[논문]고성능 서지보호 시스템 개발 및 성능 평가

김재훈; 김주한; 한상옥; 김선호; 구경완

[국내논문] 고성능 서지보호 시스템 개발 및 성능 평가
Development and/or Characteristics Evaluation of High Performance SPD(Surge Protective Device) 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.58 no.3, 2009년, pp.328 - 333

김재훈 (충남대학교 공대 전기공학과) , 김주한 (충남대학교 공대 전기공학과) , 한상옥 (충남대학교 공대 전기공학과) , 김선호 ((주)한국서지연구소) , 구경완 (호서대학교 공대 국방과학기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have developed high performance SPD(surge protective device) and evaluated the characteristics in comparison with typical SPD used in the inside and outside of the country. The new SPD was composed of MOV(metal oxide varistor), GDT(gas discharge tube) and impedance such as resistors, capacitors or varistors. To estimate operating the characteristic of the SPD which was developed, it was measured surge voltage caused by fault current or surge according to IEC 61000-4-5. As a result it was found that the power supply was cut off by high performance SPD when caused a short-circuit. In addition we could know that it could prevent ELB(earth leakage breaker)'s malfunction caused by surge.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이에 본 논문에서는 전원선로의 누전 시 전원차단뿐만 아니라 누전현상이 아닌 서지유입에 따른 과도특성에 의해 전원이 차단되는 것을 방지할 수 있는 정밀한 보호능력을 가지는 고성능 서지보호기를 개발하여 현재 국내외에서 사용되고 있는 서지 보호기와의 비교평가를 통해 보호능력을 시험하고 그 성능을 비교하였다. 또한 같은 시료를 활용하여 누전차단기가 이상전압에 오동작하는 현상을 서지보호기가 예방할 수 있는가에 대한 실험을 통해 제품의 신뢰성 및 성능의 우수함을 제시하고자 하였다.
이에 본 논문에서는 전원선로의 누전 시 전원차단뿐만 아니라 누전현상이 아닌 서지유입에 따른 과도특성에 의해 전원이 차단되는 것을 방지할 수 있는 정밀한 보호능력을 가지는 고성능 서지보호기를 개발하여 현재 국내외에서 사용되고 있는 서지 보호기와의 비교평가를 통해 보호능력을 시험하고 그 성능을 비교하였다. 또한 같은 시료를 활용하여 누전차단기가 이상전압에 오동작하는 현상을 서지보호기가 예방할 수 있는가에 대한 실험을 통해 제품의 신뢰성 및 성능의 우수함을 제시하고자 하였다.
따라서, 본 논문에서는 누전에 대한 누전차단기 고유의 기능을 유지하면서도, 수 십[㎲]의 짧은 시간동안 발생하는 서지유입에 대해서는 반응하지 않는, 즉, 부하회로나 누전차단기 내부에 적용되는 보호소자 보다도 월등히 낮은 제한전압을 갖는 새로운 개념의 고성능 서지보호 시스템을 개발하였으며 이를 그림 3에서 보여주고 있다.
본 논문에서는 고성능 서지보호기 동작특성을 측정하기 위해 IEC 61000-4-5에 의해 전기기기의 고장전류 또는 서지유입 시 대전류에 의해 전원회로에 발생되는 서지전압을 모의하였다[9,10,11].

제안 방법

전원선로에 적용하는 서지보호기에 GCA소자가 적용됨으로서 서지 유입에 따라 GCA소자가 방전을 함으로서 전원선로가 단락되는 현상을 예방하기 위하여 배리서터소자를 직렬로 접속하였다. 이로서, 서지보호기는 열폭주 현상없이 선로양단의 전압은 서지유입으로 입력전압이 변동하여도 변화가 적게 되는 정전압 특성을 가지게 된다.
측정 시스템에서 과도이상전압을 발생시키기 위해 (주)한국서지연구소에서 제작한 surge simulator SL-6120를 이용하여 5[kV]/10[kA] 임펄스 전압을 발생시켰다.
서지보호기의 동작특성 및 서지유입에 의한 누전차단기의 동작특성은 LeCloy 9310A의 오실로스코프를 이용하여 검출하였으며, 그 결과를 RS 232C 통신을 통해 PC로 저장하였다.
서지보호기의 보호능력 실험을 위해 그림 4의 스위치 1과 2를 Off한 상태에서 서지보호기만의 보호특성을 측정하였다.
다음으로 그림 4의 스위치 1과 2를 On하여 전원을 공급하면서 누전차단기를 접속하고 누전차단기의 입력단에 서지보호기로 과도이상전압을 보호하여 누전차단기의 트립특성에 대해 측정하였다. 그림 10～13에 각각의 시료에 대한 누전차단기의 트립특성에 대한 결과를 나타내었다.

대상 데이터

)로 구성되어 있다. 여기서 배리스터는 금속산화물 배리스터(Metal Oxide Varistor)를 사용하였고 GCA소자는 Gate Control 기능을 가지는 가스봉입방전관(Gas Discharge Tubes)을 사용하였으며, GCA소자 양단에 서지전압을 검출하여 Gate에 Trig 신호를 공급하여 제어할 수 있다.
서지보호기 성능의 비교평가를 위해 발생된 전압을 국내외 및 고성능 서지보호기에 인가하여 제한전압특성 및 누전 차단기 트립특성을 측정하기 위해 그림 5와 같이 시료를 구성하였으며, 표 1은 시험에 사용된 누전차단기의 사양을 나타내고 있다.
1. 고성능 서지보호기를 배리스터 소자(Z₁)와 Gate Control 기능을 가지는 방전형 GCA소자(G₁) 및 제어회로(X₁)로 구성하였으며, 배리스터는 금속산화물 배리스터(Metal Oxide Varistor)를 사용하였다.

성능/효과

하지만, 본 논문에서 개발한 GCA(gate control arrestor)소자 기반의 서지보호기는 그림 9와 같이 서지보호기 동작에 대한 기준전압인 430[V]에 비해 월등히 낮은392[V]의 잔류전압특성을 보인다.
실험결과, 국내외 시료 대부분이 누전차단기 트립에 있어 문제점이 나타났지만, 고성능 서지보호기로 보호된 차단기의경우 AC 60[㎐] sine wave 상에 노이즈 정도만 보임을 알 수 있다. 특히, 직렬형의 경우 이러한 노이즈 현상조차 보이지 않을 정도로 개선되었다.
특히, 직렬형의 경우 이러한 노이즈 현상조차 보이지 않을 정도로 개선되었다. 또한 낮은 제한전압을 가지는 서지보호기는 열폭주 현상이 우려되는 기술적인 문제에 대하여, 약 AC 300[V]수준에서 열폭주를 일으키는 기존 보호기와 달리 실험에 사용된 고성능 서지보호기 시료는 AC 430[V]의 측정한계 전압에도 열폭주현상이 발생하지 않은 우수한 MCOV(Maximum Continuous Operating Voltage)특성을 보였다.
2. 일반적인 서지보호기에 사용되는 것보다 낮은 제한전압을 갖는 제한전압 특성은 GCA소자의 서지에 대한 우수한 제어능력을 볼 수 있으며, 방전형소자가 동작함에 따라 전원선로가 단락되는 현상을 방지하기 위하여 GCA소자에 바리스터 소자를 직렬로 접속하였으며, 방전형 GCA소자에 외부 제어회로를 접속하여 GCA소자를 Trig하도록 하였다.
3. 제한전압특성 시험을 통해 국내제품 서지보호기 시료는 약 800[V]의 제한전압을 가지고 있지만, 해외시료의 경우 방전형 소자가 적용되기 때문에 소자 방전특성에 기인하여 약 2,000～2,200[V]나 되는 제한전압특성을 보였다. 반면, 고성능 서지보호기의 보호특성은 약 390[V]로 일반적인 서지보호기의 동작개시전압 기준인 430[V]에 대해 -40[V]라는 under voltage 특성을 가지고 있었다.
4. 누전차단기 트립특성 실험결과, 국내외 시료 대부분이 누전차단기 트립에 있어 문제점이 나타났지만, 고성능 서지보호기로 보호된 차단기의 경우 AC 60[㎐] sinwave 상에 노이즈 정도만 보임을 알 수 있었으며, 특히, 직렬형의 경우 이러한 노이즈 현상조차 보이지 않을 정도로 성능이 우수함을 알 수 있었다.
5. 제한전압 특성을 극도로 낮게 설계한 고성능 서지보호기에 대한 최대운용전압(MCOV) 측정 결과 기존 서지보호기가 275[V] 수준의 MCOV특성을 가지는데 비하여 고성능 서지보호기 시료는 AC 430[V]이상의 MCOV특성을 가지는 것으로 평가되었다.

후속연구

위의 결론을 바탕으로 기존에 사용되고 있는 서지보호기를 대체하여 본 연구를 통해 개발된 고성능 서지보호기를 사용함으로써 서지보호기의 주 역할인 서지보호는 물론 서지유입으로 인해 발생되었던 누전차단기의 오동작으로 인한 정전사고를 방지함으로써 경제적인 손실로 이어지는 문제점을 해결할 수 있으리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서지보호기의 동작점이 낮으면 어떤 장단점이 있는가?	서지보호기 동작점이 낮으면 보호 능력은 우수하지만, 상용교류에 반응하여 보호기 손상을 초래하므로 동작점을 낮게 잡을 수 없는 문제는 GCA소자를 적용하여 해결하였다.
	전기사용 시설물에서 접지의 의의는?	전기사용 시설물에서 접지는 가장 기본적인 안정장치로 접지시설이 부적합하면 인명의 감전사고나 전기설비의 파손이나 오동작을 유발할 수 있다. 과부하 시 누전차단기가 정격동작을 하지 못하는 경우, 누전으로 인해 인체에 감전사고를 일으키거나, 기기에 누설전류를 흐르게 하여 기기의 수명을 단축시키며, 더 나아가서는 누전으로 인한 전기화재사고를 초래한다.
	본 논문에서는 고성능 서지보호기 성능의 비교평가를 수행하였다, 이에 대한 결론은?	1. 고성능 서지보호기를 배리스터 소자(Z1)와 Gate Control 기능을 가지는 방전형 GCA소자(G1) 및 제어회로(X1)로 구성하였으며, 배리스터는 금속산화물 배리스터(Metal Oxide Varistor)를 사용하였다. 2. 일반적인 서지보호기에 사용되는 것보다 낮은 제한전압을 갖는 제한전압 특성은 GCA소자의 서지에 대한 우수한 제어능력을 볼 수 있으며, 방전형소자가 동작함에 따라 전원선로가 단락되는 현상을 방지하기 위하여 GCA소자에 바리스터 소자를 직렬로 접속하였으며, 방전형 GCA소자에 외부 제어회로를 접속하여 GCA소자를 Trig하도록 하였다. 3. 제한전압특성 시험을 통해 국내제품 서지보호기 시료는 약 800[V]의 제한전압을 가지고 있지만, 해외시료의 경우 방전형 소자가 적용되기 때문에 소자 방전특성에 기인하여 약 2,000～2,200[V]나 되는 제한전압특성을 보였다. 반면, 고성능 서지보호기의 보호특성은 약 390[V]로 일반적인 서지보호기의 동작개시전압 기준인 430[V]에 대해 -40[V]라는 under voltage 특성을 가지고 있었다. 4. 누전차단기 트립특성 실험결과, 국내외 시료 대부분이 누전차단기 트립에 있어 문제점이 나타났지만, 고성능 서지보호기로 보호된 차단기의 경우 AC 60[㎐] sinwave 상에 노이즈 정도만 보임을 알 수 있었으며, 특히, 직렬형의 경우 이러한 노이즈 현상조차 보이지 않을 정도로 성능이 우수함을 알 수 있었다. 5. 제한전압 특성을 극도로 낮게 설계한 고성능 서지보호기에 대한 최대운용전압(MCOV) 측정 결과 기존 서지보호기가 275[V] 수준의 MCOV특성을 가지는데 비하여 고성능 서지보호기 시료는 AC 430[V]이상의 MCOV특성을 가지는 것으로 평가되었다.

참고문헌 (11)

이재복, 명성호, 조연규, 장석훈, 김점식, "누전차단기의 뇌써지 동작특성 분석 및 오작동 대책", 대한전기학회지 51C권 10호 pp. 479~484, 2002
M. Capelli-Schellpfeffer. M. Tner, "Advanoes in the Evaluation and Treatment of Electrical and Thermal Injury Enrgencies", IEEE Trans, Ind. Appl., Vol.31, No. 5, pp. 1147-1152, 1995

상세보기
이복희, 이승칠, "서지전압에 대한 50[A]d용 누전차단기의 부동작 특성", 조명 전기설비학회지, Vol.11, No.5, pp.42-52, 1997
김재훈, 한상옥, 김선호, "고성능 서지보호기 개발을 통한 과도 이상전압 차단", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp 2065-2066, 2009
이재복, 명성호 외 4인,"충격과 부동작형 누전차단기의 뇌써지 응답 특성", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 1688-1690. 2002
이복희, 이승칠, 김찬오, "뇌임펄스전압에 대한 30[A]용 고감도형 누전차단기의 오동작에 대한 특성의 해석", 한국조명전기설비학회논문지, 제11권, 6호, pp.96-103, 1997
김언석, 박병락, 김재철, 윤상윤, "저압 전원용 서지보호 장치 기술", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp.527-529, 2002
이형수, "옥외 전기시설물의 감전예방을 위한 접지시스템", 전기저널 통권제312호, pp.39-43, 2002
IEEE Std. C62.41-1991, IEEE Cuide for Surge Voltage in Low-Voltage AC Power Circuits, 1991
KSC 4613 : 누전차단기, 한국표준협회, 1994
IEC 61000-4-5 : Testing and measurement techniques - Surge immunity test, 2001

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증