수배전반 감전 예방 안전성 강화를 위한 전기 외함 비접촉 전압 측정 기술 연구 = A Study on Non-Contact Voltage Measurement Techniques for Electric Shock Prevention and Safety Enhancement in Power Distribution Panels

국문 초록 (Abstract)

최근 수배전반 운전 중 접지 불량과 절연 열화로 인해 금속 외함에 유도전압과 부유전위가 형성되면, 설비 외함 접촉 시 인체 감전 위험이 증가한다. 기존의 접촉식 전압 측정 방식은 활선 상태에서 계측이 어렵고 작업 안전성 확보에 한계가 있으므로, 운전 상태를 유지한 채 외함 전위를 정량적으로 감시할 수 있는 비접촉 전압 측정 기술이 요구된다. 본 연구는 전기 외함에 직접 접촉하지 않고 외함 주변 전자기장 성분을 이용하여 외함 전위를 정량적으로 환산하는 비접촉 전압 측정 기술을 제안하고, 전극 설계, 검출 회로, 신호 처리 알고리즘, 통신 및 표시를 포함하는 감시 시스템까지 통합적으로 구현하여 최적화된 시스템을 검증하였다.
첫째, 비접촉 전압 측정의 핵심 구성요소인 전기장 공진 전극을 FEMM 기반 전계 시뮬레이션과 제작 전극의 실측 출력 특성으로 비교하였다. 그 결과 PCB 전극이 나선형 전극 대비 선형 응답이 우수하고, 전극 길이와 폭 조절로 민감도를 정량적으로 설계할 수 있음을 확인하였다. 또한 3.3 V 전원 환경에서 아날로그 전처리와 ADC 입력 정합을 고려하여 전극 원신호 목표 범위를 0 mV에서 180 mV로 설정하고, 100 V 조건에서 약 175 mV 수준의 전극 출력을 갖는 길이 35 mm, 폭 2 mm, 동박 두께 0.05 mm의 PCB 전극을 최종 구조로 선정하였다.
둘째, 자기장 공진 전극은 외함 전류 변화에 따른 자속 결합으로 유도전압을 획득하는 인덕터 전극 구조로 설계하였다. 인덕턴스 변화에 따른 유도전압 예측 결과를 바탕으로 10 mH, 30 mH, 50 mH 조건을 비교하였으며, 증폭기 입력 목표 범위에 가장 근접하면서도 포화 위험을 낮출 수 있는 30 mH 조건을 최종 적용 대상으로 선정하였다. 또한 누설전류 변화로 자기장 입력이 증가할 가능성을 반영하여 자기장 채널 증폭 이득을 제한하고, 정상 조건에서 출력이 약 2.2 V 수준에 머물도록 설계하여 고전압 구간에서도 선형 동작 여유를 확보하였다.
셋째, 검출 회로는 기준전압 기반 3.3V 전원의 ADC 입력 구조로 구현하였다. 전기장 채널은 ADC 동적 범위를 효율적으로 활용하기 위해 증폭 이득을 8배로 설정하여 출력 상한을 약 3.1 V로 설계하였고, 자기장 채널은 전류 변동에 의한 입력 증가를 고려하여 증폭 이득을 3배로 설정해 출력 상한을 약 2.2 V로 제한함으로써 포화 억제와 선형성 유지를 동시에 달성하였다. 이를 통해 고전압 구간에서 조기 포화로 인해 발생하는 비선형 문제를 구조적으로 완화하였다.
넷째, 신호 처리 알고리즘은 전극 출력의 오프셋 제거, 평균화, 선형화 보정, 경보 레벨 판정을 포함하도록 구성하였다. 특히 입력축 정의의 일관성을 위해 외함 인가전압은 전압 단위로 관리하되, 실험 및 성능 비교에서는 이격거리 고정 조건에서 전압 변화에 선형 대응하도록 정의한 전계 세기 환산값 Ein을 입력 변수로 사용하였다.
다섯째, 측정 모듈과 통신, PLC 및 HMI를 포함하는 감시 시스템을 구축하여 다채널 확장성을 검증하였다. 입력 전계 세기 환산값 Ein이 10 V/m에서 100 V/m까지 증가하는 조건에서 모듈 출력은 전 구간에서 선형적으로 증가하였고, 모듈 단독 기준 오차율은 최소 0 %에서 최대 약 2.25 % 범위로 나타났으며 평균 오차율은 약 0.85 %로 확인되었다. 또한 HMI 표시를 포함한 시스템 수준 평가에서도 오차율이 최대 약 3.88 % 이내로 유지되어 통신과 표시 계층을 포함한 통합 구조에서도 정량 성능이 확보됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 연구 범위 4
• 1.3 논문의 구성 7
• 참고 문헌 9
• Chapter 2 이론적 배경 12
• 2.1 전기설비의 외함 감전 사고의 물리적 원인 12
• 2.1.1 절연 열화와 접지 불량 12
• 2.1.2 누설 정전유도 전압 모델 16
• 2.1.3 인체 감전 기준 및 허용치 19
• 2.2 비접촉 전압 검출의 전자기 이론 23
• 2.2.1 전자기장 검출 원리 및 센서 동작 23
• 2.2.2 전자기장 기반 비접촉 전압 검출의 등가 모델 26
• 2.3 기존기술 표준 연구 동향 30
• 2.3.1 비접촉 감전진단 기술 연구 동향 30
• 2.3.2 해외 전력설비 안전 관리 기술 설계 31
• 참고 문헌 33
• Chapter 3 특성 평가 장비 및 실험 방법 35
• 3.1 실험 개요 및 목적 35
• 3.2 측정 시스템 구성 36
• 3.2.1 실험 구성 방법 37
• 3.2.2 실험 장비 사양 및 평가 기준 40
• 3.2.3 실험 절차 및 데이터 분석 43
• 참고 문헌 46
• Chapter 4 연구 결과 및 토의 48
• 4.1 비접촉 전기장 및 자기장 공진 구조의 전극재료 최적화 및 특성 평가 48
• 4.1.1 실험 개요 48
• 4.1.2 전기장 공진부 최적화 50
• 4.1.3 자기장 공진부 최적화 62
• 4.1.4 요약 70
• 4.2 비접촉 전기장 및 자기장 검출 회로 설계 및 특성 71
• 4.2.1 실험 개요 71
• 4.2.2 전기장 및 자기장 측정 회로 설계 74
• 4.2.3 요약 89
• 4.3 전기장 및 자기장 센서 모듈의 통합 최적화 90
• 4.3.1 실험 개요 90
• 4.3.2 성능 평가를 위한 HMI 구현 90
• 4.3.3 비접촉 전압 측정 모듈 및 시스템 최적화 109
• 4.3.4 요약 122
• 참고 문헌 123
• Chapter 5 결론 128
• 초 록 131