KR102066534B1 - 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 전력설비에서 발생되는 아크플래시(Arc Flash)가 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전을 감지하여 제1 아크플래시 검출신호를 출력하는 초음파 광섬유 센서; 상기 아크플래시가 방출하는 빛을 감지하여 제2 아크플래시 검출신호를 출력하는 아크플래시 센서; 및 상기 초음파 광섬유 센서 및 상기 아크플래시 센서에서 아크플래시 검출신호가 인가되면, 상기 아크플래시 검출신호로부터 아크플래시가 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 아크플래시 검출유닛;으로 구성되어, 저압배전반의 아크플래시(Arc Flash) 검출 시스템에 관한 것으로서, 특히 저압배전반에서 부하에 전력을 공급하는 과정에서 전기적 방전에 의해 발생되는 아크플래시가 발생하기 직전에 생성되는 코로나방전을 광학적 초음파센서로 검출함으로써 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있도록 하여 아크플래시에 의한 폭발을 방지하며, 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 아크플래시 및 과전류를 검출하여 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있는 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 배전반의 아크플래시(Arc Flash) 검출 시스템에 관한 것으로서, 특히 저압배전반에서 부하에 전력을 공급하는 과정에서 전기적 방전에 의해 발생되는 아크플래시가 발생하기 직전에 생성되는 코로나방전을 광학적 초음파센서로 검출함으로써 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있도록 하여 아크플래시에 의한 폭발을 방지하며, 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 아크플래시 및 과전류를 검출하여 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있는 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템에 관한 것이다.
아크플래시(Arc Flash)는 전력 공급계통에서 발생하는 사고 중 가장 크고 빈도수가 높은 사고로, 개폐장치의 내부 결함, 연결 불량 또는 부적합한 정비, 개폐기 내부의 이물질, 우발적인 접촉 또는 공구의 낙하, 재료의 불량 또는 부식 등의 이유로 공기를 통하여 접지 혹은 다른 전압 상간의 로우 임피던스(Low Impedance) 연결에 의한 플라즈마 방전 즉, 전기적 폭발을 의미한다.
아크플래시는 방출되는 에너지에 따라 정도의 차이는 있지만, 높은 온도(20,000℃), 압력파(9,765Kg/㎡), 음파(145dB; 60cm 이내)와 시력장애를 일으킬 수 있는 섬광과 유독성 및 고온 가스로 인하여 수배전반 내부의 전력기기 및 외함이 파손되어 화재 및 정전을 유발하고, 사고 발생 시 아크플래시 노출에 의한 심각한 인명 피해를 초래할 수 있다.
이에 따라, 아크플래시 사고로부터 기기 및 인명을 보호하기 위하여 전기안전표준(IEEE 1584와 NFPA70E)을 제정하여 운영 중이며, 다양한 도구와 장치를 개발 및 활용하고 있다.
종래의 아크플래시 검출 시스템은 아크플래시에서 발생하는 온도를 감지하는 적외선센서와 아크플래시에서 발생하는 자외선의 특정파장을 검출하는 UVC센서를 이용하여 아크플래시를 검출하는 방식이다. 그러나 아크플래시에서 발생하는 온도나 자외선을 검출하였다는 것은 이미 배전반 내에 불꽃이 튀었다는 의미이므로 아크플래시에 의한 폭발을 막을 수 있을 정도로 전기 흐름을 신속하게 차단할 수 없는 문제점이 있다.
즉, 도 10을 참조하면, 아크플래시 발생 후 100ms가 지나면 케이블에 화재(Cable Fire)가 발생하며, 150ms에서는 구리(Copper Fire)가, 200ms가 넘으면 배전반(Steal Fire)이 녹기 시작하는 등 위험한 상황으로 이어지기까지 매우 짧은 시간이 걸리는데 반해, 종래의 아크플래시 검출 방식은 아크플래시 검출 및 차단기를 제어하는데 수집ms 정도의 시간이 소요되는 실정이다.
따라서 아크플래시의 발생을 미리 감지하고, 전원차단 제어신호 생성시간을 최소화함으로써 아크플래시 발생이 폭발로 이루어지기 전인, 10ms 이내의 빠른 시간 내에 전기 흐름을 차단할 수 있는 안전제어시스템의 개발이 시급히 요망된다.
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 아크플래시 검출 시스템이 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, 아크플래시를 발생 초기에 감지하여 아크플래시로 인한 저압배전반의 폭발사고를 예방하고, 이로 인하여 유발되는 2차 피해를 방지할 수 있으며, 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 아크플래시 및 과전류를 검출하여 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있는 새로운 아크플래시 검출 시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 아크플래시가 발생하기 직전에 생성되는 코로나방전을 광학적 초음파센서를 이용하여 저압배전반 내 어느 부분에서든 발생하는 아크플래시를 모두 음향으로 검출함으로써 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있도록 하여 아크플래시에 의한 폭발을 방지할 수 있도록 하는 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제 및 목적은 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 아크플래시 및 과전류를 검출하여 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써, 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있는 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템을 제공하는데 있다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은, 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 저압배전반에서 발생되는 아크플래시(Arc Flash)가 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 상기 저압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유를 통해 감지하여 제1 아크플래시 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구성되는 초음파 광섬유 센서; 상기 저압배전반 내부에 장착되어 아크플래시가 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 제2 아크플래시 검출신호를 출력하는 포인트센서 및 상기 저압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 저압배전반 전체에서 발생하는 아크플래시를 감지하는 루프센서를 포함하는 아크플래시 센서; 상기 저압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서 및 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성되어, 아크플래시로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 아크플래시 검출신호를 출력하는 과전류 감지센서; 상기 초음파 광섬유 센서, 상기 아크플래시 센서 및 상기 과전류 감지센서 중 적어도 어느 하나에서 아크플래시 검출신호가 인가되면, 상기 아크플래시 검출신호로부터 아크플래시가 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 아크플래시 검출유닛; 및 상기 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 상기 아크플래시 검출유닛의 점검신호에 따라 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하는 광검출기(Photodetector)를 포함하여 소량의 빛을 방출하도록 상기 레이저 다이오드에 전원을 인가하고, 상기 광검출기가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검하는 모니터링유닛;으로 구성됨으로써, 코로나방전 검출과 함께 순차적으로 아크플래시 및 과전류를 검출하여 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써, 전원공급스위치의 오동작으로 인한 피해를 최소화할 수 있고, 아크플래시가 빈번히 발생하는 특정 위치뿐만 아니라 저압배전반 전체를 적은 비용으로도 효율적인 감시가 가능하도록 하며, 초음파 광섬유 센서 및 아크플래시 센서에서 감지된 제1 및 제2 아크플래시 검출신호의 신뢰도를 제고할 수 있고, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템이 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리할 수 있다.
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전술한 바와 같이 본 발명은 아크플래시 발생 직전 발생하는 코로나방전으로부터 생성되는 음향을 초음파 광섬유 센서를 통해 감지하여 아크플래시 발생을 검출함으로써 배전반 내의 어느 곳에서든지 발생하는 모든 아크플래시의 발생을 미리 검출할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 아크플래시에 의한 폭발을 방지하도록 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있으며, 이로 인해 아크플래시에 의한 2차 피해를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킴으로써 전원공급스위치의 오동작으로 인한 공장가동에 따른 경제적인 피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 아크플래시 검출 광학 시스템의 저압배전반 내 배치상태의 일 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템에서 코로나방전을 감지하기 위한 초음파 광섬유 센서의 블록구성도,
도 5는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 센서헤드유닛을 구성하는 패브리 페로 간섭계의 일 예시도,
도 6은 도 4의 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 초음파 신호의 세기 변화에 따른 출력 광신호를 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 신호처리유닛의 상세 블록구성도,
도 8은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 전력설비 부분방전 검출 사진,
도 9는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 아크플래시 센서의 블록구성도,
도 10은 아크플래시로 인해 발생하는 피해상황과 아크플래시 감지 및 차단기 제어에 요구되는 시간을 함께 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 아크플래시 검출 광학 시스템의 저압배전반 내 배치상태의 일 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템에서 코로나방전을 감지하기 위한 초음파 광섬유 센서의 블록구성도,
도 5는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 센서헤드유닛을 구성하는 패브리 페로 간섭계의 일 예시도,
도 6은 도 4의 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 초음파 신호의 세기 변화에 따른 출력 광신호를 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 신호처리유닛의 상세 블록구성도,
도 8은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 전력설비 부분방전 검출 사진,
도 9는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 아크플래시 센서의 블록구성도,
도 10은 아크플래시로 인해 발생하는 피해상황과 아크플래시 감지 및 차단기 제어에 요구되는 시간을 함께 나타낸 도면.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 아크플래시 검출 광학 시스템의 저압배전반 내 배치상태의 일 예시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 전력설비(10)에서 발생되는 아크플래시가 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전을 감지하여 제1 아크플래시 검출신호를 출력하는 초음파 광섬유 센서(110)와, 아크플래시가 방출하는 빛을 감지하여 제2 아크플래시 검출신호를 출력하는 아크플래시 센서(120)와, 아크플래시로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 아크플래시 검출신호를 출력하는 과전류 감지센서(130) 및 초음파 광섬유 센서(110), 아크플래시 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)에서 아크플래시 검출신호가 인가되면, 아크플래시 검출신호로부터 아크플래시가 발생하는 것으로 판단되면 차단기(20)를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 아크플래시 검출유닛(140)로 구성된다.
본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템을 구성하는 상기 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)를 비롯하여 아크플래시 검출유닛(140)은 각각 구비되는 광섬유를 통해 상호간에 연결되어 감지신호를 전송함으로써 5ms이하의 빠른 속도로 아크플래시 검출신호의 전송이 가능하며, 중소규모의 저압배전반 내에 장착이 용이하도록 소형으로 구현이 가능하다. 이하에서, 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)가 구비하는 광섬유를 편의상 각각 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유라 구분하여 설명한다.
또한, 아크플래시 발생 시 높은 확률로 발생하게 되는 전자방해잡음(Electro Magnetic Interference, EMI)에 영향을 받지 않도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 초음파 광섬유 센서(110)는 아크플래시가 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파를 감지하는 것이기 때문에, 아크플래시 발생과 동시에 감지가 가능하고 이러한 초음파는 0-4ms에 걸쳐 감지되기 때문에 아크플래시 발생에 대한 높은 신뢰도를 제공한다. 도 10은 아크플래시로 인해 발생하는 피해상황과 아크플래시 감지 및 차단기 제어에 요구되는 시간을 함께 나타낸 도면이다.
특히, 본 발명에 따른 초음파 광섬유 센서(110)는 저압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유와 연결되어, 아크플래시 발생 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 감지하여 아크플래시 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 아크플래시 센서(120)는 상기 배전반 내부에 장착되어 아크플래시가 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 상기 아크플래시 검출유닛으로 검출신호를 전송하는 포인트센서 및 상기 배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 배전반 전체에서 발생하는 아크플래시를 감지하는 루프센서를 포함하기 때문에, 아크플래시가 발생한지 1ms 전후로 아크플래시의 감지가 가능하다.
특히, 상기 루프센서는 단일 개폐장치 내의 여러 구획을 따라 배치되거나 또는 일부 개폐장치를 통해 분배될 수 있으므로, 광섬유가 길어질수록 단일 구획으로 더 많은 구획이 제공될 수 있고, 주어진 수의 스위치 기어를 보호하는데 필요한 센서의 수가 줄어들어 시스템의 가격이 최소화된다. 루프센서의 광섬유는 플라스틱 광섬유(POF) 또는 400μm의 코어 직경을 갖는 플라스틱 피복 실리카(PCS) 섬유와 같은 두꺼운 유리섬유를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 과전류 감지센서(130)는 아크플래시로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 아크플래시 검출신호를 아크플래시 검출유닛(140)으로 출력한다. 과전류 감지센서(130)는 저압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서나 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 과전류 감지센서(130)는 전술한 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120)에 의한 아크플래시 감지에 비해 감지속도가 늦기 때문에, 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120)에 의한 아크플래시 감지를 확인하는 형태로 사용한다.
또한, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 아크플래시 검출유닛(140)은 다수개의 채널을 구비하여, 다수개의 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)로부터 아크플래시 검출신호를 수신하고, 이를 고속 신호처리를 통해 차단기를 제어하는 제어신호인 트립신호(Trip)를 채널별로 각각 신속하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템에서 코로나방전을 검출하기 위한 초음파 광섬유 센서의 블록구성도이고, 도 5는 도 4의 초음파 광섬유 센서의 센서헤드유닛을 구성하는 패브리 페로 간섭계의 일 예시도를 간략히 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 초음파 광섬유 센서(110)는 저압배전반에서 아크플래시를 검출해야 하는 열악한 환경에서도 안정적으로 동작하는 광섬유를 이용한 광 간섭계 형태의 고감도 음향방출센서(Optical Fiber Fabry-Perot Interferometric Acoustic Emission Sensor)로서, 도 4에 도시된 바와 같이 싱글모드 광섬유(111)와 연결된 음향방출센서(112, Acoustic Emission Sensor)로 구성되는 센서헤드유닛(Sensor Head Unit)과, DFB 레이저 다이오드(113, Laser Diode), 광검출기(114, Photodetector) 및 평판광파회로(115, Planar Lightwave Circuits)로 구성되는 광학회로유닛(Optical Circuit Unit)과, 레이저 다이오드(113)를 구동하기 위한 APC(116, Automatic Power Controller), 광검출기(114)의 출력신호를 처리하는 TIA(117, Trans-Impedance Amplifier), BPF(118, Band Pass Filter) 및 디지털 신호처리를 수행하는 DSP(119, Digital Signal Processor)로 구성되는 신호처리유닛(Signal Processing Unit)으로 구성된다.
먼저, 센서헤드유닛은 싱글모드 광섬유(111)의 단면(Facet)과 다이어프램(Diaphragm)으로 형성된 캐비티(Cavity)로서, 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer)는 도 5와 같이 구성된다. 싱글모드 광섬유(111)를 진행하는 빛(
)은 광섬유(111)의 단면에서 일부 반사되고, 투과된 빛(
)은 캐비티(길이
)를 지나 다이어프램에서 반사되어 다시 싱글모드 광섬유(111)의 단면으로 입사된다. 싱글모드 광섬유(111)로 반사된 빛의 세기(
)는 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.
여기서, 
는 입사된 빛의 세기, 
은 광섬유 단면과 캐비티의 반사계수, 
는 캐비티와 다이어프램의 반사계수, 
는 빛이 캐비티를 진행하면서 발생하는 위상변화이다.
빛이 캐비티를 진행하면서 발생하는 위상변화(
)는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, L은 캐비티의 길이, n은 캐비티의 굴절율, 
는 빛의 파장이다.
광섬유를 통해서 입력된 광원의 빛은 광섬유의 단면에서 반사되어 외부에서 입력되는 광대역의 음향 신호의 변화(세기)에 따라 위상이 변조되어 광신호를 도 6과 같이 출력한다. 도 6은 도 4의 초음파 광섬유 센서에서 검출되는 초음파 신호의 세기 변화에 따른 출력 광신호를 나타낸 그래프이다.
광학회로유닛은 반사광노이즈(Reflected Optical Noise)의 억제를 위하여 아이솔레이터(Isolator)를 장착한 1550nm 파장의 DFB 레이저 다이오드(113)를 광원으로 사용하며, 광원의 파장, 출력 및 온도의 안정성을 위하여, 신호처리유닛에는 APC(116)와 TEC(Thermo-Electric Cooler, 미도시함)를 구비할 수 있다. 광검출기(114)는 수신된 광신호를 전기신호로 전환하기 위하여 AR코팅된 InGaAs PIN 포토 다이오드를 사용한다(Responsivity: 0.9 A/W). 평판광파회로(115)는 광학커플러(Optical Coupler)로서, 광신호의 분배와 결합으로 PLC타입 실리카(Silica) 50:50 2x2 스플리터(Splitter)를 사용한다.
한편, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 각 센서들이 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리하기 위해 상기 레이저 다이오드(113)와 광검출기(114)를 모니터링유닛으로 활용한다. 상기 레이저 다이오드(113)와 광검출기(114)는 각기 초음파 광섬유 센서(110)와 아크플래시 센서(120) 및 과전류 감지센서(130)를 구성하는 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 아크플래시 검출유닛(140)의 점검신호에 따라 레이저 다이오드(113)에서 소량의 빛을 방출하도록 레이저 다이오드(113)에 전원을 인가하고, 광검출기(114)가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검한다.
신호처리유닛은 도 7에 도시된 바와 같이, 광검출기(114)로부터 수신된 광신호를 전기신호로 변환하여 TIA(117), BPF(118)를 거쳐 DAQ시스템으로 전송된다. 이때, TIA(117)와 BPF(118) 사이에 GTA(117-1, Gain Tunable Amplifier)가 더 사용될 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 광섬유 센서의 신호처리유닛의 상세 블록구성도이다.
신호처리유닛의 상세사양은 하기와 같다.
주파수대역(6dB): 20 ~ 300 KHz
SNR: >55 dB
Gain: > 60 dB
BPF: 2nd order Butterworth
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 전기적 절연성, 화학적 내식성, 소형 경량, 큰 대역폭 그리고 고감도의 장점을 가지고 있으며, 전파하는 음파의 진폭 감쇠 또는 위상 지연을 분석하여 음향 방출의 위치를 찾는 음향 감지 방법을 결합한 파브리-페로형 간섭계를 광섬유를 이용한 초음파 광섬유 센서(110)를 사용함으로써, 아크플래시가 발생하기 직전에 생성되는 코로나방전에 의한 음향신호를 효과적으로 검출하여 저압기기의 절연 이상 유무에 대하여 예방적(Preventive) 관리 및 예측적(Predictive) 관리를 동시에 수행할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 높은 음향 감쇠 환경에서의 초미세 음향신호(-15.2dB, re:1V/Pa)를 검출할 수 있고, 넓은 대역폭의 음향신호(20-300KHz)를 검출할 수 있어 고선명 주파수 응답을 제공하며, 음향신호의 입사각(광각 또는 협각)에 의한 응답특성을 조정(지향성 응답)할 수 있고, 음향신호의 파장보다 소형의 센서로서 등방성 특성을 가지므로 소형화 및 경량화 할 수 있으며, 외부환경의 온도변화에 의한 감도변화를 최소화하여 안정된 온도특성을 갖는다.
도 8은 도 4의 초음파 광섬유 센서의 전력설비 부분방전 검출 사진으로서, 아크플래시 발생 직전의 코로나방전 검출 여부에 따른 음향 검출신호의 파형을 나타내었다.
도 9는 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템의 아크플래시 센서의 블록구성도로서, 본 발명에 따른 아크플래시 센서(120)는 저압배전반 내에 장착위치 주변의 상대적으로 작은 영역에서만 빛을 포착하여 제2 싱글모드 광섬유(123)를 통해 아크플래시 검출유닛(140)으로 신호를 전송함으로써 아크플래시가 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하는 포인트센서(121)와, 저압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 배전반 전체에서 발생하는 아크플래시를 감지하는 루프센서(122)를 포함하여 센서헤드유닛(Sensor Head Unit)을 구성한다.
또한, 레이저 다이오드(124), 광검출기(125) 및 제2 싱글모드 광섬유(123)로 구성되는 광학회로유닛(Optical Circuit Unit)과, 레이저 다이오드(124)를 구동하기 위한 APC(126), 광검출기(125)의 출력신호를 처리하는 TIA(127) 및 디지털 신호처리를 수행하는 DSP(128)로 구성되는 신호처리유닛(Signal Processing Unit)으로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 초음파 광섬유 센서(110)와 마찬가지로 아크플래시 센서(120)도 항시 정상상태로 동작할 수 있도록 관리하기 위해 상기 레이저 다이오드(124)와 광검출기(125)를 모니터링유닛으로 활용한다. 아크플래시 검출유닛(140)의 점검신호에 따라 레이저 다이오드(124)에서 소량의 빛을 방출하도록 레이저 다이오드(124)에 전원을 인가하고, 광검출기(125)가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템은 아크플래시에 의한 폭발을 방지하도록 신속하게 전원공급스위치를 차단할 수 있어, 아크플래시에 의한 2차 피해를 미연에 방지할 수 있으며, 아크플래시 검출 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
110: 초음파 광섬유 센서 111, 123: 싱글모드 광섬유
112: 음향방출센서 113, 124: 레이저 다이오드
114, 125: 광검출기 115: 평판광파회로
116, 126: APC 117, 127: TIA
117-1: GTA 118: BPF
119, 128: DSP 120: 아크플래시 센서
121: 포인트센서 122: 루프센서
130: 과전류 감지센서 140: 아크플래시 검출유닛
112: 음향방출센서 113, 124: 레이저 다이오드
114, 125: 광검출기 115: 평판광파회로
116, 126: APC 117, 127: TIA
117-1: GTA 118: BPF
119, 128: DSP 120: 아크플래시 센서
121: 포인트센서 122: 루프센서
130: 과전류 감지센서 140: 아크플래시 검출유닛
Claims (6)
- 부하에 전력을 공급하는 전력소자를 포함하는 저압배전반에서 발생되는 아크플래시(Arc Flash)가 발생하기 직전에 발생되는 코로나방전으로 인해 생성되는 초음파 대역의 음향을 상기 저압배전반 내부에 장착된 제1 싱글모드 광섬유를 통해 감지하여 제1 아크플래시 검출신호를 출력하는 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)로 구성되는 초음파 광섬유 센서;
상기 저압배전반 내부에 장착되어 아크플래시가 발생할 확률이 높은 부위의 빛을 감지하여 제2 싱글모드 광섬유를 통해 제2 아크플래시 검출신호를 출력하는 포인트센서 및 상기 저압배전반 내 구획을 따라 배치되는 루프코일에 의하여 상기 저압배전반 전체에서 발생하는 아크플래시를 감지하는 루프센서를 포함하는 아크플래시 센서;
상기 저압배전반 내부에 장착된 제3 싱글모드 광섬유와 연결되어 전류의 변화에 의해 생기는 편광면의 회전을 이용하여 전류를 측정하는 광섬유 전류센서 및 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowskii coil) 중 적어도 어느 하나로 구성되어, 아크플래시로 인해 발생하는 과전류를 감지하여 제3 아크플래시 검출신호를 출력하는 과전류 감지센서;
상기 초음파 광섬유 센서, 상기 아크플래시 센서 및 상기 과전류 감지센서 중 적어도 어느 하나에서 아크플래시 검출신호가 인가되고, 상기 아크플래시 검출신호로부터 아크플래시가 발생하는 것으로 판단되면 차단기를 오프하여 전류 흐름을 차단하기 위한 제어신호를 생성하는 아크플래시 검출유닛; 및
상기 제1, 제2 및 제3 싱글모드 광섬유와 각각 연결되어, 상기 아크플래시 검출유닛의 점검신호에 따라 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하는 광검출기(Photodetector)를 포함하여 소량의 빛을 방출하도록 상기 레이저 다이오드에 전원을 인가하고, 상기 광검출기가 방출되는 빛을 감지하여 전기신호로 변환하여 각각의 센서가 정상상태로 동작하는지를 주기적으로 점검하는 모니터링유닛;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저압배전반의 아크플래시 검출 광학 시스템. - 삭제
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