KR100914999B1 - 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기 - Google Patents

Abstract

이 발명은 고주파 영역에서도 선형적 특성을 유지하여 아크 신호를 정확히 검출하여 회로를 차단할 수 있는 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기에 관한 것이다. 이 발명의 구성은, 전류신호 변환기(current transducer)가 수백 A대의 대전류 영역에서 포화되지 않도록 설정하고, 회로의 고속 차단을 위해 응답특성이 빠르며, 병렬 아크 전류의 최소 검출레벨을 75A 이상으로 설정하며, 저주파 및 고주파 영역에서 선형적 특성을 유지하며, 병렬 아크 전류에 의한 화재를 포함한 손상을 방지하고 병렬 아크에 의한 순시적 대전류를 검출하며, 전류를 검출 파라미터로 사용해서 병렬 아크 전류를 검출하는 전류센서; 위 전류센서에 의해 검출된 신호를 적분하는 적분부; 위 적분부에 의해 적분된 신호에서 고주파 노이즈를 제거하고 전류를 제한하는 필터부; 위 필터부를 통과한 신호를 전파정류하는 정류부; 위 정류부에서 정류된 신호를 증폭하는 증폭부; 위 증폭부에서 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 변환부; 위 변환부에 의해 변환된 전압을 인가받아 도통하며 게이트에 전류신호가 직접 인가되는 SCR; 및 위 SCR의 애노드측에 연결되어 구동되며 차단기를 동작시켜 회로를 차단시키는 트립코일을 포함하여 이루어진다. 그리고 이 발명에서는 병렬 아크 전류에 의한 회로 차단시간은 여자전류와 전원전압의 위상차에 따라 다르며 1.74ms 내지 3ms이고, 위 전류센서는 높은 투자율을 갖는 변류기(CT)이고, 위 차단기는 누전차단기인 것을 특징으로 한다.

Description

저압 옥내전로의 아크검출형 차단기{Arc detecting type circuit breaker for low voltage}

이 발명은 전기회로에 있어서 아크를 검출하여 회로를 차단하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고주파 영역에서도 선형적 특성을 유지하여 아크 신호를 정확히 검출하여 회로를 차단함으로써 아크에 의한 전기화재 등의 손상을 방지하기 위한 장치에 관한 것이다.

전기회로에서의 아크(arc)는 일반적으로 차단된 도체의 두 종단들 사이, 부하를 공급하는 2개의 도체들 사이, 또는 도체와 접지 사이에서 이온화된 가스를 통하는 전류로서 정의되며, 전기회로에서 고장전류의 경로에 따라 크게 직렬아크와 병렬아크로 나눌 수 있다. 직렬아크는 노화된 전선을 잡아당기거나 콘센트의 접속이 느슨하게 고정된 경우 또는 금속성 물체에 전선이 찢겨진 경우 및 잦은 진동에 의해 전선의 소선이 일부 절단된 경우와 같이 단일 도체의 불완전한 연결부위에서 발생한다. 이는 부하와 전기적으로 직렬연결이기 때문에 아크전류가 부하에 의해 제한되므로 병렬아크에 비해 에너지 레벨이 작은 특징이 있다.

병렬아크는 직렬 아크와 달리 상 도체와 중성선(line-to-neutral) 또는 상도체와 접지(line-to-ground)의 경로에 단락과 같은 고장이 발생한 경우이므로 이러한 사고시 급격한 전류가 흐르게 되고, 전류를 검출 파라미터로 사용한다면 병렬아크를 쉽게 검출할 수 있다. 따라서 병렬아크를 검출하는 것은 직렬아크와는 달리 대전류 영역에서 포화되지 않는 전류신호 변환기(current transducer)의 선정과 검출레벨을 결정하는 것이 무엇보다도 중요하다.

아크는 순간 과도현상으로 인해 수십kHz에서 수 MHz까지의 주파수 분포를 나타내게 되는 바, 저주파 영역뿐 아니라 고주파 영역에서도 선형적 특성을 갖는 검출센서가 요망된다. 그러나 기존의 검출장치는 수십kHz의 낮은 주파수 범위에서는 선형적인 특성을 갖지만 그 이상의 주파수 영역에서는 비선형적인 특성을 나타내어 입력 신호가 왜곡되어 검출된다는 문제점이 있다.

이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 저주파 영역뿐 아니라 고주파 영역에서도 선형적 특성을 유지하여 아크 발생시 그 신호를 정확히 검출하여 회로를 차단할 수 있는 저압옥내전로의 아크검출형 차단기를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 이 발명에 따른 아크검출형 차단기는, 전류신호 변환기(current transducer)가 수백 A대의 대전류 영역에서 포화되지 않도록 설정하고, 회로의 고속 차단을 위해 응답특성이 빠르며, 병렬 아크 전류의 최소 검출레벨을 75A 이상으로 설정하며, 저주파 및 고주파 영역에서 선형적 특성을 유지하며, 병렬 아크 전류에 의한 화재를 포함한 손상을 방지하고 병렬 아크에 의한 순시적 대전류를 검출하며, 전류를 검출 파라미터로 사용해서 병렬 아크 전류를 검출하는 전류센서;위 전류센서에 의해 검출된 신호를 적분하는 적분부;위 적분부에 의해 적분된 신호에서 고주파 노이즈를 제거하고 전류를 제한하는 필터부;위 필터부를 통과한 신호를 전파정류하는 정류부;위 정류부에서 정류된 신호를 증폭하는 증폭부;위 증폭부에서 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 변환부;위 변환부에 의해 변환된 전압을 인가받아 도통하며 게이트에 전류신호가 직접 인가되는 SCR; 및위 SCR의 애노드측에 연결되어 구동되며 차단기를 동작시켜 회로를 차단시키는 트립코일을 포함하여 이루어지고,병렬 아크 전류에 의한 회로 차단시간은 여자전류와 전원전압의 위상차에 따라 다르며 1.74ms 내지 3ms이고,위 전류센서는 높은 투자율을 갖는 변류기(CT)이고,위 차단기는 누전차단기인 것을 특징으로 한다.

이 발명에 따른 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기는 투자율이 양호한 CT를 센서로 사용함으로써 저주파 영역뿐 아니라 고주파 영역에서도 선형적 특성을 유지하여 발생한 아크 신호를 왜곡이 없이 검출할 수 있으므로 아크 발생시 신속하고 정확하게 이를 감지하여 회로를 차단함으로써 아크에 의한 전기화재 등의 사고를 효율적으로 방지할 수 있다.

도 1은 병렬아크 발생에 따른 차단기의 특성을 분석하기 위한 모의실험 장치도.

도 2는 1kW 진공청소기를 대상으로 초기 기동시 돌입전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프.

도 3은 5kW 시즈 히터가 기본 부하로 연결된 회로에서 정상상태와 병렬아크가 발생했을 때의 전압, 전류를 측정한 파형도.

도 4는 차단기의 동작시간과 전원전압의 위상간의 관계를 나타내는 그래프.

도 5는 이 발명에 의한 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기의 회로도.

도 6은 이 발명에 의한 차단기회로를 누전차단기 내에 적용한 사진.

이하 이 발명의 구체적인 내용을 출원인이 수행한 실험을 통하여 설명한다.

1. 실험 구성

도 1은 병렬아크 발생에 따른 차단기의 특성을 분석하기 위한 모의실험 장치를 나타낸다. 도 1에서와 같이 전원선에 차단기를 연결하고 병렬아크 발생장치를 통하여 강제 단락회로를 구성하고, 이 때의 전압, 전류신호를 측정, 분석한다. 또한 부하를 병렬로 연결하여 전원 인가 시 발생하는 돌입전류의 크기를 측정한다.

2. 병렬 아크의 측정 및 분석

병렬아크 전류를 제한할 수 있는 요소는 오직 고장점의 임피던스와 선로의 임피던스 뿐이다. 따라서 본 실험은 옥내배선의 길이를 고려하여 병렬아크가 발생한 상황을 모의하였다.

일반적으로 옥내 분전반에서 말단 부하까지 배선의 길이는 대략 30m이므로 이 범위 내에서 케이블 길이에 따른 병렬아크를 모의하였다.

도 2는 정상적인 부하에서 흐를 수 있는 전류의 최대값을 분석하기 위하여 1kW 진공청소기를 대상으로 초기 기동시 돌입전류를 측정한 예이다. 일반적으로 전동기 부하는 초기 기동시 운전전류의 6~8배에 해당하는 돌입전류가 흐르며, 차단기와 같은 보호기기는 이러한 초기 기동전류에 동작하지 않도록 트립 레벨이 설정되어있다. 그림에서와 같이 진공청소기 부하의 돌입전류는 최대 -32.2A였다. 전열기, 백열등 및 에어컨과 같은 가전기기는 35A 이내로 계측되었으며, 표 1에 각 부하에 따른 돌입전류의 최대값을 나타내었다.

이처럼 가전기기의 돌입전류는 병렬아크전류에 비해 상대적으로 낮은 50A 이하이며, 이러한 실험결과와 차단기의 동작특성을 고려하여 병렬아크의 최소 검출레벨을 75A 이상으로 설정하였다.

병렬아크를 검출하기 위해서는 수백 A 영역에서도 포화되지 않으며, 고속도 차단에 응용할 수 있도록 응답특성이 빠른 전류센서가 필요함을 확인하였다.

이 발명에서는 병렬아크에 의한 순시적 대전류를 검출하기 위하여 CT를 사용하였다.

도 3은 5kW 시즈 히터가 기본 부하로 연결된 회로에서 정상상태와 병렬아크가 발생했을 때의 전압, 전류를 측정한 파형이다. 도 3(a)는 부하가 연결된 정상상태시의 전류파형을 나타낸 것으로 부하를 통하여 실효값 14.97A의 전류가 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 이 때, CT의 출력은 7.13mV로 매우 미소한 값을 나타내었다. 도 3(b)는 탄화된 콘센트를 이용하여 병렬아크를 발생시켰을 때의 전류파형으로, AC 220V 전원의 투입과 동시에 강렬한 아크가 발생하였으며, 콘센트와 접속된 금속도체가 용융, 비산되어 회로가 개방되었다. 그러나 전압파형에서와 같이 병렬아크가 발생하여 최대 -270A가 흘렀음에도 불구하고 배선용 차단기는 동작하지 않았다.

이는 화재를 유발할 수 있는 아크가 발생하더라도 배선용 차단기로는 보호할 수 없음을 의미한다. CT의 출력은 병렬아크 발생에 따른 급격한 전류의 상승(di/dt)과 전류의 크기에 의해 3.1V의 값을 나타내었다. 만약 이 신호를 이용하여 차단기를 트립시킬 수 있다면 병렬아크에 대한 보호성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

3. 병렬아크용 차단회로 설계

1) 차단시간 분석

일반적으로 누전차단기의 트립회로는 누전으로 인한 불평형 전류를 ZCT로 검출하고 전용의 IC를 이용하여 트립코일에 연결된 SCR을 턴-온(turn-on) 시켜 최종적으로 차단기를 동작시킨다.

이 발명에서는 병렬아크로 인한 아크전류를 고속도 차단하기 위하여 기존의 누전차단기를 이용하였으며, 트립코일을 여자시키기 위한 SCR 게이트에 전류신호를 직접 인가하는 방법을 제안하였다.　 이러한 방법은 트립코일을 여자시키기 위하여 전파정류된 전원전압을 이용하므로 SCR이 도통될 때 전원전압의 위상에 따라 트립코일을 여자시키기 위한 전류의 적분량이 달라진다. 이는 트립회로의 동작시간이 전원전압의 위상에 의존하는 것을 의미하며, 병렬아크용 고속도 차단회로를 구성함에 있어 이에 대한 영향을 분석할 필요가 있다.

도 4는 총 160회에 걸친 실험결과를 그래프로 표시한 것이며, 도 4에서와 같이 차단기의 동작시간은 전원전압의 반주기마다 대칭성을 나타내었다.

시뮬레이션 결과, 고속도 차단이 가능한 2~3ms는 위상 70°~ 123°범위에서 가능하였으며 특히 위상 125°~ 148°의 범위에서는 차단시간이 2ms 이내, 위상 136.65°에서는 1.74ms를 기록하였다.

특히 가장 짧은 차단시간이 위상 90°가 아닌 136.65°에서 나타난 것은 트립코일이 인덕턴스 부하이므로, 여자전류가 전원전압에 비해 지상으로 흐르기 때문으로 판단된다.

2) 차단회로 제작 및 적용

도 5는 이 발명에 의한 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기의 회로도이다.

이 발명에서는 CT를 아크전류 검출센서로 이용하였으며, 선로상에 병렬아크가 발생되면, CT양단에 아크전류로 인한 전압이 유기되고 이는 R7, C3를 통하여 적분된다. 아크신호는 전류제한 및 고주파 노이즈 제거를 위한 R5, R6 및 C2를 통하여 Diode2에 전달되며, Diode2는 아크전류신호를 전파정류하여 전류제한용 저항 R4를 통하여 Tr1을 도통시킨다. Tr1은 Diode2과 R4를 통과한 이상신호를 증폭한다. Diode1은 AC 220V 전원전압을 전파정류하는 브릿지 다이오드이며 R1, R2 및 C1을 통하여 분압된 전원은 Tr1의 구동 전원으로 사용된다. R3는 Tr1을 통하여 흐르는 아크신호를 전압으로 변환하며 Diode3는 R3 양단의 전압을 Trip coil을 구동하기 위한 SCR에 인가하여 도통시킨다. SCR은 Trip coil을 구동하기 위한 스위치 역할을 하며, Trip coil은 차단기 내의 회로 차단에 이용된다.

도 6은 이 발명에 의한 차단기회로를 누전차단기 내에 적용한 사진이다.

병렬아크가 발생할 경우, 정상상태와 확연히 구분되는 펄스성 대전류가 흐르는 것을 확인하였으며, 이러한 특징을 이용하여 일정 레벨을 넘는 전류를 검출하는 방법을 적용하면 쉽게 병렬아크의 발생유무를 판단할 수 있다.

특히, CT를 검출센서로 이용한다면 대전류에서도 포화되지 않을 뿐만 아니라 출력신호를 차단기의 트립신호로 이용할 경우, 차단기의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 전류신호 변환기(current transducer)가 수백 A대의 대전류 영역에서 포화되지 않도록 설정하고, 회로의 고속 차단을 위해 응답특성이 빠르며, 병렬 아크 전류의 최소 검출레벨을 75A 이상으로 설정하며, 저주파 및 고주파 영역에서 선형적 특성을 유지하며, 병렬 아크 전류에 의한 화재를 포함한 손상을 방지하고 병렬 아크에 의한 순시적 대전류를 검출하며, 전류를 검출 파라미터로 사용해서 병렬 아크 전류를 검출하는 전류센서;

   위 전류센서에 의해 검출된 신호를 적분하는 적분부;

   위 적분부에 의해 적분된 신호에서 고주파 노이즈를 제거하고 전류를 제한하는 필터부;

   위 필터부를 통과한 신호를 전파정류하는 정류부;

   위 정류부에서 정류된 신호를 증폭하는 증폭부;

   위 증폭부에서 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 변환부;

   위 변환부에 의해 변환된 전압을 인가받아 도통하며 게이트에 전류신호가 직접 인가되는 SCR; 및

   위 SCR의 애노드측에 연결되어 구동되며 차단기를 동작시켜 회로를 차단시키는 트립코일을

   포함하여 이루어지고,

   병렬 아크 전류에 의한 회로 차단시간은 여자전류와 전원전압의 위상차에 따라 다르며 1.74ms 내지 3ms이고,

   위 전류센서는 높은 투자율을 갖는 변류기(CT)이고,

   위 차단기는 누전차단기인 것을 특징으로 하는, 저압 옥내전로의 아크검출형 차단기.
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