KR101878449B1 - 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선간 전류를 측정하고, 선간 전류가 발생하면 일정 시간 동안 누설 전류 및 절연 저항을 측정하여 평균을 내어 저장하고, 측정 종료하는 단계; 아직 측정 종료 시간이 안 된 경우, 선간 전류를 측정하고, 선간 전류 발생의 경우 일정 시간 동안 누설 전류 및 절연 저항 측정 및 저장하는 단계; 상기 선간 전류가 발생하지 않으면, 측정 종료시간이 될 때까지 선간 전류를 측정하고, 선간 전류가 발생될 경우 일정 시간 동안 전류 및 절연 저항을 측정하여 평균 내고 저장하는 것을 반복하는 단계;를 포함하되, 상기 절연 저항을 측정하는 누설전류센서는 장치공급전류와 회귀전류가 서로 반대 방향으로 흘러 합성 자기장이 0이 되지 않는 경우를 측정하여 누설전류 값에 의해 R_L 값을 측정하도록 하는 센서이고, 선간 누설 전류를 측정하는 선간전류센서는 장치공급전류의 출력전류를 측정하여 선간 누설전류의 값을 계산하도록 하는 센서이며, 상기 누설전류센서는 중앙에 구멍이 있는 도넛 형태로서, 장치공급전류와 회귀전류가 흐르는 한 쌍의 도선을 도넛의 외관을 감싸도록 일정 횟수로 턴시킨다.
본 발명은 누설 전류가 매우 미세하더라도 턴수에 비례하여 증폭된 전류를 측정할 수 있고, 턴수와 최대 측정 전류값 성능이 서로 반비례하는 관계를 이용하여 최적의 턴수를 찾아 센서에 적용할 수 있다.

Description

누설 전류 및 절연 저항 측정 장치{System of measuring leakage current and insulation resistance}

본 발명은 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 시설, 철도, 국방 뿐 만 아니라 다양한 분야에서 사용될 수 있고, 중앙에 구멍이 있는 도넛 형태의 누설전류센서에 장치공급전류와 회귀전류가 흐르는 한쌍의 도선을 도넛의 외관을 감싸도록 일정 횟수로 턴(Turn)을 시켜 AC 전압누설 뿐만 아니라 DC 전압 누설 등을 정밀하게 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 절연(絶緣, Insulation)이란 전기를 통하지 않게 하는 것이며, 절연저항이란 절연물질의 저항을 의미한다.

절연저항은 매우 큰 값으로 Mega Ohm 단위를 사용하며, 절연저항 측정기는 절연저항계 또는 메거(Megger)라하고 그 행위를 메거링(Meggering)이라고 한다.

절연저항이 작아지면 누전(누설)으로 이어지고, 이는 감전의 직접적인 원인이 될 뿐만 아니라 제품의 성능을 떨어뜨리고 파손의 원인이 되기도 한다.

실제누설시험에서 가변저항을 제거하고 실제 누설(접지)을 시켜 출력전압을 측정하여 매핑 테이블(Mapping Table)에서 절연저항 값을 구하고, 다시 그 상태에서 메거링하여 측정된 절연저항과 비교한다.

일반적으로 전원장치가 완전 절연체이고 자연 누설이 발생하지 않으면 누설 전류가 흐르지 않아 절연저항은 무한대 상태이다.

실시간 선간전류의 측정원리는 부하전류가 일정하다는 가정 하에 측정이 이루어지는데 부하전류가 어떤 요인에 의해 변하면 선간전류 값의 오차가 발생하고, 측정하려는 절연 저항과 누설 전류가 매우 미세할 경우 증폭을 하여 측정할 필요가 있지만, 과도하게 증폭을 할 경우 오차가 크게 발생하여 측정치를 신뢰할 수 없는 문제가 발생하기도 한다.

한국공개특허 제2011-0133512호 한국등록특허 제1336045호 한국공개특허 제2006-0012877호 한국공개특허 제2003-0064548호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 누설 검측 케이블 턴 수를 일정 수치 만큼만 증가시켜 분해 성능이 증가시키고, 최대 측정 전류값이 감소하더라도 민감한 누설 전류 측정에는 문제되지 않도록 설계된 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치에 있어서, 누설 전류를 측정하기 위해 장치공급전류와 회귀전류가 서로 반대 방향으로 흘러 합성 자기장이 0이 되지 않는 경우 그 전류의 세기를 측정하는 누설전류센서; 선간 저항을 측정하기 위해 관통하는 출력전류를 측정하는 선간전류센서;를 포함하되, 상기 누설전류센서의 장치공급전류와 회귀전류의 차를 계산하여 누설전류 값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력 전류에 의해 선간 저항 값을 계산하며, 철도 선로전환기에 적용할 경우, 측정 시작 전에 접지 연결을 하고, 일정 시간 동안 상기 누설전류센서로 측정한 출력전압(Vo)을 Ix로 나누어 절연저항(R_L)값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력전류(Is)와 Ix의 차로 선간 누설전류(I_L)의 값을 계산한다.

상기 누설전류센서는 중앙에 구멍이 있는 도넛 형태로서, 장치공급전류와 회귀전류가 흐르는 한 쌍의 도선들이 도넛의 중심홀을 통과하여 도넛의 외관을 감싸도록 일정 횟수로 턴시킨다.

본 발명은 철도 선로 전환기 또는 신호기에 사용되는 회선을 측정하는 경우, 상기 일정 횟수는 5 턴이다.

본 발명은 철도 신호기에 적용할 경우 일정 시간 동안 상기 누설전류센서의 출력전압(Vo)을 Ix로 나누어 절연저항(RL) 값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력전류(Is)와 Ix의 차로 선간 누설전류(IL)의 값을 계산한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 누설 전류가 매우 미세하더라도 턴수에 비례하여 증폭된 전류를 측정할 수 있고, 턴수와 최대 측정 전류값 성능이 서로 반비례하는 관계를 이용하여 최적의 턴수를 찾아 센서에 적용할 수 있다.

또한 본 발명은 철도 시설에 적용할 경우 누설 검측 케이블 턴 수를 5 턴으로 증가시켜 AC 전압누설 뿐만 아니라 DC 전압 누설에서 누설전류센서의 측정 성능을 증가 시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 센서 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3 a, b는 본 발명의 일실시예에 따라 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 전체적인 구성과 센서출력전압(V_O) → 누설전류(I_L) → 절연저항(R_L)의 값을 순서대로 구하는 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 6 a, b는 본 발명의 일실시예에 따라 각 턴에 따른 이론값과 실제값을 비교한 표와 센서 내부 구조이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 절연 저항과 선간 누설 전류를 측정하기 위하여, 절연 저항을 측정하는 누설전류센서(S1)는 장치공급전류와 회귀전류가 서로 반대 방향으로 흘러 합성 자기장이 0이 되지 않는 경우 그 전류의 세기를 측정하여 누설전류 값에 의해 절연저항(R_L)값을 계산하도록 하는 센서이다.

도 1 (b)의 A-A' 단면을 보면, 상기 누설전류센서(S1)는 중앙에 구멍이 있는 도넛 형태로서, 장치공급전류와 회귀전류가 흐르는 한 쌍의 도선이 도넛 중심홀을 통과하여 도넛의 외관을 감싸도록 일정 횟수로 턴시킨다.

도 5에 도시된 선간 누설 전류를 측정하는 선간전류센서(S2)는 장치공급전류의 출력전류를 측정하여 선간 누설전류의 값을 계산하도록 하는 센서이다.

본 발명에 따른 상기 누설전류센서(S1)와 상기 선간전류센서(S2)는 SoCan 사의 SCD1-ac-10mA 모델을 사용하였으며, 원형 철심에 다수의 코일을 포함하고 있어 철심을 통과하는 전선들의 미세한 전류의 차를 감지해낸다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 기계실(3) 등에서 신호기(1)와 선로전환기(2)로 부터의 신호를 수집한 누설 전류 및 절연 저항 정보를 선로전환기 정보 수집장치 등이 수집하도록 하여, 통신망을 통해 전기설비 기술지원 시스템 데이터 집중장치 모니터(4)에 전송하는 데, 만일 절연 저항이 일정치 이하이거나, 전선이 벗겨져 노출되거나, 이들 전선이 붙어 쇼트되어 평상시 보다 더 많은 전류가 외부로 누설되면 증가되는 측정치를 알람 정보 장치로 제공하여 알람 경보를 울릴 수 있다.

도 3 a에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예로서 실험실에서의 실험예를 설명한다.

전원 장치에 전원(Vs)을 인가(On)시키고 DC 누설전류센서의 출력전압(V_O)을 측정하고, 가변저항(절연저항)에 흐르는 누설전류(I_L)를 측정한다.

그리고, 전원 장치에 전원(Vs)을 차단(Off)한 후 절연저항계를 사용하여 절연저항(R_L)을 측정한다.

구체적으로 도 3b에 도시된 바와 같이 전원 Vs에 24V를 인가하고 절연저항(R_L)을 가변저항으로 2 M ohm 에서 0.1 M ohm까지 가변하여 설정한 후 누설전류(I_L)를 가변할 때마다 계속하여 측정하고, 측정치와 이론치를 비교 분석하여 측정치를 보상한다.

즉 본 발명은 도 3b와 같은 센서출력전압(V_O)과 누설전류(I_L, 측정치) 사이의 매핑 테이블(Mapping Table)을 만들고, 절연저항 측정시 센서출력전압(V_O)을 읽어 상기 매핑 테이블에서 V_O → I_L → R_L의 값을 순서대로 구하는 알고리즘을 구현할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예로서 실험실에서의 실험예를 설명한다.

본 실험은 메거링 측정과 누설 전류 측정과 선간전류 측정으로 나누어 실시되었으며 본 발명에 따른 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치의 측정치와 이론치를 비교 분석하여 측정치를 보상하기 위한 것이다.

먼저 메거 장치(M)를 오프시키고 전원장치의 DC+ 에 DC 1000 V를 인가하고, R_E 접지를 제거한 후 메거링하여 R_L 값을 확인한다. 메거의 접지는 건물 접지를 사용하여 메거링 측정을 한다.

메거 장치를 온시키고 전원장치에 전원(Vs=DC 24V)을 인가시키고 누설전류센서(S1)의 출력전압(V_O)을 측정하여 메핑 테이블에서 절연저항(R_L) 값을 확인하여 누설 전류를 측정한다.

이 때, DC 전원이므로 전원장치 내부에서 누설이 있다고 가정하고 외부에서 연결하여 접지하는 접지저항(R_E)을 설치한다.

도 5에 도시된 바와 같이, M을 오프시키고 전원장치의 DC+ 에 DC 1000V를 인가하고, R_E 접지를 제거한 후 메거링하여 절연저항(R_L) 값을 확인한다. 메거의 접지는 건물접지를 사용한다.

그리고, 전원장치에 전원(Vs=DC 24V)을 인가시키고 누설전류센서(S1)의 출력전압(Vo)을 측정하고, 장치공급전류(Is)와 회귀전류(I_R)를 측정하여 장치공급전류(Is)에서 회귀전류(I_R)를 뺀 누설전류(I_L) 값에 의해 절연저항(R_L)값을 측정한다.

그리고 나서, 선간전류센서(S2)에 관통하는 출력전류(Is)와 Ix와 I_L을 더한 값이 동일하기 때문에, Ix(Is - I_L)의 값으로 출력전압(Vo)을 나누어 선간 저항값(Rx)을 측정한다.

본 발명은 부하 장치는 일정한 전류가 흐른다는 가정 하에서, 미리 알고 있는 상수값 전류에서 실제 전류의 차를 계산하여 전선이 벗겨져 노출되거나, 이들 전선이 붙어 쇼트되어 평상시 보다 더 많은 전류가 외부로 누설되면 이를 측정할 수 있게 된다.

한편 도 6 a, b에 도시된 바와 같이 본 발명의 누설전류센서(S1)와 선간전류센서(S2)의 내부 코일의 1 턴 시와 5 턴 시 이론값 대비 측정값을 비교하여 볼 때 다른 턴 수를 갖는 경우 오차율이 2%에서 40 % 까지 이지만 5 턴 시의 오차율은 2% ~ 4% 이내(예 : 2.042, 1.050, 2.009 % 등)이다. 따라서 본 발명에서 1 턴 대비 5 턴을 사용하면 약 20배의 성능 향상을 볼 수 있다.

그렇지만 도 6 b에 도시된 바와 같이, 5 턴 이상을 사용하는 경우는 최대 측정 전류 값이 낮아져 누설전류 등의 측정이 불가능할 수 있고, 본 발명에 따라 적용되는 설비의 최소 측정 저항값도 15 K옴이어서 5 턴이 최적의 성능을 보여준다.

이하 본 발명의 일실시예에 따라 만일 본 발명을 철도 선로전환기에 사용되는 회선을 측정하는 경우, 측정하는 단계에 대하여 자세히 설명한다.

먼저 측정 시작 시간이 되면 접지 연결을 시작한다.

그리고 5초 동안 누설 전류 및 절연 저항을 측정하고 평균을 내어 저장한다.

상기 누설 전류는 누설전류센서(S1)로 측정한 출력전압(Vo)을 Ix로 나누어 절연저항(R_L) 값을 확인한다.

부하 장치는 일정한 전류가 흐른다는 가정 하에서, 선간전류센서(S2)의 출력전류(Is)와 Ix의 차를 계산하여 선간 누설전류(I_L)의 값을 구한다.

그리고 나서 접지 연결을 해제하고, 측정 종료 시간이 지나면 측정 종료를 한다.

그러나 측정 종료 시간이 지나지 않은 경우 AS 선간 전류를 측정하여 AS 선간 전류 발생의 경우 접지 연결과 AS 누설 전류 및 절연 저항 측정 및 저장과 접지 연결 해제를 측정 종료 시간이 될 때 까지 반복한다. 이 때 AS 선간의 경우 각 선간 마다 전압, 전류가 달라 5초 동안 평균 내기 어렵기 때문에 순간 측정값으로 대신한다.

본 발명의 일실시예에 따라 철도 신호기에 적용할 경우 측정 시작 시간이 되면, 선간 전류를 측정하고, 선간 전류가 발생하면 5초 동안 주계, 부계 누설 및 공통 선간 전류를 측정하여 평균을 내어 저장하고, 측정 종료한다.

아직 측정 종료 시간이 안 된 경우, AS 선간 전류를 측정하고, 선간 전류 발생의 경우 5초 동안 주계, 부계 누설 전류 및 절연 저항 측정 및 저장한다.

이 때 선간 전류가 발생하지 않으면, 측정 종료시간이 될 때까지 AS 선간 전류를 측정하고, 선간 전류가 발생될 경우 5초 동안 주계, 부계 누설 전류 및 절연 저항을 측정하여 평균 내고 저장하는 것을 반복한다.

V_O : 센서출력전압
Vs : 장치공급전압
Is : 장치공급전류
R_L : 절연저항
I_R : 회귀전류
I_L : 누설전류
R_E : 접지저항
Rx : 선간저항
S1 : 누설전류센서
S2 : 선간전류센서

Claims (5)

1. 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치에 있어서,
   누설 전류를 측정하기 위해 장치공급전류와 회귀전류가 서로 반대 방향으로 흘러 합성 자기장이 0이 되지 않는 경우 그 전류의 세기를 측정하는 누설전류센서;
   선간 저항을 측정하기 위해 관통하는 출력전류를 측정하는 선간전류센서;를 포함하되,
   상기 누설전류센서의 장치공급전류와 회귀전류의 차를 계산하여 누설전류 값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력 전류에 의해 선간 저항 값을 계산하며,
   철도 선로전환기에 적용할 경우, 측정 시작 전에 접지 연결을 하고, 일정 시간 동안 상기 누설전류센서로 측정한 출력전압(Vo)을 Ix로 나누어 절연저항(R_L)값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력전류(Is)와 Ix의 차로 선간 누설전류(I_L)의 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 누설전류센서는 중앙에 구멍이 있는 도넛 형태로서, 장치공급전류와 회귀전류가 흐르는 한 쌍의 도선들이 도넛의 중심홀을 통과하여 도넛의 외관을 감싸도록 일정 횟수로 턴시키는 것을 특징으로 하는 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,
   철도 선로 전환기 또는 신호기에 사용되는 회선을 측정하는 경우, 상기 일정 횟수는 5 턴인 것을 특징으로 하는 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   철도 신호기에 적용할 경우 일정 시간 동안 상기 누설전류센서의 출력전압(Vo)을 Ix로 나누어 절연저항(R_L) 값을 계산하고, 상기 선간전류센서의 출력전류(Is)와 Ix의 차로 선간 누설전류(I_L)의 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 및 절연 저항 측정 장치.

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