서지보호소자의 열화상태 검출모듈 및 검출방법{MODULE AND METHOD FOR DETECTING ELECTRICAL DEGRADATION CURRENT OF METAL OXIDE VARISTOR}
도 1은 본 발명의 열화상태 검출모듈에 대한 기능구성도, 도 2는 본 발명의 용량성 분압부에 대한 개략적 회로구성도, 도 3은 서지보호소자에 대한 등가회로도, 도 4는 본 발명의 미분형 전류검출부에 대한 개략적 회로구성도, 도 5는 본 발명의 연산부에 대한 개략적 회로구성도, 도 6은 본 발명에 따른 누설전류 파형 예시도, 도 7은 본 발명에 따른 저항성 누설전류 파형 예시도, 도 8은 본 발명에 따른 열화상태 검출방법에 대한 주요 흐름도. ** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** 100 : 열화상태 검출모듈 110 : 용량성 분압부 120 : 미분형 전류검출부 L1 : 제1 저역필터 130 : CT F : 차동 증폭부 L2 : 제2 저역필터 140 : 연산부 150 : 출력부
디지털 기술이 급속이 진보함에 따라 각종 전기·전자기기는 고집적화, 다기능화, 소형화되는 추세에 있다. 이러한 전기·전자기기는 낙뢰, 서지 등과 같이 외부에서 발생하는 이상 과전압에 대한 대책이 요구되며, 주로 서지보호기를 채용함으로써 해결하고 있다. 서지보호기는 이상 과전압 발생시 기기의 내전압 이하로 억제하여 기기의 소손을 예방하고 정상 동작을 유지토록 하는 장치이다. 서지보호기는 MOV(Metal Oxide Varistor)로 지칭되는 서지보호소자로 구성되는데, 이 서지보호소자는 서지 등의 이상 과전압에 대해서는 전압 억제 기능을 원활히 수행하지만, 정격을 초과하는 상용주파수의 일시적 과전압(예컨대, 계통의 지락이나 고장시)에 대해서는 그 기능을 수행하지 못하고 열화됨은 물론이고, 큰 서지전류에 대한 빈번한 동작에 의해서도 열화가 진행된다. 이와 같이 열화된 서지보호소자는, 임피던스가 매우 낮은 상태로 그 특성이 변화하게 되는바, 단락이나 화재와 같은 2차적인 사고로 이어질 가능성이 있다. 현재 국내외에서 적용되고 있는 서지보호기는 대부분 서지보호 기능만을 갖추고 있을 뿐이다. 따라서 서지보호소자의 열화상태를 파악하기가 용이치 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 서지보호소자의 열화상태를 용이하게 검출할 수 있는 모듈 및 그 검출 방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명의 열화상태 검출모듈은 기본적으로, 서지보호소자의 양단에 병렬·접속되어 서지보호소자에 인가된 전압을 분압하는 용량성 분압부와, 용량성 분압부의 분압노드에 접속되어 용량성 분압부에 흐르는 용량성 누설전류를 검출하는 미분형 전류검출부와, 서지보호소자에 흐르는 전체 누설전류를 검출하는 CT, 그리고 서지보호소자 내부의 표유정전용량과 용량성 분압부의 합성정전용량에 의한 비례상수를 반영한 용량성 누설전류에 전체 누설전류를 가산하여 서지보호소자의 저항성 누설전류를 산출하는 연산부를 포함한다. 한편, 본 발명의 열화상태 검출방법은 크게, 서지보호소자에 병렬·접속된 용량성 분압부로부터 용량성 누설전류를 산출하고, CT로부터 서지보호소자에 흐르는 전체 누설전류를 산출하는 제1 과정과, 서지보호소자의 표유정전용량과 용량성 분압부의 합성정전용량으로부터 비례상수를 산출하는 제2 과정, 그리고 용량성 누설전류에 비례상수를 반영한 후, 전체 누설전류와 가산하여 서지보호소자의 저항성 누설전류를 산출하는 제3 과정으로 이루어진다. 본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
첨부도면 도 1은 본 발명의 열화상태 검출모듈에 대한 기능적 블록도이다. 도면과 같이 열화상태 검출모듈(100)은, 서지보호소자(MOV)에 병렬·접속되는 용량 성 분압부(110), 미분형 전류검출부(120), 제1 저역필터(L1), CT(130), 차동 증폭부(F), 제2 저역필터(L2), 연산부(140) 및 출력부(150)를 포함한다. 구체적으로, 용량성 분압부(110)는 서지보호소자(MOV)의 양단에 병렬·접속되어 상기 서지보호소자에 인가된 전압을 분압한다. 용량성 분압부(110)는 도 2에 예시된 바와 같이 커패시터 C 1 및 커패시터 C 2 의 일단이 분압노드를 형성토록 구성된다. 여기서, 서지보호소자(MOV)는 양단에 걸리는 전압에 따라 비선형적으로 임피던스가 변하는 특성을 이용하여 서지전압을 제한하는 소자로서, 도 3과 같은 등가회로로 표현할 수 있다. 서지보호소자는 '저항 R'과 '커패시터 C S '의 병렬로 표현된다. 도 3에서 서지보호소자에 앞서 언급한 용량성 분압부(110)가 병렬·접속되어 있는데, 이때 서지보호소자에 흐르는 전체 누설전류 I total 은 다음의 수학식과 같이 저항 R에 흐르는 저항성 누설전류 I R , 표유정전용량 C S 에 흐르는 표유정전용량성 누설전류 I CS , 그리고 용량성 분압부(110)에 흐르는 용량성 누설전류 I C12 의 합으로 산출된다. .......................................[ 수학식 1 ] 위 [수학식 1]에서 저항성 누설전류 I R 을 알게 되면, 서지보호소자의 열화상태를 측정할 수 있게 되는 것이다. [수학식 1]은 아래의 [수학식 2]로 정리될 수 있으며, 용량성 누설전류 I C12 는 [수학식 3]과 같이 분압된 전압 V C2 의 미분형으로 정리될 수 있다. .......................................[ 수학식 2 ] ...........................................[ 수학식 3 ] [수학식 3]에서 분압된 전압 V C2 는 다음의 [수학식 4]로부터 계산될 수 있다. ...........................................[ 수학식 4 ] 한편, 미분형 전류검출부(120)는 용량성 분압부(110)의 분압노드에 접속되어 상기한 용량성 누설전류(I C12 )를 산출한다. 이를 위한 개략적 회로구성은 첨부도면 도 4와 같다. 도 4에서 미분형 전류검출부(120)는, 그 일단이 용량성 분압부(110)의 분압노드와 접속된 커패시터 C 3 , 그리고 C 3 의 타단을 반전입력으로 받고 피드백 저항 R 1 을 구성한 증폭기 A 1 로 이루어진다. 상기한 미분형 전류검출부(120)의 입력전압을 V I , 출력전압을 V O 라 하면 아래의 [수학식 5]로 표현된다. .........................................[ 수학식 5 ] 이 식을 [수학식 3]에 대입하여 정리하면, 용량성 누설전류(I C12 )는 아래와 같이 미분형 전류검출부(120)의 출력전압의 비로 나타낼 수 있다. .........................................[ 수학식 6 ] 또한, 용량성 분압부(110)의 합성정전용량을 C 12 라 하면 표유정전용량성 누설전류(I CS )는 다음의 [수학식 7]로 표현된다. ............................................[ 수학식 7 ] 여기서, 이다. 따라서 [수학식 2]의 저항성 누설전류(IR )는 아래의 [수학식 8]로 정리된다. ....................................[ 수학식 8 ] 위 [수학식 8]을 고찰해 보면, C S 는 임피던스 분석기(또는 제조사가 제공하는 데이터시트 이용)로 측정할 수 있는 기지의 값이며, C 1 및 C 2 , 그리고 C 12 역시 기지의 값이다. 전체 누설전류(I total )는 아래의 CT(130)를 통해 용이하게 검출된다. 또한, [수학식 8]에서 는 비례상수로서 설정할 수 있으며 이는 후술하는 연산부에서 이용된다. 즉, 상술한 미분형 전류검출부(120)가 검출한 용량성 누설전류(IC12 )와, CT(140)가 검출한 전체 누설전류(I total )를 통해 서지보호소자(MOV)의 저항성 누설전류(I R )를 산출할 수 있게 되는 것이다. 한편, 도 1에 도시된 제1 저역필터(L1)는 미분형 전류검출부(120)로부터 출 력되는 신호에서 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다. CT(140)는 'Current Transformer'로서 앞서 언급한 바와 같이 전체 누설전류(I total )를 검출하며, 검출된 전체 누설전류는 차동 증폭부(F)를 통해 동상모드 노이즈가 제거되고, 제2 저역필터(L2)를 거쳐 연산부(140)로 인가된다. 연산부(140)는 첨부도면 도 5에 예시한 개략적 회로구성과 같이, 제1 저역필터(L1)와 제2 저역필터(L2)의 출력신호(전체 누설전류, 용량성 누설전류)를 가산하여 출력한다. 도 5를 살피면, 각 일단이 제1 저역필터(L1)와 제2 저역필터(L2)에 각각 접속되며 각 타단이 가산노드로서 접속되는 저항 R 2 및 저항 R 3 , 그리고 가산노드를 반전으로 입력받고 피드백 저항 R 4 를 구성한 증폭기 A 2 로 이루어진다. 미분형 전류검출부(120)는 반전증폭 회로를 형성하기 때문에 도 6과 같이 용량성 누설전류는 전체 누설전류와 약 180도의 위상차를 갖는다. 따라서 연산부(140)는 도 5에 예시한 가산기의 회로구성으로 구현될 수 있다. 여기서, 저항 R 2 와 R 4 , 그리고 저항 R 3 과 R 4 의 비율을 통해 [수학식 8]의 비례상수를 용이하게 설정할 수 있다. 출력부(150)는 연산부(140)로부터 출력되는 저항성 누설전류를 LCD와 등의 표시수단으로 출력한다. 이에 의해 사용자(또는 관리자)는 서지보호기의 상태를 비롯한 교체시기 등의 정보를 용이하게 파악할 수 있게 됨으로, 유지관리의 편의성은 물론이고 열화된 서지보호기의 방치에 따른 단락사고 등을 예방할 수 있게 된다. 참고적으로 첨부도면 도 7은 서지보호소자(MOV)에 대한 뇌임펄스 인가시험 후, 정격전압 인가시 측정된 저항성 누설전류 파형의 예를 보이고 있다. 이하, 서지보호소자의 열화상태 검출방법에 대해 도 8을 참조하여 정리한다. 먼저, 서지보호소자(MOV)에 병렬·접속된 용량성 분압부(110)로부터 용량성 누설전류를 산출하고(S110), CT(130)로부터 상기 서지보호소자(MOV)에 흐르는 전체 누설전류를 산출한다(S120). 서지보호소자 내부의 표유정전용량 C S 와 용량성 분압부의 합성정전용량 C 12 로부터 비례상수를 산출한다(S130). 이때의 비례상수는 [수학식 8]에서 보인 바와 같은 이다. 이어서, 전체 누설전류와 용량성 누설전류를 가산하여 서지보호소자(MOV)의 저항성 누설전류를 산출한다(S140). 여기서 용량성 누설전류에는 S130 과정의 비례상수가 반영된다.
상술한 본 발명에 따르면, 서지보호소자의 열화상태를 검출할 수 있으므로 서지보호기에 대한 객관적이고 원활한 유지관리를 도모할 수 있다. 이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. |
