KR102457490B1 - 내장애자 감시용 IoT 센서모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내장애자 감시용 IoT 센서모듈에 관한 것이다. 송전선로나 배전선로는 수목이 울창한 산악지역을 통과하는 경우가 많은데, 산악지역에 설치된 전선로에서 아크방전이 발생하면 산불 등의 대형화재로 번질 위험이 있다. 본 발명은 배전선로 중 내장애자 장치의 연결 부위 등에서 아크방전이 발생하거나 발생 가능성을 사전에 감지하여 사물인터넷 통신망을 통하여 관리서버 등에 알려줄 수 있는 IoT 센서모듈에 관한 것이다. 본 발명에 의한 IoT 센서모듈은, 내장애자가 설치된 전주나 철탑 상에 장착되어, 연결 부위 등에서 접촉 불량이나 단선 등의 사유로 직렬 아크방전이 발생하는 경우, 이를 자동으로 감지하여 IoT 통신망을 통하여 위험신호를 송출할 수 있다. 따라서, 해당 배전선로의 관리자는 위험신호 발생지역 또는 화재위험 발생이 예상되는 지역을 신속하게 찾아내어 점검할 수 있고, 이를 통하여 더 큰 아크방전 사고로 확대되거나 산불 등의 대형화재로 발전되는 것을 예방할 수 있게 된다.

Description

내장애자 감시용 IoT 센서모듈 {IoT sensor module for monitoring strain insulator of power line}

본 발명은 내장애자 감시용 IoT 센서모듈에 관한 것이다. 송전선로나 배전선로는 수목이 울창한 산악지역을 통과하는 경우가 많은데, 산악지역에 설치된 전선로에서 아크방전이 발생하면 산불 등의 대형화재로 번질 위험이 있다. 본 발명은 송전선로나 배전선로 중 내장애자(耐張碍子) 장치의 연결 부위 등에서 아크방전이 발생하는 경우 이를 감지하여 사물인터넷 통신망을 통하여 관리서버 등에 알려줄 수 있는 IoT 센서모듈에 관한 것이다. 본 발명에 의한 IoT 센서모듈은, 내장애자가 설치된 전주나 철탑 상에 장착되어, 연결 부위 등에서 접촉 불량이나 단선 등의 사유로 직렬 아크방전이 발생하는 경우, 이를 자동으로 감지하여 IoT 통신망을 통하여 위험신호를 송출할 수 있다. 따라서, 해당 전선로의 관리자는 위험신호 발생지역 또는 화재위험 발생이 예상되는 지역을 신속하게 찾아내어 점검할 수 있고, 이를 통하여 더 큰 아크방전 사고로 확대되거나 산불 등의 대형화재로 발전되는 것을 예방할 수 있게 된다.

송전선로나 배전선로에 세워지는 전주나 철탑 중에는 양쪽의 장력이 서로 다른 ‘장력 불균형 개소’가 존재하며, 계곡이나 하천 등으로 인하여 전주나 철탑 사이의 거리가 표준경간보다 훨씬 길은 ‘장 경간 구간’도 있다. 이러한 장력 불균형 개소나 장 경간 구간에서는 가공전선의 무게나 바람 등으로 인하여 철탑이나 전주에 가해지는 장력이 매우 크기 때문에 장력에 견디고 적정한 이도(dip)를 유지할 수 있도록, 내장애자(耐張碍子. strain insulator)로 가공전선을 잡아당겨서 고정하게 되는데, 내장애자가 장착되는 철탑이나 전주를 내장철탑(耐張鐵塔) 또는 내장전주(耐張電柱)라 부르기도 한다. 또한, 배전선로의 수평 방향이 일정 각도 이상 바뀌거나, 수직 각도가 일정 각도 이상 인상 또는 인하되는 장소에도 내장철탑 또는 내장전주가 설치된다. 그리고, 재폐로차단기나 주상변압기 등과 같이 전력기기가 설치된 전주도 내장전주로 하는 경우가 많으며, 배전선로의 안정적 지지를 위하여 일정한 경간마다 내장철탑 또는 내장전주가 설치되기도 한다. 따라서 배전선로에는 적어도 10 경간 당 한두 개 정도의 내장철탑 또는 내장전주가 존재하게 된다.

내장철탑 또는 내장전주에서는 가공전선의 무게나 바람에 의한 장력에 견딜 수 있도록 가공전선과 내장애자를 클램프로 고정하게 되며, 클램프를 통과한 가공전선은 반대쪽 내장애자와의 사이에 연결선(점퍼선)을 통하여 연결된다. 따라서 가공전선과 클램프가 연결되는 부위에는 심한 장력이 가해지는 상태가 지속되며, 장력이 가해지는 상태에서 세월이 지남에 따라 진동의 누적에 의한 피로현상이나 부식 등에 의하여 노후화되고, 이로 인하여 볼트나 클램프를 체결한 부분에는 피로파괴(fatigue failure)에 의한 접촉 불량이나 소선의 손상 등이 발생하며, 심한 경우 일시적 또는 간헐적으로 단선되는 결과까지도 초래하게 된다. 특히 바람이 부는 계곡이나 하천횡단 구간 또는 산마루 지역 등의 경우 바람에 의하여 가공전선에 풍진동이 발생하게 되면, 전선에 발생하는 풍진동의 진동수와 연결선이나 인하용 전선에 발생되는 풍진동의 진동수가 서로 다르기 때문에 전선과 클램프, 연결선 등이 연결되는 부위에는 피로 현상이 더 심하게 발생하여 마모 및 열화가 더욱 쉽게 진행되는 경향이 있다. 가공전선의 연결부 등에서 전선이 일시적, 간헐적 단선이 발생하게 되면, 직렬 아크방전이 발생하게 된다.

한편 배전선로는 수목이 밀집되어 있는 산간지역을 통과하는 경우도 많다 특히 농어촌 지역에서는 많은 배전선로가 산간지역이나 수목이 울창한 숲을 가로지르는 경우가 많다. 산간지역 등과 같이 수목이 많은 지역을 가로지르는 배전선로에서 지락이나 단락 사고 등이 발생하는 경우 사고지점에서 발생되는 과전류로 인하여 과열 또는 아크방전이 발생하고 이로 인하여 산불로 확대될 가능성이 있다. 다만, 전선로 자체가 단선되는 등의 이유로 발생하는 지락사고나 전선로 상호 간에 단락하는 단락사고로 인한 아크방전인, 병렬 아크방전의 경우 지락계전기나 과부하계전기 등과 같이 신뢰성 높게 발전된 전통적인 보호시스템이 작동되어 관련 선로를 신속하게 차단할 수 있기 때문에 실제 화재나 인명피해로 이어지는 일은 그리 많지 않다.

하지만, 내장애자가 설치된 철탑이나 전주에서, 내장애자와 가공전선의 연결점이나 점퍼선이라 불리는 연결선의 연결점에는 피로 누적에 따른 마모와 손상, 풍화로 인한 부식 등이 발생하고 이로 인한 접촉 불량이나 단선 등이 되는 경우 직렬 아크방전이 발생하는데, 이러한 직렬 아크방전은 과부하계전기나 지락계전기 등으로 발견되지 않기 때문에 발견이나 예방이 매우 어렵다. 이러한 직렬 아크방전은 봄철 등과 같이 건조한 시기에 대형 산불로 이어지는 경우가 있어 이에 대한 대책 마련이 요구되고 있다. 지난 2019년 강원도 고성군 토성면에서 발생한 산불의 경우에도 22.9kv 특별고압 배전선로의 연결지점에서 발생한 직렬 아크방전으로 발화되어 무려 1,757ha의 산림이 피해를 당한 초대형 산불로 발전된 경우이다. 따라서 산악지대에 설치된 배전선로 상에서 발생하는 직렬 아크방전 사고를 초기에 발견하여 산불이나 인명피해 또는 재산상의 피해로 확산하는 것을 예방할 필요성이 높은 실정이다. 감사원도 지난 2019년 12월 발행한 전력공급시설 안전관리실태 감사보고서에서 이같은 문제점(내장애자 연결 클램프로 인한 화재위험의 문제)을 지적한 바 있다.

아크방전은 전기가 공기 등의 절연층을 파괴하고 흐르면서 연속적으로 불꽃이 발생하여 열과 화염을 만들어 내는 방전현상을 말한다. 아크방전은 그 발생 메커니즘에 따라 병렬 아크방전과 직렬 아크방전으로 구별할 수 있다. 병렬 아크방전은 도 1(a)에서 보는 바와 같이 A상과 B상 사이 등과 같이 각 상의 전선이 근접했을 때, 상간 절연이 파괴되면서 일어나거나 각 상중 하나의 전선과 접지선 또는 지면에 접촉하거나 근접하여 절연이 파괴되면서 일어나는 현상이다. 즉 병렬 아크방전은 높은 전위차를 가진 전선 상호 간에, 피복이 없거나 손상된 상태에서 접촉했다 떨어지면서, 또는 너무 근접한 상태로 접근하면서 두 전선 사이의 공극에서 일어나는 방전이다. 병렬 아크방전은 상간 전압이 아크방전 부위에 그대로 걸리기 때문에 아크방전이 일어나는 부위에는 과다한 전류가 흐르게 되고 이로 인하여 불꽃과 화염이 크게 발생하므로 화재 발생이나 인명피해 등에 매우 위험한 상태로 노출되게 된다. 다만, 병렬 아크방전의 경우 매우 큰 과전류를 순식간에 발생시키기 때문에 변전소나 각종 선로 보호설비에서 이를 신속하게 감지해 낼 수 있고, 이에 따라 차단기의 동작 등과 같이 피해를 최소화하는 보호시스템이 곧바로 작동되므로 큰 피해로 확산되는 것을 방지할 수 있다.

반면에, 직렬 아크방전은 연결지점의 접속 불량 또는 내부선로의 손상과 같이 단일도체의 불완전한 접속 부위에서 발생한다. 즉 도 1(b)에서 보는 바와 같이 직렬 아크방전은 각 상의 전선 중 하나에서 접촉 불량이 일어나거나 단선으로 인하여 형성되는 공극에서 발생되는 아크방전이다. 따라서 직렬 아크방전으로 인하여 발생되는 불꽃이나 화염은 부하전류의 크기에 따라서 좌우되며, 상간 전위차에 의하여 발생되는 것이 아니기 때문에 병렬 아크방전에 비하여 작은 크기로 발생한다. 그리고 부하와 직렬로 연결되기 때문에 아크전류는 부하전류에 비례하여 증가하므로 전류의 증가나 감소를 파악하는 것만으로는 아크방전이 발생했는지 여부를 파악하기가 힘들게 된다. 그러나 직렬 아크방전 또한 병렬 아크방전과 마찬가지로 불꽃과 화염을 유발하기 때문에 전력기기의 파손은 물론, 불꽃이나 화염이 주변의 수목이나 건축물 등에 옮겨붙게 되어 일반 화재나 산불로 확대될 가능성이 있게 된다. 그럼에도 불구하고, 직렬 아크방전이 발생되는 초기에는, 변전소 등과 같이 전원공급 단에서 파악할 수 있을 만큼의 과전류를 수반하는 경우가 드물어서 그 발생 여부를 신속하게 파악하기 어려운 문제점이 있다.

이같이 아크방전은 화재위험은 물론 인명피해까지 유발하기 때문에 아크방전의 신속한 발견은 사고 예방 차원에서 매우 중요하다. 아크방전을 발견해 내는 종래의 방법으로는, 아크방전이 발생할 가능성이 높은 부위 가까이에서 수광소자를 이용하여 불꽃 발생을 감지해 내거나, 리플 전압이나 아크 파형의 주파수 등을 검출하여 아크방전 발생을 판단하는 방법이 있으며, 아크방전의 발생 과정에서 방사되는 전자파를 측정하여 감지하는 방법도 있다. 그러나 수광소자를 이용하는 방법은 변전소나 배전반 등과 같이 어두운 실내에서는 적정하지만, 태양광이 존재하는 옥외에서는 불꽃 발생을 감지해 내기가 어렵기 때문에 송전선로나 배전선로에서는 사용이 곤란한 문제점이 있다. 그리고, 리플전압이나 아크 파형의 주파수를 분석하여 아크방전을 검출하는 방법은, 각각의 공급구역이나 분기회로 별로 설치하여 아크방전 검출 시 차단기를 작동하도록 한 것이어서, 구간이 짧은 옥내 분기선로에 설치하여 아크방전이 검출되는 경우 해당 분기선로 자체를 차단하는 방법으로 아크방전 사고의 확대를 예방하는 것은 가능하나, 송전선로나 배전선로와 같이 장거리 선로 중에서 아크방전이 발생한 지점을 감지해 내는 것은 불가능하게 된다. 즉, 아크 파형의 주파수 등을 분석하여 검출해 내는 방법은 어느 한 선로 내에 어느 지점에선가 아크방전이 발생했다는 것을 감지해 낼 수는 있으나, 정확하게 어느 지점에서 발생한 것인지는 검출해 내기가 어렵고, 파형을 분석하여 판단해야 하므로 고가의 부품이 필요한 문제점도 있다.

방사전자파를 이용하여 감지해 내는 방법은, 방사전자파의 도달거리가 짧을 뿐만 아니라, 낙뢰나 뇌운 또는 코로나 방전 등과 같이 다른 이유에 의한 전자파 방사가 발생하는 곳에서는 그것들로 인한 노이즈 때문에 잘못 감지될 가능성이 있는 단점이 있다. 따라서, 수배전반 등과 같이 밀폐된 공간에서는 유용하지만, 장거리 구간에 걸쳐서 산악지형과 들판을 가로지르며 설치되는 송전선로나 배전선로에는 부적합하다. 산악이나 들판에서는 낙뢰나 뇌운 등이 발생하며, 이로 인한 섬락이나 역섬락 또는 코로나 방전 등으로 인한 노이즈가 발생하기 때문이며, 설령 이러한 노이즈를 제거할 수 있다 하더라도, 장거리 구간에 걸쳐서 설치되는 송전선로나 배전선로의 어느 위치에서 방사전자파가 발생했는지를 알아내는 것도 매우 어려운 문제이다.

그리고, 고조파를 이용하여 아크방전 발생을 감지해내는 방법도 있다. 아크방전이 발생하게 되면 전선로 상에 고조파가 발생하게 된다. 아크방전으로 인하여 발생하는 고조파는 아크방전이 발생된 상(相)의 전선으로 흐르기도 하지만, 각 상에서 발생되는 고조파는 중성선으로 흘러들어와 영상 고조파전류를 형성하게 된다. 따라서, 중성선을 통하여 흐르는 영상 고조파전류인 제3고조파를 측정하여 아크방전이 발생했는지 여부를 판단할 수도 있다. 그러나, 송전선로나 배전선로에서 발생되는 고조파는 다양한 원인에 의하여 발생되므로 고조파의 발생이 아크방전으로 인하여 발생한 것이라고 단정하지 못한다는 문제점이 있다. 따라서 고조파의 감지를 통한 아크방전 검출방법은 적용하기 어려운 것이 현실이었다.

한편, 배전선로 또는 송전선로에 사용되는 가공전선이나 가공지선에 바람이 불게 되면 가공전선이 아래위로 진동하는 풍진동이 발생하는데, 이러한 진동을 aeolian 진동이라 한다. aeolian 진동은, 미풍이 불면 항상 발생하는 진동이다. 가공지선이나 가공전선에 대하여 1m/s ~ 7m/s 범위 내 미풍이 불게 되면, vortex shedding 현상에 의해 바람이 부는 방향과 직각 방향으로 3Hz ~ 150Hz의 진동수를 가지는 진동이 발생하는데, 그 진폭은 수cm 정도가 된다. 이러한 진동을 aeolian 진동이라 한다. 배전선로나 송전선로에서 전선 및 가공지선 상에 발생되는 풍진동은 전선로의 신뢰성이나 서비스 가능성에 부정적인 영향을 미치는 손상을 일으킬 수 있다. 즉 풍진동이 계속되다 보면 전선 및 가공지선에 사용되는 연선에 피로 파괴(fatigue failure)현상을 발생시키게 된다. 특히 내장전주나 내장철탑 등과 같이 클램프 등에 의한 연결부위가 있는 곳에서는 피로 파괴의 가능성이 높아지게 된다.

풍진동에 의한 피로 파괴는 연결선이나 클램프의 연결부나 연결점의 파손이나 부분적인 단선 등을 유발하게 되며, 연결 부위에 파손이 생기면 풍진동이 발생하는 순간에 이러한 파손 부위에서 아크방전이 발생하게 된다. 접촉불량이나 부분적 단선부위가 있게 되면, 풍진동이 발생하는 순간에 접촉 부위가 닿았다 떨어지면서 아크방전이 발생하기 때문이다. 그러므로 직렬 아크방전 발생여부 판단에 풍진동을 이용하는 것을 고려할 수 있을 것이다. 다만, 풍진동이 발생한다고 해서 직렬 아크방전이 발생하는 것은 아니므로 풍진동만으로 직렬 아크방전 발견수단으로 사용하는 것은 어렵다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명에 의한 내장애자 감시용 IoT 센서모듈은, 산간지역에 설치된 배전선로의 내장애자 연결부 등에서 직렬 아크방전이 발생하는 경우 이를 신속하게 감지하여 위험신호를 송출할 수 있는 IoT 센서모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 산간지역에 설치된 배전선로의 내장애자 연결부 등에서 직렬 아크방전이 발생하는 경우 관리주체에서 이를 신속하게 파악하여 산불이 발생하거나 대형 산불로 번지는 것을 예방할 수 있는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 산간지역에 설치된 배전선로의 내장애자 연결부 등에서 직렬 아크방전이 발생한 경우 자신의 위치를 식별할 수 있는 식별정보와 함께 위험신호를 송출하도록 함으로써, 위험신호를 수신하는 감시서버에서 아크방전이 발생한 정확한 위치를 신속하게 파악할 수 있는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 아크방전이 발생하지 않았는데도 아크방전과 유사한 신호가 들어오는 경우, 이를 걸러냄으로써 오감지를 예방하고 이를 통하여 직렬 아크방전 감지의 신뢰성을 높일 수 있는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 직렬 아크방전으로 인하여 발생하는 방사전자파와 고조파는 물론 아크방전을 유발하는 풍진동까지도 이용하여 직렬 아크방전이 발생한 지점을 찾아낼 수 있도록 함으로써, 직렬 아크방전이 발생한 위치를 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 풍진동 등이 심하여 아크방전 발생의 위험성이 특히 높은 전주나 철탑에서는, 풍진동 현황을 감시서버 등에 상시적으로 알려줄 수 있도록 함으로써, 평상시에 아크방전의 발생위험 예방활동을 통하여 사전에 예방할 수 있도록 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, IoT 센서모듈을 작동하는 전원이 반영구적으로 공급되도록 함으로써, 내구성이 높고 유지보수 비용이 적게 들어 경제성이 높은, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 아크방전 파형을 분석하기 위한 고가의 부품을 사용하지 않더라도 신뢰성 높은 직렬 아크방전 감지를 할 수 있는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, IoT 센서모듈 내 변류기의 2차 측에서 고전압이 발생되어 IoT 센서모듈이 파괴되거나 이로 인한 화재 등이 발생하지 않도록, 변류기의 2차 측이 개방되는 경우 이를 감지하여 자동으로 단락시킬 수 있는 안전수단을 가진, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, IoT 센서모듈이 고장나는 경우 감시서버에서 이를 신속하고 용이하게 파악할 수 있는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배전선로의 가공 중성선에 장착되어 전주 또는 철탑의 내장애자(耐張碍子)에서 발생하는 직렬 아크방전을 감시하는 IoT 센서모듈로서, 상기 가공 중성선에 흐르는 고조파 전류를 측정하는 고조파 측정수단; 상기 가공 중성선의 진동에 따른 진동에너지량을 측정하는 진동량 측정수단; 아크방전으로 인하여 발생하는 방사전자파를 측정하는 전자파 측정수단; 상기 IoT 센서모듈 각각을 식별할 수 있는 식별코드가 저장되어 있는 저장수단; 사물인터넷 통신망에 접속하여 데이터를 송수신할 수 있는 통신수단; 및 제어수단; 을 포함하며, 상기 고조파 측정수단은, - 상기 가공 중성선을 둘러싸며 고정되는 변류기, - 상기 변류기의 2차측 양단에 연결되어 고조파 전류를 측정하는 전류측정기, - 상기 변류기의 철심에 부착되어, 상기 철심의 온도가 상승하면 저항값을 낮추어 자기 스스로 단락상태로 만드는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터 및 - 전류가 흐르면 발열하여 상기 NTC 서미스터를 가열시킬 수 있도록, 상기 NTC 서미스터의 외표면에 부착되는 발열저항을 포함하되, - 상기 NTC 서미스터와 상기 발열저항은 직렬회로로 구성되어 상기 변류기의 2차측 양단에 연결되어, 상기 변류기의 2차측과 상기 전류측정기 사이에 단선이 발생하는 경우, 상기 철심의 온도상승에 의하여 상기 NTC 서미스터가 단락되어 상기 직렬회로에 전류가 흐르면, 상기 발열저항의 발열에 의하여 상기 NTC 서미스터의 단락상태가 계속하여 유지되도록 하며, 상기 제어수단은, - 상기 고조파 측정수단이 측정한 고조파 측정값을 제1시간 간격으로 상기 저장수단에 저장하고, - 상기 진동량 측정수단이 측정하는 진동에너지량을 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단에 저장하고, - 상기 전자파 측정수단이 측정한 방사전자파 측정값을 감시하면서, - 상기 식별코드, 상기 진동에너지량 및 상기 고조파 측정값을 포함하는 작동신호를 제2시간 간격으로 생성하여 상기 통신수단을 통하여 송출하다가, - 상기 방사전자파 측정값이 기준값보다 높게 측정되면서, 상기 고조파 측정값 중 현재의 고조파 측정값이 상기 저장수단에 저장되어 있던 직전 고조파 측정값보다 일정 범위를 초과하는 경우 아크방전으로 판단하고, - 상기 아크방전으로 판단하는 경우에는, 상기 식별코드를 포함하는 위험신호를 생성하여 상기 통신수단을 통하여 감시서버에 송출하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상술한 특징들에 더하여, 상기 제어수단은, 상기 NTC 서미스터가 단락상태로 되는 경우 상기 식별코드가 포함된 장애신호를 생성한 후 상기 통신수단을 통하여 송출하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하거나 이에 더하여 상기 고조파 전류는 제3고조파이며, 상기 전류측정기와 상기 변류기 사이에는, 상기 전류측정기가 상기 제3고조파만 측정할 수 있도록 대역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하는 것도 바람직하다.

본 발명은 또한 상술한 특징들에 더하여,상기 직전 고조파 측정값은, 상기 저장수단에 저장되어 있던 상기 고조파 측정값의 측정기록 중 상기 현재의 고조파 측정값 측정시점 도달 전에 측정된 상기 제2시간 동안의 평균값이며, 상기 작동신호에 포함된 상기 진동에너지량은, 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단에 저장되어 있던 진동에너지량을 상기 제2시간 동안 합산한 것이며, 상기 작동신호에 포함된 상기 고조파 측정값은, 상기 제1시간 간격으로 상기 저장수단에 저장되어 있던 고조파 측정값을 상기 제2시간동안 평균한 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하거나 이에 더하여, 상기 위험신호에는 상기 진동에너지량을 포함하며, 상기 위험신호에 포함된 진동에너지량은, 상기 위험신호를 생성하기 직전에 상기 저장수단에 저장된 진동에너지량인 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하는 것도 바람직하다.

본 발명은 또한 상술한 특징들에 더하여, 상기 전자파 측정수단에는 다이폴안테나를 포함하며, 상기 다이폴안테나는, 상기 IoT 센서모듈의 본체에서 상기 가공 중성선과 평행하게 양쪽으로 돌출되는 탄성 소재의 와이어로 되어 있으며, 상기 다이폴안테나 양쪽 종단에는 관성질량체가 각각 고정되며, 상기 진동량 측정수단은 상기 관성질량체 각각에 포함되는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈로 하는 것도 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 내장애자 감시용 IoT 센서모듈은, 전자파와 고조파를 동시에 이용하여 아크방전을 감지하여 위험신호를 송출하기 때문에, 발생 초기에는 감지하기 어려운 ‘직렬 아크방전’이 배전선로 상에서 발생하더라도 이를 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 또한, 배전선로 상에서 아크방전이 발생하는 경우, 이를 신속하게 감지하여 자신의 위치를 식별할 수 있는 식별코드가 포함된 위험신호를 송출하기 때문에, 위험신호를 수신하는 장치(감시서버 등)에서 아크방전이 발생한 정확한 위치를 신속하게 파악하여 관리자 등에게 알려줄 수 있으므로, 배전선로 상에서 직렬 아크방전이 발생하더라도 산불이 발생하거나 대형 산불로 번지는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다.

또한, 아크방전으로 인하여 발생되는 방사전자파를 측정하여 아크방전의 발생을 감지하되, 전선로를 통하여 흐르는 고조파의 변화까지 감안하여 판단하기 때문에, 배전선로 상에서 발생하는 코로나 방전 등으로 인한 전자파 노이즈를 걸러낼 수 있고, 이에 따라 아크방전 감지의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 방사전자파와 고조파신호 뿐만 아니라, 진동에너지량까지도 감안하여 위험여부를 판단하게 된다. 즉 가공전선에 발생하는 풍진동 관측 여부까지도 고려하여 아크방전을 정확하게 판단할 수 있으므로 아크방전 감지의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다. 이는, 전선의 연결점이나 연결부에서 피로 파괴가 발생한 상태라 하더라도 평상시에는 아크방전이 발생하지 않다가, 바람에 의하여 흔들릴 때는 파괴 부위가 이격 되거나 접촉저항이 달라져서 아크방전이 발생하게 되기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 어느 특정 위치에서 방사전자파가 관측되고, 주변에 고조파가 관측되면서, 해당 위치에서 풍진동까지 감지되는 경우에는 아크방전 발생이 확실하다고 판단하게 된다. 따라서 본 발명은 아크방전 발생판단의 신뢰성을 높이고, 이로 인하여 화재발생 예방효과를 제고할 수 있게 된다.

또한, 전자파의 세기를 측정할 수 있는 수단과 고조파의 세기를 측정할 수 있는 수단 및 풍진동을 감지할 수 있는 수단 등 비교적 간단하고 저렴한 기술구성을 이용하여, 경제성이 있으면서도 신뢰성 높게 아크방전의 발생을 감지하는 구성을 만들 수 있기 때문에, 아크방전 파형을 분석하기 위한 고가의 부품을 사용하지 않더라도 신뢰성 높게 아크방전을 감지할 수 있는 IoT 센서모듈을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전자파 측정을 위한 다이폴안테나의 양단에 질량체와 진동량 측정수단을 장착할 수도 있기 때문에 해당 지점에서 발생하는 풍진동의 세기를 매우 용이하게 측정할 수 있음은 물론, 다이폴안테나와 질량체가 진동을 흡수하는 댐퍼역할도 하기 때문에 가공 중성선에 가해지는 진동을 감쇄시킬 수 있는 효과도 동시에 거둘 수 있게 된다.

또한, IoT 센서모듈 내 변류기의 2차 측 양단에는, NTC 서미스터가 연결되어 있고, NTC 서미스터는 변류기의 철심온도에 따라 작동되어 단락될 수 있는 구조로 되어있다. 따라서, 변류기의 2차측과 전류측정기 사이에 단선이 발생하여 변류기 철심의 자속이 증가하여 과열되면, NTC 서미스터가 단락되어 폐로를 형성하므로 철심의 과열 증가를 막고, 변류기의 2차 측에 고전압이 유기되는 것을 막을 수 있게 된다. 따라서, 전류측정기나 대역필터의 고장 등으로 변류기의 2차 측이 개방되더라도 과열이나 고전압이 발생되어 IoT 센서모듈이 파괴된다거나 이로 인한 화재 등이 발생하지 않는다. 본 발명은 이와 같은 구조를 가지고 있기 때문에, 특별고압 이상의 매우 높은 고전압에 설치되는 IoT 센서임에도 안전성이 강화된 IoT 센서모듈을 제공할 수 있고 이에 따라 신뢰성 높은 IoT 센서모듈을 제공할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, NTC 서미스터에는 발열저항이 직렬로 연결되어 있고, 발열저항이 발열하면 NTC 서미스터를 가열하는 구조이기 때문에, 변류기 철심의 과열로 NTC 서미스터가 단락되어 전류가 흐르면 발열저항이 발열하게 되어 NTC 서미스터를 가열하게 된다. 따라서 NTC 서미스터가 단락되어 철심의 온도가 내려가더라도 발열저항이 발열하기 때문에 NTC 서미스터의 단락 상태는 계속하여 유지될 수 있다. 만일 발열저항이 없다면, NTC 서미스터가 단락되어 철심의 온도가 내려가면 NTC 서미스터가 개방되고, NTC 서미스터가 개방되면 다시 철심의 온도가 올라가서 다시 NTC 서미스터가 다시 단락되는 등 반복적인 개방과 단락으로 인하여 NTC 서미스터가 쉽게 고장날 수 있을 뿐만 아니라 변류기 2차측에 고전압이 반복적으로 유기되고 철심의 과열이 반복되어 IoT센서모듈이 파괴되거나 타버릴 위험도 있겠으나, 본 발명에서는 이같이 NTC 서미스터에 발열저항이 직렬로 연결되고, 발열저항이 NTC 서미스터를 가열하는 구조를 가지기 때문에 변류기 2차단자가 개방되면 그 즉시 NTC 서미스터의 단락상태가 계속하여 유지될 수 있게 된다.

또한, NTC 서미스터가 변류기의 2차 측 양단을 단락시키는 경우, 식별코드가 포함된 장애신호를 생성하여 송출하는 구성을 포함하기 때문에 IoT 센서모듈이 고장나는 경우 감시서버에서 이를 신속하고 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

이에 더하여, IoT 센서모듈에서 일정 시간 간격으로 식별코드와 진동에너지량 및 제3고조파값을 포함하는 작동신호를 송출하도록 하면, IoT 센서모듈에 대한 일상점검을 자동으로 할 수 있고, 배전선로에 흐르는 영상전류를 상시 모니터링할 수 있기 때문에, 배전선로의 중성선에 흐르는 영상전류로 인한 중성선 과열, 계전기 오작동 등의 각종 문제 발생을 사전에 차단할 수 있는 효과까지도 거둘 수 있다.

또한, 작동신호에는 진동에너지량도 포함하기 때문에 이를 수신한 감시서버에서,배전선로의 각 구간에 발생되는 풍진동으로 인한 누적 진동량을 측정 및 비교, 분석할 수 있고, 이를 이용하여 피로 현상으로 인한 마모나 피로파괴 또는 열화가 빠르게 진행될 가능성이 높은 전주들을 사전에 식별해 낼 수 있는 효과가 있다.

또한, 내부에 고조파전류 측정을 위한 변류기를 갖추고 있고, 변류기를 통하여 공급되는 전원으로 충전회로를 구성하는 전원공급 수단을 포함하기 때문에 작동 전원을 반영구적으로 공급할 수 있고, 이에 따라 내구성이 높고 유지보수 비용이 적게 드는, 경제성이 높은 IoT 센서모듈을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 병렬 아크방전(a)과 직렬 아크방전(b)의 발생 개념도를 도시한 것이다.
도 2는 내장애자가 장착된 전주를 도시한 것이다.
도 3은 내장애자 장착 부위에 대한 상세도이다.
도 4는 차단기 및 내장애자를 가지는 전주를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈이 장착된 내장전주의 모습을 도시한 것이다.
도 6는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈이 전선로에 장착된 모습을 확대한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈의 내부 구성도이다.
도 8은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈에 포함되는 고조파 측정수단의 회로도를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈에 포함되는 변류기를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈에 포함되는 고조파 측정수단에서 NTC 서미스터 및 발열저항의 작동원리를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈의 다른 실시예이다.
도 12는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈의 또 다른 실시예이다.
도 13은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈과 감시서버를 이용한 감시시스템의 구성도이다.

이하에서 상술한 목적과 특징이 분명해지도록 본 발명을 상세하게 설명할 것이며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련한 공지기술 중 이미 그 기술 분야에 익히 알려져 있는 것으로서, 그 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 실시 예들에 대한 설명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시 예들을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

실시 예들은 여러 가지 형태로 변경을 가할 수 있고 다양한 부가적 실시 예들을 가질 수 있는데, 여기에서는 특정한 실시 예들이 도면에 표시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 실시 예들을 특정한 형태에 한정하려는 것이 아니며, 실시 예들의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경이나 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

다양한 실시 예들에 대한 설명 가운데 “제1”, “제2”, “첫째” 또는“둘째”등의 표현들이 실시 예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도 1은 병렬 아크방전(a)과 직렬 아크방전(b)이 발생하는 상황에 대한 개념도를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이 도 1(a)와 같은 병렬 아크방전은 상간 단락이나 지락에 의하여, 단락이나 지락 부위에 고전압이 인가되면서 급격하게 과전류가 흐르게 되므로 상당한 크기의 아크방전이 일어나게 된다. 그러나 오히려 이러한 과전류로 인하여 병렬 아크방전은, 과전류 보호설비나 지락 보호설비 등 각종 보호시스템에 의하여 신속하게 발견될 뿐만 아니라, 과전류 등의 보호설비나 시스템에는 단락이나 지락이 일어난 위치까지도 발견할 수 있는 기술까지도 개발되어 적용되고 있기 때문에 병렬 아크방전의 경우 그 크기나 위험성에 비하여 오히려 신속하게 조치될 수 있다.

그러나 도 1(b)와 같은 직렬 아크방전은 부하에 직렬로 연결되는 상태이기 때문에, 방전되는 전선의 양단 공극에 걸리는 전압도 작아서 아크로 인하여 증가하는 전류값도 크지 않을 뿐만 아니라, 서서히 진행하는 경우가 많고, 정상상태와 아크방전 상태가 교번적으로 일어나는 경우도 있기 때문에, 변전소 등의 전원공급 측에 설치된 보호설비에서는 이를 감지하기 어려운 문제점이 있어 왔다. 설령 아크파형의 분석이나 리플전압을 분석하는 장치를 변전소 등에 설치하여 이를 이용하여 발견한다 하더라도, 해당 송전선로 전체 또는 배전선로 전체 중에서 어느 지점에서 일어난 것인지까지 정확하게 파악하는 것은 불가능에 가깝게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배전선로 중 직렬 아크방전이 발생할 가능성이 높은 곳에 장착되어 아크방전이 발생하는지 감시하다가, 아크방전의 발생 시 그 발생 사실과 발생한 지점을 신속하게 파악할 수 있게 해주는 IoT 센서모듈에 관한 것이다. 특히 내장애자가 장착된 전주나 철탑에서는, 클램프나 연결선(점퍼선) 등에 의하여 전선이 서로 연결된 부위가 많을 뿐만 아니라, 풍진동 등에 의한 피로 현상으로 인하여 연결 부위의 마모, 소선의 절단 등이 발생할 가능성이 높기 때문에 아크방전의 발생 위험도가 높은데, 본 발명은 이같이 아크방전의 발생 가능성이 높은 내장애자 연결부를 감시할 수 있도록 장착되어, 연결부 등에서 아크방전이 발생하는지 여부를 판단하고, 아크 발생 시 위험신호를 발생할 수 있는 IoT 센서모듈에 관한 것이다.

도 2에는 배전선로(200) 중에서 내장애자(280)가 장착된 전주(210)가 도시되어 있으며, 도 3에는 내장애자(280) 장착 부위에 대한 상세도가 도시되어 있다. 그리고, 도 4에는 재폐로차단기(260) 등의 주상 전력기기를 가지는 전주(210)가 도시되어 있다. 이와 같이 내장애자(280)가 장착된 전주(210) 또는 철탑은, 양쪽의 장력이 서로 다른 ‘장력 불균형 개소’이거나, 계곡이나 하천 등으로 인하여 표준경간보다 훨씬 길은 ‘장 경간 전주’ 또는 배전선로의 수평 방향이 일정 각도 이상 바뀌거나, 수직 각도가 일정 각도 이상 인상 또는 인하되는 ‘각도를 가지는 전주’이다. 그리고, 도 4에서 보는 바와 같이 재폐로차단기 등과 같은 주상 전력기기가 설치된 전주에도 내장애자가 장착된다.

이러한 구간에서는, 가공전선(220)의 무게나 바람 등으로 인하여 철탑이나 전주(210)에 가해지는 장력이 크기 때문에 큰 장력에 견딜 수 있고 적정한 이도(dip)를 유지할 수 있도록 내장애자(280)로 전선을 잡아당겨서 고정하게 된다. 즉 도 3에서 보는 바와 같이 가공전선(220)의 무게나 바람에 의하여 잡아당기는 장력에 견딜 수 있도록 한쪽 가공전선(220a)과 내장애자(280a)를 클램프(282)로 고정하게 되며, 클램프(282)를 통과한 가공전선(220a)은 연결선(250, 점퍼선)이 되며, 연결선(250)의 한쪽 끝은 반대쪽 내장애자(280b)에 연결된 가공전선(220b)에 결합볼트(283) 등으로 체결하여 연결하게 된다. 따라서 가공전선(220)과 클램프(282)가 연결되는 부위에는 심한 장력이 가해지는 상태가 지속되며, 그 장력은 클램프(282)를 체결하는 U볼트(282a)에 상당부분 가해지게 된다. 이러한 상태에서 바람에 의한 풍진동이 가공전선(220)에 발생되면, U볼트(282a) 체결부위, 클램프(282)와 연결선(250)이 연결되는 연결부위(255) 또는 가공전선(220)과 연결선(250)을 결합하는 결합볼트(283) 등에는 풍진동에 의한 피로현상이 누적되어 피로 파괴를 불러오며, 이러한 피로현상에 더하여, 세월이 지남에 따라 발생하는 부식이나 열화현상 등이 더해지게 되고, 심지어는 풍진동에 의한 U볼트(282a)의 이완으로 인하여 연결선(250)에 장력이 걸리는 경우도 발생한다. 이러한 현상들이 누적되다 보면 접촉 불량 또는 소선의 단선 등이 발생하고 심지어는 연결선(250)이 단선되는 결과까지도 초래하게 된다.

특히 바람이 많이 부는 계곡이나 하천횡단 구간 또는 산마루 지역 등의 경우 바람에 의하여 가공전선(220)에 풍진동이 발생하게 되며, 가공전선(220)에 발생하는 풍진동의 진동수와 연결선(250)이나 인하용 전선(270) 등에 발생하는 풍진동의 진동수가 서로 다르기 때문에 가공전선(220)과 클램프(282), U볼트(282a), 가공전선(220a)과 연결선(250)의 연결부위(255) 및 결합볼트(283) 체결부위 등에 대한 피로파괴 현상이 더욱 심하게 발생하여 마모 및 열화가 더욱 쉽게 진행되는 경향이 있다. 따라서 이러한 연결점이나 연결부에서는 일시적, 간헐적인 단선이 발생할 가능성이 높게 된다. 연결점이나 연결부에서 일시적, 간헐적인 단선이 발생하게 되면, 직렬 아크방전이 발생하게 되는데, 아크방전이 발생하면 발열과 화염을 수반하여 주변으로 불똥이 튀게 되어 주변의 화재위험이 높아지게 된다. 수목이 울창한 산악지대에서 봄철 등의 건조기에 아크방전이 발생하면, 이로 인한 불똥이나 화염의 분산이 마른 나뭇잎 등에 닿게되고, 이로 인하여 화재가 생기면 치명적인 산불화재로 발전할 가능성이 매우 높다. 특히 산악지대를 통과하는 배전선로에는 장력 불균형 개소, 장 경간 전주 등이 많기 때문에 내장애자(280)가 장착된 내장전주 또는 내장철탑이 많을 수밖에 없기 때문에 이에 대한 대책마련이 필요하다.

또한, 도 4에서 보는 바와 같이 재폐로차단기(260) 등과 같은 주상 전력기기가 설치된 전주(210)에서는, 가공전선(220)에서 분기되어 내려오는 인하용 전선(270)과 이에 연결된 COS(Cut Out Switch, 240), COS(240)와 재폐로차단기(260)를 연결하기 위한 인하용 전선(270) 등이 결선되어 있는데, 이러한 인하용 전선(270)들은 바람이나 진동 등에 의하여 더욱 흔들리기 쉽기 때문에, 나사 등으로 체결된 접속 부위에서 접촉 불량이 발생할 가능성이 있고, 바람이나 진동 등에 의하여 흔들리다 보면 인하용 전선(270)에 가해지는 피로현상으로 인하여 인하용 전선(270)을 구성하는 여러 가닥의 연선 중 일부 소선이 단선될 가능성도 높다. 인하용 전선(270)을 구성하는 연선 중 일부 소선이 단선되면 발열이 일어나고, 발열로 인한 손상이나 피로파괴 현상이 가중되어 전선 전체가 일시적 또는 간헐적으로 단선되는 경우도 생기게 된다. 이렇게 인하용 전선(270)과 전력기기가 연결된 부위 등에서 접촉 불량이나 단선에 의하여 공극이 생길 가능성이 있으며, 공극이 생기는 경우 직렬 아크방전 현상이 발생하게 된다.

이러한 가능성은 개폐기나 주상변압기, 피뢰기, 전력퓨즈, 케이블헤드, 차단기 또는 분기선로 등이 설치된 장소에서도 마찬가지이다. 이같은 주상 전력기기가 설치된 장소에서는 가공전선(220)에 인하용 전선(270)이 연결되는 지점, 전력용 퓨즈나 COS(240)와의 연결부, 핫 클램프, 변압기 부싱 등 전력기기 연결부에 체결된 나사 등이 바람이나 진동에 의하여 흔들리다 보면 헐거워지기도 하고, 풍우에 의한 부식 등이 발생하여 접촉 불량이 발생할 가능성이 크기 때문이다. 따라서 주상 전력기기가 설치된 철탑이나 전주(210)에서는 직렬 아크방전의 발생 가능성이 높아지게 되며, 이러한 철탑이나 전주(210)가 산악지대에 설치되는 경우 직렬 아크방전으로 인하여 산불사고로 확대될 가능성이 더욱 높아지게 된다.

도 5에는 본 발명에 의한 ‘내장애자 감시용 IoT 센서모듈(100)’이 배전선로(200) 상에 장착된 모습이 도시되어 있다. 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 내장애자 감시용 IoT 센서모듈(100)은 배전선로 중 직렬 아크방전이 발생할 가능성이 높은, 내장애자(280)가 설치된 전주(210) 인근의 가공 중성선(221)에 장착되도록 하는 것이 가장 바람직하다. 도 6에는 본 발명에 의한 내장애자 감시용 IoT 센서모듈(100)이 전선로에 장착된 모습이 확대되어 도시되어 있다. 후술하겠지만, 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)은 전선로에 흐르는 고조파 성분을 측정해야 하기 때문에 가공 중성선(221)에 흐르는 고조파전류를 측정할 수 있도록 전류측정수단과 이를 위한 변류기(CT)를 구비해야 한다. 그런데, 변류기(CT)의 경우 가공 중성선(221)을 감싸면서 장착되는 것이 바람직하므로 도 6에서 보는 바와 같이 IoT 센서모듈(100)의 본체(101)는 가공 중성선(221)의 도체를 감싸서 고정시킬 수 있는 고정클램프(102)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 고정클램프(102)는 체결수단(103)에 의하여 상기 가공 중성선(221)에 단단하게 체결될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 7에는 본 발명에 의한 내장애자 감시용 IoT 센서모듈(100)의 내부 구성도가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이 본 발명은 배전선로(200)의 가공 중성선(221)에 장착되어, 전주(210) 또는 철탑에 설치된 내장애자(280)의 연결부나 연결점 또는 인하용 전선(270) 등에서 발생하는 직렬 아크방전을 감시하는 IoT 센서모듈(100)에 관한 것이다. 따라서, 상기 가공 중성선(221)에 흐르는 고조파 전류를 측정하는 고조파 측정수단(110), 상기 가공 중성선(221)의 진동을 감지하는 진동량 측정수단(170), 아크방전으로 인하여 발생하는 방사전자파를 측정하는 전자파 측정수단(120), 사물인터넷(IoT) 통신망에 접속하여 데이터를 송수신할 수 있는 통신수단(130) 및 상기 IoT 센서모듈(100) 각각을 식별할 수 있는 식별코드가 저장되어 있는 저장수단(140)과 이러한 구성요소들을 제어할 수 있는 제어수단(190)을 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 전자파 측정수단(120)에는 직렬 아크방전으로 인하여 방사되는 전자파를 수신하기 위한 전자파 수신안테나(121)를 포함하도록 하고, 상기 통신수단(130)에는 사물인터넷(IoT) 통신 데이터를 송수신하기 위한 IoT 안테나(131)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 전자파 수신안테나(121)의 경우 전주(210)의 내장애자(280), 연결선(250, 일명 점퍼선), 주상 전력기기 또는 인하용 전선(270) 등을 향하여, 하향 경사진 쪽으로부터의 전자파를 수신할 수 있는 지향성 안테나로 하는 것이 더욱 바람직한데, 도 6에서 보는 것처럼 양쪽으로 돌출되는 다이폴안테나(121)로 하는 것이 가장 바람직하다.

직렬 아크방전 현상이 발생하게 되면, 고주파 펄스전류, 진동, 빛, 가스, 초음파 및 방사전자파 등을 수반하게 된다. 따라서 그중 하나인 방사전자파를 측정하게 되면 직렬 아크방전의 발생여부를 판단해 낼 수 있게 된다. 직렬 아크방전이 발생하는 경우, 30Mhz 내지 500Mhz의 매우 넓은 대역에서 방사전자파가 측정되는데, 100Mhz 내지 160Mhz 대역에서 높은 전계강도를 나타낸다. 따라서 본 발명에서는 상기 전자파 측정수단(120)을 두어서 방사전자파를 측정하도록 하였으며, 직렬 아크방전 발생으로 높은 전계강도를 갖는 방사전자파가 방사되면 이를 감지하여 직렬 아크방전의 발생여부를 판단하게 된다. 한편 직렬 아크방전으로 인한 방사전자파의 경우 상술한 바와 같이 주파수 대역이 매우 높기 때문에(초단파 및 극초단파) 직진성이 높고 전리층에서 반사가 되지 않는다. 그리고 직렬 아크방전에 의한 전자파의 방사 출력은 그리 높지 않기 때문에 직렬 아크방전으로 인한 방사전자파는 먼 곳까지는 도달하지 못하게 된다. 따라서, 근처 또는 인근에 있는 상기 전자파 측정수단(120)에서만 측정이 가능하게 된다.

그러나, 배전선로에서 방사전자파는, 직렬 아크방전이나 병렬 아크방전에서만 발생하는 것이 아니라 다른 원인에 의하여도 발생한다. 예를 들어 도체 주변에서 고전압에 의하여 공기층의 절연이 파괴되면서 발생하는 코로나 방전 등에 의하여도 방사전자파가 발생된다. 따라서 이러한 방사전자파들을 상기 전자파 측정수단(120)이 수신하는 경우 직렬 아크방전으로 잘못 판단할 우려가 있다. 그러므로 배전선로와 같은 환경에서 방사전자파만으로 직렬 아크방전을 감지하게 하면 오 감지의 확률이 매우 높아서 실효성이 떨어지게 된다.

따라서 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)에는 상기 전자파 측정수단(120) 외에 상기 고조파 측정수단(110)을 더 포함하도록 하고 있다. 직렬 아크방전의 발생 시에는 고조파가 발생하게 되는데, 일반적으로 기본파 외에 제3고조파 성분의 함유율이 가장 높게 나타난다. 제3고조파는 직렬 아크방전의 발생한 상(相)의 가공전선(220)을 통하여도 흐르게 되지만, 각 상에서 발생한 제3고조파는 모두 가공 중성선(221)으로 흘러들어 영상전류를 형성하게 된다. 따라서 이론적으로 볼 때, 중성선에서 제3고조파 성분을 측정하게 되면, 직렬 아크방전의 발생 여부를 판단할 수 있다. 그러나, 배전선로에는 다양한 원인에 의하여 고조파 성분이 발생하게 되므로 고조파의 측정만으로 직렬 아크방전의 발생여부를 판단할 수 없다. 그러나 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)에서는, 상기 전자파 측정수단(120)에서 측정한 전자파의 측정결과와 함께 상기 고조파 측정수단(110)이 측정한 고조파 측정결과를 같이 이용하여 직렬 아크방전의 발생여부를 정확하게 판단할 수 있게 하였다.

이를 위하여 먼저 상기 제어수단(190)은, 상기 고조파 측정수단(110)이 측정한 고조파 측정값을 제1시간 간격으로 상기 저장수단(140)에 저장하면서, 이와 동시에 상기 진동량 측정수단(170)이 측정하는 진동에너지량을 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단(140)에 저장하는 것이 바람직하다.

여기서 “상기 고조파 측정값을 상기 ‘제1시간 간격’으로 상기 저장수단(140)에 저장한다” 함은, 상기 고조파 측정수단(110)은 고조파 측정값을 계속하여 측정하도록 하고, 상기 제어수단(190)은 시시각각 측정되는 고조파 측정값 중 상기 제1시간, 예를 들어 ‘1초 간격’, ‘2초 간격’ 또는 ‘5초 간격’ 등과 같이 짧은 시간 간격으로 계속하여 측정값을 상기 저장수단(140)에 저장하는 것을 말한다. 그리고, 상기 “진동에너지량을 제1시간 간격으로 누적하여 저장”한다 함은, 상기 진동량 측정수단(170)은 진동에너지량을 계속하여 측정하도록 하고, 상기 제어수단(190)은 측정되는 진동에너지량을 상기 제1시간 동안 누적한 누적량을 계산한 뒤, 상기 제1시간 동안 누적된 진동에너지량을 상기 저장수단(140)에 저장하는 것을 말한다. 이때, 상기 진동량 측정수단(170)을 진동발전기로 하고 진동발전기에서 제1시간 동안 발전한 발전량(wh)을 상기 제1시간 동안의 진동에너지량으로 하는 것도 바람직하다.

상기 고조파 측정값 및 상기 진동에너지량을 상기 저장수단(140)에 저장함에 있어, 상기 저장수단(140)의 저장용량에는 한계가 있을 것이고, 직렬 아크방전의 발생을 판단할 때 모든 저장기록을 사용하는 것이 아니고 최근의 저장기록만 사용하게 되므로, 일정한 저장용량을 초과하는 경우에는 앞서 저장했던 상기 고조파 측정값 및 진동에너지량에 대한 기록은 지우면서 저장하도록 하는 것도 바람직하다.

또한 상기 제어수단(190)은, 상기 IoT센서모듈(100)이 정상적으로 작동 중인지 여부를 감시서버(500, 도 12 참조)에 알릴 수 있도록 제2시간 간격으로 작동신호를 생성하여 상기 통신수단(130)을 통하여 송출하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 작동신호에는 상기 식별코드가 포함되도록 함으로써, 어느 위치에 설치된 IoT센서모듈(100)에서 송출된 작동신호인지를 상기 감시서버(500)가 식별할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 식별코드는 상기 IoT 센서모듈(100) 별로 고유하게 할당된 유일한 식별정보로서, 상기 저장수단(140)에 저장되어 있도록 하는 것이 바람직하지만, 상기 제어수단(190)이나 상기 통신수단(130)에 포함된 UID로 하는 것도 가능하다. 상기 사물인터넷 통신망(700)은 LoRa 등과 같이 종래의 LPWA(Low Power Wide Area) 통신망을 사용하는 것도 바람직하지만, LTE-M 등과 같은 망을 사용하는 것도 가능하다. 그리고 상기 감시서버(500)가 상기 배전선로(200)의 제3고조파값 분포와 풍진동 현황을 모니터링하고 분석할 수 있도록 상기 작동신호에는 상기 고조파 측정값 및 상기 진동에너지량을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1시간은 상술한 바와 같이, 수 초 또는 수십 초 간격으로 비교적 짧은 시간 간격으로 하지만, 상기 제2시간은 수 분 또는 수십 분 등과 같이 상기 제1시간에 비하여 긴 시간 간격으로 하는 것이 바람직하다. 상기 제2시간은 상기 제1시간의 정수배로 하는 것이 더욱 바람직하다. 그리고 상기 작동신호에 포함된 상기 진동에너지량은, 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 진동에너지량을 상기 제2시간 동안 합산한 것으로 하는 것이 바람직하며, 상기 작동신호에 포함된 상기 고조파 측정값은, 상기 제1시간 간격으로 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 고조파 측정값을 상기 제2시간동안 평균한 것으로 하는 것이 바람직하다.

이같이 하는 경우 상기 감시서버(500)는 상기 IoT 센서모듈(100) 들이 정상적으로 작동하고 있는지를 점검할 수 있을 뿐만 아니라, 송전선로 또는 배전선로(200)에 흐르는 제3고조파 값을 상시 모니터링할 수 있기 때문에 중성선에 흐르는 영상전류를 모니터링할 수 있는 수단을 가지게 된다. 또한, 상기 감시서버(500)에서, 상기 IoT 센서모듈(100) 들 각각이 수집하는 진동에너지의 누적량을 알수 있기 때문에 배전선로(200)의 풍진동 분포현황을 모니터링하면서 풍진동에 의한 피로가 많이 누적되는 개소를 식별해 낼 수 있기 때문에 배전선로(200)를 적기에 유지보수할 수 있게 되는 효과가 있다.

한편, 상기 감시서버(500)에는 상기 IoT 센서모듈(100) 각각에 대한 식별코드와 각각의 식별코드에 대응되는, 상기 IoT 센서모듈(100) 각각의 장착 위치에 대한 위치 테이블을 가지고 있도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 감시서버(500)가 상기 사물인터넷 통신망(700)을 통하여 상기 작동신호 및 상기 위험신호를 수신하는 경우에는 상기 위치 테이블을 이용하여 상기 직렬 아크방전이 발생한 위치를 식별하여 관리자에게 알려주도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제어수단(190)은, 상기 전자파 측정수단(120)이 측정한 방사전자파 측정값을 상시 감시하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제어수단(190)은, 상기 방사전자파 측정값을 감시하다가 상기 방사전자파 측정값이 기준값보다 높게 측정되면서, 상기 고조파 측정값 중 현재의 고조파 측정값이 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 직전 고조파 측정값보다 일정 범위를 초과하는 경우, 이 상황을 직렬 아크방전이 발생한 상황으로 판단하도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이같이 직렬 아크방전 발생 가능성이 높은 곳(내장애자 등 장착개소)에서 전자파가 측정되면서 동시에 고조파가 증가하면 이는 직렬 아크방전이 발생한 것으로 판단하게 되는 것이므로 직렬 아크방전의 발생을 정확하게 판별해 낼 수 있게 된다.

여기서, 상기 ‘기준값’은, 평상시 수신될 수 있는 방사전자파의 측정수준과 코로나 방전 등에 의하여 발생하는 방사전자파 노이즈 등을 감안하고, 상기 IoT 센서모듈(100)에서부터 상기 내장애자(280)나 상기 연결선(250), 상기 주상전력기기 또는 상기 인하용 전선(270)까지의 거리 등을 감안하여 직렬 아크방전이 실제 발생할 경우 측정될 수 있는 최소값으로 정하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 전자파 측정수단(120)이 측정한 방사전자파 측정값을 특정한 주파수대역에서 측정된 값으로 한정하는 것도 바람직하다. 예를 들어, 직렬 아크방전의 방사전자파 중 높은 전계강도를 나타낼 수 있는 100Mhz 내지 160Mhz 대역으로 한정하게 되면 측정의 정밀도를 높이고 제작비용을 절감할 수 있는 방법이 될 것이다.

그리고, “현재의 고조파 측정값이 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 직전 고조파 측정값보다 일정 범위를 초과하는 경우”라 함은 ‘방사전자파 측정값이 기준값보다 높게 측정’되는 순간의 고조파 측정값이 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 고조파 측정값보다 일정범위 내에서 높은 값 - 예를 들어 제3고조파 전류의 실효치가 직전 값에 비하여 10% 이상 높은 값 - 으로 하는 것을 말한다. 여기서 직전값은 바로 직전에 저장된 값으로 하는 것도 가능하지만, 직전에 저장된 값들의 평균값으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 예를 현재의 고조파 측정값 측정 직전에 측정되어 저장된 10회의 측정기록의 평균값으로 하는 것이다. 따라서, 상기 직전 고조파 측정값은, 상기 저장수단에 저장되어 있던 상기 고조파 측정값의 측정기록 중 상기 현재의 고조파 측정값 측정시점 도달 전에 측정된 상기 제2시간 동안의 평균값으로 하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 상기 제어수단(190)이 상기 전자파 측정수단(120)의 방사전자파 측정값, 상기 고조파 측정수단(110)으의 고조파 측정값(현재값) 및 상기 저장수단(140)에 저장되어 있던 고조파 측정값(직전값) 등에 기초하여 판단한 결과 직렬 아크방전이 발생한 것으로 판단되는 경우에는, 식별코드를 포함하는 위험신호를 생성하여 상기 통신수단(130)을 통하여 사물인터넷 통신망(700)으로 송출하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 전선의 연결점이나 연결부에서 피로 파괴가 발생하여 간헐적 또는 일시적 단선이 발생한 상태라 하더라도 평상시에는 아크방전이 발생하지 않다가, 바람에 의하여 흔들릴 때 파괴 부위가 이격 되거나 접촉저항이 달라지게 되어 아크방전이 발생하게 되는 경우가 많다. 따라서 본 발명에서는 어느 특정 위치에서 방사전자파가 관측되고, 주변에 고조파가 관측되면서, 해당 위치에서 풍진동까지 감지되는 경우, 아크방전 발생이 확실하다고 판단하는 구성을 포함하게 된다. 이를 위하여, 상기 제2신호에는 상기 진동에너지량을 더 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 제2신호에 진동에너지량을 포함하는 경우 그 진동에너지량은, 상기 제2신호를 생성하기 직전에 측정되거나 상기 저장수단에 저장된 진동에너지량으로 하는 것이 가장 바람직하다. 이렇게 상기 제1신호에 상기 진동에너지량이 포함되는 경우, 상기 감시서버(500)는 상기 IoT 센서모듈(100)이 보내오는 신호들을 이용하여 아크방전의 발생여부에 대하여 더욱 정확한 판단을 할 수 있게 된다.

즉, 상기 제2신호에 포함된 진동에너지량이 없거나 극히 미미한 경우, 바람에 의한 풍진동이 없는 경우이므로 이러한 경우에는 아크방전이 발생할 가능성이 없으나, 방사전자파와 고조파가 수신되는 경우이므로 확인 차원에서 통상적인 현장점검을 하도록 하며, 상기 제2신호에 포함된 진동에너지량이 일정 기준 이상 높은 경우에는 이는 해당 위치의 가공전선(220)에 풍진동이 발생하고 있는 경우이므로 이때 발생하는 방사전자파와 고조파는 아크방전이 발생한다는 확실한 신호가 될 것이다. 따라서, 이 경우에는 산불예방이나 선로복구 등을 위한 긴급하고 신속한 대응을 지시할 수 있을 것이다. 이같이 본 발명은 아크방전 발생판단에 있어 방사전자파 측정값과 고조파 측정값은 물론 풍진동 측정값까지 이용하므로 판단의 신뢰성을 높일 수 있고, 이로 인하여 아크방전으로 인한 화재발생 예방효과를 제고할 수 있게 된다.

도 7의 오른쪽 아래에는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)에 포함된 상기 고조파 측정수단(110)의 구성도가 도시되어 있으며, 도 8에는 상기 고조파 측정수단(110)의 회로도가 도시되어 있다. 그리고 도 9에는 상기 고조파 측정수단(110)에 포함된 변류기(111)의 내외부 구조가 도시되어 있다. 이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 포함된 상기 고조파 측정수단(110)의 상세구성과 작동원리를 설명한다. 도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이 본 발명에 포함된 상기 고조파 측정수단(110)은, 상기 가공 중성선(221)을 둘러싸며 고정되는 변류기(111), 상기 변류기(111)의 2차측 양단에 연결되어 고조파 전류를 측정하는 전류측정기(113), 상기 변류기(111)의 철심(111a)에 부착되어, 상기 철심(111a)의 온도가 상승하면 저항값을 낮추어 자기 스스로 단락상태로 만드는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터(114) 및 전류가 흐르면 발열하여 상기 NTC 서미스터(114)를 가열시킬 수 있도록, 상기 NTC 서미스터(114)의 외표면에 부착되는 발열저항(115)을 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 NTC 서미스터(114)와 상기 발열저항(115)은 직렬회로로 구성되어 상기 변류기(111)의 2차측 양단에 연결되도록 함으로써, 상기 변류기(111)의 2차측과 상기 전류측정기(113) 사이에 단선이 발생하는 경우, 상기 철심(111a)의 온도상승에 의하여 상기 NTC 서미스터(114)가 단락되어 상기 직렬회로에 전류가 흐르면, 상기 발열저항(115)의 발열에 의하여 상기 NTC 서미스터(114)의 단락상태가 계속하여 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 고조파 전류는 제3고조파로 하는 것이 바람직하므로, 상기 전류측정기(113)와 상기 변류기(111) 사이에는, 상기 전류측정기(113)가 상기 제3고조파만 측정할 수 있도록 대역필터(112)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 변류기(111, CT)는 도 9에서 보는 바와 같이 전선의 도체(221)를 감싸는 환형의 철심(111a)과 상기 철심(111a)에 감긴 2차 권선(111b)으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이같이 하면, 상기 변류기(111, CT)의 1차 측은 상기 전선의 도체(221)가 되며, 2차 측은 상기 철심(111a)에 감긴 2차 권선(111b)이 되어 상기 전선의 도체(221)를 흐르는 전류값을 일정한 비율로 낮추어 상기 2차 권선(111b) 양단을 통하여 흐르게 한다. 상기 변류기(111)를 구성하는 상기 철심(111a)은 상기 IoT 센서모듈(100)의 본체(101)에 연결되어 상기 도체(221)를 감싸는 고정클램프(102) 내부에 위치하도록 함으로써, 상기 고정클램프(102)를 벌려서 상기 전선의 도체(221)에 감싸 끼우게 되면 상기 철심(111a)이 상기 도체(221)를 감싸게 되고, 상기 철심(111a)과 상기 2차 권선(111b)을 통하여 유도되는 전류가 상기 대역필터(112) 및 상기 전류측정기(113)로 흘러가게 된다. 상기 철심(111a)은, 상기 고정클램프(102)가 벌어질 때 같이 벌어지고, 상기 고정클램프(102)가 조여지면서 결합될 때 환형의 모양이 완성될 수 있도록, 도 9에서 보는 바와 같이 두 개의 반 환형으로 된 철심을 결합하여 하나로 된 환형의 철심(111a)이 되도록 하는 것도 바람직하다.

한편, 도 10에는 본 발명에 의한 IoT 센서모듈에 포함되는 고조파 측정수단(110)에서 NTC 서미스터(114) 및 발열저항(115)의 작동원리를 설명하는 도면이다. 변류기(111)의 경우 2차 측이 개방되면 상기 변류기(111)를 구성하는 철심(111a)의 자속이 급격하게 증가되어 상기 변류기(111)의 2차 측에 고전압이 인가되고 상기 철심(111a)에는 자기포화로 인하여 과열이 발생하게 된다. 따라서 전류측정기로 연결되는 부분(A)이 단선이 되어 상기 변류기(111)의 2차 측이 개방된 상태로 되는 경우 상기 IoT 센서모듈(100)이 소손되고 국부적인 화염 등이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)에는 이를 예방할 수 있는 수단으로서 직렬회로로 구성된 상기 NTC 서미스터(114)와 상기 발열저항(115)을 포함하고 있다. 상기 NTC 서미스터(140)는 온도가 상승하면 저항값이 내려가는 소자이다. 그리고 상기 NTC 서미스터(114)는 상기 변류기(111)를 구성하는 철심(111a)의 온도에 따라 작동할 수 있도록 상기 변류기(111)의 철심(111a)에 부착되어, 상기 변류기(111)의 온도가 상승하면 저항값이 내려가서 자기 스스로 단락되는 구성이다.

본 발명에서는, 도 8 및 도 10에서 보는 바와 같이 상기 NTC 서미스터(114)와 상기 발열저항(115)이 직렬회로로 구성되어 상기 변류기(111)의 2차측 양단에 연결되어 있다. 따라서 상기 변류기(111)의 2차 측과 상기 전류측정기(113) 사이에 단선(A)이 발생하는 경우, 상기 철심(111a)의 온도가 상승하며, 상기 철심(111a)에서 발생하는 열(h1)은 상기 NTC 서미스터(114)에 가해지고, 상기 철심(111a)에서 발생하는 열(h1)에 의하여 상기 NTC 서미스터(114)의 온도가 올라가게 되면, 상기 NTC 서미스터(114)는 단락 또는 도통 상태가 된다. 상기 NTC 서미스터(114)가 도통 또는 단락 상태가 되면, 상기 직렬회로에 전류가 흐르게 되므로 상기 발열저항(115)이 발열(h2)하게 되어 상기 NTC 서미스터(114)를 가열하게 된다. 따라서 상기 NTC 서미스터(114)의 단락에 따라 상기 철심에서 발생하는 열(h1)이 사라지더라도 상기 발열저항(115)의 발열(h2)에 의하여 상기 NTC 서미스터(114)의 도통 또는 단락 상태가 계속하여 유지된다.

만일 상기 발열저항(115) 없이 상기 NTC 서미스터(114)만 사용하게 되면 상기 철심에서 발생하는 열(h1)에 의하여 상기 NTC 서미스터(114)가 단락되고, 상기 NTC 서미스터(114)가 단락되면 상기 철심에서 열(h1)이 없어지므로 다시 NTC 서미스터(114)가 개방상태로 되며, NTC 서미스터(114)가 개방상태로 되면 상기 철심이 발열되는 등 이와 같은 상태가 반복되어 계속되는 개방과 단락의 반복으로 어느 순간에 상기 NTC 서미스터(114)의 기능이 상실될 위험이 있다. 그러나 본원발명은 상기 NTC 서미스터(114)와 상기 발열저항(115)을 직렬회로로 구성하였기 때문에 이러한 위험이 없이 상기 변류기(111)의 2차측이 개방되는 순간부터 상기 NTC 서미스터(114)의 도통 또는 단락상태가 계속하여 유지될 수 있게 되므로, 고장이나 2차사고 발생의 위험이 없게 된다.

그리고 상기 제어수단(190)은 상기 NTC 서미스터(140)가 상기 변류기(111)의 2차 측 양단을 단락시키는 경우, 상기 식별코드가 포함된 장애신호를 생성한 후 상기 통신수단(130)을 통하여 상기 사물인터넷 통신망(700)으로 송출하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 제어수단(190)은 상기 전류측정기(113)에 흐르는 전류가 0 또는 매우 낮은 전류값으로 갑자기 변화 되었는지를 파악하거나, 상기 NTC 서미스터(114)로 흐르는 전류값을 측정하거나, 또는 상기 NTC 서미스터(114) 양단전압을 측정하는 방법, 상기 발열저항(115)이나 상기 철심(111a)의 발열상태 등으로 상기 직렬회로가 상기 변류기(111)의 2차 측 양단을 단락시켰는지 여부를 알수 있게 된다. 상기 사물인터넷 통신망(700)을 통하여 상기 장애신호를 수신한 상기 감시서버(500)는 상기 장애신호에 포함된 상기 식별코드로 상기 장애신호를 송출한 IoT 센서모듈(100)이 장착된 위치를 파악하고, 이를 관리자 등에게 알려서 필요한 조치를 하게 할 수 있다.

한편 상기 대역필터(112)는, 상기 변류기(111)의 2차 측인 상기 철심(111a)에 감긴 2차 권선(111b)의 양단에 연결되어 상기 변류기(111)를 통하여 변류된 전류 중 특정성분의 고조파, 바람직하게는 제3고조파 성분만 걸러내는 구성이다. 따라서 상기 대역필터(112)는 상기 변류기(111)에서 변류된 전류중 기본파 및 다른 고조파 성분은 모두 차단시키고 오직 제3고조파 성분만 통과시킬 수 있도록, 180hz의 주파수 대역만 통과하는 대역통과 필터로 하는 것이 바람직하다. 상기 대역필터(112)가 제3고조파 성분만 통과시키기 때문에 상기 전류측정기(113)에서 측정되는 값은 제3고조파의 전류의 실효값이 될 수 있다. 상기 전류측정기(113)에서 측정된 값은 상기 제어수단(190)에 전달하도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 이같이 본 발명은 상기 CT(111)와 상기 대역필터(112) 및 상기 전류측정기(113)라는 단순한 구성으로 제3고조파 성분만을 측정하는 상기 고조파 측정수단(110)을 구현할 수 있어, 부품수가 적어 내구성이 높고 경제적인 IoT 센서모듈(100)을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예는 상기 전자파 측정수단(120)에 포함된 전자파 수신안테나(121)에 다이폴안테나를 채용한 경우에 적용할 수 있는 실시예이다. 본 실시예에서 상기 다이폴안테나(121)는, 상기 IoT 센서모듈(100)의 본체(101)에서 상기 가공 중성선(221)과 평행하게 양쪽으로 돌출되는 탄성 소재의 와이어로 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 다이폴안테나(121) 양쪽 종단에는 관성질량체(171)가 각각 고정되며, 상기 진동량 측정수단(170)은 상기 관성질량체(171) 각각에 포함되도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 경우, 상기 가공 중성선(221)에 풍진동이 발생하는 경우 상기 다이폴안테나(121a)가 메신저케이블 역할을 하고, 상기 다이폴안테나(121) 양쪽 종단에는 관성질량체(171)가 진동하면서 상기 가공 중성선(221)의 진동에너지를 흡수하게 되므로 상기 IoT 센서모듈(100)이 상기 가공 중성선(221)의 풍진동 흡수용 댐퍼 역할도 할 수 있게 된다. 이뿐만 아니라, 상기 진동량 측정수단(170)이 상기 관성질량체(171) 각각에 포함되어 있기 때문에 진동량이 커지게 되므로 진동에너지량 측정이 더욱 용이해지고, 그 변화량에 민감하게 작용할 수 있으므로 상기 진동량 측정수단(170)의 측정 정확도를 높일 수 있는 효과도 있게 된다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 12에서 보는 바와 같이 상기 변류기(111)와 상기 대역필터(112) 사이에는 상기 IoT 센서모듈(100)의 각 구성요소(통신부, 제어부 등) 작동에 필요한 전원을 공급할 수 있는 전원공급수단(180)을 연결하도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 전원공급수단(180)은 상기 변류기(111)에서 공급되는 전류로 충전할 수 있는 축전지(미도시)와 이를 위한 충전회로(미도시)로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 구성하는 경우 상기 IoT 센서모듈(100)의 작동에 필요한 전원을 반영구적으로 사용할 수 있게 된다.

한편, 도 13은 본 발명에 의한 IoT 센서모듈을 이용한 시스템의 구성도이다. 본 발명에 의한 IoT 센서모듈(100)은 배전선로 중 직렬 아크방전이 일어날 가능성이 있는 위치마다 장착되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 5에서 보는 바와 같이 복수의 IoT 센서모듈(100)이 배전선로(200) 상에 전력기기 등이 설치된 철탑이나 전주(210)에 가선된 가공 중성선(221)마다 각각의 위치에 장착되게 된다. 그리고, 상술한 바와 같이 복수의 IoT 센서모듈(100) 중에서 직렬 아크방전을 감지하게 되는 경우, 직렬 아크방전을 감지한 IoT 센서모듈(100)의 제어수단(190)은 자신의 식별코드를 포함하는 위험신호를 생성한 후 통신수단(130)을 통하여 사물인터넷 통신망(700)으로 상기 위험신호를 송출하게 된다. 따라서 이를 수신하여 직렬 아크방전이 발생된 위치를 식별하여 관리자 등에게 알려줄 수 있는 감시서버(500)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 여러 가지 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 IoT 센서모듈
101 본체 102 고정클램프
103 체결수단 110 고조파 측정수단
111 변류기 111a 철심
111b 2차 권선 112 대역필터
113 전류측정기 114 NTC 서미스터
115 발열저항 120 전자파 측정수단
121 전자파 수신안테나 130 통신수단
131 IoT 안테나 140 저장수단
170 진동량 측정수단 171 관성질량체
180 전원공급수단 190 제어수단
200 배전선로
210 전주 220 가공전선
221 가공 중성선 240 COS
250 연결선(점퍼선) 255 연결부위
260 재폐로차단기
270 인하용 전선 290 완금
280 내장애자 282 클램프
282a U볼트 283 결합볼트
500 감시서버
700 사물인터넷 통신망

Claims (6)

1. 배전선로의 가공 중성선에 장착되어 전주 또는 철탑의 내장애자에서 발생하는 직렬 아크방전을 감시하는 IoT 센서모듈로서,
   상기 가공 중성선에 흐르는 고조파 전류를 측정하는 고조파 측정수단;
   상기 가공 중성선의 진동에 따른 진동에너지량을 측정하는 진동량 측정수단;
   아크방전으로 인하여 발생하는 방사전자파를 측정하는 전자파 측정수단;
   상기 IoT 센서모듈 각각을 식별할 수 있는 식별코드가 저장되어 있는 저장수단;
   사물인터넷 통신망에 접속하여 데이터를 송수신할 수 있는 통신수단; 및
   제어수단; 을 포함하며,
   상기 고조파 측정수단은,
   - 상기 가공 중성선을 둘러싸며 고정되는 변류기,
   - 상기 변류기의 2차측 양단에 연결되어 고조파 전류를 측정하는 전류측정기,
   - 상기 변류기의 철심에 부착되어, 상기 철심의 온도가 상승하면 저항값을 낮추어 자기 스스로 단락상태로 만드는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터 및
   - 전류가 흐르면 발열하여 상기 NTC 서미스터를 가열시킬 수 있도록, 상기 NTC 서미스터의 외표면에 부착되는 발열저항을 포함하되,
   - 상기 NTC 서미스터와 상기 발열저항은 직렬회로로 구성되어 상기 변류기의 2차측 양단에 연결되어, 상기 변류기의 2차측과 상기 전류측정기 사이에 단선이 발생하는 경우, 상기 철심의 온도상승에 의하여 상기 NTC 서미스터가 단락되어 상기 직렬회로에 전류가 흐르면, 상기 발열저항의 발열에 의하여 상기 NTC 서미스터의 단락상태가 계속하여 유지되도록 하며,
   상기 제어수단은,
   - 상기 고조파 측정수단이 측정한 고조파 측정값을 제1시간 간격으로 상기 저장수단에 저장하고,
   - 상기 진동량 측정수단이 측정하는 진동에너지량을 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단에 저장하고,
   - 상기 전자파 측정수단이 측정한 방사전자파 측정값을 감시하면서,
   - 상기 식별코드, 상기 진동에너지량 및 상기 고조파 측정값을 포함하는 작동신호를 제2시간 간격으로 생성하여 상기 통신수단을 통하여 송출하다가,
   - 상기 방사전자파 측정값이 기준값보다 높게 측정되면서, 상기 고조파 측정값 중 현재의 고조파 측정값이 상기 저장수단에 저장되어 있던 직전 고조파 측정값보다 일정 범위를 초과하는 경우 아크방전으로 판단하고,
   - 상기 아크방전으로 판단하는 경우에는, 상기 식별코드를 포함하는 위험신호를 생성하여 상기 통신수단을 통하여 감시서버에 송출하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어수단은, 상기 NTC 서미스터가 단락상태로 되는 경우 상기 식별코드가 포함된 장애신호를 생성한 후 상기 통신수단을 통하여 송출하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈
3. 제1항에 있어서,
   상기 고조파 전류는 제3고조파이며,
   상기 전류측정기와 상기 변류기 사이에는, 상기 전류측정기가 제3고조파만 측정할 수 있도록 대역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈
4. 제1항에 있어서,
   상기 직전 고조파 측정값은, 상기 저장수단에 저장되어 있던 상기 고조파 측정값의 측정기록 중 상기 현재의 고조파 측정값 측정시점 도달 전에 측정된 상기 제2시간 동안의 평균값이며,
   상기 작동신호에 포함된 상기 진동에너지량은, 상기 제1시간 간격으로 누적하여 상기 저장수단에 저장되어 있던 진동에너지량을 상기 제2시간 동안 합산한 것이며,
   상기 작동신호에 포함된 상기 고조파 측정값은, 상기 제1시간 간격으로 상기 저장수단에 저장되어 있던 고조파 측정값을 상기 제2시간 동안 평균한 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈
5. 제4항에 있어서,
   상기 위험신호에는 상기 진동에너지량을 포함하며,
   상기 위험신호에 포함된 진동에너지량은, 상기 위험신호를 생성하기 직전에 상기 저장수단에 저장된 진동에너지량인 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈
6. 제1항에 있어서,
   상기 전자파 측정수단에는 다이폴안테나를 포함하며,
   상기 다이폴안테나는, 상기 IoT 센서모듈의 본체에서 상기 가공 중성선과 평행하게 양쪽으로 돌출되는 탄성 소재의 와이어로 되어 있으며,
   상기 다이폴안테나 양쪽 종단에는 관성질량체가 각각 고정되며,
   상기 진동량 측정수단은 상기 관성질량체 각각에 포함되는 것을 특징으로 하는, 내장애자 감시용 IoT 센서모듈

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