서 유침지의 경우 n은 7 ~ 8이고, 필름의 경우 n은 10 ~ 12사이의 값을 가진다.In the above, for the immersion paper, n is 7 to 8, and for the film, n has a value between 10 and 12.
상기 수식 16을 참조하면, 전력용 커패시터의 전기적인 스트레스에 의해 절연을 파괴하거나 열화를 일으키는 주요 원인은 전압과 온도이다.Referring to the above equation 16, the main causes of insulation destruction or deterioration due to electrical stress in power capacitors are voltage and temperature.
아레니우스 모델에서 제품 또는 부품의 수명을 가속하는 경우 경험적인 모델로 2n 모델이 있다. 상기 2n 모델은 온도가 10℃ 상승할 때마다 수명이 반감된다는 이론을 적용한 것이다.In the Arrhenius model, there is an empirical model called the 2 n model when accelerating the life of a product or component. The 2 n model applies the theory that the life is halved for every 10℃ increase in temperature.
이때, 전력용 커패시터의 수명이 반감되는 온도의 변화를 △θ라고 하면, 전력용 커패시터의 초기 온도(θ0)와 검출온도(θ)에 대해 총 수명(LIO)에 대한 잔여수명(Li)과 온도 사이의 관계는 다음의 수식 17)로 표현된다.At this time, if the change in temperature at which the life of the power capacitor is halved is △θ, the relationship between the remaining life (L i ) for the total life (L IO ) and the temperature for the initial temperature (θ 0 ) and the detection temperature (θ) of the power capacitor is expressed by the following equation 17).
수식 17)Formula 17)
여기서, Li는 전력용 커패시터의 잔여수명, L0는 전력용 커패시터의 총 수명, θ는 검출온도, θ0는 초기 온도, △θ는 반감되는 온도 변화이다.Here, L i is the remaining life of the power capacitor, L 0 is the total life of the power capacitor, θ is the detection temperature, θ 0 is the initial temperature, and △θ is the temperature change that is halved.
상기의 수식 17을 이용하여 전력용 커패시터의 반감되는 온도 변화를 대략 10℃라 하고, 이를 전력용 커패시터에 인가되는 전압과 온도가 동시에 상승되는 경우로 정리하면 다음의 수식 18로 표현된다.Using the above equation 17, the temperature change that is reduced by half of the power capacitor is approximately 10℃, and when this is organized into a case where the voltage and temperature applied to the power capacitor increase simultaneously, it is expressed as the following equation 18.
수식 18)Formula 18)
여기서, Li는 전력용 커패시터의 잔여수명, V는 검출전압, V0는 초기전압, n은 과전압 지수, L0는 전력용 커패시터의 총 수명, θ는 검출온도, θ0는 초기온도이다.Here, L i is the remaining life of the power capacitor, V is the detection voltage, V 0 is the initial voltage, n is the overvoltage index, L 0 is the total life of the power capacitor, θ is the detection temperature, and θ 0 is the initial temperature.
본 발명에서 진단제어부(200)의 진단모듈(230)은 검출된 전압과 온도에 기초하여 수식 18을 통해 전력용 커패시터의 잔여 수명을 산출하고, 산출된 잔여 수명은 제어모듈(240)을 통해 디스플레이에 표시되거나 통신장치와 연계하여 HMI(Human Machine Interface) 등으로 전송하도록 구성하여 배전반에 구성된 전력용 커패시터의 잔여 수명을 제공하도록 구성될 수 있다.In the present invention, the diagnostic module (230) of the diagnostic control unit (200) calculates the remaining life of the power capacitor through Equation 18 based on the detected voltage and temperature, and the calculated remaining life is configured to be displayed on a display through the control module (240) or transmitted to an HMI (Human Machine Interface) or the like in connection with a communication device, thereby providing the remaining life of the power capacitor configured in the distribution panel.
상기에서는 본 발명에 따른 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반)의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속한다.Although the above has described preferred embodiments of an earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor according to the present invention, the present invention is not limited thereto, and various modifications may be made within the scope of the claims, the description of the invention, and the attached drawings, and this also falls within the scope of the present invention.
10: 큐비클 100: 커패시터 뱅크
110: 전력용 커패시터 120: 직렬 리액터
200: 진단제어부 210: 정전용량 산출모듈
220: 인덕턴스 산출모듈 230: 진단모듈
240: 제어모듈 250: 진동감지모듈
260: 온도감지모듈10: Cubicle 100: Capacitor Bank
110: Power capacitor 120: Series reactor
200: Diagnostic control unit 210: Electrostatic capacity calculation module
220: Inductance calculation module 230: Diagnostic module
240: Control module 250: Vibration detection module
260: Temperature sensing module
Claims (9)
상기 전력용 커패시터(110)의 용량성 커패시턴스에 기초하여 산출되는 커패시턴스와 상기 직렬 리액터(120)의 유도성 인덕턴스로부터 산출되는 인덕턴스를 통해 공진주파수를 산출하고, 배전반에 유입되는 주파수가 산출된 공진주파수에 근접하면 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하도록 제어하는 진단제어부(200);
를 포함하고,
상기 진단제어부(200)는,
상기 전력용 커패시터(110)의 선전류, 주파수, 선간전압에 기초하여 상기 전력용 커패시터 각 상의 커패시턴스를 산출하는 정전용량 산출모듈(210);
상기 직렬 리액터(120)에 인가되는 정격전압과 정격전류에 기초하여 상기 직렬 리액터(120)의 인덕턴스를 산출하는 인덕턴스 산출모듈(220);
상기 정전용량 산출모듈(210)에서 산출된 커패시턴스와 상기 인덕턴스 산출모듈(220)에서 산출된 인덕턴스에 기초하여 공진주파수를 산출하고 산출된 공진주파수에 기초하여 상기 커패시터 뱅크(100)를 진단하는 진단모듈(230);
상기 진단모듈(230)의 진단결과에 따라 상기 커패시터 뱅크(100)를 전원계통에서 분리하는 제어모듈(240);
진동을 검출하는 진동감지모듈(250); 및
상기 전력용 커패시터(110)의 온도를 검출하는 온도감지모듈(260);
을 포함하며,
상기 진동감지모듈(250)에서 감지된 진동값에 기초하여 진동을 분석하고, 분석 결과에 따라 전원차단 동작을 수행하도록 제어하거나 알람을 알리도록 제어하고,
상기 온도감지모듈(260)에서 검출된 온도에 기초하여 상기 전력용 커패시터(110)의 열화에 의한 수명을 진단하여 제공하되, 상기 전력용 커패시터(110)의 열화에 의한 잔여수명은 아래 수식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
수식)
여기서, Li는 전력용 커패시터의 잔여수명, V는 검출전압, V0는 초기전압, n은 과전압 지수, L0는 전력용 커패시터의 총 수명, θ는 검출온도, θ0는 초기온도이다.
A capacitor bank (100) including a power capacitor (110) installed in a cubicle (10) to improve the power factor and a series reactor (120) connected in series to the power capacitor (110) to correct the current phase and prevent the occurrence of harmonics; and
A diagnostic control unit (200) that calculates a resonant frequency through a capacitance calculated based on the capacitive capacitance of the power capacitor (110) and an inductance calculated from the inductive inductance of the series reactor (120), and controls the capacitor bank (100) to be separated from the power system when the frequency flowing into the distribution board approaches the calculated resonant frequency;
Including,
The above diagnostic control unit (200)
A capacitance calculation module (210) that calculates the capacitance of each phase of the power capacitor based on the line current, frequency, and line-to-line voltage of the power capacitor (110);
An inductance calculation module (220) that calculates the inductance of the series reactor (120) based on the rated voltage and rated current applied to the series reactor (120);
A diagnostic module (230) that calculates a resonant frequency based on the capacitance calculated by the electrostatic capacity calculation module (210) and the inductance calculated by the inductance calculation module (220) and diagnoses the capacitor bank (100) based on the calculated resonant frequency;
A control module (240) that separates the capacitor bank (100) from the power system according to the diagnosis result of the above diagnosis module (230);
A vibration detection module (250) that detects vibration; and
A temperature detection module (260) that detects the temperature of the above power capacitor (110);
Including,
Based on the vibration value detected by the vibration detection module (250), the vibration is analyzed, and the power cut-off operation is controlled or an alarm is notified according to the analysis result.
An earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, characterized in that the lifespan due to deterioration of the power capacitor (110) is diagnosed and provided based on the temperature detected by the temperature detection module (260), and the remaining lifespan due to deterioration of the power capacitor (110) is calculated using the following formula.
formula)
Here, L i is the remaining life of the power capacitor, V is the detection voltage, V 0 is the initial voltage, n is the overvoltage index, L 0 is the total life of the power capacitor, θ is the detection temperature, and θ 0 is the initial temperature.
상기 전력용 커패시터(110)가 Δ결선이면, 상기 정전용량 산출모듈(210)은 아래의 수식에 의해 상기 커패시턴스가 산출되는 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
수식)
여기서, CΔ1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CΔ2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CΔ3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.
In claim 1,
If the power capacitor (110) is Δ-connected, the electrostatic capacity calculation module (210) is characterized in that the capacitance is calculated by the following formula: an earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor.
formula)
Here, C Δ1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Δ2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Δ3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
상기 전력용 커패시터(110)가 Y결선이면, 상기 정전용량 산출모듈(210)은 아래의 수식에 의해 상기 커패시턴스가 산출되는 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
수식)
여기서, CY1은 R-S상의 커패시터 정전용량, I1은 R상과 S상에 흐르는 선전류, f는 주파수, V1은 R상과 S상의 선간전압, CY2은 S-T상의 커패시터 정전용량, I2은 S상과 T상에 흐르는 선전류, V2는 S상과 T상의 선간전압, CY3은 T-R상의 커패시터 정전용량, I3은 T상과 R상에 흐르는 선전류, V3은 T상과 R상의 선간전압이다.
In claim 1,
If the above power capacitor (110) is Y-connected, the above electrostatic capacity calculation module (210) is characterized in that the capacitance is calculated by the following formula: an earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor.
formula)
Here, C Y1 is the capacitor capacitance of RS phase, I 1 is the line current flowing in R and S phases, f is the frequency, V 1 is the line-to-line voltage of R and S phases, C Y2 is the capacitor capacitance of ST phase, I 2 is the line current flowing in S and T phases, V 2 is the line-to-line voltage of S and T phases, C Y3 is the capacitor capacitance of TR phase, I 3 is the line current flowing in T and R phases, and V 3 is the line-to-line voltage of T and R phases.
상기 인덕턴스 산출모듈(220)은 아래의 수식에 의해 상기 인덕턴스가 산출되는 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
수식)
여기서, L은 인덕턴스, XL은 직렬 리액터의 유도성 리액턴스, ω는 각주파수(2πf), f는 주파수, VSR은 리액터 정격전압, ISR은 리액터 정격전류이다.
In claim 1,
The above inductance calculation module (220) is an earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, characterized in that the inductance is calculated by the following formula.
formula)
Here, L is the inductance, X L is the inductive reactance of the series reactor, ω is the angular frequency (2πf), f is the frequency, V SR is the reactor rated voltage, and I SR is the reactor rated current.
상기 진단모듈(230)은,
상기 공진주파수를 산출하면, 산출된 공진주파수의 전류가 전력용 커패시터로 인가되지 않도록 하는 차단주파수 범위를 산출하고, 상기 차단주파수 범위의 주파수가 검출되면 경보장치를 동작하도록 제어하거나 전력용 커패시터를 계통에서 분리하도록 제어하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
In claim 1,
The above diagnostic module (230) is
An earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, characterized in that when the above resonant frequency is calculated, a cutoff frequency range that prevents the current of the calculated resonant frequency from being applied to a power capacitor is calculated, and when a frequency in the above cutoff frequency range is detected, a signal is output to control an alarm device to operate or a control signal to disconnect the power capacitor from the system is output.
상기 차단주파수는 상기 공진주파수가 갖는 n차 고조파의 최대값(Imax)에 대해 상기 최대값의 ±1/√2의 전류값을 갖는 범위에 속하는 주파수인 것을 특징으로 하는 전력용 커패시터와 직렬 리액터의 실시간 열화진단 기능을 갖는 내진 배전반(고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반).
In claim 6,
An earthquake-resistant distribution board (high voltage distribution board, low voltage distribution board, motor control board, distribution board) having a real-time deterioration diagnosis function of a power capacitor and a series reactor, characterized in that the above-mentioned cutoff frequency is a frequency that falls within a range having a current value of ±1/√2 of the maximum value (Imax) of the nth harmonic of the above-mentioned resonant frequency.
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- 2024-05-27 KR KR1020240068460A patent/KR102699221B1/en active IP Right Grant
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