KR102175897B1 - 공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 코로나 방전을 위한 직류 고전압을 발생시키고, 상기 직류 고전압에서 발생한 코로나 방전에 의한 방전신호를 이용하여 코로나 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 코로나 제너레이터와, 초저주파인 VLF 신호를 발생시키고, 상기 VLF 신호의 염분에 의한 전이로 발생한 전이신호를 이용하여 전이신호의 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 VLF 제너레이터와, 상기 방전신호 또는 전이신호에 대응되는 일정값의 염분농도를 측정하기 위해 상기 코로나 제너레이터 또는 상기 VLF 제너레이터가 동작하도록 스위칭 제어하는 제어부로 구성된 염분측정부; 및
40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF를 감지하는 MF센서로 구성되어, 상기 초음파센서와 상기 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크감지부를 포함한다.

Description

공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반{Power distribution panel capable of measuring salt in air and detecting arc}

본 발명은 수배전반에 관한 것이다.

수배전반, 에너지저장장치, 태양광 발전시스템 등 전기설비에 염분이 더해지면, 표면저항이 떨어지고 누설전류나 섬락이 발생하여, 사고가 발생한다.

특히, 해수면 상에 설치된 태양광 발전시스템의 경우, 염분이 포함된 바람이 지속적으로 불어와, 태양광 패널들에서 발전된 에너지를 모아서 전력망으로 공급하는 수배전반 내부로 염분이 지속적으로 스며든다. 이렇게 염분이 포함된 공기가 수배전반 내부로 들어오면, 수배전반 내부의 부품을 부식시켜 아크를 발생시킨다.

상술한 이유로 인해, 수배전반 내 공기 중 염분 농도를 항상 모니터링 하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 공기 중 염분농도를 측정할 수 있는 센서가 필요하다. 또한, 염분으로 인해 수배전반 부품이 부식되어 발생하는 아크를 항시 감지하는 아크감지센서가 필요하다.

한편, 공기 중 염분 농도의 변화는 순수 공기의 절연성능에 변화를 준다. 이러한 변화에 착안하여, 한국등록특허(10-1216106, 이하,“종래기술”이라 칭함)에서는, 코로나 방전(Corona discharge)을 이용하여 일정 농도 이상의 염분량의 경계값을 측정하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 종래기술은 일정 농도 이상의 염분농도만 측정할 수 있는 문제가 있으며, 코로나 검출용 니들의 머리 부분이 뾰족하여 코로나 방전이 계속될수록 마모가 진행되는 문제를 가지고 있다. 또한, 종래기술은 온도와 습도에 따라 측정되는 염분농도가 달라지는 문제가 있다.

한국등록특허(10-1216106)

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반은,

공기가 통과하는 제1중공이 중앙에 뚫린 지지판와, 공기가 통과하는 제2중공이 상기 제1중공과 대응되는 위치에 뚫린 스테이지와, 상기 제2중공 안에 사각톱니 모양으로 지그재그로 설치된 한 가닥의 탄소섬유와, 상기 탄소섬유에 전기를 공급하는 전원부와, 상기 전원부가 상기 탄소섬유에 공급하는 전기의 흐름방향을 순간적으로 계속적으로 바꾸어, 상기 탄소섬유로부터 전자가 튀어나가게 만드는 스위칭부와, 상기 탄소섬유와 미 접촉상태로 상기 탄소섬유 사이사이에 설치되며 상기 탄소섬유로부터 튀어나간 전자를 받아 전류가 흐르게 되며, 일단이 신호접지된 금속판과 연결된 신호선들과, 상기 신호선들 각각에 흐르는 전류를 증폭하는 증폭부와, 상기 신호선들 각각에 흐르는 전류의 세기를 측정하여, 공기 속에 포함된 염분의 농도를 결정하는 제어부로 구성된 염분측정부; 및

40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF를 감지하는 MF센서로 구성되어, 상기 초음파센서와 상기 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크감지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적은,

코로나 방전을 위한 직류 고전압을 발생시키고, 상기 직류 고전압에서 발생한 코로나 방전에 의한 방전신호를 이용하여 코로나 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 코로나 제너레이터와, 초저주파인 VLF 신호를 발생시키고, 상기 VLF 신호의 염분에 의한 전이로 발생한 전이신호를 이용하여 전이신호의 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 VLF 제너레이터와, 상기 방전신호 또는 전이신호에 대응되는 일정값의 염분농도를 측정하기 위해 상기 코로나 제너레이터 또는 상기 VLF 제너레이터가 동작하도록 스위칭 제어하는 제어부로 구성된 염분측정부; 및

40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF를 감지하는 MF센서로 구성되어, 상기 초음파센서와 상기 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반에 의해 달성된다.

본 발명을 사용하면, 종래기술에서 문제되었던, 일정 농도 이상의 염분농도만 측정할 수 있는 문제, 코로나 검출용 니들의 머리 부분이 뾰족하여 코로나 방전이 계속될수록 마모가 진행되는 문제, 온도와 습도에 따라 측정되는 염분농도가 달라지는 문제를 모두 해결할 수 있다.

본 발명을 사용하면, 수배전반 내부의 염분 농도를 지속적으로 모니터링 할 수 있어, 수배전반 내부로 스며들어온 염분으로 인해, 수배전반 내부 부품이 부식되고, 합선되어 화재가 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있다.

본 발명은, 코로나 제너레이터와, VLF 제너레이터를 이용한 복합 제너레이터 염분 측정 방식을 채택한다. 이로 인해, 발생되는 코로나 증가분 신호와 VLF 신호의 펄스가 전이되는 신호의 강도 및 빈도를 측정하여 공기 중 염분 농도를 측정할 수 있다. 여기서, VLF 펄스 신호는 미세한 염분량이 표면에 증착되더라도 염분농도에 대한 신호의 강도 및 빈도를 측정하여 종래에 구현하지 못하는 소량 염분도 측정할 수 있다.

본 발명은 30 kHz 내지 48 kHz 대역에서 검출되는 초음파와 500kHz 대역에서 검출되는 초음파 모두를 이용하여, 아크 발생 여부를 정확하게 확인하고 통보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반을 구성하는 염분측정부를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 A 부분을 확대한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 단면 Ⅲ-Ⅲ을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 염분측정부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반을 구성하는 염분측정부를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 코로나 제너레이터를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 코로나 발생부를 나타낸 도면으로, 도 8(a)는 코로나 발생부의 정면도이고, 도 8(b)는 코로나 발생부의 측면도이다.
도 9는 도 6에 도시된 VLF 제너레이터를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 VLF 제너레이터의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 VLF 제너레이터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반을 자세히 설명한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반은, 염분측정부와 아크감지부와 기타 부품들로 구성된다.

제1실시예서는 수배전반을 구성하는 염분측정부와 아크감지부에 대해서만 자세히 설명한다. 특히, 염분측정부에 대해서 자세히 설명한다. 이 밖에 수배전반의 부품은 공지된 기술로 다양하게 구성될 수 있어, 그 설명을 생략한다. 위의 사항은 제2실시예에서도 마찬가지다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 염분측정부(1)는, 지지판(10), 진동모터(20)들, 스테이지(30), 탄소섬유(40), 전원부(50), 스위칭부(60), 신호선(70)들, 증폭부(80), 제어부(90)로 구성된다.

설명의 편의를 위해서, 도 1의 A부분에 위치된 탄소섬유(40), 신호선(70)들로 염분측정부(1)의 주요 특징을 설명한다.

지지판(10)의 중앙에는 공기가 통과할 수 있는 제1중공(11)이 뚫린다. 지지판(10)의 사각 모서리 부근에는 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 염분측정부(1)의 취부를 위한 나사공(12)이 뚫린다. 이로 인해, 공기 속에 포함된 염분을 감지하고자 하는 곳 어디든 염분측정부(1)를 쉽게 설치할 수 있다. 물론, 지지판(10)의 후면에 양면테이프를 붙여서 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 염분측정부(1)를 필요한 곳에 설치할 수도 있다. 이러한 지지판(10)은 합성수지, 세라믹, 탄소섬유강화플라스틱 등 비전도성 재질로 만들어진다. 그 이유는 후술한다.

진동모터(20)들은 제1중공(11)의 주변에 4개가 설치된다. 물론, 진동모터(20)의 개수는 달라질 수 있다. 진동모터(20)는 회로, 센서, 액추에이터가 실리콘 기판 상에 집적화 된 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 구조를 가진다. 이렇게 진동모터(20)가 소형구조를 가짐으로써, 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 염분측정부(1)를 최대한 작게 만들 수 있다. 염분 농도를 측정하기 전에, 진동모터(20)는 스테이지(30)를 흔들어서, 스테이지(30)와 탄소섬유(40)와 신호선(70)에 달라붙은 먼지, 염분을 털어낸다.

스테이지(30)는 진동모터(20)들 위에 설치된다. 스테이지(30)의 중앙에는 공기가 통과하는 제2중공(31)이 제1중공(11)과 대응되는 위치에 뚫린다. 이러한 스테이지(30)는 합성수지, 세라믹, 탄소섬유강화플라스틱 등 비전도성 재질로 만들어진다. 그 이유는 후술한다.

탄소섬유(40)는 5~10㎛의 직경을 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(40)는 한 가닥이 제2중공(31) 안에 사각 톱니 모양으로 지그재그로 설치된다.

전원부(50)는 탄소섬유(40)에 전기를 공급한다. 전원부(50)는 충방전이 가능한 이차전지로 만들어진다. 한편, 염분측정부(1)의 크기를 줄이고, 전원부(50)의 출력을 높이기 위해서, 스테이지(30)에 설치된 전원부(50)를 없애고, 대신 외부전원으로 탄소섬유(40)에 전기를 공급할 수도 있다.

스위칭부(60)는 전원부(50)가 탄소섬유(40)에 공급하는 전기의 흐름방향을 순간적으로 계속 바꾸어준다. 이로 인해, 순방향으로 흐르는 전자와 역방향으로 흐르는 전자가 동시에 존재하게 되고 이들이 계속 충돌하게 되어, 탄소섬유(40) 바깥으로 전자가 튀어나가게 된다. 이를 위해, 스위칭부(60)의 스위칭 주기는 1KHz~30MHz가 바람직하다. 이 정도 주기로 스위칭을 해 주어야, 탄소섬유(40) 바깥으로 전자가 튀어나갈 수 있기 때문이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 신호선(70)들은 탄소섬유(40)와 미 접촉상태로, 탄소섬유(40) 사이사이에 일정간격을 두고 설치된다. 신호선(70)들은 탄소섬유(40)로부터 튀어나간 전자를 받는다. 지지판(10)과 스테이지(30)가 비전도성 재질로 만들어지므로, 탄소섬유(40)로부터 튀어 나간 전자는 신호선(70)에만 집중적으로 튀어 들어간다. 신호선(70)에는 튀어 들어온 전자로 인해 전류가 흐르게 된다.

한편, 신호선(70)으로 전자가 잘 튀어 들어가, 전류의 세기를 증가시켜 신호를 효과적으로 포집하고 증폭하기 위해서는, 신호선(70)의 전위를 낮춰야 한다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 신호선(70)의 일 끝단에 금속판(75)을 연결하고, 금속판(75)을 신호접지한다. 또한, 신호선(70)이 아닌 금속판(75)으로 전자가 바로 튀어 들어가는 것을 막기 위해서, 금속판(75)은 비전도성인 스테이지(30) 내부에 묻혀서 차폐된다.

증폭부(80)는 신호선(70)들 각각에 흐르게 되는 전류를 증폭한다. 증폭부(80)는 연산 증폭기(op-amp, operational amplifier)로, 두 개의 차동 입력과, 대개 한 개의 단일 출력을 가지는 직류 연결형(DC-coupled) 고이득 전압 증폭기로 구성된다. 증폭부(80)는 신호선(70)들 각각에 연결된다.

도 2를 참조하면, 증폭부(80)는 3가닥의 신호선(70)들과 전선(L2)으로 연결되는 제1증폭기(81), 제2증폭기(82), 제3증폭기(83)로 구성된다.

물론, 증폭부(80)는 모든 신호선(70)들 각각에 연결되기 위해, 더 많은 증폭기들로 구성되나, 도 2에서는 도 1의 A부분에 위치된 신호선(70)들을 연결하기 위한 3개의 증폭기만을 나타내었다.

제어부(90)는, 신호선(70)들 각각에서 흐르게 되는 전류의 세기를 계산하여, 공기 속에 포함된 염분의 농도를 결정한다. 이를 위해, 증폭부(80)로부터 증폭된 전류를 전선(L2)을 통해 받는다.

이하, 제어부(90)가 공기 속에 포함된 염분 농도를 측정하는 방법을 자세히 설명한다. 도 1 내지 도 3을 기본적으로 참조한다. 도 4 및 도 5에 도시된 하늘색 양쪽화살표는 탄소섬유(40)로부터 튀어나가는 전자를 나타낸다.

공기 속에 포함된 염분을 감지하기 전에, 진동모터(20)는 스테이지(30)를 흔들어서, 스테이지(30)와 탄소섬유(40)와 신호선(70)에 달라붙은 먼지, 염분을 털어낸다. 한편, 탄소섬유(40)에 전기가 흐르면 발열되는 데, 이때, 염기인 염분에서 나트륨이 튀어나가서, 염분이 자연적으로 분해되어 떨어져 나가기도 한다.

전원부(50)는 탄소섬유(40)에 전기를 공급한다.

스위칭부(60)는 전원부(50)가 탄소섬유(40)에 공급하는 전기의 흐름방향을 순간적으로 계속적으로 바꾸어, 탄소섬유(40)로부터 전자가 튀어나가게 만든다. 그 원리는 전술한 바와 같다.

신호선(70)들은 탄소섬유(40)로부터 튀어나간 전자를 받는다.

신호선(70)들로 튀어 들어온 전자로 인해, 신호선(70)들 각각에 전류가 흐르게 된다. 도 4에 도시된 흰색 화살표는 신호선(70)들로 튀어 들어온 전자로 인해, 신호선(70)들 각각에 흐르게 되는 전류를 나타낸다. 점선화살표는 탄소섬유(40)와 스위칭부(60)를 연결하는 도선(L3)에 흐르는, 방향이 계속 바뀌는 전류를 나타낸다.

증폭부(80)는 신호선(70)들 각각에 흐르는 전류를 증폭한다.

제어부(90)는, 신호선(70)들 각각에서 흐르는 전류의 세기를 측정하여, 공기 속에 포함된 염분의 농도를 결정한다. 공기 속에 포함된 염분의 농도가 커질수록, 탄소섬유(40)와 신호선(70)에 달라붙는 염분이 많아져, 전류가 잘 흐르고, 전류의 세기도 커진다. 또한, 전류의 세기가 커진 만큼 탄소섬유(40)로부터 튀어나가는 전자의 개수도 많아진다.

도 5에 도시된 노란색 굵은 화살표는, 도 4에 도시된 흰색 화살표 보다 전류의 세기가 큰 것을 나타낸다. 즉, 공기 속에 포함된 염분의 농도가 도 4에 도시된 염분의 농도보다 더 커져, 탄소섬유(40)와 신호선(70)에 더 많은 염분이 달라붙어, 전류가 더 잘 흐르고, 전류의 세기가 더 커진다. 또한, 전류의 세기가 더 커진 만큼 탄소섬유(40)로부터 튀어나가는 전자의 개수도 더 많아진 것을 나타낸다.

이렇게 염분농도에 따른 신호선(70)에 흐르는 전류의 세기 변화를 이용하여, 제어부(90)는 공기 속에 포함된 염분 농도를 측정한다.

염분 농도 측정 방법1

염분이 포함되지 않은 공기를 흘려보냈을 때, 신호선들 각각에서 측정된 전류 값을 평균낸 값을 기준값으로 설정한다. 염분이 포함된 공기를 흘려보냈을 때, 신호선들 각각에서 측정된 전류 값을 평균낸 값을 측정값으로 결정한다. 기준값과 측정값의 차이의 절댓값을 염분 농도로 최종 결정한다.

염분 농도 측정 방법2

염분이 포함되지 않은 공기를 흘려보냈을 때, 가장 센 전류가 흘러가는 신호선과 가장 약한 전류가 흘러가는 신호선을 제외한, 나머지 신호선들 각각에서 측정된 전류 값을 평균낸 값을 기준값으로 설정한다. 염분이 포함된 공기를 흘려보냈을 때, 가장 센 전류가 흘러가는 신호선과 가장 약한 전류가 흘러가는 신호선을 제외한, 나머지 신호선들 각각에서 측정된 전류 값을 평균낸 값을 측정값으로 결정한다. 기준값과 측정값의 차이의 절댓값을 염분 농도로 최종 결정한다.

염분 농도 측정 방법3

염분이 포함되지 않은 공기를 흘려보냈을 때, 가장 센 전류가 흘러가는 신호선과 가장 약한 전류가 흘러가는 신호선을 제외한, 나머지 신호선들 각각에서 측정된 전류를 제곱하여 더하고 난 값에 제곱근을 씌운 값을 기준값으로 설정한다. 염분이 포함된 공기를 흘려보냈을 때, 가장 센 전류가 흘러가는 신호선과 가장 약한 전류가 흘러가는 신호선을 제외한, 나머지 신호선들 각각에서 측정된 전류를 제곱하고 더하고 난 값에 제곱근을 씌운 값을 측정값으로 결정한다. 기준값과 측정값의 차이의 절댓값을 염분 농도로 최종 결정한다. 이 밖에도, 제어부(90)가 공기 속에 포함된 염분의 농도를 결정하는 방법은 다양할 것이다.

아크감지부는, 40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF(Medium Frequency)를 감지하는 MF센서로 구성되어, 초음파센서 신호와 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단한다.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반을 자세히 설명한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 염분측정부(2)는, 코로나 제너레이터(100), VLF 제너레이터(200), 제어부(300)로 구성된다.

코로나 제너레이터(100)는, 코로나 방전을 위한 2000V 이상의 직류 고전압을 발생시키고, 직류 고전압에서 발생한 코로나 방전에 의한 방전신호를 이용하여, 코로나 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정한다. 이를 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 코로나 제너레이터(100)는, 고전압발생부(110), 출력전압감시부(120), 저항가변부(130), 코로나발생부(140), 코로나 최적위치 제어부(150), 코로나수신부(160), 코로나 강도 빈도 측정부(170), 염분량변환부(180)로 구성된다.

고전압발생부(110)는 코로나 방전을 위한 직류 고전압을 발생시킨다.

출력전압감시부(120)는 직류 고전압에 대한 출력을 조절하는 일종의 전압조정기로서의 역할을 한다.

저항가변부(130)는 출력전압감시부(120)에 출력 조절을 위한 저항을 가변한다. 나아가, 저항가변부(130)는 무접점 전자식 릴레이(solid state relay) 타입으로 저항 가변이 이루어질 수 있으며, 이를 통하여 미세하고 정밀한 출력 전압 제어가 가능하다.

도 8에 도시된 바와 같이, 코로나발생부(140)는, 튜브(141), 한 쌍의 니들 간격 조절용 너트(142), 한 쌍의 코로나 검출용 니들(143)로 구성된다.

튜브(141)에는 통과공(141a)이 구비되고, 상하측 내주면에는 나사산(141b)이 구비된다. 튜브(141)는 부도체 또는 합성수지재로 만들어진다. 니들 간격 조절용 너트(142)는 나사산(141b)에 나사 결합되어, 코로나 검출용 니들(143)들의 간격을 조절한다. 코로나 검출용 니들(143)은 소정 지름과 길이의 바늘 형상을 갖는다. 니들의 머리(143a)는 1~2mm의 직경을 갖는 평면으로 무디게 형성된다. 이로 인해, 반복적인 코로나 발생에도 니들(143)의 마모가 방지되고, 반영구적으로 사용될 수 있다. 코로나 검출용 니들(143)은 고전압발생부(110)에서 발생되는 고전압을 공급받는 상태에서 공기 중의 염분농도가 정해진 농도 이상일 때 방전 작동한다.

코로나 최적위치 제어부(150)는 코로나발생부(140)에서 방전 작동되도록 코로나 검출용 니들(143)의 최적 위치를 산출한다. 코로나 최적위치 제어부(150)는 구동부(미도시)를 더 포함하여 최적 위치에 따라 해당 위치로 니들 간격 조절용 너트(142)를 작동하도록 이동시킬 수 있다. 또한, 최적 위치를 산출하기 위해 염분량변환부(180)로부터 온도 및 습도에 대한 기준값을 제공받을 수 있으며, 기준값을 이용하여 최적 위치를 산출한다. 또한, 최적 위치는 코로나 발생 횟수나 한 쌍의 코로나 검출용 니들(143)의 거리 측정값에 따라 달라질 수 있다.

코로나수신부(160)는 코로나발생부(140)에서 방전 작동시 방전신호를 수신한다.

코로나 강도 빈도 측정부(170)는 방전신호를 이용하여 코로나 강도 또는 빈도를 측정하는 기능을 수행한다. 코로나 강도 신호는 코로나가 발생하는 양의 정도를 감지하여 아날로그 값으로 취득할 수 있으며, 이는 염분량 변환을 위한 기초 데이터가 된다. 코로나 빈도 신호는 코로나 강도 신호 발생시 단위 시간당 횟수를 의미할 수 있으며, 예컨대 배전반과 같이 초기 염분량이 증가하는 상태에서는 공기 중의 염분이 균형적으로 확산된 상태가 아니기 때문에 단위 시간당 코로나 빈도 발생은 코로나 강도에 비해 적게 나타날 수 있다.

염분량변환부(180)는 코로나 강도 또는 빈도를 이용하여 염분량을 변환하여 염분농도를 측정한다. 염분량변환부(180)는 코로나 강도 또는 빈도에 따라 염분량을 변환하되, 염분량변환부(180)와 연결된 온도센서(미도시)와 습도센서(미도시)를 통하여 임계값 이상의 온도 및 습도 상황에서는 해당 온도 및 습도를 각각 절대온도 및 절대습도로 환산하여 염분량 또는 염분농도를 산출시 반영한다. 이로 인해, 상대적인 온도 및 습도에 따라 염분농도가 달라지지 않도록 하여 정확한 염분농도 산출이 이루어진다. 염분량변환부(180)는 제어부(300)로부터 전송된 방전신호를 수신하여 해당 방전신호의 염분농도를 분석하여 온도 및 습도에 대응하기 위한 기준값으로 사용한다.

도 9 내지 도 11을 참조하면,

VLF 제너레이터(200)는 지지판(210) 위에 상판(230)이 마련되고, 상판(230)과 지지판(210) 사이에는 연결부(220)로 상호 이어지며, 상판(230)에는 VLF 제너레이터(200)의 세부 구성 요소가 마련된다.

VLF 제너레이터(200)는 3KHZ 이하의 초저주파인 VLF(very low frequency) 신호를 발생시키고, VLF 신호의 염분에 의한 전이로 발생한 전기적인 신호인 전이신호를 이용하여 전이신호의 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정한다. VLF 제너레이터(200)는 일정량의 염분량이 발생하면, VLF 신호의 펄스가 전이되어 발생하는 전이신호의 강도 및 빈도를 측정하여 공기 중의 염분 농도를 측정한다. VLF 제너레이터(200)는 신호유입부(240), 전원부(250), 스위칭부(260), 신호포집부(270), 공진부(275), 증폭부(280), 제어부(300)로 구성된다.

신호유입부(240)는 VLF 신호를 전원부(250)로부터 스위칭부(260)를 통하여 공급받는다.

전원부(250)는 제어부(300)의 지시에 따라 저주파 신호인 VLF 신호 출력을 제공한다. 전원부(250)는 펄스 형태의 VLF 신호를 신호유입부(240)로 공급하기 위해, 도 11에 도시된 바와 같이, 캐소드 드라이버(cathode driver, 251), 전원부(250)에서 공급되는 전류를 조절할 수 있는 전류제한부(252), 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DAC(Digital to Analog Converter, 253)로 구성된다.

스위칭부(260)는 VLF 신호가 펄스 형태의 신호를 이루도록 스위칭 동작을 수행한다.

신호포집부(270)는 신호유입부(240)로부터 유입된 VLF 신호를 이용하여 염분 성분의 전이에 의해 발생한 전이신호를 검출한다. 신호포집부(270)는 VLF 신호가 신호유입부(240, 도 10의 검은색 선)를 통하여 주파수 성분의 전류가 흐르면, 공기 중의 염분이 증가하였을 때, 표면저항이 감소하게 되고, 인접한 신호포집부(270, 도 10의 빨간 선)에서 전기적인 전이신호를 검출한다. 특히, 펄스 형태의 VLF 신호는 미소한 염분량이 신호 포집부의 표면에 증착되더라도 미소한 염분량에 대응하는 전이신호의 강도 및 빈도를 측정한다. 이로 인해, 종래 코로나 방식에서는 검출할 수 없었던 소량의 염분농도에 대해서도 측정한다. 또한, VLF 신호를 이용하면 온도 및 습도에 민감하지 않아, 온도 및 습도가 변해도, 검출된 염분농도를 신뢰할 수 있다.

한편, 일정값 이상의 염분농도까지 VLF 제너레이터(200)를 이용하여 검출하면, 신호포집부(270)를 통하여 전이되는 염분량이 금새 포화상태(saturation state)가 되어 신호 검출이 무뎌진다. 따라서, 일정값 이상의 염분농도에 대해서는 VLF 제너레이터(200) 보다는, 코로나 제너레이터(100)를 이용하여 검출하는 것이 바람직하다.

공진부(275)는 신호포집부(270)로부터 수집된 전이신호에는 고주파 대역의 노이즈 등을 포함하고 있기 때문에 전이신호만을 제어부(300)로 전송하도록 검출하기 위해 저주파 대역의 주파수 성분만을 필터링하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 도 11에 도시된 바와 같이. 공진부(275)는 LC 공진회로로 구성된다.

증폭부(280)는 공진부(275)에서 검출된 전이신호의 식별이 용이하도록 일정값 이상으로 증폭하는 역할을 수행하며, 신호 검출을 위한 도선이 복수개가 구비됨에 따라 대응되는 증폭부도 단일에서 복수 개 까지 구비될 수 있다.

제어부(300)는 코로나 제너레이터(100)에서 발생되는 방전신호 또는 VLF 제너레이터(200)에서 발생되는 전이신호에 각각 대응되는 일정값의 염분농도를 측정하기 위해 코로나 제너레이터(100) 또는 VLF 제너레이터(200)가 동작하도록 스위칭 제어한다. 또한, VLF 제너레이터(200)로 스위칭 동작시, 전원부(250)에서 저주파 신호인 VLF 신호 출력을 제공하도록 제어한다. 또한, 신호포집부(270)로부터 검출된 전이신호를 수신하며, 신호포집부(270)로부터 검출된 전이신호를 코로나 제너레이터(100)의 염분량변환부(180)로 전송한다.

제어부(300)로부터 전송된 전이신호를 수신한 염분량변환부(180)는 해당 전이신호의 염분농도를 분석하여 온도 및 습도에 대응하기 위한 기준값으로 사용한다. 즉, 코로나 제너레이터(100)에서는 코로나 방전에 의해 측정된 염분 농도가 온도 및 습도의 영향을 받아 정확하지 않을 수 있는데, 이러한 기준값(전이신호)을 사용하면, 염분 농도가 온도 및 습도에 영향을 받았는지 여부를 판단할 수 있다.

제어부(300)로부터 염분량변환부(180)로 전송된 기준값 데이터는, 제어부(300)가 머신러닝 하는 데이터로 사용될 수 있다.

제어부(300)로부터 염분량변환부(180)로 전송된 기준값 데이터들이 점점 더 축적될수록, 머신러닝 트레이닝 횟수가 증대되고, 결과적으로 트레이닝을 통해 획득한 모델링의 정확도가 점점 높아지게 된다. 이를 통해, 온도 및 습도에 강인한 트레이닝 모델을 획득한다. 머신 러닝 기법의 학습 모델로는, 온도 및 습도 패턴에 따라 최적 경계를 이루는 그룹으로 분류할 수 있는 서포트 벡터 머신(SVM : Support Vector Machine) 알고리즘이나, 합성곱신경망(CNN) 또는 순환신경망(RNN) 등이 사용될 수 있다.

본 실시예에서 제어부(300)는 VLF 제너레이터(200)에 구비되었지만, 코로나 제너레이터(100)에 구비하거나, 스위칭 제어가 용이하도록 별도의 제어수단으로 구비될 수도 있다.

아크감지부는, 40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF(Medium Frequency)를 감지하는 MF센서로 구성되어, 초음파센서 신호와 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단한다.

1,2: 염분측정부
100: 코로나 제너레이터 200: VLF 제너레이터
90,300: 제어부

Claims (5)

1. 삭제
2. 코로나 방전을 위한 직류 고전압을 발생시키고, 상기 직류 고전압에서 발생한 코로나 방전에 의한 방전신호를 이용하여 코로나 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 코로나 제너레이터와, 초저주파인 VLF 신호를 발생시키고, 상기 VLF 신호의 염분에 의한 전이로 발생한 전이신호를 이용하여 전이신호의 강도 또는 빈도를 측정하여 공기 중 염분농도를 측정하는 VLF 제너레이터와, 상기 방전신호 또는 전이신호에 대응되는 일정값의 염분농도를 측정하기 위해 상기 코로나 제너레이터 또는 상기 VLF 제너레이터가 동작하도록 스위칭 제어하는 제어부로 구성된 염분측정부; 및
   40 kHz 대역의 초음파를 감지하는 초음파센서와, 500kHz 대역의 MF를 감지하는 MF센서로 구성되어, 상기 초음파센서와 상기 MF센서 신호의 노이즈 양, 빈도, 강도, 편차, 표준편차의 다면평가를 통하여 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반.
3. 제2항에 있어서,
   상기 코로나 제너레이터는,
   간격 조절이 가능한 한 쌍의 머리가 무딘 코로나 검출용 니들을 포함하고, 한 쌍의 니들 간격 조절용 너트 조절에 의해 코로나 검출용 니들 간격을 조절하며, 상기 코로나 제너레이터에서 발생되는 직류 전압을 공급받아 공기 중의 염분농도가 정해진 농도 이상일 때 방전 작동하는 코로나발생부;
   코로나 방전을 위한 직류 고전압을 발생시키는 고전압발생부;
   상기 코로나 검출용 니들의 최적 위치를 산출하고, 해당 위치로 제어하는 코로나 최적위치 제어부;
   상기 코로나발생부의 방전 작동에 의해 상기 방전신호를 수신하는 코로나수신부;
   상기 방전신호를 이용하여 코로나 강도 또는 빈도를 측정하는 코로나 강도 빈도 측정부;
   상기 코로나 강도 또는 빈도를 이용하여 염분량을 변환하여 염분농도를 측정하는 염분량변환부;
   상기 직류 고전압을 출력을 조절하는 출력전압감시부; 및
   상기 출력전압감시부에 출력 조절을 위한 저항을 가변하는 저항가변부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반.
4. 제2항에 있어서,
   상기 VLF 제너레이터는,
   VLF 신호를 전원부로부터 공급받는 신호유입부;
   상기 제어부의 제어 하에 저주파 신호인 VLF 신호 출력을 제공하는 상기 전원부;
   VLF 신호가 펄스 형태의 신호를 이루도록 스위칭 동작을 수행하는 스위칭부;
   상기 신호유입부로부터 유입된 VLF 신호를 이용하여 염분 성분의 전이에 의해 방전신호를 검출하는 신호포집부;
   상기 신호포집부로부터 수집된 전이신호만을 검출하기 위해 저주파 대역의 주파수 성분만을 필터링하는 공진부; 및
   상기 공진부에서 검출된 전이신호의 식별이 용이하도록 증폭하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 방전신호 또는 전이신호에 대응되는 일정값의 염분농도를 측정하기 위해 상기 코로나 제너레이터 또는 상기 VLF 제너레이터가 동작하도록 스위칭 제어하며, 상기 VLF 제너레이터 동작시, 전원부에서 저주파 신호인 VLF 신호 출력을 제공하도록 제어하며,
   상기 신호포집부로부터 검출된 전이신호를 수신할 수 있으며, 상기 신호포집부로부터 검출된 전이신호를 상기 코로나 제너레이터의 염분량변환부로 전송하며,
   상기 전이신호를 수신한 염분량변환부는 해당 전이신호에 대응하는 염분농도를 분석하여 온도 및 습도에 대응하기 위한 기준값으로 사용하는 것을 특징으로 하는 공기 중 염분 측정 및 아크 감지 기능을 갖는 수배전반.

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