KR101413561B1

KR101413561B1 - 전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가 장치

Info

Publication number: KR101413561B1
Application number: KR1020120128640A
Authority: KR
Inventors: 장석훈; 이재복; 강성만; 명성호; 센드레이 세르게이; 양광호; 조연규; 주문노
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-07-04
Also published as: KR20140062625A

Abstract

본 발명은 서지보호기의 현재상태 진단이 가능하고 나아가서는 운용중인 시스템의 신뢰성 향상에 기여할 수 있도록, MOV의 설치상태 및 부가기능을 위한 보조회로의 유무에 상관없이, 시스템에 설치된 상태에서 분리하지 않고도, 서지보호기의 열화상태를 측정하기 위한 것으로 인버터형 전원공급장치, 전압/전류 측정장치와 분석용 임베디드 시스템으로 구성된 전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가 장치 및 방법{Reliability Estimation Apparatus and Method of Surge Protective Device for Power and Signal}

본 발명은 서지보호기(SPD; Surge Protective Device) 신뢰성 평가 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, MOV(Metal Oxide Varistor)의 설치상태 및 부가기능을 위한 보조회로의 유무에 상관없이 서지보호기의 열화상태를 측정하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 낙뢰로 인한 과전압, 서지 등으로부터 설비를 보호하기 위해 서지보호기(SPD; Surge Protective Device)가 널리 적용되고 있다. 현재 대부분의 전원용 서지보호기는 보호소자로써 MOV(Metal Oxide Varistor)를 주로 사용하고 있다. 이러한 MOV 소자는 주로 선-대지간에 접속되어 정상상태시에는 임피던스가 매우 높은 상태를 유지하다가 서지침입시 순간적으로 단락상태의 저임피던스 회로로 변형되어 서지전류를 방류시키고 피보호기기 양단의 제한전압을 억제시켜 설비를 보호하는 역할을 한다.

그러나 이러한 MOV 소자는 과도한 서지의 반복적인 침입 또는 전력계통의 고장사고에 의해 발생하는 일시 과전압 등에 노출되게 되면 열화가 진행되고 소손이 발생한다. MOV의 소손 시에는 임피던스가 낮은 상태를 유지하므로 이 상태에서 정격전압이 계속 유지되는 경우에는 단락사고 또는 화재로 까지 발전할 수 있는 가능성이 있다.

따라서 이러한 사고를 예방하기 위해 현장에 설치되어 있는 서지보호기의 현재 상태를 진단하고 분석할 수 있어야 한다. 서지보호기의 열화상태를 진단하는 방법으로는 고장표시법, 서지계수법, 온도측정법, 누설전류 측정법 등이 있으며 현재 시장에 적용되고 있는 대부분의 제품은 단순히 MOV와 연결된 퓨즈(Fuse)의 상태를 LED 등의 램프로 표시하는 고장표시방법을 적용하고 있다. 고장 표시방법은 L-G(전원-접지) 간에 서지보호소자인 MOV와 함께 직렬로 퓨즈를 삽입하고 퓨즈 양단에 LED를 설치한 구조로써 정상상태에서는 퓨즈 양단에 전압이 발생하지 않으므로 LED는 OFF상태를 유지한다. 그러나 일시과전압 등에 의해 MOV가 소손 시 이와 함께 퓨즈가 용단되고 LED를 온(on) 시키게 되는 구조이다. 이러한 방법은 회로구성이 매우 간단하고 서지보호기의 고장상태를 쉽게 파악할 수 있으나 퓨즈가 용단되기 전에는 열화 진행상태를 판단할 수 없다. 따라서 보호기 소손이 발생한 후에 관리자에 의해 인지되고 사후에 교체되어야 하므로 사전에 이를 예방하기 어려운 단점이 있다.

서지 계수법은 서지 침입시 이를 검출하여 침입회수를 기록하는 것으로 서지전류를 검출하는 전류 센서(Current Sensor)와 정류기, 캐패시터 및 카운터 회로로 구성된다. 전류 센서를 관통해 서지전류가 흐를 때 센서코일 양단에 유기된 전압은 코일단면을 통과하는 자속의 시간 변화량에 비례하므로 유입되는 서지전류의 크기에 비례하여 출력전압이 발생하며 이 전압을 검출하여 카운터 회로를 구동시키게 된다. 카운터 회로로는 오피-앰프(OP-amp) 등의 아날로그 소자 또는 마이크로프로세서 등을 이용하여 구성할 수 있으며 마그네틱 계수기 등이 사용되기도 한다. 그러나 이러한 방식은 단순히 서지가 침입하여 보호기가 동작했음을 의미할 뿐 보호기의 현재상태에 대해서는 자세한 정보를 얻을 수 없다. 서지보호기의 동작회수와 수명에 대한 상관관계는 유입된 서지의 크기 및 보호기에 사용된 보호소자의 특성에 따라 차이가 있으므로 정확한 열화상태 진단을 기대하기 어렵다.

온도측정법은 서지보호소자인 MOV가 이상시 과전류에 의해 온도가 상승하는 것을 서미스터 또는 온도 검출용 IC 센서 등을 이용해 검출하여 열화를 판정하는 방법으로 정확한 측정을 위해 사용된 바리스터마다 각각 센서를 설치하여야 하는 단점이 있으며 센서 출력을 표시하기 위해 AD 변환기(Analog to Digital Converter) 또는 마이크로프로세서가 추가되어야 하며 온도를 검출하는 반응 속도도 다소 느린 편이다.

따라서 정확한 열화진단을 위해서는 MOV의 누설전류를 측정하는 방법이 사용되고 있다. 측정방법으로는 크게 보호기가 동작되고 있는 상태에서 측정하는 방법과 보호기를 시스템에서 분리하여 측정하는 방법이 있다. 현장에 전원이 인가되고 SPD가 사용중인 상태에서 측정하는 방법은 서지보호기의 분리가 없이 단순히 접지측의 누설전류만을 측정하여 저항성 누설전류를 분석하는 것으로 편의성은 높지만 설치환경 및 부하기기의 조건에 따라 오차를 유발할 수 있어 분리 후 측정하는 것이 보다 정확한 방법이다.

종래에 서지보호기의 열화를 진단하는 방법으로는 MOV를 관통하여 흐르는 누설전류를 측정하여 저항성 누설전류를 분석하는 방법이 있으며 이러한 기능을 내장한 서지보호기도 있다(한국 공개특허번호 제10-2005-0003804호 참조). 그러나 이러한 고기능의 서지보호기는 대체로 고가이며 여전히 현장에서는 단순히 위와 같이 MOV와 간단한 표시기능만을 구비한 제품이 절대적으로 많이 보급되어 있는 실정이다. 또한 각 제조사마다 MOV의 설치 위치와 수량 등이 다양한 조건으로 설치되어 있어 서지보호기가 전원에 연결된 사용환경에서 접지선의 누설전류만을 측정하여 열화정도를 판정하기에는 측정의 정확도가 낮아진다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 서지보호기의 현재상태 진단이 가능하고 나아가서는 운용중인 시스템의 신뢰성 향상에 기여할 수 있도록, MOV의 설치상태 및 부가기능을 위한 보조회로의 유무에 상관없이, 시스템에 설치된 상태에서 분리하지 않고도, 서지보호기의 열화상태를 측정하기 위한 것으로 직류 전원공급장치, 전압/전류 측정장치와 분석용 임베디드 시스템으로 구성된 전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치는, 직류 전원공급기의 양단에 연결된 직렬 저항들로 이루어진 분압 회로; 상기 직류 전원공급기의 제2단자에 한단자가 연결된 션트(shunt) 저항; 복수의 스위치를 가지며, 상기 서지보호기의 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), 또는 N-G(중성선-접지선) 모드에 따라, 상기 직류 전원공급기의 제1단자 및 상기 션트(shunt) 저항의 다른 단자가 상기 서지보호기의 두 단자로 연결되는 릴레이 모듈; 및 상기 복수의 스위치의 온오프 제어를 통해 상기 모드의 제어를 수행하며, 상기 직류 전원공급기의 전원 전압을 제어하여 상기 서지보호기에서 흐르는 전류 측정을 위해 상기 션트(shunt) 저항에 흐르는 전류를 측정하되, 상기 직류 전원공급기의 제1전압에서 측정한 전류로부터 상기 서지보호기에 연결된 보조회로에 흐르는 누설전류를 추정하고 제2전압에서 측정한 전류에서 상기 보조회로에 흐르는 누설전류를 차감하여 상기 서지보호기의 MOV에 흐르는 누설전류만을 산출한 후 산출된 값이 기준값을 초과하는 지 여부를 판단하여 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 마이크로프로세서를 포함한다.

상기 제1전압은 20~30V이고, 상기 제2전압은 상기 제1전압의 10배 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른, 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치는, 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서의 제어를 받아 교류 입력으로부터 이를 승압한 고압의 펄스를 생성하여 상기 서지보호기로 인가하는 서지발생기; 및 상기 마이크로프로세서의 제어를 받아 서지발생기의 출력 펄스를 서지보호기에 입력단에 인가시 서지보호기의 출력단에 나타나는 제한전압을 디지털 신호로 변환하는 측정기를 포함하고, 상기 마이크로프로세서는 상기 서지보호기에 인가되는 펄스의 크기를 제어하고, 상기 서지보호기의 전원선, 중성선, 또는 접지선에 설치되는 각 모드에 따라 상기 서지발생기로부터 순차적으로 상기 펄스가 인가되도록 제어를 수행하고, 상기 제한전압이 기준값을 초과하는 지 여부를 판단하여 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 서지보호기 신뢰성 평가 장치는, 전원용 또는 신호용 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 서지보호기 신뢰성 평가 장치는 서지보호기(SPD, Surge Protective Device)에 설치된 MOV(Metal Oxide Varistor) 소자를 서지보호기 회로에서 분리하지 않고 상기 서지보호기 내부의 부가회로가 연결된 상태에서도 서지보호기의 열화상태를 진단하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로프로세서는 상기 열화상태 여부를 디스플레이 장치에 표시하고 열화상태인 경우에는 경보음 등을 발생시킬 수 있다.

상기 서지보호기 신뢰성 평가 장치는 휴대형으로 제작될 수 있다.

상기 서지발생기는, 상기 교류 입력을 승압하는 승압 회로; 상기 마이크로프로세서의 제어에 따라 상기 승압 회로의 출력에 따른 전하를 충전하는 충전회로와 커패시터; 상기 마이크로프로세서의 제어에 따라 턴온되는 방전스위치; 상기 방전스위치를 통해 전달되는 상기 커패시터의 전압에 따라 미리 규정된 펄스 전압/전류 파형을 생성하는 R/L회로; 및 상기 마이크로프로세서의 제어로 상기 모드에 따라 스위치를 동작시켜 출력 펄스를 상기 서지보호기의 각각의 입력단자에 순차적으로 인가하는 릴레이 모듈을 포함한다.

상기 측정기는, 펄스형태의 제한전압을 분압하는 임펄스 분압회로; 상기 임펄스 분압회로의 출력에서 노이즈를 제거하기 위한 신호조정회로; 및 상기 신호조정회로의 출력을 디지털 신호로 변환하는 AD변환기를 포함한다.

본 발명에 따른 전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가 장치 및 방법에 따르면, MOV 소자의 배치상태 및 부가회로의 연결상태와 무관하게, 시스템에 설치된 상태에서 분리하지 않고도, 저항성 누설 전류만을 측정하여 기존의 활선 상태에서의 누설전류 측정방식에 비해 서지보호기의 열화상태를 보다 정확하게 평가할 수 있다.

도 1은 일반적인 MOV 소자(ZnO 바리스터)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 보호모드가 L-N인 경우의 단상용 서지보호기의 한 예이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 서지보호기 신뢰성 평가 장치(서지보호기의 저항성 누설전류 검출장치)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 서지보호기 신뢰성 평가 장치(간이형 제한전압 측정장치)를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

먼저, MOV(Metal Oxide Varistor) 기반의 서지보호기(SPD; Surge Protective Device)의 누설전류 측정에 의한 열화를 분석하는 방법은 아래와 같다. 예를 들어, 서지보호기를 구성하는 ZnO(산화아연) 성분으로 구성되는MOV 소자(ZnO 바리스터)는, 도1과 같이 커패시터와 비선형 저항의 병렬 조합으로 등가화 할 수 있으며, 보통 계통전압(Vs)이 직접 ZnO 바리스터에 인가되므로 ZnO 바리스터에는 상시 미소한 누설전류(It)가 흐르게 된다. ZnO 바리스터에 흐르는 전체 누설전류(It)는 저항성 누설전류(Ir)와 용량성 누설전류(Ic)의 합으로 이루어져 있다.

용량성 누설전류(Ic)는 MOV의 형상에 기인하는 커패시턴스 성분으로 인해 흐르는 누설전류로서 MOV가 열화되면 용량성 전류는 거의 변하지 않으나 저항성 전류(Ir)는 급격히 증가하게 된다. 오랜 사용으로 자연적 또는 인위적 열화로 인해 MOV의 저항성 누설전류(Ir)가 증가하게 되면 발열량이 증가하고 결국에는 열파괴되어 보호장치로서의 역할을 충분히 발휘하지 못하고 사고를 유발시키게 된다. 즉, 비선형 저항특성으로 인하여 성능이 저하되면, 누설전류의 저항성 성분이 증가하므로 저항성 누설전류(Ir)는 MOV의 열화진단에 중요한 요소이다.

이러한 저항성 누설전류(Ir)를 서지보호기가 전원선에 연결되어 있는 활선상태에서 검출하는 것은 매우 유용한 방법이지만 정밀한 비접촉식 전류센서가 필요하고 또한 주변 고조파 노이즈에 의한 영향에 따라 오차가 발생할 수 있다. 현재 산업현장에서는 서지보호기의 유지보수를 위해 보호기 전단에 개폐기가 설치되어 사용중인 곳이 많으므로 이러한 경우에는 개폐기를 차단하여 보호기를 선로로부터 분리하는 것이 용이하며, 개폐기가 없는 경우에도 단시간 서지보호기를 전원선에서 분리하여 분석하는 것이 가능하기도 하지만, 본 발명에서는 서지보호기에 전원이 차단된 상태에서 MOV 소자의 배치상태 및 부가회로의 연결상태와는 무관하게, 또한 MOV 소자를 시스템에 설치된 상태에서 분리하지 않고도, 서지보호기의 열화상태를 진단하는 방법에 대해 기술하고자 한다.

앞서 언급한 바와 같이 서지보호기의 주요 보호소자인 MOV는 저항성 성분과 용량성 성분으로 등가화 할 수 있으며, 이중 저항성 누설전류(Ir)가 열화에 지배적인 요소이다. 이를 측정하기 위해 MOV 양단에 직류전압을 인가하게 되면 용량성 성분의 전류는 흐르지 않으므로 전체 누설전류는 저항성 누설전류로 간주할 수 있다. 그러나 현재 현장에 설치되어 있는 대부분의 서지보호기는 선간(전원선간) 또는 선-접지간(전원선-접지간)에 MOV 소자가 단독으로 사용된 것이 아니라 그 상태표시를 위한 보조회로들이 혼합되어 구성되어 있다. 일반적으로 단상용 서지보호기에서 MOV소자는 보호모드인 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), N-G(중성선-접지선) 간에 설치되어 있으며, 도 2와 같이 보호모드가 L-N인 경우의 단상용 서지보호기의 경우에, MOV 소손 사고시 단락사고 예방을 위한 퓨즈류와 같은 분리기가 MOV에 직렬로 연결되어 있고, 이 분리기의 상태를 외함에 표시하기 위한 저항, 다이오드, LED 램프 등으로 구성된 부가회로를 표시장치를 포함한다.

도 2와 같은 서지보호기 회로의 예에서, L-N(전원선-중성선) 간에 직류전압을 인가하여 귀환되는 전류를 측정하면, 이는 MOV의 누설전류와 부가회로로 흐르는 전류의 합전류가 측정전류로 나타난다. 따라서 정확한 저항성 누설전류(Ir)의 측정을 위해서는 부가회로로 흐르는 전류를 제거하여야 하나 이는 각 제조사마다 다른 방법으로 회로를 구성하고 있어 예측이 불가능하다.

이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 최초에 MOV 소자가 동작하지 않는 낮은 전압을 인가한다. 예로써 일반적으로 사용되는 220V 용 MOV소자의 경우 직류 1mA가 흐를 때의 전압은 약 270V의 직류전압이 인가되는 경우이며, MOV소자에 20-30 V정도의 낮은 전압이 인가되면 MOV소자를 통하여 거의 전류가 흐르지 않으므로 이를 무시할 수 있다. 따라서 MOV소자에 낮은 전압을 인가 시에는 모든 전류는 도 2의 부가회로를 통해서만 흐르는 것으로 간주할 수 있으며, 통상 10mA 이하이다. 이 이상의 전류가 흐르는 경우 MOV가 소손되어 저항이 급격히 낮아진 상태로 간주할 수 있다. MOV소자에 20-30 V정도의 낮은 전압을 인가하여 부가회로에 흐르는 전류를 측정하면 저항, 다이오드, LED 등으로 구성되는 부가회로의 전류는 인가전압에 선형적으로 비례하므로 최대연속사용전압에 대한 전류를 연산할 수 있다.

예로써, 도 2의 L-N(전원선-중성선) 간에 또는 MOV소자에 30V 인가 시, 1mA의 전류가 측정되었을 때 최대연속사용전압이 300V 라면 약 10mA의 전류가 부가회로를 통해서 흐른다고 판단할 수 있다. 이와 같이 부가회로로 흐르는 전류를 예측한 후 실제 최대연속사용전압을 인가하여 전체 누설전류를 측정하고 그 값에서 미리 계산된 부가회로를 통해 흐르는 전류를 제거하면 저항성 누설전류(Ir) 값을 얻을 수 있다. 이와 같이 측정된 저항성 누설전류 값이 정상상태의 기준값을 초과하는 경우 열화상태로 판단할 수 있다.

이와 같은 원리에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 서지보호기 신뢰성 평가 장치, 또는 서지보호기의 저항성 누설전류 검출 장치(100)를 도 3에 도시하였다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 서지보호기 신뢰성 평가 장치, 또는 서지보호기의 저항성 누설전류 검출 장치(100)는, 마이크로프로세서(110), 가변 직류 전원공급기(120), 릴레이 모듈(130), 및 저항들(R1, R2, R3)을 포함한다. 저항성 누설전류 검출 장치(100)는 간이형(또는 휴대형)으로 제작될 수 있다.

도 3에서, 가변 직류 전원공급기(120)는 서지보호기(SPD)에 직류 전압을 공급하기 위한 것으로 10-20 V의 전압부터 최대 1 kV 정도로 다양한 제품의 최대연속사용전압까지 가변 가능한 구조로 설계된다. 가변 직류 전원공급기(120)의 양단에 직렬 연결된 R1, R2는 인가전압을 측정하기 위한 분압 회로이며, 가변 직류 전원공급기(120)의 한 단자 및 릴레이 모듈(130)을 통해 서지보호기(SPD)의 한 입력 단자와 연결되는 R3는 서지보호기(SPD)의 전체회로에 흐르는 전류를 측정하기 위한 션트(shunt) 저항이다. 릴레이 모듈(130)은 단상용 보호기의 각각의 보호모드에 대해 자동적으로 전압을 인가하고 측정하기 위한 것으로, 3상(L, N, G)용인 경우 마이크로프로세서(110)의 제어에 따라 각각의 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), N-G(중성선-접지선) 모드에 맞게 가변 직류 전원공급기(120)의 전원 전압이 해당 모드의 서지보호기(SPD)로 입력되도록 변경 가능하다. 또한, 마이크로프로세서(110)로 구성되는 임베디드 장치를 이용하여, 릴레이 모듈(130)의 제어뿐만아니라 서지보호기(SPD)로 입력되는 각 모드의 전압이 제어될 수 있으며, 마이크로프로세서(110)는 션트(shunt) 저항(R3)을 통해 서지보호기(SPD)에서 출력되는 전류를 측정할 수 있고, 이와 같은 제어 상태나 측정값들은 마이크로프로세서(110)를 통해 연결된 LCD 등 디스플레이 장치를 통해 디스플레이 될 수 있다.

예를 들어, 마이크로프로세서(110)의 제어에 따라, 서지보호기(SPD)의 해당 모드에 맞게, 릴레이 모듈(130)의 4개의 스위치 중 어느 두개만 온시키고, 가변 직류 전원공급기(120)의 출력 전압을 설정하여, 먼저, 서지보호기(SPD)의 해당 두 입력 단자로 저전압(예, 20~30V)을 인가하여, 마이크로프로세서(110)는 저항 R3를 통해 서지보호기(SPD)의 부가회로를 통해 흐르는 저전압 시의 누설전류(Ir1)를 측정할 수 있으며 이전류는 모두 부가회로에 흐르는 것으로 간주할 수 있다. 같은 방법으로 마이크로프로세서(110)는 서지보호기(SPD)의 해당 두 입력 단자로 최대연속사용전압(예, 저전압20~30V의 10배 이상으로서 300V 등)을 인가하여, 저항 R3를 통해 고전압 시의 누설전류(Ir2)를 측정할 수 있으며 이는 부가회로에 흐르는 전류 및 MOV소자의 저항성 누설전류의 합이다. 이에 따라 마이크로프로세서(110)는 저전압과 고전압의 비율에 따라 저전압 시의 누설전류(Ir1)로부터 고전압시 부가회로에 흐르는 전류를 비례적으로 산출할 수 있으며 이 계산된 전류를 고전압 인가시 측정된 누설전류에서 차감하여 MOV의 저항성 누설전류를 산출하고 계산된 값이 기준값을 초과하는 경우 열화상태로 판단할 수 있다. 마이크로프로세서(110)는 열화상태 여부를 디스플레이 장치에 표시하고 열화상태인 경우에는 스피커를 통해 알람 등의 경보음을 발생시킬 수도 있다.

한편, 이와 같은 누설전류 검출 장치(100)를 이용해 방법에 의해 전원용 서지보호기(SPD)의 열화상태를 진단할 수 있으나 신호용 서지보호기(SPD)에 대해서는 적용하기 어려울 수도 있다. 신호용 서지보호기(SPD)의 경우 전원용 서지보호기(SPD)와는 좀 다른데, 예를 들어, 신호용 서지보호기(SPD)에 사용하는 신호의 특성 때문에 서지보호기(SPD)내에 MOV 이외에 GDT(Gas Discharge Tube), ABD(Avalanche Breakdown Diode) 등의 소자가 복합적으로 사용된다. 따라서 이는 전원용 서지보호기(SPD)와 같은 방식으로 저항성 누설전류(Ir)의 측정이 어려우며 서지전압에 대한 제한전압 특성으로 평가하는 것이 바람직하다.

대부분의 신호용 서지보호기(SPD)는 선로의 중간에 삽입하는 직렬형 형태로써 입력단에 서지전압을 인가하고 출력단에서 억제되어 나타나는 전압을 측정하여 성능을 평가한다. 통상 24-48V 신호선로용 서지보호기(SPD)의 경우 수 kV의 1.2/50μsec뇌임펄스 전압 인가 시 출력단에서 억제되어 나타나는 전압이 100-200V 이내이어야 한다. 그러나 현재 현장에 적용중인 대다수의 보호기가 이러한 성능에 대한 검증 없이 사용되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명에서는 현장에서 사용에 편리하도록 간이형(휴대형) 제한전압 측정장치를 구현하고자 한다. 신호용 서지보호기(SPD)의 제한전압 측정을 위해서는 서지발생기와 오실로스코프와 같은 임펄스전압 측정장치가 필요하다. 이러한 설비는 매우 고가이고 부피가 커서 현장에서 관리자들이 휴대하여 측정하기에는 어려운 현실이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 서지보호기 신뢰성 평가 장치, 또는 간이형 제한전압 측정장치(200)를 설명하기 위한 도면이다.

도 4와 같이, 서지발생기(220)와 측정기(230)가 일체형으로 구성된 경제성 있는 서지보호기 신뢰성 평가 장치, 또는 간이형 제한전압 측정장치(200)는, 마이크로프로세서(210), 서지발생기(220), 측정기(230), 디스플레이 장치(240)를 포함한다. 서지발생기(220)는 고압용 변압기(221), 배전압 회로(222), 충전회로(223), 커패시터(224), 방전스위치(225), R/L회로(226), 릴레이 모듈(227)을 포함하고, 측정기(230)는 임펄스 분압회로(231), 신호조정회로(232), AD변환기(223)를 포함한다.

마이크로프로세서(210)는 서지발생기(220), 측정기(230), 디스플레이 장치(240)의 전반적인 제어를 수행하며, 서지발생기(220)에서 신호용 서지보호기(SPD)로 입력될 서지 전압 또는 전류의 크기를 제어할 수 있으며, 신호용 서지보호기(SPD)의 출력단에 연결된 측정기(230)를 통해 서지보호기(SPD)의 제한전압을 측정하고, 이와 같은 제어 상태나 측정값들이 LCD 등 디스플레이 장치(240)를 통해 디스플레이 되도록 제어할 수 있다. 신호용 서지보호기(SPD)는 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), N-G(중성선-접지선) 각 모드에 따라 필요한 선로의 중간에 직렬형으로 설치될 수 있으며, 예를 들어, 서지발생기(220)를 통해 수 kV의 1.2/50μsec뇌임펄스 전압이 인가되면 정상상태 시 출력단에서 100-200V 의 제한전압만이 나타난다. 마이크로프로세서(210)는 서지보호기(SPD)의 각 보호모드에 맞게 서지발생기(220)에서 해당 서지 전압 또는 임펄스가 인가되도록 제어할 수 있고, 릴레이 모듈(227)의 복수의 스위치를 온오프 제어해 서지보호기(SPD)의 각 보호모드에 순차적으로 임펄스가 인가되도록 제어할 수 있다.

고압용 변압기(221)는 교류 전원(예, 220V)을 인가받아 승압하고, 다이오드와 커패시터 등으로 이루어진 배전압 회로(222)는 고압용 변압기(221)의 출력을 2배 또는 3배 정도 더 승압한다. 고압용 변압기(221)를 이용하여 각 모드에 따라 한번에 일정 전압(예, 수백 ~ 수천 볼트)까지 승압하는 것도 가능하나 부피와 무게를 줄이기 위해서는 위와 같이 배전압 방식이 보다 효과적이다.

충전회로(223)는 충전용 저항과 측정용 분압회로 등을 포함하며, 마이크로프로세서(210)의 제어에 따라 충전용(서지 발생용) 또는 측정용으로 이용된다. 서지전압 발생을 위하여, 승압 회로(고압용 변압기(221)와 배전압 회로(222) 또는 고압용 변압기(221))의 출력에 따라 충전회로(223)의 충전저항을 통해 커패시터(224)에 충전된 전하는, 마이크로프로세서(210)의 제어를 받아 턴온되는 방전스위치(225)를 통해 저항과 인덕터로 구성되는 R/L회로(226)에 커패시터(224)의 전압이 인가되며, R/L회로(226)의 R(저항), L(인덕터), C(커패시터)에 의한 회로 정수에 따라 각 모드에 따라 미리 규정된 펄스 전압 및 전류의 크기로 임펄스 파형을 성형할 수 있다. 여기서 방전스위치(225)로서 스파크갭 또는 기계적인 마그네트 스위치가 적용 가능하다. 이와 같이 R/L회로(226)의 출력 단자에서 생성되는 임펄스는 최종 출력단의 릴레이 모듈(227)의 조합에 따라 피시험품인 서지보호기(SPD)의 각 보호모드에 맞게 서지보호기(SPD)의 입력 단자로 인가되게 된다. 릴레이 모듈(227)은 도 3의 130과 유사한 형태일 수 있다.

이에 따라 해당 서지보호기(SPD)에 서지발생기(220)의 임펄스(서지전압)가 인가되면, 서지보호기(SPD)에 의해 차단되어 서지보호기(SPD) 출력단에는 억제된 제한전압이 펄스형태로 발생하고, 임펄스 분압회로(231)는 서지보호기(SPD)에서 출력되는 제한전압을 적절히 분압한다(수동소자들을 이용해 분압가능). 신호조정회로(232)는 임펄스 분압회로(231)에서 얻어지는 신호의 노이즈 성분을 제거하여 AD변환기(223)로 전달하며 AD변환기(223)는 신호조정회로(232)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로프로세서(210)로 전달한다. 마이크로프로세서(210)는 AD변환기(223)로부터 입력된 신호를 메모리에 저장하고 최대, 최소값 등의 정보를 분석하며 결과를 그래프와 측정값 등의 형태로 표시되도록 처리하여 디스플레이 장치(240)에 표시할 수 있으며, 이외에도 위와 같은 각 구성 요소의 입출력 상태나 제어 상태, 각 측정값들이 LCD 등 디스플레이 장치(240)를 통해 디스플레이 되도록 제어할 수 있다. 또한, 각 모드의 측정값이 기준값 이상인 경우에는 열화상태로 판정하며 부저를 통해 경보음을 발생시킬 수도 있다.

이를 통해 약 수 kV의 1.2/50μsec표준 뇌임펄스 전압을 인가하였을 때 제한전압이 기준값, 즉, 수백V 이내로 유지되어야 하며 서지보호기(SPD) 자체에 손상이 발생해서는 안된다. 또한, 서지인가시험을 마친 후에는 다시 누설전류 측정시험을 통해 서지보호기(SPD) 회로에 단락고장 또는 어떤 이상 징후가 발생하지 않았는지 확인한다. 이상의 서지 발생 및 측정 관련 사항은 장비의 휴대성을 위해 비교적 낮게 설계하였지만 전원용 서지보호기(SPD)의 성능 검증에도 사용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

마이크로프로세서(110)
가변 직류 전원공급기(120)
릴레이 모듈(130)
저항들(R1, R2, R3)
마이크로프로세서(210)
서지발생기(220)
측정기(230)
디스플레이 장치(240)

Claims

서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치에 있어서,
직류 전원공급기의 양단에 연결된 직렬 저항들로 이루어진 분압 회로; 상기 직류 전원공급기의 제2단자에 한단자가 연결된 션트(shunt) 저항; 복수의 스위치를 가지며, 상기 서지보호기의 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), 또는 N-G(중성선-접지선) 모드에 따라, 상기 직류 전원공급기의 제1단자 및 상기 션트(shunt) 저항의 다른 단자가 상기 서지보호기의 두 단자로 연결되는 릴레이 모듈; 및
상기 복수의 스위치의 온오프 제어를 통해 상기 모드의 제어를 수행하며, 상기 직류 전원공급기의 전원 전압을 제어하여 상기 서지보호기에서 흐르는 전류 측정을 위해 상기 션트(shunt) 저항에 흐르는 전류를 측정하되, 상기 직류 전원공급기의 제1전압에서 측정한 전류로부터 상기 서지보호기에 연결된 보조회로에 흐르는 누설전류를 추정하고 제2전압에서 측정한 전류에서 상기 보조회로에 흐르는 누설전류를 차감하여 상기 서지보호기의 MOV에 흐르는 저항성 누설전류만을 산출한 후 산출된 값이 기준값을 초과하는 지 여부를 판단하여 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 마이크로프로세서
를 포함하는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전압은 20~30V이고, 상기 제2전압은 상기 제1전압의 10배 이상인 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치에 있어서,
마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서의 제어를 받아 교류 입력으로부터 이를 승압한 고압의 펄스를 생성하여 상기 서지보호기로 인가하는 서지발생기; 및 상기 마이크로프로세서의 제어를 받아 상기 서지보호기의 출력단에 발생하는 제한전압을 측정하고 이를 디지털 신호로 변환하는 측정기를 포함하고,
상기 마이크로프로세서는 상기 서지보호기에 인가되는 펄스의 크기를 제어하고, 상기 서지보호기의 전원선, 중성선, 또는 접지선에 설치되는 각 모드에 따라 상기 서지발생기로부터 순차적으로 상기 펄스가 인가되도록 제어를 수행하고, 상기 제한전압이 기준값을 초과하는 지 여부를 판단하여 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제3항에 있어서,
전원용 또는 신호용 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 MOV를 상기 서지보호기에서 분리하지 않고 상기 서지보호기 내부의 부가회로가 연결상태에서도 상기 서지보호기의 열화상태를 진단하기 위한 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 열화상태 여부를 디스플레이 장치에 표시하고 열화상태인 경우에는 경보음을 발생시키는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 서지보호기 신뢰성 평가 장치는 휴대형으로 제작되는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제3항에 있어서,
상기 서지발생기는,
상기 교류 입력을 승압하는 승압 회로;
상기 마이크로프로세서의 제어에 따라 상기 승압 회로의 출력에 따른 전하를 충전하는 충전회로와 커패시터;
상기 마이크로프로세서의 제어에 따라 턴온되는 방전스위치;
상기 방전스위치를 통해 전달되는 상기 커패시터의 전압에 따라 미리 규정된 펄스 전압, 전류를 성형하기 위한 R/L회로; 및
상기 마이크로프로세서의 제어로 상기 모드에 따라 스위치를 동작시켜 상기 R/L회로의 출력 펄스를 상기 서지보호기의 각각의 입력 단자에 인가하는 릴레이 모듈
을 포함하는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.
제3항에 있어서,
상기 측정기는,
펄스형태의 상기 제한전압을 분압하는 임펄스 분압회로;
상기 임펄스 분압회로의 출력에서 노이즈를 제거하기 위한 신호조정회로; 및
상기 신호조정회로의 출력을 디지털 신호로 변환하는 AD변환기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치.