KR100925342B1 - 전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하기기에 유기되는 서지를 차단하는 서지보호장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 서지보호장치는 MOV소자로 구성되는 서지보호부와, A/D 변환기, 마이크로프로세서, 인터페이스회로를 포함하는 제어부로 구성되되, 부하기기로 직렬연결되는 전원라인(L, N)사이에 R_H와 R_L로 구성되는 전압분압회로와, 선로의 출력단에 CT(Current Trans)를 삽입하여 선간의 전압 및 부하기기에 흐르는 전류를 동시에 모니터링 할 수 있는 것이 특징인 전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지보호장치에 관한 것이다.

Description

전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지보호장치{Surge protector for power with power state quality monitoring function}

본 발명은 낙뢰, 서지 등의 이상 과전압으로부터 각종 전기전자 기기들을 보호하기 위한 서지보호장치에 관한 것으로, 서지보호소자인 MOV소자의 열화판단 및 지속적인 전압 및 전류의 모니터링을 통해 보다 정확한 서지보호장치의 교체시점을 판단할 수 있도록 하였다.

일반적인 전원용 서지보호장치는 대부분 MOV(Mental Oxide Varistor)라는 서지보호소자로 구성되며 지락 등의 사고에 의해 선로에 순간적으로 발생하는 일시과전압(TOV)에 의해 MOV가 소손되었을 때 이를 회로로부터 개방시키기 위한 퓨즈가 직렬조합되어 사용되는 구조이다.

또한, 함체 전면부에는 이러한 동작상태를 표시하기 위한 디스플레이 장치가 되어 있는 경우도 있으며 서지발생횟수를 계수하는 카운터 기능이 내장된 것들도 있다.

이러한 기능은 서지보호장치의 일반적인 구성으로써 서지침입시 부하기기를 보호하는 역할은 가능하지만 오늘날처럼 전원상태에 민감하게 동작하는 첨단기기들의 사용이 증가함에 따라 관리자 측면에서는 현재의 전원상태를 지속적으로 관리할 필요가 있으며 이러한 기능은 종래의 보호기로는 불가능하다.

전원상태의 모니터링하는 장치로는 Fault Record 등과 같은 전력품질 분석장치가 있으나 이는 계측장치로써 매우 고가이고 분전반마다 또는 중요 부하설비마다 설치하기에는 현실적으로 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 전원감시기능을 구비한 고품질의 서지보호장치를 개발하고자 한다.

본 발명은 서지보호소자의 열화상태를 측정 및, 부하기기로 인입되는 전압 및 전류를 실시간 모니터링을 하여 전원상태를 보다 정확하게 판단할 수 있는 서지보호장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 서지보호장치는 지속적인 전압 및 전류의 측정이 가능하며, 전압 및 전류의 측정으로 인해 전력량의 손실도 모니터링이 가능하며, 중요 부하설비마다 구성된 MOV소자의 온도측정 및 누설전류를 측정하여 열화정도의 판단을 정확하도록 하여 MOV소자교체 및 서지보호장치의 정확한 교체시점을 판단할 수 있다.

본 발명의 서지보호장치의 구성을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 서지보호장치의 시스템 구성도이다.

도 1에서와 같이 본 발명의 서지보호장치(1)는 MOV(111)로 구성되는 서지보호부(11)와 A/D 변환기(123), 마이크로프로세서(CPU), 디스플레이(124)회로를 포함하는 제어부(12)로 구성된다.

본 발명에서는 A/D 변환기(123)와 마이크로프로세서(CPU)가 같이 구성되어 있다고 도시하였다.

도 1에서 MOV(111)를 m1∼m6로 표시한 것은 중요부하설비마다 MOV(111)를 구성한 것으로 본 발명에서는 MOV(111)를 6개 구성하였다는 것을 의미하며, MOV(111)로 구성되는 서지보호부(11)는 서지보호장치(1)의 특성에 맞추어 다양하게 구성할 수 있다.

본 발명에서는 부하기기(2)로 직렬연결되는 전원라인(L, N)사이에 R_H와 R_L로 구성되는 전압분압회로(112)를 삽입하여 서지보호장치(1)가 동작상태에서 선간의 전압을 모니터링 할 수 있도록 하였다.

G는 접지라인을 나타낸 것이다.

또한, 교류상태를 절연상태에서 측정할 수 있는 CT(Current Trans)(113)를 전원라인의 출력단에 삽입하여 부하기기(2)에 흐르는 전류도 모니터링 할 수 있도록 하였다.

상술한 방법은 선로의 전압뿐만이 아니라 다수의 분압기 적용에 의해 선-대지간의 전압도 측정이 가능하다.

도 2는 본 발명의 전압-전류 모니터링을 위한 회로구성도이다.

전압과 전류의 측정방법을 설명하기 위한 회로구성도는 도 2에 나타낸 것처럼 먼저, 선간의 상전압은 R_H와 R_L의 분압비에 따라 분압되고 R_L 양단의 분압전압이 연산증폭기(OP앰프)로 구성된 차동증폭기(112a)에 인가된다.

여기서 차동증폭기(112a)는 공통모드 노이즈를 제거하기 위해 사용되었다.

증폭기출력은 저역통과필터로 구성된 신호제어기(Signal Conditioner)(112b)를 거쳐 A/D 변환기(123)에서 디지털테이터로 변환되고 이는 마이크로프로세서(CPU)를 통해 LCD 등의 디스플레이(124) 장치에 데이터를 출력하게 된다.

본 발명에 다른 서지보호장치(1)에서는 입력된 전압의 실효치(RMS) 및 최대, 최소값과 파형데이터의 출력을 포함한다.

또한, 마이크로프로세서(CPU)에 연결된 외부 메모리(126)에 측정데이터를 저장함으로써 데이터 로거 기능 및 분석기능이 가능하다.

전류측정의 경우에는 CT(113)의 출력된 전류는 차동증폭기(113a)를 거쳐 전압의 경우와 유사한 신호처리과정을 거쳐 출력된다.

따라서, 전압과 전류가 측정됨에 따라 전력량 등의 계산도 가능하게 된다.

제어부(12)에 전력을 공급하기 위한 방법으로는 도 1과 같이 다운 변압기(121)를 이용하며 이는 소형 스위칭모드 파워플라이(SMPS) 등을 적용가능하다.

상술한 방법을 통해 전압, 전류를 모니터링할 수 있는 서지보호장치(1)가 구현가능하게 된다.

또한, 본 발명의 서지보호장치(1)는 주보호소자인 MOV(111)의 열화에 의해 사고를 초래할 수 있으므로 이러한 서지보호장치(1)의 상태를 진단하는 기술은 사고예방 및 보호기 교체시점을 알려주므로 유지관리에 있어 매우 중요하다.

일반적으로는 MOV(111)의 열화판단은 선-접지간 연결된 MOV(111)의 누설전류를 측정하는 방법이 주로 사용된다.

그러나 본 발명의 서지보호장치(1)에서는 MOV(111)의 누설전류뿐만 아니라 MOV(111)의 온도를 측정하여 열화판단의 신뢰성을 보다 향상시켰다.

도 3은 본 발명의 MOV의 등가회로이다.

MOV(111)는 도 3에 도시된 바와 같이 등가회로화 할 수 있으며, 크게 저항과 커패시터의 병렬구조를 갖는다.

저항은 유입되는 전류의 크기에 따라 변동하는 특성이 있으며 커패시터는 전극의 형상에 기인하는 것으로 MOV(111)의 열화정도와 무관한 값이다.

따라서, 열화진단시에는 저항성분의 변화 즉 전체 누설전류에서 용량성 성분을 제거하고 저항성 전류만을 측정하는 것이 바람직하다.

그러나 저항성 누설전류는 3고조파 성분이 지배적이므로 3고조파 누설전류의 크기를 측정하는 것도 효과적이다.

여기서 3고조파는 기본 주파수의 3배수로서 필터링의 영역은 기본 주파수 60Hz의 3배인 180Hz가 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 서지보호장치의 열화 판단회로 구성도이다.

본 발명에서는 이를 측정하기 위해 도 4와 같이 CT₁을 MOV에 설치하여 누설전류를 측정한다.

CT₁의 출력신호는 차동증폭된 후 3고조파 성분을 추출하기 위해 밴드 패스 필터(111d)를 거치고 A/D 변환기(123)에 인가된다.

A/D 변환 후 마이크로프로세서(CPU)에서 전류의 크기를 검출하고 설정된 정상상태의 데이터와 비교해 열화여부를 판단한다.

여기서 또한 열화된 MOV(111)는 누설전류가 증가하게 되고 이는 MOV(111)의 표면온도를 상승시킨다.

일반적으로 MOV(111)계열의 소자의 누설전류는 온도에 따라 증가하는 경향이 있으므로 정상상태 판단시 온도에 대한 영향을 고려하여야 한다.

본 발명에서는 이를 위해 MOV(111)소자표면에 온도센서(111a)를 부착하여 누설전류 검출시 온도에 의한 영향을 반영하도록 하여 신뢰성을 향상시켰다.

또한 누설전류 측정에 사용된 CT₁(111b)은 서지유입시 MOV가 정상동작하여 대전류가 발생할 경우 이를 검출하여 카운터회로를 동작시키는 용도로도 사용 가능하다.

CT₁(111b)이라고 표시한 것은 다수개의 MOV(111)소자 중 m₁에 대한 누설전류 측정하는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 서지보호장치(1)에서는 CT(113)에 의한 전체누설전류 뿐만 아니라 MOV(111)소자에 대한 각각의 누설전류도 측정할 수 있다.

누설전류가 정상상태를 크게 벗어난 경우, 서지의 침입회수가 설계된 내량 이상인 경우 또는 내부온도가 정상동작범위를 초과한 경우 등 이상 징후가 있는 경우에는 마이크로프로세서를 통해 알람경고를 발생시키거나 차단기를 동작시켜 MOV(111)의 열화에 다른 추가적인 사고를 예방할 수 있다.

정상범위를 초과한 누설전류의 횟수는 카운터(125)에 의해 측정되어 A/D변환기(123)를 거쳐 디스플레이(124)에 표시되게 된다.

도 1은 본 발명의 서지보호장치의 시스템 구성도.

도 2는 본 발명의 전압-전류 모니터링을 위한 회로 구성도.

도 3은 본 발명의 MOV의 등가회로.

도 4는 본 발명의 서지보호장치의 열화 판단회로 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
1. 서지보호장치 2. 부하기기
11. 서지보호부 12. 제어부
111. MOV 112. 전압분압회로 113. CT
121. 변압기 122. 정류기 123. A/D 변환기
124. 디스플레이 125. 카운터 126. 메모리

Claims (3)

1. 부하기기에 유기되는 서지를 차단하는 서지보호장치에 있어서,

   상기 서지보호장치(1)는 중요부하설비마다 구성된 다수개의 MOV(111)소자로 구성되는 서지보호부(11)와, A/D 변환기(123), 마이크로프로세서, 디스플레이(124)회로를 포함하는 제어부(12)로 구성되되;

   부하기기(2)로 직렬연결되는 전원라인(L, N)사이에 R_H와 R_L로 구성되는 전압분압회로(112)와 전원라인의 출력단에 CT(Current Trans)(113)를 삽입하여 선간의 전압 및 부하기기(2)에 흐르는 전류를 동시에 모니터링 할 수 있는 것이 특징인 전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지보호장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전압분압회로(112)의 신호체계는 선간의 상전압은 R_H와 R_L의 분압비에 따라 분압되고 R_L 양단의 분압전압이 연산증폭기로 구성된 차동증폭기(112a)에 인가되며, 차동증폭기(112a)에 인가된 전압은 공통모드 노이즈를 제거 후 저역통과필터로 구성된 신호제어기(Signal Conditioner)(112b)를 거쳐 A/D 변환기(123)에서 디지털테이터로 변환되어 마이크로프로세서(CPU)를 통해 디스플레이(124) 장치로 데이터가 출력되는 것이 특징인 전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지 보호장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 MOV(111)소자는 MOV(111)소자 표면에 구성된 온도센서(111a) 및 선-접지간 누설전류 측정을 통해 각각의 열화여부를 판단하는 것이 특징인 전원상태 품질 모니터링 기능을 구비한 전원용 서지보호장치.

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