KR102230366B1 - 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치 - Google Patents

환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력기기 아크 감시 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 온도와 같은 환경 인자에 대하여 센싱값의 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치는 아크 감시 장치의 온도 보정 계수를 산출하는 테스트부; 및 온도센서로부터 수집된 온도값에 대응한 온도 보정 계수로 아크 신호를 보정하고, 보정된 아크 신호를 이용하여 아크 발생 여부를 판정하는 아크판단부를 포함한다. 본 발명은 음파 방식으로 아크를 감시할 때, 센싱 지역에서의 음영 및 온도변화에 따른 센싱 감도 변화에 능동적으로 대응할 수 있다.

Description

환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치{Power equipment arc monitoring device with correction function for environmental factors}
본 발명은 전력기기 아크 감시 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 온도와 같은 환경 인자에 대하여 센싱값의 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치에 관한 것이다.
ESS, 변압기, 수배전반, 분전반 및 전동기 제어반 등과 같은 전력기기는 운영 중에 아크가 발생할 수 있다.
아크는 절연 열화, 접점 손상 등 다양한 원인에 의해 발생한다. 아크를 감지하기 위해, 전류, 전자기파, 음파, 광 등과 같은 다양한 센싱인자가 사용된다.
이 중 음파를 이용하여 아크를 감시하는 장치는 전력기기와의 회로적인 연결이 불필요하고, 단일 마이크를 사용해 전력기기 전체의 모니터링이 가능하다는 이점이 있다.
다만, 음파 방식에서 아크 감시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
1. 아크 감시 장치의 설치 위치에 따라 음영 지점이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
2. 음파는 도 1과 같이, 온도에 따라 음파가 진행하는 방향에 변동이 발생한다. 따라서, 특정 지점에 고정되는 아크 감시 장치의 센싱 감도가 온도에 따라 가변될 수 있다는 문제점이 있다.
1. 일본공개특허 제2012-513738호 (공고일 : 2012.06.14) 2. 한국공개특허 제10-2011-0097882호 (공개일 : 2011.08.31)
본 발명은 센싱 지역에서의 음영 및 온도변화에 따른 센싱 감도 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치는 아크 감시 장치의 온도 보정 계수를 산출하는 테스트부; 및 온도센서로부터 수집된 온도값에 대응한 온도 보정 계수로 아크 신호를 보정하고, 보정된 아크 신호를 이용하여 아크 발생 여부를 판정하는 아크판단부를 포함한다.
여기서, 상기 테스트부는 아래의 수학식,
[수학식]
Figure 112020108408669-pat00001
에 따라, 온도 보정계수를 산출할 수 있다.
그리고, 아크 감시 장치가 외함 내부에서 설치되어야 하는 위치를 가이드하는 위치 판단부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 위치 판단부는 복수의 음파 발생기에 대응한 아크 신호 피크값을 아래의 수학식,
[수학식]
Figure 112020108408669-pat00002
에 따라 보정하고, 상기 보정된 아크 신호 피크값이 기 설정된 제 1 기준 아크 신호 피크값 미만이면, 상기 보정된 아크 신호 피크값에 대응한 아크 감시 지점은 음영 지점인 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은 음파 방식으로 아크를 감시할 때, 센싱 지역에서의 음영 및 온도변화에 따른 센싱 감도 변화에 능동적으로 대응할 수 있다.
도 1은 음파 진행 방향과 온도 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 감시 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2의 아크 감시 장치의 기능 블록도이다.
도 4는 도 2의 음파 발생기의 기능 블록도이다.
도 5는 도 2의 아크 감시 장치가 아크 감시 장치의 설치 위치를 가이드하는 프로세스에 대한 플로우차트이다.
도 6은 도 2의 아크 감시 장치가 아크 신호를 감시하는 프로세스에 대한 플로우차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참고하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 전력기기가 내부에 설치되는 외함(P) 내부에 아크 감시 장치(100)가 설치될 수 있다. 여기서, 전력기기는 변압기, 차단기, ESS 등일 수 있다. 외함(P)은 수배전반, 분전반, 전동기제어반, ESS 등의 외부 케이스를 형성할 수 있다. 외함(P)은 외부 소음(노이즈)에 의한 영향을 최소로 할 수 있도록 방음 처리되는 것이 바람직하다.
본 발명의 아크 감시 장치(100)는 음파 방식으로 아크를 감지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 아크 감시 장치(100)는 마이크(110), 신호처리부(120), 통신부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 제어부(140)는 마이크로 콘트롤러 상에서 운영되는 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 마이크(110)는 음파를 센싱할 수 있다. 신호처리부(120)는 마이크(110)가 센싱한 아크음을 제어부(140)가 처리 가능한 음파신호로 변환할 수 있다. 아크음은 마이크(110)가 센싱한 음파에 대응하여 출력하는 아날로그 신호일 수 있다. 음파신호는 아크음을 신호처리하여 신호처리부(120)가 출력하는 디지털 신호일 수 있다. 통신부(130)는 음파 발생기(10)와 아크 감시 장치(100) 간의 통신을 제공할 수 있다. 아크 감시 장치(100)와 함께, 온도 센서(20)가 외함(P) 내부에 설치될 수 있다. 온도 센서(20)는 전력기기 외함(P) 내부의 온도를 센싱하고, 센싱된 온도값을 아크 감시 장치(100)에 제공할 수 있다.
제어부(140)는 테스트부(141), 위치판단부(142), 아크감시부(143), 보정부(144) 및 아크판단부(145)를 포함할 수 있다.
테스트부(141)는 특정 전력기기에 대한 아크 감시 장치(100)의 온도 보정 계수를 산출하는 기능을 수행할 수 있다.
온도 보정 계수 산출을 위해, 도 2와 같이, 전력기기 외함(P) 내부의 복수의 위치(①, ②, ③, ④, ⑤...ⓝ)에 음파 발생기(10)가 설치될 수 있다. 복수의 위치(①, ②, ③, ④, ⑤...ⓝ)는 전력기기 외함(P) 내부에서 아크 감시 지점에 대응될 수 있다. 도 4를 참조하면, 음파 발생기(10)는 음파생성부(11) 및 통신부(12)를 포함할 수 있다. 음파 생성부(11)는 아크 감시 장치(100)의 요청에 따라, 전력기기에서 아크 발생시 발생하는 음파에 대응하는 음파를 출력할 수 있다. 통신부(12)는 아크 감시 장치(100)와 음파 발생기(10) 간의 통신을 제공할 수 있다.
온도 보정 계수 산출을 위해, 아크 감시 장치(100), 복수의 음파 발생기(10) 및 온도 센서(20)가 설치된 전력기기 외함(P)이 내부의 온도 제어가 가능한 테스트 장치(미도시)에 수납될 수 있다. 이때, 전력기기 외함(P) 내부에 전력 기기가 설치되고, 전력기기에서 아크가 감시되어야 하는 복수의 위치에 음파 발생기(10)가 설치될 수 있다.
그리고, 테스트부(141)는 기준 온도(예를 들어, 25 ℃)에서 복수의 음파 발생기(10) 각각에 음파 발생 요청을 할 수 있다. 이때, 테스트부(141)는 마이크(110)를 통해 복수의 음파 발생기(10) 각각으로부터 수집된 음파 중 신호 레벨이 가장 작은 음파의 피크값을 기준 음파 세기로 특정할 수 있다.
테스트 장치는 기준온도에서 기 설정된 단위(예를 들어, 1 ℃)로 온도를 상승시키고 하강시킬 수 있다.
그리고, 테스트부(141)는 온도 센서(20)를 통해 온도가 기 설정된 단위로 바뀌는 것을 인식할 때마다, 해당 온도에서 복수의 음파 발생기(10) 각각으로부터 수집된 음파 중 신호 레벨이 가장 작은 음파의 피크값을 해당 온도에서의 구간 음파 세기로 특정할 수 있다.
그리고, 테스트부(141)는 다음의 수학식에 따라, 각각의 온도에서의 온도 보정 계수를 산출하고 이를 메모리(미도시)에 저장할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020108408669-pat00003
온도 보정 계수는 다음과 같은 테이블 형태의 정보일 수 있다.
온도 온도 보정 계수
...
5 ℃ 0.97
...
25 ℃ 1
26 ℃ 1.01
27 ℃ 1.02
28 ℃ 1.05
...
온도 보정 계수는 기준 온도(예를 들어, 25℃)를 기준으로 기 설정된 단위 온도(예를 들어 1 ℃)로 상승 및 하강하면서 기 설정된 온도 범위에서 각각의 온도에 대하여 구비될 수 있다.
위치 판단부(142)는 아크 감시 장치(100)가 외함 내부에서 설치되어야 하는 위치를 가이드할 수 있다. 도 5를 참조하여, 아크 감시 장치가 아크 감시 장치의 설치 위치를 가이드하는 프로세스에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 5는 도 2의 아크 감시 장치가 아크 감시 장치의 설치 위치를 가이드하는 프로세스에 대한 플로우차트이다. 아크 감시 장치의 설치 위치 선정 작업은 임의의 온도에서 수행될 수 있다. 아크 감시 장치의 설치 위치 선정 작업시 도 2와 같이, 복수의 아크 감시 지점에 음파 발생기(10)가 설치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 위치 판단부(142)는 외부 디바이스(미도시)로부터 테스트 요청이 있으면, 복수의 음파 발생기(10) 각각에 순차로 아크음을 요청할 수 있다(S51, S52).
이때, 마이크(110)는 복수의 음파 발생기(10) 각각으로부터 아크음을 수집할 수 있다(S53). 이때, 위치판단부(142)는 온도 센서(20)로부터 전력기기 외함(P) 내부의 온도값을 수집할 수 있다(S54). 그리고, 신호처리부(120)는 복수의 음파 발생기(10)로부터 수집된 아크음에 대한 아크 신호를 생성하고, 위치 판단부(142)가 그 아크 신호를 수집할 수 있다(S54).
그리고, 위치 판단부(142)는 온도 센서(20)로부터 수집한 온도값에 대응한 온도 보정 계수로 아크 신호를 보정할 수 있다(S55). 이때, 위치 판단부(142)는 다음의 수학식에 따라 아크 신호를 보정할 수 있다. 이때, 특정 지점의 수신 감도를 파악 만 할 수 있으면 족하다. 따라서, 아크 신호의 피크값 만을 보정하여 보정된 아크 신호 피크값과 기준 아크 신호 피크값을 대비하여 상대적인 아크 신호 수신 감도 만을 파악할 수 있으면 족하다.
[수학식 2]
Figure 112020108408669-pat00004
보정된 아크 신호 피크값은 복수의 음파 발생기 각각에 대하여 산출될 수 있다.
그리고, 위치 판단부(142)는 음영 지점이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(S56). 이때, 위치 판단부(142)는 S55에서 보정된 아크 신호 피크값이 기 설정된 제 1 기준 아크 신호 피크값 이상인지 여부를 판정할 수 있다. 그리고, 위치 판단부(142)는 보정된 아크 신호 피크값이 기 설정된 제 1 기준 아크 신호 피크값 이상이면, 그 보정된 아크 신호 피크값에 대응한 아크 감시 지점은 음영 지점이 아닌 것으로 판단할 수 있다. 이와 달리, 위치 판단부(142)는 보정된 아크 신호 피크값이 기 설정된 제 1 기준 아크 신호 피크값 미만이면, 그 보정된 아크 신호 피크값에 대응한 아크 감시 지점은 음영 지점인 것으로 판단할 수 있다. 제 1 기준 아크 신호 피크값은 후술하는 제 2 기준 아크 신호 피크값 보다 큰 값일 수 있다. 음영 지역 발생 여부를 판단하는 제 1 기준 아크 신호 피크값을 아크 발생 여부 판단의 기준이 되는 제 2 아크 신호 기준값 보다 높게 하는 것에 의해 , 실제 현장에 구축하였을 때 온도 및 습도 등과 같은 다양한 환경인자에도 음영 지점이 발생하지 않을 확률을 높일 수 있다.
그리고, 위치 판단부(142)는 음영 지점이 존재하는 경우, 그 음영 지점에 대응한 음파 발생기 식별정보를 외부 디바이스에 알릴 수 있다(S57). 이때, 복수의 음파 발생기 식별정보에 매칭하여, 보정된 아크 신호 피크값이 외부 디바이스에 제공될 수 있다.
아크 감시 장치 설치자는 위치 판단부(142)가 제공하는 음영 지점에 대응한 음파 발생기 식별정보 및 복수의 음파 발생기 식별정보와 매칭된 보정된 아크 신호 피크값을 이용하여 아크 감시 장치의 설치 위치를 조정할 수 있다. 이에 의해, 단일 아크 감시 장치로 전력기기 아크를 감시할 때, 음영 지역이 발생하지 않게 할 수 있다.
상기와 같이 아크 감시 장치의 제조자는 테스트부(141)의 지원을 받아 온도 보정 계수를 자동 설정할 수 있다. 그리고, 아크 감시 장치의 설치자는 위치판단부(142)의 지원을 받아, 아크 감시 장치의 설치 위치를 결정할 수 있다. 이 같은 상태에서 아크 감시 장치는 현장에 적용되어 아크를 감시할 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여, 아크 감시 장치의 아크 감시 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 아크 감시부(143)는 기 설정된 주기로 마이크(110) 및 신호처리부(120)를 통해 전력기기 외함(P) 내부의 아크 신호를 수집할 수 있다(S61). 그리고, 아크 감시부(143)는 아크 신호 수집 주기와 동일한 주기로, 온도 센서(20)로부터 전력기기 외함(P) 내부의 온도값을 수집할 수 있다(S61).
그리고, 보정부(144)는 온도센서(20)로부터 수집된 온도값에 대응한 온도 보정 계수로 아크 신호를 보정할 수 있다(S62). 이때, 실시간 수집된 아크 신호를 온도 보정 계수 만큼 스케일업 또는 스케일다운 하는 방식으로 아크 신호가 보정될 수 있다. 아크 신호의 정확한 분석을 위해, 아크 신호의 파형은 유지되고, 온도 보정 계수를 아크 신호에 곱하여 아크 신호를 스케일업 또는 스케일다운할 수 있다. 온도 보정 계수와의 매칭을 위해, 수집된 온도를 반올림한 것을 실시간 온도값으로 할 수 있다.
그리고, 보정된 아크 신호를 이용하여, 아크판단부(145)는 아크 발생 여부를 판정할 수 있다(S63). 이때, 아크 판단부(145)는 아크 신호의 피크값이 기 설정된 제 2 기준 아크 신호 피크값을 초과하는지 여부 및 아크 신호에서 고주파 함량이 기 설정된 기준 고주파 함량을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 아크 판단부(145)는 아크 신호의 피크값이 기 설정된 제 2 기준 아크 신호 피크값을 초과하고 아크 신호에서 고주파 함량이 기 설정된 기준 고주파 함량을 초과하는 경우에 한해, 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이와 달리, 아크 신호의 파크값이 기 설정된 제 2 기준 아크 신호 피크값을 초과하지 않거나 또는 아크 신호에서 고주파 함량이 기 설정된 기준 고주파 함량 이하인 경우 아크판단부(145)는 아크가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
아크판단부(145)는 아크가 발생한 것으로 판단되면, 외부에 알람을 제공할 수 있다(S64).
10 : 음파 발생기
20 : 온도 센서
100 : 아크 감시 장치
110 : 마이크
120 : 신호처리부
130 : 통신부
140 : 제어부
141 : 테스트부
142 : 위치판단부
143 : 아크감시부
144 : 보정부
145 : 아크판단부

Claims (4)

  1. 아크 감시 장치의 온도 보정 계수를 산출하는 테스트부; 및
    온도센서로부터 수집된 온도값에 대응한 온도 보정 계수로 아크 신호를 보정하고, 보정된 아크 신호를 이용하여 아크 발생 여부를 판정하는 아크판단부를 포함하고,
    상기 테스트부는 아래의 수학식 1에 따라, 온도 보정계수를 산출하며,
    [수학식 1]
    Figure 112021016507073-pat00013

    아크 감시 장치가 외함 내부에서 설치되어야 하는 위치를 가이드하는 위치 판단부를 포함하며,
    상기 위치 판단부는 복수의 음파 발생기에 대응한 아크 신호 피크값을 아래의 수학식 2에 따라 보정하고,
    [수학식 2]
    Figure 112021016507073-pat00014

    상기 보정된 아크 신호 피크값이 기 설정된 제 1 기준 아크 신호 피크값 미만이면, 상기 보정된 아크 신호 피크값에 대응한 아크 감시 지점은 음영 지점인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 환경 인자에 대한 보정 기능을 가지는 전력기기 아크 감시 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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