KR100712229B1 - 전기화재를 예방하기 위한 누전차단기의 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압 옥내 배선계통의 접속점의 접촉불량, 순간단락 또는 선간의 트래킹 현상시 전기 배선계통의 화재를 예방할 수 있는 누전차단기의 제어장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명으로 제1 단자 및 제2 단자 사이에 형성된 전압을 감지하여 임펄스전압으로 출력하기 위한 검출수단; 상기 임펄스전압을 적분하여 출력을 지연시키며 충격파에 의한 오동작을 방지하기 위한 적분수단; 및 상기 적분수단에 제어받아 상기 제1 단자를 통해 인가된 전류가 제3 단자로 흐르도록 하기 위한 스위칭수단을 구비하는 누전차단기의 제어장치를 제공한다.

페라이트 코어, 과전류, 누설전류, 단락전류, 접촉불량

Description

전기화재를 예방하기 위한 누전차단기의 제어장치{CONTROL DEVICE OF CIRCUIT BREAKER FOR PREVENTING ELECTRICAL FIRE}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치를 누전차단기에 부착한 경우의 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치를 누전차단기에 부착하는 다른 경우의 도면,

도 3은 도 1및 도 2의 누전차단기의 제어장치의 내부 회로도,

도 4는 도 1의 과전류 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도,

도 5는 도 1의 단락전류 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도,

도 6은 접촉불량 시 도 1의 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

120 : 검출부

140 : 적분부

160 : 스위칭부

본 발명은 누전차단기에 관한 것으로, 특히 접촉불량, 순간단락, 또는 과전류로 인한 전기화재를 예방하기 위한 누전차단기의 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 누전 차단기는 전기를 사용하는 회로 또는 기구 등의 부하에서 누전을 감지하여 부하로의 전기 공급을 중단시킴으로써, 누전으로 인한 전기적 충격에 의한 인체의 손상 또는 전기 발화에 의한 화재의 발생을 방지하는 전기기구이다.

그런데, 종래기술에 따른 누전 차단기는 누설전류가 정현파 형태로 지속적으로 발생되거나, 실효전류가 정격전류에 비해 10 ∼ 20배 이상 흐르는 경우에만 동작하기 때문에, 저압의 옥내 배선계통 내 접속점의 접촉불량, 순간단락, 또는 선간의 트래킹 현상으로 인한 전기화재는 예방할 수 없었다.

먼저, 접촉불량, 순간단락 및 선간의 트랭킹에 의한 현상을 각각 살펴보고, 이들 현상의 공통된 특징에 대해 생각해 보도록 한다.

첫째로, 접속점의 접촉불량 시, 배선의 절연물이 접촉 불량으로 인해 발생하는 열에 의해 형상이 변형되고 접촉면이 산화된다. 따라서, 접속저항이 더욱 커지고 이에 의해 접속열이 더욱 증가하는 현상이 반복되어, 절연물이 점차 탄화 또는 변형되어 선간에 단락이 발생한다. 이와같이 접속열에 의한 섬락이 주변의 가연성 물질에 착화되어 화재가 발생한다.

둘째로, 절연피복의 소손으로 인한 단락, 또는 취급 중 실수로 인한 순간 단락에 의해 매우 큰 스파크/아크가 발생되어, 화재가 발생한다. 특히, 스파크/아크의 경우 실효전류가 작기 때문에, 누전 차단기의 동작이 지연되거나 작동하지 않는다.

끝으로, 배선계통 및 전기기구를 포함한 선간의 절연 불량으로 인한 트래킹 현상 시 발생하는 스파크/아크 및 섬락이 주변의 가연성 물질에 착화되어 화재가 발생한다.

전술한 바와 같은 배선계통에서 발생하는 전기화재는 배선의 과열, 스파크/아크 및 섬락을 동반하여 매우 짧은 순간에 발생하는 특징이 있다.

그리고 전류 흐름의 특징을 살펴보면, 매우 큰 전류가 단위시간 동안 급변하기 때문에 상승각도 및 하강각도가 거의 직각에 가깝다. 이러한 상승각도를 주파수로 환산하면 100kHz～10MHz에 해당한다. 또한, 전류는 60Hz의 반파장(약8.3ms)의 시간내에도 여러번의 불규칙한 임펄스 상태로 흘러 실효 전류가 매우 작은 특징을 갖는다.

그렇다면, 전술한 바와 같은 접촉불량, 순간단락 및 선간의 트랭킹 현상의 특징을 통해, 종래기술에 따른 누전차단기가 이런 현상에 의해 발생하는 전기화재를 방지하지 못하는 이유를 구체적으로 살펴보도록 한다.

먼저, 배선회로 접속점의 접촉이 불량한 경우, 부하측으로 공급되는 전압이 불균일한 임펄스 상태가 되어 실효전류가 작은 불규칙한 임펄스 상태로 흐르기 때문에, 열동형 누전차단기의 차단 동작이 어렵다. 즉, 실효전류가 작은 스파크/아크 의 발생시 누전차단기의 차단 동작이 이뤄지지 않는다.

그리고 스파크/아크가 발생하지 않는 단락상태(과부하 상태)의 경우, 전류가 누전차단기의 정격대비 10 ∼ 20배 이상 흐르면 0.1 ∼ 0.3초 후 누전차단기가 차단동작을 할 수 있으나, 전류가 흐르는 배선이 가늘고 길어 저항이 큰 경우에는 차단동작이 일어나지 않거나, 지연될 수 있다. 특히, 배선의 온도가 상승하게 되면, 배선의 저항이 증가하여 전류가 상대적으로 감소되어 흐르기 때문에 차단동작이 더욱 어려워진다.

또한, 배선계통의 절연불량으로 인한 누설전류가 대지(Ground)로 흐르는 경우가 아니고, 선간의 절연불량으로 누설전류가 흐르는 경우에는 누전차단기가 동작되지 않아 절연물의 탄화현상이 가속되어 트래킹(Tracking) 사고가 발생하게 된다.

더욱이, 접지가 필요한 전기 기기를 접지 없이 사용하는 경우가 많아 이러한 트래킹 사고의 발생 가능성이 높다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저압 옥내 배선계통의 접속점의 접촉불량, 순간단락 또는 선간의 트래킹 현상시 전기 배선계통의 화재를 예방할 수 있는 누전차단기의 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

삭제

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치를 누전차단기에 부착한 경우의 도면이다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치(100)는 누전차단기(200)의 핫라인(H)을 자신의 검류코일에 통과시키고, 핫라인(H)을 H단자에 연결시키며, 자신의 G단자를 접지시킨다.

전술한 바와 같이 제1 실시 예에 따른 제어장치(100)는 핫라인(H)으로부터 부하측으로 흐르는 전류의 변화를 검류코일에 유도시켜 단위 시간 동안의 변화량이 많거나, 변화량이 기준보다 클 경우 핫라인(H)의 전류가 접지단으로 흘러 누설전류가 발생되도록 한다.

따라서, 누전차단기가 제어장치에 의한 누설전류에 의해 차단동작을 수행하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치를 누전차단기에 부착하는 다른 경우의 도면으로서, 제어장치(100)는 핫라인(H) 및 접지라인(N)을 각각 H 및 N단자에 인가받으며, G단자를 접지시킨다.

이와 같은 제어장치는 핫라인(H) 및 접지라인(N) 간의 전압 변화를 콘덴서를 통해 검류코일에 유도시켜, 전압의 급변화를 감지하기 위한 것이다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 제어장치를 부착하는 경우는 급변하는 전류에 의해 누전차단기가 동작되도록 하는 것이며, 도 2에 도시된 바와 같이 각 라인을 인가받도록 제어장치를 부착하는 경우는 급변하는 전압에 의해 누전차단기가 동작되도록 하기 위한 것이다.

도 3은 도 1 및 도 2의 제어장치(100)의 내부 회로도이다.

도 3을 참조하면, 제어장치(100)는 H단자 및 N단자 사이에 형성된 전압, 또는 자신의 검류코일(L1)을 통과하는 배선의 불규칙한 전류를 감지하여 임펄스 전압으로 출력하기 위한 검출부(120)와, 임펄스전압을 적분하여 출력을 지연시키며 충격파에 의한 오동작을 방지하기 위한 적분부(140)와, 적분부(140)에 제어받아 H단자를 통해 인가된 전류가 G단자로 흐르도록 하기 위한 스위칭부(160)를 구비한다.

그리고 검출부(120)는 검류코일(L1)과, H단자 및 N단자를 통해 인가되는 전압을 검류코일(L1)에 유도시키기 위한 콘덴서(C1)를 구비한다.

특히, 검류코일(L1)은 고주파용 페라이트 코어에 코일을 감은 것이다. 따라서, 페라이트 코어의 특성 상 코어를 통과하는 배선을 따라 흐르는 교류 전류, 또는 H단자 및 N단자 간에 형성되는 전압을 감지하여 임펄스 전압을 출력한다.

스위칭부(160)는 H단자를 통해 인가되는 전류가 G단자로 흐르도록 하기 위한 트라이액(TRIAC, 2방향성 3단자 사이리스터)과, 적분부(140)의 출력전압에 응답하여 트라이액(TRIAC)을 턴온시키기 위한 트랜지스터(TR1)를 구비한다.

적분부(140)는 검출부(120)의 임펄스전압을 정류하기 위한 브리지 다이오드(142)와, 브리지 다이오드(142)의 출력전압을 조절하여 스위칭부(160) 내 트랜지스터(TR1)의 바이어스전압으로 출력하기 위한 출력전압 레벨 조절부(144)를 구비한다.

참고적으로, 제어장치(100)는 누설전류의 안정을 위하여 트라이액(TRIAC)과 직렬 접속된 정특성 써미스터(PTC)를 구비한다.

한편, 전술한 바와 같이 페라이트 코어로 구현된 검출부(120)는 고주파 성분의 임펄스 부분만을 유도하는 점이 전류의 형상대로 유도하는 일반적인 변류기와 다르다.

다음에서는 불규칙한 임펄스 전류 및 전압이 발생하는 경우 누전차단기 제어장치의 동작을 간략히 살펴보도록 한다.

먼저, 검출부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 검류코일(L1)을 통과하는 라인으로 흐르는 교류전류가 단위 시간동안 급변하는 경우와, 도 2에 도시된 바와 같이 H단자 및 N단자 사이에서 형성된 전압이 단위 시간동안 급변하는 경우에 임펄스전압을 출력시킨다. 즉, 전류, 또는 전압이 불규칙적으로 변할 때 검류코일(L1)에 기전력이 발생하여 임펄스 전압이 출력되는데, 기전력은 코일를 통과하는 자속에 비례하여 발생된다. 그리고 검류코일(L1)인 페라이트 코어의 특성상 임펄스 부분만 유도된다.

이어, 브리지 다이오드(142)는 검출부(120)의 임펄스 전압을 정류하여 출력하며, 출력전압 레벨 조절부(144)는 브리지 다이오드(142)에 의해 정류된 전압의 레벨을 조절하여 바이어스 전압으로 출력한다.

이어, 트랜지스터(TR1)는 인가된 바이어스 전압에 의해 액티브되어 트라이액(TRIAC)을 턴온시켜 H단자를 통해 인가된 전류가 G단자로 흐르도록 한다.

그리고 트라이액(TRIAC)과 직렬 연결된 정특성 써미스터(PTC)에 의해 회로가 보호되며, 누설전류가 안정적으로 흐른다. 예를 들어, AC 220V 상온에서 정특성 써미스터(PTC)가 1.2kΩ일 경우 동작 초기의 전류가 200mA로 흐르지만, 이후 정특성 써미스터(PTC)가 발열되어 3초후이면 흐르는 전류가 5mA이하로 감소된다.

전술한 바와 같이, 제어장치는 전류, 또는 전압의 급변화를 감지하여 누설전류를 발생시키므로, 누전차단기가 차단 동작을 수행하여 접촉불량, 순간단락, 또는 과전류에 의한 화재를 예방한다.

도 4는 도 1의 과전류 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도로서, CH1은 검류코일(L1)에서 발생하는 펄스를, CH2는 검류코일(L1)을 통과하여 부하측으로 흐르는 전류를 나타낸다.

도면에 도시된 바와 같이, 검류코일(L1)에서 발생하는 펄스 CH1의 크기는 부하측으로 흐르는 전류 CH2에 비례하여 커지는 것을 알 수 있다. 그리고 검류 코일(L1)에서 펄스 CH1의 발생위치가 교류전류 CH2의 0°전후와 180°전후로서, 이 지점에서의 전위 변화가 크므로 교류전류 CH2가 정현파인 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 검류 코일을 구비하는 제어장치는 검류 코일(L1)에서 발생하는 펄스 CH1의 크기를 통해 교류전류 CH2의 크기를 감지하며, 교류전류가 100Apk를 가질 때 누설전류를 발생시킨다. 따라서, 제어장치에 의한 누설전류에 의해 누전차단기가 차단동작을 수행한다.

도 5는 도 1의 단락전류 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도로서, CH1은 검류코일(L1)에서 발생하는 펄스를, CH2는 검류코일(L1)을 통과하여 부하측으로 흐르는 전류를 나타낸다.

도 5를 참조하여, 교류전류 CH2의 ○표시된 부분을 보면 전류가 거의 없음에도 불구하고, 이때 발생되는 검류코일(L1) 출력펄스 CH1은 크고 심한 것을 알 수 있다. 이는 단락상태로 접촉되는 순간에 아크가 발생되기 때문에, 파장이 긴 교류전류 CH2가 흐르지 않는 것이다.

이와 같이, 단락전류에는 실효전류가 적기 때문에 종래 기술에 따른 누전차단기가 차단동작을 수행할 수 없었으나, 본 발명에 따른 제어장치는 검류코일(L1)을 통해 0.02초(19ms) 안에 누설전류를 발생시켜 누전차단기가 차단동작을 수행하도록 한다.

도 6은 접촉불량 시 도 1의 차단 특성을 나타내는 시뮬레이션 파형도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 검류 코일(L1)에서 발생하는 펄스 CH1은 전류 CH2의 흐름이 고르지 않은 접촉불량 지점에서 크고 심하게 발생하는 것을 알 수 있다.

이와 같은 검류코일(L1)을 구비하는 제어장치는 적분부(140)를 통해 펄스 CH1이 짧은 시간(2ms) 동안 발생하는 경우를 무시하고, 불완전한 부분이 32ms 정도 지속된 경우 접촉불량으로 판단하여 누설전류를 발생시킨다.

한편, 종래기술에 따른 누전차단기의 경우 접촉불량 지점이 과열되어 합선이 이루어진 후에나 차단이 되기 때문에, 화재를 예방할 수 없다.

그러므로, 전술한 본 발명에 따른 제어장치를 누전차단기에 장착하면, 단위 시간동안 큰 전류로 급변하는 횟수가 많은 임펄스성 트래킹 현상, 스파크/아크를 동반하는 순간단락, 또는 부하측의 종단에서 공급되는 전압이 급변하는 접촉불량의 발생 시, 제어장치가 누설전류를 발생시켜 누전차단기가 차단동작을 수행하도록 한다.

다시 언급하면, 제어장치는 부하측으로 흐르는 전류의 형태가 단위시간 동안 비정상적으로 급변하거나 전류의 크기가 설정된 규격보다 큰 경우 또는 선간의 전압파형이 접촉불량등의 원인으로 정현파가 아닌 펄스상태일 경우 접지로 누설전류를 흐르게하여 누전차단기로 하여금 차단 하도록하는 방법이다.

또한, 배선회로의 저항이 커서 열동형 차단기가 차단하기 어려운 상태의 단락에도 매우 효과적으로 고속차단이 가능하여 일반적인 누전차단기의 문제점을 보완한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 본 발명에 따른 제어장치를 누전차단기에 장착하면, 단위 시간동안 큰 전류로 급변하는 횟수가 많은 임펄스성 트래킹 현상, 스파크/아크를 동반하는 순간단락, 또는 부하측의 종단에서 공급되는 전압이 급변하는 접촉불량의 발생 시, 제어장치가 누설전류를 발생시켜 누전차단기가 차단동작을 수행하도록 하여, 화재를 예방한다.

Claims (10)

1. 핫라인과 접지라인을 구비한 누전차단기의 제어장치에 있어서,

   상기 핫라인과 연결된 제1 단자;

   상기 접지라인과 연결된 제2 단자;

   상기 제2 단자와 연결된 콘덴서;

   상기 제1 단자와 상기 콘덴서를 통해 상기 핫라인과 상기 접지라인으로부터 인가되는 불규칙한 상기 누전차단기의 출력전압을 입력받아 임펄스전압을 출력하는 검류코일;

   상기 검류코일로부터 출력되는 상기 임펄스전압을 정류하는 브리지 다이오드;

   상기 브리지 다이오드를 통해 정류된 정류전압을 조절하여 출력하는 출력전압 레벨 조절부;

   상기 출력전압 레벨 조절부로부터 출력되는 바이어스 전압에 응답하여 동작하는 트랜지스터;

   상기 제2 단자와, 접지단과 연결된 제3 단자 사이에 접속되고, 상기 트랜지스터의 출력에 응답하여 상기 제2 단자로 인가되는 전압을 상기 제3 단자로 흐르도록 제어하는 트라이액; 및

   상기 트라이액과 상기 제3 단자 사이에 직렬 접속된 써미스터

   를 포함하는 누전차단기의 제어장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 핫라인과 접지라인을 구비한 누전차단기의 제어장치에 있어서,

   상기 핫라인과 연결된 제1 단자;

   상기 접지라인과 연결된 제2 단자;

   상기 제2 단자와 연결된 콘덴서;

   상기 핫라인을 통해 자신을 통과하는 배선의 불규칙한 전류를 감지하여 임펄스전압을 출력하는 검류코일;

   상기 검류코일로부터 출력되는 상기 임펄스전압을 정류하는 브리지 다이오드;

   상기 브리지 다이오드를 통해 정류된 정류전압을 조절하여 출력하는 출력전압 레벨 조절부;

   상기 출력전압 레벨 조절부로부터 출력되는 바이어스 전압에 응답하여 동작하는 트랜지스터;

   상기 제2 단자와 접지단자 사이에 접속되고, 상기 트랜지스터의 출력에 응답하여 상기 제2 단자로 인가되는 전압을 상기 접지단자로 흐르도록 제어하는 트라이액; 및

   상기 트라이액과 상기 접지단자 사이에 직렬 접속된 써미스터

   를 포함하는 누전차단기의 제어장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 검류코일은 고주파용 페라이트 코어에 코일을 감은 것을 특징으로 하는 누전차단기의 제어장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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