KR101534774B1 - Ir과 uv 그리고 tev 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반) - Google Patents

Ir과 uv 그리고 tev 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반) Download PDF

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Abstract

아크 및 코로나에 의해 발생되는 자외선을 감지하는 자외선 감지 센서 모듈; 자외선 감지 센서 모듈에서 감지된 자외선에 따라 방전 펄스를 생성하는 펄스 생성 모듈; 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 이용하여 알람을 발생하는 알람 발생 회로 모듈; 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 입력받아 아크와 코로나 발생 정보를 출력하는 디지털 신호 처리 모듈; 금속 하우징의 외부 표면에 부착되며 상기 금속 하우징 내부의 내부 부분 방전에 의해 발생되는 부분 방전 펄스에 의해 상기 금속 하우징에 생성되는 표면 전류에 따른 과도 대지 전압을 감지하는 과도 대지 전압 센서 모듈; 상기 과도 대지 전압 센서 모듈에서 감지된 과도 대지 전압을 이용하여 내부 절연물의 국부 파괴로 인한 내부 부분 방전을 검출하는 방전 검출 모듈; 부스바, 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 적외선 센서 모듈; 적외선 센서 모듈에서 감지된 온도를 이용하여 건전성 평가 지수를 산출하는 건전선 평가 지수 산출 모듈; 상기 아크 발생 정보, 아크 방전 또는 코로나 방전, 건전성 평가 지수를 원격 관제 단말로 송신하는 신호 송신 모듈을 구성한다.

Description

IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반){HIGH VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, LOW VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, DISTRIBUTING BOARD, MOTOR CONTORL BOARD HAVING A FUNCTION OF DIAGNOSING/MONITORING HIGH TEMPERATURE AND FIRE BY DETECTING INFRARED AND ULTRAVIOLET AND TRANSIENT EARTH VOLTAGE}
본 발명은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등을 포함하는 배전반에 관한 것으로서, 구체적으로는 IR(infrared)과 UV(ultraviolet) 그리고 TEV(transient earth voltage) 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능과, 아크나 방전시 발생되는 자외선 검출을 이용한 아크/방전 검출 진단 기능과 TEV 검출에 의한 부분 방전 모니터링 기능을 구비한 배전반에 관한 것이다.
수배전반은 전력 설비중 하나로서 계전기, 계측기, 제어기와 같은 감시 제어용 기기와 차단기, 단로기와 같은 주회로기기로 이루어져 있고 각각의 단위 기기는 지지 구조물에 유지 및 보수가 용이하도록 장착되어 있다.
그런데, 수배전반 내에는 고압의 전압이 형성되고 전류가 흐르기 때문에 절연이나 회로상의 내구성에 문제가 생기는 경우 큰 사고로 이어질 가능성이 있다.
이러한 수배전반의 특성상 열화와 화재 등을 미리 감지하고 미연에 방지하기 위한 수단이 강구되고 있다. 그중 아크(arc)나 코로나(corona) 방전이 주요 사고 원인이 되어 화재나 폭발 등으로 이어질 수 있다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량 초과, 타 물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 고압, 저압 배전반 내부의 부스바, 케이블, 전선간의 접촉부, 단자 접촉부 등이 과열된다. 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장 부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적인 반복적인 아크를 발생시키게 된다.
이와 같이 아크의 발생을 방지하는 것이 쉽지 않으므로, 아크의 발생시 이를 신속하고 정확하게 감지하여 화재를 예방하는 것이 매우 중요하다.
한편, 변압기나 개폐기, 차단기와 같은 장치의 절연물 내부에서 국부적인 절연 파괴가 생기기도 하는데, 이러한 내부의 국부 절연파괴는 내부 방전 현상을 발생시킨다. 내부 부분 방전은 장치의 열화를 초래하게 되며 심각하게는 화재를 발생시킬 수 있지만, 이를 감지하는 것은 쉽지 않은 편이다.
이러한 내부 부분 방전은 주로 수배전반의 하우징(housing)인 금속 클래드(clad)의 틈새나 조인트(joint) 등을 통해 방전되는데, 금속 클래드에 걸리는 과도 대지 전압(transient earth voltage, TEV)이 금속 클래드와 접지 간에 발생하면 접지 전압은 즉시 그리고 일시적으로 변화하게 된다. 그 발생하는 시간이 매우 순간적이다.
종래에는 이러한 내부 부분 방전까지 감지할 수 있는 수단이 없었으며, 금속 클래드에 걸리는 과도 대지 전압을 검출하여 이상 진단에 활용하는 예도 없었다.
그러나, 절연물의 국부 절연 파괴는 수배전반에 심각한 결과를 초래할 수 있다.
다른 한편, 수배전반은 수많은 배선과 개폐기, 차단기, 계전기 등의 부품이 밀집되어 있는데, 그 기능이 상시 동작하면서 열화와 노후화 그리고 화재 발생으로 까지 이어지는 사고가 빈번하게 발생하고 있다.
이러한 수배전반의 특성상 그 열화와 화재 등을 미리 감지하고 미연에 방지하기 위한 수단이 강구되고 있다.
그 중 열화에 특히 취약한 부위의 열을 감지하여 대처하는 것인데, 수배전반 내부에는 수많은 장치들이 내장되어 있고 그 배선도 매우 복잡하여 일일이 모두 모니터링하기가 쉽지는 않다.
기존의 수배전반 온도 감지 방식은 주로 열화 감시 대상 부위가 특정 임계 온도를 넘어서는지를 판단하여 위험 여부를 이분법적으로 판단하고 있다. 그러나, 열화나 온도 상승은 연속적으로 상태의 변화가 심하며 단순히 임계 온도를 기준으로 열화를 판단할만큼 간단하지는 않다.
또한, 기존 방식은 온도 상승이 커지거나 열화가 심화되는지 등의 열화의 변화 추이도 알 수가 없다는 문제가 있다.
그러므로, 열화 상태를 좀 더 세밀하고 정확하게 판단할 방안이 요구되며, 그에 따른 열화 허용 여부에 대한 자동 알고리즘도 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록 제1295779호
본 발명의 목적은 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반)을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반은, 아크(Arc)에 의해 발생되는 자외선을 감지하는 자외선 감지 센서 모듈; 상기 자외선 감지 센서 모듈에서 감지된 자외선에 따라 방전 펄스를 생성하는 펄스 생성 모듈; 상기 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 이용하여 알람을 발생하는 알람 발생 회로 모듈; 상기 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 입력받아 아크 발생 정보를 출력하는 디지털 신호 처리 모듈; 금속 하우징의 외부 표면에 부착되며 상기 금속 하우징 내부의 내부 부분 방전에 의해 발생되는 부분 방전 펄스에 의해 상기 금속 하우징에 생성되는 표면 전류에 따른 과도 대지 전압을 감지하는 과도 대지 전압 센서 모듈; 상기 과도 대지 전압 센서 모듈에서 감지된 과도 대지 전압을 이용하여 내부 절연물의 국부 파괴로 인한 내부 부분 방전을 검출하는 방전 검출 모듈; 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 적외선 센서 모듈; 상기 적외선 센서 모듈에서 감지된 온도를 이용하여 건전성 평가 지수를 산출하는 건전선 평가 지수 산출 모듈; 상기 디지털 신호 처리 모듈에서 출력된 아크 발생 정보를 원격 관제 단말로 송신하고, 상기 방전 검출 모듈에서 검출된 아크 방전 또는 코로나 방전을 상기 원격 관제 단말로 송신하며, 상기 건전성 평가 지수 산출 모듈에서 산출된 건전성 평가 지수를 상기 원격 관제 단말로 송신하는 신호 송신 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
이때, 210 nm 내지 280 nm의 파장 대역을 갖는 상기 아크에 의해 발생되는 자외선을 통과시켜 상기 자외선 감지 센서 모듈로 입력되도록 하고, 자연광이나 조명등에 의한 280 nm 내지 400 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 차단시켜 상기 자외선 감지 센서 모듈로 입력되지 못하도록 구성되는 자외선 필터를 더 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 자외선 필터는, 상기 자외선 감지 센서 모듈을 감싸는 필름(film) 형태로 구성될 수 있다.
그리고 상기 펄스 생성 모듈은, 상기 생성된 방전 펄스를 정형화하여 출력하는 아크 신호 정형 회로부; 상기 아크 신호 정형 회로부에서 변환된 방전 펄스의 개수를 소정 주기마다 카운트하는 아크 신호 카운트부; 상기 아크 신호 카운트부에서 카운트된 방전 펄스의 개수를 저장하는 데이터 래치부를 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 펄스 생성 모듈은, 상기 아크 신호 정형 회로부에서 변환된 방전 펄스의 펄스폭을 일정하게 변환하여 상기 디지털 신호 처리 모듈로 출력하는 펄스폭 변환 회로부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 알람 발생 회로 모듈은, 상기 데이터 래치부에 저장된 방전 펄스의 개수가 소정 주기마다 5개를 넘는지 판단하여 5개를 넘으면 알람을 발생하는 구성될 수 있다.
그리고 상기 신호 송신 모듈은, RS-485 통신부 또는 RS-232 통신부로 구성될 수 있다.
그리고 상기 과도 대지 전압 센서 모듈은, 상기 과도 대지 전압을 축적하여 감지하는 과도대지전압 검출 센서; 상기 과도대지전압 검출 센서에 축적되는 과도 대지 전압을 검출하여 전달하는 결합 회로망; 상기 결합 회로망에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 상기 메인 컨트롤러로 송신하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 과도대지전압 검출 센서는, 지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜의 동판으로 구성되는 검출 전극; 지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜의 동판으로 구성되는 접지 전극; 상기 검출 전극 및 상기 접지 전극의 사이에 삽입되며 두께 0.5 ㎜의 에폭시 수지로 구성되는 유전체; 상기 검출 전극의 중심부로부터 상기 유전체 및 상기 접지 전극을 관통하여 돌출 구성되는 검출 전극 돌출부와 결합되는 BNC 연결 단자로 구성될 수 있다.
그리고 상기 검출 전극 및 상기 접지 전극은, 전계 집중이 발생하지 않도록 가장자리가 난연성 에폭시 수지로 구성될 수 있다.
그리고 상기 저잡음 증폭 회로는, 상기 결합 회로망에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 50 Ω의 특성 임피던스를 갖는 동축 케이블을 통해 상기 방전 검출 모듈로 송신하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 결합 회로망은, 상기 동축 케이블의 절연체와 외부 도체에 의한 정전 용량에 의한 신호 왜곡을 제거하기 위해 상기 동축 케이블의 특성 임피던스와 동일한 50 Ω의 정합 저항 Rm 및 보상 저항 Ri를 포함하는 합성 임피던스 Av를 갖도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 합성 임피던스 Av는, 다음의 수학식으로 구성되고, [수학식]
Figure 112014105823097-pat00001
여기서, Rm은 검출 임피던스, fc는 차단 주파수이며, 상기 임피던스 Zs는 다음의 수학식으로 구성되고, [수학식]
Figure 112014105823097-pat00002
여기서, Ld는 유도성 검출 임피던스, Ri는 상기 저잡음 증폭 회로의 입력 임피던스로 구성될 수 있다.
그리고 상기 결합 회로망의 출력 전압은, 다음의 수학식으로 구성되며, [수학식]
Figure 112014105823097-pat00003
여기서, S는 유효 검출 면적, Rm은 저항성 검출 임피던스로 구성될 수 있다.
그리고 상기 차단 주파수 fc는, 100 kHz로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 건전성 평가 지수 산출 모듈은, 상기 건전성 평가 지수를 하기 수학식에 의해 산출하고, [수학식]
Figure 112014105823097-pat00004
여기서,
Figure 112014105823097-pat00005
는 건전성 확률,
Figure 112014105823097-pat00006
는 i번째 데이터의 가중치,
Figure 112014105823097-pat00007
는 i번째 데이터의 기대값,
Figure 112014105823097-pat00008
는 i번째 데이터의 입력값이며, 상기
Figure 112014105823097-pat00009
는 하기 수학식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy membership function)이고, [수학식]
Figure 112014105823097-pat00010
여기서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 퍼지 소속 함수는, 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하도록 구성될 수 있다.
상술한 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반)에 의하면, 아크 전류를 직접 검출하지 않고 아크에 의해 발생되는 자외선을 통해 아크의 발생 여부를 감지하도록 구성됨으로써, 기존의 수배전반 내부의 고주파 노이즈에 의해 아크 전류 신호가 왜곡되는 문제점을 해결하고 정확하고 신속한 아크 검출을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 210 nm 내지 280 nm 파장 대역의 자외선을 검출하고 태양광이나 조명등에 의해 발생되는 다른 파장 대역의 자외선을 차단하도록 구성됨으로써, 태양광이나 조명등이 아닌 아크에 의해 발생되는 자외선만을 정확하게 검출하고 검출 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 변압기, 개폐기, 차단기 등의 절연물 내부의 국부 절연 파괴로 인한 내부의 부분 방전 현상을 과도 대지 전압을 통해 감지하도록 구성됨으로써, 화재나 폭발 등의 2차 사고로 이어질 수 있는 부분 방전을 간접적으로 인지하고 그 위험에 즉시 대처할 수 있는 효과가 있다.
그리고 배전반 내 부스바 접속부에 대한 각 요소들의 허용기준 경계의 불확실성을 처리하고 보다 효과적인 소속 정도를 설정하고 부스바 접속부의 건전성 즉 열화 정도나 열화 여부를 평가할 수 있는 효과가 있다.
특히 온도 감지 대상 부위의 재료의 물리적 성질에 따라 열화 여부와 열화 허용 여부를 판단함으로써, 단순한 온도만이 아니라 재료별로 정확한 열화 상태를 진단 가능하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반의 블록 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반의 측단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 생성 모듈의 블록 구성도이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신 모듈의 블록 구성도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 온도 및 과도 대지 전압 검출의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전반의 아크 진단 센서에서 검출되는 자외선 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 정면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 배면도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 측면도이다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 검출 원리를 나타내는 개념도이다.
도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 노튼 등가 회로이다.
도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 부분 검출 원리를 설명하기 위한 측면도이다.
도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서에 의한 부분 방전 펄스(partial discharges pulse)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 등가 회로이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 차단 주파수 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 주파수 응답 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭 회로의 회로도이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭 회로의 주파수 응답 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 과도 대지 전압의 응답 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 과도 대지 전압의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반의 블록 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반의 측단면도이다.
본 발명의 배전반(100)은 자외선 감지 센서 모듈(110), 펄스 생성 모듈(120), 알람 발생 회로 모듈(130), 디지털 신호 처리 모듈(140), 과도 대지 전압 센서 모듈(150), 방전 검출 모듈(160), 적외선 센서 모듈(170), 건전성 평가 지수 산출 모듈(180), 신호 송신 모듈(190)을 포함하도록 구성될 수 있다.
이러한 배전반(100)은 기존처럼 아크에 의한 전류 파형을 분석하여 아크를 감지하는 것이 아니라 아크에 의해 발생되는 자외선을 통해 아크의 발생 여부를 검출하도록 구성된다.
여기서, 본 발명의 있어 배전반(100)은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
기존의 방식에서는 수배전반 내부의 고전압에 의한 노이즈로 인해 아크 전류 파형이 왜곡되거나 일그러져 아크의 발생을 정확하게 검지해내지 못하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 아크에 의해 발생되는 특정 파장 대역의 자외선을 검출하도록 구성되어 내부 노이즈의 영향을 받지 않는다.
또한, 배전반(100)은 태양광이나 조명등에서 발생되는 자외선의 파장 대역은 자외선 필터에 의해 차단함으로써, 태양광의 자외선이나 조명등의 자외선이 아크 발생으로 검지될 수 있는 오류를 미리 차단하도록 구성된다.
그리고 배전반(100)은 변압기, 개폐기, 차단기 등의 절연물 내부의 국부 절연 파괴로 인한 내부 방전 현상을 금속 클래드에 걸리는 과도 대지 전압을 통해 간접적으로 감지하도록 구성된다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
자외선 감지 센서 모듈(110)은 수배전반 내에서 아크(Arc)에 의해 발생되는 자외선을 감지하도록 구성될 수 있다.
자외선 감지 센서 모듈(110)은 자외선을 감지하는 자외선 포토 다이오드로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 자외선 감지 센서 모듈(110)은 자외선 감지 센서 모듈(110)을 감싸는 필름 형태의 자외선 필터를 더 구비하도록 구성되는 것이 바람직하다.
자외선 필터는 아크에 의해 발생되는 자외선을 통과시켜 자외선 감지 센서 모듈(110)의 내부로 입사되도록 구성된다.
여기서, 자외선 필터가 통과시키는 자외선 파장 대역은 210nm 내지 280nm로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 자외선 필터는 자연광이나 조명등에 의한 자외선 파장 대역은 차단시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 280 nm 내지 400 nm의 파장 대역을 갖는 자외선은 차단되어 자외선 감지 센서 모듈(110) 내부로 입사되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.
자연광 중 일반적으로 210 nm 내지 280 nm 대역의 자외선은 대개 UV C 대역의 자외선으로서 오존층에 흡수된다. 대기 중에는 210 nm 내지 280 nm 대역의 자외선이 거의 존재하지 않는다고 봐도 무방하다.
자연광의 자외선에 의해 자외선 감지 센서 모듈(110)이 동작하면 아크가 발생한 것으로 오판할 수 있으므로, 대기 중의 자연광 자외선은 280 nm 내지 400 nm의 자외선은 차단하는 것이 바람직하다.
한편, 조명등 역시 대부분 해당 280 nm 내지 400 nm의 자외선을 방사하므로, 해당 대역의 자외선을 차단하도록 구성되는 것이 오판을 줄일 수 있다.
펄스 생성 모듈(120)은 자외선 감지 센서 모듈(110)에서 감지된 자외선에 의해 생성된 전류에 의해 방전 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다.
펄스 생성 모듈(120)은 저항과 커패시터에 의해 자외선 감지 센서 모듈(110)의 전류를 충전하여 펄스 형태로 출력하도록 구성될 수 있다.
이때, 펄스 생성 모듈(120)은 아크의 전압이 크면 클수록 방전 펄스의 개수가 많아지도록 구성되는 것이 바람직하다.
이에, 아크의 전압 크기와 발생 빈도 그리고 소정 주기마다 몇회의 아크가 발생하는지 모두 파악 가능하다.
알람 발생 회로 모듈(130)은 펄스 생성 모듈(120)에 의해 생성된 방전 펄스를 이용하여 알람을 발생하도록 구성될 수 있다.
이러한 알람은 소정 주기에 기준 횟수 이상의 아크가 발생할 경우 자동으로 생성되도록 구성되는 것이 바람직하다. 연속적인 아크의 발생이 화재나 기타 전기 사고로 이어질 확률이 높기 때문이다.
예를 들어, 알람 발생 회로 모듈(130)은 펄스 생성 모듈(120)에서 생성되어 저장된 방전 펄스의 개수가 소정 주기마다 5개를 넘는지 판단하여 5개를 넘으면 알람을 발생하도록 구성될 수 있다.
디지털 신호 처리 모듈(140)은 펄스 생성 모듈(120)에 의해 생성된 방전 펄스를 입력받아 아크 발생 정보를 출력하도록 구성될 수 있다.
여기서, 아크 발생 정보는 방전 펄스를 분석하여 나온 결과로서, 아크의 발생 빈도, 소정 주기마다 몇 회가 발생하는지 그리고 아크의 전압 크기 등이 될 수 있다.
과도 대지 전압 센서 모듈(150)은 금속 하우징의 외부 표면에 부착되는 구성으로서, 금속 하우징 내부에 변압기, 개폐기, 차단기 등에 구비되어 있는 절연물이 국부적으로 파괴되어 발생하는 내부 부분 방전 현상을 감지하기 위한 구성이다. 방전 전자기파를 직접 감지하는 것이 아니라 부분 방전 펄스에 의해 금속 하우징에 표면 전류가 생성되면 표면 전류에 의해 과도 대지 전압이 걸리는데, 이러한 과도 대지 전압을 감지하여 내부 부분 방전 여부를 인지할 수 있게 된다. 여기서, 금속 하우징은 접지와 연결된다.
부분 방전은 매우 짧은 시간동안 발생하며 이로 인한 고주파 역시 짧은 순간 방출되며 과도 대지 전압의 발생도 매우 짧은 시간동안 발생한다.
여기서, 매우 짧은 시간 동안 발생하는 과도 대지 전압은 시간 지연이 크므로, 이를 효과적으로 감지하기 위해서는 많은 수의 과도 대지 전압 센서 모듈(150)이 배치되는 것이 바람직하다.
이에, 과도 대지 전압 센서 모듈(150)은 금속 하우징의 외부 표면에 서로 소정의 거리만큼 이격되어 복수개로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 과도 대지 전압 센서 모듈(150)은 과도대지전압 검출 센서(151), 결합 회로망(152) 및 저잡음 증폭 회로(153)를 포함하도록 구성될 수 있다.
과도대지전압 검출 센서(151)는 과도 대지 전압을 축적하여 감지하도록 구성될 수 있다. 즉, 용량성 소자에 의해 과도 대지 전압을 일시 축적하고 이를 감지하는 것이다.
결합 회로망(152)은 과도대지전압 검출 센서(151)에 축적되는 과도 대지 전압을 검출하여 전달하도록 구성될 수 있다. 결합 회로망(152)은 과도대지전압 검출 센서(151)와 저잡음 증폭 회로(153)와 임피던스를 정합시키도록 구성된다.
저잡음 증폭 회로(153)는 결합 회로망(152)에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 방전 검출 모듈(160)로 송신하도록 구성될 수 있다.
방전 검출 모듈(160)은 과도 대지 전압 센서 모듈(150)에서 감지된 과도 대지 전압을 이용하여 내부 부분 방전 펄스를 검출하도록 구성된다.
방전 검출 모듈(160)은 배전반(100)의 본체로부터 원격지에 구비될 수 있으며, 사용자가 수시로 확인 가능한 모니터실에 구비되는 것이 바람직하다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 방전 검출 모듈(160)은 과도 대지 전압 센서 모듈(150)에서 감지된 전계 강도 데이터의 잡음을 제거하고 평균화하도록 구성된다. 여기서, 배경 잡음은 전원이 꺼진 상태에서 측정되는 것이 바람직한데, 주기적으로 하루 1회 또는 1달 1회마다 배경 잡음을 미리 획득하여 입력하고 평균화하는 것이 바람직하다.
그리고 방전 검출 모듈(160)이 앞서 평균화된 전계 강도 데이터와 앞서 평균화된 배경 잡음의 차를 연산하는데, 이는 정확한 내부 부분 방전 펄스(partial discharge pulse)를 획득하기 위함이다.
그리고 방전 검출 모듈(160)은 앞서 연산된 차에 의해 잡음이 제거된 주파수 대역별 전계 강도 데이터를 산출한다. 그리고 앞서 산출된 주파수 대역별 전계 강도 데이터를 이용하여 방전 여부 및 방전 종류를 판단하여 디스플레이한다.
여기서, 방전이 발생하는지 여부 그리고 방전이 발생했다면 얼마나 짧은 펄스폭을 갖고 발생하는지 얼마나 짧은 시간 동안 발생하는지, 어느 범위의 주파수 대역에서 펄스가 발생하는지 등을 통해 부분 방전 여부를 판단할 수 있다. 방전 검출 모듈(160)은 부분 방전 펄스의 전형적인 파형 형태와 부합하는지를 통해 판단한다.
적외선 센서 모듈(170)은 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하고 검출된 온도를 건전선 평가 지수 산출 모듈(180)로 송신하도록 구성될 수 있다.
적외선 센서 모듈(170)은 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부와 같이 열화나 화재의 취약 지점에서 방사되는 적외선을 감지하여 지점의 온도를 검출한다.
여기서, 적외선 센서 모듈(170)은 온도를 주파수 변조하여 신호 송신 모듈(190)로 송신하도록 구성될 수 있다.
건전선 평가 지수 산출 모듈(180)는 건전성 평가 지수를 다음 수학식 1에 의해 산출하도록 구성될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00011
여기서,
Figure 112014105823097-pat00012
는 건전성 확률,
Figure 112014105823097-pat00013
는 i번째 데이터의 가중치,
Figure 112014105823097-pat00014
는 i번째 데이터의 기대값,
Figure 112014105823097-pat00015
는 i번째 데이터의 입력값이다.
건전성 평가 지수는 온도 감지 대상의 열화 정도와 열화에 따른 허용 여부를 나타내며, 각 데이터의 기대값들의 가중치 합으로 구성된다.
기대값은 다음 수학식 2와 같이 구성된다.
Figure 112014105823097-pat00016
여기서, 기대값은 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)로서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점으로 구성된다.
여기서, a, b, λ, υ는 사용자에 의해 선택되어 결정되는 값으로서, 그 선택과 조정에 따라 특정 검출값에 따른 기대값을 사용자가 결정할 수 있게 된다.
예를 들어, 퍼지 소속 함수는 그 인자들의 선택에 따라 다음 표 1과 같이 다르게 설정될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00017
여기서 a, b는 구간 최소값 및 구간 최대값으로 온도값으로 설정될 수 있다.
이러한 인자들의 선택에 따라 기대값들의 변화가 달라지게 되며 그 선정이 매우 중요하다.
여기서 도 2a 내지 도 2c를 잠시 참조한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
도 2a는 소속함수 2, 도 2b는 소속함수 3, 도 2c는 소속함수 6에 대한 출력 그래프로서, 각 그래프는 인자들의 설정에 따른 기대값의 변화 추이를 그대로 나타낸다. 즉, 최대치, 최소치, 기울기 등이 그대로 나타나 건전성 평가를 위한 기준이 설정됨을 알 수 있다.
이와 같이 퍼지 소속 함수는 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되는데, λ가 커지면 기울기가 커지고, υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.
그 예시는 다음 표 2와 같다.
Figure 112014105823097-pat00018
즉, 인자들을 온도에 대한 값으로 설정하면, 표 2의 예시와 같이 될 수 있는데, 여기서는 공기중의 무도금 상태의 동부스바에 대한 건전성 평가지수를 산출하기 위한 인자의 설정 예시이다. 접속부 온도 상승한도 및 접속부 최고 허용 온도는 접속부의 재질에 따라 달라지게 된다.
본 예시에서는 주위온도 40℃를 기준으로 최대 75℃까지 설정되어 있으므로 최소값을 10℃, 최대값을 75℃로 설정하였다. 접속부 최고 허용한도는 공기 중의 무도금 상태에 대한 동부스바가 105℃까지 규정되어 있으므로 최소 값을 50℃로, 최대 값을 105℃로 설정하였다.
온도 기울기는 정해진 주기 동안 단위 시간 당 온도의 기울기가 최소 30°에서 최대 75°로 설정하였으며, 전류 기울기는 결상이나 단락 등의 원인으로 정해진 주기 동안 단위 시간 당 전류의 기울기가 최소 30°에서 최대 85°로 설정하였다.
각 항목 별 곡선의 기울기 λ와 굴절점 υ는 수배전반 업체에서 제공하는 부스바의 과열로 인한 화재 발생 및 단선 등의 결과 데이터를 참조하여 값을 선정한다. 건전성 평가지수 연산에 필요한 각 항목 별 가중 값은 각각 0.25로 설정하였다.
건전성 평가 지수는 온도뿐만 아니라 아크, 코로나 방전,부분방전 모듈도 함께 고려되어 산출될 수 있는데, 이하에서는 이러한 건전성 평가 지수의 산출에 대하여 설명한다.
건전성 평가 지수 산출 모듈(180)은 최근 한 달간의 아크 발생 누적회수, 최근 한 달간의 코로나 방전 발생 누적회수,한 달 간의 부분방전 발생횟수, 현재 온도를 입력으로 하여 건전성 지수(Healthy Performance Index)를 계산하여 출력한다. 부분방전의 경우, 입력을 피코 쿨롱[pC] 단위의 부분방전 발생량으로 대신하여 건전성 지수를 산출할 수 있도록 한다.
본 발명에서는 각 입력들의 허용 기준 경계의 불확실성을 처리하기 위하여 퍼지 추론방법을 적용하였으며, 건전성 평가 지수 산출 모듈(180)은 퍼지 셋(Fuzzy Set) 기반 퍼지모델의 구조를 사용한다.
입력변수는 최근한 달간의 아크 발생 누적회수, 최근 한 달간의 코로나 방전 발생 누적횟수, 한 달 간의 부분방전 발생횟수,현재 온도를 각각
Figure 112014105823097-pat00019
,
Figure 112014105823097-pat00020
,
Figure 112014105823097-pat00021
로 정의하며, 퍼지규칙은 다음 수학식 3의 3개의 규칙으로 표현된다.
Figure 112014105823097-pat00022
여기서
Figure 112014105823097-pat00023
은 각 입력에 대한 퍼지 소속함수이다. 본 발명에서는 퍼지 소속함수(fuzzy membership function)로서 S형태의 소속함수를 사용한다. 이 방법은 계수의 조정을 통해 사용자가 원하는 소속정도를 설정할 수 있는 장점이 있다. S형태의 소속함수는 다음 수학식 4와 같이 정의된다.
Figure 112014105823097-pat00024
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점으로써 적절하게 조정되어야 한다.
본 발명에서는 각 입력에 대한 함수의 파라미터를 다음과 같이 적용하였다.
최근 한 달간의 아크발생 누적회수입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
도 3a의 그래프는 소속함수의 출력값에 100을 곱한 값으로 최근 한 달간 30 회의 아크가 발생하면 아크발생 지수는 30 이 되고, 70 회 발생하면 70이 된다. 100 회 이상이 발생하면 아크발생지수는 100 이 된다.
과도대지전압 검출에 의해 최근 한 달간의 코로나방전발생 회수입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
도 3b의 그래프는 소속함수의 출력 값에 100을 곱한 값으로 최근 한 달간 30 회의 코로나 방전이 발생하면 코로나 방전 발생 지수는 30 이 되고, 70회 발생하면 70 이 된다. 100 회 이상이 발생하면 코로나 방전 발생지수는 100 이 된다.
부분방전의 소속함수에 대한 부분방전 발생지수도 상기와 같은 절차로 산출된다.
온도 입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
도 3c의 그래프는 소속함수의 출력 값에 100을 곱한 값이다. 일반적으로 전기설비는 허용온도가 있으며 진단하고자 하는 설비의 허용온도를 고려하여 파라미터를 설정한다. 일반적으로 전기설비는 스펙은 40℃ 기준 검사하게 된다. 본 발명에서는 75℃이상이 되면 온도지수가 100이 되며 50℃이하에서는 온도지수가 0 이 되도록 설정하였다.
아크방전지수, 코로나 방전지수, 부분방전 발생지수, 온도지수는 Dombi 소속함수의 출력에 100을 곱한 값으로써 100에 가까울수록 열화가 많게 되며, 0에 가까울수록 정상을 의미하게 된다. 퍼지모델의 최종 출력은 다음 수학식 5와 같이 산출된다.
Figure 112014105823097-pat00025
여기서
Figure 112014105823097-pat00026
,
Figure 112014105823097-pat00027
,
Figure 112014105823097-pat00028
는 각각 아크방전, 부분방전, 온도가 열화진단의 판단에 미치는 영향력을 의미한다.
수학식 5에서
Figure 112014105823097-pat00029
,
Figure 112014105823097-pat00030
,
Figure 112014105823097-pat00031
는 각각 아크방전누적횟수, 코로나방전누적횟수, 한 달 간의 부분방전 누적횟수 ,온도에 대한 가중치를 의미하며 실험데이터를 이용하여 최적화 되어야 하며, 본 발명에서는 PSO (Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 이용하여 최적화 한다.
실험 데이터는 모의 실험을 통하여 다음처럼 취득한다. 정상적일 때부터 진단대상을 서서히 열화 시킨다. 이는 임으로 아크와 부분방전을 발생시키면서 실험을 진행하며 자외선 감지 센서 모듈(110), 과도 대지 전압 센서 모듈(150), 적외선 센서 모듈(170) 등으로부터 검출된 값을 이용하여 다음처럼 테이블로 작성한다. 이때 건전성 지수는 많은 실험을 통하여 결정해야 되며 열화정도에 따라 1~100사이의 값으로 결정하여 도 3d의 테이블을 작성한다.
위의 실험데이터를 이용하여 수학식 5에서 보인 퍼지모델의 파라미터인 가중치
Figure 112014105823097-pat00032
,
Figure 112014105823097-pat00033
,
Figure 112014105823097-pat00034
를 결정하며, 이해를 돕기 위해 PSO알고리즘에 대하여 설명한다.
PSO 알고리즘에서 집단(Swarm)은 여러 개의 Particle로 이루어져 있으며, 각각의 Particle의 위치는 풀고자 하는 문제에 대한 가능한 각각의 해가 된다. 각각의 Particle들은 매번 반복하여 자신의 위치, 즉 해를 변화시키게 되는데, 이 과정에서 모든 Particle 위치 중에 가장 좋았던, 즉 적합도가 높았던 위치와 각 Particle들의 위치변화 중 가장 적합도가 높았던 위치를 고려하여 위치를 변화시키면서 최적의 해를 찾아간다. PSO 알고리즘은 다음과 같다.
[단계 1] 초기화
[단계 1-1] n개의 particle을 탐색공간 내에서 랜덤하게 생성하여 초기 swarm을 형성한다. 본 발명에서 찾고자하는 최적의 해는 수학식 3에서 보이는 아크방전 누적회수, 부분방전누적횟수, 온도가 열화정도(건전성지수)에 미치는 영향력을 의미하는 w1, w2, w2의 최적값을 구하는 데 있다. Partile은 w1, w2, w3 세 개의 변수로 정의되며 집단(Swarm)의 크기인 Particle의 수는 30개로 하여 램덤하게 Swarm을 형성한다.
[단계 1-2] 초기 particle의 속도를
Figure 112014105823097-pat00035
내에서 랜덤하게 생성한다.
Figure 112014105823097-pat00036
는 particle의 j번째 요소의 최대 이동속도를 의미하며 일반적으로 탐색범위의 20%로 설정한다. 본 발명에서 w1, w2, w3의 탐색범위는 0 ~ 10으로 정의 하였으며, 경우에 따라서 다르게 설정할 수 있다.
[단계 1-3] 초기 swarm의 각 particle에 대하여 평가를 수행한다.
최적의 해를 찾기 위해서는 초기 생성된 particle에 대하여 평가를 해야 하며 본 발명에서 평가지수는 다음 수학식 6처럼 MSE (Mean squared Error)를 사용하였다.
Figure 112014105823097-pat00037
여기서, m은 실험데이터의 수이며, 본 발명에서는 실험데이터를 100개를 구축하였기 때문에 100이 된다.
Figure 112014105823097-pat00038
는 실험데이터에서 i번째 실험데이터에 대한 출력(건전성지수이다.)
Figure 112014105823097-pat00039
는 I번째 실험 데이터의 입력값 x1, x2, x3에 대한 퍼지모델의 출력으로써 수학식 9로부터 계산된 값이다.
[단계 1-4] 초기 particle의 평가지수로부터 gbest와 pbest를 찾아 선정한다. pbest는 각 particle의 자취중 가장 우수한 값이면, gbest는 swarm내에서 가장 우수한 값이다.
[단계 2] 관성하중과 속도를 보정한다.
[단계 2-1] 관성하중은 반복에 따른 이동속도를 조절하기 위한 값으로써 반복이 진행될 수록 관성하중의 값이 작아지도록 수학식 7을 이용하여 계산한다.
Figure 112014105823097-pat00040
여기서, t는 반복수를 의미하며,
Figure 112014105823097-pat00041
,
Figure 112014105823097-pat00042
는 각각 관성하중의 최대값과 최소값이다. maxgen은 최대 반복횟수를 의미한다.
[단계 2-2] 수학식 7을 이용하여 각 particle의 새로운 이동 속도를 계산한다. 수학식 7은 particle이 이동할 방향과 속도의 변화량을 결정하는 식으로써 각 particle의 이동경로에서 가장 우수했던 위치인 pbes와 가장 우수한 particle의 위치인 gbes의 값 그리고 전 반복에서의 속도의 세 항목으로써 계산된다.
Figure 112014105823097-pat00043
여기서,
Figure 112014105823097-pat00044
는
Figure 112014105823097-pat00045
번째 반복에서 k번째 particle의 j번째 요소에 대한 속도를 의미하며, c1 , c2 는 임의의 상수, r1 , r2은 0∼1사이의 랜덤한 값이다. xij는 k번째 particle의 j번째 요소의 값이다.
[단계 3] 수학식 9를 이용하여 각 particle의 새로운 위치를 결정한다.
Figure 112014105823097-pat00046
[단계 4] 새로 생성된 particle을 평가하고 pbest와 gbest를 갱신한다.
[단계 5] 단계2-4를 종료조건이 만족할 때까지 반복적으로 수행한다. 종료 후 최종적으로 생성된 gbest는 최적의 위치정보를 갖게 되며, 찾고자 하는 최적값이 된다.
상기와 같은 방법으로 학습을 진행하였을 경우 최적의 w1, w2, w3는 각각 0.3, 0.5 0.2가 선정되었다. 그렇지만 이는 구축된 실험데이터에 따라 달라질 수 있다.
결론적으로 건전성지수(HPI)는 아크발생누적횟수, 부분방전누적횟수, 온도입력 값에 대하여 다음 수학식 14처럼 산출된다.
Figure 112014105823097-pat00047
여기서,
Figure 112014105823097-pat00048
,
Figure 112014105823097-pat00049
,
Figure 112014105823097-pat00050
는 멤버십 함수이다.
건전성지수(HPI)는 0~100사이의 값으로 산출되며 100에 가까울수록 안전하며 0에 수치가 낮을수록 열화정도가 심함을 의미한다. 이를 유지보수에 활용하기 위해 HPI를 산출하여 표시하며 기준을 정하여 경보를 발생하는데 활용될 수 있다.
HPI가 0~ 30% 사이는 설비 교체 또는 유지보수 30~ 60% 사이는 설비 점검, 60~80% 사이는 주의, 80~100% 사이는 정상 상태 등으로 표시하여 유지보수를 용이하게 적용될 수도 있다.
다시 도 1a를 참조한다.
건전성 평가 지수 산출 모듈(180)는 적외선 센서 모듈(170)로부터 수신된 온도 및 직접 산출된 건전성 평가 지수 그리고 과도 대지 전압 센서 모듈(150)의 부분 방전이나 자외선 감지 센서 모듈(110)에 의한 아크 방전의 발생 여부를 신호 송신 모듈(190)로 송신하도록 구성될 수 있다.
그리고 건전성 평가 지수 산출 모듈(180)은 앞서 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 건전성 평가 지수 산출 모듈(180)은 과도 대지 전압 센서 모듈(150)에서 감지된 과도 대지 전압을 이용하여 부분방전을 검출하며, 자외선 감지 센서 모듈(110)에 의한 아크(arc) 방전 또는 코로나(corona) 방전을 검출하며, 이들이 검출되는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하도록 구성될 수 있다.
원격 관제 단말(200)은 신호 송신 모듈(190)을 통해 건전성 평가 지수를 수신하며, 온도의 변화 추이 및 건전성 평가 지수에 따른 열화 상태를 분석하여 저장하고 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
신호 송신 모듈(190)은 디지털 신호 처리 모듈(140)에서 출력된 아크 발생 정보를 원격 관제 단말(200)로 송신하도록 구성될 수 있다.
원격 관제 단말(200)에서는 다수의 수배전반으로부터 신호를 수신하여 원격 모니터링하고 신속한 현장 조치 등을 취할 수 있도록 구성된다.
또한, 신호 송신 모듈(190)은 알람 발생 회로 모듈(130)에서 발생된 알람을 원격 관제 단말(200)로 실시간 송신하도록 구성될 수 있다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 생성 모듈의 블록 구성도이다.
도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 생성 모듈(120)은 아크 신호 정형 회로부(121), 아크 신호 카운트부(122), 데이터 래치부(123), 펄스폭 변환 회로부(124)를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 아크 신호 정형 회로부(121)는 자외선 감지 센서 모듈(110)에서 생성된 방전 펄스를 정형화하여 출력하도록 구성될 수 있다.
아크 신호 정형 회로부(121)는 방전 펄스 자체가 아날로그 신호로서 왜곡이 심하거나 비정형적이므로, 일정 크기 이상의 신호를 클리핑하거나 정형화하여 출력하도록 구성될 수 있다.
아크 신호 카운트부(122)는 아크 신호 정형 회로부(121)에서 변환된 방전 펄스의 개수를 소정 주기마다 카운트하도록 구성될 수 있다.
데이터 래치부(123)는 아크 신호 카운트부(122)에서 카운트된 방전 펄스의 개수를 저장하도록 구성될 수 있다.
데이터 래치부(123)는 소정 주기마다 얼마나 자주 아크가 발생하는지 판단하기 위한 메모리 구성이다. 데이터 래치부(123)에 저장되는 방전 펄스의 개수를 이용하여 알람 발생 회로 모듈(130)이 알람의 발생 여부를 결정하도록 구성될 수 있다.
펄스폭 변환 회로부(124)는 아크 신호 정형 회로부(121)에서 변환된 방전 펄스의 펄스폭을 일정하게 변환하여 디지털 신호 처리 모듈(140)로 출력하도록 구성될 수 있다.
디지털 신호 처리 모듈(140)에서는 방전 펄스를 분석하여 다양한 아크 발생 정보를 생성하기 때문에, 아크 신호 정형 회로부(121)의 방전 펄스의 펄스폭을 일정하게 가공된 상태로 입력받도록 구성된다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신 모듈의 블록 구성도이다.
도 1d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신 모듈(190)은 RS-485 통신부(191) 또는 RS-232 통신부(192)를 포함하도록 구성될 수 있다.
신호 송신 모듈(190)은 아크 발생 정보를 RS-485 방식 또는 RS-232 방식에 의해 원격지의 원격 관제 단말(200)로 실시간 송신하도록 구성될 수 있다. 다른 통신 방식도 이용될 수 있으나, 고주파를 발생하는 여러 다른 무선 방식은 부적합할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전반의 아크 진단 센서에서 검출되는 자외선 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 자외선 감지 센서 모듈(110)에서 활용하는 자외선 파장 대역은 UVC 대역의 자외선 파장 대역으로서, 210 nm 내지 280 nm에 해당된다.
다른 UVB 대역이나 UVA 대역의 자외선 파장은 주로 자연광이나 조명등의 자외선에 해당되므로, 자외선 감지 센서 모듈(110)에 구비된 자외선 필터(미도시)를 이용하여 차단된다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 정면도이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 배면도이고, 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 측면도이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 과도대지전압 검출 센서(151)는 검출 전극(151a), 접지 전극(151b), 유전체(151c), BNC 연결 단자(151d)를 포함하도록 구성될 수 있다.
검출 전극(151a)은 원형의 동판으로 구성될 수 있으며, 지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜로 구성될 수 있다.
접지 전극(151b)은 원형의 동판으로 구성될 수 있으며, 지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜로 구성될 수 있다.
유전체(151c)는 검출 전극(151a) 및 접지 전극(151b)의 사이에 삽입되며 두께 0.5 ㎜의 에폭시 수지로 구성될 수 있다.
즉, 유전체(151c)의 양단에 검출 전극(151a) 및 접지 전극(151b)이 접합되어 구성된다.
BNC 연결 단자(151d)는 검출 전극(151a)의 중심부로부터 유전체(151c) 및 접지 전극(151b)을 관통하여 돌출 구성되는 검출 전극 돌출부와 결합되도록 구성될 수 있다.
과도대지전압 검출 센서(151)의 검출 신호는 BNC 연결 단자(151d)를 통해 검출된다.
여기서, 과도대지전압 검출 센서(151)에 의해 검출되는 주파수 대역은 150 kHz 내지 16 MHz이다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 검출 원리를 나타내는 개념도이고, 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서의 노튼 등가 회로이다.
도 5d 및 도 5e를 참조하여 과도 대지 전압 검출 원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저 과도대지전압 검출 센서(151)에서 검출되는 전체 전류는 다음의 수학식 11과 같다.
Figure 112014105823097-pat00051
수학식 11로부터 수학식 14가 도출될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00052
여기서, 수학식 12에 의해 산출되는 미지의 전압 V(t) 는 다음과 같이 증폭기의 입력 임피던스 Zo의 크기에 따라 달라진다. 증폭기의 입력 임피던스가 50 Ω이라 하면, 수학식 12에서 우변항의 첫번째 항이 두번째 항보다 매우 미소하여 이를 무시한다고 가정하면 측정하고자 하는 미지의 전압 V(t)는 수학식 13과 같이 근사화시킬 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00053
여기서, 감지전압 V(t)의 크기는 과도대지전압 검출 센서(151)의 면적 S에 의하여 결정되고 입사 변위 전류량에 의하여 샘플링된다. 이러한 경우, 과도대지전압 검출 센서(151)의 감지전압 V(t)는 전속밀도의 시간에 대한 미분량에 비례한다.
도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 부분 검출 원리를 설명하기 위한 측면도이고, 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 과도대지전압 검출 센서에 의한 부분 방전 펄스(partial discharges pulse)를 나타내는 그래프이다.
도 5f를 참조하면, 내부에 부스바가 구비되어 있는 금속 스위치기어(metal switchgear)의 일부에 손상이 발생하여 과도대지전압에 의한 RF 신호의 부분 방출이 발생하는 것이 나타나 있다.
과도대지전압 검출 센서(151)는 금속 스위치기어의 외부면에 부착되어 금속 클래드 스위치기어의 절연 성질 이내에서 발생하여 방사되는 4 MHZ 내지 100 MHz의 고주파 펄스를 감지한다.
부분 방출의 정도는 다음의 수학식 14에 의해 정량화될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00054
여기서, 0dB는 1 mV, 50 옴의 피크 신호(peak signal)과 대략 100 pC의 정전 용량을 나타낸다.
다음의 표 3에서는 RF 신호의 부분 방출에 따른 과도대지전압의 위험성을 나타내고 있다.
Figure 112014105823097-pat00055
표 3을 참조하면, RF 신호가 0dB 이하로 검출되면 금속 스위치기어의 절연성에 문제가 없으며, 0-15dB에서는 약간의 방출이 발생하지만 6-12개월 후에 다시 테스트되어야 하는 정도이다. 15-25dB이면 지속적인 모니터링이 요구되며 다시 테스트를 받을 필요가 있는 정도이다. 25-35dB이면 부분 방출량이 많은 정도로서 부분 방출의 근원 지점에 대한 조치가 요구된다. 35dB 이상이면 매우 심각한 정도의 방출로서 금속 스위치기어는 분리되어 테스트할 필요가 있으며 부분 방출의 근원 지점에 대한 수리가 요구된다.
도 5g를 참조하면, 변압기 등의 국부절연 파괴에 의한 부분 방전 펄스 신호가 시간대에 따라 도시되어 있다. 스위치기어(switchgear) 부분 방전 펄스는 수십 피코초(picoseconds) 또는 수백 피코초의 짧은 펄스로 생성된다. 스위치기어 부분 방전 펄스는 수백 피코초 정도의 매우 빠른 상승 시간과 수십 나노초(nanoseconds) 정도의 펄스폭을 갖는 특징이 있으므로, 이러한 특징에 의해 부분 방전 펄스가 인지될 수 있다. 부분 방전 펄스는 전형적으로 대략 4 MHz - 100 MHz 정도의 고주파 신호이며 스위치기어 패널(switchgear panel) 내에서 다수의 반사파형(relfections)을 생성하는 진동파 형태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 등가 회로이다.
도 6을 참조하면, 저잡음 증폭 회로(153)와 방전 검출 모듈(160)을 연결하는 동축 케이블의 절연체와 외부 도체에 의한 정전 용량에 의한 신호 왜곡을 제거하기 위해 동축 케이블의 특성 임피던스와 동일한 50 Ω의 정합 저항 Rm 및 보상 저항 Ri를 포함하는 합성 임피던스 Av를 갖도록 구성될 수 있다.
여기서, 합성 임피던스 Av는 다음 수학식 15로 표현될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00056
여기서, Rm은 검출 임피던스, fc는 차단 주파수이며, 임피던스 Zs는 다음의 수학식 16로 구성될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00057
여기서, Ld는 유도성 검출 임피던스, Ri는 저잡음 증폭 회로(152)의 입력 임피던스이다.
이때, 결합 회로망(152)를 통해 출력되는 전압은 다음 수학식 17로 구성될 수 있다.
Figure 112014105823097-pat00058
여기서, S는 유효 검출 면적, Rm은 저항성 검출 임피던스이다.
그리고 차단 주파수 fc는, -3 dB 주파수로서 100 kHz로 구성될 수 있다.
한편, 저잡음 증폭 회로(153)는 결합 회로망(152)에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 50 Ω의 특성 임피던스를 갖는 동축 케이블을 통해 방전 검출 모듈(160)로 송신하도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 차단 주파수 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 회로망의 주파수 응답 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 차단 주파수 fc는 -3 dB 주파수로서 100 kHz 이상의 고주파 대역을 통과하도록 구성될 수 있음을 알 수 있고, 이에 따른 주파수 응답 그래프는 500 Hz에서 45 MHz까지의 주파수를 검출할 수 있게 된다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭 회로의 회로도이다.
도 9a의 저잡음 증폭 회로는 미소한 전자파 신호를 검출하기 위해 설계된 회로로서, 충분한 주파수 대역과 낮은 잡음 특성을 갖도록 2단 증폭으로 구성되며, 전압 이득은 40 dB로 설계되었다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭 회로의 주파수 응답 그래프이다.
도 9b를 참조하면, 증폭기가 특성 분석을 통해 이상 신호를 검출하기 위한 대역을 만족하고 있음을 알 수 있다. 실험 결과는 -3dB의 주파수 대역이 50 kHz 내지 5 MHz로 나타나 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 과도 대지 전압의 응답 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 과도 대지 전압의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 과도 대지 전압이 시간에 따라 변하는 특성을 나타낸다. 과도 대지 전압은 나노초 단위의 매우 짧은 시간 동안 발생하여 점차 소멸하고 있음을 알 수 있다. 그 절대적인 크기는 도 9와 같이 시간에 대해 반비례하여 급격하게 감소하고 있음을 알 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 자외선 감지 센서 모듈
120: 펄스 생성 모듈
130: 알람 발생 회로 모듈
140: 디지털 신호 처리 모듈
150: 과도 대지 전압 센서 모듈
151: 과도대지전압 검출 센서
151a: 검출 전극
151b: 접지 전극
151c: 유전체
151d: BNC 연결 단자
152: 결합 회로망
153: 저잡음 증폭 회로
160: 방전 검출 모듈
170: 적외선 센서 모듈
180: 건전성 평가 지수 산출 모듈
190: 신호 송신 모듈

Claims (17)

  1. 아크(Arc)에 의해 발생되는 자외선을 감지하는 자외선 감지 센서 모듈;
    상기 자외선 감지 센서 모듈에서 감지된 자외선에 따라 방전 펄스를 생성하는 펄스 생성 모듈;
    상기 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 이용하여 알람을 발생하는 알람 발생 회로 모듈;
    상기 펄스 생성 모듈에 의해 생성된 방전 펄스를 입력받아 아크 발생 정보를 출력하는 디지털 신호 처리 모듈;
    금속 하우징의 외부 표면에 부착되며 상기 금속 하우징 내부의 내부 부분 방전에 의해 발생되는 부분 방전 펄스에 의해 상기 금속 하우징에 생성되는 표면 전류에 따른 과도 대지 전압을 감지하는 과도 대지 전압 센서 모듈;
    상기 과도 대지 전압 센서 모듈에서 감지된 과도 대지 전압을 이용하여 내부 절연물의 국부 파괴로 인한 내부 부분 방전을 검출하는 방전 검출 모듈;
    부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 적외선 센서 모듈;
    상기 적외선 센서 모듈에서 감지된 온도를 이용하여 건전성 평가 지수를 산출하는 건전선 평가 지수 산출 모듈;
    상기 디지털 신호 처리 모듈에서 출력된 아크 발생 정보를 원격 관제 단말로 송신하고, 상기 방전 검출 모듈에서 검출된 아크 방전 또는 코로나 방전을 상기 원격 관제 단말로 송신하며, 상기 건전성 평가 지수 산출 모듈에서 산출된 건전성 평가 지수를 상기 원격 관제 단말로 송신하는 신호 송신 모듈을 포함하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  2. 제1항에 있어서,
    210 nm 내지 280 nm의 파장 대역을 갖는 상기 아크에 의해 발생되는 자외선을 통과시켜 상기 자외선 감지 센서 모듈로 입력되도록 하고, 자연광이나 조명등에 의한 280 nm 내지 400 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 차단시켜 상기 자외선 감지 센서 모듈로 입력되지 못하도록 구성되는 자외선 필터를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자외선 필터는,
    상기 자외선 감지 센서 모듈을 감싸는 필름(film) 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  4. 제3항에 있어서, 상기 펄스 생성 모듈은,
    상기 생성된 방전 펄스를 정형화하여 출력하는 아크 신호 정형 회로부;
    상기 아크 신호 정형 회로부에서 변환된 방전 펄스의 개수를 소정 주기마다 카운트하는 아크 신호 카운트부;
    상기 아크 신호 카운트부에서 카운트된 방전 펄스의 개수를 저장하는 데이터 래치부를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  5. 제4항에 있어서, 상기 펄스 생성 모듈은,
    상기 아크 신호 정형 회로부에서 변환된 방전 펄스의 펄스폭을 일정하게 변환하여 상기 디지털 신호 처리 모듈로 출력하는 펄스폭 변환 회로부를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
    .
  6. 제5항에 있어서, 상기 알람 발생 회로 모듈은,
    상기 데이터 래치부에 저장된 방전 펄스의 개수가 소정 주기마다 5개를 넘는지 판단하여 5개를 넘으면 알람을 발생하는 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호 송신 모듈은,
    RS-485 통신부 또는 RS-232 통신부로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  8. 제7항에 있어서, 상기 과도 대지 전압 센서 모듈은,
    상기 과도 대지 전압을 축적하여 감지하는 과도대지전압 검출 센서;
    상기 과도대지전압 검출 센서에 축적되는 과도 대지 전압을 검출하여 전달하는 결합 회로망;
    상기 결합 회로망에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 상기 방전 검출 모듈 송신하는 저잡음 증폭 회로로 구성되는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  9. 제8항에 있어서, 상기 과도대지전압 검출 센서는,
    지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜의 동판으로 구성되는 검출 전극;
    지름 105 ㎜, 두께 0.5 ㎜의 동판으로 구성되는 접지 전극;
    상기 검출 전극 및 상기 접지 전극의 사이에 삽입되며 두께 0.5 ㎜의 에폭시 수지로 구성되는 유전체;
    상기 검출 전극의 중심부로부터 상기 유전체 및 상기 접지 전극을 관통하여 돌출 구성되는 검출 전극 돌출부와 결합되는 BNC 연결 단자로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  10. 제9항에 있어서, 상기 검출 전극 및 상기 접지 전극은,
    전계 집중이 발생하지 않도록 가장자리가 난연성 에폭시 수지로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  11. 제10항에 있어서, 상기 저잡음 증폭 회로는,
    상기 결합 회로망에 의해 전달되는 과도 대지 전압을 증폭하여 50 Ω의 특성 임피던스를 갖는 동축 케이블을 통해 상기 방전 검출 모듈로 송신하도록 구성되는 것을 특징으로 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  12. 제11항에 있어서, 상기 결합 회로망은,
    상기 동축 케이블의 절연체와 외부 도체에 의한 정전 용량에 의한 신호 왜곡을 제거하기 위해 상기 동축 케이블의 특성 임피던스와 동일한 50 Ω의 정합 저항 Rm 및 보상 저항 Ri를 포함하는 합성 임피던스 Av를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  13. 제12항에 있어서, 상기 합성 임피던스 Av는,
    다음의 수학식으로 구성되고,
    [수학식]
    Figure 112015021661208-pat00059

    여기서, Rm은 검출 임피던스, fc는 차단 주파수이며, 상기 임피던스 Zs는 다음의 수학식으로 구성되고,
    [수학식]
    Figure 112015021661208-pat00060

    여기서, Ld는 유도성 검출 임피던스, Ri는 상기 저잡음 증폭 회로의 입력 임피던스인 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  14. 제13항에 있어서, 상기 결합 회로망의 출력 전압은,
    다음의 수학식으로 구성되며,
    [수학식]
    Figure 112015021661208-pat00061

    여기서, S는 유효 검출 면적, Rm은 저항성 검출 임피던스인 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  15. 제14항에 있어서, 상기 차단 주파수 fc는,
    100 kHz로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  16. 제15항에 있어서, 상기 건전성 평가 지수 산출 모듈은
    상기 건전성 평가 지수를 하기 수학식에 의해 산출하고,
    [수학식]
    Figure 112015021661208-pat00062

    여기서,
    Figure 112015021661208-pat00063
    는 건전성 확률,
    Figure 112015021661208-pat00064
    는 i번째 데이터의 가중치,
    Figure 112015021661208-pat00065
    는 i번째 데이터의 기대값,
    Figure 112015021661208-pat00066
    는 i번째 데이터의 입력값이며,
    상기
    Figure 112015021661208-pat00067
    는 하기 수학식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy membership function)이고,
    [수학식]
    Figure 112015021661208-pat00068

    여기서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점인 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
  17. 제16항에 있어서, 상기 퍼지 소속 함수는,
    미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IR과 UV 그리고 TEV 검출에 의한 열화감시 진단 기능을 갖는 배전반.
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