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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 72, No. 12, p.1722-1729

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 25 October 2023Revised : 24 November 2023Accepted : 27 November 2023

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2023.72.12.1722

Development of Wireless Earth Leakage Overheating Alarm for Electrical Equipment using Magnetic Energy Harvesting (MEH)

자기에너지 하베스팅을 이용한 전기설비의 무선 누전과열 경보기 개발

배준한 (Joon Han Bae) ^†iD 문성춘 (Sung Chun Moon) ¹iD 안한열 (Han Yeul Ahn) ¹iD

(Nasan Electric Industries Co., Ltd., 12, Junam-ro 503 beon-gil, Gasul-ri, Daesan-myeon, Uichang-gu, Changwon-si, Gyeongsangnam-do, Republic of Korea )

^†Corresponding Author : Korea Electrotechnology Research Institute, 12, Jeongiui-gil, Seongsan-gu, Changwon-si, Gyeongsangnam-do, 51543 Republic of Korea

E-mail : baejh@keri.re.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

The MEH wireless earth leakage overheating alarm was developed to prevent electric shock and fire accidents in a switchgear. First, the MEH induction coil was designed based on the theoretical background and the output characteristics of the MEH induction coil were numerically analyzed. Also a prototype MEH wireless earth leakage overheating alarm was fabricated and the minimum operating current temperature accuracy and leakage current performance in non-operation or operating mode were confirmed through test. The MEH wireless earth leakage overheating alarm developed through this study can be utilized for IoT-based electrical safety diagnosis to prevent electric shock and fire in power facilities.

Key words

MEH wireless energy harvesting alarm, Eletric shock, Fire accident, Electrical safety diagnosis

1. 서 론

소방청 자료에 따르면 최근 5년간(2016~2020년) 국내에서 발생한 화재중 전기로 인한 화재가 47,492건(23 %)를 차지하고 246명의 사망자(부상 1,654명)과 6,680억원의 재산손실이 발생하였다. 전기화재의 주요 원인으로는 절연열화(24.3 %), 트래킹에 의한 단락(11.1 %), 접촉 불량에 의한 단락(10.8 %) 순으로 나타났다. 현재 국내에서는 전기재해 예방을 위해 전기사업법 제 66조에 따라 일반용 전기설비에 대하여 1~3년 주기로 점검자가 직접 방문하여 전기설비의 점검을 실시하고 있으며 정기점검 7대 항목인 절연저항, 인입구 배선, 누전차단기, 개폐기․차단기, 옥내 및 옥외배선, 접지상태, 그 밖의 항목 등을 점검하고 있다. 그러나 전기설비는 점검당시 상태가 유지되지 않아 사고의 전조를 예측하기가 어렵다.

따라서 전력설비의 내부상태를 실시간으로 진단하고 이상징후가 발생하면 신속하게 관리자에게 경고 알람을 제공하는 무선통신 IoT 진단 기술 개발이 활발히 진행되고 있다⁽¹⁾-⁽⁴⁾. 그러나 현재의 IoT 진단기술은 센서 및 무선 통신의 구동을 위해서 주변의 전원이나 배터리를 사용해야 하므로 전력 계통의 교란 우려 및 주기적인 배터리 교체 문제로 인해 기피하고 있는 실정이다⁽⁵⁾. 이러한 문제를 해결하고자 독일, 미국 등 선진 기술국에서는 주변의 버려지는 에너지를 수집하여 자가발전을 통해 센서와 통신에 필요한 전력을 공급하는 에너지 하베스팅 무선 온도센서의 상품화에 성공하여 수배전반 등의 전력설비에 적용하고 있고 최소 5 A 이상의 전류가 흐르는 경우에만 동작하기 때문에 동작 시작 전류를 낮추고자 하는 개발이 활발히 진행되고 있다⁽⁶⁾.

본 논문에서는 1 A 이하의 전류에서도 자가발전을 통해 도체의 누설전류 및 온도를 측정하고, 블루투스 통신을 이용하여 전력설비의 내부상태를 실시간으로 모니터링하고, 센서가 설정값을 초과시 경고 알림을 제공할 수 있는 자기에너지 하베스팅을 이용한 무선 누전과열 경보기를 개발하였다.

2. 본 론

2.1 MEH 유도 코일

배전반 내부에서 측정된 누설전류 및 온도를 무선으로 실시간 송신하기 위해서는 6.6 mW 이상의 상시 전력이 필요하다. 이러한 전력은 배터리를 활용하면 쉽게 동작할 수 있으나 짧은 수명으로 인해 1.5년마다 교체하여야 하고 활선 상태에서는 감전사고 위험으로 인해 교체가 불가능하다는 문제가 있다. 따라서 무선 누전과열 진단 센서를 배전반에 적용하기 위해서는 필요한 전력을 스스로 공급하는 자가 발전 시스템이 필요하다. 이러한 자가 발전 방법으로 주변의 열, 진동, 자장 등의 에너지를 수집하고 전력 변환을 거쳐서 부하에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 본 연구에서는 배전반 운전시 암페어의 법칙에 따라 전선 주위에 유기된 자기에너지를 유도 코일로 수집하고 이를 AC-DC 전력변환 및 DC-DC 선형컨버터를 거쳐서 영상전류(ZCT) 센서, 온도 센서 및 통신 모듈에 적합한 전력으로 사용하였다.

2.1.1 MEH 유도 코일의 이론적 배경

MEH 유도 코일은 직경 1 mm의 에나멜 절연된 구리선을 저손실 고투자율의 원통형 코아의 외주에 수~수백 턴으로 권선한 토로이달 형상을 갖으며 그림 1과 같이 3상 중 한 상의 케이블이나 부스바에 토로이달 형상의 유도코일을 비접촉으로 삽입하고 전력케이블이나 부스바에 교류 전류를 인가하면 1차측 전류의 변화에 대응하여 유도기전력이 2차측 MEH 유도 코일에 발생하고 유도코일 양단에 부하가 연결되면 부하로 2차측 전류가 흐르게 되어 궁극적으로 전력이 전달된다.

그림. 1. 전력케이블에 결합된 MEH 유도 코일

Fig. 1. MEH induction coil coupled to power cable

MEH 유도 코일의 동작원리는 그림 2의 변압기와 같은 전자기 유도 현상을 이용하며, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면 전력선의 시변 전류는 전선 주위에 교류 자장을 생성하고, 생성된 자장은 권선수가 N인 코일 단자에 AC 전압을 유도한다.

그림. 2. 무부하시 MEH 유도 코일의 회로도

Fig. 2. Circuit diagram of MEH induction coil at no load

여기서 V1은 1차측에 인가된 공급전압, e1은 1차측 코일의 유도기전력, Φ1은 1차측 권선에 쇄교되는 총 자속량(Wb), N1은 1차측 코일의 권선수, ω는 각주파수, e2은 2차측 코일의 유도기전력, N2은 2차측 코일의 권선수, V2은 2차측 부하에 발생된 전압이다. 한편, 1차측 코일에 인가된 공급 전압에 의해 발생된 자속량과 유기기전력은 다음과 같다.

(1)

$V_{1}=V_{1m}\sin(\omega t)=\sqrt{2}V_{1 avg}\sin(\omega t)$

(2)

$\Phi_{1}=\int\dfrac{V_{1m}}{N_{1}}\sin(\omega t)dt =-\dfrac{V_{1m}}{N_{1}\omega}\cos(\omega t)$

(3)

\begin{align*} e_{1}=-N_{1}\dfrac{d\Phi_{1}}{dt}=N_{1}\dfrac{d}{dt}\Phi_{1m}\cos(\omega t)\\ =-N_{1}\Phi_{1m}\omega\sin(\omega t)=-2\pi f N_{1}\Phi_{1m}\sin(\omega t) \end{align*}

여자전류(io)는 철손전류(ic)와 자화전류(im)의 합이고 히스테리스시 손실과 와전류 손실의 합인 철손이 매우 작다면 자화전류는 여자전류와 같고 무부하시 여자전류는 1차측 전류 i1과 같으므로 1차측 코일에 유기되는 기자력(F)은 다음과 같다.

(4)

$F=N_{1}i_{1}=\int H\bullet dl$

기자력 식 (4)를 이용하여 1차측 코일에 발생된 자속량은 다음과 같이 표현된다.

(5)

$\Phi_{1}=\dfrac{N_{1}i_{1}}{R_{m}}=-\dfrac{N_{1}}{R_{m}}i_{1m}\cos(\omega t)$

또한, 자기 저항 Rm과 자화 인덕턴스 Lμ은 다음과 같다.

(6)

$R_{m}=\dfrac{l}{\mu_{0}\mu_{r}A}$

(7)

$L_{\mu}=\dfrac{N\Phi}{I}=\dfrac{N}{I}\dfrac{N I}{R_{m}}=\mu N^{2}\dfrac{A}{l}$

여기서 l은 자로 길이(m), A는 코아의 단면적(m2)이고, μ0은 진공 투자율(H/m), μr은 코아 비투자율, μ는 코아 투자율로서 μ0×μr이다. 코아의 철손과 누설자속을 무시하고 포화 특성을 고려하면 식 (4)로부터 각 주파수 ω와 진폭 I1m 갖는 정현파 교류 전류가 흐르는 전선의 중심으로부터 r0만큼 떨어진 코아 중심의 자속 밀도는 식 (8)과 같이 표현된다.

(8)

\begin{align*} B(t)=B_{SAT}\dfrac{2}{\pi}a\tan(H(t))\\ =k_{1}B_{SAT}\dfrac{2}{\pi}a\tan\left(k_{2}\dfrac{I_{1m}\sin(\omega t)}{2\pi r_{0}}\right) \end{align*}

여기서 Bsat는 코아의 포화자속밀도[T], 2/π는 자기 포화시 arctan 함수를 1로 정규화시키기 위해 사용된 것이고 k1, k2는 제조사에서 제공하는 BH 곡선을 피팅하기 위한 보정계수이다. 불포화 선영 영역의 기울기 즉 투자율 μ는 식 (8)의 미분을 통해 식 (9)과 같이 얻어진다.

(9)

\begin{align*} \mu_{r}(BH)=\dfrac{\partial B}{\partial H}=k_{1}B_{SAT}\dfrac{2}{\pi}\dfrac{1}{1+H^{2}}\\ =k_{1}B_{SAT}\dfrac{2}{\pi}\dfrac{1}{1+k_{2}^{2}\dfrac{(I_{1m}\sin(\omega t))^{2}}{(2\pi r_{0})^{2}}}\\ =k_{1}\dfrac{2 B_{SAT}}{\pi}\dfrac{(2\pi r_{0})^{2}}{(2\pi r_{0})^{2}+k_{2}^{2}(I_{1m}\sin(\omega t))^{2}} \end{align*}

식 (7)을 미분하면 무부하시 MEH 코일에 유기되는 전압 Vcoil은 다음과 같다.

(10)

\begin{align*} V_{coil}(t)=N_{2}A\dfrac{d B(t)}{dt}\\ =\dfrac{N_{2}A B_{SAT}4\pi^{2}r_{0}\omega I_{1m}\cos(\omega t)}{\left(I_{1m}^{2}\sin^{2}(\omega t)+2\pi r_{0}\right)^{2}} \end{align*}

교류 전류가 흐르는 전선과 자기적으로 결합된 MEH 코일에 부하 저항 RL이 연결된 등가 회로는 그림 3과 같다.

그림. 3. 부하가 연결된 MEH 코일의 등가회로

Fig. 3. Equivalent circuit of MEH coil with load connected

식 (9)을 식 (7)에 대입하여 자화 인덕턴스 Lμ이 얻어진다.

(11)

\begin{align*} L_{\mu}=\mu N_{2}^{2}\dfrac{A}{l}\\ =\dfrac{2 N_{2}^{2}A\mu_{0}B_{SAT}}{\pi l}\dfrac{(2\pi r_{0})^{2}}{(2\pi r_{0})^{2}+(I_{1m}\sin(\omega t))^{2}} \end{align*}

회로의 등가 임피던스는 식 (12)과 같고 부하저항에 흐르는 전류는 식 (13)로 주어진다.

(12)

$Z_{T}=\dfrac{(\omega L_{\mu})R_{L}}{\sqrt{(R_{L})^{2}+(\omega L_{\mu})^{2}}}$

(13)

\begin{align*} i_{L}=\dfrac{I_{1m}}{N_{2}}\dfrac{(\omega L_{\mu})R_{L}}{R_{L}\sqrt{(R_{L})^{2}+(\omega L_{\mu})^{2}}}\\ =\dfrac{I_{1m}}{N_{2}}\dfrac{(\omega L_{\mu})}{\sqrt{(R_{L})^{2}+(\omega L_{\mu})^{2}}} \end{align*}

부하 저항로 전달되는 전력은 식 (14)로 주어진다.

(14)

\begin{align*} P_{L}=i_{L}^{2}R_{L}=\left(\dfrac{I_{1m}}{N_{2}}\dfrac{\omega L_{\mu}}{\sqrt{(R_{L})^{2}+(\omega L_{\mu})^{2}}}\right)^{2}R_{L}\\ =\left(\dfrac{I_{1m}}{N_{2}}\right)^{2}\left(\dfrac{R_{L}(\omega L_{\mu})^{2}}{(R_{L})^{2}+(\omega L_{\mu})^{2}}\right) \end{align*}

식 (14)을 통해 ωLμ = RL일 때 부하 저항로 전달되는 전력이 최대가 된다.

(15)

$\dfrac{d P_{L}}{d R_{L}}=\dfrac{I_{1m}^{2}(\omega L_{\mu})^{4}-(I_{1m}\omega L_{\mu}R_{L})^{2}}{N_{2}^{2}(\omega L_{\mu})^{4}+2(N_{2}\omega L_{\mu}R_{L})^{2}+N_{2}^{2}R_{L}^{4}}=0$

그림 4는 μr = 80,000, I1m = 1 A, N = 100, 주파수 60 Hz일 때의 부하 저항에 따른 전력 전달의 변화이다. 부하 저항이 작을 때에는 출력이 증가하지만 최적값를 초과하면 출력이 지수함수적으로 감소함을 알 수 있고 식 (15)로 부터 최대 전력이 전달될 때의 부하 저항은 200 Ω으로 계산된다.

그림. 4. I1m = 1 A, N = 100, f = 60 Hz일 때 부하 저항에 따른 MEH 코일의 출력 변화

Fig. 4. Change in output of MEH coil according to load resistance in case of I1m = 1 A, N = 100, f = 60 Hz

그림. 5. N = 100, RL = 200Ω일 때의 1차측 코일의 전류에 따른 MEH 코일의 출력 변화

Fig. 5. MEH coil output change according to the primary coil curren in case of N = 100, RL= 200 Ω

그림 5은 N = 100, RL = 200 Ω일 때의 1차측 코일의 전류에 따른 출력 변화이다. 1차측 코일의 전류의 증가함에 따라 출력이 지수함수 형태로 증가함을 알 수 있다.

그림 6은 I1m = 1 A, RL = 200 Ω일 때의 MEH 코일의 권선수에 따른 출력 전력의 변화이다. 권선수 작을 때에는 출력 전력이 증가하지만 최적값을 초과하면 지수함수적으로 감소한다. 따라서 1차측 전류가 주어질 때 출력 전력이 최대가 되는 MEH 코일의 권선수의 최적값을 찾을 수 있다.

그림. 6. I1m = 1 A, RL = 200 Ω일 때 MEH 코일의 권선수에 따른 출력 전력 변화

Fig. 6. Output power change according to the number of turns of MEH coil when I1m = 1 A, RL = 200 Ω

그림. 7. I1m = 3 mA, N = 100, RL = 200 Ω일 때 MEH 코일의 출력 전압 변화

Fig. 7. Output voltage change of MEH coil when I1m = 3 mA, N = 100, RL = 200 Ω

그림. 8. I1m = 20 mA, N =100, RL = 200 Ω일 때 MEH 코일의 출력 전압 변화

Fig. 8. Change in output voltage of MEH coil when I1m = 20 mA, N = 100, RL = 200 Ω.

그림. 9. I1m = 100 mA, N = 100, RL = 200 Ω일 때 MEH 코일의 출력 전압 변화

Fig. 9. Change in output voltage of MEH coil when I1m = 100 mA, N = 100, RL = 200 Ω.

그림. 10. I1m = 1.0 A, N = 100, RL = 200 Ω일 때 MEH 코일의 출력 전압 변화

Fig. 10. Change in output voltage of MEH coil when I1m = 1.0 A, N = 100, RL = 200 Ω.

그림 7, 그림 8, 그림 9및 그림 10은 N = 100, RL = 200 Ω일 때의 1차측 코일의 전류에 따른 MEH 코일 출력 전력의 시간적 변화이다. 1차측 전류가 3 mA 이하에서는 코아가 포화되지 않는 영역에 있어서 MEH 코일의 출력 전압이 정현파를 유지하지만 전류가 증가할수록 출력 전압의 피크값은 증가하지만 코아의 자기 포화로 인해 출력 전압의 파형이 왜곡되고 출력 전압이 발생하는 기간이 짧아짐을 볼 수 있다. MEH 유도 코일을 이용하여 자가 발전을 통해 반도체 소자를 동작시키기 위한 최소한 전압은 1.8 V 이상이므로 출력 전압이 0 V가 되는 동안에서는 송신기가 작동하지 못할 수 있다. 따라서 자기 포화 특성을 고려하여 MEH 코일로부터 MCU(microcontroller unit)에 들어오는 전압이 항상 1.8 V을 유지 할 수 있도록 전력변환 회로에는 적절한 전압 레귤레이터 및 LDO 회로가 반영되어야 한다.

2.1.2 MEH 유도 코일 형상 설계 및 수치 해석

콤솔 멀티피직스의 전자장 모듈을 이용하여 에너지 하베스팅 무선과열 경보기용 MEH 유도 코일의 형상을 설계하였고, 3차원 과도해석을 통해 출력 특성을 확인하였다. MEH 코일은 내경은 40 mm, 단면적은 100 mm2인 원통형 나노 크리스탈 코아에 1턴을 감은 토로이달 형상이다. 부하저항 RL = 1 kΩ, 60 Hz일 때 1차측 코일의 전류 변화에 따른 코아 내부의 자속 밀도 변화에 따른 MEH 코일에 유도된 턴당 전압, 턴당 전류, 턴당 전력 및 코아 내의 자속 분포를 해석하였다.

그림 11은 1차측 코일의 전류가 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때의 MEH 코일 코아 내부의 자속 밀도 변화이다. 1차측 코일의 전류 0.5 A 일때에는 자속 밀도가 포화 자속 밀도 1.24 T이하 이어서 코아가 포화되지 않은 상태이므로 그림 12, 그림 13에서 MEH 코일의 턴당 전압과 턴당 전류가 정현파를 유지하지만 1차측 코일의 전류가 1.0 A, 3.0 A로 증가함에 따라 MEH 코일의 턴당 전압 및 턴당 전류의 크기는 1차측 전류 증가에 비례하여 증가는 반면 코아 내부의 자속 밀도가 포화 자속 밀도를 초과함에 따라 코아의 자기 포화로 인해 MEH 코일의 턴당 전압 파형 및 턴당 전류 파형의 왜곡이 심해지고 1차측 전류와의 턴당 전압의 위상차가 증가하며 턴당 전압과 턴당 전류 위상은 180도 차이임을 알 수 있다.

그림. 11. I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때 MEH 코일 코아 내부의 자속 밀도 변화

Fig. 11. Change in magnetic flux density inside the MEH coil core when I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A.

그림. 12. I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때 MEH 코일의 유도전압

Fig. 12. Induced voltage of MEH coil when I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A.

그림. 13. I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때 MEH 코일의 유도전류

Fig. 13. Induced current of MEH coil when I1m = 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A.

그림. 14. I1m= 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때 MEH 코일에 발생된 평균 전력

Fig. 14. Average power generated by MEH coil when I1m= 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A.

그러나 그림 14의 MEH 코일에 발생된 턴당 평균 전력을 보면 1차측 코일의 전류가 증가함에 따라 발생된 턴당 전력의 피크값이 크게 증가함을 볼 수 있어서 자기 포화로 인한 턴당 전압 및 턴당 전류의 파형 왜곡에도 불구하고 반도체 소자 부하의 동작 시작 전류를 낮출 수 있음을 확인하였다.

그림. 15. 1차측 코일의 전류가 0.5 A일 때의 MEH 코일의 자속 밀도 분포 및 전류 벡터

Fig. 15. Magnetic flux density and current vector of the MEH coil when the primary coil current is 0.5 A.

그림. 16. 1차측 코일의 전류가 1.0 A일 때의 MEH 코일의 자속 밀도 분포 및 전류 벡터

Fig. 16. Magnetic flux density and current vector of the MEH coil when the primary coil current is 1.0 A.

그림. 17. 1차측 코일의 전류가 3.0 A일 때의 MEH 코일의 자속 밀도 분포 및 전류 벡터

Fig. 17. Magnetic flux density distribution and current vector of the MEH coil when the current of the primary coil is 3.0 A.

그림 15, 그림 16및 그림 17은 1차측 코일의 전류가 0.5 A, 1.0 A, 3.0 A일 때의 MEH 코일의 자속 밀도 분포 및 전류 벡터이다. 1차측 코일의 전류와 180도 위상차로 MEH 코일에 전류가 유도되고 1차측 코일의 전류가 증가함에 따라 MEH 코일의 코아내의 자속 밀도가 증가함을 볼 수 있다.

2.2 에너지하베스팅 무선누전과열경보기 제작 및 시험

그림 18은 에너지 하베스팅 무선 누전과열 경보기의 구성도이다. 먼저 MEH 코일을 이용하여 자기에너지를 수집하고, AC-DC 및 DC-DC 전력 변환을 통해 온도센서, MCU 및 RF 통신 모듈에 안정적이고 필요한 전력을 공급하기 위해 MEH 전력 변환 회로에 MEH 코일의 전압과 전류가 입력되고 2단계의 전력 변환 회로를 거쳐서 AC 전압을 안정적인 DC 전압으로 변환된다. 첫번째 단계는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하고 두번째 단계는 제어되지 않은 DC 전압을 DC 컨버터 변환을 통해 제어된 DC 전압으로 변환한다.

그림. 18. MEH 무선 누전과열 경보기 구성을 위한 Block diagram

Fig. 18. Block diagram for configuring MEH wireless earth leakage overheating alarm

그림 19은 MEH 코일용 AC-DC 전력변환회로이다. 브릿지 다이오드를 이용하여 MEH 코일의 AC 전압을 전파 정류를 통해 DC 전압으로 변환하고 대용량 캐패시터(C3)에 에너지가 저장된다. 그림 20은 MEH 코일의 전압이 1V일 때 AC-DC 전력변환회로의 출력 전압이다. 또한 MEH 코일로부터 필요 이상의 전압이 입력되는 경우 회로 보호를 위해 과전압 보호용 제너다이오드(ZD)가 포함된다.

그림. 19. MEH 코일용 AC-DC 전력변환회로

Fig. 19. AC-DC power conversion circuit for MEH coil

그림. 20. MEH 코일용 AC-DC 전력변환 회로 및 출력전압

Fig. 20. AC-DC power conversion circuit and output voltage for MEH coil

그림. 21. DC-DC 선형컨버터 회로

Fig. 21. DC-DC linear converter circuit

또한, MCU 가동에 필요한 1차측 전류를 최대한 낮추기 위해서 그림 21과 같이 회로 보호용 ESD 방지 회로가 포함된 DC-DC 선형컨버터를 적용하였다. 그림 22은 MEH 무선 누전과열 경보기용 송신기 모듈로서 좌측에 Micro Processor 관련 부품이 있고 우측에 Low Energy Wireless 회로 부품이 있다.

그림. 22. MEH 무선 누전과열 경보기용 transmitter

Fig. 22. MEH wireless earth leakage overheating alarm transmitter

그림 23은 MEH 송신기와 수신기 일체형 HMI로 구성된 MEH 무선 누전과열 경보기 시제품이고 시제품의 성능시험을 위해 그림 24와 같이 평가 시스템을 구축하였다.

그림. 23. MEH 무선 누전과열 경보기 시제품

Fig. 23. The prototype MEH wireless earth leakage overheating alarm

그림. 24. MEH 무선 누전과열 경보기의 성능 평가 시험 구성

Fig. 24. Performance evaluation test configuration of MEH wireless earth leakage overheating alarm

먼저 시제품의 최소 동작 전류를 측정하였다. 슬라이닥스를 이용하여 MEH 유도 코일의 코아 내부를 통과하는 전선에 흐르는 1차측 전류를 100 mA 간격으로 증가하면서 FlukeView IR 케이블을 이용하여 1차측 전류(I1st)를 PC에 기록하였다. 또한 PC to RS485 컨버터와 시리얼 모드버스를 이용하여 송신기의 IC에 공급되는 DC 전압(VADC)을 기록하였다. 그림 25에서 I1st = 0.2 A 일때는 MEH 유도 코일에 발생된 전압이 작아서 VADC = 0 V이었으나 I1st = 0.3 A 일때는 MEH 유도 코일에 발생된 전압이 MCU를 동작시킬 수 있는 VADC = 3.3 V를 유지함을 볼 수 있고 I1st = 0.4 A 일때는 VADC는 0.4 V이상이고 점차 증가함을 볼 수 있어서 에너지 하베스팅 전력이 송신기에서 소비되는 전력을 초과함을 알 수 있다. 따라서 송신기와 수신기 사이의 무선 통신이 가능한 최소 전압 3.3 V이상을 만족하는 최소 동작 전류는 0.3 A임을 확인하였다.

그림. 25. MEH 무선 누전과열 경보기의 최소 동작 전류

Fig. 25. Minimum operating current of MEH wireless earth leakage overheating alarm

다음으로 시제품의 온도 정확도를 측정하였다. 케이블 표면에 기준 열전대(Tthermocouple)를 부착하고 가까운 곳에 MEH 온도 센서(TMEH)를 설치하였다. 또한 밴드 히터를 이용하여 케이블을 85도까지 가열하고 공기 중에서 서서히 냉각하면서 그림 26과 같이 기준 열전대와 MEH 온도 센서로 각각 케이블의 온도를 측정하였다. 기준 열전대와 MEH 온도 센서의 최대 온도 편차는 0.8도로 계산되었고 이 값은 해외 에너지 하베스팅 온도 센서 제품 ⁽⁶⁾에 제시된 온도 편차 ±1도 이하와 동등한 수준임을 확인하였다.

그림. 26. MEH 무선 누전과열 경보기의 온도 정확도

Fig. 26. Temperature accuracy of MEH wireless short circuit overheating alarm

마지막으로 누전경보기의 부동작 및 동작 성능을 측정하였다. ZCT 센서(DZR-030-200)의 출력 신호를 시제품의 누설 전류 측정 단자에 연결하고 소방청 고시 “누전경보기의 형식승인 및 제품 검사기준”에 따라 HMI 모니터상의 알람이 발생하는 누설 전류 설정값(Izct)을 각각 0.2 A, 0.5 A, 1 A로 입력하고 슬라이닥스를 이용하여 ZCT 센서에 누설전류를 서서히 증가하여 각각의 설정값의 52 %이하에서는 알람이 발생하지 않는 부동작 조건과 설정값의 53~75 % 사이에서는 알람이 발생하는 동작조건을 만족하는지를 측정하였다.

그림 27은 MEH 무선누전과열 경보기의 부동작 및 동작 시험 결과이다. Izct = 0.2 A일 때, ZCT 센서에 인가된 누설 전류가 부동작 조건인 0.104 A(0.2 A*52 %)까지는 알람 전압(Valarm)이 발생하지 않았고 0.139 A(0.2 A*69.5 %) 일때 알람 전압 DC 3.3 V가 0.5초 이내에 발생하여 동작 조건을 만족하였다. 동일한 방법으로 누설 전류 설정값(Izct)이 0.5 A일 때 동작 조건인 0.331 A(0.5 A*66.2 %) 일때 알람 전압이 발생하였고 누설 전류 설정값(Izct)이 1.0 A 일 때 동작 조건인 0.667 A(1.0 A*66.7 %) 일때 알람 전압이 발생하였다. 실험 결과로부터 제작된 시제품이 알람 부동작 조건 및 동작 조건을 만족함을 확인하였다.

그림. 27. MEH 무선누전과열 경보기의 부동작 및 동작 성능

Fig. 27. Non-operation and operational performance of MEH wireless earth leakage overheating alarm

5. 결 론

본 연구에서는 수배전반의 전기누전과 과열로 인한 감전 및 화재를 예방하기 위해 MEH(Magnetic Energy Harvesting)에 기반한 무선 누전과열 경보기를 개발하여 ICT(Information Communication Technology) 진단 기술을 확보하게 되었다.

개발된 MEH 무선 누전과열 경보기는 MEH 이론적인 배경을 토대로 유도코일을 설계 제작하여 최소 동작 전류, 무선 온도 정확도, 부동작 및 동작 특성 등을 평가한 결과 최소 동작 전류는 0.3 A, 최대 온도 편차는 0.8도로 측정되었고 기존 해외 에너지 하베스팅 제품 보다 최소 동작 전류는 1/16 정도 작고 온도 정확도는 동등한 수준임를 확인하였다. 또한 누설 전류 설정값의 52 %이하에서는 누전 알람이 발생하지 않고 설정값의 66.7~69.5 % 범위내에서는 누전 알람이 발생함에 따라 “누전경보기의 형식승인 및 제품 검사 기준” 규격의 부동작 및 동작 조건을 만족함을 확인하였다.

향후에는 에너지 하베스팅 누전과열 경보기를 상품화하여 수배전반의 누설 전류 및 도체의 온도를 실시간으로 모니터링하고 누전 또는 과열 발생시 신속하게 관리자에게 경보를 알림으로써 휴먼 에러, 절연 열화로 인한 감전 및 화재 등의 전기 사고를 미연에 방지하고 향후 국가재난안전 플랫폼 구축에 활용가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 2022년도 중소벤처기업부 재원으로 중소기업기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구(RS-2022-00141523)로서 관계부처에 감사드립니다.

References

Kyung-Rak Sohn, 2021, A magnetic energy harvesting device using current transformer, Journal of Advanced Marine Engineering and Technology, Vol. 45, No. 5, pp. 307-311

B. Park, D. Kim, J. Park, K. Kim, J. Koo, H. Park, S. Ahn, 2018, Optimization design of toroidal core for magnetic energy harvesting near power line by considering saturation effect, AIP Advances, Vol. 8, No. 5, pp. 056728

R. M. White, D. S. Nguyen, Z. Wu, P. K. Wright, 2018, Atmospheric sensors and energy harvesters on overhead power lines, Sensors, Vol. 18, No. 2, pp. 114-

J. Moon, S. B. Leeb, 2015, Analysis model for magnetic energy harvesters, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 30, No. 8, pp. 4302-4311

Young-hoon Jung, 2013, Current Status of Vibration Energy Harvesting Technology for Wireless Sensor Network, Electrical and Electronic Materials, Vol. 26, No. 3

Electric Schneider, 2018, Easergy TH110 Wireless Thermal Sensor, technical data sheet

저자소개

배준한 (Joon Han Bae)

Joon Han Bae received the Ph.D. degree in electrical engineering from the Yonsei University, Seoul, Republic of Korea, in 1998.

He is currently a Principle Researcher of the General Services Department for Enterprise Performance Diffusion Division, the Korea Electrotechnology Research Institute, Changwon, Republic of Korea.

He works on the development of energy harvesting IoT diagnosis techniques and their applications.

문성춘 (Sung Chun Moon)

Sung Chun Moon received the B.E. degree in Business Administration from the SEOUL CYBER University, Republic of Korea, in 2016.

He is currently a director of Nasan Electric Industries Co., Ltd., Changwon, Republic of Korea.

안한열 (Han Yeul An)

Han Yeul An received the B.E. degree from Korea Polytechnics, Korea, in 2007.

He is currently a Company-affiliated research institute of Nasan Electric Industries Co., Ltd., Changwon, Republic of Korea.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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자기에너지 하베스팅을 이용한 전기설비의 무선 누전과열 경보기 개발

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 본 론

2.1 MEH 유도 코일

2.1.1 MEH 유도 코일의 이론적 배경

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2.1.2 MEH 유도 코일 형상 설계 및 수치 해석

2.2 에너지하베스팅 무선누전과열경보기 제작 및 시험

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

배준한 (Joon Han Bae)

문성춘 (Sung Chun Moon)

안한열 (Han Yeul An)

Article Information (continued)

Key words

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1. 서 론

2. 본 론

2.1 MEH 유도 코일

2.1.1 MEH 유도 코일의 이론적 배경

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2.1.2 MEH 유도 코일 형상 설계 및 수치 해석

2.2 에너지하베스팅 무선누전과열경보기 제작 및 시험

5. 결 론

Acknowledgements

References

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문성춘 (Sung Chun Moon)

안한열 (Han Yeul An)

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