전력계통

Electric power system
시리즈의 일부
전력 공학
전력 변환
전력 인프라
전력 시스템 구성 요소
전력을 공급하기 위해 사용되는 증기 터빈

전력 시스템은 전력을 공급, 전송 및 사용하기 위해 배치된 전기 부품의 네트워크입니다.전력 시스템의 예로는 확장된 지역 내의 가정과 산업에 전력을 공급하는 전기 그리드가 있습니다.전력망은 크게 전력을 공급하는 발전기, 발전소에서 부하센터로 전력을 전달하는 송전계, 인근 가정이나 산업체에 전력을 공급하는 배전계 등으로 나눌 수 있다.

소규모 전력 시스템은 산업, 병원, 상업용 건물 및 가정에서도 볼 수 있습니다.이 시스템 전체를 나타내는 데 1개의 라인 다이어그램이 도움이 됩니다.이러한 시스템의 대부분은 3상 AC 전원에 의존하고 있습니다.이는 현대 세계 전체에 걸친 대규모 송전 및 배전의 표준입니다.항상 3상 교류 전력에 의존하지 않는 특수 전력 시스템은 항공기, 전기 철도 시스템, 해양 여객선, 잠수함, 그리고 자동차에서 발견됩니다.

역사

펄 스트리트 역 스케치

1881년, 두 명의 전기 기술자가 영국의 고달밍에서 세계 최초의 전력 시스템을 구축했습니다.두 개의 물레방아로 구동되어 교류 전류를 발생시켜 250볼트의 Siemens 아크 램프 7개와 40볼트의 [1]백열 램프 34개를 공급했습니다.하지만, 램프에 대한 공급은 간헐적이었고 1882년 토마스 에디슨과 그의 회사 에디슨은 뉴욕시의 펄 스트리트에 첫 증기 동력 발전소를 개발했다.Pearl Street Station은 처음에 [2][3]59명의 고객을 위해 약 3,000개의 램프를 작동시켰습니다.발전소는 직류를 발생시키고 단일 전압으로 작동했습니다.직류 전력은 장거리 전송 중 전력 손실을 최소화하는 데 필요한 높은 전압으로 쉽게 또는 효율적으로 변환될 수 없었기 때문에 발전기와 부하 사이의 최대 경제적 거리는 약 0.5마일(800m)[4]로 제한되었습니다.

같은 해 런던에서 Lucien Galard와 John Dixon Gibbs는 "2차 발전기"를 시연했는데, 이는 실제 전력 시스템에 [5]사용하기에 적합한 최초의 변압기이다.Galaard와 Gibbs의 변압기는 1884년 Turin에서 하나의 교류 발전기에서 40킬로미터(25마일)[6]의 철도를 밝히는 데 사용되었습니다.이 시스템의 성공에도 불구하고, 이 두 사람은 몇 가지 근본적인 실수를 저질렀다.아마도 가장 심각한 것은 액티브 램프가 다른 램프의 밝기에 영향을 미칠 수 있도록 변압기의 프라이머리 램프를 직렬로 연결하는 것이었습니다.

1885년 오토 티투시 블라시는 카롤리 지퍼노프스키와 믹사 데리와 함께 갈라드와 깁스의 2차 발전기를 완성하여 폐쇄 철심과 현재의 이름인 "트랜스포머"[7]를 제공하였다.이들 3명의 엔지니어는 이어[a] 영국의 한 과학자가 제안한 병렬 교류 배전 시스템을 적용한 전력 시스템을 부다페스트 국립 종합 전시회에서 선보였는데, 복수의 전력 변압기가 고압 배전선에서 병렬로 송전되는 방식이었다.이 시스템은 1000개 이상의 카본 필라멘트 램프를 켜 그해 [8]5월부터 11월까지 성공적으로 작동했다.

또한 1885년 미국인 사업가 조지 웨스팅하우스는 Galaard-Gibbs 변압기에 대한 특허권을 획득하고 지멘스 발전기와 함께 많은 변압기를 수입하여 그의 기술자들에게 상용 전력 시스템에 사용하기 위한 개선을 희망하며 실험하도록 하였다.1886년, Westinghouse의 엔지니어 중 한 명인 William Stanley는 독립적으로 변압기를 병렬이 아닌 직렬로 연결하는 문제를 인식하고 변압기의 철심을 완전히 밀폐된 루프로 만드는 것이 [9]2차 권선의 전압 조절을 개선할 수 있다는 것을 깨달았습니다.그는 이 지식을 이용하여 [10]1886년 매사추세츠주 그레이트 배링턴에 있는 여러 가정과 회사에 서비스를 제공하는 다중 전압 변압기 기반의 교류 전력 시스템을 구축했습니다.그러나 이 시스템은 주로 세대 [11]문제로 인해 신뢰성이 떨어지고 수명이 짧았습니다.그러나 이 시스템에 기초하여 웨스팅하우스는 그해 말 에디슨 회사와 경쟁하여 AC 변압기 시스템을 설치하기 시작할 것이다.1888년 웨스팅하우스는 니콜라 테슬라의 다상 교류 유도 모터 및 변압기 디자인 특허를 허가했습니다.테슬라는 웨스팅하우스 전기 제조회사에서 1년간 상담을 했지만 웨스팅하우스 엔지니어가 작동 가능한 다상 모터와 변속기 [12][13]시스템을 개발하는 데는 4년이 더 걸렸다.

1889년까지 전력 산업은 번창했고 전력 회사들은 미국과 유럽에 수천 개의 전력 시스템(직류 및 교류 모두)을 구축했습니다.이러한 네트워크는 효과적으로 전등 공급에 전념했다.이 기간 동안 토마스 에디슨과 조지 웨스팅하우스의 회사들 사이의 경쟁은 "전류의 전쟁"[14]으로 알려진 일련의 사건인 어떤 형태의 송전(직류 또는 교류)이 우월한지에 대한 선전 운동으로 발전했다.1891년 웨스팅하우스는 콜로라도주 [15]텔루라이드에 100마력(75kW) 동기식 전기 모터를 구동하도록 설계된 최초의 주요 동력 시스템을 설치했다.대서양 반대편에는 미하일 돌리보-도브로볼스키와 찰스 유진 란슬롯 브라운이 프랑크푸르트 전력 전시회에서 라우펜 암 네카르에서 프랑크푸르트 암 메인까지 최초의 장거리(175km(109마일) 고압 송전선을 건설했다.램프를 켜고 물 [16][9]펌프를 작동시킨다.미국에서는 Edison General Electric이 General Electric의 주요 경쟁사인 Thomson-Houston Electric Company에 인수되어 General Electric이 탄생하면서 AC/DC 경쟁은 막을 내렸습니다.1895년 오랜 의사결정 과정 끝에 웨스팅하우스가 나이아가라 폭포에 애덤스 1호 발전소를 짓고 제너럴 일렉트릭이 버팔로에 11kV로 [9]공급하는 3상 교류 전력 시스템을 구축하는 등 교류 전류가 전송 표준으로 선택되었습니다.

전력 시스템의 발전은 19세기 이후에도 계속되었다.1936년에 [17]수은 아크 밸브를 사용한 최초의 실험용 고압 직류(HVDC) 라인이 뉴욕의 Scheectady와 Mechanicville 사이에 건설되었습니다.HVDC는 이전에 직렬로 연결된 직류 발전기와 모터(Tury 시스템)에 의해 달성되었지만, 이는 [18][17]심각한 신뢰성 문제로 인해 어려움을 겪었습니다.일반적인 전력 사용에 적합한 최초의 고체 금속 다이오드는 1928년 TeKaDe의 Ernst Presser에 의해 개발되었습니다.그것은 알루미늄 [19]판에 도포된 셀레늄 층으로 구성되었다.1957년, General Electric 연구 그룹은 전력 애플리케이션에 적합한 최초의 사이리스터를 개발하여 전력 전자제품에 혁명을 일으켰다.같은 해, Siemens는 솔리드 스테이트 정류기를 시연했지만, 1970년대 초가 되어서야 솔리드 스테이트 장치가 HVDC의 표준이 되었고, GE는 사이리스터 기반 HVDC의 주요 [20]공급업체 중 하나로 부상했습니다.1979년 Siemens, Brown Boberi & Cie 및 AEG를 포함한 유럽 컨소시엄은 533kV로 [17]1.9GW를 운반하는 1,420km(880마일)를 넘는 기록적인 HVDC 연결을 실현했습니다.

최근 많은 중요한 발전이 정보통신기술(ICT) 분야의 혁신을 전력공학 분야로 확장하는 것에서 비롯되었습니다.예를 들어, 컴퓨터의 개발은 부하 흐름 연구를 보다 효율적으로 실행할 수 있다는 것을 의미하며, 전력 시스템의 계획을 훨씬 더 잘 세울 수 있게 되었습니다.정보기술과 통신의 발전으로 전력 시스템의 개폐 장치와 발전기를 효과적으로 원격 제어할 수 있게 되었습니다.

전력의 기본

3상 교류 애니메이션

전기는 전류와 전압의 두 가지 양의 산물이다.이 2개의 양은 시간(AC 전원)에 따라 다르거나 일정한 레벨(DC 전원)로 유지할 수 있습니다.

대부분의 냉장고, 에어컨, 펌프 및 산업용 기계는 AC 전원을 사용하는 반면, 대부분의 컴퓨터와 디지털 기기는 DC 전원을 사용합니다(전원에 연결된 디지털 장치는 일반적으로 AC 전원에서 DC 전원으로 변환하기 위한 내부 또는 외부 전원 어댑터가 있습니다).AC 전원은 전압 간 변환이 용이하며 브러시리스 기계에 의해 생성 및 이용될 수 있다는 장점이 있습니다.DC 전원은 디지털 시스템에서 유일한 실용적인 선택이며, 매우 높은 전압으로 장거리 전송을 보다 경제적으로 할 수 있습니다(HVDC [21][22]참조).

AC전원의 전압을 쉽게 변환하는 기능은 다음 두 가지 이유로 중요합니다.첫째, 높은 전압에서 손실을 줄이면서 먼 거리를 통해 전력을 전송할 수 있습니다.따라서 발전이 부하로부터 멀리 떨어져 있는 전력 시스템에서는 발전 지점에서 전력 전압을 상승(상승)한 다음 부하 부근의 전압을 하강(감소)하는 것이 바람직합니다.둘째, 대부분의 가전제품에서 사용하는 것보다 더 높은 전압을 생성하는 터빈을 설치하는 것이 종종 더 경제적이기 때문에 전압을 쉽게 변환할 수 있다는 것은 전압 간의 불일치를 [21]쉽게 관리할 수 있다는 것을 의미합니다.

반도체 혁명의 산물인 솔리드 스테이트 디바이스는 DC 전원을 다른 전압으로 변환하고 브러시리스 DC 머신을 구축하여 AC 전원과 DC 전원 사이에서 변환할 수 있습니다.그럼에도 불구하고 솔리드 스테이트 기술을 사용하는 디바이스는 종종 기존의 디바이스보다 더 비싸기 때문에 AC 전원은 여전히 널리 [23]사용되고 있습니다.

전원 시스템의 컴포넌트

저장품

세계 전력의 대부분은 여전히 이와 같은 석탄 화력 발전소에서 나온다.

모든 전원 시스템에는 1개 이상의 전원이 있습니다.일부 전원 시스템에서는 전원이 시스템 외부에 있지만 다른 전원 시스템에서는 시스템 자체의 일부입니다.이 섹션의 나머지 부분에서 설명하는 것은 이러한 내부 전원입니다.직류 전원은 배터리, 연료 전지 또는 광전지 셀로 공급될 수 있습니다.교류전력은 일반적으로 터보 제너레이터로 알려진 장치의 자기장에서 회전하는 로터에 의해 공급됩니다.화석 연료(석탄, 가스, 석유 포함) 또는 핵 에너지를 사용하여 가열된 증기부터 떨어지는 물(수력 발전)과 바람(풍력 발전)까지 터빈의 회전자를 회전시키는 데 사용되는 다양한 기술이 있다.

로터가 발전기 극의 수와 함께 회전하는 속도에 따라 발전기에 의해 생성되는 교류 주파수가 결정됩니다.예를 들어 국가 그리드 같은 단일 동기 시스템의 모든 발전기는 동일한 속도의 하위 배수로 회전하므로 동일한 주파수로 전류를 발생시킵니다.시스템의 부하가 증가하면 발전기는 해당 속도로 회전하기 위해 더 많은 토크를 필요로 하며, 증기 발전소에서는 발전기를 구동하는 터빈에 더 많은 증기를 공급해야 합니다.따라서 사용되는 증기와 소비되는 연료는 공급되는 전기 에너지의 양과 직접적으로 관련이 있습니다.기어가 없는 풍력 터빈과 같은 전력 전자 장치를 통합하거나 HVDC 링크와 같은 비동기식 연결을 통해 그리드에 연결된 발전기에 대한 예외가 존재한다. 이러한 발전기는 전력 시스템 주파수에 독립적인 주파수로 작동할 수 있다.

극이 공급되는 방식에 따라 교류 발전기는 다양한 수의 전력을 생산할 수 있습니다.단계 수가 많을수록 전력 시스템 운용 효율이 높아지지만 [24]시스템의 인프라스트럭처 요건도 증가합니다.전기 그리드 시스템은 동일한 주파수로 작동하는 여러 발전기를 연결합니다. 가장 일반적인 것은 50 또는 60Hz의 3상입니다.

전원장치에는 다양한 설계상의 고려사항이 있습니다.여기에는 당연한 것부터가 포함됩니다.제너레이터가 공급할 수 있는 전력은 어느 정도입니까?제너레이터를 시동하는 데 허용되는 시간은 얼마입니까(일부 제너레이터는 시동하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.동력원의 가용성은 허용 가능한가(일부 재생 에너지는 태양이 비추거나 바람이 부는 경우에만 사용 가능)?보다 기술적인 방법:제너레이터의 시동을 어떻게 걸어야 합니까(일부 터빈은 적절한 시동 회로가 필요한 속도를 높이기 위한 모터 역할을 합니다).터빈의 기계적 작동 속도는 얼마입니까? 따라서 필요한 극 수는 얼마입니까?어떤 유형의 제너레이터가 적합합니까(동기식 또는 비동기식)? 그리고 어떤 유형의 로터(다람쥐 케이지 로터, 권선 로터, 돌기극 로터 또는 원통형 로터)?[25]

부하

토스터는 주택에 나타날 수 있는 단상 부하의 좋은 예입니다.토스터는 보통 110~260볼트에서 약 600~1200와트의 전력을 소비하는 2~10A를 소비합니다.

전원 시스템은 기능을 수행하는 부하에 에너지를 공급합니다.이러한 하중은 가전제품에서 산업용 기계까지 다양하다.대부분의 로드는 특정 전압, 교류 장치의 경우 특정 주파수 및 위상 수를 예상합니다.예를 들어 주거 환경에서 사용되는 기기는 일반적으로 전압이 110~260V(국가 표준에 따라 다름)인 50 또는 60Hz에서 단상 작동됩니다.일부 국가에서는 일반적으로 3상이기 때문에 대형 중앙 집중식 에어컨 시스템에 대한 예외가 존재합니다. 이렇게 하면 보다 효율적으로 작동할 수 있기 때문입니다.모든 전기제품에는 와트수 정격도 있습니다.이 정격은 디바이스가 소비하는 전력량을 지정합니다.전력 시스템의 부하에 의해 소비되는 전력의 순량은,[26][27] 전원 장치의 순소비 전력량에서 전송시에 손실되는 전력을 차감한 것과 같게 할 필요가 있습니다.

부하에 공급되는 전압, 주파수 및 전력량이 기대에 부합하는지 확인하는 것은 전력 시스템 엔지니어링의 가장 큰 과제 중 하나입니다.그러나 부하가 유용한 작업(실제 전력으로 해석됨)을 위해 사용하는 전력 외에 교류 소자 중에는 교류 전압과 교류 전류가 약간 동기화되지 않게 되기 때문에 추가 전력(실제 전력으로 해석됨)을 사용하는 것이 유일한 과제는 아닙니다.실제 전력과 같은 무효 전력은 균형을 이루어야 하며(즉, 시스템에서 생산된 무효 전력은 소비된 무효 전력과 같아야 함) 발전기에서 공급될 수 있지만, 종종 이러한 전력을 콘덴서에서 공급하는 것이 더 경제적이다(자세한 [28]내용은 아래의 "용량기와 원자로" 참조).

부하에 대한 최종 고려사항은 전력 품질과 관련이 있습니다.지속적인 과전압 및 저전압(전압 조절 문제)과 시스템 주파수(주파수 조절 문제)로부터의 지속적인 편차 외에도 전원 시스템 부하는 다양한 시간적 문제에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다.여기에는 전압 처짐, 강하 및 팽창, 과도 과전압, 깜박임, 고주파 노이즈, 위상 불균형 및 역률 [29]저하 등이 포함됩니다.전력 품질 문제는 부하에 대한 전원 공급 장치가 이상에서 벗어날 때 발생합니다.전력 품질 문제는 전문 산업용 기계나 병원 기기의 경우 특히 중요합니다.

컨덕터

캘리포니아에서 부분적으로 절연된 중전압 도체

도체는 발전기에서 부하로 전력을 전달합니다.그리드에서 도체는 발전 중심에서 부하 중심으로 고전압(일반적으로 69kV 이상)으로 대량의 전력을 전달하는 전송 시스템 또는 부하 중심에서 n으로 낮은 전압(일반적으로 69kV 미만)으로 적은 양의 전력을 공급하는 배전 시스템에 속하는 것으로 분류할 수 있습니다.집 근처와 [30]공업지.

도체의 선택은 비용, 전송 손실 및 인장 강도 같은 금속의 기타 바람직한 특성 등의 고려사항에 기초합니다.구리는 알루미늄보다 저항률이 낮아서 한때 대부분의 전력 시스템에서 선택되었던 도체였습니다.그러나 알루미늄은 동일한 전류 운반 용량에 비해 비용이 낮으며, 현재는 대부분의 경우 전도체로 선택되고 있습니다.가공선 도체는 강철 또는 알루미늄 [31]합금으로 보강할 수 있다.

외부 전원 시스템의 도체는 머리 위 또는 지하에 배치할 수 있다.오버헤드 도체는 일반적으로 공기 절연되어 있으며 자기, 유리 또는 폴리머 절연체에 지지됩니다.지하 전송 또는 건물 배선에 사용되는 케이블은 가교 폴리에틸렌 또는 기타 유연한 단열재로 절연된다.컨덕터는 유연성이 향상되고 [32]설치가 용이해지기 위해 자주 고립됩니다.

도체는 일반적으로 주변 조건에 대한 특정 온도 상승 시 전달할 수 있는 최대 전류에 대한 정격을 갖습니다.전류가 도체를 통해 증가하면 도체가 가열됩니다.절연 도체의 경우,[33] 정격은 절연에 의해 결정됩니다.베어 컨덕터의 경우, 정격은 컨덕터의 처짐이 허용할 [34]수 없는 지점으로 결정됩니다.

콘덴서 및 원자로

빅토리아주 멜버른 템플스토우 변전소 동기 콘덴서 설치

일반적인 AC 전원 시스템에서 부하의 대부분은 유도성이며, 전류는 전압보다 뒤떨어집니다.전압과 전류가 동상이기 때문에 무효 전력으로 알려진 "상상" 형태의 전력의 출현으로 이어집니다.무효 전원은 측정 가능한 기능을 하지 않지만 무효 전원과 부하 사이에서 사이클마다 송전됩니다.이 무효 전력은 발전기 자체에 의해 공급될 수 있지만 콘덴서를 통해 공급하는 것이 더 저렴하기 때문에 전력 시스템에 대한 전류 수요를 줄이기 위해 종종 유도 부하(즉, 가장 가까운 변전소에 있지 않은 경우) 근처에 콘덴서를 배치한다(즉, 역률 증가).

원자로는 무효 전력을 소비하며 긴 전송로의 전압을 조절하는 데 사용된다.송전선로의 부하가 서지 임피던스 부하보다 훨씬 낮은 경부하 조건에서는 실제로 원자로를 전환함으로써 전력계통의 효율을 향상시킬 수 있다.전력 시스템에 직렬로 설치된 원자로도 전류 흐름을 제한하므로 소형 원자로는 거의 항상 콘덴서와 직렬로 설치하여 콘덴서의 전환과 관련된 전류 러시를 제한한다.직렬 원자로는 단층 전류를 제한하기 위해 사용될 수도 있다.

콘덴서와 원자로는 회로차단기에 의해 전환되며, 이로 인해 무효전력의 단계적 변화가 적당히 크다.이에 대한 해결책은 동기 응축기, 정적 VAR 보상기 및 정적 동기 보상기의 형태로 제공됩니다.간단히 말해서, 동기식 콘덴서는 무효 [35]전력을 발생시키거나 흡수하기 위해 자유롭게 회전하는 동기식 모터입니다.정적 VAR 보상기는 회로 차단기가 아닌 사이리스터를 사용하여 캐패시터를 전환함으로써 작동하므로 단일 사이클 내에 캐패시터를 전환하거나 전환할 수 있습니다.이는 회로 브레이커 스위치드 콘덴서보다 훨씬 정교한 응답성을 제공합니다.정적 동기 보상기는 전력 전자 장치만을 사용하여 무효 전력을 조정함으로써 이를 한 단계 더 발전시킵니다.

파워 일렉트로닉스

이 가정용 AC-DC 전원 어댑터는 전원 전자 장치를 사용합니다.

전력 전자제품은 수백 와트에서 수백 메가와트까지의 전력량을 전환할 수 있는 반도체 기반 장치입니다.기능은 비교적 단순하지만 동작 속도(일반적으로 나노초[36])는 기존 기술로는 어렵거나 불가능한 광범위한 작업을 수행할 수 있음을 의미합니다.전력 전자 장치의 고전적인 기능은 정류, 즉 AC-DC 전력의 변환입니다.따라서 AC 전원에서 전원으로 공급되는 거의 모든 디지털 장치에서 전원 콘센트에 연결되는 어댑터(사진 참조) 또는 장치 내부 구성 요소로 사용됩니다.또, HVDC라고 불리는 시스템에서는, AC전원을 DC전원으로 변환해 장거리 전송을 실시할 수도 있습니다.HVDC는 매우 먼 거리(수백 킬로미터에서 수천 킬로미터)에서 유사한 고전압 AC 시스템보다 경제적이기 때문에 사용됩니다.HVDC는 주파수에 의존하지 않고 시스템 안정성을 향상시키므로 상호접속에도 적합합니다.전력 전자 장치는 AC 출력을 생성하는 데 필요한 모든 전원에도 필수적이지만 그 특성상 DC 출력을 생성합니다.그러므로 그것들은 태양광 발전 설비에 의해 사용된다.

파워 일렉트로닉스는, 보다 이국적인 용도에 폭넓게 대응하고 있습니다.모든 현대 전기 및 하이브리드 차량의 핵심으로, 모터 제어 및 브러시리스 DC 모터의 일부로 사용됩니다.동력 전자 장치는 거의 모든 현대식 가솔린 차량에도 탑재되어 있는데, 이는 차량의 배터리만으로는 점화, 에어컨, 내부 조명, 라디오 및 대시보드 디스플레이를 차량의 수명 동안 제공하기에 부족하기 때문입니다.따라서 주행 중에는 배터리를 충전해야 합니다. 이 작업은 일반적으로 파워 일렉트로닉스를 사용하여 수행됩니다.기존의 기술은 현대 전기 자동차에는 적합하지 않지만 정류자는 가솔린 자동차에서 사용될 수 있고 사용되었었지만 브러시리스 [37]기계의 내구성이 향상되었기 때문에 전력 전자 장치와 결합된 교류 발전기로 전환되었습니다.

일부 전기 철도 시스템은 또한 DC 전원을 사용하기 때문에 전력 전자 장치를 사용하여 기관차에 그리드 전원을 공급하고 기관차 모터의 속도 제어를 위해 종종 사용합니다.20세기 중엽에는 정류기 기관차가 인기를 끌었는데, 이 기관차는 [38]DC 모터에서 사용할 수 있도록 철도 네트워크에서 AC 전원을 변환하기 위해 전력 전자 장치를 사용했습니다.오늘날 대부분의 전기 기관차는 AC 전원을 공급받고 AC 모터를 사용하여 운행되지만, 여전히 적절한 모터 제어를 위해 전력 전자 장치를 사용합니다.모터 제어 및 스타터 회로와 함께 파워 일렉트로닉스를 사용하면 다양한 산업용 기계에 파워 일렉트로닉스가 등장할 수 있습니다.전력 전자 장치는 현대식 가정용 에어컨에도 등장하며 가변속 풍력 터빈의 핵심이다.

보호 장치

주요 문서: 전원 시스템 보호
일반적으로 배전 공급기를 보호하기 위해 변전소에 설치되는 다기능 디지털 보호 릴레이

전원 시스템에는 장애 발생 시 부상 또는 손상을 방지하기 위한 보호 장치가 포함되어 있습니다.대표적인 보호장치는 퓨즈입니다.퓨즈를 통과하는 전류가 특정 임계값을 초과하면 퓨즈 소자가 녹아 결과적으로 발생한 갭을 가로질러 아크가 생성되고, 아크가 생성되어 회로가 중단됩니다.퓨즈를 시스템의 약점으로 구축할 수 있으므로 퓨즈는 회로의 손상으로부터 보호하는 데 이상적입니다.그러나 퓨즈에는 두 가지 문제가 있습니다.먼저 퓨즈가 작동한 후에는 퓨즈를 리셋할 수 없으므로 퓨즈를 교체해야 합니다.퓨즈가 원격 사이트에 있거나 예비 퓨즈가 없는 경우 불편할 수 있습니다.둘째, 퓨즈는 일반적으로 대부분의 전원 시스템에서 유일한 안전 장치로는 불충분합니다. 퓨즈는 인간이나 동물에게 치명적일 수 있는 전류를 훨씬 초과하여 흐르게 하기 때문입니다.

첫 번째 문제는 회로 브레이커를 사용함으로써 해결됩니다.회로 브레이커는 전류가 끊긴 후에 리셋할 수 있는 디바이스입니다.약 10kW 미만의 전력을 사용하는 최신 시스템에서는 일반적으로 소형 회로 차단기가 사용됩니다.이러한 장치는 과도한 전류를 감지하여 트립을 시작하는 메커니즘과 전류를 차단하는 메커니즘을 단일 장치에서 결합합니다.일부 미니어처 회로 차단기는 오로지 전자기력을 기반으로 작동합니다.이러한 소형 회로 차단기에서는 전류가 솔레노이드를 통해 흐르며, 전류가 초과될 경우 솔레노이드의 자기 당김으로 회로 차단기의 접점을 강제로 열 수 있습니다(종종 트립 메커니즘을 통해 간접적으로).그러나 솔레노이드 앞에 바이메탈 스트립을 삽입하는 것이 더 나은 설계입니다. 즉, 솔레노이드는 항상 자력을 발생시키는 대신 전류가 바이메탈 스트립을 변형시키고 솔레노이드의 회로를 완성할 정도로 강할 때만 자력을 발생시킵니다.

고출력 어플리케이션에서는 고장을 검출하여 트립을 개시하는 보호 릴레이는 회로 차단기와는 별개입니다.초기 릴레이는 이전 단락에서 언급한 것과 유사한 전자기 원리를 기반으로 작동하며, 최신 릴레이는 전원 시스템의 판독값을 기반으로 트립 여부를 결정하는 애플리케이션별 컴퓨터입니다.서로 다른 릴레이는 서로 다른 보호 방식에 따라 트립을 시작합니다.예를 들어, 과전류 릴레이는 어떤 상에서의 전류가 특정 임계값을 초과할 경우 트립을 시작할 수 있으며, 차동 릴레이 세트는 전류 합계가 접지 누출이 있을 수 있음을 나타낼 경우 트립을 시작할 수 있습니다.고출력 애플리케이션에서의 회로 차단기도 다릅니다.일반적으로 접점을 강제로 열었을 때 발생하는 아크를 완화하기에는 공기가 더 이상 충분하지 않기 때문에 다양한 기술이 사용됩니다.가장 일반적인 기술 중 하나는 접점을 둘러싼 챔버를 육불화황(SF)6으로 범람시키는 것입니다. 육불화황은 아크 소거 특성을 가진 무독 가스입니다.다른 기법은 참고 [39]자료에서 설명된다.

두 번째 문제인 퓨즈가 대부분의 전원 시스템에서 유일한 안전 장치 역할을 하지 못하는 문제는 잔류 전류 장치(RCD)를 사용함으로써 가장 잘 해결될 수 있습니다.정상적으로 동작하고 있는 모든 전기 어플라이언스에서 액티브 회선의 어플라이언스로 흐르는 전류는 중립 회선의 어플라이언스에서 흐르는 전류와 같아야 합니다.잔류 전류 디바이스는 액티브 회선과 뉴트럴 회선을 감시하고,[40] 차이를 발견하면 액티브 회선을 트립하는 것으로 동작합니다.잔류 전류 장치는 각 위상마다 별도의 중립선이 필요하며 손상이 발생하기 전에 시간 범위 내에 트립할 수 있어야 합니다.표준 배선이 각 어플라이언스에 액티브하고 중립적인 회선을 제공하는 대부분의 가정용 어플리케이션에서는 이 문제가 발생하지 않습니다(따라서 전원 플러그에는 항상 적어도2개의 집게가 있습니다).다만, 이러한 문제로 업계등의 다른 어플리케이션에서는 RCD 의 유효성이 제한됩니다.RCD를 설치하더라도 전기에 노출되는 것은 여전히 치명적일 수 있습니다.

SCADA 시스템

대형 전력 시스템에서는 발전기 켜기, 발전기 출력 제어 및 시스템 요소 전환과 같은 작업에 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA)이 사용됩니다.최초로 구현된 감시 제어 시스템은 제어된 발전소 근처의 중앙 콘솔에 있는 램프와 스위치 패널로 구성되었다.램프는 발전소 상태(데이터 수집 기능)에 대한 피드백을 제공하였고 스위치는 발전소를 조정할 수 있게 하였다(감독 제어 기능).오늘날 SCADA 시스템은 훨씬 더 정교하고 통신 시스템의 발전으로 인해 발전소를 제어하는 콘솔은 더 이상 발전소 근처에 있을 필요가 없습니다.대신에, 현재는, 데스크탑 컴퓨터와 같은 기기(같지 않은 경우)로 플랜트를 제어하는 것이 일반적입니다.컴퓨터를 통해 이러한 발전소를 제어할 수 있는 능력은 보안의 필요성을 증가시켰다. 이미 이러한 시스템에 대한 사이버 공격이 전력 [41]시스템에 상당한 장애를 야기한다는 보고가 있었다.

실제 전원 시스템

공통 컴포넌트에도 불구하고 전원 시스템은 설계와 작동 방식에 따라 크게 다릅니다.이 섹션에서는 몇 가지 일반적인 전원 시스템 유형을 소개하고 그 작동에 대해 간략히 설명합니다.

가정용 전력 시스템

주거 주거지는 거의 항상 주거지를 지나는 저전압 배전선이나 케이블로부터 공급을 받는다.이러한 전압은 국가 표준에 따라 110~260V(위상 대 접지)의 전압에서 작동합니다.수십 년 전 소규모 주택은 전용 2코어 서비스 케이블(활성 단계용 코어 1개 및 중립 수익용 코어 1개)을 사용하여 단상을 공급받았다.활성 라인은 퓨즈 박스의 주 절연 스위치를 통해 연결된 다음 하나 이상의 회로로 분할되어 집 안의 조명 및 기기에 전원을 공급합니다.관례상 조명 회로와 기구 회로는 분리하여 기기 고장으로 인해 거주자가 어둠 속에 남겨지지 않도록 합니다.모든 회로는 해당 회로에 사용되는 와이어 크기에 따라 적절한 퓨즈를 사용하여 퓨즈를 사용합니다.회로에는 활성 와이어와 중성 와이어가 모두 있고 조명 소켓과 전원 소켓이 모두 병렬로 연결됩니다.소켓에는 보호 접지도 제공됩니다.이 기능은 어플라이언스가 금속 케이스에 연결할 때 사용할 수 있습니다.이 케이스가 통전될 경우 접지 연결로 인해 RCD 또는 퓨즈가 걸려 기기를 취급하는 탑승자가 감전되는 것을 방지할 수 있다는 이론이 있습니다.접지 시스템은 지역마다 다르지만 영국 및 호주와 같은 국가에서는 보호 접지와 중성선이 모두 퓨즈 박스 근처에서 함께 접지된 후 주 절연 스위치와 중성선이 다시 [42]배전 변압기에서 접지된다.

주택용 배선 업무에는 수년간 여러 가지 사소한 변화가 있었습니다.선진국의 현대식 주거용 전력 시스템이 구식 전력 시스템과 다른 경향이 있는 가장 중요한 방법에는 다음이 포함된다.

  • 편의상 퓨즈 박스에는 퓨즈 대신 미니어처 회로 차단기가 거의 항상 사용됩니다. 퓨즈 박스는 탑승자가 쉽게 재설정할 수 있고 일부 유형의 고장에 더 빠르게 반응할 수 있기 때문입니다.
  • 안전상의 이유로 RCD는 현재 어플라이언스 회로, 나아가 조명 회로에 설치되는 경우가 많습니다.
  • 과거의 가정용 에어컨은 단상에 연결된 전용 회로에서 공급되었을 수 있지만, 현재 일부 국가에서는 3상 전력을 필요로 하는 대형 집중형 에어컨이 보편화되고 있습니다.
  • 이제 보호 접지가 조명 회로와 함께 작동하여 금속 램프 홀더를 접지할 수 있습니다.
  • 점점 더 많은 가정용 전력 시스템이 마이크로 발전기, 특히 광전지를 통합하고 있다.

상용 전원 시스템

상가나 고층 건물과 같은 상업용 전력 시스템은 주거용 시스템보다 규모가 크다.대형 상용 시스템의 전기 설계는 보통 부하 흐름, 단락 고장 수준 및 정상 상태 부하에 대한 전압 강하에 대해 그리고 대형 모터의 시동 중에 연구된다.이 연구의 목적은 적절한 장비와 도체 크기를 보장하고, 결함이 제거될 때 최소한의 교란이 발생하도록 보호 장치를 조정하는 것입니다.대규모 상업용 설비는 메인 배전반과는 별도로 서브패널의 질서 있는 시스템을 갖추고 있어 시스템 보호 강화와 효율적인 전기 설치를 가능하게 합니다.

일반적으로 더운 기후에서 상용 전원 시스템에 연결된 가장 큰 어플라이언스 중 하나는 HVAC 장치이며, 이 장치가 적절하게 공급되도록 하는 것은 상용 전원 시스템에서 중요한 고려 사항입니다.상업시설 규제는 주거시스템에 배치되지 않은 상업시스템에 다른 요건을 부여한다.예를 들어 호주의 경우 상용 시스템은 비상 조명의 표준인 AS 2293을 준수해야 합니다. 비상 조명은 주전원이 [43]상실된 경우 최소 90분 동안 유지되어야 합니다.미국에서는 미국 전기 법규에 따라 옥외 [44]간판에 불을 붙이기 위해 20A 간판 콘센트를 적어도 1개 갖춘 상업용 시스템을 구축해야 합니다.건축 법규 규정은 비상 조명, 대피, 비상 전원, 연기 통제 및 화재 방지에 대한 전기 시스템에 특별한 요건을 부여할 수 있습니다.

전원 시스템 관리

전원 시스템 관리는 전원 시스템에 따라 다릅니다.가정용 전력 시스템과 심지어 자동차 전기 시스템도 종종 고장이 납니다.항공에서 전력 시스템은 가용성을 보장하기 위해 다중성을 사용합니다.Boeing 747-400에서는 4개의 엔진 중 어느 것이든 전원을 공급할 수 있으며 회로 차단기는 전원 투입(고장을 나타내는 [45]트립된 회로 차단기)의 일부로 점검됩니다.대규모 전원 시스템에서는 액티브한 관리가 필요합니다.산업 플랜트 또는 광산 현장에서는 단일 팀이 고장 관리, 증강 및 유지보수를 담당할 수 있습니다.전기 그리드의 경우, 관리는 몇 개의 전문 팀으로 나뉩니다.

장애 관리

장애 관리에는 시스템의 [46]신뢰성에 영향을 미치는 문제를 식별하고 수정하기 위해 전원 시스템의 동작을 모니터링하는 것이 포함됩니다.장애 관리는 구체적이고 대응적인 경우가 있습니다.예를 들어 폭풍우 중에 고장난 컨덕터에 팀을 파견하는 것입니다.또는 시스템 개선(초목, 낙뢰 또는 [47]야생동물로 인해 발생할 수 있는) 일시적인 장애가 빈번하게 발생하는 시스템 부분에 은둔기 설치와 같은 시스템 개선에 집중할 수 있다.

유지보수 및 증설

전원 시스템에는 장애 관리 외에도 유지보수 또는 증강이 필요할 수 있습니다.이 작업 중에 시스템의 많은 부분이 오프라인 상태가 되는 것은 경제적이지도 않고 실용적이지도 않은 경우가 많기 때문에 전원 시스템은 많은 스위치로 구축됩니다.이러한 스위치를 사용하면, 시스템의 나머지 부분이 동작하고 있는 동안, 시스템의 일부를 분리할 수 있습니다.고전압에서는 아이솔레이터와 회로 차단기의 두 가지 스위치가 있습니다.회로 차단기는 부하가 걸린 상태에서 절연체를 작동시키면 허용되지 않고 위험한 아크가 발생할 수 있는 부하 차단 스위치입니다.일반적인 계획된 정전에서는 회로 차단기가 다시 닫히기 전에 격리된 영역 주위에 전력을 재루팅하기 위해 절연체를 전환할 수 있도록 여러 회로 차단기가 트립됩니다.이를 통해 격리된 [48]영역에서 작업을 완료할 수 있습니다.

주파수 및 전압 관리

장애 관리와 유지보수를 넘어 전력 시스템의 주요 어려움 중 하나는 소비 전력과 손실을 더한 활성 전력이 생산되는 활성 전력과 동일해야 한다는 것입니다.발전 입력이 일정하게 유지된 상태에서 부하가 감소하면 동기식 발전기가 더 빨리 회전하고 시스템 주파수가 증가합니다.부하가 증가하면 그 반대 현상이 발생합니다.따라서 시스템 주파수는 주로 디스패치 가능한 부하와 생성의 온/오프를 전환하여 능동적으로 관리해야 합니다.주파수가 일정하게 유지되도록 하는 것은 일반적으로 시스템 [49]운영자의 작업입니다.주파수가 유지되더라도 시스템 오퍼레이터는 다음 사항을 보장하도록 계속 사용할 수 있습니다.

  1. 시스템상의 기기 또는 고객에게 필요한 전압이 공급되고 있다.
  2. 무효 동력 전달이 최소화됨(더 효율적인 작동으로 연결)
  3. 모든 장애를 완화하기 위해 팀이 파견되고 시스템이 전환됩니다.
  4. 리모트 스위칭은 시스템 작업을[50] 가능하게 하기 위해 실행됩니다.

메모들

  1. ^ 문헌에서는 단순히 R. Kennedy라고[7] 언급하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Godalming Power Station". Engineering Timelines. Retrieved 3 May 2009.
  2. ^ Williams, Jasmin (30 November 2007). "Edison Lights The City". New York Post. Retrieved 31 March 2008.
  3. ^ Grant, Casey. "The Birth of NFPA". National Fire Protection Association. Archived from the original on 28 December 2007. Retrieved 31 March 2008.
  4. ^ "Bulk Electricity Grid Beginnings" (PDF) (Press release). New York Independent System Operator. Archived from the original (PDF) on 26 February 2009. Retrieved 25 May 2008.
  5. ^ Guarnieri, M. (2013). "Who Invented the Transformer?". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (4): 56–59. doi:10.1109/MIE.2013.2283834. S2CID 27936000.
  6. ^ Katz, Evgeny (8 April 2007). "Lucien Gaulard". Archived from the original on 22 April 2008. Retrieved 25 May 2008.
  7. ^ a b Guarnieri, M. (2013). "The Beginning of Electric Energy Transmission: Part One". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (1): 57–60. doi:10.1109/MIE.2012.2236484. S2CID 45909123.
  8. ^ P. Asztalos (25 June 1985). "Centenary of the Transformer".
  9. ^ a b c Guarnieri, M. (2013). "The Beginning of Electric Energy Transmission: Part Two". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (2): 52–59. doi:10.1109/MIE.2013.2256297. S2CID 42790906.
  10. ^ Blalock, Thomas (2 October 2004). "Alternating Current Electrification, 1886". IEEE. Retrieved 25 May 2008.
  11. ^ 를 클릭합니다M.Whelan, Steve Rockwell and Thomas Blalock. "Great Barrington 1886". Edison Tech Center..
  12. ^ 칼슨, W. 버나드(2013).Tesla: 전기 시대의 발명가, Princeton University Press, 115,159,166-167페이지
  13. ^ Klooster, John W. (6 April 2018). Icons of Invention: The Makers of the Modern World from Gutenberg to Gates. ABC-CLIO. ISBN 9780313347436. Retrieved 6 April 2018 – via Google Books.
  14. ^ Jr, Quentin R. Skrabec (4 May 2012). The 100 Most Significant Events in American Business: An Encyclopedia. ABC-CLIO. ISBN 9780313398636. Retrieved 6 April 2018 – via Google Books.
  15. ^ Foran, Jack. "The Day They Turned The Falls On". Archived from the original on 11 May 2008. Retrieved 25 May 2008.
  16. ^ Center, Copyright 2015 Edison Tech. "Lauffen to Frankfurt 1891". www.edisontechcenter.org. Retrieved 6 April 2018.
  17. ^ a b c Guarnieri, M. (2013). "The Alternating Evolution of DC Power Transmission". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (3): 60–630. doi:10.1109/MIE.2013.2272238. S2CID 23610440.
  18. ^ "A Novel but Short-Lived Power Distribution System". IEEE. 1 May 2005. Archived from the original on 25 June 2007. Retrieved 2008-05-25.
  19. ^ Guarnieri, Massimo (2018). "Solidifying Power Electronics". IEEE Industrial Electronics Magazine. 12: 36–40. doi:10.1109/MIE.2018.2791062. hdl:11577/3271203. S2CID 4079824.
  20. ^ Gene Wolf (1 December 2000). "Electricity Through the Ages". Transmission & Distribution World.
  21. ^ a b 서킷의 모든 것 [온라인 교재],토니 R.Kuphaldt 등, 2009년 5월 17일에 마지막으로 액세스.
  22. ^ Roberto Rudervall; J.P. Charpentier; Raghuveer Sharma (7–8 March 2000). "High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper" (PDF). World Bank. {{cite journal}}: Cite journal requires (도움말) (Wayback Machine에서 2016년 3월 3일 아카이브 완료)
  23. ^ Ned Mohan; T. M. Undeland; William P. Robbins (2003). Power Electronics: Converters, Applications, and Design. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22693-9.
  24. ^ Chapman, Stephen (2002). Electric Machinery and Power System Fundamentals. Boston: McGraw-Hill. pp. Chapter 4. ISBN 0-07-229135-4.
  25. ^ Chapman, Stephen (2002). Electric Machinery and Power System Fundamentals. Boston: McGraw-Hill. pp. Chapters 6 and 7. ISBN 0-07-229135-4.
  26. ^ 전 세계 전기회사 Conrad H. McGregor, 2010년 4월
  27. ^ 전류, 와트, 전압 및 옴이 무엇입니까?HowStuffWorks.com, 2000년 10월 31일최종 접속일 : 2010년6월 27일
  28. ^ Chapman, Stephen (2002). Electric Machinery and Power System Fundamentals. Boston: McGraw-Hill. pp. Chapter 11. ISBN 0-07-229135-4.
  29. ^ 2010년 8월 21일에 엔지니어를 위한 전원 품질 튜토리얼(PSL)이 게재되었습니다.
  30. ^ Marshall Brain, "전력망 구조", howstuffworks.com, 2000년 4월 1일.
  31. ^ 도체의 실용적 응용, Stefan Fassbinder, Deutsches Kupferinstitut, 2010년 1월
  32. ^ 해군 공학 훈련 시리즈(그림 1.6), 미 해군(tpub.com 재게시), 2007.
  33. ^ 도체 전류, 회로에 관한 모든 것, Tony R.쿠팔트 외, 2000년
  34. ^ Grigsby, Leonard (2007). Electric Power Generation, Transmission, and Distribution. CRC Press 2007. pp. Chapter 14. ISBN 978-0-8493-9292-4.
  35. ^ B. M. Weedy, Electric Power Systems 제2판, John Wiley and Sons, 런던, 1972, ISBN 0-471-92445-8 페이지 149
  36. ^ 전원을 켜는 동안 사이리스터의 스위칭 특성 아카이브 2012년 7월 7일 아카이브.오늘 [electricalandelectronics.org], 2009년 4월 9일
  37. ^ "Air-conditioner Manufacturer Chooses Smart Power Modules". Power Electronics Technology. 31 August 2005. Retrieved 30 March 2016.
  38. ^ Calverley, H.B.; Jarvis, E.A.K.; Williams, E. (1957). "Electrical equipment for rectifier locomotives". Proceedings of the IEE - Part A: Power Engineering. 104 (17): 341. doi:10.1049/pi-a.1957.0093.
  39. ^ http://ocw.kfupm.edu.sa/user/EE46603/Circuit%20Breakers.pdf[베어 URL PDF]
  40. ^ RCD는 어떻게 작동합니까?2010년 2월 15일 Wayback Machine, PowerBreaker에서 아카이브 완료, 10년 3월 14일에 액세스.
  41. ^ 보고서: 우크라이나 전력망 해킹, WIREED, Kim Zetter, 2016년 3월 3일.
  42. ^ "The MEN System of Earthing" (PDF). Electricians Newsletter. Office of Energy (WA) (1): 2. May 2001. Archived from the original (PDF) on 10 March 2011. Retrieved 30 Dec 2010.
  43. ^ "Emergency lighting an essential service".
  44. ^ "Commercial Loads — Part 2". ecmweb.com. 25 March 2010. Retrieved 6 April 2018.
  45. ^ AviationKnowledge (2016). Boeing B747-400F CBT #31 Electrical System - Overview and AC Power.{{cite AV media}}: CS1 maint :url-status (링크)
  46. ^ Lutfiyya, H.L., Bauer, M.A., Marshall, A.D. (2000). "Fault Management in Distributed Systems: A Policy-Driven Approach". Journal of Network and Systems Management. 8 (4): 499–525. doi:10.1023/A:1026482400326. S2CID 41004116.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
  47. ^ Fault Management in Electrical Distribution Systems (PDF). Final report of the CIRED Working Group WG03 Fault Management (Report). 1998. S2CID 44290460. Archived from the original (PDF) on 27 February 2020.
  48. ^ Gaurav J (2018). Difference between Circuit breaker and Isolator. Archived from the original on 12 December 2021.
  49. ^ S. 스토프트전원 시스템 이코노미IEEE 프레스, 2002.
  50. ^ Power System Requirements (Reference Paper) (PDF) (Report). AEMO. 2020.

외부 링크