KR100585378B1

KR100585378B1 - 누전 차단기

Info

Publication number: KR100585378B1
Application number: KR1020040064892A
Authority: KR
Inventors: 이원호
Original assignee: 대성전기공업 주식회사
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-05-30
Also published as: KR20060016459A

Abstract

본 발명은 누전 차단기를 공개한다. 이 누전 차단기는 상 도전선과 연결되는 제 1차 권선, 상기 제 1차 권선이 관통하는 코어, 상기 코어에 접촉되어 상기 코어의 자기장에 상응하는 제 1 전압을 발생하고, 상기 제 1 전압을 출력 노드로 인가하는 제 2차 권선, 및 상기 코어에 접촉되며 전원 케이블의 금속 외피를 통해 흐르는 누설 전류가 흐르는 제 3차 권선을 구비하는 제 1 차동 변압기와, 상기 접지 도전선과 연결되는 제 1차 권선, 상기 제 1차 권선이 관통하는 코어, 상기 코어에 접촉되어 상기 코어의 자기장에 상응하는 제 2 전압을 발생하고, 상기 제 2 전압을 상기 출력 노드로 인가하는 제 2차 권선을 구비하는 제 2 차동 변압기를 구비하고, 상기 출력 노드에 인가된 상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압의 전압차에 응답하여 누설 전류 발생 여부를 확인하고, 누설 전류 발생이 확인되면, 상기 상 도전선와 상기 접지 도전선을 개방하는 것을 특징으로 한다. 따라서 저성능의 차동 변압기를 통해 누설 전류를 감지함과 동시에 전원 케이블의 아크형 결함을 감지할 수 있도록 함과 동시에 누전 차단기의 자가 테스트 기능을 제공하여 누전 차단기의 동작 신뢰성을 제공한다.

Description

누전 차단기{Leakage Current Detect Interrupter}

도 1은 본 발명의 누전 차단기의 내부 블록도를 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 누전 차단기의 제 1 실시예에 따른 회로도를 도시한 도면이다.

도 3은 도 1의 누전 차단기의 제 2 실시예에 따른 회로도를 도시한 도면이다.

도 4는 도 1의 누전 차단기의 제 3 실시예에 따른 회로도를 도시한 도면이다.

본 발명은 전력 시스템에 있어서, 누설전류, 감전, 단락 사고가 발생하거나 전원 케이블에 아크 결함이 발생한 경우에 이를 검출하여 차단할 수 있도록 하는 누전 차단기에 관한 것이다.

누전차단기는 전력 시스템에 이용되는 장치로서, 사용자 또는 부하에 의한 누설전류, 감전, 단락 사고(이하 누설전류로 총칭하기로 한다)가 발생하면, 이를 회로적으로 감지하여 선로를 차단함으로써 안전사고를 미연에 방지하는 기기이다.

종래의 누전차단기는 상기의 누설전류를 감지하기 위해 하나의 차동 변압기를 이용하여 부하로 인가되는 전류와 부하로부터 출력되는 전류를 비교하고, 이로부터 누설 전류의 존재여부를 판단하였다.

그러나 종래의 누전 차단기는 일반적으로 하나의 차동 변압기를 사용하여 누설 전류를 감지하고, 이로부터 누전 차단 기능을 수행하여야 했으므로, 고성능의 차동 변압기를 필요로 하는 단점이 있었다.

또한 종래의 누전 차단기는 정상 동작 유무를 판단하기 위한 테스트 수단을 더 구비하는데, 이때의 테스트 수단은 차동 변압기에 임의의 전류를 인가하고, 차동 변압기가 이를 감지하도록 하는 형태를 가진다.

이에 종래의 누전 차단기의 경우, 반드시 고성능의 차동 변압기를 이용하여야 하여 생산 원가가 증대되는 문제가 있었다.

그리고 상기와 같은 누전 차단기를 사용함에도 불구하고 전력 시스템의 안전사고는 아주 빈번하게 발생되고 있는데, 이는 상기의 누설전류에 의한 안전사고 뿐만 아니라 전원 케이블의 아크형 결함(Arcing type fault)에 의한 안전사고도 매우 빈번하게 발생하기 때문이다.

여기서, 아크형 결함은 전원 케이블의 노화, 절연 및 배선 파괴, 과사용 또는 과전류에 의한 기계적 및 전기적 스트레스 등으로 인해 내부의 전선이 외부로 노출되면서, 전원 케이블의 금속 외피를 통해 전류가 흐르게 되는 것을 지칭한다.

특히, 미국 가전 제품 안전 위원회(Consumer Product Safety Commission:CPSC)에서는 1997년 발생한 화재 중에서 40 %가 아크형 결함에 의한 것 으로 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.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로 저성능의 차동 변압기를 통해 누설 전류를 감지할 수 있도록 하는 누전 차단기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 누설 전류 뿐만 아니라 아크형 결함도 감지할 수 있도록 하는 누전 차단기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 누전 차단기의 자가 테스트 기능을 제공하는 누전 차단기를 제공하는 데 있다.

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 형태에 따른 누전 차단기는 제1코어, 상 도전선의 전류가 흐르며 제1코어를 관통하는 제1차 권선, 제1코어에 인접되어 제1코어의 자기장에 상응하는 제1전압을 발생하는 제2차권선, 및 전원 케이블의 금속 외피의 전류가 흐르며 제1코어를 감싸는 제3차권선을 구비하는 제1 차동 변압기와, 제2코어, 접지 도전선의 전류가 흐르며 제2코어를 관통하는 제1차 권선, 제2코어에 인접되어 제2코어의 자기장에 상응하는 제2전압을 발생하는 제2차권선을 구비하는 제2 차동 변압기와, 테스트시에는 제1차동 변압기를 거치지 않은 상도전선과 제2차동 변압기를 거친 접지 도전선간을 연결하여, 제1차동 변압기의 제1차권선과 제2차동 변압기의 제 1차 권선간의 전류차를 발생하는 테스트부와, 누설 전류의 발생을 통보받으면, 제1차동 변압기 및 제2차동 변압기를 거친 상도전선 및 접지 도전선을 개방시키는 선로 연결 스위칭부와, 제1전압과 제2전압간에 전압차가 발생하면, 누설 전류의 발생을 확인하고 통보하는 선로 연결 제어부를 구비한다.

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 형태에 따른 누전 차단기는 제1코어, 상 도전선의 전류가 흐르며 제1코어를 관통하는 제1차 권선, 제1코어에 인접되어 제1코어의 자기장에 상응하는 제1전압을 발생하여 제1출력노드에 인가하는 제2차권선, 및 전원 케이블의 금속 외피의 전류가 흐르며 제1코어를 감싸는 제3차권선을 구비하는 제1 차동 변압기와, 제2코어, 접지 도전선의 전류가 흐르며 제2코어를 관통하는 제1차 권선, 제2코어에 인접되어 제2코어의 자기장에 상응하는 제2전압을 발하여 제2출력노드에 인가하는 제2차권선을 구비하는 제2 차동 변압기와, 테스트시에는 제1차동 변압기를 거치지 않은 상도전선과 제2차동 변압기를 거친 접지 도전선간을 연결하여, 제1차동 변압기의 제1차권선과 제2차동 변압기의 제 1차 권선간의 전류차를 발생하는 테스트부와, 누설 전류의 발생을 통보받으면, 제1차동 변압기 및 제2차동 변압기를 거친 상도전선 및 접지 도전선을 개방시키는 선로 연결 스위칭부와, 제1출력노드와 제2출력노드간에 전압차가 발생하면, 누설 전류의 발생을 확인하고 통보하는 선로 연결 제어부를 구비합니다.

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이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 누전 차단기를 설명하면 다음과 같다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 누전 차단기(10)는 전원 인가단(1), 누설 전류 검출부(2), 선로 연결 제어부(3), 선로 연결 스위칭부(4), 및 테스트부(5)를 구비한다.

그리고 누전 차단기(10)는 전원 케이블(20)을 통해 부하(30)에 연결되어, 부하(30)에 교류 전원을 인가한다.

이때의 전원 케이블(20)은 교류 전원이 흐르는 상 도전선(L)과 접지 도전선(N)을 구비하고, 전원 인가단(1)의 교류 전원을 부하(30)로 전송한다.

이때의 상 도전선(L)과 접지 도전선(N)은 상 도전선(L)과 접지 도전선(N) 각각이 금속 외피로 실드(shield)하는 방식, 상 도전선(L)과 접지 도전선(N)이 통합되어 실드하는 방식, 및 상 도전선(L)과 접지 도전선(N)이 실드하지 않는 방식을 통해 실드된다.

전원 인가단(1)은 상 도전선(L)과 연결되는 제 1 선로(PL1), 접지 도전선(N)과 연결되는 제 2 선로(PL2), 및 접지선(GND)과 연결되는 제 3 선로(PL3)를 구비하고, 제 1 및 제 2 선로(PL1, PL2)를 통해 전원 케이블(20) 및 부하(30)에 교류 전원을 입력하고, 제 3 선로(PL3)를 통해 누전 차단기(10)의 접지를 수행하여 준다.

누설 전류 검출부(2)는 제 1 전압 발생부(21)와 제 2 전압 발생부(22)를 구비하고, 제 1 전압 발생부(21)는 제 1 선로(PL1) 및 제 4 선로(PL4)를 이용하여 부하(30) 및 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 흐르는 전류량을 모니터링하여 제 1 전압을 생성한다. 그리고 제 2 전압 발생부(22)는 제 2 선로(PL)를 이용하여 부하(30)를 통해 흐르는 전류량을 모니터링 하여 제 2 전압을 생성한다. 이에 누설 전류 검출부(2)는 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하여 누설 전류의 존재 여부를 파악하고, 누설 전류가 발생하면, 이에 상응하는 전압을 출력한다.

예를 들어, 부하(30)를 통해 누설전류가 발생하지 않으면 제 1 선로(PL1)를 통해 부하(30)로/로부터 입력되는/출력되는 전류량과 제 2 선로(PL2)를 통해 부하(30)로부터/로 출력되는/입력되는 전류량은 동일하게 되고, 제 1 전압 발생부(21)와 제 2 전압 발생부(22)는 동일한 값을 가지고 위상이 서로 반대인 전압을 발생하게 된다. 이에 누설 전류 검출부(2)는 전압을 출력하지 않는다.

반면에 부하(30)를 통해 누설전류가 발생하면 제 1 선로(PL1)를 통해 부하(30)로/로부터 입력되는/출력되는 전류량과 제 2 선로(PL2)를 통해 부하(30)로부터/로 출력되는/입력되는 전류량은 상이해지고, 제 1 전압 발생부(21)와 제 2 전압 발생부(22)는 상이한 값을 가지고 위상이 서로 반대인 제 1 전압과 제 2 전압을 발생하게 된다. 이에 누설 전류 검출부(2)는 제 1 전압과 제 2 전압의 전압차를 출력한다.

선로 연결 제어부(3)는 신호 처리부(31)와 동작 전원 발생부(32)를 구비한다. 그리고 신호 처리부(31)는 누설 전류 검출부(2) 및 동작 전원 발생부(32)와 연결되어, 누설 전류 검출부(2)로부터 제 1 전압과 제 2 전압의 전압차가 출력되면 누설 전류가 발생하였음을 확인하고 선로 연결 스위칭부(4)를 제어하여 제 1 선로(PL1)와 제 2 선로(PL2)를 개방하도록 한다.

그리고 동작 전원 발생부(4)는 누설 전류 검출부(2)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)와 신호 처리부(31)와 연결되어, 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 통해 흐르는 교류 전원을 입력받고, 이를 동작 전원으로 변환한다.

선로 연결 스위칭부(4)는 누설 전류 검출부(2)와 부하(30) 사이에 위치하여 선로 연결 제어부(3)의 제어에 응답하여 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 개방 또는 단락하여 준다.

테스트부(5)는 전원 인가단(1)과 누설 전류 검출부(2) 사이의 제 1 선로(PL1)와 누설 전류 검출부(2)와 부하(30) 사이의 제 2선로(PL2)와 연결되어, 누전 차단기(10)의 테스트 시에 제 1 선로(PL1)와 제 2 선로(PL2)의 전류량을 인위적으 로 변경한다.

이에 테스트 시에 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 개방되면 누전 차단기(10)는 정상 동작되고 있음을 확인하고, 반면에 제 1 선로(PL1)와 제 2 선로(PL2)의 전류량을 인위적으로 변경하였음에도 불구하고 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)가 개방되지 않으면, 누전 차단기(10)는 오동작 되고 있음을 확인한다.

도면에 도시된 바와 같이, 전원 인가단(1)은 상 도전선(L)과 연결되는 제 1 선로(PL), 접지 도전선(N)과 연결되는 제 2 선로(PL2), 및 접지선(GND)과 연결되는 제 3 선로(PL3)를 구비한다.

누설 전류 검출부(2)는 제 1 선로(PL1)인 제 1차 권선(SL11), 제 1차 권선(SL11) 및 제 3차 권선(SL13)을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 자기장을 생성하는 코어, 및 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에 연결되며 코어의 자기장에 상응하는 전압을 생성하는 제 2차 권선(SL12), 전원 케이블(20)의 금속 외피와 선로 연결 스위칭부(4)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)와 연결되는 제 4 선로(PL4)인 제 3차 권선(SL13)을 구비하는 제 1 차동 변압기(ZCT1)로 구성되는 제 1 전압 발생부(21)와, 제 1 선로(PL2)인 제 1차 권선(SL21), 제 1차 권선(SL21)을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 자기장을 생성하는 코어, 및 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에 연결되며 코어의 자기장에 상응하는 전압을 생성하는 제 2차 권선(SL22)을 구비하는 제 2 차동 변압기(ZCT2)로 구성되는 제 2 전압 발생부(22)와, 노드 1(n1)과 노드 2(n2) 에 병렬 연결되는 필터링 동작을 수행하는 저항(R1) 및 커패시터(C1)를 구비한다.

선로 연결 제어부(3)는 신호 처리부(31)와 동작 전원 발생부(32)를 구비하고, 신호 처리부(31)는 누설 전류 검출부(2)로부터 출력되는 신호의 과전압을 제거하는 클랭핑 회로(311), 클램핑 회로(311)의 출력 신호를 증폭기(312), 증폭기(312)의 출력신호를 래치하는 래치(313), 및 제어 전극은 래치(313)와 연결되고 양극은 선로 연결 스위칭부(4)와 연결되고 음극은 동작 전원 발생부(32)와 연결되어, 및 래치(313)의 출력 신호에 따라 온/오프되는 사이리스터(SCR)를 구비한다.

그리고 동작 전원 발생부(32)는 4개의 다이오드(D1~D4)를 구성되어, 누설 전류 검출부(2)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 통해 인가되는 교류 전원을 전파 정류하여 동작 전원(또는 동작전압)으로 변환하는 전파 정류기(321), 및 저항(R2)과 커패시터(C2)로 구성되어, 전파 정류기(321)의 동작 전원을 평활화하는 평활회로(322)를 구비한다.

선로 연결 스위칭부(4)는 제 1 선로(PL1)와 연결되어 제 1 선로(PL1)를 단락 또는 개방시키는 제 1 스위치(SW1)와 제 2 선로(PL2)와 연결되어 제 2 선로(PL2)를 단락 또는 개방시키는 제 2 스위치(SW2), 및 동작 전원 발생부(32)의 출력단과 신호 처리부(31)의 사이리스터(SCR)의 양극 사이에 위치하며 전파 정류기(321)의 동작전원을 인가받아 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)를 온 또는 오프시키는 솔레노이드(SOL)를 구비한다.

테스트부(5)는 전원 인가단(1)을 거친 제 1 선로(PL1)와 연결되는 저항(R3), 선로 연결 스위칭부(4)를 거친 제 2선로(PL2)와 연결되고, 테스트시에 온되는 제 3 스위치(SW3)를 구비한다.

이하에서 도 2를 참조하여 누전 차단기(10)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

초기화시의 누전 차단기(10)는 다음과 같은 상태를 가진다.

선로 연결 스위칭부(4)의 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)는 "온" 상태가 되며, 동작 전원 발생부(32)는 누설 전류 검출부(2)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 통해 인가되는 교류전원에 응답하여 신호 처리부(31)의 동작 전원을 발생한다. 그리고 신호 처리부(31)는 동작 전원 발생부로(32)부터 동작 전원을 인가받아 활성화 상태가 되며 이때의 래치(313)는 로우 레벨 신호를 발생한다.

본 발명의 누전 차단기는 부하(30) 또는 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하지 않는 경우, 부하(30)를 통해 누설 전류가 발생하는 경우, 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하는 경우, 및 테스트를 수행하는 경우 각각에 대해 달리 동작된다.

먼저, 정상 동작 경우 즉, 부하(30) 또는 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하지 않을 경우의 누전 차단기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

이때, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 1차 권선(SL11)을 통해 부하(30)로/로부터 입력/출력되는 전류량과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 1차 권선(SL21)을 통해 부하(30)로부터/로 출력/입력되는 전류량은 동일하다. 그리고 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 3차 권선(SL13)을 통해서는 전류가 흐르지 않는다.

이에 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 코어와 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 코어는 동 일한 양의 전자기를 발생하고, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 2차 권선(SL22)은 동일한 값을 가지되 반대되는 극성을 가지는 전압을 각각 생성하여 노드 1(n1)과 노드 2(n2)로 인가한다.

그러면 노드 1(n1)과 노드 2(n2) 양단간의 전압 차는 "0"이 되어, 누설 전류 검출부(2)는 전압을 발생하지 않는 상태가 된다.

누설 전류 검출부(2)로부터 전압을 인가받지 못한 신호 처리부(3)는 초기화 상태를 그대로 유지하여, 신호 처리부(3)의 래치(313)는 로우 레벨 신호를 발생하고, 사이리스터(SCR)는 래치신호 처리부(3)로부터 로우 레벨 신호를 인가받아 "오프" 된다. 이에 선로 연결 스위칭부(4)의 솔레노이드(SOL)로는 전류가 흐르지 못해 제 1 스위치 및 제 2 스위치(SW1, SW2)는 "온" 상태를 유지한다.

이와 같이 도 2의 누전 차단기(10)는 부하(30) 또는 전원 케이블(20)의 금속 외피에 누설 전류가 발생하지 않는 경우에는 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 통해 부하(30)로 교류 전원을 인가한다.

이어서, 부하(30)를 통해 누설 전류가 발생하였을 경우의 누전 차단기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

부하(30)를 통해 누설 전류가 발생하면 부하(30)로 입력되는 전류보다 부하(30)로부터 출력되는 전류는 적어지게 된다.

이에 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 1차 권선(SL11)을 통해 부하(30)로/로부터 입력/출력되는 전류량과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 1차 권선(SL21)을 통해 부하(30)로부터/로 출력/입력되는 전류량은 상이해진다.

그러면 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 코어와 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 코어는 상이한 양의 전자기를 발생하고, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 2차 권선(SL22)은 대응되는 코어에 발생된 전자기에 따라 상이한 값을 가지되 반대되는 극성을 가지는 전압을 각각 생성하여 노드 1(n1)과 노드 2(n2)로 인가한다.

이에 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에는 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 2차 권선(SL22)의 전압차를 반영하는 정현파가 발생되고, 정현파는 누설 전류 검출부(2)의 저항(R1)과 커패시터(C1)를 통해 필터링된 후, 신호 처리부(31)로 인가된다.

신호 처리부(31)의 클램핑 회로(311)는 과입력을 방지하고, 증폭기(312)는 클램핑 회로(311)를 통해 입력된 신호를 증폭하고, 래치(313)는 증폭기(312)의 증폭된 신호에 응답하여 하이 레벨 신호를 발생 및 래치한다.

이에 사이리스터(SCR)의 제어 전극을 통해 래치(313)의 하이 레벨 신호를 인가받아, "온"상태가 된다.

그러면 "온" 상태인 신호 처리부(3)의 사이리스터(SCR)와 선로 연결 스위칭부(4)의 솔레노이드(SOL)를 통해 전류가 흐르고, 솔레노이드(SOL)는 이에 따라 소정의 자기장을 발생하고, 제 1 스위치 및 제 2 스위치(SW1, SW2)는 솔레노이드(SOL)의 자기장에 의해 "오프"된다. 즉, 제 1 선로(PL1)와 제 2 선로(PL2)는 개방된다.

그리고 동작 전원 발생부(32)도 누설 전류 검출부(2)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)를 통해 교류 전원을 인가받지 못해 동작 전원을 발생하지 못하고, 신호 처리부(31)는 동작 전원 발생부(32)로부터 동작 전원을 인가받지 못해 비활성화 상태가 된다. 즉, 누전 차단기(10) 전체가 비활성화된다.

이어서, 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하였을 경우의 누전 차단기(10)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하면, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 3차 권선(SL13)을 통해 전류가 흐르게 된다.

더욱 상세하게는 + 전압이 인가될 때에는 전원 케이블(20)의 누설 전류가 전원 케이블(20)의 금속 외피, 제 3차 권선(SL13), 및 제 1 선로(PL1)를 거쳐 흐르게 되고, - 전압이 인가될 때에는 누설 전류가 전원 케이블(20)의 금속 외피, 제 2 선로(PL2), 및 제 3차 권선(SL13)을 거쳐 흐르게 된다.

이에 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 코어는 제 1차 권선(SL11) 및 제 3차 권선(SL13)에 상응하는 전자기를 발생하고, 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 코어는 제 1차 권선(SL21)에 상응하는 전자기를 발생하게 되어, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 2차 권선(SL22)은 상이한 값을 가지되 반대되는 극성을 가지는 전압을 각각 생성하여 노드 1(n1)과 노드 2(n2)로 인가한다.

이에 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에는 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 제 2차 권선(SL22)의 전압차를 반영하는 정현파가 발생되고, 정현파는 누설 전류 검출부(2)의 저항(R1)과 커패시터(C1)를 통해 필터링된 후 신호 처리부(3)로 인가된다.

신호 처리부(3)의 클램핑 회로(311)는 과입력을 방지하고, 증폭기(312)는 클램핑 회로(311)를 통해 입력된 신호를 증폭하고, 래치(313)는 증폭기(312)의 신호에 응답하여 하이 레벨 신호를 발생 및 래치한다.

그리고 누설 전류 검출부(2)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)와 신호 처리부(31)와 연결되는 동작 전원 발생부(32)도 교류 전원을 인가받지 못해 동작 전원을 발생하지 못하고, 신호 처리부(31)는 동작 전원 발생부(32)로부터 동작 전원을 인가받지 못해 비활성화 상태로 변환되게 된다. 즉, 누전 차단기(10) 전체가 비활성화된다.

이와 같이 부하(30) 또는 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하여, 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)가 개방되고 누전 차단기(10) 전체가 비활 성화된 상태는 사용자가 선로 연결 스위칭부(4)의 스위치들(SW1, SW2)을 인위적으로 "온" 시켜 누전 차단기(10)가 다시 초기화될 때까지 유지된다.

마지막으로 테스트를 수행하는 경우의 누전 차단기(10)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

테스트부(5)의 스위치(SW3)가 "온"되면, 전원 인가단(1)의 출력단 즉, 노드 3(n3)의 제 1 선로(PL1)와 선로 연결 스위칭부(4)와 부하(30) 사이 즉, 노드 4(n4)의 제 2 선로(PL2)가 전기적으로 연결된다.

이에 노드 3(n3)에 인가된 제 1 선로(PL1)의 전류는 누설 전류 검출부(2)와 테스트부(4)로 분기되어 누설 전류 검출부(2)를 통해 흐르는 전류는 부하(30)로 인가되고, 테스트부(4)를 통해 흐르는 전류는 노드 4(n4)로 인가된다.

그러면 누설 전류 검출부(2)를 통해 흐르는 전류는 부하(30)로 입력하고, 부하(30)는 입력받은 전류만큼을 다시 노드 4(n4)로 다시 출력한다.

이에 제 1 전압 발생부(21)의 1 차 권선(SL11)을 통해서는 "누설 전류 검출부(2)를 통해 흐르는 전류"만큼이 흐르게 되고, 제 2 전압 발생부(22)의 1 차 권선(SL21)을 통해서는 "누설 전류 검출부(2)를 통해 흐르는 전류 + 테스트부(4)를 통해 흐르는 전류" 만큼이 흐르게 된다.

즉, 제 1 전압 발생부(21)의 1 차 권선(SL11)과 제 2 전압 발생부(22)의 1 차 권선(SL21)간에는 "테스트부(4)를 통해 흐르는 전류" 만큼의 전류차가 발생하게 된다.

그러면, 제 1 전압 발생부(21)의 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 코어와 제 2 전압 발생부(22)는 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 코어는 상이한 값을 가지는 자기장을 생성하고, 제 1 차동 변압기(ZCT1)의 제 2차 권선(SL12)과 제 2 차동 변압기(ZCT2) 의 제 2차 권선(SL22)은 대응되는 코어에 발생된 전자기에 따라 상이한 값을 가지는 전압을 생성하게 된다.

이에 누전 차단기(10)의 누설 전류 검출부(2)는 누설 전류가 발생하였음을 통보하고, 선로 연결 제어부(3) 및 선로 연결 스위칭부(4)는 부하(30) 또는 전원 케이블(20)의 금속 외피를 통해 누설 전류가 발생하였을 경우에서와 동일하게 동작을 수행하여 준다.

이와 같이, 본 발명의 누전 차단기(10)는 테스트부(5)를 통해 부하(30) 및 전원 케이블(20)의 금속 외피에 누설 전류가 발생하지 않는 경우에도, 인위적으로 제 1 선로(PL1)와 제 2 선로(PL2)의 전류량을 인위적으로 변경하여, 누설 전류가 흐를 때와 동일한 환경을 제공하고, 이에 따라 누전 차단기(10)가 정상 동작하는 지를 판단할 수 있도록 한다.

이상의 도 2에 도시된 누전 차단기는 누설 전류 검출부(2)(즉, 제 1 전압 발생부(21)와 제 2 전압 발생부(22)의 전압차)의 출력 신호가 신호 처리부(3)가 인식할 수 있는 전압값을 가지는 경우에 유용하다.

그러나 경우에 따라서는 누설 전류 검출부(2)의 출력 신호가 미소한 전압값을 가져 신호 처리부(3)가 인식할 수 없는 경우가 발생하게 된다. 이러한 경우에는 도 3 및 도 4의 누전 차단기를 적용하여 상기의 문제점을 해소한다.

도면에 도시된 바와 같이, 도 2의 누전차단기와 동일하게 전원 인가단(1), 누설 전류 검출부(6), 선로 연결 제어부(7), 선로 연결 스위칭부(4), 및 테스트부(5)를 구비하되, 누설 전류 검출부(6)는 제 1 전압 발생부(61) 및 제 2 전압 발생부(62)의 전압차를 증폭하기 위한 신호 증폭부(63)를 더 구비하고, 선로 연결 제어부(7)의 동작 전원 발생부(71)는 신호 증폭부(63)에 동작 전원을 인가하기 위한 정전압 회로(323)를 더 구비한다.

이하 도 2와 동일한 구성 및 기능을 수행하는 도 3의 구성요소에 대해서는 도 2의 구성요소와 동일한 번호를 지정하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이에 누설 전류 검출부(6)는 제 1 전압 발생부(61), 제 2 전압 발생부(62), 및 신호 증폭부(63)를 구비하고, 제 1 전압 발생부(61)는 제 1 선로(PL1)인 제 1차 권선(SL11), 제 1차 권선(SL11) 및 제 3차 권선(SL13)을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 전기장을 생성하는 코어, 및 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에 연결되며 코어의 전기장에 상응하는 전압을 생성하는 제 2차 권선(SL12), 전원 케이블(20)의 금속 외피와 선로 연결 스위칭부(4)를 거친 제 1 선로(PL1) 및 제 2 선로(PL2)와 연결되는 제 4 선로(PL4)인 제 3차 권선(SL13)을 구비하는 제 1 차동 변압기(ZCT1), 및 제 1 전압 발생부(61)의 출력 전압을 필터링하는 저항(R6) 및 캐패시터(C3)를 구비한다. 제 2 전압 발생부(62)는 제 1 선로(PL2)인 제 1차 권선(SL11), 제 1차 권선(SL21)을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 전기장을 생성하는 코어, 및 노드 1(n1)과 노드 2(n2)에 연결되며 코어의 전기장에 상응하는 전압을 생성하는 제 2차 권선(SL22)을 구비하는 제 2 차동 변압기(ZCT2), 및 제 2 차동 변압기(ZCT2)의 출력 전 압을 필터링하는 저항(R7) 및 캐패시터(C4)를 구비한다.

그리고 신호 증폭부(63)는 제 1 전압 발생부(61) 및 제 2 전압 발생부(62)의 전압을 각각 증폭하는 제 1 증폭기(A1) 및 제 1 증폭기(A1)에 대응되는 저항들과, 제 2 증폭기(A2) 및 제 1 증폭기(A1)에 대응되는 저항들과, 증폭된 제 1 전압 발생부(61)와 제 2 전압 발생부(62)의 전압을 비교하는 비교기(COM1) 및 비교기(COM1)에 대응되는 저항들 및 캐패시터들과, 제 1 증폭기(A1), 제 2 증폭기(A2), 및 비교기(COM1)의 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 회로(B1) 및 바이어스 회로(B1)에 대응되는 저항들 및 캐패시터들을 구비한다.

또한 선로 연결 제어부(7)의 정전압 회로(323)는 전파 정류기(321)의 동작 전압을 인가받는 저항(R8), 정전압을 유지하도록 하는 제너 다이오드(ZD), 및 정전압을 충전하고, 출력하는 캐패시터(C5)를 구비한다.

이때의 신호 증폭부(63)는 도면에 도시된 바와 같이 나의 반도체 칩으로 구현하여 최소화된 크기를 가지도록 한다.

이와 같이 구성되는 누설 전류 검출부(6)의 제 1 차동 변압기(ZCT1)는 제 1차 권선(SL11)및 제 3차 권선(SL13)을 통해 흐르는 전류에 대응되는 전자기를 발생하고, 제 2 차동 변압기(ZCT2)는 제 1차 권선(SL21)을 통해 흐르는 전류에 대응되는 전자기를 발생하고, 제 1 및 제 2 차동변압기(ZCT1, ZCT2)의 제 2차 권선(SL12, SL22) 각각은 코어의 전자기에 대응되는 전압을 발생한다.

그러면, 제 1 및 제 2 차동변압기(ZCT1, ZCT2)에 각각 대응되는 저항(R6, R7) 및 캐패시터(C3, C4)는 발생된 전압을 필터링하고, 제 1 및 제 2 증폭기(A1, A2)는 필터링된 제 1 및 제 2 차동 변압기(ZCT1, ZCT2)의 전압을 설정된 이득율에 따라 증폭하고, 비교기(COM1)는 증폭된 제 1 및 제 2 차동 변압기(ZCT1, ZCT2)의 전압을 비교하고, 비교 결과를 출력한다.

이에 신호 처리부(31)의 클램핑 회로(311)는 항상 소정의 전압 레벨로 증폭된 출력신호를 누설 전류 검출부(6)로부터 인가받게 된다.

또한 동작 전원 발생부(71)의 정전압 회로(323)는 전파 정류기(321)를 통해 생성된 동작 전원을 인가받아, 제 1 및 제 2 증폭기(A1, A2), 비교기,(COM) 및 바이어스 회로(B)의 동작 전원을 발생한다.

도면에 도시된 바와 같이, 도 3의 누전 차단기와 동일하게 전원 인가단(1), 누설 전류 검출부(8), 선로 연결 제어부(9), 선로 연결 스위칭부(4), 및 테스트부(5)를 구비하되, 누설 전류 검출부(8)는 제 1 전압 발생부(81)와 제 2 전압 발생부(82) 이외에 신호 증폭부(83)를 더 구비하고, 선로 연결 제어부(9)의 동작 전원 발생부(91)는 신호 증폭부(83)에 바이어스 전압을 제공하기 위한 바이어스 회로(324)를 더 구비한다.

이하 도 3과 동일한 구성 및 기능을 수행하는 도 4의 구성요소에 대해서는 도 3의 구성요소와 동일한 번호를 지정하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이에 도 4의 누설 전류 검출부(8)의 신호 증폭부(83)는 제 1 전압 발생부 (71)와 제 2 전압 발생부(72)의 필터링된 전압을 비교하는 비교기(COM2) 및 비교기(COM2)에 대응되는 저항들과, 비교기(COM2)의 출력 신호를 증폭하는 증폭기(A3) 및 증폭기(A3)에 대응되는 저항들을 구비한다.

이때의 신호 증폭부(73)도 도면에 도시된 바와 같이 하나의 반도체 칩으로 구현하여 최소화된 크기를 가지도록 한다.

그리고 선로 연결 제어부(9)의 바이어스 회로(324)는 정전압 회로(323)와 연결되어 정전압회로(323)의 동작 전압을 분배하는 저항들(R9, R10)과, 분배된 전압을 비교기(COM2)와 증폭기(A3)로 인가하는 캐패시터(C8)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 누설 전류 검출부(8)의 제 1 차동 변압기(ZCT1)는 제 1차 권선(SL11) 및 제 3차 권선(SL13)을 통해 흐르는 전류에 대응되는 전자기를 발생하고, 제 2 차동 변압기(ZCT2)는 제 1차 권선(SL21)을 통해 흐르는 전류에 대응되는 전자기를 발생하고, 제 1 및 제 2 차동변압기(ZCT1, ZCT2)의 제 2차 권선(SL12, SL22) 각각은 코어의 전자기에 대응되는 전압을 발생한다.

그러면, 제 1 및 제 2 차동변압기(ZCT1, ZCT2)에 각각 대응되는 저항(R6, R7) 및 캐패시터(C3, C4)는 발생된 전압을 필터링하고, 비교기(COM2)는 필터링된 제 1 및 제 2 차동 변압기(ZCT1, ZCT2)의 전압을 비교하고, 비교 결과를 출력한다.

그리고 증폭기(A3)는 비교기(COM2)의 비교 결과를 설정된 이득율에 따라 증폭하여 출력한다.

이에 신호 처리부(31)의 클램핑 회로(311)는 항상 소정의 전압 레벨로 증폭된 출력신호를 누설 전류 검출부(8)로부터 인가받게 된다.

또한 선로 연결 제어부(9)의 정전압 회로(323)는 전파 정류기(321)를 통해 출력되는 동작 전원을 인가받아, 증폭기(A3), 비교기(COM2)의 동작 전원을 발생하고, 바이어스 회로(324)는 증폭기(A3), 비교기(COM2)의 바이어스 전압을 발생한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 누전 차단기는 저성능의 차동 변압기를 통해 누설 전류를 감지할 수 있도록 하여 생산 원가 절감 효과를 제공한다.

그리고 누설 전류 뿐만 아니라 전원 케이블의 아크형 결함도 감지할 수 있도록 하여 누전 차단기의 누전 차단기의 성능을 증대한다.

또한 누전 차단기의 자가 테스트 기능을 제공하여 누전 차단기의 동작 신뢰성을 제공한다.

Claims

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부하로/로부터 입력/출력되는 전류가 흐르는 상 도전선과 부하부터로/로 출력/입력되는 전류가 흐르는 접 지도전선을 가지는 전원 케이블과 연결되는 누전 차단기에 있어서,

제1코어, 상기 상 도전선의 전류가 흐르며 상기 제1코어를 관통하는 제1차 권선, 상기 제1코어에 인접되어 상기 제1코어의 자기장에 상응하는 제1전압을 발생하는 제2차권선, 및 상기 전원 케이블의 금속 외피의 전류가 흐르며 상기 제1코어를 감싸는 제3차권선을 구비하는 제1 차동 변압기;

제2코어, 상기 접지 도전선의 전류가 흐르며 상기 제2코어를 관통하는 제1차 권선, 상기 제2코어에 인접되어 상기 제2코어의 자기장에 상응하는 제2전압을 발생하는 제2차권선을 구비하는 제2 차동 변압기;

테스트시에는 상기 제1차동 변압기를 거치지 않은 상기 상도전선과 상기 제2차동 변압기를 거친 상기 접지 도전선간을 연결하여, 상기 제1차동 변압기의 제1차권선과 상기 제2차동 변압기의 제 1차 권선간의 전류차를 발생하는 테스트부;

누설 전류의 발생을 통보받으면, 상기 제1차동 변압기 및 상기 제2차동 변압기를 거친 상기 상도전선 및 상기 접지 도전선을 개방시키는 선로 연결 스위칭부; 및

상기 제1전압과 제2전압간에 전압차가 발생하면, 누설 전류의 발생을 확인하고 통보하는 선로 연결 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
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제 20항에 있어서, 상기 테스트부는

상기 제1차동 변압기의 제1차 권선과 상기 제2차동 변압기의 제1차권선 사이에 직렬 연결되는 저항과 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
삭제
제 20항에 있어서, 상기 선로 연결 스위칭부는

상기 제1차동 변압기 및 상기 제2차동 변압기를 거친 상기 상 도전선 및 상기 접지 도전선을 개방하는 스위치; 및

상기 선로 연결 제어부의 제어하에 상기 스위치를 동작시키는 솔레노이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 20항에 있어서, 상기 선로 연결 제어부는

상기 제1차동 변압기와 상기 제2차동 변압기의 전압차가 소정 레벨이상이면 상기 선로 연결 스위칭부에 전류를 인가하는 신호 처리부; 및

상기 선로 연결 스위칭부에 연결된 상기 제1차동 변압기의 제1차 권선과 상기 제2차동 변압기의 제1차권선으로부터 교류 전원을 인가받아 상기 신호 처리부의 동작 전원을 발생하는 동작 전원 발생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 25항에 있어서, 상기 신호 처리부는

상기 제1전압과 제2전압간의 전압차를 반영하는 신호를 수신하여 과전압을 제거하는 클램핑 회로;

상기 클램핑 회로의 출력 신호를 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기의 출력신호를 래치하는 래치; 및

상기 동작 전원 발생부와 상기 선로 연결 스위칭부에 직렬 연결되고, 상기 래치 신호를 제어 신호로 인가받아 온/오프되는 사이리스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 25항에 있어서, 상기 동작 전원 발생부는

상기 선로 연결 스위칭부를 거친 상기 상도전과 상기 접지 도전선과 연결되어 상기 교류 전원을 인가받아 상기 신호 처리부의 동작 전원을 발생하는 전파 정류기; 및

상기 전파 정류기의 출력 신호를 평활화하는 평활 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
부하로/로부터 입력/출력되는 전류가 흐르는 상 도전선과 부하부터로/로 출력/입력되는 전류가 흐르는 접지 도전선을 가지는 전원 케이블과 연결되는 누전 차단기에 있어서,

제1코어, 상기 상 도전선의 전류가 흐르며 상기 제1코어를 관통하는 제1차 권선, 상기 제1코어에 인접되어 상기 제1코어의 자기장에 상응하는 제1전압을 발생하여 제1출력노드에 인가하는 제2차권선, 및 상기 전원 케이블의 금속 외피의 전류가 흐르며 상기 제1코어를 감싸는 제3차권선을 구비하는 제1 차동 변압기;

제2코어, 상기 접지 도전선의 전류가 흐르며 상기 제2코어를 관통하는 제1차 권선, 상기 제2코어에 인접되어 상기 제2코어의 자기장에 상응하는 제2전압을 발하여 제2출력노드에 인가하는 제2차권선을 구비하는 제2 차동 변압기;

테스트시에는 상기 제1차동 변압기를 거치지 않은 상기 상도전선과 상기 제2차동 변압기를 거친 상기 접지 도전선간을 연결하여, 상기 제1차동 변압기의 제1차권선과 상기 제2차동 변압기의 제 1차 권선간의 전류차를 발생하는 테스트부;

누설 전류의 발생을 통보받으면, 상기 제1차동 변압기 및 상기 제2차동 변압기를 거친 상기 상도전선 및 상기 접지 도전선을 개방시키는 선로 연결 스위칭부; 및

상기 제1출력노드와 제2출력노드간에 전압차가 발생하면, 누설 전류의 발생을 확인하고 통보하는 선로 연결 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
삭제
제 28항에 있어서, 상기 테스트부는

상기 제1차동 변압기의 제1차 권선과 상기 제2차동 변압기의 제1차권선 사이에 직렬 연결되는 저항과 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 28항에 있어서, 상기 누전 차단기는

상기 제1출력 노드에 인가된 제1전압과 상기 제2출력 노드에 인가된 제2전압을 각각 증폭하는 증폭기들;

상기 증폭기들의 출력 전압들을 비교하는 비교기; 및

바이어스 전압을 생성하여 상기 증폭기들과 상기 비교기에 인가하는 바이어스 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 28항에 있어서, 상기 누전 차단기는

상기 제1출력 노드에 인가된 제1전압과 상기 제2출력 노드에 인가된 제2전압을 비교하는 비교기; 및

상기 비교기의 출력 전압을 증폭하는 증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
삭제
제 28항에 있어서, 상기 선로 연결 스위칭부는

상기 제 1 차동 변압기 및 상기 제 2 차동 변압기를 거친 상기 상도전선과 상기 접지 도전선을 개방하는 스위치; 및

상기 선로 연결 제어부의 제어하에 상기 스위치를 동작시키는 솔레노이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 28항에 있어서, 상기 선로 연결 제어부는

상기 제1출력 노드에 인가된 제1전압과 상기 제2출력 노드에 인가된 제2전압간의 전압차가 소정 레벨이상이면 상기 선로 연결 스위칭부에 전류를 인가하는 신호 처리부; 및

상기 선로 연결 스위칭부에 연결된 상기 제1차동 변압기의 제1차 권선과 상기 제2차동 변압기의 제1차권선으로부터 교류 전원을 인가받아 상기 신호 처리부의 동작 전원을 발생하는 동작 전원 발생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 35항에 있어서, 상기 신호 처리부는

상기 제1차동 변압기와 상기 제2차동 변압기의 전압차를 반영하는 신호를 수신하여 과전압을 제거하는 클램핑 회로;

상기 클램핑 회로의 출력 신호를 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기의 출력신호를 래치하는 래치; 및

상기 동작 전원 발생부와 상기 선로 연결 스위칭부와 직렬 연결되고, 상기 래치 신호를 제어 신호로 인가받아 온/오프되는 사이리스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 35항에 있어서, 상기 동작 전원 발생부는

상기 선로 연결 스위칭부를 거친 상기 상도전과 상기 접지 도전선과 연결되어 상기 교류 전원을 인가받아 상기 신호 처리부의 동작 전원을 발생하는 전파 정류기; 및

상기 전파 정류기의 출력 신호를 평활화하는 평활 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
제 32항 또는 제 37항에 있어서, 상기 동작 전원 발생부는

바이어스 전압을 발생하여 상기 비교기와 상기 증폭기에 인가하는 바이어스 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.