KR101333648B1 - 아크 검출장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 위상을 기준으로 한 아크 발생 위치에 대한 부분을 고려하여 부하 특성에 대한 오동작을 구분할 수 있는 아크 검출장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 현재 입력되는 전원의 전류파형과 전압의 위상을 각각 검출하고, 검출된 전류파형과 전압위상을 비교하여 기설정된 위상각의 구간에서 발생하는 아크만을 아크로 인식하고, 그 이외의 구간에서 발생하는 아크에 대해서는 부하특성으로 인식하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 아크 검출에 있어서 부하 특성에 대한 오동작을 정확하게 구분할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

아크 검출장치 및 방법{Arc detection apparatus and method}

본 발명은 전기 시스템의 아크 검출장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전압 위상에 따른 전류의 아크 발생 위치를 고려하여 부하특성과 아크특성을 구분하여 검출의 신뢰성을 향상 및 오동작을 감소시키도록 한 아크 검출장치 및 방법에 관한 것이다.

아크(Arc)는 전선피복이나 접촉면에 발열을 유발하여 최종적으로 화재를 일으키는 원인이 된다. 최근 자료에 의하면 전체 전기화재 원인 중 약 80％가 아크에 의한 것으로 조사되었다.

아크는 기존의 과전류보호용 회로차단기나 누전차단기 등의 보호계전기로 차단할 수 없기 때문에, 아크에 의한 화재를 예방하기 위해서는 아크 발생을 검출하는 아크 차단기(Arc Fault Circuit Interrupt: AFCI)가 필요하다.

아크 결함이 발생하는 원인은 예컨대, 노화, 절연 및 배선 파괴, 과사용 또는 과전류에 의한 기계적 및 전기적 스트레스, 연결 결함 및 절연과 배선에 대한 과도한 기계적 손상 등 매우 다양하다.

기존의 아크 차단기는 전류 센서(Current Transformer; CT)의 고주파 특성에 의한 아크 검출 방식을 사용하였다.

좀더 설명하면, 소스와 부하를 연결하는 전원 라인에 연결된 CT로부터 전류변화량에 따른 전압신호를 인가받아 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 필터링하여 아크를 검출하도록 한다.

하지만, 아크 검출에 있어서 전류의 고주파 특성을 이용한 방법은 유사아크에 대한 오동작 특성에 대하여 매우 취약한 문제점이 있었다. 즉, 조광기나 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등과 같은 고주파 특성을 갖는 부하의 경우에는 아크 검출에 있어서 유사 아크와 같은 특성을 나타내기 때문에, 기존의 아크 검출 방식으로는 부하 특성을 아크 특성으로 오인하여 비정상적인 트립이 발생하여 오작동하는 경우가 빈번하게 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 전압 위상을 기준으로 아크 발생 위치에 대한 부분을 고려한 아크 검출로 부하 특성을 아크로 오인한 오동작 발생을 방지할 수 있도록 한 아크 검출장치 및 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아크 검출장치는, 아크 검출의 신뢰성을 향상시키기 위한 장치에 있어서, 외부전압 입력라인과 부하단 사이에 설치되는 CT와, 상기 CT로부터 아크 결함에 의한 전류를 검출하는 아크검출부와, 상기 전원 라인에 현재 입력되고 있는 전압의 위상을 검출하는 전압위상검출부, 및 상기 검출된 전압위상과 전류를 비교하여 아크인식구간의 전압위상에서 전류에 아크가 발생되면 아크특성으로 판단하고, 그외 구간의 전압위상에서 전류에 아크가 발생되면 부하특성으로 판단하는 마이크로프로세서를 포함한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 아크 검출방법은, 아크 검출의 신뢰성을 향상시키기 위한 방법에 있어서, (1) 아크신호와 전압위상을 각각 검출하는 단계, 및 (2) 상기 검출된 전압위상을 토대로 아크인식구간을 설정하여 상기 검출된 아크의 발생위치가 설정된 아크인식구간이면 아크특성으로, 그외 구간이면 부하특성으로 구분하여 판별하는 단계를 포함한다.

본 발명의 아크 검출장치 및 방법은, 아크 검출에 있어서 전압 위상에 따른 전류의 아크 발생 위치로 부하특성과 아크특성을 구분하여 검출함으로써, 정확한 아크검출로 유사아크에 대한 오동작 발생을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

따라서, 전기적 사고와 화재 발생을 좀더 정확하게 예방하고, 전기관리의 효율을 극대화할 수 있어 불필요한 차단기의 사용을 억제하여 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 아크 검출장치를 나타내는 구성도,
도 2a-2b는 일반적인 부하의 정상 동작 및 아크 발생시의 전압 및 전류파형을 보여주는 도면,
도 3a-3c는 위상제어부하의 정상 동작시 전압 및 전류파형을 보여주는 도면,
도 4는 도 1의 아크검출부를 나타내는 상세 구성도,
도 5a-4c는 도 4 아크검출부 각 구성의 입출력 파형도,
도 6은 도 1의 전압위상검출부를 나타내는 상세 구성도,
도 7a-7c는 도 6 전압위상검출부 각 구성의 입출력 파형도,
도 8은 전압위상 대비 전류 파형에서 아크 인식 구간을 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 아크 검출장치의 구성도를 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 아크 검출장치는 전원 소스와 부하를 연결하는 전원 라인에 CT(10)와 전압위상검출부(30)가 각각 연결된다. CT(10)는 아크와 전류를 감지할 수 있는 센서이다. CT(10)에는 아크검출부(20)가 연결된다. 아크검출부(20)와 전압위상검출부(30)에는 검출한 각각의 아크, 전압위상 등의 신호를 입력받아 입력된 신호를 기반으로 하여 현재 전원상태를 감시하고 위험 발생으로 판단시 전원 차단을 제어하는 마이크로프로세서(40)가 연결된다.

이러한 구성을 갖는 도 1의 아크 검출장치에 대한 구체적인 동작을 도 2a 내지 도 8을 통해 설명한다.

도 2a 및 2b는 일반적인 부하의 정상 동작 및 아크 발생시의 전압 및 전류파형으로, 전압과 전류의 위상이 같음을 알 수 있다.

열선, 전구 등 일반적인 부하들의 경우 정상 동작시 전압과 전류는 도 2a와 같이 사인파 형태를 유지하지만, 아크가 발생하면 도 2b와 같이 전류의 형태가 제로교차 지점에서 왜곡이 생기고 그 왜곡에 생기는 부분에서 아크출력이 발생을 한다. 왜곡이 생기는 부분 즉, 아크출력 발생 부분의 위치는 전압을 기준으로 볼 때 위상이 0도, 180도, 360도 부근이다.

도 3a 내지 3c는 위상제어부하의 정상 동작시 전압 및 전류파형으로, 특히 조광기 부하의 밝기 레벨에 따른 전압 및 전류파형을 각각 보여준다.

도 3a 내지 3c에 보여진 바와 같이, 위상을 제어하는 부하(조광기)의 경우에도 전압과 전류의 위상이 같고 정상 동작시 전압은 사인파 형태를 유지한다. 하지만, 전류는 정상 동작시에도 아크와 유사한 형태를 보이고 이는 아크차단기의 오동작을 발생시키는 요소가 된다. 전류의 파형이 전압을 기준으로 보면 그 동작 위상의 범위가 약 30도에서 150도, 210도에서 330도 정도의 사이에 있음을 볼 수 있다. 따라서, 약 30도에서 150도, 210도에서 330도 사이에서 발생하는 아크는 부하적인 특성으로 간주할 수 있다.

이에 근거하여, 본 발명은 전류의 왜곡지점과 전압위상을 비교하여 동작위상범위 내에서 발생하는 아크에 대해서는 부하특성으로 판단하여 오동작을 보완할 수 있도록 하는 데 있다.

교류 라인(AC Line)을 통해 전원이 유입되면, CT(10)는 교류 전원 라인상에 흐르는 전류를 아크검출부(20)로 출력한다. 아크검출부(20)는 CT(10)로부터 부하 전류를 인가받아 아크 결합 발생 여부를 판단하게 된다. 여기서, 아크검출부(20)는 도 4에 보여진 바와 같이 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시키기 위한 대역통과필터(Band Pass Filter; BPF)(21)와, 단일펄스발생기(23)로 구성된다.

일반 동작시에는 도 5a의 (가) 파형의 부하전류가 아크검출부(20)의 BPF(21)로 입력된다. 이때, BPF(21)의 출력은 도 5a의 (나)와 같다.

아크 발생시에는 도 5b의 (가) 파형의 부하전류가 BPF(21)로 입력된다. 도 5b의 (가) 파형을 보면, 전류의 제로교차 지점 즉, 위상각 0도(180도, 360도) 부근에서 왜곡이 발생한다. 이때, BPF(21)는 도 5b의 (가) 파형 신호를 필터링하여 왜곡이 발생한 위치 즉 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시킨다. BPF(21)의 출력은 도 5b의 (나)와 같다.

단일펄스발생기(23)는 BPF(21)를 통과한 도 5b의 (나) 파형과 같은 고주파 특성의 신호가 일정한 레벨 이상이 되었을 경우에만 도 5c의 (나) 파형과 같이 일정레벨의 단일펄스를 발생시켜 마이크로프로세서(40)로 인가한다.

한편, 교류 라인을 통해 전원이 유입되면 전압위상검출부(30)는 현재 입력되는 전압에 대한 위상 즉, 전압주기를 검출한다. 여기서, 전압위상검출부(30)는 도 6에 보여진 바와 같이, 정류기(31), 스케일링(33), 및 포토커플러(35)로 구성된다.

정류기(31)는 교류 라인(AC Line)을 통해 현재 입력되는 전압을 전파정류한다. 여기서, 정류기(31)는 4개의 다이오드로 이루어진 브리지회로를 채용하였지만, 이에 한정되지는 않는다.

도 7a 내지 7c는 위상검출부(30) 각 구성의 입출력 전압 및 전류 파형의 예를 보여준다.

정류기(31)는 부하의 전압과 전류의 위상이 같은 도 7a 파형의 입력전압을 반파정류하여 도 7b 파형의 신호를 출력한다.

스케일링(33)은 정류기(31)에서 반파정류된 도 7b 파형의 신호를 인가받아 스케일링한다. 현재 입력되고 있는 전압이 220V, 주파수가 60㎐인 경우, 스케일링(33)에서는 도 7b 파형의 반파정류 출력을 스케일링하여 5V 전압, 60㎐ 주파수로 변동시켜 포토커플러(35)로 출력한다.

포토커플러(35)는 스케일링된 신호를 인가받아 "턴-온(ON)/오프(OFF)" 동작하여 도 7c 파형의 전압에 대한 위상을 나타내는 신호를 마이크로프로세서(40)로 출력한다.

마이크로프로세서(40)는 전압위상검출부(20)에서 검출된 전압위상을 바탕으로 도 8에 보여진 바와 같이 아크인정구간과 오동작인정구간을 설정하고, 아크검출부(20)의 출력인 전류파형을 비교하여 설정된 아크인정구간에서 발생하는 아크신호에 대해서만 아크로 인정하고, 그외 구간 즉 오동작인정구간에서 발생하는 아크신호에 대해서는 부하특성으로 판별한다. 즉, 도 8 파형의 전압을 기준으로 보았을 때 위상각 0∼30도, 160∼180도, 180∼210도, 340∼360도 부근을 아크인정구간으로 한다. 마이크로프로세서(40)는 아크특성으로 판단되면 전원을 차단시켜 감전이나 화재 및 부하의 손상을 방지하게 한다.

따라서, 본 발명은 전압위상을 기준으로 아크발생위치를 고려하여 부하특성에 대한 오동작을 확실하게 차단할 수 있게 된다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : CT 20 : 아크검출부
21 : 대역통과필터(BPF) 23 : 단일펄스발생기
30 : 전압위상검출부 31 : 정류기
33 : 스케일링 35 : 포토커플러
40 : 마이크로프로세서

Claims (8)

1. 아크 검출의 신뢰성을 향상시키기 위한 장치에 있어서,
   외부전압 입력라인과 부하단 사이에 설치되는 CT;
   상기 CT로부터 아크 결함에 의한 전류를 검출하는 아크검출부;
   상기 외부전압 입력라인에 현재 입력되고 있는 전압의 위상을 검출하는 전압위상검출부; 및
   상기 검출된 전압위상과 전류를 비교하여 아크인식구간의 전압위상에서 전류에 아크가 발생되면 아크특성으로 판단하고, 그외 구간의 전압위상에서 전류에 아크가 발생되면 부하특성으로 판단하는 마이크로프로세서를 포함하며,
   상기 전압위상검출부는
   입력 전압을 반파정류하는 정류기;
   상기 반파정류된 입력 전압을 스케일링하는 스케일링; 및
   상기 스케일링된 입력 전압의 신호파형에 따라 동작하여 전압에 대한 위상을 나타내는 신호파형을 출력하는 포토커플러를 구비함을 특징으로 하는 아크 검출장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 아크검출부는
   아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시키기 위한 대역통과필터; 및
   상기 대역통과필터를 통과한 고주파 특성의 신호가 일정한 레벨 이상이 되었을 경우에만 일정레벨의 단일펄스를 발생시키는 단일펄스발생기를 구비함을 특징으로 하는 아크 검출장치.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 상기 검출된 전압 위상을 토대로 아크인식구간과 아크제외구간으로 구분 설정하여 상기 아크가 발생된 위치가 아크인식구간이면 아크특성으로 판별하고, 아크제외구간이면 부하특성으로 판별함을 특징으로 하는 아크 검출장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 전압위상을 기준으로 0도, 180도, 360도 부근의 일정범위를 아크인식구간으로 설정함을 특징으로 하는 아크 검출장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 아크인식구간은 전압위상 0에서 30도, 160에서 180도, 180에서 210도, 340에서 360도의 범위인 것을 특징으로 하는 아크 검출장치.
7. 아크 검출의 신뢰성을 향상시키기 위한 방법에 있어서,
   (1) 교류 전원 라인 상에 흐르는 전류 파형은 필터링하여 고주파 특성을 나타내는 아크신호를 검출하고, 전압 파형은 정류한 후 스케일링하여 전압위상을 검출하는 단계; 및
   (2) 상기 검출된 전압위상을 토대로 아크인식구간을 설정하여 상기 검출된 아크의 발생위치가 설정된 아크인식구간이면 아크특성으로, 그외 구간이면 부하특성으로 구분하여 판단하는 단계를 포함하는 아크 검출방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 단계 (2)는
   (2a) 상기 검출된 전압 위상을 토대로 제로교차 지점의 각 위상이 포함된 일정한 범위를 아크인식구간으로, 그 이외의 부하 동작위상 범위를 아크제외구간으로 구분 설정하는 단계; 및
   (2b) 상기 검출된 아크 발생 위치가 아크인식구간이면 아크특성으로 판별하고, 아크제외구간이면 부하특성으로 판별하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 아크 검출방법.

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