월간전기



[해외 신기술] 교류 무순단 절체 장치 개발

2011-10-20

오늘날의 비즈니스는 24시간 쉼 없이 움직이고, 그 영역도 세계 무대로 넓어졌다. 때문에 기간基幹시스템이나 네트워크 시스템 등에 이용하는 ICT 장치가 작동을 멈춘다면 업무상 큰 손실을 입을 수밖에 없다. 정전 등 전원에서 발생하는 문제로부터 시스템을 보호하기 위해 설치하는 것이 UPS(교류 무정전 전원 장치)다. 다른 교류 전원을 절체하려면 전압 · 주파수 · 위상 · 상 회전 등 모든 것이 일치해야 하는데, 그렇지 않을 경우 단락이나 횡류(Cross Current)로 말미암아 전원 사고가 발생한다. 따라서 UPS를 증설하거나 교체할 때 시스템을 정지한 뒤 공사를 하는 것이 일반적이었다. 이에, <그림 1>의 운용 이미지에서 보듯이, 기설旣設UPS에서 신설新設UPS로 무순단 절체를 하는 포터블Portable형 교류 무순단 절체 장치를 개발했다. 교류 무순단 절체 장치 개요 포터블형 교류 무순단 절체 장치(PTS)의 회로 구성 개요는 <그림 2>와 같다. 이 장치는 고속 스위치(IGBT)와 기계 스위치(MC)로 구성된 절체부와 위상 체크 회로, 제어 회로, 조작 스위치로 이뤄진다. 또한, 입력 단자로 기설UPS(원元절체)와 접속하는 입력 A, 신설UPS(변경 절체)와 접속하는 입력 B가 있으며, ICT 기기와 접속하는 출력 단자가 있다. <그림 3>은 무순단 절체 장치를 이용한 UPS의 절체 구성이다. 기존에 설치한 급전 계통을 '원 절체'에, 새롭게 설치하는 급전 계통을 '변경 절체'에 각각 가假케이블로 절체 장치와 접속시킨다. 절체는 Make After Break 방식으로 하고, 고속 스위치(IGBT)를 이용해 무순단(순단 시간 : 100μsec 이하)으로 한다. 절체 기술에는 UPS의 INV 급전과 바이패스 급전을 절체하는 절체 스위치 기술을 응용했다. 절체는 고속 IGBT로 하며, 그 후 전압 강하, 발열 대책을 고려한 회로 단락용MC를 투입한다. <그림 4>는 절체 시 신설, 기설 UPS와 무순단 절체 장치의 출력 전류의 파형 모델을 나타낸 것이다. 이 그림에서 보듯이, 파형은 절체 시 100μsec의 순단을 동반할 뿐 급전은 계속된다. 일본전기공업회 규격(JEM-TR 186:2007)에서는, UPS의 INV 급전과 바이패스 급전의 절체에서 순단 시간이 1/4 사이클 이하(약 5msec 이하)인 경우를 무순단 방식으로 규정한다. 위상 체크 회로는 절체 장치에서의 출력 전압 위상과 외부 위상 확인 단자에서의 위상이 일치하는 지를 확인한다. 또한, 제어 회로는 위상 체크 회로, 입력 단자에서 검출한 전압 · 위상의 신호로 절체부를 제어한다. 무순단 절체 장치의 특징 자동 동기 검출 절체 기능｜다른 UPS에서 출력하는 각 급전 케이블을 무순단으로 절체하려면 상호 UPS의 출력이 필수적으로 동기돼야 한다. 여기서 동기란 전압, 위상, 상, 상 회전이 일치하는 것을 말한다. <표 1>은 UPS의 절체조건 예를 나타낸 것이다. 자동 동기 검출 절체기능에 따라 '변경 절체'의 전원 동기를 검증하고 접속 상태를 확인하기 시작하며, 정상일 때에는 '동기 정상'이란 의미가 표시된다. 다음으로 절체 조작 스위치를 신설 UPS 측에 설정해 각 UPS의 출력이 동기될 때, 즉 <표 2>의 절체조건을 만족하는 것으로 검출되는 순간 SW 1이 OFF가 되고 무순단으로 SW 2가 ON이 되며, 그 동작과 연계해 MC가 추종함으로써 절체동작이 시행된다. 한편, 동기되지 않았을 경우에는 절체하지 않는 보호 기능을 갖췄다. 포터블형｜데이터 센터 내는 UPS나 그 외 전원 설비, ICT 장치를 수용하는 랙 등이 밀집한 장소여서 장치의 소형화가 필요하다. 유럽과 미국의 데이터 센터에서는 고정 설치해 운용하는 STS(Static Transfer Switch)를 이미 사용 중이다. UPS~랙 급전 계통의 2계통 도중에 같은 종류의 절체 장치를 구축할 때 함께 미리 설치해 필요할 때만 일시적으로 급전 계통을 무순단으로 절체하는 것이나, 현재 사용하는 UPS가 고장으로 정전된 경우 이를 검출해 자동으로 무순단에서 예비계로 절체하는 것으로 운용한다. 개발한 장치 역시 데이터 센터 내에 미리 고정해 설치 · 운영하는 방법을 생각할 수 있겠으나, 이 경우 ▲절체하는 장치가 한정된다는 점 ▲UPS 용량은 절체의 상호 용량을 더해야 한다는 점 ▲전용 설치 공간을 요하는 특성상 초기 투자와 공간의 증가로 이어진다는 점 등을 고려해 필요시 운용 가능한 포터블형으로 했다. 절체의 고속 스위치로 사이리스터를 적용하면 강제 소거 회로가 필요해 장치가 커진다. 때문에 고속 스위치로 IGBT를 적용해 사이리스터 스위치를 적용한 경우보다 약 30% 소형화하는 데 성공했다. 하이브리드 구성｜고속 스위치를 MC에서 단락하는 구성으로 제작해 장치 내부의 전력 손실을 줄였으며, 고속 스위치 고장에도 계속 급전이 가능한, 저손실 · 고신뢰성의 하이브리드 구성을 채택했다. 절체 순서 <그림 5>는 개발 장치를 이용해 기설 UPS에서 신설 UPS로 절체할 때의 순서를 나타낸 것이다. * 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다. ⅰ) 기설 UPS와 분전반이 이어진 상태다. ……… state 1 ⅱ) 신설 UPS와 절체 장치를 설치하고, 기설 UPS의 예비 출력 MCCB와 절체 장치의 입력 단자 A, 신설 UPS의 예비 MCCB와 절체 장치의 입력 단자 B, 절체 장치의 출력 단자와 분전반의 예비 MCCB를 각각 가假케이블을 이용해 무전압으로 포설하고, 기설 UPS와 분전반의 예비 MCCB를 투입한다. ……… state 2 ⅲ) 기설 UPS의 가 케이블과 본 케이블의 상이 일치하는지 확인한 뒤 절체 장치 내 출력 MCCB를 투입하면 기설 UPS로부터 본 케이블과 가 케이블에서 급전이 된다. ……… state 3 ⅳ) 본 케이블이 접속된 기설 UPS와 분전반의 MCCB를 끊고 본 케이블을 무전압으로 철거한 후 신설 UPS용 케이블을 무전압으로 포설한다. ……… state 4 ⅴ) 자동 동기 검출 절체 기능을 이용해 기설 UPS와 신설 UPS의 출력 전압의 전압, 위상, 극성, 상 회전이 일치하는지 확인한 뒤 절체 장치의 절체 작업 스위치를 기설 UPS 측에서 신설 UPS측으로 하고 무순단으로 기설에서 신설로 UPS의 급전 절체를 한다. ……… state 5 ⅵ) 가 케이블과 본 케이블의 상 일치를 확인한 뒤 신설 UPS의 본 케이블이 접속된 MCCB를 투입하면 본 케이블과 예비 케이블로부터 급전이 된다. ……… state 6 ⅶ) 신新UPS와 분전반의 예비 MCCB를 끊으면 신UPS의 본 케이블로부터만 급전이 된다. 이상의 순서로 무전압 작업인 동시에 무순단으로 신설 UPS로 절체한다. ……… state 7 ⅷ) 기설 UPS와 PTS를 철거하면 절체가 완료된다. ……… state 8 이 장치를 실제로 운용했을 때 나타난 절체 시 파형은 <그림 6>과 같다. 절체는 확실히 무순단으로 이루어졌다. 파형에서 순단 시간은 약40μsec이며, 파형도 흐트러지지 않았음을 확인할 수 있다. * 이 장치를 이용하면 기존에 시스템을 정지해 실시한 UPS 절체 작업을 정전시키는 일 없이 안전하고 확실히 할 수 있으며, 일본의 ㈜NTT퍼실리티즈에서는 이미 3천 회 이상 이러한 절체를 실시했다. < Energy News >