KR100572623B1 - 전선용량 과부하 감지회로 및 이를 내장한 차단기 - Google Patents

Abstract

과부하로부터 배전선을 보호하는 배선차단기(N.F.B)와 감전사고로부터 인명을 보호하는 누전차단기(E.L.B)에 관한 것으로,

종래의 배선차단기는 미리 정해진 정격전류(예; 30A) 이상의 과도한 선로전류가 흐를 때만 전기를 차단(OFF)하여 배전선을 보호하고, 또한 종래의 누전차단기역시 미리 정해진 정격누전감도전류(예; 30mA) 이상의 누전전류가 흐를 때만 트립(TRIP)동작으로 전기를 차단하여 누전사고와 감전사고로부터 인명을 보호하게 되어있다.

즉 과부하사고와 누전사고의 결과가 있어야만 전기를 차단하는 것이다.

그러나 본 발명은 종래의 배선차단기와 달리 전압과 전류를 측정하여 배전선의 용량 과부하사고를 예측하여 사고 발생 직전에 미리 전기를 차단하는 것이고, 또한 종래의 누전차단기와 달리 각 상의 전압과 전류와 누전전류를 측정하여 배전선 및 전기기기의 누전전류와 인체의 감전전류를 구분하여 정격누전감도전류(예; 30mA)이하에서도 감전이면 전기를 차단하는 것이다.

상기의 본 발명은 변성기(P.T)로 전압(V)을 측정하고, 변류기(C.T)로 각 상의 선로전류(A)를 측정하고, 영상변류기(Z.C.T)로 누전전류(mA)를 측정하여, 아날로그 측정값을 디지털 값으로 변환시킨 후 마이크로프로세서에 입력시켜서 프로그램에 의해 연산처리하여 전선용량 과부하가 예상되거나 또는 누전과 감전이 예상될 때에는 전기를 미리 차단할 수 있도록 전자회로와 차단기를 구성한다.

본 발명의 배선차단기는 정격전류(예; 30A) 이하에서도 부하측에 연결된 배전선에서 발생할 수 있는 전선용량 과부하사고를 미연에 방지하고,

또한 본 발명의 누전차단기는 정격누전감도전류(예; 30mA) 이하에서도 부하측에서 발생할 수 있는 누설전류와 누전전류와 감전전류를 구분하여 감전인 경우에는 전기를 차단(OFF)하여 인명 피해를 줄이는 효과가 있다.

차단기, 정격전류, 선로전류, 전선용량, 저항온도계수, 선로저항, 역률, 누전전류, 누설전류, 감전전류,

Description

전선용량 과부하 감지회로 및 이를 내장한 차단기{WIRE OVER LOAD SENSITIVE CIRCUIT AND BREAKER}

[도 1]은 본 발명의 전선용량 과부하 감지회로 및 차단기의 개요도이다.

[도 2]는 [도 1]의 회로별 블럭도이며,

[도 3]은 [도 1]의 실시에 따른 상세 회로도의 일부분으로 전원부분과 TRIP출력부분이다.

[도 4]는 [도 1]의 상세 회로도의 일부분으로 측정 감지부분이며,

[도 5]는 [도 1]의 상세 회로도의 일부분으로 아날로그-디지털 변환부와 연산처리 제어부분이다.

[도 6]은 배전선의 말단선에 설치한 차단기(N.F.B 또는 E.L.B)와 전기배선의 개략도이며, 노출코드선으로 히터와 모터에 전기를 공급하는 것으로 예를 들었다.

[도 6-1]은 [도 6]의 임피던스 등가회로도이다.

[도 7]은 본 발명의 기초가 되는 자료이며 [도 6]에 있어서 전선용량의 과부하 발생과정의 선로전류(A) 및 누전전류(mA)의 변화도이며, 병행해서 누설전류와 누전전류와 감전전류의 특징을 설명하기 위한 것이다.

[도 8]은 본 발명의 실시에 따른 전선용량 과부하 감지회로 및 차단기의 기본 프로그램 흐름도이다.

[도 9]는 손과 몸체로 구분한 인체의 전기적인 모델링 등가회로이다.

[도 10]은 본 발명의 차단기로 구성한 주택용 전기분전반의 예이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 ; 본 발명의 전선용량 과부하 차단겸용 차단기

11 ; 수동 조작레바 12 ; 바이메탈

13 ; 노이즈 휠타(Noise Filter). 14, 15 ; 변류기(C.T)

16 ; 영상변류기(Z.C.T). 20 ; 전자회로기판(P.C.B)

21 ; 전원부 22 ; 변성기(P.T)

23 ; 아날로그-디지털 변환부 231 ; A/D 콘버터

24 ; 연산처리부 241 ; 동작상태 표시부

242 ; TRIP출력부 243 ; 마이크로콘트롤러

244 ; 송수신 PORT

31 ; 매입 콘센트 32 ; 노출 콘센트

34 ; 매입배선 공사부분 35 ; 노출코드선 사용부분

과부하로부터 배전선을 보호하는 배선차단기(N.F.B)와 감전사고로부터 인명을 보호하는 누전차단기(E.L.B)에 관한 것으로, 이들 배선차단기와 누전차단기의 용도는 각기 다르나 배선차단기와 누전차단기는 모두 배전선에 연결하여 사용하므 로, 이둘을 합쳐 하나로 제작된 과부하 차단겸용 누전차단기(E.L.B)도 있다.

종래의 차단기(N.F.B 또는 E.L.B)는 내부에 있는 열 동작형 바이메탈을 이용하거나 또는 전기자기력을 이용한 전류측정 방법으로 선로전류 한가지만을 아날로그방식으로 측정하여, 기준으로 정해진 정격전류(예; 30A)보다 크고 작은 것으로만 선로전류를 구분하기 때문에 정격전류(예; 30A) 이상의 과도한 선로전류가 흐를 때만 전기를 차단하게 되어 있다.

상기와 같은 선로전류 구분방법 때문에 배전선에 흐르는 선로전류(A)가 배전선의 허용전류(A)보다는 크지만 차단기의 정격전류(A)보다 작으면 종래의 차단기는 전기를 차단하지 않아 배전선은 열이 계속 발생하는 용량과부하가 된다.

즉 종래의 차단기는 정격전류(A)보다 큰 과도한 선로전류(A)가 있어야만 전기를 차단(OFF)하는 것이다.

또한 종래의 누전차단기(E.L.B) 역시 영상변류기(Z.C.T)를 이용한 전자회로로 누전전류 한가지만을 아날로그방식으로 측정하여 정격누전감도전류(예; 30mA)보다 크고 작은 것으로만 누전전류를 구분하기 때문에 정격누전감도전류(예; 30mA) 이상의 누전전류가 발생하여야만 전기를 차단하게 되어 있다.

상기와 같은 누전전류 구분방법 때문에 종래의 누전차단기는 배전선이나 전기기기의 기본적인 누설전류와, 배전선과 전기기기의 고장과 절연파괴에 의한 누전전류와, 인체접촉의 감전전류를 구분하지 않고 무조건 정격누전감도전류(예; 30mA) 이상의 누전전류가 발생하여야만 전기를 차단하므로, 누설전류 때문에 불필요하게 과민동작하거나 또는 감전전류가 작아서 전기를 차단하지 않는 오동작이 종종 발생 하는 문제점이 있는 것이다.

대부분의 가정과 소규모 영업점포에서는 배전선의 허용전류를 무시하고 가전기기 및 전기기기를 사용하거나, 또는 증가하는 가전기기 및 전기기기의 용량에 맞춰 안전하게 배전선을 시공하지 않고 간단히 케이블선 또는 코드선을 콘센트와 플러그를 이용하여 무분별하게(문어발식으로) 분기하고 노출 시공하여 배선하므로 배전선의 말단선에서 용량과부하사고와 이로 인한 합선, 누전으로 화재가 많이 발생한 것이 종래의 실정이다.

종래의 배선차단기(N.F.B) 또는 누전차단기(E.L.B)의 문제점을 지적하고 이를 개선하기 위해 본 발명의 기술적 과제를 [도 6]과 [도 6-1]의 예에서 설명한다.

우선 배전선의 용량과부하에 대해 [도 6]의 예에서 설명하면,

정격전류가 30A인 종래 차단기의 부하측에 허용전류가 12∼19A인 (35)노출코드선(예; 1.25㎟)이 일부 배선되어 5.2㎾용량의 전기기기(예; 단상 220V용)에 전원을 공급하고 있다면 약23.6A(5.2㎾÷220V 역률100%가정)의 선로전류가 흐르게 되어 종래의 차단기는 정격전류(예;30A)이하이므로 차단되지 않지만, (35)노출코드선(예;1.25㎟)은 전선허용전류(예;12∼19A) 초과로 인해 열이 발생하는 용량과부하가 된다.

(35)노출코드선(예; 1.25㎟)에서 열이 발생하는 것은 방열과 냉각에 관계가 있지만 배전선의 전류밀도(A/㎟)와도 관계가 있는데, 전류밀도(A/㎟)가 43∼60이면 착화되고, 60∼70이면 발화 후 용단되고, 75∼120이면 용단과 동시에 발화된다.

배전선이 자체의 높은 전류밀도(A/㎟)가 원인이 되어서 발열하든지, 또는 외부의 배선상황과 주변온도 때문에 발열하든지 배전선의 자체온도(℃)가 상승하면 전기적으로 변화하는 것은 배전선의 선로저항이 커지고 또한 배전선의 피복절연물인 염화비닐 등이 녹아서 절연이 파괴되는 것이다.

상기 배전선의 선로저항(Ω)의 변화에 대해 설명하면,

배전선의 도체인 구리는 온도(℃)상승에 의한 저항온도계수로 인해서 상온에서 1℃ 상승할 경우에 약 0.00393의 저항(Ω)증가율을 보인다.

초기 a(℃)에서의 선로저항을 저항(Ra)라하고 t(℃)로 상승하였을 때의 선로저항을 저항(Rt)라 하고 저항온도계수의 식으로 계산하면,

선로저항(Rt)=선로저항(Ra)×[1+0.00393×{t(℃)-a(℃)}] (Ω)이 된다.

즉 10(℃)가 상승하면 선로저항은 0.0393인 약 3.9% 증가하고,

만일 100(℃)가 상승하면 선로저항은 0.393인 약 39% 증가한다.

그러나 실제 생활온도인 상온 20℃를 기준으로 계산하면 0.00393×(100-20)(℃)=0.314 인 31% 배전선의 선로저항(Ω)이 증가 할 것이다.

즉 1.25㎟ 굵기의 (35)노출코드선은 상온 20℃에서 1m당 R(Ω)=1÷58×1m÷1.25㎟ 인 약 0.01379Ω의 저항을 갖고 있지만 90℃까지 상승하면 1m당 0.01379Ω×[1+{0.00393×(90-20)}]≒0.01758Ω의 저항을 갖게 되므로 여기에 [도 6]의 배선의 왕복 길이를 곱하면 배전선의 실제 선로저항(Ω)이 되는 것이 [표 1]의 전선규격별 온도변화에 따른 선로저항(Ω)변화표이다.

그러나 상기 배전선은 상용전원이 공급되고 있으므로 배전선의 선로저항(Ω) 을 측정하려면 전압(V)과 선로전류(A)를 측정하여 전압(V)÷선로전류(A)로 가능하

지만, 이 선로저항(Ω)에는 배전선의 순수한 선로저항과 전기기기의 부하저항이 포함되어 있으므로 이를 구분하여야하며, 이를 구분하는 방법은 배전선이 간선인지 또는 말단선인지에 따라서 다르다.

대체로 배전선의 간선은 굵고 길며, 또한 전기기기의 수량도 많고 부하도 커 서, 배전선의 순수한 선로저항과 전기기기의 부하저항이 모두 적기 때문에 간선의 선로전류는 크고 변화폭도 크다.

또한 상기 배전선의 간선은 전압강하와 전압변동율을 10% 이하로 유지하려는 것을 고려하면 간선의 순수한 선로저항은 전기기기의 부하저항의 1/10 이하이다.

그러나 상기 배전선의 간선과 상대적인 배전선의 말단선은 가늘고 짧으며, 또한 전기기기의 수량도 적고 부하도 작아서, 말단선의 선로저항과 전기기기의 부하저항이 모두 크기 때문에 배전선의 말단선은 선로전류도 적고 변화폭도 적다.

그리고 말단선의 선로저항은 전기기기의 부하저항의 1/10 ∼ 1/20 이하이다.

그러므로 배전선의 말단선에서 선로전류의 증감이 계단식이 아니고 [도 7]의 ⑫∼⑮와 같이 불연속적으로 경사를 이루며 선로전류가 감소하면 배전선의 말단선이 온도상승에 의해 선로저항이 증가한 것이 되므로, 이 선로저항 증가분을 저항온도계수로 연산하면 배전선의 말단선의 온도상승(℃)을 구할 수 있어서 배전선의 말단선에서 용량과부하가 발생한 것을 알 수 있다.

[도 6-1]의 회로도를 기준으로 임피던스(Z)와 선로저항의 변화를 살펴보면, 히터의 저항은 {(220V)²÷3KW)}≒16.133Ω이고,

모터의 임피던스(Z)는 12.375Ω+j10.914Ω=16.5Ω이므로,

두 기기의 병렬 합성 임피던스(Z)는 8.169Ω+j3.048Ω=8.719Ω이다.

(34)전선(5.5㎟)의 왕복40m 선로저항 0.125Ω과, (35)노출코드선(1.25㎟)의 왕복 20m 선로저항 0.276Ω과, 기기의 임피던스(Z) 8.169Ω+j3.048Ω=8.719Ω은 직 렬이므로 이를 상온(20℃)과 과부하(90℃)인 때로 구분하여 계산하면,

(35)노출코드선(1.25㎟)의 초기 온도가 상온(20℃)인 때의 전체 부하 임피던스(Z)는 0.125Ω+0.276Ω+8.169Ω+j3.048Ω=9.096Ω 이고, 이때 흐르는 선로전류는 220(V)÷9.096Ω 이므로 약 24.186(A)로, 역률(Cos θ)은 94.22% 이고,

(35)노출코드선(1.25㎟)이 과부하로 인해 90℃로 상승하면 전체 부하 임피던스(Z)는 0.130Ω+0.352Ω+8.169Ω+j3.048Ω=9.172Ω 이고, 이때 흐르는 선로전류는 220(V)÷9.172Ω이므로 약 23.986(A)로, 역률(Cos θ)은 94.32% 이다.

즉 전기부하가 일정할 때 배전선의 자체온도가 상승하면 선로저항은 증가하고, 선로임피던스(Z)중 선로저항이 증가하면 선로전류(A)는 줄고,

역률(Cos θ)은 {선로저항(Ω)+부하저항(Ω)}÷선로임피던스(Z)이므로 선로저항과 부하임피던스는 직렬로 연결된 것이므로 선로임피던스(Z)중 선로저항의 증가는 선로 전체의 역률(Cos θ)이 개선된다.

상기 배전선의 말단선에서 변화한 선로저항을 저항온도계수로 계산하면 말단선의 온도변화를 알 수 있는 것이다.

그러나 만약 상기 배전선의 말단선의 굵기가 동일하지 않고 굵고 가느다란 전선이 섞여 배선되어 있으면 가느다란 전선에서만 과부하가 발생하여 선로저항이 커지게 되는데, 이때 배전선의 선로저항의 증가는 미미하므로 이를 저항온도계수로 계산하여 배전선의 말단선의 용량과부하를 알 수 없다.

즉 [도 6]과 같이 (34)매입배선(굵기;5.5㎟) 부분과 (35)노출코드선(굵기;1.25㎟)이 동시에 연결되어 있으면 (35)노출코드선(굵기;1.25 ㎟)에서만 발열하여 이 부분에서만 선로저항(Ω)이 커지게 되므로, 선로저항(Ω)의 미미한 증가를 저항온도계수로 계산하여 배전선의 말단선을 용량과부하로 단정 지을 수는 없는 것이다.

그러나 상기 배전선의 말단선에서 선로저항(Ω)의 증가가 미미하다는 것은 배전선의 말단선의 일부에서 과부하가 발생할 가능성이 예상되므로, 상기 선로저항의 증가폭이 더 커지거나, 또는 과부하가 발생할 가능성이 예상되는 배전선의 말단선의 일부에서 합선, 대지간 누전, 지락사고 등으로 발생한 아크나 스파크를 감지하면 상기 배전선의 말단선에서 용량과부하가 발생한 것이다.

상기의 아크나 스파크를 감지하려면 이들 아크전류의 크기와, 1KHz∼10KHz의 고주파 특성과 채터링(CHATTERING)현상을 변류기(C.T)와 전자회로로 필터링(FILTERING)하여 측정하면 된다.

[도 7]의 아크와 스파크는 극히 짧은 시간(㎲∼ms)동안 존재하므로 아크와 스파크가 수회 이상 발생할 때에는 채터링현상을 동반하게 되므로, 아크와 스파크에 의한 불꽃이 전선의 피복절연물 등에 옮겨 붙기 전에 [도 7]의

인 아크와 스파크의 1∼2회 발생 초기에 이를 감지하여 전기를 차단하는 것이다.

그리고 배전선의 매입배선부분과 노출배선의 굵기가 같을 때에 상기와 같은 선로저항(Ω)의 변화가 나타나면 이는 배전선의 말단선의 전체에서 용량과부하가 발생한 것으로 단정지을 수 있는 것이다.

그리고 배전선의 누전(누설, 누전, 감전)에 대해 설명한다.

본 발명은 종래의 통상 누전전류를 특성별로 더 세분화하여 누설전류, 누전 전류, 감전전류로 구분하여 누전사고와 감전사고를 미연에 방지하는 것이다.

상기 누설전류는 [도 7]의 예를 들면 ①∼④와 같이 배전선이나 전기기기의 전기 절연물이 특성과 사용기간의 경과에 따라 열화되고 경화되어 항시 미세하게 발생하고 있는 것으로, 일정한 크기(㎂∼㎃)를 안정적으로 유지하며, 사용기간의 경과에 따라 서서히 증가하는 특징이 있으며, 이때 누설에 의한 최소 발화전류 값은 대략 300∼500㎃ 정도이다.

그리고 상기 누전전류는 [도 7]의 예를 들면 ⑤∼⑨와 같이 배전선이나 가전기기 또는 전기기기의 고장이나 전기절연물의 부분적인 절연파괴나 과도한 습기로 인해 발생하는 것으로, 크기가 일정하지 않고 채터링현상과 노이즈에 의한 고주파 특성이 나타나며 아크성 누전전류를 동반한다.

그리고 [도 7]의 ㉮∼㉯는 감전전류(㎃)이며 인체의 접촉과 동시에 초기에 1∼2회 정도 채터링현상이 나타난 후에 급증하고 불안정적으로 급변동하는데, 이러한 현상은 인체의 고통으로 인한 몸부림과 인체의 저항과 정전용량에 의한 것으로,

인체의 감전전류는 [도 9]의 인체의 전기적 모델링에서 알 수 있듯이 유도성리액턴스(X_L)보다 용량성 리액턴스(X_C)가 크므로 감전전류의 위상은 전압보다 90도 정도 앞서면서 많은 노이즈(NOISE)와 고주파를 동반하는 특징이 있다.

또한 각기 누전전류(누설, 누전, 감전)의 크기도 구분되는데,

누설전류는 대개 수㎂∼수십㎃ 이며, 누전전류는 대개 수㎃∼수백A 이며, 인체감전전류는 220V 인 경우 대개 수㎃∼수십㎃이다.

그러므로 이러한 누전(누설, 누전, 감전)전류를 크기, 급증과 급변동정도, 기울기, 주파수와 위상과 시간차, 채터링현상 등을 측정한 후에 디지털 연산하여 누설, 누전, 감전여부를 구분할 수 있는 것이다.

[도 7]의 전선용량의 과부하사고 발생과정의 선로전류(A) 및 누전전류(㎃)의 특성별 변화도를 상세히 설명하면 다음과 같다.

①∼②; (10)차단기의 도통으로 (34)배선의 기본 누설전류(㎃)

②∼③; (31)매입콘센트에 (35)노출 코드선을 꽂은 후의 누설전류증가(㎃)

③∼④; (32)노출콘센트에 3㎾ 히터를 꽂은 후의 누설전류(㎃)

④∼⑤; (32)노출콘센트에 2.2㎾ 모터를 꽂은 후의 누설전류(㎃) 증가.

⑤∼⑥; (35)노출코드선의 피복절연물이 녹기 시작하여 누전전류(㎃) 증가.

⑥ ; (35)노출코드선의 피복절연물의 절연파괴가 심해져 누전전류(㎃)급증.

⑦ ; 아크 및 스파크가 최초로 발생

⑦∼⑧; 아크 및 스파크가 1∼2회 추가발생 시점에 (11)수동조작레바를 차단.

⑧∼⑨; 종래의 차단기인 경우에는 합선 및 지락에 의한 아크 발생이 계속됨.

⑨ ; 누적된 아크의 발생 열로 기존 차단기의 바이메탈이 동작하여 차단됨.

⑬∼⑭; (32)노출콘센트에 3kW 히터의 (33)플러그를 꽂은 후에 흐르는 선로 전류(A)로 220V÷16.534Ω≒13.306A, (전압강하로 낮아짐)

⑪∼⑫; 2.2kW 모터를 (32)노출콘센트에 꽂은 후에 증가하는 선로전류(13.306A→24.186A)

⑫∼⑮; 1.25㎟ (35)노출코드선의 발열로 선로저항(Ω)이 서서히 증가하면서 선로전류는 감소함(24.186A→23.986A), 약 0.2A(200㎃) 감소하는데 이때를 과부하 초기상태라 할 수 있음.

㉱∼㉳, ㉴∼㉶; 예를 들어 다른 전기기기를 추가로 개폐(ON/OFF)할 때 증감하는 1(㎃)의 저전류 일지라도 계단식으로 변화하는 것을 나타냄.

⑮∼

; 누전전류(㎃) 증가분이 선로전류(A) 감소분과 균형을 이루어 선로전류가 증감 없이 일정한 크기를 나타내며 이때를 과부하 중기상태라고 할 수 있다.

⑮∼

; 누전전류(㎃) 증가분을 반영하지 않을 때의 예상되는 선로전류 상태.

; 누전전류(㎃) 증가분이 선로전류 감소분보다 커서 전체적으로 선로전류가 증가하기 시작함.

; 최초의 아크발생으로 합선, 누전, 지락 및 아크전류가 나타나기 시작하는데 이때를 과부하 말기라 할 수 있음.

; 아크의 1∼2회 추가 발생 시점에 (11)수동 조작레바를 차단하는 것임.

㉮∼㉯; 인체의 접촉으로 발생하는 감전전류(㎃)로, 불안정한 급변동이 특징이며 전류위상이 약90도 앞서며 많은 고주파 노이즈를 동반함.

①∼⑤; 배전선이나 전기기기의 누설전류로 작고 안정적인 것이 특징이다.

⑤∼⑨; 배전선의 피복 절연파괴로 발생하는 합선과 지락의 누전전류로 아크성 누전전류가 특징이다.

본 발명은 용량과부하와 누전 차단겸용 차단기에 관한 것이나 실시의 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않은 범위에서 배선차단기(N.F.B)와 누전차단기(E.L.B)뿐만 아니라 콘센트와 멀티탭 등에도 적용할 수 있는 것이다.

『전선용량 과부하 감지회로 및 누전감지회로』를 약칭하여 『감지회로』로 작성하고 또한 『전선용량 과부하 차단겸용 차단기(10)』은 『차단기(10)』으로 작성한다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

또한 동일부문에서는 동일부호를 사용하고 반복적인 설명은 생략한다.

배전선의 상용 전원은 교류이므로 교류에 존재하는 역률(Cos θ)도 측정하여야 하며, 이 역률의 측정은 전압의 최대값과 선로전류의 최대값이 발생한 시간차를 마이크로 초(㎲) 단위로 측정하여 위상(θ)과 역률(Cos θ)을 구한다.

상기 위상 1°의 시간차는 약 46.3㎲ 이다.

그러므로 상용 전원이 공급되는 배전선의 말단선의 전압(V)과 선로전류(A)와 위상의 시간(㎲), 3가지를 동시에 측정하려면 반도체인 마이크로콘트롤러를 이용하여 측정값을 저장하고 비교하여 연산 처리하면 효과적이다.

또한 상기 마이크로콘트롤러는 10MHz(0.1㎲)이상의 발진기를 이용하여 시간 을 측정할 수 있으므로 마이크로초(㎲)의 측정도 용이하다.

[도 1]은 본 발명의 전선용량 과부하 차단겸용 차단기(10)의 전체이며, 감지회로는 전자회로기판(20)에 주로 구성되며 마이크로프로세서, A/D콘버터 등의 각종반도체와 전자부품으로 구성한다.

(13)은 코일과 콘덴서로 구성된 노이즈 휠타(Noise Filter)로 감지회로의 전원측에서 들어오는 노이즈(Noise) 및 충격파(Surge) 등의 유입을 막는다.

(14), (15)는 변류기(C.T)이며 각 상별로 설치하여 선로전류(A)를 측정하며,

(16)은 영상변류기(Z.C.T)이며 부하측에서 발생한 누전전류(㎃)를 측정한다.

(22)는 변성기(P.T)이며 전압(V)을 측정하며,

(244)는 송수신 PORT이며 (243)마이크로콘트롤러에 있는 기본 사양으로 데이터를 주고받을 수 있어서 추후에 통신으로 연산처리부를 제어할 수도 있는 것이다.

[도2]는 (10)차단기의 동작개요 블럭도이며, (11)수동조작레바와 (12)바이메탈을 제외한 나머지 부분이 감지회로의 동작개요 블럭도가 된다.

[도3]은 감지회로의 전원부분의 상세도로 각 부분을 설명하면 다음과 같다.

(21)은 전원용 변압기이며, (211)은 정류부이며 감지회로에 쓰이는 직류전원을 공급하기 위한 부분이다.

(223)는 아크감지부이며 부하측에서 발생한 아크와 스파크 전압을 감지하며,

(241)은 감지회로의 측정결과와 전원의 개폐(ON/OFF)상태를 LED로 표시하도록 구성한 동작상태 표시부이며,

(242)는 감지회로의 TRIP출력부이며 트립코일(TRIP COIL) 또는 솔레노이드(SOLENOID)로 구성하며, 감지회로의 전기적 제어신호를 기계적 동작으로 변환시켜 (10)차단기의 (11)수동조작레바를 차단하거나, 또는 계전기(RELAY)를 이용하여 경고신호를 발령하거나 경고등을 점멸 할 수도 있다.

[도 4]는 감지회로의 측정 감지부분의 상세도로 각 부분을 설명하면,

(222)는 전압을 측정하고, (223)은 아크전압과 스파크전압을 감지한다.

(141), (151)은 각각의 (14), (15)변류기와 연결되어 선로전류를 측정 감지하며,

(161)은 (16)영상변류기와 연결되어 누전전류(㎃)를 측정 감지하며,

(142), (152), (162), (224)는 각 측정값의 증폭부이다.

[도 5]는 감지회로의 아날로그-디지털 변환부와 연산처리부의 상세도이며,

(23)아날로그-디지털 변환부는 전압과 선로전류의 아날로그 측정값을 디지털로 변환시키며, (231)아날로그-디지털 콘버터를 위주로 구성한다.

(24)는 연산처리부이며 모든 디지털 측정값을 마이크로프로세서에 입력하여 프로그램에 의해 저장하고 비교한 후 연산처리하여 제어하며, 기능과 기억용량의 확장이 용이한 (243)마이크로콘트롤러로 마이크로프로세서를 구성하면, 빠른 계산으로 각종 복잡한 전기적 자료를 효율적으로 연산하여 정밀측정 할 수 있다.

상기와 같이 구성한 전선용량 과부하 감지회로에 대해 설명한다.

상용 전원이 공급되는 배전선의 말단선에 있어서 선로저항(Ω)을 측정하려면 전압은 변성기(P.T)로 측정하고, 선로전류는 변류기(C.T)로 측정하며, 전압의 최대값과 선로전류의 최대값이 발생한 시간(㎲)차이를 측정하여 위상(θ)과 역률을 구 하고, 이들 측정값을 연산하면 부하임피던스(Z)와 선로저항(Ω)을 계산할 수 있다.

상기 부하임피던스(Z)의 변화에서 배전선의 선로저항의 증가분을 알 수 있고,

상기 선로저항의 증가분을 저항온도계수를 이용하여 (24)연산처리부에서 계산하면 배전선의 온도상승의 변화를 측정할 수 있음을 [도 6]과 [도 7]의 예로 설명하면 다음과 같다.

배전선의 용량과부하가 나타나기 전의 선로전류는 24.186A 이므로 이때의 선로임피던스는 220V÷24.186A=9.09617Ω 이고,

배전선의 용량과부하가 나타난 후의 선로전류는 23.986A 이므로 이때의 선로 임피던스는 220V÷23.986A=9.172017Ω 이지만,

상기의 선로임피던스에는 배전선의 순수한 저항과 전기기기의 부하 임피던스가 포함되어 있는 것이므로 이를 구분하려면 역률에 의한 계산이 필요하다.

상기 배전선에 용량과부하가 나타나기 전의 선로전류의 측정 역률이 94.22%이고 선로임피던스가 9.09617Ω이면 저항분은 9.09617Ω×94.22%=8.57041Ω 이고 리액턴스분은 9.09617Ω×33.505%=3.04767Ω 이 된다.

또한 배전선에 용량과부하가 나타난 후의 선로전류의 측정 역률이 94.32% 이고 선로임피던스가 9.172017Ω이면 저항분은 9.172017Ω×94.32%=8.651046Ω 이고 리액턴스분은 9.172017Ω×33.223%=3.04722Ω 이 된다.

그리고 상기 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제에서 기술한바와 같이 배전선의 간선은 전압강하와 전압변동율을 10% 이하로 하려고 하지만, 배전선의 말단 선은 전압강하와 전압변동율이 간선보다 더 낮아야하므로 배전선의 말단선의 순수한 선로저항은 전기기기의 부하저항의 1/10 ∼ 1/20 이하 보다 더 작다.

그러므로 배전선에 용량과부하가 나타나기 전의 선로임피던스(Z) 9.09617Ω의 저항분 8.57041Ω의 5∼10%인 0.4285Ω∼0.85704Ω이 배전선의 말단선의 순수한 선로저항이다.

그러므로 배전선에 용량과부하가 나타난 후의 선로임피던스(Z)의 저항증가분은 8.651046Ω-8.57041Ω=0.08064Ω으로 이를 저항온도계수로 계산하면,

(0.08064Ω÷0.4285Ω∼0.85704Ω)÷0.00393=47.9∼23.9(℃) 만큼 배전선의 자체온도가 상승한 것이 된다.

상기의 47.9∼23.9(℃) 온도상승은 배전선의 말단선의 굵기가 일정할 때이지만,

그러나 [도 6]과 같이 배전선의 굵기가 각기 다르면(예; 1.25㎟ 과 5.5㎟) 상기의 47.9∼23.9(℃) 온도상승은 가느다란 배전선(예; 1.25㎟)에서만 발생하고, 가느다란 배전선(예; 1.25㎟)부분에서만 용량과부하가 발생한 것이 되어, 가느다란 배전선(예; 1.25㎟) 부분에서만 47.9∼23.9(℃)이상으로 온도가 상승하여 배전선의 굵기가 일정할 때 보다 더 위험하다.

그러므로 상기와 같이 가느다란 배전선(예; 1.25㎟)에서만 용량과부하가 발생하면 배전선의 피복절연물이 녹아서 합선과 지락에 의한 아크와 스파크가 발생하므로, 이 아크와 스파크의 1∼2회 발생초기에 이를 감지하면 배전선의 말단선의 용량과부하를 감지한 것이 된다.

상용 전기가 공급되고 있는 배전선의 선로저항은 자연적으로 변할 수 없고, 다만 배전선의 자체온도(℃)변화에 의한 저항온도계수만큼 선로저항이 변화하는 것 이외에 선로저항은 변화할 수 없으므로, 이 선로저항의 변화를 저항온도계수로 연산하여 배전선의 온도(℃)를 감지하는 것이 본 발명의 특징이다.

상기의 선로저항의 변화는 선로전류의 변화로 나타나므로 이 선로전류의 변화를 변류기로 측정하여 (24)연산처리부의 (243)마이크로콘트롤러에서 연산처리한 결과 선로전류가 계단식의 증감이 없이 [도 7]의 ⑫∼⑮와 같이 서서히 감소하면서 그 감소의 변화폭과 기울기가 일정할 때 선로저항의 변화분을 저항온도계수로 계산하는 것이 감지회로의 기본이다.

또한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 전선용량 과부하 차단겸용 차단기(10)는 상기 전선용량 과부하 감지회로를 기본으로 하여 (11)수동조작레바와 보조차단장치인 열 동작형 (12)바이메탈을 추가하여, 감지회로의 전기적 제어신호를 TRIP출력부에서 기계적 동작으로 변환하여 (11)수동조작레바를 차단할 수 있도록 구성한다.

그리고 누전감지회로의 구성에 대해 설명한다.

본원발명의 상기 (14)변류기,(15)변류기는 선로전류뿐만 아니라 아크와 스파크에 의한 아크전류와 같은 대전류(A)를 측정할 수 있고, (16)영상변류기는 누설, 누전, 감전전류와 같은 미세전류(㎃)를 측정할 수 있으므로, (14)변류기,(15)변류기의 아날로그 측정값과 (16)영상변류기의 아날로그 측정값을 아날로그/디지털 변환기를 통하여 디지털 값으로 변환하여 (24)연산처리부의 (243)마이크로콘트롤러에서 이 디지털 값을 연산하고 비교합니다.
종래의 누전차단기에서 말하는 누전전류는 본원발명에서 말하는 누설전류, 누전전류, 감전전류를 모두 통칭하는 것으로, 종래의 누전차단기에서 말하는 누전전류를 세분하여 크기와 기울기, 특징별로 구분하여 본원발명에서는 누설전류와, 누전전류와, 감전전류로 나누어 구분하는 것입니다.
종래의 누전차단기는 본원발명에서 말하는 누설전류, 누전전류, 감전전류 중 어느 것에서도 차단OFF동작을 하여 오동작을 하는 경우도 있었지만, 본원발명은 종래 누전차단기의 누전전류를 누설전류, 누전전류, 감전전류로 세분하여 선택적으로 차단기를 개폐ON/OFF하여 오동작을 줄이고자 하는 것이므로,
본원발명에서 말하는 누설전류, 누전전류, 감전전류를 비교 구분하여 특징을 정리하면 아래 표와 같다.

상기 표에서 제시한 바와 같이 (16)영상변류기에서 측정한 누전전류의 크기와 기울기, 특징을 (24)연산처리부의 (243)마이크로콘트롤러에서 연산하고 비교하여, 측정값이 작고 일정하며 안정적으로 유지되며, 일정시간이 지난 후에 측정값을 비교한 결과 그 (16)영상변류기의 측정값의 시간대비 증가율(％)이 작으면 누설전류이므로 본원발명에서는 이 누설전류를 구분할 수 있는 것이다.
즉 (16)영상변류기에서 먼저 측정한 누전전류 절대값을 mA1이라하고, 일정시간 후에 측정한 누전전류 절대값을 mA2라고 하고, 일정시간을 T1이라 하고, 절대값 mA1 또는 mA2 의 상대적 증가값을 mA3 라 하면, 상대적 증가값 mA3 = mA2 - mA1 이 되고, 시간대비 증가율(％) = {(mA2 - mA1) ÷ mA1 } ÷ T1 이 되는데, 이 시간대비 증가율(％)이 아주 작으면 누설전류이고, 크면 누전전류이거나 감전전류이지만, 이때 상대적 증가값 mA3이 정격누전감도전류보다 커도 위험하지는 않다. 종래의 누전차단기는 (16)영상변류기에서 측정한 누전전류 절대값 mA1 또는 mA2 의 크기가 정격누전감도전류보다 크면 무조건 전원을 차단하는 불편이 있었는데, 본원발명은 (16)영상변류기에서 측정한 누전전류 절대값 mA1 또는 mA2 의 크기가 정격누전감도전류보다 크더라도 상대적 증가값 mA3 과 시간대비 증가율(％)이 작으면 누설전류로 판단하여 전원을 차단OFF하지 않는 것이다.
이때도 전원을 무조건 차단OFF하지 않는 것이 아니라 누전전류 절대값 mA1 또는 mA2 의 크기가 정격누전감도전류의 몇 배 이상을 초과하면 누설전류가 위험한 것으로 판단하여 전원을 차단OFF하는 것이다.

그리고 (16)영상변류기에서 측정한 누전전류값의 시간대비 증가율(％)이 크고, 동시에 (223)아크감지부에 아크나 스파크에 의한 아크전류나 지락전류가 계속 반복되는 채터링현상과 함께 나타나면 누전전류이므로 본원발명에서는 이 누전전류를 구분할 수 있다.
상기 시간대비 증가율(％)이 작으면 누설전류이고, 크면 누전전류이다.

또한 외부에서 발생한 아크나 스파크는 (13)노이즈 휠타 때문에 전원측에서 들어오는 유입이 막혀 있으므로, (223)아크감지부에서 아크나 스파크를 감지하면 이는 배전선에서 발생한 것으로, 습기나 또는 과부하에 의한 절연의 부분적인 파괴로 인해 배전선에서 누전이 발생한 것이다.

또한 감전전류는 감전 초기에 1∼2회의 채터링현상이 나타난 후 불안정적으로 급변동하고 감전전류의 위상이 전압위상보다 앞서며 심한 전기적 노이즈와 고주파성분이 감지되므로, (223)아크감지부에서 아크와 스파크는 감지되지 않으나 (16)영상변류기에는 누전전류가 감지되면서 기술적 과제에서 제시한 감전전류의 특징이 나타나면 이는 감전으로 발생한 것이므로, (24)연산처리부의 (243)마이크로콘트롤러에서 연산한 결과, 상기 누전전류의 상대적 증가값 mA3가 정격누전감도전류보다 작더라도 시간대비 증가분의 백분율(％)이 크면 감전전류이므로 본원발명에서는 인체에 위험한 감전전류를 구분 할 수 있는 것이다.

상기의 누전감지회로를 기본으로 하여 (11)수동조작레바와 보조 차단장치인 열 동작형 (12)바이메탈을 추가한 것이 본 발명의 또 다른 목적인 (10)차단기의 기본 구성이며, 감지회로의 전기적 제어신호를 TRIP출력부에서 기계적 동작으로 변환하여 (11)수동조작레바를 차단할 수 있도록 구성한다.

본 발명은 배전선의 말단선에서 전기를 사용 중에 일어날 수 있는 배전선의 용량 과부하사고와 이로 인한 합선과 누전과 감전사고의 인명 및 재산피해를 줄이는 효과가 있다.

상기 배전선의 용량 과부하사고는 전기시설 관리자가 없는 주택이나 소규모공장, 영업장 등에서 코드선과 케이블 등으로 콘센트를 무분별하게(문어발식으로)다수 분기하여 전기를 사용하기 때문이며 본 발명은 이러한 곳의 안전을 보완하는 효과가 있다.

또한 종래의 누전차단기는 누설전류와 누전전류를 구분 할 수 없고, 또한 정격누전감도전류(예; 30㎃) 값보다 적은 감전전류(예; 10㎃이하)도 구분할 수 없어서 오동작과 과민동작이 많이 발생하는데,

본 발명의 차단기는 누전전류를 디지털 연산방법으로 측정하여 오동작과 과민동작을 줄여 불필요하게 누전차단기가 전기를 차단하는 것을 방지할 수 있고, 감 전시에는 차단동작이 양호해 인명의 감전피해를 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 상용 전원이 공급되고 있는 배전선의 용량과부하의 전기사고를 미연에 방지할 수 있는 전선용량 과부하 감지회로에 있어서,

   상기 전선용량 과부하 감지회로에 동작전원을 공급하는 전원부를 구성하고,

   상기 배전선의 각 상별로 전압과 선로전류를 측정하고 누전전류를 측정하는 감지부를 구성하고, 감지부의 측정값을 증폭하는 증폭부를 구성하고,

   상기 감지부와 증폭부에서 검출된 아날로그 값을 디지털 값으로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부를 구성하고,

   상기 디지털 값을 입력된 프로그램에 따라 기억, 비교, 연산처리하여 제어하는 연산처리부를 구성하고,

   상기 연산처리부의 결과에 따라 상용 전원의 공급을 차단할 수 있는 TRIP출력부를 구성하고,

   상기 TRIP출력부의 동작상태를 외부에 표시하는 동작상태 표시부를 구성하고,

   또한 상기 전선용량 과부하 감지회로에는 배전선의 전원측에서 유입하는 노이즈를 차단하는 노이즈 휠타(Noise-Filter)부와 배전선의 부하측에서 발생하는 아크와 스파크 등을 감지하는 아크(Arc)감지부를 구성하여,

   상기 배전선의 각 상의 전압과 선로전류와 누전전류를 측정하여 배전선의 온도상승을 연산하여 전선용량 과부하를 예측하거나,

   또는 상기 배전선에서 온도상승이 예상될 때 배전선에서 발생하는 아크와 스파크를 초기에 감지하여 전선용량 과부하를 예측하여,

   배전선의 용량 과부하사고와 이로 인한 합선, 누전, 지락 등의 사고를 미연에 방지할 수 있는 전선용량 과부하 감지회로.
2. 상용 전원이 공급되고 있는 배전선에서 발생할 수 있는 전선용량 과부하의 전기사고를 미연에 방지할 수 있는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 있어서,

   상기 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 청구항 1의 전선용량 과부하 감지회로를 내장하고, 수동으로 전원을 개폐할 수 있는 수동 조작레바와 보조 차단장치인 열 동작형 바이메탈을 내장하여 전선용량 과부하 차단겸용 차단기를 구성하고,

   청구항 1의 전선용량 과부하 감지회로의 TRIP출력부의 트립코일(TRIP COIL) 또는 차단용 솔로노이드(SOLENOID)로 상기의 수동 조작레바를 동작시켜 전원을 차단하는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 있어서,

   상기 전선용량 과부하 차단겸용 차단기의 부하측 배전선의 각 상의 전압과 선로전류와 누전전류를 측정하여 배전선의 온도상승을 연산하여 전선용량 과부하를 예측하거나,

   또는 상기 배전선에서 온도상승이 예상될 때 배전선에서 발생하는 아크와 스파크를 초기에 감지하여 전선용량 과부하를 예측하여,

   배전선의 용량과부하사고와 이로 인한 합선, 누전, 지락 등의 사고를 미연에 방지할 수 있는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기.
3. 청구항 2를 콘센트나 멀티탭으로 구성한 전선용량 과부하 차단겸용 차단기.
4. 상용 전원이 공급되고 있는 배전선의 누전사고 및 인체의 감전 사고를 미연에 방지할 수 있는 누전감지회로에 있어서,

   상기 누전감지회로에 동작전원을 공급하는 전원부를 구성하고,

   상기 배전선의 각 상별로 전압과 선로전류를 측정하고 누전전류를 측정하는 감지부를 구성하고, 감지부의 측정값을 증폭하는 증폭부를 구성하고,

   상기 감지부와 증폭부에서 검출된 아날로그 값을 디지털 값으로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부를 구성하고,

   상기 디지털 값을 입력된 프로그램에 따라 기억, 비교, 연산 처리하여 제어하는 연산처리부를 구성하고,

   상기 연산처리부의 결과에 따라 상용 전원의 공급을 차단할 수 있는 TRIP출력부를 구성하고,

   상기 TRIP출력부의 동작상태를 외부에 표시하는 동작상태 표시부를 구성하고,

   또한 상기 누전감지회로에는 배전선의 전원측에서 유입하는 노이즈를 차단하는 노이즈 휠타(Noise-Filter)부와 배전선의 부하측에서 발생하는 아크와 스파크 등을 감지하는 아크(Arc)감지부를 구성하여,

   상기 배전선의 각 상의 전압과 선로전류와 누전전류를 측정하고 배전선의 아크와 스파크의 발생을 감지하여,

   상기 배전선이나 전기기기의 기본적인 누설전류와, 고장과 절연파괴의 누전전류와, 인체의 감전전류를 구분하여,

   감전전류이면 정격누전감도전류 이하에서도 전기를 차단하고,

   고장과 절연파괴의 누전전류이면 정격누전감도전류 이하에서도 전기를 차단하고,

   배전선이나 전기기기의 기본적인 누설전류이면 정격누전감도전류 이상에서도 일정한도를 초과할 때까지 전기의 차단을 지연할 수 있는 누전감지회로.
5. 상용 전원이 공급되고 있는 배전선에서 발생할 수 있는 누전사고 및 인체의 감전사고를 미연에 방지할 수 있는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 있어서,

   상기 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 청구항 4의 누전감지회로를 내장하고 수동으로 전원을 개폐할 수 있는 수동 조작레바와 보조 차단장치인 열 동작형 바이메탈을 내장하여 전선용량 과부하 차단겸용 차단기를 구성하고,

   청구항 4의 누전감지회로의 TRIP출력부의 트립코일(TRIP COIL) 또는 차단용 솔로노이드(SOLENOID)로 상기의 수동 조작레바를 동작시켜 전원을 차단하는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기에 있어서,

   상기 전선용량 과부하 차단겸용 차단기의 부하측 배전선의 각 상의 전압과 선로전류와 누전전류를 측정하고 배전선의 아크와 스파크의 발생을 감지하여,

   상기 배전선이나 전기기기의 기본적인 누설전류와, 고장과 절연파괴의 누전전류와, 인체의 감전전류를 구분하여,

   감전전류이면 정격누전감도전류 이하에서도 전기를 차단하고,

   고장과 절연파괴의 누전전류이면 정격누전감도전류 이하에서도 전기를 차단하고,

   배전선이나 전기기기의 기본적인 누설전류이면 정격누전감도전류 이상에서도 일정한도를 초과할 때까지 전기의 차단을 지연할 수 있는 전선용량 과부하 차단겸용 차단기.
6. 청구항 5를 콘센트나 멀티탭으로 구성한 전선용량 과부하 차단겸용 차단기.

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