KR102652112B1 - 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치 - Google Patents

활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 정전시키지 않고도 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하는 측정기의 신뢰성을 확보하기 위한 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 활선상태에서 피뢰기 1차전압을 정전유도하여 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 측정함으로서 활선정전 상태에서 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하여 측정기의 신뢰성 확보와 편리성을 추구하는 효과가 있다.

Description

활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치{Device for measuring the effective leakage current of a lightning arrester in a live state}
본 발명은 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전시키지 않고도 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하는 측정기의 신뢰성을 확보하기 위한 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
피뢰기는 전력계통에 침입하는 뇌서지, 개폐서지, 일시적 과전압 등의 전기적 에너지를 흡수하여 전송선로 및 발
Figure 112021082461626-pat00001
변전기기를 보호하는 중요한 전력기기 중의 하나이다. 배전선로 피뢰기는 평상시 전선로가 건전한 상태에서는 피뢰기가 절연상태이지만 뇌, 서어지 등이 전선로에 유입되어 제한전압이상의 전압이 선로에 인가되면 피뢰기가 도통상태가 되어 속류(뇌전류)를 대지로 흘려 선로의 전압을 낮추어 연결된 기기의 절연파괴를 방지하는 기능을 하고 있으며 전압이 정격전압 이하로 낮아지면 절연상태를 유지하여 선로가 건전한 상태로 유지하는 기기이다.
따라서 구조가 보다 컴팩트화되고, 제조상의 편리함과 더불어 과도전압에 대한 응답시간이 매우 빨라 과도현상이 없으며, 속류가 거의 흐르지 않는다는 장점을 가지고 있다. 반면에 뇌서지 및 스위칭서지에 의한 스트레스뿐만 아니라 상시 전용 전원에 노출되어 있어 미소 누설전류가 흐른다.
피뢰기의 열화 진단 기술에는 피뢰기의 동작개시전압, 제한전압, 손실전력, 누설전류, 정전용량 등을 측정하는 것이 일반적이다. 종래, 한국공개특허 제2004-0061774호, '누설전류 파고분석에 의한 피뢰기의 열화진단 측정장치'에 의하면, 피뢰기의 누설전류를 측정하는 변류기와, 상기 변류기에서 검출된 누설전류신호를 받아서 처리하는 신호처리기와, 전압을 분배해서 출력하는 전압분배기와, 대기 온도를 검출하는 대기온도센서와, 상기 신호처리기의 차동증폭수단에서 차동증폭되어 출력되는 누설전류의 증폭신호를 누설전류 출력단자를 통해 받으며, 전압분배기에서 출력되는 분배된 전압을 받음과 동시에, 상기 대기온도센서에 의해 검출된 대기온도신호를 각각 받아서 디지털신호로 변환하는 데이터 취득수단과, 상기 데이터 취득수단에서 출력되는 디지털화된 증폭된 누설전류, 전원전압의 위상과 대기온도 데이터를 받아서 내장된 알고리즘에 따라 연산처리하여 피뢰기의 열화를 판단하는 퍼스널 컴퓨터를 구비하고 있다.
종래의 SnO를 주성분으로 한 특성요소와 직렬갭을 가진 피뢰기가 모두 ZnO피뢰기로 대체되어 가고 있다. 특히, 산화아연(ZnO) 피뢰기는 우수한 서지 보호특성을 가지고 있어 현재 급속도로 전력시스템에 적용되고 있으며, 우수한 비선형 저항특성 때문에 직렬갭의 제거를 가져왔다. ZnO피뢰기의 내부특성은 제조시 피뢰기의 구조에 따른 C(케패시터)성분과 피뢰기 누설저항과 오염에 의한 표면누설저항이 있으나, 장기간 사용에 따른 소자의 열화에 의해 특성요소에서 누설전류가 발생하여 피뢰기가 폭발하는 특징이 있다. 피뢰기의 누설전류는 지속사용에 따라 도 1에 도시된 바와 같이, Ic성분은 거의 일정하나 Ir성분은 초기에는 적지만 열화, 오손에 따라 저항성 누설전류가 커지게 된다. 하지만 피뢰기의 누설전류는 mA단위 이하로 크기가 적어 기존 방식의 접지선 누설전류방식(Ir+Ic) 방식으로는 양부판정에 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 고안한 것으로, 정전시키지 않고도 활선상태에서 정전유도기를 통해 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 피뢰기의 유효성 누설전류를 측정하는데 목적이 있다.
본 발명의 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 활선상태에서 피뢰기 1차전압을 정전유도하는 정전유도기; 및 상기 정전유도기를 통해 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하는 측정기;를 포함하는 것을 일 측면으로 한다.
바람직하게 정전유도기는 R상, S상, T상 중 어느 한 상에 정전유도전압을 유기시킨다.
바람직하게 측정기는 내장된 정전유도센서에 의해 전압위상을 검출하는 검출부; 및 상기 전압위상과 동상성분인 전류만을 필터링하여 유효성누설전류, 충전전류, 전체누설전류를 산출하는 계측부;를 포함한다.
그리고 바람직하게 측정기는 정전유도전압이 R상, S상, T상 중 가장 큰 상과 비교하여 나머지 상의 전압을 필터링하는 필터링부;를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 활선상태에서 피뢰기 1차전압을 정전유도하여 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 측정함으로서 활선 상태에서 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하여 측정기의 신뢰성 확보와 편리성을 추구하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 접지선 누설전류방식으로 피뢰기의 누설전류를 열화 또는 오손에 따른 저항성 누설전류 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치(10)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치를 적용한 사례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치에서 유도된 R상, S상, T상의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 피뢰기 오염 또는 열화 등에 따른 누설전류 진단을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 3상 3선의
Figure 112021082461626-pat00002
결선의 등가회로와 부하의 하나를 제외한 V결선을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치(10)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 정전유도기(100), 측정기(200)를 포함한다.
정전유도기(100)는 활선 상태에서 R상, S상, T상 중 어느 한 상에 피뢰기 1차 전압을 정전유도하는 구성이다. 이러한 기능을 수행하기 위한 정전유도기는 R상, S상, T상 중 어느 한 상에 정전유도전압을 유기시킨다.
측정기(200)는 정전유도기를 통해 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정한다. 이러한 기능을 수행하기 위한 측정기(200)는 검출부(210), 계측부(220), 필터링부(230)를 포함한다.
검출부(210)는 정전유도기를 통해 유도된 전압을 내장된 정전유도센서에 의해 전압위상으로 검출한다.
계측부(220)는 검출부를 통해 검출한 전압위상과 동상성분인 전류만을 필터링하여 유효성 누설전류, 충전전류, 전체누설전류를 산출한다. 여기서, 전압위상과 동상성분에 해당하는 전류로 유효성 누설전류, 충전전류, 전체누설전류를 산출하는 과정은 공지의 기술을 이용할 수 있다.
본 실시예에 따른 측정기의 필터링부(230)는 R상, S상, T상 중 정전유도전압이 가장 큰 상과 비교하고, 가장 큰 상의 전압을 두고 나머지 상의 전압을 필터링한다. 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 정전유도전압이 가장 큰 상과 비교하여 나머지 상의 전압을 필터링하는 이유를 설명하면, 예를 들어 R,S,T상 중 S상에 유기된 전압은 정전유도센서와 가까운 상(S상)은 큰 전압이 유기되지만 거리가 떨어진 상(T상,R상)은 작은 전압이 유기되기 때문에 Igr(저항성 누설전류)의 검출은 전압이 가장 큰상과 비교하며 기타의 전압은 필터를 사용하여 버림으로써, 측정기의 신뢰성을 확보하는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 전류원에서 상용전류 60Hz의 간섭을 피하기 위해 소수의 주파수(17,23,27,... Hz)를 인가한다. 본 실시예에 따른 필터링부는 사이리스터 부하기기 등의 노이즈필터(대부분 L-C조합)에서 상시 흐르는 누설전류를 배제하기 위해 전류중첩을 시행한다. 측정기는 전압과 위상비교하여 동상성분의 부하누설전류(ILR)를 검출하여 절연저항을 측정한다(R=V/ILR). 본 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 IP(전원유입전류)와 전류원의 전압으로 전원측 접지저항을 측정한다(회로의 전임피던스=전류원전압/IP). 여기서, IP=I(전류원)-IL(부하누설전류), 회로의 임피던스=선로임피던스+선로의 다중접지저항/선로임피던스 생략가능)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치를 적용한 사례를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 동작을 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 누설전류는 클램프 테스트로 측정한다. 정전유도전압은 클램프 테스트 코어에 내장된 정전유도센서를 이용하여 전압을 유기시킨다. 유기된 전압은 정전유도센서와 가까운 상(S상)은 큰 전압이 유기되지만 거리가 떨어진 상(R상,T상)은 작은 전압이 유기된다. 따라서 Igr의 검출은 전압이 가장 큰상과 비교하며 기타의 전압은 필터를 사용하여 버린다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 R상, S상, T상을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 정전유도기가 정전유도를 시킨 결과를 확인하기 위해 S상에 클램프를 걸어 R상, S상, T상을 그래프로 나타낸 것이다. 이러한 S상에 가장 큰 파형이 유도되고, R상과 T상은 작게 유도된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 피뢰기 오염 또는 열화 등에 따른 누설전류 진단을 나타낸 도면이다. 도 5의 벡터도와 같이, 전체 전류의 변화는 적은데 저항성 누설전류의 변화가 크게 되어 Igr과 Igc의 벡터합에 따른 충전전류 성분이 크게 된다. 이때, 정상상태인 Igr에서 Igr1은 누전상태를 나타낸다. 피뢰기가 오염시에도 I0값은 I01으로 약간 증가하지만 저항성 누전전류(Igr) 값은 Igr1으로 몇배가 증가함으로 정확한 피뢰설비의 누설전류 진단을 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 활선 상태에서 피뢰기 1차 전압을 정전유도하는 정전유도기와, 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하는 측정기를 포함하는 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치인 클램프를 S상에 전압유도와 전류유도를 걸어주면, T상과 R상은 거리에 따라 전압의 크기가 결정되어 S상보다 작게 유도된다. 즉, 도 4에 도시된 그래프와 같이, S상에 클램프를 걸어 정전유도를 시킨 결과, S상에 가장 큰 파형이 유도되고, R상과 T상은 작게 유도된다. 이를 도 5의 벡타도로 적용하면, 따라서 Igr의 검출은 전압이 가장 큰상과 비교하며 기타의 전압은 필터를 사용하여 제외시키고, 정전유도기를 통해 유도된 전압을 내장된 정전유도센서에 의해 전압위상으로 검출한다. 검출한 전압위상과 동상성분인 전류만을 필터링하여 유효성 누설전류, 충전전류, 전체누설전류를 산출한다.
본 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 측정기에서 검출된 전압 기준 위상과 누설전류의 벡터정보의 제로 크로싱 위상차를 연산하여 유효 누설전류를 측정할 수 있다. 누설전류 측정은 용량성 누설전류(Igc)와 저항성 누설전류(Igr)의 벡터합의 위상차를 산출하기 위해 기준 전압의 제로 크로싱 포인트와 영상전류의 제로 크로싱 포인트의 차이를 시간 카운트로 검출하여 위상차를 연산할 수 있다. 또한 다른 예로서, 누설전류 측정하기 위한 측정기는 벡터합의 위상차를 산출하기 위해 기준 전압의 제로 크로싱 포인트와 영상전류의 제로 크로싱 포인트의 차이를 위상 카운트로 검출할 수 있다. 전압 기준 위상의 제로 크로싱은 기준 위상의 Negative edge 또는 Positive edge를 기준으로 하며, 영상전류의 제로 크로싱은 영상전류의 크기가 -에서 +로 또는 +에서 -로 변하는 구간의 시간이나 위상을 카운트로 검출하여 위상차 연산에 사용한다.
피뢰기는 열화 오손으로 인한 정전사고가 많아 한전 배전선로도 감사원 감사에서 지적된 것처럼 「배전선 내뢰기준」(DS-3800) 및 「배전시공편람」등의 규정에 따른 수량보다 훨씬 적게 설치되었는데, 이는 피뢰기 설치 시 피뢰기 자체사고로 인한 정전피해와 미설치에 따른 낙뇌사고의 가치가 충돌되는 사항이어서 뇌서어지 피해를 방치하고 있는 실정이지만 본 실시예와 같이 정확도가 높고 신뢰성있는 피뢰기 진단장치가 개발되면 피뢰기의 정확한 관리로 낙뢰사고를 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 저항성 전류성분과 유도성 성분은 설비 피뢰기 만드는 구조상 유도되는 성분으로 저항성 성분의 차이를 검출해서 피뢰기가 노후됐는지 알 수 있다. 즉, 피뢰기 누설전류를 Igc(용량성 누선전류)성분과 Igr(저항성 누설전류)성분을 분해하기 위해서 정전상태에서 기기를 철거하여만 가능하나, 활선상태에서 피뢰기 1차전압을 정전유도하여 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 측정함으로서 활선정전 상태에서 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하여 측정기의 신뢰성 확보와 편리성을 추구하는 효과가 있다.
본 실시예에 따른 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치는 도 5의 I0방식으로 단상 3선의 경우, R상, T상의 누설전류의 벡터합의 스칼라 양으로 감시한다. 단상 3선 방식은 예를 들어, R상과 T상의 전압위상에 180도의 위상차가 있기 때문에 저항성분 전류, 용량성 전류 모두 상쇄된다. 따라서, R상, T상에서 동시에 절연 불량이 발생한 경우의 누설전류(I0)는 각각의 차의 벡터합이 된다. I0r방식은 연상 2선 방식과 같이 R상 또는 T상의 대지 전압과 I0의 위상차를 검출하고 다음의 식으로 구한다. I0r=I0 * cos
Figure 112021082461626-pat00003
. 이러한 방식은 비접지상이 동시에 절연 불량이 일어나지 않는다는 전제에서 성립된다. 또한 동시에 절연 불량이 발생한 경우 그 조건에 의해 I0r치가 증가하지 않고 감소하는 경우가 있다. 도 7은 3상 3선의
Figure 112021082461626-pat00004
결선의 등가회로와 부하의 하나를 제외한 V결선을 나타낸 도면이다. 3상 3선의 경우, I0방식은 I0의 크기로 절연상태를 감시한다. I0r방식은 비접지상의 대지 정전용량이 같은 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 용량성 전류는 3상 3선의 특정 a상 대지전압 위상에서 120도 진행한다. 특정 a상에서 절연 불량이 일어나면 I0r방식은 I0의 크기와 a상 대지 전압과의 위상차(
Figure 112021082461626-pat00005
)를 계측해서 다음의 식으로 구한다. I0r=I0*sin(120-
Figure 112021082461626-pat00006
)/sin60. 비접지상의 대지 정전 용량이 같을 때는 위상차가 120도이기 때문에 I0r=0이 된다. 또 sin60에서의 계산은 전압 위상과 동상분 변환이다. 이 방식은 비접지상의 대지 정전용량이 같다는 전제에서 성립되며 정전용량 불평형일 때는 불평형분이 유효분 전류로서 계측된다. 정전용량 불평형 전로에서 절연 불량이 일어나면 유효분 전류가 증가할 뿐 아니라 감소하는 일이 있다.
도 8은 3상 3선의 경우 Y결선의 누설전류 흐름을 나타낸 것이다. 도 9는 도 8의 누설전류 벡터도를 나타낸 것이다. 도 8에 도시된 3상 3선 Y결선의 등가회로와 도 9의 누설전류 벡터도를 살펴보면, I0=I01+I02+I03가 된다. 각 상의 대지 절연저항이 충분히 높고 또한 대지 정전용량이 평형인 경우는 I0=0이 된다. 보통은 정전용량 불평형에 의해 I0가 발생한다.
본 실시예에 따른 Igr방식은 접지전에 저항 또는 전자 결합에 의해 상용 주파수와 다른 절연감시용 전원을 감시 선로의 대지 간에 중첩하는 것이다. Igr방식의 감시 등가회로는 도 10에 도시된 것과 같다. 도 10은 Igr방식의 감시 등가회로를 나타낸 것이다. 도 10의 등가회로를 누설전류 회로로 바꾸면 도 11이 된다. 누설전류는 상용 주파수분과 감시전원 주파수분(Ig)가 된다. 여기서, 누설전류에서 감시전원 주파분을 추출하면 감시 선로 각 상의 대지 간 임피던스는 감시 전원을 전원으로 하는 단상 회로로 바뀐다. 도 12는 도 11의 벡터도이다. 유효분 전류(Igr)는 감시전원 위상과 Ig의 위상차
Figure 112021082461626-pat00007
에서 다음과 같이 구한다. Igr=Ig*sin
Figure 112021082461626-pat00008
*(V/V0). 여기서, V/V0는 대지전압 환산계수이다. Igr방식은 등가회로에서 접지상의 절연도 감시 대상이고, 변압기 결선에 제한을 받지 않으며, 각 상의 대지 절연저항은 병렬치로 계측 및 감시된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.
100 : 정전유도기
200 : 측정기
210 : 검출부
220 : 계측부
230 : 필터링부

Claims (4)

  1. 활선 상태에서 피뢰기 1차 전압을 정전유도하는 정전유도기; 및
    상기 정전유도기를 통해 유도된 전압과 동상성분 전류만을 추출하여 피뢰기의 저항성 누설전류를 측정하는 측정기;를 포함하며,
    상기 측정기는 R상, S상, T상 중 정전유도전압이 가장 큰 상과 비교하여 나머지 상의 전압을 필터링하는 필터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정전유도기는 R상, S상, T상 중 어느 한 상에 정전유도전압을 유기시키는 것을 특징으로 하는 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정기는 내장된 정전유도센서에 의해 전압위상을 검출하는 검출부;
    상기 전압위상과 동상성분인 전류만을 필터링하여 유효성 누설전류, 충전전류, 전체누설전류를 산출하는 계측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활선상태에서 피뢰기 유효성 누설전류를 측정하기 위한 장치.
  4. 삭제
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