KR100240223B1 - 디지탈계전기의 결상검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결상을 검출하기 위해 계전기에 별도로 구비된 결상회로에 의해 결상판정을 행하여 그 출력을 인터럽트라인으로 마이크로프로세서의 인터럽트핀으로 직접 입력시켜 즉각적인 결상트립을 행할 수 있도록 한 디지탈계전기의 결상검출장치에 관한 것으로, 유도전동기 CT를 거쳐 나온 출력을 CT신호변환기를 통해 변환하여 유도전동기의 결상을 판정하는 계전기에 있어서, 상기 CT신호변환기의 출력을 직류성분의 주파수에 근접한 신호로 필터링하는 제 1로패스필터; 상기 제 1로패스필터의 출력신호를 소정의 결상율로 신호감쇄시켜 출력하는 신호감쇄기; 상기 CT신호변환기의 출력을 고주파필터링하여 원신호에 근접한 신호를 출력하는 제 2로패스필터; 상기 제 1로패스필터의 출력은 마이너스단자에 기준신호로 입력되고, 상기 제 2로패스필터의 출력은 플러스단자로 입력되어, 결상과 정상의 비교판정을 행하는 연산증폭기; 상기 연산증폭기의 출력을 로직레벨에서 사용할 수 있는 신호로 변환하는 한쌍의 다이오드; 및 상기 다이오드에서 출력된 신호를 직접 인터럽트핀으로 입력받아 결상시 즉각적인 결상트립동작을 수행하는 마이크로프로세서를 포함하며, 본 발명은 마이크로프로세서의 부담을 줄여 계전기시스템의 신뢰성을 확보함은 물론 보다 신속한 전동기보호동작을 수행할 수 있게 한다.

Description

디지탈계전기의 결상검출장치

본 발명은 과부하, 과열등의 비정상적인 상태로 인한 손상 및 고장으로부터 전동기를 보호하기 위한 계전기에 관한 것으로, 특히 결상을 검출하기 위해 계전기에 별도로 구비된 결상회로에 의해 결상판정을 행하여 그 출력을 인터럽트라인을 통해 마이크로프로세서의 인터럽트핀에 직접 입력시켜 즉각적인 결상트립을 행할 수 있도록 함으로써 마이크로프로세서의 부담을 줄여 계전기시스템의 신뢰성을 확보하고 보다 신속한 전동기보호동작을 수행하게 한 디지탈계전기의 결상검출장치에 관한 것이다.

일반적으로, 3상AC유도전동기는 산업현장에서 매우 널리 사용되어 있으며, 중요한 역할을 담당하고 있다. 이 유도전동기는 신뢰성이 있는 기기이지만, 비정상적인 운전이나 운전자의 오조작등에 의해 많은 고장을 유발하기도 한다. 전동기의 대부분의 고장은 과열로 인한 전동기권선의 파괴인 데, 그 원인으로는 정격부하이상의 상태로 연속운전하거나, 조강이나 빈번한 시동에 기인하는 과부하등이 대표적이다. 게다가, 부적절한 유지보수로 인한 쿨링핀의 배기불량이나 베어링의 마모에 의해서도 전동기과열의 원인이 되기도 한다.

또한, 수분에 의한 지락이 자주 발생되는 분야에서는 지락이 큰 문제로 대두된다. 이 뿐만아니라, 전원계통의 불량에 의해 세 상중에서 한 상이 빠지는 결상상태도 커다란 한 요인으로 작용한다.

이상과 같은 비정상적인 상태에서 전동기를 보호하기 위한 장치로 보호계전기가 사용되고 있다. 이러한 보호계전기로 종전에는 각 보호기능이 분리된 정지형 계전기를 서로 연계하여 전동기컨트롤센터를 구성하였고, 최근에 들어서면서 전동기보호기능을 갖는 마이크로프로세서를 사용한 디지탈계전기가 널리 사용되고 있는 실정이다. 이 디지탈계전기에 대해 도 1를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 기존의 전동기보호용 디지탈계전기의 구성을 나타낸 블럭도로, 전동기(10)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 신호센서로 커런트 트랜스포머(CURRENT TRANSFOMER;이하, CT라고 함)(11)와, 영상분의 전류치를 검출하는 제로 페이즈 커런트 트랜스포머(ZERO PAHSE CURRENT TRANSFOMER;이하, ZCT라 함)(12)를 사용하고 있다. CT(11)에서 출력된 전류신호는 CT신호변환기(20)를 통해 전파정류 후 직류치로 변환된다. 그런 다음, 아날로그필터회로(21)를 통해 노이즈성분을 제거하고, 증폭회로(22)를 통해 적절한 레벨로 신호가 증폭되어 멀티플렉스(30)로 입력된다.

한편, ZCT(12)에서 출력된 신호는 ZCT신호변환기(40)를 거쳐 전압신호로 변환되고, 필터회로(41) 및, 검출회로(42)를 차례로 거쳐서 멀티플렉스(30)로 입력된다. 멀티플렉스(30)에 입력된 신호는 A/D변환회로(31)를 통해 아날로그/디지탈변환되어 마이크로프로세서(50)에 입력된다. 마이크로프로세서(50)는 이 신호들을 비교판단하여 과부하등의 전동기이상을 발견하면 즉시 트립을 발생하여 전동기(10)전단에 취부된 개폐기(13)를 열어 전동기(10)에 공급되는 전원을 차단하는 조치를 행하게 된다.

위와 같은 보호계전기가 가져야 할 보호기능으로는 과부하보호기능, 순시과전류기능, 지락기능, 부족전압보호기능 및, 결상보호기능이 기본적으로 제공되어야 한다. 이 중 지락보호기능은 ZCT신호를 기본으로 하여 마이크로프로세서의 적절한 연산에 의해 이루어진다. 그리고, 그 이외의 나머지기능들은 CT신호를 이용하여 마이크프로세서가 연산을 수행하여 이루어지게 된다. 이와 같이 전동기에 입력되는 전류치의 계측을 통해 전동기를 이상상태에서 보호하는 마이크로프로세서를 채용한 디지탈 전동기 보호계전기에서는 모든 연산기능이 마이크로프로세서에 집중된다. 즉, 마이크로프로세서는 전동기보호를 위해 과부하연산기능, 순시과전류연산기능, 부족전류연산기능, 결상연산기능, 지락연산등 수많은 연산을 내부적으로 수행하고 있다. 이 연산을 통한 전동기이상상태의 검출에 대해 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 도 1의 CT신호변환기에서 출력되는 신호파형도로, (a)는 전동기 3상에 균등한 전류가 흐르는 경우, 즉 정상시에 출력되는 신호이고, (b)는 외부배선상의 문제로 전동기에 인입되는 전원중 1상이 빠지거나, 전동기의 내부이상에 의해 전동기전류가 일측에 편중되는 경우, 즉 결상시의 출력신호이다.

위와 같은 CT신호변환기의 신호를 갖고 마이크로프로세서는 한 사이클에서 평균전류를 연산하고, 그 사이클의 최소전류를 계산하여 비율이 일정치 이하가 되면 결상으로 판정하게 된다. 이 경우 마이크로프로세서는 전류평균치를 연산하고, 최소치를 추출하는 연산을 수행하며, 어느 시간이상 계속지속되는 지를 연산하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 기존의 보호계전기는 결상의 판단을 위해 아날로그신호를 멀티플렉스로 입력받아 디지탈로 변환한 후 마이크로프로세서로 입력시켜 내부연산을 통해 전동기의 상태를 판정하였다. 위의 기술과 더불어 이미 공개된 공개번호94-20647호의 "전자식 배전반의 전동기보호를 위한 디지탈 계전방법"에서의 디지탈계전기기술에서도 마이크로프로세서(중앙처리장치)가 수많은 연산을 수행하므로 마이크로프로세서에 과도한 부담을 주어 연산수행능력이 떨어져 신뢰성에 문제가 있었다. 또한, 마이크로프로세서의 복잡한 연산에 의해 결상이 판정되므로 결상시 즉각적으로 조치, 즉 결상트립동작을 수행할 수 없는 폐단이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 결상을 검출하기 위해 계전기에 별도로 구비된 결상회로에 의해 결상판정을 행하여 그 출력을 인터럽트라인을 통해 마이크로프로세서의 인터럽트핀에 직접 입력시켜 즉각적인 결상트립을 행할 수 있도록 함으로써 마이크로프로세서의 부담을 줄여 계전기시스템의 안전성을 확보하고 보다 신속한 전동기보호동작을 수행하게 한 디지탈계전기의 결상검출장치를 제공함에 있다.

도 1은 기존의 전동기보호용 디지탈계전기의 구성을 나타낸 블럭도,

도 2의 (a) 및 (b)는 도 1의 CT신호변환기에서 출력되는 정상시와 결상시의 신호파형도,

도 3은 본 발명에 따른 디지탈계전기의 결상검출장치의 구성을 나타낸 회로도,

도 4는 본 장치중 연산증폭기에 입력되는 신호와 그에 따라 출력되는 신호를 설명하기 위한 설명도,

도 5는 본 장치중 로패스필터의 다른 실시예를 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

20 : CT신호변환기 60a : 제 1로패스필터

60b : 제 2로패스필터 70 : 신호감쇄기

71 : 저항 72 : 딥스위치

80 : 연산증폭기 90 : 마이크로프로세서

100a,100b : 다이오드 110 : 디지탈데이터버퍼

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지탈계전기의 결상검출장치는 유도전동기 CT를 거쳐 나온 출력을 CT신호변환기를 통해 변환하여 유도전동기의 결상을 판정하는 계전기에 있어서, 상기 CT신호변환기의 출력을 직류성분의 주파수에 근접한 신호로 필터링하는 제 1로패스필터; 상기 제 1로패스필터의 출력신호를 소정의 결상율로 신호감쇄시켜 출력하는 신호감쇄기; 상기 CT신호변환기의 출력을 고주파필터링하여 원신호에 근접한 신호를 출력하는 제 2로패스필터; 상기 제 1로패스필터의 출력은 마이너스단자에 기준신호로 입력되고, 상기 제 2로패스필터의 출력은 플러스단자로 입력되어, 결상과 정상의 비교판정을 행하는 연산증폭기; 상기 연산증폭기의 출력을 로직레벨에서 사용할 수 있는 신호로 변환하는 한쌍의 다이오드; 및 상기 다이오드에서 출력된 신호를 직접 인터럽트핀으로 입력받아 결상시 즉각적인 결상트립동작을 수행하는 마이크로프로세서를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 디지탈계전기의 결상검출장치의 구성을 나타낸 회로도이고, 도 4는 본 장치중 연산증폭기에 입력되는 신호와 그에 따라 출력되는 신호의 파형을 설명하기 위한 설명도이다.

주지한 바와 같이 전동기 CT(미도시)에서 출력된 전류신호는 CT신호변환기(20)를 통해 전파정류 후 직류치로 변환출력된다. 본 장치는 이때 출력된 신호를 직류성분의 주파수에 근접한 신호로 필터링하기 위해 제 1로패스필터(60a)를 구비하고 있다. 이 제 1로패스필터(60a)의 컷오프(Cut Off)주파수는 신호변환기(20)에서 나타나는 연속되는 파형에 한상이 빠져도 제 1로패스필터(60a)를 거치면 충분히 직류파형을 유지할 수 있는 값으로 선정된다.

제 1로패스필터(60a)의 후단에는 제 1로패스필터(60a)로 필터링한 신호를 소정비율로 감쇄시켜 출력하는 신호감쇄기(70)를 구비하고 있다. 이 신호감쇄기(70)는 병렬로 구성된 저항들(71a~71d)과, 이 저항들(71a~71d)에 연결된 딥(DIP)스위치(72)를 구비하고, 딥스위치(72)로 저항의 병렬접속을 선택하여 결상율을 사용자가 선정할 수 있게 되어 있다. 딥스위치(72)와 병렬접속되는 저항의 개수가 많을수록 결상율의 선택의 폭이 높은 특성을 가지게 된다. 즉, 스위치를 하나도 온(ON)하지 않은 경우가 결상율이 제일 크고, 스위치를 많이 온할수록 결상율은 작아지게 된다. 이와 같이 신호감쇄기(70)를 거쳐 나온 신호는 연산증폭기(80)의 마이너스입력점에 기준(REF)신호로 입력된다.

CT신호변환기(20)에는 또한 제 1로패스필터(60a)와 병렬로 제 2로패스필터(60b)가 연결되어 있다. 제 2로패스필터(60b)는 CT신호변환기(20)의 출력중 고주파를 필터링하여 원신호에 근접한 신호로 출력한다. 이 출력신호는 전술한 연산증폭기(80)의 플러스입력점에 입력된다. 제 2로패스필터(60b)의 컷오프주파수는 외부노이즈신호인 고주파주파수만을 제거하도록 선정된다. 따라서, 그 출력신호는 고주파성분만이 제거된 원래신호에 근접한 신호가 출력되게 된다.

연산증폭기(80)는 비교회로의 역할을 하는 것으로, 도 4에서 보는 바와 같이 그 마이너스입력단에는 직류성분의 파형이 기준(REF)신호로 입력되고, 플러스입력단에는 원신호에 근접하는 신호가 입력되므로 연산증폭기(80)가 단전원으로 구동된다면 그 출력은 도 4와 같게 된다.

즉, 도 4에서 보는 바와 같이 연산증폭기(80)의 플러스입력단에 입력되는 신호가 마이너스입력단에 입력되는 기준신호이상이 되면 플러스출력이 나와 정상상태를 나타내게 된다. 반면에, 결상이 되어 플러스입력단에 기준신호이하의 신호가 입력되면 연산증폭기(80)의 출력은 그라운드가 된다. 또한, 연산증폭기(80)를 양음 양전원으로 구동하는 경우 그 출력신호중 양의 출력은 양의 구동전원이 나타나고, 그 반대신호는 음의 구동신호로 나타나게 된다.

이상과 같은 연산증폭기(80)의 출력을 마이크로프로세서(90)가 사용하는 전원으로 레벨다운시켜 로직레벨에서 사용할 수 있는 신호로 변환하기 위해서 한쌍의 다이오드(100a,100b)가 +5V와 디지탈그라운드로 연결되어 있다. 이를 거쳐 로직레벨로 전환된 신호는 디지탈데이터버퍼(110)에 임시저장되고, 이 버퍼(110)의 출력신호를 마이크로프로세서(90)가 직접 인터럽트핀으로 입력받아 결상시 즉각적인 결상트립동작을 수행하게 된다.

도 5는 본 장치중 로패스필터의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 제 1,제 2로패스필터는 도시한 바와 같이 제 1저항(61)과 제 2저항(62)을 직렬로 연결하여 연산증폭기(63)의 플러스단과 연결하고, 제 1저항(61)과 제 2저항(63)사이에서 출력을 뽑아 제 1콘덴서(64)를 연결하여 연산증폭기(63)의 마이너스단과 연결하여 구성할 수도 있다. 이때, 제 2저항(62)의 후단에 제 2콘덴서(65)를 연결하여 접지하게 된다.

이하부터는 본 발명의 작동에 대해 상세히 설명한다.

CT신호변환기(20)의 출력신호는 제 1로패스필터(60a)를 통해 직류성분의 주파수에 근접한 신호로 필터링되어 신호감쇄기(70)로 출력된다. 신호감쇄기(70)는 이 신호를 소정 결상비율로 감쇄시켜 연산증폭기(80)의 마이너스입력단에 기준(REF)신호로 입력한다.

CT신호변환기(20)의 출력신호는 또한 제 1로패스필터(60a)와 병렬로 연결된 제 2로패스필터(60b)에도 입력되어 CT신호변환기(20)의 출력중 고주파를 필터링하여 원신호에 근접한 신호를 출력하게 된다. 이 출력신호는 전술한 연산증폭기(80)의 플러스입력단으로 입력된다.

연산증폭기(80)는 이처럼 그 마이너스입력단에는 직류성분의 파형이 기준신호로 입력되고, 플러스입력단에는 원신호에 근접하는 신호가 입력되어 단전원으로 구동된다면 그 출력은 도 4와 같게 된다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이 연산증폭기(80)의 플러스입력단에 입력되는 신호가 마이너스입력단에 입력되는 기준신호이상이 되면 플러스출력이 나와 정상을 나타내게 되는 반면에, 결상이 되어 플러스입력단에 기준신호이하의 신호가 입력되면 연산증폭기(80)의 출력은 그라운드가 된다.

위와 같은 연산증폭기(80)의 출력은 +5V와 디지탈그라운드로 연결된 한쌍의 다이오드(100a,100b)에 의해 마이크로프로세서(90)가 사용하는 전원으로 레벨다운되어 디지탈데이터버퍼(110)로 들어간 후, 이 버퍼(110)에서 인터럽트라인을 통해 직접 마이크로프로세서(90)의 인터럽트핀으로 입력시켜 마이크로프로세서(90)가 결상시 즉각적인 결상트립동작을 수행하게 한다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 디지탈계전기의 결상검출장치로 결상판정을 행하여 그 출력을 인터럽트라인으로 마이크로프로세서의 인터럽트핀에 직접 입력시켜 주므로 결상시 마이크로프로세서가 즉각적인 결상트립을 행해 보호조치를 할 수 있다. 그러므로, 마이크로프로세서의 부담을 줄여 계전기시스템의 신뢰성을 확보하고 보다 신속한 전동기보호동작을 수행할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 유도전동기 CT를 거쳐 나온 출력을 CT신호변환기를 통해 변환하여 유도전동기의 결상을 판정하는 계전기에 있어서,

   상기 CT신호변환기의 출력을 직류성분의 주파수에 근접한 신호로 필터링하는 제 1로패스필터;

   상기 제 1로패스필터의 출력신호를 소정의 결상율로 감쇄시켜 출력하는 신호감쇄기;

   상기 CT신호변환기의 출력을 고주파필터링하여 원신호에 근접한 신호를 출력하는 제 2로패스필터;

   상기 제 1로패스필터의 출력은 마이너스단자에 기준신호로 입력되고, 상기 제 2로패스필터의 출력은 플러스단자로 입력되어, 결상과 정상의 비교판정을 행하는 연산증폭기;

   상기 연산증폭기의 출력을 로직레벨에서 사용할 수 있는 신호로 변환하는 한쌍의 다이오드; 및

   상기 다이오드에서 출력된 신호를 직접 인터럽트핀으로 입력받아 결상시 즉각적인 결상트립동작을 수행하는 마이크로프로세서를 포함하는 디지탈계전기의 결상검출장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1,제 2로패스필터는 제 1저항과 제 2저항을 직렬로 연결하여 연산증폭기의 플러스단과 연결하고, 상기 제 1저항과 상기 제 2저항사이에서 출력을 뽑아 제 1콘덴서를 연결하여 상기 연산증폭기의 마이너스단과 연결하는 동시에, 상기 제 2저항의 후단에 제 2콘덴서를 연결하여 접지하여 구성됨을 특징으로 하는 디지탈계전기의 결상검출장치.

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