KR100896091B1 - 대지저항성 누전전류 측정기 - Google Patents

대지저항성 누전전류 측정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간단한 회로구성으로 대지저항성 누전전류를 측정할 수 있는 누전전류 측정기에 관한 것으로, 누전전류 검출회로(41)와 2개의 전류전압변환회로(42,43), 동기신호발생기(44), 2개의 반파적분기(45,46) 및 샘플홀드회로(47)를 이용해서 피측정 전선로(20)의 대지저항성 누전전류(Ir)를 전원(10)의 반주기 마다 세밀하게 측정하는 방식이므로, 피측정 전선로(20)의 변화하는 대지저항성 누전전류(Ir)를 정확하면서도 빠르게 측정하여, 피측정 전선로(20)의 이상발생시에 빠르게 대처할 수 있는 효과가 있다.
대지저항성, 누전전류, 적분

Description

대지저항성 누전전류 측정기{Measuring instrument for a resistive electric leakage current}
도 1은 종래 기술에 따른 누전전류 측정기를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 누전전류 측정기를 도시한 도면,
도 3은 합성 누전전류와 대지저항성 누전전류 및 대지용량성 누전전류 간의 상호 위상관계를 도시한 벡터 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 누전전류 측정기의 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
- 첨부도면의 주요 부분에 대한 용어 설명 -
10 ; 전원, 20 ; 피측정 전선로,
40 ; 누전전류 측정기, 41 ; 누전전류 검출회로,
42 ; 전류전압변환회로, 43 ; 증폭기,
44 ; 위상반전기, 45 ; 동기신호발생기,
46 ; 제1반파적분기, 47 ; 제2반파적분기,
48 ; 샘플홀드회로.
본 발명은 대지저항성 누전전류 측정기에 관한 것으로, 특히 간단한 회로구성으로 대지저항성 누전전류를 신속하면서도 정확하게 측정할 수 있도록 된 누전전류 측정기에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 교류전선로의 대지절연저항 또는 해당 교류전선로에 접속된 전기기기의 대지절연저항이 열화되면, 대지저항성 누전전류가 증가되어 전기화재 또는 감전사고 등이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 사고를 미연에 방지하기 위해서는 대지저항성 누전전류를 정확하게 측정해서 누전에 의한 전기화재 또는 감전 사고 등을 예방해야 한다.
종래에는 일반적으로 영상변류기(Zero Current Transformer)를 사용해서 누전전류를 측정하고 있지만, 이러한 영상변류기를 통해서 측정된 누전전류는 대지저항성 누전전류와, 피측정 전선로의 대지정전용량에 의한 대지용량성 누전전류가 합쳐진 합성 누전전류이므로, 교류전선로의 실질적인 누전상태 여부, 즉 피측정 전선로의 대지저항성 누전전류가 어느 정도인지를 알 수 없었다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 피측정 전선로의 대지저항성 누전전류만을 측 정할 수 있는 방안들에 대한 연구가 활발하게 진행 중이며, 이중 일부는 이미 공지되거나 공연 실시되고 있다.
도 1은 피측정 전선로의 대지저항성 누전전류만을 측정할 수 있는 종래 누전전류 측정기(30)의 일예를 도시하고 있다.
이에 의하면, 종래 누전전류 측정기(30)는, 피측정 전선로(20)로부터 합성 누전전류를 검출하는 누전전류 검출회로(31)와 ; 누전전류 검출회로(31)로부터의 합성 누전전류를 이에 상응하는 전압으로 변환하는 전류전압변환회로(32) ; 전류전압변환회로(32)로부터의 출력신호를 증폭하는 증폭기(33) ; 피측정 전선로(20)로부터 전압을 검출하여 동기신호를 발생하는 동기신호발생기(34) ; 동기신호발생기(34)로부터 동기신호를 입력받아서 증폭기(33)로부터의 출력신호를 동기 검파하여 출력하는 동기검파기(35) 및; 동기검파기(35)로부터의 출력신호를 평활하여 대지저항성 누전전류를 출력하는 평활회로(36)로 이루어진다.
이의 작동 상태를 설명해 보면 다음과 같다.
우선, 상기 누전전류 검출회로(31)를 통해서 검출된 합성 누전전류는 전류전압변환회로(32)에 의해서 합성 누전전류에 상응하는 전압으로 변환된 후에 증폭기를 매개로 측정에 적합한 값으로 증폭되어 동기검파기(35)로 입력된다.
상기 동기검파기(35)는 동기신호발생기(34)로부터의 동기신호를 매개로 증폭기(35)로부터의 출력신호를 동기 검파하고, 평활회로(36)는 동기검파기(35)로부터 의 출력신호를 평활하는데, 동기검파기(35)에 의해 동기 검파된 후에 평활회로(36)에 의해 평활된 출력 값이 바로 대지저항성 누전전류이다.
여기서, 상기 평활회로는 통상 RC 필터가 적용되는데, 출력을 평활하게 하기 위해서는 RC 필터의 시정수를 충분히 크게 하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 종래 누전전류 측정기(30)는 시정수가 큰 RC 필터를 사용하고 있어서, 피측정 전선로(20)의 절연이 갑자기 파괴되거나 감전의 발생으로 누전전류가 갑자기 증가하게 되면, 평활회로(36)의 출력에 시간지연이 발생되어, 피측정 전선로(20)에 이상이 발생시에 빠르게 대처할 수 없는 문제가 발생되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로, 간단한 회로구성만으로도 변화하는 대지저항성 누전전류를 정확하면서도 빠르게 측정할 수 있는 대지저항성 누전전류 측정기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피측정 전선로로부터 합성 누전전류를 검출하는 누전전류 검출회로와 ; 누전전류 검출회로로부터의 합성 누전전류를 이에 상응하는 전압으로 변환하여 출력하는 전류전압변환회로 ; 전류전압변환회로로부터의 출력신호를 증폭하는 증폭기 ; 증폭기의 출력신호 위상을 180°로 반 전하는 위상반전기 ; 피측정 전선로로부터 전압을 검출하여 동기신호를 발생하는 동기신호발생기 ; 동기신호발생기로부터 동기신호를 입력받아서 증폭기로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제1반파적분기 ; 동기신호발생기로부터 동기신호를 입력받아서 위상반전기로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제2반파적분기 및; 동기신호발생기로부터 동기신호를 입력받아서, 반주기 마다 제1·2반파적분기의 출력을 교대로 샘플링해서 해당 출력값을 반주기 동안 유지하는 샘플홀드회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 구조로 되어 있다.
이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 누전전류 측정기를 도시한 도면인 바, 종래 기술을 도시한 도 1과 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 붙이면서 그 설명은 생략하기로 한다.
도 2에 의하면, 본 발명에 따른 누전전류 측정기(40)는, 피측정 전선로(20)로부터 합성 누전전류를 검출하는 누전전류 검출회로(41)와 ; 누전전류 검출회로(41)로부터의 합성 누전전류를 이에 상응하는 전압으로 변환하여 출력하는 전류전압변환회로(42) ; 전류전압변환회로(42)로부터의 출력신호를 증폭하는 증폭기(43) ; 증폭기(43)의 출력신호 위상을 180°로 반전하는 위상반전기(44) ; 피측정 전선로(20)로부터 전압을 검출하여 동기신호를 발생하는 동기신호발생기(45) ; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서 증폭기(43)로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제1반파적분기(46) ; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호 를 입력받아서 위상반전기(44)로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제2반파적분기(47) 및; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서, 반주기 마다 제1·2반파적분기(46,47)의 출력을 교대로 샘플링해서 해당 출력값을 반주기 동안 유지하는 샘플홀드회로(48)로 이루어진다.
상기 누전전류 검출회로(41)로는 피측정 전선로(20)를 감싸면서 합성 누전전류를 검출하는 공지의 영상변류기를 적용하였다.
상기 전류전압변환회로(42)로는 공지의 저항(R)을 적용하였다.
상기 증폭기(43)와 위상반전기(44)는 이미 당해 업계에 널리 공지되어서 공연 실시되고 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 동기신호발생기(45)로는 피측정 전선로(20)에 접속되어 전선로의 전압을 분압하여 측정하고, 전압의 극성이 바뀔 때마다(Zero Cross) 펄스를 발생하는 공지의 펄스신호 발생기를 적용하였다.
상기 제1반파적분기(46) 및 제2반파적분기(47)로는 공지의 연산기(OP Amp)를 적용하였는데, 이들 제1·2반파적분기(46,47)는 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서 각각 증폭기(43)와 위상반전기(44)로부터의 출력신호를 반주기[전원(10)의 반주기] 단위로 교대로 적분한다.
상기 샘플홀드회로(48)는 이미 당해 업계에 널리 공지되어서 공연 실시되고 있으므로, 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 대지저항성 누전전류 측정기(40)의 작동 상태를 설명해 보면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 대지저항성 누전전류 실효치(Ir)는 피측정 전선로(20)의 전압 실효치(V)와 위상이 같고, 대지용량성 누전전류 실효치(Ic)는 피측정 전선로(20)의 전압 실효치(V)보다 위상이 90°앞서며, 합성 누전전류 실효치(Ig)는 대지저항성 누전전류의 실효치(Ir)와 대지용량성 누전전류의 실효치(Ic)의 벡터합으로서 피측정 전선로(20)의 전압 실효치(V)보다 위상이 θ만큼 앞선다는 것을 알 수 있다.
상기 피측정 전선로(20)의 전원(10)이 고조파가 없는 정현파라면, 피측정 전선로(20)의 전압 순시치(v)는 아래의 수학식 1과 같다[도 4의 (a) 참조].
Figure 112007047431022-pat00001
여기서, V는 피측정 전선로(20)의 전압 실효치이고, w=2πf이며, f는 피측정 전선로(20)의 전원 주파수이다.
한편, 상기 피측정 전선로(20)의 합성 누전전류도 고조파 없는 정현파라면, 피측정 전선로(20)의 합성 누전전류 순시치(ig), 증폭기(43)의 출력신호(v1), 위상반전기(44)의 출력신호(v2)는 각각 아래의 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4와 같다 [도 4의 (c) 참조].
Figure 112007047431022-pat00002
여기서, Ig는 합성 누전전류 실효치이고, θ는 피측정 전선로(20)의 전압 순시치(v)와 합성 누전전류 순시치(ig)와의 위상각이다.
Figure 112007047431022-pat00003
여기서, 상기 K는 증폭기(22)의 이득이고, N은 누전전류 검출회로(41)의 변류비이며, R은 누전전류 검출회로(41)의 2차측에 접속한 전류전압변환회로(42)의 저항값이다.
Figure 112007047431022-pat00004
상기 제1반파적분기(46) 및 제2반파적분기(47)는 동기신호발생기(45)의 동기신호[S1,S2 ; 도 4의 (b) 참조]를 입력받아서, 각각 교대로, 증폭기(43)의 출력신호(v1)와 위상반전기(44)의 출력신호(v2)를 전원(10)의 반주기 단위로 적분한다.
여기서, 상기 수학식 3 및 수학식 4에 의하면, 증폭기(43)의 출력신호(v1)와 위상반전기(44)의 출력신호(v2) 간의 위상이 서로 반대이므로, 제1반파적분기(46) 및 제2반파적분기(47)로부터 교대로 출력되는 적분출력(P1,P2)은 도 4의 (d)에 도시된 바와 같다.
상기 제1반파적분기(46)의 적분출력(P1)은 아래의 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112007047431022-pat00005
여기서, 상기 K1는 제1반파적분기(45)의 이득이다.
또한, 상기 제2반파적분기(47)의 적분출력(P2)은 아래의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112007047431022-pat00006
여기서, 상기 K2는 제2반파적분기(47)의 이득으로서 K1=K2이다.
따라서, 상기 제1반파적분기(46)의 이득(K1)과 제2반파적분기(47)의 이득(K2)을 조정하여
Figure 112007047431022-pat00007
가 되도록 하면 상기 제1·2반파적분기(46,47)의 적분출력(P1,P2)은 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112007047431022-pat00008
즉, 상기 제1반파적분기(46)의 적분출력(P1)과 제2반파적분기(47)의 출력(P2)이 모두 대지저항성 누전전류(Ir)가 된다.
본 발명에 따른 누전전류 측정기(40)의 경우, 전원(10)의 반주기 마다 대지저항성 누전전류(Ir)를 측정하므로, 종래 누전전류 측정기(30) 보다 피측정 전선로(20)의 이상 발생을 정확하면서도 빠르게(전원의 반주기마다 측정함) 파악할 수 있다.
상기 샘플홀드회로(48)는 동기신호발생기(45)로부터 동기신호(S1,S2)를 입력 받아서, 제1반파적분기(46)의 적분출력(P1) 및 제2반파적분기(47)의 적분출력(P2)을 교대로 샘플링(Sampling)한 후, 이를 반주기 동안 유지(Holding)한다[도 4의 (e) 참조].
따라서, 상기 샘플홀드회로(47)의 출력신호(Y)는 대지저항성 누전전류(Ir)가 일정할 때는 완전한 직류파형이지만, 대지저항성 누전전류(Ir)가 변화되면 계단파형으로 변화된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서, 보다 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이다.
일예로, 본 실시예의 경우에는, 상기 제1·2반파적분기(46,47)와 샘플홀드회로(48)는 아날로그 방식의 것을 적용하였지만, 필요에 따라서는 디지털 방식의 것을 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 누전전류 측정기(40)는 피측정 전선로(20)에 이상이 발생되었을 때 이를 빠르게 파악할 수 있으므로, 누전차단기에 적용해서 누전 발생시 누전차단기가 피측정 전선로(20)를 빠르게 차단토록 하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 국한되지 않고, 다양한 분야에 널리 적용되어서 활용될 수 있다.
이상 상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 누전전류 검출회로(41)와 전류전압변환회로(42), 증폭기(43), 위상반전기(44), 동기신호발생기(45), 2개의 반파적 분기(46,47) 및 샘플홀드회로(48)를 이용해서 피측정 전선로(20)의 대지저항성 누전전류(Ir)를 전원(10)의 반주기 마다 세밀하게 측정하는 방식이므로, 피측정 전선로(20)의 변화하는 대지저항성 누전전류(Ir)를 정확하면서도 빠르게 측정하여, 피측정 전선로(20)의 이상발생시에 빠르게 대처할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 피측정 전선로(20)로부터 합성 누전전류를 검출하는 누전전류 검출회로(41)와 ; 누전전류 검출회로(41)로부터의 합성 누전전류를 이에 상응하는 전압으로 변환하여 출력하는 전류전압변환회로(42) ; 전류전압변환회로(42)로부터의 출력신호를 증폭하는 증폭기(43) ; 증폭기(43)의 출력신호 위상을 180°로 반전하는 위상반전기(44) ; 피측정 전선로(20)로부터 전압을 검출하여 동기신호를 발생하는 동기신호발생기(45) ; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서 증폭기(43)로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제1반파적분기(46) ; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서 위상반전기(44)로부터의 출력신호를 반주기 단위로 적분하는 제2반파적분기(47) 및; 동기신호발생기(45)로부터 동기신호를 입력받아서, 반주기 마다 제1·2반파적분기(46,47)의 출력을 교대로 샘플링해서 해당 출력값을 반주기 동안 유지하는 샘플홀드회로(48)로 이루어진 것을 특징으로 하는 대지저항성 누전전류 측정기.
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