KR20190125576A - 온도센서를 포함하는 배전반 - Google Patents

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KR20190125576A KR1020180049544A KR20180049544A KR20190125576A KR 20190125576 A KR20190125576 A KR 20190125576A KR 1020180049544 A KR1020180049544 A KR 1020180049544A KR 20180049544 A KR20180049544 A KR 20180049544A KR 20190125576 A KR20190125576 A KR 20190125576A
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Abstract

본 발명은 온도센서를 포함하는 배전반에 관한 것으로서, 외부 전원이 인입되는 모선 버스바, 상기 모선 버스바와 전기적으로 연결되는 메인 버스바, 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결되는 차단기, 상기 차단기와 전기적으로 연결되는 서브 버스바, 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결되는 변류기 및 부하측 버스바를 통해 상기 변류기와 전기적으로 연결되는 부하측 전원 케이블을 포함하고, 상기 차단기는 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 1차 차단 연결 도체 및 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 2차 차단 연결 도체를 포함하며, 상기 모선 버스바와 메인 버스바가 연결되는 제1 연결부위, 상기 메인 버스바와 1차 차단 연결 도체가 연결되는 제2 연결부위, 상기 서브 버스바와 2차 차단 연결 도체가 연결되는 제3 연결부위, 상기 부하측 버스바와 부하측 전원 케이블의 연결이 이루어지는 제4 연결부위 및 상기 부하측 전원케이블 중 적어도 하나의 부위에 부착된 광섬유 격자 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도센서를 포함하는 배전반{Switchboard including temperature sensor}
본 발명은 온도센서를 포함하는 배전반에 관한 것으로서, 배전반에서 이상 고온의 발생이 예측되는 지점에 부착되어 실시간으로 이상 고온 발생여부를 확인할 수 있는 광학식 온도센서가 구비된 배전반에 관한 것이다.
배전반이란 발전소, 가스, 철강, 화학, 철도 및 빌딩 등 주요 산업설비 및 주택 등에 전력을 수전하고 배전하기 위한 장치를 말한다. 이러한 수배전반은 내부에 수납되는 다양한 기능을 파트들이 서로 전기적으로 연결이 되어 있는데, 배전반의 작동 과정 또는 노후로 인해 전기적 연결 부분들이 느슨해지거나 파손이 될 수 있고 이러한 경우 이상 고온이 발생되어 배전반 전체가 손상될 위험성이 있다. 이러한 위험성을 최소화 하기 위해서는 배전반에 온도센서가 구비되는 것이 일반적이다. 그러나 배전반에 종래에 사용되는 센서들은 전기적 방식의 센서로서, 고압 전원이 흐르게 되는 배전반의 파트들에 부착할 경우 전기적 간섭이 발생하고 그 결과 정확한 온도 측정을 하기 어려운 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 광학 방식의 온도 센서가 도입되고 있으나 그 또한 센서의 구성이 복잡하고 비용이 높아 적용에 한계가 있는 실정이다.
한국공개특허 10-2017-0023276
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 광섬유 격자를 이용하여 이상 고온의 발생되는 지점의 온도를 모니터링 함으로써, 센서의 구성이 간단하면서도 전기적 간섭이 없이 복수의 지점에서의 온도 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 배전반을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 온도센서를 포함하는 배전반은 외부 전원이 인입되는 모선 버스바, 상기 모선 버스바와 전기적으로 연결되는 메인 버스바, 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결되는 차단기, 상기 차단기와 전기적으로 연결되는 서브 버스바, 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결되는 변류기 및 부하측 버스바를 통해 상기 변류기와 전기적으로 연결되는 부하측 전원 케이블을 포함하고, 상기 차단기는 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 1차 차단 연결 도체 및 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 2차 차단 연결 도체를 포함하며, 상기 모선 버스바와 메인 버스바가 연결되는 제1 연결부위, 상기 메인 버스바와 1차 차단 연결 도체가 연결되는 제2 연결부위, 상기 서브 버스바와 2차 차단 연결 도체가 연결되는 제3 연결부위, 상기 부하측 버스바와 부하측 전원 케이블의 연결이 이루어지는 제4 연결부위 및 상기 부하측 전원 케이블 중 적어도 하나의 부위에 부착된 광섬유 격자 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 및 제3 연결부위에서는 상기 1차 차단 연결 도체의 말단과 2차 차단 연결 도체의 말단이 각각 집게형 조임구로 형성되어 상기 메인 버스바와 서브 버스바의 말단이 상기 집게형 조임구에 삽입되어 전기적으로 연결이 되며, 상기 광섬유 격자 온도센서는 상기 제2 및 제3 연결부위 중 적어도 하나에 접착제에 의해 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제4 연결부위에서는 상기 모선 버스바와 메인 버스바 및 상기 부하측 버스바와 부하측 전원 케이블이 각각 고정 나사에 의해 전기적으로 연결되며, 상기 광섬유 격자 온도센서는 상기 제1 및 제4 연결부위 중 적어도 하나에 접착제에 의해 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 부하측 전원 케이블에 접착제에 의해 부착된 광섬유 격자 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 온도센서를 포함하는 배전반에 따르면, 1개의 광섬유에 여러개의 광섬유 격자 온도센서를 제작하여 배전반의 여러 지점에서의 온도 변화를 간단하면도 전기적 간섭이 없이 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배전반의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배전반의 차단기 인출 상태의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 차단기의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 격자 제작에 사용되는 광섬유의 측단면도이다.
도 5는 광섬유 격자가 형성된 광섬유의 개략도이다.
도 6은 광섬유 격자의 반사 스펙트럼 및 투과 스펙트럼이다.
도 7은 브래그 파장(λB)과 온도와의 상관 관계 그래프이다.
도 8은 다수의 광섬유 격자가 형성된 광섬유의 단면도이다.
도 9는 다수의 광섬유 격자에 의한 반사 스펙트럼이다.
도 10은 광섬유 격자를 설치한 예시에 대한 개념도이다.
도 11은 광섬유 격자 부착방법에 대한 개념도이다.
이하 본 발명에 대해 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배전반을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명이 적용되는 배전반의 차단기 인출 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배전반(100)은 내부가 여러 구획으로 구분되어 있으며, 구획의 형성은 다수의 프레임과 플레이트를 통해 이루어진다. 이와 같이 배전반(100)의 내부를 구획하고, 주요 기능을 수행하는 각 파트를 별개의 구획 내에 배치를 하여 독립된 공간 내에서 기능을 수행하게 하면 배전반(100)의 내부나 외부 또는 배전반(100) 내의 일부 구획에서 발생되는 이상으로 인한 사고 여파가 배전반(100)을 구성하는 각 파트로 급격하게 전달되는 것을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 배전반(100)의 구성을 보다 상세히 설명하면, 외부로부터 모선 버스바(10)를 통해 인입되는 전원은 메인 버스바(20)를 통해 차단기(30)로 전달된다. 차단기(30)는 메인 버스바(20)와 전기적으로 연결하기 위한 1차 차단 연결 도체(31) 및 서브 버스바(40)와 전기적으로 연결하기 위한 2차 차단 연결 도체(32)를 포함한다. 구체적으로, 모선 버스바(10) 및 메인 버스바(20)를 통해 인입된 외부 전원은 1차 차단 연결 도체(31)에 전달되며, 이후 해당 차단기(30)를 거쳐 2차 차단 연결 도체(32)로 전달된다. 2차 차단 연결 도체(32)를 통과한 전원은 서브 버스바(40)를 거쳐 변류기(50)로 전달된다. 이후 해당 변류기(50)에 연결된 부하측 버스바(60)를 통해 부하측 전원 케이블(70)에 전달되어 부하측으로 된다. 한편, 식별번호 80은 변성기를 의미한다. 이때, 상기 모선 버스바(10)와 메인 버스바(20)가 연결되는 버스바 연결 부위(A)는 고정 나사의 체결에 의해 전기적으로 연결된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 해당 차단기(30)는 인출형으로 구성되며, 도 3에 도시된 바와 같이 차단기(30)의 1차 차단 연결 도체(31)의 말단과 2차 차단 연결 도체(32)의 말단은 각각 집게형 조임구로 형성되어 있다. 따라서, 1차 차단 연결 도체(31)의 집게형 조임구에는 메인 버스바(20)의 말단을 삽입시켜 조임으로써 전기적으로 연결이 되며, 2차 차단 연결 도체(32)의 집게형 조임구에는 서브 버스바(40)의 말단을 삽입시켜 조임으로써 전기적으로 연결이 된다. 즉, 이러한 1차 차단 연결 도체(31)의 말단과 메인 버스바(20)의 말단이 연결되는 1차 차단 연결 부위(B)와 2차 차단 연결 도체(32)의 말단과 서브 버스바(40)의 말단이 연결되는 2차 차단 연결 부위(C)는 집게형 조임구를 이용하는 체결 방식에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 부하측 버스바(60)와 부하측 전원 케이블(70)의 연결이 이루어지는 케이블 연결 부위(D)는 고정 나사의 체결에 의해 전기적으로 연결되게 된다.
이때, 버스바 연결 부위(A)와 케이블 연결 부위(D)는 고정 나사에 의해 체결되는데, 나사가 풀려 헐거워지게 되면 해당 전원 전달용 도체판들에서 이상 고온이 발생되게 되며 이러한 이상 고온은 배전반의 오동작을 초래하게 된다. 마찬가지로, 상기 1차 차단 연결 부위(B)와 2차 차단 연결 부위(C)는 집게형 조임구에 의해 연결되는데, 이러한 집게형 조임구에서의 조임력이 약해지게 되면 역시 해당 전원 전달용 도체판들에서 이상 고온이 발생되게 되며 이러한 이상 고온은 배전반의 정상적인 동작을 방해하게 된다. 따라서 고정 나사 또는 집게형 조임구에 의한 연결 부위들(A, B, C, D)의 연결 상태를 수시로 확인을 해야 하지만, 해당 연결부위들(A, B, C, D)에는 고압 전원이 흐르고 있게 때문에 작업자가 직접 확인을 하는 것이 불가능한 문제가 있다.
한편, 배전반(100)의 하부에 마련되어 부하측으로 전원을 전달하게 되는 부하측 전원 케이블(70)에서도 구동 중 부하의 상태에 따라 이상 고온이 발생할 수 있으며, 이러한 이상 고온 역시 배전반의 정상적인 동작을 방해하게 되어 대단히 위험한 상황을 초래하게 할 수 있으나, 이 역시 배전반 하부에 마련되어 있고 고압 전압이 흐르고 있기 때문에 작업자에 의한 직접 확인이 불가능한 문제가 있다.
따라서 본 발명에서는 온도센서를 이용하여 상기 연결부위들(A, B, C, D)과 부하측 전원 케이블(70)에 이상 고온이 발생되고 있는지를 실시간으로 파악하여 연결 부위들(A, B, C, D)의 연결 상태와 부하측 전원 케이블(70)의 정상 작동 여부를 실시간으로 모니터링 하도록 한다. 온도센서로는 종래에 전기식 온도센서가 널리 사용이 되고 있으나 상기 연결부위들(A, B, C, D)과 부하측 전원 케이블(70)에는 고압 전원이 흐르고 있어서 전기식 온도센서를 사용할 경우 고압 전원에 의한 간섭이 발생하게 되어 온도 변화를 정확히 감지하기 어려운 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 비전기식 온도센서를 사용함으로써 고압 전원에 의한 간섭이 없이 정확하게 온도 변화를 실시간으로 감지할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 온도센서인 광섬유 격자를 제작하기 위한 광섬유(80)의 측단면도이고, 도 5는 광섬유 격자(90)가 형성된 광섬유의 개략도이다. 도 6은 광섬유 격자에 의한 반사 스펙트럼 및 투과 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유(80)는 실리카 재질의 코어(81) 및 클래딩(82)을 포함하며, 클래딩(82)을 감싸서 실리카 재질 영역을 보호해주는 재킷(83)을 포함하는 것이 일반적이다. 도 4에서는 재킷(83)이 1개 층으로 형성된 경우를 도시하였으나 필요에 따라 재킷(83)이 다양한 재질의 복수층으로 구성될 수도 있다. 이와 같은 광섬유(80)로 광이 입사되면, 입사된 광은 코어(81)와 클래딩(82)간의 굴절률차에 의한 전반사에 의해 코어(81)를 통해 전파된다. 광섬유 격자(90)는 광섬유(80)의 코어(81)에 형성이 되어 입사된 광에서 특정 파장(브래그 파장, λB) 성분을 반사시키고 다른 파장 성분을 투과를 시키는 역할을 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 광섬유 격자(90)는 광섬유(80)의 코어(81)에 형성이 된다. 광섬유 격자(90)를 형성하기 위해서는 UV 대역의 광을 주기적인 패턴이 형성된 마스크를 통해 광섬유(80)의 코어(81)에 조사해야 하는데, 이와 같은 제작 공정의 특성상 광섬유(80)에서 재킷(83)을 제거하여 클래딩(82)을 노출시킨 다음 노출된 부분에 UV 대역의 광을 조사하여 제작하게 된다. 도 5와 같이 광섬유 격자(90)가 형성된 광섬유(80)에 광을 입사시키면 도 6에 도시된 바와 같이 특정 파장(브래그 파장, λB) 성분은 반사되고 다른 파장 대역은 투과된다. 브래그 파장(λB)은 수학식 1에 의해 결정된다.
[수학식 1]
브래그 파장(λB) = 2×n×Λ
수학식 1에서 n은 광섬유 코어(81)의 굴절률을 의미하며, Λ은 광섬유 격자(90)의 주기를 의미한다. 일예로, 광섬유 코어(81)의 굴절률(n)이 1.45이고, 광섬유 격자(90)의 주기(Λ)가 534.5nm이면, 브래그 파장(λB)은 1550nm가 된다. 따라서 동일한 굴절률을 갖는 광섬유(80)에 주기(Λ)를 달리하여 광섬유 격자(90)를 형성하게 되면 브래그 파장(λB)이 달라진다. 광섬유 격자(90)에서 반사되는 파장 대역의 반치폭은 10nm 이하인 것이 바람직하다.
도 7은 브래그 파장(λB)과 온도와의 상관 관계를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이 온도가 약 20°변화될 경우 브래그 파장(λB)은 0.2nm가 변화된다. 구체적으로, 온도가 약 20°상승할 경우, 브래그 파장(λB)은 약 0.2nm 커지게 된다. 따라서, 브래그 파장(λB)의 변화를 모니터링 하게 되면 광섬유 격자가 설치된 지점의 온도 변화를 실시간으로 감지할 수 있게 된다.
도 8은 1개의 광섬유(80)에 위치를 달리하며 다수의 광섬유 격자(90)가 형성된 경우를 도시한 것이다. 각각의 광섬유 격자(80)는 1개의 광섬유의 코어(81)에 형성이 되며, 서로 소정 간격을 갖고 이격되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 재킷(83)은 광섬유 격자(90)가 형성되는 영역에서만 제거되어 있다. 다수의 광섬유 격자(90)는 서로 주기(Λ)가 다르게 형성될 수 있다. 이처럼 다수의 광섬유 격자(90)의 주기(Λ)를 모두 다르게 하면 각각의 광섬유 격자(90)에 의한 브래그 파장(λB)이 모두 달라진다. 앞서 설명한 바와 같이 각각의 광섬유 격자(90)에서 반사되는 파장 대역의 반치폭은 약 10nm를 갖게 된다. 따라서 다수의 광섬유 격자(90)의 주기(Λ)가 비슷하여 각각의 광섬유 격자(90)에 의한 브래그 파장(λB)간의 차이가 10nm 미만일 경우에는 반사 피크가 겹치게 되게 온도 변화에 따른 반사 피크의 변화를 감지할 수 없게 된다. 따라서 도 8에서와 같이 주기(Λ)가 다른 광섬유 격자(90)를 복수개 형성할 경우에는 각 광섬유 격자(90)의 브래그 파장간의 간격이 20nm 이상인 것이 바람직하다. 도 9는 도 8과 같이 하나의 광섬유(80)에 다수의 광섬유 격자(90)를 주기(Λ)를 달리하여 형성한 경우의 반사스펙트럼이다. 이때 각각의 반사 피크 간의 파장 간격은 약 20nm 이상인 것이 바람직하다. 특히 도 8과 같이 하나의 광섬유(80)에 브래그 파장(λB)이 서로 다른 복수의 광섬유 격자(90)를 형성하게 되면 1개의 광원만을 사용할 수 있게 되어 시스템을 보다 간소하게 만들 수 있다. 광원으로는 복수의 브래그 파장(λB) 대역을 커버하는 출력파장을 낼 수 있는 광대역 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
도 10은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 연결부위들(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(70)에 각각 광섬유 격자(90)를 설치한 경우에 대한 개념도이다. 각각의 연결부위들(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(70)에 설치되는 광섬유 격자(90)의 주기(Λ)는 모두 상이하며, 그 결과 각각의 연결부위들(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(90)에 설치된 광섬유 격자(90)에서 반사되는 반사광의 브래그 파장(λB) 또한 상이하게 된다. 그 결과 각각의 브래그 파장(λB)의 변화 여부를 살피게 되면 각 연결부위(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(70)에서의 온도 변화를 독립적으로 파악할 수 있게 된다. 즉, 어느 연결부위에서 이상 고온이 발생하고 있는지 및 부하측 전원 케이블(70)에서 이상 고온이 발생을 하고 있는지, 나아가 어느 정도의 이상 고온이 발생하고 있는지를 파악할 수 있게 된다. 도 10에서는 연결부위들(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(70)에 모두 광섬유 격자가 부착된 경우를 도시하였으나, 광섬유 격자는 연결부위들(A, B, C, D) 및 부하측 전원 케이블(70) 중 필요한 위치에 선택으로만 부착될 수도 있다.
도 11은 각각의 연결부위들(A, B, C, D)이나 부하측 전원 케이블(70)에 광섬유 격자(90)를 고정하는 방법을 연결부위 A에 부착되는 경우를 예시로 하여 상면도로 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이 광섬유 격자(90)는 접착제(91)에 의해 고정될 수 있다. 이 경우, 도시된 바와 같이 접착제(91)는 광섬유 격자(90)가 형성된 영역이 아닌 광섬유 격자(90)가 형성된 영역에 인접한 재킷(93)에 도포되는 것이 바람직하다. 접착제(91)가 도포되는 위치와 광섬유 격자(90)가 형성된 영역의 말단 간의 간격은 1 내지 2 cm인 것이 바람직하며, 광섬유 격자(90)가 앞서 설명한 집게형 조임구 또는 고정 나사 형태를 갖는 연결부위들(A, B, C, D)과 충분히 인접할 수 있도록 접착제(91)의 위치를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
만일 접착제(91)가 광섬유 격자(90)가 형성된 영역에 도포되게 되면, 이러한 접착제(91)는 광섬유의 클래딩(82)과 유사한 역할을 하게 되어 브래그 파장(λB)에 변화를 주게 되며, 그 결과 온도 변화를 정확히 감지하기 어려운 문제가 있기 때문이다.
배전반(100)은 운전 중에 이상 고온이 발생될 위험이 있는 영역이 다수 존재하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 하나의 광섬유(80)에 브래그 파장(λB)이 다른 다수의 광섬유 격자(90)를 형성하고 각 광섬유 격자(90)를 이상 고온 발생 가능 영역에 배치를 하게 되면, 광섬유 격자(90)를 설치한 영역에 존재하는 고온 전압에 의한 간섭이 없이 실시간으로 간편하게 이상 고온 발생여부를 확인할 수 있게 된다.
10 : 모선 버스바 20 : 메인 버스바
30 : 차단기 31 : 1차 차단 연결 도체
32 : 2차 차단 연결 도체 40 : 서브 버스바
50 : 변류기 60 : 부하측 버스바
70 : 부하측 전원 케이블 80 : 광섬유
81 : 코어 82 : 클래딩
83 : 재킷 90 : 광섬유 격자
91 : 접착제 100 : 배전반

Claims (4)

  1. 외부 전원이 인입되는 모선 버스바, 상기 모선 버스바와 전기적으로 연결되는 메인 버스바, 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결되는 차단기, 상기 차단기와 전기적으로 연결되는 서브 버스바, 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결되는 변류기 및 부하측 버스바를 통해 상기 변류기와 전기적으로 연결되는 부하측 전원 케이블을 포함하고,
    상기 차단기는 상기 메인 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 1차 차단 연결 도체 및 상기 서브 버스바와 전기적으로 연결하기 위한 2차 차단 연결 도체를 포함하며,
    상기 모선 버스바와 메인 버스바가 연결되는 제1 연결부위, 상기 메인 버스바와 1차 차단 연결 도체가 연결되는 제2 연결부위, 상기 서브 버스바와 2차 차단 연결 도체가 연결되는 제3 연결부위, 상기 부하측 버스바와 부하측 전원 케이블의 연결이 이루어지는 제4 연결부위 및 상기 부하측 전원케이블 중 적어도 하나에 부착된 광섬유 격자 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 연결부위에서는 상기 1차 차단 연결 도체의 말단과 2차 차단 연결 도체의 말단이 각각 집게형 조임구로 형성되어 상기 메인 버스바와 서브 버스바의 말단이 상기 집게형 조임구에 삽입되어 전기적으로 연결이 되며,
    상기 광섬유 격자 온도센서는 상기 제2 및 제3 연결부위 중 적어도 하나에 접착제에 의해 부착되는 것을 특징으로 하는 배전반.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제4 연결부위에서는 상기 모선 버스바와 메인 버스바 및 상기 부하측 버스바와 부하측 전원 케이블이 각각 고정 나사에 의해 전기적으로 연결되며,
    상기 광섬유 격자 온도센서는 상기 제1 및 제4 연결부위 중 적어도 하나에 접착제에 의해 부착되는 것을 특징으로 하는 배전반.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하측 전원 케이블에 접착제에 의해 부착된 광섬유 격자 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반.
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