KR20210016654A - Tn접지 공급망과 it접지 고객망으로 구성된 전력망에서 누전 검출 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

TNC 공급망 및 TT 고객이 연계되어 전력을 공급하는 전력망에서 기존 원격검침 시스템과 계량장치를 활용하여 배전망의 누전(지락)고장점을 파악할 수 있도록 상시 감시하는 장치 및 이를 원격에서 감시하는 시스템에 관한 발명이다. 이렇게 날씨 등의 영향을 받지 않고 추가로 간단한 장치를 기존 시스템에 부가하여 전력설비 불량에 의한 화재 등을 사전에 예방하여 재난에 의한 손실을 최소화 하고자 함이다

Description

TN접지 공급망과 IT접지 고객망으로 구성된 전력망에서 누전 검출 방법 및 장치{Apparatus and method for detecting the earth elakage under combined TN and TT earthing arrangement}

본 발명은 전기회사 소유 배전망이 TN 접지구성이고, 고객 소유 구내설비가 IT 접지구성이 상호 연결되어 전력을 공급하고 사용하는 전력망에서 누전(지락)고장을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 고객설비의 인입 측에 위치하여 전기사용량을 측정하는 전력량계(Watt-hour meter)에 PEN점에서 연장된 중성선 전위 대비 보호접지 전위를 측정하여 감시하고 있다가 누전(지락고장)에 의한 전위 상승이라고 판단되면 이를 감지하여 상위 검침시스템과 같은 주장치로 원격신호를 전송하고, 전송받은 주장치는 보유 자료 등과 비교 분석하여 누전발생 여부를 판정하고 관리할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

[도 1]은 국가화재정보센터(https://nfds.go.kr)에서 2018년 1년간 화재발생 요인을 검색한 결과이다. 1년간 총42,338건의 화재가 발생했고 그중 전기적 요인에 의한 화재는 10,471건으로 전체 화재의 24%를 점유하고 있다. 이는 부주의를 제외한 설치된 장치 중 제일 많은 화재발생 원인을 제공하고 있다.

[도 2]는 2017년 전기재해통계 상에서 전압별 전기화재 발생 분포도이다. (http://www.esps.or.kr/reportboard/18/report.pdf). 2017년 발생 전기화재 8,011건중 75%이상이 600V 이하인 저압 사용 장소에서 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.

일반적으로 전기회사는 저압 고객과 수급지점을 경계로 하여 보수관리 책임구역을 정하고 있다. [도 3]은 가공으로 전력을 공급하는 고객과의 수급지점을 보여주고 있다. 전기회사는 변압기에서 수급지점인 고객의 지지물 연결점까지 전선로에 대한 유지, 관리 책임을 갖고있는 반면, 고객은 수급지점인 지지물 연결점 이후 전선로에 대한 유지관리 책임을 부담하고 있다.

[도 4]는 일반적인 고객구내 계량기함의 구조를 보여주고 있다. 즉 고객관리 책임인 수급지점에서 전기회사의 전력망과 연결된 전선이 계량기(WH)를 거쳐 인입브레이커를 통해 고객(세대)로 전력을 공급하는 것을 알 수 있다. 그러나 고객이 보수관리 책임을 갖고 있는 전선로 중에서 인입브레이커에 의해 불량이 검출되고 보호되지만 고객 관리책임 설비인 수급지점에서 인입 브레이커까지 전선로 및 계량기 불량에 대해서는 보호방법이나 장치가 존재하지 않고 있다.

[도 5]는 대한민국 특허 10-2005-0047600 (누전 및 과전류 차단기능을 가진 전자식 전력량계 및 이의 제어방법)에서 계량기 장치 내부에 누전검출부를 보유하여 전력선의 영상 전류값이 기준치 이상이면 지정된 경로[예컨대, 중앙처리장치부]로 누전정보를 전달하는 기능을 가진 장치에 관해 공개하고 있다.

위와 같이 전력선에 흐르는 영상전류를 측정하고 그 값이 일정 값 이상일 경우 측정 단 이후 부하 측에 전력선 누전 발생 판단하고 원격검침 중앙장치에 전송하는 기술에 대해 공개하고 있다. 그러나 여전히 고객 책임 구간 중 수급지점에서 계량기까지 불량을 파악할 수 있는 방법이 없다는 문제점은 여전히 상존하고 있다.

[도 6]은 대한민국 등록특허 사물인터넷(IoT)을 기반으로 하여 실시간 누전여부를 감시하는 장치에 관한 것으로 영상전류 등을 측정하여 현재 운영되고 있는 전력회사의 원격검침 시스템과 별도로 전기안전 감시시스템(예를 들어 홈 오토에 포함되어 운영되는 로컬 시스템)을 구축하여 감시하는 사례를 보여주고 있다. 이 또한 계량기 이전 구간에 대한 보호 대책이 없고 전기회사의 원격검침 시스템과 별도의 운전시스템을 새로 구축하여야 한다.

변압기 전력선의 중성선을 여러 곳에서 대지 접지하는 중성선 다중접지(TNC)시스템을 도입함으로서 전력회사가 더 이상 전원측(전력회사 소유 변압기 등)에서 영상전류 측정 방식으로 부하측을 감시하여 고객측의 일부구간인 수급지점에서 계량기까지 불량을 검출할 수 없다는 문제점이 발생하게 되었다.

이러한 문제점을 해결하고자 대한민국 등록특허 10-1912875 (중성선 다중접지 환경에서 누전원 탐사장치 및 방법)에서는 중성선 접지된 PEN (Protective Earth Neutral)점에서 이전의 영상전류 측정 대신 [도 7]과 같이 원격접지와 전력선의 중성선간 전위를 측정하여 누전여부를 판단하고 있다.

또한 [도 8]과 같이 공급 PEN점에서 거리를 가져 구내접지가 [도 7]의 원격접지 역할을 하는 고객 인입에서 PEN점에서 연장된 중성선과 대지접지 간 전위를 측정하여 전력회사 소유 설비의 누전을 측정하여 판단하고 있다.

그러나 대부분의 누전은 절연체 표면의 수분과 대지저항의 영향을 받아 건조시에는 누전이 발생하지 않지만, 우기 시에는 누전이 발생할 수 있어 [도 7], [도 8]과 같이 PEN점을 방문하여 전위상승 측정하고 누전여부를 파악하는 데는 한계가 있다. 그렇다고 비가 올 때마다 현장을 방문하여 누전여부를 확인하기에는 경제적, 안전사고 등의 우려로 현실적인 어려움으로 실현하기 어렵다.

또한 점검하는 전력회사는 PEN점에서 대지전위가 상승되었을 때 자기 책임구간에 대해 누전여부를 확인하고 있어 고객책임 구간의 누전 발생을 놓칠 수 있는 가능성이 있다.

[도 9]는 대한민국 등록특허 10-2018-0122328 (전기 사고 감지 및 차단 기능을 가지는 전자식 전력량 측정장치)에 관한 발명의 구조를 보여주고 있다. 즉 일반적인 계량장치에 아크차단 시스템을 부가하여 전선로에서 아크 현상에 의해 전압강하가 발행하면 이를 검지하여 차단 신호를 발생하는 장치가 부가된 계량장치에 관한 기술이다.

전압강하를 측정함으로서 고객 책임구간 전체를 보호할 수 있을지 모르지만 위에서 언급한 것과 같이 절연불량 초기에는 수 mA의 미소 전류가 흐르게 되고 이럴 때 전압강하는 발생하지 않아 [도 9]의 아크차단 시스템은 초기 절연열화 현상을 검출할 수 없다는 문제점이 있다.

이에 날씨의 변화와 무관하게 상시 감시하여 단락과 같은 화재발생 이전 절연열화 초기 상태에서 전기회사 책임구간은 물론 고객책임 구간 전부를 감시할 수 있는 장치 및 방법이 필요하게 되었고, 가능하면 기존 원격검침 시스템을 활용하여 PEN점 단위별 고객(계량기) 전위 상승정보를 취득하고, 전위 상승정보가 수신되었을 때 진위 여부와 위치 등을 판단하여 고장보고서 등을 출력할 수 있는 기능 등이 포함된 감시시스템이 필요하게 되었다.

1회성 방문 점검시 발견하지 못하는 누전현상, 즉, 건기 시에는 나타나지 않지만 우기 시 절연체 표면에 수막 형성과 같이 절연체와 대지(접촉면)면과 저항이 낮아져 누전회로가 형성되어 누설된 전류에 의해 대지전위 상승현상이 발생되는 것을 검출하기 위하여, PEN점 단위별 고객(계량기)에 중성선 대비 보호접지 전위 상승 여부를 측정하는 기능을 추가하여 그 결과를 원격검침 시스템 장치로 전송하고, 원격시스템 장치는 전송된 데이터를 분석하여 누전발생 위치와 종류 등을 파악하고 관리할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

전기사업자가 전력공급 안전도를 향상하기 위해 중성선(N)과 대지 접지선 (PE)을 상호 연결(PEN)하는 다중접지 방식의 배전망을 통하여 전력공급하고 있는 환경에서 누전(지락고장)을 효과적으로 감시하기 위하여 고객의 인입에 설치된 계량기에서 대지접지(PE)의 전위상승을 여부를 중성선(N) 전위와 비교하여 일정 값 이상으로 대지전위가 상승할 경우 이를 중앙장치 등에 보고하는 기능을 부가하고, 중앙장치는 그 이상발생을 파악하여 고장의 종류 및 위치를 파악하는 기능을 가지는 시스템과 방법을 제공하여 배전 전력망을 더 안전하고 효율적으로 운전하기 위한 기술을 제공하고자 함이다.

1회성 누전여부 측정시 놓칠 수 있는 누전원을 기존 원격검침과 병행하여 상시 감시함으로서 전기회사, 고객 책임구간 전부에서 발생되는 누전(지락)고장을 파악하고 보수할 수 있도록 하여 안전하고 경제적인 배전망의 운영이 가능하다

[도 1]은 2018년 1년간 화재발생 요인별 분석자료이다
[도 2]는 2017년 전기화재 중 전압별 분류자료이다
[도 3]은 가공 저압 인입에서 수급지점을 중심으로 관리책임 구간을 보여주고 있다
[도 4]는 일반적인 고객구내 계량기함의 구조를 보여주고 있다
[도 5]는 계량기 장치 내부에 누전검출부를 보유한 기존 기술을 보여주고 있다
[도 6]은 사물인터넷(IoT)을 기반으로 하여 실시간 누전여부를 감시하는 기존기술을 보여주고 있다
[도 7]은 방문 측정하여 누전여부를 판단하는 기존기술을 보여주고 있다
[도 8]은 방문측정하여 고객 측에서 누전여부를 판단하는 기존기술을 보여주고 있다.
[도 9]는 기존 기술인 아크차단 시스템을 보여주고 있다
[도 10]은 TT 접지 구성 사례를 보여주고 있다
[도 11]은 [도 10]과 같은 TT접지 구성에서 누전전류 귀환회로를 보여주고 있다
[도 12]는 접지의 종류를 보여주고 있다
[도 13]은 토양의 종류에 따른 대지저항률을 보여주고 있다
[도 14]는 토지의 수분함유율에 따른 대지저항율의 변화를 보여주고 있다
[도 15]는 온도에 따른 토지의 대지저향율 변화를 보여주고 있다
[도 16]은 TNC 접지 공급망과 TT 고객과의 구성을 보여주고 있다
[도 17]은 TNC 망으로 변경 후 누전전류 귀환경로를 보여주고 있다
[도 18]은 TNC망으로 변경된 후 누전전류와 대지저항 과의 관계를 보여주고 있다
[도 19]는 누전전압 감시장치의 구성을 보여주고 있다
[도 20]은 누전전압 감시장치가 추가된 계량장치의 구성을 보여주고 있다
[도 21]은 저압 전력을 공급하기 위한 배전망의 구성을 보여주고 있다
[도 22]는 본 발명으 실시하기 위한 장치의 구성을 보여주고 있다
[도 23]은 누전전압 감시장치의 업무흐름을 보여주고 있다
[도 24], [도 25]는 원격검침장치의 누전감시 업무흐름을 보여주고 있다

[도 10]은 최근까지 대한민국에서 사용되고 있었던 저압계통 구성을 보여주고 있다. 즉, 배전 저압망에서 전원측 중성선은 대지 접지(T)하고 반면 나머지 선로 및 고객은 비접지(T)하는 TT방식을 사용하였다.

[도 11]은 TT 접지 환경에서 누전발생시 귀환회로를 보여주고 있다. 모든 누전 고장전류는 대지접지를 통해 변압기 중성선 접지 PEN으로 귀환하도록 설계되어 있고 또한 전선로의 누전여부를 변압기(전원)측에서 영상전류 측정으로 쉽게 감시할 수 있다.

[도 12]는 접지종류별 접지저항값을 보여주고 있다. 접지저항은 접지하는 면과 대지와 접촉에 의한 저항값을 나타낸 것이며, 보통 변압기 중성점 접지는 2종 접지로 5옴 이하를 유지하도록 되어 있다. 그러나 누전점에서 귀환점인 변압기 PEN점까지 거리에 따른 대지저항률은 [도 13]과 같다. 즉 저항이 낮다고 생각하는 논과 같은 늪지에서도 미터당 10~150옴의 저항률을 가지고 있어 200m 거리를 가졌을 경우 최소한 2kΩ의 저항을 갖게 된다.

또한 이에 그치지 않고 [도 14]와 같이 수분 함유율에 따라 저항률이 변하는 것을 보여주고 있고 특히 가뭄일 경우 토지에 수분함유율이 15% 이하일 경우에는 대지저항률이 현저하게 증가하고, [도 15]와 같이 온도에 의해 겨울에는 대지저항이 증가하고 여름에는 대지저항이 줄어든다는 것을 알 수 있다.

이렇게 대지저항이 토양의 종류, 수분 함유량, 온도 등과 같은 영향으로 대지저항값이 일정치 않아 누전전류 귀환점인 변압기 PEN점과 원거리인 곳에서 누전 발생할 경우 대지저항이 높아 누전전류가 귀환되지 못하고 이때 누전점 주변의 대지전위는 감전 전압 이상으로 유지되어 이를 모르고 접촉할 경우 감전사고가 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 전기회사는 [도 16]과 같이 가능한 많은 PEN점을 만들기 위하여 전력선의 중성선을 구조물에서 대지접지하여 다수 개의 PEN점을 가진 TNC 접지구성으로 변경하였다. 다만 고객설비는 이전과 같이 중성선 비접지(TT)로 운영되고 있다.

이에 따라 이전에는 [도 11]과 같이 모든 누전전류가 변압기 PEN점으로만 귀환되도록 하였으나, TNC 접지구성으로 변경한 후에는 [도 17], [도 18]과 같이 누전점과 가장 PEN점으로 귀환하도록 하였다.

또한 [도 18]에서 보여주는 것과 같이 이전과 같이 변압기에서 영상전류를 측정하거나, PEN점에 유입되는 전류를 측정하여 전선로 등에서 누전발생 여부를 감시할 수 없게 된다. 전선로 PEN점을 통해 유입된 누전전류는 중성선을 타고 변압기로 돌아오기 때문에 영상전류가 발생하지 않고 또한 변압기 PEN점으로 귀환되지 않기 때문이다.

그러나 누전점과 PEN점간의 거리를 줄여 대지전위 상승은 억제되었지만, 누전점과 PEN점 간에는 항상 대지저항이 존재하고 전기회사 선로일 경우 대지저항1, 고객 인입점일 경우 대지저항 2, 그리고 고객 구내일 경우 대지저항3과 대지저항2를 거쳐 PEN점으로 귀환하여 중성선(N) 전압 대비 보호접지(PE)의 전위상승이 발생하게 되어 있다.

[도 19]는 본 발명을 실현하기 위해 계량기 장치에 부가하여 계량기 함에서 중성선과 보호접지간 전위를 상시 측정하기 위한 누전전압 감시장치의 구성을 보여주고 있다. 보호접지선(PE)의 전위 상승여부를 중성선(N) 전압과 비교 측정하여 누전전압 발생여부를 감시하기 위해 두 단자간 입력 임피던스 조절용 다수 저항회로가 존재하며 설정치에 따라 5kΩ~7MΩ의 값을 갖도록 하였다. 보통은 현장에서 유도, 충전 전압 등에 의한 영향을 최소화하기 위해 5kΩ으로 설정하여 상시 측정하는 설정으로 감시하였다.

입력임피던스 조절회로를 거쳐 허전압(Ghost Voltage)를 제거하고, 또한 신호에 포함된 DC성분을 제거하기 위해 AC 결합회로를 거쳐 아나로그 디지털 변환기를 거쳐 누전전압 값을 연산장치에 제공하여 이 값이 일정값 이상일 경우 경보를 발생한다.

[도 20]은 계량기함에서 누전전압 감시장치를 추가한 구성을 보여주고 있다. 누전전압 감시장치는 기존 계량장치의 연산장치와 통신하여 누전발생 감시결과를 알리고 연산장치는 데이터 통신부를 통하여 원격검침 중앙장치로 이 사실을 통보하도록 한다. 또한 표시부도 로컬에서 누전발생 기록 등을 조화하거나 경보 정보를 조회할 수 있도록 한다.

[도 21]은 일반적인 배전망의 구성을 보여준다. 보통은 2개의 변전소에서 배전선로(D/L)가 이중으로 공급되어 다회로 개폐기를 거쳐 지중변압기(TR) Loop의 양단을 공급하고 있다. 지중TR은 고압(22.9kV)를 저압(380/220V)으로 변압하고 저압선에 전력을 공급한다. 그러는 중간에 전력선이 설치된 구조물에 다수 개의 PEN점이 존재하게 된다.

[도 22]는 누전전압 감시장치가 추가된 계량기 장치와 원격검침 시스템의 구성을 보여주고 있다. 이전까지는 원격검침 시스템에서는 PEN점에 대한 정보 관리를 하지 않았으나, 본 발명의 구성을 실현하기 위해서는 PEN점에서 공급되는 고객(계량기)정보, PEN점이 소속된 저압선 정보, 변압기 정보, D/L정보 등이 추가되어 계량기에서 누전정보 수신 시 관련되는 PEN점을 우선 파악하고 누전종류 및 누전발생 지역을 파악하여 보수가 적기에 이뤄질 수 있도록 누전정보 관리를 하도록 한다.

[도 23]은 누전전압 감시장치의 누전감시 업무 흐름도이다. 누전전압 크기 및 유지시간(순간, 단기, 장기) 등을 파악하여 이를 구분하고 그 결과를 중앙장치에 보고할 수 있도록 계량기의 연산장치에 자료를 제공한다.

[도 24]는 원격검침 장치가 누전발생 보고를 수신한 후 누전감시 업무에 대한 업무 흐름을 보여주고 있다. 누전발생 보고한 계량기가 소속된 PEN점을 우선 파악하고 동일 PEN 내에서 다른 계량기에서도 누전발생 보고가 들어 왔는지 파악하여 계량기 고객 단독 또는 PEN 점내에서 공동발생 여부를 파악하고 만약 여러 곳에서 발생하였다면 최대 누전전압 점을 파악하여 보고서를 작성한다. 또한 다수 PEN, 다수 TR 등에서 발생할 때에도 해당 구역에서 최대 누전전압 값이 발생한 곳을 누전발생 장소로 파악하여 결과를 정리하고 보고서를 작성하여 유지보수가 이뤄질 수 있도록 한다

Claims (1)

1. TNC 공급망과 TT 고객망을 연결하는 전력망에서 PEN점을 중심으로 누전여부를 감시하고 원격에서 파악하여 누전종류 및 누전발생원을 파악하는 장치 및 시스템

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