KR102582038B1 - 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및 온도 유지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 장치는, 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 축전지의 온도를 높이기 위한 히팅부; 상기 축전지의 온도를 낮추기 위한 냉각부; 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라, 상기 히팅부 또는 냉각부를 소정 시간 동안 가동시키는 항온 제어부를 포함할 수 있다.

Description

개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및 온도 유지 방법{SWITCHGEAR STORAGE BATTETY TEMPERATURE MAINTAINING APPRATUES AND TEMPERATURE MAINTAINING METHOD}
본 발명은 개폐기 등 전력 분야에서 기계적 스위칭 수단들을 구동시키는 전력을 저장하는 축전지를 최적의 온도로 유지시키기 위한 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 축전지는 충전 가능한 2차 전지로서, 이를 전원으로 이용하는 기기를 사용하기 위해서는 먼저 충전기를 이용하여 축전지에 전력을 충전시킨 후, 부하로 충전된 전원을 공급하여야 한다. 상기 축전지는 충전종지전압과 방전종지전압 사이에서 운영되는데, 축전지를 방전종지전압까지 사용한 다음 충전종지 전압까지 충전하여 사용하는 것이 바람직한 사용방법이다.
전력 분야에서 대전류를 on/off 시키는 스위칭 수단들은 자동/수동에 의해 접점이 붙었다 떨어졌다 하는 기계적 구조를 가진다. 이러한 스위칭 수단들은, 부하측에 어떤문제가 발생했을때 사고의 확대를 방지하기위해 전기의 공급을 차단하는 차단기, 전기를 넣었다 뺏다하는 스위치로서 용량이 큰 스위치인 개폐기, 릴레이 개념으로 자동 시??스의 개념을 가지며 제어를 필요로 하는 ON/OFF 기능을 가지는 계전기의 형태로 구분할 수 있다.
이하, 설명에서는 전력 분야 스위칭 수단의 대표적인 개폐기로 구체화하여 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않고, 전력 분야 스위칭 수단들을 포함함은 물론이다.
개폐기의 축전지는 개폐기의 투입, 개방 조작과 컨트롤러의 제어기능, 배전 자동화에 따른 통신기능, 축전지 자기 방전 등으로 방전되고, 축전지는 방전된 전기량을 반드시 충전 해주어야 연속적으로 개폐기의 운전을 가능하게 한다.
도 1은 축전지의 온도와 부하가 충전 용량에 끼치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 2는 온도에 따른 축전지 효율을 나타낸 그래프이다.
최근의 추세는 배전용 개폐기와 보호기기에 제어함과 단말장치를 통해 정전시 자동조작가능하며, 전기품질 향상을 위하여 전체 배전 개폐기에 대해 자동화 확충 추진 중이다. 또한, 외부전원 상실(정전)시 축전지 단독운전을 통한 개폐기 원격조작 구현을 시도하고 있으나, 외부환경에 노출되어있는 개폐기 내 축전지에 대한 보온 장치가 없으며, 극저온에 의한 축전지 급속방전으로 개폐기 원격조작 불가하여 정전시간 증가하며, 저온과 고온에서 충방전이 수시로 반복되는 환경에서 축전지 수명이 감소하게 된다.
하기 표 1은 강원도의 주요 지점별 역대 최저기온에 대한 관측 자료이다.
특히, DAS 축전지 운영현황은, 현재 사용중인 상태에서 축전지 동작특성은 기온에 큰 영향을 받으며, 영하의 온도에서 20~50% 수준으로 급격하게 감소하며, 동계 ~ 해빙기 기간동안 가스개폐기, 자기제애자, 설해목 등 취약고장 다발 우려가 있어 DAS 축전지에 대한 관리가 필요함을 알려주고 있다.
최근 발생된 사고 사례에서도, 개폐기 On/Off 제어명령 후 지상개폐기 장애가 발생되었으며, 원격 투개방 시 순간적인 구동 피크 전류 부족 및 단말장치 리셋되었는데, 이는 축전지 노후 및 한파(-16°C)에 의한 축전지 방전이 원인으로 추정된다.
게다가, 건조기 동안 차단기 재폐로 차등운전에 따른 축전지 단독운전 급증하고 있다. 산불예방을 위해 11월~5월(약 7개월간) 산지경과 및 주변선로의 전원측 차단기(CB,R/A) 400대를 재폐로 횟수 축소 운영 중이며, 재폐로 정지 중 고장발생시 제어용 외부전원 상실 및 축전지 단독운전 발생, 단독운전 상태에서 축전지 불량시 제어불가(통신장애) 및 FI 미발생의 우려가 있다.
비용 측면에서 개폐기를 위한 축전지로서 납축전지가 널리 사용되는데, 납축전지의 수명예측 불가 및 예방점검 한계 존재한다. 축전지 기대수명(3년)을 고려한 교체기준 부재하며, 축전지 불량의 81%가 제조 5년 경과분이며, 점검건수 대비 불량률이 13.3%(’19년 기준)에 달하는 등 축전지 기대수명 초과 설비의 고장빈도가 높음에도 불구하고, 점검기준에 의해서만 교체가 가능하여 선제적인 예방보수가 불가능한 실정이다.
대한민국 등록특허 10-1803880호 : 자동부하 전환개폐기
본 발명은 개폐기용 축전지를 최적 효율의 온도에서 유지시킬 수 있는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및 온도 유지 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 장치는, 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 축전지의 온도를 높이기 위한 히팅부; 상기 축전지의 온도를 낮추기 위한 냉각부; 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라, 상기 히팅부 또는 냉각부를 소정 시간 동안 가동시키는 항온 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 항온 제어부는, 측정된 상기 온도가 하한 온도 보다 낮으면, 축전지를 제1 시간 동안 히팅하고, 측정된 상기 온도가 상한 온도 보다 높으면, 축전지를 제2 시간 동안 냉각할 수 있다.
여기서, 상기 히팅부는, 상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 발열되는 히팅 소자로서 히팅 저항; 및 상기 히팅 저항으로의 전력 공급을 on/off하는 히팅 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 냉각부는, 상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 상기 축전지가 설치된 공간의 온도를 낮추는 냉각 팬; 및 상기 냉각 팬으로의 전력 공급을 on/off하는 냉각 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 항온 제어부는, 상기 상한 온도를 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정할 수 있다.
여기서, 상기 항온 제어부는, 개폐기의 현재 접점 상태에 따라 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도 중 하나 이상을 다르게 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 방법은, 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 온도가 하한 온도 보다 낮으면, 축전지를 제1 시간 동안 히팅하는 단계; 및 측정된 상기 온도가 상한 온도 보다 높으면, 축전지를 제2 시간 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 개폐기의 접점 상태를 인식하는 단계; 및 상기 접점 상태에 따라, 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도 중 하나 이상을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 축전지를 제2 시간 동안 냉각하는 단계에서는 냉각팬을 가동시키며, 상기 상한 온도는 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및/또는 온도 유지 방법을 실시하면, 외부 온도와 무관하게 기계식 개폐기의 원할한 동작 환경을 확보할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및/또는 온도 유지 방법은, 축전지 수명 증가를 통한 교체주기 감소, 그에 따른 비용 절감의 이점이 있다.
본 발명의 개폐기용 축전지 온도 유지 장치 및/또는 온도 유지 방법은, DAS 자동화 신뢰도 증가를 통한 정전 시간을 감소시키며, 축전지 생산 및 폐기로 인한 환경 오염을 예방하는 이점이 있다.
도 1은 축전지의 온도와 부하가 충전 용량에 끼치는 영향을 나타낸 그래프.
도 2는 온도에 따른 축전지 효율을 나타낸 그래프.
도 3a는 DAS 개폐기 장치들에 대한 정상 선로 상태의 전원 공급도.
도 3b는 DAS 개폐기 장치들에 대한 정전 발생 선로의 전원 공급도.
도 4는 지상개폐기가 설치된 상태의 개폐기함 내부를 나타낸 사진.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 3a는 DAS 개폐기 장치들에 대한 정상 선로 상태의 전원 공급도이며, 도 3b는 DAS 개폐기 장치들에 대한 정전 발생 선로의 전원 공급도이다.
정상 상태에서는 배전선로를 통해 공급되는 계통의 전원으로 축전지(예: 정격 용량 24V, 40Ah의 납축전지)를 충전시키고 있으며, 정전이 발생되면 계통으로부터의 전원이 끊겨도 축전지에 충전된 전력으로 제어부, FRTU, 모뎀 등에 구동 전원을 공급한다. 이때, FRTU가 리셋되더라도 모뎀전원은 살아있게 된다.
도 4는 지상개폐기가 설치된 상태의 개폐기함 내부를 나타낸 것이다.
도시한 상태는 도어가 개방된 상태이며, 도어가 닫힌 상태에서는 배터리가 내부의 공간에 위치하게 됨을 알 수 있다. 도시한 경우 배터리는 겨울에는 지상의 냉기로 인하여 쉽게 냉각되며, 여름에는 밀폐된 내부 공간에 의한 각종 장비의 발열로 인해 쉽게 온도가 상승할 수 있다.
본 발명에서는, 특히 지상개폐기 외함 부착형 BMS시스템 도입을 통해, 가혹한 외부 환경에서 개폐기의 축전지 주변온도를 조절하여 정전 시간 감소, 축전지 수명 증가를 통한 비용감소 및 환경보호를 실현하고자 한다. 예컨대, 밀폐형 납축전지의 spec상 적정온도는 25°C가 기준으로서, 적정온도와 유사하게 맞춰주면서도, 비용을 적게 유지하는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치를 제안한다.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 장치의 일 실시예를 도시한다.
도시한 개폐기용 축전지 온도 유지 장치는, 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 온도 측정부(110); 상기 축전지의 온도를 높이기 위한 히팅부(160, 170); 상기 축전지의 온도를 낮추기 위한 냉각부(180, 190); 및 상기 온도 측정부(110)에서 측정된 온도에 따라, 상기 히팅부(160, 170) 또는 냉각부(180, 190)를 소정 시간 동안 가동시키는 항온 제어부(140)를 포함할 수 있다.
상기 항온 제어부(140)는, 축전지의 원할한 동작을 보장할 수 있는 온도 구간으로서, 상기 온도 구간의 하한 온도와 상기 온도 구간의 상한 온도를 설정하고, 측정된 상기 온도가 하한 온도 보다 낮으면, 축전지를 제1 시간 동안 히팅하고, 측정된 상기 온도가 상한 온도 보다 높으면, 축전지를 제2 시간 동안 냉각한다.
상기 온도 측정부(110)는 축전지에 접하여 축전지 제품의 온도를 직접 측정하거나, 축전기가 배치된 실내 공간 예컨대, 개폐기함 내부 기온을 측정할 수 있다. 전자의 경우 제어가 보다 정확해지는 장점이 있고, 후자의 경우 구현이 용이하고 비용이 저렴하고 다른 용도로도 내부 기온 측정값을 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 시간 및 제2 시간은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 일반적으로 에너지의 사용은 발열을 수반하여 발열의 효율이 더 높은 바, 이용하는 에너지 전부를 사용하여 발열시킬 수 있는 제1 시간이 보다 짧을 수 있다.
예컨대, 센서부인 상기 온도 측정부(110)에서 개폐기 함 내의 온도를 측정하여 제어부에 전달하면, 저온일 때 히팅 저항(170)에 전류를 흘려보내고 방열판 등을 이용해 축전지를 가열하고, 반대로 고온일 때, 냉각 팬(190)을 작동시켜 온도를 낮출 수 있다.
도 5에서는, 상기 히팅부(160, 170)는, 상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 발열되는 히팅 소자로서 히팅 저항(170); 및 상기 히팅 저항(170)으로의 전력 공급을 on/off하는 히팅 스위치(160)를 구비함을 알 수 있다.
마찬가지로, 상기 냉각부(180, 190)는, 상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 상기 축전지가 설치된 공간의 온도를 낮추는 냉각 팬(190); 및 상기 냉각 팬(190)으로의 전력 공급을 on/off하는 냉각 스위치(180)를 구비함을 알 수 있다.
다른 구현에서는, 상기 히팅 소자로서 상기 히팅 저항(170) 대신, 펠티어 소자나 냉매 사용 열교환기를 이용할 수 있다.
다른 구현에서는, 상기 축전지가 설치된 공간의 온도를 낮추는 냉각 소자로서 상기 냉각 팬(190) 대신, 펠티어 소자나 냉매 사용 열교환기를 이용할 수 있다.
한편, 히팅 저항(170)을 이용하는 발열의 경우 전기 에너지만 충분하고 개폐기함의 단열 수준이 받혀준다면 외부 온도와 무관하게 가열할 수 있지만, 냉각 팬(190)을 이용하는 냉각의 경우 아무리 장시간 가동시켜도 외부 온도 이하로는 냉각시킬 수 없다.
이러한 사정을 감안하여, 상기 항온 제어부(140)는, 상기 상한 온도를 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정할 수 있다.
상기 소정의 마진값은 1도 내지 2도일 수 있으며, 상기 표준 상한 온도는 축전지의 효율 및 수명에서 가장 바람직한 상한 온도일 수 있다.
한편, 축전지 온도 유지 장치가 설치되며, 정전시 상기 축전지가 구동 전력을 공급하게 되는 개폐기의 종류에 따라 상기 하한 온도 및/또는 상기 상한 온도를 다르게 설정할 수 있다.
일반적으로 개폐기는 전자석으로 기계적 접점을 가동시키는데, 그 용량이나 제조사에 따라 기계적 접점을 가동시키는데 필요한 전력량이 다르다.
상술한 기계적 접점을 가동시키는데 필요한 전력량이 작을수록 비교적 낮은 수준으로 유지되는 축전지로도 대응이 가능한 바, 상기 하한 온도부터 상기 상한 온도까지로 규정되는 최적 온도 범위가 넓어지며, 특히 하한 온도가 낮아진다.
또한, 개폐기 제품에 따라서는 기계적 접점을 연결(투입)할 때 필요한 전력량과, 기계적 접점을 분리(차단)할 때 필요한 전력량이 다를 수 있다. 이는 어느 한 방향으로는 용수철의 탄성력이 도움을 받을 수 있기 때문이다.
이 경우, 상기 항온 제어부는, 상기 개폐기의 현재 접점 상태에 따라 상기 하한 온도 및/또는 상기 상한 온도를 다르게 설정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 개폐기용 축전지 온도 유지 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 개폐기용 축전지 온도 유지 방법은, 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 단계(S110); 측정된 상기 온도가 하한 온도(10℃) 보다 낮으면(S120), 축전지를 제1 시간(10분) 동안 히팅하는 단계(130); 및 측정된 상기 온도가 상한 온도(35℃) 보다 높으면, 축전지를 제2 시간(10분) 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
구현에 따라 다양한 방식으로 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 기계적 접점을 연결(투입)할 때 필요한 전력량과, 기계적 접점을 분리(차단)할 때 필요한 전력량이 다른 경우, 개폐기의 현재 접점 상태를 인식하는 단계; 및 상기 현재 접점 상태에 따라, 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도 중 하나 이상을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 축전지를 냉각하는 단계에서는 냉각팬을 가동시키는 경우, 상기 상한 온도는 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 온도 측정부
140 : 항온 제어부
160 : 히팅 스위치
170 : 히팅 저항
180 : 냉각 스위치
190 : 냉각 팬

Claims (9)

  1. 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 축전지의 온도를 높이기 위한 히팅부;
    상기 축전지의 온도를 낮추기 위한 냉각부; 및
    상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라, 상기 히팅부 또는 냉각부를 소정 시간 동안 가동시키는 항온 제어부
    를 포함하고,
    상기 항온 제어부는,
    측정된 상기 온도가 하한 온도 보다 낮으면, 축전지를 제1 시간 동안 히팅하고, 측정된 상기 온도가 상한 온도 보다 높으면, 축전지를 제2 시간 동안 냉각하되,
    개폐기의 기계적 접점을 연결(투입)할 때 필요한 전력량과, 기계적 접점을 분리(차단)할 때 필요한 전력량이 다른 경우, 상기 개폐기의 현재 접점 상태에 따라 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도 중 하나 이상을 다르게 설정하는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히팅부는,
    상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 발열되는 히팅 소자로서 히팅 저항; 및
    상기 히팅 저항으로의 전력 공급을 on/off하는 히팅 스위치
    를 포함하는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 축전지 또는 계통에서 공급되는 전기 에너지로 상기 축전지가 설치된 공간의 온도를 낮추는 냉각 팬; 및
    상기 냉각 팬으로의 전력 공급을 on/off하는 냉각 스위치
    를 포함하는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 항온 제어부는,
    상기 상한 온도를 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정하는 개폐기용 축전지 온도 유지 장치.
  6. 삭제
  7. 축전지 또는 축전지가 설치된 공간의 온도를 측정하는 단계;
    측정된 상기 온도가 하한 온도 보다 낮으면, 축전지를 제1 시간 동안 히팅하는 단계; 및
    측정된 상기 온도가 상한 온도 보다 높으면, 축전지를 제2 시간 동안 냉각하는 단계를 포함하되,
    개폐기의 기계적 접점을 연결(투입)할 때 필요한 전력량과, 기계적 접점을 분리(차단)할 때 필요한 전력량이 다른 경우,
    개폐기의 접점 상태를 인식하는 단계; 및
    상기 접점 상태에 따라, 상기 하한 온도 및 상기 상한 온도 중 하나 이상을 변경하는 단계
    를 더 포함하는 개폐기용 축전지 온도 유지 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 축전지를 제2 시간 동안 냉각하는 단계에서는 냉각팬을 가동시키며,
    상기 상한 온도는 표준 상한 온도와 외부 온도에 소정의 마진값을 더한 온도 중 높은 온도로 설정되는 개폐기용 축전지 온도 유지 방법.









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