KR102299444B1 - 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 주파수를 가진 아크나 스파크를 통상적으로 인가되는 사인 파형의 기본파 내지 낮은 차수의 고조파와 구별함으로써 배선 계통에 발생하는 아크를 외부 자계 유도를 이용하여 감지하는 아크 감지 회로를 제공한다.
본 발명에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는, 누전차단기의 부하측 두 배선 사이에 배치되는 외부 자계 유도 코일을 이용하여 상기 누전차단기의 부하측 배선에 발생하는 아크를 검출하도록 구성된 고역통과필터; 상기 고역통과필터를 통과한 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력하는 고주파증폭부; 상기 고주파 증폭 신호를 소정의 제1 시정수로 방전시켜 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성된 펄스발생부; 상기 펄스발생부로부터 출력되는 단안정 펄스 신호를 적분하여 펄스 적분 신호를 출력하도록 구성된 펄스적분부; 및 상기 펄스 적분 신호를 아크로 판정하여 생성되는 아크 발생 신호를 유지하도록 구성된 아크발생신호유지부를 포함한다.

Description

외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로{ARK DETECTION CIRCUIT USING EXTERNAL MAGNETIC FIELD INDUCTION}
본 발명은 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배선 계통에 발생하는 아크를 외부 자계 유도를 이용하여 감지하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로에 관한 것이다.
전체 화재발생의 약 30%가 전기화재이며, 그 중 60% 이상이 배선계통의 이상으로 인해 발생하는데, 배선계통의 이상으로 인한 화재 중 대다수가 접촉불량으로 인한 과열, 아크 또는 선간 절연불량으로 인한 트래킹/아크 사고이다.
이와 같은 배선계통의 사고는 일반적으로 예방점검이 불가능하다는 문제점이 있으며, 특히 선간 절연물이 오염되거나 탄화되어 발생하는 절연불량은 일종의 부하전류이므로 기존의 접지 간 절연측정기 또는 누전차단기로는 감지가 곤란하다. 더우기 안전 점검을 위한 선간의 절연 측정은 부하를 완전히 개방한 상태에서 측정할 수 있으므로 부하가 접속되어 있는 일반적인 상황에서는 측정이나 진단이 불가능하다.
이러한 선간 절연불량, 즉, 선간 누전의 경우, 미세한 전류의 아크방전이기 때문에 밝은 곳에서는 육안으로 보이지 않고, 어두운 경우에만 미세한 실과 같은 아크방전이 지속되며, 아크열에 의하여 절연물이 탄화되면 부도체가 도체로 변한다. 아크 방전의 특성상 절연불량, 접속불량 등을 이유로 아크가 발생하는 경우 실효 전류값이 증가하지 하지 않으므로 일반적인 전류형 차단기로 아크 방전을 검출하여 차단하는 것이 불가능하다.
예컨대, 비닐하우스 등 특용작물 시설물의 배관에는 정온 열선(동파방지열선, 또는 정온 전선이라고도 일컫는다)을 함께 배열하여 배관의 동파를 방지한다. 즉, 정온 열선은 수십 내지 100 미터 이상 배열되는데 두 전선 사이의 낮은 저항값을 가진 도전체의 발열을 이용하여 배관의 동파 방지 기능을 수행한다. 이때 정온 열선의 온도가 상승하면 두 전선 사이가 팽창하고, 정온 열선의 온도가 하강하면 두 전선 사이가 수축함으로써 발열 온도를 일정하게 유지하게 한다. 그런데 정온 열선이 열화되어 평행하게 배열된 두 전선 사이에 고주파수의 스파크가 지속적으로 발생하고, 심지어 불꽃이 발생하더라도 정온 열선의 특성상 과전류가 흐르지 않아 누전차단기가 작동하지 않는다.
결국, 전력 배선 계통에서 접속점의 접촉 불량, 선간의 절연 불량 등으로 인한 탄화나 트래킹 아크 등의 경우, 사인파가 아닌 구형파 상태의 고조파 노이즈를 발생한다. 그런데 기존의 아크 감지 방법은 일정 시간 내의 펄스 수(주파수), 펄스의 크기, 펄스의 위상 등을 이용하여 판정하지만, 현장에서는 전기 기기의 특성에 따른 부하 전류가 일정하지 않아 판정의 오류가 많아 아크 차단 관련 기술의 신뢰도에 문제점이 많다.
특허등록 10-1535950호 펄스 카운트를 이용한 접촉 불량 검출 장치 특허등록 10-1820162호 직렬아크의 고정도 검출시스템 특허등록 10-0861229호 전기 선로의 스파크 발생시에 자동 작동하는 전원 차단장치
본 발명은 높은 주파수를 가진 아크나 스파크를 통상적으로 인가되는 사인 파형의 기본파 내지 낮은 차수의 고조파와 구별함으로써 배선 계통에 발생하는 아크를 외부 자계 유도를 이용하여 감지하는 아크 감지 회로를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는, 누전차단기의 부하측 두 배선 사이에 배치되는 외부 자계 유도 코일을 이용하여 상기 누전차단기의 부하측 배선에 발생하는 아크를 검출하도록 구성된 고역통과필터; 상기 고역통과필터를 통과한 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력하는 고주파증폭부; 상기 고주파 증폭 신호를 소정의 제1 시정수로 방전시켜 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성된 펄스발생부; 상기 펄스발생부로부터 출력되는 단안정 펄스 신호를 적분하여 펄스 적분 신호를 출력하도록 구성된 펄스적분부; 및 상기 펄스 적분 신호를 아크로 판정하여 생성되는 아크 발생 신호를 유지하도록 구성된 아크발생신호유지부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 아크발생신호유지부로부터 상기 아크 발생 신호가 출력되면 소정의 제2 시정수 동안 릴레이 제어 신호를 출력하도록 구성된 릴레이제어신호생성부; 및 상기 누전차단기가 재기동될 때에 상기 펄스적분부에 충전된 충전전압을 방전시켜 아크 발생 신호의 유지를 해제하도록 구성된 자기유지해제부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 외부 자계 유도 코일은 초크 코일 또는 막대형 코일인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펄스발생부는 직렬연결된 제1 및 제2 인버터를 사용하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펄스발생부는 연산증폭기를 사용하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펄스발생부 내 제1 인버터의 출력 및 상기 아크발생신호유지부 내 제3 인버터의 출력과 병렬연결되는 제1 엘이디를 포함하고, 상기 제1 엘이디는 상기 제1 인버터의 출력에 점멸되고, 상기 제3 인버터의 출력에 점등되는 아크 발생 표시부; 및 상기 아크발생신호유지부의 출력과 상기 자기유지해제부 사이에 배치되는 제2 엘이디를 포함하는 누전차단동작표시부를 더 포함하고, 아크가 발생하지 않고 누전 차단 동작이 이루어지면 상기 제2 엘이디가 점등되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펄스발생부와 상기 아크발생신호유지부의 출력에 점멸 또는 점등되는 표시부를 더 포함한다.
본 발명의 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로에 따르면, 높은 주파수를 가진 아크나 스파크를 외부 자계 유도를 이용하여 통상적으로 인가되는 사인 파형의 기본파 내지 낮은 차수의 고조파와 구별함으로써 배선 계통에 접속점의 접촉불량이나 선간의 절연불량을 비교적 정확하게 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는 기 설치된 누전 차단기의 수전 측 핫 라인과 접지 라인 사이에 외부 자계 유도 코일을 배치하여 적용하기 때문에 아크 감지 회로를 포함하는 장치의 설치가 간편한 잇점이 있다.
또한, 본 발명의 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로에 따르면, 결합계수가 높은 변류기 방식에 비하여 부하 전류에 의한 자기 포화 현상을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로를 내장한 누전 차단기 모식도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로 내 각부 파형도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도, 및
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 감쇠 진동을 이용한 아크 감지 회로에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로를 내장한 누전 차단기 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로 내 각부 파형도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로를 내장한 누전 차단기 모식도로서, 누전 차단기(100)는 수전측 핫 라인과 접지 라인 사이에 배치되는 외부 자계 유도 코일(L1)을 포함하는 아크 감지 회로를 내장한다. 여기서, 도면부호 110은 재투입 스위치, 도면부호 120은 차단버튼으로 누전차단 기능을 시험하기 위한 버튼이다. 본 발명에서 외부 자계라 함은 아크 전류가 흐르는 배선에서 방사되는 높고 불규칙한 주파수를 가진 자계로 이해되어야 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는, 고역통과필터(205), 고주파증폭부(210), 펄스발생부(215), 펄스적분부(220), 아크발생신호유지부(225), 아크발생표시부(230), 정전압부(235), 정류부(240), 노이즈제거부(245), 자기유지해제부(250), 릴레이제어신호생성부(255), 누전차단동작표시부(260), 릴레이부(265), 과전류보호부(270), 및 일방향전류처리부(275)를 포함한다.
고역통과필터(205)는 누전차단기(100)의 출력 측 두 배선 사이에 배치되는 외부 자계 유도 코일(L1)과 외부 자계 유도 코일(L1)에 직렬연결된 제1 캐패시터(C1)를 포함한다. 고역통과필터(205)는 외부 자계 유도 코일(L1)과 제1 캐패시터(C1)의 공진을 이용하여 누전차단기(100)의 출력 측 배선에 발생하는 고주파의 아크를 통과시킨다. 여기서, 누전차단기(100)의 출력 측 배선에 상용 주파수의 교류 전류가 흐르면, 외부 자계 유도 코일(L1)에 유도 전류가 흐르지 않는다. 그런데, 누전차단기(100)의 출력 측 배선에 고주파수의 아크가 발생하면, 외부 자계 유도 코일(L1)의 유도 전류의 리플 펄스가 흐른다. 한편, 외부 자계 유도 코일(L1)은 드럼형 초크 코일 또는 막대형 코일로 구현될 수 있으며, 토로이달 코일 등과 같이 외부 자계를 유도할 수 없는 타입은 배선 사이가 아니라 배선이 토로이달 코일을 통과하여야 하므로 사용을 배제한다. 예컨대, 고역통과필터(205)는 100kHz 이상의 고주파수를 통과시킬 수 있다.
정류부(240)는 브릿지 다이오드로 구현되며, 누전차단기(100)의 입력 측(T1, T2)에 인가되는 교류 전압을 정류한다.
정전압부(235)는 정류부(240)의 출력측 양단에 병렬 연결되는 제5 캐패시터(C5)와 제너다이오드(ZD1)를 포함하고, 정류부(240)로부터 출력되는 정류 전압을 평활화한다.
고주파증폭부(210)는 고역통과필터(205)를 통과한 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력한다. 구체적으로, 제1 캐패시터(C1)에 직렬연결된 제2 캐패시터(C2)는 고역통과필터(205)로부터 출력되는 고주파 신호를 통과시키고, 제2 캐패시터(C2)를 통과한 고주파 신호가 입력되는 동안 제1 트랜지스터(TR1)가 턴온되었다가 더 이상 고주파 신호가 입력되지 않으면 제1 트랜지스터(TR1)은 턴오프 된다. 제1 트랜지스터(TR1)가 턴온되는 동안, 제1 트랜지스터(TR1)의 출력측(컬렉터 단자) 전압은 "L"상태로 하강하였다가, 제1 트랜지스터(TR1)가 턴오프 되면, 제1 트랜지스터(TR1)의 출력측 전압은 "H"상태로 천이하여 증폭된다. 즉, 제1 트랜지스터(TR1)은 입력되는 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력한다. 한편, 고주파 신호가 입력되더라도 고주파 신호의 레벨이 소정 크기 이하이면 제1 트랜지스터(TR1)을 턴온시키지 못한다.
여기서, 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 단자와 에미터 단자 사이에 역병렬 결합된 제1 다이오드(D1)는 고주파 신호에 의해 제2 캐패시터(C2)에 충전된 전하를 방전시키기 위한 경로(제 캐패시터(C2) -> 제1 저항(R1) -> 제1 다이오드(D1))를 마련하기 위한 배치된다. 그리고 가변저항(VR)은 일단이 제1 트랜지스터(TR1)의 에미터 단자에 연결되고, 타단이 제2 저항(R2)에 연결되며, 가변단자가 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 단자에 배치된다. 제2 저항(R2)는 일단이 가변저항(VR)의 타단에, 타단이 제1 트랜지스터(TR1)의 컬렉터 단자에 연결되도록 배치된다. 가변저항(VR)은 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스측 바이어스 전압을 설정하는 기능을 수행한다. 제3 저항(R3)은 제1 트랜지스터(TR1)의 보호용 저항이다. 제2 다이오드(D2)는 제1 트랜지스터(TR1)의 컬렉터 단자 전압을 후단에 전달하며, 후단에 배치되는 펄스발생부(215)의 입력 단자 전압이 "H" 상태인 경우 전류가 역류하는 것을 방지하는 기능을 담당한다.
펄스발생부(215)는 직렬연결된 제1 및 제2 인버터(U1, U2)를 포함하고, 제1 인버터(U1)의 입력 전압을 소정의 제1 시정수를 가지고 방전되도록 함으로써 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성한다.
즉, 제2 인버터(U2)의 출력 전압(Vb)은 제1 인버터(U1)의 입력 전압(Va)이 소정 시간 지연되어 나타난다.
제1 인버터(U1)의 입력단부에는 접지 전압(VG) 단부와 사이에 배치되는 제4 저항(R4), 제2 인버터(U2)의 출력단부와의 사이에 직렬연결되는 제3 캐패시터(C3) 및 제5 저항(R5)을 포함한다. 단안정 펄스 신호는 제4 저항(R4), 제5 저항(R5), 및 제3 캐패시터(C3)에 의해 결정되는 제1 시정수를 가진다. 즉, 고주파 증폭 신호가 없을 때에는 제4 저항(R4)으로 인해 제1 인버터(U1)의 입력측이 "L" 레벨 상태를 유지하다가 "H" 상태의 고주파 증폭 신호가 인가되면 제3 캐패시터(C3)가 충전되면서 제1 인버터(U1)의 입력측이 "H" 레벨 상태로 천이하였다가 소정의 제1 시정수로 방전되어 "L" 레벨 상태로 천이한다.
여기서, 전원전압(VDD) 단부와 제1 인버터(U1)의 입력측 사이에 배치되는 제3 다이오드(D3)는 제3 캐패시터의 충방전시 배전압이 되는 것을 방지하여 제1 인버터(U1)를 보호한다. 그리고 제2 인버터(U2)의 출력측으로부터 제1 인버터(U1)의 입력측으로 역방향 연결된 제4 다이오드(D4)는 제2 인버터(U2)의 펄스 출력이 제1 인버터(U1)의 입력에 영향을 미치지 못하게 하는 기능을 담당한다. 예컨대, 제1 인버터(U1)의 입력 전압(Va)이 1/2VDD(예: 6V)의 "H" 상태이면, 제2 인버터(U2)의 출력 전압(Vb)은 온전한 VDD(예:12V)의 "H"상태로 출력되는데, 제4 다이오드(D4)가 없다면, 제2 인버터(U2)의 출력 전압(Vb) 12볼트가 제1 인버터(U1)의 입력측에 피드백되어 제1 인버터(U1)의 입력 전압(Va)을 6볼트에서 12볼트로 상승시키는 문제가 발생할 수 있다. 제4 다이오드(D4)는 이러한 문제를 예방할 수 있다.
펄스적분부(220)는 펄스발생부(215)로부터 출력되는 단안정 펄스 신호를 적분하여 펄스 적분 신호를 출력하도록 구성된다. 즉, 펄스적분부(220)는 펄스발생부(215)와 접지 전압(VG) 단부 사이에 배치되는 제6 저항(R6)과 제4 캐패시터(C4)를 포함하여 구성된다. 여기서, 펄스발생부(215)의 출력단과 결합되는 제5 다이오드(D5)는 제4 캐패시터(C4)에 충전된 충전전압이 펄스발생부(215)로 방전되지 않도록 하는 기능을 담당한다.
아크발생신호유지부(225)는 펄스적분부(220)로부터 출력되는 펄스 적분 신호를 아크 발생 신호로 판정하여 유지하도록 구성된다. 즉, 아크발생신호유지부(225)는 제3 및 제4 인버터(U3, U4)를 포함하는바, 펄스적분부(220)로부터 출력되는 펄스 적분 신호가 누적되어 제4 캐패시터(C4)에 충전전압이 소정치(예: 1/2VDD)를 초과하게 되면 제4 인터버(U4)는 아크 발생 신호(Vd)를 출력하게 된다. 이때, 제7 저항(R7)은 제4 인버터(U4)의 출력 전압(Vd)을 제4 캐패시터(C4)에 피드백 시켜 아크 발생 신호를 유지하게 된다.
자기유지해제부(250)는 누전차단기가 재기동될 때에 펄스적분부(220) 내 제4 캐패시터(C4)에 충전된 충전 전압(Vc)을 방전시킴으로써 아크 발생 신호의 유지를 해제하도록 구성된다. 즉, 누전차단기가 오프 상태에서 온 상태로 천이하는 순간, 아크발생신호유지부(225)의 출력을 리셋시키는 기능을 담당한다. 누전차단기가 리셋되는 순간(전원측과 부하측이 전기적으로 차단에서 연결로 천이되는 상태), 제5 인버터(U5)의 입력측이 제10 저항(R10)을 통해 "H" 상태에서, 제9 저항(R9) -> 제2 PTC 소자(PT2) -> 제12 다이오드 또는 제13 다이오드(D12/D13)의 경로에 의해 제5 인버터(U5)의 입력측이 "L" 상태로 천이된다. 제5 인버터(U5)의 입력이 "L"상태로 천이하는 순간, 제5 인버터(U5)의 출력은 "H" 상태로 천이하여 제7 캐패시터(C7)을 충전시키고, 제7 캐패시터(C7)에 충전 전류가 흐르는 동안 제7 캐패시터(C7)에 베이스가 결합된 제2 트랜지스터(TR2)가 턴온되어 제4 캐패시터(C4)를 방전시킨다. 한편, 누전차단기가 오프 된 동안에는 제7 캐패시터(C7)가 제9 다이오드(D9)를 통해 방전되므로 제2 트랜지스터(TR2)는 턴오프 상태이다.
여기서, 제6 캐패시터(C6)는 제9 저항(R9)을 통해 제5 인버터(U5)의 입력에 인가되는 맥류 형태의 부전압을 평활화하기 위하여 배치된다. 그리고, 제5 인버터(U5)의 입력측과 접지 전압(VG) 단자사이에 배치되는 제8 다이오드(D8)는 제9 저항(R9)을 통해 제5 인버터(U5)의 입력 측에 인가되는 (-) 전압을 접지 전압(VG) 단자와 전기적으로 연결하여 제5 인버터(U5)를 보호하는 기능을 담당한다.
릴레이제어신호생성부(255)는 아크로 인해 아크발생신호유지부(225)가 "H" 상태를 출력하는 경우, 소정의 제2 시정수(
Figure 112020028558138-pat00001
) 동안 릴레이 제어 신호를 출력하도록 구성된다. 평시에는 제6 인버터(U6)의 입력에는 제12 저항(R12)을 통해 "H" 상태가 유지되고, 제6 인버터(U6)의 출력에는 "L" 상태가 유지되어 릴레이부(265)가 작동하지 않는다. 한편, 아크 발생시에는 아크발생신호유지부(225) 내 제3 인버터(U3)의 출력이 "L" 상태로 천이하므로, 소정의 제2 시정수(
Figure 112020028558138-pat00002
) 동안 릴레이 제어 신호를 출력한다. 따라서 제8 캐패시터(C8)의 충전이 완료되면 제6 인버터(U6)의 출력은 "H" 상태로 다시 천이한다. 여기서 소정 시간이라 함은 누전차단기가 작동할 시간(예: 30ms)보다 더 긴 시간이면 족하다.
아크발생표시부(230)는 제1 인버터(U1)의 출력 및 제3 인버터(U3)의 출력과 병렬 연결되는 제1 LED(LD1)를 포함한다. 여기서, 제1 LED(LD1)는 제1 인버터(U1)의 출력 또는 제3 인버터(U3)의 출력이 "L" 상태로 천이하는 순간 점등되고, 제1 인버터(U1)의 출력 또는 제3 인버터(U3)의 출력이 "H" 상태로 천이하는 순간 멸등된다. 즉, 아크에 의해 펄스가 있는 경우, 제1 LED(LD1)는 제1 인버터(U1)의 출력에 의해 점멸되고(경로 R8 -> LD1 -> D6), 아크에 의해 아크 발생 신호가 유지(홀딩)되는 경우, 제3 인버터(U3)의 출력에 의해 점등된다(경로 R8 -> LD1 -> D7).
누전차단동작표시부(260)는 아크발생신호유지부(225)의 출력과 자기유지해제부(250) 사이에 배치되는 제2 LED(LD2)를 포함한다. 구체적으로, 아크발생신호유지부(225)의 출력이 "L" 상태, 즉, 아크가 발생하지 않아 누전차단 동작이 이루어지고 있는 경우, 자기유지해제부(250) 내 제5 인버터(U5)의 출력은 "H" 상태이므로 제2 LED(LD2)가 점등된다.
노이즈제거부(245)는 정류부(240)에 입력되는 노이즈를 제거하도록 구성된다. 즉, 제1 입력터미널(T1)과 정류부(240) 사이에 배치된 바리스터(MOV)는 서지보호용이고, 제1 입력터미널(T1)과 정류부(240) 사이에 배치된 제9 캐패시터(C9)는 교류전압 강하용 전류제어 기능을 담당하고, 제9 캐패시터(C9)와 병렬연결되는 제13 저항(R13)은 제9 캐패시터(C9)의 방전용이다. 그리고 제2 입력터미널(T2)과 정류부(240) 사이에 배치된 제1 PTC 소자(PT1)는 배선의 과열을 차단한다.
과전류보호부(270)는 릴레이부(265)와 출력터미널(275) 사이에 배치되는 제2 PTC 소자(PT2)로 구성되고, PTC 소자로 과전류 보호용이다.
일방향전류처리부(275)는 부하측 라인(T3, T4)에 각각 전원측으로부터 부하측으로 일방향의 전류가 흐르도록 배치되는 제12 및 제13 다이오드(D12, D13)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는, 고역통과필터(405), 고주파증폭부(410), 펄스발생부(415), 펄스적분부(420), 비교기준전압발생부(425), 아크발생신호유지부(430), 릴레이부(435), 과전류보호및정전압부(440), 일방향전류처리부(445), 및 아크발생표시부(450)를 포함한다.
고주파증폭부(410)는 고역통과필터(405)를 통과한 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력한다. 세부 구성 및 동작은 도 2에 관하여 상세하게 설명하고 있으므로 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
펄스발생부(415)는 고주파증폭부(410)로부터 출력되는 고주파 증폭 신호와 제1 기준 신호(VC44)를 비교하여 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성된다.
펄스발생부(415) 내 제1 연산증폭기(OP1)는 제44 캐패시터(C44)의 충전전압인 제1 기준 신호(VC44)와 고주파 증폭 신호를 비교하고, 고주파 증폭 신호가 제1 기준 신호(VC44)보다 높으면 "H" 상태 신호를 출력한다.
입력 전압을 소정의 제1 시정수를 가지고 방전되도록 함으로써 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성한다. 구체적으로, 제1 연산증폭기(OP1)의 입력단부에는 접지 전압(VG) 단부와 사이에 배치되는 제44 저항(R44), 제1 연산증폭기(OP1)의 출력단부와의 사이에 직렬연결되는 제43 캐패시터(C43) 및 제45 저항(R45)을 포함한다. 단안정 펄스 신호는 제44 저항(R44), 제45 저항(R45), 및 제43 캐패시터(C43)에 의해 결정되는 제1 시정수를 가진다. 즉, 고주파 증폭 신호가 없을 때에는 제44 저항(R44)으로 인해 제1 연산증폭기(OP1)의 입력측이 "L" 레벨 상태를 유지하다가 "H" 상태의 고주파 증폭 신호가 인가되면 제43 캐패시터(C43)가 충전되면서 제1 연산증폭기(OP1)의 입력측이 "H" 레벨 상태로 천이하였다가 소정의 제1 시정수로 방전되어 "L" 레벨 상태로 천이한다.
펄스적분부(420)는 펄스발생부(415)로부터 출력되는 단안정 펄스 신호를 적분하여 펄스 적분 신호를 출력하도록 구성된다.
비교기준전압발생부(425)는 전원전압(VDD) 노드와 접지전압(VG) 노드 사이에 복수의 저항을 이용하여 비교기준전압을 제공한다. 즉, 비교기준전압발생부(425)는 직렬연결된 제48 및 제49 저항(R48, R49) 중 제9 저항(R49)에 인가되는 전압을 비교기준전압(Vref)으로 제공한다.
아크발생신호유지부(430)는 펄스적분부(420)로부터 출력되는 펄스 적분 신호와 상기 비교기준전압을 비교하여 소정의 제2 시정수(
Figure 112020028558138-pat00003
) 동안 아크 발생 신호로 판정하여 유지하도록 구성된다.
릴레이부(435)는 아크발생신호유지부(430)의 출력과 접지전압(VG) 노드 사이에 배치되는 릴레이 코일을 포함하고, 릴레이 코일이 아크 판정 신호에 동작하도록 구성된다.
과전류보호및정전압부(440)는 누전차단기 출력측으로부터 전원전압(VDD) 노드와 접지전압(VG) 노드 사이에 배치되어, PTC 소자(PT41, PT42)는 배선의 과열을 차단하고, 제너다이오드(ZD41) 및 제46 캐패시터(C46)는 정전압을 제공한다. 제47 캐패시터(C47)는 교류전압 강하용 전류제어 기능을 담당한다.
일방향전류처리부(445)는 누전차단기 출력측으로부터 릴레이부(435) 내 릴레이 스위치로 일방향의 전류가 흐르도록 배치되는 제48 및 제49 다이오드(D48, D49)를 포함한다.
아크발생표시부(450)는 펄스발생부(415) 내 제1 연산증폭기(OP1)의 출력과 접지전압(VG) 노드 사이에 배치되는 제1 LED(LD1)를 포함한다. 아크에 의해 펄스가 있는 경우, 제1 LED(LD1)는 제1 연산증폭기(OP1)의 출력에 의해 점멸된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는, 고역통과필터(505), 고주파증폭부(510), 펄스발생부(515), 펄스적분부(520), 아크발생신호유지부(525), 릴레이부(530), 표시부(535), 정전압부(540), 과전류보호부(545), 및 일방향전류처리부(550)를 포함한다.
도 5의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로는 도 4의 본 발명의 다른 실시예와 대부분의 구성이 동일하고 표시부(535)와 전원전압(VDD)을 생성하기 위한 정전압부(540)가 상이하다.
표시부(535) 내 제1 LED(LD1)는 아크 발생을 표시하는바, 제1 연산증폭기(OP1)의 출력에 따라 점멸하고, 제2 연산증폭기(OP2)의 출력에 따라 점등된다.
표시부(535) 내 제2 LED(LD2)는 누전차단기가 정상 동작하는 동안 점등된다.
정전압부(540)는 DC 전원을 인가받아 노이즈를 제거한다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 누전 차단기
110: 재투입 스위치
120: 차단버튼
205: 고역통과필터
210: 고주파증폭부
215: 펄스발생부
220: 펄스적분부
225: 아크발생신호유지부
230: 아크발생표시부
235: 정전압부
240: 정류부
245: 노이즈제거부
250: 자기유지해제부
255: 릴레이제어신호생성부
260: 누전차단동작표시부
265: 릴레이부
270: 과전류보호부
275 일방향전류처리부

Claims (7)

  1. 누전차단기의 부하측 두 배선 사이에 배치되어 외부 자계를 유도하는 외부 자계 유도 코일을 이용하여 상기 누전차단기의 부하측 배선에 발생하는 아크를 검출하도록 구성된 고역통과필터;
    상기 고역통과필터를 통과한 고주파 신호를 증폭하여 고주파 증폭 신호를 출력하는 고주파증폭부;
    상기 고주파 증폭 신호를 소정의 제1 시정수로 방전시켜 단안정 펄스 신호를 출력하도록 구성된 펄스발생부;
    상기 펄스발생부로부터 출력되는 단안정 펄스 신호를 적분하여 펄스 적분 신호를 출력하도록 구성된 펄스적분부; 및
    상기 펄스 적분 신호를 아크로 판정하여 생성되는 아크 발생 신호를 유지하도록 구성된 아크발생신호유지부를 포함하고,
    상기 외부 자계 유도 코일은 초크 코일 또는 막대형 코일인 것을 특징으로 하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아크발생신호유지부로부터 상기 아크 발생 신호가 출력되면 소정의 제2 시정수 동안 릴레이 제어 신호를 출력하도록 구성된 릴레이제어신호생성부; 및
    상기 누전차단기가 재기동될 때에 상기 펄스적분부에 충전된 충전전압을 방전시켜 아크 발생 신호의 유지를 해제하도록 구성된 자기유지해제부를 더 포함하는 외부 자계 유도를 이용하여 아크 감지 회로.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스발생부는 직렬연결된 제1 및 제2 인버터를 사용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스발생부는 연산증폭기를 사용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 펄스발생부 내 제1 인버터의 출력 및 상기 아크발생신호유지부 내 제3 인버터의 출력과 병렬연결되는 제1 엘이디를 포함하고, 상기 제1 엘이디는 상기 제1 인버터의 출력에 점멸되고, 상기 제3 인버터의 출력에 점등되는 아크 발생 표시부; 및
    상기 아크발생신호유지부의 출력과 상기 자기유지해제부 사이에 배치되는 제2 엘이디를 포함하는 누전차단동작표시부를 더 포함하고,
    아크가 발생하지 않고 누전 차단 동작이 이루어지면 상기 제2 엘이디가 점등되는 것을 특징으로 하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스발생부와 상기 아크발생신호유지부의 출력에 점멸 또는 점등되는 표시부를 더 포함하는 외부 자계 유도를 이용한 아크 감지 회로.
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