KR20230067004A - 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템 - Google Patents

태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템은, 복수의 태양전지패널(10)로 구성되는 태양전지 어레이(110)와 접속반(120) 및 인버터(130)를 포함하는 태양광 발전 설비에서의 화재를 감지하기 위한 시스템으로서, 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 태양전지패널에서 발생되는 전류와 다른 별도의 아크탐지 전류를 인가하는 아크탐지 전류인가부(210), 상기 아크탐지 전류인가부에서 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 인가되는 아크탐지 전류를 수신하는 아크탐지 전류수신부(220), 상기 아크감지 전류수신부로부터 수신된 전류를 필터링하는 신호처리부(230), 및 상기 신호처리부에 의해 처리된 아크탐지 전류의 주파수 파형을 분석하여, 일정 시간 동안 임펄스 파형의 수가 설정된 수를 넘는 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크 판단부(240)를 포함한다.

Description

태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템{Fire detection system of solar power plant}
본 발명은 화재 감지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광 발전설비에서의 화재를 감지하기 위한 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전 설비의 구성은 태양전지 패널(모듈)과 이를 직렬로 연결한 태양전지 어레이, 태양전지 어레이와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하며 전력을 인버터로 공급해주는 태양광 접속반, 태양전지 어레이이에서 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터 및 발전된 전력을 소비하는 부하로 구성된다.
최근에 태양광 발전 설비가 많이 설치 및 적용됨으로 인해 화재도 빈번하게 발생되고 있어 이에 대한 방지 대책이 요구되는데, 특히 대규모의 태양광 발전 설비의 경우 화재 발생시 그 피해가 크므로 이에 대한 대책이 요구된다.
태양광 발전 설비에서의 화재는 주로 전기관련 설비 및 부품에서 많이 발생하는데, 전선 절연, 인버터 과열, 접속함 결함 등으로 인해 발생되며, 그 원인은 접촉 불량, 습기, 부식, 연결 케이블 손상, 과부하 과전류, 외함 파손 등으로 파악되고 있다. 이중에서 접속함 화재가 가장 빈번하게 발생되고 그 파급효과가 큰 것으로 조사되고 있으며, 특히 화재의 경우 아크를 주로 동반하며 아크가 지속될수록 화재로 이어지게 된다.
종래의 태양광 화재를 방지하기 위한 기술로는 예를 들어 하기 선행문헌 1(등록특허공보 제10-1700084호)과 같이 아크의 물리적 특성인 불꽃(광), 온도, 냄새, 음향, 압력, 연기, 가스, 입자 등을 감지하는 다양한 센서를 설치하여, 센서의 감지값이 설정 기준 이상인 경우 아크 발생인 것으로 판단하여 배선용 차단기나 누전차단기 등의 보호장치를 작동시키도록 하며, 또한 관리자에게 알람을 하여 관리자가 조치를 할 수 있도록 하거나 또는 화재 발생인 경우 자동으로 소화를 할 수 있는 기술들이 소개되고 있다.
또한 예를 들어 하기 선행문헌 2(등록특허공보 제10-1894239호)와 같이 화재의 원인이 되는 결로, 접속불량, 케이블 손상, 단자접속 텐션을 감지하는 센서가 설치되어 이를 감지하는 기술들이 소개되고 있다.
또한 예를 들어 하기 선행문헌 3(등록특허공보 제10-1491013호) 누설 전류나 아크 전류의 특성을 감지하는 기술들이 소개되고 있다.
일반적으로 연소반응이 일어나기 위해서는 가연성물질, 산소공급원, 점화원의 3가지의 요소를 갖추어야 하는데, 여기서 아크는 점화원의 역할을 하고 그 온도가 5,000∼15,000 ℃에 이르지만 그 주기가 매우 짧고 실효치가 적어 한 번의 아크에는 발화가 일어나기 어렵게 된다. 그러나 아크가 지속적으로 일어난다면 전기화재는 발생할 가능성이 매우 높게 된다. 아크는 전도체가 순간적인 단락이나 단선이 될 때 절연이 파괴되면서 고열의 불꽃이 발생하는 것으로 이때 만약 주변 가연물이 있다면 착화되어 화재로 이어지게 되며, 따라서 전기화재는 아크를 미리 감지할 수 있다면 많은 전기화재를 방지할 수 있게 된다.
따라서 신재생에너지 특히 태양광 발전의 경우 아크로 인한 화재를 예방하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
등록특허공보 제10-1700084호(2017.01.20. 등록) 등록특허공보 제10-1894239호(2018.08.28. 등록) 등록특허공보 제10-1491013호(2015.02.02. 등록)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 태양광 발전 설비에서 아크로 인한 화재를 주파수 분석을 통해 감지하여 예방하도록 하는 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템은, 복수의 태양전지패널로 구성되는 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터를 포함하는 태양광 발전 설비에서의 화재를 감지하기 위한 시스템으로서, 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 태양전지패널에서 발생되는 전류와 다른 별도의 아크탐지 전류를 인가하는 아크탐지 전류인가부; 상기 아크탐지 전류인가부에서 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 인가되는 아크탐지 전류를 수신하는 아크탐지 전류수신부; 상기 아크감지 전류수신부로부터 수신된 전류를 필터링하는 신호처리부; 및, 상기 신호처리부에 의해 처리된 아크탐지 전류의 주파수 파형을 분석하여, 일정 시간 동안 임펄스 파형의 수가 설정된 수를 넘는 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크 판단부;를 포함한다.
상기 아크탐지 전류인가 유닛은 AC 4kHz, 2kHz, 1kHz 의 복합 주파수을 각 전력선에 인가한다.
각 인가 전류에 따른 주파수 파형에 대한 데이터 및 아크 발생 장소에 따른 아크 발생 원인별에 따른 주파수 파형에 대한 데이터가 저장되는 데이터베이스부를 더 포함하며, 상기 아크 판단부는 분석된 아크탐지 전류의 주파수 파형을 상기 데이터베이스부에 저장된 주파수 파형 데이터와 비교하여 아크 발생 여부를 판단한다.
본 발명에 의하면 전력선에 흐르는 직류 전류와 다른 별도의 아크탐지 전류를 인기하여 주파수를 분석하고, 또한 아크 발생 위치(태양발전 어레이, 접속반, 인버터)에 따른 아크 원인별 주파수 파형이 데이터베이스부에 별도로 저장되어 있어, 아크 감지를 더욱 정확하고 신속하게 할 수 있어, 결국 화재 감지 및 예방에 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템의 블럭 구성도,
도 2는 도 1의 아크 감지 장치의 블럭 구성도,
도 3은 도 2의 아크탐지 전류인가부에서 인가되는 아크 교류 전류의 복합 주파수를 나타낸 그림이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 설비의 화재감지 시스템은 복수의 태양전지패널(10)을 포함하는 태양전지 어레이(110), 태양전지 어레이(110)와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하며 전력을 인버터로 공급해주는 태양광 접속반(120), 태양전지 어레이에서 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(130) 및 아크 감지 장치(200)를 포함한다. 복수의 태양전지패널(10)과 태양전지 어레이(110), 태양광 접속반(120) 및 인버터(130)는 널리 알려진 공지의 기술이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 아크 감지 장치(200)는 아크탐지 전류인가부(210), 아크탐지 전류수신부(220), 신호처리부(230), 아크 판단부(240), 차단부(260), 알림부(270) 및 데이터베이스부(250)를 포함한다.
아크탐지 전류인가부(210)는 아크탐지 전류인 교류 전류를 각 전력선에 인가한다. 즉, 복수의 태양전지패널(10)에서 발생된 직류 전류는 전력선을 통해 접속반(120)을 거치고 인버터(130)에서 직류 전력으로 변환되는데, 아크탐지 전류인가부(210)는 아크탐지용 교류 전류를 태양전지 어레이(110)에 흐르는 전력선, 접속반(120)에 흐르는 전력선, 인버터(130)에 흐르는 전력선에 인가하게 된다.
태양전지 어레이(110)의 경우 복수의 태양전지패널(10)이 서로간에 직렬 연결되어 하나의 태양전지패널군을 형성하고 이러한 태양전지패널군이 서로 병렬 연결되어 전체 태양전지 어레이(110)를 이루게 되는데, 아크탐지 전류인가부(210)는 각각의 태양전지패널군에서의 복수의 태양전지패널(10) 중 가장 일측의 태양전지패널의 양극 단자와 가장 타측에 위치한 태양전지패널의 음극 단자사이를 도선으로 연결하고 도선과 복수의 태양전지패널(10)을 서로 연결하는 스트링으로 탐지전류를 인가하고, 아크탐지 전류수신부는 이를 수신한다.
그리고 접속반(120)의 경우, 아크탐지 전류인가부(210)는 접속반(120)으로 인가되는 전력선에 아크탐지 전류를 인가하고, 아크탐지 전류수신부(220)는 이를 수신한다.
그리고 인버터(130)의 경우, 아크탐지 전류인가부(210)는 인버터(130)로 인가되는 전력선에 아크탐지 전류를 인가하고, 아크탐지 전류수신부(220)는 이를 수신한다.
아크탐지 전류인가부(210)에서 보내는 교류 전류는 전력선에 인가되는 직류 전류에 영향을 받지 않기 위해 DC 블록킹(blocking) 된 교류 전류를 인가한다.
한편, 아크탐지 전류인가부(210)는 4kHz, 2kHz, 1kHz 의 복합 주파수를 인가하게 되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 구체적으로 고(High side) 복합 주파수(4kHz + 2kHz)와 저(Low side) 복합 주파수(2kHz, 1kHz)를 출력하게 된다.
이와 같이 아크탐지 전류인가부(210)는 각 주파수별로 일정 펄스(pulse)를 갖는 복합 주파수를 인가하게 된다.
아크탐지 전류수신부(220)는 상기 아크탐지 전류인가부(210)에서 인가되는 전류를 수신하게 되며, 전류 센서가 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이 아크탐지 전류수신부(220)는 아크탐지 전류인가부(210)가 태양전지 어레이(110), 접속반(120), 인버터(130) 각각에 아크탐지 전류를 인가하게 되며, 따라서 아크탐지 전류수신부(220)는 태양전지 어레이, 접속반, 인버터 각각에 인가되는 아크탐지 전류를 수신하여 감지하게 된다. 인버터(130)의 경우 교류 전력으로 변환되기 전에 아크탐지 전류를 수신하여 감지한다.
신호처리부(230)는 상기 아크탐지 전류수신부(220)에서 수신된 전류를 필터링하게 된다.
데이터베이스부(250)에서는 태양전지 어레이(110), 접속반(120), 인버터(130)를 흐르는 전류 파형에 대한 데이터가 저장된다. 구체적으로 데이터베이스부(250)에서는 아크탐지 전류인가부(210)에서 인가하는 복합 주파수에 대한 파형 데이터가 저장된다.
한편, 데이터베이스부(250)에서는 아크 발생 장소에 따른 아크 발생 원인별에 따른 주파수 파형이 저장된다. 즉, 데이터베이스부(250)는 태양전지 어레이(110), 접속반(120), 인버터(130)에서 발생하는 각각의 아크 원인 예를 들어, 결로, 접속불량, 케이블 손상, 단자접속 텐션, 누설전류 등에 따른 원인별 주파수 파형이 수집되어 저장된다. 아크가 발생하는 위치(태양발전 어레이, 접속반, 인버터)와 아크 발생 위치에 따른 아크 원인의 경우 서로 아크 발생에 따른 임펄스의 파형이나 횟수가 다르므로, 이에 따른 데이터를 수집하고 아크 탐지의 정밀성을 높일 수 있다.
아크 판단부(240)는 신호처리부(230)에 의해 신호처리된 주파수 파형을 분석한다. 그리고 아크 판단부(240)는 상기 데이터베이스부(250)에 저장된 전류 파형 데이와 비교하여 아크 발생 여부를 판단한다. 아크 발생시 일정 시간내에 임펄스 형태의 전류 파형이 나타나는데(예를 들어 0.5초 이내에 8개의 임펄스 형태의 전류 파형이 발생), 아크 판단부(240)는 일정 시간 내에 발생하는 임펄스 형태의 주파수 파형을 분석하여 아크 발생 여부를 판단하게 된다. 즉, 아크 판단부(240)는 대역 통과 필터 후 전체 구간에 대한 주파수 대비 피크 레벨 값을 이용하여 고조파 성분 비율과 설정한 시간 구간마다 발생하는 펄스 수의 패턴을 기초로 하여, 일정 시간 동안 임펄스 파형의 수가 설정된 수를 넘는 경우 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
아크가 발생한 것으로 판단하면, 아크 판단부(240S)는 제어신호를 차단부(260)로 보내 차단회로를 작동하도록 하고, 또한 제어신호를 알릴부(270)로 보내 관리자에게 알릴 수 있도록 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10. 태양전지패널 110. 태양전지 어레이
120. 접속반 130. 인버터
200. 아크 감지 장치 210. 아크탐지 전류인가부
220. 아크탐지 전류수신부 230. 신호처리부
240. 아크 판단부 250. 데이터베이스부

Claims (3)

  1. 복수의 태양전지패널로 구성되는 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터를 포함하는 태양광 발전 설비에서의 화재를 감지하기 위한 시스템으로서,
    태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 태양전지패널에서 발생되는 전류와 다른 별도의 아크탐지 전류를 인가하는 아크탐지 전류인가부;
    상기 아크탐지 전류인가부에서 태양전지 어레이와 접속반 및 인버터 각각에 인가되는 아크탐지 전류를 수신하는 아크탐지 전류수신부;
    상기 아크감지 전류수신부로부터 수신된 전류를 필터링하는 신호처리부; 및,
    상기 신호처리부에 의해 처리된 아크탐지 전류의 주파수 파형을 분석하여, 일정 시간 동안 임펄스 파형의 수가 설정된 수를 넘는 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크탐지 전류인가 유닛은 AC 4kHz, 2kHz, 1kHz 의 복합 주파수을 각 전력선에 인가하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 인가 전류에 따른 주파수 파형에 대한 데이터 및 아크 발생 장소에 따른 아크 발생 원인별에 따른 주파수 파형에 대한 데이터가 저장되는 데이터베이스부를 더 포함하며,
    상기 아크 판단부는 분석된 아크탐지 전류의 주파수 파형을 상기 데이터베이스부에 저장된 주파수 파형 데이터와 비교하여 아크 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비의 화재 감지 시스템.
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