KR102491071B1 - 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 절연불량 및 열화(劣化)로 인한 전력기기의 이상 징후를 판단하기 위해 UHF(Ultra High Frequency) 센서와 HFCT(High Frequency Current Transformer)를 내부에 설치하여 부분방전(Partial Discharge)을 측정하고, 통전(通電)중인 상태에서 작업자의 감전사고를 예방하기 위해 PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 인체동작 감지센서를 내부에 설치하여 활선상태 위험경보 및 차단기 제어 기능을 수행할 수 있는 하이브리드 모니터링장치가 내장된 수배전반에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반은, 외함부; UHF 센서; HFCT 센서; PIR 인체동작 감지센서; AI 유니트; 및 하이브리드 모니터링장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반은, 외함부; UHF 센서; HFCT 센서; PIR 인체동작 감지센서; AI 유니트; 및 하이브리드 모니터링장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UHF(Ultra High Frequency) 센서와 HFCT(High Frequency Current Transformer) 센서를 이용하여 수배전반 내부에 설치된 전력기기 절연열화시 발생되는 부분방전(Partial Discharge) 신호를 초기에 검출하여 사고파급을 방지하고, PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 인체동작 감지센서를 내부 출입부에 설치하여 활선 작업자의 감전사고를 미연에 예방하는 기능이 구비된 수배전반에 관한 것이다.
근래에는 산업 현장의 전력사용량 증가로 인한 용량증설과 수용가에서 사용하는 정보통신기기의 증가로 인해 전력수요가 점차 증가함에 따라 한국전력공사 변전소로부터 특고압 전력을 수전받아 고압 및 저압 전력으로 변환하여 빌딩이나 공장과 같은 대용량 수용가 부하에 전력을 공급하는 고압배전반, 변압기반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반(이하, '수배전반'으로 통칭한다)의 설치가 증가하고 있다.
상기와 같은 수배전반은 변전소로부터 공급되는 특고압 전력을 공급받는 수전부와, 수전받은 특고압 전력을 상용전압으로 변환하는 변압부와, 변압된 전기를 수용가의 전기장치로 공급하는 배전부 및 다수의 스위칭 전기장치 및 기타 안전설비 등을 포함한다.
이러한 수배전반 내부에는 개폐기, 차단기, 변압기, 부스바 및 케이블 등 다수의 전력기기들이 용도에 맞게 설치되어 22.9㎸, 380V, 220V, 110V 등 다양한 전압이 통전된 상태로 운전되게 된다.
그러나 전력설비의 설치증가 및 대용량화에 따른 설비사고도 해마다 증가하고 있고, 한국전기안전공사에서 매년 발표하는 전기설비 사고통계에 따르면 전력설비의 노후 및 사용조건, 환경에 따른 절연물 등의 변화로 발생하는 절연불량, 자연열화에 의한 사고가 가장 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
또한, 수배전반 내부에 설치된 전력기기들에 사용되는 절연물이 열, 습기, 과부하 및 환경적인 스트레스에 장기간 노출되어 초기의 물성 값이 변질되거나 파손되는 현상인 절연열화가 발생하게 되고, 이와 같은 절연열화를 초기에 조치하지 않으면 전력기기의 온도를 상승시켜 아크, 불꽃 또는 과열로 파급되어 전기화재로 확산되는 사고가 빈번하게 발생하고 있는 실정이다.
또한, 감전재해 사고는 충전부 직접접촉에 의한 감전사고와 아크에 의한 감전사고가 대다수를 차지하고 있고, 특히 전기설비 공사나 유지보수에 종사하는 전기기술자의 감전사상자가 가장 많이 발생하고 있다.
상기와 같은 절연불량 및 자연열화에 의한 전기설비 사고는 초기에 발견하여 조치하지 않으면 사고파급으로 인해 기기 소손, 과열, 정전, 화재와 같은 2차사고로 확산되어 수용가 재산피해를 증가시키고, 감전사고와 같은 전기재해를 사전에 방지, 예방하지 못한다면 의료비, 보험료와 같은 사회적비용 증가와 최종 사망에 이르는 인명피해가 발생하기 때문에 이에 대한 대책이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서 수배전반의 절연불량과 자연열화 등을 초기에 발견하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있는데, 이러한 목적의 종래 기술로는 등록특허공보 제2416630호의 다중 초음파 분석기법을 적용한 수배전반 절연 열화의 위치표정 및 건전성 분석 디바이스, 방법 및 시스템(이하 '특허문헌 1'이라 한다)과 등록특허공보 제2243149호의 누설 전류의 고조파 특성을 고려한 3상 감전 보호 장치 및 이를 포함한 배전반(이하 '특허문헌 2'라 한다)이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1은 수배전반 절연 열화 분석 디바이스는, 분석 대상 수배전반의 내부에 배치되는 전력 설비들을 촬영하여 수배전반 내부 이미지를 생성하는 카메라 모듈; 상기 전력 설비들의 절연 열화로 인해 발생하는 부분 방전에 의해 변동하는 상기 분석 대상 수배전반의 내부 음압 및 주파수를 측정하는 복수의 AE(acoustic emission) 센서들; 상기 복수의 AE 센서들에서 센서별 세부 위치에 따라 서로 다른 크기로 측정되는 상기 내부 음압 및 주파수를 나타내는 센서별 음압 데이터, 주파수 데이터 및 상기 수배전반 내부 이미지를 저장하는 메모리; 및 상기 센서별 음압 데이터 및 주파수 데이터에 기초하여 상기 전력 설비들 중 상기 부분 방전이 발생한 전력 설비의 위치를 상기 수배전반 내부 이미지에서 표정함으로써 방전 위치 표정 이미지를 생성하는 프로세서; 를 포함하도록 구성된다.
그러나 특허문헌 1은 수배전반 내부 전력기기들의 절연불량 및 자연열화 초기에 발생되는 미세한 부분방전 신호를 감지할 수 있는 UHF 센서 및 HFCT 센서와 달리 수배전반의 내부 음압 및 주파수를 측정하는 복수의 AE 센서가 적용되어 열화 초기단계 검출이 불가능하여 절연열화가 상당히 진전된 이후에만 이를 감지하여 사고파급에 대처할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
또한, 특허문헌 2는 3상 영상 변류기; 3상 전원에서 임의의 선간 전압을 기준 전압으로 선택하는 기준 전압 검출부; 상기 3상 영상 변류기에서 누설 전류를 상기 기준 전압의 한 주기 간격으로 검출하는 누설 전류 검출부; 상기 한 주기 전과 후에 검출한 2개의 누설 전류의 벡터 값을 감산하여, 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 산정하는 변화 누설 전류 산정부; 상기 변화 누설 전류를 기설정된 허용치와 비교하는 비교부; 및 상기 변화 누설 전류가 상기 기설정된 허용치를 초과하는 경우 상기 3상 전원의 접점을 개로(off)하는 회로 차단 기구를 포함하되, 상기 변화 누설 전류 산정부는, 매 한 주기 마다 상기 누설전류 및 상기 기준 전압을 각각 기설정된 개수로 샘플링하여 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터를 획득하는 샘플링부; 상기 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환하는 복소 평면 매핑부; 상기 복소 평면 상에서 상기 복소 전류의 위상 기준을 상기 복소 전압의 위상으로 변경하고, 상기 위상이 변경된 복소 전류로부터 상기 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출하는 수평 및 수직 성분 추출부; 상기 수평 성분 및 수직 성분 각각의 한 주기 전후의 계산 결과를 저장하는 계산 결과 저장부; 및 상기 한 주기 전 계산 결과와 상기 한 주기 후 계산 결과를 감산하여 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 계산하는, 변화 누설전류 계산부를 포함하여 이루어진다.
그러나 특허문헌 2의 3상 감지 보호 장치는 3상 영상 변류기로부터 입력되는 누설전류를 측정한 후 실시간으로 누설전류의 변화량을 분석하여 허용치 초과시 차단기를 개로시켜 전원을 차단함으로 작업자의 안전을 보호하는 방식으로 수배전반이 통전 상태인지 모르고 내부에 진입하여 활선상태의 충전부를 직접접촉하기 전 작업자에게 사전 위험경보 및 차단기를 개로 시킬 수 없는 문제점을 가지고 있다.
따라서 전력기기들의 절연열화 상태를 초기에 감지, 진단 및 조치하여 전력을 안정적으로 공급하고, 기기수명을 연장시키며, 활선상태 통전중 위험경보 및 차단기 제어를 통해 작업자 안전성을 향상시킬 수 있도록 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 열화 및 부분방전 감지가 가능한 수배전반이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열화로 인한 전력기기의 이상 징후를 판단하기 위해 UHF 센서를 외함부 내부에 설치하여 부분방전 신호를 측정하고, HFCT 센서를 접지케이블에 관통, 설치하여 부분방전을 검출하며, 통전중인 상태에서 작업자의 감전사고를 예방하기 위해 PIR 인체동작 감지센서를 내부 출입부에 설치하여 활선상태 위험경보 및 차단기 제어 기능을 수행할 수 있는 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반은, 소정 크기를 가지는 사각 박스모양의 외함부; 상기 외함부 내부에 설치되면서 전력기기의 노후화, 절연불량, 자연열화로 인해 발생되는 초고조파 대역의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 센서; 상기 외함부 내부에 설치된 접지케이블에 관통, 설치되면서 접지케이블을 따라 흐르는 부분방전 신호를 검출하는 HFCT 센서; 상기 외함부의 내부 출입부에 설치되면서 고, 저압이 통전된 활선상태에서 상기 외함부 내부로 진입하는 작업자로부터 발생되는 적외선 에너지를 검출하는 PIR 인체동작 감지센서; 상기 외함부의 내부에 설치되면서 변성기 2차측으로부터 전압과 전류를 입력받아 미리 설정된 크기의 신호로 변환하기 위한 계기용 변류기와 계기용 변압기가 내장된 AI 유니트; 및 상기 외함부의 내부 또는 외부에 설치되면서 상기 UHF 센서와 상기 PIR 인체동작 감지센서 및 상기 AI 유니트로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 분석하여 디스플레이하고, 설정된 기준치를 초과하면 경보 및 제어 기능을 수행하는 하이브리드 모니터링장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 UHF 센서는 외함부 내부에 3개 이상 설치되고, 상기 하이브리드 모니터링장치는 3개 이상의 UHF 센서에서 감지되는 신호간의 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 통해 부분방전의 위치를 추정하고, 미리 저장된 전력기기의 위치데이터를 이용하여 추정된 결함위치 좌표를 매칭함으로써 부분방전이 발생한 전력기기를 판별하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 전력기기 위치데이터는 x, y, z축 좌표로 이루어지는 3차원 데이터로 이루어지고, 전력기기간의 경계 부분에 대한 영역이 전력기기의 실제 크기에 맞추어 설정되어 추정된 결함 위치 좌표를 통해 결함이 발생한 전력기기가 판별되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 UHF 센서가 한 쌍의 도체가 중심으로부터 나선형으로 퍼지는 형상으로 이루어져, 외측으로 진행될수록 상대적으로 폭이 넓어지는 구조의 로그 스파이럴 안테나로 제작되고, 전력기기 부분방전 발생시 방사되는 0.3 ~ 3.0 ㎓ 초고조파 대역의 전자파 신호를 검출하여 이득은 높이고 반사손실은 낮추도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 HFCT 센서는 클램프 타입 형태로 이루어져 외함부 내부 접지케이블에 설치되도록 제작되고, 접지케이블로 흐르는 1 ㎑ ~ 200 ㎒ 고주파 대역의 전자파 신호를 검출하여 이득은 높이고 반사손실은 낮추도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
이에 더해 본 발명의 상기 PIR 인체동작 감지센서는 7 ~ 14㎛ 파장, 3 ~ 15V 동작전압, 가로 3 x 세로 4㎜ 투시창, 2개의 초전소자로 이루어진 듀얼타입의 프로브로 구성되고, 상기 프로브에는 투시창 전면에 프레넬 렌즈가 부착되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 AI 유니트가 3개의 계기용 변류기와 3개의 계기용 변압기를 포함하고, 외부에 설치된 변성기 2차측으로부터 입력되는 0 ~ 5A 전류와 0 ~ 110V 전압이 상기 하이브리드 모니터링장치 내부에 구성된 A/D 컨버터부에서 인식 가능한 신호로 변환되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수배전반 내부에 설치된 전력기기들의 절연열화 상태를 초기에 감지, 진단 및 조치하여 전력을 안정적으로 공급하고, 기기수명을 연장시키며, 절연파괴로 진전되어 발생할 수 있는 폭발, 정전 및 화재와 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 수배전반이 통전중 활선상태인 것을 인지하지 못하고 내부로 진입하려는 작업자를 향해 1차 위험경고 및 2차 차단기 제어를 실시함으로 충전부 직접접촉으로 인한 작업자 감전사고를 사전에 예방할 수 있는 장점이 있다.
이에 더해 수용가에서 사용중인 전력을 계측하여 고조파 분석, 역률개선 및 시간대별 전력사용량 분석 등을 통해 에너지 절약을 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고 진동 및 충격 발생시 3축 가속도 실시간 감시 기능과 내부 온도와 습도를 실시간 모니터링하여 위험경보, 차단기 제어 및 원격감시를 실시함으로 정전, 화재 및 감전과 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반의 예를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 UHF 센서의 로그 스파이럴 안테나를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 HFCT 센서의 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 HFCT 센서의 설치 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 PIR 인체동작 감지센서의 예를 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 AI 유니트의 예를 보인 도면.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 하이브리드 모니터링장치의 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 따른 RF 모듈부의 예를 보인 도면.
도 11a는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 플로팅 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 11b는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 코로나 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 11c는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 보이드 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 따른 부분방전 신호 발생 위치를 추정할 수 있는 시간차 거리 측정 및 삼변측정법의 예를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 따른 하이브리드 센서모듈의 예를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 UHF 센서의 로그 스파이럴 안테나를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 HFCT 센서의 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 HFCT 센서의 설치 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 PIR 인체동작 감지센서의 예를 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 AI 유니트의 예를 보인 도면.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 하이브리드 모니터링장치의 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 따른 RF 모듈부의 예를 보인 도면.
도 11a는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 플로팅 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 11b는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 코로나 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 11c는 본 발명에 따른 PRPD 진단기법으로 분석된 보이드 방전패턴의 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 따른 부분방전 신호 발생 위치를 추정할 수 있는 시간차 거리 측정 및 삼변측정법의 예를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 따른 하이브리드 센서모듈의 예를 보인 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면에 따라 상세하게 설명한다.
본 발명은 전력기기들의 절연열화 상태를 초기에 감지, 진단, 조치하여 전력공급의 안정화, 기기수명을 연장시키고, 통전중 활선상태 위험경보 및 차단기 제어를 통해 작업자 안전성을 향상시킬 수 있도록 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 외함부(10), UHF 센서(20), HFCT 센서(90), PIR 인체동작 감지센서(30), AI 유니트(40), 하이브리드 모니터링장치(50) 및 하이브리드 센서모듈(60)을 포함한다.
외함부(10)는 1.6~3.2mm 두께의 열간 압연강판을 사용하여 소정 크기를 가지는 사각 박스모양으로 제작되고, 내부에 설치되는 전압 크기, 전류 용량 및 용도에 따라 차단기(진공차단기, 기중차단기, 배선용차단기, 누전차단기 등), 변압기, 계측기 등 전력기기를 외력으로부터 보호하는 구성이다.
이러한 외함부(10)는 폐쇄형 구조로 제작되어 전후면 도어(11)에 외부 침입으로부터 보호할 수 있도록 잠금장치(도시하지 않음)가 설치되고, 이를 통해 외부 환경에 의한 내부 전력기기의 영향이 최소화되게 된다.
UHF 센서(20)는 외함부(10)의 내부에 설치되어 절연열화에 따른 부분방전을 검출하는 구성이다.
이때 UHF 센서(20)에 장착되는 안테나는 형태에 따라 성능이 크게 변화되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 여러 종류의 안테나 중 한 쌍의 도체가 중심으로부터 나선형으로 퍼지는 형상으로 이루어지면서 외측으로 진행될수록 상대적으로 폭이 넓어지는 구조의 로그 스파이럴 안테나(21)로 구성된다.
또한, 전력기기 부분방전 발생시 방사되는 0.3 ~ 3.0 ㎓의 초고조파 대역의 전자파 신호를 검출할 수 있도록 하여, 이득은 높이고 반사손실은 낮춰 신호처리 성능을 높일 수 있도록 구성된다.
그리고 수배전반 내부에서 발생하는 부분방전의 위치를 판별하기 위해 3개의 UHF 센서(20)가 외함부(10) 내부에 설치되고, 이를 통해 후술되는 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 적용하여 외함부(10) 내부의 어떤 전력기기에서 부분방전이 발생하였는지 그 위치가 추정되게 된다.
HFCT 센서(90)는 외함부(10) 내부에 설치된 접지케이블(91)에 흐르는 부분방전 신호를 검출하는 구성이다.
이때 HFCT 센서(90)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 접지케이블(91)을 관통시켜 설치될 수 있도록 개폐가 가능한 클램프 형태로 구성되고, 접지케이블(91)을 통해 흐르는 1 ㎑ ~ 200 ㎒ 고주파 대역의 전자파 신호를 검출할 수 있도록 하여, 이득은 높이고 반사손실은 낮춰 신호처리 성능을 높일 수 있도록 구성된다.
PIR 인체동작 감지센서(30)는 고, 저압이 통전중인 활선상태에서 외함부(10)의 내부로 진입하는 작업자를 검출하기 위해 외함부(10)의 내부에 설치되는 구성이다.
이러한 PIR 인체동작 감지센서(30)는 도 5에 도시된 바와 같이 초전물질의 초전특성을 이용하여 인체에서 방출되는 적외선 에너지를 검출하는 프로브(31)로 이루어지고, 이러한 프로브(31)에는 프레넬 렌즈(Fresnel, 32)가 투시창 전면(앞면)에 부착되어 작업자의 내부 진입 여부를 폭넓게 감지하도록 구성된다.
이때 프로브(31)는 7 ~ 14㎛ 파장, 3 ~ 15V 동작전압, 가로 3 x 세로 4㎜ 투시창, 2개의 초전소자로 이루어진 듀얼타입 프로브로 구성될 수 있다.
또한, 프레넬 렌즈(32)는 소정 지름을 가지는 원통 모양의 베이스(도시하지 않음)와 소정 지름을 가는 구 형상의 렌즈부(도면부호 없음)로 구성되고, 이러한 베이스부와 렌즈부는 서로 나사 조립되어 프로브(31)의 투시창 전면과 렌즈부의 거리가 조절되도록 구성되며, 베이스부의 저면에는 프로브(31)의 전면에 부착되기 위한 소정 폭의 플랜지(도시하지 않음)가 형성된 것으로 구성될 수 있다.
이에 더해 프레넬 렌즈(32)는 통과한 적외선을 하나의 초점으로 수렴시키는 특징이 있고, 따라서 감지거리의 확대와 감도를 상승시키는 효과가 있으며, 이와 동시에 외부의 바람과 빛을 차단하여 오감지를 방지하는 역할을 한다.
상기와 같은 PIR 인체동작 감지센서(30)를 통해 통전중인 활선상태의 외함부(10) 내부로 작업자가 진입을 하면, 프로브(31)와 프레넬 렌즈(32)로 구성된 PIR 인체동작 감지센서(30)가 작업자의 동작을 감지하게 되고, 이렇게 감지된 신호는 후술되는 하이브리드 모니터링장치(50)의 DI 입력부(52)를 거쳐 CPU부(55)로 입력되며, 상기 CPU부(55)에서 후술되는 AI 유니트(40)로부터 입력되는 전압의 크기와 비교 분석하여 1상이라도 88V 이상이면 활선상태로 판단하여 작업자에게 최종 위험경보 및 제어신호가 출력되도록 제어된다.
AI 유니트(40)는 외함부(10)의 내부에 설치되어 변성기 2차측으로부터 전압 및 전류를 입력받아 후술되는 하이브리드 모니터링장치(50)에서 활용 가능한 크기의 신호(소신호)로 변환하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 계기용 변류기(CT, 41)와 계기용 변압기(PT, 42)가 내장되어 구성된다.
이러한 AI 유니트(40)는 3개의 계기용 변류기(41)와 3개의 계기용 변압기(42)로 구성되어 외부에 설치된 변성기 2차측으로부터 입력되는 0 ~ 5A 전류와 0 ~ 110V 전압을 하이브리드 모니터링장치(50) 내부에 구성된 A/D 컨버터부(53)에서 인식 가능한 소신호로 변환한 후 CPU부(55)에서 DSP(Digital Signal Processing) 연산을 통해 전압, 전류의 크기, 위상, 주파수, 역률, 전력 및 전력량과 같은 전력데이터가 출력되게 된다.
하이브리드 모니터링장치(50)는 UHF 센서(20), HFCT 센서(90), PIR 인체동작 감지센서(30), AI 유니트(40) 및 후술되는 하이브리드 센서모듈(60)로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 분석하여 출력하고, 설정된 기준치를 초과하면 경보 및 제어 기능을 수행하는 구성이다.
이러한 하이브리드 모니터링장치(50)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 제1 RF 모듈부(51A), 제2 RF 모듈부(51B), DI 입력부(52), A/D 컨버터부(53), RS485부(54), CPU부(55), MMI부(56), 출력부(57) 및 통신부(58)를 포함한다.
상기와 같이 구성되는 하이브리드 모니터링장치(50)는 도 8에 도시된 바와 같이, UHF 센서(20), HFCT 센서(90), PIR 인체동작 감지센서(30), AI 유니트(40) 및 하이브리드 센서모듈(60)로부터 입력된 부분방전 데이터, 인체동작 감지 데이터, 전압 및 전류 데이터, 3축 가속도 및 온습도 데이터를 토대로 CPU부(55)를 통해 연산된 결과에 대해 MMI부(56)를 통해 디스플레이에 출력되도록 한다.
이때 연산된 결과 값이 설정된 세팅값을 초과하는 경우에는 MMI부(56)에 사고발생 일시, 초과된 사고데이터 측정값이 표시되고, LED 표시램프(59)를 통해 사고 표시가 점등되게 된다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 출력부(57)의 음성스피커 모듈(57A) 및 부저(57B)를 통해 현장경보가 실시되고, 릴레이(57C)를 통해 차단기가 제어되어 전원 공급이 차단되며, 통신부(58)의 블루투스 모듈(58C), 이더넷 모듈(58A) 및 시리얼 통신모듈(58B)을 통해 원방에 설치된 원격모니터링 시스템(70)과 작업자 휴대용 통신기기(80)에 전송되어 위험을 경고하게 된다.
이하에서는 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 UHF 센서(20)에서 검출된 부분방전 신호를 분석하는 방법에 대하여 설명한다.
UHF 센서(20)에서 검출되어 입력되는 신호는 제1 RF 모듈부(51A)를 거쳐 CPU부(55)에서 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 진단기법을 이용하여 도 11a, 11b 및 도 11c에 도시된 예와 같은 부분방전 패턴파형으로 분석된다.
이때 제1 RF 모듈부(51A)는 도 10에 도시된 바와 같이 LNA Protector(A), Low Noise Amplifier(LNA, B), High Pass Filter(HPF, C), Band Stop Filter(BSF, D), Low Pass Filter(LPF, E)로 구성되고, UHF 센서(20)로부터 입력된 부분방전 신호는 LNA Protector(A)를 거쳐 Low Noise Amplifier(LNA, B)에서 신호 증폭된 후 1차 500㎒ High Pass Filter(HPF, C)를 이용하여 저주파 백그라운드 노이즈가 제거되며, 2차 Band Stop Filter(BSF, D)를 이용하여 휴대폰 대역의 상용 통신 주파수가 제거된다.
그리고 3차 Low Pass Filter(LPF, E)를 통해 1500㎒ 이상의 고주파 신호가 제거된 후 최종 500 ~ 1500㎒ 대역의 신호가 PRPD 진단기법으로 진단(분석)되게 된다.
이렇게 PRPD 진단기법으로 분석된 부분방전 파형패턴은 도 11a에 도시된 바와 같이 플로팅 방전패턴과, 도 11b에 도시된 바와 같이 코로나 방전패턴 및 도 11c에 도시된 바와 같이 보이드 방전패턴 등으로 분류된다.
여기서 플로팅 방전패턴은 에폭시 절연재 내부에 금속 이물질이 들어가 있는 경우 등에 발생되는 파형이고, 코로나 방전패턴은 금속 단말부 표면에 뾰족한 돌기가 있을 경우 발생되는 파형이다.
그리고 보이드 방전패턴은 절연체 내부 이물질 등에 발생되는 파형으로 이를 통해 수배전반 내부 전력기기들의 절연열화가 발생되는 개소를 추적해 볼 수 있고, 전력수용가에서는 모니터링 소프트웨어를 통해 시간, 위상 및 크기를 출력하는 3D 그래프와 위상 및 시간을 출력하는 2D 그래프로 출력되게 된다.
또한, 수배전반 내부에서 발생하는 부분방전의 위치를 판별하기 위해 3개의 UHF 센서(20)가 외함부(10) 내에 설치되고, 3개의 UHF 센서(20)에서 검출되는 신호에 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 적용하여 어떤 전력기기에서 부분방전이 발생하였는지 위치를 추정하게 된다.
여기서 시간차 거리측정법은 각각의 UHF 센서(20)가 같은 길이의 케이블로 연결되어 케이블 내의 부분방전 신호의 전달 시간이 동일하도록 구성된다.
그리고 발생된 부분방전 신호가 전파되어 각 UHF 센서(20)에 도달하는 시간차를 고려하게 되는데, 이때 도 12에 도시된 바와 같이 3개의 점(S1, S2, S3)에서 측정한 신호 중 S1과 S2에서의 신호전달 시간차는 △t12이고, 이 값에 빛의 속도 V(2.998 × 108 m/s)를 곱하면 아래의 수학식 1과 같이 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리(r1)와 S2까지의 거리(r2)의 거리차 (r1-r2)를 구할 수 있으며, 같은 방법으로 S1과 S3 간의 거리차 (r1-r3)를 아래의 수학식 2를 통해 구할 수 있게 된다.
여기서, △t12는 S1에서 S2 간의 신호전달 시간차이고, V는 빛의 속도이며, r1은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리, r2는 부분방전이 발생된 지점으로부터 S2까지의 거리이며, r1-r2는 S1과 S2 간의 거리차이다.
여기서, △t13은 S1에서 S3 간의 신호전달 시간차이고, V는 빛의 속도이며, r1은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리, r3은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S3까지의 거리이며, r1-r3은 S1과 S3 간의 거리차이다.
한편, 삼변측정법은 삼각기하학을 이용하여 상대적인 임의의 좌표를 구하는 방법으로, 임의의 세 개의 변 r1, r2, r3 중 한 변의 값이 주어졌을 때, 각 변의 길이의 차를 이용하여 위치가 판별되게 된다.
더욱 상세하게는 특정 결함의 위치로부터 각 센서에 도달한 3개의 신호 중, 부분방전 신호가 최초로 도착한 UHF 센서(20)를 기준으로 하여 해당 UHF 센서(20)의 반지름을 변수로 설정하고, 설정된 반지름을 증가시키면서 형성되는 원과 나머지 두 센서를 중심으로 하는 두 개의 원과의 교차점을 판별하게 되며, 이때 부분방전 신호의 공기 중의 전파속도는 절연율과 도파관 특성에 영향을 받지 않는 빛의 속도 V(2.998 × 108 m/s)를 이용하여 각 센서와 결함이 발생한 전력기기와의 거리를 산출하게 된다.
즉, 시간차 거리측정법을 통해 얻은 상대적인 거리차를 이용하여 공간상 세 개의 좌표 S1(0, 0, 0), S2(d, 0, 0), S3(i, j, 0)에서의 임의의 좌표(예상된 부분방전 발생 전력기기 지점)까지의 거리 r1, r2, r3을 반지름으로 하는 구들의 교점을 구하고, 도 5와 같이 원점 S1(0, 0, 0)을 중심으로 하는 반지름 r1의 구 하나와 S2(d, 0, 0), S3(i, j, 0)을 중심으로 하는 반지름 r2, r3의 구를 아래의 수학식 3 내지 수학식 5를 통해 산출하게 된다.
또한, 위 수학식 3 내지 수학식 5를 통해 구해지는 3개의 구가 만나는 교점의 좌표(x, y, z)는 아래의 수학식 6내지 수학식 8을 통해 산출되게 된다.
이때 좌표값 x, y, z 중 변수를 최소화하기 위해 필요에 따라 좌표값 z가 생략될 수 있고, 이를 통해 좌표값 x, y만을 지닌 2차원 삼변측정법을 사용하여 결함이 발생한 전력기기의 위치를 추정할 수 있게 된다.
위와 같이 결함이 발생한 전력기기의 위치가 추정되고 나면, 하이브리드 모니터링장치(50)는 미리 저장된 전력기기의 위치데이터를 이용하여 추정된 결함 위치 좌표를 매칭하게 된다.
이때 전력기기의 위치데이터는 x, y, z축 좌표로 이루어지는 3차원 데이터로 이루어지고, 전력기기간의 경계 부분에 대한 영역이 전력기기의 실제 크기에 맞추어 설정되어 추정된 결함 위치 좌표를 통해 결함이 발생한 전력기기를 정확하게 판별할 수 있도록 구성될 수 있다.
위와 같이 어느 전력기기에서 결함(이상)이 발생한 것인지를 판별되고 나면, 결함의 정도에 따라 수배전반의 차단기를 제어하여 전력기기의 동작을 정지시키고, 해당 전력기기의 점검이 진행될 수 있도록 한다.
하이브리드 센서모듈(60)은 외함부(10)의 바닥에 설치되어 외함부(10) 내부의 온도, 습도 및 진동을 감지하는 구성이다.
이러한 하이브리드 센서모듈(60)은 도 13에 도시된 바와 같이 외함부(10)의 내부 온도 및 습도를 감지하는 온습도칩(61)과, x, y, z 방향의 3축 가속도를 감지하는 3축 가속도칩(62)을 포함한다.
이때 온습도칩(61)은 폐쇄형 구조의 수배전반 내부 온도 및 습도를 정밀하게 측정할 수 있도록 온도 측정범위 ??40~80℃, 정밀도 ±0.3℃, 습도 측정범위 0~99.9%, 정밀도 ±2%, 통신방식 1Wire 인터페이스의 성능을 구비한 칩으로 구성될 수 있다.
그리고 3축 가속도칩(62)은 저주파수 대역의 3축 가속도를 정밀하게 측정할 수 있도록 측정범위 ±2G, 비선형성 ±0.5%, 출력 정밀도 12Bits, 분해능 1mG/LSB, 통신방식 SPI 인터페이스의 성능을 구비한 아날로그 방식의 칩으로 구성될 수 있다.
한편, 위에서는 PIR 인체동작 감지센서(30)를 통해 활선 상태에서 작업자가 감지되면, 작업자에게 활선 상태를 안내하는 것으로만 설명되었으나, 이와 달리 작업자가 활선 상태에서 수배전반의 내부(외함부(10)의 내부)로 진입하면, 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 차단기가 자동으로 제어되어 전원이 차단되고, 이를 통해 외함부(10)의 내부에서 감전사고가 발생하지 않도록 구성될 수 있다.
이때 PIR 인체동작 감지센서(30)를 통해 작업자의 감지가 해제되면, 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 전원이 자동으로 재인가 되도록 차단기의 동작이 제어되게 된다.
또 다르게는 외함부(10)의 도어(11)에는 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 자동으로 잠금 및 잠금 해제되는 전자도어락(도시하지 않음)이 설치되고, 상기 하이브리드 모니터링장치(50)는 수배전반이 활선상태일 때 전자도어락을 통해 도어(11)가 잠긴 상태로 유지되도록 제어되도록 구성될 수 있다.
이때 전자도어락은 정전이나 작업자의 제어에 의해 수배전반의 전원이 차단되는 경우에는 자동으로 잠금이 해제되도록 구성되고, 이에 더해 작업자가 하이브리드 모니터링장치(50)를 제어하여 활선 상태인 경우에도 인증을 통해 필요에 따라 도어(11)의 잠금을 해제할 수 있도록 구성될 수 있다.
이때 작업자 인증 방법으로는 사전에 미리 등록된 비밀번호 또는 생체정보가 될 수 있고, 또 다르게는 열쇠 또는 카드키 등으로 구성될 수 있다.
그리고 작업자의 인증으로 전자도어락의 잠금이 해제되는 경우에는 수배전반의 활선 상태를 확실하게 인지시키기 위한 팝업 안내문구 또는 안내음성이 출력되도록 구성될 수 있다.
또한, 수배전반 출입을 위해 인증된 작업자 정보는 하이브리드 모니터링장치(50)를 통해 자동으로 저장되고, 이를 통해 수배전반의 출입 이력에 대한 위변조가 근본적으로 이루어지지 못하도록 체계적으로 관리되게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 수배전반 내부에 설치된 전력기기들의 절연열화 상태를 초기에 감지, 진단, 조치하여 전력공급의 안정화, 기기수명을 연장시켜 절연파괴로 진전되어 발생할 수 있는 폭발, 정전, 화재와 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 수배전반이 통전중 활선상태인 것을 인지하지 못하고 내부로 진입하려는 작업자를 향해 1차 위험경고 및 2차 차단기 제어를 실시함으로 충전부 직접접촉으로 인한 작업자 감전사고를 사전에 예방할 수 있다.
또한, 수용가에서 사용중인 전력을 계측하여 고조파 분석, 역률개선, 시간대별 전력사용량 분석 등을 통해 에너지 절약을 수행할 수 있다.
그리고 진동 및 충격 발생시 3축 가속도 실시간 감시 기능과 내부 온도, 습도를 실시간 모니터링하여 위험경보, 차단기 제어 및 원격감시를 실시함으로 정전, 화재 및 감전과 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있다.
위에서는 설명의 편의를 위해 바람직한 실시예를 도시한 도면과 도면에 나타난 구성에 도면부호와 명칭을 부여하여 설명하였으나, 이는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 도면상에 나타난 형상과 부여된 명칭에 국한되어 그 권리범위가 해석되어서는 안 될 것이며, 발명의 설명으로부터 예측 가능한 다양한 형상으로의 변경과 동일한 작용을 하는 구성으로의 단순 치환은 통상의 기술자가 용이하게 실시하기 위해 변경 가능한 범위 내에 있음은 지극히 자명하다고 볼 것이다.
10: 외함부 11: 도어
20: UHF 센서 21: 로그 스파이럴 안테나
30: PIR 인체동작 감지센서 31: 프로브
32: 프레넬 렌즈 40: AI 유니트
41: 계기용 변류기 42: 계기용 변압기
50: 하이브리드 모니터링장치 51A: 제1 RF 모듈부
51B: 제2 RF 모듈부 52: DI 입력부
53: A/D 컨버터부 54: RS485부
55: CPU부 56: MMI부
57: 출력부 57A: 음성스피커 모듈
57B: 부저 58: 통신부
58A: 이더넷 모듈 58B: 시리얼 통신모듈
58C: 블루투스 모듈 59: LED 표시램프
60: 하이브리드 센서모듈 61: 온습도칩
62: 3축 가속도센서 70: 원격모니터링 시스템
80: 휴대용 통신기기 90: HFCT 센서
91: 접지케이블 A: LNA Protector
B: Low Noise Amplifier C: High Pass Filter
D: Band Stop Filter E: Low Pass Filter
20: UHF 센서 21: 로그 스파이럴 안테나
30: PIR 인체동작 감지센서 31: 프로브
32: 프레넬 렌즈 40: AI 유니트
41: 계기용 변류기 42: 계기용 변압기
50: 하이브리드 모니터링장치 51A: 제1 RF 모듈부
51B: 제2 RF 모듈부 52: DI 입력부
53: A/D 컨버터부 54: RS485부
55: CPU부 56: MMI부
57: 출력부 57A: 음성스피커 모듈
57B: 부저 58: 통신부
58A: 이더넷 모듈 58B: 시리얼 통신모듈
58C: 블루투스 모듈 59: LED 표시램프
60: 하이브리드 센서모듈 61: 온습도칩
62: 3축 가속도센서 70: 원격모니터링 시스템
80: 휴대용 통신기기 90: HFCT 센서
91: 접지케이블 A: LNA Protector
B: Low Noise Amplifier C: High Pass Filter
D: Band Stop Filter E: Low Pass Filter
Claims (5)
- 절연불량 및 자연열화로 인한 내부 전력기기의 이상 징후를 감시, 판단하기 위해 부분방전을 검출하는 UHF 센서(20) 및 HFCT 센서(90)와 통전중인 상태에서 작업자의 감전사고를 예방하기 위한 PIR 인체동작 감지센서(30)로 구성되는 하이브리드 모니터링장치(50)가 내장된 수배전반에 있어서,
상기 수배전반은,
소정 크기를 가지는 사각 박스모양의 외함부(10);
상기 외함부(10) 내부에 설치되면서 전력기기의 노후화, 절연불량, 자연열화로 인해 발생되는 초고조파 대역의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 센서(20);
상기 외함부(10) 내부에 설치된 접지케이블(91)에 관통 설치되면서 접지케이블(91)을 따라 흐르는 부분방전 신호를 검출하는 HFCT 센서(90);
상기 외함부(10)의 내부 출입부에 설치되면서 고, 저압이 통전된 활선상태에서 상기 외함부(10) 내부로 진입하는 작업자로부터 발생되는 적외선 에너지를 검출하는 PIR 인체동작 감지센서(30);
상기 외함부(10)의 내부에 설치되면서 변성기 2차측으로부터 전압과 전류를 입력받아 미리 설정된 크기의 신호로 변환하기 위한 계기용 변류기(41)와 계기용 변압기(42)가 내장된 AI 유니트(40); 및
상기 외함부(10)의 내부 또는 외부에 설치되면서 상기 UHF 센서(20), HFCT 센서(90), PIR 인체동작 감지센서(30) 및 상기 AI 유니트(40)로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 분석하여 디스플레이하고, 설정된 기준치를 초과하면 경보 및 제어 기능을 수행하는 하이브리드 모니터링장치(50);
를 포함하고,
상기 UHF 센서(20)는 외함부(10) 내부에 3개 이상 설치되고, 상기 하이브리드 모니터링장치(50)는 3개 이상의 상기 UHF 센서(20)에서 감지되는 신호간의 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 통해 부분방전의 위치를 추정하며, 미리 저장된 전력기기의 위치데이터를 이용하여 추정된 결함위치 좌표를 매칭함으로써 부분방전이 발생한 전력기기를 판별하고,
상기 전력기기 위치데이터는, x, y, z축 좌표로 이루어지는 3차원 데이터로 이루어지고, 전력기기간의 경계 부분에 대한 영역이 전력기기의 실제 크기에 맞추어 설정되어 추정된 결함 위치 좌표를 통해 결함이 발생한 전력기기가 판별되도록 구성되며,
상기 HFCT 센서(90)는,
클램프 타입 형태로 이루어져 외함부(10) 내부 접지케이블(91)에 설치되도록 제작되고, 접지케이블(91)로 흐르는 1 ㎑ ~ 200 ㎒ 고주파 대역의 전자파 신호를 검출하여 이득(Gain)은 높이고 반사손실은 낮추도록 구성되고,
상기 PIR 인체동작 감지센서(30)는,
7 ~ 14㎛ 파장, 3 ~ 15V 동작전압, 가로 3 x 세로 4㎜ 투시창, 2개의 초전소자로 이루어진 듀얼타입의 프로브(31)로 구성되며,
상기 프로브(31)에는,
투시창 전면에 프레넬 렌즈(32)가 부착되고,
상기 프레넬 렌즈(32)는 소정 지름을 가지는 원통 모양의 베이스; 및
소정 지름을 가지는 구 형상의 렌즈부;
로 구성되고,
상기 베이스부와 렌즈부는,
서로 나사 조립되어 상기 프로브(31)의 투시창 전면과 렌즈부의 거리가 조절되도록 구성되며,
상기 하이브리드 모니터링장치(50)는,
제1 RF 모듈부1(51A), 제2 RF 모듈부(51B), DI 입력부(52), A/D 컨버터부(53), RS485부(54), CPU부(55), MMI부(56), 출력부(57) 및 통신부(58)를 포함하고,
상기 제1 RF 모듈부(51A)는,
LNA Protector(A), Low Noise Amplifier(LNA, B), High Pass Filter(HPF, C), Band Stop Filter(BSF, D) 및 Low Pass Filter(LPF, E)로 구성되며,
상기 UHF 센서(20)로부터 입력된 부분방전 신호가 LNA Protector(A)를 거쳐 Low Noise Amplifier(LNA, B)에서 신호 증폭된 후 1차로 500㎒ High Pass Filter(HPF, C)를 이용하여 저주파 백그라운드 노이즈가 제거되고, 2차로 Band Stop Filter(BSF, D)를 이용하여 휴대폰 대역의 상용 통신 주파수가 제거되며, 3차로 Low Pass Filter(LPF, E)를 통해 1500㎒ 이상의 고주파 신호가 제거된 후 최종 500 ~ 1500㎒ 대역의 신호가 PRPD 진단기법으로 진단되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반.
- 청구항 1에 있어서,
상기 UHF 센서(20)는,
한 쌍의 도체가 중심으로부터 나선형으로 퍼지는 형상으로 이루어져, 외측으로 진행될수록 상대적으로 폭이 넓어지는 구조의 로그 스파이럴(Log-spiral) 안테나(21)로 제작되고, 전력기기 부분방전 발생시 방사되는 0.3 ~ 3.0 ㎓ 초고조파 대역의 전자파 신호를 검출하여 이득(Gain)은 높이고 반사손실은 낮추도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 AI 유니트(40)는,
3개의 계기용 변류기(41)와 3개의 계기용 변압기(42)를 포함하고, 외부에 설치된 변성기 2차측으로부터 입력되는 0 ~ 5A 전류와 0 ~ 110V 전압이 상기 하이브리드 모니터링장치(50) 내부에 구성된 A/D 컨버터부(53)에서 인식 가능한 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반.
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|---|---|---|---|
| KR1020220107215A KR102491071B1 (ko) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반 |
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| KR1020220107215A KR102491071B1 (ko) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 전력기기 열화상태 진단 및 활선부 감전사고 예방 기능이 구비된 하이브리드 모니터링장치 내장형 수배전반 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2022-08-26 KR KR1020220107215A patent/KR102491071B1/ko active IP Right Grant
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