KR101571877B1 - 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반에 관한 것으로, 배전반에 내부 설치된 전기 선로의 전압과 전류를 계기용 변압기와 계기용 변류기를 이용하여 검출한 다음 전기 선로에 단락이나 맴돌이 전류가 발생되었을 때 차단기에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기를 개방시킴으로써 전기 선로의 전류 흐름을 차단하는 보호 계전기와, 상기 배전반의 내부 온도를 감지하는 온도 센서, 상기 배전반의 내부 습도를 감지하는 습도 센서, 및 상기 보호 계전기를 통해 전기 선로의 전압과 전류를 검출하고 상기 온도 센서와 습도 센서로부터 취득된 아날로그 신호를 디지털값으로 변환함과 더불어 변환된 디지털값을 실제 온도와 습도로 환산하며 외부 단말기로부터 정보 요청이 있을 때 보호 계전기의 동작 상태와 보호 계전기를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 상기 온도 센서와 습도 센서로부터 취득된 배전반의 내부의 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기에게 제공하는 중앙 처리 수단(RTU/Data Logger)로 이루어질 수 있다.

Description

진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반{CLOSED TYPE SWITCHBOARD INCLUDING DIAGNOSTIC APPARATUS}

본 발명은 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배전반 내부에 배전반 내부의 온·습도와 아크 발생 여부, 배전 설비의 온도, 및 보호 계전기의 상태에 대한 데이터를 수집하는 중앙 처리 수단을 장착하고, 상기 중앙 처리 수단과 인터넷 접속될 수 있는 외부 단말기를 통해 배전반의 상태를 실시간으로 감시 및 진단할 수 있는 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반에 관한 것이다.

일반적인 배전 장치에는 통합형 배전반과, 일반형 배전반, 특고/고압/변압기반 및 저압 배전반 등이 있다.

이와 같은 배전 장치는 전력을 필요로 하는 가정이나, 공장, 빌딩, 병원, 아파트(APT) 단지, 및 각종 산업 시설 등에 공급되는 특별 고압(특고압)의 전기를 실제 사용하는 각종 설비 및 장비의 정격에 맞는 낮은 전압 및 정격 용량으로 변환(고압 또는 저압)시켜 전기 시설물을 안전하게 사용할 수 있도록 조작, 제어 및 감시하는 장치를 일컫는다.

상기 배전반과 같은 배전 장치는 각각의 하우징 내에 자동고장구간개폐기(Auto Section Switch)와, 피뢰기(Lightening Arrest), 파워 휴즈(Power Fuse), 전력량 계량기(Metering Out Fit), 변압기(Power Potential Transformer), 저압 주 차단기(Main Circuit Breaker), 및 분기 차단기(Distribution Breaker)등이 설치되는 배전반이 널리 도입되고 있는 실정이다.

이러한 배전반의 가장 큰 사고 위험성은 전압 변환등을 처리하는 전력 기기로부터 발생되는 열로 인한 온도 상승 및 전력 기기의 문제로 인해 발생하는 불꽃(Spark)등으로 인한 화재 위험성을 들 수 있다.

상기와 같은 배전반의 화재 발생은 작게는 배전반의 동작 정지로 인한 전력 중단으로부터 크게는 배전반이 설치된 건물이 화재 위험성을 내포함으로 배전반의 내부 온도 제어 및 화재 발생 감지 기술은 매우 중요하다.

현재 공지된 배전반의 내부 온도 제어 방식은 내부에 설치되는 온도 센서를 통해 측정된 온도 값이 적정한 온도 값을 초과하면, 하우징에 마련되는 도어를 개방하거나, 내부 공기를 순환시켜 온도를 낮추는 방식을 취하고 있다.

하지만, 이러한 방식은 실제 배전반의 전력 기기에 문제가 생겨 과열이 아닌 불꽃으로 인해 화재가 발생하는 경우에는 신속한 대응을 취하기 어려우며, 관리자가 온도 상승 및 불꽃 발생 등으로 문제가 발생하는 경우에는 실제로 해당 배전반에 접근하여 도어를 개방한 이후에 문제의 원인을 확인해야 하기 때문에 문제 발생을 해소하기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명의 선행 기술로는 특허 출원 번호 "10-2012-0060899"호의 "아크, 부분 방전, 및 온도 감시 통합 배전반 및 이를 이용한 배전반 제어 방법"이 출원되어 공개되었는데, 상기 아크, 부분 방전, 및 온도 감시 통합 배전반 및 이를 이용한 배전반 제어 방법은 배전반 내부에서 온도 및 아크, 부분 방전을 검측하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 온도 및 아크 발생 여부를 누설 전류에 대해 동일한 인터페이스 내에서 구현하는 통합 인터페이스부, 상기 검출부에서 검측된 온도와 아크 발생 여부 및 통합 인터페이스부에서 검측된 누설 전류를 동일한 인터페이스 상에서 상호 연동하여 배전반 내부의 기준값 초과 여부를 기준으로 위험 판단시 배전반을 제어하는 제어부를 포함한다.

대한민국 특허공개번호 10-2013-0137370 (2013.12.17) 대한민국 특허등록번호 10-0998531 (2010.12.07)

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 배전반에 설치된 보호 계전기와, 아크 검출 계전기, 및 온도 감시 시스템을 통합하고 상기 보호 계전기와 아크 검출 계전기, 및 온도 감시 시스템의 상태를 인터넷을 통해 언제 어디서나 확인할 수 있도록 함으로써 배전반을 최적 상태로 구동시킴과 더불어 배전반의 스마트한 유지 보수를 가능하게 한 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 배전반에 내부 설치된 전기 선로의 전압과 전류를 계기용 변압기와 계기용 변류기를 이용하여 검출한 다음 전기 선로에 단락이나 맴돌이 전류가 발생되었을 때 차단기에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기를 개방시킴으로써 전기 선로의 전류 흐름을 차단하는 보호 계전기와, 상기 배전반의 내부 온도를 감지하는 온도 센서, 상기 배전반의 내부 습도를 감지하는 습도 센서, 및 상기 보호 계전기를 통해 전기 선로의 전압과 전류를 검출하고 상기 온도 센서와 습도 센서로부터 취득된 아날로그 신호를 디지털값으로 변환함과 더불어 변환된 디지털값을 실제 온도와 습도로 환산하며 외부 단말기로부터 정보 요청이 있을 때 보호 계전기의 동작 상태와 보호 계전기를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 상기 온도 센서와 습도 센서로부터 취득된 배전반의 내부 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기에게 제공하는 중앙 처리 수단(RTU(Remote Terminal Unit)/Data Logger)으로 이루어질 수 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 외부 단말기와 연결되었을 때 보호 계전기의 동작 상태와 보호 계전기를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 온도 센서와 습도 센서로부터 취득된 배전반의 내부 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기에 표시할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 온도 감시부로부터 입력된 배전반 내부의 전기 접속점의 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나거나 상기 아크 검출 계전기에 의해 배전반 내부에서 아크가 검출되었을 때 경보 신호를 발생한다.

또한, 상기 온도 감시부와 아크 검출 계전기의 운전 조건을 원격 조종할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 배전반에 설치된 보호 계전기와 아크 검출 계전기, 및 온도 감시 시스템의 상태를 인터넷을 통해 언제 어디서나 확인할 수 있도록 함으로써 배전반을 최적 상태로 구동시킴과 더불어 배전반의 스마트한 유지 보수를 가능하게 한다.

도면 1은 본 발명의 개념도,
도면 2는 차단기를 구동시키는 기계 장치의 외함에 디지털 기록 장치가 장착된 상태를 도시한 도면,
도면 3은 본 발명에 갖추어진 아크 검출 계전기를 설명하기 위한 배전반의 종단면도,
도면 4는 온도 감시부의 제1 실시예에 대한 제어 블록도,
도면 5는 온도 감시부의 제1 실시예에 구비된 SAW 온도 센서의 사시도,
도면 6은 온도 감시부의 제2 실시예에 대한 제어 블록도,
도면 7은 본 발명에 갖추어진 디지털 기록 장치의 제어 블록도,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 도면 1에 도시한 바와 같이, 배전반에 내부 설치된 전기 선로의 전압과 전류를 계기용 변압기와 계기용 변류기를 이용하여 검출한 다음 전기 선로에 단락이나 맴돌이 전류가 발생되었을 때 차단기(31)에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기(31)를 개방시킴으로써 전기 선로의 전류 흐름을 차단하는 보호 계전기(1)와, 상기 배전반의 내부 온도를 감지하는 온도 센서(3), 상기 배전반의 내부 습도를 감지하는 습도 센서(5), 및 상기 보호 계전기(1)를 통해 전기 선로의 전압과 전류를 검출하고 상기 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 아날로그 신호를 디지털값으로 변환함과 더불어 변환된 디지털값을 실제 온도와 습도로 환산하며 외부 단말기(14)로부터 정보 요청이 있을 때 보호 계전기(1)의 동작 상태와 보호 계전기(1)를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 상기 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 배전반의 내부 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기(14)에 제공하는 중앙 처리 수단(RTU(Remote Terminal Unit)/Data Logger)(7)으로 이루어진다.

상기 온도 센서(3)와 습도 센서(5)는 중앙 처리 수단(7)에 하드 와이어(Hard-Wire)로 연결된다.

또한, 상기 보호 계전기(1)는 중앙 처리 수단(7)과 RS-485 통신을 통해 데이터를 교류한다.

상기 배전반에는 도면 1과 도면 2에 도시한 바와 같이, 배전반 내부에 설치된 아크 검출 센서(21)를 이용하여 배전반 내부에서 발생된 아크를 검출하고 상기 아크 검출 센서(21)를 통해 아크가 검출되면 차단기(31)에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기(31)를 개방시킴으로서 아크를 제거하는 아크 검출 계전기(11)와, 배전반 내부의 전기 접속점의 온도를 측정하는 온도 감시부(13), 및 상기 차단기(31)를 구동시키기 위한 기계 장치(Mechanism)의 외함(97) 또는 차단기반에 차단기(31)의 운전 데이터와 차단기(31)의 이력 정보를 기록하고 상기 트립 코일(99)의 이상 유무를 진단하며 차단기(31)가 동작될 때 발생되는 서지 전류를 검출하는 착탈식 디지털 기록 장치(15)(CB CMD Unit: Circuit Breaker Condition Monitoring & Diagnosis)를 구비한다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 온도 감시부(13)로부터 입력된 배전반 내부의 전기 접속점의 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나거나 상기 아크 검출 계전기(11)에 의해 배전반 내부에서 아크가 검출되었을 때 경보 신호를 발생하고 상기 온도 감시부(13)와 아크 검출 계전기(11)의 운전 조건을 원격 조종하며 인터넷을 통해 외부 단말기(14)와 연결되었을 때 아크 검출 계전기(11)와 온도 감시부(13)의 동작 상태 및 디지털 기록 장치(15)에 기록된 내용을 인터넷을 통해 외부 단말기(14)에 제공한다.

상기 배전반에는 중앙 처리 수단(7)으로부터 제공된 웹 페이지를 표시하는 디스플레이부(19)가 부가 장착된다.

상기 아크 검출 계전기(11)와 디지털 기록 장치(15)는 이더넷(Ethernet)을 통해 중앙 처리 수단(7)과 접속되고 상기 온도 감시부(13)는 RS485 통신을 통해 중앙 처리 수단(7)에 접속된다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 외부 단말기(14)에 정보를 제공하는 웹 서버 기능을 수행하고 Modbus TCP나, Modbus RTU, 또는 인테넷 관련 프로토콜을 사용하여 외부 장치와 접속된다.

또한, 상기 중앙 처리 수단(7)에는 운영체제가 포팅(Porting)됨이 바람직하다.

상기 디지털 기록 장치(15)는 통신 포트(Comm Ports)로서 이더넷(Ethernet) 통신 포트와 RS485 통신 포트를 구비하고, Modbus TCP나 Modbus RTU 통신 프로토콜을 이용하여 중앙 처리 수단(7)과 정보를 주고 받을 수 있다.

상기 디지털 기록 장치(15)는 차단기(31)를 예방 및 진단하는 장치로서 차단기(31) 구동 전압과 전류를 검출하고, 배전반 내 아크 발생 내역을 기록한다.

또한, 상기 디지털 기록 장치(15)는 디지털 기록 장치(15)로부터 전달받은 서지 전류를 분석하여 차단기(31)의 스위치 접점 상태를 진단하는 외부 서버(17)를 더 포함한다.

상기 중앙 처리 수단(7)에는 표준 웹 브라우저가 설치된 단말기(14)가 접속되어 아크 검출 계전기(11)와 온도 감시부(13)의 동작 상태 및 디지털 기록 장치(15)에 기록된 내용을 열람할 수 있다.

또, 상기 디스플레이부(19)는 배전반의 외부 판넬에 부가 장착된다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 웹 페이지(Web Page) 기능을 내장하여 배전반의 구성도나 배전반에 온도 센서가 설치된 위치 또는 배전반에 아크 검출 계전기(11)가 설치된 위치를 웹 페이지를 통해 표시 화면으로 구성할 수 있다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 온도 감시부(13)나 아크 검출 계전기(11), 또는 디지털 기록 장치(15)로부터 수집된 데이터를 사용자가 기정의한 보고서 틀에 맞춰 기록 및 저장한다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 차단기(31)반에 장착 될 수 있다.

또, 상기 중앙 처리 수단(7)은 표준 웹 브라우저(Web Browser)가 내장된 휴대폰이나 PC 또는 태블릿과의 인터넷 접속을 통해 중앙 처리 수단(7)에 의해 취득된 데이터를 실시간으로 감시 및 진단할 수 있다.

상기 디스플레이부(19)에는 이벤트(Event)가 발생되지 않은 평상시 보호 계전기(1)를 통해 읽어들인 전기 선로의 전압과 전류값을 표시할 수 있고, 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 배전반의 내부 온도와 습도를 표시하며, 상기 온도 감시부(13)를 통해 읽어들인 배전반 내부의 전기 접속점의 온도를 표시할 수 있다.

상기 중앙 처리 수단(7)은 전기 선로의 전압 및 전류값과, 배전반의 내부 온도와 습도, 그리고 배전반 내 주요 판넬부의 온도를 디스플레이부(19)에 표시된 배전반의 구성도에 실시간으로 표시한다.

또한, 상기 중앙 처리 수단(7)은 단락 사고나 배전반 내 아크 발생 및 배전반의 온도 상승에 의한 이벤트(Event) 발생 시 보호 계전기(1)가 동작되었을 때 보호 계전기(1)를 모니터링(Monitoring)하는 화면으로 이동한다.

또, 상기 중앙 처리 수단(7)은 이벤트 발생시 아크 검출 계전기(11)와 보호 계전기(1)가 함께 동작되었을 때 디스플레이부(19)에 아크 검출 계전기(11)를 모니터링하는 화면을 자동으로 표시하고, 디스플레이부(19)에 아크 발생 개소를 표시한다.

또, 상기 중앙 처리 수단(7)은 온도 감시부(13)로부터 경보가 발생되었을 때 디스플레이부(19)에 온도 감시부(13)를 모니터링하는 화면을 자동으로 표시한다.

한편, 상기 디지털 기록 장치(15)에 기록 및 저장된 내용은 사용자의 요청이 있을 경우에만 디스플레이부(19)에 디스플레이 된다.

상기 아크 검출 계전기(11)는 도면 3에 도시한 바와 같이, 모선 단락 및 지락 사고시 발생하는 아크 빛을 감지하여 광 신호를 전송하는 적어도 하나 이상의 아크 검출 센서(21)와, 상기 아크 발생으로 인한 이상 전압 및 전류를 감지하여 이상 감지 신호를 전송하는 적어도 하나 이상의 변성기(23), 상기 아크 검출 센서(21) 및 변성기(23)로부터 광 신호와 이상 감지 신호를 전송받아 비교 분석하여 아크 고장 상태 여부를 판별하고, 상기 아크 고장 상태로 판단되면 차단 신호와 아크 소호 동작 신호를 전송하는 아크 보호 모니터(25), AC 전원을 입력받아 DC 전압으로 변환하여 축적하고, 상기 아크 소호 동작 신호를 전송받아 DC 전압을 방전하는 콘덴서 뱅크(27)(CAPACITOR BANK), 상기 콘덴서 뱅크(27)의 DC 고전압을 전송받아 톰슨 코일(THOMSON COIL)에 전류를 흘려 가동 접점을 동작시켜 모선 부스바를 접지시킴으로써 고속으로 아크를 제거하는 아크 소호 장치(29), 및 상기 아크 소호 장치(29)에 의한 아크 제거 후에 차단 신호를 전송받아 주전원을 차단하는 차단기(31)를 포함한다.

상기 온도 감시부(13)는 도면 4에 도시한 제1 실시예와 같이, 외부로부터 수신된 센서 구동 마이크로웨이브(microwave) 신호에 의해 구동되며, 상기 배전반 설비의 미리 정해진 각 접속점의 온도 정보를 포함하는 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 각각 미리 정해진 중심 주파수와 해당 대역폭의 신호로 변조하여 송신하는 12개의 SAW 온도 센서(33)와, 상기 12개의 SAW 온도 센서(3)로부터 표면 탄성파를 각각 수신하여 외부로 유선 송출하는 1개의 안테나(35)를 포함한다.

상기 SAW 온도 센서(3)는 도면 5에 도시한 바와 같이, 고유의 탄성 상수와 온도에 따라 진동하여 표면 탄성파를 발생하는 압전 기판(37)과, 상기 센서 구동 마이크로웨이브(microwave) 신호를 무선 수신하는 안테나(39), 상기 안테나(39)를 통해 무선 수신된 센서 구동 마이크로웨이브 신호가 입력되고 입력된 센서 구동 마이크로웨이브 신호에 의해 상기 압전 기판(37)이 해당 점속점의 온도가 높아짐에 따라 점점 낮아지는 주파수로 진동하고 상기 압전 기판(37)의 진동에 의한 주파수를 갖는 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 소정의 중심 주파수로 변조하는 인터 디지털 트랜스듀서(41)(inter digital transducer, IDT), 및 상기 인터 디지털 트랜스듀서(41)에 의해 변조된 표면 탄성파를 반사하여 송신하는 반사판(43)을 포함한다.

상기 안테나(35)의 출력단에는 배전반으로부터 수신된 복수개의 표면 탄성파를 동축 케이블(coaxial cable)을 통해 수신받아 멀티플렉싱(multiplexing)하고 멀티플렉싱된 표면 탄성파를 하나의 동축 케이블로 출력하는 멀티플렉서(45)가 장착된다.

또한, 상기 온도 감시부(13)의 제1 실시 예는 센서 구동 마이크로웨이브 신호를 멀티플렉서(45)와 안테나(35)를 통해 SAW 온도 센서(3)로 송신하고, 멀티플렉서(45)로부터 출력되는 표면 탄성파를 수신하여 중앙 처리 수단(7)으로 전송하는 리더(47)가 부가 장착된다.

상기 리더(47)는 송수신을 위한 구성은 물론 내부에 프로세서(processor) 그리고 공진기를 구비하도록 구성될 수 있다.

상기 리더(47)는 각 SAW 온도 센서(3)의 공진기를 이용하여 중심 주파수를 통해 어느 SAW 온도 센서(3)의 온도값(표면 탄성파)이 수신되었는지 파악할 수 있도록 구성된다.

리더(47)는 각 SAW 온도 센서(3)에 대하여 미리 정해진 중심 주파수를 미리 저장하도록 구성된다.

또한, 리더(47)는 프로세서의 제어에 의해 SAW 온도 센서(3)로 센서 구동 마이크로웨이브 신호를 송신하도록 구성되며, 멀티플렉서(45)로부터 표면 탄성파를 수신한다.

상기 리더(47)에 장착된 프로세서는 센서 구동 마이크로웨이브 신호를 생성하고, 멀티플렉서(45)로부터 수신된 표면 탄성파를 디멀티플렉싱하고 디멀티플렉싱된 표면 탄성파 내지는 그를 복조하여 산출한 온도값 자체를 SAW 온도 센서(33)별로 구분한다.

리더(47)는 프로세서에서 SAW 온도 센서(33)별로 구분된 온도값을 중앙 처리 수단(7)으로 전송한다.

여기서, 상기 멀티플렉서(45)가 리더(47) 내에 임베드(embed)되어 구비될 수도 있다.

상기 리더(47)는 멀티플렉서(45)나 중앙 처리 수단(7)과의 인터페이싱(interfacing)을 위해 PC(personal computer) 인터페이스의 일종인 RS232C, RS485, E-NET, CAN, MODE-BUS 등의 범용 통신을 채택하여 통신하도록 구성될 수 있다.

리더(47)는 아날로그 신호를 직접 인출할 수도 있으며, 위 통신 방식중 하나 또는 하나 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.

리더(47)의 프로세서는 SAW 온도 센서(33)의 신호를 일반적으로 사용되는 동상(in-phase) 기본 대역에서 직각 위상 샘플 스트림(Quadrature sample stresam)과 더블 헤테로다인 인식(double heterodyne down-conversion)에 대한 시간 영역(time-domain)을 기반으로 분석한다.

또한, 상기 리더(47)의 프로세서는 비연속 푸리에 변환(discrete Fourier transform, DFT)과, 파워 스펙트랄 밀도(power spectral density, PSD), 곡선 맞춤 보간법(curve fit interpolation)을 사용하여 신호를 획득하며 동상(in-phase) 직각 위상 샘플( quadrature sample)을 통하여 분석하도록 구성될 수 있다.

상기 리더(47)의 송수신 모듈은 공진기(reasonator)를 통해 길고 균일한 링-다운 신호를 발생하여 송신하도록 구성되며, 공진기의 Q값은 방사선 저항과 안테나(35) 저항을 고려하여 결정될 수 있다.

또한, 송신 펄스폭은 사용 전력을 줄이기 위해 3 dB 내외의 펄스폭으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 온도 감시부(13)는 도면 6에 도시한 제2 실시예와 같이, 배전반 외부에 설치되어 온도를 센싱하고 센싱된 온도에 대응되는 제1 전압값으로 변환하여 송신하며 고유의 어드레스(address)를 갖는 외부 유선 온도 센서 모듈(49)과, 상기 배전반 내부의 적어도 하나 이상의 도체 접속 부위에 설치되어 온도를 센싱하고 센싱된 온도에 대응되는 제2 전압값으로 변환하여 송신하며 고유의 어드레스를 갖는 내부 무선 온도 센서 모듈(51), 상기 외부 유선 온도 센서 모듈(49)로부터 제1 전압값을 수신하고 상기 내부 무선 온도 센서 모듈(51)로부터 제2 전압값을 수신하며, 수신된 제1 전압값과 제2 전압값을 각각 대응되는 외부 온도 및 내부 온도로 변환하는 온도 변환 모듈(53), 상기 배전반 내부의 적어도 하나 이상의 도체 접속 부위에 설치되어 통전 전류를 측정하는 통전 전류 측정용 제2 계기용 변류기(55), 상기 통전 전류 측정용 제2 계기용 변류기(55)의 2차측에 설치되어 상기 통전 전류 측정용 제2 계기용 변류기(55)에서 측정된 통전 전류를 전달하는 관통형 변류기(57), 및 상기 온도 변환 모듈(53)에서 변환된 외부 온도의 시간에 따른 변화량, 상기 온도 변환 모듈(53)에서 변환된 내부 온도의 시간에 따른 변화량, 상기 관통형 변류기(57)를 통해 전달받은 통전 전류의 시간에 따른 변화량을 각각 대비하여 분석하고, 분석 결과에 따라 이상 상태 신호 또는 이상 상태 징후 신호를 중앙 처리 수단(7)으로 출력하는 이상 상태 분석 모듈(59)을 포함한다.

상기 디지털 기록 장치(15)(CB CMD Unit: Circuit Breaker Condition Monitoring & Diagnosis)는 도면 7에 도시한 바와 같이, 보호 계전기(1)가 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 때 트립 코일(99)로 공급되는 전압을 검출하는 트립 코일 전압 검출부(61)와, 상기 보호 계전기(1)가 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 때 트립 코일(99)로 공급되는 전류를 검출하는 트립 코일 전류 검출부(63), 제어부(65)의 제어 신호에 따라 복수개의 스위치 중 어느 1개의 스위치를 닫아 상기 트립 코일 전압 검출부(61)와 트립 코일 전류 검출부(63)로부터 입력된 신호 중 어느 1개의 신호를 제어부(65)로 입력시키는 신호 선택부(67), 차단기(31)가 동작할 때 발생되는 서지(Surge) 전류를 측정하는 서지 전류 검출부(69), 상기 신호 선택부(67)를 통해 입력된 트립 코일 전압 검출부(61)에 의해 검출된 트립 코일 전압과 트립 코일 전류 검출부(63)에 의해 검출된 트립 코일(99) 전류를 입력받아 메모리(73)에 기 저장된 트립 코일(99) 전압과 트립 코일(99) 전류를 비교하여 이상 여부를 진단하고 서지 전류 검출부(69)로부터 측정된 서지 전류를 전송부(72)를 통해 외부 서버(17)로 전송하는 제어부(65), 및 차단기(31)가 정상적으로 동작할 때 차단기(31)의 트립 코일(99)에 공급되는 전압 및 전류 데이터와 차단기(31)의 이력 정보와 운전 데이터를 저장하는 메모리(73)로 이루어질 수 있다.

상기 디지털 기록 장치(15)는 서지 전류 검출부(69)로부터 입력된 서지 전류를 분석해 본 결과 차단기(31)의 스위치 접점에 이상이 검출되었을 때 경보를 발생시키고 트립 코일 전압 검출부(61)와 트립 코일 전류 검출부(63)에 의해 검출된 트립 코일(99) 전압과 트립 코일(99) 전류를 메모리(73)에 기저장된 차단기(31)의 트립 코일(99) 전압 및 전류와 비교하여 차이가 발생되었을 때 경보를 발생시키는 경보 발생부(75)를 더 포함한다.

상기 디지털 기록 장치(15)에는 차단기(31)가 동작한 경우에 차단기(31)의 진동 파형을 측정하는 진동 센싱 모듈(77)이 부가 장착되고, 상기 제어부(65)는 진동 센싱 모듈(77)에 의해 측정된 진동 파형과 제어부(65)에 저장된 표준 파형을 비교하여 이상 여부를 판별하며, 상기 제어부(65)에 저장된 표준 파형은 진동 센싱 모듈(77)을 통해 자체적으로 검출한 다음 저장한다.

상기 진동 센싱 모듈(77)은 진동을 감지하는 진동 센서와, 진동 센서로부터 출력되는 소신호를 증폭하는 제1 증폭부, 상기 제1 증폭부로부터 출력되는 신호 중 고주파 성분을 감쇄하는 제1 로우 패스 필터, 및 상기 제1 로우 패스 필터로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(65)로 전송하는 제1 A/D 변환부를 구비한다.

상기 차단기(31)의 운전 데이터는 차단기(31) 보조 전원의 전압 레벨과, 차단기(31)의 동작 횟수, 차단기(31)의 주위 온도, 차단기(31)의 투입과 개방 동작 사이의 소요 시간, 및 진공 차단기(31)에 장착되는 진공 밸브의 잔여 수명을 포함한다.

상기 운전 데이터와 이력 정보에 포함된 차단기(31)의 제번과 정격 사항은 외부 장치로부터 제어부(65)를 통해 메모리(73)에 저장된다.

상기 디지털 기록 장치(15)는 차단기(31) 보조 전원의 전압 레벨을 측정하여 차단기(31) 보조 전원의 최대값과 최소값을 검출하는 전압 측정 모듈(87)과, 상기 차단기(31)가 개방되거나 폐쇄된 동작 횟수를 카운트(Count)하는 차단기 동작 횟수 카운터(89), 상기 차단기(31)의 주위 온도를 측정하는 온도 측정 모듈(91), 상기 차단기(31)의 투입과 개방 동작간의 소요 시간을 측정하는 소요 시간 감지 모듈(93), 및 진공 차단기(31)에 장착되는 진공 밸브의 잔여 수명을 카운터하는 잔여 수명 카운터 모듈(95)을 더 포함한다.

상기 온도 측정 모듈(91)은 차단기(31) 외부에 장착된 상태에서 주변 온도에 비례하는 전압을 출력하는 온도 센싱부와, 상기 온도 센싱부로부터 출력되는 전압을 증폭하는 제2 증폭부, 상기 제2 증폭부로부터 출력되는 고주파 성분을 감쇄하는 제2 로우 패스 필터, 및 상기 제2 로우 패스 필터로부터 출력되는 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환하는 제2 A/D 변환부로 구성될 수 있다.

또한, 상기 온도 측정 모듈(91)은 차단기(31) 외부에 장착된 상태에서 차단기(31) 주위 온도를 검출하는 디지털 온도 센서로 구성될 수 있고, 상기 제어부(65)는 디지털 온도 센서와 디지털 통신 인터페이스를 통해 디지털 온도 센서로부터 검출된 차단기(31) 주위 온도를 취득할 수 있다.

상기 트립 코일 전압 검출부(61)는 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 경우에 트립 코일(99)의 양단 전압을 검출한다.

상기 트립 코일 전압 검출부(61)는 트립 코일(99) 양단의 전압차를 증폭하는 제1 차동 증폭기와 상기 제1 차동 증폭기로부터 출력되는 고주파 성분을 감쇄하는 제3 로우 패스 필터로 이루어질 수 있다.

상기 트립 코일 전류 검출부(63)는 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 경우에 상기 트립 코일(99)에 흐르는 전류를 검출한다.

상기 트립 코일 전류 검출부(63)는 제1 실시 예로서, 트립 코일(99)과 직렬 연결된 상태에서 트립 코일(99)에 흐르는 전류량에 비례하는 전압을 출력하는 션트(Shunt) 저항과, 상기 션트 저항의 양단 전압을 증폭하는 제2 차동 증폭기, 및 상기 제2 차동 증폭기로부터 출력되는 고주파 성분을 감쇄한 다음 출력 신호를 신호 선택부(67)의 입력 단자로 전달하는 제4 로우 패스 필터로 이루어질 수 있다.

상기 트립 코일 전류 검출부(63)는 제2 실시예로서 트립 코일(99)과 직렬 연결된 상태에서 트립 코일(99)에 흐르는 전류를 일정한 비율로 감쇄하여 출력하는 전류 트랜스와, 상기 전류 트랜스로부터 출력되는 전류를 출력 전류에 비례하는 전압으로 변환하기 위해 상기 전류 트랜스의 출력 단자와 직렬 연결된 전류 측정용 저항, 상기 전류 측정용 저항의 양단 전압을 증폭하는 제1 증폭기, 및 상기 제1 증폭기로부터 출력되는 고주파 성분을 감쇄한 다음 출력 신호를 신호 선택부(67)의 입력 단자로 전달하는 제5 로우 패스 필터로 이루어질 수 있다.

상기 제어부(65)는 신호 선택부(67)를 거쳐 입력되는 트립 코일 전압 검출부(61) 또는 트립 코일 전류 검출부(63)로부터 입력된 아날로그 전압을 디지털로 변환하여 트립 코일(99)의 전압과 전류를 검출할 수 있다.

상기 서지 전류 검출부(69)는 계기용 변류기로부터 검출된 전류에서 3상 전류를 합성하는 전류 트랜스(101)와, 상기 전류 트랜스로부터 출력되는 전류와 서지 전류 기준 레벨을 비교하여 서지 전류를 검출하는 레벨 검출부(103)로 이루어질 수 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 외부 단말기와 연결되었을 때 보호 계전기(1)의 동작 상태와 보호 계전기(1)를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 배전반의 내부 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기에 표시할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 온도 감시부(13)로부터 입력된 배전반 내부의 전기 접속점의 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나거나 상기 아크 검출 계전기(11)에 의해 배전반 내부에서 아크가 검출되었을 때 경보 신호를 발생한다.

또한, 상기 온도 감시부(13)와 아크 검출 계전기(11)의 운전 조건을 원격 조종할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반은 배전반에 설치된 보호 계전기(1)와 아크 검출 계전기(11), 및 온도 감시부(13)의 상태를 인터넷을 통해 언제 어디서나 확인할 수 있도록 함으로써 배전반을 최적 상태로 구동시킴과 더불어 배전반의 스마트한 유지 보수를 가능하게 한다.

1. 보호 계전기 3. 온도 센서
5. 습도 센서 7. 중앙 처리 수단
13. 온도 감시부 15. 디지털 기록 장치
25. 아크 보호 모니터 27. 콘덴서 뱅크
29. 아크 소호 장치 31. 차단기
33. SAW 온도 센서 35. 안테나
37. 압전 기판 39. 안테나
41. 인터 디지털 트랜스듀서 43. 반사판
45. 멀티플렉서 47. 리더
49. 외부 유선 온도 센서 모듈 51. 내부 무선 온도 센서 모듈
53. 온도 변환 모듈 55. 제2 계기용 변류기
57. 관통형 변류기 59. 이상 상태 분석 모듈
61. 트립 코일 전압 검출부 63. 트립 코일 전류 검출부
65. 제어부 67. 신호 선택부
73. 메모리 75. 경보 발생부
89. 차단기 동작 횟수 카운터 91. 온도 측정 모듈
93. 소요 시간 감지 모듈 95. 잔여 수명 카운터 모듈
97. 외함 99. 트립 코일
101. 전류 트랜스 103. 레벨 검출부

Claims (6)

1. 배전반에 내부 설치된 전기 선로의 전압과 전류를 계기용 변압기와 계기용 변류기를 이용하여 검출한 다음 전기 선로에 단락이나 맴돌이 전류가 발생되었을 때 차단기(31)에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기(31)를 개방시킴으로써 전기 선로의 전류 흐름을 차단하는 보호 계전기(1)와;
   상기 배전반의 내부 온도를 감지하는 온도 센서(3);
   상기 배전반의 내부 습도를 감지하는 습도 센서(5);
   및 상기 보호 계전기(1)를 통해 전기 선로의 전압과 전류를 검출하고 상기 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 아날로그 신호를 디지털값으로 변환함과 더불어 변환된 디지털값을 실제 온도와 습도로 환산하며 외부 단말기(14)로부터 정보 요청이 있을 때 보호 계전기(1)의 동작 상태와 보호 계전기(1)를 통해 검출된 전기 선로의 전압과 전류 및 상기 온도 센서(3)와 습도 센서(5)로부터 취득된 배전반의 내부 온·습도를 인터넷을 통해 외부 단말기(14)에 제공하는 중앙 처리 수단(RTU(Remote Terminal Unit)/Data Logger)(7)으로 이루어지고,
   상기 배전반에는 배전반 내부에 설치된 아크 검출 센서(21)를 이용하여 배전반 내부에서 발생된 아크를 검출하고 상기 아크 검출 센서(21)를 통해 아크가 검출되면 차단기(31)에 트립(Trip) 신호를 전달하여 차단기(31)를 개방시킴으로서 아크를 제거하는 아크 검출 계전기(11)와,
   상기 차단기(31)를 구동시키기 위한 기계 장치(Mechanism)의 외함(97) 또는 차단기반에 차단기(31)의 운전 데이터와 차단기(31)의 이력 정보를 기록하고 트립 코일(99)의 이상 유무를 진단하며 차단기(31)가 동작될 때 발생되는 서지 전류를 검출하는 착탈식 디지털 기록 장치(15)(CB CMD Unit: Circuit Breaker Condition Monitoring & Diagnosis)를 구비하고,
   상기 중앙 처리 수단(7)은 상기 아크 검출 계전기(11)에 의해 배전반 내부에서 아크가 검출되었을 때 경보 신호를 발생하고 상기 아크 검출 계전기(11)의 운전 조건을 원격 조종하며 인터넷을 통해 외부 단말기(14)와 연결되었을 때 아크 검출 계전기(11)의 동작 상태 및 디지털 기록 장치(15)에 기록된 내용을 인터넷을 통해 외부 단말기(14)에 제공하며,
   상기 배전반에는 중앙 처리 수단(7)으로부터 제공된 웹 페이지를 표시하는 디스플레이부(19)가 부가 장착되고,
   상기 배전반에는 배전반 내부의 전기 접속점의 온도를 측정하는 온도 감시부(13)가 장착되며,
   상기 중앙 처리 수단(7)은 웹 페이지(Web Page) 기능을 내장하여 배전반의 구성도나 배전반에 온도 센서가 설치된 위치 또는 배전반에 아크 검출 계전기(11)가 설치된 위치를 웹 페이지를 통해 표시하고,
   상기 중앙 처리 수단(7)은 차단기(31)반에 장착되고,
   상기 중앙 처리 수단(7)은 전기 선로의 전압 및 전류값과, 배전반의 내부 온도와 습도, 그리고 배전반 내 주요 판넬부의 온도를 디스플레이부(19)에 표시된 배전반의 구성도에 실시간으로 표시하며,
   상기 중앙 처리 수단(7)은 단락 사고나 배전반 내 아크 발생 및 배전반의 온도 상승에 의한 이벤트(Event) 발생 시 보호 계전기(1)가 동작되었을 때 디스플레이부(19)에 보호 계전기(1)를 모니터링(Monitoring)하는 화면을 표시하고,
   이벤트 발생시 아크 검출 계전기(11)와 보호 계전기(1)가 함께 동작되었을 때 디스플레이부(19)에 아크 검출 계전기(11)를 모니터링하는 화면을 자동으로 표시함과 더불어 디스플레이부(19)에 아크 발생 개소를 표시하며,
   온도 감시부(13)로부터 경보가 발생되었을 때 디스플레이부(19)에 온도 감시부(13)를 모니터링하는 화면을 자동으로 표시하고,
   상기 아크 검출 계전기(11)는 모선 단락 및 지락 사고시 발생하는 아크 빛을 감지하여 광 신호를 전송하는 적어도 하나 이상의 아크 검출 센서(21)와, 상기 아크 발생으로 인한 이상 전압 및 전류를 감지하여 이상 감지 신호를 전송하는 적어도 하나 이상의 변성기(23), 상기 아크 검출 센서(21) 및 변성기(23)로부터 광 신호와 이상 감지 신호를 전송받아 비교 분석하여 아크 고장 상태 여부를 판별하고, 상기 아크 고장 상태로 판단되면 차단 신호와 아크 소호 동작 신호를 전송하는 아크 보호 모니터(25), AC 전원을 입력받아 DC 전압으로 변환하여 축적하고, 상기 아크 소호 동작 신호를 전송받아 DC 전압을 방전하는 콘덴서 뱅크(27)(CAPACITOR BANK), 상기 콘덴서 뱅크(27)의 DC 고전압을 전송받아 톰슨 코일(THOMSON COIL)에 전류를 흘려 가동 접점을 동작시켜 모선 부스바를 접지시킴으로써 고속으로 아크를 제거하는 아크 소호 장치(29), 및 상기 아크 소호 장치(29)에 의한 아크 제거 후에 차단 신호를 전송받아 주전원을 차단하는 차단기(31)를 포함하며,
   상기 온도 센서(3)는 고유의 탄성 상수와 온도에 따라 진동하여 표면 탄성파를 발생하는 압전 기판(37)과, 상기 센서 구동 마이크로웨이브(microwave) 신호를 무선 수신하는 안테나(39), 상기 안테나(39)를 통해 무선 수신된 센서 구동 마이크로웨이브 신호가 입력되고 입력된 센서 구동 마이크로웨이브 신호에 의해 상기 압전 기판(37)이 해당 점속점의 온도가 높아짐에 따라 점점 낮아지는 주파수로 진동하고 상기 압전 기판(37)의 진동에 의한 주파수를 갖는 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 소정의 중심 주파수로 변조하는 인터 디지털 트랜스듀서(41)(inter digital transducer, IDT), 및 상기 인터 디지털 트랜스듀서(41)에 의해 변조된 표면 탄성파를 반사하여 송신하는 반사판(43)을 포함하고,
   상기 디지털 기록 장치(15)(CB CMD Unit: Circuit Breaker Condition Monitoring & Diagnosis)는 보호 계전기(1)가 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 때 트립 코일(99)로 공급되는 전압을 검출하는 트립 코일 전압 검출부(61)와, 상기 보호 계전기(1)가 차단기(31)의 트립 코일(99)을 구동시킬 때 트립 코일(99)로 공급되는 전류를 검출하는 트립 코일 전류 검출부(63), 제어부(65)의 제어 신호에 따라 복수개의 스위치 중 어느 1개의 스위치를 닫아 상기 트립 코일 전압 검출부(61)와 트립 코일 전류 검출부(63)로부터 입력된 신호 중 어느 1개의 신호를 제어부(65)로 입력시키는 신호 선택부(67), 차단기(31)가 동작할 때 발생되는 서지(Surge) 전류를 측정하는 서지 전류 검출부(69), 상기 신호 선택부(67)를 통해 입력된 트립 코일 전압 검출부(61)에 의해 검출된 트립 코일 전압과 트립 코일 전류 검출부(63)에 의해 검출된 트립 코일(99) 전류를 입력받아 메모리(73)에 기 저장된 트립 코일(99) 전압과 트립 코일(99) 전류를 비교하여 이상 여부를 진단하고 서지 전류 검출부(69)로부터 측정된 서지 전류를 전송부(72)를 통해 외부 서버(17)로 전송하는 제어부(65), 및 차단기(31)가 정상적으로 동작할 때 차단기(31)의 트립 코일(99)에 공급되는 전압 및 전류 데이터와 차단기(31)의 이력 정보와 운전 데이터를 저장하는 메모리(73)로 이루어지며,
   상기 디지털 기록 장치(15)는 서지 전류 검출부(69)로부터 입력된 서지 전류를 분석해 본 결과 차단기(31)의 스위치 접점에 이상이 검출되었을 때 경보를 발생시키고 트립 코일 전압 검출부(61)와 트립 코일 전류 검출부(63)에 의해 검출된 트립 코일(99) 전압과 트립 코일(99) 전류를 메모리(73)에 기저장된 차단기(31)의 트립 코일(99) 전압 및 전류와 비교하여 차이가 발생되었을 때 경보를 발생시키는 경보 발생부(75)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진단 장치를 내장한 폐쇄형 배전반.
   
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