KR101955245B1 - 리액턴스형 누설전류에 의한 오동작을 개선할 수 있는 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기 - Google Patents

리액턴스형 누설전류에 의한 오동작을 개선할 수 있는 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 누전에 의한 누설전류 발생 시에 전원으로부터 전기선로에 공급되는 전력의 공급을 차단하는 차단 신호를 출력하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로로, 누설전류 처리부와 누설전류 처리부가 출력하는 트립 신호에 따라서 동작하여 차단신호를 출력하는 출력부를 포함하고, 전원전압이 0(V)가 될 때마다 전원전압 펄스신호를 출력하는 전원전압 영점검출기와, 전원전압 펄스신호가 입력되면 미리 정해진 수(N)를 계수하는 계수기와, 입력유도전압이 0(V)가 될 때마다 누설전류 펄스신호를 출력하는 입력유도전압 영점검출기와, 누설전류 펄스신호가 입력되면 계수기가 계수한 계수 값을 래치하여 래치된 계수 값을 출력하는 계수기 래치와, 래치 된 계수 값과 입력유도전압 및 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하는 출력유도전압 설정부와, 출력유도전압을 미리 정해진 트립 레벨과 비교하고, 출력유도전압의 크기가 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 비교기를 포함하여 구성된다.

Description

리액턴스형 누설전류에 의한 오동작을 개선할 수 있는 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기{INTEGRATED CIRCUIT FOR LEAKAGE CURRENT DETECTION AND EARTH LEAKAGE CIRCUIT BREAKER HAVING THE SAME}
본 발명은 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기에 관한 것으로, 특히, 코일 등에 의해 발생하는 유도리액턴스형 누설전류나 축전기와 같은 정전용량에 의해 발생하는 용량리액턴스형 누설전류와 같은 리액턴스형 누설전류에 의한 누전차단기의 오동작을 개선할 수 있는 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기에 관한 것이다.
각종 전기선로나 기기 등의 지락(地絡)에 의한 누전을 검출하고, 누전이 검출되면 당해 전기선로 등으로 공급되는 전력공급을 차단함으로써 전기선로나 기기 등에 공급되는 전력의 공급을 중단시키는 장치로 누전차단기가 널리 사용되고 있다.
일반적으로 누설전류는 선로의 노후화 또는 손상에 의해 발생하는 저항형 누설전류와 선로와 대지 사이에 발생하는 유도성 또는 용량성 리액턴스에 의해 발생하는 리액턴스형 누설전류가 있다.
이들 누설전류 중 저항형 누설전류는 전원전압과 위상이 동일하며, 열의 발생에 의한 화재의 위험성이 크다.
그러나 리액턴스형 누설전류, 특히 그 중에서도 전기선로와 대지 사이의 정전용량에 의해 발생하는 용량리액턴스형 누설전류는 전원전압보다 위상이 90도 빠르고, 또, 코일 등에 의해 발생하는 유도리액턴형 누설전류는 전원전압보다 위상이 90도 늦으며, 이와 리액턴스형 누설전류는 열의 발생이 없어서 화재 발생의 위험도 적다.
종래의 누전차단기용 누설전류 검출용 집적회로에서는 사실상 화재의 위험성을 수반하지 않는 리액턴스형 누설전류에 의해서도 동작하며, 일단 지락에 의한 누설전류가 발생하면 그 누설전류가 저항형 누설전류인가 또는 리액턴스형 누설전류인가에 관계없이 당해 누설전류에 의한 유도전압의 크기가 트립 레벨을 넘으면 무조건 차단신호를 출력하여 누전차단기를 동작시킨다는 문제가 있었다.
한편, 이와 같은 문제의 해결방안으로 특허문헌 1에 기재된 기술이 있다.
도 1은 특허문헌 1에 기재된 위상각 산출방식에 의한 누전차단기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 것과 같이, 종래의 누전차단기는 전원선과 중성선 사이에 연결되어 전원전압을 입력하는 전압인가부(20)와, 전압인가부(20)로부터 입력되는 전압을 감압하는 감압트랜스(22)와, 감압트랜스(22)에 의해 감압된 전압에서 상용전원 주파수 전압만 통과시키고 고조파와 노이즈를 제거하는 고조파 및 노이즈 제거필터 1(24)과, 고조파 및 노이즈 제거필터 1(24)로부터 출력되는 전압의 위상을 검출하여 위상각 연산부(28)에 제공하는 전압위상 검출부(26)와, 전원선과 중성선 사이의 전류 차를 측정하는 전류감지 클램프(40)와, 전류감지 클램프(40)가 측정한 전류의 양을 검출하는 전류 센싱회로(42)와, 전류 센싱회로(42)의 출력을 증폭하는 증폭회로(44)와, 증폭회로(44)의 출력 중 고조파 및 노이즈 신호는 제거하고 상용전원 주파수 전류만 통과시키는 고조파 및 노이즈 제거필터 2(46)와, 고조파 및 노이즈 제거필터 2(46)가 제공되는 아날로그 전류 값을 디지털 값으로 변환시켜 누설전류분석회로(52)로 송신하는 전류측정 A/D 컨버터(48)와, 고조파 및 노이즈 제거필터 2(46)에서 제공되는 전류의 위상을 검출하여 위상각 연산부(28)로 송신하는 전류위상 검출부(50)와, 전압위상 검출부(26)에서 제공되는 전압 위상 값과 전류위상 검출부(50)로부터 제공되는 전류 위상 값을 이용하여 위상각을 계산하는 위상각 연산부(28)와, 위상각 연산부(28)에서 제공되는 위상각과 전류측정 A/D 컨버터(48)에서 측정된 누설전류 벡터 합(Io)을 이용하여 저항형 누전전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)를 산출하는 누설전류분석회로(52)와, 누설전류분석회로(52)가 분석한 저항형 누전전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)를 이용하여 누전차단이 필요한 경우에는 누전차단기를 동작시키는 누전차단기 제어회로(56)를 포함한다.
특허문헌 1에 기재된 종래기술에 의하면 용량 리액턴스형 누설전류에 의한 누전의 경우에는 그 누설전류의 크기가 저항형 누설전류의 대략 5배 정도의 큰 값에 도달한 때에만 누전차단기를 동작시키므로, 단지 용량리액턴스형 누설전류에 의한 불필요한 누전차단동작을 방지할 수 있다는 효과만을 얻을 수 있을 것으로 보인다.
그러나 특허문헌 1의 종래기술의 누전차단기는 그 구성이 복잡하고, 부품 수가 많으며, 이에 따른 누전차단기 동작 여부 판단과정도 복잡하며, 이는 비용 증가로 이어진다는 등의 문제가 있다.
등록특허 10-0876651호 공보((2009. 01. 09. 공고)
본 발명은 종래기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 구성이 간단하고, 부품 수가 적으면서도 효과적으로 용량리액턴스형 누설전류와 유도리액턴스형 누설전류를 모두 포함한 리액턴스형 누설전류에 의한 누전차단기의 동작을 개선할 수 있는 누설전류 검출용 집적회로 및 이 집적회로를 갖는 누전차단기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 누설전류 검출용 집적회로는, 누전에 의한 누설전류 발생 시에 전원으로부터 전기선로에 공급되는 전력의 공급을 차단하는 차단 신호를 출력하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로로, 상기 전원의 전원전압이 0(V)인 점에서부터 미리 정해진 수(N)를 계수하고, 상기 전원의 전원전압이 0(V)인 점에서부터 미리 정해진 수(N)를 계수하고, 상기 누설전류로부터 산출된 입력유도전압이 0(V)가 되는 점에서 상기 계수한 계수 값을 래치(latch) 하며, 래치된 계수 값과 상기 입력유도전압 및 상기 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하고, 산출한 상기 출력유도전압의 크기가 미리 정해진 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 누설전류 처리부와, 상기 트립 신호에 따라서 동작하여 상기 차단신호를 출력하는 출력부를 포함한다.
또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 누전차단기는, 상기 누설전류 검출용 반도체 집적회로와, 상기 입력유도전압을 산출하는 누전신호 입력부와, 상기 차단신호에 의해 동작하여 상기 전기선로를 차단하는 트립 수단을 포함한다.
본 발명의 누전차단기에 의하면 화재 등의 위험이 큰 저항형 누전에 대해서는 비교적 작은 누설전류에 대해서도 민감하게 동작하여 전기선로를 차단하나, 상대적으로 화재의 위험 등이 작은 리액턴스형 누전에 대해서는 저항형 누설전류에 비해 상대적으로 큰 누설전류가 발생한 때에만 차단동작을 하므로, 용량 및 유도 리액턴스와 같은 리액턴스형 누전 발생 시에 누전차단기가 불필요하게 차단동작을 하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 누전차단기의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.
또, 본 발명의 누전차단기에 의하면 종래의 누전차단기에 비해 간단한 구성 및 동작에 의해 저항형 누전과 리액턴스형 누전을 구분할 수 있고, 그 중 저항형 누설전류가 리액턴스형 누설전류에 비해 상대적으로 커서 화재의 위험이 큰 때에만 누전차단기를 동작시켜서 전기선로를 차단하도록 하고 있으므로, 적은 비용으로 신뢰성이 높은 누전차단기를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 위상각 산출방식에 의한 누전차단기의 개략적인 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 누전차단기의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 도 2의 누설전류 처리부의 세부 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 저항형 누설전류에 의한 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도,
도 5는 용량리액턴스형 누설전류에 의한 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도,
도 6은 저항형과 용량리액턴스형 누설전류가 혼합된 형태의 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도,
도 7은 저항형과 용량리액턴스형 누설전류가 혼합된 형태의 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도,
도 8은 30㎃ 용량의 누전차단기의 차단범위의 한 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 누전차단기에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 누전차단기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태의 누전차단기(100)는 전압변환부(110)와 누전신호 입력부(130)와 누설전류 검출용 집적회로(150)를 포함한다.
전압변환부(110)는 미 도시의 전원으로부터 공급되는 전원전압(Vin)을 누설전류 검출용 집적회로(150)에 사용하기에 적합한 전압으로 변환하여 후술하는 누설전류 검출용 집적회로(150)의 신호발생부(151)에 공급한다.
누전신호 입력부(130)는 전기선로에 설치되어서 전기선로나 기기 등에 지락이 발생한 때에 당해 전기선로에 흐르는 누설전류를 검출하는 미 도시의 영상변류기로부터 입력하는 누설전류(Ir)를 입력하며, 영상변류기로부터 입력되는 누설전류(Ir)는 누전신호 입력부(130)에서 입력유도전압(Vii)으로 변환되어서 누설전류 검출용 집적회로(150)에 공급된다.
영상변류기, 전압변환부(110) 및 누전신호 입력부(130)는 모두 공지의 구성이므로 여기에서는 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
누설전류 검출용 집적회로(150)는 영상변류기에 의해 검출되어서 누전신호 입력부(130)를 통해서 입력되는 누설전류(Ir)에 의해 전기선로 등의 누전 여부를 판정하고, 판정결과 전기선로 등에 누전이 발생한 때에는 전기선로를 전원으로부터 분리하기 위한 트립 신호를 출력한다.
누설전류 검출용 집적회로(150)는 신호발생부(151)와 누설전류 처리부(153)와 신호처리부(155) 및 출력부(157)를 포함한다.
신호발생부(151)는 전압변환부(110)로부터 입력되는 전압을 이용하여 각 부에 필요한 신호를 생성하여 누설전류 처리부(153), 신호처리부(155) 및 출력부(157) 등의 각 부에 공급한다.
누설전류 처리부(153)는 미 도시의 영상변류기로부터 누전신호 입력부(130)를 통해서 출력되는 입력유도전압(Vii) 신호와 미 도시의 전원으로부터 입력되는 전원전압(Vin) 신호를 이용하여 필요한 처리를 실행하고 그 결과를 신호처리부(155)에 출력하며, 상세에 대해서는 후술한다.
신호처리부(155)는 누설전류 처리부(153)로부터 출력되는 트립 신호(TP)에 대해 예를 들어 증폭 등의 필요한 처리를 실행하여 출력부(157)에 출력한다.
출력부(157)는 신호처리부(155)로부터 출력되는 출력신호에 따라서 동작하여 미 도시의 누전차단기의 트립 코일을 동작시키기 위한 차단신호(Tout)를 출력하여 전기선로를 차단하도록 한다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시형태의 누설전류 처리부(153)의 상세에 대해서 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 3은 누설전류 처리부(153)의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
누설전류 처리부(153)는 전원전압 영점검출기(1531)와 입력유도전압 영점검출기(1532)와 주파수 발진기(1533)와 계수기(1534)와 계수기 래치(1535)와 선택기(1536)와 출력유도전압 설정부(1537)와 비교기(1538)를 포함한다.
전원전압 영점검출기(1531)는 미 도시의 전원으로부터 입력하는 전원전압(Vin)의 크기가 0(V)가 될 때마다 펄스신호(Pin)(이하, 본 명세서에서는 「전원전압 펄스신호(Pin)」라 한다)를 발생하여 계수기(1534)에 출력한다.
입력유도전압 영점검출기(1532)는 누전신호 입력부(130)가 출력하는 입력유도전압(Vii)의 크기가 0(V)가 될 때마다 펄스신호(Pii)(이하, 본 명세서에서 「누설전류 펄스신호(Pii)」라 한다)를 발생하여 계수기 래치(1535)에 출력한다.
주파수 발진기(1533)는 일정한 주파수의 펄스신호를 계수기(1534)에 출력한다.
계수기(1534)는 전원전압(Vin)의 1/2 주기 동안 미리 정해진 수, 즉, 전원전압 영점검출기(1531)가 0(V)를 검출할 때마다 예를 들어 0부터 N-1까지 N 개의 수를 계수(count)한다. 따라서 계수기(1534)는 전원전압 영점검출기(1531)로부터 전원전압 펄스신호(Pin)가 입력되면 계수를 시작하여 0부터 N-1까지 미리 정해진 N개의 수를 계수하는 동시에, 그 계수 값을 차례로 계수기 래치(1535)로 출력하고, 전원전압 영점검출기(1531)로부터 새로운 전원전압 펄스신호(Pin)가 입력되면 이전에 하던 계수를 초기화하고 다시 0부터 계수를 시작한다.
계수기 래치(1535)는 계수기(1534)가 계수한 계수 값을 입력하며, 입력유도전압 영점검출기(1532)로부터 누설전류 펄스신호(Pii)가 입력되면 계수기(1534)로부터 입력하는 계수 값을 래치(latch) 하고, 래치된 계수 값(LT)을 선택기(1536)에 출력한다.
선택기(1536)는 출력유도전압 설정부(1537)의 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT)에 대응하는 출력유도전압 연산부를 선택하고, 래치된 계수 값(LT)을 선택한 출력유도전압 연산부에 출력한다.
출력유도전압 설정부(1537)는 전원전압(Vin)의 1/2주기 동안 계수기(1534)가 계수하는 수(N)에 대응하는 개수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1)로 구성되어 있고, 각 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1)는 각각 수학식 1을 이용하여 누전신호 입력부(130)로부터 입력되는 입력유도전압(Vii)과 선택기(1536)로부터 입력하는 래치된 계수 값(LT)에 대응하는 출력유도전압(Vio)을 산출하고, 산출한 출력유도전압(Vio)을 비교기(1538)에 출력한다.
Figure 112018053900167-pat00001
여기서, Vio는 출력유도전압, LT는 누설전류 펄스신호(Pii)에 의해 래치된 계수 값, N은 전원전압(Vin)의 1/2 주기 동안 계수기(1534)가 계수하는 최대 계수 값, Vii는 누전신호 입력부(130)가 누설전류(Ir)로부터 산출한 입력유도전압이다.
비교기(1538)는 출력유도전압 설정부(1537)에 의해 산출된 출력유도전압(Vio)과 미리 설정된 트립 레벨((+) 트립 레벨 또는 (-) 트립 레벨)을 비교하여, 만일 출력유도전압(Vio)의 크기가 트립 레벨보다 크면 신호처리부(155)에 트립 신호(TP)를 출력한다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시형태의 누전차단기(100)의 동작에 대해서 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 저항형 누설전류 만에 의한 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도, 도 5는 용량리액턴스형 누설전류 만에 의한 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍도, 도 6과 도 7은 저항형 누설전류와 용량리액턴스형 누설전류가 혼합된 형태의 누전 시의 누전차단기의 동작을 나타내는 타이밍 도이다.
먼저, 도 4의 저항형 누설전류 만에 의한 누전 시의 동작에 대해서 설명한다.
전기선로에 누전이 발생하여 미 도시의 영상변류기로부터 저항형 누설전류(Ir)가 입력되면 누전신호 입력부(130)는 이를 입력유도전압(Vii)으로 변환하여 누설전류 처리부(153)에 출력한다.
동시에, 누설전류 처리부(153)의 전원전압 영점검출기(1531)는 전원전압(Vin)이 0(V)가 될 때마다 계수기(1534)에 전원전압 펄스신호(Pin)를 출력하며, 이 전원전압 펄스신호(Pin)에 의해 계수기(1534)는 다음 전원전압 펄스신호(Pin)가 입력될 때까지 0부터 N-1까지 미리 정해진 N개의 수를 계수하는 동시에, 계수한 계수 값을 계수기 래치(1535)에 출력한다. 여기서, 미리 정해진 수(N)가 예를 들어서 도 5와 같이 8인 경우 계수기(1534)는 다음 전원전압 펄스신호(Pin)가 입력될 때까지 0 내지 7까지를 순차 계수한다.
또, 누전신호 입력부(130)로부터 입력유도전압(Vii)이 입력되면 누설전류 처리부(153)의 입력유도전압 영점검출기(1532)는 입력유도전압(Vii)이 0(V)가 될 때마다 계수기 래치(1535)에 누설전류 펄스신호(Pii)를 출력하며, 계수기 래치(1535)는 이 누설전류 펄스신호(Pii)가 입력되면 계수기(1534)로부터 입력되는 계수 값을 래치하고, 래치된 계수 값(LT)을 선택기(1536)에 출력한다.
이어서, 선택기(1536)는 출력유도전압 설정부(1537)의 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT)에 대응하는 출력유도전압 연산부를 선택하여 래치된 계수 값(LT)을 출력하며, 선택된 출력유도전압 연산부는 누전신호 입력부(130)로부터 입력하는 입력유도전압(Vii)과 래치된 계수 값(LT)을 이용하여 수학식 1에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하고, 산출한 입력유도전압(Vii)을 비교기(1538)에 출력한다.
도 4의 예와 같이 영상변류기로부터 입력하는 누설전류가 저항형 누설전류만인 때에는 누전신호 입력부(130)로 입력하는 누설전류(Ir)의 위상은 전원전압(Vin)의 위상과 동일하므로 누전신호 입력부(130)가 출력하는 입력유도전압(Vii)의 위상도 전원전압(Vin)의 위상과 동일하며, 따라서 전원전압 펄스신호(Pin)의 위상과 누설전류 펄스신호(Pii)의 위상도 동위상이 되어서 래치된 계수 값(LT)은 0이 되며, 이에 의해 선택기(1536)는 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 첫 번째 출력유도전압 연산부(1537-0)를 선택하여 래치된 계수 값(LT) 0을 출력한다.
이어서, 선택기(1536)에 의해 선택된 출력유도전압 연산부(1537-0)는 수학식 1에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하며, 이때 출력유도전압 연산부(1537-0)에 의해 산출되는 출력유도전압(Vio)은 다음 수학식 2와 같다. 즉,
Figure 112018053900167-pat00002
가 되며, 출력유도전압 연산부(1537-0)는 산출한 출력유도전압 (Vio=-Vii)을 비교기(1538)에 출력한다.
이어서, 비교기(1538)는 출력유도전압 연산부(1537-0)로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)을 트립 레벨(TL)과 비교하여 출력유도전압 설정부(1537)(연산부(1537-0))로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)이 트립 레벨보다 큰가 여부를 확인하여 트립 신호(TP) 출력 여부를 결정하며, 도 4의 예에서는 출력유도전압(Vio)이 트립 레벨보다 크므로 신호처리부(155)에 트립 신호(TP)를 출력하며, 이에 의해 출력부(157)는 미 도시의 트립 코일을 동작시켜서 차단신호(Tout)를 출력하여 전기선로를 차단한다.
다음에, 도 5의 예와 같이 영상변류기로부터 입력하는 누설전류가 용량리액턴스형 누설전류만인 때에는 누전신호 입력부(130)로 입력하는 누설전류(Ir)의 위상은 전원전압(Vin)의 위상보다 90도 빠르므로 누전신호 입력부(130)가 출력하는 입력유도전압(Vii)의 위상도 전원전압(Vin)의 위상보다 90도 빠르며, 따라서 누설전류 펄스신호(Pii)의 위상도 전원전압 펄스신호(Pin)의 위상보다 90도 빠르므로, 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT)은 도 4의 예에서는 4가 되며, 이에 의해 선택기(1536)는 출력유도전압 설정부(1537)의 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 다섯 번째 출력유도전압 연산부(1537-4)를 선택하여 래치된 계수 값(LT) 4를 출력한다.
이어서, 선택기(1536)에 의해 선택된 출력유도전압 연산부(1537-4)는 수학식 1에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하며, 이때 출력유도전압 연산부(1537-4)에 의해 산출되는 출력유도전압(Vio)은 다음 수학식 3과 같이 된다. 즉,
Figure 112018053900167-pat00003
이 되며, 출력유도전압 연산부(1537-4)는 산출한 출력유도전압 (Vio=0)을 비교기(1538)에 출력한다.
이어서, 비교기(1538)는 출력유도전압 연산부(1537-4)로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)을 트립 레벨(TL)과 비교하며, 그 결과 출력유도전압 연산부(1537-4)로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)이 트립 레벨보다 작으므로 비교기(1538)는 신호처리부(155)에 트립 신호(TP)를 출력하지 않으며, 따라서 출력부(157)도 미 도시의 트립 코일에 차단신호(Tout)를 출력하지 않는다.
한편, 유도리액턴스형 누전에 의한 누설전류는 용량리액턴스형 누전에 의한 누설전류와 반대로 누설전류(Ir)의 위상이 전원전압(Vin)의 위상보다 90도 늦으므로 입력유도전압(Vii)의 위상도 전원전압(Vin)의 위상보다 90도 늦다는 점 이외에는 용량리액턴스형 누전에 의한 누설전류의 예와 동일하므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
다음에, 도 6 및 도 7의 예와 같이 영상변류기로부터 입력하는 누설전류가 저항형 누설전류와 용량리액턴스형 누설전류가 합성된 누설전류인 경우의 누전차단기(100)의 동작에 대해서 설명한다. 예를 들어 전기용접기와 같이 용량성 부하를 사용하는 경우가 본 예에 해당한다고 할 수 있으며, 도 6과 도 7은 합성 누설전류의 크기는 동일하나 저항형 누설전류와 용량리액턴스형 누설전류의 비율이 다른 경우에 관한 예로, 도 6은 저항형 누설전류가 트립 레벨보다 큰 경우의 예를, 도 7은 저항형 누설전류가 트립 레벨보다 작은 경우의 예를 각각 나타내고 있다.
먼저, 도 6과 같이 저항형 누설전류가 용량리액턴스형 누설전류에 비해 상대적으로 커서, 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT)이 7인 경우, 선택기(1536)는 출력유도전압 설정부(1537)의 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 여덟 번째 출력유도전압 연산부(1537-N-1)를 선택하여 래치된 계수 값(LT) 7을 출력하고, 선택기(1536)에 의해 선택된 출력유도전압 연산부(1537-N-1)는 수학식 1에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하며, 이때 출력유도전압 연산부(1537-N-1)에 의해 산출되는 출력유도전압(Vio)은 다음 수학식 4와 같이 된다. 즉,
Figure 112018053900167-pat00004
가 되며, 출력유도전압 연산부(1537-0)는 산출한 출력유도전압 (Vio=-Vii)을 비교기(1538)에 출력하며, 도 6의 예에서는 출력유도전압 연산부(1537-7)로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)이 트립 레벨보다 크므로 비교기(1538)는 신호처리부(155)에 트립 신호(TP)를 출력하며, 이에 의해 출력부(157)는 미 도시의 트립 코일을 동작시키기 위한 차단신호(Tout)를 출력하여 전기선로를 차단한다.
이와는 달리 도 7의 경우, 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT)이 5이므로 선택기(1536)는 출력유도전압 설정부(1537)의 복수의 출력유도전압 연산부(1537-0, 1537-1, …, 1537-N-1) 중 여섯 번째 출력유도전압 연산부(1537-5)를 선택하여 래치된 계수 값(LT) 5를 출력하고, 출력유도전압 연산부(1537-5)는 수학식 1을 이용하여 다음 수학식 5와 같은 출력유도전압(Vio)을 산출한다. 즉, 출력유도전압 연산부(1537-5)에 의해 산출된 출력유도전압(Vio)은,
Figure 112018053900167-pat00005
가 되며, 도 7의 예에서는 출력유도전압 연산부(1537-5)로부터 출력하는 출력유도전압(Vio)이 트립 레벨보다 작으므로 비교기(1538)는 신호처리부(155)에 트립 신호(TP)를 출력하지 않으며, 따라서 출력부(157)도 미 도시의 트립 코일에 차단신호(Tout)를 출력하지 않는다.
도 6 및 도 7의 예에서 보는 것과 같이, 영상변류기로부터 입력하는 누설전류가 저항형 누설전류와 리액턴스형 누설전류가 합성된 누전에 의한 합성 누설전류인 경우, 이들 합성 누설전류 중 저항형 누설전류가 트립 레벨보다 큰 때에는 본 발명의 누설전류 처리부(153)는 트립 신호(TP)를 출력하여 누전차단기를 동작시켜서 부하 측을 전원으로부터 차단하나, 합성 누설전류 중 저항형 누설전류가 트립 레벨보다 작은 때에는 본 발명의 누설전류 처리부(153)는 트립 신호(TP)를 출력하지 않으며, 따라서 누전차단기도 차단동작을 하지 않는다.
표 1은 전원전압(Vin) 1/2주기 동안 계수기(1534)가 계수하는 계수 값의 최대치가 8, 즉, N=8인 때에 영상변류기로부터 입력하는 누설전류(Ir)와 전원전압(Vin) 사이의 위상차에 따라서 계수기 래치(1535)에 의해 래치된 계수 값(LT) 별 출력유도전압(Vio)을 나타낸 것이다.
위상 래치된 계수 값(LT) 출력유도전압(Vio)
0 0 -Vii
22.5 1 -3/4Vii
45 2 -1/2Vii
67.5 3 -1/4Vii
90 4 0
-67.5 5 1/4Vii
-45 6 1/2Vii
-22.5 7 3/4Vii
도 8은 30㎃ 용량의 누전차단기의 차단범위의 한 예를 나타내는 도면으로, 점선 A는 종래 방식의 누전차단기의 차단범위를, 점선 B는 본 실시형태의 누전차단기의 차단범위를 각각 나타내며, 도 8에서 보는 것과 같이, 종래 방식의 누전차단기는 저항형 누설전류 및 용량리액턴스형 누설전류 모두 23㎃에서 차단동작을 하였으나, 본 실시형태의 누전차단기에서는 저항형 누설전류에 대해서는 20㎃에서 차단동작을 실행하나 용량리액턴스형 누설전류는 90㎃에서 차단동작을 실행함을 알 수 있으며, 따라서 본 실시형태의 누전차단기에 의하면 화재 등의 위험이 큰 저항형 누전에 대해서는 비교적 작은 누설전류에 대해서도 민감하게 동작하나, 상대적으로 화재의 위험 등이 작은 용량 및 유도리액턴스형 누전에 대해서는 저항형 누전에 비해 상대적으로 큰 누설전류가 발생한 때에만 차단동작을 함을 알 수 있다.
따라서 리액턴스형 누전 발생 시에 누전차단기가 불필요하게 차단동작을 하는 것을 방지할 수 있으므로 누전차단기의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.
또, 이상 설명한 본 실시형태의 누전차단기(100)에 의하면 종래의 누전차단기에 비해 간단한 구성 및 동작에 의해 저항형 누전과 리액턴스형 누전을 구분할 수 있고, 그 중 저항형 누설전류가 리액턴스형 누설전류에 비해 상대적으로 커서 화재의 위험이 큰 때에만 누전차단기를 동작시켜서 부하 측을 전원으로부터 차단하도록 하고 있으므로, 적은 비용으로 신뢰성이 높은 누전차단기를 제공할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
상기 실시형태에서는 출력유도전압 설정부(1537)는 수학식 1에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하는 것으로 설명하였으나, 출력유도전압 설정부(1537)는 다음 수학식 6에 의해 출력유도전압(Vio)을 산출하는 것으로 해도 좋다.
Figure 112018053900167-pat00006
여기서, Vio는 출력유도전압, LT는 누설전류 펄스신호(Pii)에 의해 래치된 계수 값, N은 전원전압(Vin)의 1/2 주기 동안 계수기(1534)가 계수하는 최대 계수 값, Vii는 누전신호 입력부(130)가 누설전류(Ir)로부터 산출한 입력유도전압이며, kLT는 보정계수이다.
보정계수 kLT는 계수기 래치(1535)가 출력하는 래치된 계수 값(LT) 별로 미리 설정된 값이며, 누전차단기가 차단동작을 하는 누설전류의 범위는 도 8의 실선 C와 같이 선형인 것이 바람직하나, 전원전압의 1/2 주기 동안 계수기(1534)가 계수하는 수가 N개로 구분되어 있으므로 도 8의 점선 B와 같이, 상기 실시형태의 누전차단기가 차단동작을 하는 누설전류의 범위는 계단형이 될 수밖에 없으며, 보정계수 kLT는 본 발명의 누전차단기가 차단동작을 실행하는 범위가 도 8의 실선 C와 같은 선형에 가까워지도록 출력유도전압 설정부(1537)가 산출하는 출력유도전압(Vio)의 값을 보정하기 위한 값이며, 사전 테스트 등에 의해 미리 설정되는 값이다.
100 누전차단기
130 누전신호 입력부
150 누설전류 검출용 집적회로
151 신호발생부
153 누설전류 처리부
155 신호처리부
157 출력부
1531 전원전압 영점검출기
1532 입력유도전압 영점검출기
1534 계수기)
1535 래치
1536 선택기
1537 출력유도전압 설정부
1538 비교기

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 누전에 의한 누설전류 발생 시에 전원으로부터 전기선로에 공급되는 전력의 공급을 차단하는 차단 신호를 출력하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로로,
    상기 전원의 전원전압이 0(V)인 점에서부터 미리 정해진 수(N)를 계수하고, 상기 누설전류로부터 산출된 입력유도전압이 0(V)가 되는 점에서 상기 계수한 계수 값을 래치(latch) 하며, 래치된 계수 값과 상기 입력유도전압 및 상기 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하고, 산출한 상기 출력유도전압의 크기가 미리 정해진 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 누설전류 처리부와,
    상기 트립 신호에 따라서 동작하여 상기 차단신호를 출력하는 출력부를 포함하며,
    상기 누설전류 처리부는 다음 식에 의해 상기 출력유도전압을 산출하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로.
    Figure 112018114689619-pat00007

    여기서, Vio는 출력유도전압, LT는 래치된 계수 값, N은 전원전압의 1/2 주기 동안 계수하는 계수 값의 최대치, Vii는 입력유도전압이다.
  3. 누전에 의한 누설전류 발생 시에 전원으로부터 전기선로에 공급되는 전력의 공급을 차단하는 차단 신호를 출력하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로로,
    상기 전원의 전원전압이 0(V)인 점에서부터 미리 정해진 수(N)를 계수하고, 상기 누설전류로부터 산출된 입력유도전압이 0(V)가 되는 점에서 상기 계수한 계수 값을 래치(latch) 하며, 래치된 계수 값과 상기 입력유도전압 및 상기 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하고, 산출한 상기 출력유도전압의 크기가 미리 정해진 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 누설전류 처리부와,
    상기 트립 신호에 따라서 동작하여 상기 차단신호를 출력하는 출력부를 포함하며,
    상기 누설전류 처리부는 다음 식에 의해 상기 출력유도전압을 산출하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로.
    Figure 112018114689619-pat00008

    여기서, Vio는 출력유도전압, kLT는 보정계수, LT는 래치된 계수 값, N은 전원전압의 1/2 주기 동안 계수하는 계수 값의 최대치, Vii는 입력유도전압이다.
  4. 누전에 의한 누설전류 발생 시에 전원으로부터 전기선로에 공급되는 전력의 공급을 차단하는 차단 신호를 출력하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로로,
    상기 전원의 전원전압이 0(V)인 점에서부터 미리 정해진 수(N)를 계수하고, 상기 누설전류로부터 산출된 입력유도전압이 0(V)가 되는 점에서 상기 계수한 계수 값을 래치(latch) 하며, 래치된 계수 값과 상기 입력유도전압 및 상기 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하고, 산출한 상기 출력유도전압의 크기가 미리 정해진 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 누설전류 처리부와,
    상기 트립 신호에 따라서 동작하여 상기 차단신호를 출력하는 출력부를 포함하며,
    상기 누설전류 처리부는,
    상기 전원전압이 0(V)가 될 때마다 전원전압 펄스신호를 출력하는 전원전압 영점검출기와,
    상기 전원전압 펄스신호가 입력되면 상기 미리 정해진 수(N)를 계수하는 계수기와,
    상기 입력유도전압이 0(V)가 될 때마다 누설전류 펄스신호를 출력하는 입력유도전압 영점검출기와,
    상기 누설전류 펄스신호가 입력되면 상기 계수기가 계수한 계수 값을 래치하여 상기 래치된 계수 값을 출력하는 계수기 래치와,
    상기 래치 된 계수 값과 상기 입력유도전압 및 상기 미리 정해진 수(N)로부터 출력유도전압을 산출하는 출력유도전압 설정부와,
    상기 출력유도전압을 미리 정해진 트립 레벨과 비교하고, 상기 출력유도전압의 크기가 상기 트립 레벨보다 크면 트립 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 누설전류 검출용 반도체 집적회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 출력유도전압 설정부는 상기 전원전압의 1/2주기 동안 상기 계수기가 계수하는 수(N)와 동일한 개수의 복수의 출력유도전압 연산부를 구비하고,
    상기 누설전류 처리부는, 상기 복수의 출력유도전압 연산부 중 상기 래치된 계수 값에 대응하는 출력유도전압 연산부를 선택하고, 선택한 출력유도전압 연산부에 상기 래치된 계수 값을 출력하는 선택기를 더 포함하며,
    상기 출력유도전압은 상기 선택기에 의해 선택된 출력유도전압 연산부에 의해 산출되는 누설전류 검출용 반도체 집적회로.
  6. 청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 누설전류 검출용 반도체 집적회로와,
    상기 입력유도전압을 산출하는 누전신호 입력부와,
    상기 차단신호에 의해 동작하여 상기 전기선로를 차단하는 트립 수단을 포함하는 누전차단기.
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