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문제 정의
- 따라서 기존 LCM이 가지고 있는 기기 신뢰성에 대한 구조적인 문제를 개선하고 정확한 누설전류를 측정하여 사용자의 불만을 해소하기 위해서 신형 LCM 개발을 추진하였다. 표 1은 주요 이상유형과 그에 따른 현상 그리고 추정원인에 대해서 나타내고 있다
- 본 논문에서는 800 kV GIS용 예방진단 시스템의 중요한 구성품인 피뢰기 누설전류 모니터링 장치의 빈번한 측정장애에 대한 대책으로 기존 LCM을 개선한 새로운 LCM 장치를 개발하고 강화된 성능시험기준을 만족하는지 여부를 검증하였다. 변전소 GIS에 설치되어 현장에서 운용 중인 LCM 중 일부에서 LCD Display Error, 서지 카운터 이상, 측정값이 실제와 다르게 표시되는 문제가 발생하였고 이를 개선하였다, 주요 개선사항인 LCM 회로개선 및 보호회로 추가, LCM 장치의 내부 구조개선 및 접지개선 등을 반영한 시작품을 제작하고 성능시험을 실시하였다.
- 이로 인해 LCM 내부 반도체 소자의 열화 및 소손, 전력계통의 변화에 따라 유입되는 서지 크기의 증가에 따른 기설계된 반도체 소자 및 회로의 내압량 초과 등에 원인이 있다고 판단할 수 있다. 이에 기존 LCM을 설치 환경에 적합하도록 전기보호 설계를 강화하여 기기 신뢰성에 대한 구조적인 문제를 개선하여 사용자의 불만을 해소하기 위하여 신형 LCM 개발을 추진하였다. 표 1은 주요 이상 유형과 그에 따른 현상 그리고 추정원인에 대해서 나타내고 있다.
제안 방법
- 성능시험은 공인시험기관인 KERI에서 신뢰성 시험규격 IEC-60225, 61000, 60068 등에서 제시한 성능시험기준과 절차에 따라 실시하였다. 기존 제품 대비, 강화딘 시험항목은 전압강하시험, 전원순단시험이며 추가된 시험은 무선주파방사 내성시험, 상용주파자계 내성시험, 펄스자계 내성시험, 감쇄진동자계 내성시험, 잡음단자전압 및 잡음전계강도시험, 진동 및 충격시험이다. EMC/Noise 관련시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃일 때 ZCT A상에서 최대 1 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다.
- 따라서 본 논문에서는 먼저 피뢰기 누설전류의 측정원리에 대해서 설명하고 800 ㎸ GIS에 적용되었던 기존 피뢰기 누설전류 측정장치 (Leakage Current Measuring device, LCM)에서 발생했던 문제점들을 분석하여 개선점들을 도출하였다. LCM board 회로개선 및 보호회로 추가, 내부 구조 개선, 내부 접지개선 등을 고려하여 개선품을 제작하였으며 이에 대해 강화 혹은 추가된 신뢰성 시험기준으로 KERI(Korea Electrotechnology Research Institute)에서 수행한 성능시험을 통해서 개선된 LCM이 IEC-60225, 61000 및 60068 등의 기술기준을 만족함을 확인하였다.
- 특히 전기적 신뢰성 강화를 위하여 입출력부의 보호회로를 개선하고 Op-Amp 등의 주요 소자 등을 교체하였으며, 기존 구조적으로 문제가 되었던 접지구조 등 내부 구조를 개선하였다. 또한 개선된 시스템 검증을 위하여 신뢰성 시험 항목을 기존보다 강화/추가하여 검증 시험을 실시하였다.
- 표 2와 같이 무선주파 방사내성시험, 상용주파자계내성시험, 감쇄진동자계내성시험을 추가하였고, 운송 및 외부 충격에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 IEC 60068을 기준으로 한 진동/충격 시험을 추가하여 검증을 실시하였다. 또한 정전기 방전 내성시험은 공인 시험기준보다 강화된 기준을 적용하여 가혹한 환경에 따른 문제 발생 여부도 확인하였다. 시험 결과는 각 시험기준을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.
- 본 논문에서는 800 kV GIS용 예방진단 시스템의 중요한 구성품인 피뢰기 누설전류 모니터링 장치의 빈번한 측정장애에 대한 대책으로 기존 LCM을 개선한 새로운 LCM 장치를 개발하고 강화된 성능시험기준을 만족하는지 여부를 검증하였다. 변전소 GIS에 설치되어 현장에서 운용 중인 LCM 중 일부에서 LCD Display Error, 서지 카운터 이상, 측정값이 실제와 다르게 표시되는 문제가 발생하였고 이를 개선하였다, 주요 개선사항인 LCM 회로개선 및 보호회로 추가, LCM 장치의 내부 구조개선 및 접지개선 등을 반영한 시작품을 제작하고 성능시험을 실시하였다. 성능시험은 공인시험기관인 KERI에서 신뢰성 시험규격 IEC-60225, 61000, 60068 등에서 제시한 성능시험기준과 절차에 따라 실시하였다.
- 변전소에서 발생되는 노이즈 및 서지와 같은 전기적 외란이 LCM 내부에 유입되는 주요 경로는 입출력부, 접지, 기중 등 외부와의 접점 부와 전기적 방사가 있으며, 이와 같은 경로로 유입된 서지와 noise로 인한 회로 소손을 막기 위해서는 상기 유입경로의 전기적 보호성능 강화가 필요하다고 판단하였다. 이를 위하여 기존 LCM 소자들의 내전압 특성을 재검토하고, 보호회로 및 구조적 특성을 검토하여 재설계를 진행하였다. 특히 전기적 신뢰성 강화를 위하여 입출력부의 보호회로를 개선하고 Op-Amp 등의 주요 소자 등을 교체하였으며, 기존 구조적으로 문제가 되었던 접지구조 등 내부 구조를 개선하였다.
- 이에 기존 설치된 LCM의 구조를 검토한 결과 3종 접지가 LCM의 외함과 연결되어 피뢰기 외함접지와 연결되는 문제점이 발생하였다. 이에 외함과 연결된 기존 3종 접지를 제거하고 변전소에 설치된 별도의 3종 접지와 연결되도록 구조적으로 개선하였으며, LCM의 절연 성능 강화를 위하여 후면에 배크라이트판을 적용하였다. 그림 4는 기존 LCM의 접지가 외함 및 1종 접지와 연결된 설치된 상황을 나타내고 있다.
- 잡음전계강도시험은 3 m (개선품과 측정안테나 사이의 거리)법으로 실시하였으며 10 m법의 한계치에 10.5 dB㎶/m를 증가시킨 값을 기준치로 적용하였다. 그림과 같이 30～230 ㎒ 및 230～1,000 ㎒ 주파수 대역에서 측정결과가 기준치보다 약 20 dB 정도 낮은 것을 알 수 있다.
- 제 3고조파 누설전류는 180 ㎐ 성분의 대역통과필터회로로 구성하여 제 3고조파 누설전류만을 검출한 후 Peak to DC converter와 V-I Converter를 거쳐서 전누설전류의 출력과 마찬가지로 DC 4 ～ 20 ㎃로 환산되어 출력된다. 저항분 누설전류는 검출회로가 복잡해지기 때문에 LCM 내부에는 별도 측정회로를 구성하지 않았으며, T/P 단자를 통해 증폭된 미소전류 측정용 변류기의 출력을 알고리즘이 내장된 마이크로프로세서로 처리해서 그 값을 계산한다. 이는 피뢰기 양단 인가전압을 검출하는 계기용 변압기(Potential Transformer, PT) 등의 보조신호를 이용하여 전압과 전류신호간 위상차를 이용해서 전누설전류 중에서 저항분만을 검출하는 것이다[4,6].
- 전자파 적합성(EMC) 시험 후, 입력에 따른 변류기 출력값이 허용오차범위 내에 있는지 여부를 판단하기 위한 추가 시험을 실시하였다. 입력전류를 0.
- 정전기 방전 내성시험은 IEC 61000-4-2의 기준으로 실시하되, 내함-외함간의 절연 확인을 위해 기준 외의 시험을 추가 실시하였다. 전원이 인가된 LCM의 외함에 정전기 시험용 프루브를 이용하여 접촉 시 8kV, 외함에 인접한 기중 에 15kV 전압을 1초씩 인가하는 시험을 10회씩 실시하여 LCM의 오동작 여부를 확인한 결과 기기 동작에 이상이 없음을 확인하였다.
- 이를 위하여 기존 LCM 소자들의 내전압 특성을 재검토하고, 보호회로 및 구조적 특성을 검토하여 재설계를 진행하였다. 특히 전기적 신뢰성 강화를 위하여 입출력부의 보호회로를 개선하고 Op-Amp 등의 주요 소자 등을 교체하였으며, 기존 구조적으로 문제가 되었던 접지구조 등 내부 구조를 개선하였다. 또한 개선된 시스템 검증을 위하여 신뢰성 시험 항목을 기존보다 강화/추가하여 검증 시험을 실시하였다.
- 신규 LCM은 변전소에서 요구하는 전기적 신뢰성을 만족시키기 위하여 IEC 61000-4에 의거하여 시험항목 및 조건을 선정하여 실시하였다. 표 2와 같이 무선주파 방사내성시험, 상용주파자계내성시험, 감쇄진동자계내성시험을 추가하였고, 운송 및 외부 충격에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 IEC 60068을 기준으로 한 진동/충격 시험을 추가하여 검증을 실시하였다. 또한 정전기 방전 내성시험은 공인 시험기준보다 강화된 기준을 적용하여 가혹한 환경에 따른 문제 발생 여부도 확인하였다.
이론/모형
- 변전소 GIS에 설치되어 현장에서 운용 중인 LCM 중 일부에서 LCD Display Error, 서지 카운터 이상, 측정값이 실제와 다르게 표시되는 문제가 발생하였고 이를 개선하였다, 주요 개선사항인 LCM 회로개선 및 보호회로 추가, LCM 장치의 내부 구조개선 및 접지개선 등을 반영한 시작품을 제작하고 성능시험을 실시하였다. 성능시험은 공인시험기관인 KERI에서 신뢰성 시험규격 IEC-60225, 61000, 60068 등에서 제시한 성능시험기준과 절차에 따라 실시하였다. 기존 제품 대비, 강화딘 시험항목은 전압강하시험, 전원순단시험이며 추가된 시험은 무선주파방사 내성시험, 상용주파자계 내성시험, 펄스자계 내성시험, 감쇄진동자계 내성시험, 잡음단자전압 및 잡음전계강도시험, 진동 및 충격시험이다.
- 신규 LCM은 변전소에서 요구하는 전기적 신뢰성을 만족시키기 위하여 IEC 61000-4에 의거하여 시험항목 및 조건을 선정하여 실시하였다. 표 2와 같이 무선주파 방사내성시험, 상용주파자계내성시험, 감쇄진동자계내성시험을 추가하였고, 운송 및 외부 충격에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 IEC 60068을 기준으로 한 진동/충격 시험을 추가하여 검증을 실시하였다.
- 전자파 장해시험은 IEC Standard CISPR 22:2008을 기준으로 실시하였다. 먼저 잡음단자시험을 위해 제어전원회로에 비차폐 케이블을 이용해서 정격전압(AC 220 V)을 인가 한 후 0.
성능/효과
- 그림 2의 (a)와 같이 기존 LCM은 입출력부의 소자 전단 부에 별도의 보호회로가 없었으며, 입출력부에 외부 서지 및 노이즈성 신호가 유입될 경우 반도체 소자의 내전기성에 의존하는 문제점이 있었다. 이에 그림 2의 (b)와 같이 입출력부에 Optic 소자인 Photo Diode를 이용한 보호회로를 추가하여 특정 크기 이상의 정전기와 서지 등 외란 유입을 방지토록 개선하였다.
- 그림 13은 개선품 LCM으로의 교체 후, 차단기 개방상태에서 측정한 누설전류값을 나타내고 있다. CT 클램프 전류 값과 LCM 측정값 모두 0 ㎃(정전구간)의 전류값이 정상적으로 출력됨을 확인하였다. 또한, 차단기 개방동작시 개폐서지에 대한 외란요소에도 정상적으로 동작함을 확인하였다.
- 기존 제품 대비, 강화딘 시험항목은 전압강하시험, 전원순단시험이며 추가된 시험은 무선주파방사 내성시험, 상용주파자계 내성시험, 펄스자계 내성시험, 감쇄진동자계 내성시험, 잡음단자전압 및 잡음전계강도시험, 진동 및 충격시험이다. EMC/Noise 관련시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃일 때 ZCT A상에서 최대 1 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다. 또한 진동 및 충격시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃ 일 때 ZCT B상에서 최대 2 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다.
- LCM board 회로개선 및 보호회로 추가, 내부 구조 개선, 내부 접지개선 등을 고려하여 개선품을 제작하였으며 이에 대해 강화 혹은 추가된 신뢰성 시험기준으로 KERI(Korea Electrotechnology Research Institute)에서 수행한 성능시험을 통해서 개선된 LCM이 IEC-60225, 61000 및 60068 등의 기술기준을 만족함을 확인하였다.
- 개선된 LCM을 그림 11과 같이 ‘G’ 변전소에 설치하여 성능시험을 실시한 결과, 2013년 9월～현재까지 개선된 LCM으로 교체한 후 휴전상태에서 LCM의 디스플레이 및 동작에 문제가 없었고 전력소자의 소손, 서지나 외부 노이즈 등으로 인한 기기고장이나 오동작도 없음을 확인하였다.
- 판정기준은 시험 중 오동작하지 않고 시험 후 정상동작이다. 개선품 외함에 해당 무선주파수 신호를 인가한 결과 이상이 없음을 확인할 수 있었다. 그림 6은 시험모습을 나타내고 있다.
- 판정기준은 시험 중 오동작하지 않고 시험 후 정상동작해야 한다. 개선품에 X, Y, Z 3가지 방향으로 상용주파자계를 인가한 결과 이상이 없음을 확인하였다. 그림 7은 시험모습과 시험결과 그래프를 나타낸 것이다.
- 기존품은 입출력부에서 측정된 신호를 처리하는 Op-Amp에 별도의 보호기능이 없었고 이로 인해 OP-Amp 소손 및 내부 메모리 소손이 빈번하다고 판단되었으며, 이에 신규회로에는 입출력간 250V, 입출력 신호 및 접지간 500V 이내의 전압을 견딜 수 있는 특수 사양의 OP-Amp를 사용하여 회로에 대한 보호 기능을 강화하였다. 그림 3은 기존 LCM 과 개선된 LCM간의 OP-Amp 회로를 나타낸 것이다.
- LCM board 회로개선 및 보호회로 추가, 내부 구조 개선, 내부 접지개선 등을 고려하여 개선품을 제작하였으며 이에 대해 강화 혹은 추가된 신뢰성 시험기준으로 KERI(Korea Electrotechnology Research Institute)에서 수행한 성능시험을 통해서 개선된 LCM이 IEC-60225, 61000 및 60068 등의 기술기준을 만족함을 확인하였다. 또한 개선품을 현장에 설치하여 실증시험을 수행하였고 상시 노이즈나 개폐서지 등에 대해 건전성을 유지함을 확인하였다.
- 최종시험 결과 LCM 장치가 시험기준에 부합됨을 확인하였다. 또한 개선품의 현장실증시험을 통해서 상시 노이즈나 차단기 개폐 서지 등에 대해서 건전함을 확인하였다.
- EMC/Noise 관련시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃일 때 ZCT A상에서 최대 1 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다. 또한 진동 및 충격시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃ 일 때 ZCT B상에서 최대 2 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다. 최종시험 결과 LCM 장치가 시험기준에 부합됨을 확인하였다.
- 전원이 인가된 LCM의 외함에 정전기 시험용 프루브를 이용하여 접촉 시 8kV, 외함에 인접한 기중 에 15kV 전압을 1초씩 인가하는 시험을 10회씩 실시하여 LCM의 오동작 여부를 확인한 결과 기기 동작에 이상이 없음을 확인하였다. 또한 함체의 절연확인을 위하여 그림 8과 같이 내함과 외함 간 접촉 30kV 인가시험을 추가 실시하여 내함-외함 간의 절연이 유지되고 있음을 확인하였다.
- CT 클램프 전류 값과 LCM 측정값 모두 0 ㎃(정전구간)의 전류값이 정상적으로 출력됨을 확인하였다. 또한, 차단기 개방동작시 개폐서지에 대한 외란요소에도 정상적으로 동작함을 확인하였다. 따라서 개선됨 LCM은 설치된 ‘G’ 변전소에서 건정성이 확보되어 정상동작하고 있다고 판단할 수 있다.
- 전자파 장해시험은 IEC Standard CISPR 22:2008을 기준으로 실시하였다. 먼저 잡음단자시험을 위해 제어전원회로에 비차폐 케이블을 이용해서 정격전압(AC 220 V)을 인가 한 후 0.15～0.5 ㎒ 및 0.5～30 ㎒에서 잡음의 강도를 측정한 결과, 그림 8과 같이 양 대역에서 측정결과가 기준치보다 약 20 dB 정도 낮게 측정되었다. 그림 9는 잡음단자전압시험모습과 시험과 결과그래프를 나타내고 있다.
- 또한 정전기 방전 내성시험은 공인 시험기준보다 강화된 기준을 적용하여 가혹한 환경에 따른 문제 발생 여부도 확인하였다. 시험 결과는 각 시험기준을 모두 만족하는 것으로 확인되었다. 그림 5는 개선된 LCM의 모습을 보여주고 있다.
- 시험반복시간은 10 s 이며 판정기준은 시험 중 순간적인 성능저하는 허용하나 자기회복이 되어야 하고 시험 후 정상 동작해야 한다. 시험결과 이상이 없음을 확인하였다. 상세한 시험사항은 아래 표 3와 같다
- 정전기 방전 내성시험은 IEC 61000-4-2의 기준으로 실시하되, 내함-외함간의 절연 확인을 위해 기준 외의 시험을 추가 실시하였다. 전원이 인가된 LCM의 외함에 정전기 시험용 프루브를 이용하여 접촉 시 8kV, 외함에 인접한 기중 에 15kV 전압을 1초씩 인가하는 시험을 10회씩 실시하여 LCM의 오동작 여부를 확인한 결과 기기 동작에 이상이 없음을 확인하였다. 또한 함체의 절연확인을 위하여 그림 8과 같이 내함과 외함 간 접촉 30kV 인가시험을 추가 실시하여 내함-외함 간의 절연이 유지되고 있음을 확인하였다.
- 또한 진동 및 충격시험 후 성능확인시험결과, 입력전류 1 ㎃ 일 때 ZCT B상에서 최대 2 %의 오차가 발생하였고 대부분의 경우 이보다 매우 적은 오차값을 나타내었다. 최종시험 결과 LCM 장치가 시험기준에 부합됨을 확인하였다. 또한 개선품의 현장실증시험을 통해서 상시 노이즈나 차단기 개폐 서지 등에 대해서 건전함을 확인하였다.
- 진동시험방법 및 그 기준은 주파수 범위 10 ～ 150 ㎐에서 진동응답과 진동내구로 구분하여 그 조건에 맞게 수행된다. 충격시험방법 및 그 기준 또한 정현반파 펄스로 충격응답과 충격내구로 구분하고 최대가속도를 가하여 시험을 수행 하였고 시험결과는 이상이 없음을 확인하였다. 입력전류를 0.
- 펄스자계는 외함에 X, Y, Z축 방향으로 각각 300 A/m의 자계를 인가한다. 판정기준은 시험 중 순간적인 성능저하는 허용하나 자기회복이 되어야 하고 시험 후 정상 동작이며 시험결과 이상이 없음을 확인하였다. 아래 표 4은 시험결과를 나타낸 것이다
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