KR20180138448A - 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치에 관한 것으로, 사용전압 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1kV 등을 사용하거나 또는 프리 볼트로 사용하면서 정격차단 용량 20A, 30A, 50A, 75A, 100A, 등으로 이루어지는 하나의 차단장치에서 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 사용하여 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 각각 설치하여 0.5sec 이내에 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출, 분석하고, 정상아크, 결함아크를 판단하여 결함아크의 경우 차단할 수 있도록 하고, 정상아크 판단을 위해 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 일정 시간 내의 패턴을 저장하고 비교분석처리 함은 물론 중앙제어장치로부터 기동, 정지 신호를 받아 직류기기의 정상아크를 판단함으로써 직류 아크차단장치의 오동작이 없도록 하는 효과가 있다.

Description

감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치{DC arc breaking device including monitoring function}
본 발명은 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용전압 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1kV 등을 사용하거나 또는 프리볼트로 사용하면서 정격 차단용량 20A, 30A, 50A, 75A, 100A 등으로 이루어지는 하나의 차단장치에서 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 직류전원의 플러스, 마이너스 전원선에 설치하여 0.5sec 이내에 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출, 분석, 판단 및 차단할 수 있도록 한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치에 관한 것이다.
일반적으로 직류 차단기는 고압직류(HVDC, High Voltage Direct Current) 송전 선로 또는 배전 선로에서 기기의 보수, 교체 및 고장 전류 발생 시 기기 및 계통 보호를 위해 신속하고, 효율적으로 계통을 차단하기 위하여 사용되는 기기이다.
도 1에 종래 기술(공개번호 WO2013-045238 A1, 출원번호 PTC-EP2012-067276)에 따른 직류 차단기가 도시되어 있다.
종래 기술에 따른 직류 차단기는 정격전류의 통전을 담당하는 기계식 차단기(110,120)와 다이오드(125)로 구성된 주통전부, 저항(150), 인덕터(160), 커패시터(170), 써지 어레스터(Surge Arrester, 180), 싸이리스터(Thyristor, 190), 다이오드(195)로 구성되어 전류 차단 시 아크 소호를 위해 역전류를 만들어내는 펄스 발생부(Pulse Generator(PG부), 185), 그리고 다이오드(130), 써지 어레스터(140)로 구성되어 선로에 남은 에너지를 흡수 및 소거하는 부분을 포함하여 구성된다.
종래 기술에 따른 직류 차단기의 동작은 다음과 같다.
정격전류 통전 시에는 주통전부의 기계식 차단기(120)을 닫음(closing)으로써 정격전류를 통전한다. 이때 제4노드(104)와 제2노드(102) 사이의 전위차로 인하여 PG부(185)의 다이오드(195)-저항(150)-커패시터(170) 경로를 통해 커패시터(170)가 충전된다. 커패시터(170)에 충전이 완료되면 제4노드(104)와 제2노드(102) 사이의 전위차가 없어져 PG부(185)의 전류 흐름은 차단되고, 차단기는 동작 준비가 완료된다.
고장 전류가 발생하여 직류 차단기(100)의 차단 동작이 시작되면 먼저 기계식 차단기(110, 120)을 개방(opening)시킨다. 하지만, 기계식 차단기(110, 120)는 아크 전류에 의해 고장 전류가 계속 통전되는 상태에 있다. 이후 PG부(185)의 싸이리스터(190)를 턴-온(turn on)시켜 커패시터(170)-인덕터(160)-싸이리스터(190)의 경로를 통해 커패시터(170)을 역충전시킨다. 커패시터(170)의 역충전량이 써지 어레스터(140)의 방전 전압에 이르면 써지 어레스터(140)는 통전 상태가 되고, 커패시터(170)는 방전이 개시되어 커패시터(170)-써지 어레스터(140)-다이오드(130)-기계식 차단기(120)-다이오드(195)-저항(150)의 경로를 통해 기계식 차단기(120)에 역방향의 전류가 흐르게 된다. 따라서 기계식 차단기(120)에 흐르는 고장 전류는 역방향의 전류가 만나 전류 영점이 발생되며, 그 결과 기계식 차단기(120)의 아크가 소호된다. 아크 소호 후 남은 역방향의 전류는 다이오드(125)를 통해 흐르게 된다. 그리고 기계식 차단기(120)의 차단 완료 후 선로에 남은 에너지는 써지 어레스터(140,180)을 통해 흡수되며, PG부(185)의 커패시터(170)은 재충전되어 다음 차단 동작을 준비하게 된다.
그런데 종래 기술에 따른 직류 차단기는 차단 동작 시 역방향의 전류를 만들기 위해 PG부(185)의 커패시터(170)를 역충전해야 된다. 이러한 과정은 차단 동작의 지연으로 나타나게 된다. 더욱이, 고장 전류는 상승속도가 크므로 지연된 시간에 따라 더 큰 크기의 고장 전류를 차단해야 하게 된다. 이로 인해 커패시터(170), 기계식 차단기(120)와 써지 어레스터(140) 등의 부담이 가중되며, 보다 큰 용량의 부품이 소요되어 직류 차단기생산 비용의 상승을 초래하게 된다.
공개번호 WO2013-045238 A1
기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 사용전압 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1kV 등을 사용하거나 또는 프리볼트로 사용하면서 정격 차단용량 20A, 30A, 50A, 75A, 100A 등으로 이루어지는 하나의 직류 아크차단장치에서 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 설치하여 0.5sec 이내에 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출, 분석, 판단 및 전원을 차단할 수 있도록 한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 시간 개념을 갖는 패턴을 저장하여 비교 분석처리 하거나, 또는 중앙제어장치인 DSC 또는 ICMS로부터 기동, 정지 신호를 받아 직류기기의 정상값을 판단할 수 있도록 한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로,
현재부하, 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 직류전원에서 감지할 수 있도록 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 각각 단수 또는 복수로 설치되는 검출부와; 검출부에서 검출된 신호를 변환하여 분석 및 판단부로 인가되는 것으로 신호의 세기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 변환부와; 변환부에서 인가되는 신호에서 복수의 검출신호를 동시에 입력받아 분석하거나 복수의 검출신호를 각각 사용할 수 있도록 분석하여 정상아크와 결함아크를 판단하고, 정상아크의 판단을 위해 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 일정 시간 내의 패턴을 저장하고 비교분석처리 함은 물론 기동, 정지 신호를 중앙제어장치(DCS 또는 ICMS)로부터 받아 판단하는 것을 특징으로 하는 분석 및 판단부와; 직류 아크차단장치의 운전 및 동작상태를 파악할 수 있도록 직류 아크차단장치의 외부에 설치되는 표시부와; 원격지에 위치한 관리센터와 유선 또는 무선방식으로 통신할 수 있도록 직류 아크차단장치 내부에 설치되는 통신부와; 직류 아크차단장치의 외부에 버튼 형태로 설치되어 분석 및 판단부를 리셋하는 리셋부와; 직류 아크차단장치가 정상적으로 동작하는지 확인할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 버튼형태로 설치되는 테스트부와; 직류 아크차단장치에서 결함아크로 판단할 경우 직류 아크차단장치에서 전원을 차단할 것인지 아니면 전원을 차단하지 않을 것인지 여부를 사용자가 선택할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 장착하는 ON/OFF 스위치 형태의 선택부와; 직류 아크차단장치로 인입되는 메인전원을 차단할 수 있도록 직류 아크차단장치에 내장되는 차단부로 구성되는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치를 제공한다.
본 발명의 검출부는 검출부1, 검출부2, 검출부3 및 검출부4로 이루어지고, 외장용으로 사용되는 검출부1a, 검출부1b, 검출부2, 검출부3a, 검출부3b를 포함하며, 상기 검출부1은 홀센서 또는 션트레지스터로 구성되어 과부하 결함을 분석 및 판단부에서 판단할 수 있도록 전류를 검출하고, 상기 검출부2는 CPU와 포토커플러로 구성되어 현재전압을 검출하여 분석 및 판단부에서 과전압 또는 전압강하 결함을 검출하며, 상기 검출부3은 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 플러스 전원선에 설치되어 아크신호를 검출하고, 상기 검출부4는 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 마이너스 전원선에 설치되어 아크신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 외장용으로 사용하는 검출부는 검출부1a, 검출부1b, 검출부2, 검출부3a, 검출부3b로 구성되며, 상기 검출부1a와 검출부1b는 홀센서 또는 션트레지스터로 구성되어 현재전류를 검출하여 과부하 또는 아크를 검출하고, 상기 검출부3a와 검출부3b는 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출하며, 상기 검출부1a와 검출부3a는 직류 아크차단장치와 연결되는 플러스 전원선에 설치되고, 검출부1b와 검출부3b는 직류 아크차단장치와 연결되는 마이너스 전원선에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 검출부1a와 검출부1b 또는 검출부3a와 검출부3b에서 설정된 값 이상으로 동시에 전류가 검출될 경우 직렬 또는 병렬아크로 판단하고, 검출부1a나 검출부3a 또는 검출부1b나 검출부3b 즉, 두 개의 검출부 중에서 한 개의 검출부에서만 어느 일정 값(%) 이상의 전류가 검출될 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 판단하거나, 플러스 및 마이너스에서 검출되는 신호 값의 편차가 일정 값(%) 이상일 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변환부는, 아날로그 신호를 디지털신호로 변환할 수 있도록 변환부1, 변환부2 및 변환부3으로 이루어지고, 상기 변환부1은 검출부1에서 인가되는 신호를 변환하여 분석 및 판단부로 인가하여 과부하를 판단할 수 있도록 하며, 상기 변환부2는 검출부2에서 인가되는 신호를 변환하여 분석 및 판단부로 인가하여 과전압 또는 전압강하를 판단할 수 있도록 하며, 상기 변환부3은 검출부3 및 검출부4에서 검출된 신호를 특정 레벨의 신호로 변환하여 분석 및 판단부로 인가되는 것으로 신호의 크기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 것을 포함하여 분석 및 판단부에 입력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분석 및 판단부는, 검출, 변환된 신호를 받아 MPU에서 A/D 변환, PID(비례, 적분, 미분) 연산, 절대값 계산, 평균값을 계산 및 순차비교를 하는 처리 과정을 거쳐 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분석 및 판단부는, 부하의 패턴을 정상아크 패턴, 결함아크 패턴으로 구분하여 분석 및 판단하며, 정상아크 패턴은 단일 또는 복합부하의 on/off시 발생하는 패턴 또는 비선형 부하 또는 돌입전류를 갖는 부하 또는 노이즈를 수반하는 패턴이고, 결함아크 패턴은 정상아크 패턴이 아닌 불규칙적으로 발생되는 임펄스 파형을 갖는 직렬아크, 병렬아크, 접지아크 패턴으로 구분하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분석 및 판단부는, 파형분석 기준은 현재부하를 반영하여 전류 또는 전압파형의 가로축인 시간축 변화를 미분한 값의 세로축 크기의 변화를 비교하는 것으로 임펄스의 세로축 크기, 임펄스의 발생빈도, 임펄스의 지속시간, 임펄스의 분포도 및 전압파형의 변화를 포함하여 상호 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분석 및 판단부는, 분석한 파형을 정상 영역을 포함하는 불감대 영역과 아크 영역으로 구분하고, 불감대 영역은 정상 영역을 기준으로 일정배율의 영역을 설정하고, 아크 영역은 정상 영역과 불감대 영역을 벗어나는 구역을 아크 영역으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
분석 및 판단부는, 변환부를 통해 인가되는 복수의 검출신호를 동시에 입력받아 분석하거나 복수의 검출신호를 동시에 각각 사용할 수 있도록 분석하는 MPU 또는 MCU로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분석 및 판단부는, 검출되는 신호를 미분하고, 미분 된 개수에서 선택적으로 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 접지아크 감지는, R1 각각에 병렬로 C1을 연결하여 접지로 흐르는 직류성분을 억제하고 임펄스 성분이 잘 통과 되도록 하여 검출신호의 정확성과 접지아크의 신뢰성을 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 사용전압 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1KV 등을 사용하거나 또는 프리 볼트로 사용하면서 정격차단 용량 20A, 30A, 50A, 75A, 100A, 등으로 이루어지는 하나의 차단장치에서 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 사용하여 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 설치하여 0.5sec 이내에 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출, 분석, 판단 및 차단하는 기능에 건정성을 감시하는 감시기능을 포함함으로써 과부하 또는 결함아크에 의한 화재를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 시간 개념을 갖는 패턴을 저장하여 비교 분석처리 하거나, 중앙집중 제어장치인 DCS 또는 ICMS로부터 기동, 정지 신호를 받아 직류기기 운전에 따른 정상아크와 결함아크를 구분할 수 있도록 함으로써 안정적으로 전원이 공급되는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 직류 차단기의 회로 구조도.
도 2는 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치의 구성을 나타낸 블럭도.
도 3은 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치의 접지아크 및 과부하 또는 결합아크를 검출하는 구성을 간략하게 나타낸 블록도.
이하, 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치를 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치의 구성을 나타낸 블럭도이고, 도 3은 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치의 접지아크 및 과부하 또는 결합아크를 검출하는 구성을 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 2 내지 3을 참조하면, 본 발명에 의한 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치(이하 "직류 아크차단장치"라 칭함)는 현재부하, 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 직류전선에서 감지할 수 있도록 직류전선의 플러스와 마이너스 전원선에 설치되는 검출부(10)와, 검출부(10)에서 검출된 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 입력되는 신호의 세기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 변환부(20)와, 변환부(20)에서 인가되는 신호에서 복수의 검출신호를 동시에 또는 각각 입력받아 분석하고, 분석된 검출신호에서 연산값을 통해 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 일정 시간 내의 패턴을 저장하고 비교분석처리 함은 물론 중앙제어장치로부터 기동, 정지 신호를 받아 판단하는 분석 및 판단부(30)와, 직류 아크차단장치의 상태를 파악할 수 있도록 직류 아크차단장치의 외부에 설치되는 표시부(40)와, 원격지에 위치한 관리센터와 유선 또는 무선방식으로 통신할 수 있도록 직류 아크차단장치 내부에 설치되는 통신부(50)와, 직류 아크차단장치의 외부에 버튼 형태로 설치되어 분석 및 판단부(30)를 리셋하는 리셋부(60)와, 직류 아크차단장치가 정상적으로 동작하는지 확인할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 버튼형태로 설치되는 테스트부(70)와, 직류 아크차단장치에서 결함아크로 판단할 경우 직류 아크차단장치를 차단할 것인지 아니면 차단을 하지 않을 것인지 여부를 사용자가 선택할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 스위치 형태로 설치되는 선택부(80)와, 직류 아크차단장치로 인입되는 메인전원을 차단할 수 있도록 직류 아크차단장치에 내장되는 차단부(81)를 포함한다.
그리고 본 발명의 직류 아크차단장치에서 사용하는 전압은 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1kV 중에서 어느 하나를 선택하거나 또는 프리볼트(free volt)를 사용하고, 정격 차단용량은 20A, 30A, 50A, 75A, 100A 중에서 어느 하나를 선택한다.
상기 검출부(10)는 검출부1(11), 검출부2(12), 검출부3(13) 및 검출부4(14)로 구성된다.
상기 검출부1(11)은 홀센서 또는 션트레지스터로 구성되어 과부하 보호용으로 과부하결함을 분석 및 판단부(30)에서 판단할 수 있도록 전류를 검출하고, 상기 검출부2(12)는 전압검출용 CPU와 포토커플러로 구성되어 현재 전압을 검출하여 분석 및 판단부(30)에서 과전압 또는 전압강하 결함을 검출하며, 상기 검출부3(13)은 CT로 구성되어 플러스 전원선에 설치되어 아크를 검출하고, 상기 검출부4(14)는 CT로 구성되어 마이너스 전원선에 설치하여 아크를 검출한다.
상기 검출부1(11), 검출부2(12), 검출부3(13) 및 검출부4(14)는 홀센서(Hall Sensor), 션트레지스터(Shunt register), CT, ZCT 중 어느 하나 또는 이들의 결합으로 이루어지며, 홀센서(hall sensor), 션트레지스터(Shunt register), CT, ZCT 검출부는 단수 또는 복수로 이루어진다.
또한, 상기 홀센서(Hall Sensor), 션트레지스터(Shunt register), CT, ZCT는 사용하는 전기선로의 정격전압 또는 정격 차단용량에 따라 직류 아크차단장치에 내장하는 내장형 또는 직류 아크차단장치 외부에 설치하는 외장형으로 구성된다.
상기 검출부1(11)은 검출부1a(11-1)와 검출부1b(11-2)로 구성되고, 검출부3(13)은 검출부3a(13-1)와 검출부3b(13-2)로 구성된다.
상기 검출부1(11)의 검출부1a(11-1)와 검출부3(13)의 검출부3a(13-1)는 직류 아크차단장치에 연결되는 플러스 전원선에 설치된다. 그리고 검출부1(11)의 검출부1b(11-2)와 검출부3(13)의 검출부3b(13-2)는 직류 아크차단장치에 연결되는 마이너스 전원선에 설치된다.
그리고 검출부2(12)는 직류 아크차단장치에 직접 연결되어 현재전압을 검출하여 과전압 또는 부족전압을 측정한다.
상기 검출부1(11)의 검출부1a(11-1)와 검출부1b(11-2)를 통해서 현재전류를 검출하여 과부하를 측정하거나 아크를 검출하기 위한 홀센서 또는 션트레지스터로 이루어져 단수 또는 복수로 이루어진다.
상기 검출부3(13)의 검출부3a(13-1)와 검출부3b(13-2)는 직렬아크, 병렬아크 접지아크를 검출하기 위하여 CT 또는 분할형 CT 또는 아크검출기로 구성된다.
상기와 같이 검출부1(11), 검출부2(12) 및 검출부3(13)을 포함하여 외장형으로 구성되는 검출부(10)는 직류 아크차단장치와 연결잭 또는 단자접속을 통해 연결된다.
상기 검출부(10)는 전원계통과 회로전원 간에 상호 간섭되는 것을 차단하기 위해 Tr, 포토커플러(Photo Coupler)를 사용하고 검출신호 노이즈를 레벨에 따라 선택적으로 제거할 수 있도록 한다.
또한, 상기 검출부(10)는 현재부하, 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 통합하여 하나의 직류 아크차단장치에서 0.5초(sec) 이내에 검출, 분석, 판단 및 차단한다.
그리고 상기 검출부(10)는 아크 신호 일 때, 플러스, 마이너스 전원선에 설치한 센서에서 검출되는 신호가 복수로 검출될 경우 직렬아크 또는 병렬아크로 판단하고, 두 개의 검출부 중에서 한 개의 검출부에서만 어느 일정 값 이상이 검출될 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 판단하거나, 플러스 및 마이너스에서 검출되는 신호값의 편차가 일정 값(%) 이상일 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 구분한다.
상기 검출부(10)에서 접지아크 또는 마이너스 접지아크를 검출하기 위해서는 도면에 도시한 바와 같이 이루어지고, 도면에서 복수의 R1은 중성점을 잡기 위한 저항이고, R2는 접지하기 위한 저항이다.
그리고 복수의 C1은 직류성분을 통과시키지 않지만 교류성분을 도통시키는 역할을 하고, 복수의 C1은 검출부3, 4 즉, 플러스, 마이너스 전원선에 흐르는 전류를 증폭시키는 역할을 한다.
상기 접지아크는 R1 각각에 병렬로 C1을 연결하여 접지로 흐르는 직류성분을 억제하며 임펄스 성분이 잘 통과되도록 하고, R2와 접지아크 사이의 회로에 스위치를 설치하므로 수동조작 또는 분석 및 판단부(30)에서 자동으로 제어할 수 있도록 하며, 일정주기로 스위치를 On/Off 하도록 함으로써 접지아크 상태의 정확성과 접지아크의 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 분석 및 판단부(30)는 상기 변환부(20)에서 인가되는 복수의 검출신호를 동시에 입력받아 분석하거나 복수의 검출신호를 동시에 각각 사용할 수 있도록 분석하는 MPU 또는 MCU를 포함하여 구성한다.
상기 변환부(20)는 아날로그 신호를 디지털신호로 변환할 수 있도록 변환부 1(21), 변환부 2(22) 및 변환부 3(23)으로 이루어지고, 상기 변환부 1(21) 및 상기 변환부2(22)는 검출부1(11)과 검출부2(12)에서 인가되는 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가하여 과부하 및 과전압 또는 전압강하를 판단할 수 있도록 하며, 상기 변환부3(23)은 검출부3(13) 및 검출부4(14)에서 검출된 신호를 특정 레벨의 신호로 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가되는 것으로 신호의 크기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 것을 포함하여 분석 및 판단부(30)에 입력한다.
상기 분석 및 판단부(30)는 플러스 또는 마이너스 전원선에서 검출되는 신호를 동시에 비교 분석하고, 검출된 신호에서 불감대 영역(dead band: db) 설정을 1차 db 또는 2차 db로 구분하여 설정할 수 있도록 하여 현장에서 전원선로의 노이즈(Noise) 등 환경에 맞게 선택하여 적용할 수 있다.
그리고 상기 분석 및 판단부(30)에서 샘플링 되는 데이터는 선택적으로 사용할 수 있고, 샘플링 된 데이터를 이용해 가감승제, 절대값 계산, 순차비교, 평균계산 등 연산과정을 거치며, 정상, 주의, 위험 등 단계별로 나눌 수 있다.
상기 데이터는 0.1초, 0.25초, 0.5초 등의 시간 개념이며 선택한 시간 안에서 평균값과 최대값을 구하여 이들의 비율관계를 연산하여 판단의 근거로 사용한다.
상기 분석 및 판단부(30)에서 정상 값의 판단은 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 분석 및 판단부(30)에서 선택한 시간에서의 일정 패턴이 저장되고, 이를 분석처리 하거나 중앙 집중제어장치(DCS)로부터 기동, 정지 신호를 받아서 판단한다.
그리고 상기 분석 및 판단부(30)는 부하의 패턴을 정상 패턴, 유사아크 패턴, 아크 패턴으로 구분하여 분석 및 판단하며, 정상 패턴은 단일 또는 복합부하의 on/off시 발생하고, 유사아크 패턴은 비선형 부하 또는 돌입전류를 갖는 부하 또는 노이즈를 수반하는 부하이며, 아크 패턴은 정상 및 유사아크 패턴이 아닌 불규칙적으로 발생되는 임펄스 파형을 갖는 직렬아크, 병렬아크, 접지아크 패턴으로 구분한다.
상기 분석 및 판단부(30)는 파형분석 기준은 현재부하를 반영하여 전류 또는 전압파형의 가로축인 시간 축 변화를 미분한 값의 세로축 크기의 변화를 비교하여 임펄스의 세로축 크기, 임펄스의 발생빈도, 임펄스의 지속시간, 임펄스의 분포도 및 전압파형의 변화를 포함하여 상호 상관관계를 분석하고, 분석한 파형을 정상 영역을 포함하는 불감대 영역과 아크 영역으로 구분하며, 불감대 영역은 정상 영역을 기준으로 일정배율의 영역을 설정하고, 아크 영역은 정상 영역과 불감대 영역을 벗어나는 구역을 영역으로 설정한다.
또한, 상기 분석 및 판단부(30)는 부하 온/오프 여부에 따라 전원선의 저항값과 비교하여 감지되는 저항 값에서 변화가 있을 경우에는 판단요소로 사용한다.
상기 표시부(40)는 Test Switch, Reset Push Button을 구비하며, Self Test, 경보상태 표시, 경보 원인표시 LED 또는 LCD로 이루어진다.
분석 및 판단부(30)는 변환부(20)를 통해 인가되는 복수의 검출신호를 동시에 또는 각각 입력받아 분석하는 MPU 또는 MCU로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도면 중 미설명부호 90은 전원부이고, 상기 전원부(90)는 직류 아크차단장치를 통해 인가되는 메인전원을 의미한다.
상기와 같이 이루어지는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치의 작용을 설명한다.
본 발명의 직류 아크차단장치에 24V, 48V, 96V, 125V, 250V, 500V, 1kV 중에서 어느 하나가 입력되도록 하거나 또는 프리볼트 형태로 입력되면, 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 구성되는 검출센서를 직류전원의 플러스, 마이너스 전원선에 각각 설치하며, 그 회로구성은 도 1에 도시한 바와 같이 구성하여 사용하는 전기선로의 정격전압 또는 정격 차단용량을 검출부(10)에서 검출한다.
상기 전원계통 회로 간에 상호 간섭되는 것을 Tr, 포토커플러(Photo Coupler)를 사용하여 검출신호에서 레벨에 따라 다르게 발생하는 노이즈를 검출부(10)에서 제거하여 변환부(20)로 신호를 인가한다.
또한, 상기 검출신호가 아크 신호일 때, 플러스, 마이너스 전원선에 설치한 검출센서에서 검출되는 신호가 복수로 검출될 경우 직렬아크 또는 병렬아크 인지 및 판단하고, 단수로 검출될 때에는 플러스 또는 마이너스 접지아크로 검출부(10)에서 구분한다.
그리고 비접지방식의 경우에는 접지 기능을 갖추고 접지선을 통해 접지아크를 검출할 수 있도록 한다.
상기 검출부(10)의 검출센서를 통해 검출된 아날로그 신호를 변환부(20)에서 변환하고, 이때 검출부3(13) 및 검출부4(14)의 신호가 인가되는 변환부3(23)에서는 직류성분은 통과시키지 않으면서 교류성분을 도통시켜 마이너스 전원선에 흐르는 전류를 증폭시켜 변환부(20)로 인가한다.
상기 변환부(20)의 변환부1(21)와 변환부2(22)로 인가된 아날로그 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가한다.
그리고 변환부3(23)으로 인가된 아날로그 신호의 세기가 작을 경우 증폭부(24)를 통해 신호를 선택적으로 증폭한다. 상기 신호 세기의 증폭은 분석 및 판단부(30)에서 선택하여 증폭이 이루어지도록 한다.
상기 변환부1(21), 변환부2(22) 및 변환부3(23)를 포함하는 변환부(20)에서 인가되는 신호를 분석 및 판단부(30)에서는 복수의 검출신호를 동시에 또는 각각 입력받아 검출신호를 비교분석한다. 즉, 복수로 인가되는 검출신호에서 불감대 영역을 설정하고, 불감대 영역에서 1차db 또는 2차 db로 설정하여 현장에서 전원선의 노이즈를 현장 환경에 맞게 선택적으로 적용할 수 있도록 한다.
상기와 같이 1차db 또는 2차 db로 설정하고 샘플링 하여 얻은 데이터를 선택한다.
상기의 범위 내에서 선택한 데이터를 이용해 분석 및 판단부(30)에서 가감승제, 절대값 계산, 순차비교 및 평균계산 등과 같은 연산과정을 수행한다.
상기 연산과정을 거쳐 얻어지는 데이터는 Dead Band의 설정이 가능하므로 설정된 데이터를 기준으로 정상, 주의, 위험 등의 단계로 구분하여 표시부(40)를 통해 표시할 수 있도록 한다.
그리고 상기 데이터는 0.5초, 1초, 1.5초, 2초 등의 시간개념을 가질 수 있으며, 선택한 시간에서 평균값과 최대값을 구하여 이들의 비율관계를 확인해 판단의 근거로 사용한다.
상기와 같이 직류 아크차단장치에서 정상 값의 판단은 기동시, 정상 운전시, 정지시로 나누어지고 일정 시간 내에서 발생하는 소정의 패턴을 갖는 데이터를 저장하여 비교 분석처리하거나 또는 중앙제어장치인 DCS로부터 기동, 정지 신호를 받아서 분석 및 판단부(30)에서 판단한다.
상기 분석 및 판단부(30)는 부하의 패턴을 정상 패턴, 유사아크 패턴, 아크 패턴으로 구분하여 분석 및 판단하며, 정상 패턴은 단일 또는 복합부하의 on/off시 발생하는 패턴이고, 유사아크 패턴은 비선형 부하 또는 돌입전류를 갖는 부하 또는 노이즈를 수반하는 부하이고, 아크 패턴은 정상 및 유사아크 패턴이 아닌 불규칙적으로 발생되는 임펄스 파형을 갖는 직렬아크, 병렬아크, 접지아크 패턴으로 구분한다.
또한, 상기 분석 및 판단부(30)의 파형분석 기준은 현재부하를 반영하여 전류 또는 전압파형의 가로축인 시간축 변화를 미분한 값의 세로축 크기의 변화를 비교하는 것으로 임펄스의 세로축 크기, 임펄스의 발생빈도, 임펄스의 지속시간, 임펄스의 분포도 및 전압파형의 변화를 포함하여 상호 상관관계를 분석하고, 분석한 파형을 정상 영역을 포함하는 불감대 영역과 아크 영역으로 구분하고, 불감대 영역은 정상 영역을 기준으로 일정배율의 영역을 설정하고, 아크 영역은 정상 영역과 불감대 영역을 벗어나는 구역을 영역으로 설정한다.
상기 분석 및 판단부(30)를 통해 비교 판단한 데이터 신호를 기준으로 표시부(40)를 통해 Test Switch, Reset Push Button, 셀프 테스트, 경보상태 표시, 경보에 대한 원인을 표시하여 이를 관리자 또는 작업자가 확인할 수 있도록 한다.
또한, 상기 분석 및 판단부(30)에서는 통신부(50)를 통해 원격지에 위치한 관리자서버(미도시)로 데이터신호를 인가하여 직류 아크차단장치의 상태를 파악할 수 있도록 하며, 원격지에서는 직류 아크차단장치를 통해 인가되는 데이터신호를 기초로 원격지에서 제어할 수 있다.
상기 테스트부(70)은 직류 아크차단장치가 정상적으로 동작하는지 확인할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 버튼형태로 설치된다.
상기 선택부(80)는 직류 아크차단장치에서 결함아크로 판단할 경우 직류 아크차단장치에서 전원을 차단할 것인지 아니면 전원을 차단하지 않을 것인지 여부를 사용자가 선택할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 장착하는 ON/OFF 스위치 형태로 구성된다.
상기 선택부(80)에서 자동차단으로 선택하면, 차단부(81)는 직류 아크차단장치에서 발생하는 과부하, 직렬아크, 병렬아크 및 접지아크에 의해 발생하는 문제점을 근본적으로 차단하기 위해 메인 전원을 차단한다.
즉, 홀센서, 션트레지스터, CT, ZCT를 단수 또는 복수로 사용하여 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 설치하여 0.5sec 이내에 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출, 분석, 판단 및 차단하는 감시기능이 이루어지므로 아크에 의한 불꽃이 발생하지 않도록 하므로 화재를 미연에 방지한다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 검출부 11: 검출부1
11-1: 검출부1a 11-2: 검출부1b
12: 검출부2 13: 검출부3
13-1: 검출부3a 13-2: 검출부3b
14: 검출부4 20: 변환부
21: 변환부1 22: 변환부2
23: 변환부3 24: 증폭부
30: 분석 및 판단부 40: 표시부
50: 통신부 60: 리셋부
70: 테스트부 80: 선택부
81: 차단부 90: 전원부

Claims (12)

  1. 현재부하, 과부하, 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 직류전원에서 감지할 수 있도록 직류전원의 플러스와 마이너스 전원선에 각각 단수 또는 복수로 설치되는 검출부(10)와;
    검출부(10)에서 검출된 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가되는 것으로서 신호의 세기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 변환부(20)와;
    변환부(20)에서 인가되는 신호에서 복수의 검출신호를 동시에 입력받아 분석하거나 복수의 검출신호를 각각 사용할 수 있도록 분석하여 정상아크와 결함아크를 판단하고, 정상아크의 판단을 위해 부하로 사용되는 직류기기의 기동시, 정상운전시, 정지시로 나누어 일정 시간 내의 패턴을 저장하고 비교분석처리 함은 물론 기동, 정지 신호를 중앙제어장치(DCS 또는 ICMS)로부터 기동, 정지 신호를 받아 판단하는 것을 특징으로 하는 분석 및 판단부(30)와;
    직류 아크차단장치의 운전 및 동작상태를 파악할 수 있도록 직류 아크차단장치의 외부에 설치되는 표시부(40)와;
    원격지에 위치한 관리센터와 유선 또는 무선방식으로 통신할 수 있도록 직류 아크차단장치 내부에 설치되는 통신부(50)와;
    직류 아크차단장치의 외부에 버튼 형태로 설치되어 분석 및 판단부(30)를 리셋하는 리셋부(60)와;
    직류 아크차단장치가 정상적으로 동작하는지 확인할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 버튼형태로 설치되는 테스트부(70)와;
    직류 아크차단장치에서 결함아크로 판단할 경우 직류 아크차단장치에서 전원을 차단할 것인지 아니면 전원을 차단하지 않을 것인지 여부를 사용자가 선택할 수 있도록 직류 아크차단장치 외부에 장착하는 ON/OFF 스위치 형태의 선택부(80)와;
    직류 아크차단장치로 인입되는 메인전원을 차단할 수 있도록 직류 아크차단장치에 내장되는 차단부(81);
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출부(10)는,
    검출부1(11), 검출부2(12), 검출부3(13) 및 검출부4(14)로 이루어지고, 외장용으로 사용되는 검출부1a(11-1), 검출부1b(11-2), 검출부2(12), 검출부3a(13-1), 검출부3b(13-2)를 포함하며,
    상기 검출부1(11)은 홀센서 또는 션트레지스터로 구성되어 과부하 보호용으로 과부하 결함을 분석 및 판단부(30)에서 판단할 수 있도록 전류를 검출하고,
    상기 검출부2(12)는 CPU와 포토커플러로 구성되어 현재전압을 검출하여 분석 및 판단부(30)에서 과전압 또는 전압강하 결함을 검출하며,
    상기 검출부3(13)은 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 플러스 전원선에 설치되어 아크신호를 검출하고,
    상기 검출부4(14)는 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 마이너스 전원선에 설치되어 아크신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  3. 제2항에 있어서,
    외장용으로 사용하는 검출부는 검출부1a(11-1), 검출부1b(11-2), 검출부2(12), 검출부3a(13-1), 검출부3b(13-2)로 구성되며,
    상기 검출부1a(11-1)와 검출부1b(11-2)는 홀센서 또는 션트레지스터로 구성되어 현재전류를 검출하여 과부하 또는 아크를 검출하고,
    상기 검출부3a(13-1)와 검출부3b(13-2)는 원형 CT 또는 분할형(Split Type) CT로 구성하여 직렬아크, 병렬아크, 접지아크를 검출하며,
    상기 검출부1a(11-1)와 검출부3a(13-1)는 직류 아크차단장치와 연결되는 플러스 전원선에 설치되고,
    검출부1b(11-2)와 검출부3b(13-2)는 직류 아크차단장치와 연결되는 마이너스 전원선에 설치되는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  4. 제2항에 있어서,
    검출부1a(11-1)와 검출부1b(11-2) 또는 검출부3a(13-1)와 검출부3b(13-2)에서 설정된 값 이상으로 동시에 전류가 검출될 경우 직렬 또는 병렬아크로 판단하고, 검출부1a(11-1)나 검출부3a(13-1) 또는 검출부1b(11-2)나 검출부3b(13-2) 즉 두 개의 검출부 중에서 한 개의 검출부에서만 어느 일정 값 이상의 전류가 검출될 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 판단하거나, 플러스 및 마이너스에서 검출되는 신호 값의 편차가 일정 값(%) 이상일 경우 플러스 또는 마이너스 접지아크로 판단하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변환부(20)는,
    아날로그 신호를 디지털신호로 변환할 수 있도록 변환부1(21)과, 변환부2(22) 및 변환부3(23)으로 이루어지고,
    상기 변환부1(21)은 검출부1(11)에서 인가되는 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가하여 과부하를 판단할 수 있도록 하며,
    상기 변환부2(22)는 검출부2(12)에서 인가되는 신호를 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가하여 과전압 또는 전압강하를 판단할 수 있도록 하며,
    상기 변환부3(23)은 검출부3(13) 및 검출부4(14)에서 검출된 신호를 특정 레벨의 신호로 변환하여 분석 및 판단부(30)로 인가되는 것으로 신호의 크기가 작은 경우 선택적으로 증폭하는 것을 포함하여 분석 및 판단부(30)에 입력하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    검출, 변환된 신호를 받아 MPU에서 A/D 변환, PID(비례, 적분, 미분) 연산, 절대값 계산, 평균값을 계산 및 순차비교를 하는 처리 과정을 거쳐 판단하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    부하의 패턴을 정상아크 패턴, 결함아크 패턴으로 구분하여 분석 및 판단하며, 정상아크 패턴은 단일 또는 복합부하의 on/off시 발생하는 패턴 또는 비선형 부하 또는 돌입전류를 갖는 부하 또는 노이즈를 수반하는 패턴이고, 결함아크 패턴은 정상아크 패턴이 아닌 불규칙적으로 발생되는 임펄스 파형을 갖는 직렬아크, 병렬아크, 접지아크 패턴으로 구분하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    파형분석 기준은 현재부하를 반영하여 전류 또는 전압파형의 가로축인 시간축 변화를 미분한 값의 세로축 크기의 변화를 비교하는 것으로 임펄스의 세로축 크기, 임펄스의 발생빈도, 임펄스의 지속시간, 임펄스의 분포도 및 전압파형의 변화를 포함하여 상호 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    분석한 파형을 정상 영역을 포함하는 불감대 영역과 아크 영역으로 구분하고, 불감대 영역은 정상 영역을 기준으로 일정배율의 영역을 설정하고, 아크 영역은 정상 영역과 불감대 영역을 벗어나는 구역을 영역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  10. 1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    변환부(20)를 통해 인가되는 복수의 검출신호를 동시에 입력받아 분석하거나 복수의 검출신호를 동시에 각각 사용할 수 있도록 분석하는 MPU 또는 MCU;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분석 및 판단부(30)는,
    검출되는 신호를 미분하여 미분 된 개수를 선택적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 접지아크 감지는,
    R1 각각에 병렬로 C1을 연결하여 접지로 흐르는 직류성분을 억제하고 임펄스 성분이 잘 통과 되도록 하여 검출신호의 정확성과 접지아크의 신뢰성을 높이는 것을 특징으로 하는 감시기능을 포함하는 직류 아크차단장치.
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