[논문]EMTP를 이용한 철도차량용 주변압기 고압권선의 공진특성 분석

정기석; 장동욱; 정종덕

doi:10.7782/jksr.2016.19.4.436

EMTP를 이용한 철도차량용 주변압기 고압권선의 공진특성 분석
Analysis of Resonant Characteristics in High Voltage Windings of Main Transformer for Railway Vehicle using EMTP 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.19 no.4 = no.95, 2016년, pp.436 - 444

정기석 (Metropolitan Transit Convergence Research Division, Korea Railroad Research Institute) , 장동욱 (Wireless Power Transfer System Research Team, Korea Railroad Research Institute) , 정종덕 (Metropolitan Transit Convergence Research Division, Korea Railroad Research Institute)

초록
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철도차량용 주변압기 고압권선은 고압인통선에 유기되는 이상전압과 내부공진을 발생 시킬 수 있는 다양한 주파수 대역의 고유주파수를 가진다. 공장시험은 다양한 파형과 지속시간을 지닌 이상전압의 여자가능성을 판단하는데 한계가 있다. 본 연구는 전자계과도해석프로그램(이하 EMTP)을 이용하여 고압권선 모델을 설계하고 초기 전압분포와 전압-주파수 관계 측면에서 내부공진특성을 모의분석한다. 턴 단위의 집중매개변수는 변압기 형상정보부터 계산되며, 각 레이어 단위로 합산된 서브모델은 네트워크 모델로 결합되어 EMTP의 라이브러리를 통해 구현한다. 사례연구는 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 관계 특성과 시계열 영역에서 전압 확대 및 분포 양상을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The primary windings of the main transformer for rolling stock have several natural frequencies that can occur internal resonance with transient voltages induced on a high voltage feeding line. Factory testing is limited in its ability to determine whether or not transient voltage with various shape and duration can be excitable. This study presents the design of a high voltage windings model and simulation and analysis of the internal resonant characteristics in terms of the initial voltage distribution and voltage-frequency relationship using the electromagnetic transients program (EMTP). Turn-based lumped-parameters are calculated using the geometry data of the transformer. And, sub-models, being grouped into the total number of layers, are composed using a ladder-network model and implemented by the library function of EMTP. Case studies are used to show the layer-based voltage-frequency relationship characteristics according to the frequency sweep and the voltage escalation and distribution aspects in time-domain simulation.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

동일한 레이어에서 개별 턴의 자기 인덕턴스는 동일하다고 가정하며, 94개의 턴을 가지는 n번째 레이어의 자기인덕턴스로 합산한다. 16개의 레이어를 가진 주 변압기 1차 권선의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스는 본 절의 계산식을 이용하여 Table 2와 같이 정리한다.
주변압기 고압권선은 1개 이상의 동심원의 코일로 구성된 레이어 형태로 가정하며, n번째 레이어의 개별 턴의 기하학적 구조는 Fig. 5와 같다. 개별 턴의 단면은 사각형구조이며 방사방향 길이(a)와 축방향 길이(b)로부터 기하평균직경(GMD: Geometric Mean Diameter)을 도출한다[4].

제안 방법

2.2장의 인덕턴스와 정전용량은 MATLAB을 이용하여 자동 계산하고 그 결과를 ATPdraw의 라이브러리 파일 형식으로 저장한다. 라이브러리 파일은 저항, 정전용량, 인덕턴스 순으로 정의하며, 자기 인덕턱스와 상호 인덕턴스 성분은 16×16 상삼각 행렬로 표현한다.
사례연구는 임펄스 전압 분포, 주파수 응답특성 및 전압확대현상을 Table 4와 같이 선정하고 각 사례에 따른 모의방법, 모의조건 및 인가전원에 대해 요약한다. ATP/EMTP 기반의 모의결과를 통합적으로 분석하기 위해 GTPLOT를 이용하여 pl4 형식을 MAT 파일로 변환한다.
2와 같이 R-L-C-M 모델로 구현하며, 사다리형 회로망으로 조합한다. 개별 턴에 대한 자기인덕턴스, 상호인덕턴스 및 정전용량 계산 결과를 토대로 레이어 단위로 합산하여 n개의 단위구역을 갖는 고압권선 모델을 구현한다.
또한, 500Hz단위로 최대 1MHz까지 주파수 스윕을 통해 1, 2차 고유주파수 대역을 도출하고, 1차 고유주파수에 대한 전압 확대율을 확인하였다.
본 연구에서는 EMTP을 이용하여 철도차량용 주변압기의 R-L-C-M 기반의 상세모델을 구현한다. 주변압기 물리적 형상 정보로부터 개별 턴에 대한 자기인덕턴스, 상호인덕턴스 및 정전용량에 대한 파라미터를 추정하고 이들을 레이어 단위로 합산하여 n개의 단위구격을 갖는 사다리형 회로망 구조의 고압권선 모델을 구현한다.
작게는 턴 단위부터 레이어(또는 디스크) 단위의 모델이 구현되며, 모의결과의 유사도나 계산시간을 고려하여 그룹핑 기법을 적용할 수도 있다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 R-L-C-M 모델로 구현하며, 사다리형 회로망으로 조합한다. 개별 턴에 대한 자기인덕턴스, 상호인덕턴스 및 정전용량 계산 결과를 토대로 레이어 단위로 합산하여 n개의 단위구역을 갖는 고압권선 모델을 구현한다.
사례연구로 표준 임펄스 전압에 따른 초기 전압 분포와 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 관계 특성과 시계열 영역에서 전압 확대 및 분포 양상을 분석한다.
사례연구로 표준임펄스 전압인가에 따른 초기전압분포와 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 응답 특성과 전압 확대현상을 분석하였다.
본 연구에서는 EMTP을 이용하여 철도차량용 주변압기의 R-L-C-M 기반의 상세모델을 구현한다. 주변압기 물리적 형상 정보로부터 개별 턴에 대한 자기인덕턴스, 상호인덕턴스 및 정전용량에 대한 파라미터를 추정하고 이들을 레이어 단위로 합산하여 n개의 단위구격을 갖는 사다리형 회로망 구조의 고압권선 모델을 구현한다. 사례연구로 표준 임펄스 전압에 따른 초기 전압 분포와 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 관계 특성과 시계열 영역에서 전압 확대 및 분포 양상을 분석한다.
철도차량용 주변압기의 고압 권선의 전기적 공진 특성을 분석하기 위한 R-L-C-M 기반의 상세모델을 구현하고 초기 전압 분포와 전압-주파수 응답 특성과 초기 전압 분포 특성을 모의 분석하였다. 상세모델은 ATP-EMTP의 라이브러리 기능을 활용하여 레이어형의 고압 권선의 형상 정보 기반의 턴 단위의 파라미터 계산과 레이어 단위의 그룹핑을 통해 자동 생성된다.

이론/모형

변압기 모델은 우선 저항, 인덕터, 커패시터 성분의 파라미터 선정이 요구되며, 측정결과 또는 형상 정보를 토대로 해석적 또는 수치적 기법이 적용된다[3]. 본 연구에서는 변압기 내부권선의 전압분포 특성과 단자로 유입되는 과도이상전압에 의한 전기적 공진현상을 규명하기 위해 물리적 구조 기반의 상세내부모델링 기법을 적용한다.

성능/효과

사례연구로 표준임펄스 전압인가에 따른 초기전압분포와 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 응답 특성과 전압 확대현상을 분석하였다. 그 결과, 1 p.u.의 임펄스 전압 인가 시 10번과 11번 레이어 간 전압이 BIL을 2배 이상 초과함을 확인하였다. 또한, 500Hz단위로 최대 1MHz까지 주파수 스윕을 통해 1, 2차 고유주파수 대역을 도출하고, 1차 고유주파수에 대한 전압 확대율을 확인하였다.

후속연구

본 연구는 향후 내부권선 시험결과와의 비교연구를 통한 상세모델의 효용성 검증이 필요하며, 아울러 주차단기 개폐동작에 따른 고압인통선 말단의 과도이상전압과의 상호영향 분석 연구가 수행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도차량용 주변압기 고압권선의 특징은 무엇인가?	철도차량용 주변압기 고압권선은 고압인통선에 유기되는 이상전압과 내부공진을 발생 시킬 수 있는 다양한 주파수 대역의 고유주파수를 가진다. 공장시험은 다양한 파형과 지속시간을 지닌 이상전압의 여자가능성을 판단하는데 한계가 있다.
	본 논문에서 수행한, 철도차량용 주변압기의 고압 권선의 전기적 공진 특성을 분석한 결과는 어떠한가?	사례연구로 표준임펄스 전압인가에 따른 초기전압분포와 주파수 변동에 따른 레이어 단위의 전압-주파수 응답 특성과 전압 확대현상을 분석하였다. 그 결과, 1 p.u.의 임펄스 전압 인가 시 10번과 11번 레이어 간 전압이 BIL을 2배 이상 초과함을 확인하였다. 또한, 500Hz단위로 최대 1MHz까지 주파수 스윕을 통해 1, 2차 고유주파수 대역을 도출하고, 1차 고유주파수에 대한 전압 확대율을 확인하였다.
	빠른 소호특성을 지닌 진공차단기의 투입 동작에 따른 다중 재발호 현상이 야기하고 있는 현상은 무엇인가?	최근 빠른 소호특성을 지닌 진공차단기의 투입 동작에 따른 다중 재발호 현상은 고압인통선 말단에서 과도급준과전압(VFTO: Very Fast Transient Over-voltage)를 발생시켜 주변압기 저차 고유주파수와의 일치에 따른 권선 내부의 공진문제를 야기하고 있다. 이는 특정한 레이어간 전압 확대로 인한 절연파괴 가능성을 내포하며, 시스템 설계 시 서지 파고치에 대한 절연협조와 더불어 주파수 측면에서 주변압기의 주파수 응답특성 분석을 통한 전기적 공진 가능성을 제거할 필요가 있다.

참고문헌 (15)

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www.coe.ufrj.br/-acmq/tesla/maxwell.pdf (Accessed 10 November 2015).
www.elect.mrt.ac.lk/HV_Chap8.pdf (Accessed 10 November 2015).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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