KR102407483B1

KR102407483B1 - 서지보호기의 수명예측방법

Info

Publication number: KR102407483B1
Application number: KR1020210071319A
Authority: KR
Inventors: 이계광; 이영준
Original assignee: 이계광
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-06-10

Abstract

본발명은 서지보호기의 수명예측방법에 관한 것으로, 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 전원이 가해지면 마이크로콘트롤러의 제어부는 타이머, 인터럽트, 내장된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)을 초기화시키는 단계;
EEPROM에 저장된 서지의 입사횟수 데이터를 읽는 단계;
LCD에 이를 표시하는 단계
서지전류 인터럽트 발생시 신호조건회로에서 서지전류의 크기는 지속시간을 변환되고 61s 타이머로 지속시간을 측정하는 단계(서지크기);
서지전류의 크기가 500A 미만이면 무시하고, 500A 이상이면 잔존수명에서 수명을 차감하고 이를 EEPROM에 저장하는 단계;
저전력모드로 동작하기 위한 슬립모드 진입단계; 를 포함하는 것으로
본발명은 서지보호기의 수명을 경제적인 방법으로 정확하게 예측할 수 있으며, 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용이 편리하며 서지보호기의 유지보수에 경제적인 현저한 효과가 있다.

Description

서지보호기의 수명예측방법{Life Prediction Method of Surge Protector}

본 발명은 서지보호기의 수명예측방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서지보호기의 수명을 경제적으로 정확하게 예측할 수 있으며, 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있는 사용이 편리한 경제적인 서지보호기의 수명예측방법에 관한 것이다.

일반적으로 서지보호기는 낙뢰 등 서지가 유입된 횟수와 에너지량에 따라서 수명이 결정되며, 이러한 서지보호기 수명을 예측하는 종래 특허기술의 일례로서, 등록특허공보 등록번호 10-1268355호에는 서지전류가 유입되면 유입된 서지전류값을 확인하여 저장하는 서지전류 확인부(11)와;

서지전류 확인부(11)를 통해서 서지전류가 측정되면 서지전류가 측정될 때마다 유입된 회수를 카운팅하여 저장하는 서지유입 카운팅부(12)와;

서지전류 확인부(11)를 통해 측정되면 측정된 서지전류의 파두시간, 파미시간을 분석하여 주파수 파형을 확인하는 서지주파수 확인부(13)와;

서지전류 확인부(11)를 통해 측정되면 측정된 서지전류의 에너지량을 환산하여 누적하여 저장하는 유입에너지량확인부(14)와;

MOV의 한계 전류값, 한계 주파수 파형, 한계 에너지량, 한계 서지유입회수, 온도에 따른 한계 전류값을 기준으로 각각의 고장률에 대한 정보를 저장하고 관리하는 고장한계 설정부(16)와;

서지전류 확인부(11)와 서지유입 카운팅부(12)에서 측정된 서지전류값과 유입회수, 유입에너지량 확인부(14)에서 변환된 서지전류의 에너지량을 고장한계 설정부(16)에 기 등록된 MOV의 한계 전류값, 한계 주파수 파형, 한계 에너지량, 한계 서지유입회수와 비교하여 MOV의 고장률값을 각각 확인하는 고장률 예측부(17)를 포함하는

것을 특징으로 하는 서지보호기의 수명예측 시스템이 공개되어 있다.

또한 등록특허공보 등록번호 10-1465401호에는 서지보호기의 수명예측장치 및 방법이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 구현하기 위해서는 고가의 DSP와 고가의 변류기 사용등 서지보호기보다 수~수십배의 비용이 들기 때문에 경제성이 떨어져 실제 시장에서는 판매되지 않는 단점이 있었고, 소모전력이 크기 때문에 상시전원이 필요하다는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본발명은 서지보호기의 수명을 경제적으로 예측할 수 있으며, 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으며, 소모전력이 매우 작기 때문에 상시전원이 필요하지 않는 유지보수가 편리하며 경제적인 서지보호기의 수명예측방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 서지보호기의 수명예측방법에 관한 것으로, 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 전원이 가해지면 마이크로콘트롤러의 제어부는 타이머, 인터럽트, 내장된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)을 초기화시키는 단계;

EEPROM에 저장된 서지의 입사횟수 데이터를 읽는 단계;

LCD에 이를 표시하는 단계;

서지전류 인터럽트 발생시 신호조건회로에서 서지전류의 크기는 지속시간을 변환되고 61s 타이머로 지속시간을 측정하는 단계(서지크기);

서지전류의 크기가 500A 미만이면 무시하고, 500A 이상이면 잔존수명에서 수명을 차감하고 이를 EEPROM에 저장하는 단계;

저전력모드로 동작하기 위한 슬립모드 진입단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 서지보호기의 수명을 경제적인 방법으로 정확하게 예측할 수 있으며, 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용이 편리하며 서지보호기의 유지보수에 경제적인 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 저전류 변류기를 사용하여 고 서지전류를 측정회로도
도 2는 종래의 고 서지전류를 측정회로도
도 3a 토로이달 코어형상, 도 3b는 전류검출기의 외형
도 4는 PE도체를 통해 흐를 수 있는 최대 서지전류에 대한 회로 예시도
도 5a는 서지전류 검출센서, 도 5b는 SPD와 조합된 서지전류 검출센서의 사진
도 6은 본발명의 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기 내부 PCB 형상
도 7은 LCD의 표시기능 사진
도 8은 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 선택 모드 사진
도 9는 본발명의 배터리 전력소모를 평가하기 위한 시험장치사진

본발명은 서지보호기의 수명예측방법에 관한 것으로, 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 전원이 가해지면 마이크로콘트롤러의 제어부는 타이머, 인터럽트, 내장된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)을 초기화시키는 단계;

EEPROM에 저장된 서지의 입사횟수 데이터를 읽는 단계;

LCD에 이를 표시하는 단계;

서지전류 인터럽트 발생시 신호조건회로에서 서지전류의 크기는 지속시간을 변환되고 61

s 타이머로 지속시간을 측정하는 단계(서지크기);

또한, 상기 슬립모드에서 기능키(Function key)가 눌려지면 제어부는 작동정지 모드에서 깨어나고, 일정시간 SPD의 예상수명을 LCD에 표시하게 한 후 서지의 입사횟수를 표시하고, 다시 작동정지 모드로 들어가게 하는 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본발명의 저전류 변류기를 사용하여 고 서지전류를 측정회로도, 도 2는 종래의 고 서지전류 측정회로도이다.

본발명은 예를 들면 1kA의 측정범위를 가지고 있는 저전류 변류기를 사용하여 100kA와 같은 고전류를 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

본발명은 저전류 변류기를 이용한 고 서지전류측정방법에 관한 것으로, 서지전류가 주전류흐름부(200)와 검출전류흐름부(201)로 저항값에 따라서 나누어지고 저전류 변류기(202)를 이용하여 서지전류를 검출하는 것이다.

또한, 상기 검출전류흐름부(201)는 주전류흐름부의 도선보다 얇은 선 또는 초저저항을 사용하는 것이다.

또한, 상기 검출전류흐름부(201)에서 검출되는 서지전류를 저전류 변류기(202)를 통하면 서지전류에 비례하는 전압이 발생되고, 이를 신호조건회로(203)를 통하여 마이크로컨트롤러(204)에서 서지전류를 검출하고 분류된 비율을 계산하여 곱하고 이를 표시부(205)또는 통신부(206)으로 전달하는 것이다.

본발명은 전류를 측정하기 위한 도선에 직접 변류기를 통과하지 않고 전류가 분배될 수 있도록 보다 얇은 선 또는 초저저항을 사용하여 전류를 분배하는 방식이다. 예를 들어 1kA 까지 측정할 수 있는 변류기를 사용하여 99:1로 분배가 되면 100kA까지 측정이 가능해진다. 주전류흐름부(200)에서 99kA가 흐르며, 검출전류흐름부(201)로 분류가 된다. 이는 주전류 흐름부보다 얇은 선을 사용하거나 초저저항을 사용할 수도 있다. 이후 변류기(202)는 전류에 비례하는 자속쇄교수가 나타나며, 겨로가적으로 2차측에 자속쇄교수의 시간변화량에 비례하는 전압이 유기된다. 이후 신호조건회로(203)에서는 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있도록 적분기 또는 감쇄기 등을 통하여 마이크로컨트롤러(204)에 전달하여 마이크로컨트롤러(204)에서는 이에 해당되는 1 kA의 전류를 측정하고 100배로 계산한다. 표시부(205)를 통하여 계산값을 표시한다. 표시부는 LCD 또는 음성 또는 모니터등이 될수 있다. 또한 계산된 전류값은 통신부(206)를 통하여 근거리 또는 원거리로 통신될 수 있으며, 유선 또는 무선일수도 있다.

본발명에서 저 서지전류는 1kA 이하, 고 서지전류는 100kA 이상을 편의상 의미한다.

본발명의 토로이달 코일형 전류검출기의 설계 및 구성은 다음과 같다.

일반적으로 큰 서지전류를 측정하기 위해서 대전류에도 포화가 되지 않는 로고스키코일을 사용하거나 주파수 특성이 우수한 고주파용 변류기 (current transformer)를 사용한다. 하지만, 이러한 전류검출기는 크기가 매우 크고 모두 가격이 비싸기 때문에 시장경쟁력이 미약하다. 이와 같은 비용 문제를 해결하기 위해 가격이 저렴한 일반적인 철분말 재질로 만들어진 Core Electronics 사의 토로이달 코어(toroidal core, 부품명: C27-B11) 3개를 사용하는 전류센서를 설계하였다. 토로이달 코어에 1.2mm 직경의 권선을 11회 감은 토로이달 전류센서는 도 3과 같고, 코어의 재질과 크기는 표 1과 같다.

Part No.	내경 (mm)	외경 (mm)	높이 (mm)	소재	주파수 범위
C27-B11	14.48	26.92	11.1x3	Iron powder and small other mixtures	500 kHz

표 1 토로이달 코어 치수 및 재료 특성

토로이달 코어에 감긴 전류검출코일에 유도된 서지전류의 미분신호를 원래의 서지전류파형으로 복원시키고 서지전류의 진폭을 음펄스의 지속폭으로 변환하기 위한 신호처리회로를 도면 4와 같이 설계하였다.

서지전류의 검출을 위한 신호처리회로에 대해 설명하면 다음과 같다.

토로이달 코어를 관통하는 PE도체의 분기도선에 흐르는 서지전류

에 의해 검출코일에 유기되는

은 자속쇄교수(magnetic flux)의 시간 변화량에 비례하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

식 (1)에서

은 토로이달 코어에 감긴 검출코일의 감긴 수이고,

는 코어의 단면적,

는 자속밀도이며, 검출신호는 1차 측의 서지전류의 미분파형으로 나타난다.

과

로 구성되는 수동성 적분기를 사용하여 미분신호를 검출하고자 하는 서지전류로 복원시킨다. 복원된 전압

가

과

가 대단히 큰 경우 즉, ωL+1/ω

<<

조건에서 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 ωL은 토로이달 코일의 자체리액턴스이며, 정확도를 높이기 위해서는 코일의 자체인덕턴스 L이 저항

에 비하여 대단히 작고 시정수

가 충분히 커야 한다.

(2)

그리고

는

의 전압에 비례하며, 지속폭

로 변환하기 위한 지연시간은

과

그리고

로 결정된다. 자심인 토로이달 코어는 자기포화 문제로 일반적으로 높은 서지전류를 측정하는데 사용하지 않지만, 자기포화를 방지하기 위한 방법으로 SPD의 PE단자와 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 PE단자는 굵은 선(AWG9)에 직접 연결되고, 가는 선(AWG24)은 토로이달 코어를 관통하여 연결되는 분류회로를 설계하였다. 즉, PE단자에 연결된 굵은 선으로 많은 전류가 흐르고, 토로이달 코어를 관통하는 가는 선은 작은 전류가 흘러 자기포화를 방지할 수 있다.

8/20

s 유도뢰 전류의 파형은 고주파 성분을 포함하고 있으며, 이 8/20

s 임펄스전류의 등가주파수는 약 25kHz이다. 따라서 분류회로를 구성한 도선의 전기저항은 표피효과(skin effect)를 고려하여 산출하여야 한다.

표피효과를 고려한 길이

[m]이고 반경이

[mm]인 전선의 전기저항은 다음의 식 (3)과 같이 산출한다.

(3)

여기서 ρ[

]는 전선의 저항률, d[

]는 침투깊이(skin depth)는 식 (4)와 같이 산출한다.

(4)

여기서

[Hz]는 주파수,

[H/m]는 투자율로 4

이고,

[

/m]는 도전율로 연동선의 경우 이며, 표준 연동선의 침투깊이

이다.

AWG9와 AWG24의 특성은 표 2 와 같이 구분되며, AWG24의 저항은 AWG9에 비해 약 31배정도 크다. 이를 계산하면 AWG24 전선에는 입사전류의 약 1/32의 전류가 키로히호프의 전류법칙(Kirchhoffs current law)에 의해 분배된다. 따라서 대전류 서지의 발생 시 전류의 대부분은 굵은 선으로 흘러 토로이달 코어의 자기포화를 방지할 수 있다. 사용된 분류회로에 8/20

s 임펄스전류를 입사시켜 측정한 전류 분배율은 표 2와 같다.

AWG	단면적 ()	저항 (Ω/m)	길이 (mm)	계산된 전류분배율 (%)	측정된 전류분배율 (%)
9	6.63	0.0053	30	96.85	96.77
24	0.205	0.0842	60	3.15	3.23

표 2 AWG9 및 AWG24의 저항에 따른 전류분배율

계산된 전류분배율과 측정된 전류분배율은 1%이내의 차이로 거의 같으며, 결과적으로 토로이달 코어에 의해 측정될 수 있는 최대 전류의 약 32배의 입사전류가 분배되어 처리될 수 있다.

국제 표준 IEC61643-11에서 각 상도체와 중성선에 흐를 수 있는 최대 서지전류는 ClassⅠ에서는

25kA이고, ClassⅡ에서는

20kA로 규정되어 있다. PE도체에 흐르는 총 서지전류로부터 나누어지는 I 와 i 전류는 표 3과 같으며, 단상과 삼상에 따른 전류분배 예시는 표 3, 도 5와 같다.

종류	전력선 수	최대 서지전류 (유도뢰) 8/20s 20kA	최대 서지전류 (직격뢰) 10/350s 25kA
단상	2(line, neutral): i3	Total 40	Total 50
	I	38.75	48.44
	i	1.25	1.56
삼상	4 (R, S, T, neutral): i5	Total 80	Total 100
	I	77.5	96.88
	i	2.5	3.12

표 3 8/20

s와 10/350

s 임펄스전류에 대한 분류전류의 측정결과

8/20

s 임펄스전류에 의한 토로이달 코어의 자기포화의 임계값은 약 3.3kA이다. 따라서 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 최대 100kA의 서지전류까지 측정할 수 있다. 토로이달 코일의 출력전압은 입사되는 임펄스전류의 미분에 상응하므로 이 출력전압신호를 임펄스전류에 비례하는 파형으로의 변환을 위해

과

가 연결된 수동성 적분기를 접속하고 커패시터

의 단자 양단에 전압이 출력되도록 설계하였다. 출력되는 전류에 비례하는 전압이 높을 수 있으므로 100Ω의 저항을 토로이달 코일의 출력에 직렬로 연결하여 전압을 낮추어 회로가 파손되지 않도록 설계하였다.

브릿지다이오드(

)는 RECTRON semiconductor사의 R3000을 사용해 정극성과 부극성의 서지전류을 모두 검출할 수 있도록 하고, 입사되는 큰 서지전류를 고려하여 최대 반복피크역전압(maximum repetitive peak reverse voltage)이 충분히 높은 부품으로 선정하였다. 입사전류파형에 상응하는

과

적분기의

단자에 나타나는 출력전압

는 브릿지다이오드를 경유하여 커패시터에 충전된다. 커패시터

의 충전전압은 커패시터

의 피크값까지 상승한다. 즉 커패시터

의 단자전압의 피크값

은 입사전류의 피크값에 상응하는 신호이다. 서지의 피크전압은

을 통하여 충전되고

와

를 통하여 방전된다. 이외에 다른 방전경로는 없다.

신호처리회로의 출력은 지속폭이 서지전류의 진폭에 비례하는 음의 펄스로 변환되어 출력된다.

은 커패시터

의 과전압으로부터 트랜지스터

(2N2222: NPN transistor)을 보호하는 역할을 한다.

의 콜렉터(collector)는 정상상태에서 3V로 logic High이며,

의 전압이

의 개시(threshold) 전압(일반적으로 0.7V)보다 높은 상태에서는 logic Low로 된다.

는 pull up 저항이며,

는 노이즈 및 채터링 (chattering)을 감소시키기 위해 사용된다.

는

의 피크값이다.

의 콜렉터에 대한 출력은 다음과 같은 식 (5)로 표현할 수 있다.

(2.7)

식 (5)에서

는 마이크로콘트롤러에 입력되는 음펄스 로직 Low 상태의 지속폭(서지 감지시간)이며,

는 1MΩ,

은 200kΩ,

은 22nF,

는

에 충전된 서지전압의 피크값,

는

의 베이스(base)와 이미터(emitter)간의 컷오프(cut-off) 전압으로 약 0.3V이다. 서지전류의 진폭에 따른 신호처리회로의

과

, 그리고 지속시간

는 실험을 통하여 표 4와 같이 측정되었으며, 이의 도식적 결과를 그림 5에 나타내었다.

서지전류 (kA)	T (ms)	(V)	(V)
0.5	3.6	4	1
1	9.0	7	4
2	12.0	12	8
3	12.9	13	10
4	14.3	18	15
5	16.5	30	27
6	17.2	36	33
7	17.9	42	39
10	19.2	60	57
20	21.9	120	117
30	23.4	180	177
40	24.5	240	237
50	25.3	300	297
60	26.0	360	357
70	26.5	420	417
80	27.0	480	477
90	27.5	540	537
100	27.9	600	597

표 4 서지전류의 크기에 대한

,

및 T의 측정결과V _{3,peak}

장착용 기구의 설계 및 제작에 대해 설명하면 다음과 같다.

MOV의 수명 예측을 위한 서지전류 검출센서의 크기는 50.0 x 106.0 x 68.4mm의 비교적 작은 크기이다. 외형의 재질은 난연성 플라스틱을 사용하였고, 접지로 연결되는 PE단자와 SPD로 연결되는 PE단자를 가지고 있다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 인체의 감전사고를 방지하기 위해 방수/방진 등급이 IP20을 충족하도록 단자대 덮개를 설치하였다. IP20은 도체에 사람의 손가락이 닿을 수 없음을 의미한다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 상면에는 LCD와 기능키(Function key)가 있다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기를 고정하기 위한 구조는 널리 사용되는 회로차단기 등의 전기기구에서 사용되는 것과 같은 국제표준 EN 60715 딘레일(DIN rail)에 장착될 수 있는 구조를 가진다. 그림 7에서 (a)는 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 외형 사진이고, SPD와 함께 설치된 사진을 (b)에 나타내었다.

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 내부에는 토로이달형 전류센서와 신호처리회로를 포함하는 PCB로 구성되어 있으며, 내부 PCB 형상을 도 8에 나타내었다.

본발명의 서지보호기의 수명예측기법은 다음과 같다.

본 발명에서 제안된 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에서 SPD의 예측수명은 MOV 수명을 근간으로 산정하였다. 본발명의 MOV 경감곡선에서 지속시간이 20s이내인 MOV의 수명은 표 5에 나타낸 바와 같이 전류의 제곱에 비례하여 감소한다.

서지전류 (A)		견딜 수 있는 입사횟수
90	1.235.E-04	1000000
200	2.500.E-05	100000
500	4.000.E-06	10000
2000	2.500.E-07	1000
7000	2.041.E-08	100
20000	2.500.E-09	10
400000	6.250.E-10	1

표 5. 8/20

s 서지전류의 크기 및 입사횟수에 따른

20kA MOV 수명 특성

Table 5. 20kA MOV lifetime characteristics depending on the amplitude and incident number of the 8/20s surge current

서지전류의 크기와 입사횟수에 대한 MOV의 수명을 추세선으로 표현한 것은 도 9와 같다.

MOV의 수명에 대한 추세선의 방정식은 다음의 식 (2.8)과 같이 표현할 수 있다.

(2.8)

식 (2.8)에서 는 MOV에 입사된 전류 제곱의 역수이며,

은 견딜 수 있는 서지전류의 입사횟수이다. 추세선을 통해 추정된 상수 는 5,012,836,137이고, 정수

는 2이다. 식 (2.8)에서

은 식 (2.9)와 같이 표현할 수 있다.

(2.9)

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 SPD 예측 수명에 대한 계산은 다음과 같은 과정을 거친다.

(2.10)

식 (2.10)에서 은 서지가 입사된 이후 감소한 SPD의 수명이고,

은 서지가 입사되기 전 SPD의 수명이며,

의 초기값은 1이다 (

=1).

은 서지전류의 입사에 따른 MOV 수명의 감소 값이다. 여기에서 N은 식 (2.10)에 식 (2.9)을 대입하여 도출된 식 (2.11)에서 확인할 수 있다.

(2.11)

전원선으로 사용된 케이블 또는 배전선의 도체수(상도체+중성선)가 인 경우 MOV에 흐르는 전류

는 상선 수에 따라 식 (2.12)과 같이 표현할 수 있다.

(2.12)

여기에서

은 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 의해 검출된 PE (Protective earth) 도체에 흐른 입사된 서지전류이며,

은 전원선의 도체수이다. 최종 수명예측 공식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

(2.13)

2.4.3 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 수명예측 소프트웨어의 알고리즘 및 표시

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 전원이 가해지면 마이크로콘트롤러의 타이머, 인터럽트, 내장된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)은 초기화된다. 이후 EEPROM에 저장된 서지의 입사횟수 데이터를 읽고, LCD에 이를 표시한다. 수명 표시 이후 배터리의 전력 소모를 최소화하기 위해 작동정지(sleep) 모드로 작동한다. 기능키(Function key)가 눌리면 작동정지 모드에서 깨어나고, 5초간 SPD의 예상수명을 LCD에 표시한 후 서지의 입사횟수를 표시하고, 다시 작동정지 모드로 들어간다.

Main loop 내에서 신호처리회로로부터 서지 인터럽트(Interrupt)가 low(0V)"로 검출되면 내부의 61s 타이머(timer, 2/clock: 32.768kHz)로 low(0V)"의 지속시간을 측정하고, 지속시간은 서지전류의 크기로 계산된다. 서지전류의 크기가 500A 미만이면 도 9와 같이 무시한다. 500A 이상이면 SPD의 예상수명은 서지전류의 크기에 비례하여 감소한다. 이후 서지의 입사횟수와 예상수명은 내부 EEPROM에 저장되고, LCD에 증가한 횟수를 표시한 후 작동정지 모드로 된다. SPD의 예측 수명을 위한 소프트웨어 알고리즘은 도 10과 같다.

도 6. SPD의 수명을 예측하기 위한 소프트웨어 알고리즘

Software algorithm for estimating the lifetime of the SPD

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 정상상태에서 LCD에 서지의 입사횟수를 표시하며, 서지전류가 검출되거나 기능키를 짧게 누르면 수명을 5초간 표시하고, 이후 서지의 횟수를 표시한다. 이와 같은 과정은 도 11에서 확인할 수 있다. 도 11(a)는 입사한 서지의 카운트모드이며, LCD 좌측의 C는 count mode를 의미한다. 도 11(b)는 수명모드이며, LCD 좌측의 L은 lifetime을 의미한다. 수명이 10% 이하이면 좌측 상단에 F가 표시되고 F는 수명이 다했음을 의미한다.

도 7. LCD의 표시기능

Indication functions of the LCD

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 SPD와 함께 사용하는 제품이므로 다양한 종류의 SPD에 적용될 수 있도록 설계하였다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 기능키를 10초 이상 누르면, SPD 선택 모드로 작동한다. 이후 다시 기능키를 짧게 누르면 SPD의 용량이 변경되고, 3초 이상 길게 누르면 선택된다. SPD 선택 모드를 통해 SPD를 선택한 결과는 도 12와 같다.

도 8. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 선택 모드

Selection modes of the 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기

도 8에서 LCD에 표시된 4개의 숫자는 SPD의 모델명이다. 첫 번째와 두 번째 숫자가 22이면 단상이고 34이면 3상이다. 세 번째와 네 번째 숫자가 04이면 SPD의 용량은 20kA이고, 08이면 40kA이다.

IEC62561-6 표준에 따른 작동 실험을 설명하면 아래와 같다.

IEC62561-6 국제 표준은 서지의 입사횟수를 계수하는 장치에 대한 요구 사항 및 시험에 대해서 규정한다. 서지카운터는 피뢰시스템 (LPS: Lightning Protection System) 또는 SPD의 도체에 설치하여 사용할 수 있다. 이 표준에 따르면, 서지카운터의 동작 임계전류(

)는 SPD와 함께 사용할 때 500A, LPS와 함께 사용할 때 1kA로 정의된다. 서지카운터는 동작 임계전류(

)의 절반 값에서 작동하지 않아야 한다.

는 서지카운터가 견딜 수 있는 최대 서지전류이다. 전형적인 값은 표 6에 나타내었다.

적용기기	(kA) ( s)		(kA) ( s)
LPS conductor	-	1 8/20	-	-	-	-	100 10/350
SPD conductor	500 8/20	-	20 8/20	40 8/20	60 8/20	80 8/20	100 8/20
LPS and SPD conductor	-		-	-	-	-	100 10/350

표 6. IEC62561-6의

및

에 대한 전형적인 값

Typical values of

and

in IEC62561-6

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 표 6에 따라 동작 임계전류(

)의 값을 500A로 설계했다. 서지발생기는 Noiseken 사의 LSS-15AX(15kV, 7.5kA)를 사용하였고, 실험결과는 표 7와 같이 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기가 IEC62561-6의 요구사항을 만족하는 것을 보여준다.

Surge current 8/20 s	서지의 입사횟수	계수 여부	시험 결과
250A (positive)	10	X	Pass
250A (Negative)	10	X	Pass
400A (positive)	10	X	Pass
400A (Negative)	10	X	Pass
500A (positive)	10	O	Pass
500A (Negative)	10	O	Pass

표 7.

실험 결과

Test results of

는 공인인증기관(National accredited certification body)에서 시험하였으며, 임펄스전류발생장치(Impulse current generator)는 HAEFELY 사의 SSG Series를 사용하였다. 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 8/20

s 100kA 정극성과 부극성이 각각 1회 입사된 조건에서 손상되지 않았다.

본발명에 의한 서지보호기의 수명예측결과는 아래와 같다.

SPD의 수명예측시험을 위해 3상4선식으로 세팅한 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기를 SPD에 연결하여 공인기관에서 임펄스전류발생장치(SSG Series)로 전류의 크기에 따른 수명예측에 대한 시험을 수행하였다. 결과는 표 8과 같으며, 10% 이내의 오차를 보여준다.

서지전류 8/20s	상과 선으로 분류된 서지전류	감소 예상수명 (%)	샘플 #1 (%)	샘플 #2 (%)	샘플 #3 (%)	샘플 #4 (%)
1kA	250A	0.00	0	0	0	0
5kA	1.25kA	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03
10kA	2.5kA	0.12	0.11	0.12	0.13	0.12
20kA	5kA	0.50	0.46	0.49	0.53	0.51
30kA	7.5kA	1.15	1.06	1.11	1.22	1.19
40kA	10kA	2.08	1.95	2.01	2.24	2.15
50kA	12.5kA	3.32	3.06	3.14	3.52	3.44
60kA	15kA	4.93	4.52	4.67	5.35	5.20
70kA	17.5kA	6.96	6.35	6.50	7.53	7.23
80kA	20kA	9.49	8.78	9.19	10.23	9.79
90kA	22.5kA	12.66	11.66	12.05	13.69	12.98
100kA	25kA	16.61	15.30	15.87	17.59	17.20

표 8. 8/20

s 뇌서지전류를 입사시켜 예측한 SPD 수명에 대한 시험결과

Test results of the SPD lifetime estimated by injecting 8/20

s lightning surge currents

본발명에 의한 배터리 전력소모의 평가결과는 아래와 같다.

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 외부 전원의 공급 없이 내장된 3V 코인셀형 배터리(coin-cell type battery)로 구동되기 때문에 초저전력으로 동작되어 장시간 사용이 가능해야 한다. 제안된 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 구동으로 소모되는 배터리전력의 산정시험을 위한 전원공급기는 Kikusui Electronics Corp.사의 PAS40-18(40V/18A)을 사용하였으며, 전류계는 Gwinstek사의 GDM-8261A를 사용하여 도 13. 에 나타낸 바와 같이 시험회로를 구성하여 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 구동시 흐르는 전류를 측정하였다.

도 9. 배터리 전력소모를 평가하기 위한 시험장치

Test setup for examining the battery power consumption

전원공급기에 의해 DC 3V가 가해진 조건에서 흐르는 전류는 약 7.2A로 측정되었으며, 배터리의 가용시간은 식 (2.14)를 통해 11.1년으로 계산되어, 일반적인 SPD의 최대 수명인 7년 동안 사용할 수 있을 것으로 확인되었다.

(2.14)

식 (2.14)의 0.7은 습도 및 온도 환경조건을 고려한 보수율을 적용한 것이다.

본발명의 경제성에 대한 검토는 아래와 같다.

SPD의 수명예측에 적용하기 위해 제안된 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 뇌서지전류의 크기에 따라 작동하며, 약 10%의 전류 검출 오차율을 확인하였다. 실제 현장의 응용 분야에서 10% 정도의 오차는 크게 문제가 되지 않기 때문에 실사용에 무리가 없을 것으로 판단된다. 현재 시장에 출시된 수명표시장치가 구비된 SPD는 가격이 매우 비싸기 때문에 거의 사용되지 않고 있으며, 대신 간이형 서지카운터를 사용하고 있는 실정이다. 서지카운터는 임계 서지전류이상의 서지전류가 검출되면 카운트되지만, 서지전류의 크기를 고려하지 않은 입사횟수만 카운트되기 때문에 수명예측에 대한 정확도가 매우 낮을 것으로 평가된다.

SPD의 수명예측에 적용할 수 있는 기존의 서지전류검출장치와 본 연구에서 제안된 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 성능과 가격 그리고 시장경쟁력에 대한 비교를 표 9에 나타내었다. 본 연구에서 제안된 SPD의 수명예측을 위한 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 성능과 비용측면에서 우수한 것으로 평가되어 향후 시장진출과 해외시장에서 경쟁력 제고를 위해 활용될 것으로 기대된다.

구분	서지 카운트	전류 측정	극성	SPD 수명예측	비용 (US $)	시장 적용성
본 연구에서 제안된 검출시스템	O	O	X	O	매우 낮음 (수십 $)	우수
서지카운터	O	X	X	X	매우 낮음 (수십 $)	양호
Rogowski 코일형 전류검출장치	O	O	O	O	높음 (수백 $)	미흡
CT형 전류검출장치	O	O	O	O	매우 높음 (수천 $)	미흡

표 9. 본 발명의 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 성능과 비용의 비교

따라서 본발명은 전원용 서지보호기의 유지보수를 위해 서지전류의 크기와 입사횟수를 검출하여 서지보호기의 수명예측이 가능한 고성능의 서지전류 검출센서시스템이다. 본발명 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 간단한 구조인 토로이달 코일을 사용하여 서지전류를 검출하며, 높은 서지전류로 인하여 자기포화가 발생되는 문제에 대해 매우 낮은 저항의 분류회로를 이용한 새로운 검출 방법을 도출한 것이다. 마이크로콘트롤러 제어부에서 서지전류의 신호처리를 용이하게 하기 위해 신호처리회로를 통해 서지전류의 크기를 음펄스의 지속폭으로 변환하고, 이를 이용해 SPD의 예측 수명을 계산하는 방법이므로 본발명의 지능형의 고성능 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 SPD의 유지보수의 효율성을 크게 향상시키고 가격경쟁력이 우수한 현저한 효과가 있다.

따라서 본발명은 서지보호기의 수명을 정확하고 신속하게 예측할 수 있으며, 저가의 저전류의 변류기로 고 서지전류 영역까지 간편하고 용이하게 측정할 수 있으므로 사용 및 유지보수가 편리하며 경제적인 현저한 효과가 있다.

200 : 주전류흐름부
201 : 검출전류흐름부
202 : 저전류 변류기
203 : 신호조건회로부
204 : 마이크로컨트롤러부
205 : 표시부
206 : 통신부

Claims

서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기에 전원이 가해지면 마이크로콘트롤러의 제어부는 타이머, 인터럽트, 내장된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)을 초기화시키는 단계;
EEPROM에 저장된 서지의 입사횟수 데이터를 읽는 단계;
LCD에 이를 표시하는 단계;
서지전류 인터럽트 발생시 신호조건회로에서 서지전류의 크기는 지속시간으로부터 변환되므로 61s 타이머로 지속시간을 측정하는 단계;
서지전류의 크기가 500A 미만이면 무시하고, 500A 이상이면 잔존수명에서 수명을 차감하고 이를 EEPROM에 저장하는 단계;
저전력모드로 동작하기 위한 슬립모드 진입단계; 를 포함하는 것으로, 서지보호기의 용량에 따라 메뉴에서 선택할 수 있고, 이에 따른 적합한 서지보호기의 잔존수명을 산정할 수 있는 것으로, 작동정지 모드에서 기능키(Function key)가 눌려지면 제어부는 작동정지 모드에서 깨우고, 일정시간 서지보호기의 예상수명을 LCD에 표시하게 한 후 서지의 입사횟수를 표시하고, 다시 작동정지 모드로 들어가게 하는 서지보호기의 수명예측방법에 있어서,
상기 서지전류의 측정을 위한 전류센서는 철분말 재질로 만들어진 토로이달 코어 3개를 사용하는 전류센서로서, 토로이달 코어에 전류검출코일을 감은 것이며, 상기 토로이달 코어에 감긴 전류검출코일에 유도된 서지전류의 미분신호를 원래의 서지전류파형으로 복원시키고 서지전류의 진폭을 음펄스의 지속폭으로 변환하는 것이며,
상기 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기는 서지보호기와 함께 사용하는 것이므로, 서지보호기의 잔존수명 표시기능을 갖는 낙뢰계수기의 기능키를 일정시간 이상 누르면, 서지보호기 선택 모드로 작동되며, 이후 다시 기능키를 짧게 누르면 서지보호기의 용량이 변경된 후 일정시간 이상 길게 누르면 선택되는 것을 특징으로 하는 서지보호기의 수명예측방법
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