KR20100104139A - 절연 저항 측정 시스템 및 절연 저항 측정 장치 - Google Patents

절연 저항 측정 시스템 및 절연 저항 측정 장치 Download PDF

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KR20100104139A KR1020090022342A KR20090022342A KR20100104139A KR 20100104139 A KR20100104139 A KR 20100104139A KR 1020090022342 A KR1020090022342 A KR 1020090022342A KR 20090022342 A KR20090022342 A KR 20090022342A KR 20100104139 A KR20100104139 A KR 20100104139A
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Abstract

본 발명은 절연 저항 측정 시스템에 관한 것이다. 상기 절연 저항 측정 시스템은, 직류 배전 전력 계통의 주 전원부의 후단에 연결되는 중앙 통제 장치; 및 측정 지점에 분산 배치되어 측정 지점의 절연 저항을 검출하는 다수 개의 절연 저항 측정 장치들;을 구비한다. 상기 절연 저항 측정 장치는, 측정 지점의 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부; 측정 지점의 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부; 상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부; 상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부; 상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력을 이용하여 상기 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부; 상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력을 이용하여 상기 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부; 통신 제어부;를 구비한다. 본 발명에 의하여, 순수 저항에 의한 절연 저항을 정확하게 검출할 수 있게 된다.
절연 저항

Description

절연 저항 측정 시스템 및 절연 저항 측정 장치{On-line insulation resistance measurement system and apparatus}
본 발명은 직류 배전 전력 계통의 지락 감지를 위한 절연저항 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 전력 계통 자체에서 동작 전원을 확보하고, 절연 저항 측정 결과를 무선 통신에 의해 전송하여, 단순한 설비 구조를 가지고, 통전 중 실시간 연속으로 절연 저항 측정 및 지락 경보가 가능한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 직류 배전 전력 계통에 있어서 절연 저항을 측정함으로써, 누전 여부를 확인하게 된다. 대부분의 절연 저항 측정 장치는 절연 저항을 측정하고자 하는 대상 장치에 전원이 흐르지 않는 상태에서만 해당 장치의 절연 저항을 측정할 수 있도록 구성되거나, 대상 장치에 흐르는 전원을 사용하여 해당 장치의 절연 저항을 측정할 수 있도록 구성되어 있다.
하지만, 대상 장치에 전원이 흐르지 않는 상태에서만 해당 장치의 절연 저항을 측정할 수 있도록 구성된 절연 저항 측정 장치는 절연 저항의 측정을 위해 대상 장치의 동작을 중단시켜야 한다는 문제점을 가진다. 또한, 대상 장치에 전원이 흐르는 상태에서 해당 장치의 절연 저항을 측정할 수 있도록 구성된 절연 저항 측정 장치는, 대상 장치에 전원을 인가할 수 없는 상태에서는 대상 장치의 절연 저항을 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 한국등록특허 제10-0875748호의 "절연저항 측정 장치 및 방법"이 제안된 바 있다. 전술한 특허에 따른 절연 저항 측정 장치는 대상 장치의 무정전 상태에서 발생되는 전원을 차단하고 접지쪽으로 흐르게 하여 측정 장치를 보호하며, 검출 단자를 통해 연결된 대상 장치에 직류 전류를 인가하고, 인가된 전압값과 대상 장치로부터 되돌아 오는 전류값을 측정하여 대상 장치의 절연 저항 값을 측정함으로써, 대상 장치에서의 전원 인가 여부와 관계없이 대상 장치의 절연 저항값을 측정하고 대상 장치의 누전 여부를 판단하는 방안을 개시하고 있다.
전술한 바와 같이, 일반적으로 직류 배전 전력 계통의 절연 저항 측정 장치는 정전압 또는 정전류 진단 전원을 가지고 있으며, 진단 전원은 대지와 절연저항 측정 대상(P 또는 N)의 고정 위치에 연결되며, 절연저항을 측정하고자 하는 위치에서는 대지와 측정 대상점(P 또는 N)의 임의점 사이에 진단 전압에 의해 유기된 전압과 진단 전원에 의해 형성되는 전류를 측정하여 옴의 법칙으로 절연저항을 계산한다.
도 1은 종래 기술에 따른 절연저항 측정 장치를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 절연 저항 측정 장치가 직류 배전 계통에 연결되어 있으며, 상기 직류 배전 계통은 교류 전원으로부터 직류를 생성하기 위한 DC 전원, 그 후단에 연결된 P(+) 라인과 N(-) 라인, 상기 P 라인과 N 라인을 분기하여 병렬 연결된 각 부하들(Load #1 ~ Load #N)이 구비되어 있다.
도 1을 참조하면, 통상적인 절연 저항 측정 장치(10)는 진단 전원부(100), 전류 측정부(110), 절연저항 연산 및 경보부(120), 전류 측정 센서(130 : CT 1 ~ CT N) 등으로 구성된다. 진단 전원부(100)는 직류 배전계통의 P라인 또는 N라인과 대지 사이에 특정 전압을 인가하거나 특정 전류를 주입하는 기능을 가진다. 이 때 유기 전압의 크기는 배전계통에 연결된 부하에 영향을 주지 않아야 하며, P 라인 절연 진단의 경우에는 P-G 라인만 전원을 출력하고, N 라인 절연 진단의 경우에는 N-G 라인만 전원을 출력한다. 전류 측정 센서(130)는 두 선로(P라인과 N라인) 사이의 전류차를 감지하는 ZCT(zero current transducer)로 구성되며, 측정 대상 직류 배전 계통의 두 라인(P라인 및 N라인) 모두를 한 번에 감싸 측정한다. 이와 같은 ZCT에서 감지되는 전류는 누설 전류로 평가되며 누설 전류가 곧 절연 저항이 낮아져서 형성되는 전류이다. 전류 측정부(110)는 여러 배전 라인에 분산 장착된 전류 측정 센서의 측정값들을 집속하여 전류 값을 확보하는 부분이다. 절연저항 연산 및 경보부(120)는 진단전원의 출력 값과 전류 측정부의 감지 전류 값을 토대로 절연저항 값을 연산하고, 설정된 한계 값과의 비교에 의해 절연저항 저하 경보 기능을 가진다.
전술한 구조를 갖는 종래의 절연저항 측정 장치의 절연 저항 측정 방법은 진단 전원부에서 정전압을 발생시키고 전류 측정부에 입력된 전류 값을 구하여 옴에 법칙(저항 = 전압 / 전류)을 적용하여 절연 저항 값을 계산한다.
도 1에 도시된 통상적인 절연저항 측정 장치는 기본적으로 절연저항 변화 경향과 동일한 결과를 도출 수 있는 구조이다. 하지만 종래의 절연 저항 측정 장치는 진단 전원부의 출력 전압에만 의존하여 저항 값을 연산하므로 절연 저항 측정 대상 라인인 P라인 또는 N라인의 유기전압에 따른 영향을 측정할 수 없다. 또한, 단순 전류 값만 측정하므로 측정된 전류값이 선로의 정전용량에 의한 전류인지 또는 절연저항 저하에 의한 순수 누설전류인지 구분하기 힘들다. 따라서, 절연 저항 저하에 의한 순수 누설 전류뿐만 아니라 선로의 정전용량에 의한 전류까지 포함하는 전류값을 측정하여 절연 저항을 계산하게 되는 문제점이 있다. 또한, 여러 측정 대상 직류 배전 계통의 전류 값을 절연 저항 진단 장치에 집속하기 위해서는 모두 케이블로 연결되어야 하는 문제점을 가지고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 선로에 흐르는 전류 중 선로의 정전 용량에 의한 전류를 제외한 절연 저항 저하에 의한 순수 누설 전류만을 측정함으로써, 순수 절연 저항만을 정확하게 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 절연 저항 측정 대상 라인(P라인 또는 N라인)의 유기전압 영향을 감안하여 전류 측정 지점에서 전압도 측정하여, 보다 정확한 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 측정 지점에 절연 저항 측정 장치를 장착하고 각 절연 저항 측정 장치들과 통신하는 중앙 통제 장치를 구비하고, 각 절연 저항 측정 장치들이 무선 네트워크를 이용하여 측정 지점의 절연 저항을 측정하여 그 결과를 중앙 통제 장치로 전송하도록 하는 절연 저항 측정 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은 직류 배전 전력 계통의 P라인 및 N라인에 연결되어 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 장치에 관한 것으로서, 상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부; 상기 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부; 상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부; 상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부; 상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부; 상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부; 상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;를 구비한다.
본 발명의 제2 특징에 따른 절연 저항 측정 장치는, 상기 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부; 상기 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부; 상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부; 상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부; 상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 수학식
Figure 112009015873186-PAT00001
에 의해 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부; 상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 수학식
Figure 112009015873186-PAT00002
에 의해 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부; 상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;를 구비한다.
전술한 제1 및 제2 특징에 따른 절연 저항 측정 장치는 무선 통신 모듈을 더 구비하고, 상기 통신 제어부는 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부의 중앙 통제 장치로부터 절연 저항 측정 명령을 수신하거나 검출된 절연 저항을 외부의 중앙 통제 장치로 전송하는 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 절연 저항 측정 장치의 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부는 수학식
Figure 112009015873186-PAT00003
에 따라 평균 전력(P)을 계산하고 수학식
Figure 112009015873186-PAT00004
에 따라 절연 저항(R)을 검출하는 것이 바람직하다.
전술한 제1 및 제2 특징에 따른 상기 절연 저항 측정 장치는 상기 P라인과 N라인에 연결되어 P라인과 N라인으로부터 전원을 공급받는 동작 전원 생성부를 더 구비하고, 상기 동작 전원 생성부는 P라인과 N라인으로부터 공급된 전원을 컨버팅하여 상기 절연 저항 측정 장치를 구성하는 다른 구성 요소들의 동작 전원으로 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 특징은 직류 배전 전력 계통의 측정 지점들의 P라인 및 N라인에 대한 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 시스템에 관한 것으로서, 상기 절연 저항 측정 시스템은, 상기 직류 배전 전력 계통의 주 전원부의 후단에 연결되는 중앙 통제 장치; 측정 지점에 분산 배치되고, 측정 지점의 절연 저항을 검출하여 상기 중앙 통제 장치로 제공하는 다수 개의 절연 저항 측정 장치들;을 구비하고,
상기 절연 저항 측정 장치는, 측정 지점의 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부; 측정 지점의 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부; 상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부; 상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부; 상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부; 상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부; 상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;를 구비한다.
본 발명의 제4 특징은 직류 배전 전력 계통의 측정 지점들의 P라인 및 N라인에 대한 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 시스템에 관한 것으로서, 상기 절연 저항 측정 시스템은, 상기 직류 배전 전력 계통의 주 전원부의 후단에 연결되는 중앙 통제 장치; 측정 지점에 분산 배치되고, 측정 지점의 절연 저항을 검출하여 상기 중앙 통제 장치로 제공하는 다수 개의 절연 저항 측정 장치들;을 구비하고,
상기 절연 저항 측정 장치는, 측정 지점의 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부; 측정 지점의 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부; 상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부; 상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부; 상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 상기 위상차 및 전압, 전류를 이용하여 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부; 상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 상기 위상차 및 전압, 전류를 이용하여 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부; 상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;를 구비한다.
본 발명에 의하면 직류 배전 전력 계통의 대지간 절연저항 측정 및 지락 감지 장치에 있어서 절연 저항 측정 포인트와 중앙 통제 경보 장치간의 신호선 및 전력선이 필요 없으며, 정확한 절연저항 성분을 분별하여 측정하며, 측정 포인트의 절연 저항 저하 라인 감별이 가능한 점 등의 효과를 가진다.
본 발명에 따른 절연 저항 측정 시스템에 의하여 무선 네트워크를 이용하여 중앙 통제 장치가 각 측정 지점의 절연 저항 측정 장치들로부터 절연 저항값을 수집하고 이를 관리할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는 평균 전력과 전압만을 이용하여 절연 저항을 검출함으로써, 선로의 정전 용량에 의한 전류를 제외한 절연 저항 저하에 의한 순수 누설 전류에 의한 절연 저항만을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는 절연 저항 측정 대상 라인으로부터 동작 전원을 공급받아 동작함으로써, 별도의 전원 공급이 필요하지 않게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 배전 전력 계통의 지락 감지를 위한 절연 저항 측정 시스템의 구조 및 동작을 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연 저항 측정 시스템이 직류 배전 전력 계통에 장착된 상태를 전체적으로 도시한 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 시스템은, 중앙 통제 장치(20) 및 직류 배전 전력 계통의 각 측정 지점에 설치된 절연 저항 측정 장치들(30)을 구비한다. 본 발명에 따른 절연 저항 측정 시스템의 절연 저항 측정 장치들(30)은, 전력 계통 자체에서 동작 전원을 확보하고, 무선 통신 네트워크를 이용하여 절연 저항 측정 결과를 중앙 통제 장치로 전송하여, 통전 중 실시간 연속으로 절연 저항을 측정하고 지락 경보가 가능한 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 중앙 통제 장치(20)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 상기 중앙 통제 장치(20)는 진단 전원부(200), 통제 경보부(210), 무선 통신 모듈(220) 및 진단 전원부(200)의 P단자 및 N단자로부터 인출된 검출 단자부(230)를 구비한다. 상기 진단 전원부(200)와 연결된 검출 단자부(230)는 직류 배전 전력 계통의 DC 전원부의 후단에 장착되어 절연 저항을 측정할 배선들인 P라인 및 N라인으로 진단 전원을 공급한다.
상기 통제 경보부(210)는 상기 무선 통신 모듈(220)을 통해 각 절연 저항 측 정 장치들(30)로 제어 명령을 송신하거나 각 절연 저항 측정 장치들(30)로부터 절연 저항값을 포함하는 데이터를 수신하고, 수신된 데이터들을 분석하여 각 측정 지점의 누전 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 누전 여부를 디스플레이하거나 경보음을 출력함으로써, 운용자에게 누전 상황을 알려준다.
본 발명에 따른 절연 저항 측정 시스템이 장착되는 직류 배전 전력 계통은, 교류 전원으로부터 직류를 생성하기 위한 DC 전원부, 상기 DC 전원부의 후단에 연결되는 P(+) 라인과 N(-) 라인, 상기 P 라인과 N 라인을 분기하여 병렬 연결되는 다수개의 부하들(Load #1 ~ Load #N)로 이루어진다. 상기 직류 배전 계통이 비접지 계통으로 운용함을 가정할 때, 통상적으로 DC 전원의 후단에는 저항 R1과 저항 R2가 직결되어 P라인과 N 라인 사이에 연결되고, 저항 R1과 저항 R2 중간 포인트는 대지로 접지된다. 이 경우, P라인과 N라인의 절연에 이상이 없을 때는 R1과 R2의 양단 전압은 항상 동일하다. 그러나 P라인 또는 N라인 중 어느 한 라인에 절연이 깨어져 누설이 발생했을 경우 R1과 R2 양단 전압은 불균형을 이루게 된다. 왜냐하면 누설이 발생한 라인은 대지간의 저항이 무한대(∞)에서 일정 값을 가지게 되고 있는 것 R1, R2 중 어느 것과 함께 병렬 저항 값을 이루게 된다. 따라서 R1, R2의 저항 값 중 이상이 발생한 라인 쪽 전압은 낮아지게 된다. 예를 들어 P라인에 이상이 발생했다면 R1 양단의 전압이 낮아질 것이고 N라인에 이상이 발생했다면 R2 양단의 전압이 낮아지게 된다. 따라서, P라인과 N라인의 전압이 상이하게 되면 어느 한 라인에서 절연 이상이 발생하였다고 판단하게 되며, P라인과 N라인 중 전압이 낮아지는 라인에 절연 이상이 발생하였다고 판단하고, 해당 라인의 절연 저항을 정 밀하게 측정하게 된다. 해당 라인에 대한 절연 저항 조사의 방법으로 이상이 발생된 라인과 대지 접지 간에 진단전원부에서 측정전압 또는 전류를 흘려보내면서 측정이 시작된다.
따라서, 본 발명에 따른 중앙 통제 장치의 통제 경보부는 P라인과 N라인의 전압을 주기적으로 확인하고, P라인과 N라인의 전압차를 검출하여 전류 누설이 발생되는지 여부를 판단하고 전류 누설이 발생되는 라인을 확인하며, 해당 라인에 대한 절연 저항 측정 명령을 각 절연 저항 측정 장치로 전송하고, 각 절연 저항 측정 장치로부터 전송되는 정보를 통해 최종적으로 전류 누설 여부를 확인하고, 그 결과를 다양한 방법을 이용하여 운용자에게 통지하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 절연 저항 측정 장치(30)를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 상기 절연 저항 측정 장치(30)는 동작 전원 생성부(300), 제1 전류 측정부(310), 제1 전압 측정부(320), 제1 절연 저항 검출부(330), 제2 전류 측정부(340), 제2 전압 측정부(350), 제2 절연 저항 검출부(360), 통신 제어부(370) 및 무선 통신 모듈(380)을 구비한다.
상기 동작 전원 생성부(300)는 DC/DC 컨버터로 구성되며, (+) 단자 및 (-) 단자가 각각 P라인 및 N라인과 연결되어 P 라인과 N라인으로부터 전원을 제공받고, 상기 제공된 전원을 컨버팅하여, 상기 절연 저항 측정 장치를 구성하는 각 요소들에 대한 동작 전원으로 제공된다.
상기 제1 전류 측정부(310)는 전류 측정 센서(312) 및 BPF(314)로 구성되어 P라인에 장착된다. 전류 측정 센서(312)는 P라인의 전류를 감지하여 제공하며, BPF(314)는 동작 전원 생성부의 출력 주파수와 동일 주파수 대역의 통과 성능을 가지는 필터로서, 전류 측정 센서에 의해 감지된 전류값의 노이즈를 제거한다. 상기 제1 전압 측정부(320)는 감쇠기(322), BPF(324)로 구성되며, P라인에 장착되어 P라인과 대지간의 전압을 측정한다. 상기 제1 절연 저항 검출부(330)는 상기 제1 전류 측정부(310)에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제1 전압 측정부(320)에 의해 측정된 전압(v(t))을 이용하여 P라인의 절연 저항을 검출한다. 상기 제1 절연 저항 검출부가 절연 저항을 검출하는 구체적인 방법은 후술한다.
상기 제2 전류 측정부(340), 제2 전압 측정부(350) 및 제2 절연 저항 검출부(360)는 각각 제1 전류 측정부(310), 제1 전압 측정부(320) 및 제1 절연 저항 검출부(330)의 구성과 동작이 동일하며, 다만 그 장착위치가 N라인이라는 점에서 차이가 있다. 상기 제2 전류 측정부(340)는 N라인에 장착되어, N라인의 전류를 측정한다. 상기 제2 전압 측정부(350)는 N라인에 장착되어 N라인과 대지간의 전압을 측정한다. 상기 제2 절연 저항 검출부(360)는 상기 제2 전류 측정부(340)에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제2 전압 측정부(350)에 의해 측정된 전압(v(t))을 이용하여 N라인의 절연 저항을 검출한다. 상기 제2 절연 저항 검출부가 절연 저항을 검출하는 구체적인 방법은 후술한다.
상기 통신 제어부(370)는 중앙 통제 장치(20)로부터의 절연 저항 측정 명령에 따라 또는 사전에 설정된 주기에 따라 주기적으로 P라인과 N라인의 전압을 검출하고, P라인과 N라인의 검출된 전압을 비교하여 이들이 서로 다른 경우 절연 저항 검출부를 통해 P라인 또는 N라인의 절연 저항을 검출하게 된다. 또한, 상기 통신 제어부는 상기 절연 저항 검출부에 의해 검출된 절연 저항 값을 상기 무선 통신 모듈을 통해 상기 중앙 통제 장치(20)로 전송한다.
상기 무선 통신 모듈(380)은 상기 중앙 통제 장치(20)의 무선 통신 모듈과 데이터를 송수신하기 위한 모듈로서, 지그비(Zigbee) 통신 모듈을 사용할 수 있으며, 그 외에도 다양한 무선 통신 모듈을 사용할 수 있다.
이하, 상기 제1 절연 저항 검출부(330) 및 제2 절연 저항 검출부(360)가 절연 저항을 검출하는 방법을 설명한다. 제1 절연 저항 검출부(330) 및 제2 절연 저항 검출부(360)는 동일하게 동작하므로, 제1 절연 저항 검출부에 대해서만 설명한다. 도 6은 순수 저항 회로에서의 전력을 구하기 위하여 도시한 회로도 및 그래프이며, 도 7은 순수 커패시턴스 회로에서의 전력을 구하기 위하여 도시한 회로도 및 그래프이다.
도 6을 참조하면, 순수 저항 회로에서의 전류(i(t)) 및 전압(v(t))는 수학식 1과 같이 나타내며, 이에 대한 순시 전력 p는 수학식 2와 같이 나타낸다.
Figure 112009015873186-PAT00005
Figure 112009015873186-PAT00006
Figure 112009015873186-PAT00007
이때 V와 I는 전압과 전류의 RMS(Root Mean Square) 값을 나타낸다. 따라 서, 도 6의 순수 저항 회로에서 순시 전력 p는 항시 +이고 평균 전력
Figure 112009015873186-PAT00008
임을 알 수 있다. 전압 전류를 페이저로 표시하면 수학식 3과 같이 된다.
Figure 112009015873186-PAT00009
Figure 112009015873186-PAT00010
따라서 전압 전류의 위상차는
Figure 112009015873186-PAT00011
이다. 따라서, 평균 전력은 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112009015873186-PAT00012
도 7을 참조하여, 순수 커패시턴스 회로에서의 전류(i(t)) 및 전압(v(t))는 수학식 5와 같이 나타내며, 이에 대한 순시 전력 p는 수학식 6과 같이 나타낸다.
Figure 112009015873186-PAT00013
Figure 112009015873186-PAT00014
여기서,
Figure 112009015873186-PAT00015
이다.
Figure 112009015873186-PAT00016
도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 주기까지는 전원에서 커패시터로 전력이 흐르지만 다음 주기 동안에는 커패시터에 저장된 에너지를 전원 쪽으로 되돌려 준다. 즉, 커패시터는 에너지를 소비하는 것이 아니고, 정전에너지(static energy)로 저장하는 것이다. 따라서 평균전력이 0이 됨을 알 수 있다. 이것을 수식으로 전개하면, 전압 전류의 위상차
Figure 112009015873186-PAT00017
이므로
Figure 112009015873186-PAT00018
이 되어, 평균전력 P는 수학식 7과 같이 나타나게 된다.
Figure 112009015873186-PAT00019
RC회로의 전력
Figure 112009015873186-PAT00020
이다. 그러나 RC회로의 유효전력은 저항에서만 나타남을 알 수 있으므로, 우리가 알 수 있는 정보인 P라인 또는 N라인의 전압과 전류를 곱한 전력을 일정시간 후 적분하게 되면 유효전력성분 P만 남게 된다. 이러한 근거에 따라 수학식 8에 의해 유효전력성분 P를 구할 수 있게 된다.
Figure 112009015873186-PAT00021
여기에서 이미 얻어진 V의 값을 이용하여 수학식 9에 의해 정확한 절연저항 R 값을 구할 수 있다.
Figure 112009015873186-PAT00022
이하, 도 8을 이용하여, 본 발명에 따른 절연 저항 검출부가 순수 절연 저항 을 구하는 다른 방법을 설명한다. 도 8을 참조하면, 전력 배선에 흐르는 전류(i t (t))는 정전 용량에 의한 전류(i c (t)) 및 절연 저항에 의한 전류(i r (t))의 합으로 이루어진다. 따라서, 전압(v(t))과 전류(i t (t))의 위상차(θ)를 검출하고, 위상차를 이용하여 수학식 10에 따라 정확한 절연 저항을 구할 수 있게 된다. 이때 위상차(
Figure 112009015873186-PAT00023
)는 전압과 전류 측정 시 영교차(zero crossing)점을 기준으로 시간차 측정으로 구할 수 있다. 즉, 전압 또는 전류가 영점을 기준으로 커지다가 줄어들어 다시 영점으로 돌아오는 시간까지를 π[rad]이라 할 때 전압과 전류가 영(0)에서 커지기 시작하는 지점의 시간 차를 π[rad]의 비교 값으로 표현한 값 즉, 라디안 값을 구해 이를 도(degree) 값으로 표현하므로 위상차(
Figure 112009015873186-PAT00024
)를 구할 수 있다.
360° 를 2π 라디안으로 정의하며,
Figure 112009015873186-PAT00025
[rad]과
Figure 112009015873186-PAT00026
[도] 사이의 관계식은 다음과 같다.
Figure 112009015873186-PAT00027
Figure 112009015873186-PAT00028
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 절연 저항 측정 시스템 및 절연 저항 측정 장치는 직류 배전 전력 계통의 누전 감지를 위하여 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 절연저항 측정 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연 저항 측정 시스템이 직류 배전 전력 계통에 설치된 상태를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연 저항 측정 시스템의 중앙 통제 장치에 대한 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연 저항 측정 시스템의 절연 저항 측정 장치에 대한 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4의 절연 저항 측정 장치의 P라인 또는 N라인의 절연 저항을 측정하는 제1 전류 측정부, 제1 전압 측정부, 제1 절연 저항 검출부 및 무선 통신 모듈을 도시한 블록도이다.
도 6은 순수 저항 회로에서의 전력을 구하기 위하여 도시한 회로도 및 그래프이며, 도 7은 순수 커패시턴스 회로에서의 전력을 구하기 위하여 도시한 회로도 및 그래프이다.
도 8은 본 발명의 절연 저항 측정 장치가 위상차를 이용하여 절연 저항을 측정하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 회로도 및 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 중앙 통제 장치
30 : 절연 저항 측정 장치들
200 : 진단 전원부
210 : 통제 경보부
220 : 무선 통신 모듈
230 : 검출 단자부
300 : 동작 전원 생성부
310 : 제1 전류 측정부
320 : 제1 전압 측정부
330 : 제1 절연 저항 검출부
340 : 제2 전류 측정부
350 : 제2 전압 측정부
360 : 제2 절연 저항 검출부
370 : 통신 제어부
380 : 무선 통신 모듈

Claims (9)

  1. 직류 배전 전력 계통의 P라인 및 N라인에 연결되어 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 장치에 있어서,
    상기 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부;
    상기 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부;
    상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부;
    상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부;
    상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부;
    상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부;
    상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;
    를 구비하는 절연 저항 측정 장치.
  2. 직류 배전 전력 계통의 P라인 및 N라인에 연결되어 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 장치에 있어서,
    상기 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부;
    상기 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부;
    상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부;
    상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부;
    상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 상기 검출된 위상차, 전류, 전압을 이용하여 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부;
    상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고, 상기 검출된 위상차, 전압 및 전류를 이용하여 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부;
    상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;
    를 구비하는 절연 저항 측정 장치.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 저항 측정 장치는 무선 통신 모듈을 더 구비하고, 상기 통신 제어부는 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부의 중앙 통제 장치로부터 절연 저항 측정 명령을 수신하거나 검출된 절연 저항을 외부의 중앙 통제 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부는 수학식 11에 따라 평균 전력(P)을 계산하고 수학식 12에 따라 절연 저항(R)을 검출하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
    Figure 112009015873186-PAT00029
    Figure 112009015873186-PAT00030
  5. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 저항 측정 장치는 상기 P라인과 N라인에 연결되어 P라인과 N라인으로부터 전원을 공급받는 동작 전원 생성부를 더 구비하고, 상기 동작 전원 생성부는 P라인과 N라인으로부터 공급된 전원을 컨버팅하여 상기 절연 저항 측정 장치를 구성하는 다른 구성 요소들의 동작 전원으로 제공하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  6. 직류 배전 전력 계통의 측정 지점들의 P라인 및 N라인에 대한 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 시스템에 있어서,
    상기 직류 배전 전력 계통의 주 전원부의 후단에 연결되는 중앙 통제 장치;
    측정 지점에 분산 배치되고, 측정 지점의 절연 저항을 검출하여 상기 중앙 통제 장치로 제공하는 다수 개의 절연 저항 측정 장치들;을 구비하고,
    상기 절연 저항 측정 장치는,
    측정 지점의 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부;
    측정 지점의 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부;
    상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부;
    상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부;
    상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부;
    상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여 평균 전력(P)을 계산하고 상기 평균 전력과 상기 전압을 이용하여 상기 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부;
    상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 시스템.
  7. 직류 배전 전력 계통의 측정 지점들의 P라인 및 N라인에 대한 절연 저항을 측정하는 절연 저항 측정 시스템에 있어서,
    상기 직류 배전 전력 계통의 주 전원부의 후단에 연결되는 중앙 통제 장치;
    측정 지점에 분산 배치되고, 측정 지점의 절연 저항을 검출하여 상기 중앙 통제 장치로 제공하는 다수 개의 절연 저항 측정 장치들;을 구비하고,
    상기 절연 저항 측정 장치는,
    측정 지점의 P라인의 전류를 측정하는 제1 전류 측정부;
    측정 지점의 N라인의 전류를 측정하는 제2 전류 측정부;
    상기 P라인과 대지간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정부;
    상기 N라인과 대지간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정부;
    상기 제1 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제1 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 상기 검출된 위상차, 전압, 전류를 이용하여 P라인의 절연 저항을 검출하는 제1 절연 저항 검출부;
    상기 제2 전류 측정부에 의해 측정된 전류(i(t))와 상기 제2 전압 측정부에 의해 측정된 전압(v(t))의 위상차(θ)를 검출하고 상기 검출된 위상차, 전압, 전류를 이용하여 N라인의 절연 저항을 검출하는 제2 절연 저항 검출부;
    상기 제1 절연 저항 검출부 및 제2 절연 저항 검출부의 동작을 제어하여 P라인의 절연 저항 또는 N 라인의 절연 저항을 검출하는 통신 제어부;
    를 구비하는 절연 저항 측정 시스템.
  8. 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 통제 장치 및 상기 절연 저항 측정 장치들은 서로 통신 가능한 무선 통신 모듈을 각각 구비하는 것을 특징 으로하는 절연 저항 측정 시스템.
  9. 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 절연 저항 측정부 및 제2 절연 저항 측정부는 전압과 전류의 영교차(zero crossing)점을 기준으로 하여 전압과 전류의 시간차를 측정하고, 측정된 시간차를 이용하여 상기 전압과 전류의 위상차(
    Figure 112009015873186-PAT00031
    )를 구하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 시스템.
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