KR20170028535A

KR20170028535A - 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법

Info

Publication number: KR20170028535A
Application number: KR1020150125241A
Authority: KR
Inventors: 최형준; 정덕용; 장석훈
Original assignee: 새빛테크(주)
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-14

Abstract

본 발명은 서지보호기의 건전성에 대해 확인할 수 있는 평가장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MOV(Metal Oxide Varistor) 소자의 열화를 바리스터 전압으로 판별하되, 보다 정확한 측정을 위해 V-I(전압-전류) 특성곡선을 측정하여 비선형계수 α의 변화도를 측정하고 이를 이용해서 서지보호기의 건전성을 평가하는 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법이다.

Description

전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법{Integrity Evaluation Instrument and Method for Power Line Surge Protective Device}

최근 낙뢰로 인한 과전압, 서지 등으로부터 설비를 보호하기 위해 서지보호

기(SPD; Surge Protective Device)가 널리 적용되고 있다. 현재 대부분의 전원용 서지보호기는 보호소자로써 MOV(Metal Oxide Varistor)를 주로 사용하고 있다. 이러한 MOV 소자는 주로 선-대지간에 접속되어 정상상태시에는 임피던스가 매우 높은 상태를 유지하다가 서지침입시 순간적으로 단락상태의 저임피던스 회로로 변형되어 서지전류를 방류시키고 피보호기기 양단의 제한전압을 억제시켜 설비를 보호하는 역할을 한다.

그러나 이러한 MOV 소자는 과도한 서지의 반복적인 침입 또는 전력계통의 고장사고에 의해 발생하는 일시 과전압 등에 노출되게 되면 열화가 진행되고 소손이 발생한다. MOV의 소손 시에는 임피던스가 낮은 상태를 유지하므로 이 상태에서 정격전압이 계속 유지되는 경우에는 단락사고 또는 화재로 까지 발전할 수 있는 가능성이 있다.

따라서 이러한 사고를 예방하기 위해 현장에 설치되어 있는 서지보호기의 현재 상태를 진단하고 분석할 수 있어야 한다. 서지보호기의 열화상태를 진단하는 방법으로는 고장표시법, 서지계수법, 온도측정법, 누설전류 측정법 등이 있으며 현재 시장에 적용되고 있는 대부분의 제품은 단순히 MOV와 연결된 퓨즈(Fuse)의 상태를 LED 등의 램프로 표시하는 고장표시방법을 적용하고 있다. 고장 표시방법은 L-G(전원-접지) 간에 서지보호소자인 MOV와 함께 직렬로 퓨즈를 삽입하고 퓨즈 양단에 LED를 설치한 구조로써 정상상태에서는 퓨즈 양단에 전압이 발생하지 않으므로 LED는 OFF상태를 유지한다. 그러나 일시과전압 등에 의해 MOV가 소손 시 이와 함께 퓨즈가 용단되고 LED를 온(on) 시키게 되는 구조이다. 이러한 방법은 회로구성이 매우 간단하고 서지보호기의 고장상태를 쉽게 파악할 수 있으나 퓨즈가 용단되기 전에는 열화 진행상태를 판단할 수 없다. 따라서 보호기 소손이 발생한 후에 관리자에 의해 인지되고 사후에 교체되어야 하므로 사전에 이를 예방하기 어려운 단점이 있다.

서지 계수법은 서지 침입시 이를 검출하여 침입회수를 기록하는 것으로 서지전류를 검출하는 전류 센서(Current Sensor)와 정류기, 캐패시터 및 카운터 회로로 구성된다. 전류 센서를 관통해 서지전류가 흐를 때 센서코일 양단에 유기된 전압은 코일단면을 통과하는 자속의 시간 변화량에 비례하므로 유입되는 서지전류의 크기에 비례하여 출력전압이 발생하며 이 전압을 검출하여 카운터 회로를 구동시키게 된다. 카운터 회로로는 오피-앰프(OP-amp) 등의 아날로그 소자 또는 마이크로프로세서 등을 이용하여 구성할 수 있으며 마그네틱 계수기 등이 사용되기도 한다. 그러나 이러한 방식은 단순히 서지가 침입하여 보호기가 동작했음을 의미할 뿐 보호기의 현재상태에 대해서는 자세한 정보를 얻을 수 없다. 서지보호기의 동작회수와 수명에 대한 상관관계는 유입된 서지의 크기 및 보호기에 사용된 보호소자의 특성에 따라 차이가 있으므로 정확한 열화상태 진단을 기대하기 어렵다.

온도측정법은 서지보호소자인 MOV가 이상시 과전류에 의해 온도가 상승하는 것을 서미스터 또는 온도 검출용 IC 센서 등을 이용해 검출하여 열화를 판정하는 방법으로 정확한 측정을 위해 사용된 바리스터마다 각각 센서를 설치하여야 하는 단점이 있으며 센서 출력을 표시하기 위해 AD 변환기(Analog to Digital Converter) 또는 마이크로프로세서가 추가되어야 하며 온도를 검출하는 반응 속도도 다소 느린 편이다.

따라서 정확한 열화진단을 위해서는 MOV의 누설전류를 측정하는 방법이 사용되고 있다. 측정방법으로는 크게 보호기가 동작되고 있는 상태에서 측정하는 방법과 보호기를 시스템에서 분리하여 측정하는 방법이 있다. 현장에 전원이 인가되고 SPD가 사용중인 상태에서 측정하는 방법은 서지보호기의 분리가 없이 단순히 접지측의 누설전류만을 측정하여 저항성 누설전류를 분석하는 것으로 편의성은 높지만 설치환경 및 부하기기의 조건에 따라 오차를 유발할 수 있어 분리 후 측정하는 것이 보다 정확한 방법이다.

종래에 서지보호기의 열화를 진단하는 방법으로는 MOV를 관통하여 흐르는 누설전류를 측정하여 저항성 누설전류를 분석하는 방법이 있으며 이러한 기능을 내장한 서지보호기도 있다(한국 공개특허번호 제10-2005-0003804호 참조). 그러나 이러한 고기능의 서지보호기는 대체로 고가이며 여전히 현장에서는 단순히 위와 같이 MOV와 간단한 표시기능만을 구비한 제품이 절대적으로 많이 보급되어 있는 실정이다. 또한 각 제조사마다 MOV의 설치 위치와 수량 등이 다양한 조건으로 설치되어 있어 서지보호기가 전원에 연결된 사용환경에서 접지선의 누설전류만을 측정하여 열화정도를 판정하기에는 측정의 정확도가 낮아진다.

또 다른 종래기술로서는 등록특허 제10-1413561호에 제안되어 있는 전원 및 신호용 서지보호기 신뢰성 평가장치치가 있다.

상기 특허에는 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 서지보호기 신뢰성 평가 장치에 있어서, 직류 전원공급기의 양단에 연결된 직렬 저항들로 이루어진 분압 회로; 상기 직류 전원공급기의 제2단자에 한단자가 연결된 션트(shunt) 저항; 복수의 스위치를 가지며, 상기 서지보호기의 L-N(전원선-중성선), L-G(전원선-접지선), 또는 N-G(중성선-접지선) 모드에 따라, 상기 직류 전원공급기의 제1단자 및 상기 션트(shunt) 저항의 다른 단자가 상기 서지보호기의 두 단자로 연결되는 릴레이 모듈; 및 상기 복수의 스위치의 온오프 제어를 통해 상기 모드의 제어를 수행하며, 상기 직류 전원공급기의 전원 전압을 제어하여 상기 서지보호기에서 흐르는 전류 측정을 위해 상기 션트(shunt) 저항에 흐르는 전류를 측정하되, 상기 직류 전원공급기의 제1전압에서 측정한 전류로부터 상기 서지보호기에 연결된 보조회로에 흐르는 누설전류를 추정하고 제2전압에서 측정한 전류에서 상기 보조회로에 흐르는 누설전류를 차감하여 상기 서지보호기의 MOV에 흐르는 저항성 누설전류만을 산출한 후 산출된 값이 기준값을 초과하는지 여부를 판단하여 상기 서지보호기의 열화상태를 검출하기 위한 마이크로프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 서지보호기 신뢰성 평가 장치가 제안되어 있는데, MOV에 흐르는 저항성 누설전류를 산출하기 위해 제1전압에서 측정한 전류와 제2전압에서 측정한 전류를 이용해 보조회로에 흐르는 누설전류를 차감하게 되는데, 이렇게 측정된 누설전류값의 경우 열화가 진행되고 있는 소자에 대해 정확한 판단이 어려운 경우가 있으며, 특히 열화가 어느 정도 진행된 상태에서 경험적으로 그 수명이 얼마 남지 않은 MOV 소자 역시 정상적으로 판단됨으로써 서지보호기의 열화상태를 정확히 파악할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 바리스터 전압 즉, MOV 소자에 1mA 전류(제1전류)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하고 제2전류(20~40kA)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하여 이를 이용해 비선형계수(α)의 값을 산출함으로써 MOV소자의 열화상태를 파악하여 서지보호기의 상태를 보다 정확히 파악할 수 있는 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치는 DC 15 V의 입력을 받아 최대 1.2 kV의 직류전압을 생성하는 플라이백 컨버터형태의 DC-DC 컨버터(converter), 보호모드별 측정을 위한 릴레이부, 전압과 전류의 센싱을 위한 측정부 및 마이크로 프로세서를 포함하여 구성되며, 상기 측정부는 디바이더 회로와 션트 저항으로 구성되어 전압과 전류를 각각 측정하며, 측정된 전압과 전류는 저역통과필터 및 증폭기로 구성된 신호조정회로를 거쳐 마이크로프로세서 내의 A/D 변환기로 인가되는 것이 특징이다.

본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가방법은 MOV(Metal Oxide Varistor) 소자의 열화를 바리스터 전압으로 판별하되, 정확한 측정을 위해 V-I(전압-전류) 특성곡선을 측정하여 비선형계수(α)의 변화도를 측정하고 이를 이용해서 서지보호기의 건전성을 평가하는 것이 특징이다.

본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법은 바리스터 전압 즉, MOV 소자에 1mA 전류(제1전류)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하고 제2전류(20~40kA)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하여 이를 이용해 비선형계수(α)의 값을 산출함으로써 MOV소자의 열화상태를 파악하여 서지보호기의 상태를 보다 정확히 파악할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 MOV 소자(ZnO 바리스터)의 회로구성도
도 2는 일반적인 SPD 회로의 예시도
도 3은 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치의 구성블록도
도 4는 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치에 의해 측정된 출력전압특성도
도 5는 측정에 사용된 MOV의 사진
도 6은 MOV의 전압-전류도
도 7은 본 발명의 사용상태도

전원선로의 고장이나 지락사고 등에 의해 선로에 일시적으로 발생하는 정격전압보다 큰 과전압을 일시과전압(TOV; Temporary Overvoltage)이라 한다. 전원용 서지보호기에 주로 사용되는 MOV는 뇌서지, 개폐서지 등과 같이 전압은 매우 높지만 지속시간이 수백 ㎲ 정도로 매우 짧은 과도 전압에 대해서는 전압을 억제하는 기능을 하지만 소자의 정격용량을 초과하는 60 Hz의 상용교류 전원에 대해서는 보호역할을 수행하지 못하며 소자 자체가 소손되는 특성이 있다. 이는 지속시간이 수십~수백 ㎲인 서지에 비해 고장시 과전압은 수백 ms ~ 수초 이상 지속되므로 상대적으로 매우 큰 에너지가 MOV에 가중되기 때문이다. 이와 같이 소손된 MOV의 고장상태는 대부분 단락상태로써 정상상태시 무한대에 가까웠던 저항이 수 Ω 정도로 낮아지며 이로 인해 전원계통의 단락사고를 유발할 가능성이 높다.

산업현장에서 발견되는 열화된 SPD의 경우 통상적으로 일시과전압에 의해 내부 보호소자가 소손되는 경우가 많으며, 소손된 상태에서 계속해서 전원계통에 연결되어 있을 경우 화재와 같은 대형사고가 발생할 우려가 있다.

SPD의 열화상태를 평가하기 위한 방법으로 시료를 수거하여 바리스터 전압의 저감 정도 및 제한전압의 변동 상태 등을 검출하는 기법이 있으나 이는 특수한 시험 장비를 필요로 하며 현장에서 적용하기는 어려운 상황이다.

현재 간이적으로 상태를 평가하는 방법으로는 내장된 퓨즈 같은 분리기의 이상유무를 LED 램프로 표시하는 고장표시법, 서지 침입횟수를 적산하여 판별하는 서지카운터 표시방법, 누설전류를 측정하여 이상 유무를 판별하는 방법 등이 있다.

먼저, 고장표시법은 MOV에 이상이 발생하여 단락상태가 지속된 경우 퓨즈의 융단여부를 판별하는 것으로 예방적인 관점이 아닌 사후 조치의 경우에 해당되므로 열화상태를 판별하기는 어렵다.

서지 침입횟수를 측정하여 판별하는 경우에도 인가되는 서지전류의 크기에 따라 MOV의 내성 정도가 달라지므로 단순히 횟수로만 판별하기에는 신뢰성에서 무리가 있다.

이러한 이유로 최근에 많이 사용되는 방법으로 누설전류의 분석에 의한 방법이 시도되고 있다. MOV기반의 서지보호기의 누설전류 측정에 의한 열화를 분석하는 방법은 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

MOV소자는 ZnO성분으로 구성되며 계통 전압이 직접 인가되므로 상시 미소한 누설전류가 흐르게 된다. MOV는 도 2에 나타나 있는 바와 같이 커패시터와 비선형 저항의 병렬 조합으로 등가화할 수 있으며, 전체 누설전류는 저항성 누설전류와 용량성 누설전류의 합으로 이루어져 있다. 용량성 누설전류는 MOV의 유전율 및 표유 정전용량에 기인하는 것으로는 MOV의 열화시에도 큰 변화없이 일정하므로 열화상태를 나타내기 위한 지표로 사용하기에는 부적합하다. 일정 전압과 온도에서 누설전류의 저항성 성분은 비선형소자인 MOV의 전압-전류 특성의 변화에 따라 민감하게 반응한다. 즉 인가전압에 따라 비선형소자의 저항성 누설전류는 급격하게 증가하므로 MOV의 열화진단에 사용될 수 있다. 이러한 저항성 누설전류를 측정하기 위해서는 선간 또는 선-대지간에 연결된 각각의 MOV 소자에 흐르는 전체 누설전류 및 양단 전압을 측정하고 커패시터 보상법 또는 용량성 전류 상쇄방법 등과 같은 기법을 적용하여야 한다. 그러나 국내에 설치되어 있는 90% 이상의 서지보호기는 도 3과 같이 하나의 박스형 함체에 선간 및 선-대지간 보호모드에 MOV 소자를 각각 적용한 형태로 소자 각각에 흐르는 독립된 누설전류를 함체 외부에서 측정하기는 불가능한 구조이다.

일반적으로 현장에서는 SPD의 접지선에 누설전류계를 사용하여 측정하고 있는 현실이다. 접지선에서 측정할 경우 MOV 소자 각각에 흐르는 누설전류가 아니라 선간 및 선-대지간에 연결된 모든 MOV 소자에 흐르는 합성전류이며 3상용 SPD의 경우 서로 상쇄되어 신뢰성 있는 전류의 측정이 어렵다. 중성선에서 측정할 경우에는 선간에 위치한 MOV의 누설전류 외에 분리기의 이상 유무를 표시하기 위한 부가회로에 흐르는 전류가 합성되어 측정되므로 열화의 지표가 되는 누설전류를 대표하는 값으로 보기 어렵다. 또한 산업플랜트에서는 전력효율 향상을 위해 인버터, SMPS, UPS 등과 같은 고속 스위치 동작을 이용하는 부하가 많이 사용되며 이는 노이즈 소스로 작용하여 접지선에 고조파 및 노이즈 성분이 많이 포함된다. 이러한 환경에서 측정된 미소 누설전류는 신뢰성이 저하되며 누설전류의 허용치에 대한 명확한 규정없이 경험적인 값에 의해 열화여부를 판정하고 있어 대안이 필요한 실정이다.

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 국제전기전자기술자협회)에서는 MOV의 바리스터 전압이 10% 이상 저감시 열화가 된 것으로 판정하고 있는데, 본 발명 역시 이러한 규정을 근거로 하여 MOV의 바리스터 전압을 측정할 수 있는 측정장치를 개발하고 실험을 통해 이러한 열화진단 방법의 유효성을 확인하여 이를 제공하고자 한다.

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치의 구성블록도로써, 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치는 DC 15 V의 입력을 받아 최대 1.2 kV의 직류전압을 생성하는 플라이백 컨버터형태의 DC-DC 컨버터(11, converter), 보호모드별 측정을 위한 릴레이부(12), 전압과 전류의 센싱을 위한 측정부 및 마이크로 프로세서(10)를 포함하여 구성되며, 상기 측정부는 디바이더 회로(14)와 션트 저항(13)으로 구성되어 전압과 전류를 각각 측정하며, 측정된 전압과 전류는 저역통과필터 및 증폭기로 구성된 신호조정회로(15)를 거쳐 마이크로프로세서(10) 내의 A/D 변환기로 인가되는 것이 특징이다.

또한, 상기 A/D 변환기로 변환되어 측정된 전류값이 목표값에 도달될 때까지 출력전압을 PID 컨트롤러를 통해 PWM 듀티비를 조정하여 선형적으로 증가시키고, 출력전압을 증가시키며 측정되는 전류값은 연속적으로 데이터화되며 0.1 mA가 흐를 때의 바리스터 양단전압 및 1mA 전류가 흐를 때의 바리스터 전압을 측정하고 이후 3 mA가 흐를 때까지 계속해서 전압을 증가시켜 상태를 측정하며, 측정된 데이터를 분석하여 바리스터 전압 및 비선형계수(α)를 측정하고 V-I 특성 곡선을 모니터(16)에 출력하는 것이 특징이다.

도 4는 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치에 의해 측정된 출력전압특성도로써, 도 4a는 무부하 상태에서 플라이백 컨버터의 출력전압을 측정한 것으로 출력전압이 선형적으로 최대 1.34kV 까지 증가하고 있음을 의미한다. 이는 일반 저압 수용가에서 사용되는 대부분의 SPD의 정격전압을 초과하는 값으로 바리스터 전압을 측정하기 위한 시험 파형으로 적합하다.

도 4b는 MOV시료를 대상으로 측정기의 출력전압파형을 측정한 예로써, 본 발명에서는 측정시간을 단축시키고 측정정확도를 향상시키기 위한 방법으로 출력전압의 상승시간을 달리하는 방법을 적용하였다. 도 4b의 A구간에서는 바리스터의 누설전류가 발생하는 근사값을 찾기 위한 것으로 전류가 0.1 mA에 도달할 때까지 빠르게 전압을 상승시킨다. 이후 근사값에 도달하게 되면 B 구간 같이 전압을 서서히 상승시키며 데이터의 반복측정 및 평균화 값을 연산하도록 하였다. 구간 C는 측정종료 후 인가전압을 방전시켜 초기화하는 구간이다. 이와 같은 방법을 통해 산업플랜트에서 보호모드가 다채널인 서지보호기의 측정 및 다수의 SPD 측정시 측정정확도는 유지한 채 시간을 단축할 수 있다.

<실시예>

최근 국내 전원 계통에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 MOV소자 3종에 대해 인위적인 열화상태를 모의하기 위해 임펄스 인가 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 MOV소자 및 사양을 도 5과 표 1에 나타내었다. 모든 시료는 최대 방전전류내량이 8/20 ㎲ 표준뇌임펄스 전류를 기준으로 공칭방전전류 In 20kA, 최대 방전전류 내량 Imax 40 kA인 소자이다. 공칭방전전류는 반복적인 임펄스전류에 대해서 정상적인 동작을 나타내는 정격전류를 의미하며 최대방전전류란 최소 1회 인가시 동작을 보장하는 최대 임펄스전류를 의미한다.

MOV 사양표

Model	Varistor Voltage		Maximum Continuous Operating Voltage		Maximum Peak Current (8/20㎲)
	V@1.0mA[V]		AC rms	DC	In (10time)	Imax
	min	max	[V]	[V]	[kA]
Sample A 34S431	387	473	275	350	20	40
Sample B 34S681	612	748	420	560	20	40
Sample C 34S751	675	825	460	615	20	40

본 실시예에서는 MOV 소자가 과도한 뇌격전류에 의해 열화된 상태를 모의하기 위해 충격전류발생기(Impulse current generator)를 이용하여 8/20 ㎲ 표준뇌임펄스 전류 20 kA를 10회 인가하고 후속하여 40 kA 전류를 5회 인가하였다. 임펄스 전류 인가 후 본 발명에 의한 평가장치를 이용하여 인가시험 전, 20 kA 인가 시험 후, 40 kA 인가시험 후 각각 바리스터 전압의 변화를 측정하였다.

측정된 결과는 시료 A에 20 kA의 임펄스 전류 주입시 측정된 파형이 나타나며, 이러한 파형은 바리스터의 제한전압, 인가된 에너지, 인가전류의 파형을 의미하며 최대 20.8 kA의 전류가 인가되었으며 그때 MOV 양단의 최대전압은 1.01 kV로 측정되었다.

도 6과 표 2에 각 시료의 전압-전류 특성 곡선 및 측정결과를 나타내었다.

비선형계수의 측정결과표

Sample/ Condition		Varistor Voltage[V]		비선형계수(α)
Sample/ Condition		0.1mA	1mA	비선형계수(α)
A	테스트전	421	444	43.3
	20kA 10번	412	437	39.1
	40kA 5번	369	426	16.0
B	테스트전	632	655	64.4
	20kA 10번	600	646	31.2
	40kA 5번	521	588	19.0
C	테스트전	740	774	51.3
	20kA 10번	686	762	21.9
	40kA 5번	601	696	15.7

측정결과 시료 A의 경우 열화시험 후 측정치가 모두 초기치의 5% 이내로 나타났으며 시료 B와 시료 C의 경우에는 20 kA 10회 인가시험에서는 양호한 특성을 나타내었으나 40 kA 5회 인가 후에는 초기치의 약 10% 정도 저하된 경향을 보였다. IEEE 에서는 바리스터 전압이 초기치에서 10% 이하로 저하되면 열화가 되었다고 명시하고 있다. 바리스터 전압은 소자에 1 mA 전류가 흐를 때 인가된 직류전압으로 시료 A의 경우 바리스터 전압만으로는 아직 열화가 되지 않은 것으로 평가할 수 있다. 그러나 도 6a의 전압-전류 특성 곡선에서는 40 kA 인가시험 후에는 약 300 V 인가 시점부터 누설전류가 흐르기 시작하여 369 V에서 0.1 mA의 전류가 흐르고 있음을 확인할 수 있다. 이는 시험전 소자의 경우 350 V 정도에서부터 누설전류가 흐르기 시작하여 421 V 인가시 0.1 mA가 발생한 것과 비교하면 14% 이상 저감되었다. 이는 정격전압보다 낮은 전압에서 누설전류가 발생하고 있음을 의미하며 장시간 지속시 열폭주 현상이 발생할 수 있으므로 열화가 진행된 것으로 판단하여야 한다.

이러한 경우의 열화상태 표시를 위해 비선형 계수(α)의 측정이 필요하다. 비선형계수(α)는 아래 식과 같이 정의된다.

수식 :

(단, V1 ; 01.mA가 흐를 때의 전압값이고, V2 ; 1mA가 mA가 흐를 때의 전압값이며, I1 = 0.1 mA, I2 = 1 mA이다.)

시료 A의 경우 열화시험 전의 α 계수는 43.3이며 20kA 인가시험후의 α 계수는 39.1, 40 kA 인가시험 후에는 16.0으로 감소하는 특성을 나타내었다. 시료 B와 C도 동일하게 40 kA 인가시험 후 20 이하로 급격하게 저하되었다.

정상상태에서 α 계수는 통상 25.65 정도를 나타내고 있으며 본 시료의 경우와 같이 20 이하로 나타나는 소자는 열화가 된 것으로 판정하는 것이 사고예방을 위해 바람직하다.

도 7에 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치를 이용하여 산업플랜트에서 운용되고 있는 서지보호기(SPD)에 적용하여 측정하는 모습을 나타내었다. 국내에서 사용되는 대부분의 서지보호기는 선-대지, 중성선-대지간에 보호소자를 사용하고 있으며 도 7과 같이 한 함체에 보호소자와 기타 부가회로가 담긴 형태이다. 또한 서지보호기의 유지보수 및 단락전류 차단을 위해 서지보호기 전단에 차단기가 의무적으로 설치되고 있는 실정이다. 서지보호기 건전성 평가 측정을 위해 차단기를 오프시켜 서지보호기의 공급 전원을 차단한 후 본 발명에 의한 평가장치를 이용하여 상태를 분석하였다. 분석 결과 선-대지 및 중성선-대지 간에 설치된 소자에 모두 이상이 없음을 확인하였으며 이와 같은 방법에 의해 실제 산업 현장에서도 적용 가능함을 확인하였다.

결국, 본 발명에 의한 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치 및 방법은 바리스터 전압 즉, MOV 소자에 1mA 전류(제1전류)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하고 제2전류(20~40kA)가 흐를 때 인가되는 직류전압을 측정하여 이를 이용해 비선형계수(α)의 값을 산출함으로써 MOV소자의 열화상태를 파악하여 서지보호기의 상태를 보다 정확히 파악할 수 있는 효과가 있다.

1. 서지보호기
10. 마이크로프로세서 11. DC-DC 컨버터
12. 릴레이부 13. 션트(shunt) 저항
14. 디바이더 회로 15. 신호조정회로
16. 모니터

Claims

서지보호기의 건전성 평가장치에 있어서,
상기 평가장치는 DC 15 V의 입력을 받아 최대 1.2 kV의 직류전압을 생성하는 플라이백 컨버터형태의 DC-DC 컨버터(11, converter), 보호모드별 측정을 위한 릴레이부(12), 전압과 전류의 센싱을 위한 측정부 및 마이크로 프로세서(10)를 포함하여 구성되며, 상기 측정부는 디바이더 회로(14)와 션트 저항(13)으로 구성되어 전압과 전류를 각각 측정하며, 측정된 전압과 전류는 저역통과필터 및 증폭기로 구성된 신호조정회로(15)를 거쳐 마이크로프로세서(10) 내의 A/D 변환기로 인가되는 것이 특징인 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치.
제1항에 있어서,
상기 평가장치는 상기 A/D 변환기로 변환되어 측정된 전류값이 목표값에 도달될 때까지 출력전압을 PID 컨트롤러를 통해 PWM 듀티비를 조정하여 선형적으로 증가시키고, 출력전압을 증가시키며 측정되는 전류값은 연속적으로 데이터화되며 0.1 mA가 흐를 때의 바리스터 양단전압 및 1mA 전류가 흐를 때의 바리스터 전압을 측정하고 이후 3 mA가 흐를 때까지 계속해서 전압을 증가시켜 상태를 측정하며, 측정된 데이터를 분석하여 바리스터 전압 및 비선형 계수(α)를 측정하고 V-I 특성 곡선을 모니터(16)에 출력하는 것이 특징인 전원용 서지보호기의 건전성 평가장치.
서지보호기의 건전성 평가방법에 있어서,
MOV(Metal Oxide Varistor) 소자의 열화를 바리스터 전압으로 판별하되, 정확한 측정을 위해 V-I(전압-전류) 특성곡선을 측정하여 비선형계수(α)의 변화도를 측정하고 이를 이용해서 서지보호기의 건전성을 평가하는 것이 특징인 전원용 서지보호기의 건전성 평가방법.
제3항에 있어서,
상기 비선형계수(α)는 다음의 수식에 의해 구해지는 것이 특징인 전원용 서지보호기의 건전성 평가방법.
수식 :

(단, V1 ; 01.mA가 흐를 때의 전압값이고, V2 ; 1mA가 mA가 흐를 때의 전압값이다.)