KR100288157B1 - 광전자식 과전류 보호 계전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광전자식 과전류 보호 계전 시스템에 관한 것으로, 종래의 CT를 이용한 과전류 검출방식의 문제점들을 해결하기 위하여, 광신호를 전류의 크기에 따라 광변조시켜 각 상의 전류를 광변조값으로 검출하기 위한 광자계센서(600)와, 그 광전자계센서(600)와 광섬유(700)로 각각 연결되어 광신호를 송신함과 아울러 광변조신호를 검출하는 발광 및 수광소자로 이루어진 광신호 송수신부(100)와, 수광소자에서 수신된 광신호를 전기적신호로 변환시키고 증폭 및 직류성분과 교류성분을 분리시킨후 직류으로 교류성분을 나누기하여 변조값을 검출처리하는 광신호 처리부(200)와, 그 광신호 처리부(200)의 각 상의 신호를 입력받아 디지탈신호로 변환시켜 계전기 전류 동작시간 특성에 맞게 시간지연을 주어 보조계전기(400)를 동작시키는 보호계전기 제어부(300)와, R/S/T상의 상태를 표시하는 표시기(500)를 포함하여 구성된 광전자계식 보호계전 시스템을 제공함으로써, 전자기의 유도나 써지의 영향을 받지않고 정밀한 보호 계전의 기능을 수행할 수 있게 된다.

Description

광전자식 과전류 보호 계전 시스템

본 발명은 광자계 센서를 이용하여 과전류를 측정하므로써, 전자기의 유도나 써지에 의한 영향을 받지 않고 정밀한 보호계전 기능을 수행하는 광전자식 과전류 보호 계전기에 관한 것이다.

일반적으로, 전력계통의 보호계전기는, 전력계통을 운용하는데 있어 전기적 고장의 제거와 고장의 영향을 경감시켜서 전력계통의 안전운전을 유지하기 위한 장치로서, 전력공급의 신뢰도 확보에 중요한 역할을 수행한다.

종래에 사용 되었던 과전류 보호 계전 시스템은, 철심형 CT를 과전류 검출용 센서로 사용하는 방식으로써, 국내에서 사용하고 있는 보호계전기의 대부분이 이러한 방식이다. 이러한 방식은 전력 계통에 사고가 발생할 경우 철심형 CT를 통해서 과전류를 검출하고 검출된 신호를 전류/전압 변환기를 통해서 전압신호로 변환한다. 이 신호는 아날로그/디지탈 변환기를 통해서 디지털 신호로 변환시켜서 연산용 CPU에 입력된 과전류 여부를 판정한다. 과전류일 경우에는 디지탈 출력회로를 통해서 보조계전기를 동작시킨다.

그런데, 전류 변성장치인 CT(Current Transformer)로 과전류를 검출하기 때문에 외부에서 유입되는 전자기의 유도나 써지에 의해 취약한 특성과 일정범위 이상의 과전류에는 측정이 불가능한 포화상태 범위를 가지고 있다.

또한, 상기 전자계식 형태의 전류 변성장치는 대전류가 흐르는 1차측 도체에 코일을 감아 자계유도 형태로 전류를 감지하고, 2차측에서는 일정비율로 축소된 전류를 사용하여 과전류 보호계전기 코일을 직접 여자시키거나 전압으로 바꾸어 정지형 또는 디지털형 신호처리에 사용되고 있다.

2차측 전류는 대개 5A가 되도록 하여 사용하지만 전력 계통에 단락고장이 발생하면 전류 크기는 수배로부터 수십배까지 증가하게 된다. 이때 기존 방식의 전류 변성기는 경년에 따른 열화등이 발생하므로써, 성능이 저하되어 각종 전기고장의 원인이 된다.

또한 자기포화에 의한 파형왜곡과 써지나 잡음등의 전기적 장치가 갖는 구조적 문제점을 가지고 있다. 더욱이 송배전전압이 초초고압화되어감에 따라 계측하기 위한 CT의 절연설비가 강화되어야 하는데, 이를 위한 절연장치의 규모가 커지고 있고, 절연을 하기 위한 비용도 증가되며, 기술적으로 높은 난이도를 가져 구현하기 힘들뿐만 아니라 취급에도 어려운 문제점이 있다.

과전류 보호 계전기의 전류 측정소자로서 전자계식 변성기를 사용할 경우 전력계통의 단락 고장과 같은 사고시에 변성기가 경년에 따른 열화등이 발생함으로써, 정밀한 측정이 요구되는 시점에 제기능을 못하는 구조적인 문제점을 가지고 있다. 그리고 송배전 전압이 초초고압화 되어감에 따라 기존의 전자계식 변성기를 절연하기 위한 절연비용이 급격히 증가하고 있는 실정이다.

그런데, 광전자 기술의 급격한 발달과 함께 기존의 전자계식 변성기를 사용함으로써 발생되었던 각종 문제들을 해결할 수 있는 광전류 소자가 개발되었으며, 이를 이용하여 광전류 센서를 개발하고 각종 실험으로 실시한 바있으며, 보호계전기의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방안으로 상기한 광전류 센서를 과전류 보호계전기의 센서로 활용하는 방안을 제시한다.

본 발명은, 기존의 보호계전기의 단점을 해결하기 위한 수단으로써, 광전자식 과전류 보호계전기를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 광전자식 과전류 보호 계전기는, 측정방법이 무유도인 광전자계센서를 사용하고, 일단 감지한 신호 전송에도 절연특성이 뛰어난 광섬유를 사용함으로써, 전자기의 유도나 써지등의 영향을 받지않고 신뢰성이 우수한 보호계전 시스템을 구현할 수 있다는 장점을 이용한 것이다.

또한, 현재 주로 사용하고 있는 보호계전기의 한시특성등을 구현함으로써 즉시 현장에서 다양하게 사용될 수 있다는 점도 고려 되었다. 특히 0∼20KV까지 넓은 영역에서 선형성을 유지하므로 적용 용량에 따라 별도의 센서를 사용했던 기존의 전자식 보호 계전기와 달리, 하나의 광자계 센서로도 광범위한 분야에 걸쳐 사용이 가능하다는 특징이 있다.

본 발명의 광전자식 과전류 보호 계전기의 구성은 현재 국내에서 생산되어 사용되고 있는 제품중에서 가장 많이 쓰이는 일반부품을 모델로 구현하였으며, 기술적으로나 경제적인 측면에서 가장 효과적인 방법을 구현하기 위하여 정지형 과전류 보호 계전기의 신호처리 방법을 응용한 것이다.

도 1은 본 발명의 광전자식 과전류 보호계전기의 블록도.

도 2는 본 발명에 이용되는 광자계 센서의 실시예를 보인 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 나누기 방식을 이용한 광신호 처리부.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 광 송수신부 200 : 광신호 처리부

210 : 전치증폭기 220 : 교류/직류 분리기

230 : 나누기부 240 : 메인증폭기

300 : 보호계전기 제어부 310 : A/D변환부

320 : RAM 330 : ROM

340 : 메인 콘트롤 유니트 400 : 보호 계전기

500 : 표시기 600 : 광자계센서

610,660 : 광콘넥터 620 : 편광자

630 : 파장판 640 : RIG

650 : 검광자 700 : 광섬유

800 : 전력계통

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 광전자식 과전류 보호계전기의 블록도이다. 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 보호계전기가 철심형 변류기를 이용함으로써 발생되는 운용상의 문제점들을 해결하기 위하여 광전자계센서를 과전류 검출용으로 사용한 것이다.

전력계통(800)의 3상 전원(RST)의 각상에 설치되어, 전송되어온 광신호를 전류의 크기에 따라 광변조시켜 수광소자측으로 보내어 각 상의 전류를 광변조값으로 검출하기 위한 3개의 광자계센서(600)와, 상기 광전자계센서(600)에 각각 전류 검출용 광신호를 송신하는 발광소자(LED) 및 상기 센서에서 되돌아오는 광신호를 수신하기 위한 수광소자(PIN-PD)로 이루어진 3개의 광송수신부(100)와, 그 3개의 광송수신부(100)와 상기 3개의 각 광전자계센서(600) 사이에서 각각 송수신되는 광신호 경로가 되는 광섬유(700)와, 상기 광송수신부(100)에서 수신된 광신호를 전기적신호로 변환시키고 증폭 및 직류성분과 교류성분을 분리시켜 검출신호를 처리하는 광신호 처리부(200)와, 그 광신호 처리부(200)의 각 상의 신호를 입력받아 디지탈신호로 변환시켜 기억장치에 저장하고, 반한시(inverse), 강반한시(veri inverse), 초반한시(extremly), 반한시성(inverse) 정한시 등의 계전기 전류 동작시간 특성에 맞게 시간지연을 주어 보조계전기(400)를 동작시키는 보호계전기 제어부(300)와, 그 보호계전기 제어부(300)의 제어에 의해 R/S/T상의 상태를 표시하는 표시기(500)를 포함하여 구성된다. 도면의 세팅부는 상기 보호계전기 제어부(300)의 계전기 동작특성에 따른 제어를 위한 초기값을 설정하기 위한 세팅부이다.

상기 보호계전기 제어부(300)는, 광신호 처리부(200)의 아날로그 출력신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D변환기(310)와, 그 A/D변환기(310)의 디지탈 신호를 저장함과 아울러 세팅부의 제어 판단을 위한 기준값 및 제어판단 프로그램들을 저장시킨 RAM(320) 및 ROM(330)과, 그 RAM(320) 및 ROM(330)의 프로그램 및 검출된 전류값들을 이용하여 보호계전기의 기능에 맞게 적절히 시간을 지연시켜서 보조계전기를 동작시킴과 아울러 그 상태를 표시기에 출력시키는 메인 콘트롤 유니트(MCU)(340)로 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명은, 광자계센서(600)는 전력선(800)에 설치되어 발광소자에서 전송되어온 광신호를 전류의 크기에 따라 광변조시켜서 수광소자로 보낸다. 광 송수신부(100)의 발광소자는 LED를 사용하여 광신호를 생성하고, 광섬유(700)를 통해서 광자계센서(600)로 송신하는 역할을 담당하며, 수광소자는 광변조된 신호를 핀-포토다이오드(PIN-PD)를 사용하여 감지한다. 광신호 처리부(200)는 수광소자에서 검출한 광신호를 전기신호로 변환하고, 그 아날로그신호는 보호계전기 제어부(300)의 A/D변환부(310)에서 디지탈 신호로 변환되어 기억장치를 통해서 메인 콘트롤 유니트(MCU)(340)에 전달되고, 그 메인콘트롤유니트(340)는 보호계전기의 기능에 맞게 적절히 시간을 지연시켜서 보조 계전기(400)를 동작시킨다.

도 2는 본 발명에 의한 광자계 센서의 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 광섬유(700)와 연결되어 발광소자의 광신호를 입사받고 전류 검출에 의해 광변조 신호를 수광소자에게 전송하는 마이크로렌즈(Selfoc Micro Lens)를 포함하는 광코넥터(610)(660)와, 일측 광코넥터(610)를 통해 입사되는 광신호를 선형 편광시키는 편광자(620)와, 그 편광자(620)에서 편광된 광신호를 선형성과 대칭성을 위해서 45。회전시켜 광학 바이어스 시키는 파장판(640)과, 그 파장판(640)에서 출력된 광신호가 전력계통의 선로에 흐르는 전류의 크기에 따라 발생하는 자계의 크기에 따라서 편광면이 회전되어 광변조신호를 발생하는 RIG(Rare-earth Iron Garnet)(640)와, 그 RIG(640)에서 변조된 광신호를 진폭변조시켜 광량의 값으로 변화시킨 후 상기 타측 광콘넥터(660)를 통해서 수광소자에게 전송하는 검광자(Analyzer)(650)로 구성된다.

이와같이 구성된 광자계센서(600)는, 편광자(620)와, 파장판(630), RIG(640)이라는 광센서소자 및 검광자(650)로 구성되고, 발광소자(LED)로부터 전송된 광신호는 편광자(620)를 통과하면서 선형 편광되며, 이 편광된 광신호는 파장판(630)에서 선형성과 대칭성을 위해서 45°회전시키는 광학 바이어스를 하고, 광센서소자인 RIG(640)를 지나는 동안 그곳에 흐르는 전류의 크기에 따라 발생하는 자계의 크기에 따라서 편광면이 회전되어 검광자(650)로 전송된다, 그 검광자(650)에서 변조된 신호를 진폭변조시켜 광량의 값으로 변화시키고 수광소자로 보낸다.

도 3은 본 발명에 의한 나누기 방식을 이용한 광신호 처리부의 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 광신호 송수신부(100)의 수광소자(PIN-PD)에서 검출된 미소 전류량을 입력단의 저항값에 따라 전압으로 변화시키고 이신호를 적정한 값으로 초기 증폭하는 전치 증폭기(210)와, 그 전치 증폭기(210)에서 출력되는 신호를 저역통과필터(LPF)등을 이용하여 교류성분(AC)과 직류성분(DC)으로 분리시키는 교류/직류 분리기(220)와, 그 교류/직류 분리기(220)에서 분리된 직류성분으로 교류성분을 분모와 분자단으로 입력시켜 나누어 최종 변조값을 얻는 교류/직류 나누기부(230)와, 그 나누기부(230)의 변조값을 완충증폭 및 Rms변환을 거쳐 보호계전기 제어부(300)로 출력하는 메인 증폭기(240)로 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명은, 광자계센서(600)를 과전류 검출용 센서로서 사용하였고, 광자계센서(600)에서 검출한 과전류에 해당하는 광신호를 처리하는 보호 계전 기능을 수행한다. 그 광자계센서(600)는,어떤 글래스에 전파하는 빛이 자계의 영향으로 선형 편광면이 회전하는 것과 그 회전각이 자계의 강도에 비례한다는 패러데이효과를 이용하여 전류를 측정한다. 광자계센서(600)의 실시예 구성은 도 2에 도시된 바와 같은데, 광원인 LED로부터 출사된 광은 광섬유(700)를 거치고, 광코넥터(610)를 거쳐 편광자(620)를 통과한다. 이때 편광자(620)는 광원에서 출사된 랜덤한 광을 선형 편광시켜서 파장판(630)으로 보내주고, 1/2파장판에서는 광의 편광면을 45°회전시키는데 이것은 광자계센서(600)의 선형성과 대칭성을 위한 것이다.

이 광은 RIG(640)이라는 광센서 소자를 통과하게 되는데, 이때 광의 편광면은 그곳을 흐르는 전류에 의해서 발생하는 자계의 강도에 따라 회전하게 된다. 이 변조된 광신호를 진폭변조시켜서 광량의 값으로 변화시키는 검광자(650)를 통해서 광컨넥터(660)에서 수광소자에 전달한다.

이러한 광자계센서(600)는 고절연 특성으로 철심형 변류기를 이용할 경우에 발생하는 포화 상태나 경년 변화에 의한 성능 저하 및 운용상의 문제점들을 해결할 수 있다. 뿐만 아니라 기존 변성기가 사용 현장의 전류 용량에 따라, 각각의 탭을 설정하여야 하는데 비해서 광자계센서(600)를 이용한 계전기는 광센서의 넓은 선형성 특성을 이용하여 계전기 패널에서 직접 탭을 설정하도록 설계할 수 있어서 계통보호 시스템의 유지 및 보수가 쉬우며, 시스템 운영이 더욱 유연한 장점을 가질 수 있고, 또한 대전류 측정에 커다란 장점이 있다.

광신호 처리부(200)는 검광자(650)를 통해 출사된 빔이 자계의 세기에 비례하여 변조된 신호가 기본 광량에 실려 나타나는 광학적 신호를 외부의 환경변화에 영향을 받지 않도록 하여 전기적 신호로 바꾸어 준다.

자계의 세기에 따라 진폭변조된 광신호를 검출하는 방법으로는, 회로구성이 상대적으로 간단하고 안정화 시키는데 시간이 적게 소요돠는 직류성분과 교류성분을 분리하여 나누어주는 방식을 채택하였다. 도 3의 전치증폭부(210)는 수광소자에서 출력되는 미소전류량을 입력단의 저항값에 따라 전압으로 변화된 신호를 적정한 값으로 초기 증폭한다. 이 신호는 교류/직류 분리부(220)의 LPF에서 직류성분과 교류성분으로 분리한다. 분리된 직류 및 교류성분은 정밀 나누기 소자인 AD534의 분모 및 분자단에 입력시켜 최종 변조값을 얻게된다. 이들 신호는 완충증폭기와 전파 정류기로 구성된 메인 증폭부(240)에서 증폭되어 보호계전기 제어부(300)에 출력되는데, 최종 정정된 출력신호를 얻기 위해서 메인 증폭부(230)는 피드백 저항을 조정할 수 있도록 구성된다. 이렇게 얻어진 전류값에 해당하는 신호를 과전류 계전기의 입력으로 사용하여 광전자식 과전류 보호 계전기를 구성한다.

상기 신호처리부(200)의 아날로그 출력신호는 보호계전기 제어부(300)에서 입력받아 디지탈신호로 변환하여 보조 계전기를 제어한다. 제어부(300)는 기존의 정지형 과전류 보호 계전기의 역할과 유사하게 구성한다. 즉, 광신호 처리부(200)에서 받은 신호를 반한시, 강반한시, 초반한시, 반한시성 정한시 등의 계전기의 전류 동작 시간 특성에 맞게 시간 지연을 주어 보조 계전기를 동작시키게 된다. 본 발명의 시스템에서는 기존에 상용화 되고 있는 정지형 과전류 보호 계전기의 입력신호와 광신호 처리부에서 처리한 신호의 차이를 보완하는 방법으로 메인콘트롤유니트(340)을 프로그램화 하여 광전자식 과전류 보호 계전기를 구성한다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 전자계식 전류 변성기에서 발생되는 포화문제가 해결되고, 실계통에 설치되는 설비는 광자계센서와 광신호 전송용 광섬유로써 두 부품 모두 절연체이기 때문에 절연 경비가 최소화 되며, 잡음이나 써지에 강하여 신뢰성이 높은 광전자식 과전류 보호 계전기의 구현이 가능한 효과가 있다.

또한, 광센서의 동작 유형이 넓어서 기존의 변성기가 사용현장의 전류 용량에 따라 각각의 탭을 설정해주는 절차가 필요한데 반하여 본 발명은 계전기 패널에서 직접 설정하도록 제작할 수 있어서, 계통보호 기기의 유지 보수가 쉬우며, 시스템 운영이 더욱 유연해 진다. 특히 고절연 특성 때문에 초고압용으로 적합하다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 전력계통(800)의 3상 전원(RST)의 각상에 설치되어, 전송되어온 광신호를 전류의 크기에 따라 광변조시켜 수광소자측으로 보내어 각 상의 전류를 광변조값으로 검출하기 위한 3개의 광자계센서(600)와,

   상기 광전자계센서(600)에 각각 전류 검출용 광신호를 송신하는 발광소자(LED) 및 상기 센서에서 되돌아오는 광신호를 수신하기 위한 수광소자(PIN-PD)로 이루어진 3개의 광신호 송수신부(100)와,

   그 3개의 광신호 송수신부(100)와 상기 3개의 각 광전자계센서(600) 사이에서 각각 송수신되는 광신호 경로가 되는 광섬유(700)와,

   상기 광신호 송수신부(100)에서 수신된 광신호를 전기적신호로 변환시키고 증폭 및 직류성분과 교류성분을 분리시킨후 직류으로 교류성분을 나누기하여 변조값을 검출처리하는 광신호 처리부(200)와,

   그 광신호 처리부(200)의 각 상의 신호를 입력받아 디지탈신호로 변환시켜 계전기 전류 동작시간 특성에 맞게 시간지연을 주어 보조계전기(400)를 동작시키는 보호계전기 제어부(300)와,

   그 보호계전기 제어부(300)의 제어에 의해 R/S/T상의 상태를 표시하는 표시기(500)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광전자식 과전류 보호계전 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광자계센서(600)는,

   상기 광섬유(700)와 연결되어 발광소자의 광신호를 입사받고 전류 검출에 의해 광변조 신호를 수광소자에게 전송하는 마이크로렌즈를 포함하는 광코넥터(610)(660)와,

   일측 광코넥터(610)를 통해 입사되는 광신호를 선형편광시키는 편광자(620)와,

   그 편광자(620)에서 편광된 광신호를 선형성과 대칭성을 위해서 45。회전시켜 광학 바이어스 시키는 파장판(640)과,

   그 파장판(640)에서 출력된 광신호가 전력계통의 선로에 흐르는 전류의 크기에 따라 발생하는 자계의 크기에 따라서 편광면이 회전되어 광변조신호를 발생하는 RIG(640)와,

   그 RIG(640)에서 변조된 광신호를 진폭변조시켜 광량의 값으로 변화시킨 후 상기 타측 광콘넥터(660)를 통해서 수광소자에게 전송하는 검광자(650)로 구성된 것을 특징으로 하는 광전자식 과전류 보호 계전 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광신호 처리부(200)는,

   상기 광신호 송수신부(100)의 수광소자(PIN-PD)에서 검출된 미소 전류량을 입력단의 저항값에 따라 전압으로 변화시키고 이신호를 적정한 값으로 초기 증폭하는 전치 증폭기(210)와,

   그 전치 증폭기(210)에서 출력되는 신호를 저역통과필터(LPF)등을 이용하여 교류성분(AC)과 직류성분(DC)으로 분리시키는 교류/직류 분리기(220)와,

   그 교류/직류 분리기(220)에서 분리된 직류성분으로 교류성분을 분모와 분자단으로 입력시켜 나누어 최종 변조값을 얻는 교류/직류 나누기부(230)와,

   그 나누기부(230)의 변조값을 완충증폭 및 전파정류를 거쳐 보호계전기 제어부(300)로 출력하는 메인 증폭기(240)로 구성된 것을 특징으로 하는 광전자식 과전류 보호 계전 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보호계전기 제어부(300)는,

   상기 광신호 처리부(200)의 아날로그 출력신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D변환기(310)와,

   그 A/D변환기(310)의 디지탈 신호를 저장함과 보호 계전기를 제어하기 위한 한시적 특성을 갖는 정지형 여자 시스템의 보호계전 제어 프로그램들을 저장시킨 RAM(320) 및 ROM(330)과,

   그 RAM(320) 및 ROM(330)의 제어 프로그램에 의거하여 상기 검출된 전류값들을 판단하여 반한시, 강반한시, 초반한시, 반한시성 정한시 등의 보호계전기의 기능에 맞게 적절히 시간을 지연시켜서 보조계전기를 동작시킴과 아울러 그 상태를 표시기에 출력시키는 메인 콘트롤 유니트(340)로 구성된 것을 특징으로 하는 광전자식 과전류 보호 계전 시스템.