KR102017805B1 - 누전 차단기 - Google Patents

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KR102017805B1
KR102017805B1 KR1020180036112A KR20180036112A KR102017805B1 KR 102017805 B1 KR102017805 B1 KR 102017805B1 KR 1020180036112 A KR1020180036112 A KR 1020180036112A KR 20180036112 A KR20180036112 A KR 20180036112A KR 102017805 B1 KR102017805 B1 KR 102017805B1
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유재영
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Abstract

본 발명은 회로 상의 교류 성분의 누설 전류뿐 아니라 직류 맥동 성분의 누설 전류에 대해 신뢰성 있는 검출과 그에 응답한 회로차단이 가능한 누전 차단기를 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따른 누전 차단기는, 회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력하는 누설 전류 검출 부; 상기 전류 검출 부가 출력한 누설 전류 검출 신호에 기초하여, 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 출력하는 변환 부; 및 상기 변환 부가 출력하는 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 제3 고조파 성분의 비율과, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 발생 여부 또는 직류 성분의 누설전류의 발생 여부를 결정하고, 직류 또는 교류 성분의 누설전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력하는 제어 부;를 포함한다.

Description

누전 차단기{EARTH LEAKAGE CIRCUIT BREAKER}
본 발명은 누전 차단기에 관한 것이다.
(특허문헌 1) KR10-1616797 B1
종래기술은 회로 상의 교류 성분의 누설 전류에 대한 검출과 그에 응답한 회로차단은 가능하였지만, 회로 상의 직류 성분(직류 맥동 성분) 누설 전류에 대한 검출과 그에 응답한 회로차단이 신뢰성 있게 가능한 누전 차단기를 개시하지 못하였다.
본 발명의 목적은 회로 상의 교류 성분의 누설 전류뿐 아니라 직류 맥동 성분의 누설 전류에 대해 신뢰성 있는 검출과 그에 응답한 회로차단이 가능한 누전 차단기를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은, 누전 차단기에 있어서, 회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력하는 누설 전류 검출 부; 상기 전류 검출 부가 출력한 누설 전류 검출 신호에 기초하여, 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 출력하는 변환 부; 및 상기 변환 부가 출력하는 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 제3 고조파 성분의 비율과, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 발생 여부 또는 직류 맥동 성분의 누설전류의 발생 여부를 결정하고, 직류 맥동 성분 또는 교류 성분의 누설전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력하는 제어 부;를 포함하는 본 발명에 따른 누전 차단기를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 양상에 따라서, 상기 변환 부는, 아날로그 신호인 상기 누설 전류 검출 신호를 샘플링하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 부; 상기 변환된 시간 영역의 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 이산 푸리에 변환 부; 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호를 근거로, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와 상기 제3 고조파 성분의 크기를 결정하고, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 상기 제3 고조파 성분의 크기의 비율인 제3 고조파 성분 비율을 산출하는 교류 성분 변환 부; 및 이산 푸리에 변환된 디지털 데이터를 근거로, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 산출하는 직류 맥동 성분 변환 부;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 일 양상에 따라서, 상기 대응 기준 값들은, 누설 전류에 대한 감도에 따라 설정되는 제 1 기준 전류 값; 및 회로 차단이 필요한 상기 누설 전류를 구별하도록 설정되고 상기 제 1 기준 전류 값을 초과하는 제 2 기준 전류 값을 포함한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 양상에 따라서, 상기 제어 부는, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 2 기준 전류 값보다 작지 않으면 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 교류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 양상에 따라서, 상기 제어 부는, 상기 제3 고조파 성분 비율을 미리 설정된 기준 제3 고조파 성분 비율과 비교하여, 상기 제3 고조파 성분 비율이 상기 기준 제3 고조파 성분 비율보다 작으면 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 교류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 양상에 따라서, 상기 제어 부는, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 미리 설정된 기준 비율보다 작지 않으면, 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 직류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 양상에 따라서, 상기 제어 부는, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 미리 설정된 상기 기준 비율보다 작으면, 계수된 발생 횟수를 초기화하도록 구성된다.
본 발명에 따른 누전 차단기는, 회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력하는 누설 전류 검출 부; 상기 전류 검출 부가 출력한 누설 전류 검출 신호에 기초하여, 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 출력하는 변환 부; 및 상기 변환 부가 출력하는 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 제3 고조파 성분 비율과, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 발생 여부 또는 직류 성분의 누설전류의 발생 여부를 결정하고, 직류 또는 교류 성분의 누설전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력하는 제어 부를 포함하므로, 회로 상의 교류 성분 누설 전류의 발생을 평형 전류(3상 평형 전류 또는 정상 전류)와 구별하여 신뢰성 있게 검출하고 회로를 차단할 수 있을 뿐 아니라 회로 상의 직류 성분 누설 전류의 발생도 평형 전류와 구별하여 신뢰성 있게 검출하고 회로를 차단할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 변환 부는, 아날로그 신호인 상기 누설 전류 검출 신호를 샘플링하여 시간영역의 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 부; 상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 이산 푸리에 변환 부; 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호를 근거로, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와 제3 고조파 성분 누설 전류 크기를 결정하고, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분 누설 전류의 크기 비인 상기 제3 고조파 성분 비율을 산출하는 교류 성분 변환 부; 및 이산 푸리에 변환된 디지털 데이터를 근거로, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 산출하는 직류 성분 변환 부를 포함하므로, 회로 상의 교류 성분 누설 전류 또는 지락 전류를 회로 차단하지 않아야 하는 평형 전류(3상 평형 전류 또는 정상 전류)와 구별할 수 있도록 기본 파 성분의 누설 전류 크기 및 제3 고조파 성분의 비율을 산출하여 상기 제어 부에 제공할 수 있고, 회로 상의 직류 성분 누설 전류를 평형 전류와 구별할 수 있도록 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 산출하여 상기 제어 부에 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 대응 기준 값들은, 누설 전류에 대한 감도에 따라 설정되는 제 1 기준 전류 값 및 회로 차단이 필요한 상기 누설 전류를 구별하도록 설정되고 상기 제 1 기준 전류 값을 초과하는 제 2 기준 전류 값을 포함하므로, 누설 전류의 판정을 위한 기준 전류 값을 예비 경계수준인 1차적 기준 값(제 1 기준 전류 값)과 회로 차단 결정의 기준인 제 2 기준 전류 값으로 나누어 누설 전류에 대해 수준별로 경고와 차단의 단계적 동작을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 제어 부는, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 2 기준 전류 값보다 작지 않으면 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 교류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성되므로, 전력 계통의 정상전류가 누설된 누설 전류 크기(기본 파 성분의 누설 전류 크기)가 회로 차단 수준을 초과했을 때에도 해당 초과상태가 지속될 때만 최종적으로 회로를 차단함으로써, 일시적 누설 전류에 따른 오 동작 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 제어 부는, 상기 제3 고조파 성분의 비율을 미리 설정된 기준 제3 고조파 성분 비율과 비교하여, 상기 제3 고조파 성분의 비율이 상기 기준 제3 고조파 성분 비율보다 작으면 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 교류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성되므로, 회로 차단하지 않아야 하는 평형 전류(3상 평형 전류 또는 정상 전류)와 회로 차단해야 할 회로 상의 교류 성분 누설 전류 또는 지락 전류를 정확히 구별하여 회로 차단이 가능하며, 누설 전류가 발생했을 때도 지속적일 때만 최종적으로 회로를 차단함으로써 일시적 누설 전류에 따른 오 동작 발생도 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 제어 부는, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 미리 설정된 기준 비율보다 작지 않으면, 발생 횟수를 계수하고, 계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 직류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성되므로, 회로 차단하지 않아야 하는 평형 전류(3상 평형 전류 또는 정상 전류)와 회로 차단해야 할 회로 상의 직류 성분 누설 전류를 정확히 구별하여 회로 차단이 가능하며, 직류 누설 전류가 발생했을 때도 지속적일 때만 최종적으로 회로를 차단함으로써 일시적 직류 누설 전류에 따른 오 동작 발생도 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기에 있어서, 상기 제어 부는, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 비율보다 작으면, 계수된 발생 횟수를 초기화하도록 구성되므로, 일시적 직류 누설 전류의 발생 상태로부터 회로가 정상화되면 바로 발생 횟수 계수를 초기화하여 정상 상태에서 누전 차단기가 차단동작을 하는 오 동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 누전 차단기의 전기적 구성을 보여주는 블록 도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 누전 차단기에 있어서 변환 부의 상세 구성을 보여주는 블록 도이며,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 누전 차단기의 제어 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
상술한 본 발명의 목적 및 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 누전 차단기의 전기적 구성을 보여주는 블록 도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 누전 차단 기의 제어 동작을 보여주는 순서 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 누전 차단기는, 누설 전류 검출 부(140), 변환 부(263) 및 제어 부(160)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 누전 차단기는, 전원 처리 부(110), 전원 공급 부(120), 트립 코일 부(130), 전류 처리 부(150)를 더 포함할 수 있다.
전원 처리 부(110)는 회로 상에서 공급되는 교류 전원을 처리할 수 있다. 여기서, 전원 처리 부(110)는 정류 회로로 구성되어 상기 교류 전원의 교류를 직류로 변환할 수 있다. 그리고 전원 처리 부(110)는 전원 공급 부(120)에 직류 전원을 전달할 수 있다.
전원 공급 부(120)는 본 발명에 따른 누전 차단기의 전기적 구성 부의 동작에 필요한 직류 전원을 공급할 수 있다. 이를 위해서 전원 공급 부(120)는 직류-직류 변환기 회로로 구성되어 전원 처리 부(110)로부터 제공된 직류 전원을 누전 차단기의 전기적 구성 부의 동작에 필요한 직류 전원, 예컨대 직류 5볼트(V)로 변환하여 트립 코일 부(130) 및 제어 부(160)에 제공할 수 있다.
트립 코일 부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 스위치(예컨대 싸이리스터 또는 SCR 등으로 구성; 231)와 트립 코일(trip coil; 233)을 포함할 수 있다.
반도체 스위치(231)는 제어 부(160)의 제어(트립 제어 신호)에 응답하여 턴 온(turn on)되거나 턴 오프(turn off)될 수 있다. 즉, 제어 부(160)로부터 트립 제어 신호가 게이트(gate)에 공급되면, 반도체 스위치(S231)는 턴 온되고, 제어 부(160)로부터 트립 제어 신호가 게이트에 공급되지 않으면, 반도체 스위치(S231)는 턴 오프될 수 있다.
반도체 스위치(231)가 턴 온되면, 전원 공급 부(120)와 반도체 스위치(231) 및 트립 코일(233)이 폐 회로를 형성함에 따라 전원 공급 부(120)로부터의 직류 전원이 트립 코일(233)에 공급되고, 트립 코일(233)이 여자(magnetizing)된다.
반도체 스위치(231)가 턴 오프되면, 전원 공급 부(120)와 반도체 스위치(231) 및 트립 코일(233)의 회로가 개방됨에 따라 전원 공급 부(120)로부터의 직류 전원이 트립 코일(233)에 공급되지 않고, 트립 코일(233)이 소자(demagnetizing)된다.
트립 코일(233)이 여자되면, 잘 알려진 바와 같이 누전 차단기의 미 도시한 아마추어(armature)가 누전차단기의 개폐기구(switching mechanism)을 트립 동작하도록 트리거(trigger)함에 의해서 개폐기구가 트립 동작하고, 미 도시한 가동접점이 대응 고정접점으로부터 분리됨에 따라 회로가 차단될 수 있다.
누설 전류 검출 부(140)는 회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력한다. 이를 위해서 누설 전류 검출 부(140)는, 도 1에 도시된 바와 같이 회로가 관통하도록 설치되는 링(ring)형의 코어(core)와, 해당 코어에 감겨서 누설 전류 검출 신호를 출력하는 2차 권선을 포함하는 잘 알려진 영상 변류기(ZCT; zero currenttransformer; 240)로 구성될 수 있다.
전류 처리 부(150)는 누설 전류 검출 부(140)와 제어 부(160)사이에 설치되어, 누설 전류 검출 부(140)가 검출하는 상기 누설 전류 검출 신호를 아날로그 신호 상태에서 처리한다. 여기서 처리는 아날로그 전압 신호로 변환하는 것과 고주파 노이즈를 제거하는 것을 포함한다. 이를 위해 전류 처리 부(150)는 상기 누설 전류 검출 신호를 아날로그 전압 신호로 변환하기 위한 션트 저항(shunt resistor; 251)과, 상기 누설 전류 검출 신호에 혼입될 수 있는 고주파 노이즈를 제거하기 위한 저역 통과 필터 부(253)를 포함할 수 있다.
제어 부(160)는 아날로그-디지털 변환 부, 이산 푸리에 변환 부, 입력 신호에 대한 연산 및 처리를 담당하는 중앙처리장치, 미리 저장되는 연산 및 처리 프로그램을 저장하는 프로그램 저장용 메모리, 미리 설정되는 기준 값이나 연산 값을 저장하는 메모리 등을 포함하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit), 마이크로 프로세서(Micro Processor) 또는 마이크로 컴퓨터(Micro Computer) 등으로 구성될 수 있다.
제어 부(160)는, 상기 변환 부(263)가 출력하는 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 발생 여부 또는 직류 성분의 누설전류의 발생 여부를 결정하고, 직류 또는 교류 성분의 누설전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력한다.
제어 부(160)는, 누설 전류 검출 부(140)에서 검출하는 누설 전류 검출 신호에 근거하여 전류가 이상 전류인 지의 여부를 판단할 수 있다. 여기서 이상 전류는 회로에 누설(누전)이나 지락(ground fault)이 발생했을 때 그에 따라 누설 전류 검출 부(140)의 영상 변류 기의 2차 권선에 상기 누설 검출 신호로서 유도되는 불 평형 전류(3상 전류의 합이 0이 아닌 불 평형 전류)를 나타내며, 평형 전류(3상 전류의 합이 0인 평형 전류)와 구분될 수 있다. 여기서, 제어 부(160)는 미리 설정된 시간 간격을 주기로, 누설 전류 검출 부(140)에서 검출되는 상기 누설 검출 신호를 근거로 회로 상의 이상 전류 발생 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 시간 간격은 10 밀리 초(millisecond; ms)일 수 있다. 이 때 제어 부(160)는 전류의(상기 누설 전류 검출 신호의) 기본 파 성분(정상적인 전력 계통의 예컨대 60Hz 교류 파형 성분)의 크기에 기반하여, 회로 상 누설전류의 발생 여부(누전 발생 여부)를 판단(결정)할 수 있다.
이를 위해 제어 부(160)는, 도 1에 도시된 바와 같이 설정 부(261), 상기 변환 부(263), 판단 부(265) 및 명령 부(267)를 포함할 수 있다.
설정 부(261)는 미 도시한 설정 수단을 통해 입력된 설정 데이터를 저장하는 수단이다. 여기서 상기 설정 수단은 미 도시한 복수의 설정 스위치 또는 설정 놉(knob), 누전 차단기와 별도로 구성되고 입출력 포트와 같은 접속수단을 통해 접속될 수 있는 키이 패드(key pad), 누전 차단기에 부설되어 외부의 유선 또는 무선 통신 네트워크를 통해 수신되는 설정 데이터를 입력하는 통신부 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
설정 부(261)는 적어도 하나의 비교 파라미터의 설정 값을 입력하고 저장할 수 있다. 이 때 비교 파라미터는 기본 파 성분의 누설 전류 크기의 정상여부를 결정하기 위한 기준 값(후술하는 제1 기준 전류 값 및 제2 기준 전류 값), 제3 고조파 성분의 비율의 정상여부를 결정하기 위한 기준 비율로서 임계 성분비, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율에 대해서 정상여부를 결정하기 위한 기준 비율로서 기준 극성 피크 비, 비정상 상태의 발생 횟수의 누적 계수 값과 비교에 의해 상기 트립 제어 신호의 발출 여부를 결정하기 위한 임계 발생 횟수를 포함할 수 있다.
여기서, 기본 파 성분의 누설 전류 크기의 기준 값은 누설 전류에 대한 감도에 따라 설정되는 제1 기준 전류 값 및 이상 전류를 구별하도록 설정되고 제1 기준 전류 값을 초과하는 제2 기준 전류 값을 포함할 수 있다.
다시 말해서, 제1 기준 전류 값은 누전 차단기에 있어서 누설 전류의 크기에 따른 누설 전류 발생 여부의 결정 감도를 구분하는 기준 값을 나타내며, 예컨대 0 내지 10 암페어(A) 중 어느 한 값으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 누전 차단기가 고감도이면, 제1 기준 전류 값은 0 내지 100 밀리암페어(mA) 중 어느 한 값으로 설정되고, 누전 차단기가 중 감도이면, 제1 기준 전류 값은 100 밀리암페어(mA) 내지 2 암페어(A) 중 어느 한 값으로 설정되고, 누전 차단기가 저 감도이면, 제1 기준 전류 값은 2 암페어(A) 내지 10 암페어(A) 중 어느 한 값으로 설정될 수 있다.
여기서, 제2 기준 전류 값은 상기 누설 전류 검출 신호에 대해서 회로 상 누설 전류 발생 상태와 회로 상 평형 전류 상태(정상 상태)를 구별하기 위한 기준 값을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 제2 기준 전류 값은 2.5 암페어(A)로 설정될 수 있다.
다음으로 회로 상의 평형 전류 상태와 누설 전류 발생 상태를 구별하기 위해서 제3 고조파 성분의 임계 성분비는 바람직한 실시 예에 따라서 50 퍼센트(%)로 설정될 수 있다. 여기서 제3 고조파 성분의 성분비는 주파수 영역에서 기본 파 성분의 크기(Amplitude; 단위 Volt) 대비 제3 고조파 성분의 크기의 비율(%)를 의미할 수 있다. 따라서, 상기 변환 부(263)가 제공하는 상기 누설 전류 검출 신호의 디지털 변환 및 이산 푸리에 변환된 데이터를 기초로 산출한 제3 고조파 성분의 비율이 50(%) 미만이면, 제어 부(160)는 회로 상 누설 전류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
한편, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 기준 극성 피크 비는 바람직한 실시 예에 따라서 150(%)로 설정될 수 있다. 여기서 극성 피크 비는 양극 맥동 피크 전류 값 대비 음극 맥동 피크 전류 값의 비율(단위 %)로서 평형 전류의 상태인 경우 양극 맥동 피크 전류 값 대비 음극 맥동 피크 전류 값의 비율(단위 %)은 거의 100%에 가깝게 된다.
따라서, 상기 변환 부(263)가 제공하는 상기 누설 전류 검출 신호의 디지털 변환 및 이산 푸리에 변환된 데이터를 기초로 산출한 제3 고조파 성분의 비율이 150(%) 보다 작지 않으면, 제어 부(160)는 회로 상 누설 전류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
상기 변환 부(263)는 아날로그-디지털 변환 부(ADC; Analog to Digital Converter)(263a)와 이산 푸리에 변환 부(DFT; Discrete Fourier Transformer)(263b), 교류 성분 변환 부(263c) 및 직류 성분 변환 부(263d)를 포함할 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환 부(263a)는 누설 전류 검출 부(140)가 검출하고 전류 처리 부(150)를 통해서 아날로그 전압 신호로 변환되고 고주파 노이즈가 제거된 상기 누설 전류 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환할 수 있다.
상기 이산 푸리에 변환 부(263b)는 상기 아날로그-디지털 변환 부(263a)에 의해서 변환된 시간영역의 디지털 신호를 푸리에 변환을 통해서 주파수 영역의 디지털 신호로 변환한다.
교류 성분 변환 부(263c)는 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호(디지털 데이터를 근거로, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기(기본 파 성분의 크기) 및 상기 제3 고조파 성분의 크기를 결정하고, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기(기본 파 성분의 크기) 대비 상기 제3 고조파 성분의 크기의 비인 상기 제3 고조파 성분의 비율을 산출할 수 있다.
직류 성분 변환 부(263d)는 이산 푸리에 변환된 디지털 신호를 근거로, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 산출할 수 있다.
따라서, 상기 변환 부(263)는 상기 이산 푸리에 변환 부에 의해 변환된 주파수 영역의 디지털 신호를 근거로 제어 부(160)가 상기 기본 파 성분의 크기, 상기 제3 고조파 성분의 비 및 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비를 산출하는 것이 가능하다.
판단 부(265)는 상기 기본 파 성분의 크기, 상기 제3 고조파 성분의 비 및 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비에 기반하여, 회로에 누설전류(또는 지락 전류)가 발생했는지 여부를 결정할 수 있다. 이를 위해, 판단 부(265)는 상기 기본 파 성분의 크기, 상기 제3 고조파 성분의 비 및 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비를 대응하는 기준 파라미터와 비교할 수 있다. 여기서, 기준 파라미터는 상술한 제1 기준 전류 값, 제2 기준 전류 값, 제3 고조파 성분의 임계 성분비 및 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 기준 극성 피크 비이다.
상기 비교결과 비정상인 것으로 판단되면, 판단 부(265)는 발생 횟수의 계수 값을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 판단 부(265)는 상기 발생 횟수를 최초 발생이라면 0에서 1로 또는 기존에 3번 발생했다면 3에서 4로, 1만큼 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 비교결과 정상인 것으로 판단(회로의 3상 전류가 평형 상태인 것으로 판단)되면, 판단 부(265)는 상기 발생 횟수의 계수 값을 0으로 초기화할 수 있다.
명령 부(267)는 판단 부(265)의 판단 결과에 기반하여, 트립 코일 부(130)에 트립 제어 신호를 출력할 수 있다. 즉, 판단 부(265)가 상기 발생 횟수의 계수 값이 미리 설정된 상기 임계 발생 횟수 전류보다 작지 않은 것으로 결정하면, 명령 부(267)가 트립 코일 부(130)에 상기 트립 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편 도 2를 주로 참조하고 도 1을 보조적을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 누전 차단기의 동작을 설명한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 본 발명의 누전 차단기의 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
먼저 단계 S1에서, 본 발명의 누전 차단기에 있어서 누설 전류 검출 부(140)는 회로 상에서 누전 발생시 3상 평형이 이루어지지 않고 불 평형 전류가 발생함에 따라 이를 영상 변류기의 2차 권선을 통해서 유도하여 상기 누설 전류 검출 신호로서 출력한다.
또한 단계 S1에서, 본 발명의 누전 차단기에 있어서 전류 처리 부(150)는 누설 전류 검출 부(140)가 검출한 상기 누설 전류 검출 신호를 션트 저항(251)에 의해 아날로그 전압 신호로 변환하고, 저역 통과 필터 부(253)를 통해서 상기 누설 전류 검출 신호에 혼입될 수 있는 고주파 노이즈를 제거한 후 제어 부(160)에 제공한다.
이후, 단계 S2에서 제어 부(160)의 변환 부(263)는 전류 처리 부(150)가 아날로그 전압 신호로서 제공하는 상기 누설 전류 검출 신호를 아날로그-디지털 변환 부를 통해서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 시간 영역의 디지털 신호를 다시 이산 푸리에 변환 부를 통해서 주파수 영역의 디지털 신호로 변환한다.
이후, 단계 S3에서 제어 부(160)의 변환 부(263)는 주파수 영역으로 변환된 상기 디지털 신호를 근거로 기본 파 성분의 크기(Amplitude; 단위 Volt)와, 제3 고조파 성분의 비 및 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비를 산출한다.
이후, 단계 S4에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 기본 파 성분의 크기를 설정 부(261)로부터 읽어온 상기 제1 기준 전류 값과 비교한다.
단계 S4에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 기본 파 성분의 크기가 설정 부(261)로부터 읽어온 상기 제1 기준 전류 값 보다 작지 않으면 단계 S5로 진행하고, 단계 S4에서 상기 기본 파 성분의 크기가 상기 제1 기준 전류 값 보다 작으면 제어 부(160)의 판단 부(265)는 제어동작을 단계 S3으로 복귀한다.
단계 S5에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 기본 파 성분의 크기를 설정 부(261)로부터 읽어온 상기 제2 기준 전류 값과 비교한다.
단계 S5에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 기본 파 성분의 크기가 설정 부(261)로부터 읽어온 상기 제2 기준 전류 값 보다 작지 않으면 단계 S8로 진행하고, 단계 S5에서 상기 기본 파 성분의 크기가 상기 제2 기준 전류 값 보다 작으면 단계 S6로 진행한다.
단계 S6로 진행하면, 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 기본 파 성분의 누설 전류 크기(기본 파 성분의 크기) 대비 상기 제3 고조파 성분의 크기의 비인 상기 제3 고조파 성분의 비(비율)를 설정 부(261)로부터 읽어온 제3 고조파 성분의 임계 성분비(실시 예상 50%)와 비교한다.
단계 S6에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 제3 고조파 성분의 비가 설정 부(261)로부터 읽어온 제3 고조파 성분의 임계 성분비(실시 예상 50%) 보다 작으면 단계 S8로 진행하고, 단계 S6에서 상기 제3 고조파 성분의 비가 제3 고조파 성분의 임계 성분비(실시 예상 50%) 보다 작지 않으면 단계 S7로 진행한다.
단계 S7로 진행하면, 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263)가 제공한 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 설정 부(261)로부터 읽어온 기준 극성 피크 비와 비교한다.
단계 S7는 세부동작 단계로서 단계 S7-1과 S7-2로 나눠서 실행될 수 있다.
단계 S7-1에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 변환 부(263) 중 직류 성분 변환 부(263d)가 제공한 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 설정 부(261)로부터 읽어온 기준 극성 피크 비와 비교한다.
단계 S7-1에서 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 극성 피크 비 보다 작으면 제어 부(160)의 판단 부(265)는 제어 동작단계를 단계 S8-1로 진행하고, 단계 S7-1에서 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 극성 피크 비 보다 작지 않으면 제어 부(160)의 판단 부(265)는 제어 동작단계를 단계 S7-2로 진행하여 직류 성분 누설전류의 발생을 결정한다.
단계 S5에서 변환 부(263)가 제공한 상기 기본 파 성분의 크기가 설정 부(261)로부터 읽어온 상기 제2 기준 전류 값 보다 작지 않거나, 단계 S6에서 변환 부(263)가 제공한 상기 제3 고조파 성분의 비가 설정 부(261)로부터 읽어온 제3 고조파 성분의 임계 성분비(실시 예상 50%) 보다 작으면, 단계 S8로 진행하여 제어 부(160)의 판단 부(265)는 교류성분 누설전류의 발생을 결정하고, 단계 S9로 진행한다.
단계 S9에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 발생 횟수의 계수치를 "1" 증가 시킨다.
단계 S7-1에서 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 극성 피크 비 보다 작으면, 이 상태는 기본 파 성분의 크기도 차단이 필요한 정도가 아니고 누설전류나 지락전류가 회로 상에 발생한 것으로 보기도 곤란하고 직류 성분 누설전류가 발생한 것도 아닌 것이므로, 단계 S8-1에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 회로 상의 3상 전류가 정상(3상 평형)인 상태인 것으로 간주하고 발생 횟수의 계수치를 0으로 초기화한다.
이후 단계 S10에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 발생 횟수의 계수치가 미리 설정된 차단(트립)이 요구되는 기준 횟수에 도달했는지 판단한다.
여기서, 발생 횟수 1은, 누설 전류 또는 지락 전류가 회로에 10 밀리 초(ms) 동안 발생되고 있음을 나타내고, 발생 횟수 2는, 누설 전류 또는 지락 전류가 20 밀리 초(ms) 동안 발생되고 있음을 나타내며, 발생 횟수 10은, 누설 전류 또는 지락 전류가 100 밀리 초(ms) 동안 발생되고 있음을 나타낼 수 있다.
예를 들면, 차단이 요구되는 기준 횟수는 10으로 설정될 수 있다.
또한 단계 S10에서 제어 부(160)의 판단 부(265)는 발생 횟수의 계수치가 미리 설정된 차단(트립)이 요구되는 기준 횟수에 도달했으면 즉 두 값이 같으면, 명령 부(267)에 발생 횟수의 계수치가 미리 설정된 기준 횟수에 도달한 상태를 통지한다.
이에 응답하여 단계 S11에서 제어 부(160)의 명령 부(267)는 최종적으로 트립 제어 신호를 출력한다.
해당 트립 제어 신호는 반도체 스위치(231)을 턴 온 시킴으로써 전원ㄴ 공급 부(120)로부터 직류 전원이 트립 코일(233)에 공급되게 하여 트립 코일(233)을 여자(magnetizing)시킨다. 트립 코일(233)의 여자에 의해 미 도시한 아마추어(armature)가 이동하면서 개폐기구(switching)를 트립 동작하도록 트리거(trigger)함에 따라 누전 차단기가 트립(자동 회로차단) 동작하고, 따라서 누전 또는 지락이 발생한 회로는 차단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 누전 차단기는, 회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력하는 누설 전류 검출 부; 상기 전류 검출 부가 출력한 누설 전류 검출 신호에 기초하여, 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 출력하는 변환 부; 및 상기 변환 부가 출력하는 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 제3 고조파 성분 비율과, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 발생 여부 또는 직류 성분의 누설전류의 발생 여부를 결정하고, 직류 또는 교류 성분의 누설전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력하는 제어 부를 포함하므로, 회로 상의 교류 성분 누설 전류의 발생을 평형 전류(3상 평형 전류 또는 정상 전류)와 구별하여 신뢰성 있게 검출하고 회로를 차단할 수 있을 뿐 아니라 회로 상의 직류 성분 누설 전류의 발생도 평형 전류와 구별하여 신뢰성 있게 검출하고 회로를 차단할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
110: 전원 처리 부 120: 전원 공급 부
130: 트립 코일 부 140: 누설 전류 검출 부
150: 전류 처리 부 160: 제어 부
231: 반도체 스위치 233: 트립 코일
251: 션트 저항 253: 저역 통과 필터 부
261: 설정 부 263: 변환 부
265: 판단 부 267: 명령 부

Claims (7)

  1. 누전 차단기에 있어서,
    회로로부터 누설된 전류에 따른 누설 전류 검출 신호를 출력하는 누설 전류 검출 부;
    상기 전류 검출 부가 출력한 누설 전류 검출 신호에 기초하여, 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분의 비율과, 양극 맥동 피크 전류 값에 대한 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 출력하는 변환 부; 및
    상기 변환 부가 출력하는 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분의 비율과, 상기 양극 맥동 피크 전류 값에 대한 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 미리 설정된 대응 기준 값들과 비교하여, 교류 성분의 누설전류 또는 직류 성분의 누설전류의 발생 여부를 포함하는 이상 전류의 발생 여부를 결정하고, 상기 이상 전류 발생 결정 시 트립 제어 신호를 출력하는 제어 부;를 포함하고
    상기 대응 기준 값들은 누설 전류에 대한 감도에 따라 설정되는 제 1 기준 전류 값, 회로 차단이 필요한 상기 누설 전류를 구별하도록 설정되며 상기 제 1 기준 전류 값을 초과하는 제 2 기준 전류 값, 상기 제3 고조파 성분의 비율의 정상 여부를 결정하기 위한 임계 성분비, 상기 양극 맥동 피크 전류 값에 대한과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율의 정상 여부를 결정하기 위한 기준 극성 피크 비를 포함하고
    상기 제어 부는,
    상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 1 기준 전류 값보다 작지 않고 상기 제 2 기준 전류 값보다 작으며
    상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분의 비율이 상기 임계 성분비보다 작지 않고
    상기 양극 맥동 피크 전류 값에 대한과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 극성 피크 비보다 작은 경우 상기 회로의 전류가 3상 평형인 것으로 결정하고 그렇지 않은 경우 이상 전류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 변환 부는,
    아날로그 신호인 상기 누설 전류 검출 신호를 샘플링(sampling)하여 시간영역의 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 부;
    상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 이산 푸리에 변환 부;
    상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호를 근거로, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기와 제3 고조파 성분의 크기를 결정하고, 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 상기 제3 고조파 성분의 크기의 비율인 제3 고조파 성분 비율을 산출하는 교류 성분 변환 부; 및
    이산 푸리에 변환된 디지털 신호를 근거로, 상기 양극 맥동 피크 전류 값과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율을 산출하는 직류 성분 변환 부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 부는,
    (1) 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 1 기준 전류 값 및 상기 제 2 기준 전류 값보다 작지 않은 경우
    (2) 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 1 기준 전류 값보다 작지 않고 상기 제 2 기준 전류 값보다 작지만 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분의 비율이 상기 임계 성분비보다 작은 경우
    (3) 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기가 상기 제 1 기준 전류 값보다 작지 않고 상기 제 2 기준 전류 값보다 작으며 상기 기본 파 성분의 누설 전류 크기에 대한 제3 고조파 성분의 비율이 상기 임계 성분비보다 작지 않지만 상기 양극 맥동 피크 전류 값에 대한과 음극 맥동 피크 전류 값의 비율이 상기 기준 극성 피크 비보다 작지 않은 경우 중에서
    상기 (1) 및 (2)의 경우 교류 성분의 누설 전류가 발생한 것으로 결정하고
    상기 (3)의 경우 직류 성분의 누설 전류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제어 부는,
    상기 회로의 전류가 3상 평형이 아닌 것으로 결정한 경우 발생 횟수를 계수하고,
    계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 이상 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 제어 부는,
    상기 (1) 또는 (2)에 해당하는 경우 그 발생 횟수를 계수하고,
    계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 교류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 제어 부는,
    상기 (3)에 해당하는 경우 그 발생 횟수를 계수하고,
    계수된 발생 횟수가 미리 결정된 임계 값에 도달하면, 직류 성분 누설 전류 발생으로 결정하여 트립 제어 신호를 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 제어 부는,
    상기 회로의 전류가 3상 평형인 것으로 결정한 경우 계수된 발생 횟수를 초기화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
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