KR101648512B1

KR101648512B1 - 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기

Info

Publication number: KR101648512B1
Application number: KR1020150060753A
Authority: KR
Inventors: 정명환
Original assignee: 삼화디에스피주식회사
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-08-17

Abstract

본 발명은 과도한 지락 전류 차단 동작을 방지하기 위한 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 관한 것으로서, 모터에 공급되는 전기적 신호 중 지락 전류를 검출하여 이상 발생 시에 모터 보호를 위한 트립 신호를 출력하는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 있어서, 상기 모터에 인입되는 3상 모선으로부터 영상 전압을 검출하여 계기용 전압으로 변환하며, 3상 1차측 권선 일단이 상기 3상 모선의 각 상 선에 접속되고 타단이 공통 접지되는 1차측 결선부와, 3상 2차측 권선이 개방 델타 결선된 2차측 결선부로 구성되며, 상기 2차측 결선부의 3상 2차측 권선의 개방된 양단에는 상기 3상 2차측 권선과 병렬로 한류 저항기가 접속되는 접지형 계기용 변압기; 상기 모터에 공급되는 전원라인으로부터 영상 전류를 검출하여 계기용 전류로 변환하는 영상 변류기; 상기 접지형 계기용 변압기의 출력으로부터 영상 전압의 위상을 추출하는 영상 전압 위상 추출부; 상기 영상 변류기의 출력으로부터 영상 전류의 위상을 추출하는 영상 전류 위상 추출부; 상기 영상 전압의 위상과 상기 영상 전류의 위상을 비교하여 위상차를 연산하는 위상차 연산부; 상기 영상 변류기에서 검출한 영상 전류와 상기 위상차 연산부에서 연산된 위상차로부터 아래의 (수식1)을 통해 지락 전류를 연산하는 지락 전류 연산부; 및 상기 지락 전류 연산부에서 연산된 지락 전류가 설정치를 초과하는 경우 트립 신호를 출력하는 트립 동작부를 포함한다.
(수식1) Ig = Io * COSθ
여기서, Ig는 지락 전류, Io는 영상 전류, θ는 영상 전압과 영상 전류의 위상차이다.
본 발명에 따르면, 접지형 계기용 변압기를 이용하여 영상 전압을 검출하고 영상 전압의 위상을 추출하여 영상 전류 중 충전 전류에 의한 성분을 제거함으로써 순수 저항 성분의 지락 전류를 검출할 수 있고, 사고가 아닌 충전 전류에 의한 지락 차단 동작을 방지하여 저압 모터의 과도한 차단 동작을 억제하고, 궁극적으로 모터의 효율적인 운전을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기{MOTOR PROTECTION RELAY FOR DETECTING RESISTIVE GROUND FAULT CURRENT}

본 발명은 저항성 지락 전류를 검출하여 트립 동작을 수행하는 모터 보호계전기에 관한 것으로서, 순수 저항 성분의 지락 전류를 추출하여 동작함으로써 과도한 지락 보호 차단을 억제하고 모터의 효율적인 운전을 가능하게 하는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 관한 것이다.

일반적으로, 공장 등의 산업 현장에서는 고압용 대형 모터에서 저압용 소형 모터에 이르기까지 다양한 모터들이 이용되고 있다. 대규모 공장에서 운영되는 고압용 모터의 경우, 대부분 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System)을 활용하여 모터를 보호하거나 고장 예방을 관리하고 있다. 하지만, 소규모 공장에서 주로 운영되고 있는 저압용 소형 모터의 경우에는 보호계전기를 이용하여 모터의 보호를 실시하고 있다.

모터 보호계전기는 통상적으로 모터에 입력되는 전압, 전류, 지락 전류를 검출하여 과전류, 부족 전류, 과전압, 부족 전압, 지락 사고 전류 등과 함께 단락 전류, 역상, 결상, 전류 불평형 등과 같은 상태를 판단하여 트립 신호를 출력한다. 특히, 지락 사고가 발생할 경우 모터의 파손이나 전기 화재 등의 대형 사고가 발생할 수 있으므로, 지락 전류를 검출하여 모터의 동작을 차단하는 것은 보호계전기에서 반드시 요구되는 기능이다.

도 1은 종래 모터 보호계전기의 회로 구성을 예시하고 있다. 도 1을 참조하면, 3상 전원 입력단에 차단기(110)가 설치되며, 차단기(110)의 후단에는 모터(160)에의 전원 공급을 개폐하는 개폐기(120)가 설치된다. 개폐기(120)와 모터(160)의 사이에서 3상 전원 공급라인에 계기용 변류기(130)와 영상 변류기(140)가 설치된다. 계기용 변류기(130)는 모터(160)에 입력되는 전류를 계측용 전류로 변환하여 보호계전기(150)로 전달한다. 보호계전기(150)는 과전류 또는 부족 전류 발생 시에 차단기(110)를 트립시켜 모터(160)를 보호한다.

영상 변류기(140)는 지락 전류 발생 시에 이를 계기용 전류로 변성하여 보호계전기(150)로 전달한다. 보호 계전기(150)는 영상 변류기(140)에서 출력되는 영상 전류가 설정치를 초과할 경우, 차단기(110)를 트립시켜 지락 사고로부터 모터(160)를 보호한다.

그런데, 도 2의 계통도에 도시한 바와 같이, 계통 변압기(100)와 모터(160) 사이의 전원라인들은 대지와의 사이에서 커패시턴스(Ca, Cb, Cc)를 형성하게 되며, 이 커패시턴스에 의해 대지에 충전 전류(Ic)가 흐르게 된다. 이러한 충전 전류(Ic)는 대지와의 사이에서 뿐만 아니라, 인접한 전원라인 간에도 형성된다. 이에 따라 영상 변류기(140)에서 검출되는 영상 전류는 도 3의 벡터도에서 묘사한 것과 같이 순수 저항 성분의 지락 전류(Ig)와 충전 전류(Ic)의 벡터 합에 해당된다.

지락 사고의 발생은 순수 저항 성분의 지락 전류에 의한 것이며, 미약하게나마 존재하는 충전 전류(Ic)는 정확한 지락 전류의 검출을 방해하는 요소로 작용한다. 예를 들어, 실제 지락 사고가 발생하지 아니하였음에도 불구하고, 충전 전류(Ic)에 의한 영향으로 보호계전기(150) 측에서 지락 사고로 판단하여 차단기(110)를 트립시키는 경우가 종종 발생된다. 즉, 과도한 차단 동작에 의해 모터의 정지가 빈번하게 발생되고, 모터의 비효율적인 운전으로 말미암아 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 특허공개 제10-2008-0093400호는 지락 보호 기능을 갖는 다기능 모터 보호용 계전기를 개시하고 있다. 동 선행문헌은 과전류, 구속 역상, 결상 이외에 지락 보호 기능을 부가하여 차단 동작 영역을 확대하고 있다. 하지만, 지락 보호 기능을 살펴보면, 영상 변류기(ZCT)의 출력으로부터 지락 전류를 검출하여 지락 보호 동작을 수행하고 있어, 앞서 예시한 바와 같이 충전 전류(Ic)에 의한 과도한 차단 동작이 발생되는 문제점을 안고 있다.

대한민국 특허공개 제10-2008-0093400호

본 발명은 순수 저항 성분의 지락 전류를 추출하여 지락 사고에 대한 보호 동작을 수행함으로써, 저압 모터의 과도한 차단 동작을 방지하고, 효율적인 모터 운전을 통해 종래 보호계전기에 비해 생산성을 향상시킬 수 있는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기는, 모터에 공급되는 전기적 신호 중 지락 전류를 검출하여 이상 발생 시에 모터 보호를 위한 트립 신호를 출력하는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 있어서, 상기 모터에 인입되는 3상 모선으로부터 영상 전압을 검출하여 계기용 전압으로 변환하며, 3상 1차측 권선 일단이 상기 3상 모선의 각 상 선에 접속되고 타단이 공통 접지되는 1차측 결선부와, 3상 2차측 권선이 개방 델타 결선된 2차측 결선부로 구성되며, 상기 2차측 결선부의 3상 2차측 권선의 개방된 양단에는 상기 3상 2차측 권선과 병렬로 한류 저항기가 접속되는 접지형 계기용 변압기; 상기 모터에 공급되는 전원라인으로부터 영상 전류를 검출하여 계기용 전류로 변환하는 영상 변류기; 상기 접지형 계기용 변압기의 출력으로부터 영상 전압의 위상을 추출하는 영상 전압 위상 추출부; 상기 영상 변류기의 출력으로부터 영상 전류의 위상을 추출하는 영상 전류 위상 추출부; 상기 영상 전압의 위상과 상기 영상 전류의 위상을 비교하여 위상차를 연산하는 위상차 연산부; 상기 영상 변류기에서 검출한 영상 전류와 상기 위상차 연산부에서 연산된 위상차로부터 아래의 (수식1)을 통해 지락 전류를 연산하는 지락 전류 연산부; 및 상기 지락 전류 연산부에서 연산된 지락 전류가 설정치를 초과하는 경우 트립 신호를 출력하는 트립 동작부를 포함한다.

(수식1) Ig = Io * COSθ

여기서, Ig는 지락 전류, Io는 영상 전류, θ는 영상 전압과 영상 전류의 위상차이다.

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본 발명의 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 따르면, 접지형 계기용 변압기(GPT)를 이용하여 영상 전압을 검출하고 영상 전압의 위상을 추출하여 영상 전류 중 충전 전류에 의한 성분을 제거함으로써 순수 저항 성분의 지락 전류를 검출할 수 있고, 사고가 아닌 충전 전류에 의한 지락 차단 동작을 방지하여 저압 모터의 과도한 차단 동작을 억제하고, 궁극적으로 모터의 효율적인 운전을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 모터 보호계전기의 회로 구성을 예시한 회로도,
도 2는 종래 전원라인과 모터간 계통 연결을 예시한 회로도,
도 3은 종래 영상 변류기에서 검출한 영상 전류의 벡터도,
도 4는 본 발명에 따른 모터 보호계전기의 회로 구성을 예시한 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 모터 보호계전기를 예시한 블록도, 및
도 6은 본 발명에서의 지락 전류 검출 과정을 예시한 벡터도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 모터 보호계전기의 회로 구성을 예시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 통상의 모터 구동 시스템에서와 같이, 3상 전원 입력단에 차단기(210)가 설치되고, 차단기(210)의 후단에는 모터(260)에의 전원 공급을 개폐하는 개폐기(220)가 설치된다. 개폐기(220)와 모터(260)의 사이에서 3상 전원 공급라인에 계기용 변류기(230)와 영상 변류기(240)가 설치된다. 계기용 변류기(230)는 모터(260)에 입력되는 전류를 계측용 전류로 변환하여 보호계전기(250)로 전달한다. 영상 변류기(240)는 모터(260)에 공급되는 전원라인으로부터 영상 전류를 검출하여 계기용 전류로 변환하고 보호계전기(250)로 전달한다. 보호계전기(250)는 입력된 파라미터로부터 모터(260)의 이상을 판단하고, 판단 결과에 따라 차단기(210)를 트립시켜 모터(260)를 보호한다.

이러한 모터(260)의 구동 시스템 및 보호계전기(250)의 기본적인 동작은 통상의 보호계전기와 동일하다. 여기서, 본 발명의 저항성 지락 전류 검출 보호계전기는 접지형 계기용 변압기(270)를 더 포함하며, 보호계전기(250)의 지락 전류 검출 및 트립 동작부의 구성에 특징을 가진다. 이하에서는, 본 발명의 보호계전기(250)에서 지락 전류 검출과 관련된 구성에 중점을 두어 설명하겠지만, 본 발명의 보호계전기(250)는 통상의 보호계전기와 마찬가지로 과전류, 부족 전류, 과전압, 부족 전압, 결상 검출 등의 기능을 추가로 가질 수 있다.

접지형 계기용 변압기(GPT: Ground Potential Transformer, 270)는 모터(260)에 인입되는 3상 모선으로부터 영상 전압을 검출하여 계기용 전압으로 변환하고, 변환된 계기용 전압을 보호계전기(250)로 전달한다. 도시된 회로도에서와 같이, 접지형 계기용 변압기(270)의 1차측 결선부는 3상 1차측 권선 일단이 3상 모선의 각 상 선에 접속되고, 타단이 공통 접지된다. 2차측 결선부는 3상 2차측 권선이 개방 델타(Open Delta) 결선된다. 즉, 접지형 계기용 변압기(270)는 Y-open Delta 결선을 갖는다. 또한, 2차측 권선의 개방된 양단에는 한류 저항기(CLR: Current Limit Resister)가 접속된다. 한류 저항기(CLR)는 접지형 계기용 변압기(270)의 출력이 일정치를 넘어서지 않도록 억제하여, 유효한 출력을 보호계전기(250)로 공급하도록 한다.

통상적으로, 접지형 계기용 변압기는 저압 모터의 지락 사고 검출용으로는 사용되지 아니하며, 배전선로의 지락 사고 검출용으로 사용되고 있다. 배전선로에서 접지형 계기용 변압기가 사용되는 경우에는 접지형 계기용 변압기의 출력으로부터 지락 사고 전류를 추출한다.

하지만, 본 발명의 모터 보호계전기에서는 영상 변류기(240)의 출력에서 순수한 저항 성분의 지락 전류(Ig)를 추출하기 위해 사용된다. 접지형 계기용 변압기(270)에서 검출된 영상 전압(Vo)은 순수한 저항 성분의 지락 전류(Ig)와 동일한 상(same phase)을 갖는다. 본 발명에서는 이러한 현상을 이용하여 순수한 저항 성분의 지락 전류(Ig)를 추출하며, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 모터 보호계전기를 예시한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 보호계전기(250)는 영상 전압 위상 추출부(251)와, 영상 전류 위상 추출부(253)와, 위상차 연상부(255)와, 지락 전류 연산부(257)와, 트립 동작부(259)로 구성된다.

영상 전압 위상 추출부(251)는 접지형 계기용 변압기(270)의 출력으로부터 영상 전압(Vo)의 위상을 추출한다. 영상 전류 위상 추출부(253)는 영상 변류기(240)의 출력으로부터 영상 전류(Io)의 위상을 추출한다. 위상차 연산부(255)는 영상 전압의 위상과 영상 전류의 위상을 비교하여 위상차(θ)를 연산한다.

도 6에 도시한 벡터도에서와 같이, 지락 전류(Ig)는 영상 전압(Vo)과 동위상을 이루며, 영상 전류(Io)의 위상과 영상 전압(Vo)의 위상간의 위상차(θ)를 연산하면, 순수한 지락 전류(Ig)를 얻을 수 있다.

지락 전류 연산부(257)는 아래의 (수식1)을 통해 지락 전류(Ig)를 연산한다.

(수식1) Ig = Io * COSθ

트립 동작부(259)는 지락 전류 연산부(257)에서 연산된 지락 전류(Ig)가 설정치를 초과하는 경우 트립 신호를 출력하여, 모터(260)로의 전원 공급을 차단함으로써 지락 사고로부터 모터(260)를 보호할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기는 접지형 계기용 변압기(270)를 이용하여 영상 전압(Vo)을 얻고, 영상 전류(Io)의 위상과 비교하여 위상차(θ)를 연산한다. 그리고 영상 전류(Io)에서 충전 전류(Ic)에 의한 영향을 배제하고 순수한 저항 성분의 지락 전류(Ig)를 검출하여 트립 동작을 수행한다. 따라서 저압 모터에서 지락 사고가 발생되지 아니하였음에도 불구하고 불필요한 차단 동작을 수행하는 것을 방지할 수 있으며, 모터의 효율적인 운전을 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

210 : 차단기 220 : 개폐기
230 : 계기용 변류기 240 : 영상 변류기
250 : 보호계전기 251 : 영상 전압 위상 추출부
253 : 영상 전류 위상 추출부 255 : 위상차 연산부
257 : 지락 전류 연산부 259 : 트립 동작부
260 : 모터 270 : 접지형 계기용 변압기

Claims

모터에 공급되는 전기적 신호 중 지락 전류를 검출하여 이상 발생 시에 모터 보호를 위한 트립 신호를 출력하는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기에 있어서,
상기 모터에 인입되는 3상 모선으로부터 영상 전압을 검출하여 계기용 전압으로 변환하며, 3상 1차측 권선 일단이 상기 3상 모선의 각 상 선에 접속되고 타단이 공통 접지되는 1차측 결선부와, 3상 2차측 권선이 개방 델타 결선된 2차측 결선부로 구성되며, 상기 2차측 결선부의 3상 2차측 권선의 개방된 양단에는 상기 3상 2차측 권선과 병렬로 한류 저항기가 접속되는 접지형 계기용 변압기;
상기 모터에 공급되는 전원라인으로부터 영상 전류를 검출하여 계기용 전류로 변환하는 영상 변류기;
상기 접지형 계기용 변압기의 출력으로부터 영상 전압의 위상을 추출하는 영상 전압 위상 추출부;
상기 영상 변류기의 출력으로부터 영상 전류의 위상을 추출하는 영상 전류 위상 추출부;
상기 영상 전압의 위상과 상기 영상 전류의 위상을 비교하여 위상차를 연산하는 위상차 연산부;
상기 영상 변류기에서 검출한 영상 전류와 상기 위상차 연산부에서 연산된 위상차로부터 아래의 (수식1)을 통해 지락 전류를 연산하는 지락 전류 연산부; 및
상기 지락 전류 연산부에서 연산된 지락 전류가 설정치를 초과하는 경우 트립 신호를 출력하는 트립 동작부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 지락 전류 검출 모터 보호계전기.
(수식1) Ig = Io * COSθ
여기서, Ig는 지락 전류, Io는 영상 전류, θ는 영상 전압과 영상 전류의 위상차이다.
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