푸리에 급수를 이용한 서지보호기용 CT의 돌입전류 해석 Characteristics Analysis of Inrush Current for Current Transformer of Surge Protective Device using Fourier Series Expansion원문보기
CT(Current Transformer)는 1차 전류가 흐르는 권선, 자성체 코어 및 유기기전력이 발생하는 2차 권선을 갖으며, 2차 권선에 유도기전력이 발생하는 전기회로와 자기회로로 구성되어 있다. CT의 1차 권선에 돌입전류와 같은 뇌 서지가 유입 되면, 자성체 코어가 포화 현상을 일으켜 자속밀도가 더 이상 증가하지 않아, 2차 권선의 유기기전력이 왜곡되어 ...
CT(Current Transformer)는 1차 전류가 흐르는 권선, 자성체 코어 및 유기기전력이 발생하는 2차 권선을 갖으며, 2차 권선에 유도기전력이 발생하는 전기회로와 자기회로로 구성되어 있다. CT의 1차 권선에 돌입전류와 같은 뇌 서지가 유입 되면, 자성체 코어가 포화 현상을 일으켜 자속밀도가 더 이상 증가하지 않아, 2차 권선의 유기기전력이 왜곡되어 계전기의 오동작 및 시간지연을 유발하게 된다. 실험 모델로는 계기용 변류기의 종류 중 하나인 관통형 변류기를 대표 모델로 선정하였다. 돌입전류와 같은 비정현적인 입력이 CT에 유입 되었을 때는 시간차분 유한요소법(time difference finite element method)을 이용하여 과도 특성을 해석하여야한다. 시간차분 유한요소법의 알고리즘을 검증하기 위하여 시뮬레이션으로 1차 전류가 정현적일 경우, 복소수근사법과(complex approximation) 시간차분 유한요소법의 해석 결과를 비교 하였고, 실험으로는 자성체 코어의 포화 실험과 유기기전력측정으로 도출된 결과를 시간차분 유한요소법의 알고리즘을 검증하였다. 또한 전기스칼라포텐셜(electric scalar potential)의 변화량을 제약조건으로 유기기전력을 발생하 는 영역을 하나의 권선으로 간주하였다. 돌입전류를 함수로 표현하기 위하여 서지 파형 중 8/20[μs]파형을 Fourier 급수로 전개하여 주파수에 대한 고조파의 크기를 추출하여 서지해석에 적용하였다. 돌입전류 해석 시 CT의 1차 권선에 입력 전류를 자성체 코어가 포화되기 전인 1,000[A]과 5,000[A]를 인가하였으며, 자성체 코어가 포화되는 50,000[A] 인가했다. 해석 결과 자성체 코어의 비선형 해석을 하였기 때문에 EMF Coil의 유기기전력이 선형적으로 증가하지는 않지만, 포화되기 전인 1,000[A]와 5,000[A]일 때는 유기기전력의 개 형이 비슷하였고 포화가 된 후인 50,000[A]를 인가 하였을 때는 유기기전력의 개형이 다른 것을 확인 할 수 있었다. 이는 자성체 코어가 포화 현상을 일으켜 자속밀도가 증가하지 않아, EMF Coil의 유기기전력이 왜곡되어 오동작 및 시간지연을 유발한 것이다. 따라서 용도에 따라 최적화된 자성체 코어의 포화점을 고려하여 설계하는 것이 중요하다. 본 논문의 해석 결과를 근거로 서지보호기의 CT설계에 하는데 있어 도움이 되리라 생각된다.
CT(Current Transformer)는 1차 전류가 흐르는 권선, 자성체 코어 및 유기기전력이 발생하는 2차 권선을 갖으며, 2차 권선에 유도기전력이 발생하는 전기회로와 자기회로로 구성되어 있다. CT의 1차 권선에 돌입전류와 같은 뇌 서지가 유입 되면, 자성체 코어가 포화 현상을 일으켜 자속밀도가 더 이상 증가하지 않아, 2차 권선의 유기기전력이 왜곡되어 계전기의 오동작 및 시간지연을 유발하게 된다. 실험 모델로는 계기용 변류기의 종류 중 하나인 관통형 변류기를 대표 모델로 선정하였다. 돌입전류와 같은 비정현적인 입력이 CT에 유입 되었을 때는 시간차분 유한요소법(time difference finite element method)을 이용하여 과도 특성을 해석하여야한다. 시간차분 유한요소법의 알고리즘을 검증하기 위하여 시뮬레이션으로 1차 전류가 정현적일 경우, 복소수 근사법과(complex approximation) 시간차분 유한요소법의 해석 결과를 비교 하였고, 실험으로는 자성체 코어의 포화 실험과 유기기전력측정으로 도출된 결과를 시간차분 유한요소법의 알고리즘을 검증하였다. 또한 전기스칼라포텐셜(electric scalar potential)의 변화량을 제약조건으로 유기기전력을 발생하 는 영역을 하나의 권선으로 간주하였다. 돌입전류를 함수로 표현하기 위하여 서지 파형 중 8/20[μs]파형을 Fourier 급수로 전개하여 주파수에 대한 고조파의 크기를 추출하여 서지해석에 적용하였다. 돌입전류 해석 시 CT의 1차 권선에 입력 전류를 자성체 코어가 포화되기 전인 1,000[A]과 5,000[A]를 인가하였으며, 자성체 코어가 포화되는 50,000[A] 인가했다. 해석 결과 자성체 코어의 비선형 해석을 하였기 때문에 EMF Coil의 유기기전력이 선형적으로 증가하지는 않지만, 포화되기 전인 1,000[A]와 5,000[A]일 때는 유기기전력의 개 형이 비슷하였고 포화가 된 후인 50,000[A]를 인가 하였을 때는 유기기전력의 개형이 다른 것을 확인 할 수 있었다. 이는 자성체 코어가 포화 현상을 일으켜 자속밀도가 증가하지 않아, EMF Coil의 유기기전력이 왜곡되어 오동작 및 시간지연을 유발한 것이다. 따라서 용도에 따라 최적화된 자성체 코어의 포화점을 고려하여 설계하는 것이 중요하다. 본 논문의 해석 결과를 근거로 서지보호기의 CT설계에 하는데 있어 도움이 되리라 생각된다.
Current transformer (CT) consists of a coil through which the primary current flows, a magnetic core, and the secondary coil that generates the induced electromotive force. The secondary coil consists of an electric and a magnetic circuit, which generates the induced electromotive force. ...
Current transformer (CT) consists of a coil through which the primary current flows, a magnetic core, and the secondary coil that generates the induced electromotive force. The secondary coil consists of an electric and a magnetic circuit, which generates the induced electromotive force. If a lightning surge current, such as an inrush current, flows into the primary coil of CT, the magnetic core is saturated and the magnetic flux density does not increase anymore. As a result, the induced electromotive force of the secondary coil will be distorted causing a relay malfunction and a time delay. As a test model, a window type CT, which is one of the transformers for a metering service, was selected as a representative model. When a non-sinusoidal input, such as inrush current, is introduced into the CT, the transient analysis should be performed using the time difference FEM. In order to verify the algorithm of the time difference FEM, we conducted simulations to compare the results of complex approximation and the time differential FEM when the primary current is sinusoidal. Furthermore, we also conducted the saturation experiment of the magnetic core and induced electromotive force measurement. Moreover, the domain, where the induced electromotive force is generated, is regarded as one coil with the constraint condition of the change of electric scalar potential. In order to represent the inrush current as a function, the 8/20[μs] surge waveform was expanded using the Fourier series, and the magnitudes of harmonic signals were measured and applied to the surge analysis. In the inrush current analysis, the input currents of 1000 [A], 5000 [A], and 50000 [A] were applied to the primary coil of CT.
Current transformer (CT) consists of a coil through which the primary current flows, a magnetic core, and the secondary coil that generates the induced electromotive force. The secondary coil consists of an electric and a magnetic circuit, which generates the induced electromotive force. If a lightning surge current, such as an inrush current, flows into the primary coil of CT, the magnetic core is saturated and the magnetic flux density does not increase anymore. As a result, the induced electromotive force of the secondary coil will be distorted causing a relay malfunction and a time delay. As a test model, a window type CT, which is one of the transformers for a metering service, was selected as a representative model. When a non-sinusoidal input, such as inrush current, is introduced into the CT, the transient analysis should be performed using the time difference FEM. In order to verify the algorithm of the time difference FEM, we conducted simulations to compare the results of complex approximation and the time differential FEM when the primary current is sinusoidal. Furthermore, we also conducted the saturation experiment of the magnetic core and induced electromotive force measurement. Moreover, the domain, where the induced electromotive force is generated, is regarded as one coil with the constraint condition of the change of electric scalar potential. In order to represent the inrush current as a function, the 8/20[μs] surge waveform was expanded using the Fourier series, and the magnitudes of harmonic signals were measured and applied to the surge analysis. In the inrush current analysis, the input currents of 1000 [A], 5000 [A], and 50000 [A] were applied to the primary coil of CT.
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