KR100836779B1 - 아크 결함 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크 결함 차단기에 관한 것이다.

본 발명은 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 아크 결함 전압을 검출하고 증폭하는 아크 검출 및 증폭부와; 상기 아크 검출 및 증폭부에서 증폭되어 출력되는 전압을 전파 정류하는 전파정류부와; 상기 전파정류부에서 전파 정류된 전압을 반파정류하여 안정된 정전압을 출력하는 신호안정화 회로부와; 상기 신호안정화 회로부에서 입력된 정전압 신호에 의하여 온/오프 제어 구동하면서 출력전압을 제어하는 출력제어부와; 상기 출력제어부에서 제어된 출력신호에 의하여 온/오프 구동하면서 스위치를 온/오프 구동하는 스위칭구동부로 구성함으로써, 아크 결함 검출시, 상기 아크 결함 차단기를 통해서 외부전압 입력라인을 차단함으로써, 상기 아크 결함으로 인하여 야기되는 감전사고 및 화재 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.

아크 결함, 차단기

Description

아크 결함 차단기{ARC FAULT CIRCUIT BREAKER}

도 1은 본 발명 아크 결함 차단기의 상세 회로도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

BIMETAL; 바이메탈 SW1,SW2; 스위치

11; 아크검출 및 증폭부 12; 전파정류부

13; 신호안정화 회로부 14; 출력부

15; 스위칭구동부

본 발명은 아크 결함 차단기에 관한 것으로, 상세하게는 옥 내외 전기 배선의 손상이나 결함에 인해 발생되는 아크 결함을 차단하여 감전 및 화재를 방지할 수 있도록 한 아크 결함 차단기에 관한 것이다.

일반적으로 전기배선에는 다양한 전기보호장치의 사용이 의무화되어 있는데 상기 전기보호장치로는 과부하로 인한 배선이나 기기의 손상과 화재를 방지하는 보호장치로는 과부하 차단기(Circuit breaker)나 퓨즈(Fuse)가 있으며, 이외에도 누전으로 인해 인명의 손상이나 화재를 방지하는 누전 차단기가 있다.

이와 같이 인명과 기기를 보호하기 위한 전기보호장치가 널리 사용되고 있음에도 불구하고 전기로 인한 화재와 인명의 손실이 발생하는 중요한 원인은 상기 보호장치들이 예방하지 못하는 다양한 전기적 결함이 존재하기 때문이며, 그 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 아크 결함(Arcing fault)이다.

대부분의 아크 결함이 과부하 차단기나 퓨즈 또는 누전차단기에 의해 보호되지 않는 이유는 상기 아크 결함이 전선의 급격한 손상에 의한 단락, 단선에 의해 단시간에 발생하기도 하지만, 옥내배선이나 전원코드의 산화(Combustion), 열화(Thermal degradation), 기계적 손상(Mechanical damage), 연결결함, 오염 등으로 피막의 절연(Insulation) 손상되고, 손상 부위에서 전선 간(Line to line) 또는 전선과 접지 간(Line to ground)에 누설전류가 흐르면서 절연 손상부위의 온도 상승으로 탄화가 누적확산되는 등 다양한 손상 원인에서 시작하여 아크가 발생하기까지는 매우 다양하기 때문이다.

또한 아크 결함은 신속하게 과전류를 유발하거나 직접적으로 접지에 대해서 작용하지 않는 경우가 많기 때문이다. 특히 아크 결함은 화재를 발생시키는 주요 원인이지만 저 전류, 고 임피던스의 상태에서도 발생하기 때문에 과부하 차단기 또는 누전 차단기로도 차단할 수 없어 화재와 감전에 의한 인명과 재산의 손실을 초래하게 되어 아크 결함 보호용 차단기(AFCI)가 필수적으로 요구되는 실정이다.

본 발명의 목적은 외 내외 전기 배선에 단락, 단선 또는 산화 및 열화에 의한 손상으로 발생하는 아크 결함을 감지하고 차단하여 상기 아크 결함으로 인한 감 전 및 화재를 방지하는 데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 아크 결함 전압을 검출하고 증폭하는 아크 검출 및 증폭부와; 상기 아크 검출 및 증폭부에서 증폭되어 출력되는 전압을 전파 정류하는 전파정류부와; 상기 전파정류부에서 전파 정류된 전압을 반파정류하여 안정된 정전압을 출력하는 신호안정화 회로부와; 상기 신호안정화 회로부에서 입력된 정전압 신호에 의하여 온/오프 제어 구동하면서 출력전압을 제어하는 출력제어부와; 상기 출력제어부에서 제어된 출력신호에 의하여 온/오프 구동하면서 스위치를 온/오프 구동하는 스위칭구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 의하면, 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 배선 및 피복 손상에 의하여 발생 되는 아크 결함을 아크 결함 차단기로 검출하여 외부전압 입력라인을 차단함으로써, 상기 아크 결함으로 인하여 야기되는 감전사고 및 화재 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.

이하 첨부되는 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 아크 결함 차단기의 상세 회로도이다.

본 발명은 외부전압 입력라인(LINE-HOT, NEU)과 부하단(LOAD-HOT,NEU) 사이에 전원스위치(SW1)(SW2)를 통해서 아크 결함을 검출하는 아크검출 및 증폭부(11), 전파정류부(12), 신호안정화 회로부(13), 출력부(14), 스위칭구동부(15)를 구성하 게 된다.

상기 아크검출 및 증폭부(11)는 외부전압 입력라인(LINE-HOT, NEU)단 중 외부전압 입력라인(LINE-HOT)에 접속되어 아크 결함을 검출하고, 검출되는 전압을 증폭하여 출력하게 되며, 상기 아크검출 및 증폭부(11)는 입력라인(LINE-HOT)에 아크 결함의 전압을 감지하는 바이메탈(BIMETAL)과; 상기 바이메탈(BIMETAL)로부터 감지되는 전압은 교류만 통과시키는 콘덴서(C3) 및 과전류 유입 차단 저항(R4)(R5), 고조파성분 제거 바이패스 콘덴서(C2)(C4)를 통해서 연산증폭기(OP1)의 반전단자(-)에 구성되고, 상기 연산증폭기(OP2)의 비반전단자(+)에는 저항(R12), 바이패스 콘덴서(C6)를 통해서 기준전압이 구성되며, 상기 연산증폭기(OP1)의 출력단자는 불필요한 신호를 제거하는 콘덴서(C2)를 통해서 상기 연산증폭기(OP2)의 비반전단자(+)에 구성된다.

상기 전파정류부(12)는 상기 아크검출 및 증폭부(11)에서 증폭되어 출력되는 교류 전압을 전파정류하여 출력하게 되며, 상기 전파정류부(12)는 상기 입력되는 교류전압의 반파전압(-)을 콘덴서(C5)와 저항(R6)(R13)을 통해서 역방향다이오드(D2), 저항(R1)을 통해서 연산증폭기(OP2)의 반전단자에 접속하고 상기 연산증폭기(OP2)의 비반전단자(+)에는 순방향 다이오드(D4) 및 저항(R10)(R15)으로 구성된다.

상기 신호안정화 회로부(13)는 상기 전파정류부(12)에서 전파 정류된 전압을 반파 정류하여 안정된 신호 전압을 출력하게 되며, 상기 신호 안정화 회로부(13)는 저항(R8), 반파 정류용 다이오드(D3), 정전압 다이오드(ZD1) 및 저항(R17), 콘덴 서(C8)로 구성된다.

상기 출력제어부(14)는 상기 신호안정화 회로부(13)에서 입력되는 정전압신호에 의하여 온/오프 구동하면서 스위치 구동신호를 출력하게 되며, 상기 출력제어부(14)는 제 1 트랜지스터(Q2) 및 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 온/오프를 제어하는 제 2 트랜지스터(Q3)와, 상기 제 1 트랜지스터(Q2)에 의하여 온/오프 구동하는 제 3 트랜지스터(Q1) 및 바이어스 저항(R2)(R7)(R9), 출력저항(R3)(R14), 콘덴서(C1), 다이오드(D1)로 구성된다.

상기 스위칭구동부(15)는 상기 출력부(14)에서 출력된 신호에 의하여 온/오프 구동하면서 스위치를 온/오프 구동하게 되며, 상기 스위칭구동부(15)는 사이리스터(SCR), 콘덴서(C7) 및 전원스위치(SW1)(SW2)를 구동하는 솔레노이드(SOL)로 구성된다

상기와 같이 구성되는 본 발명은 초기에 외부전압 입력라인(LINE-HOT,NEU)과 부하(LOAD-HOT,NEU) 사이에 설치된 상기 스위치(SW1)(SW2)가 온 상태가 되어 상기 입력라인(LINE-HOT)으로부터 전압은 전원스위치(SW1)와 바이메탈(BIMETAL)을 통해서 부하(LOAD-HOT,NEU)로 흐르게 되므로 전류가 흐르게 된다.

이때 상기 아크검출 및 증폭부(11)의 바이메탈(BIMETAL)은 일정 수준 이상의 전류가 통전 될 때, 정 온도특성을 갖는 자체의 고유저항값이 상승하면서 양단의 전압 차가 발생하게 되고, 상기 전압차는 콘덴서(C3)에 의하여 직류성분은 차단되고, 교류성분만을 통과하여 저항(R4)(R5) 및 바이패스 콘덴서(C4)를 통해서 연산증폭기(OP1)의 반전단자(-)에 입력되어 증폭되게 되며, 상기 증폭신호는 상기 연산증폭기(OP1)에서는 비반전단자(+)로 입력되는 저항(R12), 바이패스 콘덴서(C6)를 통해서 입력되는 바이어스 전압(B+)을 기준으로 하여 증폭 출력하게 된다.

상기 아크검출 및 증폭부(11)에서 출력된 증폭된 전압은 결합콘덴서(C5)에 의해 직류전압이 차단되고 교류전압만이 통과되면서 전파정류부(12)의 저항(R6), (R13)을 통해서 노이즈가 제거된 상기 교류전압의 반파전압(-)을 다이오드(D2)를 통해서 연산증폭기(OP)의 반전단자(-)에 입력되어 반전 증폭되어 출력되고, 상기 교류전압의 반파전압(+)은 다이오드(D4)를 거쳐 연산증폭기(OP)의 비반전단자(+)에 입력되어 증폭 출력되게 되므로 상기 연산증폭기(OP)의 출력단에서는 상기 반파전압(-)(+) 모두가 합쳐진 전파 정류된 전압을 출력하게 된다

이와 같이 전파 정류된 전압은 신호안정화 회로부(13)의 저항(R8)을 통해서 과전류의 유입을 차단하면서 다이오드(D3)를 통해서 반파정류 및 유입된 전류의 방출을 막으며 정전압다이오드(ZD1)에 의하여 정전압을 유지하면서 출력제어부(14)의 제 1 트랜지스터(Q2)의 베이스단자에 입력되게 되는데, 이때 상기 정전압은 저항(17) 및 콘덴서(C8)의 시정수에 의하여 충, 방전되면서 입력되게 된다.

한편 상기 출력제어부(14)의 제 1 트랜지스터(Q2)는 베이스단자에 입력되는 반파 정류전압에 의하여 온/오프되게 되는데, 이때 제 1 트랜지스터(Q2)의 온/오프 구동은 제 2 트랜지스터(Q3)에 의하여 온/오프 제어되게 되며, 따라서 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 베이스단자에 인가되는 전압이 상기 제 2 트랜지스터(Q3)에 의해서 도통 전압 이하인 경우, 상기 제 1 트랜지스터(Q2)는 오프 되게 되고, 반면에 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 베이스단자에 인가되는 전압이 도통 전압 이상이면 상기 제 1 트랜지스터(Q2)는 온 되게 된다.

그러므로 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 베이스단자에 인가되는 반파 정류전압이 제 2 트랜지스터(Q3)에 의하여 도통 전압 이하인 경우, 즉 아크 결함이 발생 되지 않아 검출된 전압차가 낮아 인가되는 전압이 낮으면, 상기 제 1 트랜지스터(Q2)는 오프되어 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자로부터 하이전압이 상기 제 3 트랜지스터(Q1)의 베이스단자에 인가되게 되므로 상기 제3 트랜지스터(Q1)는 오프 되고 이에 따라 스위칭구동부(15)의 사이리스터(SCR)를 구동시키지 못하게 되어 스위치(SW1)(SW2)는 온 상태를 그대로 유지하게 되면서 외부전압 입력라인(LINE-HOT,NEU)은 접속상태를 유지되게 된다.

반면에, 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 베이스단자에 인가되는 반파 정류전압이 제 2 트랜지스터(Q3)에 의하여 도통 전압 이상인 경우, 즉 아크 결함이 발생 되어 검출된 전압차가 높아 인가되는 전압이 높으면, 상기 제 1 트랜지스터(Q2)는 온되어 상기 제 1 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자로부터 로우전압이 상기 제 3 트랜지스터(Q1)의 베이스단자에 인가되게 되므로 상기 제 3 트랜지스터(Q1)는 온 되고 이에 따라 스위칭구동부(15)의 사이리스터(SCR)의 게이트단자에 하이전압이 인가되어 상기 사이리스터(SCR)를 온시키게 되므로 솔레노이드(SOL)는 구동하면서 이와 연동하는 스위치(SW1)(SW2)를 오프 구동시켜 외부전압 입력라인(LINE-HOT,NEU)이 차단되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 배선 결함 및 피복 손상으로 발생 되는 아크 결함을 아크 결함 차단기로 검출하여 아크 결함 검출시 외부전압 입력라인을 차단함으로써, 상기 아크 결함으로 인하여 야기되는 감전사고 및 화재 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Claims (5)

1. 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 아크 결함 전압을 검출하고 증폭하는 아크 검출 및 증폭부와; 상기 아크 검출 및 증폭부에서 증폭되어 출력되는 전압을 전파 정류하는 전파정류부와; 상기 전파정류부에서 전파 정류된 전압을 반파정류하여 안정된 정전압을 출력하는 신호안정화 회로부와; 상기 신호안정화 회로부에서 입력된 정전압 신호에 의하여 온/오프 제어 구동하면서 출력전압을 제어하는 출력제어부와; 상기 출력제어부에서 제어된 출력신호에 의하여 온/오프 구동하면서 스위치를 온/오프 구동하는 스위칭구동부를 포함하는 아크 결함 차단기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 아크검출 및 증폭부는 아크 결함의 전압을 감지하는 바이메탈과; 상기 바이메탈로부터 감지되는 전압을 비반전단자의 전압을 기준으로 하여 증폭 출력하는 연산증폭기와; 상기 연산증폭기의 불필요한 신호를 제거하는 수동소자를 구성됨을 특징으로 하는 아크 결함 차단기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전파정류부는 상기 아크검출 및 증폭부로 증폭되어 출력되는 교류 반파전압을 증폭하여 전파 정류하는 연산증폭기와, 다이오드, 저항으로 구성됨을 특징으로 하는 아크 결함 차단기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 신호안정화 회로부는 상기 전파정류부의 전파전압을 반파 정류하는 반파 정류용 다이오드, 반파정류 전압을 안정화하는 정전압 다이오드, 및 저항, 콘덴서로 구성됨을 특징으로 하는 아크 결함 차단기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 출력제어부는 제 1 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 제 2 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터에 의하여 온/오프 구동하는 제 3 트랜지스터, 및 바이어스 저항, 출력저항, 콘덴서, 다이오드로 구성됨을 특징으로 하는 아크 결함 차단기.

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