3.1 접촉식 전압위상 검출 기술 개발

직접 접촉방식을 이용한 전압 위상 검출 기술은 그림 2에 나타낸 것과 같이 전원 단자에 전압 프로브를 접촉시켜 측정하는 방식으로 전원 전압 측정 단자가 확보되어 있는 경우에 사용하며, 직접 측정하기 때문에 측정 전압의 크기(RMS)와 위상을 검출할 수 있다.

그림 2의 회로에서 입력전압은 1000:1 Isolation PT를 이용하여 전압의 크기를 검출하였으며, 기준 위상 검출을 위하여 Zero Crossing Detection 회로를 적용하였다.

Zero Crossing Detection 회로는 AC 전압을 검출할 때 0V를 지나가는 시점을 검출하는 것으로 전압 검출 이후 회로에 비교기를 사용하였으며, 비교기의 +단자에 입력전원을 연결하고, -단자에 영전위를 입력시키면 출력은 비교기의 제어전원에 해당하는 전압을 출력하여 펄스파형을 출력하기 때문에 펄스파형을 이용하여 입력전압의 Zero Crossing을 검출하였다.

그림 2 직접접촉식 전압 검출부

Fig. 2 Diagram of direct contact voltage detection circuit

3.2 비접촉 전압위상 검출 기술 개발

비접촉 전압위상 검출회로는 부재수용가와 같이 전압 측정점을 확보할 수 없는 경우와 같이 절연성능 측정 환경에 대한 문제를 해결하기 위하여 그림 3과 같이 비접촉 전압 위상검출기술을 개발하였다.

비접촉 전압위상 검출회로는 활선 상태의 전계를 관찰하여 전계의 Zero Crossing 기준으로 +와 - 전위의 상태 변화를 관찰한다. 전계 검출 안테나에 Hi-impedance를 걸어 위상 펄스를 얻어 내는 방식을 적용하였으며, Zero Crossing point를 기준으로, 다음 point를 측정, 계산하여 주파수를 얻어 내고, 계산된 주파수로 위상의 기준을 제공하여 측정에 적용하였다.

비접촉 전압위상 검출은 활선 상태에서 발생하는 전계를 관찰하여 전계의 Zero Crossing을 검출하기 때문에 전계 검출 안테나에 주변 다른 상의 영향이나 노이즈의 영향으로 인하여 잘못된 정보가 검출될 수 있어 입력전원에 노이즈가 포함되어 있는 경우 출력 펄스가 오검출하여 측정정확도가 저하되는 원인으로 작용한다. 따라서 입력전원의 잡음에 의한 비교기 출력의 영향을 줄이기 위하여 히스테리시스라는 정귀환 회로를 사용하여 비접촉방식 전압 위상검출 회로에 슈미트 트리거 회로를 적용하였다^[8].

그림 3 비접촉 전압 위상 검출부

Fig. 3 Diagram of non-contact voltage phase detection circuit

비접촉 전압 위상 검출센서는 주변 전계와 노이즈의 영향을 모두 받기 때문에 노이즈 필터와 슈미트 트리거 회로를 적용한 상태에서도 안정적인 검출 특성을 위하여 전계 안테나의 신호에 대하여 2번째 검출 파형을 삭제하고 3번째 들어오는 안테나의 파형에 동기 신호를 맞추어 출력하게 설계하였다. 그림 4에 나타낸 것과 같이 입력 전압에 대하여 전압이 “+”인 구간에 비접촉 안테나 신호가 펄스로 생성되고 Nagative edge 기준으로 4번째 신호와 내부에서 발생시키는 주파수 출력과 동기화되어 동기화 시점부터 전압 기준 위상으로 설정하여 기준 위상과 전류의 zero-crossing 점에 대한 카운트를 개수하여 위상차를 계산한다.

그림 4 비접촉 안테나 신호의 안정화 파형

Fig. 4 Steady waveform of non-contact antenna signal

3.3 무정전 절연저항 측정기 개발

그림 5는 비접촉 전압위상 검출기술을 적용한 무정전 절연저항계 개발품 외형을 나타낸 것이며, 무정전 절연저항계 개발을 위하여 그림 6에 나타낸 전압-영상전류 위상차 검출 알고리즘을 적용하였다.

그림 5 무정전 절연저항계 개발품 외형

Fig. 5 The appearance of insulation resistance for non- interrupting inspection

그림 6 전압-영상전류 위상차 검출 알고리즘

Fig. 6 Diagram of algorithm for voltage-zero current phase difference

위상차 검출 알고리즘은 기준 위상(전압의 영점)에 대하여 영상전류의 영점과의 위상차를 검출하는 것으로, 기준전압 측정과 누설전류의 위상차 검출을 위하여 전압과 영상전류 검출할 때 MCU에서 한 주기인 360도를 각각 4260 카운트로 분해하여 측정하고 있다. 전압 위상의 기준점에 대하여 영상전류의 zero- crossing이 발생하는 지점의 카운트 수를 검출하여 연산한다. 측정 한 주기를 4260 카운트로 분해하기 때문에 1 카운트마다 0.0845도의 위상차가 발생하여 식 (5)와 같이 위상차를 연산한다.

하지만 비접촉 전압 검출 기술을 적용한 경우는 현실적인 검출 특성과 전압의 변동 범위 등 일반용전기설비의 주택를 고려할 때 220V로 고정하여 검출하는 것이 효율적이라 판단하여 전압의 크기를 220[V]로 고정한 후 위상차를 검출하는 방식을 적용하였다.

4.1 비접촉 전압위상 검출부의 성능 검증

비접촉 전압 위상 검출부의 R, S, T 전압 상별 검출 특성을 검증하였다. 그림 7은 R, S, T 각 상에 대하여 전계 검출 센서의 검출 특성을 나타낸 것으로 안테나 펄스 신호가 Nagative edge 기준으로 4번째 신호와 내부에서 발생시키는 주파수 출력과 동기화되는 것을 확인하였으며, 검증 결과 R, S, T상에 관계없이 동기화되어 정상적인 전압의 zero-crossing 점을 검출하는 특성을 확인하였다.

그림 7 R, S, T 상별 비접촉 전압 위상 검출 파형

Fig. 7 Waveform of non-contact voltage phase detection for R-S-T phase

4.2 직접접촉식 개발 장비의 성능 검증

접촉식 무정전 절연저항계 개발품에 대하여 표준 교정 장비를 이용하여 성능을 검증하였다. 그림 8에 나타낸 것과 같이 전압, 전류, 위상차 제어가 가능한 표준 멀티 교정기인 Fluke 5520A 장비를 이용하였으며, 해외 메이커의 기존제품과 비교 측정 시험을 실시하였다. 표준 장비를 이용하여 전압은 220[V], 60[Hz]의 전원에 대하여 0.1[mA]부터 300[mA]까지 시험 전류를 인가하였으며, 전압과 시험전류의 위상차는 0도에서 80도까지 10도 단위로 인가하여 측정하였다.

그림 8 표준 교정 장비를 이용한 성능 검증

Fig. 8 Performance verification using standard calibration equipment

표준 교정장비를 이용하여 개발품과 기존제품(국외 IGR 측정 장비)와 비교시험을 실시한 결과, 그림 9에 나타낸 것과 같이 1[mA] 이하 구간과 30[mA] 이하 구간에 대하여 그래프로 나타내었다. 개발품과 기존 제품의 측정결과 1[mA] 이하 구간에서는 개발품이 1.5[%] 이내, 기존제품이 2.0[%] 이내로 측정되었으며, 1~30[mA] 이하 구간에서는 개발 장비와 기존 장비 모두 약 1.5[%] 이내로 측정되었다. 하지만, 개발 장비와 기존 장비의 차이점은 절대 오차 범위에서는 큰 차이는 나지 않았지만, 개발 장비는 +1.5[%]~-1.2[%]로 변동폭이 크게 나타난 반면, 기존 장비는 –0.9[%]~-2.0[%]로 비교적 안정적인 측정결과로 분석되었다.

그림 9 개발품과 기존제품 성능 비교 분석 결과

Fig. 9 Result of comparative performance analysis between developed and existing products

4.3 비접촉식 개발 장비의 성능 검증

비접촉식 무정전 절연저항계 개발품에 대한 성능 검증을 위하여 그림 10에 나타낸 것과 같은 테스트 지그를 이용하였다. 테스트 지그는 220[V], 60[Hz] 상용전원을 이용하였으며, 저항과 콘덴서를 이용하여 각각 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10[㎃]의 유효성(Igr) 및 용량성(Igc) 누설전류를 설정할 수 있도록 시험하였다. 시험은 테스트 지그를 이용하여 Igr을 1~10[㎃] 10단계로 변화시켰으며, 각 단계에 대하여 Igc를 0.5~10[㎃] 11단계로 변화시켜 각각에 대하여 측정하였다.

표 1은 유효성 누설전류 각각에 대하여 용량성 누설전류를 변화시켰을 때 측정된 결과를 나타낸 것으로 유효성 누설전류가 작을수록 오차가 크게 나타났으며, 유효성 누설전류 대비 용량성 누설전류가 클수록 오차가 크게 나타났다. 그림 11은 각 단계의 유효 누설전류에 대하여 용량성 누설전류를 변화시켰을 때 나타나는 최대 오차율을 나타낸 것으로 유효성 누설전류가 0.5[㎃], 용량성 누설전류가 10[㎃]일 때 최대오차율 22[%]로 가장 큰 편차로 나타났다. 또한, 유효성 누설전류가 9[㎃], 용량성 누설전류가 7[㎃]일 때 최대오차율 4.33[%]로 각 단계의 최대 오차율 중 가장 적은 오차범위를 갖는 것으로 나타났다.

그림 10 비접촉식 개발 장비의 성능 검증

Fig. 10 Performance verification of non-contact developed equipment

테스트 지그를 이용한 비접촉식 개발 장비의 성능 검증 결과, 1[㎃] 이하에서는 오차가 일부 20[%]를 초과하였지만 대부분 20[%] 이내의 정확성을 갖는 것으로 확인되었으며, 특히 용량성 누설전류가 유효성 누설전류의 2배 이내의 전류비를 갖는 경우에는 대부분 10[%] 이내의 오차율을 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

비접촉식 개발 장비의 경우 정확한 측정보다는 전압을 측정할 수 없는 경우 절연상태 추이를 분석하기 위한 장비로 사용될 것이기 때문에 오차율 20[%] 이내로 확보할 경우 현장활용이 가능할 것으로 판단된다.

그림 11 유효누설전류 단계의 조건별 최대 오차율 분석결과

Fig. 11 Analysis result of the maximum error rate by condition of the Igr step

비접촉식 무정전 절연저항계는 측정하고자하는 고객 전기설비의 전압 측정 개소가 확보되지 않는 경우에 절연상태를 분석하기 위한 것이다. 고객 전기설비의 절연 상태 분석은 그림 12에 나타낸 것과 같이 부재수용가 등과 같이 전압 측정개소가 확보되지 않은 경우 비접촉식으로 측정한 후, 유효누설전류가 0.8[mA] 이하로 측정되지 않으면 접촉식으로 측정하는 절연검사 절차를 제시하였다.

비접촉식의 경우 접촉식에 비하여 전압의 기준위상의 정확도가 낮고 전압의 크기를 정확하게 알 수 없기 때문에 측정 오차 및 안전도를 적용하여 유효누설전류 및 활선절연저항 측정값이 0.8[mA] 이하 또는 0.3[㏁] 이상으로 측정될 경우 적합으로 판정하고 1.2[mA] 이상 또는 0.15[㏁] 이하로 측정되는 경우에는 부적합으로 판정한다. 만약 유효누설전류 측정값이 0.8~1.2[mA] 또는 활선절연저항 측정값이 0.15~0.3[㏁] 사이 값으로 측정되면 재방문 등을 통하여 직접 접촉식으로 정확하게 측정해야 한다.

그림 12 무정전 절연점검 절차

Fig. 12 Flow chart of non-interrupting insulation inspection procedure