KR200465727Y1 - 지중 급전케이블의 전기절연 감시 시스템 - Google Patents

지중 급전케이블의 전기절연 감시 시스템 Download PDF

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KR200465727Y1 KR2020120000555U KR20120000555U KR200465727Y1 KR 200465727 Y1 KR200465727 Y1 KR 200465727Y1 KR 2020120000555 U KR2020120000555 U KR 2020120000555U KR 20120000555 U KR20120000555 U KR 20120000555U KR 200465727 Y1 KR200465727 Y1 KR 200465727Y1
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조동호
정구호
신승용
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재단법인 기초전력연구원
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Abstract

본 고안의 일 실시예에 따르면, 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템에 있어서, 일측은 접지되고 타측은 급전케이블에 연결된 직류전원; 상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 급전케이블에서 흐르는 교류전류가 상기 직류전원으로 흐르는 것을 차단하면서 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로는 직류 전류가 흐르도록 하는 인덕터; 및 상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로 흐르는 직류전류를 측정하는 직류전류 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템을 제공한다.

Description

지중 급전케이블의 전기절연 감시 시스템{ELECTRIC INSULATION MONITORING SYSTEM OF GROUND FEEDING CABLE}
본 고안의 실시예는 전기절연 감시 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온라인 전기자동차용 지중 급전케이블에서 케이블의 대지 절연상태를 감지하여 절연상태가 불량한 경우 경보를 울리거나 급전케이블을 전원에서 차단시키는 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 고안의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
현재의 자동차는 화석연료를 사용하기 때문에 CO2를 포함한 온실 개스를 방출하기 때문에 앞으로는 전기자동차로 대체될 예정이다. 그러나 현재 개발되고 있는 전기자동차는 많은 수의 배터리가 필요하기 때문에 수명이 끝난 배터리의 폐기가 또한 큰 문제로 대두되고 있으므로 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 근래에 무선 전력전송방식의 전기자동차가 개발되고 있다. 우리나라에서도 온라인 전기버스를 개발하여 시험 운전을 하고 있으며 앞으로 국내의 여러 곳에 온라인 전기버스를 상용화할 예정이다.
일반적인 온라인 전기자동차용 지중 급전시스템의 구성을 도시한 도 1을 참조하면, 온라인 전기자동차용 지중 급전시스템은 전원(1), 직열 콘덴서(2) 및 급전케이블(3)로 구성되어 있다. 전원(1)은 일반적으로 20KHz 고주파 단상 교류이며 접지가 되어 있지 않다. 직렬 콘덴서(2)는 급전 시스템이 직열공진 상태가 되도록 하여 전원(1)의 전압이 낮아도 급전케이블(3)에 많은 전류가 흐를 수 있게 한다. 급전케이블(3)은 단심 고압 케이블을 도로를 따라 'ㄷ‘ 자 형으로 지중에 매설한 구조로 되어 있다. 급전케이블(3)은 자동차 도로 표면에서 보통 10~20[cm] 깊이에 매설되어 있고 왕복선의 간격은 보통 1[m] 내외 이다. 급전시스템은 직렬공진회로 이기 때문에 전원(1)의 전압이 수 백 볼트이라도 급전케이블(3)의 시작점(p)과 끝점(n) 사이에는 수 천 볼트의 높은 전압이 발생할 수 있다.
전원(1)은 직열 콘덴서(2)를 통하여 급전케이블(3)에 연결되어 있어 급전케이블(3)에 전류 Ic(도 1 참고)를 공급한다. 급전케이블(2)의 절연 상태가 양호한 경우에는 급전케이블(3)로부터 대지로 흐르는 누설전류가 없어 전원(1)에 흐르는 전류 Is(도 1 참고)는 급전케이블(3)에 흐르는 전류 Ic와 같다.
그런데, 급전케이블(3)이 열화하여 도 2에서와 같이 급전케이블(3)의 a점과 대지의 c점 사이의 절연저항 값이 Ra가 된 경우, 전원(1)이 접지되어 있지 않기 때문에 대지로 누설전류가 흐르지 않는다. 또한 도 3에서와 같이 급전케이블(3)의 b점과 대지의 d점 사이의 절연저항 값이 Rb가 된 경우도, 전원이 접지되어 있지 않기 때문에 대지로 누설전류가 흐르지 않는다.
그러나 도 4에서와 같이 급전케이블(3)의 a점과 대지의 c점 사이의 절연저항 값이 Ra가 되고, 동시에 급전케이블(3)의 b점과 대지의 d점 사이의 절연저항 값이 Rb가 된 경우에는 급전케이블(3)의 a점에서 대지의 c점과 d점을 거쳐 급전케이블(3)의 b점으로 누설전류 Ig가 흐른다. 대지의 c점과 d점 사이의 대지저항이 Rg이면 Ig는 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Ig = Vab / [Ra + Rg +Rb]
여기서 Vab는 급전케이블(2)의 a점과 b점 사이의 전압이다.
그리고 대지의 c점과 d점 사이에 나타나는 전압 Vg는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Vg = Rg * Ig = Vab * Rg / [Ra + Rg +Rb]
대지의 c점과 d점 사이에 전압 Vg가 나타난 상태에서 사람이나 동물이 대지의 c점과 d점 사이에 서 있게 되면 사람이나 동물이 감전 되고 감전의 정도가 심하면 사망에까지 이르게 된다. 예를 들어, Vab=3000[V], Ra=5[Kohm], Rb=4[Kohm], Rg=1[Kohm] 이면 누설전류 Ig=300[mA]가 되고 대지의 c점과 d점 사이의 전압 Vg=300[V]가 되어 사람이나 동물에 위험한 전압이 된다. 따라서 사람이나 동물이 감전되지 않도록 급전케이블(3)의 절연열화가 감지되면 경보를 울리거나 급전케이블(3)을 전원(1)에서 차단하는 시스템이 필요하다.
도 4에서 전원(1)에 흐르는 전류 Is는 급전케이블(2)에 흐르는 전류 Ic와 대지로 흐르는 누설전류 Ig의 합이다. 즉, (Is = Ic + Ig)가 된다.
실제로 누설전류 Ig는 급전케이블(3)에 흐르는 전류 Ic보다 크기가 매우 작다. 따라서 전원(1)에 흐르는 전류 Is는 누설전류 Ig가 흐르면 그 크기가 약간 증가하는데 그것이 누설전류 Ig가 흘러서 증가한 것인지 급전케이블(3)에 흐르는 전류 Ic가 변화하여 증가한 것인지를 구분할 수 없다. 즉 전원(1)에 흐르는 전류 Is로는 누설전류 Ig가 얼마나 흐르는지를 알 수가 없다. 이것은 잘 알려진 비접지식 배전계통의 결점이다. 따라서 비접지식 배전방식은 인체 감전의 위험이 없을 정도의 낮은 전압에만 채용되고 있으며 누설전류를 검출하는 장치는 필요하지 않다. 그러나 온라인 전기자동차용 지중 급전시스템은 비접지식 배전방식인데 계통전압이 높기 때문에 인체 감전의 위험이 있어 급전케이블(3)의 열화를 검출하는 방법이 필요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 고안의 일 실시예는, 지중 급전케이블의 열화로 인하여, 대지에 사람이나 동물에 감전의 위험이 되는 전압이 발생하지 않도록, 급전케이블의 열화 상태를 감지하여 경보를 울리거나 급전케이블을 전원에서 차단하는 것에 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 고안의 일 실시예는, 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템에 있어서, 일측은 접지되고 타측은 급전케이블에 연결된 직류전원; 상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 급전케이블에서 흐르는 교류전류가 상기 직류전원으로 흐르는 것을 차단하면서 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로는 직류 전류가 흐르도록 하는 인덕터; 및 상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로 흐르는 직류전류를 측정하는 직류전류 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템을 제공한다.
상기 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템은, 상기 직류전류 센서에서 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 경보를 발하는 절연열화 경보기를 더 포함할 수 있다.
상기 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템은, 상기 직류전류 센서에서 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 상기 급전케이블을 상기 급전케이블의 전원으로부터 분리하는 절연열화 차단기를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 고안의 실시예에 의하면, 별도의 직류전원을 대지와 급전케이블 사이에 연결하여 급전케이블에서 대지로 흐르는 직류전류를 감시함으로서 급전케이블의 절연상태를 상시 관찰할 수 있게 하는 효과가 있다.
직류전원에서 급전케이블로 흐르는 직류전류가 점차 증가하면 급전케이블의 절연상태가 점차 열화하여 열화가 어느 정도 진행되면 급전케이블을 미리 교체하여 급전케이블의 불시정전으로 오는 혼란을 예방할 수 있다. 또한, 직류전원에서 급전케이블로 흐르는 직류전류가 많이 증가하면 이것은 급전케이블의 한 곳 또는 여러 곳에서 절연 파괴가 일어난 것이기 때문에 차단기를 작동시켜 급전케이블을 전원에서 차단시킴으로서 사람이나 동물의 감전을 방지할 수 있다.
도 1은 온라인 전기자동차용 급전 시스템의 한 실시 예이다.
도 2는 도 1의 급전 시스템에서 급전케이블의 a점에서 절연파괴가 발생한 상태이다.
도 3은 도 1의 급전 시스템에서 급전케이블의 b점에서 절연파괴가 발생한 상태이다.
도 4는 도 1의 급전 시스템에서 급전케이블의 a점과 b점에서 동시에 절연파괴가 발생한 상태이다.
도 5는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 온라인 전기자동차용 지중 급전케이블의 전기절연 감시 시스템의 구성도이다.
도 6은 도 5의 직류 전원(4), 인덕터(5), 직류 전류센서(6)를 보다 구체적으로 실현한 예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 절연열화 경보기(7)의 내부 구성도를 예시한 도면이다.
도 8은 도 5의 절연열화 차단기(8)의 내부 구성도를 예시한 도면이다.
이하, 본 고안의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 고안의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 고안의 실시예는 온라인 전기자동차용 지중 급전케이블에서 케이블의 대지 절연상태를 감지하여 절연상태가 불량한 경우 경보를 울리거나 급전케이블을 전원에서 차단시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적인 온라인 전기자동차용 지중 급전시스템은 도 1과 같이 전원(1), 직열 콘덴서(2) 및 급전케이블(3)로 구성되어 있다. 전원(1)은 일반적으로 20KHz 고주파 단상 교류이며 접지가 되어 있지 않다. 직렬 콘덴서(2)는 급전 시스템이 직렬공진 상태가 되도록 하여 전원(1)의 전압이 낮아도 급전케이블(3)에 많은 전류가 흐를 수 있게 한다. 급전케이블(3)은 일반적으로 단심 고압 케이블을 도로를 따라 'ㄷ‘ 자 형으로 지중에 매설한 구조로 되어 있다. 급전케이블(3)은 자동차 도로 표면에서 보통 10~20[cm] 깊이에 매설되어 있고 왕복선의 간격은 보통 1[m] 내외 이다. 급전시스템은 직렬공진회로이기 때문에 전원(1)의 전압이 수 백 볼트이라도 급전케이블(3)의 시작점(p)과 끝점(n) 사이에는 수 천 볼트의 높은 전압이 발생할 수 있다. 온라인 전기자동차용 지중 급전시스템의 문제점을 요약하면 아래와 같다.
(가) 급전시스템이 비접지식이기 때문에 영상변류기(ZCT)와 같은 종래의 방법으로 급전케이블(3)에서 발생하는 대지 누설전류를 감지할 수 없다.
(나) 급전케이블(3)의 전압이 수천 볼트의 고전압이고 급전케이블(3)이 지표면에 근접하여 매설되어 있기 때문에 대지로 누설전류가 흐르면 지표면에 수백 볼트의 전압이 발생할 수 있다.
(다) 지표면에 수백 볼트의 전압이 발생한 상태에서 사람이나 동물이 이곳에 접촉되면 감전으로 사망에 이르는 전기재해가 발생할 수 있다.
따라서, 본 고안에서는 대지 누설전류를 검출하는 것이 어렵기 때문에 대지로 흐르는 누설전류를 검출하지 않고, 대지 누설전류의 원인이 되는 급전케이블(3)의 대지 절연저항을 검출하는 방법을 제안한다. 즉 직류 전원을 급전케이블(3)과 대지 사이에 인가하여 급전케이블(3)에서 대지로 흐르는 직류 전류를 측정하여 급전케이블(3)의 대지절연 상태를 검지한다.
도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 온라인 전기자동차용 지중 급전케이블의 절연 감시 시스템(500)의 구성을 나타낸다. 일측(예컨대, “-(부)”측)은 접지되고 타측(예컨대, “+(정)”측)은 급전케이블에 연결된 직류전원(4), 직류전원(4)과 급전케이블(3) 사이에 연결되어 급전케이블(3)에서 직류전원(4)으로 교류전류는 못 흐르게 하면서 직류전원(4)에서 급전케이블(3)로 직류 전류는 통하게 하는 인덕터(5), 직류전원(4)과 급전케이블(3) 사이에 연결되어 직류전원(4)에서 급전케이블(3)로 흐르는 직류전류를 측정할 수 있는 직류전류 센서(6), 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 경보를 발하는 절연열화 경보기(7), 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 급전케이블(3)을 전원(1)으로부터 분리하는 절연열화 차단기(8) 로 구성될 수 있다. 여기서, 온라인 전기자동차용 지중 급전케이블의 절연 감시 시스템(500)에 포함된 각 구성 요소는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
직류 전원(4)의 전압이 Vd이고 직류 전원(4)에서 급전케이블(3)로 흘러 들어가는 직류 전류가 Id라면 급전케이블(3)의 전체 절연저항 Rt는 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Rt = Vd / Id
여기서 직류 전원(4)의 전압 Vd는 일정한 값이므로 직류 전류 Id를 알면 급전케이블(3)의 전체 절연저항 Rt를 알 수 있다.
도 6은 도 5의 직류 전원(4), 인덕터(5), 직류 전류센서(6)를 보다 구체적으로 실현한 예를 도시한 도면이다.
직류 전원(4)은 상용 전원(9), 절연 변압기(10), 정류기(11) 및 정전압회로(12)로 구성될 수 있다. 상용 전원(9)과 절연 변압기(10)를 통하여 얻은 상용 교류전압을 정류기(11)로 정류하여 직류 전압으로 변환한 후 통상의 정전압회로(12)를 사용하여 정전압 직류 전압을 얻는다. 여기서 절연 변압기(10)를 사용하는 것은 급전케이블(3)의 전압이 수천 볼트이기 때문에 급전케이블(3)과 상용 전원(9)을 전기적으로 분리하기 위해서이다.
인덕터(5)는 급전케이블(3)에서 직류 전원(4)을 통하여 대지로 흐르는 교류 전류(고주파)를 제한하는 역할을 한다. 예를 들어, 급전케이블(3)의 교류 전압이 3000[V]이고 인덕터(5)를 통하여 흐르는 교류 전류를 1[mA] 이내로 하려면 인덕터(5)의 인덕턴스는 약 24[Henry]가 필요하다. 따라서 이와 같이 큰 인덕턴스의 인덕터(5)는 "EI" 형태의 페라이트 코어(13)에 코일을 감은 것을 사용할 수 있다.
직류 전류센서(6)는 링 코어(14)와 전자회로(15)로 구성된 통상의 자기 센서를 사용할 수 있다. 이것은 전압이 높은 급전케이블(3)과 전자회로(15)를 전기적으로 분리할 수 있기 때문이다. 그리고 전류 감도는, 예컨대 직류 1[mA]급인 것을 사용한다.
도 7은 도 5의 절연열화 경보기(7)의 내부 구성도를 예시한 도면이다.
도 7에서와 같이 절연열화 경보기(7)는 비교기(17) 및 경보기(18)를 포함할 수 있다. 비교기(17)의 반전 단자에는 절연열화 경보 기준전류(16)가 입력되고, 비교기(17)의 비반전 단자에는 직류 전류센서(6)의 출력이 연결된다.
이때, 직류 전원(4)의 전압이 Vd이고 경보하려는 절연저항을 Rra라 하면 절연열화 경보 기준전류(16) Ira는 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Ira = Vd / Rra
비교기(17)는 직류 전류센서에서 검출한 직류전류 Id가 절연열화 경보 기준전류(16)로 설정되는 Ira보다 크면 경보기(18)를 작동하도록 한다. 경보기(18)는 경음기 또는 경보등 등의 시청각적 방법을 사용할 수 있다.
도 8은 도 5의 절연열화 차단기(8)의 내부 구성도를 예시한 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 비교기(20), 차단기 구동코일(21) 및 차단기 접점(22)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 비교기(20)의 반전 단자에는 절연열화 차단 기준전류(19)가 입력되고, 비교기(20)의 비반전 단자에는 직류 전류센서(6)의 출력이 연결된다.
여기서, 직류 전원(4)의 전압이 Vd이고 차단하려는 절연저항을 Rrs라 하면 절연열화 차단 기준전류(19) Irs는 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Irs = Vd / Rrs
비교기(20)은 직류 전류센서에서 검출한 직류전류 Id가 절연열화 차단 기준전류(19)로 설정된 Irs보다 크면 차단기 구동코일(21)을 여자하도록 한다. 차단기 구동코일(21)이 여자되면 차단기 접점(22)이 개로(Open Circuit)되고 급전케이블(3)이 전원(1)으로부터 분리될 수 있다.
이상에서, 본 고안의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 고안이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 고안의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 고안에 개시된 실시예들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 고안은 온라인 전기버스에 무선으로 전력을 전송하기 위하여 지중에 매설한 고전압 급전케이블에 의한 인체의 감전 등 전기안전을 확보하는 효과가 있는 고안이다.

Claims (3)

  1. 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템에 있어서,
    일측은 접지되고 타측은 급전케이블에 연결된 직류전원;
    상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 급전케이블에서 흐르는 교류전류가 상기 직류전원으로 흐르는 것을 차단하면서 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로는 직류 전류가 흐르도록 하는 인덕터; 및
    상기 직류전원과 상기 급전케이블 사이에 연결되어 상기 직류전원에서 상기 급전케이블로 흐르는 직류전류를 측정하는 직류전류 센서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템은,
    상기 직류전류 센서에서 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 경보를 발하는 절연열화 경보기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템은,
    상기 직류전류 센서에서 측정된 직류 전류 값이 주어진 기준치 이상이 되면 상기 급전케이블을 상기 급전케이블의 전원으로부터 분리하는 절연열화 차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 급전케이블 전기절연 감시 시스템.
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