ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 68, No. 4, pp. 579~586, 2019 http://doi.org/10.5370/kiee.2019.68.4.579 저압배전계통의 SPD 안전설치를위한오결선검출회로와소프트웨어알고리즘의개발 Development of the Miswiring Detection Circuit and Software Algorithm for Safe Installation of SPDs for Low-Voltage Distribution System 이영준 이영삼 * (YoungJun Lee Young Sam Lee) Abstract - In this paper, we propose a detection circuit and a software algorithm to prevent wrong wiring connection of CT2 SPD. Most of domestic low-voltage consumers are supplied from the KEPCO with TN-C grounding system, but the load facilities are mainly based on TT grounding system. Therefore, in order to prevent damage caused by lightning, most SPDs use a CT2 type SPD that can be suitable for both TN-C and TT grounding. There is no separate bus-bar for the outdoor electric enclosures such as CCTV, so it is difficult to distinguish between the phase and neutral cable. In this environment, the phase and the neutral cable may be connected in reverse by mistake of the installer. However the status indicator of SPD is displayed as normal even under the inverse wiring condition. If a surge enters in this condition, the SPD will be damaged and the electricity supply may be disrupted. The proposed detection circuit and software algorithm are expected to be useful for preventing miswiring of SPD. Key Words : SPD, Miswiring detection circuit, Miswiring protection algorithm, Installation safety 1. 서론 건축물또는옥외에설치되는대부분의전자기기들은 VLSI (Very Large Scale Integration) 및마이크로프로세서 (Micro- processor) 를적용하고있으며소비전력을줄이기위하여저전압 과저전류에동작하도록설계되어과전압내성이약해지는추세 이므로서지유입에따른전자기기의파손또는오작동이일어나 기쉽다. 따라서전자기기의과전압보호를위하여서지보호에 대한연구가많이이루어져왔다 [1-3]. 국내의전원용서지보호장치는 IEC 61643-11( 저압서지보호 장치제 11 부 : 저압전력계통의저압서지보호장치 - 요구사항및 시험방법 ) 과 IEC 61643-12( 저전압서지보호장치제 12 부 : 저전 압배전계통에접속한서지보호장치 - 선정및적용지침 ) 등의 IEC 국제규격을채택하고있으며, 저전압배전계통의전기함체에 는서지에의한전기기기의보호를위하여 SPD 가널리설치되고 있다 [4-5]. 특히, 옥외에설치되는 CCTV 카메라와통신장비에는 전기배선이외부에노출되어있어낙뢰에의한서지로부터취약 Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Inha University, Incheon, Korea E-mail:yjl0717@empal.com https://orcid.org/0000-0002-1900-4680 * Corresponding author:dept. of Electrical Engineering, Inha University, Korea E-mail:lys@inha.ac.kr https://orcid.org/0000-0003-0665-1464 Received : February 21, 2019; Accepted : March 4, 2019 하므로대부분의옥외용전기함체에는 CCTV 카메라및통신기기등의보호를위하여 SPD가설치되고있다. 우리나라에서는저압전원계통의접지시스템이전력사업자의배전계통은 TN-C 계통이며, 대부분의저압수용가의부하설비는제1종, 2종, 3종및특별 3종을기반으로하는독립접지시스템이혼재되어있는상황이다 [6]. 옥외에설치되는 CCTV 및통신기기함체등에적용되는서지방호장치는 TN과 TT계통에모두적용할수있는 CT2형태의조합형단상 SPD를대부분적용하고있다. 이런장소에적용되고있는옥외용함체에는별도의부스-바가설치되어있지않아상과중성선을구분하기어렵고, 설치자의실수로인하여 SPD의결선은상과중성선이바뀌는오결선이될수있다. 이와같은오결선조건에서도 SPD의상태표시기는정상으로표시되는맹점이있으며, 서지가침입할경우 SPD의파손과지락사고로인한전기공급의중단으로이어질수있다. 본논문에서는상과중성선을구분할수없는장소에서작업자의오결선실수를방지할수있도록마이크로프로세서를탑재한오결선방지회로와소프트웨어알고리즘을설계하여 SPD의설치안전을개선할수있도록연구를진행하였다. 2. 이론적고찰 2.1 SPD 연결형태에따른분류 IEC 61643-12에의하면 SPD의연결형태에따라서 CT1과 Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers 579 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
전기학회논문지 68 권 4 호 2019 년 4 월 CT2로나눌수있다 [5]. CT1은상과중성선에서각각의선을 PE (Protective Earth) 에병렬로연결되는형태이며, 이는상과중성선사이에 SPD가직렬로 2개연결되어있어서서지잔류전압이높아져서적절한보호가이루어지지않는다. CT2는상과중성선사이에 SPD가각각병렬로연결되어있고, 중성선과접지사이에 SPD가연결되어있는형태로상과중성선그리고중성선과접지사이에적절한보호가이루어진다. 이를그림 1에도시하였다. 의 c 와같이가스방전관의서지응답특성은서지전압에대해서임 피던스가급격하게낮아져전압을스위칭하는형태로동작된다 [5]. 그림 2 서지보호부품별서지응답특성 Fig. 2 Surge response characteristics according to surge protective components 그림 2의각기호에대한설명은다음과같다. a : 서지보호부품에인가된파두가 8µs이고파미가 20µs인단락회로의전류파형 b : ZnO 바리스터의서지응답특성 c : 가스방전관의서지응답특성 2.3 접지시스템에따른일시적과전압 그림 1 IEC 61643-12에따른 SPD의연결형태 Fig. 1 Connection type of SPD according to IEC 61643-12 2.2 서지보호부품에따른서지응답특성일반적으로서지보호장치에사용되는서지보호부품은 ZnO 바리스터와가스방전관 (GDT, Gas Discharge Tube) 등이사용된다. 그림 2의 a는서지보호부품에인가된파두가 8µs이고파미가 20µs인단락회로의전류파형이다. 그림 2의 b와같이 ZnO 바리스터의서지응답특성은서지전류와전압이상승하면임피던스가연속적으로감소하여전압을제한하는형태로동작되고, 그림 2 모든 SPD는전력계통의최대연속동작전압을초과하는일시적과전압에노출될수있다. 일시적과전압의범위는진폭과시간으로나타나며, 과전압의지속시간은일차적으로전원시스템의접지에의해좌우된다. SPD는일시적과전압을인가한다음에도성능의변화가없거나고장상태에도인명이나장비에어떤피해도입히지않아야하며, 이는 SPD의중요한특성중하나이다. IEC 61643-12( 일시적과전압 ) 와 IEC 60364-4-44( 전압및전자파장애에대한보호 ) 등에서접지시스템에따라서저압시스템에나타나는일시적과전압 (TOV,Temporary Over Voltage) 은표 1, 그림 3과같다 [5],[7]. 그림 3의 a영역은 LV(Low-Voltage) 설비의고장 ( 단락 ) 에대한 TT, TN 그리고 IT 시스템에서의상과중성선사이의 U TOV, LV 영역이다. 그리고그림 3의 b영역은 LV 설비의고장 ( 상도체의우발적인접지 ) 에대한 IT 계통에서의상과접지사이의 U TOV, LV 영역이며, LV 설비의고장 ( 중성선단선 ) 에대한 TT와 TN시스템에서의상과중성선사이의 U TOV, LV 영역이다. 그림 3 580
Trans. KIEE. Vol. 68, No. 4, APR, 2019 표 1 IEC 60364-4-44에따른최대 TOV 값 Table 1 Maximum TOV value according to IEC 60364-4-44 U TOV 발생시스템 U TOV, HV 최대값 상 (phase) 과접지 (earth) 사이 중성 (neutral) 선과접지사이 TT, IT TT, IT Uo + 250V 지속시간 > 5s Uo + 1200V 지속시간 5s 까지 250V 지속시간 > 5s 1200V 지속시간 5s 까지 위의값은고압에서의고장과연관된극한 (extreme) 값이다. U TOV 발생시스템 U TOV, LV 최대값 상과중성선사이 TT 와 TN Uo 위의값은저압계통에서의중성선이없어졌을때 ( 끊어졌을때 ) 나타나는값이다. 상과접지사이 IT 시스템 Uo 위의값은저압계통에서상도체의우발적접지에관련된것이다. 상과중성선사이 TT, IT 와 TN 1.45 Uo 5s 까지의지속시간 위의값은상도체와중성선도체사이의단락 (short circuit) 과관련된것이다. 그림 4 정상상태의단상 SPD 연결도 Fig. 4 Connection diagram of normal wiring single phase SPD 용하지못하는이유는 TOV 1200V를 5초간견딜수있는 ZnO 바리스터를사용하게되면서지보호기의잔류전압이너무높아져부하의임펄스내전압을초과하므로적절한보호가되지않기때문이다. 통상적으로국내의저압전원계통에연결되어사용되는정상상태의단상 SPD의연결도는그림 4과같다. 2.4 SPD 오결선조건에서상태표시기맹점 옥외에설치되는 CCTV 및통신기기의전기외함에는별도의부스-바가설치되어있지않은곳이대부분이며옥외함의외부사진은그림 5에, 내부사진은그림 6, 그림 7에예시하였다. 접지선의색상은녹색으로비교적잘지켜지고있었으며부스-바를사용하여구분이잘되었으며, 상과중성선은색상으로구분되지않는경우와색상은잘지켜진경우가있었으나멀티탭을경유하여 SPD에연결되어구분이되지않았다. 그림 3 IEC 60364-4-44 에따른최대 TOV 도표 Fig. 3 Maximum TOV diagram according to IEC 60364-4-44 의 c영역은 HV(High-Voltage) 시스템에서고장이발생한경우, TT와 IT 시스템의상과접지사이에위치한고객측전기설비에서의 U TOV, HV 최대값영역이다. 그리고 d는정의되지않은영역을나타낸다. TT 접지시스템에서고압계통의고장발생시상과중성선사이에 1200V의일시적과전압 (U TOV, HV) 이 5초까지발생될수있으며 Uo는국내저압계통의전원전압인 220V를의미한다. 따라서 SPD는상과중성선사이에는 ZnO 바리스터를적용한다. 그리고중성선과접지사이에는 TOV 1200V를견딜수있는가스방전관으로구성된 SPD를적용하고있으며이때가스방전관에서발생되는속류의최대치에관한정보를 SPD 제조사가소비자에게제공하고있다. 중성선과접지사이에 ZnO 바리스터를사 그림 5 CCTV 옥외용전기함체의외부사진 Fig. 5 Photo of outdoor CCTV electrical enclosure 저압배전계통의 SPD 안전설치를위한오결선검출회로와소프트웨어알고리즘의개발 581
전기학회논문지 68 권 4 호 2019 년 4 월 표 2 IEC 60445에따른전기선의색상 Table 2 Colors of electric wire according to IEC 60445 도체 / 단자식별기준 지정도체 / 단자 도체 단자 색상 AC 도체 AC AC - 라인 1 L1 U 흑색 라인 2 L2 V 갈색 라인 3 L3 W 회색 중립도체 N N 청색 보호도체 PE PE 녹색 + 노랑 그림 6 옥외용전기함체의내부사진 (1) Fig. 6 Inside picture of outdoor electrical enclosure(1) 와같이구분하고있다 [8]. 상과중성선이구분되지않는조건에서설치자는접지를기준으로상과중성선의전압을확인하여연결하지만, 역결선의가능성은항상존재한다. 역결선의결과로서지가침입하는조건에서는 SPD의파손및지락사고가발생할수있는데, 가장큰문제는역결선조건에서도상태표시기의회로는상과중성선사이에여전히위치하고있으므로정상으로표시된다는것이다. 그리고역결선조건에서상과중성선사이에는가스방전관이연결되어있으므로서지가들어오기전까지가스방전관은동작되지않아정상으로보인다. 서지가침입하면가스방전관은스위칭으로동작되어상의전류가가스방전관을경유하여접지로흘러서단락사고가발생하게된다. 이결과로상위의회로차단기가동작되면전력공급이중단되며, 전기배선또는 SPD의파손으로이어질수있다. 만약회로차단기가설치되어있지경우와회로차단기가설치되어있으나중성선이연결되어있지않다면 SPD가전소하여화재로이어질수있다. 단상 SPD의상과중성선역결선도는그림 8에도시하였다. 그림 7 옥외용전기함체의내부사진 (2) Fig. 7 Inside picture of outdoor electrical enclosure(2) 저압배전계통에서사용되는전기선의색상은 IEC 60445 의 국제표준 ( 인간과기계간인터페이스 (MMI), 표시식별의기본 및안전규칙 - 장비단자, 도체단자및도체의식별 ) 에따라서표 2 그림 8 역결선된단상 SPD 의연결도 Fig. 8 Connection diagram of reversed wiring single phase SPD 582
Trans. KIEE. Vol. 68, No. 4, APR, 2019 3. 시스템설계 3.1 시스템블록도오결선을방지하기위한시스템블록도는그림 9와같이구성하였다. AC/DC Converter는마이크로프로세서와각블록의 DC 전원을공급하기위한것이며, 마이크로프로세서는오결선검출회로를통하여결선상태를판단하여음성 IC와표시기로출력하도록구성되어있다. 그림 9 오결선방지시스템블록도 Fig. 9 System block diagram for preventing miswiring detection 3.2 오결선검출회로설계오결선을검출하기위한제안된회로를그림 10과같이구성하였다. 그림 10 과같이오결선검출회로는 AC 1 차측 ( 흑색 ) 과 DC 2 차 측 ( 청색 ) 으로분리하여서지로부터마이크로프로세서가영향을 받지않도록설계하였다. 초기에 SPD 에전원이인가되면마이크 로프로세서의 GPIO output (GPIO: General Purpose Input Output) 에서 50ms 동안 high 를출력하여 Relay 를동작시켜 GPIO input 에서상과중성선을검출하였다. 상과접지그리고 중성선과접지의선간전압을검출하기위하여광결합기를사용 하였고, SPD 의상위에누전차단기가사용되는경우도있으므로 Relay 동작시상에서접지로흐르는전류로인한트립현상이 발생하지않도록고려하여 330kΩ 을선정한것으로누설전류를 최소화하였고검출시간은 50ms 로 60Hz 를기준으로약 3 주기에 해당된다. 이기간동안흐르는전류를옴의공식으로산출하면 667μA 이다. 과전류보호장치를가진누전차단기의국제표준은 IEC 61009-1( 주택용및이와유사한용도의과전류보호장치를가진 누전차단기 (RCBO)- 제 1 부 : 일반요구사항 ) 을따르며최소정 격감도전류인 6mA 보다훨씬작은값으로영향을받지않는다 [9]. 또한접지의환경및주변기기의잡음및고조파전압에 따라서중성선과접지간의전압은상승될수있으므로검출은 정상전압인 220V 의약 80% 인 180V 이상에서동작하도록설정 하였다. 결선상태에따른오결선검출회로의동작특성은표 3 과같다. 표 상과접지간전압 (V) 3 오결선검출회로의동작특성 Table 3 Operating characteristics of miswiring detection circuit 중성선과접지간전압 (V) GPIO Input (phase) GPIO Input (neutral) 결선상태 220 0 Low High 정상연결 0 220 High Low 상과중성선 바뀜 접지미연결 High High 접지미연결 3.3 오결선방지소프트웨어알고리즘 그림 10 오결선검출회로 Fig. 10 Proposed miswiring detection circuit 오결선을방지하기위한소프트웨어순서도를그림 11에도시하였다. 오결선을방지하기위하여중성선과상이정상적으로검출되면 정상설치되었습니다 를음성으로출력한다. 중성선은정상이지만상이검출되지않으면접지가연결되지않은상태로판단하여 접지연결을확인해주세요 를음성으로출력한다. 중성선이비정상으로검출 ( 중성선과접지간전위차발생 ) 되고상이비정상 ( 전압이검출되지않은상태 ) 이면 상과중성선의위치를확인해주세요 를음성으로출력한다. 그리고결선상태를 Display에출력하여설치자에게시청각적으로알려주도록편의성에중점을두어설계하였다. 오결선을방지하기위한소프트웨어코딩의일부를그림 12에나타내었다. 저압배전계통의 SPD 안전설치를위한오결선검출회로와소프트웨어알고리즘의개발 583
전기학회논문지 68 권 4 호 2019 년 4 월 그림 13 AC 110V 입력조건의오결선검출회로출력특성 Fig. 13 Output characteristics of miswiring detection circuit in AC 110V 그림 11 오결선방지소프트웨어순서도 Fig. 11 Software flowchart for preventing miswiring 그림 14 AC 180V 입력조건의오결선검출회로출력특성 Fig. 14 Output characteristics of miswiring detection circuit in AC 180V 그림 12 오결선방지소프트웨어알고리즘 Fig. 12 Software algorithm for preventing miswiring 4. 실험 4.1 오결선검출회로의전기적특성실험 오결선검출회로의입력전압범위에따른출력특성은그림 13 과같이 AC 110V 입력조건에서 Relay GPIO out 이 High 로 그림 15 AC 220V 입력조건의오결선검출회로출력특성 Fig. 15 Output characteristics of miswiring detection circuit in AC 220V 584
Trans. KIEE. Vol. 68, No. 4, APR, 2019 출력되는동안 K3010의 Collector출력전압은 0.5V이하로떨어지지않아서마이크로프로세서가인식할수없으므로검출되지않았다. 이결과로광결합기의 CTR(Current Transfer Rate) 특성과광결합기의 1차측저항값 (330kohm으로인하여 K3010의 Collector로흐르는전류가충분치않았음을알수있다. 그림 14 와같이 AC 180V 입력조건에서는 Relay GPIO out이 High 로출력되는동안 K3010의 Collector출력전압은검출임계전압으로확인되었고, 그림 15와같이 AC 220V 입력조건에서는 Relay GPIO out이 High 로출력되는동안 K3010의 Collector출력전압이정상적으로검출되었다. 4.2 결선에따른실험결선상태에따른음성안내및표시기의동작을실험하기위하여그림 16과같이구성하였다. 접지선에는스위치를연결하여접지미연결을실험하고, 상과중성선의오결선은전원접속코드의방향을바꾸어시험한결과는정상연결상태와오결선상태그리고접지미연결상태에대해서표 4와같이모두정상으로확인되었다. 리고중성선과접지간에 2, 4, 6, 8, 10 kv 를각각정극성 10 회 부극성 10 회를인가하였다. 실험한결과는표 6 과같이모든조 건에서서지내성이문제가없는것으로확인되었다. 표 5 서지내성실험장비 Table 5 Experimental equipments of surge immunity 실험장비모델명정격 조합파서지발생기 LSS-15AX 15kV/7.5kA 개방전압 2-10kV, 1.2/50 μs단락전류 1-5kA, 8/20 μs 오실로스코프 DLM2054 500MHz, 2.5GS/s 프로브 SI-9010 ±7kV 그림 16 오결선실험구성 Fig. 16 Miswiring test setup 표 4 오결선실험결과 Table 4 Result of miswiring connection test 결선조건 음성안내 표시기 결과 정상연결 정상설치되었습니다 O 정상 상과중성선상과중성선의위치를확인해바뀜주세요 Er. 2 정상 접지미연결 접지연결을확인해주세요 Er. 1 정상 4.3 오결선검출회로서지내성실험 오결선을검출회로의서지내성을실험하기위한 Setup 사진 은그림 17과같으며, 사용된실험장비는표 5와같다. 서지내성 을확인하기위한시험조건은표 6과같이상과중성선간그 그림 17 서지내성실험구성 Fig. 17 Experimental test setup of surge immunity 표 6 서지내성실험결과 Table 6 Results of the surge immunity test 서지인가개소 서지인가전압 인가회수 실험결과 상-중성선 중성선-접지상-중성선 ±2kV 각 10회 정상 중성선-접지상-중성선 ±4kV 10회 정상 중성선-접지상-중성선 ±6kV 10회 정상 중성선-접지상-중성선 ±8kV 10회 정상 중성선-접지 ±10kV 10회 정상 저압배전계통의 SPD 안전설치를위한오결선검출회로와소프트웨어알고리즘의개발 585
전기학회논문지 68 권 4 호 2019 년 4 월 5. 결론저압전원계통의오결선은전기사고를일으키는큰원인이며, 국내에대부분의전기기기들은상과중성선의구분없이사용하고있다. 그러나 CT2 형태의조합형단상 SPD의경우는상과중성선그리고접지를구분하여바르게연결되어야한다. 특히옥외에설치되는전기외함에서상과중성선의구분이어려우며, 설치자의실수로오결선될경우에도 SPD의상태표시기는정상으로나타나는맹점이있음을확인하였다. 서지가침입할경우지락사고가발생하여 SPD의파손및전원공급중단으로이어질수있다. 본논문에서는제안된마이크로프로세서를탑재한오결선검출회로와오시공방지소프트웨어알고리즘으로오결선이정확히검출되는것과서지내성이충분한것으로실험적으로확인되어오결선사고를방지하여 SPD의설치안전을향상시키는데유용할것으로기대된다. 그리고상과중성선을구분하여연결되어야하는다른전기기기들과전기함체등에본논문에서검토한결선과관련된내용들로설치안전을향상시킬수있다. Part 4-44: Protection for safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances, 2007. [8] IEC 60445. Basic and safety principles for manmachine interface, marking and identification Identification of equipment terminals and conductor terminations, 2006. [9] IEC 61009-1. Residual current operated circuitbreakers with integral overcurrent protection for household and similar uses (RCBOs) - Part 1: General rules, 2010. 저자소개 References [1] Lee, B. H., Surge protection measures according to the classification of lightning surge entering buildings, Journal of The Electrical World, Sep. 11, 2005. [2] Lee, B. H., Lee, S. C., The pending issues on the characteristics of lightning and lightning protection, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 17, No. 4, pp. 3-15, 2003. [3] Lee, B. H. et al., Protection effects according to the conditions of installations of SPDs for informationoriented equipments, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol.21, No.1, pp.35-41, 2007. [4] IEC 61643-11. Low-voltage surge protective devicespart 11 : surge protective devices connected to lowvoltage power distribution systems-requirements and test methods, 2012. [5] IEC 61643-12. Low-voltage surge protective devicespart 12 : surge protective devices connected to lowvoltage power distribution systems-selection and application principles, 2007. [6] Lee, K. S., Choi, J. H. and Lee, B. H., Evaluation of the Protection Performance of TT and TN Systems for Low-Voltage Consumers Against Lightning Surges, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 24, No. 6, pp. 67-74, 2010. [7] IEC 60364-4-44. Low-voltage electrical installations - 이영준 (Young-Jun Lee) He received M.S. degree in electrical engineering from Inha university in 2017. He is now a Ph. D. candidate in electrical engineering at Inha university. His research interests include lightning protection system, sensors and embedded systems. 이영삼 (Young Sam Lee) He received B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Inha University, Incheon, South Korea, in 1999, and the Ph.D. degree in electrical engineering from Seoul National University, South Korea, in 2003. From 2003 to 2004, he was a Senior Researcher with Samsung Electronics Co. Since 2004, he has been with the Department of Electrical Engineering, Inha University. He is the author of four books and more than 50 articles. His research interests include computer-aided control system designs, rapid control prototyping, control and instrumentation, robot engineering, and embedded systems. 586