KR101451818B1 - 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템에 관한 것으로서, 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정하는 전압 측정부(100); 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률 및 전압의 고조파 분석을 통해 지락고장 여부를 판단하는 연산부(200); 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 이에 따른 고장신호를 출력하는 고장신호 출력부(300); 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후 동작하는 계전부(400); 지락고장 판단을 위한 전위차, 전압 변동률, 고조파 비율 및 상기 계전부(400)의 동작지연시간을 설정하는 설정부(500); 및 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 고장지점 검출을 위해 상기 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하도록 제어하되, 각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기로 차단명령을 전송하고, 나머지 64P 계전기로 초기화 명령을 전송하는 통신 제어부(600);를 포함한다.

Description

전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템{SYSTEM FOR DETECTING GROUND FAULT USING VOLTAGE REGULATION AND HARMONIC ANALYSIS}

본 발명은 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 레일과 대지간의 전위차뿐 아니라, 전압 변동률을 통해 지락고장을 판단하고, 이와 동시에 전압의 고조파 성분의 비율을 분석함으로써 고저항 지락고장으로 판단하되, 지락고장 판단시점 전위값들 중에서 가장 높은 전위값을 가진 두 개의 64P계전기에서만 차단 신호를 출력하도록 제어하여 고장구간의 선택 차단을 제공하는 기술에 관한 것이다.

평상 시 전동차 운행 시 대지에 대한 레일전위 분포는 도 1 에 도시된 바와 같이 전동차 부하지점이 가장 높으며, 변전소 근단에서 대지전위가 높아지는 현상을 보이게 되며, 전동차 부하의 크기 및 위치에 따라 대지에 대한 레일전위가 달라지게 된다.

이때, 전동차가 중부하일 경우, 경부하에 비하여 상대적으로 큰 누설전류가 발생하며, 이때 레일전위는 종래의 64P 계전기의 동작설정이 낮을 경우 지락고장으로 오판단하여 동작할 수 있는 영역까지 커질 수 있다.

이러한, 종래의 64P 계전기 오동작을 미연에 방지하고 보다 정확한 지락고장을 판단하기 위하여, 기존의 전위크기만을 고려한 방식에서, 전압 변동률을 감안하여 변동률이 설정레벨 이상일 경우만, 동작토록 하는 과정이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 평상 시 전동차 운행에 의한 전위변동은 낮은 기울기로 서서히 변하는 반면에, 지락고장 시 전위변동은 급격한 변화 특성을 보이는 것을 이용하도록 한다(도 2 참조).

한편, 지락보호계전시스템과 관련해서는 한국공개특허 10-2006-0132420호(이하, '선행문헌') 외에 다수 출원 및 공개되어 있다.

선행문헌에 시스템은, 도 3 에 도시된 바와 같이 전기철도용 직류 급전계통에서 지락사고가 발생하면 접지스위치를 단락시키는 64P 계전기; 상기 접지스위치가 단락됨에 따라 형성되는 급전선 전류의 변화량을 근거로 지락사고 지점까지의 거리를 연산하여 해당 차단기를 트립 제어하는 di/dt 거리계전기; 를 포함하여 이루어진다.

그러나, 상술한 선행문헌을 포함한 기존의 지락고장 검출 및 보호방법은, 64P 계전기에 의하여 검출되는 레일과 대지간의 전위차만 설정 크기 이상이면 지락고장으로 판단하고 변전소 전체를 차단시키는 방법을 사용하고 있다.

따라서, 평상 시 전동차 운행에 의한 레일과 대지간의 전위차가 동작치를 상회할 때 오동작 하는 사례가 발생할 수 있으며, 지락고장 발생 시 고장점의 저항이 클 경우(고저항 지락고장) 레일과 대지간의 전위차가 거의 없어, 전위차와 변동률 조합만으론 고장을 판단할 수 없는 경우가 발생하는 문제점이 있었다.

아울러, 지락고장 여부를 검출하더라도, 고장구간을 검출할 수 없기 때문에 고장구간에 대한 선택적 차단이 아니라, 전체구간을 차단해야만 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 레일과 대지간의 전위차뿐 아니라, 전압 변동률을 통해 지락고장을 판단하고, 이와 동시에 전압의 고조파 성분의 비율을 분석함으로써, 고저항 지락고장으로 판단하는 전압 변동률 및 고조파 분석을 이용하여 지락고장 여부를 검출하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 지락고장 판단시, 고장구간 검출을 위해 지락고장 판단시점의 전위값을 인근의 64P계전기들과 송수신하고, 각각의 64P계전기에 의해 측정된 전위값들 중 가장 높은 전위값 두 개의 64P계전기에서만 차단 신호를 출력하도록 제어함으로써, 고장구간에 대한 선택적 차단을 제공하는데 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템에 관한 것으로서, 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정하는 전압 측정부(100); 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률 및 전압의 고조파 분석을 통해 지락고장 여부를 판단하는 연산부(200); 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 이에 따른 고장신호를 출력하는 고장신호 출력부(300); 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후 동작하는 계전부(400); 지락고장 판단을 위한 전위차, 전압 변동률, 고조파 비율 및 상기 계전부(400)의 동작지연시간을 설정하는 설정부(500); 및 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 고장지점 검출을 위해 상기 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하도록 제어하되, 각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기로 차단명령을 전송하고, 나머지 64P 계전기로 초기화 명령을 전송하는 통신 제어부(600);를 포함한다.

그리고, 전술한 시스템을 기반으로 하는 본 발명의 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 이용한 선택지락 방법은, 전압 측정부(100)가 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정하는 (a) 단계; 연산부(200)가 (a) 과정을 통해 측정된 전압 변동률 및 전압의 고조파 분석을 통해 지락고장 여부를 판단하는 (b) 단계; (b) 과정의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 고장신호 출력부(300)가 이에 따른 고장신호를 출력하는 (c) 단계; 및 계전부(400)가 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후 동작하는 (d) 단계;를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전위차와 전압 변동률만을 이용해서는 고장을 판단하지 못하던 종래와 달리, 전압의 고조파 비율을 분석함으로써, 고저항 지락고장을 판단할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 지락고장 판단시, 고장구간 검출을 위해 지락고장 판단시점의 전위값을 인근의 64P계전기들과 송수신하고, 각각의 64P계전기에 의해 측정된 전위값들 중 가장 높은 전위값 두 개의 64P계전기에서만 차단 신호를 출력하도록 제어함으로써, 고장구간에 대한 선택적 차단이 가능한 효과가 있다.

도 1 은 귀선전류와 레일의 대지분포를 보이는 일예시도.
도 2 는 일반 부하 및 고장 시의 전위 변동을 비교한 그래프.
도 3 은 종래의 지락보호계전시스템을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 도시한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 레일 측 및 대지 측으로부터 연결된 전압 변동률 및 고조파 분석을 이용한 지락고장 검출 시스템을 보이는 일예시도.
도 6은 본 발명에 따른 고저항 지락고장 시, 고조파 포함 전압 파형을 보이는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템의 계전부가 고장구간을 선택적으로 차단하는 것을 도시한 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 이용한 선택지락 방법을 도시한 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 이용한 선택지락 방법의 제S500단계의 세부과정을 도시한 순서도.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템에 관하여 도 4 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 레일 측 및 대지 측으로부터 연결된 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 보이는 일예시도이다.

도 4 에 도시된 바와 같이 전압 측정부(100), 연산부(200), 고장신호 출력부(300), 계전부(400), 설정부(500) 및 통신 제어부(600)를 포함한다.

먼저, 전압 측정부(100)는 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정한다.

또한, 연산부(200)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률 및 전압의 고조파 분석을 통해 지락고장 여부를 판단하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 고장 판단부(210) 및 제 2 고장 판단부(220)를 포함한다.

구체적으로, 제 1 고장 판단부(210)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률이 기 설정된 전압 변동률 이상인지 여부를 판단한다.

판단결과, 기 설정된 전압 변동률 이상일 경우, 제 1 고장 판단부(210)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전위차가 기 설정된 전위차 이상인지 여부를 판단한다.

판단결과, 기 설정된 전위차 이상일 경우, 제 1 고장 판단부(210)는 지락고장으로 판단하고, 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어한다.

제 2 고장 판단부(220)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압에서 고조파의 비율을 검출하여, 상기 고조파 비율이 기 설정된 비율 이상인지 여부를 판단한다.

판단결과, 기 설정된 비율 이상일 경우, 제 2 고장 판단부(220)는 고저항 지락고장으로 판단하고, 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어한다.

참고로, 고저항 지락고장의 경우, 도 6 에 도시된 바와 같이 전압 변동률(ΔV)이 발생되지 않을 수 있다. 이는, 고저항에 의한 누설전류 크기가 저저항 고장에 비해 작아지기 때문이다. 또한, 고저항에 의해 아크(Arc)가 발생하게 되고 이것에 의한 전압파형은 고조파(DC성분제외) 성분을 포함되게 된다. 즉, 전압의 고조파 비율을 기 설정값과 비교하여 고장을 판단할 수 있다.

또한, 고장신호 출력부(300)는 상기 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 이에 따른 고장신호를 영상 및 음성 등으로 출력한다.

또한, 계전부(400)는 통상의 64P 계전기로서, 상기 연산부(200)를 통해 지락고장으로 판단된 경우, 상기 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후 동작한다.

또한, 계전부(400)는 도 7에 도시된 바와 같이, 통신 제어부(600)의 제어에 따라 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하되, 각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기를 차단시키고, 나머지 64P 계전기를 초기화시킨다.

또한, 설정부(500)는 사용자의 입력정보에 따라, 지락고장 판단을 위한 전위차, 전압 변동률, 고조파 비율 및 상기 계전부(400)의 동작지연시간 등을 미리 설정한다.

그리고, 통신 제어부(600)는 상기 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 고장지점 검출을 위해 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하도록 제어하되, 각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기로 차단명령을 전송하고, 나머지 64P 계전기로 초기화 명령을 전송한다.

이때, 송수신하는 64P 계전기의 개수는 설정이 가능하다.

즉 전술한바와 같이, 연산부(200)가 고장발생시 전압변동률과 고조파 비율을 계산하여 고장여부를 판단하고, 64P 계전기간의 고속 통신으로 전위값을 송수신 및 비교하여 고장구간을 선택적으로 판별할 수 있다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 이용한 선택지락 방법에 대해 살피면 아래와 같다.

먼저, 설정부(500)가 사용자의 입력정보에 따라, 지락고장 판단을 위한 전위차, 전압 변동률, 고조파 비율 및 계전부(400)의 동작지연시간을 설정한다(S100).

이어서, 전압 측정부(100)가 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정한다(S200).

뒤이어, 연산부(200)가 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률(ΔV) 및 전위차를 바탕으로, 지락고장 여부를 판단한다(S300).

구체적으로, 연산부(200)의 제 1 고장 판단부(210)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률이 기 설정된 전압 변동률 이상인지 여부를 판단한다(S310).

제S310 단계의 판단결과, 기 설정된 전압 변동률 이상인 경우, 제 1 고장 판단부(210)가 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전위차가 기 설정된 전위차 이상인지 여부를 판단한다(S320).

제S320 단계의 판단결과, 기 설정된 전위차 이상인 경우, 제 1 고장 판단부(210)가 지락고장으로 판단하여 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어한다(S330).

또한, 상기 제S310 단계의 판단결과, 기 설정된 전압 변동률 미만인 경우, 그리고, 제S320 단계의 판단결과, 기 설정된 전위차 미만인 경우, 제 1 고장 판단부(210)는 제S200 과정으로 절차를 이행한다.

한편, 전술한 바와 같은 제S300 과정과 동시에, 연산부(200)가 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압에서 고조파의 비율을 검출하여, 고저항 지락고장 여부를 판단한다(S300').

구체적으로, 연산부(200)의 제 2 고장 판단부(220)는 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압에서 고조파의 비율을 검출하여, 상기 고조파 비율이 기 설정된 비율 이상인지 여부를 판단한다(S310').

제S310' 단계의 판단결과, 기 설정된 비율 이상일 경우, 제 2 고장 판단부(220)는 고저항 지락고장으로 판단하고, 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어한다(S320').

또한, 제S310' 단계의 판단결과, 기 설정된 비율 미만일 경우, 제 2 고장 판단부(220)는 제S200 과정으로 절차를 이행한다.

뒤이어, 고장신호 출력부(300)가 상기 연산부(200)의 제 1 고장 판단부(210)와 제 2 고장 판단부(220)를 통해 지락고장으로 판단된 경우, 이에 따른 해당 고장신호를 영상 및 음성 등으로 출력한다(S400).

그리고, 계전부(400)는 상기 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후에 동작한다(S500).

이하, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템을 이용한 선택지락 방법의 제S500단계의 세부과정을 살피면 아래와 같다.

제S400단계 이후, 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신한다(S510).

이어서, 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기를 차단시키고, 나머지 64P 계전기를 초기화시킨다(S520).

본 발명에서는, 동시에 수행되는 제S300 과정 및 제S300' 과정 중, 어느 하나의 과정을 만족하더라도, 지락고장으로 판단하여 고장신호 출력 및 기 설정된 동작지연시간 후 계전부(400)를 동작시킬 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

S: 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템
100: 전압 측정부 200: 연산부
210: 제 1 고장 판단부 220: 제 2 고장 판단부
300: 고장신호 출력부 400: 계전부
500: 설정부 600: 통신 제어부

Claims (10)

1. 입력되는 전압을 바탕으로, 레일과 대지간의 전위차 및 전압 변동률(ΔV)을 측정하는 전압 측정부(100);
   상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률 및 전압의 고조파 분석을 통해 지락고장 여부를 판단하는 연산부(200);
   상기 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 이에 따른 고장신호를 출력하는 고장신호 출력부(300);
   상기 연산부(200)의 제어에 따라 기 설정된 동작지연시간 후 동작하는 계전부(400);
   지락고장 판단을 위한 전위차, 전압 변동률, 고조파 비율 및 상기 계전부(400)의 동작지연시간을 설정하는 설정부(500); 및
   상기 연산부(200)의 판단결과, 지락고장이 발생한 경우, 고장지점 검출을 위해 상기 계전부(400)의 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하도록 제어하되, 각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기로 차단명령을 전송하고, 나머지 64P 계전기로 초기화 명령을 전송하는 통신 제어부(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 연산부(200)는,
   상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압 변동률이 기 설정된 전압 변동률 이상인지 여부를 판단하는 제 1 고장 판단부(210); 및
   상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전압에서 고조파의 비율을 검출하여, 상기 고조파 비율이 기 설정된 비율 이상인지 여부를 판단하는 제 2 고장 판단부(220);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제 1 고장 판단부(210)는,
   기 설정된 전압 변동률 이상일 경우, 상기 전압 측정부(100)를 통해 측정된 전위차가 기 설정된 전위차 이상인지 여부를 판단하되,
   기 설정된 전위차 이상일 경우, 지락고장으로 판단하고, 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 제 2 고장 판단부(220)는,
   기 설정된 비율 이상일 경우, 고저항 지락고장으로 판단하고, 기 설정된 동작지연시간에 따라, 지연시간 후 계전부(400)가 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 계전부(400)는,
   상기 통신 제어부(600)의 제어에 따라 64P 계전기 각각이 측정한 전위값을 상호간에 송/수신하되,
   각각의 64P 계전기가 수신한 전위값을 비교하여 가장 높은 전위값(Vmax1)과 두 번째로 높은 전위값(Vmax2)을 갖는 64P 계전기를 차단시키고, 나머지 64P 계전기를 초기화시키는 것을 특징으로 하는 전압변동률과 고조파 연산을 통한 지락고장 검출 시스템.
   
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