KR101077768B1 - 전력계통의 이상 전류 감시 장치 - Google Patents

전력계통의 이상 전류 감시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력계통의 이상 전류를 감시하는 장치에 관한 것으로서, 전력계통으로부터 검출되는 교류신호를 직류로 평활화하지 않고 브리지 다이오드를 이용하여 전파 정류만을 수행한 한 후 이상 전류를 감시한다. 특히, 변류기(CT)와 로그스키 코일을 통해 전력계통에서 전류와 전압을 각각 검출하고, 이를 이용하여 병렬적으로 사고 발생 여부를 감시한다. 교류신호를 캐패시터를 통해 직류로 평활화할 때 발생하는 상승 시간에 의한 응답 지연을 막을 수 있고, 첫번째 이상전류가 발생되는 시점에서 빠르게 응답하면서도 채터링에 의한 오류를 방지하여 안정적인 동작을 할 수 있다. 이에 따라 초전류 한류기와 같이 빠른 응답 특성을 요구하는 전력계통 보호장치에 효과적으로 응용될 수 있다.

Description

전력계통의 이상 전류 감시 장치{ Apparatus for Fault Current Supervision of Power System }
본 발명은 전력계통의 이상 전류 감시 장치에 관한 것으로서, 특히 전력계통에 낙뢰나 단락 등으로 인한 사고 발생시 이상 전류를 신속하게 감지하는 장치에 관한 것이다.
초전도 한류기나 디지털 보호 계전기와 같이 전력계통에 낙뢰나 단락 등으로 인한 사고가 발생하였을 때 이에 대응하여 조치를 취하기 위한 다양한 장치가 사용되고 있다.
전력계통상의 기기를 보호하기 위해서는 가능한 신속하게 사고 발생 상황을 감지해야 한다. 이를 위하여 전력계통의 교류입력을 직류로 평활화하여 이상 유무를 검출할 수 있으나, 이 경우에는 교류입력을 직류로 평활화하기 위해 캐패시터에 충전되는 시간(상승시간)이 필수적으로 소요되므로 사고 발생 여부를 신속하게 판단하기 어렵다.
이러한 문제점은 특히 초전도 한류기와 같이 빠른 응답 속도가 요구되는 장치에서 더욱 중요한 문제점으로 부각될 수 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전력계통으로부터 검출되는 교류신호를 직류로 평활화하지 않고 교류신호에 발생하는 이상 전류를 바로 감지하여 신속하게 응답할 수 있는 전력계통의 이상 전류 감시 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력계통의 이상 전류 감시 장치는, 전력계통의 배전선로에서 검출된 교류 전류를 입력받아 전파 정류하는 제1 브리지 다이오드; 상기 전력계통의 배전선로에서 검출된 교류 전압을 입력받아 전파 정류하는 제2 브리지 다이오드; 상기 제1 브리지 다이오드에서 출력되는 전류 신호를 전압신호로 변환하고 기 설정된 기준값과 비교하여 하이(High) 또는 로우(Low) 상태의 디지털 신호를 출력하는 제1 비교부; 상기 제2 브리지 다이오드에서 출력되는 전압 신호를 기 설정된 기준값과 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 제2 비교부; 상기 제1 비교부의 출력값을 래치하는 제1 래치부; 상기 제2 비교부의 출력값을 래치하는 제2 래치부; 및 상기 제1 래치부와 상기 제2 래치부의 출력값에 따라 이상 전류가 발생하였음을 알리는 이상신호를 출력하는 이상신호출력부를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 비교부는 상기 제1 브리지 다이오드에서 출력되는 전류 신호를 전압변환용 저항소자를 통해 전압신호로 변환하여 출력하는 버퍼부; 연산증폭기의 반전 입력단자와 비반전 입력단자로 각각 상기 버퍼부의 출력신호와 상기 기준값을 입력받아 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력신호를 반전하여 출력하는 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 제1 래치부는 디지털 신호 입력단자에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자에 상기 인버터의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부에 연결되어 있는 D 래치를 포함할 수 있다.
상기 제2 비교부는 상기 제2 브리지 다이오드에서 출력되는 전압 신호를 입력받아 출력하는 버퍼부; 연산증폭기의 반전 입력단자와 비반전 입력단자로 각각 상기 버퍼부의 출력신호와 상기 기준값을 입력받아 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력신호를 반전하여 출력하는 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 제2 래치부는 디지털 신호 입력단자에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자에 상기 인버터의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부에 연결되어 있는 D 래치를 포함할 수 있다.
상기 기준값은 사용자가 가변저항소자를 이용하여 가변적으로 설정할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 전력계통의 이상 전류 감시 장치는, 상기 제1 래치부와 상기 제2 래치부에 각각 연결되어 그 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 이상 전류 감시 장치는, 상기 이상신호출력부에 연결되어 그 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력계통으로부터 검출되는 교류신호를 브리지 다이오드에 통과시킨 후 그 상태에서 바로 사고 유무를 판단한다. 이 때문에 교류신호를 캐패시터를 통해 직류로 평활화할 때 발생하는 상승시간에 의한 응답 지연을 막고 신속하게 응답할 수 있다.
변류기와 로그스키 코일을 함께 이용하여 전력계통의 이상 발생 여부를 병렬적으로 감시하고, 이상 파형이 한번 발생하면 이를 래치하여 리셋시까지 해당 상태가 유지되도록 한 후 변류기와 로그스키 코일에서 모두 이상을 감지하였을 때 이상신호를 출력한다.
이에 따라 채터링에 의한 오동작을 방지할 수 있으며, 첫번째 이상 전류가 발생된 시점에서 신속하게 응답을 할 수 있어 초전류 한류기와 같이 빠른 응답 특성을 요구하는 전력계통 보호장치에 효과적으로 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력계통의 이상 전류 감시 장치에 관한 일 실시예,
도 2는 제1 비교부와 제2 비교부를 구성하는 구체적인 실시예,
도 3은 도 2에 도시된 실시예와 관련하여 제1 래치부, 제2 래치부, 이상신호출력부를 구성하는 구체적인 실시예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하자면, 본 발명에 따른 전력계통의 이상 전류 감시 장치(20: 이하, 이상 전류 감시 장치라 한다)는 전력계통의 배전선로(11)로부터 전류를 검출하는 변류기(13: Current Transformer)로부터 교류전류를 입력받고, 로그스키 코일(15)로부터 검출된 전압을 입력받는다.
이상 전류 감시 장치(20)는 제1 브리지 다이오드(21-1), 제2 브리지 다이오드(21-2), 제1 비교부(23-1), 제2 비교부(23-2), 제1 래치부(25-1), 제2 래치부(25-2), 이상신호출력부(27)를 포함하여 이루어진다.
제1 브리지 다이오드(21-1)는 변류기(13)로부터 검출된 교류전류를 입력받아 전파 정류하여 출력하고, 제2 브리지 다이오드(21-2)는 로그스키 코일(15)로부터 교류전압을 입력받아 전파 정류하여 출력한다.
이때, 로그스키 코일(15)은 배전선로(11)의 전류를 검출하지만, 저항소자와 연결되어 이상 전류 감시 장치(20)로 교류전압을 전달한다.
제1 브리지 다이오드(21-1)와 제2 브리지 다이오드(21-2)는 교류입력을 전파 정류하기는 하지만, 캐패시터를 통해 직류로 평활화하기 위한 것이 아니며 교류신호의 양(+)과 음(-) 영역 모두에 대해 공통적으로 이상 신호가 발생하였는지를 감시하기 위한 것이다.
제1 비교부(23-1)는 제1 브리지 다이오드(21-1)에서 출력되는 전류신호를 일단 전압신호로 변환하고, 변환된 전압신호를 기 설정된 기준값과 비교하여 하이(High) 또는 로우(Low) 상태의 디지털 신호를 출력한다.
즉, 제1 비교부(23-1)의 역할은 제1 브리지 다이오드(21-1)에서 출력되는 교류전류를 기초로 이상 전류가 발생하였는지의 여부를 판단하는 것으로서, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
제2 비교부(23-2)는 제2 브리지 다이오드(21-2)에서 출력되는 전압신호를 기 설정된 기준값과 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력한다.
즉, 제2 비교부(23-2)의 역할은 제2 브리지 다이오드(21-2)에서 출력되는 교류전압을 기초로 이상 전류가 발생하였는지의 여부를 판단하는 것으로서, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
도 2a를 참조하여 제1 비교부(23-1)에 관한 구체적인 실시예를 설명하자면, 제1 비교부(23-1)는 버퍼부(23-11), 비교기(23-12), 인버터(23-13)를 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼부(23-11)는 제1 브리지 다이오드(21-1)에서 출력되는 전류신호를 전압으로 변환하는 전압변환용 저항소자(R1~R4)를 포함하며, 입력전압을 연산증폭기(OP1)를 통해 그대로 출력한다.
비교기(23-12)는 연산증폭기(OP2)를 이용하여 구성될 수 있는데, 연산증폭기(OP2)의 반전 입력단자에는 버퍼부(23-11)의 출력신호가 인가되고, 비반전 입력단자에는 기준값이 입력된다.
그러므로 연산증폭기(OP2)는 비반전 입력단자에 인가되는 전압이 반전 입력단자에 입력되는 전압보다 크면 하이 상태의 디지털 신호를 출력하고, 반전 입력단자에 인가되는 전압이 비반전 입력단자에 입력되는 전압보다 크면 로우 상태의 디지털 신호를 출력한다.
인버터(23-13)는 비교기(23-12)의 출력신호를 반전하여 출력한다.
배전선로(11)에 사고가 발생하여 이상전류가 흐른다면 연산증폭기(OP2)의 반전 입력단자에 인가되는 전압이 기준값보다 클 것이므로 비교기(23-12)는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하고 이 신호는 인버터(23-13)에서 반전된다.
즉, 배전선로(11)에 사고가 발생하여 이상전류가 흐른다면 제1 비교부(23-1)는 하이 상태의 디지털 신호를 출력한다.
도 2b를 참조하여 제2 비교부(23-2)에 관한 구체적인 실시예를 설명하자면, 제2 비교부(23-2)는 버퍼부(23-21), 비교기(23-22), 인버터(23-23)를 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼부(23-21)는 입력전압을 연산증폭기(OP3)를 통해 그대로 출력한다.
비교기(23-22)는 연산증폭기(OP4)를 이용하여 구성될 수 있는데, 연산증폭기(OP4)의 반전 입력단자에는 버퍼부(23-21)의 출력신호가 인가되고, 비반전 입력단자에는 기준값이 입력된다.
그러므로 연산증폭기(OP4)는 비반전 입력단자에 인가되는 전압이 반전 입력단자에 입력되는 전압보다 크면 하이 상태의 디지털 신호를 출력하고, 반전 입력단자에 인가되는 전압이 비반전 입력단자에 입력되는 전압보다 크면 로우 상태의 디지털 신호를 출력한다.
인버터(23-23)는 비교기(23-22)의 출력신호를 반전하여 출력한다.
배전선로(11)에 사고가 발생하여 이상전류가 흐른다면 연산증폭기(OP4)의 반전 입력단자에 인가되는 전압이 기준값보다 클 것이므로 비교기(23-22)는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하고 이 싱호는 인버터(23-23)에서 반전된다.
즉, 배전선로(11)에 사고가 발생하여 이상전류가 흐른다면 제2 비교부(23-2)는 하이 상태의 디지털 신호를 출력한다.
상기의 각 실시예에서 제1 비교부(23-1)와 제2 비교부(23-2)의 기준값은 사용자가 가변저항소자를 이용하여 가변적으로 설정할 수 있도록 구성될 수 있다.
도시된 예에서 사용자는 각 가변저항소자(VR1,VR2)를 조절하여 기준값을 조절할 수 있다.
이때 제1 비교부(23-1)의 비교기(23-12)에서 연산증폭기(OP2)의 비반전 입력단자에 인가되는 기준값은 다음의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112010028264311-pat00001
또한, 제2 비교부(23-2)의 비교기(23-22)에서 연산증폭기(OP4)의 비반전 입력단자에 인가되는 기준값은 다음의 수학식 2와 같이 결정된다.
Figure 112010028264311-pat00002
한편, 제1 래치부(25-1)는 제1 비교부(23-1)의 출력값을 래치하고, 제2 래치부(25-2)는 제2 비교부(23-2)의 출력값을 래치한다.
제1 래치부(25-1)와 제2 래치부(25-2)는 이상이 발생하였음을 알리는 신호를 리셋시까지 보관하는 역할을 한다.
이상신호출력부(27)는 제1 래치부(25-1)와 제2 래치부(25-2)의 출력값에 따라 이상 전류가 발생하였음을 알리는 이상신호를 출력한다.
도 3을 참조하여, 도 2에 도시된 제1 비교부(23-1)와 제2 비교부(23-2)에 연결되는 제1 래치부(25-1)와 제2 래치부(25-2)의 구체적인 예를 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 예에서 제1 비교부(23-1)와 제2 비교부(23-2)는 이상이 발생하였을 때 각각 하이 상태의 디지털 신호를 출력하며, 제1 래치부(25-1)와 제2 래치부(25-2)는 각각 D 래치를 이용하여 구성될 수 있다.
제1 래치부(25-1)의 D 래치(35-1)는 디지털 신호 입력단자(D)에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자(CP)에 인버터(23-13)의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자(1RD)가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부(31-1)에 연결되어 있다.
그러므로 인버터(23-13)의 출력신호가 로우 상태에서 하이 상태로 변화하면 상승에지에서 D 래치(35-1)의 출력단자(Q)는 하이 상태가 된다.
스위치부(31-1)는 사용자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정할 수 있도록 하는데, D 래치(35-1)의 활성화 단자(1RD)에 로우 신호가 입력되면 래치 동작이 비활성화 되고, 하이 신호가 입력되면 래치 동작이 활성화된다.
제2 래치부(25-2)의 D 래치(35-2)는 디지털 신호 입력단자(D)에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자(CP)에 인버터(23-23)의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자(1RD)가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부(31-2)에 연결되어 있다.
그러므로 인버터(23-23)의 출력신호가 로우 상태에서 하이 상태로 변화하면 상승에지에서 D 래치(35-2)의 출력단자(Q)는 하이 상태가 된다.
스위치부(31-2)는 사용자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정할 수 있도록 하는데, D 래치(35-2)의 활성화 단자(1RD)에 로우 신호가 입력되면 래치 동작이 비활성화 되고, 하이 신호가 입력되면 래치 동작이 활성화된다.
이와 같은 실시예에서 제1 래치부(25-1)와 제2 래치부(25-2)는 이상이 발생하였을 때 각각 하이 상태의 신호를 출력하기 때문에 이상신호출력부(27)는 AND 게이트 소자로 구성될 수 있다.
즉, AND 게이트 소자(27)는 변류기(13)로부터 입력되는 교류전류와, 로그스키 코일(15)을 통해 입력되는 교류전압에서 모두 이상이 감지되었을 때 이상신호를 출력하게 된다.
한편, 제1 래치부(25-1)에는 사용자가 시각적으로 사고 발생 여부를 확인할 수 있도록 해주기 위하여 제1 래치부(25-1)의 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부(33-1)가 연결될 수 있다.
도시된 예를 살펴보자면, 표시부(33-1)는 전류 제한용 저항소자(37-1), 발광 다이오드(37-2), 인버터(37-3)가 직렬 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
사고가 발생하여 제1 래치부(25-1)에서 하이 신호를 출력하면, 인버터(37-3)의 출력단자는 로우 상태가 된다. 그러면 전원으로부터 전류 제한용 저항소자(37-1)를 통해 발광 다이오드(37-2)로 전류가 흐르고, 이에 따라 발광 다이오드(37-2)가 점등한다.
제2 래치부(25-2)에도 사용자가 시각적으로 사고 발생 여부를 확인할 수 있도록 해주기 위하여, 제2 래치부(25-2)의 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부(33-2)가 연결될 수 있다.
도시된 예를 살펴보자면, 표시부(33-2)는 전류 제한용 저항소자(38-1), 발광 다이오드(38-2), 인버터(38-3)가 직렬 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
사고가 발생하여 제2 래치부(25-2)에서 하이 신호를 출력하면, 인버터(38-3)의 출력단자는 로우 상태가 된다. 그러면 전원으로부터 전류 제한용 저항소자(38-1)를 통해 발광 다이오드(38-2)로 전류가 흐르고, 이에 따라 발광 다이오드(38-2)가 점등한다.
또한, 이상신호출력부(27)에도 사용자가 시각적으로 사고 발생 여부를 확인할 수 있도록 해주기 위하여 이상신호출력부(27)의 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부(33-3)가 연결될 수 있다.
도시된 예를 살펴보자면, 표시부(33-3)는 전류 제한용 저항소자(39-1), 발광 다이오드(39-2), 인버터(39-3)가 직렬 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
사고가 발생하여 이상신호출력부(27)에서 하이 신호를 출력하면, 인버터(39-3)의 출력단자는 로우 상태가 된다. 그러면 전원으로부터 전류 제한용 저항소자(39-1)를 통해 발광 다이오드(39-2)로 전류가 흐르고, 이에 따라 발광 다이오드(39-2)가 점등한다.
상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
20: 이상 전류 감시 장치 21-1: 제1 브리지 다이오드
21-2: 제2 브리지 다이오드 23-1: 제1 비교부
23-11,23-21: 버퍼부 23-12,23-22: 비교기
23-13,23-23,37-3,38-3,39-3: 인버터
23-2: 제2 비교부 25-1: 제1 래치부
25-2: 제2 래치부 27: 이상신호출력부
31-1,31-2: 스위치부 33-1~33-3: 표시부
35-1,35-2: D 래치 37-2,38-2,39-2: 발광 다이오드
R1~R4,R7,R8,37-1,38-1,39-1: 저항소자
VR1,VR2: 가변저항소자 OP1~OP4: 연산증폭기

Claims (8)

  1. 전력계통의 배전선로에서 검출된 교류 전류를 입력받아 전파 정류하는 제1 브리지 다이오드;
    상기 전력계통의 배전선로에서 검출된 교류 전압을 입력받아 전파 정류하는 제2 브리지 다이오드;
    상기 제1 브리지 다이오드에서 출력되는 전류 신호를 전압신호로 변환하고 기 설정된 기준값과 비교하여 하이(High) 또는 로우(Low) 상태의 디지털 신호를 출력하는 제1 비교부;
    상기 제2 브리지 다이오드에서 출력되는 전압 신호를 기 설정된 기준값과 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 제2 비교부;
    상기 제1 비교부의 출력값을 래치하는 제1 래치부;
    상기 제2 비교부의 출력값을 래치하는 제2 래치부; 및
    상기 제1 래치부와 상기 제2 래치부의 출력값에 따라 이상 전류가 발생하였음을 알리는 이상신호를 출력하는 이상신호출력부를 포함하여 이루어지는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 비교부는 상기 제1 브리지 다이오드에서 출력되는 전류 신호를 전압변환용 저항소자를 통해 전압신호로 변환하여 출력하는 버퍼부;
    연산증폭기의 반전 입력단자와 비반전 입력단자로 각각 상기 버퍼부의 출력신호와 상기 기준값을 입력받아 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력신호를 반전하여 출력하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 래치부는 디지털 신호 입력단자에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자에 상기 인버터의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부에 연결되어 있는 D 래치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 비교부는 상기 제2 브리지 다이오드에서 출력되는 전압 신호를 입력받아 출력하는 버퍼부;
    연산증폭기의 반전 입력단자와 비반전 입력단자로 각각 상기 버퍼부의 출력신호와 상기 기준값을 입력받아 비교하여 하이 또는 로우 상태의 디지털 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력신호를 반전하여 출력하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 래치부는 디지털 신호 입력단자에 하이 신호가 인가되고, 클럭 입력단자에 상기 인버터의 출력신호가 입력되며, 활성화 단자가 래치 기능의 활성화 여부를 결정하는 스위치부에 연결되어 있는 D 래치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기준값은 사용자가 가변저항소자를 이용하여 가변적으로 설정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 래치부와 상기 제2 래치부에 각각 연결되어 그 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이상신호출력부에 연결되어 그 출력값에 따라 발광 다이오드(LED)를 점등하거나 소등하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통의 이상 전류 감시 장치.
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