Zig-Zag Transformer 가이드

 

이 가이드는 현대 전기 시스템에서 접지, 고조파 완화, 전력 품질 개선 및 AC{2}}DC 전력 변환에 널리 사용되는 지그재그 변압기-특수{1}}권선 구성에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 이 가이드에서는 작동의 기본 원리, 기술적 특성, 설계 고려 사항, 대체 접지 방식과의 비교, 시스템 중성 접지, 고조파 제거 및 통합 전력 변환 시스템을 포함한 세부 응용 시나리오를 다루고 있습니다. 또한 이 가이드에는 선택, 크기 조정, 보호 및 IEEE C57.105 및 IEC 60076과 같은 관련 표준 준수에 대한 실제 고려 사항이 포함되어 있습니다.

현대의 3{0}}상 전기 시스템은 델타-로 연결된 변압기 2차측으로 작동하는 경우가 많습니다. 이 변압기에는 접지용 자연 중성점이 부족합니다. 더 광범위하게 말하면, 델타 구성이든 다른 소스이든 관계없이 접지되지 않은 3상-상 시스템-은 정의된 접지 기준 부재, 라인-대-지락 오류 중 일시적인 과전압 위험, 오류 감지 및 위치 파악의 어려움 등 심각한 운영 문제를 제시합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지그{9}}지그재그 변압기(상호 연결된 스타 또는 접지 변압기라고도 함)가 개발되었습니다.

지그재그 변압기는 각 출력이 120도 오프셋된 두 위상의 벡터 합인 권선 구성을 갖춘 특수{0}용 변압기입니다. 각 자기 코어 림은 반대 방향으로 감긴 두 개의 권선 섹션으로 분할되고 코일은 서로 다른 위상에 걸쳐 상호 연결되어 균형 잡힌 전류에 대한 상쇄 효과를 생성하는 동시에 제로{3}} 시퀀스 전류가 중성 연결을 통해 자유롭게 흐르도록 허용합니다.

중성 접지가 가장 눈에 띄는 응용 분야이지만 지그{0}}지그재그 변압기는 지락 전류에 대한 낮은-임피던스 경로 제공, 삼중 고조파 억제, 부하 전류 균형 조정, 통합 AC-DC 전력 변환 시스템의 필수 구성 요소 역할 등 다양한 기능을 제공하는 다용도 플랫폼으로 발전했습니다.

 

 

 

내부 배열이 복잡해 보일 수 있지만 작동 원리는 기본적으로 앙페르의 법칙에 따릅니다.{0}}동일한 코어의 권선에 걸친 자기 균형은 한 권선에 흐르는 전류가 해당 가지의 다른 권선에 있는 상응하는 전류를 동반해야 함을 나타냅니다.

2.2 결함 조건에서의 전류 흐름 분석

제로{0}}시퀀스 전류가 어떻게 활성화되는지 이해하려면 접지되지 않은 시스템의 한 단계에서 접지 결함에 대한 라인-을-고려해 보세요. 교차-연결된 권선 배열은 상호 의존적인 전류 전파 경로를 생성합니다. 중성점에서 A상 하단 권선을 통해 위쪽으로 흐르는 전류는 C상 상단 권선을 통해 계통 연결로 전달됩니다. 이는 위상 C의 하단 권선에 해당 전류를 유도하고, 이는 차례로 위상 B를 통해 그리드로 전파됩니다. 시퀀스는 계속해서 세 위상 모두를 포함합니다. 중요한 관찰은 상단 권선, 하단 권선 및 접지 연결의 모든 전류가 서로 위상이 일치하여 이를 0-시퀀스 전류로 명확하게 식별한다는 것입니다.

3상 전체에 걸쳐 이러한 0-시퀀스 전류의 합은 총 지락 전류와 같습니다.. 정상적인 균형 작동 조건에서는 위상-변이 전압이 상쇄되고 작은 여자 전류만 순환합니다. 지락 또는 불균형 부하-와 같은 불균형 조건-에서만 제로 시퀀스 전류가 변압기를 통해 흐를 수 있습니다.-

2.3 임피던스 특성

정상 작동 시 지그{0}}지그재그 변압기는 포지티브- 및 네거티브-시퀀스 전류에 높은 임피던스를 제공하므로 균형 잡힌 조건에서는 본질적으로 전기 시스템에 보이지 않습니다. 그러나 제로-시퀀스 전류의 경우 변압기는 낮은 임피던스를 제공하여 오류 전류에 대해 중성선을 접지로 효과적으로 단락시킵니다.-

0-시퀀스 임피던스를 제어하는 ​​주요 매개변수에는 권선 회전 수, 코어 형상, 각 림의 두 절반 사이의 누설 인덕턴스, 코어 재료의 자기 특성이 포함됩니다. 삼중-고조파 자속의 흐름을 제한하는 철심 설계 기능은 지그-재그 구성을 다른 접지 방식과 구별하는 또 다른 고유한 이점입니다.

2.4 주요 설치 요구 사항

퓨즈가 끊어지거나 연결이 느슨한 등의 상 개방-회로 상태-는 권선 전류의 상호 의존성을 방해합니다. 한 상이 분리되면 제로- 시퀀스 흐름에 필요한 전류 전파 체인이 끊어지고 접지 변압기는 더 이상 지락 전류를 전도할 수 없습니다. 따라서 접지 변압기는 실수로 연속성을 방해할 수 있는 중간 기계적 스위칭 장치 없이 접지와 그리드 모두에 단단히 연결되어야 합니다.

 

 

 

 

두 가지 주요 유형접지 변압기전력 시스템에 사용되는 것: 지그-재그(상호 연결된-스타) 변압기 및와이-델타 변환기. 이들 중 하나를 선택하면 비용, 크기 및 성능에 상당한 영향을 미칩니다.

3.1 크기 및 전력 등급

지그{0}}재그 배열은 접지된 와이-델타 구성보다 훨씬 더 높은 효율성을 제공합니다. 지그{3}}재그 변압기에서 각 권선은 라인-대지 전압-접지 전압-보다 몇 배 더 적게 전달됩니다.- 더 낮은 총 전력 등급 활성화:. 대조적으로 접지된 와이-델타 변압기에는 다음이 필요합니다.동일한 중성 전류에 대해. 이러한 상당한 차이로 인해 지그-지그 변압기는 동일한 중성 전류 요구 사항에 대해 와이-델타 변압기보다 kVA 정격이 약 1/3 더 작습니다.

제조업체는 지그{0}}지그재그 변압기가 동일한 제로 시퀀스 임피던스 사양에 대해 와이-델타 변압기보다 비용이 저렴하고 물리적 공간이 작기 때문에 대부분의 접지 애플리케이션에서 선호되는 선택이라고 보고합니다.

3.2 고조파 성능

Wye{0}}델타 변압기는 델타 권선 내에서 삼중 고조파(3차, 9차, 15차 등)를 순환하지만 불균형 부하로 인해 생성된 중성 전류를 제거하지는 않습니다. 이와 대조적으로 지그-재그 변압기는 중성선에서 다시 부하 측으로 3차 고조파 전류를 재순환시켜 2차 측의 고조파를 적극적으로 줄입니다. 이는 삼중 고조파가 단순히 닫힌 델타 루프 내에 갇히는 델타{8}}와이 변환기와 근본적으로 다른 메커니즘입니다.

3.3 정격 시간 및 열 부하

두 가지 유형 모두 연속 작동이 아닌 일반적으로 10-초 또는 1-분 오류 기간으로 평가되는 단시간 장치로 사용됩니다. ANSI/IEEE Std. 32-1972에서는 10-초 정격 장치에 대해 3%의 연속 정격을 요구합니다. 즉, 단시간 정격은 연속 정격의 약 33배에 해당합니다. 1분 정격 뱅크는 7%의 연속 전류 정격을 전달합니다. 이러한 간헐적 부하 특성은 동일한 용량의 연속 부하 변압기에 비해 크기와 제조 비용을 줄여주지만 신중한 열 관리는 여전히 필수적입니다.

 

 

 

 

4.1 제로-시퀀스 임피던스

제로-시퀀스 임피던스는 틀림없이 지그{1}}변환기 설계에서 가장 중요한 매개변수입니다. 이는 지락 전류 크기와 불균형 조건에서의 전압 조절을 모두 결정합니다. 변압기 임피던스만으로도 결함 전류를 원하는 수준으로 제한할 수 있습니다. 또는 중성점에 삽입된 외부 저항기 또는 리액터가 추가 제한 기능을 제공합니다.

4.2 누설 인덕턴스와 무-부하 손실

가장 중요한 두 가지 설계 매개변수는{0}}무부하 손실(히스테리시스 및 와전류 손실)과 누설 임피던스입니다. 분석 방법과 유한 요소 모델링의 최근 발전으로 지그재그 변압기의 누설 인덕턴스를 보다 정확하게 계산할 수 있게 되었으며, 이는 연구원과 변압기 설계자 모두가 이 유형을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 누설 리액턴스는 오류 발생 시 변압기의 전류 제한 동작과 전반적인 전압 조정 성능에 영향을 미칩니다.

4.3 단기-시간 및 연속 등급

접지 변압기는 뚜렷한 단시간-시간 및 연속 정격으로 작동합니다. 부하 불균형이 최소화된 회로는 연속 작동보다는 주로 단기-오류에 대해 정격이 지정된 변압기를 통해 제공될 수 있습니다. 10-초 단위의 연속 등급은 일반적으로 단시간 등급의 3%인 반면, 1-분 단위의 경우 7%입니다. 크기 조정 예는 이 원리를 보여줍니다. 6000A 지락 전류를 공급하는 12.47kV 시스템에서{15}}지그재그 변압기에는 24.9MVA 단시간 정격이 필요합니다. 이 간헐적 정격은 약 0.75MVA의 연속 정격에 해당하므로 은행은 180A의 중성 전류를 지속적으로 처리할 수 있습니다.

 

 

 

5.1 보호 과제

지그재그 접지 변압기로 중{0}}전압 네트워크를 보호하는 것은 어렵습니다. 변압기 차동 장치는 전력 변압기 비율 및 MV 피더의 용량성 전류 기여 효과와 결합된 고유한 지그{3}}재그 전류 제한으로 인해 델타 측에서 내부 접지 오류를 감지하는 감도가 부족할 수 있습니다. 제한된 지락 장치는 감도를 향상시킬 수 있지만 변류기 포화가 있는 외부 위상-상-지락에는 특별한 주의가 필요합니다.

접지 전류와 중성 전류 간의 각도를 비교하는 기존 방향 비교 장치는 적합하지 않습니다. 대신, 변압기 차동 장치를 감독하는 외부 결함 감지기가 효과적인 대체품으로 제안되었습니다. 중성 방향 보호를 위해 중성 전압과 전류 위상 각도를 비교하는 기존 장치는 정상 피더에서 순방향 결함 조건을 잘못 활성화합니다. 0-시퀀스 임피던스 크기를 기반으로 하는 방향 장치는 보다 안정적인 솔루션을 제공합니다.

5.2 적용 가능한 표준

Zig{0}}변압기 설계, 테스트 및 적용에는 여러 표준이 적용됩니다. IEEE C57.105-2019는 델타 및 와이, 접지 및 비접지, T-연결, 지그재그 및 기타 특수 연결의 모든 조합을 포함하여 2-권선 및 자동 변압기를 모두 포괄하는 3상 전기 시스템의 변압기 연결 및 구성을 설명합니다. 기타 관련 표준으로는 중성 접지 장치용 IEEE C57.32, 중성 접지 저항기용 IEC 60076-25, 테스트 및 성능 준수용 IS 2026/IS 5553이 있습니다.

IEEE C57.105는 원래 1차 전압이 최대 34.5kV인 배전 시스템용으로 작성되었지만 그 원리는 더 광범위하게 확장된다는 점을 인식하는 것이 중요합니다.

 

 

 

6.1 시스템 중립 접지

지그{0}}지그재그 변압기의 기본이자 가장 널리 사용되는 응용 분야는 비접지 3상 시스템-특히 델타-연결 변압기 2차 및 비접지 발전기 또는 인버터 버스에 대한 접지 중성점을 생성하는 것입니다. 이 애플리케이션은 단일 라인-~-접지 오류 중에 절연체에 대한 과전압 스트레스를 줄이고, 보호 계전기를 위해 정의된 접지 기준을 제공하고, 불균형 조건에서 연속 작동을 가능하게 하는 등 여러 가지 중요한 기능을 제공합니다.

태양광 및 분산 에너지 자원 시스템에서 기존 인버터에는 견고한 중성 연결이 부족하여 전압 불균형과 비효율적인 접지가 발생하는 경우가 많습니다. 지그{1}}지그재그 변압기는 접지에 대한 안정적이고 낮은{2}}임피던스 경로를 설정하여 오류 조건에서 시스템을 안정화합니다. 고저항 접지가 있는 중-전압 네트워크의 경우, 중성 접지 저항과 결합된 지그재그 접지 변압기는 즉각적인 트립 없이 오류 감지 감도를 제공합니다.-중요한 산업 프로세스에 대한 강력한 보호를 제공하는 구성입니다.

 

지그재그 변압기의 기능:

풍력 발전 단지

• 접지를 가능하게 하기 위해 중간 전압 수집 시스템(예: 35kV)에 인공 중성점 제공-
• 단일 라인에 대한 낮은{{0}임피던스 경로를 제공하여{1}}접지 오류까지-과전압을 제한합니다.
• 풍력 터빈 컨버터의 삼중 고조파(3차, 9차 등)를 억제합니다.
• Δ-Y 접지 변압기보다 작고 가벼워 해상 풍력 발전에 적합

태양광(PV) 시스템

• 중성점을 사용할 수 없는 인버터 AC 측에 대한 접지 기준을 설정합니다.
• 3상-불평형 및 인버터{1}}생성 고조파 완화
• 저-전압 라이드 스루(LVRT) 기능을 향상하여 단선을 방지합니다.
• PV + 저장 시스템에서 통합 필터 인덕터 역할을 할 수 있습니다.

현대 배전 네트워크의 유연한 상호 연결 장치는 중전압 측과 저전압 측 모두에서 지그{0}}지그재그 변압기 접지의 매력을 입증했으며, 종합적인 성능 비교에서 대형 리액턴스 접지 및 중간점 접지 대안보다 뛰어난 성능을 발휘합니다.

6.2 고조파 완화

지그{0}}지그재그 변압기는 비선형 부하로 인해 발생하는 중성 전류 문제를 완화하는 데 중요한 역할을 합니다.- 3{3}}4상-선 배전 시스템은 스위치-모드 전원 공급 장치, 가변-주파수 드라이브 및 기타 비선형 전자 부하의 확산으로 인해 중성 도체 과부하로 인해 점점 더 어려움을 겪고 있습니다. 기존 배전 변압기의 델타{9}}연결 1차측은 완벽하게 균형 잡힌 부하 조건에서만 삼중 고조파를 제거합니다. 불균형 부하는 여전히 중성 전류를 생성합니다.

지그{0}}재그 변압기는 기본 주파수 전류에 대해 높은 임피던스를 유지하면서 삼중 고조파에 대해 낮은-임피던스 경로를 제공함으로써 이 문제를 해결합니다. 델타{3}}지그재그와 델타{4}}wye 변압기를 전략적으로 페어링하면 5차 및 7차 고조파를 모두 취소하여 12-펄스 시스템 성능을 효과적으로 달성할 수 있습니다. 대규모 시스템의 경우 부하 근처에 배치된 여러 개의 소형 지그재그 변압기가 중성 전류를 국지적으로 유지하여 대형 중성 도체가 필요하지 않으며 기본 부하 전류 균형이 향상됩니다.

6.3 통합 AC-DC 전력 변환

전통적인 전력 품질 기능 외에도 지그{0}}재그 변압기는 그리드(ac) 및 광전지(dc) 전원을 결합하는 통합 ac{1}}dc 전력 변환 시스템에 적용됩니다. 지그-재그 변압기의 권선 누설 인덕턴스는 통합 ac-dc 시스템에서 통합 부스트 인덕턴스로 활용될 수 있으므로 별도의 인덕터가 있는 기존 설계에 비해 구성요소 수와 전체 시스템 부피가 줄어듭니다. 직사각형 형상의 권선에 대한 누설 인덕턴스를 적절하게 표현하는 고전적인 접근 방식은 설계 방법론을 뒷받침합니다.

고급 애플리케이션에는 3단 션트 지그재그 이중{1}}탭 저-고조파 다중{3}}펄스 정류기가 포함되며, 여기서 지그재그 변압기 구성은 고성능 전력 전자 시스템의 역률 보정 및 고조파 감쇠를 지원합니다.-

6.4 연구실 및 연구시설

입자 가속기 및 실험용 전력 분배 시스템-을 포함한-연구 시설에서는 비선형 전자 부하로 인해 발생하는 중성 전류를 줄이기 위한 비용 효율적인-솔루션으로 지그-지그재그 변압기를 구현했습니다.- 상대적으로 저렴한 비용, 단순성, 기존 배전 시스템에 대한 설치 용이성 및 중성 전류를 국지적으로 유지하는 기능은 전력 품질이 측정 및 장비 성능에 직접적인 영향을 미치는 실험 환경에서 지그{6}}재그 변압기를 매력적으로 만듭니다.

 

 

 

 

7.1 접지-고류 전류 요구사항 결정

지그{0}}지그 변압기 크기를 결정하는 첫 번째 단계는 원하는 지락 전류 수준을 결정하는 것입니다.- 설계 엔지니어는 전류 제한을 위해 변압기의 내부 제로{3}}시퀀스 임피던스에만 의존할지 아니면 외부 저항기를 삽입할지 결정해야 합니다. 고저항 접지 시스템의 경우-중전압 시스템의 고장 전류는 일반적으로 5~10A로 제한됩니다. 낮은{10}저항 시스템은 200A 이상의 결함 전류를 허용할 수 있습니다.

7.2 kVA 등급 계산

주어진 중성 전류에 대해 () 및 시스템 라인-대-접지 전압(), 지그-지그재그 변압기의 단시간 kVA 정격은 다음과 같습니다.

연속 정격도 지정해야 합니다. 10-초 기기의 경우 연속 정격은 단시간 정격의 3%인 반면, 1분 기기의 경우 7%가 필요합니다.

7.3 적용 고려사항

기존 전력 변압기와 달리 접지 변압기는 간헐적-부하 장치입니다. 짧은 시간 동안 높은 고장 전류를 견딜 수 있는 능력은 동일한 정격의 연속-부하 변압기에 비해 상당한 비용 절감을 가능하게 합니다. 그러나 설계자는 내열 성능이 업스트림 보호 장치의 예상되는 클리어링 시간과 일치하는지 확인해야 합니다. 접지 변압기는 견고한 접지 또는 외부 중성 접지 저항기와 함께 사용하도록 지정될 수 있습니다.-후자는 접지 결함 전류 크기를 제어하는 ​​데 유연성을 제공-합니다.

7.4 설치 및 시운전

안정적인 작동을 위해서는 적절한 현장 설치가 중요합니다. 시운전 전-활동에는 절연 저항 테스트, 권선비 검증 및 위상{2}}변이 검증이 포함되어야 합니다. 중성 경로 무결성을 철저하게 검증해야 합니다.{4}}그리드에 대한 위상 연결이 중단되면 접지 기능이 작동하지 않을 수 있습니다. 시운전 테스트에서는 변압기가 정상적인 작동 조건에서 높은 포지티브- 및 네거티브-시퀀스 임피던스를 유지하면서 낮은 제로-시퀀스 임피던스를 제공하는지 검증해야 합니다.

50Hz 또는 60Hz 작동의 경우 인클로저는 실내 또는 실외 설치에 대한 환경 요구 사항을 충족해야 하며 일반적으로 실외용 환기형 Type 3R 인클로저를 사용합니다.

 

 

 

8.1 위상 연속성 감도

지그{0}}재그 변압기의 근본적인 한계는 연결되는 세 위상 모두에 의존한다는 것입니다. 그리드에 대한 단상 연결이 없으면 상호 의존적인 권선 전류 전파가 중단되어 지락 전류를 전도하는 기능이 제거됩니다. 이러한 민감도는 안정적인 위상 연결을 요구하며 실수로 개방 회로 조건을 생성할 수 있는 스위칭 장치 삽입에 반대합니다.-

독립형 보호 장치와 달리 지그{0}}지그재그 접지 변압기는 3상 전원이 활성 상태인 동안 지속적으로 작동 상태를 유지해야 합니다.- 접지 변압기가 손실된 경우 단일 라인---접지 오류로 인해 오류가 없는 위상에서 높은 위상---중성 전압이 발생할 수 있으며 부하 불균형으로 인해 중성점 전환 및 과전압이 발생할 수 있습니다.

8.2 DC 주입 시 포화

최신 전력 시스템에서 DC 전류 주입은-그리드에 연결된-인버터, 지자기 방해 또는 기타 소스-로 인해 접지 변압기 코어 포화를 유발할 수 있습니다. 포화는 낮은-임피던스 접지 경로를 제공하는 변압기의 효율성을 감소시키고 과열로 이어질 수 있습니다. DC 함량이 큰 시스템의 경우 설계 시 특별한 예방 조치나 추가 모니터링이 필요할 수 있습니다.

8.3 오류 감지 복잡성

보호 엔지니어는 기존 차동 계전기가 지그재그 변압기를 사용한 내부 접지 오류 감지에 부적절할 수 있다는 점을 인식해야 합니다. 포괄적인 보호 범위를 위해서는 제한된 지락 장치, 외부 결함 감지기 및 크기-기반 방향 장치-를 포함한 특수 보호 체계-가 필요할 수 있습니다.

 

 

 

지그{0}}지그재그 변압기는 최신 3상 전기 시스템을 위한 중요한 활성화 구성 요소입니다.- 포지티브- 및 네거티브-시퀀스 구성요소에 높은 임피던스를 제공하면서 제로-시퀀스 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공함으로써 접지되지 않은 델타/와이 시스템과 접지된 중성 작동의 안전 및 작동상의 이점을 연결합니다.

주요 내용은 다음과 같습니다.

• 건설: 6개의 반-권선 교차-가 3-림 코어의 위상 사이에 연결됨
• 작동 원리: 암페어{0}}턴 밸런스는 균형 전류를 취소하면서 제로{1}}시퀀스 전류 흐름을 가능하게 합니다.
• 기본 애플리케이션: 비접지 3{0}}상 시스템(델타-공급 또는 발전기 시스템)을 위한 중성 접지
• 성능상의 이점: wye-델타 접지 변압기보다 효율이 높고 크기가 작습니다.
• 보조 응용 프로그램: 고조파 완화(특히 3배 고조파), 로드 밸런싱, 통합 AC{0}}DC 변환
• 디자인 고려 사항: 단기-오류 등급(10초 또는 1분), 연속 3%~7% 용량을 기준으로 한 크기 조정
• 보호 요구 사항: 전문적인 계획이 필요합니다. 기존의 차동 보호로는 충분하지 않을 수 있습니다.
• 중요한 설치: 그리드에 대한 고체상 연결이 필수적입니다. 접지 경로에 스위칭 장치 없음

지그-재그와 와이-델타 접지 변압기 사이의 선택은 궁극적으로 시스템의 특정 요구 사항(결함 전류 제한 요구 사항, 사용 가능한 예산 및 공간, 고조파 완화 요구 사항, 보조 전원 가용성에 대한 요구)에 따라 달라집니다. 대부분의 접지 응용 분야에서 지그{3}}재그 변압기의 뛰어난 효율성, 더 작은 설치 공간 및 더 나은 고조파 성능으로 인해 새 설치에 선호되는 선택입니다.