KR101062313B1

KR101062313B1 - 자동복구형 누전차단기

Info

Publication number: KR101062313B1
Application number: KR1020110023791A
Authority: KR
Inventors: 김선형; 김영진; 최형석
Original assignee: 주식회사 티팩토리
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-14

Abstract

본 발명은 누전차단기의 트립으로 인해 전원공급이 차단되었을 때 트립된 원인을 판별하여 원인 해소시 차단기를 자동으로 복구시키기 위한 자동복구형 누전차단기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일반 상용의 누전차단기를 적용할 수 있도록 설계된 구조의 자동복구형 누전차단기에 관한 것이다.

Description

자동복구형 누전차단기{Auto-recovery type ELB(Earth leakage current breaker)}

본 발명은 누전 또는 낙뢰에 의한 서지 과전압 등의 요인에 의해 누전차단기가 트립되어 전원이 차단되었을 때 트립된 원인이 해소된 후에는 자동으로 차단기를 복구시키기 위한 자동복구형 누전차단기에 관한 것이다.

누전차단기는 기기가 설치되어 있는 대지에 누설되어 흐르는 누설전류를 신속히 검출, 차단함으로써 인체의 감전사고를 방지하고 누설전류에 의해 발생하는 기기 및 선로의 열화로 인한 화재를 억제하기 위한 것으로 저압 교류가 공급되는 대부분의 부하회로에 설치 운용되고 있다.

이러한 누전차단기의 설치로 인해 인명피해는 줄었으나 차단기의 오동작 사고가 빈번해짐에 따라 설비 운용시 정전사고나 순시전압강하와 같은 문제점이 야기되고 있다.

특히, 무인화 기지의 설비보호를 위해 설치되어 있는 누전차단기의 오동작시에는 사고 원인을 찾기 매우 힘든 경우가 많으며, 고압회로에 사용되는 차단기와 달리 누전차단기에는 재폐로 기능이 없기 때문에 정전사고 복구를 위해 설비운용자가 현장을 방문해야하는 수고스러움이 뒤따른다.

이러한 필요성에 의해 현재 자동복구형 누전차단기가 도입되고 있는 실정이며 크게 누전차단기 자체에 각종 제어장치를 구성한 일체형 및 기존 상용의 누전차단기에 결합하여 사용하는 분리형 복구장치로 나누어진다.

본 발명에서는 모터에 결합된 블레이드를 이용하여 누전차단기의 손잡이를 구동시키는 형태의 자동복구형 누전차단기의 블레이드 제어 및 고장상태 검출방법에 관한 것이다.

현재 차단기를 구동시키기 위한 기구적인 장치로는 솔레노이드를 이용한 방식과 모터를 이용하는 방식이 있으며 후자의 경우 결합되는 누전차단기의 종류 및 특성변화에 보다 유연하게 대응할 수 있는 장점이 있으나 상대적으로 고가이며 모터의 위치를 제어하기 위한 센서 및 제어 기술 등이 요구된다.

본 발명은 누전 또는 낙뢰에 의한 서지 과전압 등의 요인에 의해 누전차단기가 트립되어 전원이 차단되었을 때 트립된 원인을 자동으로 판별하고 누전원인이 해소된 후에는 자동으로 차단기를 복구시키기 위한 자동복구형 누전차단기에 관한 것이다.

본 발명에서는 모터와 블레이드를 조합한 형태의 복구장치로써 최소한의 소자를 이용해 경제적으로 블레이드의 위치를 제어하는 방법 및 차단기의 트립 원인을 판별하기 위한 고장상태 검출회로를 구현하고자 한다.

본 발명은 해결수단은 상용 교류전원으로부터 전원을 공급받아 감압한 후 슈퍼커패시터를 충전하기 위한 충전회로 및 슈퍼커패시터가 일정전압 이상으로만 충전되면 항상 정전압으로 일정하게 유지되도록 하는 정전압회로로 구성된 전원공급부와, 누전차단기의 트립원인을 판별하는 기능을 하며 서지발생여부 및 과전류 발생여부를 각각 서지감지회로 및 과전류감지회로를 이용하여 판별하며 누전차단기의 트립여부를 판별하기 위해 전원공급부의 감압변압기 후단에 전압비교기를 이용한 전원검출회로가 포함된 트립원인 검출부와, 누전상태가 지속되는지를 분석하기 위한 회로로써 전원공급부의 전원을 누전검출을 위한 전압으로 승압하는 DC/DC 변환회로와 검출전압을 각상에 교대로 인가하기 위한 스위치회로로 구성된 누전상태 검출부와, 상기 전원공급부와 트립원인 검출부 및 누전상태 검출부의 기능을 제어하도록 마이크로프로세서가 구성된 제어부와, 상기 제어부의 마이크로프로세서의 명령에 따라 트립된 차단기를 복구시키기 위한 구동부가 포함된 자동복구장치와;

상기 자동복구장치의 구동부 동작에 의해 스위치가 제어되는 누전차단기;

로 구성된 것이 특징이다.

상술한 구성을 가지는 본 발명은 누전차단기의 동작시 신속하게 동작원인을 판별하고 전원을 자동으로 복구시킴으로써 무선 통신기지국 등과 같은 무인 설비의 안정적인 전원공급이 가능하다.

특히, 차단기의 트립 원인 분석 성능이 향상되어 보다 신뢰성이 향상된 복구장치의 구현이 가능하다.

또한, 기존에 사용하던 누전차단기의 재사용이 가능하여 매우 경제적이다.

도 1은 본 발명의 자동복구형 누전차단기의 구성도.
도 2는 자동복구형 누전차단기의 외형도.
도 3은 본 발명의 블레이드 및 광센서의 구성도.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 블레이드의 동작 개요도.
도 5는 초기화 과정을 설명하기 위한 순서도.
도 6은 누전 상태 검출부 구성도.
도 7은 차단기가 서지에 의해 트립되었는지를 판별하기 위한 회로도.
도 8은 차단기가 과전류에 의해 트립되었는지를 판별하기 위한 회로도.

이하, 첨부한 도면에 의해 본 발명의 자동복구형 누전차단기 및 누전차단기의 초기화방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 자동복구형 누전차단기의 구성도이다.

일반적인 누전차단기(100)는 누전시 내부의 제어장치에 의해 전원이 공급되는 것을 차단하기 위해 스위치(110)가 자동적으로 내려와 off상태가 되게 된다.

이에, 본 발명의 자동복구형 누전차단기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 누전차단기(100)와 결합하여 사용하는 자동복구장치(200)이다.

상기 자동복구장치(200)는 전원공급부(210), 트립원인을 판별하는 검출부(220), 모터(251), 블레이드(252), 광센서(254)로 구성된 구동부(250)와, 이를 제어하기 위한 마이크로프로세서 기반의 제어부(240)로 구성된다.

전원공급부(210)는 상용 교류전원으로부터 전원을 공급받아 감압한 후 슈퍼커패시터(212)를 충전하기 위한 충전회로(211) 및 슈퍼 커패시터(212)가 일정전압 이상으로만 충전되면 출력전압은 항상 정전압으로 일정하게 유지되도록 하는 정전압회로(213)로 구성된다.

이는 마이크로프로세서 기반의 제어부(240)를 비롯하여 구동부(250), 트립원인 검출부(220) 등에 전원을 공급하는 역할을 한다.

즉, 즉, 도 1에서 굵은 실선으로 표시된 부분은 전원의 흐름이며, 가는 실선으로 표시된 부분은 제어신호의 흐름이다.

트립원인 검출부(220)는 차단기(100)의 트립원인을 판별하는 기능을 하며 서지발생여부, 과전류 발생여부를 각각 서지감지회로(221) 및 과전류감지회로(222)를 이용하여 판별하며, 누전차단기(100)의 트립여부를 판별하기 위해 전원공급부(210)의 감압변압기 후단에 전압비교기를 이용한 전원검출회로(223)도 포함한다.

누전상태 검출부(230)는 누전상태가 지속되는지를 분석하기 위한 회로로써 전원공급부(210)의 전원을 누전이 검출을 위한 전압으로 승압하는 DC/DC 변환회로(232)와 검출전압을 각상에 교대로 인가하기 위한 스위치회로(231)로 구성된다.

구동부(250)는 제어부(250)의 마이크로프로세서의 명령에 따라 트립된 차단기(100)를 복구시키기 위한 회로로써 모터(251)와 블레이드(252) 및 광센서(254)로 구성된다.

이상의 일련의 과정은 마이크로프로세서 기반의 제어부(240)에서 담당하며 현재상태, 트립원인 등을 표시하기 위한 표시부(260)로서 디스플레이장치 또는 메모리 등이 부가될 수 있다.

도 2는 자동복구형 누전차단기의 외형도이다.

상기에서 언급한 바와 같이 자동복구장치(200)는 외부에 누전차단기(100)와 결합이 가능하며 내부에는 슈퍼커패시터(212)를 이용한 전원공급부(210) 및 모터(251)와 블레이드(252)로 이루어진 구동부(250) 등으로 구성된다.

도 3은 본 발명의 블레이드 및 광센서의 구성도이다.

트립된 누전차단기(100)의 복구 과정을 위해서는 블레이드(252)의 위치 인식이 중요하다.

이를 위하여 도 3처럼 광센서(254)로서 적외선 수광부(254b), 발광부(254a) 및 ‘ㄱ’ 자 형상의 각이 진 블레이드(252)를 이용하여 신뢰성 있는 동작이 가능한 구동부(250)를 구성하였다.

기존에는 단순히 센서없이 모터(251)의 구동시간 제어만을 통해 블레이드(252)를 동작시키므로 예상치 못한 종료에 의해 블레이드(252)가 임의의 위치에 있을 시에는 초기 위치 검출이 불가능하며 과도한 복구동작으로 인해 모터(251)가 소손될 우려가 있다.

본 발명에서는 오동작 및 예상치 않은 종료에 의해 블레이드(252)가 임의의 위치에 있을 시에도 자체적으로 진단하여 블레이드가 초기위치로 이동할 수 있도록 하였다.

자동복구장치(200)의 구동부(250)는 도 3과 같이 블레이드(252), 적외선 발광부(254a), 적외선 수광부(254b)로 구성되어 있다.

블레이드(252)는 모터(251)의 회전운동을 이용하여 차단기(100) 스위치(110)의 복구동작을 위한 직선 운동으로 변환하여 주기 위한 구조물로 110도의 각을 가지는 ‘ㄱ’자 형태로 제작되어 있으며 내각은 차단기(100)의 형태에 따라 달라질 수 있다.

일반적인 경우 블레이드(252)의 위치를 검출하기 위해 수광부(254b)와 발광부(254a)가 결합되어 있는 포토 인터럽트 모듈을 사용한다.

포토 인터럽트의 경우 ‘ㄷ’자 형태로 되어있어 블레이드가 이를 관통하는 지점에 위치할 때 수광부에 공급되던 발광부의 적외선이 차단되게 되고 이때 인터럽트가 발생하게 되는데, 포토 인터럽트는 이러한 구조적 특성으로 인하여 설치형태의 제약을 받게 된다.

또한, 블레이드 암의 길이에 따라 각각 다른 위치에 포토인터럽트를 설치하여야 하므로 2개 이상을 설치해야한다.

이를 보완하기 위하여 본 발명에서는 적외선 수광부(254b)와 적외선 발광부(254a)를 동일 선상에 위치하여 구성하였다.

이로 인해 포토인터럽트에 비해 소형화가 가능하며 구조설계의 제약이 줄어든다.

적외선 수광부(254b)와 발광부(254a)는 도 4의 (a)와 같이 구성되며 블레이드(252)가 발광부(254a) 위에 존재하게 되면 발광부(254a)에 의해 방출되는 적외선이 블레이드(252)에 반사되어 수광부(254b)에 의해 검출되게 된다.

이때, 블레이드(252)가 발광부(254a) 위에 위치되어 있다고 판단할 수 있게 되며, 도 4의 (b)와 같이 블레이드(252)가 발광부(254a) 위가 아닌 다른 위치에 존재하게 되면 발광부(254a)의 적외선이 수광부(254b)에 의해 검출되지 않게 되며 이때는 블레이드(252)가 발광부(254a) 위에 위치하지 않는다고 판단할 수 있다.

이와 같은 방법으로 블레이드(252)의 위치가 발광부(254a)의 위에 위치하는지 아닌지를 검출할 수 있으며 발광부(254a)의 위치는 회로 설계시 기지의 위치에 배치함으로 일종의 기준위치로 작용가능하다.

도 4는 본 발명의 블레이드의 동작 개요도로서 (a)는 블레이드(252)의 초기화 상태이며, (b)는 블레이드(252)가 기준 위치를 벗어난 경우를 나타낸 것이며, (c)는 차단기(100)의 복구동작을 완료한 상태의 블레이드(252)의 위치를 나타낸 것이다.

도 4의 (c)는 차단기(100)의 복구동작이 완료된 상태인지를 검출하기 위한 것으로 블레이드(252)의 두 암이 A의 각도로 벌어져 있을 때 한쪽의 암이 광센서(254)에 의해 검출되면 다른 암은 차단기(100)를 복구시키기에 충분한 위치로 이동했음을 의미하므로 복구동작이 완료되었는지를 검출할 수 있다.

본 발명에 의한 자동복구형 누전차단기(100)와 같이 전원공급이 중단된 상태에서 슈퍼커패시터(212) 등의 보조 전원에 의해 모터(251)를 구동시킬 때에는 모터(251)에 공급되는 전원은 전원회로의 충전량에 따라 변동되므로 모터(251)의 동작 속도에 차이가 있으며 이로 인해 블레이드(252)의 위치는 일정하지 않다.

따라서, 단순히 시간계산에 의해 블레이드(252)의 위치를 추정하는 것은 부정확 방법이다.

또한, 모터(251) 구동중 전원이 공급되지 않을 수도 있으며 이때는 블레이드(252)는 도 4의 (b)와 같이 임의의 위치에 위치할 수도 있기 때문에 전원의 재투입시나 리셋시 블레이드(252)의 초기화가 필요하다.

블레이드(252)의 초기화는 아래와 같은 단계를 거쳐 초기화과정을 수행할 수 있다.

도 5는 초기화 과정을 설명하기 위한 순서도이다.

단계1] 적외선 발광부(254a)에 전원을 공급하여 블레이드(252)가 발광부(254a)와 수광부(254b)의 위에 위치하는지 여부를 판단한다.

이때, 블레이드(252)가 발광부(254a)와 수광부(254b) 위에 위치하면 초기화 과정을 마친다.

단계2] 블레이드(252)를 반 시계방향으로 일정시간 동안만 회전시킨다.

단계3] 회전시킨 블레이드(252)가 발광부(254a)와 수광부(254b) 위에 위치하는지 판단한다.

또한, 블레이드(252)가 발광부(254a)와 수광부(254b)위에 위치하면 초기화 과정을 마친다.

이 경우는 블레이드(252)가 광센서(254) 좌측에 위치했음을 의미한다.

일정시간 동안 회전 후에도 발광부(254a)와 수광부(254b)에 위치하지 않는 경우는 블레이드(252)가 광센서(254) 우측에 위치하는 것으로 간주하고 단계 4를 수행한다.

단계4] 블레이드(252)를 시계방향으로 회전하여 발광부(254a)와 수광부(254b) 위에 위치하면 초기화를 마친다.

이와 같은 방법에 의해 블레이드(252)가 비정상적인 위치에 멈추어 있어도 항상 초기화 위치로 복귀시킬 수 있다.

차단기(100)가 누전에 의해 트립된 경우 계통의 누전상태 지속여부를 판단하기 위해 각 선로와 접지(L-G, N-G)간에 검출 전압을 인가하여 폐회로의 임피던스를 측정하는 방법을 사용한다.

이때 검출에는 경우에 따라 수십-수백 V의 전압이 필요하며 이와 같은 전압을 5V 정도의 슈퍼커패시터(212)와 같은 보조전원으로부터 얻기 위하여 이를 위하여 도 6과 같이 검출 회로를 구성한다.

도 6은 누전 상태 검출부 구성도로 FET 스위치 소자와 인덕터, 다이오드, 커패시터, 릴레이로 구성되며 FET소자의 온오프 제어에 따라 인덕터의 에너지가 커패시터에 충전된다.

다이오드는 충전된 에너지가 역으로 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.

이와 같이 발생된 전압을 릴레이의 동작에 따라 상전원과 접지사이에 교대로 인가하고 흐르는 전류를 션트 저항을 이용하여 측정한 후 정상상태의 누설전류(예 : 15 mA)와 비교하여 누전 상태 여부를 판단한다.

도 7은 차단기가 서지에 의해 트립되었는지를 판별하기 위한 회로로 변류기(CT)와 정류기, 비교기 회로로 구성된다.

본 발명에서는 전자회로를 낙뢰와 같은 서지로부터 보호하기 위해 내부에 MOV(Metal Oxide Varistor)(270) 소자가 포함되어 있다.

이들 소자는 선간 및 선-접지간에 모두 설치되어 있으며 서지는 공통모드로 침입하므로 접지와 연결된 단자에 변류기를 설치하여 순간적인 서지전류가 MOV(270)를 통해 흐를 때 이를 검출하도록 회로를 도 7과 같이 구성한다.

변류기에 의해 유도된 전압은 전파정류회로를 거쳐 비교기에서 서지 침입유무를 판별한다.

만일, 누전차단기(100)에 서지가 침입했을 때에는 MOV(270)를 통해 서지전류가 흐르므로 변류기에서 이를 검출하고 동시에 복구장치(200)의 전원단 검출신호가 없으면 차단기(100)가 서지에 의해 트립되었음을 의미한다.

도 8은 차단기(100)가 과전류에 의해 트립되었는지를 판별하기 위한 회로로 전원선 2라인 중 어느 한 측에 과전류검출용 CT를 삽입하여 유도전압을 검출한다.

CT 출력단의 유도전압은 전류의 크기에 비례하므로 이를 도 8과 같이 차동증폭기에서 증폭 후 비교기를 거쳐 마이크로프로세서에 신호를 전달한다.

CT를 통해 설정된 전류이상의 과전류가 검출되고 동시에 자동복구장치(200)의 전원단 검출신호가 없으면 차단기가 과전류에 의해 트립되었음을 의미한다.

이와 같은 과정을 통해 누전차단기(100)가 트립시 순차적으로 차단원인이 누전, 서지, 과전류인지를 자체적으로 진단하여 그 원인에 따라 차단기의 복구 여부를 결정한다.

예로써 누전이 원인인 경우에는 시간 간격을 두고 점검을 반복하여 누전이 일시적인 것으로 판단되면 차단기를 복구하고 서지에 의한 경우에는 즉시 복구하며 과전류에 의한 경우에는 부하장비에 심각한 문제가 발생했을 수 있으므로 안전을 위해 전원을 지속적으로 차단할 수 있도록 프로그래밍이 가능하다.

또한, 이러한 트립원인을 외부에서 육안으로 확인 가능하도록 LED 또는 LCD 등의 표시부(260)를 통해 출력가능하다.

상술한 회로도의 설명 및 도면 내에서 사용되는 부호는 전기·전자부분에서 일반적으로 사용되는 부호를 사용하였기 때문에 본 기술이 속하는 당업자라면 누구나 이해할 수 있는 부호임을 상기시키는 바이다.

100. 누전차단기 110. 스위치
200. 자동복구장치 210. 전원공급부 211. 충전회로
212. 슈퍼커패시터 213. 정전압회로 220. 트립원인 검출부
221. 서지감지회로 222. 과전류감지회로 223. 전원검출회로
230. 누전상태 검출부 231. 스위치회로 232. DC/DC변환회로
240. 제어부 250. 구동부 251. 모터
252. 블레이드 253. 회전축 254. 광센서
254a. 발광부 254b. 수광부 260. 표시부
270. 서지보호기(MOV)

Claims

오프(off)된 차단기의 스위치를 원위치로 복구시키는 자동복구장치가 결합된 누전차단기에 있어서,
상용 교류전원으로부터 전원을 공급받아 감압한 후 슈퍼커패시터(212)를 충전하기 위한 충전회로(211) 및 슈퍼커패시터(212)가 일정전압 이상으로만 충전되면 항상 정전압으로 일정하게 유지되도록 하는 정전압회로(213)로 구성된 전원공급부(210)와, 누전차단기(100)의 트립원인을 판별하는 기능을 하며 서지발생여부 및 과전류 발생여부를 각각 서지감지회로(221) 및 과전류감지회로(222)를 이용하여 판별하며 누전차단기(100)의 트립여부를 판별하기 위해 전원공급부의 감압변압기 후단에 전압비교기를 이용한 전원검출회로(223)가 포함된 트립원인 검출부(220)와, 누전상태가 지속되는 지를 분석하기 위한 회로로써 전원공급부(210)의 전원을 누전검출을 위한 전압으로 승압하는 DC/DC 변환회로(232)와 검출전압을 각상에 교대로 인가하기 위한 스위치회로(231)로 구성된 누전상태 검출부(230)와, 상기 전원공급부(210)와 트립원인 검출부(220) 및 누전상태 검출부(230)의 기능을 제어하도록 마이크로프로세서가 구성된 제어부(240)와, 상기 제어부(240)의 마이크로프로세서의 명령에 따라 트립된 차단기(100)를 복구시키기 위한 구동부(250)가 포함되되, 낙뢰 또는 서지로부터 전자회로를 보호하기 위해 MOV(270)가 부가 구성된 자동복구장치(200)와;
상기 자동복구장치(200)의 구동부(100) 동작에 의해 스위치(110)가 제어되는 누전차단기(100);
로 구성되되,
상기 구동부(250)는 외측면이 누전차단기(100)의 스위치(110)와 접촉하는 ‘ㄱ’자 형태의 블레이드(252)와;
상기 ‘ㄱ’자 형태의 블레이드(252)의 모서리 부분에 구성된 회전축(253)과;
상기 회전축(253)을 회전구동시키는 모터(251)와;
상기 블레이드(252)의 하부측 동일선상에 위치하여 블레이드(252)의 위치를 감지하도록 적외선을 발광하는 발광부(254a) 및 블레이드(252)면에 반사된 적외선이 집광되는 수광부(251b)의 구성을 가지는 광센서(254);
로 이루어진 것이 특징인 자동복구형 누전차단기.
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