박정수
(Jung-Soo Park)
†iD
최유림
(Yu-Rim Choi)
1iD
-
(R&D Team, DaeRyuk Co., Ltd., Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Electrical safety, Low Voltage Direct Current(LVDC), Human effect, DC Earth Leakage Breaker(DC ELB), DC Residual Current Circuit Breaker(DC RCCB)
1. 서 론
최근 태양광, 풍력 등의 신재생에너지원의 채택이 증가하고 에너지의 효율성을 높이기 위한 직류 기반의 시스템의 중요성이 높아지고 있다. 이에 따라 저압
직류(LVDC) 배전 관련 다양한 연구가 진행중에 있고 저압 직류 배전 관련 산업이 발전하고 있으며 관련 제도의 마련도 진행중에 있다. 관련 산업이
증가하면서 저압 직류 배전망 구현시 부하보호, 인체감전 등의 안전성 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 이를 해결하기 위한 직류 누전감지기(RCD),
누전감시장치(RCM)의 연구가 진행하고 있고 제품 상용화도 진행하고 있지만 RCD, RCM의 경우 모니터링 장치이기 때문에 빠른 차단이 필요한 상황에서
차단을 할 수 없는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 직류 누전 발생시 최대한 빠른 시간 내 전로를 차단할 수 있는 저압 직류에 적용 가능한 누전차단기의
개발이 필요하다.(1-3).
지금까지 연구된 직류 감전 관련 연구 내용을 보면 IEC 60479에서 직류에서의 인체 감전 영향에 대한 연구와 IEC TS 63053의 직류 누전보호장치에
관한 연구이다. 국제표준기구인 IEC에서 워킹그룹을 형성하고 연구와 표준화를 진행중이나 실제 직류배전을 구현하는 데 있어 수용가내 인체 감전 보호를
위한 연구가 활성화되지 않고 여전히 연구가 미비한 상태이다(4,5).
인체감전에 대한 보호구간에 대해 IEC에서 정의하고 있으며 그림 1과 표 1은 직류 감전시 통전 전류 및 시간에 따른 인체 영향을 나타낸다. 하지만 직류 누전차단기에서 트립하기 위한 정확한 감도전류와 차단시간에 대해서는 국내/외
전기설비기준에서는 제시되고 있지 않다. 인체감전 보호를 위해서는 누전발생시 자력으로 감전 상태를 벗어날 수 있는 표 1의 DC-2 구간 내 동작특성을 갖는 누전차단기 제작이 필요하다(6).
그림. 1. IEC 60479에서 직류 감전에 따른 인체 영향곡선
Fig. 1. Human impact curve for direct current electric shock in IEC 60479
표 1. IEC 60479 기반의 직류감전에 따른 인체영향
Table 1. Effects of Direct current on human beings in IEC 60479
|
구간
|
통전 전류
|
인체 영향
|
|
DC-1
|
곡선 a
2mA 이하
|
약간의 자극만 느끼는 정도
/감지전류(Perception Current)
|
|
DC-2
|
곡선 a~곡선 b
|
통증은 느끼지만 자력으로 감전부로부터 벗어날 수 있는 한계전류
/가수전류(Let-go Current)
|
|
DC-3
|
곡선 b~곡선 C1
|
근육수축, 경련발생, 신경마비
/불수전류(Freezing Current)
|
|
DC-4
|
곡선 C1 이상
|
심실세동 발생 가능
/심실세동전류(Ventricular Fibrillation Current)
|
따라서 본 논문에서는 IEC 60479의 인체 감전 보호전류 구간 DC-2를 만족하고 직류 IT 접지 시스템의 2선식 중간점 접지에 적합한 직류 누전감지를
위해 감도전류 15mA, 차단시간 100ms 성능을 갖는 직류 누전차단기를 제안하고 이에 대한 연구, 개발을 진행하였다(7). 본 논문에서는 직류 누전감지 센서와 이를 적용한 직류 누전차단기 설계, 이를 검증하기 위한 IEC TS 63053, IEC 60947-2 등의
규격을 기반으로 하여 제작한 직류 누전차단기의 성능 검증을 진행하였다(8).
2. 직류 누전 검출 센서 개발
2.1 플럭스게이트 방식의 직류 누전검출센서 설계
직류 미소전류를 측정하기 위해 소형이면서 분해능이 높고 소비전류를 적은 플럭스게이트 방식으로 그림 2와 같이 직류 누전검출센서를 제작하였다. 직류 누전감도 15mA에 적합하도록 30mA 사양을 갖으며, 2차 출력전압이 0∼3.3V가 출력되는 사양으로
센서를 제작하였다. 그림 2와 같이 센서 사이즈를 최대한 작게 제작하여 기존 30AF의 차단기 내부에 실장이 가능하도록 제작하였다.
그림. 2. 플럭스게이트 방식의 직류 누전검출센서 (a)센서 내부구조, (b)직류누전검출센서
Fig. 2. DC earth leakage detection sensor using the fluxgate method (a)Sensor internal
structure, (b)DC leakage detection sensor
2.2 플럭스게이트 방식의 직류 누전검출센서 검증
직류 누전을 검출할 수 있는 센서를 제작하여 분해능, 선형성, 제작 센서간의 편차 등을 확인하기 위하여 그림 3과 같이 실험 구성을 통해 시험하였다. 직류 누설전류를 인가할 수 있는 설비를 이용하여 직류 누전검출센서(DCZCT)에 직류 누설전류를 발생시켜 센서에서
출력되는 2차 전압을 측정하였다. 그리고 P상 고장, N상 고장전류를 측정하기 위하여 극을 바꾸어 출력되는 센서 2차 전압을 측정하였다.
그림. 3. 직류 누전검출센서의 성능 검증 구성
Fig. 3. Test configuration to verify the performance of a direct current leakage detection
sensor
그림. 4. 직류 누전검출센서의 인가전류 변화에 따른 출력 전압
Fig. 4. Output voltage according to change in applied current of DC leakage detection
sensor
5개의 제작품에 대해서 측정하여 ± 0.5 % f.s 측정 정확도를 갖고 있음을 확인하였으며 센서 최소 검출 전류 범위는 0.5mA 이상이고 분해능은
0.1mA이다. 그리고 제작된 시료간 전류 차이는 최대 1.0mA 임을 확인하였다.
P상 고장 검출을 위한 정극성 시험, N상 고장 검출을 위한 부극성 시험을 진행하기 위해 극성을 바꿔가며 시험을 실시하였다. 그 결과 그림 4와 같이 센서 선형성과 분해능의 변화가 없음을 확인하였으며 극성 변화시 최대 1.0mA 임을 확인하였다.
3. 직류 누전차단기 개발
3.1 개요
직류 기반의 시스템에서 인체감전, 장비손상으로부터 보호하기 위해 누설전류를 감지하여 차단하는 전기 보호장치로 교류 전력시스템에서 사용하는 교류 누전차단기와
동일한 성능과 동작 특성을 갖는 직류 누전차단기가 필요하다.
기존의 영상변류기(ZCT)를 사용할 경우 자속변화가 발생하지 않기 때문에 직류 누설전류를 감지하지 못하며, 차단기 동작시 직류 전압이 연속적으로 공급되기
때문에 교류와 달리 접점을 분리하기 어려운 점 등을 고려하여 직류 누전차단기 연구를 진행하였다.
직류 IT 접지 시스템의 2선식 중간점 접지에 적합한 직류 누전감지를 위해 감도전류 15mA, 차단시간 100ms의 누전 트립 성능을 갖는 직류 누전차단기를
제작하였다.
3.2 직류 누전차단기 설계
그림 5와 같이 직류 누전차단기 내부에 외부에서 공급되는 380V 직류전압을 DC12V, 5V, 3.3V로 변환하여 누전센서, 누전검출회로로 전원을 공급한다.
일정 임계점을 초과하는 누설전류를 감지한 후 트립코일을 구동시켜 회로를 분리하여 피해를 방지한다. 또한 외부에서 제어할 수 있는 션트 트립 장치와
동작 상태를 확인할 수 있는 보조 장치(AUX)를 장착할 수 있도록 설계, 제작하였다.
그림. 5. 직류 누전차단기의 내부 회로 구조
Fig. 5. Internal circuit structure of DC earth leakage breaker
3.3 직류 누전차단기 성능 검증
직류 누전차단기를 성능 검증을 위한 별도의 규격은 존재하지 않고 있어 교류 누전차단기 규격 IEC 60947-2 부속서 B, IEC 61009와 직류
누전검출기 IEC TS 63053 기술사양서의 내용을 참고하였다. 추가로 직류 누전차단기의 오동작 조건에 따른 내성 시험을 실시하였다.
3.3.1 누전 성능시험
누전차단기에서 기본적인 누전성능을 검증하기 위한 사양으로는 감도전류와 차단시간이 있다. 누전차단기에서 누전을 감지하고 차단시키는 전류를 정격감도전류(IΔn)라
말하며 누전차단기가 전혀 작동하지 않을 때의 누전 전류값을 정격부동작전류(IΔno)라 말하며 보통 정격감도전류(IΔn)의 50%로 정한다.
표 2. 직류 누전차단기의 최대 차단시간 표준값
Table 2. Standard value of maximum blocking time in DC earth leakage circuit breaker
|
형
|
In
|
I∆n
|
직류누설전류가 다음과 같을 때 차단시간의 표준값
|
|
I∆n
|
2 I∆n
|
3 I∆n
|
1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 A
|
|
일반형
|
임의값
|
임의값
|
0.3a
|
0.15a
|
0.04a
|
0.4b
|
비고 차단시간 0.4 s는 U0 ≤ 230 V에 대한 최대 차단시간을 말한다.
a 1 A 이상의 누설전류의 경우 아크 소호로 인한 최대 차단시간은 0.4 s를 초과하지 않아야 한다.
b 아크 소호로 인해 전체 차단시간은 0.4 s를 초과하지않아야 한다.
누전차단기에 흐르는 전류값을 누전전류(IΔ)라 하며 차단시간은 정격감도전류에 도달한 순간으로부터 모든 극에서 아크가 소멸되는 순간까지 경과된 시간을
말하며 표준값은 표 2에 나타내었다.
직류 누전차단기가 폐로 위치에 있는 상태에서, 누설전류를 0.2 IΔn 이하의 값에서 시작하여 약 30초 내에 IΔn에 이르도록 서서히 증가시키면서
트립전류를 매회 측정하였다. 판정기준은 누전감도전류 측정값은 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있어야 한다. 그리고 차단기의
차단시간을 측정하기 위해 누설전류가 흐를 수 있도록 시험회로를 조정하고 직류 누전차단기가 폐로된 상태에서 누설전류를 갑자기 발생시켜 시험하였다. 차단시간은
표 2를 초과하지 않아야 한다.
그림. 6. 직류 누전차단기의 누전 성능 시험
Fig. 6. Leakage performance test of DC earth leakage breaker
표 3. 직류 누전차단기의 감도전류 값, 차단시간
Table 3. Sensitivity current value and break time of DC earth leakage breaker
|
구분
인가전압
비율
시료명
|
감도전류 [mA]
|
차단시간 [ms]
|
|
80%
|
100%
|
110%
|
80%
|
100%
|
110%
|
|
#1
|
12.7
|
12.6
|
12.7
|
63
|
61
|
63
|
|
#2
|
12.7
|
12.7
|
12.7
|
63
|
62
|
61
|
|
#3
|
11.5
|
11.5
|
11.5
|
61
|
62
|
62
|
|
#4
|
12.1
|
12.1
|
12.1
|
66
|
71
|
67
|
|
#5
|
12.2
|
12.2
|
12.2
|
63
|
62
|
64
|
|
#6
|
13.8
|
13.8
|
13.8
|
63
|
64
|
65
|
시험 구성은 그림 6과 같이 전원측에 직류전압 380V를 인가하였으며 직류 누전차단기 1극에 직류 누설전류를 발생시켜 직류 누전차단기의 성능을 시험하였다.
제작된 시험품을 6대를 제작하였고 #1∼6으로 시료명을 부여하였으며 해당 시험별 시료를 나누어 시험을 실시하였다. 제작된 모든 시험품에 대해 기본적인
직류 누전감도, 차단시간 시험을 실시하였다. 결과는 표 3과 같이 인가전압 비율에 상관없이 측정값이 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있으며 차단시간 측정값이 표 2의 표준값을 초과하기 않았기 때문에 직류 누전성능에 이상 없음을 확인하였다.
3.3.2 과누전시험
직류 누전차단기가 폐로된 상태에서 표 2에서 제시한 누설전류를 갑자기 발생시켜 동장여부를 확인하는 시험을 진행하였다. 차단시간은 표 2를 초과하지 않아야 한다. IΔn, 2xIΔn, 3xIΔn, 1A의 전류를 인가하였을 때 표 4와 같이 측정되었으며 측정값이 IΔno 와 IΔn 사이에 있기 때문에 성능에 이상 없음을 확인하였다.
표 4. 직류 누전차단기의 전자부품 신뢰성 검증 후 누전성능시험
Table 4. Earth leakage performance test after completing reliability verification
test of electronic components of DC earth leakage circuit breaker
|
인가전류
|
차단시간[ms]
|
|
#1
|
#2
|
#3
|
|
IΔn
|
15mA
|
47
|
51
|
50
|
|
2 x IΔn
|
30mA
|
44
|
51
|
50
|
|
3 x IΔn
|
45mA
|
40
|
38
|
37
|
|
1A
|
1A
|
45
|
55
|
44
|
3.3.3 환경 조건 영향의 검증
직류 누전차단기의 차단기 및 회로의 성능을 평가하기 위해 IEC 60068-2-30에 따라 시험온도 25∼55℃±2℃, 시험 습도 95%, 시험 기간
28사이클 시험을 실시하였으며 시험 기간 종료 후 누전전류 측정값이 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있으며 차단시간 측정값이
표 2의 표준값을 초과하기 않았기 때문에 직류 누전성능에 이상 없음을 확인하였다. 시험 결과는 표 5와 같다.
그림. 7. 직류 누전차단기의 환경 조건 영향의 검증
Fig. 7. Verification of the impact of environmental conditions on DC earth leakage
circuit breakers
표 5. 환경 조건 영향의 검증 후 직류 누전차단기의 감도전류 값, 차단시간
Table 5. Sensitivity current value and break time of DC earth leakage circuit breaker
after test the effect of environmental conditions
|
구분
인가전압
비율
시료명
|
감도전류 [mA]
|
차단시간 [ms]
|
|
80%
|
100%
|
110%
|
80%
|
100%
|
110%
|
|
#1
|
13.0
|
12.9
|
13.0
|
61
|
61
|
62
|
|
#2
|
11.6
|
11.6
|
11.6
|
57
|
61
|
61
|
3.3.4 내전압시험
제작한 직류 누전차단기의 절연전압 Ui는 600V이기 때문에 표 6의 기준을 적용하여 그림 8과 같이 교류 2,000V와 직류 2,830V로, 1분 간 내전압시험을 진행하였으며 섬락과 같은 이상이 발생하지 않아 절연에 이상 없음을 확인하였다.
표 6. IEC 60947-2에서 직류 내전압시험 기준
Table 6. Direct current withstand voltage test standard in IEC 60947-2
|
정격절연전압
Ui
V
|
교류 시험전압
(r.m.s.)
V
|
직류 시험전압
V
|
|
Ui≤60
|
1 000
|
1 415
|
|
60＜Ui≤300
|
1 500
|
2 120
|
|
300＜Ui≤690
|
1 890
|
2 670
|
|
690＜Ui≤800
|
2 000
|
2 830
|
|
800＜Ui≤1 000
|
2 200
|
3 110
|
|
1 000＜Ui≤1 500
|
-
|
3 820
|
그림. 8. 직류 누전차단기의 내전압시험(직류 2,830V 내전압시험)
Fig. 8. Withstand voltage test of DC earth leakage circuit breaker (DC 2,830V withstand
voltage test)
3.3.5 EMC 시험
기존 교류 누전차단기에서 IEC 60947-2 부속서 J, 전자기 적합성(EMC)-차단기에 대한 요구사항 및 시험방법을 기준으로 시험을 실시하고 있다.
규격 내 직류 부분을 참고하여 직류 누전차단기에 대한 성능 시험을 실시하였다.
표 7. IEC 60947-2 부속서B 기반의 EMC 시험
Table 7. EMC test in IEC 60947-2 Annex B, J
|
시험항목
|
기본규격
|
시험레벨
|
성능기준
|
시험
결과
|
|
전도성
방해시험
(주전원포트)
|
CISPR 11: 2015+A1
:2016+A2 :2019(Class A)
|
-
|
적합
|
|
방사성
방해시험
(1GHz 이하)
|
CISPR 11: 2015+A1
:2016+A2 :2019(Class A)
|
-
|
적합
|
|
정전기 방전
내성시험
|
IEC
61000-4-2
:2008
|
8kV 접촉
8kV 대기
|
B
|
간접방전 : B
직접방전 : A
|
|
방사성 RF
전자기장
내성시험
|
IEC
61000-4-3
:2006+A1
:2007+A2:2010
|
10V/m
|
A
|
A
|
|
전기적 빠른 과도현상/버스트 내성시험
|
IEC
61000-4-4
:2012
|
전원포트
Ue≥100V, 교류 또는 직류：4kV
|
B
|
A
|
|
서지 내성시험
|
IEC
61000-4-5
:2014+A1 :2017
|
전원 포트, 직류：
0.5 kV 선-대지간
0.5 kV 선간
|
B
|
A
|
|
전도성 RF
전자기장
내성시험
|
IEC
61000-4-6 :2013
|
전원 포트：10V
신호 포트：10V
|
A
|
A
|
그림. 9. 직류누전차단기의 EMC 시험 (a)전도성 방해시험, (b)방사성 방해시험, (c)정전기 방전 내성시험, (d)방사성 RF 전자기장 내성시험,
(e)전기적 빠른 과도현상/버스트 내성시험/서지 내성시험, (f)전도성 RF 전자기장 내성시험
Fig. 9. EMC test of DC earth leakage circuit breaker (a)Conducted disturbance characteristics,
(b)Radio-frequency disturbance characteristics, (c)Electrostatic discharge immunity
test, (d)Radiated, radio-frequency, electromagnetic field Immunity test, (e)Electrical
fast transient/burst immunity test, Surge immunity test, (f)Immunity to conducted
disturbances, induced by radio-frequency field
표 7에서 시험 사양 및 각 시험별 성능기준과 그에 따른 시험 결과를 표시하였다. 성능기준 A는 시험 인가 전, 인가 중, 인가 후 차단기의 동작 성능에
이상이 없어야 하며 성능기준 B는 시험 인가 중 이상이 발생하더라도 시험 후 정상 상태로 동작하여야 한다. 이러한 기준으로 시험을 진행하였을 때 제시한
기준에 맞게 EMC 성능을 갖는 것을 확인하였다. 그림9는 직류 누전차단기의 EMC 시험 진행 사진이다.
3.3.6 무전기 전파 부동작 시험
본 시험은 규격과 무관하며 설치된 전파 환경 영향에 의해 누전차단기가 오동작하는 지 여부를 시험하는 방법이다. 교류 누전차단기의 경우 무전기 출력시
전파 유도된 전류에 의해 오동작이 발생하는 사례가 있어 오동작 여부를 확인하기 위한 시험을 실시하였다. 시험사양은 표 8과 같으며 직류 누전차단기에 0.5 x IΔn을 인가한 상태에서 X, Y, Z축 방향으로 144MHz,
표 8. 무전기 전파 출력시 부동작 시험 기준
Table 8. Non-operation test standards when applying radio waves
|
구분
시료명
|
오동작유무
|
|
144MHz/5W
|
433MHz/5W
|
433MHz/10W
|
|
#1
|
적합
|
적합
|
적합
|
그림. 10. 무전기 전파 출력시 부동작 시험 (a)144/433MHz/5W 전파 출력, (b)433MHz/10W 전파 출력
Fig. 10. Non-operation test when applying radio waves (a)144/433MHz/5W 전파 출력, (b)433MHz/10W
전파 출력
433MHz 무전기 전파 출력시 직류누전차단기가 트립하지 않아야 한다.
그림 10과 같이 직류 누전차단기에 무전기 전파 출력시 트립과 같은 오동작이 발생하지 않음을 확인하였다.
3.3.7 온도, 전압변화에 따른 누전 동작 시험
본 시험은 규격과 무관하며 내부 전자소자가 온도변화에 의해 감도전류, 차단시간의 변화하는 지 여부를 시험하는 방법이다. 온도와 인가전압을 변화시킨
후 누전차단기의 감도전류와 차단시간 시험을 실시하였다.
온도 -20℃, 20℃, 80℃, 습도 50% 조건에서 1시간 방치 후 시험을 실시하였다.
표 9. 온도, 전압변화에 따른 누전 동작 시험
Table 9. Earth leakage operation test according to temperature and voltage changes
|
구분
인가전압 비율
시료명 온도
|
감도전류 [mA]
|
|
80%
|
100%
|
110%
|
|
#1
|
-20℃
|
12.2
|
12.2
|
12.2
|
|
20℃
|
12.3
|
12.4
|
12.4
|
|
80℃
|
11.5
|
11.5
|
11.5
|
|
#2
|
-20℃
|
13.8
|
13.8
|
13.8
|
|
20℃
|
13.6
|
13.6
|
13.6
|
|
80℃
|
13.4
|
13.5
|
13.5
|
|
구분
인가전압
비율
시료명 온도
|
차단시간 [ms]
|
테스트
버튼
동작
시험
|
|
80%
|
100%
|
110%
|
|
#1
|
-20℃
|
63
|
62
|
64
|
적합
|
|
20℃
|
63
|
64
|
64
|
적합
|
|
80℃
|
61
|
62
|
63
|
적합
|
|
#2
|
-20℃
|
63
|
64
|
65
|
적합
|
|
20℃
|
62
|
62
|
62
|
적합
|
|
80℃
|
67
|
64
|
64
|
적합
|
온도와 전압변화에 따라 제작된 시험품의 누전감도전류 측정값은 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있어야 하고 차단기 차단시간은
표 2를 초과하지 않아야 한다. 누전감도전류 측정값은 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있으며 차단시간 측정값이 표2의 표준값을 초과하지 않았기 때문에 직류 누전성능에 이상 없음을 확인하였다. 시험 결과는 표 9와 같다.
3.3.8 내습시험
본 시험은 규격과 무관하며 교류 누전차단기의 경우 내부에 사용한 소자가 습기에 의해 오동작이 발생되는 경우가 있어 이에 대한 내성을 확인하기 위해
그림 11과 같이 45℃, 95% 2시간 챔버 시험 후 누전전류 측정값이 정격감도전류(IΔn) 와 정격부동작전류(IΔno) 사이에 있으며 차단시간 측정값이
표 2의 표준값을 초과하지 않았기 때문에 직류 누전성능에 이상 없음을 확인하였다. 시험 결과는 표 10과 같다.
표 10. 내습 시험 후 직류 누전차단기의 감도전류 값, 차단시간
Table 10. Sensitivity current value and break time of DC earth leakage circuit breaker
after moisture resistance test
|
구분
인가전압
비율
시료명
|
감도전류 [mA]
|
차단시간 [ms]
|
|
80%
|
100%
|
110%
|
80%
|
100%
|
110%
|
|
#1
|
12.9
|
12.9
|
13.0
|
64
|
65
|
66
|
|
#2
|
13.0
|
13.2
|
13.0
|
65
|
66
|
63
|
그림. 11. 직류 누전차단기의 내습시험 (a)설정화면, (b)챔버 내부 시험품
Fig. 11. Moisture resistance test of DC earth leakage breaker (a)Setting Screen, (b)Test
product inside the chamber
4. 개발품 모의 시험
그림. 12. 직류 누전차단기의 시험 구성도
Fig. 12. Configuration of field test of DC earth leakage breaker
직류 누전검출을 원활하게 하기 위하여 중성점 고저항 접지 방식을 적용시켜 직류배전 환경에서의 누전검출을 실시하였다. 인체저항, 감전특성, 중성점 고저항
등을 고려하여 정격감도전류를 15mA로 결정하였다.
그림. 13. 직류 누전차단기의 현장 시험 구성
Fig. 13. Field test configuration of DC earth leakage circuit breaker
그림 12와 같이 시험 구성하였으며 그림 13은 실제 시험을 진행한 시험 사진이다. 시험조건은 DC380V 전원인가 중성점 접지저항(Zim1, Zim2) 10kΩ로 구성한 상태에서 고장저항 100
kΩ, 50 kΩ, 20 kΩ, 10 kΩ, 5 kΩ 등/ P상, N상 고장 모의시험을 진행하였다.
표 11. 직류 누전차단기의 고장 동작시험
Table 11. Failure operation test of DC earth leakage circuit breaker in the field
|
차단기
동작 여부
|
고장 저항
|
|
5 kΩ
|
10 kΩ
|
20 kΩ
|
50 kΩ
|
100 kΩ
|
|
동작
|
실측값
[mA]
|
동작
|
실측값
[mA]
|
동작
|
실측값
[mA]
|
동작
|
실측값
[mA]
|
동작
|
실측값
[mA]
|
|
1분기
P상 고장
|
O
|
20.0
|
X
|
11.12
|
X
|
7.35
|
X
|
3.4
|
X
|
1.75
|
|
1분기
N상 고장
|
O
|
20.1
|
X
|
11.1
|
X
|
7.3
|
X
|
3.4
|
X
|
1.8
|
|
2분기
P상 고장
|
O
|
20.0
|
X
|
11.1
|
X
|
7.4
|
X
|
3.4
|
X
|
1.8
|
|
2분기
N상 고장
|
O
|
20.2
|
X
|
11.2
|
X
|
7.5
|
X
|
3.4
|
X
|
1.8
|
그림. 14. 직류 누전차단기의 P상, N상 고장 파형 (a)P상 고장, (N)상 고장
Fig. 14. P-phase, N-phase fault waveform of DC earth leakage breaker (a)P-phase fault,
(b)N-phase fault
직류 누전차단기 정격감도전류가 15mA에서 직류 누전차단기는 실제 11.25∼13.5mA 사이에서 동작하기 때문에 5kΩ의 고장 모의시험시 직류 누전차단기가
정상 누전 검출하여 차단하였다. 10kΩ 이상의 고장시험에서는 정격감도전류 이하의 전류가 흐르기 때문에 누전차단기는 차단동작은 하지 않았다. 고장
위치와 고장 저항별 결과는 표 11과 같다. 그림 14는 직류 누전차단기의 P상, N상에서의 고장 파형을 오실로스코프로 나타낸 것이다.
5. 결 론
본 논문은 저압직류 기반의 시스템에서 인체감전, 장비 손상으로부터 누설전류를 감지하여 전로를 차단하는 직류 누전검출센서, 이를 활용한 직류 누전차단기를
제작하였으며 이를 검증하기 위한 IEC 규격, 규격 외 시험평가를 진행하여 직류 누전차단기의 정상 동작 여부를 평가하였다. 직류배전 환경과 동일하게
직류 부하장치, 고저항 중간점 접지를 설치하여 직류 누전차단기의 동작 상태를 확인하였다.
현재 직류 누전차단기와 관련해서는 IEC 규격이 제정되어 있지 않은 상태이지만 직류 누전검출장치에 대한 기술사양서인 IEC TS 63053과 교류
누전차단기 규격인 IEC 60947-2, 주택용 누전차단기 규격인 IEC 61009를 참고하여 제작한 직류 누전차단기의 성능을 확인하였다.
직류 누전차단기에 관한 규격이 제정되어 있지 않은 상태이기 때문에 현재는 직류 누전차단기가 상용화되지 않고 있다. 하지만 국내의 경우 직류 누전과
안전을 위한 단체표준의 제정 및 직류 배전과 관련한 제도 마련이 진행되고 있으며 국가 R&D 실증사업을 통해 안전성을 확보하기 위한 사업이 진행되고
있다. 또한 태양광, 풍력 등의 신재생에너지원의 채택이 증가하고 에너지 효율을 높이기 위한 직류 배전화에 대한 관심이 높아짐에 따라 부하 및 인체
보호를 위한 직류 누전차단기에 대한 수요도 증가하게 될 것이며 이러한 연구를 통해 직류 누전차단기 분야에 대한 연구개발 활성화가 이루어지기를 기대한다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and
Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE) of the Republic
of Korea(No. 2019381010001A).
References
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human and equipment of TN grounding systems DC power distribution, Kong-ju University
Master’s dissertation
A. A. S. Emhemed, K. Fong, S. Fletcher, G. M. Burt, June 2017, Validation of Fast
and Selective Protection Scheme for an LVDC Distribution Network, IEEE Transactions
on Power Delivery, Vol. 32, No. 3, pp. 1432-1440
H. S. Kim, J. Y. Kim, Y. H. Cho, S. H. Lim, N. K. Joo, DC Distribution Technology,
pp. 317-370
IEC, 2017, IEC TS 63053
KS, 2018, KS C IEC 60479-1
Y. S. Oh, J. Han, G. H. Gwon, D. U. Kim, C. H. Noh, T. H. Jung, C. H. Kim, 2014, Analysis
of Human Safety and System Effect according to Grounding Scheme in LVDC Distribution
System, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63,
No. 5, pp. 608-614
S. T. Lim, K. Y. Lee, D. W. Kim, D. J. Chae, D. S. Lim, J. H. Moon, 2021, Selection
of the Earthing Impedance at the Source and Electrical Human, Effect in IT Ground
LVDC System for the End User’s, The Transactions of the Korean Institute of Electrical
Engineers, Vol. 70, No. 2, pp. 432-438
KS, 2009, KS C IEC 60947-2
저자소개
He received the B.S. and M.S degrees in information and communication engineering
from Hoseo University, Asan, Korea, in 2000 and 2003.
He is currently a Director of Research Institute in Daeryuk Co, Ltd., since 2008.
E-mail : jungsoo@e-daco.net
He received the B.S. degree in computer engineering from Hanyang Cyber University.
He is M.S. degree in computer engineering from Hanyang University in 2012.
He is currently a manager Daeryuk Co, Ltd., since 2018.
E-mail : yrchoi@e-daco.net