KR20240031640A - 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변압기의 자기 포화 특성을 이용하여 서지 유입에 따른 부하 전압의 상승을 억제하는 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 서지 유입 시에 자기 포화시킬 변압기(110)를 통해 부하(2)에 전력 공급하게 하고, 변압기(110)의 2차측에서는 서지 유입에 따라 상승하는 전압에 의해 작동하는 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)를 병렬 연결하여 서지 유입 시에 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)으로 변압기(110)를 자기 포화시키게 함으로써, 부하(2)를 서지로부터 보다 안전하게 보호하면서 안정적으로 전력 공급할 수 있다.
Description
본 발명은 변압기의 자기 포화 특성을 이용하여 서지 유입에 따른 부하 전압의 상승을 억제하는 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템에 관한 것이다.
상수도 관리시설물을 상시 모니터링하며 안전상태를 유지하기 위해서 원격단말장치인 RTU(Remote Terminal Unit)를 상수도 관리시설물에 설치하여 원격 관리하고 있다. RTU는 자율적으로 데이터 수집, 분석 및 자율제어하고, 그 결과를 통합관제실에 전달하는 방식으로 운용하는 것일 수 있다.
이러한 RTU는 배전계통 또는 친환경 발전설비로부터 전원 공급받게 되어 있어 전원 공급 라인을 통해 뇌서지가 유입될 수 있고, 제 기능의 수행을 위해 갖춘 회로보드, 원격 통신을 위한 통신모듈장비 등이 뇌서지에 취약하므로, 뇌서지에 의한 피해를 방지하기 위한 서지 보호기인 SPD(Surge Protective Device)를 설치한다.
RTU의 전원 공급 라인에 설치된 종래의 SPD는 서지 전압을 제한하기 위해서 대지와 접지시켜 서지 전류를 대지로 방전시킨다. 이에, SPD 제한 전압에 접지저항 전압강하가 더해지기 때문에 접지저항의 영향이 크게 작용하는데, RTU가 설치된 현장은 대부분 장소가 협소하여 접지저항이 낮은 값을 갖도록 접지공사하기란 어렵고, 시간 경과에 따라 접지저항도 변동하므로, 제한 전압을 일정하게 유지하는 정상적 동작을 보장하기 어렵다.
한편, SPD를 전원 라인 사이에 설치하여 비접지하는 연결 방식을 사용할 수 있으나, 부하측의 RTU를 서지로부터 안전하게 보호하기 어려우므로, 공개특허 제10-2010-0073222호에 개시된 바와 같이 서지전압을 블록킹시키는 인덕터의 전후에 각각 SPD를 설치하는 방식을 사용하여 부하측을 서지로부터 보다 안전하게 보호한다. 하지만, 이러한 방식도 주로 SPD에 의존하여 서지로부터 부하측을 보호하므로 안전하게 보호하는데 한계가 있다.
더욱이, SPD 자체의 서지 보호 성능이 시간 경과 또는 서지 유입 회수 등에 따라 저하되므로, 제한 전압을 일정하게 유지하는 정상적 동작을 보장하기 어렵다.
또한, 서지전류가 SPD를 통해서만 흐르므로, 일반적으로 서지전류에 따른 서지 충격 횟수의 허용치가 있는 것으로 알려진 SPD의 수명도 단축시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 비접지 방식을 채택하되, 서지 유입시에 SPD의 부담을 줄여주면서 서지 유입을 보다 확실하게 차단하고, SPD의 손상 또는 성능 저하가 발생할 시에 서지 보호 기능을 수행할 후비 보호 수단을 구비하여, 서지 보호 기능을 정상적으로 유지할 수 있는 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서지보호장치에 있어서, 1차측을 교류 전원소스(1)에 연결하고 2차측을 부하(2)에 연결한 변압기(110); 상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이에 연결되며, 서지 유입에 따라 작동하여 2차측 전원라인 사이에 전류를 흘려줌으로써 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120); 및 2차측 전원라인 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(131)와, 2차측 전원라인 사이에 직렬 연결하여 상기 서지 보호기(120)와 병렬 연결시킨 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)와, 기설정 과전압 이상의 전압이 검출될 시에 고속 절체부(133)를 도통시켜 더미 부하(134)를 통해 흐르는 전류에 의해 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 컨트롤러(132)를 포함한 능동형 서지 보호 회로(130);를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 2차측 전원라인 중에 상기 서지 보호기(120)와 부하(2) 사이에 배치하고, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 기설정 과전압은 상기 서지 보호기(120)의 작동 전압보다 상대적으로 큰 값을 갖게 설정되어, 서지 유입 시에 상기 서지 보호기(120)를 우선적으로 작동시키게 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고속 절체부(133)는 교류 입력단을 통해 2차측 전원라인 사이에 더미 부하(134)와 직렬 연결한 다이오드 브리지(Diode Bridge, 133a)와, 다이오드 브리지(133a)의 직류 출력단 사이를 연결하여 상기 컨트롤러(132)에 의해 턴온 및 턴오프하게 한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 133b)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 컨트롤러(132)는 미리 설정된 도통 지속 시간 동안 상기 고속 절체부(133)를 도통시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 서지 보호기(20)는 바리스터(Varistor) 또는 가스방전관으로 구성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 변압기(110)는 권선비가 1인 변압기로 구성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 리액터(111)를 상기 변압기(110)의 1차측 전원라인 상에 상기 변압기(110)와 직렬 연결한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 더미 부하(134)는 용량을 가변시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서지 모니터링 시스템에 있어서, 상기한 서지보호장치(100); 및 상기 전압 검출부(131)로 검출한 전압의 변화에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력과, 상기 컨트롤러(132)에 의해 작동된 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력을 수집하여, 상기 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 시간 및 작동 횟수와, 서지 유입 회수를 포함한 모니터링 정보를 제공하는 원격 모니터링 단말(200);을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 원격 모니터링 단말(200)은 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 여부에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 이상 여부를 모니터링 정보에 포함시켜 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 서지보호장치에서 있어서, 병렬 연결한 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)에 의해서 자기 포화시킬 수 있는 변압기(110)를 통해 부하(2)에 전력 공급하므로, 서지 유입 시에 자기 포화시킨 변압기(110)에 의해서 부하(2)를 서지로부터 보호하고, 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)의 부담을 줄여 주어 내구성을 높이며, 반응 속도가 빠른 서지 보호기(120)와, 작동 전압의 조절이 용이하면서 서지 보호기(120)의 성능 저하 시에 후비 보호할 수 있는 능동형 서지 보호 회로(130)의 장점을 살려 부하(2)를 서지로부터 보다 안전하게 보호하며 전력 공급할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 서지 모니터링 시스템에서 있어서, 서지 유입 시기, 회수 및 서지보호장치(100)의 작동 상황을 원격 모니터링하면서, 서지 보호기(120)를 보다 확실하게 유지 관리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 서지보호장치(100) 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템의 구성도.
도 2는 변압기 철심의 자화곡선(Magnetization Curve) 예시도.
도 3 내지 도 5는 서지 유입 시에 부하(2) 대비 더미 부하(134)의 크기에 따른 변압기(110) 2차측 부하전압(부하(2)에 인가되는 전압, 12)의 차이를 보여주는 그래프.
도 6은 더미 부하(134)의 용량을 가변할 수 있는 본 발명의 변형 실시 예 구성도.
도 2는 변압기 철심의 자화곡선(Magnetization Curve) 예시도.
도 3 내지 도 5는 서지 유입 시에 부하(2) 대비 더미 부하(134)의 크기에 따른 변압기(110) 2차측 부하전압(부하(2)에 인가되는 전압, 12)의 차이를 보여주는 그래프.
도 6은 더미 부하(134)의 용량을 가변할 수 있는 본 발명의 변형 실시 예 구성도.
이하, 본 발명의 실시 예들에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구체적이고 다양한 예시들을 보여주며 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 수정을 통해 실시될 수 있음도 분명하므로, 설명하는 실시 예들에 한정되지는 않는다. 그리고, 본 발명의 실시예들은 잘 알려진 부품, 회로, 기능, 방법, 전형적인 상세한 내용에 대해서는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 추가하여 실시할 수 있으므로, 자세히 기술하지 않기로 한다.
도 1의 구성도를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 서지보호장치(100)는 교류 전원소스(1)와 부하(2) 사이를 연결하는 전원라인 상에 설치되어 교류 전원소스(1)로부터 서지가 유입될 시에 서지 전압을 억제하며 부하(2)에 전력 공급하게 하는 장치로서, 변압기(110), 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)를 포함한다.
여기서, 부하(2)는 상수도 관리시설물의 원격 관리를 위해 상수도 관리시설물별로 설치된 원격단말장치인 RTU(Remote Terminal Unit)일 수 있고, 상수도 관리시설물의 전기기기도 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고 이외의 다양한 전력 설비일 수 있다. 교류 전원소스(1)는 예를 들어 RTU에 전력을 공급하기 위해 연결한 배전계통의 저압측 배전선로 또는 배전용 변압기일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 부하(2)에 전력 공급하기 위한 다양한 전기 공급 설비를 포함할 수 있다. 이러한 교류 전원소스(1)를 통해 서지가 유입될 수 있으므로, 본 발명에 따른 서지보호장치(100)을 교류 전원소스(1)와 부하(2) 사이에 설치하여 부하(2)를 서지로부터 보호한다.
교류 전원소스(1)와 부하(2) 사이를 연결하는 2가닥의 전원라인 중에 어느 한 전원라인은 중성선에 연결된 것일 수 있다. 도시하지는 아니하였지만, 도시한 전원라인 이외에도 접지선을 부하(2)에 연결할 수 있다.
이와 같이 2가닥의 전원라인 상에 설치되는 서지보호장치(100)의 구성요소인 변압기(110), 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)에 대해 도 1을 참조하며 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 교류 전원소스(1)와 부하(2) 사이는 상기 변압기(110)를 통해 전기적으로 연결되게 하며, 이를 위해서 상기 변압기(110)의 1차측 권선 코일에 연결된 단자를 전원라인을 통해 교류 전원소스(1)에 연결하고, 상기 변압기(110)의 2차측 권선 코일에 연결된 단자를 전원라인을 통해 부하(2)에 연결한다.
상기 변압기(110)는 서지가 교류 전원소스(1) 측에서 유입될 시에 정격 전류를 초과하는 전류를 하기의 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)에 의해 흐르게 하여 자기 포화(Magnetic Saturation) 상태로 되게 한다. 즉, 1차측 권선 코일에 인가되는 서지 전압에 의해 2차측 권선 코일에 유기되는 2차측 전압이 부하(2)를 소손시키지 아니할 정도의 전압으로 낮추어서, 부하(2)를 서지로부터 보호한다.
변압기의 2차측 유기기전력 e는 아래의 자화전류에 의한 자속 φ의 변화 
와 권선 코일의 권수에 의해 정해지는 값 n에 따라 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
그런데, 도 2에 예시한 변압기 철심의 자화곡선(Magnetization Curve)을 참조하며 설명하면, 변압기는 정격전류 이하의 전류가 흐르는 비포화 영역에서는 자속 φ가 대체로 전류 i(또는 자계 세기 H)에 비례하여 증가하지만, 정격전류를 초과하는 전류가 흐르는 포화 영역에서는 전류가 증가하더라도 자속 φ의 증가량이 매우 적거나 증가하지 않게 되는 자기 포화 상태가 된다. 포화 영역을 구분하기 위한 기준으로 부분 포화되는 Knee Point에 대한 규격을 정하기도 한다.
즉, 변압기의 포화곡선(saturation curve)에 따르면, 포화 영역에서 자속 φ의 변화 
가 크게 줄어들어서 유기기전력 e가 크게 감소하고, 결국 변압기의 1차측에 매우 큰 서지 전압이 인가되더라도 변압기의 2차측 전압은 서지 전압에 비해 매우 작은 값으로 나타난다. 물론, 정현파 전류의 파고치 크기에 따라 가변적인 자기이력곡선(Hysteriesis loop)으로 설명하는 것이 정확하다.
본 발명은 이와 같은 자기 포화 상태의 특성을 이용하기 위해서, 서지가 유입할 시에 상기 변압기(110)의 2차측에서 상기 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)로 정격전류 이상으로 전류를 흐르게 함으로써 상기 변압기(110)를 자기 포화시킨다. 이에 따라, 상기 변압기(110)의 2차측에서 상기 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)로 흐르는 서지 전류는 낮추면서 2차측 부하(2)에 인가되는 전압의 상승을 억제하여, 부하(2)를 서지로부터 보호한다.
여기서, 상기 변압기(110)는 서지 보호를 위한 것이므로 서지가 유입되지 아니한 상황에서 1차측 전압과 2차측 전압이 동일하도록 권선비(turn ratio)가 1인 변압기를 사용한다. 하지만, 교류 전원소스(1)의 전압을 승압 또는 감압하여 부하(2)에 전력 공급하는 변압기 기능을 갖게 할 수도 있다.
또한, 상기 변압기(110)는 도 2에 도시한 바와 같이 일반적인 변압기에 비해 부하(2)에 공급할 정격 전류보다 약간 높은 전류에 의해 예민하게 포화되는 포화 변압기를 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 변압기(110)의 1차측 전원라인에 리액터(111)를 직렬 연결하여 누설 자속을 증가시키며, 이에 따라 서지에 의한 상기 변압기(110)의 소손을 방지할 수 있다. 이때의 상기 리액터(111)는 고주파의 서지 전압을 억제할 수 있는 용량을 갖게 하는 것이 좋다. 본 발명에 따르면, 서지 유입 시에 상기 변압기(110)의 자기 포화 특성에 따라 상기 변압기(110) 2차측의 전압 상승을 억제하고, 2차측의 상기 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)를 통해 흐르는 서지 전류를 경감하지만, 상기 변압기(110)의 1차측에는 매우 큰 서지 전류가 흐를 수 있다. 이에, 상기 리액터(111)를 상기 변압기(110)의 1차측 전원라인 중에 적어도 어느 한 전원라인에 연결하여 서지 전류를 억제하는 것이 좋다.
상기 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120)는 상기 변압기(110)의 2차측 권선 코일을 부하(2)에 연결하는 2가닥의 2차측 전원라인 사이에 연결되어, 부하(2)에 병렬 연결되게 함으로써, 서지 유입에 따라 서지 전압이 가해질 시에 작동하여 부하(2)에 전력 공급하는 2차측 전원라인 사이를 도통시킨다.
이에 따라, 상기 서지 보호기(120)가 2차측 전원라인 사이에 서지 전류를 흘려주어서 부하(2)에는 제한전압(Clamping Voltage)으로 억제된 전압이 인가되게 할 뿐만 아니라, 상기 변압기(110)가 정격 전류를 초과하는 서지 전류를 상기 서지 보호기(120)에 의해 흐르게 되어 자기 포화되므로, 2차측 전원라인을 통해 인가되는 전압의 상승을 억제하고, 부하(2)에 인가되는 전압은 더욱 안정적으로 억제할 수 있다.
이러한 상기 서지 보호기(120)는 예를 들어 바리스터(Varistor) 또는 가스방전관으로 구성할 수 있고, 서지 전류의 크기를 맞추기 위해서 또는 일부가 열화되더라도 다른 것으로 작동시키기 위해서 복수 개를 병렬로 연결할 수도 있고, 적절한 작동 전압을 얻기 위해 직병렬로 연결할 수도 있다.
상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이를 기설정 과전압 이상이 검출될 시에 소정의 저항 소자를 통해 도통시켜 상기 변압기(110)를 포화시킨다.
이를 위한 상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(131)와, 상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이에 직렬 연결하는 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)와, 전압 검출부(131)를 통해 검출한 2차측 전원라인 사이의 전압이 기설정 과전압 이상일 시에 고속 절체부(133)를 기설정 도통 시간 동안 도통시켜 2차측 전원라인 사이를 더미 부하(134)를 통해 연결되게 하는 컨트롤러(132)를 포함한다.
상기 컨트롤러(132)는 2차측 전원라인 중에 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)가 연결된 지점의 부하(2) 측에서 전력 공급하는 전원부(135)에 연결하였다. 그리고, 본 발명의 실시 예에서는 외부의 원격 모니터링 단말(200)에 통신 연결하기 위한 통신모듈(136)과 이상 상태의 알림 표시를 위한 알람부(137)를 상기 컨트롤러(132)에 연결하였다. 전원부(135), 통신모듈(136) 및 알람부(137)는 다양한 형태로 공지된 구성요소이므로 상세 설명은 생략한다.
상기한 기설정 과전압은 부하(2)의 손상을 방지할 수 있는 전압 이하의 값으로 설정하여 두고, 상기 더미 부하(134)는 상기 변압기(110)를 자기 포화시킬 정도의 부하 값을 갖게 구성하여서, 기설정 과전압이 검출될시에 상기 더미 부하(134)를 상기 변압기(110)의 2차측에 부하(2)와 병결 연결시키는 회로로 구성하여서, 자기 포화 상태의 상기 변압기(110)에 의해 제한된 전압을 부하(2)에 인가되게 한다. 이에 따라, 서지 전압이 상기 변압기(110)의 1차측에 인가되더라도 제한된 전압으로 부하(2)에 인가되게 하여, 부하(2)를 서지로부터 보호할 수 있다.
그리고, 상기한 기설정 도통 시간은 통상적인 서지 지속시간의 데이터에 근거하여 적절한 값으로 미리 설정하여 둘 수 있다. 일반적으로 뇌서지의 크기는 부하(2)를 소손할 만큼 크지만 지속시간은 매우 짧으므로, 이를 고려하면 상기한 기설정 도통 시간은 예를 들어 500msec으로 설정할 수 있다. 즉, 서지 유입 시에 상기 더미 부하(134)에 의해서 억제된 2차측 전압을 상기 전압 검출부(131)로 검출하게 되므로, 서지 유입의 종료 시점을 전압 검출값으로 판단하기에 곤란하므로, 상기한 바와 같이 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 시간을 서지 지속시간을 고려하여 상기한 기설정 도통 시간으로 하는 것이다.
여기서, 상기한 기설정 도통 시간은 상기 변압기(110)의 포화 지속 시간을 의미한다. 그런데, 상기 컨트롤러(132)로 제어하여 상기 고속 절체부(133)를 작동시키는 데 소요되는 시간이 있으므로, 상기 컨트롤러(132)에서 제어할 시에 상기 고속 절체부(133)를 작동시키는 데 소요되는 시간을 반영하여 포화 지속 시간을 맞출 필요가 있다.
한편, 상기 고속 절체부(133)는 교류 전압에 의한 교류 전류를 상기 더미 부하(134)에 흐르게 하여야 하므로, 스위칭 소자로서 양방향성 전력반도체로 구성하여야 하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면 다이오드 브리지(Diode Bridge, 133a)와, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 133b)로 구성하여, 단방향성 전력반도체인 IGBT(133b)로 온/오프할 수 있게 한다.
상기 다이오드 브리지(133a)는 2개의 교류 입력단과 2개의 직류 출력단을 구비하여, 교류 입력단에 교류 전압을 인가하면 전파 정류된 전압이 직류 출력단을 통해 출력하는 브리지 회로이다. 이러한 다이오드 브리지(133a)는 공지된 회로이므로, 간략하게 설명한다. 직류 출력단 사이에는 2개의 다이오드를 직렬 연결한 회로가 병렬로 2회로 연결되되, 각각 다이오드는 애노드(anode)가 2개 직류 출력단 중에 (-)극 단자를 향하고 캐소드(cathode)가 2개 직류 출력단 중에 (+)극 단자를 향하도록 마름모꼴 형태로 상호 연결되게 하고, 병렬 연결한 각 회로에서 2개 다이오드의 연결점을 교류 입력단으로 사용하게 한다.
이러한 상기 다이오드 브리지(133a)는 상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이에서 교류 입력단을 통해 더미 부하(134)와 직렬 연결하여, 직류 출력단의 (+)극 단자에서 (-)극 단자로의 직류 흐름이 가능할 시에 더미 부하(134)를 통해 교류가 흐를 수 있게 한다.
그리고, 상기 IGBT(133b)는 콜렉터(Collector)를 직류 출력단의 (+)극 단자에 연결하고, 에미터(Emitter)를 직류 출력단의 (-)극 단자에 연결하여서, 상기 컨트롤러(132)에서 게이트(Gate)를 통해 턴온 및 턴오프할 수 있게 한다. 이에, 상기 IGBT(133b)를 턴온시켜서 직류 출력단 사이의 직류 흐름을 가능하게 함으로써, 2차측 전원라인 사이는 더미 부하(134)를 통해 교류를 흐르게 하여 상기 변압기(110)를 자기 포화시킨다.
상기한 바와 같이 본 발명은 교류 전원소스(1)로부터 서지가 유입될 시에 상기 서지 보호기(120) 또는 능동형 서지 보호 회로(130)에 의해서 상기 변압기(110)를 자기 포화시켜서 서지 전류를 상기 변압기(110) 1차측에서만 흐르게 하고, 상기 변압기(110) 2차측에서는 상대적으로 낮은 서지 전류를 상기 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130) 중에 자기 포화시킨 요소로 흐르게 하여, 자기 포화시킨 요소의 부담도 줄여주면서, 부하(2)에 인가되는 전압의 상승도 억제하여 부하(2)를 서지로부터 보호한다.
한편, 서지 유입 시에 상기 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130) 중에 작동하는 요소는 상기 서지 보호기(120)의 작동 전압과 상기 능동형 서지 보호 회로(130)에 설정된 기설정 과전압 중에 상대적으로 작은 전압 값을 갖는 요소로 결정될 것이다.
본 발명의 실시 예에서는 상기 능동형 서지 보호 회로(130)에서 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)로 구성한 회로 요소를 상기 서지 보호기(120)의 부하측 2차측 전원라인 사이에 배치하고, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 기설정 과전압을 상기 서지 보호기(120)의 작동 전압보다 상대적으로 큰 값을 갖게 설정하여서, 서지가 유일할 시에 상기 서지 보호기(120)를 주보호장치로서 우선적으로 작동시키고, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 후비 보호(Back-up Protection) 기능을 갖게 하였다.
이에 따라, 상대적으로 반응 속도가 빠른 상기 서지 보호기(120)로 작동시키고, 상기 서지 보호기(120)의 성능 저하에 따라 특성이 변동하여 정격의 작동 전압에서 작동하지 못할 시에 자동적으로 상기 능동형 서지 보호 회로(130)로 보호한다.
그리고, 상기 컨트롤러(132)는 상기 고속 절체부(133)를 가동시켜 서지 보호 기능을 수행한 이력을 기록하고, 상기 알람부(137)로 알람 표시하여서 상기 서지 보호기(120)의 성능 저하에 따라 점검이 필요함을 표출한다. 여기서, 상기 알람부(137)는 예를 들어 알람 표시용 램프로 구성하거나, 알람 상황 또는 알람 시간을 표출하는 디스플레이로 구성할 수 있다.
이에 더하여, 상기 컨트롤러(132)는 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력을 상기 통신모듈(136)을 통해 원격 모니터링 단말(200)에 전송할 수도 있다. 이때의 작동 이력은 작동 시간, 작동 횟수 등을 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러(132)는 상기 전압 검출부(131)로 검출하는 전압의 변화를 분석하여 상기 서지 보호기(120)의 작동 여부를 판단함으로써, 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력을 기록한 후 상기 통신모듈(136)을 통해 원격 모니터링 단말(200)에 전송할 수도 있다. 교류 전원소스(1)에서 인가되는 전압의 크기는 알려진 값이고, 서지가 유입할 시에 상기 서지 보호기(120)가 작동하는 과정에서 순간적인 전압 변동이 있으며, 상기 서지 보호기(120)가 작동한 상태에서는 제한전압(Clamping Voltage)으로 전압을 억제할 수 있으므로, 이러한 전압 변동 및 제한전압이 감지될 시에 상기 서지 보호기(120)가 작동하였음을 알 수 있다. 이에, 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력을 기록 관리할 수 있고, 이때의 작동 이력은 작동 시간, 작동 횟수 등을 포함할 수 있다.
상기와 같이 변압기(110)의 자기포화 특성을 이용하는 서지보호장치(100)에서, 본 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 상기 서지 보호기(120)가 작동할 시에 부하(2)에 인가되는 전압은 상기 서지 보호기(120)의 성능에 따른 제한 전압 이하로 억제하므로, 이에 대한 설명을 생략하고, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)가 작동할 시에 부하(2)에 인가되는 전압에 대해서 성능 테스트 결과를 참조하며 설명한다.
도 3 내지 도 5는 서지 유입 시에 부하(2) 대비 더미 부하(134)의 크기에 따른 변압기(110) 2차측 부하전압(부하(2)에 인가되는 전압, 12)의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 3 및 도 5에서 보여주는 성능 테스트 결과는 인덕턴스 0.2[mH]의 리액터(111)를 1차측에 직렬 연결한 300[W]의 변압기(110)를 사용하고, 공칭전압 220V의 교류 전원소스(1)에 연결하고, 500Ω의 부하(2)를 연결한 상태에서, 더미 부하(134)를 50Ω, 30Ω 및 10Ω으로 바꿔가며, 6kV의 서지 전압을 변압기(110) 1차측에 인가할 시의 측정 결과이다. 공칭전압 220V는 정현파 교류전압의 실효치이므로, 도면에 도시한 바와 같이 서지 유입 전에는 대략 311V의 순시 파고치가 나타난다.
먼저, 더미 부하(134)가 50Ω인 경우의 도 3을 참조하면, 1차측에 서지 전압(10)이 인가될 시에 더미 부하(134)를 통해 대략 8A의 피크치를 갖는 서지 전류(11)가 흘러 변압기(110)를 자기 포화시킴으로써, 2차측 부하 전압(12)은 대략 400V 이하로 억제시킨다.
더미 부하(134)는 서지 유입이 멈추더라도 상기한 바와 같이 미리 설정된 도통 지속 시간 동안 2차측에 연결하므로, 변압기(110)의 자기 포화 상태를 유지한다. 측절 결과, 서지 유입이 멈춘 이후 2차측 전압의 순시 파고치는 대략 280V로 나타나므로, 서지가 유입하기 이전의 정상 상태의 311V에 비해 대략 10%의 전압 강하가 발생한다.
다음으로, 더미 부하(134)가 30Ω인 경우의 도 4를 참조하면, 서지 유입 시에 더미 부하(134)를 통해 대략 13A의 피크치를 갖는 서지 전류(11)가 흘러 변압기(110)를 자기 포화시키고, 2차측 부하 전압(12)은 대략 390V 이하로 억제한다. 즉, 더미 부하(134)가 50Ω인 경우의 400V보다 낮은 전압으로 2차측 부하 전압(12)을 억제할 수 있다.
서지 유입이 멈춘 이후 30Ω의 더미 부하(134)가 연결되어 있는 동안에는 2차측 부하 전압(12)의 파고치가 50Ω의 더미 부하(134)일 때보다 상대적 낮은 값을 보인다. 이는 더미 부하(134)의 저항 값이 적은만큼 더미 부하(134)를 통해 흐르는 전류도 크기 때문이다.
다음으로, 더미 부하(134)가 10Ω인 경우의 도 5를 참조하면, 서지 유입 시에 더미 부하(134)를 통해 대략 15A의 피크치를 갖는 서지 전류(11)가 흘러 변압기(110)를 자기 포화시키고, 2차측 부하 전압(12)은 대략 240V 이하로 억제한다. 즉, 더미 부하(134)가 50Ω인 경우의 400V와 더미 부하(134)가 30Ω인 경우의 390V보다 더욱 낮은 전압으로 2차측 부하 전압(12)을 억제할 수 있다.
서지 유입이 멈춘 이후 10Ω의 더미 부하(134)가 연결되어 있는 동안에는 2차측 부하 전압(12)의 파고치가 50Ω 및 30Ω의 더미 부하(134)일 때보다 상대적 더욱 낮은 값을 보인다. 이는, 더미 부하(134)의 저항값이 낮으면 낮을수록 더미 부하(134)를 통해 흐르는 전류가 많아지기 때문이다.
도 3 내지 도 5에서 보여준 성능 테스트 결과에 따르면, 도 2에 예시한 변압기 철심의 자화곡선에서 알 수 있듯이 변압기 2차측에 흐르는 전류의 크기에 따라 포화 영역 중의 기울기가 상이한 포화 특성의 결과라 할 수 있다.
따라서, 상기 더미 부하(134)의 용량은 상기 변압기(110)의 포화 영역 전류와 부하(2)의 전류에 따라 조절하여서, 서지 유입 시의 2차측 부하 전압(12)의 피크치와, 서지 유입이 멈춘 이후 상기 더미 부하(134)를 연결 상태로 둔 시간 동안의 2차측 부하 전압(12)이 적절한 값을 갖게 하는 것이 좋다.
도 6은 상기 더미 부하(134)의 용량을 가변할 수 있는 본 발명의 변형 실시 예 구성도이다. 도 6에 예시한 바와 같이 상기 더미 부하(134)는 가변 저항으로 구성하여서, 상기 변압기(110)의 포화 영역 전류 범위와, 부하(2)의 정격 전류에 따라 적절한 값으로 조절할 수 있다. 이를 통해, 도 3의 성능 테스트 결과에서 보여준 바와 같이, 2차측 부하 전압(12)이 부하(2)의 정상 동작에 적합한 값을 갖게 조절할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 서지 모니터링 시스템는 통신모듈(136)를 구비한 서지보호장치(100)와, 통신모듈(136)을 통해 통신망으로 연결된 원격 모니터링 단말(200)을 포함한다.
상기한 바와 같이 서지보호장치(100)의 컨트롤러(132)는 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력과, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력을 기록하여 상기 통신모듈(136)로 원격 모니터링 단말(200)에 전송한다.
상기 원격 모니터링 단말(200)은 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력에 포함된 작동 시간, 작동 횟수 등에 근거하여서 상기 서지 보호기(120)의 작동으로 보호한 서지의 유입 횟수를 카운터하고, 상기 서지 보호기(120)의 수명을 예측하며, 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력에 포함된 작동 시간, 작동 횟수 등에 근거하여서 상기 서지 보호기(120)의 이상 상태가 발생한 시점과 그 이후의 서지 유입 횟수를 카운터한다.
그리고, 상기 원격 모니터링 단말(200)은 통신망에 접속된 각각의 서지보호장치(100)별로 얻은 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 시간 및 작동 횟수와, 서지 유입 횟수와, 상기 서지 보호기(120)의 이상 유무를 서지보호장치(100)의 위치 정보와 매칭시켜 조회 및 열람할 수 있는 모니터링 정보를 제공하는 단말일 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
1 : 교류 전원소스
2 : 부하
100 : 서지보호장치
110 : 변압기
111 : 리액터
120 : 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device)
130 : 능동형 서지 보호 회로
131 : 전압 검출부
132 : 컨트롤러
133 : 고속 절체부
133a : 다이오드 브리지(Diode Bridge)
133b : IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)
134 : 더미 부하
135 : 전원부
136 : 통신모듈
137 : 알람부
200 : 원격 모니터링 단말
2 : 부하
100 : 서지보호장치
110 : 변압기
111 : 리액터
120 : 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device)
130 : 능동형 서지 보호 회로
131 : 전압 검출부
132 : 컨트롤러
133 : 고속 절체부
133a : 다이오드 브리지(Diode Bridge)
133b : IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)
134 : 더미 부하
135 : 전원부
136 : 통신모듈
137 : 알람부
200 : 원격 모니터링 단말
Claims (10)
1차측을 교류 전원소스(1)에 연결하고 2차측을 부하(2)에 연결한 변압기(110);
상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이에 연결되며, 서지 유입에 따라 작동하여 2차측 전원라인 사이에 전류를 흘려줌으로써 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120); 및
2차측 전원라인 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(131)와, 2차측 전원라인 사이에 직렬 연결하여 상기 서지 보호기(120)와 병렬 연결시킨 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)와, 기설정 과전압 이상의 전압이 검출될 시에 고속 절체부(133)를 도통시켜 더미 부하(134)를 통해 흐르는 전류에 의해서 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 컨트롤러(132)를 포함한 능동형 서지 보호 회로(130);
를 포함하는
서지보호장치.
상기 변압기(110)의 2차측 전원라인 사이에 연결되며, 서지 유입에 따라 작동하여 2차측 전원라인 사이에 전류를 흘려줌으로써 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 서지 보호기(SPD : Surge Protective Device, 120); 및
2차측 전원라인 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(131)와, 2차측 전원라인 사이에 직렬 연결하여 상기 서지 보호기(120)와 병렬 연결시킨 고속 절체부(133) 및 더미 부하(134)와, 기설정 과전압 이상의 전압이 검출될 시에 고속 절체부(133)를 도통시켜 더미 부하(134)를 통해 흐르는 전류에 의해서 상기 변압기(110)를 자기 포화(Magnetic Saturation)시키는 컨트롤러(132)를 포함한 능동형 서지 보호 회로(130);
를 포함하는
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 2차측 전원라인 중에 상기 서지 보호기(120)와 부하(2) 사이에 배치하고,
상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 기설정 과전압은 상기 서지 보호기(120)의 작동 전압보다 상대적으로 큰 값을 갖게 설정되어, 서지 유입 시에 상기 서지 보호기(120)를 우선적으로 작동시키게 한
서지보호장치.
상기 능동형 서지 보호 회로(130)는 2차측 전원라인 중에 상기 서지 보호기(120)와 부하(2) 사이에 배치하고,
상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 기설정 과전압은 상기 서지 보호기(120)의 작동 전압보다 상대적으로 큰 값을 갖게 설정되어, 서지 유입 시에 상기 서지 보호기(120)를 우선적으로 작동시키게 한
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 고속 절체부(133)는
교류 입력단을 통해 2차측 전원라인 사이에 더미 부하(134)와 직렬 연결한 다이오드 브리지(Diode Bridge, 133a)와, 다이오드 브리지(133a)의 직류 출력단 사이를 연결하여 상기 컨트롤러(132)에 의해 턴온 및 턴오프하게 한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 133b)를 포함한
서지보호장치.
상기 고속 절체부(133)는
교류 입력단을 통해 2차측 전원라인 사이에 더미 부하(134)와 직렬 연결한 다이오드 브리지(Diode Bridge, 133a)와, 다이오드 브리지(133a)의 직류 출력단 사이를 연결하여 상기 컨트롤러(132)에 의해 턴온 및 턴오프하게 한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 133b)를 포함한
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 컨트롤러(132)는 미리 설정된 도통 지속 시간 동안 상기 고속 절체부(133)를 도통시키는
서지보호장치.
상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 컨트롤러(132)는 미리 설정된 도통 지속 시간 동안 상기 고속 절체부(133)를 도통시키는
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 서지 보호기(20)는 바리스터(Varistor) 또는 가스방전관으로 구성한
서지보호장치.
상기 서지 보호기(20)는 바리스터(Varistor) 또는 가스방전관으로 구성한
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 변압기(110)는 권선비가 1인 변압기로 구성한
서지보호장치.
상기 변압기(110)는 권선비가 1인 변압기로 구성한
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
리액터(111)를 상기 변압기(110)의 1차측 전원라인 상에 상기 변압기(110)와 직렬 연결한
서지보호장치.
리액터(111)를 상기 변압기(110)의 1차측 전원라인 상에 상기 변압기(110)와 직렬 연결한
서지보호장치.
제 1항에 있어서,
상기 더미 부하(134)는 용량을 가변시킬 수 있는
서지보호장치.
상기 더미 부하(134)는 용량을 가변시킬 수 있는
서지보호장치.
제 1항 내지 제 8항 중에 어느 한 항에 기재된 서지보호장치(100);
상기 전압 검출부(131)로 검출한 전압의 변화에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력과, 상기 컨트롤러(132)에 의해 작동된 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력을 수집하여, 상기 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 시간 및 작동 횟수와, 서지 유입 회수를 포함한 모니터링 정보를 제공하는 원격 모니터링 단말(200);
을 포함한
서지 모니터링 시스템.
상기 전압 검출부(131)로 검출한 전압의 변화에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 작동 이력과, 상기 컨트롤러(132)에 의해 작동된 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 이력을 수집하여, 상기 서지 보호기(120) 및 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 시간 및 작동 횟수와, 서지 유입 회수를 포함한 모니터링 정보를 제공하는 원격 모니터링 단말(200);
을 포함한
서지 모니터링 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 원격 모니터링 단말(200)은 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 여부에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 이상 여부를 모니터링 정보에 포함시켜 제공하는
서지 모니터링 시스템.
상기 원격 모니터링 단말(200)은 상기 능동형 서지 보호 회로(130)의 작동 여부에 따라 감지된 상기 서지 보호기(120)의 이상 여부를 모니터링 정보에 포함시켜 제공하는
서지 모니터링 시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220110595A KR20240031640A (ko) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220110595A KR20240031640A (ko) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240031640A true KR20240031640A (ko) | 2024-03-08 |
Family
ID=90236028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020220110595A KR20240031640A (ko) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | 변압기를 이용한 전원용 서지보호장치 및 이를 이용한 서지 모니터링 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100073222A (ko) | 2008-12-23 | 2010-07-01 | 이준일 | 비접지 계통의 서지방지시스템 |
-
2022
- 2022-09-01 KR KR1020220110595A patent/KR20240031640A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100073222A (ko) | 2008-12-23 | 2010-07-01 | 이준일 | 비접지 계통의 서지방지시스템 |
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