KR20100129349A - 아크 센서와 이를 이용한 아크 보호 장치 - Google Patents

Abstract

아크 사고로부터 전력설비(예를 들어, 수배전반)를 보호하기 위한 아크 센서 및 이를 이용한 아크 보호 장치가 개시된다.

개시된 아크 센서는, 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블과; 상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키되, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈와; 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블을 통해 수신한 변형된 아크 검출용 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출기를 구비한다.

아크 센서, 차단기, 아크 보호 장치, 보호 계전기

Description

아크 센서와 이를 이용한 아크 보호 장치{Arc sensor and arc protector using the same}

본 발명은 전력 기기(특히, 수배전반)에서 아크(arc) 보호에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아크 사고로부터 전력설비를 보호하기 위한 아크 센서 및 이를 이용한 아크 보호 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수배전반의 내부에서 단락 또는 절연 열화에 따라 아크에 의한 사고 발생 시 고온 고압으로 인하여 배전반 내부의 전력 기기 및 장치들이 파손되고 인명 피해가 야기되며 이로 인한 정전과 원상회복 기간이 길어지는 등 전기적 아크에 의한 사고가 여러 가지의 문제를 야기한다.

특히, 아크 사고가 발생하면 아크 섬광과 아크 전류가 발생하는데 전기 아크의 중심온도는 약 2000K까지 상승하며 아크 에너지는 열, 압력, 복사 등의 형태로 변환되어 주변의 기기 및 장치 등에 심각한 피해를 주며 인명 손실까지 가져온다.

아크는 발생 이후 10 ~ 15ms 전후의 시간에서 방출에너지의 최대치로 상승하여 50ms 이상 길어지면 에너지의 폭발과 같은 형태로 변환되는데, 이러한 폭발 에너지의 극대화를 막기 위해서는 이보다 빠른 시간안에 차단기를 동작시켜 아크 발 생을 지연시키고 피해의 확산을 막아야 한다.

특히 전기 아크가 차단기 등의 소호부가 아닌 전력 기기의 절연부분에서 단락사고에 의하여 발생할 때 인명피해, 전력 기기 파손과 이로 인한 장시간 유지보수(정전) 등의 피해가 발생한다.

전력 기기 내에서의 전기 아크 사고는 조사된 바에 의하면 미국 내에서만 하루 평균 5 ~ 10건이 발생하는 흔한 사고라 할 수 있다. 최근 들어 내아크 규정이 강화되고 있는 실정이며, IEC 규정에서도 내 아크 시험을 의무화하고 있다. 이에 따라 대부분의 전력 기기 제작 업체에서는 내 아크 사고 시 아크 에너지에 의한 압력 상승 및 온도 상승을 구조적으로 견디기 위한 내 아크 구조 설계 기술로 접근하여 대처하고 있고, 외국의 선진업체는 좀 더 진보된 방향으로 내 아크 사고를 감지하여 사고전류의 확산을 방지하는 아크 보호 시스템을 개발하고 있다.

전기설비 내에서 아크 사고가 발생하면 1차적으로 전력 기기 파손 및 인명사고가 발생할 뿐 아니라 2차적으로 전력 기기의 파손에 의한 정전의 피해가 발생한다.

이를 막기 위하여 기존에 제안된 아크 보호 장치는, 전력 기기 외함 설계시 내 아크 사고를 견딜 수 있는 견고한 내 아크 구조에 대한 제품개발이 진행되고 있다. 이러한 내 아크 구조는 아크 발생시 주위의 다른 장비로 아크가 확산하는 것을 방지하는 격벽설치와 아크에 의한 압력 상승으로 외함이 변형 파괴는 것을 방지하기 위한 Arc Flow Vent를 설치하는 수동적인 방법이 대부분이었다.

그러나 이러한 아크 보호 장치는 수동적인 아크 보호 장치로서, 단순히 발생 한 아크가 다른 장비로 확산하는 것만 방지할 뿐, 아크가 발생한 전력 기기의 손상은 감수하는 구조이므로, 배전반 내부의 전력 기기 및 장치들이 파손되는 문제라든지 인명 피해 문제, 그리고 전력 기기의 파손으로 정전과 원상회복 기간이 길어지는 등의 문제를 해결하지는 못하였다.

또한, 기존 구조적 측면에서 압력을 방출시키거나 기계적 강도를 증가시키는 수동적인 방법을 사용하면, 수배전반이 대형화되고 가격이 상승하여 제품 경쟁력이 떨어지는 단점을 유발한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 아크 보호 장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 아크 사고로부터 전력설비를 보호하기 위한 아크 센서 및 이를 이용한 아크 보호 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 고압변전소의 보호 릴레이와 수배전반 또는 전기 개폐장치의 보호 릴레이와 연동하여 아크 사고로부터 전력설비를 보호하기 위한 아크 센서 및 이를 이용한 아크 보호 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "아크 센서"는,

아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블과;

상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키되, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈와;

상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블을 통해 수신한 변형된 아크 검출용 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출기를 포함한다.

상기 광섬유케이블은 아크 검출용 광신호를 전송하는 제1광섬유케이블과 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 전송하는 제2광섬유케이블로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광검출기는, 아크 검출용 광신호를 송신하는 광 송신기와, 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 수신하는 광 수신기와, 내부 메모리에 내장된 아크 분석 프로그램에 의해 상기 아크 검출용 광신호와 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 비교하여 차이신호를 산출하고, 상기 산출한 차이신호를 분석하여 아크 발생 신호를 출력하는 아크 분석기를 포함한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "아크 센서를 이용한 아크 보호 장치"는,

광섬유케이블과 렌즈와 광검출기로 이루어져, 아크 발생을 검출하는 아크 센서와;

상기 아크 센서에 의해 아크 발생이 검출되면 공급되는 전력을 차단하는 보호 릴레이의 제어 명령을 출력하는 마이크로 컨트롤러와;

상기 마이크로 컨트롤러의 제어 명령에 따라 상기 보호 릴레이가 구동되어 공급 전력을 차단하는 차단기를 포함한다.

본 발명에 따른 "아크 센서를 이용한 아크 보호 장치"는,

과전류 및 부족전압 신호에 따라 상기 공급되는 전력을 차단하기 위한 보호 계전기를 더 포함하고,

상기 차단기는 상기 보호 계전기와 연동하여 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 아크를 신속 정확하게 검출할 수 있는 아크 센서를 제공할 수 있어, 아크 사고로부터 전력설비를 보호할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 고압변전소의 보호 릴레이와 수배전반 또는 전기 개폐장치의 보호 릴레이와 연동하여 제어를 함으로써, 아크 사고로부터 전력설비를 최적으로 보호할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 4 ~ 5ms 이내에 아크를 소호하게 되어 전력 기기 파손 및 인명사고를 최소화하고 정전 등의 사고 후 파급영향도 최소화할 뿐 아니라 전력 기기 경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "아크 센서"의 개략도이고, 도 2는 상기 아크 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 아크 센서는, 아크 검출용 광신호(16)와 아크에 의해 변환된 광신호(17)를 전송하기 위한 광섬유 케이블(제1광섬유케이블 및 제2광섬유케이블)(13)(14)이 구비된다. 상기 광섬유 케이블은 보호대상의 위치에 따라 길이가 결정되는 것이 바람직하다.

아울러 상기 광섬유 케이블(13)(14)에는 팁(12)을 통해 렌즈(11)가 연결되는 데, 여기서 렌즈(11)는 광신호를 반사시키는 반사소자(11a)를 내장하고, 광섬유 케이블(13)로 전송된 아크 검출용 광신호(16)를 상기 내장한 반사소자(11a)로 반사시키게 된다.

상기 광섬유 케이블(13)(14)의 일단에는 커넥터(15)가 구비되고, 그 커넥터(15)의 다른 단에는 광검출기(20)가 접속된다.

광검출기(20)는 광 송신기(21)와 광 수신기(22) 및 아크 분석기(23)를 구비하고, 광 송신기(21)에서 상기 아크 검출용 광신호(16)를 제1광섬유 케이블(13)로 송신하고, 광 수신기(22)에서는 상기 제2광섬유 케이블(14)을 통해 수신한 변형된 아크 검출용 광신호를 수신하여 전기적인 신호로 만들게 된다.

아울러 아크 분석기(23)는 상기 송신용 아크 검출용 광신호(16)와 수신된 아크 검출용 광신호(17)를 비교하여 그 차이신호를 산출하고, 상기 산출한 차이신호를 분석하여 아크 발생 신호를 출력하게 된다.

이와 같이 구성된 아크 센서의 동작을 살펴 보면 다음과 같다.

아크 검출을 위해 광검출기(20)의 광 송신기(21)에서 아크 검출용 신호(16)를 송출하여 제1광섬유 케이블(13)로 전송하게 된다. 제1광섬유 케이블(13)로 전송된 아크 검출용 신호(16)는 렌즈(11)에 입사되고, 렌즈(11)의 내부에 내장된 반사소자(11a)에 의해 반사되어 제2광섬유 케이블(14)을 통해 광 수신기(22)에 전달된다. 상기 렌즈(11)는 fish-eye type의 방사형 복수렌즈로 제작되는 것이 바람직하며, 탐지각도는 5스테라디안으로 하는 것이 바람직하다.

여기서 반사되는 광신호는 아크가 발생하지 않았을 경우에는 입력되는 아크 검출용 광신호(16)가 그대로 반사가 되어 광 수신기(22)에 전달되며, 이와는 달리 아크가 발생한 경우에는 상기 발생한 아크에 의해 아크 검출용 광신호가 변형되어 변형된 아크 검출용 신호가 반사된다. 이때 변형 상태는 발생한 아크의 유형에 따라 변화가 달라질 수 있으며, 아크 검출용 신호는 펄스 형태로 구현하는 것이 바람직하다. 상기 광 송신기(21)나 광 수신기(22)에 대한 구체적인 구성이나 동작은 당해 분야에 공지인 펄스 형태의 광신호를 송신하거나 수신하는 광 송수신기를 그대로 이용하게 되므로, 자세한 설명은 생략한다.

광 검출기(23)는 송신한 아크 검출용 신호와 수신한 반사신호를 비교하여 그 차이신호를 계산하고, 계산한 차이신호를 분석 알고리즘에 의해 분석하여 아크 발 생 여부를 판단하는 알고리즘으로 프로그램된 자기 테스트(blocks of light detection and testing; BLDT) 회로에 의해 아크 여부를 판단하고, 아크 발생시 아크 검출 신호(트립 신호)를 발생하게 된다. 통상 펄스 형태의 송신 신호와 반사된 수신 신호가 같으면 그 차이신호가 0이 되며, 송신 신호와 반사된 수신신호가 다를 경우에는 그 차이신호가 발생하게 된다. 따라서 발생한 차이신호를 내장된 메모리에 미리 저장된 아크 발생 여부를 판단하기 위해 실험에 의해 산출하여 저장된 기준 신호와 비교를 함으로써, 아크 발생 여부를 용이하게 판단 또는 분석할 수 있게 되는 것이다. 여기서 기준 신호는 프로그램에 의해 대략 200 내지 300A의 단락 회로 전류를 갖는 전기 아크에 의해 발생한 광속 용량에서 트리핑(tripping) 신호가 발생하도록 결정되는 것이 바람직하다.

부가적으로 광 송신기(21)와 광 수신기(22)와 제1 및 제2 광섬유 케이블(13)(14) 간에는 접속 장치인 커넥터(15)를 이용하는 것이 바람직하다.

이러한 광섬유를 이용한 아크 센서를 이용하면 0.4 ~ 35kV급 옥내외 배전반에서의 전기 아크 단락으로부터 시스템(전력 설비)을 보호할 수 있다.

도 3은 상기와 같은 아크 센서를 이용하여 발생한 아크로부터 전력 기기를 보호하기 위한 아크 보호 장치의 구성을 보인 것이다.

도 1 및 도 2와 부호가 동일한 부품은 아크 센서와 동일한 구성 및 작용을 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 아크 보호 장치는 도 1에 개시된 아크 센서를 포함하고, 아크 센서에 의해 아크 발생이 검출되면 공급되는 전력을 차단하는 보호 릴레이(51)에 제어 명령을 출력하는 마이크로 컨트롤러(30), 상기 마이크로 컨트롤 러(30)의 제어 명령에 따라 상기 보호 릴레이(51)가 동작하면 공급되는 전력을 차단하는 차단기(50), 과전류 및 부족전압 신호에 따라 상기 공급되는 전력을 제어하는 보호 계전기(60) 및 상기 마이크로컨트롤러(30)에 제어신호를 입력하거나 센서의 감도 조정 및 프로그램 변환 등의 데이터 등을 제공하기 위한 제어 유닛(40)을 포함한다. 또한, 본 발명은 입력 전압을 전파정류하여 소정의 직류 전압으로 만들어 구동용 전압을 공급해주는 전원 공급기(70)가 구비된다.

이와 같이 구성된 아크 보호 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 아크 센서에 의해 아크가 검출되면(트리핑 신호가 발생하면) 마이크로컨트롤러(30)에서 부하에 공급되는 전력을 제어하기 위한 제어 명령을 생성하여 차단기(50)에 구비된 보호 릴레이(51)를 구동시킨다. 이에 따라 차단기(50)가 동작하여 공급 전력을 차단하기 위한 트리핑 출력이 이루어져 아크 발생시 공급 전력을 신속하게 차단함으로써, 아크로부터 전력 설비(전력 기기)가 파손되는 것을 방지하게 된다.

여기서 차단기(50)의 보호 릴레이(51)가 종래의 철심 코일에 의한 전기식의 CT(Current transducer), PT(Potential transducer)로부터 사고를 감지하여 동작하는 시간보다 월등히 빨라 전술했듯이 아크가 발생한 순간부터 차단지령을 내리기까지 이 아크 보호 장치가 보호 계전기(60)보다 앞서 신속하게 신호를 감지함으로써 아크에 의한 사고의 파급을 방지할 수 있는 것이다.

즉, 주지한 바와 같은 광을 이용한 본 발명에 따르면 4 ~ 5ms 이내에 아크를 소호하게 되어 전력 기기 파손 및 인명사고를 최소화하고 정전 등의 사고 후 파급영향도 최소화할 뿐 아니라 전력 기기 경쟁력을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 특징으로서, 차단기(50)가 상기 보호 계전기(60)와 연동하여 차단 동작을 수행하는 것이다.

트리핑 신호는 차단기나 개폐기의 보호 릴레이의 신호를 이용해 차단기나 개폐기를 차단시켜 아크로부터 전력 설비를 보호한다. 이러한 신호는 순시 기능이 있어, 과전류(over current)로부터의 트립과 부족전압(under voltage)에 의한 트립 신호가 있다. 따라서 보호 계전기(60)는 이들 신호 중 임의의 신호의 존재 또는 부재를 결정하고, 동작 전류 회로로부터 분리하는 동작을 수행한다.

즉, 보호 계전기(60)에는 출력 신호, 트립 신호, 오동작 및 지연 자동 투입 및 자동 재투입 회로에 대한 억제기능이 있어 오류에 의한 전원 복귀로부터 사고를 방지할 수 있다.

차단기(50)는 릴레이 보호와 함께 아크 보호 장치의 동작 로직을 제공하고, 보호 릴레이(트리핑 출력)(51)의 도움으로 차단기(50)의 트립 신호를 생성한다. 아크 센서로부터 액츄에이션 신호(아크 발생 신호)는 과전류(over current) 보호 및 부족전압(under voltage)에 대하여 적절한 신호에 의해 차단되는데, 이것은 전기 아크의 발생에 따라 로직 회로에 의해 신호가 형성된다.

최소 전압에 의한 과전류(over current) 보호 또는 부족전압(under voltage) 신호에 의한 스위치 오프시의 아크 보호 장치의 차단동작은 마이크로 컨트롤러(30)에서 "전류를 통한 제어" 기능에 의해 가능하다.

또한, 아크 센서가 먼지나 매연 등으로 오염되거나 훼손된 경우에도 아크의 적외선을 감지하여 아크 보호 장치로 구동하는 것도 가능하다. 즉, 아크 센서가 훼 손되면 내장된 셀프 테스트 유틸리티를 통해 마이크로 컨트롤러(30)의 제어에 의해 광 송신기(21)에 의해 생성된 아크 검출용 신호(16)가 제2 광섬유 케이블(14)로 입력된다. 반사 소자(11a)에 의해 렌즈(11)의 내부로부터 반사된 신호가 제2 광섬유 케이블(14)을 통하여 수신되어 광 수신기(22)에 도달된다. 이때 마이크로 컨트롤러(30)는 아크 보호 장치의 동작을 컨트롤한다. 아크 센서로부터 아크의 발생을 감지한 신호를 마이크로 컨트롤러(30)가 아크 보호 장치의 테스트 프로그램을 인터럽트하고 아크를 탐지한 아크 센서가 프리셋 시간(표준 설정: 300ms)을 갖는 펄스 신호에 의해 출력된 트리핑 신호의 활성화 프로그램을 시작한다. 아크 보호 장치의 현재 상태에 대한 정보는 제어 유닛(40)에 디스플레이되고, 동작을 유발한 아크 전류가 제거되면 그 동작 이력이 제어 유닛(40)의 내부 메모리에 저장된다. 전원이 복귀되면 아크 보호 장치는 메모리에 저장된 정보에 대응하여 초기 상태로 되돌아간다.

이러한 본 발명에 따르면 광은 명백한 대역폭, 낮은 손실, 높은 절연성능을 가졌으며 전자기(EMI)의 방해를 받지 않는 특징이 있으며, 이러한 광의 특징을 이용한 본 발명에 따른 아크 보호 장치는 아크 사고를 신속히 감지하여 경제적 손실을 최소화할 뿐만 아니라 사고의 확산을 방지한다. 따라서 전기 아크와 과전류 보호에 대한 실시간 감시를 통하여 전력시스템을 총체적으로 보호하게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예로서, 아크 보호 장치를 제품화할 때, 모듈화, 컴팩트화를 구현하게 되면, 가격 등의 요인으로 수배전반의 제품 경쟁력을 강화할 수 있으며, 선박, 분산전원 등의 신규 시장의 개척도 가능한 장점이 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 아크 센서의 개략 구성도.

도 2는 도 1에 개시된 아크 센서의 동작 원리도.

도 3은 본 발명에 따른 아크 센서를 이용한 아크 보호 장치의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11… 렌즈

11a… 반사 소자

13, 14… 제1 및 제2 광섬유 케이블

16… 아크 검출용 신호

17… 변형된 아크 검출용 신호

20… 광 검출기

21… 광 송신기

22… 광 수신기

23… 아크 분석기

30… 마이크로 컨트롤러

50… 차단기

60… 보호 계전기

Claims (5)

1. 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블과;

   상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키되, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈와;

   상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블을 통해 수신한 변형된 아크 검출용 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 아크 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유케이블은 아크 검출용 광신호를 전송하는 제1광섬유케이블과 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 전송하는 제2광섬유케이블로 구성된 것을 특징으로 하는 아크 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는 아크 검출용 광신호를 송신하는 광 송신기와, 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 수신하는 광 수신기와, 내부 메모리에 내장 된 아크 분석 프로그램에 의해 상기 아크 검출용 광신호와 상기 변형된 아크 검출용 광신호를 비교하여 차이신호를 산출하고, 상기 산출한 차이신호를 분석하여 아크 발생 신호를 출력하는 아크 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 센서.
4. 아크 보호 장치에 있어서,

   광섬유 케이블과 렌즈와 광검출기로 이루어져, 아크 발생을 검출하는 아크 센서와;

   상기 아크 센서에 의해 아크 발생이 검출되면 부하로 공급되는 전력을 차단하는 보호 릴레이의 제어 명령을 출력하는 마이크로 컨트롤러와;

   상기 마이크로 컨트롤러의 제어 명령에 따라 상기 보호 릴레이가 구동되어 공급 전력을 차단하는 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 센서를 이용한 아크 보호 장치.
5. 제4항에 있어서,

   과전류 및 부족전압 신호에 따라 상기 공급되는 전력을 차단하기 위한 보호 계전기를 더 포함하고,

   상기 차단기는 상기 보호 계전기와 연동하여 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 아크 센서를 이용한 아크 보호 장치.

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