1. 서 론

산업용 전력의 사용량은 해마다 증가하는 상황으로 한국전력거래소의 최근 10년간의 통계자료에 의하면 2013년 265,373 Gwh, 2018년 292,999 Gwh의 전력을 소비하였고, 이후 covid- 19 바이러스의 확산으로 소폭 감소하였으나 2022년은 296,036 Gwh로 여전히 산업현장의 전력소비는 매해 증가하는 추세이다^[1]. 이러한 산업현장의 전력 사용량 증가와 더불어 산업현장에서의 전기사고 또한 매해 증가하고 있다.

전기사고의 주요 원인으로는 절연의 열화, 과전류, 단락에 의한 사고가 60% 이상으로 나타난다^[2].

여기서 절연열화, 과전류와 관련한 사고는 산업현장에서 사용하는 3상 유도성 부하인 전동기, 변압기 등의 기기에서 발생하는 결상으로 인한 전압의 불평형 및 절연의 노화, 과부하 등이 주된 요인으로 분석되고 있다^[3-6].

결상으로 인한 전압 불평형은 모터의 효율을 감소시키고 전류의 증가에 따른 열축적, 코일의 열화, 절연 파괴 등의 원인이 되고, 이에 따른 기기의 손상, 화재, 정전 등 산업현장의 설비 규모에 비례한 막대한 재산 피해를 발생시킨다. 더욱이 자동화로 구동되는 산업현장의 정전 및 화재는 생산량 중지, 공정 과정의 리부트 등 복구를 위한 경제적, 시간적 손실, 실업률 증대 등의 문제점을 동반한다.

이러한 결상사고에 대한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 3상 전압을 검출하여 결상사고를 감지하는 새로운 기법의 결상감지 회로 토폴로지를 제안한다. 제안한 결상감지 회로는 3상 반파정류회로의 출력전압 파형과 크기를 이용하는 구조로 설계되어, 감지회로의 구성이 간단하고 소형, 경량으로 제작되어 설치의 용이함이 부여된다.

2. 전압검출형 결상사고 감지회로 필요성

최근 전기사업자들의 안정적인 전력공급으로 인한 송전 및 배전 계통에서의 결상사고는 거의 발생하지 않지만, 결상사고의 대부분이 3상 전동기 제어반에 사용된 전력용 릴레이 즉, 전자접촉기 또는 전자개폐기 등의 노후화, 오동작, 접촉점의 탄화 및 접촉불량 등으로 인한 것으로 보고된다^[7,8].

이러한 결상사고를 보호하기 위하여 3상 전동기 제어반에 는 주로 열동 과전류계전기(THR) 또는 전자식 모터보호계전기(EMPR)를 사용하고 있다.

그림 1은 산업현장의 전동기 제어반에서 주로 사용되는 3상 유도전동기의 기동 및 정지 제어회로의 일례를 나타낸다.

그림 1. 3상 유도전동기 제어회로 일례

Fig. 1. An example of control circuit for 3-phase induction motor

열동 과전류계전기는 그림 1과 같이 전자접촉기(MC)의 2차측에 연결되고, 동작원리는 전동기의 과부하로 인한 과전류가 발생하였을 경우 내부 릴레이의 열선 가열로 인한 바이메탈(bimetal)의 만곡작용을 이용하여 접점을 개폐하는 원리를 가진다. 이러한 열동 과전류계전기는 과부하나 과전류에 대해 전동기를 보호하는 것이 주 목적이며, 결상에 대한 보호능력은 저조한 것으로 분석된다^[7].

전자식 모터보호계전기는 그림 1의 예시에서 열동 과전류계전기를 대신해서 설치되고, 3상 선로에 영상변류기(ZCT : Zero Current Transformer)를 이용한 구조로써, 정상상태에서는 3상 선로의 전류가 평형이 되어 변류기 2차측에 유도되는 전압이 0으로 되지만, 결상사고와 같이 3상 선로의 전류가 불평형일 경우 변류기 2차측에 유도전압이 발생하여 사고를 감지하는 원리를 가진다. 이러한 전자식 모터보호계전기는 결상사고에 대한 감지능력은 우수하지만, 미세 유도전압의 증폭회로, 부하 변동 시 변류기의 포화방지 조정회로, DC 전원공급회로 등 회로구조가 복잡하여 장기 사용시 사용된 아날로그 및 디지털 소자들의 특성 변화, 노화 등에 따른 오동작 및 유지보수의 문제점이 빈번히 발생한다.

특히 열동 과전류계전기나 전자식 모터보호계전기는 3상 선로의 전류를 검출하여 과전류나 결상사고를 감지하는 원리를 가지므로, 전동기 기동 시 돌입 과도전류, 외부 개폐 서어지 전류 등에 대해 오동작을 발생할 수 있으며, 설치 또는 교체 시 전원의 차단, 선로의 단선을 통한 계전기 결선 등 설치의 난이함이 주어지고 더욱이 전기기술자의 시공을 요구한다.

이러한 문제들을 해결하기 위하여 본 논문에서는 기존의 3상 전류를 검출하여 결상사고를 감지하는 기법이 아닌, 3상 전압을 검출하여 결상사고를 감지하는 기법과 회로 토폴로지를 제안한다. 제안한 전압검출형 결상감지 회로는 3상 반파정류회로의 출력전압 파형과 크기를 이용하는 구조로 설계되므로, 감지회로의 구성이 간단하여 장기적 사용에 이점이 주어지고 소형, 경량으로 제작되어 설치의 용이함이 주어진다. 그리고 제안한 결상감지 회로는 전압형으로 설계되므로 전동기 기동 시의 돌입 과도전류, 외부 노이즈 전류 등에 대한 오동작이 없고, 감지기 설치 시 선로의 단선 없이 3상 선로에 바로 병렬 접속하여 사용이 가능하므로 설치의 편의성이 제공된다.

3. 제안한 결상사고 감지회로 토폴로지

제안한 결상사고 감지회로는 3상 선로 a, b, c에 성형 결선된 3상 다이오드의 합성 출력전압의 파형과 크기를 이용하여 전동기 제어반에서 발생하는 결상사고를 검출하는 알고리즘을 가지며, 그림 2에 감지회로 블록도를 나타낸다.

그림 2의 성형 결선된 3상 다이오드 회로는 3상 반파정류회로의 형태로써, 3상 다이오드 합성단자(n’)와 중성선(n) 간의 출력전압(Vn’n)이 결상 검출부에 인가된다. 그리고 결상사고 시 부하의 전원을 차단하거나 전동기 제어회로에 트립신호를 전송하는 회로로 구성된다.

그림 2. 제안한 결상사고 감지회로 블록도

Fig. 2. Block diagram of proposed open-phase fault detection circuit

그림 3. 정상상태 및 결상사고에 대한 동작특성 파형

Fig. 3. Operation characteristic waveforms of normal state and open- phase faults

그림 3은 3상 전원과 그림 2의 3상 다이오드 합성 출력전압(Vn’n)의 정상상태 및 결상사고 시의 동작특성 파형을 나타낸다. 그림 3(a)는 정상상태에서의 3상 전원과 출력전압의 파형을 나타내고, (b)는 1상 결상사고 시의 2상 전원과 출력전압 파형, 그리고 (c)는 2상 결상사고 시의 1상 전원과 출력전압 파형을 나타낸다.

3상 전원 van, vbn, vcn이 식 (1)로 주어지면, 그림 3(a)의 정상상태에서의 출력전압(Vn’n)의 평균값 Vave0과 실효값 Vrms0은 식 (2)와 식 (3)으로 정리된다.

여기서 Vm은 각상의 상전압의 최대값이고 $\omega = 2\pi f$ [rad/sec]이다.

그림 3(b)의 1상 결상사고 시의 출력전압의 평균값 Vave1과 실효값 Vrms1은 식 (4)와 식 (5), 그리고 그림 3(c)의 2상 결상사고 시의 출력전압의 평균값 Vave2와 실효값 Vrms2은 식 (6)과 식 (7)로 정리된다.

그림 4. 제안한 결상사고 감지회로 토폴로지

Fig. 4. Topology of proposed open-phase fault detection circuit

그림 3에서 1상 결상 또는 2상 결상 시의 출력전압 동작특성 파형을 살펴보면, 불연속 구간 즉, 영으로 감소하는 구간이 존재한다. 제안한 결상사고 감지회로 토폴로지는 이러한 특성을 이용하여 설계되고 그림 4에 회로도를 나타낸다.

제안한 결상사고 감지회로의 회로구조는 3상 전원 a, b, c 각 선로에 동일 다이오드(D1～D3)를 성형 결선하고, 3상 다이오드 합성전압과 중성선(n)간의 전위차를 이용하여 결상사고를 검출하는 회로구조를 가진다.

제너다이오드 Dz는 제어회로에 사용된 소자들의 정격과 용량을 낮추고 대기전력을 감소시키기 위해 적용된다.

제안한 결상사고 감지회로의 동작원리는 정상상태에서는 3상 다이오드 합성전압이 3상 반파정류회로로 동작하여 그림 3(a)의 출력전압 파형과 같이 약간의 리플(ripple)을 포함한 연속적인 전압을 가진다. 그러므로 합성전압에 의해 릴레이 RL1이 여자(excitation)되고 접점 RL1_a이 턴-온 되어, 커패시터 C1에는 제너전압으로 충전되어 유지된다.

그러나 1상 또는 2상 결상사고가 발생하면 3상 다이오드 합성전압이 그림 3(b)와 3(c)와 같이 리플을 포함한 전압이 영으로 감소하는 구간이 발생하게 된다. 이 구간에서 릴레이 RL1은 소자(non_excitation)되어 RL1_a이 턴-오프 되고, 커패시터 C1의 전압은 접점 RL1_b를 통하여 릴레이 RL2를 여자시킨다.

이에 접점 RL2_a는 턴-온 되어 릴레이 RL2의 자기를 유지시키게 된다. 이는 릴레이 RL1이 여자되어 접점 RL1_b가 턴-오프 되어도 릴레이 RL2의 여자를 유지시키는 역할을 하여, 그 다음에 오는 결상 사이클(cycle) 파형들에 대해 오동작을 방지하기 위한 것이다. 그리고 다이오드 D4는 결상사고가 발생하여 다이오드 합성전압이 영으로 감소될 때 커패시터 C1의 전압이 릴레이 RL1의 여자를 차단하기 위해 사용된다. 그리고 LED1은 정상상태 또는 전원공급 표시등으로 사용되고, LED2는 결상사고 발생 표시등이다.

그림 5. 제안한 결상사고 감지회로 결선 예시도

Fig. 5. An example of wiring connection for proposed open-phase fault detection circuit

더욱이 제안한 감지회로는 정상상태 또는 결상사고 시 감지회로에 상시 전원이 공급되므로, 감지회로에 원격 알람시스템 등의 구축이 가능하여 현장의 관리자 또는 책임자에게 원격 IoT 시스템으로 응용할 수 있는 이점이 주어진다.

그림 5는 전동기 제어반과 제안한 결상사고 감지회로와의 결선 예시도를 보인다. 결상사고가 발생 시 제안한 감지회로는 전동기 구동용 전자접촉기를 강제적으로 트립시키는 원리를 가진다. 사용된 THR은 과부하 감지용으로 사용될 수 있다.

또한 제안한 감지회로는 3상 전원부의 결상사고 검출은 물론 전자접촉기의 노후와 접촉불량에서 발생하는 결상사고도 검출하기 위하여 그림 5와 같이 전자접촉기와 3상 전동기 부하단 사이에 설치될 수 있다.

4. 실험결과 및 검토

그림 6은 제안한 결상사고 감지회로의 시작품으로 제작된 PCB 외형을 나타내며, 회로구조가 간단하여 소형, 경량으로 제작이 가능하다. 또한 제안한 결상사고 감지기는 전압감지 방식이므로 감지기 설치 시 선로의 단선 없이 3상 선로에 병렬로 바로 접속하여 사용되어 설치의 용이성이 주어진다.

표 1은 제안한 결상사고 감지회로에 사용된 회로소자들의 정수값을 나타낸다. 산업현장의 전동기 제어반에 공급되는 3상 공급전원은 AC 220 V∼440 V를 대부분 사용하고 있으며 표 1의 정수값들은 이에 준하여 선정하였다.

그림 6. 제작된 결상사고 감지기 PCB 외형도

Fig. 6. PCB photograph of manufactured open-phase fault detector

다이오드 D1∼D3의 최대 역바이어스 전압(Vpr: Peak Reverse Voltage)은 600 V의 소자를 사용하였고, 그리고 제너전압 VZ = 24 V인 제너다이오드를 사용하여 감지회로의 공급전원으로 기준하였으며, 이에 준한 각 제어소자들의 정격과 용량을 산정하여 설계하였다. 릴레이 RL2의 동작전원으로 사용되는 전해커패시터 C1은 제너전압 24 V에 한정되므로 그 이상의 내압으로 선정하였다.

제안한 감지회로의 DC 공급전원과 표 1의 정수값들은 전동기 제어반의 AC 공급전원과 식 (2)∼식 (7)의 평균값과 실효값을 고려하여 산업현장에 바로 적용이 가능하도록 하였다.

그리고 시작품에는 일시적인 결상에 대해서 제안한 감지회로의 오동작을 방지하기 위하여 그림 7과 같이 릴레이 RL2와 직병렬로 RC 시정수를 이용한 RL2의 시간지연 회로를 보완하여 설계하였다. 시간지연 설정시간은 현장의 전력조건이나 전력환경 등을 고려하여 가변저항 VR의 조정으로 가능하다. 본 실험에서는 상용주파수(60 Hz) 기준 12파장을 고려하여 약 200 ms로 설정하였다.

그림 7. RL2의 시간지연 회로

Fig. 7. Time delay circuit of RL2

제안한 결상사고 감지회로의 실용성을 검증하기 위해 실험을 진행하였으며, 감지회로의 동작특성을 분석하였다.

실험에 사용된 3상 유도전동기는 1.5 kW, 380 V의 권선형 전동기를 사용하였으며, 인위적으로 각상에 연결된 스위치를 통해 결상사고를 유도하였다.

그림 8은 a, b, c 각상의 전압이 120°의 위상차를 가진 평형 3상 전원이 공급되는 상태에서 인위적으로 1상 결상사고를 발생한 경우의 출력측 트립용 릴레이 RL2의 출력전압 파형을 나타낸다. 그림 8(a)는 a상이 결상된 상태의 출력전압 파형을 나타내며, 결상사고가 발생한 후 결상감지 장치가 결상을 감지하여 동작하기 까지 약 220 ms의 응답특성을 보였다. 그림 8(b)는 b상이 결상된 상태에서의 출력전압 파형을 나타내며, 결상감지 응답시간은 약 215 ms로 양호한 응답특성을 보였다.

이들의 응답특성은 200 ms의 시간지연 회로를 고려하면, 제안한 감지회로의 속응성은 매우 우수한 것으로 분석된다.

그림 9는 2개의 상이 단선된 2상 결상사고가 발생한 경우로써, 그림 9(a)는 a상과 b상이 결상된 상태로 결상사고가 발생한 후 결상감지기의 동작까지 약 235 ms의 응답특성을 보였다. 그림 9(b)는 b상과 c상의 결상이 발생한 경우로써 약 220 ms에서 감지장치가 동작하여 양호한 응답특성을 보였다.

그림 8. 1상 결상사고 시 동작특성 파형

Fig. 8. Operation characteristic waveforms of 1-phase open faults

그림 9. 2상 결상사고 시 동작특성 파형

Fig. 9. Operation characteristic waveforms of 2-phase open faults

여러 차례의 다양한 결상사고에 대해 동작특성을 분석한 결과, 제안한 감지회로는 1건의 오동작도 없이 1상 결상의 경우 결상사고 발생으로부터 평균 220 ms에서 차단 동작시간을 보였으며, 2상 결상의 경우는 평균 225 ms의 양호한 차단 동작시간을 가졌다.

5. 결 론

본 논문은 산업현장의 전기사고 및 전기화재 발생원인 중 하나인 결상사고를 예방하기 위하여, 새로운 전압감지형 결상사고 감지회로를 제안하였다. 기존의 전동기 제어반 결상감지 보호장치로 사용되는 THR 또는 EMPR 등은 전류감지형으로 제작되어 개폐 서어지 및 외부 노이즈 전류 등에 의해 오동작의 원인이 되었지만, 제안한 결상감지기는 전압감지형으로 설계되어 이러한 문제점들이 해소되고, 감지기 설치 시 선로의 단선 없이 3상 선로에 바로 접속하여 사용이 가능하므로 설치의 용이성이 주어졌다. 또한 제안한 결상사고 감지회로는 성형 결선된 3상 다이오드의 합성전압의 파형과 크기를 이용하는 알고리즘과 회로 토폴로지로써, 회로구성이 간단하여 소형 및 경량, 저가로 제작되는 특징이 있고, 결상사고 감지속응성 또한 우수하였다. 여러 차례의 다양한 결상사고 실측분석을 통해 제안한 결상사고 감지장치의 안정성과 신뢰성 그리고 실용성이 검증되었다.