KR102417416B1 - 아크 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에너지저장장치(ESS:Energy storage system)와 같은 전자 장비 함체 내부에서 발생하는 아크를 검출하여 화재를 예방함으로써 에너지 저장장비의 안전성을 개선할 수 있는 아크 검출 장치에 관한 것이다.

Description

아크 검출 장치{Arc detection apparatus}

본 발명은 아크 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에너지저장장치(ESS:Energy storage system)와 같은 전자 장비 함체 내부에서 발생하는 아크를 검출하여 화재를 예방함으로써 에너지 저장장비의 안전성을 개선할 수 있는 아크 검출 장치에 관한 것이다.

최근 신재생 에너지와 마이크로 그리드에 대한 관심이 높아지면서 에너지 저장장치의 설치가 활발하다.

에너지 저장장치는 발전, 송·배전, 수용가에 이르는 전 과정에서 활용이 가능하고 수요와 공급 정보의 실시간 교환을 통해 전력의 효율적 생산과 소비를 가능하게 하는 스마트 그리드 구축의 핵심요소라 할 수 있다.

한편, '에너지기술평가원'의 에너지저장시스템 화재 회의 보고서에 의하면 최근 발생한 에너지저장장치 화재관련 원인은 충전중 배터리 내 에너지 집중(서지,surge) 현상에 의한 배터리 폭발 및 이의 연쇄 반응이 원인이 되는 화재는 21건으로 보고 되고 있다.

특히 배터리간 체결불량으로 인하여 외부환경(진동 및 충격 등)에 의해 연결부가 헐거워져 에너지 전달 효율이 감소함에 따라 특정 배터리의 수명저하 및 과부하로 화재를 야기한다.

에너지저장시스템은 대용량으로 화재발생 시 큰불이나 인명 피해로 이어질 수 있으며, 남은 배터리의 열량이 완전히 소진될 때까지 진화가 어렵고 전소가 되어야지만 화재가 진압될 수 있는 특징이 있어 경제적 손실도 매우 크다.

따라서, 배터리 제조공정이나 사용 중 외부환경을 고려한 배터리 커넥터 및 배터리 내 아크 발생을 초기에 감지하여 화재를 예방하고 시스템을 보호할 수 있는 기술의 개발이 시급하다.

일반적으로 에너지저장시스템에는 온도센서가 부착되어 있어 온도의 이상을 검출함으로써 화재예방을 수행하나 최근 광 파이버를 이용하여 자외선 신호의 일부를 포집하여 아크를 검출하는 기술이 개발된 바 있다.

그러나 광 파이버를 이용한 아크 검출은 고가의 자외선 광 파이버가 필요하고, 광 파이버의 표면에 자외선 신호 유입을 위한 표면 스크래치 처리가 필요하며, 아크의 인지를 위해 300v, 1A 수준의 에너지가 필요하므로 에너지가 작은 아크의 경우 검출이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 에너지저장시스템 내부의 아크 발생을 검출하여 화재 발생을 예방할 수 있는 아크 검출 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 광 파이버를 이용하지 않고 에너지저장시스템 내부에서 발생하는 아크를 포집할 수 있고 적은 에너지의 아크도 검출할 수 있는 아크 검출 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전자장비 함체의 내부에 부착되어 전자장비에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출장치로서, 상기 전자장비 함체의 내부에 구비되는 금속판재; 및 상기 전자장비를 향해 상기 금속판재의 일면에 돌출되도록 성형되고, 상기 아크 발생시 상기 아크 중의 자외선을 반사 또는 굴절시키는 복수 개의 엠보;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전자장비 함체 내부에는 상기 엠보에서 반사된 자외선을 검출하여 아크 발생여부를 판단하는 자외선 센서;가 더 구비된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 자외선 센서는 상기 금속판재의 길이방향 일측 변에서 소정거리 이격되어 상기 전자장비 함체 내부에 구비되며, 상기 엠보들은 상기 금속판재에 길이방향 및 폭방향으로 서로 소정거리 이격되어 성형된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속판재의 길이방향으로 위치하는 엠보들 간의 거리는 상기 자외선 센서로부터 멀어질수록 좁아진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속판재는 길이방향으로 서로 다른 복수의 구역으로 구획되고, 상기 자외선 센서로부터 거리가 먼 구역일수록 상기 금속판재의 길이방향으로 위치하는 엠보들 간의 거리는 좁아진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속판재의 폭방향에 위치하는 엠보들 간의 거리는 서로 동일하다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 엠보는 뿔이 상기 전자장비를 향하는 사각뿔형태의 엠보이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 엠보는 상기 금속판재를 전자기 하이드로 포밍 공정(electro-hydraulic forming process)을 통해 성형된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 엠보의 하면 대각선 길이는 20mm이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속판재는 알루미늄 합금 판재이다.

또한, 본 발명은 상기 아크 검출 장치가 구비된 에너지 저장장치를 더 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 아크 검출 장치에 의하면, 광 파이버를 이용하지 않고 엠보가 형성된 금속 판재를 통해 아크에서 발생하는 자외선을 반사 및 굴절시켜 포집함으로써 적은 비용으로 간단하게 아크를 검출할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 아크 검출 장치에 의하면, 엠보의 형상 및 배치를 최적화하여 아크 감지율을 극대화할 수 있고 작은 크기의 아크라도 검출이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보 배치의 일례를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보 배치의 다른 예를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 사각뿔 형상일 경우 효율분석 결과를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 사각뿔 형상일 경우 센서와 아크 발생 위치간의 거리에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 6은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 사각뿔 형상일 경우 엠보의 크기에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 7은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 사각뿔 형상일 경우 엠보의 폭 방향 간격에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 8은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 반구 형상일 경우 효율분석 결과를 보여주는 도면,
도 9는 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 반구 형상일 경우 센서와 아크 발생 위치간의 거리에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 10은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 반구 형상일 경우 엠보의 크기에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 11은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 반구 형상일 경우 엠보의 폭 방향 간격에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프,
도 12는 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 효율 시험을 위한 시험 장치를 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치는 엠보(200)가 성형된 금속 판재(100)로 이루어지고, 자외선 감지를 위한 자외선 센서(300)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 아크 검출 장치는 전자 장비 함체(20) 내부의 전자장비(10)에서 발생하는 아크 중의 자외선을 검출함으로써 아크의 발생을 검출할 수 있는 장치이다.

또한, 상기 전자 장비 함체(20)는 에너지저장시스템일 수 있고, 상기 전자장비(10)는 배터리일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 아크 검출 장치를 설치한 완성된 에너지저장시스템 형태로 제공될 수 있다.

그러나 상기 아크 검출 장치는 에너지저장시스템에 제한적으로 이용되는 것이 아니며, 아크가 발생할 수 있는 다양한 전자 장비 함체에 설치되어 아크 검출을 통해 화재를 에방할 수 있다.

상기 금속 판재(100)는 상기 전자 장비 함체(20)의 덮개에 부착된다.

또한, 상기 금속 판재(100)는 자외선의 굴절 및 반사가 용이한 알루미늄 합금 판재인 것이 바람직하다.

상기 엠보(200)는 상기 전자장비(10)를 향하는 상기 금속 판재(100)의 일면에 돌출되도록 성형된다.

또한, 상기 엠보(200)는 전자기 하이드로 포밍 공정(electro-hydraulic forming process)을 통해 성형되며, 상기 금속 판재(100)에 복수 개로 성형된다.

또한, 본 발명에서는 상기 엠보(200)를 상기 금속 판재(100)의 길이방향과 폭방향으로 격자 상에 위치하도록 성형하였다.

또한, 상기 엠보(200)는 상기 전자장비(10)에서 발생하는 아크 중의 자외선을 한 방향으로 반사 또는 굴절시켜 포집되게 하는 역할을 한다.

또한, 상기 엠보(200)는 뿔이 상기 전자장비(10)를 향하는 사각뿔 형상으로 성형되며, 사각뿔의 바닥면 대각선 길이는 20mm인 것이 바람직하다.

상기 자외선 센서(300)는 상기 전자장비 함체(20) 내부에 구비되며, 상기 엠보(200)에서 반사된 자외선을 검출한다.

또한, 도시하지는 않았으나 상기 전자장비 함체(20)에는 상기 자외선 센서(300)의 검출 신호를 수신하여 아크가 발생하였는지 판단하는 제어기가 구비될 수 있고, 상기 자외선 센서(200)와 상기 제어기는 하나의 보드에 임베디드된 임베디드 시스템으로 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어기는 유무선 통신을 통해 관리자의 스마트 기기등으로 아크발생여부를 알려주거나 관리자의 서버 시스템으로 데이터를 전송할 수 있다.

도 2는 상기 엠보(200) 배치의 일례를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 엠보(200)는 상기 금속 판재(100)의 길이방향(L)과 폭방향(W)으로 격자상에 복수 개로 성형된다.

또한, 길이방향(L)에 위치하는 엠보들(200a)의 간격(T)은 자외선 센서(300)에서 멀어질수록 더 좁아진다.

이는 상기 자외선 센서(300)에서 먼 위치에서 발생하는 아크의 경우 조밀하게 배치된 엠보들이 자외선을 반사하게 하여 자외선 감지율을 높이기 위함이며, 상기 자외선 센서(300)에서 가까운 위치의 엠보들은 간격을 넓게 하여 후방(자외선 센서에서 더 먼 위치)에서 반사된 자외선이 상기 자외선 센서(300)로 잘 전달되게 한다.

한편, 상기 자외선 센서(300)와 가까운 위치에서 아크가 발생할 경우에는 적은 개수의 엠보들이 자외선을 반사시키더라도 자외선의 세기가 세기 때문에 적은 개수의 엠보들 만으로도 원하는 아크 감지율을 달성할 수 있다.

또한, 폭방향(W)에 위치하는 엠보들(200b)의 간격은 상기 자외선 센서(300)와의 거리와 관계없이 서로 동일하게 하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보 배치의 다른 예를 보여주는 도면이다.

도 3에서 도시한 엠보 배치의 다른 예는 도 2에서 보인 엠보 배치와 비교하여 상기 자외선 센서(300)와 멀어질수록 점진적으로 길이방향 엠보들의 간격이 멀어지는 것이 아니라 복수의 구간(L1,L2,L3)의 설정하여 동일한 구간 내에서 엠보들의 길이방향 간격은 동일하게 하되 상기 자외선 센서(300)에서 먼 구간에 배치되는 엠보들의 간격이 더 가까운 구간에 배치되는 엠보들의 간격보다 더 좁게(T1>T2>T3)하는 차이가 있다.

이는 전자기하이드로포밍 공정시 복수의 금형을 조합하여 원하는 간격의 엠보들을 용이하게 성형할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 사각뿔 형상일 경우 효율분석 결과를 보여주는 도면으로, 대표적인 광학설계 및 분석 소프트웨어인 LightTool을 이용한 시뮬레이션 결과이다.

도 4의 (a)는 엠보의 바닥면 대각선 길이가 10mm인 경우, (b)는 엠보의 바닥면 대각선 길이가 20mm인 경우, (c)는 엠보의 바닥면 대각선 길이가 30mm인 경우로 구분하여 효율분석을 하였다.

도 5는 엠보가 사각뿔 형상일 경우 자외선 센서와 아크 발생 위치간의 거리에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써, 엠보의 폭방향 간격은 5mm, 엠보의 하면 대각선 길이는 20mm인 경우이다.

도 5에서도 알 수 있듯이 자외선 센서에서 630mm 떨어진 지점에서도 70%의 감지율을 보였으며 210mm거리에서는 감지율이 100%인 것으로 분석되었다.

도 6은 본 발명이 엠보의 바닥면 대각선 길이, 즉, 엠보의 크기에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써, 자외선 센서에서 떨어진 거리는 420mm로 고정하고 폭방향 간격은 5mm인 경우이다.

도 6에서도 알 수 있듯이 엠보의 바닥면 대각선 길이가 20mm인 경우 감지율은 약 80%로 바닥면 대각선 길이가 10mm, 15mm인 경우보다 감지 효율이 높았다.

도 7은 상기 엠보의 폭 방향 간격에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써 자외선 센서에서 떨어진 거리는 420mm로 고정되고, 폭방향 간격은 5mm인 경우이다.

도 7에서도 알 수 있듯이 폭방향 간격이 3mm, 4mm, 5mm일 경우 감지율이 각각 70%, 71%, 73%로 나타나 폭방향 간격이 감지율에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.

도 8은 본 발명이 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 엠보가 반구 형상일 경우 효율분석 결과를 보여주는 도면으로 LightTools을 통해 시뮬레이션한 결과이다.

도 8의 (a)는 엠보의 바닥면 반지름이 5mm, (b)는 7.5mm, (c)는 10mm로 증가시키면서 시뮬레이션 하였다.

도 9는 엠보가 반구 형상일 경우 센서와 아크 발생 위치간의 거리에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써 엠보들 간의 폭방향 간격은 4mm이고, 바닥면 반지름은 10mm인 경우이다.

도 9에서도 알 수 있듯이 자외선 센서와의 거리가 멀어질수록 감지율이 급격히 낮아지는 것을 알 수 있으며, 630mm 지점에서 감지율은 약 65%로 시뮬레이션 되었다.

즉, 사각뿔 형태의 엠보와 비교하여 630mm 지점에서 감지율이 5% 낮고, 420mm 지점에서는 15%정도 낮았다.

따라서, 반구 형태보다는 사각뿔 형태로 성형하는 것이 자외선 감지에 유리한 것을 알 수 있다.

또한, 도 10은 엠보가 반구 형상일 경우 엠보의 크기에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써 420mm 위치에서 폭방향 간격이 4mm인 경우 반구의 반지름을 5mm, 7.5nmm, 10mm로 증가시키더라도 감지율이 약 55%~60% 수준으로 예측되어 사각뿔 형상의 엠보가 유효함을 확인할 수 있었다.

또한, 도 11은 엠보가 반구 형상일 경우 엠보의 폭 방향 간격에 따른 자외선 감지 효율을 보여주는 그래프로써 폭방향 간격이 3mm, 4mm, 5mm로 변화되더라고 감지율의 차이는 거의 없어 폭방향 간격과 감지율은 크게 관련이 없는 것을 확인하였다.

이러한 해석 결과를 바탕으로 최대 감지율이 측정된 사각뿔 바닥면의 대각선 길이를 20mm로 하고 폭 방향 간격을 5mm로 하여 엠보가 형성된 금속 판재를 설계하였다.

도 12는 설계된 아크 검출 장치의 효율 시험을 위한 시험 장치를 보여주는 것으로 함체 내부에 아크 발생기(30)를 위치키키고 설계한 엠보가 형성된 금속 판재(100)를 배치하여 실제 아크 감지율을 시험하였다.

100회 시험 결과 아크 정상검출 횟수가 92회, 미검출 횟수가 8회로 아크 검출의 정확도는 92%로 나타났다.

또한, 본 발명에서 설계된 금속 판재(100)를 배치하지 않았을 경우는 아크 감지 횟수가 80회로 나타나 본 발명의 엠보가 형성된 금속 판재(100)를 배치하였을 경우 감지율이 115%(92회/80회) 향상됨을 확인하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:금속 판재 200:엠보
300:자외선 센서

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 전자장비 함체의 내부에 부착되어 전자장비에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출장치로서,
   상기 전자장비 함체의 내부에 구비되는 금속판재; 및
   상기 전자장비를 향해 상기 금속판재의 일면에 돌출되도록 성형되고, 상기 아크 발생시 상기 아크 중의 자외선을 반사 또는 굴절시키는 복수 개의 엠보;를 포함하고,
   상기 전자장비 함체 내부에는 상기 엠보에서 반사된 자외선을 검출하여 아크 발생여부를 판단하는 자외선 센서;가 더 구비되며,
   상기 자외선 센서는 상기 금속판재의 길이방향 일측 변에서 소정거리 이격되어 상기 전자장비 함체 내부에 구비되며,
   상기 엠보들은 상기 금속판재에 길이방향 및 폭방향으로 서로 소정거리 이격되어 성형되되, 상기 금속판재의 길이방향으로 위치하는 엠보들 간의 거리는 상기 자외선 센서로부터 멀어질수록 좁아지고, 상기 금속판재의 폭방향에 위치하는 엠보들 간의 거리는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
   
5. 전자장비 함체의 내부에 부착되어 전자장비에서 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출장치로서,
   상기 전자장비 함체의 내부에 구비되는 금속판재; 및
   상기 전자장비를 향해 상기 금속판재의 일면에 돌출되도록 성형되고, 상기 아크 발생시 상기 아크 중의 자외선을 반사 또는 굴절시키는 복수 개의 엠보;를 포함하고,
   상기 전자장비 함체 내부에는 상기 엠보에서 반사된 자외선을 검출하여 아크 발생여부를 판단하는 자외선 센서;가 더 구비되며,
   상기 자외선 센서는 상기 금속판재의 길이방향 일측 변에서 소정거리 이격되어 상기 전자장비 함체 내부에 구비되며,
   상기 엠보들은 상기 금속판재에 길이방향 및 폭방향으로 서로 소정거리 이격되어 성형되고,
   상기 금속판재는 길이방향으로 서로 다른 복수의 구역으로 구획되고, 상기 자외선 센서로부터 거리가 먼 구역일수록 상기 금속판재의 길이방향으로 위치하는 엠보들 간의 거리는 좁아지며,
   상기 금속판재의 폭방향에 위치하는 엠보들 간의 거리는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
   
6. 삭제
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 엠보는 뿔이 상기 전자장비를 향하는 사각뿔형태의 엠보인 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 엠보는 상기 금속판재를 전자기 하이드로 포밍 공정(electro-hydraulic forming process)을 통해 성형되는 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 엠보의 하면 대각선 길이는 20mm인 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속판재는 알루미늄 합금 판재인 것을 특징으로 하는 아크 검출 장치.
    
11. 제 10 항의 아크 검출 장치가 구비된 에너지 저장장치.

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