[논문]서지 보호기의 열화 특성과 온라인 진단장치

박경수; 왕국명; 황성철; 김선재; 길경석

doi:10.4313/jkem.2016.29.10.635

서지 보호기의 열화 특성과 온라인 진단장치
Deterioration Characteristics and an On-Line Diagnostic Equipment for Surge Protective Devices 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.10, 2016년, pp.635 - 640

박경수 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 왕국명 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 황성철 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 김선재 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 길경석 (한국해양대학교 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper dealt with the deterioration characteristics and an on-line diagnosis equipment for SPDs (surge protective devices). An accelerated aging test was carried out using a $8/20{\mu}s$ standard lightning impulse current to analyze the changes of electrical characteristics and to propose the diagnostic parameters and the criterion for deterioration of ZnO varistor which is the core component of SPDs. Based on the experimental results, an on-line diagnosis equipment for SPD was fabricated, which can measure the total leakage current, reference and clamping voltage. The leakage current measurement circuit was designed using a low-noise amplifier and a clamp type ZCT. A linear controller, the leakage current measurement part and a HVDC were used in the measurement of reference voltage. The measurement circuit of clamping voltage consisted of a surge generator and a coupling circuit. In a calibration process, measurement error of the prototype equipment was less than 3%.

주제어

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문제 정의

산화아연형 바리스터는 열화진전에 따라 전체 및 저항분 누설전류가 증가하고, 기준 전압과 제한 전압의 감소가 일반적이다. 따라서 본 논문에서도 뇌충격 전류에 의한 가속 열화실험으로부터 이들 지표의 변화를 분석하였다.
본 논문에서는 서지 보호기용 on-line 상태 진단장치의 설계 및 제작에 관한 연구를 수행하였다. 산화아연형 바리스터의 전기적 특성 변화의 분석, 측정 파라미터 및 건전성 기준을 제시하기 위하여 가속 열화 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 서지보호기의 열화 특성 및 on-line 진단장치에 관하여 기술하였다.

제안 방법

선형제어부는 직류 고전압발생장치의 출력 전압을 조절하는 부분이다. PWM 제어에 따라 아날로그 신호(0 ~ 4 V)를 고전압 발생장치의 전압제어 단자에 인가하여 출력전압(0 ~ 1.5 kV)을 조절하였다.
가속 열화 실험을 통해 열화 진전에 따른 전기적 특성 변화, 건전성 기준 및 측정 파라미터를 선정하였다. 표준 뇌 충격전류(8/20 μs, 10 kA)를 군단위로 1 set(20회)씩 인가하고, 30분 동안 자연 냉각하였다.
전압 및 전류 포트로 측정된 데이터는 DAQ(수직분해능 : 8 bit)를 통해 아날로그 - 디지털 정밀 변환을 하여 display module로 전송된다. 그래픽 기반의 프로그램인 LabVIEW로 제어되며, 표준 상태 머신(standard state machine)구조로 측정 모드(대기, 누설전류, 기준 전압, 제한 전압)에 따라 동작하도록 설계하였다.
누설전류는 220 V_DC, 220 V_AC를 인가하고 저항분 및 전체 누설전류를 측정하였다. 기준 전압은 직류 고전압 발생장치로 전압을 증가시켜 1 mA가 흐를 때 바리스터 양단 전압을 측정하였다. 제한 전압은 표준 뇌 충격전류(0.
누설전류, 기준 전압 및 제한 전압을 측정하기 위하여 그림 2와 같이 실험계를 구성하였다. 누설전류는 220 V_DC, 220 V_AC를 인가하고 저항분 및 전체 누설전류를 측정하였다. 기준 전압은 직류 고전압 발생장치로 전압을 증가시켜 1 mA가 흐를 때 바리스터 양단 전압을 측정하였다.
누설전류를 검출하기 위해 그림 6(a)와 같이 측정회로를 설계하였다. 누설전류의 크기가 미소하고, 고조파로 인한 노이즈가 발생하므로 저잡음 증폭회로를 설계하였다. 고감도 연산증폭기(DC ∼ 1 kHz)를 사용하여 최대 60 dB까지 증폭이 가능하다.
바리스터의 온도가 18 ∼ 20℃가 될 때, 누설전류, 기준 전압 및 제한 전압을 측정하였다.
본 논문에서는 서지 보호기용 on-line 상태 진단장치의 설계 및 제작에 관한 연구를 수행하였다. 산화아연형 바리스터의 전기적 특성 변화의 분석, 측정 파라미터 및 건전성 기준을 제시하기 위하여 가속 열화 실험을 수행하였다. 이를 근거로 진단장치를 제작한 후, 실험을 통해 적용성을 평가하였다.
서지발생장치는 표준 뇌 충격전류(8/20 μs, 0.5 kA)가 발생되도록 설계하였다.
진단장치의 성능을 검증하기 위하여 적용 실험을 수행하였다. 신품 및 열화된 바리스터로 독립 실험계와 제작한 진단장치로 누설전류, 기준 전압 및 제한 전압을 비교하였다. 독립 실험계는 가속 열화 실험과 동일한 방법이다.
열화진단을 위한 파라미터는 전체 누설전류, 기준 전압 및 제한 전압이며, 이를 측정하기 위한 회로를 설계하였다.
산화아연형 바리스터의 전기적 특성 변화의 분석, 측정 파라미터 및 건전성 기준을 제시하기 위하여 가속 열화 실험을 수행하였다. 이를 근거로 진단장치를 제작한 후, 실험을 통해 적용성을 평가하였다.
기준 전압은 직류 고전압 발생장치로 전압을 증가시켜 1 mA가 흐를 때 바리스터 양단 전압을 측정하였다. 제한 전압은 표준 뇌 충격전류(0.5 kA)를 인가할 경우, 바리스터 양단 전압을 측정하였다.
기준 전압 측정회로는 그림 6(b)와 같이 연산부(DAQ unit), 선형 제어부(micro processing unit, MPU), 직류 고전압 발생부 및 누설전류 측정부로 구성된다. 직류 전압을 증가시켜 저항분 누설전류 1 mA 흐를 때, 바리스터 양단 전압을 측정하도록 설정하였다. 선형제어부는 직류 고전압발생장치의 출력 전압을 조절하는 부분이다.
진단장치의 성능을 검증하기 위하여 적용 실험을 수행하였다. 신품 및 열화된 바리스터로 독립 실험계와 제작한 진단장치로 누설전류, 기준 전압 및 제한 전압을 비교하였다.
5 kA)가 발생되도록 설계하였다. 커플링 회로는 전원전압이 장비에 인가되어 소손될 위험이 있으므로 고역 통과 필터(high-pass filter)로 구성하였다.
표준 뇌 충격전류(8/20 μs, 10 kA)를 군단위로 1 set(20회)씩 인가하고, 30분 동안 자연 냉각하였다.

데이터처리

시 제작 진단장치의 성능을 검증하기 위하여 진단장치 및 독립 실험계의 측정값을 비교하였다. 오차율은 약 3% 미만으로 누설전류에서 큰 차이가 발생하고, 이는 전원 품질에 의한 차이로 판단된다.

성능/효과

열화 진전에 따라 전체 누설전류는 초기의 증가율은 4% 미만으로 변화가 거의 없었고, 열화가 진전될 때 10% 이상 증가하였다. 기준 전압은 열화 초기 감소율은 2.1% 미만으로 일정한 값을 유지하였고, 열화가 진전될 때 5% 이상 감소하였다. 각각 10% 이상 변화 시, 열화는 지수 함수적으로 급격히 진행되고, 보호 기능을 상실하거나 열폭주로 파괴되므로 교체가 필요하다.
규격에 바리스터의 기준 전압이 ± 10% 이상 감소하면 수명이 다했다는 내용이 명시되어있다 [1]. 실험 결과, 10%이상 감소할 때, 저항분 누설전류의 증가로 열화가 가속화되었다. 열화 상태를 판단하기 위하여 규격에서 제시한 기준에 따라 교체 시기의 결정이 가능하다.
열화 진전에 따라 전체 누설전류는 초기의 증가율은 4% 미만으로 변화가 거의 없었고, 열화가 진전될 때 10% 이상 증가하였다. 기준 전압은 열화 초기 감소율은 2.

후속연구

오차율은 약 3% 미만으로 누설전류에서 큰 차이가 발생하고, 이는 전원 품질에 의한 차이로 판단된다. 이들 결과로부터 on-line 상태에서 서지 보호기의 상태 진단에 충분히 활용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서지 보호기는 어떠한 요인으로 열화가 진전되는가?	서지 보호기는 반복적인 보호 동작 및 환경적 요인으로 열화가 진전된다. 누설전류의 증가로 정상 운전 전압에서 열폭주(thernal runaway)에 도달하며 지락 및 화재 등의 2차 사고를 유발한다 [2].
	서지 보호기는 어떠한 역할을 하는가?	낙뢰 및 서지로부터 전력 계통을 보호하기 위하여 서지 보호기(surge protective device, SPD)를 설치한다. 서지 보호기는 피보호기기와 직 · 병렬로 설치되며 이상전압을 절연내력 이하로 낮춰주는 역할을 한다. 그 중 보호 성능 및 비선형 저항 특성이 우수한 산화아연형 바리스터(zinc oxide varistor)가 많이 사용된다 [1].
	서지 보호기로 무엇이 많이 사용되는가?	서지 보호기는 피보호기기와 직 · 병렬로 설치되며 이상전압을 절연내력 이하로 낮춰주는 역할을 한다. 그 중 보호 성능 및 비선형 저항 특성이 우수한 산화아연형 바리스터(zinc oxide varistor)가 많이 사용된다 [1].

참고문헌 (9)

R. B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages, 1st ed. (John Wiley & Sons, New York, 1989) p. 133-138.
A. Haddad and D. F. Warne, Advances in High Voltage Engineering, 1st ed. (The Institution of Engineering and Technology, London, 2004) p. 201-205. [DOI: http://dx.doi.org/10.1049/PBPO040E]
Y. S. Kim, Trans. Electr. Electro. Mater., 16, 317 (2015). [DOI: http://dx.doi.org/10.4313/TEEM.2015.16.6.317]

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S. G. Lee, H, M. Cho, J. D. Lee, and S. M. Park, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 18, 1111 (2005).
S. S. Kim, H. G. Cho, T. G. Park, C. H. Park, S. Y. Jung, and B. K. Kim, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 15, 190 (2002).
G. S. Kil, J. S. Han, J. Y. Song, M. J. Kim, J. B. Kim, and H. G. Cho, J. Tras. Korean Inst. Electr. Eng., 51C, 152 (2002).
J. H. Lee, J. S. Han, G. S. Kil, J. W. Kwon, D. Y. Song, and N. S. Choi, J. Korean Ins. Infor. Commu. Eng., 4, 793 (2000).
J. S. Han, M. Eng. Thesis, p. 35-51, Korea Maritime and Ocean University, Busan (2003).
G. S. Kil and Y. S. Kim, J. Korean Soc. Marine Eng., 21, 387 (1997).

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