KR100849464B1 - 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원의 각 상(R, S, T, N)의 전류를 검출하여, 상기 각 상에 흐르는 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 크기를 측정하여 과전류의 흐름이 감지되는 경우, 회로를 트립시켜 기기를 보호하되, 과전류 통전 여부를 판단함에 있어서 각 차수별 고조파의 주파수에 따라 각 차수별 고조파 전류에 가중치를 부여하여 연산하고, 연산한 결과값과 미리 설정된 설정값을 비교하여 연산한 결과값이 설정값보다 클 경우 경보신호를 발생시키고 차단기를 트립시켜 주회로에서 기기가 분리되도록 함으로써 발생되는 고조파의 특성에 따라 정확하고 효율적인 시스템 보호를 수행할 수 있는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 차단기를 통과하는 R, S, T, N 상에 각각 연결되어 상기 R, S, T, N상의 각 전류를 검출하는 전류검출부와, 상기 전류검출부와 연결되어 상기 전류검출부로부터 검출되는 R, S, T, N상의 각 전류를 인가받아 상기 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류를 검출하는 고조파분석부와, 상기 고조파분석부와 연결되어 상기 고조파분석부로부터 검출된 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부와 연결되어 상기 A/D 변환부로부터 전달되는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 연산한 후 연산한 결과값이 미리 설정된 설정값보다 초과될 경우 차단기를 트립시키는 트립신호 또는 경보신호가 발생되도록 해당 제어신호를 출력시키는 마이크로프로세서와, 상기 마이크로프로세서와 연결되어 설정값을 입력받아 상기 마이크로프로세서에 전달하고, 상기 마이크로프로세서로부터의 제어 신호를 출력하는 입출력부와, 상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 상기 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 차단기를 트립시키는 트립신호를 출력하는 트립출력부를 제공한다.

고조파, 과전류, 주파수, 차단기, 회로, 보호, 계전기

Description

고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기{A protection relay for preventing over-current caused by harmonic wave}

본 발명은 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원의 각 상(R, S, T, N)의 전류를 검출하여, 상기 각 상에 흐르는 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 크기를 측정하여 과전류의 흐름이 감지되는 경우, 회로를 트립시켜 기기를 보호하되, 과전류 통전 여부를 판단함에 있어서 각 차수별 고조파의 주파수에 따라 각 차수별 고조파 전류에 가중치를 부여하여 연산하고, 연산한 결과값과 미리 설정된 설정값을 비교하여 연산한 결과값이 설정값보다 클 경우 경보신호를 발생시키고 차단기를 트립시켜 주회로에서 기기가 분리되도록 함으로써 발생되는 고조파의 특성에 따라 정확하고 효율적인 시스템 보호를 수행할 수 있는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 관한 것이다.

최근 전력전자기술의 발전에 따라 전력전자를 이용한 기술이 다양화되고, 그 응용 범위가 확대되어 산업 현장 및 가정에서도 전기기기의 사용이 급증하고 있다.

한편, 일반적으로 사용되고 있는 OA기기나 인버터 제어기기 등에는 대량의 고조파 전류가 발생하여 상기 고조파가 전력 계통상의 전력기기에 인가되는 전압 및 전류 파형을 왜곡시켜 전력기기의 소손 및 오작동을 발생시키고 있다.

이러한 고조파에 있어서, 특히 영상고조파는 각 R, S, T상의 영상고조파 전류의 위상이 동일하기 때문에 N상에는 각 R, S, T상에 흐르는 전류를 합한 값의 전류가 흐르게 된다.

따라서, 상기 영상고조파가 많이 발생할 경우, N상의 전류가 R, S, T상의 전류보다 커지는 현상이 발생하여 N상의 케이블이 과열 및 소손되거나 이로 인해 화재가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 영상고조파 외에도 5, 7, 11, 13차 등의 다양한 고조파가 발생할 수 있으며, 상기 고조파의 주파수의 증가에 따라 기기의 철손 또는 동손이 증가됨으로써 해당 기기가 과열될 수 있는 문제점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 기술로는 대한민국 공개특허 제 1991-0017476호의 4극 회로차단기를 들 수 있으며, 상기 4극 회로차단기는 기존의 R, S, T상 뿐만 아니라 N상에도 과전류보호기능을 부가하기 위하여 N상의 과전류 트립 전류치를 R, S, T상보다 작게 저감하는 회로를 구비하여 기기의 소손을 방지한다.

그러나, 상기 4극 회로차단기가 출원된 90년대 초에는 N상의 규격 용량이 R, S, T상의 용량의 1/2이었으나, 현재의 N상 용량은 R, S, T상의 용량과 동일하여 대량의 고조파가 발생할 시 N상 전류가 R, S, T상보다 커지는 경우가 발생하기 때문에 상술한 4극 회로차단기로는 N상의 고조파 과전류로부터 기기의 소손을 방지하기 가 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 보완한 또 다른 종래 기술로는 대한민국 등록특허 제 0196016호의 회로차단기를 들 수 있는데, 상기 회로차단기는 R, S, T, N상의 각 전류를 측정하여 각 상의 차수별 고조파 성분을 검출하고, 상기 고조파의 검출값이 설정값보다 클 경우 경보신호를 발생시키고 전류를 트립시켜 회로를 차단함으로써 N상의 고조파 과전류로부터 기기를 보호한다.

그러나, 전력 회로를 구성하는 각 기기의 과열을 유발하는 철손 또는 동손 등과 같은 전력기기의 소손에 있어서, 그 소손량은 각 기기에 흐르는 고조파의 전류값은 물론 각 고조파의 주파수에도 밀접한 관련이 있다.

실제로, 변압기의 과열을 유발하는 직접적인 원인이 되는 철손의 경우, 이를 크게 히스테리시스손과 와류손으로 구분해 볼 수 있고, 히스테리시스손의 경우에는 그 손실량이 해당 고조파 주파수에 비례하고, 와류손의 경우는 해당 고조파 주파수의 제곱에 비례하게 된다.

따라서, 동일한 전류량의 고조파라 할지라도 각 고조파의 주파수에 따라 기기의 손상을 유발할 수 있는 정도에 큰 차이가 있을 수 있으며, 따라서 상술한 바와 같은 제 0196016호의 회로차단기에서와 같이 각 차수별 고조파의 전류값만을 기준으로 회로차단을 차단하는 방법으로는 각 차수별 고조파 주파수에 의한 기기의 정확한 소손치를 측정하는 데에 무리가 있으며, 이에 따라 고조파 과전류로부터 변압기 및 케이블 등의 기기를 효율적으로 보호하는 것이 힘들다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 각 R, S, T, N상에 흐르는 고조파를 검출하여, 상기 각 상에 흐르는 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 상기 각 상에 흐르는 전류값을 연산하고, 연산한 결과값을 설정값과 비교하여 연산한 결과값이 설정값을 초과할 경우 경보신호를 발생시킴과 동시에 차단기를 트립시켜 기기를 주회로에서 분리시킴으로써 발생되는 고조파의 특성에 따라 정확하고 효율적인 시스템 보호를 수행하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 차단기를 통과하는 R, S, T, N 상에 각각 연결되어 상기 R, S, T, N상의 각 전류를 검출하는 전류검출부와, 상기 전류검출부와 연결되어 상기 전류검출부로부터 검출되는 R, S, T, N상의 각 전류를 인가받아 상기 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류를 검출하는 고조파분석부와, 상기 고조파분석부와 연결되어 상기 고조파분석부로부터 검출된 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부와 연결되어 상기 A/D 변환부로부터 전달되는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 연산한 후 연산한 결과값이 미리 설정된 설정값보다 초과될 경우 차단기를 트립시키는 트립신호 또는 경보신호가 발생되도록 해당 제어신호를 출력시키는 마이크로프로세서와, 상기 마이크로프로세서와 연결되어 설정값을 입력받아 상기 마이크로프로세서에 전달하고, 상기 마이크로프로세서로부터의 제어 신호를 출력하는 입출력부와, 상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 상기 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 차단기를 트립시키는 트립신호를 출력하는 트립출력부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기는 R, S, T, N상의 전류를 검출하여 각 상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 전류의 크기를 연산함으로써 전력계통에서 발생되는 고조파의 특성에 따라 정확하고 효율적인 시스템 보호를 수행할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기의 회로 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기는 차단기(10)를 통과하여 기기(30)와 연결되는 R, S, T, N상에 각각 연결되어 상기 R, S, T, N상의 각 전류를 검출하는 전류검출부(20)와, 상기 전류검출부(20)와 연결되어 상기 전류검출부(20)로부터 검출되는 R, S, T, N상의 각 전류를 인가받아 상기 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류를 검출하는 고조파분석부(40)와, 상기 고조파분석부(40)로부터 검출된 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부(50)와, 상기 A/D 변환부(50)로부터 전달받은 각 상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 연산한 후 연산한 결과값이 설정값보다 초과될 경우 경보신호를 발생시키거나, 또는 트립신호를 발생시키는 제어신호를 출력하는 마이크로프로세서(60)와, 상기 마이크로프로세서(60)에 설정값을 입력하고, 상기 마이크로프로세서(60)에서 발생된 제어 신호를 출력하는 입출력부(70)와, 상기 입출력부(70)에 연결되어 상기 입출력부(70)에서 출력되는 상기 마이크로프로세서(60)의 제어신호에 따라 차단기(10)의 트립신호를 출력하는 트립출력부(80)와, 상기 입출력부(70)에 연결되어 상기 입출력부(70)에서 출력되는 마이크로프로세서(60)의 제어신호에 따라 경보신호를 발생시키는 경보출력부(90)로 구성된다.

도 1에 나타난 회로의 구성을 보다 상세하게 살펴보면, 차단기(10)에는 전원의 R, S, T, N상과 연결된 각 접점을 개폐시키는 트립기구부(11)가 구비되어 있으며, 상기 차단기(10)의 접점이 연결되어 온(ON)상태가 되면 R, S, T, N상의 전류가 차단기(10)의 각 접점을 통하여 기기(30)로 흐르게 된다.

전류검출부(20)는 상기 차단기(10)와 기기(30) 사이의 R, S, T, N상에 각각 개재되어 상기 R, S, T, N상에 흐르는 각 전류를 검출하며, 고조파분석부(30)는 상 기 전류검출부(20)에서 검출된 R, S, T, N상의 각 전류의 신호를 분석하여 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류로 전개시킨다.

A/D 변환부(50)는 상기 고조파분석부(40)로부터 입력되는 기본파 전류 및 각 차수별 고주파 전류에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로프로세서(60)로 전달한다.

마이크로프로세서(60)는 상기 A/D변환부(50)로부터 전달되는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고주파 전류의 각 전류값에 기초하여 각 차수별 고조파의 주파수에 따라 그에 해당하는 가중치를 부여하여 전류량을 연산하게 된다.

이 과정을 보다 상세하게 설명하면, 변압기나 케이블 등의 전력기기의 경우 철손 및 동손 등에 의해 기기의 발열이나 소손이 주로 이루어지게 되고, 이들 철손 및 동손에 의한 손실량은 해당 기기를 흐르는 전류의 주파수 또는 주파수의 제곱에 비례하게 된다.

다시 말해서, 변압기 및 케이블 등 기기(30)의 손상을 야기시키는 철손 또는 동손의 발생에 있어서는, 동일한 전류의 고주파가 흐르더라도 그 주파수에 따라 발생되는 손실량이 다르기 때문에, 상기 기기(30)에 공급되는 기본파 전류 및 각 차수별 고조파의 전류를 측정함에 있어, 각 차수별 고조파에 해당 고조파의 주파수에 따른 가중치를 부여해주어 연산함으로써 기기(30)의 손상을 야기할 수 있는 전류를 보다 정확하게 측정할 수 있다.

가중치를 부여하는 방법은 전력 시스템의 전체적 특성이나 해당 기기(30)의 특성 등에 다라 다양하게 조합될 수 있으나, 통상적으로 해당 차수별 고조파의 주 파수에 비례하거나 또는 주파수의 제곱에 비례한 가중치를 설정하여 연산하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 과정을 거쳐, 상기 마이크로프로세서(60)는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 각 고조파의 주파수별 가중치를 부여하여 연산하고, 상기 연산처리된 결과값을 입출력부(70)를 통해 미리 입력되어 내장된 설정값과 비교하여 연산한 결과값이 설정값을 초과할 경우, 트립출력부(80)를 통한 트립신호 및/또는 경보출력부(90)를 통한 경보신호를 발생시키기 위한 제어신호를 발생시켜 입출력부(70)를 통해 출력시킨다.

입출력부(70)는 상기 마이크로프로세서(60)와 연결되어 설정값을 입력받아 마이크로프로세서(60)에 전달하는 동시에, 마이크로프로세서(60)로부터의 제어신호를 트립출력부(80)와 경보출력부(90)로 전달하는 역할을 수행한다.

트립출력부(80)는 상기 입출력부(70)와 연결되어 입출력부(70)에서 출력되는 마이크로프로세서(60)의 제어신호에 따라 차단기(10)를 트립시키는 트립신호를 발생하여 트립기구부(11)로 전송시키고, 상기 경보출력부(90)는 상기 입출력부(70)와 연결되어 입출력부(70)에서 출력되는 마이크로프로세서(60)의 제어신호에 따라 경보신호를 출력시켜 관리자가 이를 알 수 있도록 해준다.

트립기구부(11)는 상기 트립출력부(80)로부터 입력되는 트립신호에 따라 차단기(10)의 각 접점을 개방시켜 상기 각 접점과 연결되는 R, S, T, N상의 전류가 기기(30)에 흐르지 못하도록 함으로써 상기 기기(30)가 주회로로부터 분리되도록 하여 고조파의 과전류로로부터 기기(30)가 소손되지 않도록 보호해준다.

이와 같이, 본 발명에 따른 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파의 전류를 측정하여 연산하되, 각 차수별 고조파의 주파수에 따른 가중치를 부여하여 연산함으로써 기기(30)의 소손을 유발할 수 있는 전류의 흐름을 보다 정확하게 계측, 차단함으로써, 전력시스템에서 다양하게 발생하는 고조파 과전류로부터 기기(30)를 효율적으로 보호할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기의 회로 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 차단기 11 : 트립기구부

20 : 전류검출부 30 : 기기

40 : 고조파분석부 50 : A/D 변환부

60 : 마이크로프로세서 70 : 입출력부

80 : 트립출력부 90 : 경보출력부

Claims (4)

1. 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 있어서,

   차단기를 통과하는 R, S, T, N 상에 각각 연결되어 상기 R, S, T, N상의 각 전류를 검출하는 전류검출부와;

   상기 전류검출부와 연결되어 상기 전류검출부로부터 검출되는 R, S, T, N상의 각 전류를 인가받아 상기 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류를 검출하는 고조파분석부와;

   상기 고조파분석부와 연결되어 상기 고조파분석부로부터 검출된 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부와;

   상기 A/D 변환부와 연결되어 상기 A/D 변환부로부터 전달되는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 해당 기본파 및 각 차수별 고조파의 주파수에 비례하는 가중치를 부여하여 연산한 후, 연산한 결과값이 미리 설정된 설정값보다 초과될 경우 차단기를 트립시키는 트립신호 또는 경보신호가 발생되도록 해당 제어신호를 출력시키는 마이크로프로세서와;

   상기 마이크로프로세서와 연결되어 설정값을 입력받아 상기 마이크로프로세서에 전달하고, 상기 마이크로프로세서로부터의 제어 신호를 출력하는 입출력부와;

   상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 상기 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 차단기를 트립시키는 트립신호를 출력하는 트립출력부;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 경보신호를 출력시키는 경보출력부;

   를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기.
3. 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기에 있어서,

   차단기를 통과하는 R, S, T, N 상에 각각 연결되어 상기 R, S, T, N상의 각 전류를 검출하는 전류검출부와;

   상기 전류검출부와 연결되어 상기 전류검출부로부터 검출되는 R, S, T, N상의 각 전류를 인가받아 상기 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류를 검출하는 고조파분석부와;

   상기 고조파분석부와 연결되어 상기 고조파분석부로부터 검출된 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부와;

   상기 A/D 변환부와 연결되어 상기 A/D 변환부로부터 전달되는 각 R, S, T, N상의 기본파 전류 및 각 차수별 고조파 전류의 값에 해당 기본파 및 각 차수별 고조파의 주파수의 제곱에 비례하는 가중치를 부여하여 연산한 후, 연산한 결과값이 미리 설정된 설정값보다 초과될 경우 차단기를 트립시키는 트립신호 또는 경보신호가 발생되도록 해당 제어신호를 출력시키는 마이크로프로세서와;

   상기 마이크로프로세서와 연결되어 설정값을 입력받아 상기 마이크로프로세서에 전달하고, 상기 마이크로프로세서로부터의 제어 신호를 출력하는 입출력부와;

   상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 상기 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 차단기를 트립시키는 트립신호를 출력하는 트립출력부;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 입출력부와 연결되어 입출력부에서 출력되는 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 경보신호를 출력시키는 경보출력부;

   를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고조파 과전류 차단을 위한 보호계전기.

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