이기연
(Ki-Yeon Lee)
1iD
임승택
(Seung-Taek Lim)
1iD
오찬혁
(Chan-Hyeok Oh)
1iD
유인호
(In-Ho Ryu)
†iD
박정수
(Jung-Soo Park)
2iD
-
(Electrical Safety Research Institute, Korea Electrical Safety Corporation, Korea.)
-
(R&D Team, DaeRyuk Co. Ltd., Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
DC distribution, Electrical safety, DC earth leakage breaker, Over-current leakage, Fluxgate sensor
1. 서 론
전기설비는 전로와 부하의 안전성 확보와 인체 감전 보호를 위하여 누전차단기를 시설하도록 규정하고 있다[1]. AC의 경우 누전차단기를 사용하도록 규정하고 있으며, AC 누전차단기는 내부의 ZCT를 이용하여 해당 전로의 입력과 출력 차이를 검출하는 기술을
적용하여 누설전류를 검출하고 있다. DC의 경우 현재 직류용 ZCT가 개발되지 않아 태양광 발전설비, ESS, DC 배전 등에서는 IMD 등과 같은
절연감시장치를 사용하고 있다. 현재 사용되는 DC 전로는 대부분 IT 계통을 적용하고 있어 1선 지락시 특이점이 없거나 누설전류가 적은 특징이 있다.
기존의 DC 전류센서를 이용한 누설전류 검출은 낮은 범위의 검출이 어렵고 검출 분해능 등 ZCT로 적용하기 위한 성능적인 한계로 DC 누전차단기에
적용하기 어려운 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 AC의 ZCT와 같은 기능을 갖도록 저전류 검출에 유리한 특성을 갖는 Fluxgate
전류센서를 적용하여 직류 누전차단기를 개발하였다.
전원 및 접지 계통 구성 특성에 따라 IT 계통은 1선 지락시 고장전류가 크게 흐르지 않는다. 하지만 IT 계통의 2선 지락과 TN, TT 계통의
지락시 고장전류가 큰 특징이 있다. 따라서 DC 계통의 절연열화에 따른 고장 발생시 과부하ㆍ단락과 지락 고장을 구분하여 검출해야 사고 예방을 위한
대책수립이 가능하다.
따라서, 본 논문에서는 TT 및 TN 계통과 같이 절연열화에 따른 고장시 지락전류가 커지거나 IT 계통에서 2선 지락시 나타나는 과누전 상태의 Fluxgate
DC 누설전류 센서의 정격 이상의 고장전류에 대한 검출 특성을 분석하였으며, DC 설비의 현장에서 보호장치로 활용하기 위한 신호처리 기법에 대하여
나타내었다.
2. 접지 계통에 따른 고장 특성 분석
전원 및 접지 계통은 IEC 60364-1에서 2선식과 3선식 전원 구성을 제시하고 있으며, 그림 1과 같은 접지 계통으로 구분하고 있다[2].
그림 1. 접지 계통 구성
Fig. 1. Types of System Earthing
한국전기설비규정(KEC)에서는 각각의 접지 계통에 따른 고장 보호에 대한 방법을 규정하고 있다. 특히 전원의 자동 차단에 의한 저압 전로의 보호 대책으로
누전차단기를 시설하는 경우 TN 계통은 식 (1)에 나타낸 조건을 충족해야 한다고 규정하고 있다.
여기서 $Z_{s}$는 전원의 임피던스, 고장점까지의 선도체 임피던스, 고장점과 전원 사이의 보호도체 임피던스로 구성된 고장루프임피던스[Ω]이며,
$I_{a}$는 규정된 시간 내에 차단장치 또는 누전차단기를 자동으로 동작하게 하는 전류[A], $U_{0}$는 공칭대지전압[V]을 나타낸다.
누전차단기를 사용하여 TT 계통의 고장보호를 하는 경우에는 규정된 차단시간과 식 (2)에 나타낸 것과 같이 노출도전부에 접속된 보호도체와 접지극 저항의 합[Ω]인 $R_{A}$, 누전차단기의 정격 동작 전류[A]인 $I_{\triangle
n}$의 곱이 50[V]를 초과하지 않아야 한다고 규정하고 있다.
또한, 과전류보호장치를 사용하여 TT 계통의 고장보호를 할 때에는 식 (3)에 나타낸 조건을 충족해야 한다고 규정하고 있다.
여기서 $Z_{s}$는 전원, 고장점까지의 선도체, 노출도전부의 보호도체, 접지도체, 설비의 접지극, 전원의 접지극으로 구성된 고장루프임피던스[Ω]이며,
$I_{a}$는 규정된 시간 내에 차단장치 또는 누전차단기를 자동으로 동작하게 하는 전류[A], $U_{0}$는 공칭대지 전압[V]을 나타낸다.
DC IT 계통의 경우 노출도전부는 개별 또는 집합적으로 접지하여야 하며, 식 (4)에 나타낸 조건을 충족해야 한다고 규정하고 있다.
$R_{A}$는 접지극과 노출도전부에 접속된 보호도체 저항의 합을 나타내며, $I_{d}$는 하나의 선도체와 노출도전부 사이에서 무시할 수 있는 임피던스로
1차 고장이 발생했을 때의 고장전류(A)로 전기설비의 누설전류와 접지임피던스를 고려한 값을 나타낸다. 특히 IT 계통에서 1차 고장이 발생한 후 다른
충전 도체에서 2차 고장이 발생한 경우에는 식 (5)와 같은 조건을 충족해야 한다고 규정하고 있다.
$U_{0}$는 선도체와 중성선 또는 중점선 사이의 공칭전압(V)이며, $U$는 선간 공칭전압(V), $Z_{s}$는 선도체 또는 중성선과 보호도체를
포함하는 고장루프임피던스(Ω), $I_{a}$는 TN 계통에서 요구하는 규정된 차단시간 내에 보호장치를 동작시키는 전류(A)를 의미한다.
각각의 접지 계통에 대한 분석결과, 보호장치를 동작하게 하는 전류 $I_{a}$는 누설전류보다 매우 큰 전류인 것을 알 수 있다. 보호장치 설계할
때 내부의 검출 센서는 접지 계통 구성에 따라 절연열화에 따른 고장전류를 검출하기 위하여 수[㎃]에서 수백[㎃]에 대응되는 정격감도전류 검출이 가능해야
한다. 또한 지락 고장시 나타나는 큰 사고전류에 대응하기 위하여 과부하ㆍ단락 전류에 준하는 특성에 대한 검출 능력을 확보해야 한다는 것을 알 수 있다[3-4].
따라서, DC 누전차단기에 사용되는 검출 센서는 정격감도전류 대응과 지락과 같은 과누전 상태에서도 동작 특성의 안정성이 중요한 요소라 할 수 있다.
3. DC 누전차단기 개발 및 동작 특성 분석
3.1 Fluxgate 누설전류 검출 센서
Fluxgate 전류센서는 CT 방식과 Fluxgate 소자를 조합한 것으로 그림 2와 같이 링코어에 코일(L)을 감고 저항(R)을 연결한 후 코일에 구형파 전압(e)을 인가하면, 구형파 전압은 일정 주기로 교차하는 교류전압과 동일한
L-R 직렬회로에 인가되기 때문에 회로에는 구형파 교류전압에 의한 교류전류가 흐르게 된다. 이 상태의 링 코어 중앙의 직류 전선로에 흐르는 전류에
따라 코일에 흐르는 전류가 변화하기 때문에 전류값을 측정할 수 있다[5-6].
Fluxgate 전류센서는 높은 선형특성과 저전류 측정이 가능하며 고정밀을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한 동작 자속 레벨이 작아 삽입 임피던스가
낮은 특성을 갖는다. 이러한 동작 원리 특성에 따라 넓은 온도 범위에서 오프셋이 매우 작아 고정밀도와 높은 안정성을 갖고 있다.
이와 같은 Fluxgate 전류센서는 낮은 동작범위 특성으로 정격감도전류 검출이 가능하여 DC 누전차단기의 누설전류 검출 센서로 활용이 가능하다.
또한, 전류센서로 사용되는 원래의 기능을 이용할 경우 지락사고 발생에 따른 큰 사고전류에 대응이 가능할 것으로 판단되어 Fluxgate 전류센서를
DC 누전차단기에 적용하여 개발하였다[7-8].
그림 2. Fluxgate 전류센서 개념도
Fig. 2. Schematic Diagram of a Fluxgate Current Sensor
3.2 DC 누전차단기 동작 특성시험
본 연구에서 개발한 DC 누전차단기의 정격 사양은 정격전압 DC 380[V], 정격전류 20[A]로 설계하였으며, Fluxgate 누설전류 센서의
검출 범위는 0.1[㎃] ~ 100[㎃], 정격감도전류는 15[㎃]로 설계ㆍ개발하였다.
개발한 DC 누전차단기의 누전 상태에 대한 차단 동작 특성을 분석하였다. 개발품의 정격 사양에 따라 15[㎃] 누전 상태부터 지락 상태를 모의할 수
있는 100[A]까지 고장전류에 대한 차단 특성 결과를 그림 3에 나타내었다. 고장전류를 점차 증가시켜 센서의 검출 범위인 100[㎃]까지는 모두 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 고장전류를 지속 증가하여
지락 상태를 모의한 과누전 상태에서는 차단 동작의 반복성이 나타나지 않는 특성을 확인하였다. 특히 1,000[㎃]가 초과되는 구간부터 일부 차단되지
않는 경우가 나타났으며, 고장전류가 증가할수록 차단이 되지 않는 이상 상태가 발생하는 경우가 증가하는 것을 확인하였다.
DC 누전차단기 개발품에 대한 과누전 상태의 차단 특성의 반복성, 안정성 문제에 대한 성능 개선하기 위하여 Fluxgate 누설전류 센서의 신호 특성을
분석하였다.
그림 3. DC 누전차단기 차단 특성시험 결과
Fig. 3. Test Results on Blocking Characteristics of DC Leakage Circuit Breaker
4. 성능시험 결과 문제점 분석 및 성능 개선
4.1 DC 누설전류 센서 종류별 동작 특성 분석
DC 누전차단기 동작 특성시험 결과에 따른 과누전 상태의 문제점을 분석하기 위하여 DC ZCT로 사용되고 있는 홀센서의 신호와 Fluxgate 제품의
출력 신호를 분석하였다. 각각의 센서에 대하여 정상 검출 구간과 비정상 구간에 대하여 고장전류를 인가하였을 때 센서 출력(ADC) 신호를 각각 측정하여
분석하였다.
먼저 그림 4와 5는 홀센서의 출력 특성을 나타낸 것으로 각각 고장전류에 따라 센서 출력이 특정 주기에 대하여 진폭의 변화가 나타났으며, 이 변화를 센서에서 검출하여
측정값으로 연산하여 동작하는 것으로 분석되었다.
그림 4. 홀센서 방식 DC 센서의 출력 신호 분석(A사)
Fig. 4. Analysis of Output Signal of Hall Sensor Type DC Sensor(Company A)
그림 5. 홀센서 방식 DC 센서의 출력 신호 분석(B사)
Fig. 5. Analysis of Output Signal of Hall Sensor Type DC Sensor(Company B)
그림 6. 개발 제품 DC 센서의 출력 신호 분석
Fig. 6. Analysis of Output Signal of Developed Product DC Sensor
그림 6은 본 연구에서 개발하는 DC 누전차단기에 사용되는 Fluxgate DC 센서에 대한 출력 특성을 나타낸 것으로, 7[A]와 100[A] 각각의 경우에
대한 고장전류별로 센서 출력(ADC) 신호를 나타낸 것이다. 센서 출력 특성은 고장전류가 일정 크기 이상일 경우 센서 출력 신호의 주기, 즉 유지
시간이 줄어드는 것을 확인하였다. 이러한 신호의 유지 시간이 변화함에 따라 센서 출력에 대한 신호처리가 가능할 경우 차단기에서 차단 동작이 나타나지만,
신호처리가 불가능할 정도로 신호의 왜곡이 발생하여 차단기에서 고장전류에 대하여 차단되지 않는 것으로 분석되었다.
4.2 DC 누전차단기 오동작 원인 분석
DC 누설전류 센서 동작 특성 분석 결과에 따라 100[A] 고장전류 발생시 센서 출력(ADC) 신호의 유지 시간이 줄어드는 원인을 확인하기 위하여
그림 7에 나타낸 것과 같이 고장 상태에서 pulse generating 신호를 측정하였다.
그림 7. 100[A] 고장 상태의 Fluxgate Gating 신호 분석
Fig. 7. Analysis of Fluxgate Gating Signal with 100[A] Fault Conditions
그림 8. 고장 전류별 Fluxgate 센서 신호 분석
Fig. 8. Analysis of Fluxgate Sensor Signal by Fault Current
그림 7에 나타낸 것과 같이 고장전류가 100[A] 과누전 상태로 변경되는 구간부터 고장전류가 유지되는 구간에서 Fluxgate pulse generating이
되지 않았으며, 고장 요인을 해소한 상태인 고장전류가 0[A]로 변경되면 다시 Fluxgate pulse generating 신호가 나타나는 것을
확인하였다. 이와 같이 Fluxgate 센서 pulse generating이 되지 않아 코어에 흐르는 직류 전류에 따른 코일의 변화를 감지하지 못하는
것으로 분석되었다.
고장전류 발생에 따른 Fluxgate pulse generating 상태 분석을 위하여 고장전류 0[A]부터 증가시키면서 Fluxgate 센서 출력과
pulse generate 신호를 분석하였으며, 그림 8에 나타내었다.
고장전류에 따른 pulse generate 신호는 고장전류 0[A]에서부터 약 1[A]까지 고장전류가 증가함에 따라 주파수가 증가하는 특성이 나타났으며,
고장전류가 더 많이 증가하면 pulse generate가 되지 않아 Fluxgate 센서 출력 신호의 왜곡이 특정한 패턴이 없이 발생하는 현상이 나타나는
것을 확인하였다. Fluxgate 센서의 이러한 출력 특성으로 인하여 과누전 특성에 따라 DC 누전차단기의 차단 특성이 안정화되지 못하고 시험에 따라
다르게 나타난 것으로 판단된다.
4.3 DC 누전차단기 과누전 동작 성능 개선
고장전류에 따른 Fluxgate 센서의 pulse generate와 출력 신호를 분석한 결과, 고장전류가 증가하면 pulse generate 주파수가
증가하고 왜곡이 발생한다. 또한 코어의 포화 현상을 발생시키는 이상의 고장전류가 증가하면 pulse generate가 중단되는 특성이 나타나는 것을
확인하였다.
따라서, DC 누전차단기의 과누전 동작 성능을 개선하기 위하여 그림 9에 나타낸 알고리즘을 적용하였다. 먼저 고장전류 증가에 따른 pulse generating 주파수를 분석하여 동작 주파수를 넘어가거나 코어가 포화되었을
경우 과부하 보호를 위한 신호처리 알고리즘을 설계하였다.
센서 코어에 자기 여자 회로(Self excitation circuit)로 구형파 형태의 펄스 신호를 발진시킨 후 궤환되어 돌아오는 여자 전압을 측정한다.
이 여자 전압 신호에 대하여 증폭, 저역필터, 절대값 회로 등을 적용하여 신호처리 후 직류 전압값으로 변환하여 출력한다.
만약, 기존의 pulse generate의 사용주파수와 비교하여 일정 비율 이상 주파수가 증가하거나 포화로 인해 주파수가 생성되지 않는 등 이상이
발생할 경우 이를 과누전 상태로 판단하여 센서 출력의 최대값으로 출력되는 보상회로를 적용하여 과누전 상태를 검출할 수 있도록 신호처리 방법을 개선하였다.
그림 9. 성능 개선 알고리즘 개념도
Fig. 9. Schematic Diagram of a Performance Improvement Algorithm
그림 9는 개선된 알고리즘을 탑재하여 성능을 개선시킨 DC 누전차단기의 과누전 상태의 성능 검증 결과를 나타낸 것이다. 성능 개선에 대한 검증을 위하여 개선된
알고리즘을 탑재하기 전의 시험과 동일한 고장전류에 대한 동작 성능을 비교하여 차단 특성을 확인하였다. 성능 개선 효과를 검증하기 위하여 그림 6과 동일한 고장전류 7[A]와 100[A] 조건에 대하여 DC 누전차단기 차단 동작 성능을 시험하였다. 시험결과 그림 10에 나타낸 것과 같이 정상적으로 차단되는 상태를 확인하였으며, 반복 시험을 통하여 개발된 DC 누전차단기 동작 성능의 안정성 확보를 확인하였다.
그림 10. 성능 개선 제품의 동작 특성
Fig. 10. Operating Characteristics of Performance Improvement Products
5. 결 론
본 논문에서는 직류 전기설비의 안전성 확보와 인체 감전보호를 위한 직류 누전차단기의 고장시 차단 동작 성능 확보 방안에 대하여 나타내었으며, 개발한
알고리즘을 탑재한 직류 누전차단기의 동작 성능을 검증하였다.
직류 회로에서 높은 선형 특성, 저전류 측정 범위, 고정밀 특성을 갖는 Fluxgate 전류센서는 제어를 위한 계측과 안전 분야에서도 사용이 증가하고
있다. 특히, 보호장치와 안전성 평가를 위한 계측기 부분에서도 사용되고 있는데, 본 연구를 통하여 자기 여자 회로의 주파수 분석을 통한 보상 알고리즘을
적용할 경우 차단기의 보호 동작의 안정성 향상과 계측의 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서 개발한 직류 누전차단기를 이용하여 향후 상용화되는 직류 설비에 적용되어 보호장치로 활용될 것으로 판단되며, 특히 IT 계통의 2선 지락
보호 등 다양한 접지 계통에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 향후, 직류 전원에 대한 인체 감전 보호 특성 분석과 접지 계통의 고장 특성 등을 고려하여
직류 누전차단기의 정격감도전류 기준을 개발할 것이며, 이를 통하여 직류 설비의 안전 분야에 산업이 활성화될 것으로 기대된다. 또한, 직류 설비의 고장
발생시 정확한 사고 원인 확인을 통하여 적절한 예방대책 수립이 가능하여 전기안전 확보에 기여할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 논문은 2024년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임
(No. RS-2024-00421164, 분산전원 연계 초절전형 공장조명 시스템 기술개발 및 실증)
References
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18 October 2022
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of Electrical Engineers, vol. 72, no. 11, pp. 1512~1519, 2023.DOI:10.5370/KIEE.2023.72.11.151
저자소개
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Incheon National
University, Incheon, Korea, in 2002 and 2004, respectively. He received the Ph.D.
degree in IT Applied System Engineering from Jeonbuk National University, Jeollabukdo,
Korea, in 2020 He is currently a head researcher in the Electrical Safety Research
Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2004.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Soongsil
University, Seoul, Korea, in 2016, 2018 and 2024, respectively. He is currently a
senior researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical
Safety Corporation (KESCO) since 2018.
He received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Chonnam
National University, Gwangju, Korea, in 2015, 2017 and 2022, respectively. He is currently
a senior researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical
Safety Corporation (KESCO) since 2022.
He received the B.S. degree in electrical engineering from Wonkwang University, Iksan,
Korea, in 1984. He received the M.S. degrees in electrical engineering from Konkuk
University, Seoul, Korea, in 1986. He received the Ph.D. degree in electrical engineering
from Wonkwang University, Iksan, Korea, in 1999. He is currently a Professor in the
Electrical Engineering at Jeonbuk National University, Jeollabukdo, Korea since 1993.
He received the B.S. and M.S. degree in information and communication engineering
from Hoseo University, Ansan, Korea, in 2000 and 2003. He is currently a Director
of Research Institute in Daeryuk Co. Ltd., since 2008.