이번 포스팅에서는 이전의 두 개의 포스팅에 이어서 Capacitor Voltage Transformer (커패시터 전압 변압기)에 대하여 설명합니다. 초고압에서 많이 사용하는 CVT에 대해서 한번쯤 살펴보고 이해하는 기회가 되기를 바랍니다
3. 커패시터 계기용 변압기 (Capacitor Voltage Transformers - CVTs)
높은 전압을 위한 전자기식 계기용 변압기의 크기는 주로 정격 전압에 비례합니다. 비용은 불규칙적으로 증가하는 경향이 있습니다.
커패시터 전압 변환기(CVT)는 보통 더 경제적입니다. 이 장치는 기본적으로 정전용량 전위 분배기입니다. 저항형 전위 분배기와 마찬가지로 출력 전압은 탭핑 지점의 부하에 심각한 영향을 받습니다.
정전용량 분배기는 그것의 등가 전원 임피던스가 용량성인것과 그러므로 탭핑 지점과 직렬로 리액터를 연결함으로 보상될 수 있다는 점에서 다릅니다. 이상적인 리액터의 경우 그런 배치는 제한이 없고 출력의 어떠한 값도 공급할 수 있습니다.
리액터는 약간의 저항이 있어서 얻을 수 있는 출력을 제한합니다. 오차를 일반적인 한계 이내로 유지하면서 유용한 출력을 제공하려면, 110V의 이차 출력 전압에서는 캐패시터가 매우 커야 합니다. 해결 방법은 높은 2차 전압을 사용하는 것과 상대적으로 저렴한 전기자기식 계기용 변압기를 사용하여 출력을 정상 값으로 변환하는 것입니다.
이 추론의 연속적인 단계는 아래 그림 6과 같습니다.
이 기본 회로에는 수많은 변형이 있습니다. 인덕턴스 L은 별도의 유닛일 수도 있고, 또는 변압기 T의 누설 리액턴스 형태로 통합될 수도 있습니다. 커패시턴스 C1과 C2는 손쉽게 허용 오차 범위를 좁히는 것이 어렵기 때문에 태핑은 비율 조정을 위해 변압기 T에 설치되거나 2차 회로에 별도의 단권변압기로 설치됩니다.
튜닝 인덕턴스 L의 조정도 필요합니다. 이것은 탭핑으로 조정되거나, 2차 회로에 있는 별도의 탭 인덕터를 사용하거나, 철심의 간격을 조정하거나, 가변 커패시턴스로 분권하여 수행할 수 있습니다.
단순화된 등가 회로는 아래 그림 7과 같습니다.
그림 7과 그림 1의 주요 차이점은 C와 L의 존재 여부입니다. 정상 주파수에서 C와 L이 공진하여 서로 상쇄되면 회로는 기존의 VT와 유사한 방식으로 동작합니다.
그러나 다른 주파수에서의 오류를 수정하는 유도성 요소가 존재합니다.
규격에서는 일반적으로 정상 주파수의 97% ~ 103% 내에서 표 2의 정확도 요건을 준수하기 위해 보호에 사용되는 CVT를 필요로 합니다.
계측용 CVT의 해당 주파수 범위는 99%-101%로 훨씬 적습니다. 이 범위를 벗어나는 주파수 편차에 대한 정확도 감소는 보호용에 대한 정확도보다 덜 중요하기 때문입니다.
3.1 보조 커패시터의 전압 보호 (Voltage Protection of Auxiliafory Capacitor)
CVT의 부하 임피던스가 단락 된 경우, 리액터 전압 상승은 리액터 손실과 포화 가능성에 의해서만 제한됩니다:
E2는 무부하 탭핑 지점 전압
Q는 공진 회로의 증폭 계수
이 값은 과도하므로 보조 커패시터를 가로질러 연결된 스파크 갭에 의해 제한됩니다. 보조 캐패시터의 전압은 무부하 일 때보다 최대 정격 출력에서 더 높으며, 커패시터는 이 상승된 값에서 연속적인 사용이 가능하도록 정격이 설정되어 있습니다.
(스파크 갭은 전부하 전압의 두배쯤에서 섬락이 발생하도록 되어 있습니다. 스파크 갭은 VT가 공급하는 단락 전류를 제한하는데 2차 회로의 퓨즈 보호는 이를 고려하여 주의깊게 설계되어 있습니다.)
일반적으로 탭핑 또는 연결을 조정하기 전에 탭핑 지점을 수동 또는 자동으로 접지할 수 있습니다.
3.2 CVT의 과도 행동 (Transient Behavior of Capacitor Voltage Transformers)
CVT는 직렬 공진 회로입니다. 중간 전압과 출력 사이에 전기자기식 변압기를 도입하면 이 장치의 여자 임피던스와 분배기 스택의 커패시턴스를 포함하는 추가 공진이 가능합니다.
급격한 전압 변화가 가해지면 다양한 모드에 따른 진동이 일어나며, 전체 저항 감쇠에 의한 기간 동안 지속됩니다. 초기 진폭이 클 가능성은 증가하지만, 저항 부담이 증가하면 일시적인 진동의 시간 상수가 감소합니다.
(고속의 보호 시스템에서는 과도 진동이 최소화되어야 합니다. 최근의 커패시터 전압 변압기들은 초기에 비해 이런 점에서 더 낫습니다.)
그러나 고성능 보호 체계는 알고리즘과 필터가 특별히 주의를 기울여 설계되지 않은 이상 여전히 악영향을 받을 수 있습니다.
3.3 철공진 (Ferro-Resonance)
보조 변압기 T의 여자 임피던스와 전위 분배기의 정전용량은 보통 준정상 주파수에서 진동하는 공진 회로를 형성합니다. 만약 이 회로가 전압 충격을 받는다면, 이로 인해 초래되는 진동은 주파수의 허용 범위를 초과할 수 있습니다.
이 회로의 기본 주파수가 시스템 주파수의 1/3보다 약간 작으면 시스템에서 에너지가 흡수되어 진동이 축적될 수 있습니다.
변압기 코어에서 플럭스 밀도가 증가하는 것은 인덕턴스를 감소시켜 공진 주파수를 시스템 주파수의 1/3 값에 더 가깝게 만듭니다.
(그 결과는 진동이 시스템의 제3 저조파로 안정화되고 무한히 유지되는 상태로 점진적으로 누적됩니다.)
구성 요소의 값에 따라 기본 주파수 또는 공급 주파수의 다른 저조파 또는 배수의 진동이 가능하지만 제3 저조파가 발생할 가능성이 가장 높습니다. 이러한 진동의 주된 현상은 출력 전압의 상승이며 r.m.s 값이 정상 값보다 25%에서 50% 높게 됩니다.
출력 파형은 일반적으로 그림 9에 표시된 형태입니다.
이러한 진동은 저항성 부담의 경우와 같이 회로 손실이 높을 때 발생할 가능성이 적으며 저항성 부담을 증가시킴으로써 방지할 수 있습니다.
(병렬 조정된 회로를 사용하는 특별한 철진동 방지 장치가 VT 내부에 설치되기도 합니다. 그런 배치가 철진동을 억제하는 것을 돕기는 하지만 그것들은 과도응답을 손상시키는 경향이 있으며 그래서 그 설계는 타협의 문제가 됩니다.)
저항성 부담을 공급하는 잘 설계된 CVT는 이러한 효과를 나타내는 것을 방지하지만, 보조 전압 변압기와 같은 비선형 유도성 부담이 철공진을 유도하는 것은 가능합니다.
커패시터 전압 변압기와 함께 사용하기 위한 보조 전압 변압기는 과도 전압이 철심 포화를 유발하는 것을 막기 위해서 낮은 값의 자속 밀도로 설계되어야 하며, 이는 높은 여자 전류를 초래합니다.
이 포스팅은 EEP(Electrical Engineering Potal)의 자료를 번역한 것입니다. 아래 링크로 가시면 원본 자료를 볼 수 있습니다. 이 원본 내용을 최대한 정확히 번역하고 이해를 돕기 위해 추가로 저의 의견이나 다른 정보를 붙였습니다.
https://electrical-engineering-portal.com/voltage-transformers-essentials#comment-100009
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