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【Cover Story】 이상 전류를 잡아내는 ‘스마트 보호 계전기’
2021년 4월 1일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2021년 4월호 - 전체 보기 )

 
이상 전류를 잡아내는 ‘스마트 보호 계전기’
‘Wide range’ 부하전류 설정범위와 ‘True-RMS’ 측정

전기로 인한 화재는 주로 합선, 전기기기의 구조적 결함, 잘못된 시공, 부주의 등이 요인으로 지목된다. 특히, 단락 화재는 전체 전기화재의 24.5%(2018년 기준)으로 가장 많다. 때때로, 전기화재는 막대한 경제적 손실뿐만 아니라, 인명 피해로까지 이어지기도 한다. 따라서 이와 같은 문제를 미리 예측하고 사전에 예방하는 기술은 전기를 사용하는 모든 영역에서 필수적으로 요구된다. 이번 호에는 이러한 역할을 하는 ‘보호 계전기’에 대해 살펴보고, 이와 관련한 기술 동향으로 슈나이더 일렉트릭의 EOCR에 관해 알아 보았다. 

정리 강창대 기자 자료 슈나이더 일렉트릭 코리아
슈나이더 일렉트릭의 디지털 모터 보호 계전기 EOCR PFZ (자료: 슈나이더 일렉트릭 코리아) 

과전류와 부족전류는 그 명칭에서도 알 수 있듯이 설정 범위보다 지나친 전류가 흐르거나 부하가 없는 상태가 지속되는 현상을 말한다. 이 경우 모터의 과열로 이어질 수 있고, 전류가 흐르지 않는 상태에서 모터가 계속 가동될 경우에는 베어링이 마모되거나 손상을 야기할 수 있다. 그런데 생산현장에서 널리 사용되는 모터에 이상(異像)이 발생할 경우 막대한 비용 문제가 발생할 수 있다. 생산품이나 원재료의 손실을 비롯해, 품질저하가 발생할 뿐만 아니라, 이를 복구하기 위한 비용, 납기지연에 따른 손실 등을 고려할 수 있다. 무엇보다 모터를 취급하는 작업자들이 위험에 노출될 수 있다. 

과전류와 부족전류의 원인에는 결상(Reverse Phase)과 역상(Phase Fail), 불평형(Unbalance), 지락(Ground Fault) 등이 있다. 결상과 역상은 3상의 순서와 전력 공급 선의 숫자와 연결되어 있다. 예를 들어, 결상은 3상 중 2상에만 전류가 흘러 모터의 가동에 악영향을 미치는 것이고 역상은 3상의 순서가 바뀌어 회전 방향이 변화하는 것이다. 그리고 전류 불평형(Unbalance)은 각 상에 흐르는 전압의 차이가 사전에 설정된 불평형률을 초과하여 전류가 흐르는 현상이다. 마지막으로 지락(Ground Fault)은 전류가 비정상적으로 노출되어 지상으로 흐르는 현상을 말한다. 이외에도 전류를 급증시키는 단락이나 번개로 인해 발생하는 과전압은 권선의 절연을 손상시킬 수 있다. 

이러한 문제를 예방하고 장비를 보하기 위한 것이 보호 계전기이다. 일반적으로 보호 계전기는 전류 계통과 관련해 과전류, 결상, 지락 등의 이상이 발생하였을 때 그 문제가 다른 제품, 혹은 장비에 전파되는 것을 방지하는 역할을 담당한다. 따라서 예상하지 못한 문제에 대비하기 위해 보호 계전기가 필요하다. 더 나아가, 발생한 문제를 빠르게 인지하고 이상이 발생한 부분을 차단하거나 경보를 제공해 신속하게 대처할 수 있도록 해야 한다. 예를 들어, 과전류 보호 계전기는 설정된 전류보다 높은 전류가 흐르게 되면 고장을 방지하기 위해 차단기를 작동시킨다.

IOT 기술로 진화하는 보호 계전기
최근 보호 계전기는 디지털과 ICT 기술을 통해 더욱 스마트한 기기로 변신하고 있다. 슈나이더 일렉트릭(Schneider electric)의 EOCR(Electronic Over Current Relay)이 대표적인 사례다. EOCR은 AC 및 DC 모터를 비롯해, 3상 혹은 단상 등 각종 전력 계통에서 전압을 보호하는 역할을 한다. 즉, EOCR은 다양한 종류의 보호 계전기 중에서 ‘전자식 모터’의 가동 상태를 확인하고 전력 이상을 방지할 수 있도록 한다. EOCR은 1981년 한국에서 세계 최초로 개발된 제품이다.


한편, 모터를 사용하는 현장은 셀 수 없이 많다. 석유 화학, 전자, 반도체, 시멘트 등 생산 및 제조 현장을 비롯해 가스와 상하수도, 항만, 철도 등과 같은 사회기반시설, 그리고 사무용 빌딩과 학교, 병원, 주거시설 등 매우 광범위한 영역에서 모터가 사용되고 있다. 그래서 EOCR은 이처럼 폭넓은 영역에 모두 적용할 수 있다는 특징을 갖추고 있다. 

그리고 EOCR은 모든 종류의 전력 이상에 안정적인 보호 기능을 제공한다. 온도와 습도 센서를 비롯해, 아날로그 출력이 내장돼 있어 사용자가 요구하는 다양한 조건에서 역할을 수행할 수 있다. 이뿐만 아니라, EOCR에는 사물인터넷(IoT) 기술이 적용돼 있어 장비나 설비의 동작 전류를 실시간으로 확인할 수 있으며, 보호 계전기와 디지털 계기를 일원화해 활용할 수 있다. 다시 말해 EOCR은 모든 종류의 기계를 안전하게 보호할 수 있으며, 유지 및 보수 과정도 편리하다.
슈나이더 일렉트릭의 디지털 모터 보호 계전기 EOCRSS-400U(자료: 슈나이더 일렉트릭 코리아)  

EOCR 라인에서 지난 2020년 10월 27일에 출시된 신제품에는 EOCR PFZ와 EOCRSS-400U 두 가지가 있다. 먼저, EOCR PFZ의 장점을 살펴보면 다음과 같다. 

◆ 작동: 기존의 보호 계전기가 모터를 보호하기 위한 부하 전류의 설정 범위가 0.5~60 A이었던 것과 달리, EOCR PFZ는 0.5~100 A까지 확대한 ‘와이드레인지’(Wide range) 제품이다.
 
◆ 보호: EOCR PFZ는 연결된 모터의 전원 온도를 시간별 그래프로 실시간 기록한다. 따라서 모터 전원에 단락이 발생했을 때 EOCR PFZ는 적시에 이를 차단해 장비를 보호할 수 있다.

그리고 기존의 제품이 피크(Peak) 전압 측정 방식이었다면, EOCR PFZ는 트루(True)-RMS 측정 방식이다. 따라서 전류 파형의 고점(高點)만을 측정하는 피크 전압 측정 방식과 달리, EOCR PFZ는 제곱과 루트를 사용해 전류 파형의 평균값을 지속적으로 측정한다. 따라서 트루-RMS 측정값은 평균값(6.35 Amp/%/℃)에 비해 약 두 배 가량 낮은 수치(3.76 Amp/%/℃)를 보인다. 이 방식은 상대적으로 오차의 범위가 좁고 전류 측정이 정확하다.

이뿐만 아니라, EOCR PFZ는 영상 변류기(ZCT, Zero Current Transformer)를 내장하고 있다. 이를 통해 EOCR PFZ는 3상 모터에서 발생하는 전류 불평형을 감지해 사전 경보를 제공하며, 설치에 소요되는 시간과 배선 작업도 개선할 수 있다.

◆ 기록: EOCR PFZ에는 RTC(Real Time Clock)와 LED 디스플레이가 장착돼 있다. RTC는 시간을 측정하면서 사고 이력 시간을 기록하는 타임스탬핑(Fault Time Stamping) 기능을 수행한다. 

그리고 EOCR PFZ는 전고조파왜율(Total Harmonics Distortion)을 실시간으로 계측한다. 전고조파왜율이란 기존 주파수의 정수 배만큼 많은 전기량을 가진 고조파에서 발생하는 파형의 왜곡을 나타내는 지표다. EOCR PFZ는 이러한 전고조파왜율을 실시간으로 분석해 정보를 제공한다. 이외에도, EOCR PFZ 내의 ‘디지털 로우 패스 필터’(Digital Low Pass Filter)의 기능을 켜면(On) 고조파 전류나 노이즈 성분이 제거된 순수한 누설 전류만을 측정할 수 있어 문제가 발생했을 때 신속하게 장비의 오작동을 방지할 수 있다.

또한, EOCR PFZ는 내장된 온도와 습도 센서를 통해 모터 주변의 진동과 유량을 측정할 수 있으며, 모터의 가동 횟수를 기록하는 시각적인 카운터(Counter)와 사고 전류의 파형을 기록하는 전용 소프트웨어를 포함하고 있다. 지락 사고가 발생했을 때, 사용자는 EOCR PFZ에 기록된 파형과 사고 발생 시간을 전용 소프트웨어의 기록에서 확인하고 분석할 수 있다.

LED 디스플레이는 EOCR PFZ의 각종 기록을 사용자가 확인할 수 있게 해준다. 이곳에는 정상적으로 가동되는 상태(Power)와 이상이 발생한 상태(Fault)가 각각 초록색과 주황색으로 표시된다. 사용자는 디스플레이를 통해 모터나 장비의 운전과 정지, 통신 상태 등을 한눈에 쉽게 확인할 수 있다.

EOCRSS-400U도 EOCR PFZ와 유사한 기능을 갖고 있다. 차이가 있다면, EOCRSS-400U에는 대전류 계기용 변류기인 CT(Current Transformer)가 내장돼 있다는 점이다. 이 제품 역시 부하 전류 적용 범위가 와이드레인지이고, 트루-RMS 전류 측정 방식으로 트립(Trip)의 이력을 기록할 수 있다.

슈나이더 일렉트릭 본사는 현재 국내 EOCR 연구개발센터와 지속적인 개발 및 협업 관계를 이어가고 있다고 전했다. 슈나이더 일렉트릭의 스마트 팩토리를 비롯한 각종 산업 플랜트에서 사용되고 있는 핵심 부품인 EOCR은 지난 2019년 수주 및 생산량 1,000만 개를 돌파하기도 했다. EOCR은 현재 전라북도 익산에 위치한 슈나이더 일렉트릭 익산 스마트 팩토리에서 전 제품이 생산되고 있으며, 2019년 1월 기준으로 전 세계의 약 20여 국에 수출되고 있다.

<Energy News>

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