KR100221239B1

KR100221239B1 - 열동형 계전기(thr)의 전동기 보호용 디지탈 보호계전 방법

Info

Publication number: KR100221239B1
Application number: KR1019970023047A
Authority: KR
Inventors: 이성환; 김정한; 김상철
Original assignee: 김형벽ㅂ; 현대중공업주식회사
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1999-09-15
Also published as: KR19990000266A

Abstract

본 발명은 전동기로 전원을 공급하여 구동시키는 전자식 배전반에 있어서, 전동기 시동시 전동기로 과전류가 흐르거나 과부하 및 과도하게 시동과 정지를 반복하는 등의 이상 상태가 발생할 경우에 그 이상상태에 의해 전동기가 손상되지 않도록 보호하여 전동기를 안전하고 또 장기간 사용할 수 있도록 하는 전자식 배전반의 열동형 계전기(THR: Thermal Overload Relay)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법에 관한 것이다.

종래에는 전원의 공급을 제어할 전동기의 종류,용량 및 특성등에 따라 적절한 계전기를 선택하고 이 것을 사용해서 과전류, 과부하 또는 과도한 시동과 정지의 반복 이상상태 발생시에 전동기가 손상되지 않도록 보호하였다.

본 발명은 이상 상태의 발생시에 전동기가 손상되지 않도록 효과적으로 보호하여 전동기를 안전하고 장기간 사용할 수 있도록 하는 디지탈 계전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 전동기의 종류, 용량 및 특성 등에 따라서 간단하게 전동기의 동작변수를 설정하여 어떠한 전동기에도 간단히 적용하여 사용할 수 있도록 하는 디지탈 계전방법으로서, 특히 열동형 계전기(THR)에 적합한 디지탈 보호 계전 방법을 제공한다.

Description

열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법

본 발명은 전동기로 전원을 공급하여 구동시키는 전자식 배전반에 있어서, 전동기 시동시 전동기로 과전류가 흐르거나 과부하 및 과도하게 시동과 정지를 반복하는 등의 이상 상태가 발생할 경우에 그 이상상태에 의해 전동기가 손상되지 않도록 보호하여 전동기를 안전하고 또 장기간 사용할 수 있도록 하는 전자식 배전반의 열동형 계전기(THR: Thermal Overload Relay))의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법에 관한 것이다.

특히 600V이하의 전압회로에 사용되는 저용량의 전동기일 경우에 트랜지스터 회로로 구성된 스태틱(Static)타입의 3E계전기를 사용하고, 600V이상의 고압회로에 사용되는 대용량의 전동기일 경우에는 3상 전원 평형 계전기 및 유도형 계전기를 사용하였다.

그러므로 전동기에 따라 적절한 계전기를 선택하여 사용하는데 많은 어려움이 따르고, 계전기를 잘못 선택하였을 경우에는 이상 상태의 발생시에 전동기를 보호하지 못하게 되었다.

또한, 계전기의 오동작율이 높아 계전기의 오동작을 보상하기 위한 보호회로를 구비해야 될 뿐만 아니라, 이로 인하여 회로 구성이 복잡하고, 제품의 생산성이 저하되며, 생산원가가 상승하게 되는 등의 문제점이 있었다.

그리고, 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 8비트 또는 16비트 CPU를 이용해서 전동기로 공급되는 전원의 전류를 일정한 주기로 샘플링하여 저장하고, 샘플링한 전류를 기준 전류와 비교하여 전원과 전동기의 이상 여부를 판별하여 전원의 이상이 판별될 경우에는 차단 지연시간을 룩업테이블에서 리드한 후 리드한 차단 지연 시간동안 이상 상태가 지속될 경우에 전원을 차단하여 전동기에 공급되지 않도록한 다지탈 보호 계전방법이 제시되기도 하였다.

그러나, 이러한 디지탈 보호 계전방법은 부동 소수점 연산이 불가능하기 때문에 정수 형태의 룩업테이블을 이용하는 방법이므로, 차단 지연시간의 정확도에 문제가 발생할 소지가 컸다.

본 발명에서는 32비트 연산 전용 프로세서(CPU=DSP)를 이용해서 차단 지연시간을 부동소수점 형태의 실시간 연산을 통해 구하므로, 그 속도와 정확성을 개선시킬 수 있고, 또 전동기에서 발생할 수 있는 고장의 종류를 감지하여 전동기를 보호할 수 있도록 전동기 모선에 흐르는 전류값을 이용해서 사전에 설정된 정정치로 보호 기능을 수행하며, 다른 여러 계전기의 정보를 검토한 후 최종적인 차단 결정을 할 수 있는 기능을 가지도록 하였다.

또한 본 발명에서는 전동기에서 발생할 수 있는 고장을 신속하고 정확하게 검출하고, 그 고장을 판단, 제거하여 설비를 보호하며, 건전계통으로 고장이 파급되는 것을 방지하기 위한 역할을 수행함으로써 전동기를 보호할 수 있도록 한 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법을 제공한다.

도1은 전자식 배전반의 블럭 구성도

도2는 전류가 정격으로 일정할때의 시간과 온도와의 관계를 나타낸 도면

도3은 전류가 1.5×Ib일때의 시간과 온도와의 관계를 나타낸 도면

도4는 전류가 1.6τ이후에 1.5Ib로 인가했을때 시간과 온도와의 관계를 나타낸 도면

도5는 정류가 0.9Ib일때의 시간과 온도와의 관계를 나타낸 도면

도6은 본 발명의 제어수순을 나타낸 플로우차트

도7은 열동형 계전기(THR)의 동작 특성 곡선

도1은 본 발명을 수행하기 위한 전자식 배전반의 하드웨어로서, 장치 전반을 제어하는 중앙처리장치(1)가 구비된다.

전동기는 3상 전원(R,S,T)을 공급받아 동작하며, 각 상전류를 감지하기 위하여 전류센서(CT1∼CT3)를 구비하였다.

전류센서로 감지된 전류를 처리하기 위한 센서신호 출력부가 전류센서의 출력단에 연결되어 센서신호를 처리한다.

센서신호 출력부의 출력단에는 멀티플렉서가 연결되어 상기 처리된 신호를 스위칭하며, 여기서 스위칭된 신호는 아날로그 필터(4)를 거쳐서 필터링된 다음 아날로그 디지탈 변환기(5)를 통해서 디지탈 신호로 변환되어 상기 중앙처리장치(1)로 입력된다.

중앙처리장치(1)는 입력된 디지탈 전류정보를 이용해서 전동기 보호 계전 알고리즘을 수행하며, 중앙처리장치(1)에는 키보드(6)와 표시부(7)가 연결되어 있어서 운영자의 키명령을 입력할 수 있고, 또 각종 상태를 표시할 수도 있다.

또, 상기 중앙처리장치(1)에는 부하 구동부(10)를 통해서 전류차단기(CB)가 연결되어 있어서 과전류,과부하 등의 이상상태 발생시에 전동기 전류를 차단할 수 있도록 하였다.

그리고, 중앙처리장치(1)의 각종 처리 데이타가 일시 저장되고 또 읽혀지는 램(9)과, 제반 운용 프로그램이 저장된 롬(8)이 연결되어 있다.

상기 도1에 나타낸 전자식 배전반에서 이루어지는 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법을 설명하기에 앞서, 열동형 계전기(THR)에 대하여 살펴본다.

열동형 계전기는 기기에 유입되는 전류를 계측하여 기기의 열적(Thermal) 과부하를 검출하고 회로를 차단함으로써 기기를 보호하는 계전기 이다.

일정한 에너지원(전력)으로부터 열을 받는 기기(전동기)는 운전함에 따라서 점차 그 온도가 T=Ts×(1-e^-t/τ)의 관계를 가지고 증가하며, 냉각시에는 T=To×e^-t/τ의 관계를 따르게 된다.

여기서 T는 기기의 온도이며, Ts는 정격온도이고, To는 전원 차단시의 온도이며, τ는 열시정수 이다.

냉각장치를 가지고 있는 전동기의 고정자 권선은 이러한 기기에 해당되며, 냉각 능력이 정지되었을 때 점차적으로 시정수가 증가하여 도2에 나타낸 바와같이 초기 온도 증가가 직선적으로 증가하게 된다면, 시정수(τ)후에 최종 온도에 도달하게 된다.

이 것을 이용해서, 만약 높은 전류에서 주어진 시간 이후의 온도 증가를 알고 있을때의 시정수를 결정하게 된다.

정격의 1.5배 전류에서 최종 온도는 1.52 즉, 정격 전류의 2.25배가 될 것이다.

즉, 도3의 곡선에 따라 0.6τ후에 Ts에 도달하게 된다.

1.6τ동안 정격전류(Ib)가 흐른다고 가정하면 온도는 상기 T=Ts×(1-e^-t/τ)의 관계에 따라 상승할 것이고, 그러므로 만약 전류가 갑자기 1.5Ib로 증가하게 된다면 도4에서 보는 바와같이 0.14τ 후에 Ts에 도다랗게 될 것이다.

만약, 전류가 감소하게 되면 온도는 새로운 정상상태로 지수함수적으로 감소하게 되고, 만약 온도가 Ts에 도달되고 전류가 0.9Ib로 바뀐다면 온도는 도5에 나타낸 바와같이 0.81Ts로 감소할 것이다.

위에서 설명한 전류와 온도와의 I∝T²관계를 이용해서 아래의 식1과 식2를 유도해낼 수 있다.

t=τ·ln[I²/(I²-(k·I_B))]

… [식1]

t=τ·ln[(I²-I²p)/(I²-(k·I_B))]

… [식2]

여기서, t는 동작시간, τ는 전동기 열시정수, I_B는 전동기 정격전류, I는 전동기의 부하전류, k는 보증계수, Ip는 고장전의 부하전류 이다.

상기 식1과 식2에 의해서 도7과 같은 동작시간 곡선을 이용해사 열동형 계전기에 적용한다.

동작시간 특성은 반한시이며, 동작전류 및 전동기의 열적 상태에 따른 열시정수에 의해 동작시간은 결정된다.

열시정수는 전동기의 열적 상태에 따라 다음과 같이 구분되어 적용된다.

열시정수(τ_H): 상온(정격온도의 0%)에서 정지되어 있는 전동기에 의해 전동기의 정격 전류를 인가하여 기동되었을 때 전동기의 온도가 정격 온도의 63%에 도달할때 까지의 시간이다. 단, 정격온도란 전동기가 정격운전을 하여 전동기의 온도가 정상 상태에 도달하였을 때의 온도이다.

냉각 열시정수(τ_C): 정상상태에서 운전되던 전동기의 전류입력이 제거되어 전동기가 냉각될때의 전동기 열시정수이다.

이 냉각 열시정수는 전류입력이 제거되었을 경우 해당되므로 냉각팬이 작동되지 않기 때문에 열시정수 보다 보통 큰값을 가지게 된다.

그리고, 동작 시간의 결정은 전동기의 열적 상태에 따라 상기의 식1,식2중 하나로부터 구하며, 각각의 동작 특성 곡선은 도7에 나타낸 바와같다.

상기의 식1은 콜드커브(Cold Curve)로서 전동기가 완전히 냉각된 상태(정격온도의 0%)에서 고장이 발생하였을 때에 적용되는 전류-시간 특성 곡선을 나타내며 동작시간은 상기 식1과 같다.

핫커브(Hot Curve)는 고장 직전의 전동기 상태를 고려한 계전기의 전류-시간 특성곡선으로서 전동기가 완전히 냉각된 상태가 아닌 경우에 고장이 발생하였을 때 적용되며, 이때의 동작시간은 상기 식2로 정의된다.

상기한 바와같은 열동형 계전기의 전기적 특성들과 이 것들로부터 구해지는 동작시간 정보들을 이용해서 이루어지는 본 발명의 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법을 도6에 나타내었다.

본 발명의 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법은;

전류입력으로부터 정지상태인가 또는 정상 운전상태인가를 판단하는 과정과, 상기 과정의 상태 확인후 입력전류와 열동형 계전기의 동작전류의 비로부터 현재 전류입력이 전동기의 열적 파괴를 일으킬 수 있는 상태인가를 판단하는 과정과, 상기 과정의 판단 결과 전류입력이 동작전류보다 큰 경우 현재 입력전류에서 견딜 수 있는 시간을 전동기 상태에 따라 구하는 과정과, 상기 과정에서 구한 시간정보로부터 상기 전류입력이 동작전류를 초과하기 시작한 시점으로부터의 경과시간을 비교하는 과정과, 상기 과정의 비교 결과 경과시간이 동작시간을 초과하면 부하차단을 수행하는 과정으로 제어함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 도6을 참조하여 본 발명의 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법의 수순을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 중앙처리장치는 전류센서로부터 감지되어 디지탈 신호로 입력되는 이력전류(RmsValue)값을 검색한다.

입력전류값이 '0'이면 플래그(Flag)를 쿨(Cool)로 설정하고 리턴하는데, 여기서 쿨은 정지상태에서 과전류로 진행하는 경우이다.

전류값이 '0'이 아니면 플래그(Flag)를 노말(Normal)로 설정하고 리턴하는데, 여기서 노말은 정상운전중에 과전류로 진행하는 경우로서, 상기 입력전류(RmsValue)를 열동형 계전기 동작전류(Thermal_Inverse_Setting)값으로 나눈 전류비(Ratio)를 구한 다음 이 전류비로부터 운전상태를 판단한다.

먼저, 전류비(Ratio)가 설정된 값(1.01)을 초과하면 플래그(Flag)를 검색하여 쿨'COOL'상태인가 또는 노멀(Normal)상태인가, 또는 웨이트_노말(WAIT_NORMAL)상태인가, 또는 웨이트_쿨(WAIT_COOL)상태인가를 판단한다.

여기서 쿨(COOL)상태는 초기 기동시부터 전류가 과전류로 진행하는 경우를 나타낸다.

웨이트_노말(WAIT_NORMAL)상태는 정상운전중에 과전류로 진행할때 그 경과시간을 카운트함을 나타내며, 웨이트_쿨(WAIT_COOL)상태는 초기 기동시부터 과전류로 진행할때 그 경과시간을 카운트함을 나타낸다.

상기 판단결과, Flag=COOL이면 경과시간 카운트를 시작하고(MarkTime) 플래그를 웨이트_쿨 상태로 설정(Flag=WAIT_COOL)한 후, 리턴한다.

상기 판단결과, Flag=NORMAL이면 경과시간 카운트를 시작하고(MarkTime) 플래그를 웨이트_노말 상태로 설정(Flag=WAIT_NORMAL)한 후, 리턴한다.

상기 판단결과, Flag=WAIT_NORMAL이면 상기 카운트된 노말운전시의 경과시간(Elapsed_Time)을 현재 전류입력에서 견딜 수 있는 설정시간(Delay)과 비교하여 경과시간이 동작시간(설정시간)을 초과하지 않았으면 리턴하고, 초과하였으면 중앙처리장치(1)는 부하구동부(10)를 통해 전류차단기(CB)를 제어하여 전류를 차단하고(TripLoad) 플래그(Flag)를 전류 차단상태(Flag=TRIP)로 설정한 후 리턴한다.

상기 판단결과, Flag=WAIT_COOL이면 상기 카운트된 쿨운전시의 경과시간(Elapsed_Time)을 현재 전류입력에서 견딜 수 있는 설정시간(Delay)과 비교하여 경과시간이 동작시간(설정시간)을 초과하지 않았으면 리턴하고, 초과하였으면 중앙처리장치(1)는 부하구동부(10)를 통해 전류차단기(CB)를 제어하여 전류를 차단하고(TripLoad) 플래그(Flag)를 전류 차단상태(Flag=TRIP)로 설정한 후 리턴한다.

한편, 상기 초기의 전류비(Ratio)에 의한 과전류 판단 결과 전류비(Ratio)가 설정값(1.01) 이하이면 전류차단(Trip)에 의해서 전류가 감소한 것인가를 판정하는 단계(Ratio＜0.95, Flag=Trip)를 실행한다.

그 결과 전류 차단에 의해서 입력전류(RmsValue)가 감소한 경우가 아니면 플래그(Flag)를 노말(Normal)상태로 설정한 다음 리턴하고, 전류 차단에 의해서 입력전류가 감소한 경우에는 계전기 복귀후에 플래그를 노말상태로 설정한 다음 리턴함으로써 본 발명의 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법은 완료된다.

상기의 과정을 반복하여 지속적으로 수행한다.

상기한 바와같이 본 발명의 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법에 의하면, 전동기로 전원을 공급하여 구동시키는 전자식 배전반에 있어서, 전동기 시동시 전동기로 과전류가 흐르거나 과부하 및 과도하게 시동과 정지를 반복하는 등의 이상 상태가 발생할 경우에 그 이상상태에 의해 전동기가 손상되지 않도록 보호하여 전동기를 안전하고 또 장기간 사용할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서는 32비트 연산 전용 프로세서(CPU=DSP)를 이용해서 차단 지연시간을 부동소수점 형태의 실시간 연산을 통해 구하므로, 그 속도와 정확성을 개선시킬 수 있고, 또 전동기에서 발생할 수 있는 고장의 종류를 감지하여 전동기를 보호할 수 있도록 전동기 모선에 흐르는 전류값을 이용해서 사전에 설정된 정정치로 보호 기능을 수행하며, 다른 여러 계전기의 정보를 검토한 후 최종적인 차단 결정을 할 수 있는 기능을 가지도록 하였다.

Claims

전류입력으로부터 정지상태인가 또는 정상 운전상태인가를 판단하는 과정과, 상기 과정의 상태 확인후 입력전류와 열동형 계전기의 동작전류의 비로부터 현재 전류입력이 전동기의 열적 파괴를 일으킬 수 있는 상태인가를 판단하는 과정과, 상기 과정의 판단 결과 전류입력이 동작전류보다 큰 경우 현재 입력전류에서 견딜 수 있는 시간을 전동기 상태에 따라 구하는 과정과, 상기 과정에서 구한 시간정보로부터 상기 전류입력이 동작전류를 초과하기 시작한 시점으로부터의 경과시간을 비교하는 과정과, 상기 과정의 비교 결과 경과시간이 동작시간을 초과하면 부하차단을 수행하는 과정으로 제어함을 특징으로하는 열동형 계전기(THR)의 전동기 보호용 디지탈 보호 계전 방법.