KR20080017801A - 배전선로의 고장지점 현장 식별장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배전선로의 고장지점을 현장에서 육안으로 검출하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배전선로의 중성선에 흐르는 전류를 이용하여 상시 충전을 하여 배전선로 고장지점 현장 식별기의 전원으로 사용하고, 고장전류 발생 시는 고장전류의 흐름방향을 램프에 일정시간 점등하게 함으로써 현장에서 쉽게 사고 발생지점을 인지하게 하는 배전선로의 고장지점 현장 식별장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치는3상 4선식 전력 시스템의 3상 교류 전원과 부하 사이를 연결하는 중성선(neutral)상에 일정 간격으로 설치되어 중성선 상에 흐르는 고조파 및 영상고장전류를 검출하는 영상변류기(Z-CT); 상기 영상변류기에서 검출한 중성선에 흐르는 고조파 성분을 직류 전압으로 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 정류된 직류전류를 이용하여 배터리를 충전시키는 충전부; 상기 배전선로의 중성선(n)에 흐르는 영상고장전류의 파장을 검출하여 중성선의 영상변류기(Z-CT)의 2차전압에 나타나는 극성을 판별함으로써, 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)로 변환하는 고장전류감지부; 및 상기 충전부에서 충전된 배터리의 전원에 의해 고장전류감지부에서 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)에 대응되는 색으로 각각 식별 가능하도록 표시하는 한 쌍의 램프를 포함하여 이루어지는 것을 특징적 구성으로 한다.

중성선, 고조파, 누설전류, 램프, 가로등, 현장식별, 고장, 전류

Description

배전선로의 고장지점 현장 식별장치{A distinguishable device of Fault Locating for distribution line}

도 1은 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치의 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치의 등가회로를 나타내는 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치의 사고지점을 나타내는 개념도.

본 발명은 배전선로의 고장지점을 현장에서 육안으로 검출하는 장치에 관한 것이다.

널리 알려진 바와 같이, 변전소로부터 수용가로 전력을 공급하는 배전선로는 송전선로와는 달리 수많은 수용가에 각각 전력을 공급해야 하기 때문에 그 구성은 복잡한 간선 및 지선들로 이루어진다. 따라서, 배전선로 상에 지락(전선이 끊어져 땅에 붙어 접지되는 경우) 또는 단락(서로 다른 상의 전선들이 붙는 경우) 사고가 발생하여 고장 전류가 발생하는 경우, 그 사고가 발생한 고장점의 위치를 찾기 위해서는 많은 노력이 필요하게 된다.

종래에는 배전선로에 고장 전류가 발생하는 경우, 고장 전류가 발생한 고장점을 찾기 위하여 변전소 차단장치를 동작시켜 가면서 현장의 조작자와 변전소 관리자가 주로 통신 수단을 이용하여 사고 지점에 관한 정보를 서로 교환함으로써 고장점을 찾는 것이 보편화된 방법이었다.

그러나, 상기와 같은 방법의 경우 많은 시간과 인력이 소모되며 복구 시간이 길어짐에 따라 정전 시간이 길어져, 전력 소비자의 큰 불편을 초래하는 문제가 빈번하게 발생하였다. 이에 따라, 배선 선로의 사고 발생시 그 고장점의 위치를 신속히 파악하고 복구하여 정전 시간을 단축함으로써 전력 공급의 신뢰성과 수용가에 대한 서비스의 질을 향상시킬 수 있는 방법이 요구되어 왔다.

우리 나라의 배전방식은 3상 4선식 다중접지방식으로 지락사고가 발생할 경우, 중성선에 흐르는 지락전류가 단락전류보다 클 수 있는 문제가 있다. 일반적인 변전계통에서, 부하용량 4000[kVA] 이하의 분기점 또는 수용가 인입구에 선로 자동개폐기가 설치되어 있다.

상기 선로 자동개폐기는 지락사고가 발생하는 경우, 변전소의 차단기와 배전 선로에 설치된 선로개폐 제어장치인 리클로저(RECLOSER)와 협조하여 고장 구간만을 신속, 정확하게 차단 혹은 개방하여 고장 구간의 확대를 방지하고 그 피해를 최소화한다.

상기와 같이, 배전선로에 사고가 발생하여 고장 전류가 감지되는 경우, 상기 고장 전류가 발생한 고장점을 분리하여 차단시키는 장치로는 차단기, 개폐기, 리클로저가 있다. 이하, 그 기능에 대하여 약술하기로 한다.

차단기(Circuit Breaker, CB)는 배전선로로부터 매우 큰 크기의 고장 전류가 감지될 때 선로를 개방(Open) 또는 폐로(Close)할 수 있다. 또한, 필요에 따라 정상 전류가 흐르는 평소에도 선로를 개폐할 수도 있다.

개폐기(Load Break Switch, LBS)는 차단기와는 달리, 전류가 흐르지 않거나 정상 전류가 흐를 경우에만 선로 개폐가 가능하고, 고장 전류가 발생하는 경우에는 선로 개폐를 할 수 없는 장치를 의미한다. 개폐기에는 그 동작 제어를 위하여 FRTU(Feeder Remote Terminal Unit)라고 불리는 일종의 제어부를 설치할 수 있다. 즉, FRTU는 개폐기의 기계 장치부와 연결되어 개폐기의 선로 개폐를 제어하는 장치이다. 단, FRTU는 개폐기를 통한 선로 개폐를 스스로 판단하여 매커니즘을 제어하는 것이 아니고, 통신 기능을 통해 호스트(주제어장치)로부터 명령을 받아서 메커니즘을 제어할 수 있다.

리클로저(Recloser)는 선로의 재폐로를 수행하는 특수한 형태의 차단기이다. 배전선로로부터 고장 전류가 감지되고 일정 범위 이상 지속되면 리클로저는 선로를 개방하고, 미리 설정된 일정 시간이 지난 후에 선로를 다시 폐로한다. 선로 폐로후에도 고장 전류가 계속 감지되면, 리클로저는 상기와 같은 선로의 재폐로 과정을 미리 설정된 회수만큼 반복하고, 그 후에도 고장 전류가 지속되면 선로를 완전히 개방시키고 더 이상 재폐로 동작을 수행하지 않는다.

그런데 배전선로에서 선로고장이 발생하였을 때 배전관리시스템(400) 또는 운영실 담당자의 판단에 의거하거나, 또는 배전선로 고장구간 자동분리 프로그램에 의거 해당 선로의 개폐기 2대를 OFF하고, 연계된 타 선로의 개폐기를 투입하는 작업을 하게 된다.

현재, 배전선로 고장구간 자동분리 프로그램이 되어있으나 활성화가 안 되는 이유로써, 고장전류의 크기, 사고 장소, 사고원인 및 지역적 특성에 따라서 많은 변수가 있기 마련이다.

따라서 배전배전관리시스템 또는 배전운영실의 담당자의 고장구간 판단 시간이 불가피한 실정이다.

시뮬레이션에 의한 교육의 부족과 사고라는 것은 상시 일어나는 것이 아니므로 인간은 고장 구간의 판단 오류 즉, 휴먼 에러에 의한 고장구간 분리시간을 지연시키는 경우도 있다.

현재까지의 고장전류의 크기만을 검출하는 종래의 방법의 한계인 것이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로써,

첫째, 중선선에 흐르는 불필요한 전류를 이용하여 가로수 조명등의 전원으로 활용하게 하는 것을 목적으로 한다.

둘째, 상기 중성선에 흐르는 고조파를 이용하여 고장전류 발생 시는 고장전류의 흐름방향을 LED 램프에 일정시간 점등하게 함으로써 현장에서 쉽게 사고 발생지점을 인지하게 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치는3상 4선식 전력 시스템의 3상 교류 전원과 부하 사이를 연결하는 중성선(neutral)상에 일정 간격으로 설치되어 중성선 상에 흐르는 고조파 및 영상고장전류를 검출하는 영상변류기(Z-CT); 상기 영상변류기에서 검출한 중성선에 흐르는 고조파 성분을 직류 전압으로 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 정류된 직류전류를 이용하여 배터리를 충전시키는 충전부; 상기 배전선로의 중성선(n)에 흐르는 영상고장전류의 파장을 검출하여 중성선의 영상변류기(Z-CT)의 2차전압에 나타나는 극성을 판별함으로써, 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)로 변환하는 고장전류감지부; 및 상기 충전부에서 충전된 배터리의 전원에 의해 고장전류감지부에서 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)에 대 응되는 색으로 각각 식별 가능하도록 표시하는 한 쌍의 램프를 포함하여 이루어지는 것을 특징적 구성으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 구성에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 중성선 전류를 이용한 조명등은 기본적으로 영상변류기(10), 정류부(20), 고장전류감지부(25), 과전압 감지부(30), 충전부(40), 배터리(50), 램프(60) 등으로 이루어진다.

상기 영상변류기(10)는 중성선(neutral)(100)상에 설치되어 중성선 상에 흐르는 전류를 검출하는 것으로, 상기 영상변류기(10)는 일반적으로 원형공이 형성된 원통형 계철 철심(코아) 또는 영구자석에 전류 검출을 위한 2차측 코일을 감이하고 그 원형공으로는 전력선을 관통시켜 전력선에 흐르는 전류를 자기 변환으로 2차측의 소전류로 변환 시키는 일종의 트랜스포머이다.

따라서 상기 영상변류기(10)가 중성선(100)에 흐르는 고조파 전류를 감지하여 검출하면, 이를 직류전류로 정류하기 위해 정류부(20)를 구비한다.

상기 정류부(20)는 영상변류기(10)로부터 유입되는 고조파 전류를 반파 혹은 전파정류를 통해 직류전류로 변환시키기 위한 정류회로가 구비된 것으로, 상기 정 류부는 바람직하게는 충전부의 과충전을 방지하기 위한 제1 및 2제너다이오드(도시되지 않음)와, 교류전류를 직류전류로 정류하기 위한 브릿지 회로(도시되지 않음)로 이루어진다.

상기와 같은 정류부(20)의 구성은 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 고장전류감지부(25)는 배전선로의 중성선(n)에 흐르는 영상고장전류의 파장을 검출하여 중성선의 영상변류기(Z-CT)의 2차전압에 나타나는 극성을 판별함으로써, 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)로 변환하는 역할을 한다.

여기서 상기 정류뷰(20)에서 출력되는 전압을 안정화시켜 출력하고, 출력전압이 일정값 이상으로 상승하는 경우에 이에 해당하는 과전압 방지 신호를 출력하는 과전압 감지부(30)를 구비하게 된다.

상기 과전압 감지부(30)는 일측 단자가 상기 정류부의 출력단에 연결된 저항(R1,R2,R5)과, 애노드 단자가 상기 저항(R1)의 타측 단자에 연결된 포토 다이오드(PD)와, 캐소드 단자가 상기 포토 다이오드(PD)의 캐소드 단자에 연결되고 애노드 단자가 접지된 제너 다이오드(ZD1)와, 일측 단자가 상기 저항(R3)과, 애노드 단자가 상기 사이리스터(CR1)의 케이트 단자에 연결되고 타측단자가 접지된 저항(R4)과, 캐소드 단자가 상기 저항(R5)의 타측 단자에 연결된 제너 다이오드(ZD2)와, 일측 단자가 상기 제너다이오드(ZD2)의 애노드 단자에 연결되고 타측 단자가 접지된 캐피시터(C2)로 이루어지는 공지된 기술을 이용하여 정류부의 전압이 과도하게 상승되는 것을 감지하게 된다.

상기 과전압 감지부(30)에는 과전압 감지부에서 출력되는 과전압 방지 신호에 따라 상기 정류부(20)에서 충전부(40)로 인가되는 전압의 전송로를 차단 및 형성하는 스위칭부(도시되지 않음)를 별도로 구성할 수 있다.

상기 충전부(40)는 정류부로부터 공급받은 전원을 변압하여 배터리(50)를 충전시키는 역할을 하게 된다.

상기 배터리(50)는 바람직하게는 사용 후 재충전이 가능한 2차전지로 이루어진다.

상기 2차전지는 충전부로부터 충전되어 램프에 전원을 공급하는 역할을 한다.

상기 2차전지는 바람직하게는 니켈 수소(NI-MH; Nikel MetalHide)배터리, 니켈 카드뮴 전지(Nikel Cadmium cell), 리튬-이온(lithium-ion)배터리, 접시형 전지 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 상기 2차전지는 내장형 또는 사용자가 삽입 및 탈락이 가능한 배터리 일 수 있다.

상기 배터리(50)는 2차전지 대신에 고압콘덴서로 구현할 수도 있는 데, 상기 고압콘덴서는 2차전지의 경우 전기분해에 의해 내부가 서서히 산화되고, 어느 정도 충전 및 방전이 계속되면 산화피막이 형성되어 수명이 다하게 되는 단점을 극복할 수 있는 것으로, 콘덴서의 특성 상 순간적인 충전이 가능할 뿐만 아니라, 충전 및 방전으로 인한 수명이 반영구적인 장점이 있다.

상기와 같이 배터리(50)가 충전부(40)에 의해 충전되면, 상기 충전된 전원을 통해서 램프를 구동시키게 된다.

여기서 상기 램프(60)는 바람직하게는 적색(LED 램프 A)및 녹색(LED 램프 B)로 이루어진다.

상기 램프(60)는 고장전류 발생 시는 고장전류의 흐름방향을 별도로 구비된 타이머를 이용하여 LED 램프에 일정시간 점등하게 함으로써 현장에서 쉽게 사고 발생지점을 인지하게 하는 것이다.

즉, 상기 고장전류감지부(25)는 배전선로의 중성선(n)에 흐르는 영상고장전류의 파장을 검출하여 중성선의 영상변류기(Z-CT)의 2차전압에 나타나는 극성을 판별함으로써, 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)로 변환하는 역할을 한다.

이에 따라, 고장전류감지부(25)에 의해 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향에 따라 고장전류의 극성이 +이면 LED 램프(A)가 점등되고, 고장전류의 극성이 - 이면 LED 램프(B)가 점등되도록 하여, 회로 구성고장지점으로부터 전원 측에 해당하는 LED 램프 색이 적색이라면 그 고장선로의 타 LED 램프 색은 녹색으로 하여 현장 보수원은 전원 측으로부터의 LED 램프 색이 바뀌는 지점, 즉 적색 램프의 끝지 점까지 선로를 따라가면 바로 사고지점을 확인, 출동한 것이 된다.

이하 본 발명에 따른 배전선로의 고장지점 현장 식별장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

지락, 낙뢰, 선간 혼촉, 단선사고 또는 선로부하불평형이 일어나면 공통 중성선(N)에 전류가 흐르게 된다.

본 발명에서는 사고가 일어난 위치에서 볼 때 중성선(N)에 흐르는 전류의 방향, 즉 전원측으로 흐르는 전류 방향과 부하측으로의 전류 흐름 방향이 틀리게 나타나는 점을 이용한다.

도 2에 도시된 등가회로를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

중성선(N)에 설치된 영상변류기(Z-CT)의 2차 전압을 측정하면 선로사고의 발생지점으로부터 전원 측의 영상변류기(Z-CT)의 출력전압이 +V 라면 부하측의 영상변류기(Z-CT)출력 전압은 -V가 되는 것이다.

따라서 고장전류감지부(25)가 영상변류기(Z-CT)의 2차 전압의 극성을 판단하여, 극성이 바뀌어 나타나는 점을 찾아내면 이 부분이 선로사고의 발생위치라고 할 수 있다.

실제 적용 예로 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고장전류감지부(25)가 감지 한 영상변류기(ZCT)의 2차전압 극성을 모두 표현하게 되면, 쉽게 선로사고지점을 찾아낼 수 있으며, (+) 전압 데이터와 (-) 전압 데이터를 서로 다른 램프의 색깔 즉, 적색 또는 녹색으로 표현할 경우 더욱 쉽게 찾아낼 수 있다.

또한 고장전류가 발생하기 시작한 반주기(1/2HZ)의 출력을 이용하는 것도 효과적이다.

공통 접지이므로 타 선로에서도 중성선(N)의 전류가 검출되나 미약전류이고 부분적으로 극성(+/-)이 바뀌는 경우는 있어도 사고지점에서와 같이 전원측과 부하측을 뚜렷이 구분하여 선로 전반에서 극성이 바뀌거나 하는 일은 나타나지 않는다.

본 발명에서 선로사고의 위치를 찾아내기 위해서는 (+/-) 전압극성만이 중요하므로, 영상변류기(Z-CT)는 철심코아의 포화가 되도록 설계하여 2차 전압이 무리하게 출력되지 않는 것이 유리하다.

도 5는 중성선(N)에 설치된 영상변류기(Z-CT)의 전압 극성의 일예를 나타낸 도표이다.

앞서도 설명한 바와 같이, 지락 또는 선간혼촉 사고는 변전소에 설치된 OCR(Over Current Relay)이 동작한 선로의 중성선 전류의 유입방향을 추적하면 사고지점을 검출할 수 있는 바, 가공 N에 낙뢰사고의 경우 인근 변전소(S/S; Sub Station)의 고장전류감지부(25)가 1~ 수대 동작하므로 그 선로마다 중성선 전류의 유입방향을 추적하면 낙뢰지점을 검출할 수 있다.

여기서, (+)극성의 표시는 고장전류감지부(25)까지의 고장전류가 유입된 순방향을 표시(램프 색깔 녹색)하는 것이고, (-) 극성의표시는 공통 접지선(N)을 따 라 고장전류가 분산되는 방향(램프 색깔 적색)인 것이다. 즉, '1' 번 위치의 영상변류기(Z-CT)(변전소로부터 가장 가까운 영상변류기)의 극성이 (+)로 시작된 경우 선로를 따라 녹색 램프를 추적하며 분기점에서 다음의 영상변류기(Z-CT)극성이 녹색 램프와 적색 램프 2개가 있으면 녹색 램프쪽으로 계속 추적하여 녹색 램프에서 적색램프로 바뀌는 지점이 사고지점인 것이다.

즉 적색 램프의 끝지점까지 선로를 따라가면 바로 사고지점을 확인, 출동하면 된다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따르면,

첫째, 본 발명은 중성선(neutral)상에 설치되어 중성선 상에 흐르는 전류를 영상변류기를 이용하여 검출하고, 이를 정류부를 이용하여 정류하며, 정류된 전원을 충전시켜 램프의 전원으로 활용하여 중성선에 흐르는 고조파를 소모시키고, 중성선 자체의 저항을 높임으로써, 상기 중성선에 연결된 각종 계전기를 보호할 수 있으며, 이를 가로등의 전원으로 활용하는 효과가 있다.

둘째, 상기 중성선에 흐르는 고조파를 이용하여 고장전류 발생시는 고장전류의 흐름방향을 LED 램프에 일정시간 점등하게 함으로써 현장에서 쉽게 사고 발생지점을 인지하게 하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 3상 4선식 전력 시스템의 3상 교류 전원과 부하 사이를 연결하는 중성선(neutral)상에 일정 간격으로 설치되어 중성선 상에 흐르는 고조파 및 영상고장전류를 검출하는 영상변류기(Z-CT);

   상기 영상변류기에서 검출한 중성선에 흐르는 고조파 성분을 직류 전압으로 정류하는 정류부;

   상기 정류부에서 정류된 직류전류를 이용하여 배터리를 충전시키는 충전부;

   상기 배전선로의 중성선(n)에 흐르는 영상고장전류의 파장을 검출하여 중성선의 영상변류기(Z-CT)의 2차전압에 나타나는 극성을 판별함으로써, 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)로 변환하는 고장전류감지부; 및

   상기 충전부에서 충전된 배터리의 전원에 의해 고장전류감지부에서 판별된 영상고장전류가 흐르는 방향을 (+, -), 또는 (0, 1)에 대응되는 색으로 각각 식별 가능하도록 표시하는 한 쌍의 램프를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배전선로의 고장지점 현장 식별장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정류부에서 출력되는 전압을 안정화시켜 출력하고, 출력전압이 일정 값 이상으로 상승하는 경우에 이에 해당하는 과전압 방지 신호를 출력하는 과전압 감 지부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 배전선로의 고장지점 현장 식별장치

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