KR101306397B1 - 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 IT 네트워크 내의 절연저항을 측정하는 방법을 개시한다. IT 네트워크는 DC전압 중간회로 및 적어도 하나의 제1 및 제2전원스위치를 구비한는 적어도 하나의 자기전류 인버터를 가진다. 분압기와 2개의 할당된 전위측정장치를 포함하는 접지전위에 대한 중간회로 전압을 측정하는 측정장치는 IT 네트워크의 일부와 마찬가지다. 본 발명의 측정방법은 오프라인 및 온라인 측정을 포함하며, 오프라인 측정 중에는 모든 제1 또는 제2전원스위치가 폐쇄되고, 전위(Up, Um) 및 중간회로 전압이 각각 측정되며, 이로부터 절연저항(Rf)이 결정된다. 온라인 측정 중에는 2개의 전위(Up, Um)가 측정되고, 측정된 전위의 시간 프로파일이 적절히 평가된다.

네트워크, 절연저항, 중간회로, 전위, 측정장치, 프로파일

Description

정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법{Method for measuring the insulation resistance in an IT network}

본 발명은 마감처리되고 절연된 전력공급망, 즉 정보기술(IT) 네트워크 내의 절연저항을 결정하기 위한 측정방법에 관한 것이다. 이러한 형태의 IT 네트워크는, 예를 들면, 자동차의 응용장치에서 발견할 수 있다.

일반적으로 IT 네트워크는 전력공급원이 통상의 것과 같이 지하에 매장되지 않는 전기공학과 관련된 네트워크 형태라고 알려져 있다. 따라서 최초로 결함이 발생하는 경우 예를 들어 절연결함이 발생하면, 폐쇄회로가 형성될 수 없을 뿐 아니라 신체를 통하여 흐르는 위험한 흐름도 발생할 수 없다. 마찬가지로 최초 결함이 발생되는 경우, 상기 결함에 대응하여 고도의 보호기능을 실행하는 IT 네트워크의 작동이 중지될 필요는 없다. 그러나 이 시점에서는 절연 감시장치에 의해 어스(earth)에 대한 절연이 측정되지 않는 한 상기 최초의 결함은 확인될 수 없다는 점에서 문제가 된다. 종래 기술에 의한 IT 네트워크는 본 발명의 출발점이며, 적어 도 하나의 전원, 바람직하게는 발전기, 적어도 하나의 정류기, 적어도 하나의 축전기를 가지는 중간회로, 적어도 하나의 컨버터, 및 중간회로 전압 측정장치를 포함한다.

IT 네트워크에 관한 상기한 특성 때문에, 작동이 시작되는 시점과 작동 중에 절연상태에 대해 감시하는 것이 바람직하다. 이러한 면에서 유럽 특허번호 EP 0 751 396 B1은 IT 네트워크 내에 존재하는 것만큼이나 그 이상의 회로에 대한 상당한 양의 추가경비를 필요로 하는 절연저항 측정방법을 개시하고 있다.

기본적으로 알려진 IT 네트워크 내의 결함의 사례는 절연 저항이 다양하게 변한다는 것이며, 이러한 모든 변화는 적절하게 감시함으로써 신뢰할 수 있을 정도로 확인되어야 한다. 상기 결함사례는, 예를 들어 절연 상태의 노화를 포함하며, 상기 절연상태의 노화는 모든 위상에 대하여 종종 대칭적이기도 한 절연저항 내의 일시적으로 느린 변화를 수반한다. 이와 유사한 알려진 결함사례는 예를 들어 절연에 가해지는 손상으로부터 발생하며, 통상 단 하나의 위상의 절연저항 내의 순간적이고 더 신속한 변화를 야기한다.

본 발명의 목적은, 비대칭적인 변화는 물론 대칭적인 변화를 신뢰할 수 있을 정도로 확인할 수 있으며, 회로에 대한 추가적인 필요경비가 가능한 한 적게 소요되도록 하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에서 규정한 특징의 측정 수단에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예는 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법은 회로에 대한 추가적인 필요경비가 적게 소요되고, 전위의 대칭적인 변화뿐 아니라 비대칭적인 변화를 평가하여 절연결함을 감지하는 신뢰성이 크게 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 개념은 정보기술(IT) 네트워크, 바람직하게는 발전기 또는 다른 전원, 상기 전원에 의해 전력이 공급되는 직류전압 중간회로(DC voltage intermediate circuit), 및 적어도 하나의 자기전류 인버터(self-commmutated inverter)를 포함하는 정보기술 네트워크에 기반을 두고 있다. 상기 인버터는 적어도 하나의 제1 및 제2전원스위치와 중심탭(centre tap)을 포함한다.

나아가 IT 네트워크는 중간회로 전압을 측정하기 위한 측정장치를 구비한다. 상기 측정장치는 대칭으로 구성되는 분압기 및 접지전위에 대한 2개의 중간회로 전위의 측정을 위한 2개의 할당된 측정장치를 포함한다.

본 발명에 따른 절연저항을 측정하기 위한 방법은 “오프라인(off-line)”및 “온라인(on-line)”측정을 포함한다. 예를 들어, 작동이 시작되는 시점에서 실행되는 오프라인 측정이 이루어지는 동안에는 인버터의 제1 또는 제2 전원스위치 모두가 폐쇄된다. 중간회로의 2개의 전위는 이러한 스위칭 상태에서 측정된다. 측정된 전위의 비대칭과 측정장치에 대한 정보를 통하여 측정 절연저항이 특별한 경우, 절연결함은 신뢰할 수 있을 정도로 확인된다. 이러한 결함은 다양한 전원스위치를 선택적으로 개방함으로써 국지화될 수 있다. 이와 같이 오프라인 측정을 통하여 측정장치 자체의 기능을 시험할 수 있다. 만일 상기 전원스위치가 모두 개방된다면, 상기 중간회로의 2개의 전위는 크기에서 동일할 것이다. 하나의 전원스위치가 폐쇄되면, 측정값은 알려진 시간 프로파일로 볼 수 있다. 기생 부하 전기용량(parasitic load capacitance)의 존재로부터 야기되는 전위측정의 과도현상은 절연측정장치의 기능 점검용으로 유리하게 사용되며, 이렇게 함으로써 절연 결함의 모의실험을 위해 추가적인 하드웨어 경비가 필요 없게 된다.

IT 네트워크의 작동 중에 상기 온라인 측정이 실시되는 동안에는 2개의 전위를 다시 한 번 측정하고, 이러한 측정의 시간 프로파일을 평가한다. 제1구성에서 측정된 2개의 전위는 합산되고, 합계는 순차적으로 푸리에 변환(Fourier transform)되며, 주파수 스펙트럼 내의 변화는 시간 프로파일에 의해 평가된다.

온라인 측정의 제2구성에서 측정된 2개의 전위는 합산되고, 합계의 크기는 적절하게 평균화되고, 이러한 평균화된 값은 시간 프로파일에 의해 평가된다.

이하, 상기 본 발명은 실시예 및 도 1 내지 도 6을 통하여 구체적으로 설명된다.

도 1은 예를 들어 차량에 적용될 수 있는 종래 기술에 따른 IT 네트워크를 나타낸 것이다. 이러한 IT 네트워크는 직류전압 중간회로(30)에 직류 전압을 공급하는 구동 정류기(20)가 하류에 연결되어 전력을 생산하는 발전기(10)를 포함한다. 또한, 상기 중간회로(30)는 에너지를 축적하는 적어도 하나의 커패시터(32)를 포함한다. 배터리(60)를 가지는 직류-직류(DC-DC) 전압 변환기(40)가 중간 회로(30)에 연결된다. 각각의 모터(70a, 70b)를 가지는 2개의 인버터(50a, 50b)가 같은 방식으로 중간 회로(30)에 연결된다. 측정장치(80)는 중간회로 전압을 측정할 목적으로 연결된다.

도 2는 절연결함의 제1예(90a)를 가지는 IT 네트워크 내의 인버터(50)와 모터(70)를 나타낸 것이다. DC전압 중간회로(30)는 자기전류 인버터(50)에 전원을 공급하며, 자기전류 인버터(50)는 3개의 제1전원 스위치(52a, 52b, 52c)를 구비한다. 각각의 전원스위치는 적어도 하나의 프리휠링 다이오드(56; freewheeling diode)를 가지는 적어도 하나의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor)의 역평행한(anti-parallel) 배열을 포함한다. 마찬가지로 인 버터는 IGBT와 프리휠링 다이오드(56)를 구비하는 3개의 제2전원스위치(54a, 54b, 54c)을 포함한다. 3개의 제1전원스위치(52a, 52b, 52c) 및 제2전원스위치(54a, 54b, 54c)는 3상 인버터(50)의 브리지 회로를 형성한다. 모터(70)는 상기 3상의 출력 측에 배치된다. 모터(70)의 임피던스는 둔감한 저항(non-reactive resistance)과 위상당 인덕턴스의 직렬접속의 형태로 나타난다.

여기에서 저항(90a)은 절연결함의 제1예를 기호화한 것이다. 저항(90a)의 값(Rf)은 본 발명의 절연저항 측정방법에 의해 결정된다.

도 3은 IT 네트워크의 부품인 정류기(20)를 가지는 발전기(10)를 사용하는 절연결함의 추가적인 가능성이 있는 변형예를 나타낸 것이다. 상기 도면은 발전기(10)의 내부 저항과 인덕턴스, 및 IT 네트워크가 작동하는 동안, 접지전위에 대한 임피던스에 기여하는 수십 나노패러드(nanofarad) 차수의 크기를 가지는 기생 커패시터(92a, 92b, 92c)를 나타낸다.

고려대상인 IT 네트워크 내에 이미 포함되어 있고 그 전압조정을 위한 종래기술에 의한 측정장치(80, 도 1 참조)도 마찬가지로 도시된다. 상기 측정장치는 제1 및 제2분압기(82, 84)를 포함한다. 이러한 분압기는 대칭적으로 구성되고, 할당된 중간회로 전위와 접지전위에 연결된다. 결과적으로 중간회로(30)의 제1전위(Uzkp)는 제1분압기(82)를 통과하면 강하되고, 제2전위(Uzkm)는 제2분압기(84)를 통과하면서 강하된다. 상기 분압기는 메그옴(megohm) 차수의 크기(R1)를 가지는 각각의 제1저항기(820, 840)와 킬로옴(kilohm) 차수의 크기(R2)를 가지는 각각의 제2저항기(822, 842)를 포함한다. 접지전위에 대한 할당된 제1 및 제2전위(Up, Um)를 측정하는 측정탭은 각각의 경우에서 상기 두 개의 저항기 사이에 배열된다.

나아가 상기 도면은 다른 절연결함(Rf)을 나타내며 개별적으로 또는 집단적으로 발생할 수 있는 다수의 저항(90b, 90c, 90d, 90e)을 나타낸다. 예를 들면, IT 네트워크의 절연이 순간적으로 천천히 변화되는 경우는 상기 저항(90c, 90d, 90e)의 모든 저항값의 일정한 감소로 설명될 수 있다.

이와 대조적으로 저항(90b)의 저항값(Rf)의 감소는 중간회로(30)의 제1전위의 절연 불량에 해당한다.

오프라인 측정과 위에서 설명한 측정장치(80)의 부품인 마이크로컨트롤러에 의한 절연저항의 결정을 위하여 고려 대상인 IT 네트워크의 인버터(도 1 및 도 2 참조)의 모든 제1전원스위치(52a, 52b, 52c) 또는 모든 제2스위치(52a, 52b, 52c)가 폐쇄된다. 이러한 회로 형태(circuitry configuration)에 의해, 고려하고 있는 IT 네트워크의 모든 선로는 절연저항에 대하여 측정할 때 점검되며, 전체 IT 네트워크의 절연저항이 결정된다. 이러한 측정은, 본 발명의 시발점인 고려 중인 IT 네트워크에 어떻게든 포함되는 종래기술에 의한 측정장치(80)의 회로부를 배타적으로 필요로 한다.

측정장치(80)의 2개의 부품이 접지전위와 연결되는 중간지점에 대하여 대칭적으로 형성되는 것이 특히 바람직하며, 이렇게 함으로써 예를 들어 도 2에서 도시하고 있는 절연결함(90a)은 다음과 같이 측정된다.

중간회로 전압(Uzk)은 아래와 같이 절연결함의 저항값(Rf)과 독립적으로 표현될 수 있다.

Uzk = (((R1 + R2)·Up)/R2) + (((R1 + R2)·Um)/R2

여기서, Uzk는 중간회로 전압,

R1은 제1저항기(820, 840)의 저항값,

R2는 제2저항기(822, 842)의 저항값,

Up는 측정장치(860)에 의해 측정된 전위,

Um은 측정장치(862)에 의해 측정된 전위이다.

절연결함(90a)의 저항값(Rf)이 작으면 작을수록 Up와 Uzk의 비도 역시 작아진다. 따라서 접지결함이며 Rf=0의 최소값인 경우, Up도 역시 0이 된다. 상기 수학식과 Um을 제거하여 변형하면,

Up = Uzk·(R2/(R1 + R2))·(Rf/(R1 + R2·Rf)

이때, R1>>R2이며, 상기 수학식은 다음과 같이 단순화될 수 있다.

Up = Uzk·(R2/R1)·(1/((R1/Rf) + 2))

만일 R2/R1가 후방에 연결된 아날로그/디지털(A/D) 변환기의 측정범위 전체가 이용될 수 있도록 적절히 선택되면, 10㏀ 차수의 크기를 가지는 Rf에 대하여 검출될 최소값은 예를 들면 1%의 측정 정확도와 1㏁의 측정 임피던스로 주어지는 결과가 된다. 이러한 해결책은 절연 감시에 의해 이루어지는 표준일치 요건(standard-conforming requirements)을 만족한다.

상기 절연결함을 국지화하기 위해서는, 각각의 제1 또는 제2전원스위치가 스위치 온 되는 것이 가능하며, 결국 반복되는 측정 및 절연 결함이 존재하는 영역이 결정된다.

오프라인 측정과 대조적으로 온라인 측정은 고려대상인 IT 네트워크가 정상적으로 작동할 때 이루어진다. 저항값(Rf)의 분석적인 계산은, 예를 들어 고려 중인 IT 네트워크 내의 임피던스(92a, 92b, 92c)의 변화와 복잡성 때문에, 종래기술에 따른 측정장치의 일부가 되는 마이크로컨트롤러에 의해 실행될 수 없다. 온라인 측정을 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 측정방법은 도 3 및 도 4를 통하여 설명된다.

절연결함 없이 작동되는 IT 네트워크의 이상적인 경우에 작동되는 모든 순간에서 전위(Up와 Um)는 접지전위에 의해 대칭이 되며, 그 크기는 동일하다. 따라서 그 합계(ΣU)는 거의 0이 된다(도 4 참조). 이 경우, 할당된 측정장치(860 또는 862)의 측정된 값(Up 또는 Um)의 변화 때문에 절연 결함은 합계(ΣU)를 0에서 멀어지도록 이동시킬 것이며, 절연결함(90b, 도 3 참조)은 그와 같이 확인될 것이다.

합계(ΣU)의 푸리에 변환은 모든 임피던스를 고려하면서 절연결함 없이 이루어니는 마이크로컨트롤러 내에서 계산되고 새로운 계산과의 비교를 위해 저장될 수 있는 주파수 스펙트럼을 산출한다. 이미 수행된 측정값을 저장하기 위한 비용은 상기 저장될 값을 인버터 출력 전압의 각각의 설정 기초성분으로 표준화함으로써 유리하게 감소된다. 3개의 상에 걸쳐 비대칭으로 발생하는 절연 결함은 저장된 값의 비교와 적절한 평가에 의해 확인될 수 있는 주파수 스펙트럼 내의 변화를 일으킨다. 주파수 스펙트럼 내의 이러한 변화는 발생하는 주파수와 그 진폭 모두에 관련될 수 있다.

3개의 상의 절연저항 내의 완전한 대칭적인 변화, 즉 저항(90c, 90d, 90e, 도 3 참조)의 저항값 내의 대칭적인 변화는 여기에서 설명하는 온라인 측정에 대한 제1실시예에서는 가능하지 않다.

온라인 측정에 대한 본 발명의 제2실시예에 따른 절연저항 측정방법을 도 3, 도 5, 및 도 6을 참조하여 설명한다. 여기에서 전위 측정의 측정값은 더해지고, 합계(ΣU)의 크기와 상기 크기의 시간에 대한 평균은 적절한 방식으로 형성되며, 마이크로컨트롤러 내에 저장된다. 도 5는 평균화 이전의 프로파일과 도 3의 3개의 저항(90c, 90d, 90e) 중 임의의 하나가 예를 들어 80kΩ의 값을 가지는 경우에 대한 평균값을 나타낸 것이다. 도 6은 3개의 저항(90c, 90d, 90e) 중 2개의 임의의 저항이 각각의 경우에 160kΩ의 값을 가지며, 도 5에서와 같은 절연저항은 총 80kΩ을 가지는 프로파일을 나타낸 것이다.

상기 마이크로컨트롤러 내에 저장된 것과 현재 값의 비교 및 이러한 비교의 적절한 평가는 다시 IT 네트워크의 절연결함을 검출하도록 한다.

도 1은 종래기술에 따른 IT 네트워크를 나타낸 것이다.

도 2는 절연 결함의 제1예를 가지는 IT 네트워크 내에서의 인버터와 모터를 나타낸 것이다.

도 3은 절연 결함의 다른 실시예를 가지는 IT 네트워크 내에서의 정류기와 측정장치를 나타낸 것이다.

도 4는 절연 결함이 없을 때의 온라인 측정시의 전위 프로파일을 도시한다.

도 5는 절연 결함을 가지는 온라인 측정에서의 측정된 값의 합계의 크기에 대한 시간 프로파일을 나타낸 것이다.

도 6은 다른 절연 결함을 가지는 온라인 측정에서의 측정된 값의 합계의 크기에 대한 시간 프로파일을 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30: 직류전압 중간회로 50: 인버터

52a, 52b, 52c: 제1전원스위치 54a, 54b, 54c: 제1전원스위치

56: 프리휠링 다이오드 82, 84: 분압기

860, 862: 전위측정장치 Uzk: 중간회로 전압

Up: 제1전위 Um: 제2전위

Claims (6)

1. 직류전압 중간회로(30); 적어도 하나의 제1전원스위치(52a, 52b, 52c)와 제2전원스위치(54a, 54b, 54c)를 구비하는 적어도 하나의 자기전류 인버터(50a, 50b); 및 분압기(82, 84)와 2개의 할당된 전위측정장치(860, 862)를 구비하여 접지전위(100)에 대한 중간회로 전압을 측정하는 측정장치(80)를 포함하고, 오프라인 측정과 온라인 측정을 포함하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법에 있어서,

   상기 오프라인 측정 중에는 상기 제1전원스위치(52a, 52b, 52c) 또는 제2전원스위치(54a, 54b, 54c) 모두가 폐쇄되고, 중간회로의 전위(Up, Um)와 전압(Uzk)이 측정되어 절연저항(Rf)이 결정되고,

   상기 온라인 측정 중에는 상기 전위(Up, Um)이 측정되어, 상기 측정의 시간 프로파일이 평가되며,

   상기 온라인 측정 동안에 측정된 2개의 상기 전위는 합산되어 합계가 푸리에 변환되며, 주파수 스펙트럼에서의 변화는 시간 프로파일로 평가되는 것을 특징으로 하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 온라인 측정 동안에 측정된 2개의 상기 전위는 합산되어 합계의 크기가 평균화되고, 상기 평균화된 값은 시간 프로파일로 평가되는 것을 특징으로 하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 오프라인 측정 중에 기생 부하 전기용량(parasitic load capacitance)의 존재로부터 야기되는 전위측정의 과도현상은 절연측정장치의 기능적 점검을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전원스위치(52a, 52b, 52c, 54a, 54b, 54c)는 역평행(anti-parallel)으로 연결되는 프리휠링 다이오드(56)를 가지는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 정보기술 네트워크 내의 절연저항 측정 방법.
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