요약: 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능의 자동 테스트를 위해 LabVIEW 기반 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트 장치를 개발했습니다.이 장치는 0-40A, 0-63A, 160-250A 등 다양한 규격의 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능을 자동으로 테스트할 수 있다.테스트 내용에는 단거리 흐름 제한 시험, 과부하 보호 시험, 전압 파동 시험이 포함된다.테스트 장치는 단락 흐름 제한 시험 파형 및 과부하 보호 시험 파형을 자동으로 캡처하여 단락 흐름 제한 시간 및 과부하 보호 시간을 정확하게 계산하고 파형, 데이터 및 생성 테스트 보고서를 저장합니다.정격 작업 전압 220V, 전류 10A의 전기 방화 흐름 제한 보호기를 피테스트 사례로 선택하여 테스트를 진행하였는데, 테스트 결과 개발된 테스트 장치는 테스트 효율과 안전 성능을 향상시켰고, 테스트 원가를 낮추었으며, 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 가스 성능 테스트의 자동화와 지능화를 실현하였다.

키워드: 전기 방화 흐름 제한 보호기;단락 제한 흐름

1. 인용문

최근 몇 년 동안 선로 단락, 과부하 및 전기 설비 고장 등으로 인한 전기 화재는 이미 모든 화재 중 발생 빈도가 비교적 높고 손실을 초래하는 일종의 화재가 되었다. 중국 소방 연감에 따르면 2014~2017년 전기 화재 수량이 전체 화재 수량에서 차지하는 비중은 매년 상승 추세를 보이고 있으며 2017년에는 35.7% 에 달해 인민의 생명 재산 안전에 지대한 위협을 가져왔다.전기선로가 단락될 때, 기존의 기계식 차단기는 차단 속도가 느리고, 단락 전류를 제한할 수 없으며, 단락될 때 아크가 발생하는 등의 문제가 존재하기 때문에, 왕왕 사고를 확대하여 전기 화재를 유발할 수 있다. 예를 들면 하얼빈"8.25"와 베이징 다싱"11.18"두 건의 중대한 인명 피해를 초래한 화재 사고는 모두 전기선로의 단락, 기계회로 차단기가 믿을 수 있게 보호하지 못하고, 주변의 가연성 물질을 연소시켜 발생한다.화재위험을 낮추기 위하여 전국소방표준화기술위원회 화재탐지와 경보분기술위원회는 관련 기업과 련합하여 상응한 국가표준"전기화재감시시스템 제6부분: 전기방화제한류식보호기"를 제정하여 전기방화제한류보호기가 단락제한류를 완성하는 시간이 150μs 이상이여야 한다고 요구하였다.전기 단락 고장에 대해 마이크로 초급 흐름 제한 보호를 실현할 수 있어 전기 선로의 단락으로 인한 화재 사고를 크게 줄일 수 있다.현재 이 표준은 비준 신청 단계에 있다.

테스트 장치의 연구 개발과 테스트 표준의 승인 신청을 동시에 진행하기 위하여 표준이 정식으로 출범한 후의 순조로운 실시를 위한 기초를 다진다.이를 위해 테스트 표준 요구 사항을 충족하는 테스트 방법을 바탕으로 테스트 효율을 더욱 높이고 테스트 비용을 절감하며 LabVIEW 기반 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트 장치를 설계 개발했습니다. 이 테스트 장치를 이용하여 다양한 규격의 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트를 실현할 수 있습니다. 테스트 내용은 단락 흐름 제한 테스트, 과부하 보호 테스트와 전압 파동 테스트를 포함합니다.테스트가 끝난 후 테스트 보고서를 자동으로 생성하여 전기 방화 흐름 제한 보호기의 전기 성능 테스트를 자동화하고 지능화합니다.

2. 전체 방안 설계

2.1 시나리오 설계 기준

표준에서 전기 방화 흐름 제한 보호기의 전기 성능 테스트에 관한 규정에 따라 단락 흐름 제한 테스트 회로는 그림 1과 같고 과부하 보호 테스트 회로는 그림 2와 같다.그림 1과 그림 2의 GR은 전압 소스, TR은 피테스트 샘플, S는 단일 던지기 스위치, R은 0.01 오메가 무감 샘플링 저항, CR은 오실로스코프, T는 버튼 스위치, Z1은 3~6A 저항 부하, 그림 2의 A는 펜치식 전류계, Z2는 25~50A 저항 부하이다.

단거리 흐름 제한 테스트 단계: 피테스트 샘플을 그림 1과 같이 장치와 연결, 폐쇄 스위치 S, 보호기가 정상적으로 작동하고, 통버튼을 눌러 스위치 T, 폐쇄 순간 오실로스코프에 표시된 R 양쪽 전압 파형을 기록하고 관찰하며, 피테스트 샘플이 단거리 흐름 제한 시간을 기록한다.

그림 1 단락 흐름 제한 테스트 회로

과부하 보호 테스트 단계: 피테스트 샘플을 그림 2와 같이 설비와 연결하고, 도선에 집게식 전류계 A를 끼워 넣고, 스위치 S를 연결한 후 샘플의 과부하 보호 완료 시간을 기록한다.

전압 파동 테스트 절차: 피테스트 샘플을 정상적인 작업 요구에 따라 배치하고, 각각 정격 전압의 110% 와 85% 에 따라 시료에 전력을 공급하며, 상술한 단거리 흐름 제한 테스트와 과부하 보호 테스트를 반복한다.

그림 2 과부하 보호 테스트 회로

2.2 전체적인 설계 방안

표준에 규정된 테스트 방법에 근거하여 LabVIEW 기반의 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트 장치를 설계하였으며, 장치 전체 방안 설계 상자도는 그림 3과 같다.LabVIEW 기반 테스트 소프트웨어는 공작 제어기에 설치되어 있으며, 테스트 소프트웨어는 전압 감지 모듈, 고속 전류 수집 모듈을 통해 각각 전압 조절기 출력 측면의 전압과 선로의 전류를 수집하고, 테스트 내용에 따라 전압 조절기 출력 전압, 조정 가능한 부하 전환 저항, 접촉기 KM 스위치 상태 및 단락 브랜치의 단락 여부를 자동으로 제어한다.

그림 3 전체 시나리오 설계 프레임맵

3. 하드웨어 설계

하드웨어 설계는 주로 공작 제어기, 전력 공급 단위, 조절 가능한 부하, 고속 전류 수집 모듈, 단거리 브랜치와 전압 검측 모듈의 선택과 설계를 포함한다.공작통제기는 연화회사의 IPC-610L를 선택한다.조정 가능한 부하 모델은 RXF-AC220V 1-64A AC 부하이며, 조정 가능한 부하에는 DC24V 계전기가 설치되어 있어 제어 계전기를 통해 임피던스 전환을 할 수 있다;고속전류채집모듈은 고위층 MDO-2000E 계렬의 다기능혼합역오실로스코프를 선택하여 주파수대역폭이 200MHz이고 비교적 큰 실시간표본추출률이 1GSa/s에 달할수 있다.

3.1 전력 공급 장치 설계

전기방화흐름제한보호기에 대한 전기성능테스트를 진행할 때 전압파동테스트를 진행하여 각각 규정된 전압의 110% (약 242V) 와 85% (약 187V) 에 따라 시험된 전기방화흐름제한보호기에 전력을 공급해야 한다.그러므로 전력공급단위는 입력전압이 교류220V이고 출력전압이 0~250V인 요구를 만족시켜 피시험견본 및 전반 장치에 전력을 공급해야 한다.전원 공급 장치 하드웨어 회로는 그림 4와 같습니다.

그림 4 전원 공급 장치 하드웨어 회로도

전력 공급 장치는 전압 조절기, 스텝 모터 및 스텝 모터 드라이브로 구성됩니다.선택된 전압조절기 모델은 TEGGC2J-30KVA이고 입력전압은 단상 220V이며 출력전압은 0~250V이고 출력정격작업전류는 120A이다. 선택된 스텝모터 드라이브 모델은 HST884A로 직류 24~50V로 전력을 공급한다.공작 제어기는 보조 전동기를 제어하여 압력조절기의 출력 전압을 조절할 수 있어 수동 조작을 피할 수 있다.

3.2 단거리 브랜치 설계

단거리 흐름 제한 테스트를 진행할 때, 접촉기와 양방향 제어 실리콘은 단거리 브랜치를 구성한다.양방향 실리콘을 단거리 브랜치로 선택할 때 단거리에서 발생하는 위상각을 정확하게 제어할 수 있지만 실리콘을 제어할 수 있을 때 통상적인 압력강하가 존재하기 때문에 어느 정도 단거리 전류의 증가를 제한할 수 있다.접촉기는 전도할 때 저항이 작아 접촉기 때문에 단락 전류의 크기에 영향을 주지 않지만 단락에서 발생하는 위상각을 제어할 수 없다.합선이 발생하는 위상각에 대한 요구가 있을 경우 양방향 제어 실리콘을 합선 브랜치로 선택한다;단락에서 발생하는 위상각에 대한 요구가 없으면 접촉기를 단락 브랜치로 선택합니다.단거리 브랜치 하드웨어 회로는 그림 5와 같이 선택된 양방향 제어 실리콘 TRIAC 모델은 MTC1000A, 정격 전류 1000A, 정격 전압 1600V이다. 제어 실리콘 트리거 모델은 SCR-Y로 트리거 출력이 커서 3000A 이내의 제어 실리콘을 직접 트리거할 수 있다.과부하 보호 테스트를 진행할 때, 컨트롤러는 실리콘 트리거를 제어하여 펄스 신호를 막고, 양방향 실리콘을 제어하여 통하지 않거나 접촉기를 끊고, 단락 브랜치가 끊어진다;단락 제한 테스트를 진행할 때, 컨트롤러는 제어 가능한 실리콘 트리거가 펄스 신호를 보내 양방향 제어 가능한 실리콘을 도통 상태 또는 폐쇄 접촉기로 만들어 단락을 부하한다.

그림 5 단락 브랜치 회로

3.3 전압 측정 모듈의 선택과 설계

전압검측모듈을 리용하여 전력공급단위의 출력측의 교류전압을 검측하고 선택한 전압검측모듈모델은 KBM-44 교류전압격리변송기로서 이 교류전압격리변송기의 전압검측범위는 0~250V이고 modbus통신프로토콜을 지원하여 직접 상위기기와 통신할수 있으며 검측된 교류전압의 유효값을 상위기기의 시험소프트웨어에 업로드할수 있다.

1. 소프트웨어 설계

LabVIEW의 그래픽화된 프로그래밍 특징과 유연하고 효과적인 기기 제어 방식을 충분히 활용하여 개발된 테스트 소프트웨어가 더욱 높은 신뢰성을 가질 수 있도록 LabVIEW 2018을 기반으로 기기의 테스트 소프트웨어를 개발하였다.미국 국립 기기 (NI) 회사가 연구 개발 한 LabVIEW는 G 프로그래밍 언어를 기반으로 테스트, 측정 및 기기 제어를 개발하는 데 이상적이며 데이터 수집, 제어, 데이터 분석 및 이미지 디스플레이 등에 적용되며 현재 다양한 테스트 분야에 널리 사용되고 있습니다.

테스트 소프트웨어는 테스트 인터페이스와 테스트 프로그램 두 부분으로 구성되어 있다.테스트 인터페이스는 테스트 매개 변수와 테스트 내용을 설정하는 데 사용됩니다.테스트 프로그램은 설정된 테스트 매개 변수와 테스트 내용에 따라 상응하는 조작을 수행하는데, 주로 전력 공급 프로그램, 단락 흐름 제한 테스트 프로그램, 과부하 보호 테스트 프로그램과 시간 계산 하위 프로그램을 포함한다.

4.1 테스트 소프트웨어 인터페이스 디자인

테스트 소프트웨어 인터페이스는 그림 6과 같이 왼쪽에 전력 공급 전압 라디오 버튼, 파라미터 확인 버튼과 전력 공급 전압 확인 버튼이 설치되어 있으며, 전압 파동 테스트를 위해 전력 공급 전압 라디오 버튼에 187, 220, 242V 세 개의 전압을 설정하여 테스트 내용에 따라 선택할 수 있다.오른쪽에는 정격 작업 전류 열거 버튼, 단락 제한 흐름 테스트 버튼, 과부하 보호 테스트 버튼, 생성 보고서 버튼이 설치되어 있으며, 정격 작업 전류 열거 버튼에는 10, 20, 32, 63A 네 개의 규격이 설치되어 있어 피테스트 샘플의 규격에 따라 상응하는 정격 작업 전류를 선택할 수 있다.

그림 6 테스트 소프트웨어 인터페이스

4.2 전력 공급 프로그램 설계

테스트 기기 전원 공급 절차 맵은 그림 7과 같습니다.전기 방화 흐름 제한 보호기에 대한 전압 파동 테스트를 진행할 때 전압 조정기 출력 측면에는 187V와 242V 전압을 제공해야 한다;단락 흐름 제한 테스트와 과부하 보호 테스트를 진행할 때 전압 조절기 출력 측면에 220V 전압을 제공해야 한다.테스트 소프트웨어 인터페이스에서 전력 공급 전압을 선정한 후, 소프트웨어는 전압 검측 모듈을 통해 실시간으로 전압 조절기 출력 측면의 전압 유효값을 읽고, 설정된 전압 범위 내에 있는지 판단하며, 범위 내에 있으면 전압 조절이 끝난다;반대로 조정을 계속하여 설정된 범위의 큰 값보다 큰지 여부를 판단한다.크면 스텝모터를 반전시켜 전압조절기 출력측 전압을 줄인다;반대로 스텝 모터를 정회전시켜 압력조절기의 출력 측면 전압을 증대시킨다.상술한 조작을 반복하여 압력조절기의 출력측 전압이 설정범위내로 조정될 때까지 전력공급전압의 정확성을 보장한다.

그림 7 테스트 기기 전원 공급 프로그램 흐름도

4.3 단거리 흐름 제한 테스트 및 과부하 보호 테스트 프로그램 설계

단락 흐름 제한 테스트 프로그램 프로세스와 과부하 보호 테스트 프로그램 프로세스는 각각 그림 8과 그림 9와 같다.테스트 장치의 전력 공급 전압을 조정하여 확인한 후, 테스트 소프트웨어 인터페이스에서 단락 제한 흐름 테스트 버튼 또는 과부하 보호 테스트 버튼을 클릭하면 단락 제한 흐름 테스트 또는 과부하 보호 테스트를 진행할 수 있으며, 상응하는 프로세스를 수행하여 단락 전류 파형, 과부하 전류 파형, 단락 제한 시간 및 과부하 보호 시간을 얻을 수 있으며, 파형과 데이터를 저장하여 후기 테스트 보고서를 생성하는 데 사용할 수 있다.

그림 8 단락 흐름 제한 테스트 프로그램 흐름도

그림 9 과부하 보호 테스트 절차 다이어그램

4.4 시간 계산 서브루틴 설계

전기 방화 흐름 제한 보호기의 단락 흐름 제한 완료 시간은 흐름 보호기의 단락 고장 전류 값이 단락 보호 정정 전류 경보 값을 초과할 때부터 단락 고장 전류가 그 값의 5% 로 떨어질 때의 시간 간격이다.단락 제한 시간 계산 서브루틴은 그림 10과 같다.

그림 10 단락 흐름 제한 시간 계산 서브루틴 흐름도

과부하 보호 시간은 흐름 보호기의 부하 전류 값이 과부하 보호 정정 전류 경보 값을 초과할 때부터 부하 전류가 그 값의 5% 로 떨어질 때의 시간 간격이다.과부하 보호 시간 계산 서브루틴 프로세스는 단락 제한 시간 계산 프로그램과 유사하지만 과부하 시 고속 전류 수집 모듈의 샘플링 속도와 단락 시 설정이 다르다.

5. 앙코르 전기 방화 흐름 제한식 보호기

5.1 개요

ASCP 시리즈 전기 방화 흐름 제한식 보호기는 전통적인 차단기에 존재하는 단락 전류가 크고 동작 시간이 길며 단락 전호가 크고 사용 수명이 짧은 등의 폐단을 효과적으로 극복할 수 있다.단락 고장이 발생했을 때, 마이크로초급 속도로 단락 전류를 빠르게 제한하여 소호 보호를 실현할 수 있으며, 따라서 전기 화재 사고를 현저하게 줄일 수 있고, 사용 장소의 인원과 재산의 안전을 보장할 수 있다.

5.2 특징

1) 단락 제한 흐름: 단락 전류가 너무 커서 발생하는 전기 화재 사고의 경우 150us 내에서 신속한 제한 흐름을 보호할 수 있다.

2) 과부하 흐름 제한: 보호된 회선의 전류가 정격 전류를 초과하고, 회선이 과부하되고 과부하 지속 시간이 설정 시간 (3-60초) 을 초과할 경우 보호기는 흐름 제한을 보호한다.

3) 온도 초과 흐름 제한: 보호기의 내부 부품 온도가 설정치를 초과할 경우 제품은 온도 초과로 인한 제품 손상을 방지하기 위해 온도 초과 흐름 제한 보호 기능을 작동합니다.

4) 과/과압 보호: 보호기가 선로 전압의 과압 또는 과압을 감지할 때 보호기가 음광 경보 신호를 보내면 흐름 제한 보호 시작 여부를 미리 설정할 수 있다.

5) 케이블 온도 모니터링: 모니터링된 케이블의 온도가 경보 설정치를 초과할 때 보호기가 음광 경보 신호를 보내면 흐름 제한 보호 시작 여부를 미리 설정할 수 있다.

6) 누전류 감측: 감측된 선로의 누전이 경보 설정치를 초과할 때 보호기가 음광 경보 신호를 보내면 미리 제한류 보호 시작 여부를 설정할 수 있다.

7) 통신 기능: 1 번 RS485 인터페이스, 1 번 2G 무선 통신으로 데이터를 백그라운드 모니터링 시스템으로 전송하여 원격 모니터링을 실현할 수 있다.모니터링 백그라운드는 Ancore Acrel-6000/B 전기 화재 모니터링 호스트이거나 Acrel-6000 보안 클라우드 플랫폼 또는 타사 모니터링 소프트웨어 또는 플랫폼일 수 있습니다.

5.3 장치 옵션

6. 끝말

본고에서 연구 제작한 LabVIEW 기반 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트 장치는 0-40A, 0-63A, 160-250A 등 다양한 규격의 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트를 실현할 수 있으며, 단락 흐름 제한 시험 파형과 과부하 보호 시험 파형을 자동으로 포획할 수 있으며, 단락 흐름 제한 시간과 과부하 보호 시간을 정확하게 계산하고 테스트 보고서를 생성할 수 있다.테스트에 따르면 이 테스트 장치는 테스트 효율과 안전 성능을 향상시키고 테스트 비용을 절감하며 전기 성능 테스트를 자동화하고 지능화했다.

[참고문헌]

1. 루치웨이, 여우타오, 예쩌위, 청진페이, 전기 방화 흐름 제한 보호기 전기 성능 자동 테스트 장치 연구 제작;

2. 유의상, 탕호, 금정 등 원인 분석에 기초한 전형적인 도시 화재 통계

3. 앙코르 보안 전력 관리 클라우드 플랫폼.2020.04 버전;

4. 앙코르 기업 마이크로그리드 설계 및 응용 매뉴얼 2020.06판.