1. 서 론

산업의 발달과 함께 급증한 전력수요, 대도시 집중 현상, 대용량화된 전력설비 등의 추세에 따라 전력공급의 신뢰도 향상이 크게 요구되고 있다. 국내의 경우 1960년대 후반부터 경제 개발 계획의 추진으로 전력설비가 증대되었고, 그중 일반 수용가에 직접적인 영향을 미치는 수배전반의 수도 함께 증가하였다. 이들 설비 일부의 노후화에 따라서 누설전류, 수배전반 내부의 전선이나 전기 제품 간 절연불량, 열화 및 접속불량 등의 원인으로 아크나 스파크가 발생하는 설비사고 가능성이 증가 되고 있다^[1-3]. 누설 전류는 장비의 교류 또는 직류 회로에서 절연체의 결함이나 손상으로 인하여 발생하며, 전기가 흐르지 않아야 할 경로를 통하여 흐르는 전류이다. 이 전류는 절연 파손, 습기 또는 열화와 같은 상황에서 발생할 수 있으며, 안전 문제와 전기 설비나 시스템의 성능 저하를 초래한다. 아래 표 1에 나타낸 바와 같이 실제로 전국의 배전반, 분전반 화재 발생 건수는 2021년 474건, 2022년 494건, 2023년 592건으로 매년 증가하는 추세이다. 또한, 표 2에서 나타낸 바와 같이 누설 전류에 의한 감전 사고로 인한 인명 피해도 2017년 19명에서 2020년 13명으로 감소하였지만, 2019년에는 27명이 발생하는 등 감소 추세로 보기는 어려운 실정이다^[4-5]. 이에 효율적으로 전력을 공급하기 위한 보다 안전하고 신뢰성이 높은 전력설비 및 기기의 유지, 보수가 중요하게 되었고, 사고의 예방과 대형 사고로의 확대를 사전에 방지할 수 있게 하는 기술을 필요로 하게 되었다^[6-7]. 전력설비의 안전사고 예방을 위하여 감전 및 화재 예방 기술 또한 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 접지 시설 및 접속 상태 불량 등 누설전류로 인한 감전사고 예방을 위한 감전사고 예방 안전 기술을 적용한 정전용량 및 상대적 누설분포 분석 알고리즘을 기반으로 한 수배전반 실시간 감전 안전진단 시스템 기술에 대하여 설명한다. 수배전반 설비의 외함 정전용량 감지 모듈 개발을 위하여 정전용량 감지용 무선 하베스팅 전원 모듈과 고압반, 변압기반, 저압반 및 전동기제어반 외함 정전용량 감지 모듈을 개발하였다. 또한 센서네트워크 기반, 수배전반 설비 多포인트 누설감지 모듈 개발을 위하여 비접촉 방식의 접지선로 1 mA급 AC/DC 하이브리드 고감도 누설 감지 모듈과 정전 용량 디바이스와 누설감지 디바이스 및 감전 안전진단 HMI(Human-Machine Interface) 시스템 간 통신 프로토콜 기술을 개발하였다.

2. 본 론

2.2 정전용량 감지용 무선 하베스팅 전원 모듈 개발

하베스팅 유도코어 제작 및 정류회로를 개발하고, 그라운드 저누설 IC 기반 레귤레이터 회로를 개발하여 수배전반 설비의 외함 정전용량 감지 모듈을 개발하였다. 위의 그림 1, 그림 2 는 하베스팅 유도코일 및 정류 회로의 설계 예시를 나타낸 그림이다. 아래 그림 3은 고압반, 저압반, 전동기제어반, 분전반 등의 수배전 전기설비의 다포인트에서 누설이 발생하는 환경 분석을 위한 상대적 누설분포 분석 알고리즘이다.

그림 1. 하베스팅 유도코일 및 정류회로 설계도

Fig. 1. Design of harvesting induction coil and rectification circuit

그림 2. 하베스팅 유도코일 및 정류회로 설계 순서도

Fig. 2. Harvesting induction coil and rectifier circuit design flowchart

그림 3. 누설분포 분석 알고리즘

Fig. 3. Leakage distribution analysis algorithm

2.3 고압반, 변압기반, 저압반, 전동기제어반 외함 정전용량 감지 모듈 개발

감전 예방을 위한 외함의 정전유도 및 정전용량 감지 모듈을 설계하고 정확한 정전유도 에너지양을 측정하기 위하여 PWM(Pulse Width Modulation) 로직 구성을 기반으로 커패시터단 전압 응답 측정 성능을 개발하였으며 정전유도 측정 감도 5레벨 판독용 증폭회로 및 고해상도 ADC 변환부를 개발하여 고압반, 변압기반, 저압반, 전동기제어반 외함 정전용량 감지 모듈 개발하였다. 위의 그림 4는 정전유도 에너지양 측정을 위한 커패시터 단의 설계도이다.

그림 4. 정전유도 에너지량 측정을 위한 커패시터 단 설계도

Fig. 4. Capacitor stage design for electrostatic induction energy amount measurement

3. 실험방법 및 결과

타이머 회로를 이용한 방식, TR 회로를 이용한 방식 모두 AC 부하, AC 가변 장치, 계측 장비로 구성하여 실험을 진행하였다. 전압은 두 방식 모두 AC 가변 장치를 통하여 25 V, 100 V에서 실험을 진행하였고, 거리는 0 cm에서 60 cm까지 5 cm, 10 cm 단위로 변화를 주어 실험을 진행하였다. TR 방식과 타이머 방식 모두 실험을 위하여 제작한 PCB에 연결된 안테나의 길이는 3 cm로 고정하였다. 결과값의 확인은 오실로스코프에 표시되는 High 신호 출력을 통하여 확인하였다. 위의 그림 5, 6은 타이머 회로와 TR 회로를 이용한 방식의 PCB 모듈과 회로도이며, 이를 활용한 시험 구성 환경이다.

그림 5. 시험 회로도

Fig. 5. Test circuit diagram

그림 6. PCB 및 시험 구성 환경

Fig. 6. PCB and test setup environment

3.1 타이머 회로를 이용한 방식

그림 7은 타이머 회로를 이용한 방식에서 25 V와 100V일 때, 0 cm, 30 cm, 50 cm일 때의 거리에 따른 결과값의 오실로스코프 출력 화면이다. 이용한 방식에서는 25 V, 100 V에서 모두 거리가 50 cm일 경우에 주변의 자기장이 없으면 스코프 출력값은 0으로 Low 값이 검출되었다.

그림 7. 타이머 회로 방식의 스코프 출력값

Fig. 7. Scope output values of timer circuit type

3.2 TR 회로를 이용한 방식

그림 8은 TR 회로를 이용한 방식에서 25 V와 100V일 때, 0 cm, 30 cm, 50 cm일 때의 거리에 따른 결과값의 오실로스코프 출력 화면이다. TR 회로를 이용한 방식에서는 25 V, 100 V에서 모두 거리가 늘어남에 따라 스코프 출력값은 2.48에서 2.75로 진폭의 변화는 미미하게 발생하였다.

그림 8. TR 회로 방식의 스코프 출력값

Fig. 8. Scope output values of TR circuit type

3.3 TR 회로 방식의 정전유도 측정 감도

TR 회로를 이용한 방식의 정확한 에너지양을 측정하기 위한 정전유도 측정 감도 5레벨 판독용 증폭회로의 실험을 진행하였다. 전원 공급과 이상 전압의 생성을 위하여 전원 공급기, Vac 전압 조정기를 활용하였고, 이상 전압 계측과 출력 측정을 위하여 디지털 멀티미터와 오실로스코프를 활용하였다. 위의 장치들과 전기설비 외함, 고장진단 모듈을 활용하여 시험 환경을 구성하였다. 그림 9는 TR 회로 방식의 정전유도 측정 감도 시험을 위한 구성도이다. 시험은 30V, 100V, 220V로 진행하였고, 각각 10회씩 시험을 진행하였다.

그림 9. 정전유도 측정 감도 시험 구성 환경

Fig. 9. Electrostatic induction measurement sensitivity test configuration environment

시험에 따른 실제값, 측정값 및 오차율[%]을 위의 표 3에 정리하였다. 30V일 때의 오차율은 최소 0.9에서 최대 4.6까지 측정되었고, 100V일 때의 오차율은 최소 1.6에서 최대 4.7까지 측정되었다. 또한 220V일 때의 오차율은 최소 0.5에서 최대 1.1까지 측정되어 고전압일 때에 더 정확한 결과값이 측정되었다. 오차율은 절대값으로 표시하였다. 감전 예방을 위한 외함의 정전유도 및 정전용량 감지 모듈의 실험 결과를 바탕으로 정전유도 에너지양의 측정 감도를 0Vac는 Normal, 30Vac는 Level1, 98Vac는 Level2 그리고 222Vac는 Level3으로 레벨 판독하였다. 그림 10은 비접촉 전압감시 고장 진단 모듈의 실제 Level 판독 결과이다. 아래의 그림 11은 0Vac, 30Vac, 50Vac, 그리고 100Vac일 때의 TR 회로 방식의 정전유도 측정 감도 시험의 오실로스코프 출력 결과를 나타낸 그림이다.

표 3 정전유도 측정 감도 시험 결과

Table 3 Electrostatic induction measurement sensitivity test results

그림 10. 고장진단 모듈의 측정 감도 Level

Fig. 10. Measurement sensitivity level of the fault diagnosis module

그림 11. TR 방식 정전유도 측정 감도 시험의 전압 실효값

Fig. 11. Voltage RMS value of TR method electrostatic induction measurement sensitivity test

4. 결 론

접지 시설 및 접속 상태 불량 등 누설전류로 인한 감전사고 예방을 위한 감전사고 예방 안전 기술을 적용한 정전용량 및 상대적 누설분포 분석 알고리즘을 기반으로 한 수배전반 실시간 감전 안전진단 시스템 기술을 위한 정전용량 측정 테스트 결과 아래의 그림 12에서 볼 수 있듯이 TR 방식의 구형파 변화량을 이용하여 정전용량을 측정하는 방식은 25 V, 100 V에서 모두 거리가 늘어남에 따라 스코프 출력값은 진폭의 변화가 미미하게 발생하여 구분이 쉽지 않았으나, 타이머 회로를 이용한 방식은 25 V, 100 V에서 모두 거리가 0 cm에서 50 cm로 변화함에 따라서 주변의 자기장의 유무에 따라 자 기장이 검출되면 High, 자기장이 없으면 Low 신호가 출력되어 신호 출력의 유무에 따라서 정전 용량 감지가 가능한 것으로 확인되었다.

그림 12. 스코프 출력값

Fig. 12. Scope output value

또한 TR 회로 방식의 정전유도 측정 실험을 통하여 이상 전압을 측정하여 고장진단 모듈의 측정 감도 레벨을 0V일 때 Normal, 30V는 Level 1, 100V는 Level 2, 그리고 220V는 Level 3으로 측정 감도 레벨을 구분하였다. 아래 그림 13에서 확인할 수 있듯이 모든 Level에서 정전 유도 측정이 가능하였지만, Level 1과 Level 2에서는 오차율이 0.7%에서 4.7%까지 측정되었지만 Level 3에서는 평균 오차율이 0.9%로 더 안정적이고 정확한 측정값을 확인할 수 있었다.

그림 13. 측정 감도 Level 오차율

Fig. 13. Measurement Sensitivity Level Error Rate

이를 통하여 수배전설비의 정전용량 및 누설을 감시하여 감전 사고를 예방할 수 있는 기술을 확보하였고, 전력 설비 시스템에서 주기적인 점검을 진행하는데 발생하는 인력, 시간 및 유지비용을 절감하고 수배전반 내부의 정전용량 및 누설전류 신호를 분석하여 이상 상태를 감지하는 기술을 적용하여 전기 사고를 예방할 수 있을 것이라 기대된다.