KR102270144B1 - 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 누전차단기와 누설경보기에 관한 것으로서, 특히 정격 차단시간(0.1초 이하, 6사이클 이하) 이내에서 이보다 더 짧은 순시성 용량성 누설전류(0.1사이클부터 3사이클)에는 동작을 하지 않고 이보다 더 긴 연속적인 누설전류에는 0.1초 이내(3사이클에서 6사이클 이내)에서 정상 동작하는 불필요 동작방지형 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 정격동작시간이 0.1초(6사이클)이내 차단되는 3상 누전차단기에서 순시성 왜곡파형에 의해 발생되는 순시 용량성 누설전류(약 0.1 사이클부터 3사이클 이내)에도 불필요하게 동작하는 것을 방지하기 위한 것으로, 영상 변류기에서 검출된 순시 누설전류 값을 고속 AD컨버터가 내장된 마이컴을 사용하여 1사이클마다 여러번 고속 샘플링하여 누설전류값을 읽어 정격 누설전류 차단값의 약 50% ~ 70% 사이에서 설정치를 정하고 이를 초과할 경우 전후 각 1사이클씩 값을 상호 축차 비교하여 양 사이클의 값이 공히 설정치를 초과하면 그 상태에서 연속으로 3사이클까지 시간 축차 비교한 후 설정값 초과시에는 정상 차단 동작을 수행한다.

Description

순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기{Medium-sensitivity three-phase earth leakage circuit breaker and earth leakage alarm device to prevent inconvenience unnecessarily blocked by instantaneous distortion waveforms by applying a time-order comparison algorithm in the instantaneous earth leakage current}

본 발명은 3상 누전차단기와 누설경보기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정격 차단시간(0.1초 이하, 6사이클 이하) 이내에서 이보다 더 짧은 순시성 용량성 누설전류(0.1사이클부터 3사이클)에는 동작을 하지 않고 이보다 더 긴 연속적인 누설전류에는 0.1초 이내(3사이클에서 6사이클 이내)에서 정상 동작하는 불필요 동작방지형 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기에 관한 것이다.

전기설비기술기준판단기준의 제41조(지락차단장치 등의 시설)에 의하면 저압전로에는 지락이 발생하였을 때에는 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 설치하여야 한다라고 되어있다.

그런데, 예를 들어 기존의 3상 누전차단기는 낙뢰 발생으로 대지전위가 상승하거나 또는 부하에서 3상의 전압, 전류 파형이 동시에 순시 변형되는 시점에서 발생하는 용량성 누설전류가 50msec 이내에서 순간적으로 상승하여 오동작하는 문제점이 있어 산업현장에서 3누전차단기 사용을 기피하는 상황에 처해 있다.

따라서 순시성 용량성 누설전류가 순간적으로 상승 시에는 정상 운전을 유지하고, 부하 선로에서 절연파괴로 인하여 발생된 연속적인 긴 사이클의 누전전류가 발생하였을 경우에는 정상적으로 0.1초 이내에 차단을 허용하여 고장개소를 분리해서 전기 누전화재 등을 예방하도록 할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 3상 누전차단기와 3상 누설경보기의 순시성 누설전류에 불필요하게 동작하는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 0.1사이클에서 3사이클 이내에서 발생하는 순시성 용량성 누설전류에도 0.1초 이내 트립되는 중감도 3상 누전차단기 규격품에서 3사이클 이내의 시간에서 트립하는 것은 불필요하게 트립 동작한다고 보고 이 문제를 개선, 보완한 상기 사이클 이내의 짧은 순시성 용량성 누설전류에는 불필요하게 동작을 하지 않는 불필요동작 방지형 3상 중감도 누전 차단기 및 불필요 동작방지형 누설 경보기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기는 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및 상기 순간누설전류 감시부가 측정한 2 또는 3 사이클까지 누설전류의 RMS값을 취하여 상호 순차 비교해서 그 측정값이 연속적인 경우 누전으로 인정하여 정격 규격대로 0.1초 이내에 정상 트립을 허용하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 1 사이클부터 다음 사이클까지 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및 상기 순간누설전류 감시부가 측정한 순시적인 누설전류가 연속적이지 않으면 누전이 아닌 것으로 판단하여 2 사이클 또는 3 사이클 동안 불필요한 동작을 하지 않도록 하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정하는 감도 선택 장치; 를 더 포함하고, 상기 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부 및 순차비교 제어부는 하나의 CPU를 구성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기와 누설경보기는 다음과 같은 유용한 효괴를 발휘한다.

1) 누설전류 기준값 이상의 수배에 달하는 순시성 누설전류 상승시에 트립되는 현재 방식의 누전차단기와는 달리 이러한 순시성 누설전류에서는 불필요하게 동작하지 않고 실제 부하 측에서 절연파괴로 인해 발생된 긴 사이클 동안 지속되는 누전전류에서는 정상 동작을 허용한다.

2) 절연 파괴시에는 기존 기술의 누전차단기와 누설경보기와 같이 동작하여 화재 등을 예방 및 경보를 발생하는 기능을 하지만, 순시성 누설전류가 발생할 경우에는 불필요하게 동작 또는 누설 경보를 발생하지 않도록 해서 설비를 안전하게 연속 운전하여 생산 손실을 방지하고 절연파괴에 의한 누전시에는 필요 동작으로 차단함으로써 전기 누전화재와 산업 재해를 예방한다.

3) 순시성 누설전류에 수시로 경보를 발생하다 보면 진성 누설전류가 발생할 경우에도 무시하는 습관이 생겨 조치를 미흡하게 함으로써 전기 누전으로 인해 큰 재해를 당할 수가 있는 문제를 개선하여 진성 누설전류에만 경보가 울리도록 해서 적극 대응이 가능하여 전기 누전재해를 예방한다.

도 1. 본 발명의 블록 회로도
도 2. 본 발명에서 순시성 누설전류 발생시 누전차단기가 동작하지 않는 그래프
도 3. 본 발명에서 연속적 순시성 누설전류 발생시 0.1초 이내에서 정상 동작시시키는 시간 경과 그래프
도 4. 본 발명에서 간헐적 순시성 누설전류와 연속적 순시성 누설전류에 대한 동작을 판단, 제어하는 순서도
도 5. 전기품질 측정장치를 이용하여 3상 전압, 전류, 순시성 누설전류에 의해서 차단기가 동작할 때 캡쳐한 파형

본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1. 본 발명의 블록 회로도이고, 도 2. 본 발명에서 순시성 누설전류 발생시 누전차단기가 동작하지 않는 그래프이다.

도 1은 본 발명의 대표적 실시예로서, A/D 변환부(14)와 순간누설전류 감시부(15) 및 순차비교 제어부(16)를 포함하여 구성된다.

A/D 변환부(14)와 순간누설전류 감시부(15)는 영상변류기(11)로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 순차적으로 고속 샘플링해서 측정한다.

순차비교 제어부(16)는 상기 순간누설전류 감시부(15)가 측정한 2 또는 3 사이클까지 누설전류의 RMS값을 취하여 상호 순차 비교해서 그 측정값이 연속적인 경우 누전으로 인정하여 정격 규격대로 0.1초 이내에 정상 트립을 허용한다.

즉 영상변류기(ZCT)(11)로부터 측정된 누설전류를 증폭한 후 CPU 내 구성회로인 A/D 변환부(14)에서 AD변환하여 순시 누설전류의 감시 및 세 번째 사이클까지 순차 연속 비교를 하여 시간을 지연 또는 무시하도록 제어해서 누전차단기를 0.05초 이내는 부동작하고 그 세 번째 사이클 이후 기간 동안의 누설전류에는 누전으로 인정하여 0.1초 이내에서 정상 동작시키는 것이다.

여기서, 상기 A/D 변환부(14)와 순간누설전류 감시부(15) 및 순차비교 제어부(16)는 하나의 CPU를 구성한다.

그리고, 감도 선택 장치(20)는 상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정한다.

또한, 본 발명은 A/D 변환부(14)와 순간누설전류 감시부(15)는 영상변류기(11)로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 1 사이클부터 다음 사이클까지 순차적으로 고속 샘플링해서 측정한다.

순차비교 제어부(16)는 상기 순간누설전류 감시부(15)가 측정한 순시적인 누설전류가 연속적이지 않으면 누전이 아닌 것으로 판단하여 2 사이클 또는 3 사이클 동안 불필요한 동작을 하지 않도록 한다.

구체적으로, 도 2의 순시성 누설전류 발생시 누전차단기가 동작하지 않는 그래프로 나타낸 것을 참조하면, 영상변류기(11)로부터 측정된 누설전류가 노이즈 제거회로(12)를 통하여 정현파만 통과되고 증폭기(13)를 통과한 후 검출된 순시 누설전류 값을 고속 A/D 변환기(14)에서 1사이클마다 고속 샘플링하여 측정한다.

감도 선택 장치(20)를 통해 정격 누설전류의 약 50% ~ 70% 사이에서 트립조건을 설정하고 이를 초과할 경우(도 2의 6) 누설전류 값을 측정하기 시작하는데, 이 파형이 순시 누설파형일 경우, 연속적인 누설전류 파형이 아니고 끊어진 시간이 나타나지 않는다고 판단하여 항상 초기 상태로 돌아가서(도 4의 22) 두 번째 파형을 기다리게 되어 누전차단기가 동작하지 않게 된다.

도 3은 본 발명에서 연속적 순시성 누설전류 발생시 0.1초 이내에서 정상 동작시시키는 시간 경과 그래프로, 고속 샘플링하여 측정된 값이 트립 조건을 초과할 경우(7-1) 누설전류 값을 계속 측정하기 시작하고, 다음 번 1사이클(7-2)에서 이전 값과 상호 순차 비교하여 양 사이클의 값이 공히 설정치를 초과하면 그 다음의 누설값을 연속으로 3번째(7-3) 사이클까지 시간 순차 비교한 후 설정값 초과시에는 연속적인 누설전류로 판단하여 정상 차단 동작한다.

상기 정상 차단 동작은 구동회로(17-1)로 가서 SCR(18)을 구동시켜 누전차단기의 구동코일부(19)를 구동시켜서 차단기를 정상 동작 또는 경보기를 정상 동작시킴으로써 0.1초 이내(예를 들어 0.05초) 동작하는 규격을 만족한다.

하지만 순시 누설파형이 순간적으로 생겼다 사라졌다 하여 첫 번째 순시 누설전류가 발생하고 난 후 두 번째 누설전류가 설정값 이상 발생하지 않는다든지, 세 번째 누설전류가 설정값 이상 발생하지 않는다면 누전차단기를 동작시키지 않도록 할 수가 있는데, 이때 예를 들어 두 번째, 세 번째까지 선택할 수 있도록 한다면 지연시간을 예를 들어 30ms 또는 50ms로 선택적으로 할 수가 있다.

도 4는 본 발명에서 간헐적 순시성 누설전류와 연속적 순시성 누설전류에 대한 동작을 판단, 제어하는 순서도로, (21)은 순서도의 시작이고, (22)는 측정된 누전전류에 대한 1사이클을 여러 번 샘플링하여 검출된 순시 누설전류 피크값을 첫 번째 주기에서 누설전류를 측정하고 설정값을 초과할 경우(23), 두 번째 사이클의 누설전류를 측정(24)하여 첫 번째 주기의 누설전류와 비교(25)하여 지속 초과할 경우 세 번째 사이클을 측정(26)하여 최종적으로 두 번째 사이클과 순차 연속비교(27)하여 설정치를 지속 초과하면 누전차단기를 트립(28-1)시키고 종료(29)한다.

다만, 각 주기 단계별로 상호 비교하여 설정값보다 연속적인 파형이 아닐 경우에는 항상 첫 번째 주기를 측정하는 준비 단계로 되돌아가도록 프로그래밍(22)되어 있다. 누설경보기에서도 똑같은 과정을 거쳐 동작조건에 들어가지 않으면 다시 (22)로 돌아가고 동작조건에 들어가면 (28-2)로 경보신호를 발생하고 종료하도록 프로그래밍(29)되어 있다.

도 5는 불필요하게 동작하는 누전차단기의 원인을 분석하기 위하여 전기품질 측정장치에서 측정된 많은 종류의 전압(31)과 전류(32), 순시 누설전류(33)에 대한 파형이다. 이것을 측정하기 위하여 누전차단기에서부터 부하까지 전체 선로계통의 주요부분에 순간적으로 변화하는 전류와 전압을 동시에 측정할 수 있도록 다수의 전류변환기(CT), 누설전류센서(ZCT)와 전압측정 단자를 전기품질 측정장치에 연결한 후, 장치가 운전 중에 누전차단기가 트립 시, 측정된 이벤트 발생의 직전과 차단기 트립 이후에 대한 파형이다.

파형에는 3상에 대한 전압 그래프, 중성선 접지간 전압 그래프, 메인 전류 그래프, 중성선-접지선 전류 그래프, 순시적인 누설전류 그래프, 히터 전류 (R, S, T,상 I6, I7, I8) 그래프(34), 메인 ELCB 입력 R,T상 전압 파형 그래프를 나타내고 있다. 여기서 알 수 있는 것은 히터 전류의 파형변형으로 인해서 순시성 누설전류가 상승하여 누전차단기가 트립이 됨을 알 수가 있다.

상기와 같이 본 발명은 3상 중감도 누전차단기의 정격동작시간이 0.1초(6사이클)이내 차단되는 3상 누전차단기에서 순시성 왜곡파형에 의해 발생되는 순시 용량성 누설전류(약 0.1 사이클부터 3사이클 이내)에도 불필요하게 동작하는 것을 방지하기 위한 것이다.

이를 위해 영상 변류기에서 검출된 순시 누설전류 값을 고속 AD컨버터가 내장된 마이컴을 사용하여 1사이클마다 순차 비교 고속 샘플링하여 누설전류값을 읽어 누설전류 차단값의 약 50~70% 사이에서 설정치를 정하고 이를 초과할 경우 상호 순차 비교하여 연속으로 3 사이클까지 설정값 초과 지속시에는 정상 차단 동작을 수행한다.

그리고 순시 누설파형이 순간적으로 생겼다 사라졌다 하여 값이 연속적이지 않을 경우에는 순시 누설전류 혹은 왜곡 누설전류라고 판단하여 차단하지 않고 정상 운전상태로 유지함으로써, 산업체에서 가끔 발생하는 불필요한 동작으로 인한 생산손실을 최대한 방지하고 누전시에는 필요 동작으로 차단하거나 진성 누설경보하여 전기 누전화재와 산업 재해를 예방한다.

즉 본 특허는 기존의 기술과 비교하여 "정전류원" 등 누전 판단 및 시간 지연을 위한 여러 하드웨어가 CPU를 사용함으로써 하드웨어 구조가 굉장히 간단하며, 디지털적으로 정확하게 동작하는 하드웨어로 인해 작은 사이즈로 개발이 가능하여 기존의 3상 누전차단기에도 적용하기 용이할 뿐 아니라, 비교적 저렴한 비용으로 구현 가능하다.

이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술 분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

그러므로 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.

11 : 3상 영상 변류기 (ZCT)
12 : 노이즈 제거회로
13 : 증폭기
14 : A/D 변환부
15 : 순시 누전전류 감시부
16 : 순차 비교 제어부
17-1 : 누전차단기 구동부
17-2 : 누설경보기 출력 구동부
18 : 구동용 SCR
19 : 누전차단기 구동코일
20 : 누전 감도 조절기
21 : 서지보호 회로
22 : 전원공급 회로

Claims (5)

1. 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및
   상기 순간누설전류 감시부가 측정한 2 또는 3 사이클까지 누설전류의 RMS값을 취하여 상호 순차 비교해서 그 측정값이 연속적인 경우 누전으로 인정하여 정격 규격대로 0.1초 이내에 정상 트립을 허용하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되며,
   상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정하는 감도 선택 장치; 를 더 포함하고,
   상기 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부 및 순차비교 제어부는 하나의 CPU를 구성하는 것을 특징으로 하는 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기.
2. 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 1 사이클부터 다음 사이클까지 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및
   상기 순간누설전류 감시부가 측정한 순시적인 누설전류가 연속적이지 않으면 누전이 아닌 것으로 판단하여 2 사이클 또는 3 사이클 동안 불필요한 동작을 하지 않도록 하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되며,
   상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정하는 감도 선택 장치; 를 더 포함하고,
   상기 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부 및 순차비교 제어부는 하나의 CPU를 구성하는 것을 특징으로 하는 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누전차단기.
3. 삭제
4. 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및
   상기 순간누설전류 감시부가 측정한 2 또는 3 사이클까지 누설전류의 RMS값을 취하여 상호 순차 비교해서 그 측정값이 연속적인 경우 누전으로 인정하여 정격 규격대로 0.1초 이내에 정상 트립을 허용하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되며,
   상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정하는 감도 선택 장치; 를 더 포함하고,
   상기 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부 및 순차비교 제어부는 하나의 CPU를 구성하는 것을 특징으로 하는 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누설경보기.
5. 영상변류기로부터 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%에 설정된 지점에서 순시적인 누설전류를 1 사이클부터 다음 사이클까지 순차적으로 고속 샘플링해서 측정하는 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부; 및
   상기 순간누설전류 감시부가 측정한 순시적인 누설전류가 연속적이지 않으면 누전이 아닌 것으로 판단하여 2 사이클 또는 3 사이클 동안 불필요한 동작을 하지 않도록 하는 순차비교 제어부; 를 포함하여 구성되며,
   상기 정격 누설전류 차단값의 50% ~ 70%로 순시적인 누설전류를 설정하는 감도 선택 장치; 를 더 포함하고,
   상기 A/D 변환부와 순간누설전류 감시부 및 순차비교 제어부는 하나의 CPU를 구성하는 것을 특징으로 하는 순시성 누설전류에서 시간순차 비교 알고리즘을 적용하여 순간 왜곡파형에 의해 불필요하게 차단되는 불편을 방지하는 중감도 3상 누설경보기.

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