[논문]결상 시 누전전류 발생과 오동작 방지 기능을 갖는 결상보호기 개발에 관한 연구

곽동걸

doi:10.5370/kiee.2015.64.1.182

결상 시 누전전류 발생과 오동작 방지 기능을 갖는 결상보호기 개발에 관한 연구
A Study on Development of Open-Phase Protector Having Leakage Current Generation and Incapable Operation Prevention at Open-Phase Accident 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.1, 2015년, pp.182 - 187

곽동걸 (Graduate School of Disaster Prevention, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In the three-phase power system, when any one-phase or two-phases is open-phase, the unbalanced current flows and the single-phase power supplies to three-phase loads. Specially, motor coil and transformer coil receive over-current. As a result, great damage as well as electrical fire can occur to the power system. In order to improve these problems, this paper proposes that an open-phase detection device is designed by a new algorithm using electric potential difference between the resultant voltage of neutral point and ground, and a control circuit topology of open-phase protector is composed of highly efficient semiconductor devices. It improves response speed and reliability. The control algorithm circuit also operates the cut-off of a conventional residual current protective device (RCD) which flows an enforced leakage current to ground wire at open-phase accident. Furthermore, time delay circuit is added to prevent the incapable operation of open-phase protector about instantaneous open-phase not open-phase fault. The time delay circuit improves more reliability.

주제어

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문제 정의

제안한 개선된 결상보호기는 삼상 성형 결선한 수동소자의중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계한다는 점에서는 기 제안된 결상보호기와 동일한 점은 있으나, 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘 회로를 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어진다. 또한 제안한 개선된 결상보호기는 결상사고가 아닌 순간적인 결상 또는 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 동작을 방지하기 위한, 오동작 방지용 시간지연 회로를 첨부하여 상기의 결상보호기 문제점을 해결하고 보호기의 실용성과 신뢰성을 향상시키고자 한다.
본 논문에서는 실용성이 우수하고 현장 적응력이 강인한 개선된 결상보호기를 제안하였다. 제안한 결상보호기는 3상 성형 결선한 수동소자의 중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계하였으며, 특히 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘을 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반 등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어졌다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 논문에서는 실용성이 우수하고 현장 적응력이 강인한 개선된 결상보호기를 제안하고자 한다. 제안한 개선된 결상보호기는 삼상 성형 결선한 수동소자의중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계한다는 점에서는 기 제안된 결상보호기와 동일한 점은 있으나, 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘 회로를 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어진다.

제안 방법

그러나 제안된 결상보호기는 전동기 제어반에 설치되어, 결상사고 시에 결상보호기가 동작하고 제어반에 설치된 전자접촉기를 트립(trip) 차단시키는 제어 알고리즘으로 설계되었다[9]. 이는 결상보호기 자체에 차단장치가 없으므로 전동기 제어반의 차단장치를 이용한 것으로써, 3상 전동기 부하가 아닌 3상 전력계통이나 분전반 등에서는 설치가 불가능한 문제점을 가졌다.
그리고 결상사고가 아닌 순간적인 결상 또는 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 예민한 오동작을 방지하기 위하여, 제어회로의 반도체 스위칭소자 SCR의 게이트(gate) 단자에 RC 적분회로와 제너다이오드를 이용하여 오동작 방지용 시간지연 회로를 설계하여 해결하였다.
그리고 결상사고가 아닌 순간적인 결상이나 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 예민한 트립동작을 방지하기 위하여, 릴레이(RL)의 동작용 스위칭소자 SCR의 게이트 단에 RC 적분기를 사용하여 RC시정수를 이용한 시간지연 회로를 설계하였고 제너다이오드 D_z를 이용하여 SCR의 예민한 트리거 동작을 예방하였다. RC시정수는 통상 결상사고 시 2～3 사이클에서 결상 보호기의 동작을 고려하여 30 ms ～50 ms로 설계하면 적정하다.
제안한 결상보호기는 3상 전원 R, S, T 각 라인에 동일 용량의 커패시터를 성형 결선하여 3상 합성전위와 접지(G)간의 전위차를 이용하여 결상을 검출하고[9], 고속의 반도체 소자들을 이용하여 제어회로를 구성하였다. 또한 3상 다이오드 성형회로를 이용하여 결상 사고 시에 접지선으로 강제적인 누전전류를 발생하기 위한 누전전류 발생회로를 결부하였다. 이는 각종 3상 전력 시스템이나 분전반 등에 기 설치된 누전차단기(RCD)를 결상 사고 시에 차단기로 활용할 수 있다는 특징이 주어진다.
제안한 결상보호기는 3상 성형 결선한 수동소자의 중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계하였으며, 특히 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘을 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반 등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어졌다. 또한 제안한 결상보호기는 결상사고가 아닌 순간적인 결상 또는 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 오동작을 방지하기 위한, 오동작 방지용 시간지연 회로를 첨부하여 결상보호기의 실용성과 신뢰성을 향상시켰다.
그림 2는 인위적인 1상 결상에 대한 열동 과전류계전기의 동작성능을 분석하기위한 동작파형을 나타낸다. 열동 과전류계전기는 계전기 제조 전문기업에서 생산된 두 제품(A사, B사)을 사용하였고, 측정범위는 정격전압 380V, 1.5kW (2HP)급 3상 권선형 유도전동기/발전기(M/G세트)를 사용하였으며 정상적인 운전상태에서 인위적으로 1상 결상을 유도하여 측정하였다. 여러 차례의 측정 분석을 통하여 1상 결상에 대해 열동 과전류계전기들은 평균 7～12초에서 트립동작이 이루어졌다.
본 논문에서는 실용성이 우수하고 현장 적응력이 강인한 개선된 결상보호기를 제안하였다. 제안한 결상보호기는 3상 성형 결선한 수동소자의 중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계하였으며, 특히 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘을 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반 등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어졌다. 또한 제안한 결상보호기는 결상사고가 아닌 순간적인 결상 또는 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 오동작을 방지하기 위한, 오동작 방지용 시간지연 회로를 첨부하여 결상보호기의 실용성과 신뢰성을 향상시켰다.
제안한 결상보호기는 3상 전원 R, S, T 각 라인에 동일 용량의 커패시터를 성형 결선하여 3상 합성전위와 접지(G)간의 전위차를 이용하여 결상을 검출하고[9], 고속의 반도체 소자들을 이용하여 제어회로를 구성하였다. 또한 3상 다이오드 성형회로를 이용하여 결상 사고 시에 접지선으로 강제적인 누전전류를 발생하기 위한 누전전류 발생회로를 결부하였다.
제안한 결상보호기는 여러 차례의 사고발생 실측분석을 통해 그 성능과 동작특성이 입증되었으며, 제어장치의 구조와 제어방식이 간단하여 소형․경량으로 설계제작이 가능한 장점이 주어졌다. 그 결과 제안한 결상보호기는 전력계통에서의 결상이나 전압 불평형에 의한 전기화재를 최소화시키고, 이상전압 발생에 의한 전력계통의 불안정한 운전을 해소시켜 각종 전기사고를 예방할 것으로 기대된다.

성능/효과

그림 9는 상기의 전동기 부하조건에서 2상 결상사고를 유도하여 측정한 동작 특성파형을 나타낸다. 2상 결상사고가 발생하고 제안한 결상보호기가 동작하여 3상 전원을 차단시키는데 까지 42 ms가 소요되는 양호한 동작특성을 보였다.
여러 차례의 동작특성을 분석한 결과, 1상 결상에 대해 제안한 결상보호기는 평균 32～50 ms의 양호한 차단동작시간을 가졌으며, 각종 2상 결상에 대해서도 결상보호기는 평균 28～45 ms의 우수한 동작성능을 보였다. 또한 제안한 결상보호기는 결상 사고시 기존의 RCD를 동작시키기 위하여 강제적인 단락회로가 형성되지만 출력단 PTC 서미스터에 의해 누전전류는 약 수십 mA로써, 접지전류로 인한 접지전압의 상승이 거의 무시되어 인체나 전력계통에는 아무런 영향을 미치지 않았다.
회로구성이 간단하여 소형․경량으로 제작되고 설치가 용이한 장점이 있다. 또한 제안한 결상보호기는 기술적 제어원리가 간단하고, 고속형 반도체 소자들을 이용한 구조로 설계되어 감지속도가 우수하고 정밀도가 높아 그 신뢰성이 증대되는 이점이 주어진다. 표 2는 제안한 결상보호기의 설계에 사용된 소자부품의 회로 정수값을 나타낸다.
여러 차례의 동작특성을 분석한 결과, 1상 결상에 대해 제안한 결상보호기는 평균 32～50 ms의 양호한 차단동작시간을 가졌으며, 각종 2상 결상에 대해서도 결상보호기는 평균 28～45 ms의 우수한 동작성능을 보였다. 또한 제안한 결상보호기는 결상 사고시 기존의 RCD를 동작시키기 위하여 강제적인 단락회로가 형성되지만 출력단 PTC 서미스터에 의해 누전전류는 약 수십 mA로써, 접지전류로 인한 접지전압의 상승이 거의 무시되어 인체나 전력계통에는 아무런 영향을 미치지 않았다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 논문에서는 실용성이 우수하고 현장 적응력이 강인한 개선된 결상보호기를 제안하고자 한다. 제안한 개선된 결상보호기는 삼상 성형 결선한 수동소자의중성점 합성전위와 접지 간의 전위차를 이용한 알고리즘으로 결상 검출회로를 설계한다는 점에서는 기 제안된 결상보호기와 동일한 점은 있으나, 결상사고 시에 강제적인 누전전류를 접지선으로 흘러 기존의 누전차단기를 동작시키는 제어 알고리즘 회로를 부여하여, 산업현장이나 건축물의 3상 전력시스템 또는 분전반등 다양하게 사용이 용이한 특징이 주어진다. 또한 제안한 개선된 결상보호기는 결상사고가 아닌 순간적인 결상 또는 일시적인 전압불평형에 대해서 결상보호기의 동작을 방지하기 위한, 오동작 방지용 시간지연 회로를 첨부하여 상기의 결상보호기 문제점을 해결하고 보호기의 실용성과 신뢰성을 향상시키고자 한다.
제안한 개선된 결상보호기를 그림 3에 나타낸다. 제안한 결상보호기는 결상 시 누전전류 발생과 오동작 방지 기능을 첨부한 개선된 결상보호기라 할 수 있다.
제안한 결상보호기의 동작원리를 살펴보면, 정상상태에서는 성형 결선된 3상 커패시터의 중성점 전압과 3상 다이오드 성형회로의 중성점 전압이 0 V이므로 이상전압 검출없이 안정상태가 유지된다. 그러나 결상이나 3상 전압불평형이 발생하면 성형 결선된 3상 커패시터(C₁～C₃)의 중성점 전압이 나타나게 되고 다이오드 전파정류기(D_a ～D_d)에 의한 전해 커패시터 C₄에는 직류전압이 발생된다.

후속연구

제안한 결상보호기는 여러 차례의 사고발생 실측분석을 통해 그 성능과 동작특성이 입증되었으며, 제어장치의 구조와 제어방식이 간단하여 소형․경량으로 설계제작이 가능한 장점이 주어졌다. 그 결과 제안한 결상보호기는 전력계통에서의 결상이나 전압 불평형에 의한 전기화재를 최소화시키고, 이상전압 발생에 의한 전력계통의 불안정한 운전을 해소시켜 각종 전기사고를 예방할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일본전기협회에서 발표한 통계에서 산업현장의 전동기 고장원인에는 무엇이 있는가?	3상 전력계통에서 상간 단락이나 결상사고가 발생하면 계통에는 불평형 전류가 흐르거나 단상전력이 공급되어 3상 부하 특히, 전동기 코일 또는 변압기 코일에 과전류가 발생하여 화재발생은 물론 전력계통에 큰 피해를 주게 된다. 일본전기협회에서 발표한 통계에 의하면 산업현장의 전동기 고장원인은 결상, 과부하, 축의 마모, 절연노화 등으로 분석하고 있으며, 축의 마모나 절연물의 노화 등 기계적인 원인은 어느 정도 수명을 예측하여 사전에 열화에 의한 고장이나 정전 예방이 가능하나, 결상에 의한 과부하의 경우는 불시에 발생하므로 예측이 불가능하여 전기화재의 주요 요인으로 분류하고 있다. 또한 이에 대한 별도의 보호 방안을 마련하는 것이 매우 중요하다[3-5].
	1상 결상 또는 2상 결상이란 무엇인가?	전동기 부하 등 3상 전력기기를 사용하는 전력계통에서 1상 또는 2상이 단선되어 전력이 공급되는 상태를 1상 결상 또는 2상 결상이라 말하며, 산업현장에서 3상 부하로 주로 사용되는 3상 전동기는 1상 결상사고가 대다수이다. 이러한 3상 전동기의 1상 결상은 전동기의 기동과 정지를 담당하는 전자접촉기(electromagnetic contactor)의 노후와 잦은 사용으로 인한 접점의 접촉불량에서 주로 발생하는 것으로 보고된다.
	3상 전력을 사용하는 산업현장이나 대형 건물에 있어, 1상 결상 또는 2상 결상사고로 인해 발생하는 피해규모가 매년 증대되는 원인은 무엇으로 분석되는가?	3상 전력을 사용하는 산업현장이나 대형 건물에 있어, 1상 결상 또는 2상 결상사고로 인해 발생하는 피해규모는 매년 증대되는 추세이다. 이는 결상으로 인한 전압불평형, 과부하, 절연노화 등이 주요 요인으로 분석된다[1, 2]. 3상 전력계통에서 상간 단락이나 결상사고가 발생하면 계통에는 불평형 전류가 흐르거나 단상전력이 공급되어 3상 부하 특히, 전동기 코일 또는 변압기 코일에 과전류가 발생하여 화재발생은 물론 전력계통에 큰 피해를 주게 된다.

참고문헌 (9)

NEMA, “National Fire Statistics Analyses”, 2013.
KESCO, “Electric Disaster Statistics Analyses”, 2013.
Y. Yamagata, S. Nishiwaki, T. Koshizuka, N. Takahashi, and M. Kosakada, “Ferro resonance by Open-Phase on Transformer with Delta Winding and Grounded Neutral”, Transmission and Distribution Conference IEEE/PES, Vol. 1, No. 1, pp. 292-296, 2002.
Ogawa Yoshihiko, “Protection System of 3-Phase Induction Motor”, Japan Electric Engineer’s Association-Electric Technique Lecture, No. 8, pp. 1-6, 2010.
R. N. Anderson, “What Came First? The Arc Bead or the Fire?”, EC&M 100, pp. 20-21, 2001.
LSIS co., “Technical Data of ELB, MCCB and THR ”, 2012.
S. H. Kim, “Why do the low voltage motor must doopen-phase protection?” Instrumentation Technology, No. 11, 2002.
K. W. Kang, M. O. Yoon, S. H. Gu, and Y. J. Song, “A Study on the Reliability Improvement Plan on Electric Leakage & Ground Fault of Low-voltage Electrical Line”, Fire Sci. Eng., Vol. 25, No. 6, pp. 136-145, 2011
S. H. Choi, D. K. Kwak, and J. H. Kim, “A Study on Device Development for Electrical Fire Protection on Open Phase of Three-Phase Motor”, Fire Sci. Eng., Vol.26, No. 1, pp. 61-67, 2012.

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].

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