이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.

저압절연 감시시스템 개발

히다치산업시스템(日立産業システム)_타카카모 나오히로(高鴨 直大)

전기설비의 보전은 이른바 현장에서 시행되는데, 설비의 점검보수·예방보전이 매우 중요하다. 이들은 누전화재사고, 감전사고, 제조라인의 정지 등이 없도록 각 사업소에서 보안규정으로 정한 측정내용이나 점검기간에 시행되고 신뢰성과 안전이 요구된다. 구체적으로는 저압배전회로가 각종 누전릴레이, 누전차단기 등에 대응하고 또 정기적인 메가를 이용한 절연저항측정이 이루어지고 있다.

그렇기는 하지만 누전릴레이, 누전차단기의 설치회로는 절연열화가 진행될 경우, 돌연 전력의 공급이 정지하게 되어 그 영향이 크다. 또 과거와 같이 메가를 이용한 절연저항측정이 일반적이기는 하지만 정전을 필요로 하고, 또 저압배전계통은 회로수가 많아 단기간의 일수·시간에 측정하게 되는 공수와 비용이 높아지는 문제가 있었다. 또 최근에는 장기간에 걸쳐 정전상태에 둘 수 없는 중요한 설비가 증가하고, 열화상태의 파악이 어려운 경우도 발생하게 되었다.

이러한 점에서 종래와 같은 메가를 이용한 절연열화상태를 정전시키지 않고 상시감시하는 방식이 요구되고 있다. 히다치산업시스템에서도 이러한 시장 수요에 대응하기 위해 당사에서 저압절연 감시시스템을 개발하였기에 이하에 소개하기로 한다.

개발의 목적

종래와 같은 메가를 이용한 절연저항측정은 직류전압인가방식이기 때문에 대지정전용량에 영향을 받는 일 없이 측정할 수 있다는 것이 큰 특징이지만, 상기에서도 간단하게 서술했듯이 <표 1>과 같은 문제점이 있다.

또 종래 주류를 이루고 있던 변압기 접지선에서의 누전전류 감시는 계통회로 전체의 감시로 과대 누전전류를 검출하면 변압기의 2차 회로를 확실하게 측정·조사할 필요가 있는데, 여기에 많은 노력이 든다는 문제점이 있었다.

이 개발 목적은 위에서 말한 문제점을 해결하는 동시에 회로수가 많은 저압계통 절연열화상태를 상시 감시·기록 가능한 시스템을 용이하게 구축할 수 있도록 함으로써 사고를 미연에 방지하고 전기설비의 예방보전과 관리를 하는 것이다.

저압절연 감시시스템의 개요

1. 누전전류의 측정

종래부터 절연저항의 측정에 대신하는 것으로 누전전류의 측정이 있다.

<그림 1>은 누전전류의 측정원리를 간단하게 나타낸 것으로 부하설비·기기에 열화가 발생해 누전전류가 발생하면 그림과 같은 루트로 대지를 경유한 루프가 가능하고 이를 변류기(이하 ZCT라 부름)로 검출, 절연감시 유닛으로 계측하는 것이다.

<그림 1>과 같이 누전전류가 부하설비·기기에서 대지정전용량(콘덴서)을 통해 흐르는 누전전류 I0C와, 절연물이나 기기표면 등을 통해 흐르는 누전전류 I0r(이른바 저항분 누전전류)가 합성된 전류 I0가 대지를 통해 흐른다. 이 중 사고와 연결되는 것은 저항분 누전전류 I0r이다. 이 관계를 <그림 2>에 벡터도로 나타낸다. 따라서 이 저항분 전류 I0r을 바르게 구하는 것이 개발의 포인트다.

2. 절연감시 시스템의 개략

절연감시 시스템의 구성 예를 <그림 3>에 나타낸다. 개발제품은 계측범위에 따라 2종류로 나뉜다.
 

① 100mA 렌지품1대의 절연감시 유닛으로 2계통 합계 14회로의 감시를 가능하게 하고 누전전류로부터 고조파 성분을 완전히 제거한 기본파 누전전류 I0와 기본파 누전전류를 바탕으로 저항분 누전전류에 상당하는 ‘유효분 누전전류 I0r’을 측정할 수 있는 것으로 했다.

여기에서 <그림 2>에 나타낸 유효분 누전전류 I0r은 대지전압위상을 기준으로 측정하는데 이 때문에 전압신호를 보내고 있다. 기본파 누전전류는 고조파성분의 제거를 소프트적, 하드적으로 시행하고 복수의 계통회로를 측정할 수 있도록 했다.

② 1,000mA 렌지품100mA 렌지품과 똑같이 고조파성분을 완전히 제거한 기본파 누전전류를 측정할 수 있고 계통수와 상관없는 합계 14회로의 감시를 가능하게 했다.

3. 문제점과 대응책

a. 누전전류 고조파

최근에는 인버터 기기 등이 보급되어 누전전류에 포함된 고조파성분이 측정에 큰 오차를 주고 있는 것이 실정이다. 실제 현장에서 측정한 파형의 일례를 <그림 4>에 나타낸다. 또 <그림 5>는 이 파형을 수차별로 전개해 그래프로 표시한 것이다.

이 개발은 계측방법으로 파형 샘플링 방식을 채용해 누전전류를 계측하고 있는데, 고조파 성분 중 ‘반환의 영향’을 받는 고차 고조파 성분은 하드웨어의 로퍼스 필터로 제거하고 기본파 누전전류를 푸리에 전개로 구한다.

여기에서 저차 고조파성분은 푸리에 전개로 인해 기본파 성분과 분리할 수 있으므로 고조파성분을 완전히 커트할 수 있다.
 

b. ZCT의 특성

ZCT는 누전전류의 크기가 바뀌어 자신의 이차측 출력신호의 위상특성이 변화하는 성질이 있고 <그림 2>에 나타낸 대지전압위상과 누전전류의 위상 θ에 오차가 발생하는 문제가 있다. 또 ZCT는 통일된 규격이 아니라 각 제조사에 따라 출력특성이 다르다는 문제가 있다.그래서 이 개발은 시판품 ZCT를 선별해 출력특성·위상특성을 파악한 기종의 보정계수를 테이블화함에 따라 측정정도를 향상했다.

c. 설치상의 문제

절연감시는 기설설비의 요구가 많아 이 경우 여러 제약조건이 따라 붙는다.

배전선(케이블)을 치우지 않고 ZCT를 설치하는 구조라는 점, 항구적으로 감시하는 경우는 고정금구 등으로 고정할 수 있다는 점, 일시적인 감시로는 용이하게 설치·분리가 가능하다는 점 등이다.
 

또 기설설비반의 변압기 이차측 회로는 공간이 적은 경우가 있고 ZCT나 절연감시 유닛을 설치할 공간이 제한되어 기기의 소형화가 필요하다.

그래서 이 개발은① 고정가능한 분할형 ZCT② 용이하게 설치, 분리가 가능한 클램프형 ZCT③ 신설시에 적당한 관통형 ZCT④ 동시발매매의 ZCT 내장차단기에 대응할 수 있도록 했다.

ZCT 내장차단기는 설치공간이 없어 차단기의 리뉴얼·고기능화에 적당하다. 또 내부구조상 ZCT를 작게 할 수 있고 관통도체를 균등하게 배치할 수 있기 때문에 특성이 양호하다. <그림 6>에 ACT 내장차단기 구조의 일례를 나타낸다.

4. 절연감시 시스템의 주요 사양

절연감시 시스템의 주요 사양을 <표 2>에 나타낸다. 또 절연감시유닛 단체는 ZCT 기종선택, 경보레벨의 설정이나 경보출력기능을 갖고 있어 퍼스널컴퓨터 등에 접속시키지 않고 단독으로도 사용이 가능하다.

현장으로의 적용

1,000mA 렌지품은 변압기 이차회로의 주간용 분기반이나 변압기의 접지선 감시에 적당하다.

한편 100mA 렌지품은 분기반·분전반과 같은 부하설비에 근접한 점에서의 감시에 적절해 유효분 누전전류(저항분 누전전류에 상당)로 절연열화 상태를 상시감시할 수가 있다.

<그림 7>은 100mA 렌지품을 당사 현장설비에 설치하고 자동수집한 측정데이터를 그래프화한 일례다. 이 예는 사무소연 조명회로의 옥외에 설치된 삼상의 외등 5기를 일괄적으로 감시한 것으로 종래부터 안정기의 열화가 보였기 때문에 절연감시 시스템을 설치, 절연열화상태를 감시한 것이다.

이 결과 종래 1년에 1회 메가의 측정을 받았던 것이 절연감시 시스템의 상시감시로 퍼스널컴퓨터 화면상에서 열화상태를 한눈에 파악할 수 있게 되었다.
 

효과

이 절연감시 시스템을 도입하면 다음 효과가 있다.① 절연열화 조짐의 조기발견, 선수관리가 가능상시 누전전류로 케이블의 절연열화만이 아니라 부하설비를 포함한 절연상태의 열화상황을 파악할 수 있어 중요설비 등의 사고를 미연에 방지, 에방보전의 선수관리가 가능하다.② 연차 점검의 경감을 지원가능소정의 수속을 거쳐 절연감시 시스템으로 감시하는 회로에 대해서는 연차 점검의 경감을 도모할 수 있다.

 

< Energy News >