KR100423886B1

KR100423886B1 - 아크 결함 보호용 차단기 및 이를 구비하는 회로 차단기

Info

Publication number: KR100423886B1
Application number: KR10-2001-0022392A
Authority: KR
Inventors: 김정완; 김천연
Original assignee: 휴먼엘텍 주식회사; 김천연
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2004-03-24
Also published as: WO2001086683A1; KR20010069658A; US20020008950A1; AU2001256812A1; US6532139B2

Abstract

본 발명은 배전 시스템에 있어서, 아크 결함, 접지 결함 및 과부하를 검출하여 회로를 차단시킬 수 있는 회로 차단기에 관한 것이다.

본 발명의 회로 차단기는 아크 결함 보호용 차단기, 접지 결함 보호용 차단기, 과부하 보호용 차단기, 표시부, 및 트립 수단을 구비한다. 상기 아크 결함 보호용 차단기, 접지 결함 보호용 차단기, 및 과부하 보호용 차단기는 교류 전원이 공급되는 상 도전선과 접지 도전선에 연결되어 아크 결함, 접지 결함, 및 과부하를 각각 검출한다. 상기 표시부는 아크 결함 보호용 차단기, 접지 결함 보호용 차단기 또는 과부하 보호용 차단기의 출력 신호에 따라 결함이 발생한 경우에 이를 외부에 표시한다. 상기 트립부는 아크 결함 보호용 차단기, 접지 결함 보호용 차단기 또는 과부하 보호용 차단기의 출력 신호에 따라 회로 차단기의 온/오프를 조절한다.

Description

아크 결함 보호용 차단기 및 이를 구비하는 회로 차단기{ARC FAULT CIRCUIT INTERRUPTER AND CIRCUIT BREAKER HAVING THE SAME}

본 발명은 배전 시스템에 있어서, 아크 결함을 검출하는 아크 결함 보호용 회로 및 상기 아크 결함 보호용 회로를 구비하고, 접지 결함 또는 과부하를 검출할 수 있는 차단기에 관한 것이다.

도시, 산업 또는 상업 지대와 같은 특정 지역의 배전반에는 일반적으로 600 볼트 또는 그 이하의 저전압 네트워크가 사용된다. 특히, 상기 네트워크의 케이블은 지하에 매설되어 있는데, 일반적으로 한 지점 이상에서 유입되도록 설계된다. 상기와 같은 케이블은 열적인 열화(Thermal degradation), 노화, 습기 또는 쥐나 다람쥐 등의 동물에 의한 손상 등 다양한 원인에 의한 결함이 발생할 수 있다. 상기와 같은 원인으로부터 네트워크를 보호하기 위하여 차단기(Circuit breaker)를 구비하는데, 결함이 발생한 케이블을 절연시키고 네트워크의 장애를 최소화하기 위하여 퓨즈(Fuse) 같이 케이블을 단절시킬 수 있는 단절 장치가 케이블 양단에 요구된다. 상기 케이블 단절 장치는 고전압, 저 임피던스(Impedance) 결함과 같이 상간(Phase-to-phase) 결함에 안전하게 작용할 수 있는 장치이다.

일반적으로 화재나 감전 사고 예방을 위해서 가정에서는 배선용 차단기와 누전 차단기를 사용한다. 배선용 차단기는 전선을 보호하기 위한 목적에 사용되는 것으로, 첫째는 부하(Load)를 사용하는 중에 전류가 정격 이상으로 초과 사용하였을 경우에, 차단기 내부에 흐르는 전류는 정상 전류보다 높은 전류가 흐르므로 열이 발생하게 되고, 이 열에 의하여 내부의 바이메탈(Bimetal)이 만곡되어 전기 기구의 동작을 차단시킨다. 둘째는, 부하 측에서 전동 공구나 다른 금속 물건에 의하여 상간에 단락이 발생하는 경우로서, 이 경우에는 순간적으로 고전류가 발생하기 때문에 바이메탈이 열을 받아 전기 기구가 동작되기 전에 내부의 자석을 동작시키고, 상기 전기 기구의 동작을 차단시킨다. 상기와 같은 고전류는 많은 자기장을 발생시키게 되고, 그에 따라 전기 기구 내부의 자석이 동작되는 것이다.

누전 차단기의 경우에는 상기와 같은 배선용 차단기의 기능뿐만 아니라, 사용자가 전기 기기를 사용하는 중에 감전되었을 때, 이를 회로적으로 감지하여 전원을 차단함으로써 사용자를 보호하는 기능을 구비한다.

미국의 경우는, 배전반에 배선용 차단기(Miniature Circuit Breaker)를 사용하고 사용자의 손이 직접적으로 접촉되는 콘센트(Consent)에는 접지 결함 보호용 차단기(Ground Fault Circuit Interrupter: GFCI)를 사용하도록 되어 있다. 상기 접지 결함 보호용 차단기(GFCI)는 일종의 누전 차단기로서 고감도의 누전 감지 기능을 갖고 있으며, 습기나 물기가 많은 부엌, 욕실, 주차장, 또는 지하실 등의 장소에 무조건 사용하도록 의무화되었다.

상기와 같은 배선용 차단기와 누전 차단기가 설치되어 있음에도 불구하고, 전 세계적으로 매년 많은 화재가 발생하고 있는데, 이는 상기와 같은 상간 결함보다는 접지에 대한 아크형 결함(Arcing type fault)이 보다 빈번하게 발생하기 때문이다. 이러한 아크 결함은 저전류 및 고임피던스이고, 차단기의 열적 문턱값(Thermal threshold) 이하의 평균 실효값(Root Mean Square: RMS)을 갖는 전류를 발생시키기 때문에 케이블 단절 장치가 결함에 반응하지 않게 되고, 그에 따라 화재가 발생하는 경우가 많아진다.

그럼에도 불구하고, 상기 아크 결함은 고온으로 발생하기 때문에 매우 위험한데, 아크 결함이 접지를 통하여 충분한 누설 전류를 발생시키는 경우에만 접지 결함 보호용 차단기(GFCI)에 의해 검출될 수 있다. 게다가, 아크에 의한 전류가 차단기의 열적/자기적 구조의 파라미터(Parameter)를 초과하는 경우에 차단기가 동작되기 때문에, 아크 결함을 차단할 수 있는 아크 결함 보호용 차단기(AFCI)는 필수적으로 요구되고 있다.

특히, 미국 가전 제품 안전 위원회(Consumer Product Safety Commission: CPSC)에서는 1997년 발생한 화재 중에서 40 %가 아크 결함에 의한 것으로 판정하였다. 그에 따라, 미국 내선 규정(National Electric Code: NEC)에서는 아크 결함 보호용 차단기(Arc Fault Circuit Interrupter: AFCI)를 2002년 1월부터 가정에서 사용하도록 의무화하였다.

아크 결함이 발생하는 원인은 예컨대, 노화, 절연 및 배선 파괴, 과사용 또는 과전류에 의한 기계적 및 전기적 스트레스, 연결 결함, 및 절연과 배선에 대한 과도한 기계적 손상 등 매우 다양하다.

일반적으로, 주거용 건물 또는 상업용 건물에서 발생하는 아크 결함의 세 가지로 분류할 수 있다.

첫째는, 부하와 직렬로 연결된 도전선 사이에서 발생하는 직렬 아크(접촉 아크)로서, 직렬 아크가 발생한 경우를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조하면, 케이블(10)을 구성하는 도전선(14, 16)은 절연체(12)로 분리되고 둘러싸여 있어서 절연된다. 도 1에서 상부 도전선(14)은 소정 부분이 파열되어 직렬 갭(18)이 발생하였다. 상기 상태에서 아크가 발생하면 케이블에 국부적으로 많은 열이 발생하고, 아크 발생 지점에 인접한 절연체(19)가 파열되거나 탄화(Carbonized)될 정도로 열이 계속 발생하면 화재가 발생하게 된다. 상기와 같은 직렬 아크는 부하에 의하여 아크에 흐르는 전류의 크기가 조절된다.

둘째는, 도전선 사이에서 발생하는 병렬 아크(라인 아크)로서 병렬 아크가 발생한 경우를 도 2에 도시하였다. 도 2를 참조하면, 케이블(20) 내부의 도전선(24, 26)은 외부 절연체(22)로 둘러싸이고, 내부 절연체(28)에 의하여 절연되어 있다. 상기 내부 절연체(28)가 열화되거나 손상이 발생하면(21) 상부 도전선(24)과 하부 도전선(26) 사이에 아크 결함(23)이 발생하게 된다. 상기 내부 절연체의 열화 또는 손상은 과도한 직사광선의 노출과 같이 배선 시스템에 영향을 주는 라이트닝 스트라이크(Lighting strike)에 의하여 탄화됨으로써 나타날 수도 있고, 의자 등의 가구류에 눌려 케이블 확장 코드 부분이 절단되는 기계적 작용에 의하여 발생할 수 도 있다.

셋째는, 도전선과 접지 사이에서 발생하는 접지 아크로서 접지 아크가 발생하는 경우를 도 3에 도시하였다. 도 3을 참조하면, 상기 병렬 아크와 같이 도전선(34, 36)을 보호하고 있는 케이블(30)의 절연체(38)가 파손되어 상기 파손된부분(39)을 통하여 도전선(36)이 접지되는 경우에 접지 아크가 발생한다.

특히, 병렬 아크와 접지 아크는 부하와 병렬로 발생하기 때문에, 아크에 흐르는 전류는 전원의 임피던스에 의해 변화된다.

상기와 같이 케이블의 열화 현상이 장시간 지속되면 케이블의 탄화로 인하여 피복이 손상되고, 아크 전류에 의한 주울 열이 발생하여 상기 케이블은 더욱 열화된다. 이 때, 발생되는 주울열 J = (아크 전류)2 × 시간이 되고 그에 따라 케이블의 탄화로 인한 아크가 발생하게 된다.

도 4에는 저항 부하일 때의 정상 전류와 아크 전류의 파형도를 도시하였다. 도 4를 참조하면, 아크가 발생한 경우의 아크 전류(42)가 정현파로 나타나지 않고 위상이 변화하는 지점에서 왜곡되는 것을 볼 수 있다.

도 5는 저항 부하일 때의 직렬 아크 전압 및 직렬 아크 전류 파형을 도시한 것으로서, 아크 전류(52)가 왜곡됨에 따라 직렬 아크 전압(51) 또한 왜곡되는 것을 볼 수 있다.

도 6은 아크 전류에 의한 라인간 교류 전압이 왜곡되는 것을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 아크 전류(62)가 불연속적으로 발생함으로써 라인 전압(61)의 실효치(RMS)가 감소되고, 상대적으로 주울열은 증가하게 된다. 아크 신호는 라인 전압에 중첩되게 되는데, 주파수 스펙트럼 분석기를 이용하여 아크 전류를 분석해보면, 파형 내부의 고조파 또는 오버톤(Overtone)은 기가(Giga) Hz 까지 주파수가 확장된다.

아크 결함을 검출하여 이를 차단하는데 있어서 가장 큰 문제점은 실제로 아크 결함이 발생하지 않은 경우에도, 아크 결함 보호용 차단기(AFCI)에서 아크 결함으로 판정하는 오동작을 일으켜서 차단기로 하여금 전원으로부터 배선 시스템을 차단시키는데 있다. 이러한 현상은 아크 전류와 아크 전압이 일반적으로 정현파가 아니며, 아크의 종류에 따라 여러 가지 형태의 전압 및 전류 파형을 보여주는 데에서 발생하는데, 아크 전압과 아크 전류는 가정용 선풍기, 또는 드라이기 등의 전기 모터를 이용하는 가전 제품 등의 각종 전기 기기를 기동하는 경우에 발생하는 펄스와 유사한 특성을 가지고 있기 때문이다.

도 7은 저항 부하 경우의 출력 전압 파형을 도시한 것이고, 도 8은 아크가 발생하는 경우의 출력 전압 파형을 도시한 것이며, 도 9는 전기 제품을 구동하는 경우의 출력 전압 파형을 도시한 것이다.

60 Hz 주파수의 전원의 경우에, 정상적인 부하에서는 1/60 초마다 출력 전압이 펄스 형태로 검출되고(도 7), 아크가 발생하는 경우에는 1/60 초마다 상당히 큰 펄스의 아크 전압이 검출되는 것을 볼 수 있다(도 8). 반면에, 전기 제품을 사용하는 경우에는 상기 전기 제품의 기동 시에 상기 도 8의 아크 전압과 유사한 펄스가 발생하고 나서, 그 이후에 정상적인 출력 전압이 검출되는 것을 볼 수 있다(도 9).

상기와 같이, 아크가 발생하는 경우의 출력 전압과 전기 기기의 기동 시에 발생하는 펄스 전압이 유사하기 때문에 아크를 검출하기가 더욱 어려워진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 다중 채널을 통하여 아크를 검출하는 종래의 아크 결함 검출기(Arc Fault Detector: AFD)가 미국 특허 5,805,397에 개시되었다. 상기 특허는 복수의 주파수 대역에 걸쳐서 아크를 검출하고, 각 주파수 대역에서 모두 아크가 발생하는 경우를 아크 발생으로 판단하여 차단기를 구동시키는 것이다.

도 10에는 상기 종래의 아크 결함 검출 회로를 이용한 차단 시스템의 구조도를 도시한 것이고, 도 11은 상기 종래의 아크 결함 검출 회로도를 도시한 것이다.

도 10을 참조하면, 차단기(103)를 구비하는 종래의 차단 시스템(101)은 전원을 공급하기 위하여 라인 도전선(105)과, 중립 도전선(107)이 부하(109)에 연결된다. 상기 차단기(103)는 트립부(101)에 의하여 스프링이 작동함으로써, 개방될 수 있도록 유동 스위치(111)를 구비한다. 상기 트립부(101)는 통상적인 열적-자기적 과전류 장치(116)에 의하여 동작될 수 있다. 상기 열적-자기적 과전류 장치(116)는 라인 도전선(105)에 직렬로 연결되는 바이메탈(115)을 포함한다. 과전류가 지속적으로 인가되면 상기 바이메탈(115)을 가열하여 만곡시키고, 그에 따라 래치(113)를 릴리즈 시켜서 트립부(101)를 구동시킨다. 바이메탈(115)을 통하여 흐르는 전류는 전기자(114)를 자기적으로 이동시켜서 트립부(101)가 동작되도록 래치(113)를 선택적으로 릴리즈 시킨다.

상기와 같은 종래의 차단기(103)에서, 도 11을 참조하여 아크 결함 검출 회로(120)를 살펴보면 다음과 같다. 종래의 아크 검출 회로(120)는 복수개의 채널(123, 124)을 포함하는 다중 채널 대역 통과 필터 회로(Multichannel bandpass filter circuit: 126)로 이루어진다. 각 채널(123, 124)은 도 11에 도시된 바와 같이, 통상적인 능동 대역 통과 필터 등의 대역 통과 필터(125, 126)로 이루어진다. 상기 대역 통과 필터(125, 126)는 서로 중복되지 않도록 대역을 형성함으로써, 광대역의 아크가 발생하는 경우에 각 필터(125, 126)는 아크 결함에 따른 출력 신호를 발생한다. 반면에, 구동 신호는 특정 주파수에서만 발생하기 때문에, 상기 주파수에 해당하는 필터에서만 출력 신호가 발생된다. 따라서, 각 필터의 출력 신호를 합산하여 미리 정해진 아크 발생 레벨에 해당하는 경우에 아크 검출 신호를 발생함으로써 차단기를 동작시킨다.

상기와 같은 다중 채널을 이용한 아크 검출 회로와는 달리, 라인에서의 아크 결함 검출 신호와, 부하에서의 아크 결함 검출 신호를 서로 비교하여 아크 검출 신호를 발생하는 아크 검출 회로가 미국 특허 5,963,406에 개시되었다.

상기 미국 특허 5,963,406은 일반적인 접지 결함 회로용 차단기(GFCI)에 약간의 회로를 부가하여 아크 결함 및 접지 결함을 검출하는 것으로서, 도 12에 상기 종래의 아크 결함 검출 회로의 블록도를 도시하였다.

도 12를 참조하면, 종래의 아크 결함 검출 회로(180)는 아크 결함 및 접지 결함을 검출하기 위한 아크 결함/접지 결함 검출 회로부(182)와 라인에서의 아크 결함을 검출하기 위한 라인 회로부(188), 부하에서의 아크 결함을 검출하기 위한 부하 회로부(200), 상기 라인 회로부(188)와 부하 회로부(200)의 출력 신호를 비교하여 아크 검출 신호를 발생하는 아크 검출부(198), 아크 결함 회로용 차단기(AFCI)의 온/오프를 제어하는 원격 차단부(184) 및 일정 시간 동안 아크 결함 검출 기능을 차단시키는 타이머 회로부(186)로 이루어진다.

도 13에는 라인과 부하의 아크를 각각 독립적으로 검출하기 위한 상기 도 12의 아크 결함/접지 결함 검출 회로부(182)의 회로도를 도시한 것이다. 상기 도 13의 아크 결함/접지 결함 검출 회로부(182)는 라인과 부하의 아크를 검출하기 위하여 종래의 접지 결함 검출 회로에 약간의 소자만을 추가한 것이다.

따라서, 상기의 아크 결함 검출 회로는 종래의 아크 검출 회로를 그대로 사용하였기 때문에, 종래의 아크 결함 검출 회로의 성능을 개선시키는 효과를 기대할 수 없다.

또한, 라인 회로부(188)와 부하 회로부(200)의 출력 신호를 비교하여 아크 발생을 검출하고, 그에 따라 라인 부분과 부하 부분의 아크 발생을 독립적으로 제어할 수 있지만, 라인 부분의 아크 검출 신호를 제어하기 위한 증폭, 필터, 정류 등의 수단과, 부하 부분의 아크 검출 신호를 제어하기 위한 증폭, 필터, 정류 등의 수단이 별개로 요구되기 때문에 아크 검출 회로의 제작 비용이 증가하고, 차단기의 크기가 커져서 상기 차단기를 실내에 설치하기가 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기 시스템에서 발생하는 아크를 보다 효율적으로 검출함으로써 화재로부터 사람 및 재산을 보호할 수 있는 아크 검출 회로용 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 아크 결함, 접지 결함 및 과부하 결함을 보다 효율적으로 검출할 수 있는 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 아크 검출 회로용 차단기의 소자를 감소시키고, 회로 구성을 간단하게 함으로써, 제조 비용을 절감하고 건물 내부에 용이하게 설치할 수 있는 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 직렬 아크가 발생한 경우의 도면.

도 2는 병렬 아크가 발생한 경우의 도면.

도 3은 접지 아크가 발생한 경우의 도면.

도 4는 저항 부하일 때의 정상 전류와 아크 전류의 파형도.

도 5는 저항 부하일 때의 직렬 아크 전압 및 직렬 아크 전류의 파형도.

도 6은 아크 전류에 의하여 라인간 교류 전압이 왜곡되는 것을 나타내는 파형도.

도 7은 저항 부하인 경우의 출력 전압 파형도.

도 8은 저항 부하인 경우에 아크가 발생하는 경우의 출력 전압 파형도.

도 9는 유도성 부하 전기 제품을 사용하는 경우의 출력 전압 파형도.

도 10은 종래의 아크 결함 검출 회로를 이용한 차단 시스템의 블록도.

도 11은 상기 도 10의 차단 시스템에서 아크 결함 검출 회로를 나타낸 도면.

도 12는 종래의 또다른 아크 결함 검출 회로의 블록도.

도 13은 상기 도 12의 아크 결함 검출 회로에 있어서, 아크 결함/접지 결함검출 회로부의 회로도.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기의 블록도.

도 15는 본 발명의 회로 차단기에 있어서, 아크 결함 보호용 차단부의 블록도.

도 16은 상기 도 15의 아크 결함 보호용 차단부의 회로도.

도 17은 본 발명의 회로 차단기에 있어서, 접지 결함 보호용 차단부의 블록도.

도 18은 상기 도 17의 접지 결함 보호용 차단부의 회로도.

도 19는 본 발명의 회로 차단기에 있어서, 과부하 결함 보호용 차단부 및 트립부의 블록도.

도 20은 상기 도 19의 과부하 결함 보호용 차단부 및 트립부의 회로도.

도 21은 본 발명의 회로 차단기에 있어서, 표시부의 블록도.

도 22는 상기 도 21의 표시부의 회로도.

도 23은 본 발명의 실시예에 있어서, 아크 결함 신호의 시간에 따른 충전 전압을 나타내는 파형도.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기의 전체 회로도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭)

1000: 회로 차단기 300: 아크 결함 보호용 차단부

400: 접지 결함 보호용 차단부 500: 과부하 보호용 차단부

600: 표시부 700: 트립부

601, 602, 603: 발광 다이오드

310: 전류 검출부 320: 아크 발생 판단부

330: 트립 신호 발생부 321: 필터부

322: 비교부 323: 레퍼런스 전압 발생부

324: 버퍼부 331: 전압 분배부

332: 제1스위칭부 333: 비교부

334: 제2스위칭부 335: 트립 레벨 조절부

410: 제로 전류 변화량 검출부 420: 접지 결함 판단부

421: 필터부 422: 비교부

423: 노이즈 차단부 424: 지연부

510: 과부하 검출부 520: 트립 제어부

530: 내압 조절부 610: 디스플레이 제어부

620: 오동작 방지부 630: 디스플레이부

631: 아크 결함 표시부 632: 접지 결함 표시부

633: 과부하 표시부 CT1: 전류 변환기

ZCT: 제로 전류 변환기 R1, ... : 저항

D1, ... : 다이오드 C1, ... : 커패시터

SCR1, ... : SCR LED1, ... : 발광 다이오드

Q1, ... : 트랜지스터 S: 솔레노이드

SW1, ... : 스위치

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단기는 교류 전원에서 결함이 발생하는 경우에 전원을 차단시킬 수 있는 배전 시스템에 있어서, 도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 신호를 일정 레벨의 문턱값 범위로 변환하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단부와, 상기 아크 발생 판단부의 출력 신호가 일정 주기 이상 계속적으로 발생하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 트립 신호를 발생하는 트립 신호 발생부를 포함할 수 있다.

상기 전류 검출부는 전류 변환기(CT)로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 아크 발생 판단부는 전류 검출부의 출력 전압의 고주파 성분을 제거하고 특정 주파수 범위로 한정시키기 위한 필터부와, 상기 필터부의 출력 전압과 미리 설정된 레퍼런스 전압을 비교하는 비교부를 포함할 수 있다. 상기 필터부는 상기 전류 검출부의 출력 신호를 일정 레벨의 신호로 한정시키기 위한 레벨 한정부와, 상기 레벨 한정부의 출력 신호를 정류하기 위한 정류부를 포함할 수 있다.

상기 레벨 한정부는 전류 변환기의 출력단에 연결되는 저항을 포함할 수 있다. 상기 정류부는 애노드 단자가 접지 단자에 연결되며, 레벨 한정부의 저항 양단에 캐소드 단자가 각각 연결되는 다이오드와, 레벨 한정부의 저항 양단에 애노드 단자가 각각 연결되며, 캐소드 단자가 서로 연결되어 비교부로 출력 신호를 전달하는 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 아크 결함 보호용 차단기는 상기 필터부와 비교부 사이에 필터부의 출력 전압을 버퍼링하기 위한 버퍼부를 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼부는 공통 에미터 증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 비교부는 하나 이상의 OP 앰프로 이루어질 수 있다. 상기 비교부는 상기 레퍼런스 전압을 공급하는 레퍼런스 전압 발생부를 더 포함할 수 있다.

상기 트립 신호 발생부는 변환부의 출력 전압을 분배하기 위한 전압 분배부와, 상기 전압 분배부의 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우에 하이 상태의 출력 신호를 발생하는 비교부와, 상기 비교부에 구동 전원을 공급하는 스위칭부와, 상기 비교부의 출력 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 트립 레벨 조절부를 포함할 수 있다.

상기 전압 분배부는 변환부의 출력 단자에 연결된 제1저항과, 상기 제1저항과 접지 단자 사이에 연결된 제2저항과, 상기 제1저항에 직렬로 연결된 제1커패시터와, 상기 제1커패시터와 접지 단자 사이에 연결된 제2커패시터와, 상기 제1커패시터(C4)와 스위칭부 사이에 연결된 제3저항을 포함할 수 있다.

상기 스위칭부는 상기 비교부의 입력 단자에 바이어스 전압을 제공하는 공통 에미터 증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 트립 레벨 조절부는 비교부의 출력 단자에 연결된 제1저항과, 상기 제1저항과 접지 사이에 연결된 제2저항과, 상기 제2저항과 접지 사이에 병렬로 연결된 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 제2저항은 아크 결함 보호용 차단기가 트립되는 레벨을 조절하기 위한 가변 저항일 수 있다. 상기 트립 신호 발생부는 비교부의 출력 신호에 따라 스위칭되어 트립 레벨 조절부에 아크 발생 신호를 전달하는 제2스위칭부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2스위칭부는 에미터 팔로워 증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 아크 결함 보호용 차단기는 아크 결함을 테스트할 수 있는 테스트 스위치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 회로 차단기는 교류 전원에서 결함이 발생하는 경우에 전원을 차단시킬 수 있는 배전 시스템에 있어서, 교류 전원이 공급되는 상 도전선과 접지 도전선에 연결되어 아크 결함을 검출하는 아크 결함 보호용 차단부와, 상 도전선과 접지 도전선 사이에 연결되어 접지 결함을 검출하는 접지 결함 보호용 차단부와, 상 도전선과 접지 도전선 사이에 연결되어 과부하를 검출하는 과부하 보호용 차단부와, 상기 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부에서 결함이 검출된 경우에 이를 각각 외부에 표시하기 위한 표시부와, 상기 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부의 출력 신호를 입력받아 전원을 차단시킬 수 있는 트립부를 포함할 수 있다.

상기 아크 결함 보호용 차단부는 도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 신호를 일정 레벨의 문턱값 범위로 변환하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단부와, 상기 아크 발생 판단부의 출력 신호가 일정 주기 이상 계속적으로 발생하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 트립 신호 발생부를 포함할 수 있다.

상기 전류 검출부는 전류 변환기(CT)로 이루어질 수 있다. 상기 아크 발생 판단부는 전류 검출부의 출력 전압의 고주파 성분을 제거하고 특정 주파수 범위로한정시키기 위한 필터부와, 상기 필터부의 출력 전압과 미리 설정된 레퍼런스 전압을 비교하는 비교부를 포함할 수 있다. 상기 필터부는 상기 전류 검출부의 출력 신호를 일정 레벨의 신호로 한정시키기 위한 레벨 한정부와, 상기 레벨 한정부의 출력 신호를 정류하기 위한 정류부를 포함할 수 있다.

상기 레벨 한정부는 전류 변환기의 출력단에 연결되는 저항을 포함할 수 있다. 상기 정류부는 애노드 단자가 접지 단자에 연결되며, 레벨 한정부의 저항 양단에 캐소드 단자가 각각 연결되는 다이오드와, 레벨 한정부의 저항 양단에 애노드 단자가 각각 연결되며, 캐소드 단자가 서로 연결되어 비교부로 출력 신호를 전달하는 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 회로 차단기는 필터부와 비교부 사이에 필터부의 출력 전압을 버퍼링하기 위한 버퍼부를 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼부는 공통 에미터 증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 비교부는 하나 이상의 OP 앰프로 이루어질 수 있다. 상기 비교부는 레퍼런스 전압을 공급하는 레퍼런스 전압 발생부를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 분배부는 변환부의 출력 단자에 연결된 제1저항과, 상기 제1저항과 접지 단자 사이에 연결된 제2저항과, 상기 제1저항에 직렬로 연결된 제1커패시터와, 상기 제1커패시터와 접지 단자 사이에 연결된 제2커패시터와, 상기 제1커패시터와 스위칭부 사이에 연결된 제3저항을 포함할 수 있다. 상기 스위칭부는 상기 비교부의 입력 단자에 바이어스 전압을 제공하는 공통 에미터 증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 트립 레벨 조절부는 비교부의 출력 단자에 연결된 제1저항과, 상기 제1저항과 접지 사이에 연결된 제2저항과, 상기 제2저항과 접지 사이에 병렬로 연결된 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 제2저항은 아크 결함 보호용 차단기가 트립되는 레벨을 조절하기 위한 가변 저항일 수 있다.

상기 트립 신호 발생부는 상기 비교부의 출력 신호에 따라 스위칭되어 트립 레벨 조절부에 아크 발생 신호를 전달하는 제2스위칭부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2스위칭부는 에미터 팔로워 증폭기로 이루어질 수 있다.

상기 접지 결함 보호용 차단부는 도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 제로 전류 검출부와, 상기 제로 전류 검출부의 출력 신호로부터 접지 결함 발생을 판단하는 접지 결함 판단부를 포함할 수 있다. 상기 제로 전류 검출부는 제로 전류 변환기(ZCT)를 포함할 수 있다. 상기 제로 전류 검출부는 접지 결함 검출 동작을 테스트할 수 있는 테스트 스위치를 더 포함할 수 있다.

상기 접지 결함 판단부는 제로 전류 검출부에서 검출된 신호를 일정 레벨로 한정시키기 위한 필터부와, 상기 필터부의 출력 신호와 미리 설정된 전압을 비교하는 비교부와, 상기 비교부의 증폭된 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 지연부를 포함할 수 있다.

상기 필터부는 제로 전류 검출부의 일측에 연결된 제1커패시터와, 상기 제1커패시터에 직렬로 연결된 저항과, 상기 저항과 제로 전류 검출부의 또다른 일측에 연결된 제2커패시터를 포함할 수 있다. 상기 저항은 가변 저항일 수 있다. 상기 비교부는 노이즈를 제거하고 구동 전원을 제공하는 노이즈 차단부를 더 포함할 수 있다. 상기 지연부는 비교부의 출력 단자에 병렬로 연결된 저항 및 커패시터로 이루어질 수 있다. 상기 과부하 보호용 차단부는 상 도전선에 연결되어 과부하 발생 시에 만곡되는 센서 스위치와, 상 도전선과 접지 도전선 사이에 연결되어 과부하가 발생하는 경우에 트립 제어부에 신호를 발생하는 바리스터를 포함할 수 있다. 상기 센서 스위치는 바이메탈일 수 있다. 상기 바리스터는 MOV일 수 있다.

상기 트립부는 결함 발생 시에 전원을 차단시키는 전원 차단부와, 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부의 출력 신호에 따라 상기 전원 차단부를 제어하는 트립 제어부를 포함할 수 있다. 상기 전원 차단부는 결함 발생 시에 전류가 흘러서 자기장을 발생시키는 솔레노이드와, 상기 솔레노이드에 전류가 흐르는 경우에 자기장에 의하여 회로 차단기에 인가되는 전원을 차단시키는 차단 스위치를 포함할 수 있다. 상기 트립 제어부는 아크 결함, 접지 결함, 또는 과부하 발생 시에 트립부의 솔레노이드에 전류가 흐르도록 경로를 형성하는 솔레노이드 제어부와, 상기 솔레노이드의 전류 경로에 형성하기 위한 복수의 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 솔레노이드 제어부는 SCR로 이루어질 수 있다. 상기 트립부는 결함 발생에 따른 내압에 견디기 위한 내압 조절부를 더 포함할 수 있다. 상기 내압 조절부는 트립 조절부를 구성하는 다이오드의 캐소드 단자와 바리스터에 연결되는 제1노드와, 상 도전선에 연결되는 제2노드와, 상기 제1노드에연결되는 제3노드로 이루어져서, 차단 스위치의 동작에 따라 제1노드와 제2노드 또는 제1노드와 제3노드가 연결되도록 구성될 수 있다.

상기 표시부는 아크 결함, 접지 결함 또는 과부하 발생을 표시하기 위한 디스플레이부와, 상기 디스플레이부의 온/오프를 제어하기 위한 디스플레이 제어부와, 상기 디스플레이부의 오동작을 방지하기 위한 오동작 방지부를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부는 아크 결함이 발생하는 경우에, 이를 외부에 표시하는 아크 결함 표시부와, 접지 결함이 발생하는 경우에, 이를 외부에 표시하는 접지 결함 표시부와, 과부하가 발생하는 경우에 이를 외부에 표시하는 과부하 표시부를 포함할 수 있다. 상기 아크 결함 표시부는 디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR로 이루어질 수 있다. 상기 접지 결함 표시부는 디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR로 이루어질 수 있다. 상기 과부하 표시부는 상기 디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR로 이루어질 수 있다. 상기 디스플레이 제어부는 전원에 연결된 커패시터와, 상기 커패시터로부터 베이스로 전원을 제공받고, 디스플레이부의 양단에 에미터와 컬렉터가 각각 연결된 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 상기 오동작 방지부는 제너 다이오드와 커패시터가 디스플레이부의 양단에 병렬로 연결될 수 있다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기의 블록도를 도시한 것이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 회로 차단기(1000)는 교류 전원 라인의 상 도전선(HOT 또는 Ф)과 중립 도전선(Neutral: NEU)에 사이에서 아크 결함을 검출하기 위한 아크 결함 보호용 차단부(300)와, 접지 결함을 검출하기 위한 접지 결함 보호용 차단부(400)와, 과부하를 검출하기 위한 과부하 보호용 차단부(500)를 구비할 수 있다. 상기 아크 결함 보호용 차단부(300), 접지 결함 보호용 차단부(400), 또는 과부하 보호용 차단부(500)에서 아크 결함, 접지 결함 또는 과부하가 검출되면 출력 신호를 입력받아 결함 발생을 외부로 디스플레이하기 위한 표시부(600)와, 상기 출력 신호에 따라 교류 전원을 차단시키기 위한 트립부(700)가 구비된다. 상기 트립부(700)는 상기 아크 결함 보호용 차단부(300)와 접지 결함 보호용 차단부(400), 과부하 보호용 차단부(500)의 출력 신호에 따라 SCR(Silicon Controlled Rectifier: SCR1)이 턴-온 또는 턴-오프됨으로써 제어될 수 있다. 상기 SCR(SCR1) 및 회로 차단기의 내부 전원은 전원부(800)로부터 제공된다.

트립부(700)의 동작을 제어하기 위한 상기 SCR(SCR1)은 일반적으로 트립부(700)에 함께 포함될 수 있을 것이다.

상기 표시부(600)는 아크 결함, 접지 결함 및 과부하 발생을 외부로 디스플레이하기 위한 표시부를 각각 구비할 것이다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기에 있어서, 아크 결함 보호용 차단부(300)의 블록도를 도시한 것이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단부(300)는 상 도전선(HOT)과 중립 도전선(NEU) 사이에서 전류 변화량을 검출하기 위한 전류 검출부(310)와, 전류 검출부(310)의 출력 신호를 특정 레벨의 문턱값 내의 범위로 변환하고, 아크 발생 여부를 판단하기 위한 아크 발생 판단부(320)와, 아크 발생 판단부(320)의 출력 신호가 일정 레벨 이상에 도달하는 경우에 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 신호를 발생하는 트립 신호 발생부(330)를 구비할 수 있다.

아크 발생 판단부(320)는 전류 검출부(310)의 출력 신호를 특정 레벨로 차단하기 위한 필터부(321)와, 필터부부(321)를 통하여 필터링된 신호를 버퍼링시키기 위한 버퍼부(324)와, 레퍼런스 전압을 발생시키는 레퍼런스 전압 발생부(323)와, 버퍼부(324)의 출력 신호와 레퍼런스 전압을 비교하는 비교부(322)를 구비할 수 있다.

필터부(321)는 전류 검출부(310)에서 검출된 신호에서 노이즈 성분을 제거하는 노이즈 제거부와, 노이즈가 제거된 신호를 정류하기 위한 정류부와, 상기 정류된 신호의 고전압 레벨을 차단하기 위한 레벨 차단부를 구비할 수 있다.

버퍼부(324)는 필터부(321)를 통하여 필터링된 신호를 일정 시간동안 버퍼링하여 안정적인 신호를 공급한다.

레퍼런스 전압 발생부(323)는 전기 기구의 동작 시에 발생할 수 있는 저전압 레벨의 신호를 발생할 것이다. 또한, 비교부(322)의 오동작을 방지하기 위한 바이어스 전압을 제공할 수 있다.

비교부(322)는 저전압의 레퍼런스 전압과 버퍼부(324)를 통하여 제공된 신호를 비교하여 아크 결함을 판단할 수 있는 레벨의 신호로 증폭하는데, 여기에는 하나 이상의 OP 앰프를 사용할 수 있다.

트립 신호 발생부(330)는 아크 발생 판단부(320)의 출력 전압을 아크 결함을 판단할 수 있는 신호로 분배하는 전압 분배부(331)와, 분배된 전압의 노이즈를 제거하고 비교부(333)의 동작을 제어하는 제 1 스위칭부(332)와, 상기 분배된 전압이 일정 레벨 이상의 값을 가지는 경우에 하이 상태의 출력 신호를 발생하는 비교부(333)와, 상기 비교부(333)에서 하이 상태의 신호가 발생하는 경우에 아크 발생 신호를 트립 레벨 조절부(335)에 전달하는 제 2 스위칭부(334)와, 상기 제 2 스위칭부(334)의 출력 신호가 커패시터(C27)에 충전되고, 상기 충전된 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 회로 차단기에 유입되는 전원을 차단시키는 트립 레벨 조절부(335)를 포함할 수 있다.

도 16은 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도 15의 아크 결함 보호용 차단부(300)의 자세한 회로도를 도시한 것이다.

도 16을 참조하여, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단부의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

교류 라인에 흐르는 전류의 시간에 따른 변화량을 검출하기 위해서 전류 변환기(Current Transformer: CT)를 사용할 수 있다. 미국 특허 5,963,406과 같은 종래의 아크 결함 보호용 차단기는 LM1851과 같은 집적 회로(Integrated Circuit: IC)를 사용하였다. 그런데, 이와 같은 집적 회로를 사용하여 아크 결함을 검출하는 경우에는 전류를 검출하기 위하여 교류 라인에 연결된 두 개의 자기 코어와 코일이 요구되었다. 이는 두 개의 전류 변환기를 통하여 검출된 신호를 각각 입력받아 두 검출 신호로부터 아크 결함을 검출하기 때문이다. 이하, 본 발명에서는 특별한 언급이 없는 한 전류 변환기는 CT를 의미한다.

그러나, 본 발명에서는 하나의 자기 코어 및 코일을 사용하여 전류 검출이 가능하도록 하였다. 즉, 도 16에 도시된 바와 같이, 전류 검출부(310)는 자기 코어와 코일을 포함하는 전류 검출기(CT1)가 교류 라인 중에서 상 도전선(HOT)에 설치되어 전류 검출기(CT1)로부터 교류 전원의 전류 변화량을 검출한다. 전류 검출기(CT1)에서 검출된 전류 변화량은 전압으로 변환되어 아크 발생 판단부(320)로 제공될 것이다.

전류 검출부(310)를 통하여 검출된 전압은 전동기의 기동 시에 발생하는 기동 전류와 유사할 뿐만 아니라, 디머(Dimmer)에 의한 출력 전압과도 유사하기 때문에, 디머에 의한 출력 전압을 아크로 오인하지 않기 위하여, 전류 검출기(CT1)에 저항(R100)을 연결한다. 저항(R100)의 양단에는 전파 정류(Full wave rectifier)를 위하여 접지 전원과의 사이에 연결되는 다이오드(D101, 102)와, 캐소드 단자가 서로 연결되는 다이오드(D103, D104)가 각각 연결된다.

상기에서는 전파 정류(Full wave rectifier)를 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 통상적인 교류 신호가 초당 60 Hz 이상의 주파수를 갖고 있기 때문에 반파 정류를 하더라도 충분한 검출이 이루어질 수 있는 경우에는 전파 정류뿐만 아니라 반파 정류를 할 수 있는 것은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게는 자명할 것이다.

필터부(321)를 통하여 정류된 신호는 공통 에미터 증폭 회로(Common Emitter Amplifier)로 이루어진 버퍼부(324)에 의하여 일정 시간동안 버퍼링된다. 버퍼부(324)의 저항(R101, R102)는 필터부(321)를 구성하는 다이오드(D103, 104)의 캐소드 단자와 접지 전원 사이에 직렬로 연결된다. 커패시터(C3)는 저항(R101, R102) 사이의 노드와 이극 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT: Q5)의 베이스 단자 사이에 연결된다. BJT(Q5)의 컬렉터 단자에는 +26V의 전원이 인가되고, 에미터 단자와 접지 전원 사이에는 커패시터(C100)와 저항(R13)이 병렬로 연결된다. 또한, 이극 접합 트랜지스터(Q5)의 베이스 단자와 접지 전원 사이에는 제너 다이오드(Zener diode: D7)가 연결되어 아크에 의해 검출된 높은 크기의 검출 전압을 일정 크기 이하로 낮추는 역할을 한다. 통상적으로는 제너 다이오드(D7)에 의하여 20 볼트의 상한값으로 한정될 것이다.

버퍼부(324)의 출력 신호는 이극 접합 트랜지스터(Q5)의 에미터 단자에 연결된 커패시터(C133)를 통하여 비교부(322)를 이루는 집적 회로로 제공되어 레퍼런스 전압과 비교된다. 이 때, 집적 회로는 듀얼 OP 앰프로 이루어진 RC4558, NJM4558 또는 KA4558일 수 있고, 그 이외의 다른 증폭 회로일 수도 있다. 상기 집적 회로(322)에 인가되는 레퍼런스 전압은 레퍼런스 전압 발생부(323)로부터 제공된다. 즉, 직렬 연결된 저항(R18, R23)에 의하여 비교부(322)의 2 번 핀에 제 1 레퍼런스 전압이 인가되고, 저항(R20, R25)과 커패시터(C24)에 의하여 비교부(322)의 6 번 핀에 레퍼런스 전압이 인가된다. 그리고, 그 밖의 복수의 저항(R19) 및 커패시터(C22, C23), 그리고 다이오드(D10)에 의하여 비교부(322)를 구동시키는 전압이 인가될 것이다. 레퍼런스 전압은 전기 기구의 동작 시에 발생하는 기동 전류에 의한 전압 및 스파이크성 노이즈를 차단하기 위한 것으로서, 필터부(321)를 통하여 전달된 전압과 상기 레퍼런스 전압을 서로 비교하여 상기 필터부(321)의 출력 신호가 레퍼런스 전압보다 높은 경우에만 상기 비교부(322)의 OP 앰프에서 출력 신호를 발생할 것이다.

통상적으로 전기 기구의 동작 시에 발생하는 기동 전압은 4 볼트 이하의 크기를 갖기 때문에, 비교부(322)는 4 볼트 이상의 레퍼런스 전압과 20 볼트 이하의 상한값 사이의 펄스가 발생하는 경우에, 이를 감지하여 아크 결함 발생을 판단하고 그에 따라 적합한 크기의 신호로 출력 신호로 증폭하게 될 것이다.

비교부(322)의 출력 신호는 트립 신호 발생부(330)에서 아크 발생 신호를 판단할 수 있는 레벨로 분배된다. 이는 비교부(322)의 출력 단자에 연결된 저항(R4)과, 상기 저항에 병렬로 연결된 저항(R5) 및 커패시터(C4), 커패시터(C4)와 저항(R5) 사이에 연결된 저항(R10)으로 이루어진 전압 분배부(331)에 의하여 이루어질 것이다. 전압 분배부(331)에서 분배된 전압이 일정 레벨 이상, 예컨대 16 mV 이상으로 인가되는 경우에 비교부(333)에서 아크 발생으로 판단하여 하이 상태의 출력 신호를 발생할 것이다.

이 때, 제 1 스위칭부(332)로부터 비교부(333)의 입력 단자에 전원이 인가된다. 제 1 스위칭부(332)는 복수의 저항(R2, R6, R7, R11) 및 커패시터(C14, C15, C5, C6, C7)와 트랜지스터(Q1)로 이루어진 공통 에미터 증폭 회로로 이루어질 수 있다. 공통 에미터 증폭 회로는 이극 접합 트랜지스터(Q1)를 사용할 수 있다.

비교부(333)에 입력되는 신호가 일정 레벨 이상의 값을 갖는 경우에 비교부(333)는 하이 상태의 출력 신호를 발생한다. 이 때, 비교부(333)는 신호 레벨 센서 IC로서 NJM2072와 같은 집적 회로(333)를 사용할 수 있다. NJM2072와 같은 집적 회로를 사용하는 비교부(333)는 일정 크기 이상의 전압이 입력되면 하이 상태의 출력 신호를 발생하는데, 이렇게 발생된 출력 신호는 상기 비교부(333)의 출력단에 연결된 제 2 스위칭부(334)에 인가될 것이다.

비교부(333)에서 하이 상태의 출력 신호가 발생되는 경우에, 제 2 스위칭부(334)의 이극 접합 트랜지스터(Q2)가 턴-온되어 트립 레벨 조절부(335)로 아크 발생 신호를 출력할 것이다. 제 2 스위칭부(334)는 이극 접합 트랜지스터(Q2)를 포함하는 에미터 팔로워 증폭 회로로 이루어질 수 있다.

제 2 스위칭부(334)의 출력 신호는 트랜지스터(Q2)의 에미터 단자에 병렬 연결된 저항(R31, R32)과 두 저항(R31, R32) 사이에 연결된 커패시터(C27)를 포함하는 트립 레벨 조절부(335)에 제공되어, 커패시터(C27)에 충전될 것이다. 아크 결함에 의한 펄스는 전기 기구의 기동 시에 발생하는 기동 펄스와 유사하지만, 기동 시에 순간적으로 발생하는 기동 펄스와는 달리 일정 시간 동안 계속적으로 발생하기 때문에 이와 구별하기 위하여 아크 결함을 판단하기 위한 레벨 설정이 필요하다. 따라서, 한 번의 아크 발생으로 아크 판단 신호를 발생하는 오동작을 방지하기 위하여, 트립 레벨 조절부(335)의 커패시터(C27)에 아크 발생에 의한 출력 전압이 계속적으로 충전되어 일정 레벨 이상의 전압으로 되면 회로에 인가되는 전원을 차단시킬 수 있도록 트립 신호가 발생되도록 하는 것이 바람직하다.

특히, 트립 레벨 조절부(335)에서 전원을 차단시키기 위한 트립 레벨을 가변시킬 수 있는 것이 바람직한데, 이는 아크 발생을 테스트하는데 많은 시간이 소요되고, 그에 따라 테스트 비용이 많이 드는 문제점이 있었기 때문이다. 따라서, 트립 신호 발생부(335)의 저항(R32)을 가변 저항으로 구성하여 저항값을 조절하도록 하면, 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 시점을 변화시킬 수 있어서 아크 결함 테스트에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 실제 아크가 발생하는 경우에 즉각적으로 회로 차단기를 트립시킬 수 있도록 트립 신호 발생 레벨을 조절함으로써, 아크 발생으로 인한 화재를 보다 효과적으로 예방할 수 있다.

아크 결함 보호용 차단부의 비교부에서 출력되는 신호는 그 신호가 불규칙적이고, 전기 기구의 기동 전류와 같은 신호에 의하여 전원을 차단시키는 오동작이 발생할 수 있기 때문에, 신호 레벨 센서 회로를 구비하는 트립 신호 발생부를 포함함으로써 보다 안정적으로 아크 결함에 의한 차단 동작을 수행하도록 한 것이다. 따라서, 아크 결함 보호용 차단부는 아크 발생 판단부의 출력 신호를 직접 트립 레벨 조절부로 인가하고, 상기 출력 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키도록 구성할 수도 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 아크 결함 보호용 차단부의 동작을 테스트하기 위한 스위치를 구성하고, 이를 통하여 정상적인 동작 여부를 테스트할 수있을 것이다.

도 23은 트립부(700)를 동작시키기 위하여, 시간에 따라 트립 레벨 조절부(335)에 아크 발생 신호가 충전되는 경우의 그래프를 도시한 것이다.

도 23을 참조하면, 계속적인 아크 펄스의 발생으로 트립 레벨 조절부(335)의 커패시터(C27)에 충전되는 전압이 일정 시간(t1) 후에 회로를 차단시키는 트립 레벨(V1)에 도달하는 경우(901)와 전기 기구의 기동 펄스와 같이 순간적으로 펄스가 발생하고, 계속적인 펄스가 발생하지 않고 트립 레벨(V1)까지 커패시터(C27) 충전 전압이 상승하지 않는 경우(902)를 볼 수 있다. 아크 펄스와 같이 지속적으로 결함이 발생되는 경우에는 트립 신호 발생부(335)의 커패시터(C27)에 충전되는 전압의 상승 폭이 크게되고, 반대로 전기 기구의 기동 펄스와 같이 일시적인 결함이 발생하는 경우에는 펄스 발생이 순간적이기 때문에 커패시터(C27)에 충전되는 전압의 상승 폭이 작을 뿐만 아니라, 펄스가 더 이상 발생하지 않는 경우에는 커패시터(C27)에 충전되는 전압이 일정 시간 후에는 방전되어 감소할 것이다. 따라서, 지속적인 펄스가 발생하는 경우와 같이 아크 결함이 발생하는 경우에만 회로 차단기를 동작시킴으로써, 회로 차단기의 오동작을 방지할 수 있다. 그에 따라, 회로 차단기가 트립되는 트립 레벨(V1)을 변화시킬 수 있도록 가변 저항을 사용하는 것이 더욱 요구된다.

결국, 계속적인 아크 발생으로 커패시터(C27)에 전압이 충전되어 일정 레벨 이상으로 되면, 아크 결함이 발생되었다는 신호를 표시부(600)와 트립부(700)를 동작시키는 SCR(SCR1)로 제공할 것이다. 도 16에서는 상기 트립 레벨 조절부(335)의 출력 신호가 아크 발생 판단부(320)의 비교부(322)를 구성하는 집적 회로에 다시 제공되도록 구성되어 있는데, 이는 트립 레벨 조절부(335)를 거치는 동안 약화된 전압을 상기 비교부(322)를 구성하는 2 개의 OP 앰프 중에서 사용되지 않는 나머지 OP 앰프를 통하여 증폭하기 위한 것으로, 비교부(322)의 OP 앰프 외에 별도의 증폭 회로를 사용할 수도 있을 것이다.

이상으로 아크 결함을 검출하기 위한 아크 결함 보호용 차단기의 각 구성 부분과 그 동작을 설명하였는데, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 이를 용이하게 변경하거나 수정하는 것이 가능할 것이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기에 있어서, 접지 결함 보호용 차단기의 블록도를 도시한 것이다.

도 17을 참조하면, 본 발명의 접지 결함 보호용 차단부(400)는 유입되는 전류량과 유출되는 전류량을 비교하는 제로 전류 검출부(410)와, 제로 전류 검출부(410)의 출력 신호를 이용하여 접지 결함을 판단하기 위한 접지 결함 판단부(420)를 구비할 수 있다.

제로 전류 검출부(410)는 전기 기구에 유입되는 전류량과 전기 기구로부터 유출되는 전류량을 서로 비교하여, 유입되는 전류량과 유출되는 전류량이 서로 다른 경우에 전압을 발생시키도록 구성된다.

접지 결함 판단부(420)는 제로 전류 검출부(410)의 출력 신호를 일정 레벨로 한정하기 위한 필터부(421)와, 노이즈를 제거하여 비교부(422)에 동작 전원을 인가하는 노이즈 차단부(423), 필터링된 신호와 입력된 전압을 비교하기 위한 비교부(422) 및 비교부(422)의 출력 신호를 일정 시간동안 지연시키기 위한 지연부(424)를 구비할 수 있다.

제로 전류 검출부(410)에서 누설 전류를 감지하여 신호를 발생시키는 경우에, 비교부(422)는 필터부(421)를 통하여 필터링된 신호와 레퍼런스 전압을 비교하여 접지 결함을 판단한다. 이 때, 고주파 노이즈나 전자기 유도에 의한 유도 노이즈에 의한 오동작을 방지하기 위하여 비교부(422)에서 출력되는 신호를 회로를 트립시킬 수 있는 트립 레벨까지 지연시킬 수 있다.

이와 같은 구조의 접지 결함 보호용 차단기의 회로도를 도 18에 상세히 도시하였다. 도 18을 참조하면, 본 발명의 접지 결함 보호용 차단부(400)는 교류 라인의 상 도전선(HOT)과 중립 도전선(NEU)에 연결된 제로 전류 변환기(Zero Current Transformer: ZCT)에서 전류량을 검출하는데, 상기 제로 전류 검출부(410)에는 접지 결함을 테스트하기 위한 테스트용 스위치(SW1)를 더 구비할 수 있다.

제로 전류 변환기(ZCT)는 라인에서부터 부하로 유입되는 전류량과, 부하에서 다시 라인으로 유출되는 전류량을 검출하여 상기 두 전류량이 서로 다른 경우에 이를 나타내는 전압을 발생시켜서, 접지 결함 판단부(420)의 필터부(421)로 제공한다. 이렇게 발생된 전압은 저항(R3)과 커패시터(C2, C12)로 이루어진 필터부(421)를 통하여 일정 레벨의 전압으로 제한되어 비교부(422)로 제공될 것이다. 여기에서, 저항(R3)을 가변 저항으로 구성함으로써, 제로 전류 변환기(ZCT)로부터 발생된 전압의 레벨을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

비교부(422)는 RV4145와 같이 저전압 접지 결함 보호용 차단 회로를 포함할 수 있는데, 복수의 커패시터(C13, C17, C18)로 이루어지는 노이즈 차단부(423)를 통하여 전원을 제공받는다. 또한, 비교부(422)는 저전압 접지 결함 보호용 차단 회로(U2)와 상기 회로(U2)의 출력 신호를 피드백(Feedback)시키기 위한 저항(R9) 및 커패시터(C10)를 포함할 수 있다.

누설 전류가 발생하는 경우 이외에, 유도 노이즈나 고주파 노이즈가 발생하는 경우에도 제로 전류 검출부(410)로부터 누설 전류가 검출되기 때문에, 비교부(422)의 출력 신호를 일정 시간 지연시키고, 출력 신호가 일정 레벨에 도달할 때 접지 결함 신호를 발생시킴으로써 접지 결함 보호용 차단부(400)가 노이즈에 의하여 오동작이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 비교부(422)의 출력 신호를 지연시키기 위한 지연부(424)는 저항(R33, R37)과 다이오드(D16), 커패시터(C28)로 이루어질 수 있다.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기에 있어서, 과부하 보호용 차단부(500) 및 트립부(700)의 블록도를 도시한 것이다.

도 19를 참조하면, 본 발명의 과부하 보호용 차단부(500)는 교류 라인에서 과부하 발생을 검출하기 위한 과부하 검출부(510)와, 상기 과부하 검출부(510)의출력 신호에 따라 회로 차단기의 트립부(700)를 제어하기 위한 트립 제어부(520)를 구비할 수 있다.

도 20에는 상기 과부하 보호용 차단부(500) 및 트립부(700)의 회로도를 도시한 것이다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 과부하 보호용 차단부(500)는 교류 전원의 상 도전선(HOT)과 중립 도전선(NEU) 사이에 연결된 MOV(Metal Oxide Varistor)와, 과부하를 검출하기 위한 센서 스위치(SW2)를 구비하는 과부하 검출부(510)를 포함할 수 있다.

센서 스위치(SW2)는 과부하가 발생하는 경우에 가열되어 그에 따라 만곡되는 바이메탈을 사용할 수 있다. 따라서, 과부하가 발생하면 바이메탈이 만곡되고, 만곡된 바이메탈이 트립 제어부(520)에 이어지는 라인을 연결시켜줌으로써 트립 제어부(520)에 전압이 제공된다. 트립 제어부(520)는 복수의 다이오드(D3, D4, D5, D6)로 이루어진 브리지 회로를 포함한다. 여기에서, 회로를 차단시키기 위한 SCR(SCR1)을 트립 제어부(520)에 함께 도시하였다.

또한, 본 발명의 트립부(700)는 아크 결함, 접지 결함 또는 과부하가 검출되어 SCR(SCR1)이 동작되는 경우에 회로를 차단시키기 위하여, 솔레노이드(Solenoid: S)와 전원 차단용 스위치(SW3)를 포함할 수 있다. 따라서, 과부하가 발생되는 경우에는 센서 스위치(SW2)의 특성에 따라 트립 제어부(520)에 신호가 전달되어 다이오드를 통하여 솔레노이드(S)에 전류가 인가될 것이다. 솔레노이드(S)에 전류가 흐르면 자기장이 형성되고 그에 따라 전원 차단용 스위치(SW3)를 트립시킴으로써, 전원을 차단시키게 될 것이다. 이 때, 트립부(700)를 제어하는 SCR(SCR1)과, 디스플레이부의 SCR(SCR4)에 제공되는 전압은 저항(R36, R34, R35)과 커패시터(C32), 다이오드(D17, D18, D19)를 거치면서, SCR(SCR1, SCR4)을 안정적으로 구동시키기 위한 레벨로 조절될 것이다.

결국, 아크 결함 보호용 차단부(300)에서 아크 발생을 검출하거나, 접지 결함 보호용 차단부(400)에서 접지 결함을 검출하는 경우, 또는 과부하 보호용 차단부(500)에서 과부하를 검출하는 경우에는 SCR(SCR1)의 게이트 단자에 전압이 인가되고, 그에 따라 솔레노이드(S)에 흐르는 전류에 의하여 전원 차단용 스위치(SW3)가 트립됨으로써 회로를 차단할 수 있게 되는 것이다.

통상적으로, 미국에서 제시하고 있는 규격은 120 볼트, 15 또는 20 A의 교류 전원을 사용하는 경우에 정격 전류의 135 %에 해당하는 전류가 흐르면, 1 시간 이내에 차단기가 트립되고, 정격 전류의 200 %에 해당하는 전류가 흐르면 4 분 이내에 차단기가 트립될 수 있도록 규정하고 있다. 이와 같은 규격은 220 볼트를 사용하는 한국과 같이 사용하는 정격 전원이 다른 나라의 경우에는 기준도 달라져야 하는데, 이러한 것은 SCR(SCR1)이 동작되는 시점을 제어함으로써 가능하다.

또한, 본 발명은 회로 차단기는 아크, 접지 결함 또는 과부하가 발생하는 경우에 나타내는 내압을 견디기 위하여 내압 조절부(530)를 포함할 수 있다. 내압 조절부(530)는 트립 제어부(520)를 구성하는 브리지 회로에서 다이오드(D4)와 다이오드(D6) 사이의 노드와 MOV에 연결된 1번 노드와 상 도전선(HOT) 사이에서 트립 스위치(SW2)와 연동되는 스위치로 이루어질 수 있다. 즉, 아크, 접지 결함 또는 과부하를 검출하기 위하여 회로가 동작 상태에 있는 경우에는 1번 노드와 2번 노드가 연결되어 회로 차단기가 정상적인 동작이 이루어지도록 한다. 반면에, 아크, 접지 결함 또는 과부하가 검출되어 회로가 차단되는 경우에는 1번 노드와 3번 노드가 연결됨으로써 상 도전선(HOT)과 트립 제어부(520) 사이의 연결을 차단함으로써, 상 도전선(HOT)으로부터의 내압을 차단할 수 있다. 따라서, 회로 차단기가 트립되는 트립 스위치(SW2)와 내압 조절부(530)의 스위치가 연동되도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 아크나 접지 결함, 과부하가 발생한 경우에 회로 차단기를 차단시키는 것뿐만 아니라, 관리자가 이를 인식할 수 있도록 외부에 결함 발생을 표시할 수 있는 표시부가 요구된다.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기에 있어서 표시부의 블록도를 도시한 것이다.

도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표시부(600)는 아크 결함, 접지 결함 및 과부하 발생을 각각 표시할 수 있는 디스플레이부(630)와, 디스플레이부(630)를 제어하기 위한 디스플레이 제어부(610)와, 디스플레이부(630)의 오동작을 방지하기 위한 오동작 방지부(620)를 포함할 수 있다.

디스플레이부(630)는 아크 결함이 발생한 경우에 이를 표시하는 아크 결함 표시부(631)와, 접지 결함이 발생한 경우에 이를 표시하는 아크 결함 표시부(632)와, 과부하가 발생한 경우에 이를 표시하는 과부하 표시부(633)를 포함할 수 있다. 이 때, 각 표시부(631, 632, 633)는 표시 장치로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 사용하거나, 그 이외의 다른 표시 장치를 사용할 수 있는 것은 자명하다.

디스플레이 제어부(610)는 전원을 입력받아 디스플레이부(630)의 동작을 제어할 수 있고, 오동작 방지부(620)는 각 표시부(631, 632, 633)의 표시 장치로서 발광 다이오드에 인가되는 전압을 일정 레벨로 유지시킴으로써 오동작을 방지할 수 있다.

도 22는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기에 있어서, 표시부(600)의 회로도를 도시한 것이다.

도 22를 참조하면, 본 발명의 표시부(600)는 아크 결함, 접지 결함, 또는 과부하가 발생한 경우에 이를 디스플레이하기 위한 아크 결함 표시부(631), 접지 결함 표시부(632), 과부하 표시부(633)를 각각 구비하는 디스플레이부(630)를 포함할 수 있다. 아크 결함 표시부(631)와, 접지 결함 표시부(632), 과부하 표시부(633)는 각각 직렬로 연결된 저항(R28, R29, R30)과 발광 다이오드(LED1, LED2, LED3), SCR(SCR2, SCR3, SCR4)를 포함할 수 있다. 디스플레이 제어부(610)는 전원을 입력받아 각 표시부(631, 632, 633)의 발광 다이오드(LED1, LED2, LED3)를 턴-온 또는 턴-오프시키기 위한 스위칭 신호를 제공하는 이극 접합 트랜지스터(Q3) 및 커패시터(C25)로 이루어질 수 있다.

다시 말하면, 디스플레이 제어부(610)는 아크 결함, 접지 결함 또는 과부하 발생에 의하여 전원이 차단된 후에, 관리자가 전원 스위치를 턴-온시키는 경우에 회로 차단기의 동작을 재개시킴과 동시에 표시부의 발광 다이오드를 턴-오프시키기 위하여 구비되는 것으로, 자동적으로 표시부를 리셋시키는 기능을 갖는다.

또한, 오동작 방지부(620)는 각 표시부(631, 632, 633)의 동작에 적절한 레벨로 전압을 인가하기 위하여, 저항(R17)과 커패시터(C26), 다이오드(D15)를 포함할 수 있다. 따라서, 아크 결함이 발생하는 경우에는 아크 결함 보호용 차단부(300)의 출력 신호(TOSCR2)가 아크 결함 표시부(631)의 SCR(SCR2)을 턴-온시켜서 발광 다이오드(LED1)를 통해 아크 발생을 디스플레이할 것이다. 마찬가지로, 접지 결함 또는 과부하가 검출되는 경우에도 접지 결함 보호용 차단부(400) 또는 과부하 보호용 차단부(500)의 출력 신호(TOSCR3, TOSCR4)가 접지 결함 표시부(632) 또는 과부하 표시부(633)의 SCR(SCR3, SCR4)를 각각 턴-온시켜서 발광 다이오드(LED2, LED3)를 통해 디스플레이할 것이다. 그리고, 상기 결함에 의하여 차단된 전원을 다시 인가하는 경우에는 회로 차단기에 전원을 인가하는 것과 동시에, 표시부의 발광 다이오드를 자동으로 차단시키도록 한다.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기(1000)의 전체 회로도를 도시한 것이다.

도 24를 참조하면, 아크 결함, 접지 결함 또는 과부하가 발생하는 경우에 아크 결함 보호용 차단부(300)와, 접지 결함 보호용 차단부(400), 과부하 보호용 차단부(500)로부터 표시부(600)의 SCR(SCR2, SCR3, SCR4)에 각각 전압이 인가되어 발광 다이오드(LED1, LED2, LED3)를 통하여 결함 발생이 외부로 디스플레이되고, 트립부(700)의 솔레노이드(S)에 전류를 인가하기 위한 SCR(SCR1)에도 전압이 인가되어 회로 차단기는 트립될 것이다. 즉, 표시부(600)에만 전원이 인가되고, 아크 결함 보호용 차단부(300), 접지 결함 보호용 차단부(400), 및 과부하 보호용 차단부(500)에는 전원이 차단됨으로써 회로 차단기의 동작이 정지되는 것이다.

이러한 결함으로 인하여, 회로 차단기의 동작이 정지된 후에 관리자는 회로 차단기의 동작을 재개시킬 수 있다. 즉, 관리자가 회로 차단기에 전원을 다시 인가시키면 아크 결함 보호용 차단부(300)와, 접지 결함 보호용 차단부(400), 그리고 과부하 보호용 차단부(500)에는 각각 전원이 다시 인가되어 결함 검출 동작을 재개하게 될 것이다. 한편, 표시부(600)의 디스플레이 제어부를 구성하는 이극 접합 트랜지스터(Q3)는 관리자가 회로 차단기에 전원을 인가하는 순간에 턴-온되고, 그에 따라 발광 다이오드(LED1, LED2, LED3) 양단의 전위가 제로로 되어 자동적으로 표시부(600)를 차단하게 될 것이다. 따라서, 결함 발생으로 차단된 전원을 관리자가 회로 차단기에 다시 인가하는 동작으로써 아크 결함 보호용 차단부(300), 접지 결함 보호용 차단부(400) 및 과부하 보호용 차단부(500)는 턴-온되고, 그와 동시에 표시부(600)의 발광 다이오드는 자동적으로 턴-오프됨으로써 표시부(600)를 차단하기 위한 별도의 장치가 요구되지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단기는 교류 전원 라인의 전류 변화량을 측정하고, 전류 변화량에 따라 아크 발생을 판단함으로써 보다 용이하게 아크 발생을 검출할 수 있고, 그에 따라 아크 발생에 따른 화재를 미연에 예방할 수 있다.

또한, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단기는 교류 전원에 설치된 하나의 자석 코어와 코일 만을 사용하여 아크를 검출할 수 있기 때문에, 차단기에 요구되는 회로 소자의 수를 줄일 수 있어서 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 아크 결함 보호용 차단기는 아크 발생에 따라 회로를 트립시킬 수 있는 트립 레벨을 임의로 조절할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 회로 차단기는 아크 결함 검출 기능, 접지 결함 검출 기능 및 과부하 검출 기능을 하나의 차단기에 모두 가지기 때문에, 차단기의 크기를 줄일 수 있어서 건물이나 가옥에 용이하게 설치할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 회로 차단기는 아크 결함, 접지 결함, 또는 과부하에 의한 회로 차단을 각각 표시할 수 있는 표시부를 구비함으로써 관리자가 용이하게 결함 발생을 체크할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 회로 차단기는 결함이 발생하여 회로가 차단된 경우에 관리자가 회로 차단기에 전원을 인가하는 동작만으로 회로 차단기의 동작을 재개시키는 과정과, 결함 발생 표시를 소등시키는 과정을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 아크 결함 보호용 차단기 및 이를 구비하는 회로 차단기는,상기에서 바람직한 실시예를 통하여 상세하게 기술하였지만, 그 내용은 하기 청구범위에 기술된 본 발명의 분야에만 한정되지 않는다. 또한, 상기 기술 분야에 있어서, 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 범위 내에서 이를 다양하게 변경하거나 수정하는 것이 자명할 것이다.

Claims

도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 전류변환기로 구성되는 전류검출부, 상기 전류 검출부에서 검출된 신호에 따라 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단부 및 상기 아크 발생 판단부의 결과에 따라 전원을 차단시키기 위한 트립 신호를 발생하는 트립 신호 발생부로 구성되는 아크 결함 보호용 차단기에 있어서,

상기 아크 발생 판단부는

전류 검출부의 출력 전압의 고주파 성분을 제거하고 특정 주파수 범위로 한정시키기 위해, 상기 전류 검출부의 출력 신호를 일정 레벨의 신호로 한정시키기 위한 레벨 한정부 및 상기 레벨 한정부의 출력 신호를 정류하기 위한 정류부로 구성되는 필터부; 및

레퍼런스 전압 발생부를 구성하여 상기 필터부의 출력 전압과 미리 설정된 레퍼런스 전압을 비교하는 비교부;로 구성되고;

상기 트립 신호 발생부는

변환부의 출력 전압을 분배하기 위한 전압 분배부;

상기 전압 분배부의 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우에 하이 상태의 출력 신호를 발생하는 비교부;

상기 비교부에 구동 전원을 공급하는 스위칭부; 및

상기 비교부의 출력 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 트립 레벨 조절부;로 구성되는

것을 특징으로 하는 아크 결함 보호용 차단기.
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제1항에 있어서,

상기 레벨 한정부는

전류 변환기의 출력단에 연결되는 저항

을 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제1항에 있어서,

상기 정류부는

애노드 단자가 접지 단자에 연결되며, 레벨 한정부를 구성하는 저항의 양단에 캐소드 단자가 각각 연결되는 복수의 제1다이오드; 및

레벨 한정부를 구성하는 저항의 양단에 애노드 단자가 각각 연결되며, 캐소드 단자가 서로 연결되어 비교부로 출력 신호를 전달하는 복수의 제2다이오드

를 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제1항에 있어서,

상기 필터부와 비교부 사이에 필터부의 출력 전압을 버퍼링하기 위한 버퍼부

를 더 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제7항에 있어서,

상기 버퍼부는

공통 에미터 증폭기로 이루어지는 아크 결함 보호용 차단기.
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제1항에 있어서,

상기 전압 분배부는

변환부의 출력 단자에 연결된 제1저항;

상기 제1저항과 접지 단자 사이에 연결된 제2저항;

상기 제1저항에 직렬로 연결된 제1커패시터;

상기 제1커패시터와 접지 단자 사이에 연결된 제2커패시터; 및

상기 제1커패시터와 스위칭부 사이에 연결된 제3저항

을 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제1항에 있어서,

상기 스위칭부는

상기 비교부의 입력 단자에 바이어스 전압을 제공하는 공통 에미터 증폭기로 이루어지는 아크 결함 보호용 차단기.
제1항에 있어서,

상기 트립 레벨 조절부는

비교부의 출력 단자에 연결된 제1저항;

상기 제1저항과 접지 사이에 연결된 제2저항; 및

상기 제2저항과 접지 사이에 병렬로 연결된 커패시터

를 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제14항에 있어서,

상기 제2저항은

아크 결함 보호용 차단기가 트립되는 레벨을 조절하기 위한 가변 저항인 아크 결함 보호용 차단기.
제11항에 있어서,

상기 트립 신호 발생부는

비교부의 출력 신호에 따라 스위칭되어 트립 레벨 조절부에 아크 발생 신호를 전달하는 제2스위칭부

를 더 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
제12항에 있어서,

상기 제2스위칭부는

에미터 팔로워 증폭기로 이루어지는 아크 결함 보호용 차단기.
제1항에 있어서,

아크 결함을 테스트할 수 있는 테스트 스위치

를 더 포함하는 아크 결함 보호용 차단기.
교류 전원이 공급되는 상 도전선과 접지 도전선에 연결되어 아크 결함을 검출하는 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함을 검출하는 접지 결함 보호용 차단부, 과부하를 검출하는 과부하 보호용 차단부, 및 상기 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부의 출력 신호를 입력받아 전원을 차단시킬 수 있는 트립부로 구성되는 회로 차단기에 있어서,

상기 아크 결함 보호용 차단부는

도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 전류 검출부;

상기 전류 검출부에서 검출된 신호를 일정 레벨의 문턱값 범위로 변환하여 아크 발생 여부를 판단하는 아크 발생 판단부; 및

상기 아크 발생 판단부의 출력 신호가 일정 주기 이상 계속적으로 발생하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 트립 신호 발생부;로 구성되며;

상기 접지 결함 보호용 차단부는

도전선에 흐르는 전류 변화량을 검출하기 위한 제로 전류 검출부; 및

상기 제로 전류 검출부의 출력 신호로부터 접지 결함 발생을 판단하는 접지 결함 판단부; 로 구성되며;

상기 과부하 보호용 차단부는

상 도전선에 연결되어 과부하 발생 시에 만곡되는 센서 스위치; 및

상 도전선과 접지 도전선 사이에 연결되어 과부하가 발생하는 경우에 트립 제어부에 신호를 발생하는 바리스터; 로 구성되며

상기 트립부는

결함 발생 시에 전원을 차단시키는 전원 차단부; 및

아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부의 출력 신호에 따라 상기 전원 차단부를 제어하는 트립 제어부; 로 구성되며

상기 아크 결함 보호용 차단부, 접지 결함 보호용 차단부 또는 과부하 보호용 차단부에서 결함이 검출된 경우에 이를 각각 외부에 표시하기 위한 표시부

를 포함하는 회로 차단기.
삭제
삭제
제19항에 있어서,

상기 아크 발생 판단부는

전류 검출부의 출력 전압의 고주파 성분을 제거하고 특정 주파수 범위로 한정시키기 위한 필터부; 및

상기 필터부의 출력 전압과 미리 설정된 레퍼런스 전압을 비교하는 비교부

를 포함하는 회로 차단기.
제22항에 있어서,

상기 필터부는

상기 전류 검출부의 출력 신호를 일정 레벨의 신호로 한정시키기 위한 레벨 한정부; 및

상기 레벨 한정부의 출력 신호를 정류하기 위한 정류부

를 포함하는 회로 차단기.
제23항에 있어서,

상기 레벨 한정부는

전류 변환기의 출력단에 연결되는 저항

을 포함하는 회로 차단기.
제23항에 있어서,

상기 정류부는

애노드 단자가 접지 단자에 연결되며, 레벨 한정부를 구성하는 저항의 양단에 캐소드 단자가 각각 연결되는 복수의 제1다이오드; 및

레벨 한정부를 구성하는 저항의 양단에 애노드 단자가 각각 연결되며, 캐소드 단자가 서로 연결되어 비교부로 출력 신호를 전달하는 복수의 제2다이오드

를 포함하는 회로 차단기.
제22항에 있어서,

상기 필터부와 비교부 사이에 필터부의 출력 전압을 버퍼링하기 위한 버퍼부

를 더 포함하는 회로 차단기.
제26항에 있어서,

상기 버퍼부는

공통 에미터 증폭기로 이루어지는 회로 차단기.
제22항에 있어서,

상기 비교부는

하나 이상의 OP 앰프로 이루어지는 회로 차단기.
제22항에 있어서,

상기 비교부는

상기 레퍼런스 전압을 공급하는 레퍼런스 전압 발생부를 더 포함하는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 트립 신호 발생부는

변환부의 출력 전압을 분배하기 위한 전압 분배부;

상기 전압 분배부의 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우에 하이 상태의 출력 신호를 발생하는 비교부;

상기 비교부에 구동 전원을 공급하는 스위칭부; 및

상기 비교부의 출력 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 트립 레벨 조절부

를 포함하는 회로 차단기.
제30항에 있어서,

상기 전압 분배부는

변환부의 출력 단자에 연결된 제1저항;

상기 제1저항과 접지 단자 사이에 연결된 제2저항;

상기 제1저항에 직렬로 연결된 제1커패시터;

상기 제1커패시터와 접지 단자 사이에 연결된 제2커패시터; 및

상기 제1커패시터와 스위칭부 사이에 연결된 제3저항

을 포함하는 회로 차단기.
제30항에 있어서,

상기 스위칭부는

상기 비교부의 입력 단자에 바이어스 전압을 제공하는 공통 에미터 증폭기로 이루어지는 회로 차단기.
제30항에 있어서,

상기 트립 레벨 조절부는

비교부의 출력 단자에 연결된 제1저항;

상기 제1저항과 접지 사이에 연결된 제2저항; 및

상기 제2저항과 접지 사이에 병렬로 연결된 커패시터

를 포함하는 회로 차단기.
제33항에 있어서,

상기 제2저항은

아크 결함 보호용 차단기가 트립되는 레벨을 조절하기 위한 가변 저항인 회로 차단기.
제30항에 있어서,

상기 트립 신호 발생부는

상기 비교부의 출력 신호에 따라 스위칭되어 트립 레벨 조절부에 아크 발생 신호를 전달하는 제2스위칭부를 더 포함하는 회로 차단기.
제35항에 있어서,

상기 제2스위칭부는

에미터 팔로워 증폭기로 이루어지는 회로 차단기.
삭제
제19항에 있어서,

상기 제로 전류 검출부는

제로 전류 변환기(ZCT)

를 포함하는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 제로 전류 검출부는

접지 결함 검출 동작을 테스트할 수 있는 테스트 스위치

를 더 포함하는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 접지 결함 판단부는

제로 전류 검출부에서 검출된 신호를 일정 레벨로 한정시키기 위한 필터부;

상기 필터부의 출력 신호와 미리 설정된 전압을 비교하는 비교부; 및

상기 비교부의 증폭된 신호가 트립 레벨에 도달하는 경우에 전원을 차단시키기 위한 신호를 발생하는 지연부

를 포함하는 회로 차단기.
제40항에 있어서,

상기 필터부는

제로 전류 검출부의 일측에 연결된 제1커패시터;

상기 제1커패시터에 직렬로 연결된 저항; 및

상기 저항과 제로 전류 검출부의 또다른 일측에 연결된 제2커패시터

를 포함하는 회로 차단기.
제41항에 있어서,

상기 저항은 가변 저항인 회로 차단기.
제40항에 있어서,

상기 비교부는

노이즈를 제거하고 구동 전원을 제공하는 노이즈 차단부

를 더 포함하는 회로 차단기.
제40항에 있어서,

상기 지연부는

비교부의 출력 단자에 병렬로 연결된 저항 및 커패시터로 이루어지는 회로 차단기.
삭제
제19항에 있어서,

상기 센서 스위치는

바이메탈인 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 바리스터는

MOV인 회로 차단기.
삭제
제19항에 있어서,

상기 전원 차단부는

결함 발생 시에 전류가 흘러서 자기장을 발생시키는 솔레노이드; 및

상기 솔레노이드에 전류가 흐르는 경우에 자기장에 의하여 회로 차단기에 인가되는 전원을 차단시키는 차단 스위치

를 포함하는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 트립 제어부는

아크 결함, 접지 결함, 또는 과부하 발생 시에 트립부의 솔레노이드에 전류가 흐르도록 경로를 형성하는 솔레노이드 제어부; 및

상기 솔레노이드의 전류 경로에 형성하기 위한 복수의 다이오드

를 포함하는 회로 차단기.
제50항에 있어서,

상기 솔레노이드 제어부는

SCR을 사용하는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

결함 발생에 따른 내압에 견디기 위한 내압 조절부

를 더 포함하는 회로 차단기.
제52항에 있어서,

상기 내압 조절부는

트립 조절부를 구성하는 다이오드(D4)의 애노드 단자와 바리스터에 연결되는 제1노드;

상 도전선에 연결되는 제2노드; 및

상기 제1노드에 연결되는 제3노드로 이루어져서,

차단 스위치의 동작에 따라 제1노드와 제2노드 또는 제1노드와 제3노드가 연결되도록 구성되는 회로 차단기.
제19항에 있어서,

상기 표시부는

아크 결함, 접지 결함 또는 과부하 발생을 표시하기 위한 디스플레이부;

상기 디스플레이부의 온/오프를 제어하기 위한 디스플레이 제어부; 및

상기 디스플레이부의 오동작을 방지하기 위한 오동작 방지부

를 포함하는 회로 차단기.
제54항에 있어서,

상기 디스플레이부는

아크 결함이 발생하는 경우에, 이를 외부에 표시하는 아크 결함 표시부;

접지 결함이 발생하는 경우에, 이를 외부에 표시하는 접지 결함 표시부; 및

과부하가 발생하는 경우에 이를 외부에 표시하는 과부하 표시부

를 포함하는 회로 차단기.
제55항에 있어서,

상기 아크 결함 표시부는

디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드; 및

상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR

로 이루어지는 회로 차단기.
제55항에 있어서,

상기 접지 결함 표시부는

상기 디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드; 및

상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR

로 이루어지는 회로 차단기.
제55항에 있어서,

상기 과부하 표시부는

상기 디스플레이 제어부 및 오동작 방지부의 신호에 따라 결함 발생을 표시하는 발광 다이오드; 및

상기 발광 다이오드에 직렬로 연결된 SCR

로 이루어지는 회로 차단기.
제54항에 있어서,

상기 디스플레이 제어부는

전원에 연결된 커패시터; 및

상기 커패시터로부터 베이스로 전원을 제공받고, 디스플레이부의 양단에 에미터와 컬렉터가 각각 연결된 트랜지스터로 이루어지는 회로 차단기.
제54항에 있어서,

상기 오동작 방지부는

제너 다이오드와 커패시터가 디스플레이부의 양단에 병렬로 연결되는 회로 차단기.