KR100904665B1 - 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기를 개시한다. 상기 누전차단기는 동기신호발생기를 전선로에 접속하여 얻은 동기신호, 그리고 누전전류검출기를 전선로에 접속하여 얻은 합성누전전류를 반주기적분기에 입력시킨 상태에서 전원의 반주기씩 적분하여 적분출력값을 얻은 후 이를 극성 변환하는 한편, 상기 극성 변환된 적분출력값을 샘플링하여 홀딩함으로써 저항성 누전전류의 출력이 이루어지도록 하고, 이를 통해 저항성 누전전류가 설정된 기준치를 초과할 때 전선로를 차단시킨 것으로, 저항성 누전전류로 작동하는 누전차단기의 제작이 가능하게 되면서 용량성 누전전류로 인한 전선로의 오동작 정전이 감소하여 수용가에 현재보다 더욱 안정된 전력을 공급할 수 있음은 물론, 특히 우천시에 가로등 선로, 교통신호등 선로, 통신 중계기 선로 등에에서 용량성 누전전류로 인한 전선로의 오동작 정전을 크게 감소시킨 것이다.

Description

저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기{Electric leakage current braker triggered by resistive ground leakage current}

본 발명은 배전반이나 멀티탭에 적용되는 누전차단기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영상변류기(ZCT)로 검출한 합성누전전류(Ig)에서 용량성 누전전류(Igc)를 제거하고, 저항성 누전전류(Igr)만을 추출하여 이것으로 누전차단기를 작동시킬 수 있도록 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기에 관한 것이다.

교류전선로의 대지절연저항 또는 해당 교류전선로에 접속된 전기기기의 대지절연 저항이 열화되면, 저항성 누전전류(Igr)가 증가되어 전기 화재 또는 감전사고 등이 발생할 수 있다.

따라서 이러한 사고를 미연에 방지하기 위해서는 저항성 누전전류(Igr)를 정확하게 검출하여 이것이 기준치를 초과하면 전선로를 차단하여 누전에 의한 전기화재 또는 감전사고 등을 예방해야 한다.

누전전류를 검출하기 위하여 보통 영상변류기(ZCT; Zero Current Transformer)를 사용하는데 이것을 사용하면 첨부된 도 1에서와 같이 저항성 누전전류(Igr)와 전선로의 대지정전용량에 의한 용량성 누전전류(Igr)가 합쳐진 합성누전전류(Ig)가 검출된다.

그러나, 종래에는 상기 합성누전전류(Ig)에서 저항성 누전전류(Igr)만 산정하는 방법들이 복잡하고 고가이기 때문에, 상기 합성누전전류(Ig)로 누전차단기가 작동하도록 설계되는 것이 대부분이다.

일예로서, 도 2는 종래 합성누전전류(Ig)로 작동되는 누전차단기(100)의 개략적인 구성을 도시한 것으로, 영상변류기(1)를 입력으로 하는 누전전류검출기(2)의 출력과, 기준치 설정기(3)에서 설정한 기준치를 비교기(4)에서 비교하여 상기 누전전류검출기(2)의 출력이 기준치를 초과하는 경우, 상기 비교기(4)는 반도체 스위칭소자(5)에 신호를 보내게 되고, 이에따라 상기 반도체 스위칭소자(5)는 차단코일(6)을 작동시키게 되는 것이다.

즉, 도 2와 같은 종래의 누전차단기(100)는 전선로의 용량성 누전전류(Igc)가 큰 경우 저항성 누전전류(Igr)가 적더라도 합성누전전류(Ig)가 커지기 때문에 누전 차단의 작동이 이루어지는 것으로, 이는 극단의 경우 저항성 누전전류(Igr)가 없더라도 용량성 누전전류(Igc)가 크면 누전의 차단 동작이 이루어지는 것이다.

그러나, 상기의 누전차단기(100)는 근본적으로 용량성 누전전류(Igc)로 인한 오동작이 발생할 수 밖에 없으며, 근래에는 컴퓨터, 인버터 등 각종 전자기기에서의 용량성 누전전류(Igc) 증가로 인해 누전차단 동작의 오류가 증가하고 있다.

즉, 누전차단기는 전기누전이나 합선발생시 부주의에 의한 인명피해를 방지하기 위한 것으로 누전이나 단락사고 발생시 공급되는 전원을 차단해야 한다.

그러나, 종래의 누전차단기(100)는 전로 또는 부하가 절연파괴되어 충전부에서 대지로 "지락전류"가 흐르면 차단 동작을 수행하지만, 가로등과 같은 전력선 길이가 길거나, 선로 외피상태가 수분이 많이 있는 상태에서는 대지간 정전용량이 크므로 오동작을 하게 되며, 전자식 형광등, 복사기, 프린터 등의 전원회로(SMPS)의 특징상 고조파로 인한 누설전류가 발생되어도 누전차단기(100)가 제대로 동작하지 않고 오동작하는 경우가 많았다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 영상변류기로 검출한 합성누전전류에서 용량성 누전전류를 제거한 후 저항성 누전전류만을 추출하도록 함으로써, 추출된 저항성 누전전류를 통해 누전차단기의 동작이 이루어지도록 하여 용량성 누전전류로 인한 누전차단기의 오동작을 방지할 수 있도록 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기는,

영상변류기를 입력으로 하여 선로로부터 전선로 전압을 검출하는 전압검출기; 상기 전압검출기로부터 검출되는 전선로의 전압에 따라 동기신호를 발생시키는 동기신호발생기; 누전전류검출기로부터 검출된 합성누전전류를 상기 동기신호발생기에서 발생시킨 동기신호에 따라 전원의 반주기동안씩 적분하여 펄스형태의 저항성 누전전류를 얻어내는 반주기 적분기; 상기 반주기 적분기에서 저항성 누전전류에 대한 펄스 출력의 극성이 부(-)인 경우 이를 모두 정(+)으로 변환 출력하는 극성변환기; 상기 극성변환기에서 정(+)으로 변환 출력된 저항성 누전전류의 펄스 출력을 샘플링한 후 이를 반주기동안 유지시켜 계단파 형태의 저항성 누전전류를 얻어내는 샘플/홀더(sample and hold)기; 상기 샘플/홀더기로부터 제공되는 저항성 누전전류가 기준치 설정기에 의해 설정되는 기준치를 초과할 때 전선로를 차단하도록 차단코일을 동작 제어하는 반도체 스위칭 소자; 를 포함한다.

또한, 상기 누전차단기에는 상기 누전전류검출기의 감도전류를 조절하는 감도전류 조절기; 를 더 포함하여 구성한 것이다.

또한, 상기 누전차단기에는 저항성 누전전류가 기준치 설정기에 의해 설정되는 기준치를 초과시 경보음을 출력하는 누전경보기; 를 더 포함하여 구성한 것이다.

이 같은 본 발명은, 동기신호발생기를 전선로에 접속하여 얻은 동기신호, 그리고 누전전류검출기를 전선로에 접속하여 얻은 합성누전전류를 반주기적분기에 입력시킨 상태에서 전원의 반주기씩 적분하여 적분출력값을 얻은 후 이를 극성 변환하는 한편, 상기 극성 변환된 적분출력값을 샘플링(sampling)하여 홀딩(holding)함으로써 저항성 누전전류의 출력이 이루어지도록 하고, 이를 통해 저항성 누전전류가 설정된 기준치를 초과할 때 전선로를 차단시킨 것으로, 저항성 누전전류로 작동하는 누전차단기의 제작이 가능하게 되면서 용량성 누전전류로 인한 전선로의 오동작 정전이 감소하여 수용가에 현재보다 더욱 안정된 전력을 공급할 수 있음은 물론, 특히 우천시에 가로등 선로, 교통신호등 선로, 통신 중계기 선로 등에서 용량성 누전전류로 인한 전선로의 오동작 정전을 크게 감소시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 합성 누전전류와 저항성 누전전류 및 용량성 누전전류 간의 상호 위상관계를 도시한 벡터 다이어 그램.

도 2는 종래 합성누전전류로 작동되는 누전차단기의 내부 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기의 내부 구성도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 누전차단기의 작동상태를 설명하기 위한 파형도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 ; 영상변류기 2 ; 누전전류검출기

3 ; 기준치 설정기 4 ; 비교기

6 ; 차단코일 10; 전압검출기

20; 동기신호 발생기 30; 반주기 적분기

40; 극성변환기 50; 샘플/홀드기

60; 반도체 스위칭소자 70; 감도전류 조절기

80; 누전경보기

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예로 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기의 내부 구성도를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기는, 영상변류기(1)를 입력으로 하여 전선로로부터 합성누전전류(Ig)를 검출하는 누전전류검출기(2)와, 기준치 설정기(3)에서 설정한 기준치를 비교기(4)에서 비교하여 상기 누전전류검출기(2)의 출력이 기준치를 초과시 차단코일(6)을 작동시키는 누전차단기에, 전압검출기(10), 동기신호발생기(20), 반주기 적분기(30), 극성변환기(40), 샘플/홀드기(50), 반도체 스위칭소자(60), 그리고 감도전류 조절기(70)와 누전경보기(80)를 더 포함한 것이다.

상기 전압검출기(10)는 상기 영상변류기(1)를 입력으로 하여 선로로부터 전선로의 전압을 분압하여 상기 전선로의 전압을 검출하는 것으로, 상기 검출된 전압신호를 상기 동기신호 발생기(20)에 제공하도록 구성된다.

상기 동기신호 발생기(20)는 상기 전압검출기(10)로부터 검출되는 전선로의 전압에 따라 동기신호를 발생시키는 것으로, 이는 상기 전압검출기(10)로부터 검출되는 전선로의 전압 극성이 바뀔때마다 제로 크로스 펄스(zero cross pulse)를 발생시키는 것이다.

상기 반주기 적분기(30)는 상기 누전전류검출기(2)로부터 검출된 합성누전전류(Ig)를 상기 동기신호발생기(20)에서 발생시킨 제로 크로스 펄스의 동기신호에 따라 전원의 반주기동안씩 합성누전전류(i)를 적분하여 펄스형태의 저항성 누전전류(Igr)를 얻어내도록 한 것이며, 이는 디지털 적분기를 사용한 것이다.

상기 극성변환기(40)는 상기 반주기 적분기(30)에서 적분되는 저항성 누전전류(Igr)에 대한 펄스 출력의 극성이 부(-)인 경우 이를 모두 정(+)으로 변환시킨 후 이를 상기 샘플/홀드기(50)에 출력하도록 구성된다.

상기 샘플/홀드기(50)는 상기 극성변환기(40)에서 정(+)으로 변환 출력되는 저항성 누전전류(Igr)의 펄스 출력을 샘플링한 후 이를 반주기동안 유지시켜 계단파 형태의 저항성 누전전류(Igr)를 얻어낸 후 이를 상기 비교기(4)에 제공하도록 구성된 것이다.

상기 반도체 스위칭소자(60)는 상기 샘플/홀더기(50)로부터 제공되는 저항성 누전전류(Igr)가 비교기(4)의 비교결과로부터 상기 기준치 설정기(3)에 의해 설정되는 기준치를 초과할 때 상기 전선로 차단이 이루어지도록 상기 차단코일(6)을 동작 제어하는 것이다.

상기 감도전류 조절기(70)는 상기 누전전류검출기(2)의 감도전류를 조절하도록 구성되며, 상기 누전경보기(80)는 상기 비교기(4)의 비교결과에 따라 저항성 누전전류(Igr)가 기준치 설정기(3)에 의해 설정되는 기준치를 초과할 때마다 경보음을 출력하도록 구성된다.

이와같이 구성되는 본 발명의 실시예에 대한 작동상태를 첨부된 도 1은 물론, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

우선, 첨부된 도 1을 참조하면, 저항성 누전전류 실효치(Ig)는 피측정 전선로 전압 실효치(V)와 위상이 같고, 용량성 누전전류 실효치(Igc)는 전선로 전압 실효치(V)보다 위상이 90°앞서며, 합성누전전류 실효치(Ig)는 대지저항성 누전전류 실효치(Igr)와 용량성 누전전류 실효치(Igc)의 벡터합으로써 피측정 전선로 전압 실효치(V)보다 위상이 θ만큼 앞선다는 것을 알 수 있다.

이때, 전선로의 전원이 고조파가 없는 정현파라면, 전선로 전압 순시치(v)는 아래의 수학식1과 같이 표시할 수 있다.



여기서, V는 피측정 전선로의 전압 실효치이고, w=2πf 이며, f는 피측정 전선로의 전원주파수를 나타낸다.

한편, 상기 전선로의 합성누전전류가 고조파가 없는 정현파라면, 전선로의 합성누전전류 순시치(i_g)는 아래의 수학식2와 같다.

여기서, Ig는 합성누전전류 실효치이고, θ는 피측정 전선로 전압 순시치(v)와 합성누전전류 순시치(ig)와의 위상각이다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 누전전류검출기(2)는 영상변류기(1)로부터 검출한 합성누전전류(Ig)를 첨부된 도 4a에서와 같이 전압으로 변환하여 반주기 적분기(30)에 출력하게 되는데, 상기 변환된 신호(i)는 아래의 수학식3으로 표현된다.

여기서, K1은 영산변류기(1) 및 누전전류검출기(2)의 이득을 나타낸다.

이때, 상기 반주기 적분기(30)는 누전전류검출기(2)의 출력신호(i)를 상기 동기신호발생기(20)에서 발생시키는 첨부된 도 4b의 동기신호(S)에 따라 전원전압의 반주기마다 첨부된 도 4c에서와 같이 합성누전전류(Ig)를 적분한 후 그 적분결과를 출력하며, 상기의 적분 주기에 따른 적분출력은 첨부된 도 4d에서와 같이 P1과 P2가 되고, 상기 적분출력 P1과 P2는 각각 아래의 수학식4 및 수학식5로 표현될 수 있다.

상기 K2는 반주기적분기(30)의 이득을 나타내고, 이득 K1과 K2를 조정하여

가 되도록 하면,

적분출력 P1은 아래와 같이 된다.

(저항성 누전전류)

상기 K2는 반주기적분기(30)의 이득이고, 이득 K1과 K2를 조정하여

가 되도록 하면,

적분출력 P2는 아래와 같이 된다.

(저항성 누전전류)

이때, 상기 수학식4와 수학식5를 살펴보면 적분출력 P1 및 -P2는 모두 Igr(저항성 누전전류)가 됨을 알 수 있고, 전원의 반주기마다 Igr(저항성 누전전류)을 정확히 산정함을 알 수 있다.

한편, 상기와 같이 반주기 적분기(30)에 의해 적분 출력되는 저항성 누전전류(Igr)의 적분출력값(P1,-P2)는 극성변환기(40)로 입력되는 바,

상기 극성변환기(40)에서는 첨부된 도 4e에서와 같이 펄스 출력의 극성이 부(-)인 -P2를 정(+)으로 변환시킨 후, 상기 적분출력값인 P1과 극성 변환이 이루어진 P2를 샘플/홀드기(50)로 출력한다.

그러면, 상기 샘플/홀드기(50)는 상기 극성변환기(40)에 의해 정(+)으로 변환된 적분출력값(P1,P2)의 저항성 누전전류(Igr)을 전원의 반주기마다 동기신호발생기(3)에서 발생된 동기신호(S)를 이용하여 샘플링하고 이것을 반주기동안 홀딩한다.

이때, 상기 샘플/홀드기(50)의 출력신호는 첨부된 도 4f에서와 같이 저항성 누전전류(Igr)가 일정할 때는 완전한 직류파형이고, 저항성 누전전류(Igr)가 변화할 때는 계단파가 된다.

따라서, 상기 샘플/홀드기(50)에 의해 얻어지는 저항성 누전전류(Igr)가 비교기(4)에 입력되는 경우, 상기 비교기(4)는 기준치 설정기(3)에 의해 설정되는 기준치와 상기 저항성 누전전류(Igr)를 비교한 후 그 비교결과를 반도체 스위칭소자(60)에 출력한다.

그러면, 상기 반도체 스위칭소자(60)는 상기 비교기(4)의 비교결과 상기 샘플/홀더기(50)로부터 제공되는 저항성 누전전류(Igr)가 상기 기준치 설정기(3)에 의해 설정되는 기준치를 초과할 때 차단코일(6)의 동작을 제어하여 전선로를 차단시키게 되며, 이와동시에 누전경보기(80)에서는 일정레벨의 경보음을 출력하게 되고, 이에따라 우천시의 가로등 선로, 교통신호등 선로, 통신 중계기 선로 등에서 용량성 누전전류로 인한 전선로의 오동작 정전을 크게 감소시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서, 보다 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (5)

1. 영상변류기를 입력으로 하여 전선로로부터 합성누전전류를 검출하는 누전전류검출기와, 기준치 설정기에서 설정한 기준치를 비교기에서 비교하여 상기 누전전류검출기의 출력이 기준치를 초과시 차단코일을 작동시키는 누전차단기를 구성함에 있어서,

   상기 영상변류기를 입력으로 하여 선로로부터 전선로 전압을 검출하는 전압검출기;

   상기 전압검출기로부터 검출되는 전선로의 전압에 따라 동기신호를 발생시키는 동기신호발생기;

   상기 누전전류검출기로부터 검출된 합성누전전류를 상기 동기신호발생기에서 발생시킨 동기신호에 따라 전원의 반주기동안씩 적분하여 펄스형태의 저항성 누전전류를 얻어내는 반주기 적분기;

   상기 반주기 적분기에서 저항성 누전전류에 대한 펄스 출력의 극성이 부(-)인 경우 이를 모두 정(+)으로 변환 출력하는 극성변환기;

   상기 극성변환기에서 정(+)으로 변환 출력된 저항성 누전전류의 펄스 출력을 샘플링한 후 이를 반주기동안 유지시켜 계단파 형태의 저항성 누전전류를 얻어내는 샘플/홀더기;

   상기 샘플/홀더기로부터 제공되는 저항성 누전전류가 비교기의 비교결과에 따라 기준치 설정기에 의해 설정되는 기준치를 초과시 전선로를 차단하도록 상기 차단코일을 동작 제어하는 반도체 스위칭소자; 를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 누전차단기에는 상기 누전전류검출기의 감도전류를 조절하는 감도전류 조절기; 를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 누전차단기에는 저항성 누전전류가 기준치 설정기에 의해 설정되는 기준치를 초과시 경보음을 출력하는 누전경보기; 를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 누전차단기는 배전반에 적용되는 것을 특징으로 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 누전차단기는 멀티탭으로 적용되도록 칩(Chip)의 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 저항성 누전전류로 작동되는 누전차단기.