KR100831021B1 - 유효 누설전류 추출 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피측정계를 흐르는 누설전류에 바이어스 전류를 중첩시켜서 대지 정전용량에 의한 무효전류가 제외된 순수한 저항 성분 만에 의한 유효 누설전류를 추출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유효 누설전류 추출 방법은, 전원 전압의 위상과 일치하는 위상을 가지는 바이어스 전류 1을 피측정계의 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계, 상기 부하 임피던스를 흐르는 누설전류와 바이어스 전류 1의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 1을 측정하는 단계, 상기 바이어스 전류 1과 크기가 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 2를 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계, 상기 누설전류와 바이어스 전류 2의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 2를 측정하는 단계, 및 상기 합성전류 1의 실효치의 제곱에서 상기 합성전류 2의 실효치의 제곱을 뺀 값을 상기 바이어스 전류 1의 실효치에 4를 곱한 값으로 나누어서 유효 누설전류의 값을 구하는 단계를 포함하여 이루어지며, 본 발명에 따른 유효 누설전류 추출 장치는, 합성전류의 위상을 바꾸기 위해 기준전류인 바이어스 전류를 발생시키는 바이어스 전류 발생기, 피측정계의 부하 임피던스에 흐르는 누설전류와 상기 바이어스 전류의 합인 합성전류를 측정하는 영상변류기, 상기 영상변류기가 감지한 합성전류 신호에서 잡음과 고주파 성분을 제거하는 신호 조정부, 상기 신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류로부터 유효 누설전류를 산출하는 신호 처리부, 및 상기 신호 처리부가 산출한 누설전류를 표시하는 디스플레이부를 포함하여 구성된다.
누설전류, 바이어스 전류, 합성전류, 벡터 합, 영상변류기.

Description

유효 누설전류 추출 방법 및 장치{A method and an apparatus for extracting active leakage current}
도 1은 본 발명에 따른 유효 누설전류를 추출하는 원리를 설명하는 벡터도.
도 2는 본 발명에 따른 바이어스 전류를 중첩 시킨 피측정계의 등가회로도.
도 3은 본 발명에 따른 유효 누설전류를 추출하는 장치의 블럭도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 영상변류기 22: 바이어스 전류 발생기
24: 신호 조정부 30: 신호 처리부
32: 수신부 34: A/D 변환부
36: 연산부 40: 디스플레이부
본 발명은 누설전류를 계측하여 각종 옥내 전기설비의 절연상태를 점검하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피측정계를 흐르는 누설전류에 바이어스 전류를 중첩시켜서 대지 정전용량에 의한 무효전류가 제외된 순수한 저항 성분 만에 의한 유효 누설전류를 추출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 옥내 전기설비의 절연상태를 점검하기 위하여 다음과 같은 방법들이 사용되고 있다.
첫째로, 변압기에 연결된 개폐기를 차단시켜 정전시킨 후 절연저항계로 전로의 절연상태를 파악하는 방법이다.
그러나 최근의 수용가의 전기설비는 공장뿐만 아니라 일반 가정용까지 상시 통전하고 있는 기기가 증가하고 있기 때문에 옥내배선의 열화진단에 있어서 이와 같이 전원 개폐기를 열고 절연저항을 측정하는 것이 곤란한 경우가 대부분이다.
둘째로, 변압기에 연결된 개폐기를 차단시키지 않고 활선상태에서 클램프형 전류계 등으로 누설전류를 검출하여 절연상태를 파악하는 방법이다.
그런데 상용전원으로부터 공급되고 있는 각종 옥내기기는 긴 배선을 경유하고 있기 때문에 전원접지선에 흐르는 전류에는 유효 전류 이외에 대지정전용량에 의한 무효 전류가 흐르고 있으므로 안전상 주목해야 할 순수 대지 누설전류를 파악하기 위해서는 이 무효분과 유효분을 정확하게 나누어 계측할 필요가 있다.
한편 전압 220V, 60Hz의 일반 수용가의 경우, 계측하려는 순수 대지 누설전류 유효분은 대지 무효전류에 비해 극히 작은 값을 가지는 것이 일반적이어서 클램프형 전류계 등에 의해서 직접 계측한 값은 무효전류분이 상당량 포함되어 있기 때문에 순수한 저항성분의 누설전류는 파악할 수 없다.
대지 정전용량 C는 일선접지 2도체 전선간의 정전용량 C1과 전선 대지간의 정전용량 Ce의 합(C = C1 + Ce)으로서 2mmVV-F선에 있어서 C를 계산하면 약 100nF/Km이 되므로, 옥내선이 200m이면 C는 약 0.02㎌로 이때 무효전류는 220V, 60Hz의 선로에서 약 0.7mA 되며, 저압전로의 신설시 절연저항 값은 1㏁ 이상으로 되는 것이 바람직하기 때문에 누설저항 값 1㏁에 대한 유효전류는 0.1mA가 될 때에 옥내선 200m의 접지선에 흐르는 합성전류는 0.707mA가 된다. 이와 같이 피측정계는 통상 대지정전용량이 크고 이것에 의한 무효전류는 절연불량에 의한 누설전류에 비해 대단히 크기 때문에, 종래의 활선상태에서 클램프형 전류계 등에 의해서 직접 계측한 값에는 무효전류가 상당량 포함되므로, 절연상태의 양호불량에 관계하는 유효전류만을 측정할 수 없어서 절연상태가 양호하여도 정전용량 성분에 의한 무효전류에 의하여 절연상태가 불량한 것으로 측정되게 되어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 영상변류기에 의하여 측정된 피측정계를 흐르는 누설전류에 바이어스 전류를 중첩시킨 후 이들의 합성 전류를 구하여 연산함으로써, 전기 기기의 동작을 정지시키지 않고 대지 정전용량에 의한 무효전류가 제외된 순수한 저항 성분 만에 의한 유효 누설전류를 추출하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유효 누설전류 추출 방법은,
전원 전압의 위상과 일치하는 위상을 가지는 바이어스 전류 1을 피측정계의 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계, 상기 부하 임피던스를 흐르는 누설전류와 바이어스 전류 1의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 1을 측정하는 단계, 상기 바이어스 전류 1과 크기가 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 2를 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계, 상기 누설전류와 바이어스 전류 2의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 2를 측정하는 단계, 및 상기 합성전류 1의 실효치의 제곱에서 상기 합성전류 2의 실효치의 제곱을 뺀 값을 상기 바이어스 전류 1의 실효치에 4를 곱한 값으로 나누어서 유효 누설전류의 값을 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이러한 유효 누설전류 추출 방법은 마이크로프로세서를 통하여 소프트웨어적으로 구현되어 배선용 차단기(MCCB, Molded Case Circuit Breaker)에 모듈로 탑재될 수 있다. 즉, 상기 방법에 의하여 추출된 유효 누설전류의 크기가 한계치보다 커질 경우 상기 배선용 차단기에 의하여 자동으로 전로에 흐르는 전류가 차단된다.
또한 본 발명에 따른 유효 누설전류 추출 장치는,
합성전류의 위상을 바꾸기 위해 기준전류인 바이어스 전류를 발생시키는 바이어스 전류 발생기, 피측정계의 부하 임피던스에 흐르는 누설전류와 상기 바이어스 전류의 합인 합성전류를 측정하는 영상변류기, 상기 영상변류기가 감지한 합성전류 신호에서 잡음과 고주파 성분을 제거하는 신호 조정부, 상기 신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류로부터 유효 누설전류를 산출하는 신호 처리부, 및 상기 신호 처리부가 산출한 누설전류를 표시하는 디스플레이부를 포함하여 구성된다.
삭제
또한, 상기 신호 처리부는,
신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류를 수신하는 수신부, 상기 수신부가 수신한 신호를 샘플링 한 후 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부, 및 상기 A/D 변환부에 의하여 변환된 신호에 의하여 유효 누설전류를 산출하는 연산부를 포함하여 구성된다.
이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유효 누설전류 추출 방법 및 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유효 누설전류를 추출하는 원리를 설명하는 벡터도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명에서는 누설전류에 바이어스 전류를 중첩시켜서 합성전류를 얻은 다음 이들을 계산하여 유효 누설전류를 얻게 된다. 도 1에서 Igr 은 유효 누설전류, Ix 는 대지정전용량에 의한 무효전류, Ib 는 기준 전원전압의 위상과 완전하게 일치하는 바이어스 전류이다. 또한 I1 은 총 누설전류에 Ib 를 합성한 합성전류이고, I2 는 총 누설전류에 Ib 와 크기가 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 -Ib 를 합성한 합성전류이다.
도 1에서
I1 2 = │Ix 2 + │(Igr + Ib )│2
I2 2 = │Ix 2 + │(Igr - Ib )│2 에 의하여
I 1 2 -│I 2 2 = 4*│I b │*│I gr │의 관계식이 도출된다.
이것을 정리하면
(I1 2 / 4*Ib*Igr) - (I2 2 / 4*Ib*Igr) = 1 가 되어 최종적으로
Igr = (I1 2 - I2 2) / 4*Ib 라는 식이 얻어진다.
상기 식에서 나타난 바와 같이 Igr은 합성전류의 스칼라 량 I1, I2에서 얻어진 I1 2 - I2 2를 4*Ib로 나누어서 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 바이어스 전류를 중첩 시킨 피측정계의 등가회로도이다. 도 2에서 바이어스 전류 ib는 바이어스 전류 발생기(Z)로부터 영상변류기를 경유하여 대지에 흐르는 전류이다. vo는 전원전압, io는 접지선 전류, igr은 대지 누설저항에 의한 누설전류 유효분, ix는 대지 정전용량 C에 의한 무효전류를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 유효 누설전류를 추출하는 장치의 블럭도이다.
바이어스 전류 발생기(22)는 누설전류에 중첩시켜 합성전류를 얻기 위한 바이어스 전류를 발생시킨다. 바이어스 전류 발생기는 합성전류의 위상 조정의 기능을 가지며, 전원 전압의 위상과 같은 위상을 가지는 바이어스 전류 1과, 이와 크기는 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 2를 번갈아서 부하 임피던스에 흐르게 한다.
영상변류기(10)는 비접촉으로 선에 흐르는 자기를 측정하여 피측정계의 부하 임피던스에 흐르는 누설전류와 바이어스 전류의 합성전류를 측정하여 신호 조정부(24)에 송신한다.
그러면 상기 신호 조정부(24)는 수신한 합성전류 신호에서 잡음과 고주파 성분을 제거한다. 신호 조정부는 입력신호 잡음에 대한 Signal Conditioning 회로로서 Low Pass Filter의 특성을 가지며 상용주파수에 뛰어난 성능을 갖는 Active Amplifier이다.
삭제
신호처리부(30)는 수신부(32), A/D 변환부(34), 및 연산부(36)를 포함하여 구성된다.
수신부(32)는 상기 신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류를 수신한다. A/D 변환부(34)는 상기 수신부가 수신한 신호를 샘플링 한 후 이를 디지털 신호로 변환한다. 연산부(36)는 이렇게 디지털 변환된 신호를 바탕으로 상기한 유효 누설전류 추출 방법에 따라 유효 누설 전류를 산출한다.
즉, 상기 바이어스 전류 1(Ib )과 상기 신호 조정부를 통과한 누설전류의 벡터 합인 합성전류 1의 실효치의 제곱(I1 2)에서 상기 바이어스 전류 2(-Ib )와 상기 신호 조정부를 통과한 누설전류의 벡터 합인 합성전류 2의 실효치의 제곱(I2 2)을 뺀 값을 상기 바이어스 전류 1의 실효치(Ib)에 4를 곱한 값으로 나누어서 유효 누설 전류를 산출한다.
이렇게 산출된 유효 누설전류는 신호처리부에 연결된 디스플레이부(40)에 표시된다.
이와 같은 방법 및 장치에 의하여 누설 전류 전체에 포함되어 있는 절연 저항값에 직접 관계하는 유효 누설전류만을 분리하여 측정할 수 있게 된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하여 각종 전기설비의 절연 상태를 점검함에 있어, 전원을 off시키지 않고 대지 정전용량에 의한 무효전류가 제외된 순수하게 절연의 열화 진단에 관계하는 저항 성분 만에 의한 유효 누설전류의 추출이 가능하게 되어, 간편하고 정확하게 전기설비의 절연상태를 점검할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의한 유효 누설전류 추출 방법 모듈을 탑재한 배선용 차단기는 상기 방법에 의하여 추출된 유효 누설전류의 크기가 한계치보다 커질 경우 자동으로 전로에 흐르는 전류를 차단시킴으로써 전기설비를 보호할 수 있다.

Claims (5)

  1. 전원 전압의 위상과 일치하는 위상을 가지는 바이어스 전류 1을 피측정계의 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계;
    상기 부하 임피던스를 흐르는 누설전류와 바이어스 전류 1의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 1을 측정하는 단계;
    상기 바이어스 전류 1과 크기가 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 2를 부하 임피던스에 흐르게 하는 단계;
    상기 누설전류와 바이어스 전류 2의 벡터 합에 의하여 생성되는 합성전류 2를 측정하는 단계; 및
    상기 합성전류 1의 실효치의 제곱에서 상기 합성전류 2의 실효치의 제곱을 뺀 값을 상기 바이어스 전류 1의 실효치에 4를 곱한 값으로 나누어서 유효 누설전류의 값을 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 유효 누설전류 추출 방법.
  2. 합성전류의 위상을 바꾸기 위해 기준전류인 바이어스 전류를 발생시키는 바이어스 전류 발생기;
    피측정계의 부하 임피던스에 흐르는 누설전류와 상기 바이어스 전류의 합인 합성전류를 측정하는 영상변류기;
    상기 영상변류기가 감지한 합성전류 신호에서 잡음과 고주파 성분을 제거하는 신호 조정부;
    상기 신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류로부터 유효 누설전류를 산출하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부가 산출한 누설전류를 표시하는 디스플레이부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 유효 누설전류 추출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    신호 조정부를 통과한 합성전류 및 상기 바이어스 전류를 수신하는 수신부;
    상기 수신부가 수신한 신호를 샘플링 한 후 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및
    상기 A/D 변환부에 의하여 변환된 신호에 의하여 유효 누설전류를 산출하는 연산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 유효 누설전류 추출 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 유효 누설전류는,
    전원 전압의 위상과 일치하는 위상을 가지는 바이어스 전류 1과 상기 신호 조정부를 통과한 누설전류의 벡터 합인 합성전류 1의 실효치의 제곱에서 상기 바이어스 전류 1과 크기가 같고 180°의 위상차를 가지는 바이어스 전류 2와 상기 신호 조정부를 통과한 누설전류의 벡터 합인 합성전류 2의 실효치의 제곱을 뺀 값을 상기 바이어스 전류 1의 실효치에 4를 곱한 값으로 나누어서 산출되는 것을 특징으로 하는, 유효 누설전류 추출 장치.
  5. 제1항에 의한 유효 누설전류 추출 방법 모듈을 탑재한 배선용 차단기.
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