KR20230051450A - 누전감지로 자동전원차단기능을 갖는 태양광발전시스템 - Google Patents

누전감지로 자동전원차단기능을 갖는 태양광발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 모듈에서 발생된 전력을 인버터로 전달하게 되는 직류전원회로에서 양극(+)이나 음극(-) 배선이나 모듈 접속함 등 관련설비에 접속불량, 절연파괴, 누전, 지락으로 인한 전기사고나 전기화재를 초기에 감지하고 확산을 미연에 방지하기 위해 원형 또는 각형 철심에 양극(+)과 음극(-) 직류회로를 관통하여 서로 방향성이 반대인 양극(+)과 음극(-)전류의 자속이 상쇄되어 남는 차이만큼의 누설전류 크기만큼 자속이 형성되는 CT와 CT 일부분에 설치된 홀소자에 도체가 자기장 속에 놓여 있을 때 그 자기장에 직각방향으로 전류를 흘려주면 자기장과 전류 모두에 수직인 방향으로 전위차가 발생하는 홀효과를 이용하여 양극(+)과 음극(-)전류의 차이의 자속에 의한 누설전류를 측정하고, 규정치 이상의 누설전류가 발생시 직류전원을 자동적으로 차단하는 기능과 알림 기능 및 모니터링기능을 포함하여 누전으로 인한 전기사고 및 전기화재 초기진압을 실현하여 전기사고 및 전기화재의 확대방지, 인명 및 재산 피해 최소화가 가능한 모듈 자동차단반 접속함 인버터 모니터링으로 구성된 안전한 태양광발전시스템에 관한 것이다.

Description

누전감지로 자동전원차단기능을 갖는 태양광발전시스템{The solar power system with auto power-off function by leakage current}
본 발명은 누전으로 인한 전기사고 및 전기화재 예방과 화재 초기진압을 위한 누전 감지기능, 모듈의 전원자동 차단기능, 전원수동차단기능, 알림 기능 및 모니터링기능을 갖는 태양광발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 모듈에서 발생된 전원을 인버터로 전달하게 되는 직류전원설비의 양극(+)이나 음극(-) 배선이나 접속함 등 설비에서 절연파괴, 지락으로 인한 누전 발생 시에 누설전류를 감지하여 절연정도, 지락여부 등을 판단하여 자체적인 전기 계통에서 자가 분리하여 절연파괴, 전기사고, 인명피해 및 전기화재의 추가나 확대방지 및 신속한 누전 알림과 전원자동차단 기능을 갖는 안전한 태양광발전시스템에 관한 것이다.
태양광발전은 반도체로 만들어진 태양전지(모듈)에 빛 에너지를 조사하여 빛 에너지를 직류 전기로 변환하여 전력을 생산하는 것으로써, 무한정ㆍ무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 들지 않고, 대기오염이나 폐기물 발생이 적으며, 또한 기계적인 진동과 소음이 없고, 수명이 최소 25년 이상으로 길며, 유지보수도 용이한 장점이 있다.
일반적으로 태양광 발전시스템은 직류의 전기 에너지를 생성하는 태양광 모듈과, 태양광 모듈에서 발생된 여러회로 직류전원을 인버터로 전달하게 위해 하나의 직류전원으로 모으는 접속함, 직류전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터를 포함하며, 인버터에서 변환된 교류 전원은 별도의 교류 배전반에 의해 전력 계통 시스템으로 연계되어 구내 또는 수용가에 공급되어 사용된다.
단위 태양전지에서 발생되는 전기 에너지의 량은 매우 작기 때문에 통상적으로는 여러 개의 태양전지군을 모듈로 제작하며, 또한 복 수개의 태양광 모듈을 직렬로 한 그룹으로 어레이를 구성하고 이러한 어레이그룹을 다시 병렬로 연합하여 필요한 전력을 하나의 회로 전원으로 확보하게 된다.
한편 접속함은 직류출력 개폐기 또는 차단기, 피뢰소자, 퓨즈 등으로 구성하여 복수의 태양광 모듈에서 발생된 직류 전원을 한 개 회로로 취합하여 인버터로 전달하는 기능을 수행하며 통상적으로 실외 모듈인근에 설치되며, 따라서 우천 등의 가혹한 조건과 고온 환경에서 장기간 운전이 이루어짐에 따라서 항시 화재 발생의 가능성이 높으며, 현재 운영 중인 태양광 발전시스템의 하자 상당 부분은 접속함에서 발생되고 있는 실정이다.
이러한 태양광 접속함은 각종 전기 부품과 배선이 복잡하게 배열되어 접촉불량에 의한 과열, 단선, 단락에 의한 아크발생 및 절연피복재 열화에 의한 절연파괴 현상 등의 발생 위험이 높으며, 내부 발화 시에 순식간에 큰 화재로 확산되기 쉽다.
또한 모듈의 직류전원 및 직류배전설비의 누전 지락 단락 등 전기안전에 치명적인 사고원인 상태의 상시 감시 필요가 요구되나 지속적인 전원공급과 기존 전력계통 연계되어 기존에는 전원공급에서 회로 분리하여 정기적으로 절연저항측정으로 안전여부를 판단하였으나 사고의 불시적 발생에 대처가 어려워 직류계통의 누설전류 상시감시기능의 설비가 요구된다.
또한 태양광 모듈이나 접속함은 실외에 설치된 관계로 화재를 인지하더라도 신속한 화재 진압이 용이하지 않으며, 통상적으로 화재 발생 시에 초기 진화가 매우 중요하고, 화재발생 후에도 태양광모듈에서 지속적인 직류전원이 유입되어 쉽게 진화되지 않는 문제점이 있었다.
전기 화재가 발생되면 재산 및 인명 피해가 매우 크기 때문에 무엇보다 가장 중요한 것은 누설전류, 절연저항, 온도, CO가스 등 전기사고요소의 조기검출 기능장치, 모듈 또는 배터리 직류전원 차단장치와 직류전원 관련 전압전류 계측 시스템의 개발이 매우 절실하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 전문기술자가 정전하고 휴대용 계측기로 정기적인 점검 하는 수준의 단점이 내재된 관리형태로 언제 발생할지 모르는 누전사고의 발견 대처의 어려운 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양광발전시스템의 모듈에서 인버터까지의 직류배전선로의 누전를 극성과 크기를 감지하여, 모듈과 접속함 또는 인버터 사이의 직류회로를 자동차단반이 신속하고 자동적으로 전원차단, 수동차단, 자동알림,등 조치를 하여 전기사고로 인한 부하설비 고장이나 2차적 전기사고의 방지, 전기화재예방, 초기 완전진압 및 확산방지가 가능한 전원자동차단 기능을 갖는 안전하고 편리한 태양광발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양광을 받아 직류전원을 발전하는 복수의 태양광 모듈(100); 상기 태양광 모듈(100)에서 생성된 직렬 여러 직류전원 양극(+)과 음극(-) 회로에 과전류시 회로를 차단하는 퓨즈를 설치하고 하나의 직류전원회로로 합하여 차단기를 거쳐 인버터(400)로 전달하기 앞서 누설전류센서(350)와 출력 전압 전류 센서(330)로 구성한 접속함(300); 상기 태양광 모듈(100)과 상기 접속함(300) 사이에 위치하여 상기 태양광 모듈(100)의 직류전원을 상기 접속함(300)으로 전송함에 있어서 상기 접속함(300)이나 자동차단반(200)의 누설전류센서(350)의 정보에 따라 상기 모듈(100)에서 접속함(300)으로 연결되는 직류배전선로나 설비의 누전, 지락, 단락 등 전기사고발생 징후나 전기화재징후 감시하여 상기 태양광 모듈(100)의 직류전원이 상기 접속함(300)이나 인버터(400)로 공급되는 것을 자동차단하는 직류전원 자동차단반(200); 또한 상기 태양광모듈(100)의 여러 직류전원을 하나의 회로로 모아진 직류전원을 기존 전력계통과 연계시켜 실부하에서 사용하도록 교류전원으로 변환하는 인버터(400); 접속함(300)의 전류와 전압 등의 전력정보(330), 기상센서의 기상정보, 인버터(400)의 전력정보 등을 중앙감시실 등 원격에서 감시가 가능한 모니터링시스템(500);으로 구성하여 태양광모듈(100)에서 인버터(400)로 보내지는 직류배전선로에 누전, 지락, 단락 등 전기사고발생 징후나 전기화재징후 감시하여 직류전원 자동차단반(200)에서 자동이나 수동으로 차단하도록 한 것을 특징으로 전기사고 예방 및 확산방지가 가능한 태양광 발전 시스템을 제공한다.
이때 직류회로의 누설전류를 측정하기 위하여 원형의 철심으로 관통되는 전류의 크기만큼 자속이 형성되는 CT와 도체가 자기장 속에 놓여 있을 때 그 자기장에 직각방향으로 전류를 흘려주면 자기장과 전류 모두에 수직인 방향으로 전위차가 발생하는 홀효과를 이용한 홀소자로 구성된 누설전류센서(350)로 누설전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한 누설전류센서(350)로 누설전류의 극성과 크기를 측정하여 그 정보를 회로 전류 전압 정보와 비교 판단하는 정보처리부를 비롯하여 차단신호를 보내는 신호발생부, 전류 전압 경보 등 정보를 시각적으로 표시 하는 표시부, 정보를 모니터링에 전달하는 통신회로부, 경보를 발령하는 경보발생부로 구성하는 누전감지CPU(280)를 자동차단반(200)에 배치하는 것을 특징으로 한다.
상기 누전감지CPU(280)와 연계되어 태양광모듈(100)에서 발전된 직류전원을 자동차단하는 션트코일(220)과 전자릴레이(210), 션트코일(220)에 차단신호를 지시하는 차단작동지시부(250), 수동으로 차단신호를 줄 수 있는 수동버튼(240), 누설전류발생과 전기회로의 이상상황을 외부에 알리는 알림부(230), 누전감지CPU(280)와 차단작동지시부(250)에 전원을 공급하는 전원공급부(290)를 자동차단반(200)에 포함하는 것을 특징으로 한다.
자동차단반(200)에 누설전류센서(350)를 모듈의 직렬회로별로 설치 할 수 있으며 세분화된 사고회로 대처가 가능한 회로별 전자릴레이(210)를 차단할 수도 있고, 단번에 차단 할 수 있게 설계할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 직류배전선로나 설비의 누전, 지락, 단락 등 전기사고발생 징후나 전기화재징후를 감시하여 신속히 태양광 모듈에 의해 발생된 직류전원 확산을 차단하여 사고나 화재를 초기 진압할 수 있다.
둘째, 신속한 직류전원차단으로 물리적 피해 및 인명 피해를 방지하거나 최소화할 수 있다.
셋째, 직류배전선로나 설비의 누전, 지락, 단락 등 전기사고발생 징후나 전기화재징후를 감시 차단하여 신속한 사고 진압과 함께 소손부분을 최소화하여 설비 복구비용이 절감되고 회복기간을 단축되어 그에 따른 발전량 감소를 최소화할 수 있다.
넷째, 대형사고로 이루어질 수 있는 화재 확산을 방지하고 감전 유독가스 중독 등 인명사고의 위험을 사전에 예방할 수 있는 효과가 있다.
결론적으로 직류회로의 누전 지락 등 전기사고 초기상황을 먼저 감지하여 그 상황을 경고하고, 태양광모듈로부터의 직류전원공급을 원천 차단하여 시스템을 보호하고, 피해확산을 최소화하여 복구 비용절감, 복구시간 단축하는 안전하고 경제적인 태양광발전시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일반 태양광 발전 시스템의 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명 실시 예에 따른 누전감지에 의한 직류전원 자동차단반을 포함한 태양광발전시스템 구성 도면이다.
도 3는 본 발명에 따른 누설전류 감지 위한 누설전류감지센서 구성도와 홀효과을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에서 누전감지 CPU 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 아울러, 본 발명의 실시 예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야한다.
이와 같이 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.
또한 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다.이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 일반적인 태양광 발전 시스템의 실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 일반적인 태양광 발전 시스템의 실시 예는 도 1에 나타낸바와 같이, 복수의 태양광 모듈(100), 접속함(300), 인버터(400)를 직렬로 전력계통과 연결하고 부하에 전력을 공급하도록 구성된다. 여기서 복수의 태양광 모듈(100)은 태양광을 받아 직류전원을 생성한다. 본 발명에서 접속함(300)에는 태양광 모듈(100)을 인버터(400)가 작동할 수 있는 전압범위 안에서 일정한 수량으로 직렬로 회로를 구성하여 과전류시 회로보호를 위한 퓨즈(310)를 +극과 -극에 설치하여 어레이를 구성하고, 이와 같이 구성된 동일한 전압의 어레이 여러 병렬그룹을 하나의 직류회로로 모아서 차단기(320)를 거쳐 인버터(400)로 공급하고 인버터(400)는 전력계통과 연결 가능한 교류전원으로 변환하여 공급하게 된다. 이때 독립형태양광발전시스템의 경우는 퓨즈와 직렬로 역전압다이오드를 추가 설치할 수 있다.
도 2은 본 발명 실시 예에 따른 누전감지에 의한 직류전원 자동차단반(200)을 포함한 태양광발전시스템이다. 누설전류센서(350)를 자동차단반(200)에 배치하게 된다. 이때 자동차단반(200)의 직류회로는 다수의 모듈(100)의 직렬로 연결하고 양극(+)에는 션트코일(220)부 전자릴레이(210)로, 음극(-)은 퓨즈(310)로 각각 회로 보호한 여러 개의 어레이 병렬회로 상태로 인버터(400)로 공급하게 된다. 이때 각각의 병렬회로에는 누설전류센서(350)를 배치하여 누설전류를 감지하게 되어 각각의 병렬회로별로 누전 지락 등의 전기사고를 감지하고 병렬회로별로 차단이 가능한 누전감지CPU(280)와 차단작동지시부(250)를 구성하여 회로별 사고구간을 구분 할 수 있는 장점을 가질 수 있다.
도 3는 본 발명에 따른 누설전류 감지 위한 누설전류감지센서 구성도로 홀효과를 설명하기 위한 도면으로 변류기 CT 방식과 홀 소자를 조합하여 직류 누설전류를 측정할 수 있는 구성도이고, 홀소자에서 작용하는 홀효과 원리를 표현한 도면으로 측정직류도체인 양극(+)과 음극(-) 도선을 CT 변류기(current transformer)에 관통시 양극(+) 또는 음극(-)의 전류크기의 차이만큼의 자속도 양극(+) 또는 음극(-)의 극성과 상쇄 후 남은 자속으로 이 홀소자에 작용하게 홀효과에 의한 홀전압이 나타나게 되고 홀전압은 극히 낮은 전압이 유도되어 증폭하여 양극(+) 또는 음극(-)의 누설전류를 측정할 수 있다. 여기서 횰효과란 x방향으로 전류 I x 가 흐르는 가느다란 금속 또는 반도체 판에 수직으로 자계 H z 를 작용시키면 H z , I x 에 수직인 방향으로 기전력 E y 가 발생하고, 이 방향으로 전위차가 나타나는 효과로 또는 전류자기효과라 한다. 미국의 물리학자 E. H. Hall에 의해서 1879년에 발견되었다. 이것은 전기를 운반하는 캐리어가 전류와 자계에 직각인 방향으로 로렌스력을 받아 그 운동이 굽혀지는데서 기인한다. I X , H Z 가 모두 작을때 E Y 는 I X , H Z 에 비례하며, 그 비례정수를 호올계수라 한다. 즉 R H 는 R H = E Y /(I X H z )로 주어진다. 판 두께를 t［m］, 호올전압을 V H ［V］, 전류를 I［A］, 자석밀도를 B［Wb/㎡］로 하면 앞의 식은 R H =tV H /(IB)*102［㎥/C］가 되며, 호올계수는 캐리어 밀도에 역비례 하며 물질의 종류와 온도 등에 영향을 받는다.
도 4은 본 발명 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에서 누전감지 CPU 구성을 설명하기 위한 도면으로 자동차단반(200)의 누전화재감지 CPU(280)의 정보처리를 위한 구성으로 누설전류센서, 회로전류센서, 전압센서, 선택적으로 화재정보, 전원공급장치, 비상정지 및 리™V버튼, 차단신호 와 모니터링이 연계되며, 내부적으로는 통신부, 표시부, 경보발생부, 신호발생부와 정보처리부로 구성됨을 보여준다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 태양광 모듈
200 : 직류전원 차단반
210 : 전자릴레이 220 : 션트코일(트립 조작코일)
230 : 알림부 240 : 수동버튼
250 : 차단작동지시부
280 : 누전감지 CPU
290 : 전원공급부
300 : 접속함
310 : 퓨즈 320 : 차단기/개폐기
330 : 전력정보계기
350 : 누설전류센서
400 : 인버터
500 : 모니터링 시스템

Claims (3)

  1. 태양광 모듈(100)과 접속함(300)이나 인버터(400)사이에 스트링회로별로 위치하여 누설전류를 센싱하는 누설전류센서(350)와 누설전류센싱 정보를 판단하는 누전감지CPU(280)와 연계되어 태양광모듈(100)의 직류전원을 자동차단하기 위해 션트코일(220)과 전자릴레이(210), 션트코일(220)에 차단신호를 지시하는 차단작동지시부(250), 수동으로 차단신호를 줄 수 있는 수동버튼(240), 누설전류발생과 전기회로의 이상상황으로 회로차단을 외부에 알리는 알림부(230), 누전감지CPU(280)와 차단작동지시부(250)에 전원을 공급하는 전원공급부(290)로 구성하여 태양광 모듈(100)의 직류배전선로나 설비의 누전, 지락, 단락 등 전기누전사고발생 징후시 사고발생회로만, 선택적으로 전기화재징후를 감지 시는 전회로를 자동차단하는 기능을 갖는 직류전원 자동차단반(200)으로 구성하는 누전감지로 자동전원차단기능을 갖는 태양광발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    직류회로의 누설전류를 측정하기 위하여 원형 또는 각형의 철심으로 관통되는 양극(+)과 음극(-)전류의 차이 크기만큼 자속이 형성되는 CT와 CT 일부분에 설치된 홀소자에 도체가 자기장 속에 놓여 있을 때 그 자기장에 직각방향으로 전류를 흘려주면 자기장과 전류 모두에 수직인 방향으로 전위차가 발생하는 홀효과를 이용하여 누설전류를 측정하는 누설전류센서(350)로 직류회로의 절연상태를 파악하여 전기사고 위험성을 감시하는 것을 특징으로 하는 태양광발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    누설전류센서(350)로 누설전류의 극성과 크기를 측정하여 그 정보를 회로 전류 정보, 설정치와 비교 판단하는 정보처리부, 정보처리부의 이상여부 판단에 따른 차단신호를 보내는 신호발생부, 전류 경보 정보를 시각적으로 표시 하는 표시부, 정보를 모니터링에 통신으로 전달하는 통신회로부, 경보를 발령하는 경보발생부로 구성하는 누전감지CPU(280)를 자동차단반(200)에 배치하는 것과 차단신호를 발령하는 누설전류을 설정할 수 있는 특징으로 누전 절연저하 지락의 전기사고를 감지하여 예방 및 확산방지가 가능한 태양광발전시스템.
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