KR101244877B1 - 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치 - Google Patents

아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치 Download PDF

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Abstract

아크 결함 검출 장치에 관한 기술이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치는, ZCT 센서에 의해 검출된 영상전류 파형으로부터 아크 펄스 파형을 생성하는 아크 펄스 생성부; 상기 아크 펄스 파형 및 CT 센서에 의해 검출된 부하전류 파형의 위상각을 검출하는 위상각 검출부; 및 상기 위상각 검출부에 의해 검출된 위상각을 이용하여 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형의 위상각을 매칭시키고, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 부하전류 파형의 전류값이 소정 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는지 여부에 따라 상기 배전 시스템의 아크 결함 발생 여부를 판별하는 아크 결함 판별부를 포함함으로써, 아크 검출의 정확도를 개선하고 배전 시스템의 안전성 및 신뢰성을 보장한다.

Description

아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치{Apparatus for detecting arc fault using arc pulse timing}
본 발명은 아크 결함 검출 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 아크 펄스의 발생 타이밍을 고려하여 아크 결함 여부를 판별함으로써, 아크 검출의 정확도를 개선하고 배전 시스템의 안전성 및 신뢰성을 보장하는 아크 결함 검출 장치에 관한 것이다.
아크 결함(Arc fault)이란, 일반적으로 수변전 내지 배전 시스템에서 절연 손상이나 노화, 접촉 불량 등 다양한 원인으로 인해 정상적으로 절연되어 있어야 할 도체들 간 또는 도체와 접지 간에 이온화된 가스를 통하는 전류가 발생하는 결함을 말한다. 이러한 아크 결함은, 차단기의 열적 문턱값(Thermal threshold) 이하의 실효값을 지닌 저전류 및 고임피던스를 나타내는 특징이 있기 때문에, 결함 발생에 불구하고 전원 차단 장치가 동작하지 않게 된다. 그 결과, 배선용 차단기와 누전 차단기가 설치되어 있음에도 전기 화재가 발생하는 경우가 빈번히 발생하게 된다.
따라서, AFCI(Arc Fault Circuit Interrupt), 즉 아크 결함(arc fault)을 검출하여 전기 화재 등의 사고 발생 전에 전원을 차단하는 아크 결함 보호용 차단기 기술에 대한 관심과 요청이 급속히 증가하고 있는 추세이다. 특히, 미국의 경우 전기 화재 방지를 위하여 2002년부터 AFCI의 사용이 의무사항으로 법제화된 바 있다.
그러나, 한국등록특허 제914999호 등에 개시된 바와 같이, 기존의 아크 검출 기술들은 아크 결함 발생 시 해당 아크 결함 검출의 정확도를 높이는 방안을 제시하고 있으나, 다양한 부하들의 정상적인 동작에 의해 발생하는 아크를 구별하는 기술을 제시하지 못하고 있다는 문제점이 있다. 또한, 한국공개특허 제2010-0045901호 등에 개시된 바와 같이, 기존의 AFCI 기술들은 회로 구동 전원을 교류 라인 대신 CT(current transforme)로부터 공급받아 아크성 노이즈에 의한 오작동을 예방하고자 하고 있을 뿐, 부하의 정상 동작 상태에서 발생하는 아크와 전선 피복 손상 등 전기 화재 원인이 되는 아크를 판별하는 기술에 대하여 전혀 제시하지 못하고 있다는 문제점이 있다.
특히, 전기온수기, 생수기, 전기온돌, 조광기 등 최근의 다양한 전기기기 들은 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 내지 사이리스터(Thyristor) 등과 같이 점호각에 의해 전력을 제어하는 반도체 스위칭 소자를 사용하기 때문에 정상적인 동작 중에도 연속적인 아크를 발생시킨다. 이와 같이, 연속적으로 발생되는 정상적인 아크는 아크 검출기 내지 AFCI의 오작동을 초래하게 된다.
따라서, 다양한 부하의 정상 동작 시 발생하는 노이즈성 아크는 물론 점호각에 의한 전력 제어 시 발생하는 연속적 아크를 포함하는 정상적인 아크와, 전기 배선의 절연 피복 손상 등 비정상 상태에서 발생하는 아크를 높은 정확도로 구별함으로써 시스템 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있고, 처리속도를 개선하고 장비의 소형화 내지 집적화를 달성할 수 있는 아크 결함 검출 기술이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명에 따르면, 수변전 시스템 내지 배전 시스템의 과전류나 누전은 물론 전선 피복 손상 등에 의한 아크 결함을 검출하여 전원을 차단함으로써, 시스템 안전성 및 신뢰성을 확보하고자 하는 것이다.
또한 본 발명은, 다양한 부하의 정상 동작 시 발생하는 노이즈성 아크를 구별함으로써, 아크 검출의 정확도를 개선하고자 하는 것이다.
또한 본 발명은, 반도체 스위칭 소자의 점호각에 의한 전력 제어 시 발생하는 연속적 아크를 구별함으로써, 아크 검출의 정확도를 더욱 개선하고 차단기의 오동작을 방지하고자 하는 것이다.
또한 본 발명은, 배전 시스템의 CT, ZCT, PT 출력신호를 활용하여 아크 결함 여부를 판별함으로써, 기존 시스템에 용이하게 적용되도록 하고 차단기 장치의 단일 모듈화 및 소형화를 가능하게 하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치는, ZCT 센서에 의해 검출된 영상전류 파형으로부터 아크 펄스 파형을 생성하는 아크 펄스 생성부; 상기 아크 펄스 파형 및 CT 센서에 의해 검출된 부하전류 파형의 위상각을 검출하는 위상각 검출부; 및 상기 위상각 검출부에 의해 검출된 위상각을 이용하여 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형의 위상각을 매칭시키고, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 부하전류 파형의 전류값이 소정 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는지 여부에 따라 상기 배전 시스템의 아크 결함 발생 여부를 판별하는 아크 결함 판별부를 포함한다.
이 경우, 상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 아크 결함이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 이상으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 아크 결함이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스가 불연속적인 경우, 아크 결함이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 아크 펄스 생성부는, 상기 영상전류 파형에서 전원 주파수 대역 신호를 필터링하여 차단하는 전원 주파수 필터링부; 및 상기 필터링된 파형에서 고주파 신호를 증폭시키는 고주파 증폭부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아크 결함 검출 장치는, 상기 아크 펄스 생성부에 의해 생성된 아크 펄스 파형을 반전시키고 펄스 폭을 가공하여 상기 아크 결함 판별부로 전달하는 반전 가공부; 및 상기 CT 센서에 의해 검출된 부하전류 파형의 유효 전류파를 증폭하여 상기 아크 결함 판별부로 전달하는 유효파 증폭부를 더 포함하고, 상기 아크 결함 판별부는, 상기 반전 가공부에 의해 반전 및 가공된 아크 펄스 파형 및 상기 유효파 증폭부에 의해 증폭된 상기 부하전류 파형의 유효전류 파형을 이용하여 아크 결함을 판별할 수 있다.
또한, 상기 아크 결함 판별부는, PT 센서에 의해 검출된 전압 파형의 영점을 기준으로 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형을 매칭시킬 수 있다.
또한, 상기 아크 결함 판별부는, 아크 결함이 발생한 것으로 판별한 경우, 배전 시스템 전원을 차단하는 차단 신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기 화재 등의 원인이 되는 아크 결함을 간단한 연산으로 신속히 검출하여 전원을 차단함으로써, 수변전 시스템 내지 배전 시스템의 시스템 안전성 및 신뢰성을 개선할 수 있다.
또한, ZCT 센서 출력신호로부터 생성한 아크 펄스 파형을 고려하여 노이즈성 아크를 구별하도록 함으로써, 아크 검출의 정확도를 개선할 수 있다.
또한, 아크 펄스 발생 타이밍과 부하전류 파형의 기울기 간의 연관 관계를 이용하여 점호각에 의한 전력 제어 시 발생하는 연속적 아크를 구별하도록 함으로써, 아크 검출의 정확도를 더욱 개선하고 차단기의 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 배전 시스템의 CT, ZCT, PT 출력신호를 활용하여 아크 결함 여부를 판별함으로써, 기존 시스템에 용이하게 적용될 수 있으며 차단기 장치의 단일 모듈화 및 소형화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배선용 차단 장치가 적용된 배전 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 결함 검출 장치를 나타낸 블록도.
도 3은 일반적인 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 4는 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 5는 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 출력 파형 및 CT 센서 출력 파형의 타이밍 관계를 나타낸 도면.
도 6은 부하의 스위치 동작에 의한 아크가 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 7은 조광기 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 8은 조광기 부하전류에 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 9는 전기장판 또는 히터 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
도 10은 전기장판 또는 히터 부하전류에 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 관한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배선용 차단 장치가 적용된 배전 시스템이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배전 시스템(100)은 인입구 내지 한전 계량기(110)와 부하단(130) 간에 배선용 차단 장치(120)를 포함할 수 있다. 상기 배선용 차단 장치(120)는, 전원 차단부(122), PT(Potential Transformer) 센서(124), ZCT(Zero Current Transformer) 센서(126) 및 CT(Current Transformer) 센서(128)와, 아크 결함 검출 장치(200)를 포함할 수 있다.
상기 ZCT 센서(126)는 영상전류 센서로서 선로가 지락되는 경우, 즉 아크 결함(arc fault)이 발생하는 경우 영상전류 파형을 검출한다. 이러한 ZCT 센서(126)는 단순히 상용 주파수 60Hz의 영상전류뿐만 아니라, 전기 배선에서 아크(arc)가 발생하거나 전기기기 노이즈 등에 의해 섞여있는 미세한 고주파 형태의 신호원도 함께 검출한다. 상기 CT 센서(128)는 부하전류 센서로서 선로 내지 부하에 흐르는 부하전류를 검출한다. 상기 PT 센서(124)는 전압 센서로서 선로의 전압 파형을 검출한다.
상기 아크 결함 검출 장치(200)는, 상기 ZCT 센서(126), 상기 CT 센서(128) 및 상기 PT 센서(124)의 출력 파형을 이용하여 아크 결함을 판별하여 아크 결함이 발생된 경우 상기 전원 차단부(122)로 차단 신호를 전달한다. 그러면, 상기 전원 차단부(122)는 개폐 스위치를 개방하여 배전 시스템의 전원을 차단한다. 이 경우, 상기 전원 차단부(122)는, 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자를 트리핑(tripping)하는 트립 코일(trip coil)을 포함할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 결함 검출 장치가 블록도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 아크 결함 검출 장치(200)는 아크 펄스 생성부(210), 반전 가공부(220), 위상각 검출부(230), 유효파 증폭부(240) 및 아크 결함 판별부(250)를 포함할 수 있다.
우선, 상기 아크 펄스 생성부(210)는, 상기 ZCT 센서(126)에 의해 검출된 영상전류 파형으로부터 아크 펄스 파형을 생성한다. 이를 위해, 상기 아크 펄스 생성부(210)는 주파수 필터링부(212) 및 고주파 증폭부(214)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 주파수 필터링부(212)는 대역 차단 필터(band reject filter) 등을 사용하여 상기 영상전류 파형에서 전원 주파수 대역 신호를 필터링하여 차단한다. 일반적으로 상용 주파수는 60Hz 이므로 상기 주파수 필터링부(212)는 60Hz 대역 차단 필터를 사용하여 전원 주파수 대역 신호를 제거할 수 있다. 그 다음, 상기 고주파 증폭부(214)는 상기 필터링된 파형에서 고주파 신호를 증폭시켜 아크 펄스 파형을 생성한다.
상기 위상각 검출부(230)는, 상기 아크 펄스 생성부(210)에 의해 생성된 아크 펄스 파형 및 상기 CT 센서(128)에 의해 검출된 부하전류 파형의 위상각을 검출한다. 이 경우, 상기 위상각 검출부(230)는 위상각 검출 버퍼를 이용하는 등 다양한 위상 검출 기술을 적용하여 각 파형의 위상각을 검출할 수 있다.
상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 위상각 검출부에 의해 검출된 위상각을 이용하여 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형의 위상각을 매칭시키고, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 부하전류 파형의 전류값이 소정 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는지 여부에 따라 상기 배전 시스템의 아크 결함 발생 여부를 판별한다.
더욱 구체적으로 설명하자면, 상기 아크 결함 판별부(250)는 상기 아크 펄스 생성부(210)에 의해 생성된 아크 펄스 파형에서의 아크 펄스의 발생 타이밍을 고려하여 일반적인 부하 동작 상태에서 발생하는 정상적인 아크와 배선의 절연 손실 등 누설 전류 발생 상태에서 발생하는 비정상적인 아크를 판별하는 것이다.
도 3에는 일반적인 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 아크 결함이 발생하지 않은 일반적인 부하전류의 경우, 영상전류 파형에 아크 펄스가 발생하지 않으며 부하전류 파형에도 왜곡이 발생하지 않는다.
도 4에는 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 아크 결함이 발생한 경우, 부하전류 파형에 왜곡이 발생하며 영상전류 파형에는 연속적인 아크 펄스가 발생하게 된다.
도 5에는 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 출력 파형 및 CT 센서 출력 파형의 타이밍 관계가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 아크 결함이 발생한 경우, 영점 부근에 파형 왜곡이 발생하며, 파형 왜곡 발생과 일치하는 타이밍으로 아크 펄스가 발생하게 된다.
도 6에는 부하의 스위치 동작에 의한 아크가 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 부하의 on/off 스위칭 동작에 의해 정상적인 아크가 발생하는 경우, 부하전류 파형에는 일시적인 왜곡이 발생하며, 동일한 타이밍에 아크 펄스가 발생하게 된다. 아크 결함이 발생하게 되면 당연히 부하전류 파형의 영점을 지나는 부근에서 파형 왜곡 현상이 일어나게 되고 동일 타이밍에 아크 펄스가 발생하며, 상기 아크 결함 판별부(250)는 아크 결함이 발생한 것으로 판단한다. 그러나, 부하의 on/off 스위칭 동작에 의해 일회적 또는 불연속적 아크 펄스가 발생하는 경우, 상기 아크 결함 판별부(250)는 아크 결함이 발생하지 않은 것으로 판단한다.
도 7에는 조광기 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 조광기 부하와 같이 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 내지 사이리스터(Thyristor) 등 반도체 스위칭 소자의 점호각을 통해 전력을 제어하는 전자기기들은 정상적인 동작 중에도 비정상적인 아크와 유사하게 연속적으로 나타나는 아크 펄스를 발생시킨다. 즉, 전류 파형이 왜곡되는 구간마다 아크 펄스가 발생된다.
도 8에는 조광기 부하전류에 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 연속적으로 나타나는 정상적인 아크 펄스와 실제 아크 결함 발생 시 나타나는 비정상적인 아크 펄스를 판별하기는 매우 곤란하다. 그 결과, 아크 검출 장치 내지 AFCI의 오작동을 유발하게 되는 것이다.
주목할 점은, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 아크 결함 검출 장치(200)는 아크 펄스의 발생 타이밍을 고려하여 아크 결함 여부를 판별한다는 것이다. 즉, 조광기 부하에 의한 정상적인 아크 펄스가 발생하는 타이밍은 부하전류 왜곡 발생 타이밍과 일치할 뿐만 아니라, 부하전류 파형의 전류값이 점프(jump)에 이를 정도로 급변하는 타이밍과 일치한다. 반면, 아크 결함 발생에 의한 비정상적인 아크 펄스의 타이밍은 부하전류의 왜곡 발생 타이밍과 일치하기는 하지만, 상대적으로 전류값이 완만하게 변하는 타이밍과 일치한다. 따라서, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 부하전류 파형의 전류값이 소정 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는지 여부에 따라 상기 배전 시스템의 아크 결함 발생 여부를 판별한다. 예컨대, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 즉 도 8에 도시된 바와 같이 상기 전류값이 완만한 경사를 이루며 변하는 구간에서 아크 펄스가 발생하는 경우 아크 결함이 발생한 것으로 판별한다. 또한, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 이상으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 즉 도 8에 도시된 바와 같이 점호각에 의해 전류값이 급변하는 구간에서 아크 펄스가 발생하는 경우 아크 결함이 발생하지 않은 것으로 판단한다.
도 9에는 전기장판 또는 히터 부하전류의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전류 평균값의 변화가 심한 전기장판이나 난방용 전기 히터 등 제로크로스 스위칭 부하의 전류 변화는, 전선 접촉 불량 등에 의해 아크 결함이 발생하는 경우 아크 저항에 의한 부하전류 변화와 극히 유사하다. 그러나 전류 평균값의 변화가 심한 부하라도 전선에 아크가 발생하지 않으면 영상전류 파형에 아크펄스는 발생하지 않으므로 전류의 흔들림에 의한 오동작은 발생되지 않는다.
도 10에는 전기장판 또는 히터 부하전류에 아크 결함이 발생한 경우의 ZCT 센서 및 CT 센서 출력 파형이 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전류 평균값의 변화가 심한 전기장판 또는 히터 등의 부하라도 부하전류 파형 상의 전류값이 상기 임계 변화율 이상으로 급변하는 구간은 발생하지 않으며, 따라서 아크 펄스의 발생이 타이밍이 전류값 급변 구간과 일치하는 상황은 일어날 수 없다. 그 결과, 상기 아크 결함 판별부(250)는 시스템에 아크 결함이 발생한 것으로 판단한다.
한편, 상기 아크 결함 검출 장치(200)는, 상술한 동작 및 기능들을 수행하기 위해 상기 반전 가공부(220) 및 상기 유효파 증폭부(240)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 반전 가공부(220)는 아크 펄스 파형이 용이하게 인식되도록 상기 아크 펄스 생성부(210)에 의해 생성된 아크 펄스 파형을 반전시키고 펄스 폭을 가공하여 상기 아크 결함 판별부(250)로 전달한다. 또한, 상기 유효파 증폭부(240)는, 상기 CT 센서(128)에 의해 검출된 부하전류 파형의 제로점 이상의 유효 전류파를 증폭하여 상기 아크 결함 판별부(250)로 전달한다. 그리고, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 반전 가공부(220)에 의해 반전 및 가공된 아크 펄스 파형 및 상기 유효파 증폭부(240)에 의해 증폭된 상기 부하전류 파형의 유효전류 파형을 이용하여 아크 결함을 판별한다. 즉, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 유효파 증폭부(240)로부터 유효파 신호를 입력받아 A/D 변환(Analog to Digital conversion)을 수행하고 각 시간 대역 별로 전류값을 독출하여 전류값 변화량을 분석한다. 그 결과, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 전류값 변화량이 상기 임계 변화량 이상인 시간 대역에서 상기 반전 가공된 아크 펄스가 발생하는지 여부, 아크 펄스가 연속적으로 발생하는지 여부에 따라 아크 결함 여부를 판별한다. 이 경우, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상기 PT 센서(124)에 의해 검출된 전압 파형의 영점을 기준으로 동작을 수행할 수 있으며 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형을 매칭시킨다. 또한, 상기 PT 센서(124)는 상기 아크 결함 판별부(250)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 아크 결함 판별부(250)는, 상술한 과정들을 통해 아크 결함이 발생된 것으로 판별한 경우, 배전 시스템 전원을 차단하는 차단 신호를 생성하여 상기 전원 차단부(122)로 전달한다. 상기 전원 차단부(122)는, 상기 차단 신호를 수신하면 스위칭 회로를 개방하여 전원을 차단한다.
한편, 본 발명의 실시예들을 마이크로프로세서상에 시스템 온 칩(system on chip) 형태로 구현하여 상기 마이크로프로세서로 하여금 상기와 같은 방법 및 기능을 수행하도록 할 수 있다. 본 발명의 실시예들을 마이크로프로세서로 구현하면 각종 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 조립 과정을 단순화시킬 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있는 등의 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산 배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전기 화재 등의 원인이 되는 아크 결함을 간단한 연산으로 신속히 검출하여 전원을 차단함으로써, 수변전 시스템 내지 배전 시스템의 시스템 안전성 및 신뢰성을 개선할 수 있다. 또한, ZCT 센서 출력신호로부터 생성한 아크 펄스 파형을 고려하여 노이즈성 아크를 구별하도록 함으로써, 아크 검출의 정확도를 개선할 수 있다. 또한, 아크 펄스 발생 타이밍과 부하전류 파형의 기울기 간의 연관 관계를 이용하여 점호각에 의한 전력 제어 시 발생하는 연속적 아크를 구별하도록 함으로써, 아크 검출의 정확도를 더욱 개선하고 차단기의 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 배전 시스템의 CT, ZCT, PT 출력신호를 활용하여 아크 결함 여부를 판별함으로써, 기존 시스템에 용이하게 적용될 수 있으며 차단기 장치의 단일 모듈화 및 소형화를 달성할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 다양한 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 자명하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배전 시스템 120 : 배선용 차단 장치
200 : 아크 결함 검출 장치 210 : 아크 펄스 생성부
220 : 반전 가공부(220) 230 : 위상각 검출부
240 : 유효파 증폭부(240) 250 : 아크 결함 판별부

Claims (8)

  1. 배전 시스템의 아크 결함(arc fault)을 검출하는 장치에 있어서,
    ZCT(Zero Current Transformer) 센서에 의해 검출된 영상전류 파형으로부터 아크 펄스 파형을 생성하는 아크 펄스 생성부;
    상기 아크 펄스 파형 및 CT(Current Transformer) 센서에 의해 검출된 부하전류 파형의 위상각을 검출하는 위상각 검출부; 및
    상기 위상각 검출부에 의해 검출된 위상각을 이용하여 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형의 위상각을 매칭시키고, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 부하전류 파형의 전류값이 소정 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는지 여부에 따라 상기 배전 시스템의 아크 결함 발생 여부를 판별하는 아크 결함 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 미만으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 아크 결함이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 발생 타이밍과 상기 전류값이 상기 임계 변화율 이상으로 변하는 타이밍이 일치하는 경우, 아크 결함이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아크 결함 판별부는, 상기 아크 펄스 파형의 아크 펄스가 불연속적인 경우, 아크 결함이 발생하지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아크 펄스 생성부는,
    상기 영상전류 파형에서 전원 주파수 대역 신호를 필터링하여 차단하는 전원 주파수 필터링부; 및
    상기 필터링된 파형에서 고주파 신호를 증폭시키는 고주파 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아크 결함 검출 장치는,
    상기 아크 펄스 생성부에 의해 생성된 아크 펄스 파형을 반전시키고 펄스 폭을 가공하여 상기 아크 결함 판별부로 전달하는 반전 가공부; 및
    상기 CT 센서에 의해 검출된 부하전류 파형의 유효 전류파를 증폭하여 상기 아크 결함 판별부로 전달하는 유효파 증폭부를 더 포함하고,
    상기 아크 결함 판별부는, 상기 반전 가공부에 의해 반전 및 가공된 아크 펄스 파형 및 상기 유효파 증폭부에 의해 증폭된 상기 부하전류 파형의 유효전류 파형을 이용하여 아크 결함을 판별하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 아크 결함 판별부는, PT(Potential Transformer) 센서에 의해 검출된 전압 파형의 영점을 기준으로 상기 아크 펄스 파형 및 상기 부하전류 파형을 매칭시키는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 아크 결함 판별부는, 아크 결함이 발생한 것으로 판별한 경우, 배전 시스템 전원을 차단하는 차단 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 아크 펄스 타이밍을 이용한 아크 결함 검출 장치.
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