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저압 수배전반용 무정전 활선 절연저항 측정기술 (주)극동전력전력신기술제도는 고부가가치 산업인 전력산업과 전력분야의 국제경쟁력 제고를 위해 전력기술 발전이 요구되는 시점에서 정부와 연구기관만의 노력으로는 한계가 있으므로 민간부문에서 자율적으로 전력산업기술개발에 참여시켜 전력산업기술개발을 촉진하기 위해 제정된 제도다.산업자원부는 1월, 전력기술관리법에 의거 전력신기술 제27호로 (주)극동전력, 디아이케이(주), (주)새론소프트가 공동 개발한 ‘저압 수배전반용 무정전 절연저항 측정기술’을 지정, 고시했다.기존의 기술이 오프라인 상태에서 대기 정전 용량을 포함하는 영상 전류방식으로 절연저항을 측정하는 반면, 이 기술은 기본적으로 부하라인에 흐르는 누설전류를 샘플링해 얻어진 계측 값을 기초로 웹 기반에서 원격 감시·제어를 가능하게 한 것으로 정전용량, 잡음 그리고 손실 오차와 부동작 요인에 관한 한계를 극복할 수 있어 절연저항 측정에 대해 보다 신뢰성과 안전성을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.1. 개발 동기최근 날로 증가하는 전기와 관련한 화재 및 재해의 절반 이상이 전기 누전이 원인이 된 것으로 연구·조사기관의 통계 결과가 발표된 바 있다. 이는 절연 저항이 주요 원인으로써, 이러한 원인을 사전에 예방 할 수 있다면 화재로 인한 사회적, 경제적 손실을 대폭 감소시킬 수 있다.자가용 전기설비에서 가장 많이 발생하는 트러블은 저압 회로의 누전에 기인하는 사고로서, 전기 화재나 감전사고, 그리고 정전 범위의 확대 등으로 진행하기 때문에 조속한 누전 검출 및 경보를 통해 사전에 회로의 차단이 무엇보다도 중요하다. 본 시스템은 주택, 공장, 건물 등의 전기 시설물에 대한 절연 열화의 경향을 파악하여 전기 공급의 신뢰성 확보 뿐 만 아니라 수시 점검에 의한 경비를 대폭적으로 절감시킬 수 있는 이점을 갖는다. 그러나 절연 저항의 측정은 정전을 필요로 하여 전기 계통 전체에서의 절연 측정이 불가능 할 뿐만 아니라, 정전으로 인해 컴퓨터 및 중요한 전자기기의 파손을 초래하기도 한다. 또한 컴퓨터를 이용한 시스템 및 정보관리 등에 의해 정전이 불가능한 경우도 있어 절연 저항 측정을 수행할 수 없는 경우도 발생한다. 그밖에 정전으로 인해 시스템의 정지나 주요정보의 상실로 주변 지역사회의 혼란과 복잡성이 가중되어 손실이 막중하게 된다. 이와 같이 전기 설비의 절연 불량으로 인한 재해를 사전에 예방 할 뿐만 아니라 경비 절감을 위하여 국내에서는 최초로 웹 기반(Online)의 무정전 활선 절연 저항 측정 장치를 개발했다. 본 기술은 무정전의 활선 상태에서 절연저항을 웹 기반 하에서 24시간 실시간 감시하고, 이 데이터를 분석, DB구축을 통해 미세한 절연 열화를 조기에 감지함으로써, 지락 사고에 의한 전기 화재, 재산 손실, 인명 피해 등을 사전에 예방하고자 한다.2. 기존 기술(I0 계측 방식)의 문제점기존 기술의 경우에는 ZCT를 전원 접지 선에 삽입시켜, 대지 누설전류의 유효 분을 계측할 경우, 피 측정계의 문제와 전원의 전력 품질의 문제, 계측기 성능의 문제를 개선하지 않으면 안 된다. (1) 피 측정계의 문제 옥내배선을 포함한 저압 배전선의 일반적인 피 측정계의 등가회로를 <그림1.1>에 나타냈다.  <그림1.1>에 있어서 Vo는 전원전압, Io는 접지선 전류, Igr은 대지 누설저항 RE에 의한 누설전류(유효 분), Ix는 대지 정전용량 C에 의한 무효전류이다. <그림1.2>는 이 전압, 전류간의 벡터 도를 나타낸다.  <그림1.1>과 <그림1.2>에서 대지누설전류 Igr은 전원전압 Vo와 동상이며, 무효전류 Ix는 Vo에 대해 위상이 90° 앞선다. 따라서 접지선전류 Io는 대지정전용량 C는 일선접지 2도체 전선간의 정전용량 C1과 전선대진간의 정전용량 Ce의 합이다. 즉, 다음식과 같다. C = Cl + Ce2도체 전선의 정전용량 Cl 은 다음 식으로 계산한 값으로 된다. C1 = 27.8εs/ℓn(D/d) [nF/Km]여기서 εs : 절연피복의 비유전률 D : 피복외경 [mm] d : 도체외경 [mm] 또한 전선과 대지간의 정전용량 Ce는, 앞의 식에 의해서 유도하면, 다음 식이 된다. Ce = 2* 27.8/ℓn(2h/a) [nF/Km]여기서 h : 전선의 지상 높이 [mm] a : 전선도체의 반경 [mm] 2mm VV-F선에 있어서 Ce를 계산하면, 약 200(nF/km)가 된다. 옥내선이 200m이면, Ce는 약 0.04㎌이고, 이때 Ix는 1.4mA 정도(220V, 60Hz선로) 된다. 저압전로의 절연저항 값은 0.2MΩ 이상으로 되는 것이 바람직하기 때문에 누설저항 값 0.2MΩ에 대한 Igr은, 약 1mA(220V선로)가 될 때의 옥내선 200m에 대한 접지선에 흐르는 합성전류 Io는 1.72mA가 된다. 따라서 접지선에 삽입한 종래의 클램프형 전류계 지시치로는 Igr과 Ix를 분리시켜 계측할 수 없다. 이와 같이 피 측정계는 통상 대지정전용량이 크고 이것에 의한 무효전류는 절연불량에 의한 누설전류에 비해 대단히 크게 된다. 3. 무정전 활선 절연저항 측정기술의 개요최근에 수용가의 전기설비는 공장뿐만 아니라 일반 가정용까지 상시 통전하고 있는 기기가 증가하고 있다. 이 때문에 옥내배선의 열화진단에 있어서, 전원 개폐기를 열고, 절연 저항을 측정하는 것이 곤란한 경우가 많이 생기고 있다. 이것에 대응하여 활선 상태 그대로 절연을 계측하기 위해서, 클램프형 전류계를 이용하여 전원 접지선, 혹은 인입선에서 대지 누설 전류를 계측하고 있다. 그런데, 상용 전원으로부터 공급되고 있는 각종 옥내 기기는 긴 배선을 경유하고 있기 때문에 전원 접지선에 흐르는 전류는 전류(유효분)외에 대지 정전 용량에 의한 무효 전류가 흐르고 있다. 이 때문에 보안 상 주목해야 할 순수 대지 누설 전류를 파악하기 위해서는 이 무효분과 유효분을 정확하게 나누어 계측할 필요가 있다. 계측하려는 순수 대지 누설 전류 유효분은 극히 작은 값인 것에 비해 대지 무효 전류는 대단히 큰 것이 일반적이다. 전압 220V, 60Hz의 일반 주택의 경우, 무효분 전류가 1mA 이상 가까이 된다. 이러한 현상처럼 클램프 형 전류계에 의해서 직접 계측한 값은 무효 전류분이 포함되어 있어 순수한 저항성분의 누설전류는 파악할 수 없다. 이와 같은 상황에 있어서, 누설전류의 유효분을 계측하는 방법으로서 몇 가지 방법이 있다. 그것은 외부로부터 가변 유효 전류 혹은, 무효 전류를 변류기 (CT)에 흘려 피 측정 전류에서 이것을 제거시키는 방법이다. 그러나 이 방법은 클램프형 전류계에 의한 대지 누설 전류 검사에서 앞서 언급한 바와 같이 양쪽 성분의 합성전류를 계측하는 것이지만, 이 계측 값은 사전에 결정된 값 이하가 되면, 더 이상의 계측은 수행하지 않는 것으로 절연 진단 관리를 하고 있다.  예를 들어서 <그림2.1>에서 절연이 양호한 때의 전로의 대지 간 정전용량에 의한 전류가 30mA 흐르고 있을 때, 절연열화가 발생하여 10mA의 저항성 절연열화전류가 증가한 경우, 누전경보기와 같은 종래의 IO방식에 의한 계측치는 ①30mA→③31.6mA의 5%정도 변화하지만, Igr방식에서는 0mA→10mA로 매우 큰 변화폭으로 검출된다는 것을 알 수 있다. 따라서 Igr방식이 Io방식에 비해 전로의 열화에 해당되는 절연저항성 성분(유효성분, 실효성분)을 잘 검출할 수 있어, 저압 전로의 절연열화 검출에 매우 유용하다. 본 시스템은 범용의 ZCT를 전류 센서로서 이용하여 이것에 간단한 장치를 부가함으로써 유효분만을 검출할 수 있는 고정밀도의 대지누설전류에 의한 절연저항 측정 장치를 개발했다. 이 계측기술은, 피 측정 전류의 위상에 관계하지 않고, 연산처리를 통해 무효분을 분리하고, 미소의 유효분을 정확하게 계측하는 방법이다. 이 특징은 바이어스 전류를 ZCT에 중첩시켜, 스칼라량 만으로 연산처리가 가능한, Igr계측 알고리즘을 기본으로 하였다. (1) Igr 계측 방법Igr 계측 방법은 대지유효 및 무효전류벡터를 정밀하게 계측하는 수단으로 고려할 수 있다. 이것은 피 검출전류의 위상을 파악하는 것이 아니고, ZCT에 바이어스 전류를 중첩시킨 검출전류를 가감산 계산하여 계측 값을 얻는 방법이다. <그림2.2>는 이를 설명하기 위한 벡터도이다. <그림 2.2>에서 Igr은 미소 유효분 전류(누설전류), Ix는 무효분 전류, Ib는 전원전압의 위상과 완전하게 일치하는 바이어스 전류이다. I1, I2는 합성전류이다.  여기서 Igr : 누설전류(유효분) Ix : 대지정전용량에 의한 무효전류 <그림 2.2>에 있어서 관계식을 전개하면 다음과 같다.  ① 식은 I1을 X축으로, I2를 Y축으로 취하면, 를 원점으로 하는 쌍곡선의 형태이다 ① 식을 변형하면,  ----------------------- ②② 식에서 나타낸 것처럼 Igr은 합성전류의 스칼라량 I1, I2에서 얻어진 전류에 대하여, 1/(4·Ib)를 배율로 하여 얻어진다. (2) 하드웨어(Hard ware)무정전 절연장치의 하드웨어 구성은 <그림3.1>에서 보는 것처럼 크게, 중첩용 변성기, Main Unit, 그리고 기준전압 발생장치로 구분되며, 최대 8채널의 측정개소에서 원격 감시가 가능하도록 시스템을 설계했다. a. 중첩용 변성기 중첩용 변성기는 측정용 전압을 일점 접지방식의 접지선에 공급하기 위한 변성기이다. 중첩용 변성기는 일차 측에 수 회의 여자코일을 감고 창 내를 관통시킨 피 절연 감시전로의 변압기 제 2종 접지선이 1 TURN, 2차 도체로서 작용하고, 접지선에는 저주파의 -전압이 유기된다. 여기에 접지선을 전원(절연 검출용)으로 하고, 전로의 대지간 절연 임피던스를 부하로 하는 절연감시의 회로가 구성된다.b. 메인 유닛(Main unit )Main Unit는 ZCT 입력회로, 디지털 신호처리회로, 저 잡음 라인 I/F회로, 그리고 디스플레이부로 구성했다.c. 기준전압 전원발생장치 기준전압 전원발생장치는 60Hz, 220V의 활선상태의 중첩용 트랜스로부터 0.25V, 10Hz의 기준전압을 발생시키기 위한 회로로서, 과전압 검출회로, Schmidt Trigger, Active Filter, Counter, 기준전압펄스발생회로, Power Amplifier로 구분된다. (3) 소프트웨어(연산 및 제어 알고리즘)a. Igr 연산 알고리즘ZCT로 검출한 부하 임피던스에 흐르는 절연 검출용 주파수 성분의 누설전류에 대해서, 변압기 접지선과 대지 간으로부터 받아들인 전로와 대지 간에 가한 절연 검출용 주파수 성분의 기준전압에 의해 저항성의 실효치 전류 Igr을 분리 추출하고, 절연저항 값을 구하였다. b. 제어 프로그램무정전 절연 계측장치의 Firmware 제어 알고리즘은 <그림3.5>에서 보는 것과 같이 크게 설정모드부와 경보처리부, 그리고 디스플레이부로 구분한다. (4)무정전 활선 절연저항 측정 시스템의 구성 d. 사용자 MMI 및 통신 I/F사용자 인터페이스 시스템의 주된 목적은 신호처리를 위한 Main Unit에 의해 처리된 데이터를 입력받아 사용자에게 그래픽 정보를 제공하는 컴퓨터 시스템으로서, 사용자에게 스크린 디스플레이나 또는 하드 카피 형태로 측정된 데이터에 접근할 수 있게 하는데 그 목적이 있다. 그것은 사용자가 Igr계측 시스템을 현장에서 또는 원격에서 장치를 제어하고 감시할 수 있다. GUI 프로그램의 주된 기능으로서 어떤 임무를 수행하는 데 있어 사용자에게 친숙한 방법을 제공해 주기 위한 사용자 인터페이스와 명령 해석 및 수행을 담당하는 부분으로 나누어진다. Igr누설 계측시스템 운용 프로그램은 제어와 set-up 명령 뿐 만 아니라 하드웨어 장치로부터 취득한 데이터를 전송, 제어, set-up 명령, 그리고 처리된 데이터를 수신할 수 있는 MMI기능을 갖춘다. 또한 MMI프로그램은 다른 하드웨어 장치나 다른 컴퓨터 동작 시스템에 필요한 형태의 필요한 데이터로 변환을 수행할 수 있도록 설계했다.① MMI 화면구성 Web Browser를 이용하여 설치장소에 구애받지 않고 원격에서 제어가 가능하도록 MMI(Man Machine Interface)를 개발하고, 누설전류, 전압, 전력 등의 계측 값이 누설 Data Logger를 통해 수집되도록 시스템을 구성.   4. 기술적 파급효과기존의 기술이 Off Line 상태에서 대지 정전 용량을 포함하는 영상 전류 방식의 절연 저항을 측정하는 반면, 본 기술은 기본적으로는 부하 Line에 흐르는 누설 전류를 샘플링 하여 얻어진 계측 값을 기초로 절연 저항에 흐르는 대지 절연 저항 전류 Igr을 구한다.  이와 같이 본 시스템은 웹 기반에서 원격감시·제어를 가능케 한 것으로 Line을 Off 시키지 않고 절연 저항을 구한다. 이때 얻어진 절연 저항, 선전류, 각 상별 전압을 Local 계기에서 Display하고 통신 출력을 통해 원격지에서 측정시 제어를 수행한다.이러한 기술적 기반은 Ig 방식을 채용, 기존의 Io방식의 결점인 누설 전류의 크기인 스칼라량 검출로 인한 정전 용량, 잡음, 그리고 손실 오차와 부동작 요인에 관한 한계를 Igr 방식의 채용으로 극복할 수 있어 절연 저항 측정에 대한 신뢰성과 안전성을 도모할 수 있다.현재 국내에서 개발되어 제품이 출시된 사례는 없으며, 일부 업체에서 일본의 미도리, 토시바, 오므론 등에서 제품을 고가로 수입하여 현장에 일부 설치한 경우는 있지만, 아직 경제성, 신뢰성, 제도적인 인식 부족 등으로 제대로 정착하지 못하고 있는 실정이다.
<Energy News>
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