KR102063287B1 - 전력 위상 측정과 아크 검출에 기초한 전원 차단 방법 및 장치 - Google Patents

전력 위상 측정과 아크 검출에 기초한 전원 차단 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 위상 측정과 아크 검출에 기초한 전원 차단 방법 및 장치에관한 것으로서, 변류기(CT), 전압 검출기 등에서 측정된 값이 주제어부에 입력될 때 전압과 전류의 위상 비교로 미리 정한 임계치 이상의 값인지 여부를 정확히 판단함으로써, 부하측의 아크에 의한 빠르고 정확한 전원 차단으로 화재나 후속 회로의 보호 등 재난에 효과적으로 대비할 수 있는 전원 차단 방법 및 장치를 제공한다.

Description

전력 위상 측정과 아크 검출에 기초한 전원 차단 방법 및 장치{Circuit Breaker Based on Phase Measurement and Arc Detection of Power Level and Method thereof}
본 발명은 전원을 공급받는 부하를 보호하기 위하여 전원 투입을 차단하되, 전압과 전류의 위상 측정으로 부하측 아크 검출이 빠르고 정확한 전원 차단이 이루어지는 전원 차단 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 누전 차단기와 같은 전원 차단 장치는 가정, 상가, 공장, 사무실, 백화점 등의 분전반 등에 설치되어, 부하측 누전, 배선 단락 등의 경우에 발생하는 과전류에 따라 전자석 또는 바이메탈이 동작하여 전원 공급선으로부터 내부 부하로 인입되는 전선과의 콘택(contact)이 이격되도록 오프됨으로써 내부 부하로 전원 공급을 차단시킨다. 일반적으로 누전 차단기는, 링구조의 ZCT(Zero Phase Current Transformer, 영상변류기)를 이용한다. ZCT는 테스트 전류가 인가되거나 부하측 누전전류 발생의 경우에 이를 감지하여 트립장치가 동작하게 함으로써, 전원 공급선의 인입단자와 내부 부하에 연결된 부하단자 간의 연결을 끊어 내부 부하로의 전원 공급이 차단되도록 한다. 또한, 일반적으로 분전반 등에는 누전 차단기와 함께 부하측 순간적인 과전류나 과전압을 검출하여 부하로의 전원 차단이 이루어지도록 한다.
그러나, 전선 자체의 결함 발생에 의하거나 전선들 사이 또는 전선과 접지 사이의 단락으로 인한 아크 발생 시에 부하로의 전원 차단이 신속히 이루어지지 못하여 화재 또는 후속 회로의 보호를 위한 빠르고 정확한 전원 차단 방식이 요구되고 있다.
관련선행문헌으로서 특허출원번호 제10-2012-0122027호 (2012.12.31.) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 변류기(CT), 전압 검출기 등에서 측정된 값이 주제어부에 입력될 때 전압과 전류의 위상 비교로 미리 정한 임계치 이상의 값인지 여부를 정확히 판단함으로써, 부하측의 아크에 의한 빠르고 정확한 전원 차단으로 화재나 후속 회로의 보호 등 재난에 효과적으로 대비할 수 있는 전원 차단 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전원 차단 장치의 전원 차단 방법은, 부하에 전원을 공급하는 전원선에 결합된 변류기 및 전압검출기를 이용하여 각각에서 검출하는 제1검출 신호 및 제2검출 신호를 수신하는 단계; 상기 제1검출 신호 및 제2검출 신호 각각을 기초로 입력되는 제1대상신호 및 제2대상신호에 대하여 상기 부하에서의 아크 발생을 감지하여 제어신호를 생성하는 단계; 및 상기 제어신호에 따라 상기 부하로의 전원 공급을 차단하는 단계를 포함하고, 상기 제어신호를 생성하는 단계에서, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값을 생성하여, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호의 각각의 미리 정한 신호크기 레벨에서의 위상 차이를 기초로 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 차단 방법은, 상기 전원은 교류전원이고, 상기 제어신호를 생성하는 단계 전에, 상기 제1검출 신호 및 제2검출 신호 각각을 정류하여 상기 제1대상신호 및 제2대상신호를 생성하는 단계를 더 포함한다.
상기 위상 차이는 상기 교류전원의 반주기 내에서 판단된다.
상기 제1대상신호 및 제2대상신호는 각각의 상기 정류가 이루어진 후 고주파 노이즈를 제거하기 위한 저역통과필터링과 소정의 신호 조정이 수행된 신호이다.
상기 전원 차단 방법은, 상기 제어신호를 생성하는 단계에서, 상기 위상 차이와, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 임계치 간의 비교를 통하여 상기 부하 측의 아크 발생에 대해 상기 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단하기 위한 것을 특징으로 한다.
복합부하에 적용을 위하여, 상기 미리 정한 신호크기 레벨은, 각각의 부하에 대응되는 복수의 레벨을 포함하고, 각 레벨에서의 위상 차이를 기초로 상기 제어신호를 생성할 수 있다.
상기 각 레벨에 대하여, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 각각의 임계치는, 동일한 값으로 설정될 수고 있고, 또는 상기 각 레벨에 대하여, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 각각의 임계치는, 서로 다른 값으로 설정될 수도 있다.
상기 전원 차단 방법은, 상기 아크 발생 이전의 소정의 기간 동안의 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값의 데이터를 메모리에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전원 차단 방법은, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값의 데이터에 대한 텍스트 또는 그래프를 실시간으로 디스플레이 장치에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 전원 차단 장치는, 부하에 전원을 공급하는 전원선에 결합된 변류기 및 전압검출기; 상기 변류기 및 전압검출기를 이용하여 각각에서 검출하는 제1검출 신호 및 제2검출 신호를 기초로 입력되는 제1대상신호 및 제2대상신호에 대하여 상기 부하에서의 아크 발생을 감지하여 제어신호를 생성하는 주제어부; 및 상기 제어신호에 따라 상기 부하로의 전원 공급의 차단을 위한 써킷 브레이커를 포함하고, 상기 주제어부는, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값을 생성하여, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호의 각각의 미리 정한 신호크기 레벨에서의 위상 차이를 기초로 상기 제어신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 전원 차단 방법 및 장치에 따르면, 변류기(CT), 전압 검출기 등에서 측정된 값이 주제어부에 입력될 때, 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호에 대한 소정의 레벨에서의 전압/전류의 위상 차이를 측정 비교하는 방식으로 대상 신호가 임계치 이상의 값인지 여부를 정확히 판단함으로써, 부하측의 아크에 의한 빠르고 정확한 전원 차단으로 화재나 후속 회로의 보호 등 재난에 효과적으로 대비할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에서 예시하는 교류 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 예시하는 정류부에서 출력되는 정류된 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 정상상태의 2주기 동안의 대상 신호의 위상 차이를 보여주는 파형도의 예이다.
도 6a 및 도 6b는 아크 발생 시의 2주기 동안의 대상 신호의 위상 차이를 보여주는 파형도의 예이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에서 아크 발생 시의 소정의 신호 크기 레벨에서의 전압과 전류의 위상 차이의 변화에 대한 판단을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 저항, 조광기의 복합 부하에서의 아크 발생 시의 위상 차이의 변화에 대한 판단을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치(100)는, 부하에 전원을 공급하는 전원선에 결합된, ZCT(Zero Phase Current Transformer, 영상변류기)(20), 변류기들(Current Transformer)(30, 40), 전압검출기(50)를 포함하며, 신호 변환이나 조정을 위한 정류부들(21, 31, 41, 51), 증폭기들(22, 32, 42), 전압조정부(52)를 포함한다. 정류부들(21, 31, 41, 51) 각각과 증폭기들(22, 32, 42)이나 전압조정부(52) 사이에는, 저역통과필터링을 통해 고주파 노이즈를 제거하기 위한 LPF(Low Pass Filter)(23, 33, 43, 53)가 각각 구비될 수 있다. 또한, 전원 차단 장치(100)는, 이와 같은 구성 요소들로부터의 신호들을 분석해 부하로의 전원 차단 여부를 제어하기 위한 주제어부(110), 써킷 브레이커(120), 스위치(10)를 포함한다.
전원 차단 장치(100)는, 가정, 상가, 공장, 사무실, 백화점 등의 분전반 등에 설치되어, 부하측 누전, 배선 단락, 아크 등의 경우에 발생하는 과전류에 따라, 주제어부(110)가 제어 신호를 발생시켜서, 써킷 브레이커(120)는 제어신호에 따라 부하로의 전원 공급의 차단을 위한 구동 신호를 생성하고, 스위치(10)는 이에 따라 트립장치(예, 크로스바, 래치 등의 작동)를 구동하여, 교류 전원이 인입되는 인입단자와 부하로 연결되는 부하단자 간의 연결을 차단(단자간 콘택이 이격되도록 오프시킴)시킴으로써 부하로의 전원 공급을 차단한다.
주제어부(110)는 위와 같은 전원 차단 장치(100)의 구성 요소들의 전반적인 제어를 담당하며, ZCT(20), 변류기(30, 40) 또는 전압검출기(50)에서 검출하는 검출 신호를 기초로 입력되는 대상신호에 대하여 부하로의 전원 공급에 대한 순시 트립(순간적인 과전류에 대한 트립장치의 구동), 누전 트립(누전 시의 과전류에 대한 트립장치의 구동), 또는 아크 트립(아크에 의한 과전류에 대한 트립장치의 구동)을 위한 제어신호를 생성한다. 주제어부(110)는 구성 요소들의 전반적인 제어를 위하여 반도체 프로세서 등의 하드웨어(예, 마이크로 콘트롤 유닛(MCU), 중앙 콘트롤 유닛(CPU) 등)로 구성될 수 있으며, 또한, 응용 프로그램 등 소프트웨어와 조합하여 동작하도록 구현될 수 있다.
ZCT(20)는 2개의 전원선(예, 핫 라인과 중성선)이 관통하기 위한 링구조물을 가지며(일반적으로 테스트를 위한 테스트선의 관통을 포함함), ZCT(20)는 스위치(10)와 부하 사이에서 링구조물을 관통하는 2개의 전원선(예, 핫 라인과 중성선)에 흐르는 전류를 감지하여 과전류 발생 등 그에 상응하는 전기적 신호를 검출 신호로서 생성한다. 예를 들어, 부하 측의 순간적인 또는 누전이나 단락에 의한 과전류 발생에 따라, ZCT(20)의 링구조물을 관통하는 전원선들의 전류 합산값이 제로가 되지 않는 경우에, ZCT(20)는 그에 상응하는 전기적 신호를 생성하며, ZCT(20)의 해당 신호는 브리지다이오드 등 전파 정류를 위한 정류부(21)와 소정의 레벨로 신호를 증폭하기 위한 증폭기(22)를 거쳐 전원 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립을 위한 대상 신호로서 주제어부(110)로 입력된다.
본 발명에서, 인입되는 교류 전원은 핫 라인과 중성선인 것을 예시하여 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 3상 3선식/4선식 등의 전원을 부하에 공급하는 경우에 3개, 4개(예, 3상 R, S, T와 중성선 N) 등의 전원선에도 유사하게 적용될 수도 있다.
변류기들(30, 40)은 각각의 전원선에 대하여 전류의 크기에 대응되는 전기적 신호를 해당 검출 신호로서 생성한다. 변류기들(30, 40) 각각의 해당 전기적 신호는 브리지다이오드 등 정류부(31/41)와 소정의 레벨로 신호를 증폭하기 위한 증폭기(32/42)를 거쳐 주제어부(110)로 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립을 위한 대상 신호로서 입력될 수 있다.
전압검출기(50)는 2개의 전원선에서의 전압의 크기(예, 220V)에 대응되는 전기적 신호를 도 3과 같이 해당 검출 신호로서 생성한다. 전압검출기(50)의 해당 전기적 신호는 도 4와 같이 브리지다이오드 등 정류부(51)에 의해 정류되며, 전압조정부(52)는 주제어부(110)로 입력하기 위한 소정의 레벨로 신호를 조정하여 주제어부(110)로 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립을 위한 대상 신호로서 입력할 수 있다.
특히, 본 발명에서, 주제어부(110)는 변류기(30/40) 중 하나 및 전압검출기(50)에서 검출하는 검출 신호들을 기초로 정류부(31, 41, 51)와 증폭기(22, 32, 42)/전압조정부(52)에서 처리된 후 입력되는 해당 대상신호들(변류기(30/40) 중 하나에 기초한 제1대상신호 및 전압검출기(50)에 기초한 제2대상신호)을 분석하여 부하에서의 아크 발생을 감지함으로써 부하로의 전원 공급에 대한 아크 트립을 위한 제어신호를 생성한다. 즉, 주제어부(110)는 해당 대상신호들의 ADC(Analog to Digital Converter) 값을 생성하며 이에 따라 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호들에 대한 아크 트립을 위한 임계치 조건의 만족 여부를 반주기 내에서 신속히 판단해 부하 측의 아크 발생에 의한 과전류에 대해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있다. 예를 들어, 부하측 아크 등의 경우에 발생하는 과전류에 따라, 주제어부(110)가 제어 신호를 발생시켜서, 써킷 브레이커(120)는 제어신호에 따라 부하로의 전원 공급의 차단을 위한 구동 신호를 생성하고, 스위치(10)는 이에 따라 트립장치(예, 크로스바, 래치 등의 작동)를 구동하여, 교류 전원이 인입되는 인입단자와 부하로 연결되는 부하단자 간의 연결을 차단(단자간 콘택이 이격되도록 오프시킴)시킴으로써 부하로의 전원 공급을 차단한다. 이외에도 주제어부(110)가 제어 신호를 발생시켜서 순시 트립이나 누전 트립을 더 제어할 수 있다.
주제어부(110)는 이와 같은 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립 이전의 소정의 기간 동안(예, 1시간, 2시간 등)의 대상신호의 ADC 값의 데이터를 메모리에 저장할 수 있다. 예를 들어, USB(Universal Serial Bus) 포트에 연결된 휘발성 메모리 등에 일정 기간의 대상신호의 ADC 값의 데이터를 저장함으로써, 해당 차단 발생의 원인분석 및 후속 조치가 빠르게 이루어지도록 응용될 수 있다.
나아가, 주제어부(110)는 이와 같은 순시 트립, 누전 트립, 아크 트립 발생에 따른 전원 차단에 대하여, 해당 대상신호의 ADC 값의 데이터에 대한 텍스트 또는 그래프 형태로 실시간으로 디스플레이 장치(예, LCD, LED 등)에 표시할 수 있도록 하기 위한 데이터를 출력할 수 있다. 이러한 표시에 따라 전원 차단 시의 해당 데이터를 파악하기 위해 외부 인터페이스를 연결하지 않아도 디스플레이 장치(예, LCD, LED 등)를 통하여 통하여 즉각적으로 직렬 아크 혹은 병렬 아크 혹은 과부하 등에 의한 과전류 발생인지 등을 용이하게 확인할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 교류전원의 반주기 내에서 부하측 아크 등에 의한 과전류에 대해 신속한 트립이 이루어지도록 함으로써, 과전류에 의한 후속 회로의 손상, 화재 등의 재난에 효과적으로 대비할 수 있도록 하였다.
예를 들어, 주제어부(110)는, 해당 전류/전압 검출에 대한 대상신호들의 ADC 값을 생성하여 해당 대상신호들(변류기(30/40) 중 하나에 기초한 제1대상신호 및 전압검출기(50)에 기초한 제2대상신호)의 ADC 값의 미리 정한 신호크기 레벨에서의 위상 차이가, 아크 발생 시 달라짐을 이용하여, 전원 차단을 위한 상기 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 변류기(30/40), 전압 검출기(50) 등을 이용하여 측정된 대상 신호들이 주제어부(110)에 입력될 때, 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호들에 대한 아크 트립을 위한 임계치 조건의 만족 여부를 반주기 내에서 신속히 판단해 부하 측의 아크에 의한 과전류에 대해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있도록 하였다.
이하, 도 2의 흐름도를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치(100)의 동작을 좀 더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, ZCT(20), 변류기들(30, 40), 전압검출기(50)는 각각의 검출 신호를 생성한다(S110). ZCT(20)는 스위치(10)와 부하 사이에서 링구조물을 관통하는 2개의 전원선(예, 핫 라인과 중성선)에 흐르는 전류를 감지하여 과전류 발생 등 그에 상응하는 전기적 신호를 검출 신호로서 생성한다. 특히, 변류기들(30, 40)은 각각의 전원선에 대하여 전류의 크기에 대응되는 전기적 신호를 해당 검출 신호로서 생성한다. 또한, 전압검출기(50)는 2개의 전원선에서의 전압의 크기(예, 220V)에 대응되는 전기적 신호를 도 3과 같이 해당 검출 신호로서 생성한다.
ZCT(20), 변류기들(30, 40), 전압검출기(50) 각각에서 생성한 검출 신호는 정류 또는 증폭이나 조정되어 대상 신호로서 주제어부(110)로 입력된다(S120). ZCT(20)가 생성하는 해당 검출 신호는 브리지다이오드 등 정류부(21)와 소정의 레벨로 신호를 증폭하기 위한 증폭기(22)를 거쳐 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립을 위한 대상 신호로서 주제어부(110)로 입력된다. 특히, 변류기들(30, 40)에서 생성된 해당 검출 신호들은 브리지다이오드 등 정류부(31/41)와 소정의 레벨로 신호를 증폭하기 위한 증폭기(32/42)를 거쳐 주제어부(110)로 아크 트립을 위한 대상 신호로서 입력될 수 있다. 전압검출기(50)가 생성한 해당 검출 신호는 도 4와 같이 브리지다이오드 등 정류부(51)에 의해 정류되며, 전압조정부(52)는 주제어부(110)로 입력하기 위한 소정의 레벨로 신호를 조정하여 주제어부(110)로 아크 트립을 위한 대상 신호로서 입력할 수 있다.
주제어부(110)는 특히 변류기(30/40) 중 미리 선택된 하나 및 전압검출기(50)에서 검출하는 검출 신호를 기초로 해당 정류부(31/41)와 증폭기(32, 42) 및 전압조정부(52)에서 처리된 후 입력되는 해당 대상신호들을 분석하여 부하로의 전원 공급에 대한 아크 트립을 위한 제어신호를 생성한다(S130).
주제어부(110)는 해당 대상신호들의 ADC(Analog to Digital Converter) 값을 생성하며 이에 따라 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호들(변류기(30/40) 중 하나에 기초한 제1대상신호 및 전압검출기(50)에 기초한 제2대상신호)의 ADC 값의 미리 정한 신호크기 레벨에서의 위상 차이가, 소정의 임계치 조건의 만족 여부를 반주기 내에서 신속히 판단해, 부하 측의 아크에 의한 과전류에 대해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 인입되는 교류전원의 반주기 내에서 부하측 아크 등에 의한 과전류에 대해 신속한 트립이 이루어지도록 함으로써, 과전류에 의한 후속 회로의 손상, 화재 등의 재난에 효과적으로 대비할 수 있도록 한다.
예를 들어, 주제어부(110)는, 해당 전류/전압 검출에 대한 대상신호들의 ADC 값을 생성하여 해당 대상신호들의 ADC 값의 미리 정한 신호크기 레벨에서의 위상 차이가, 아크 발생 시 달라짐을 이용하여, 전원 차단을 위한 상기 제어신호를 생성할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 정상상태의 2주기 동안의 대상 신호의 위상 차이를 보여주는 파형도의 예이다. 도 6a 및 도 6b는 아크 발생 시의 2주기 동안의 대상 신호의 위상 차이를 보여주는 파형도의 예이다.
주제어부(110)가 대상신호의 ADC 값을 도 5a 및 도 5b와 같이 샘플링 시간 0,1,2,3,..에 대하여(예, 전원 60Hz에서 반주기 8.3msec의 1/100 간격), 아크 등이 발생하지 않은 정상 상태의 경우에 연속한 제1주기(도 5a)와 제2주기(도 5b)에서, 해당 전류에 대한 제1대상 신호(511/521)와 해당 전압에 대한 제2대상신호(512/522) 각각에 대한 ADC 값을 산출한 경우에, 전류의 위상이 앞서면서 미리 정한 신호크기 레벨(예, ADC 값 20)이 동일한 시점 간의 간격(위상차이)(T1)이 소정의 작은 값을 가지면서 거의 동일하게 유지된다.
아크 발생 시에는 도 6a 및 도 6b와 같이, 연속한 제1주기(도 6a)와 제2주기(도 6b)에서, 해당 전류에 대한 제1대상 신호(611/621)와 해당 전압에 대한 제2대상신호(612/622) 각각에 대한 ADC 값을 산출한 경우에, 전압의 위상이 앞서면서 미리 정한 신호크기 레벨(예, ADC 값 20)이 동일한 시점 간의 간격(위상차이)(T2)이, 정상상태의 경우 보다 큰 값으로 나타나며, 동일하게 반복성을 갖지는 않고 어느정도 변동폭(fluctuation) 내에서 정상 상태 보다 큰 값으로 나타난다.
이와 같은 위상 변화 특성은 순간적인 전류나 누전, 단락 등의 경우보다 낮은 아크 전류에서 더욱 심하게 나타나며 아크 전류에서의 위상의 변화를 이용하여 아크를 검출할 수 있다. 따라서, 미리 정한 신호크기 레벨(예, ADC 값 20)이 동일한 시점 간의 간격(위상차이)과, 해당 대상신호들에 대한 소정의 임계치 간의 비교를 통하여, 해당 간격이 임계치보다 크게 될 때 부하 측의 아크에 의한 과전류로 인식해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있게 된다. 즉, 변류기(30/40), 전압 검출기(50) 등을 이용하여 측정된 대상 신호들이 주제어부(110)에 입력될 때, 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호들에 대한 아크 트립을 위한 임계치 조건의 만족 여부를 반주기 내에서 신속히 판단해 부하 측의 아크에 의한 과전류에 대해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있도록 하였다.
종래의 상용화된 아크 차단기(AFCI, Arc Fault Circuit Interrupters)는 대부분 고주파 검출 방식에 의한 아크 검출이다. 즉, 아크 발생시 전력 손실에 의하여 발생되는 고주파의 특성을 검출하여 아크를 검출한다. 이러한 종래의 아크 검출 방식의 경우 SMPS(switched mode power supply) 또는 수은등과 같은 방전 방식에 의한 부하와 브러시를 갖고 있는 모터의 회전 등에서 발생하는 고주파 특성에 의하여 아크를 검출하는 데 있어서 오동작을 일으킬 수 있다. 또한 기존 배선시설의 열악한 환경 등에 의한 전원 노이지 특성에서 취약하다. 특히 발생되는 고주파의 영역은 수십 KHz에서 수백 MHz까지 다양하게 발생하게 된다. 이로 인하여 이러한 고주파를 검출하는 CT 혹은 OPAMP의 특성에 따라 발생하는 주파수 영역은 다르게 판단이 되며 아크 발생에 있어서도 순시적인 특성을 나타내기 때문에 정량적인 검출에 한계가 있다.
그러므로, 아크 발생은 비 반복적인 특성과 순시적인 특성으로 인하여 상당한 기술적인 노하우를 요구하기도 한다. 따라서 종래에 사용하는 아크 검출 방식에서는 일정 주기 동안에서 발생되는 고주파 발생 여부와 반복성 등을 확인하여 아크를 검출하는 방식을 도입하고 있지만, 본 발명에서는 이러한 고주파 검출에 의한 방식이 아닌 LPF를 이용하여 부하에서 발생되는 고주파 노이즈 성분을 제거하고 순수한 전류/전압의 특성과 그 왜곡현상을 검출하여 아크를 검출할 수 있도록 한 것이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에서 아크 발생 시의 소정의 신호 크기 레벨에서의 전압과 전류의 위상 차이의 변화에 대한 판단을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 샘플링 주기 0,1,2,3,..에 따른 시스템 전체 합산된 전류에 대한 검출 신호의 일례를 나타내며, 전류가 감소하는 부분은 아크 발생이 있음을 나타낸다. 이 경우 미리 정한 신호 크기 레벨(예, 20)에서의 해당 전류 위상의 위치는 도 7b와 같이 8(rad) 부분에서 14(rad)부근으로 밀리면서 발진하는 형태를 나타낸다. 도 7c는 미리 정한 신호 크기 레벨(예, 20)에서의 전압과 전류의 위상 차이가 2(rad) 이하에서 6(rad) 부근으로 밀리면서 발진하는 형태를 나타낸다. 이와 같이 아크 발생 시 전류 위상값이 밀리며 밀린 위상만큼 에너지의 축적과 손실이 이루어짐을 알수 있다. 축적된 에너지는 아크를 발생시키고 아크가 발생이 되면 위상값의 변화를 일으키는 것을 알 수 있다. 이러한 현상을 검출함으로써 아크 발생을 검출할 수 있는 것이다. 즉, 미리 정한 신호크기 레벨(예, ADC 값 20)이 동일한 시점 간의 간격(위상차이)과, 해당 대상신호들에 대한 소정의 임계치(예, 6rad 등) 간의 비교를 통하여, 해당 간격이 임계치보다 크게 될 때 부하 측의 아크에 의한 과전류로 인식해 부하로의 전원 공급을 효과적으로 차단할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는, 아크 검출을 위하여 교류전원의 반주기마다 위와 같이 전압과 전류를 샘플링하여 전압과 전류의 위상차를 감지하고 일정 영역에서의 전압과 전류의 위상차이를 검출한다. 정상적인 부하의 특성에서는 전압과 전류의 위상차가 일정하며 아크 발생시 전압과 전류의 위상차가 불규칙하게 변동된다. 이러한 특성을 이용하여 아크를 검출할 수 있다. 아크가 발생하는 특성에 있어서, 아크가 발생하기 위해서는 먼저 에너지가 축적이 되어야 하고 에너지 축적에 의한 글로우 방전 현상이 일어나며 이후 아크가 발생하나. 이러한 에너지 축적과 폭발이 반복이 되며 아크가 발생된다. 이러한 아크 발생의 현상은 아크를 판단하는데 어려움을 가져 오기도 한다. 그래서 규격에서는 전류의 용량에 따란 아크 차단에 대한 판단 시간을 다르게 설정하였으며 “KSC IEC 62606 사고아크 검출장치에 대한 일반 조건＂의 규격에 의한 아크 차단 판단 시간은 220V 2.5A 에서 1초 이내의 차단 시간을 설정하였으며 32A 의 규격에서는 0.12초의 차단 시간을 설정하고 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 저항, 조광기의 복합 부하에서의 아크 발생 시의 위상 차이의 변화에 대한 판단을 설명하기 위한 도면이다.
복합부하에 적용을 위하여, 주제어부(110)는 위와 같이 미리 정한 신호크기 레벨(예, ADC 값 20)을 각각의 부하에 대응되는 복수의 레벨로 정하고 각 레벨에서의 위상 차이를 기초로 제어신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 저항 및 조광기를 포함하는 2개의 복합 부하에서의 아크 검출을 위하여 2개의 레벨에서 위상을 검출하여 판단한다. 도 8a는 저항 부하 단독에 대한 샘플링 시간 0,1,2,3,..에 따른 전압 특성의 예이며, 도 8b는 조광기 부하 단독에 대한 샘플링 시간 0,1,2,3,..에 따른 전압 특성의 예이며, 도 8c는 2개의 부하를 운용하는 경우에 전압 파형의 예를 나타낸 것이며, 도 8d는 인인되는 교류 전원의 전압과 도 8a, 도 8b, 도 8c의 각 파형을 하나의 그래프에 나타냈을 경우의 파형도이다.
이러한 복합 부하에서 만약 저항 부하에서만 아크가 발생하였을 경우와 조광기 부하에서만 아크가 발생하였을 경우, 서로 다른 레벨에서 위상 차이가 나타날 수 있다. 이러한 경우 하나의 신호크기 레벨을 기준으로 2가지 부하에 대한 위상 차이를 검출을 수행한다면, 해당 파형의 전압 레벨에서만 위상의 편차가 있는 것으로 검출되므로 다른 부하의 아크 발생에 대하여는 위상의 편차가 없는 것으로 검출된다. 그러므로, 이러한 복합부하를 검출하기 위해서는 저항 부하에 해당하는 레벨과 조광기 부하에서 해당하는 레벨에 대하여, 각각 아크 발생을 판단하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 위상의 검출에서는 도면과 같이 저항 부하에 해당하는 미리 설정된 제1레벨(예, ADC값 10)의 위치와 조광기 부하에 해당하는 해당하는 미리 설정된 제2레벨(예, ADC값 40)의 위치, 이러한 2개 레벨을 설정해, 각 레벨에서의 위상 차이를 기초로 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 제1레벨(예, ADC값 10)에서의 제1간격(위상차이)과 제1임계치를 비교하여 제1간격이 제1 임계치보다 크게 되는 조건 만족 시에 제어신호를 생성할 수 있고, 또한, 제2레벨(예, ADC값 40)에서의 제2간격(위상차이)과 제2임계치를 비교하여 제2간격이 제2 임계치보다 크게 되는 조건 만족 시에도 제어신호를 생성할 수 있다. 이때 제1임계치와 제2임계치의 크기는 서로 동일한 값일 수도 있지만, 서로 다른 값으로 설정될 수도 있다.
이와 같이, 아크 등의 경우에 발생하는 과전류에 따라, 주제어부(110)가 해당 제어 신호를 발생시키면, 써킷 브레이커(120)는 제어신호에 따라 부하로의 전원 공급의 차단을 위한 구동 신호를 생성하고(도 2의 S140 참조), 스위치(10)는 이에 따라 트립장치(예, 크로스바, 래치 등의 작동)를 구동하여, 교류 전원이 인입되는 인입단자와 부하로 연결되는 부하단자 간의 연결을 차단(단자간 콘택이 이격되도록 오프시킴)시킴으로써 부하로의 전원 공급을 차단한다(도 2의 S150 참조).
주제어부(110)는 이와 같은 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립 이전의 소정의 기간 동안(예, 1시간, 2시간 등)의 대상신호의 ADC 값의 데이터를 메모리에 저장할 수 있다. 예를 들어, USB 포트에 연결된 휘발성 메모리 등에 일정 기간의 대상신호의 ADC 값의 데이터를 저장함으로써, 해당 차단 발생의 원인분석 및 후속 조치가 빠르게 이루어지도록 응용될 수 있다. 나아가, 주제어부(110)는 이와 같은 순시 트립, 누전 트립, 또는 아크 트립 발생에 따른 전원 차단에 대하여, 해당 대상신호의 ADC 값의 데이터에 대한 텍스트 또는 그래프 형태로 실시간으로 디스플레이 장치(예, LCD, LED 등)에 표시할 수 있도록 하기 위한 데이터를 출력할 수 있다. 이러한 표시에 따라 전원 차단 시의 해당 데이터를 파악하기 위해 외부 인터페이스를 연결하지 않아도 디스플레이 장치(예, LCD, LED 등)를 통하여 통하여 즉각적으로 직렬 아크 혹은 병렬 아크 혹은 과부하 등에 의한 과전류 발생인지 등을 용이하게 확인할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원 차단 장치(100)에 따르면, 변류기(CT), 전압 검출기 등에서 측정된 값이 주제어부(110)에 입력될 때, 디지털 분석 처리 과정에서 대상신호들에 대한 소정의 레벨에서의 전압/전류의 위상 차이를 측벙 비교하는 방식으로 대상 신호가 임계치 이상의 값인지 여부를 정확히 판단함으로써, 부하측의 아크에 의한 빠르고 정확한 전원 차단으로 화재나 후속 회로의 보호 등 재난에 효과적으로 대비할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
스위치(10)
ZCT(20)
변류기(30, 40)
전압검출기(50)
정류부(21, 31, 41, 51)
증폭기(22, 32, 42)
LPF(23, 33, 43, 53)
전압조정부(52)
주제어부(110)
써킷 브레이커(120)

Claims (11)

  1. 전원 차단 장치의 전원 차단 방법에 있어서,
    부하에 전원을 공급하는 전원선에 결합된 변류기 및 전압검출기를 이용하여 각각에서 검출하는 제1검출 신호 및 제2검출 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1검출 신호 및 제2검출 신호 각각을 기초로 입력되는 제1대상신호 및 제2대상신호에 대하여 상기 부하에서의 아크 발생을 감지하여 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제어신호에 따라 상기 부하로의 전원 공급을 차단하는 단계를 포함하고,
    상기 제어신호를 생성하는 단계에서, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값을 생성하여, 미리 정한 동일한 신호크기 레벨에서, 상기 제1대상신호의 위상과 상기 제2대상신호의 위상 간의 위상 차이와, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 임계치 간의 비교를 통하여, 상기 부하 측의 아크 발생에 대해 상기 부하로의 전원 공급을 차단하기 위한 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 교류전원이고,
    상기 제어신호를 생성하는 단계 전에, 상기 제1검출 신호 및 제2검출 신호 각각을 정류하여 상기 제1대상신호 및 제2대상신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 위상 차이는 상기 교류전원의 반주기 내에서 판단되는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1대상신호 및 제2대상신호는 각각의 상기 정류가 이루어진 후 고주파 노이즈를 제거하기 위한 저역통과필터링과 소정의 신호 조정이 수행된 신호인 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    복합부하에 적용을 위하여, 상기 미리 정한 신호크기 레벨은, 각각의 부하에 대응되는 복수의 레벨을 포함하고, 각 레벨에서의 위상 차이를 기초로 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 레벨에 대하여, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 각각의 임계치는, 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 각 레벨에 대하여, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 각각의 임계치는, 서로 다른 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 아크 발생 이전의 소정의 기간 동안의 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값의 데이터를 메모리에 저장하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값의 데이터에 대한 텍스트 또는 그래프를 실시간으로 디스플레이 장치에 표시하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 방법.
  11. 부하에 전원을 공급하는 전원선에 결합된 변류기 및 전압검출기;
    상기 변류기 및 전압검출기를 이용하여 각각에서 검출하는 제1검출 신호 및 제2검출 신호를 기초로 입력되는 제1대상신호 및 제2대상신호에 대하여 상기 부하에서의 아크 발생을 감지하여 제어신호를 생성하는 주제어부; 및
    상기 제어신호에 따라 상기 부하로의 전원 공급의 차단을 위한 써킷 브레이커를 포함하고,
    상기 주제어부는, 상기 제1대상신호 및 제2대상신호 각각의 ADC 값을 생성하여, 미리 정한 동일한 신호크기 레벨에서, 상기 제1대상신호의 위상과 상기 제2대상신호의 위상 간의 위상 차이와, 아크 트립에 의한 상기 부하로의 전원 공급을 차단을 위한 임계치 간의 비교를 통하여, 상기 부하 측의 아크 발생에 대해 상기 부하로의 전원 공급을 차단하기 위한 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
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