KR102327849B1 - 누설전류 방지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물속에서도 전기를 안전하게 사용하고, 감전으로부터 자유롭도록 절연변압기를 적용시킨 누설전류 방지시스템에 관한 것이다. 본 발명은 전력회사로부터 공급받는 전기와 별개의 전기회로가 구성되어 누전으로 인한 감전사고의 위험이 없도록 삼상 또는 단상의 교류전기를 공급받아서 2차측에서 상기 교류전기를 비접지식으로 변환하는 절연변압기; 절연변압기를 통해 비접지식으로 변환된 전기회로에 의해 발생되는 대지 간의 정전 전하를 제거하는 컨트롤보드;를 포함하여 구성된 누설전류 방지시스템을 개시한다.
본 발명의 누설전류 방지시스템에 따르면, 전자파의 위험으로부터 안심하고 전기제품을 사용할 수 있도록 함은 물론, 주거용, 상업용, 산업용으로 전기를 사용할 때 전기선로 및 접속기기 등의 누설전류로 인한 감전이나 화재 등의 사고가 빈번하게 일어나 전기공급이 중단되는 문제를 해결하고, 어떤 환경에서도 감전사고 없이 전기를 안심하고 사용할 수 있도록 한다.

Description

누설전류 방지 시스템{Leakage current preventing system}

본 발명은 누설전류 방지 시스템에 관한 것이다.

모든 전기제품은 전자파 발생을 줄이고, 발생분을 외부로 나가지 못하도록 차폐하여 허용하는 시험기준 이내로 규제하고 있다.

그러나 실제로 전기제품을 사용하는 시간과 장소 등의 환경요인에 의해서 전자파의 유출이 기준치 이상으로 되는 위험상황을 발생하기도 한다. 그리고 전기제품을 사용하는 주변장치, 즉 전기선로, 접속기기들에서도 전자파가 발생한다. 따라서 일반가정 등에서 자연히 전자파를 발생시키는 기기들을 많이 모아놓고 살게 되므로 전자파의 위험에 무방비상태로 노출되게 된다.

결국 전기제품을 사용할 때 전자파의 영향으로부터 자유로울 수 없으나, 현재까지 전자파의 위험을 막아줄 수 있는 기술 개발은 없었는 바, 전자파의 위험으로부터 안심하고 전기제품을 사용할 수 있도록 하는 전자파방지 기술의 개발이 필요하다.

또한, 일반적으로 전기는 공기 중에서만 사용하고 수중에서는 안전 문제로 인하여 반드시 방수처리해야만 사용할 수 있다. 그 이유는 누전으로 인한 인체의 감전사고 때문이다. 따라서, 전기를 공급하는 회사에서는 누전차단기 등의 안전장치를 사용하여 누전의 위험을 줄이려 하지만 한계가 있다.

특수한 경우이지만 침수로 인해서 전기제품이 물에 잠기는 경우도 있고, 수중에서 전기를 사용해야 하는 경우도 있다. 그러나 수중에서 전기를 사용하려는 경우 누전으로 인한 감전 문제 때문에 사용할 수가 없다.

한 예로, 몇 년전 일본 동경전력의 후쿠시마 원자력 발전소에서 쓰나미가 발생하여 원자로에 냉각수를 공급하는 펌프가 중단되는 사고가 발생하였다.

그 이유는 펌프에 전기를 공급하는 전원선의 누전차단기가 오프(off)되어 펌프 가동이 중단된 것이었다. 즉 원자로에 냉각수를 공급하는 냉각시스템이 가동을 중단하여 빚어진 참사로 방사능 유출이라는 엄청난 비극을 겪게 되었다.

한편, 가정이나 상업지역, 산업현장의 대부분의 기기는 전기에너지로 동작한다.

전기 에너지의 사용은 우리 삶의 질을 한 단계 올려주고, 서비스의 질을 향상시켜 주며, 산업현장의 생산성을 높이는 것은 물론이고 작업환경까지도 개선해주는 가장 중요한 수단이 되고 있다.

그러나 사용하는 상황에 따라서 누설전류가 발생하면 감전사고 및 화재 등의 치명적인 문제를 야기할 수 있음은 물론이고, 전자기기들의 오작동의 원인이 되기도 한다.

현재 전기기기 등에서 누설전류가 일정 크기 이상이 되면 누전차단기가 동작하여 전기를 더 이상 사용할 수 없게 전원을 차단한다.

그러나 누전차단기로 전원을 차단하는 방법은 전기를 사용할 수 없게 되는 문제와 더불어, 누설전류의 크기가 일정치 이하인 경우는 보호받을 수 없다는 문제 또한 상존하고 있다.

또한, 모든 전기선로 및 제품은 누설전류가 흐르지 않도록 제작되고 설치되었으나, 실제로는 일정량의 누설전류가 흐르고 있다. 즉, 전기선로나 사용제품은 사용환경에 따라서 절연이 파괴되어 누설전류가 흐르게 된다.

현재 전력회사로부터 공급받는 전기는 전기선로 및 전기기기의 절연이 파손된 경우 폐회로가 구성되어 누설전류가 흐르도록 설계되어 있고, 누설전류가 감지되면 보호기기를 동작시켜서 안전을 확보하도록 되어 있다.

결론적으로 누설전류가 흐르면 고장, 즉 문제가 발생한 것이므로 전원으로부터 고장부위를 분리하도록 누전차단기가 동작한다.

즉 도 1에 도시된 바와 같이, 전력회사로부터 공급되는 전기가 콘센트, 전등, 에어컨 등 부하에 공급되도록 연결되는데, 차단기(10)가 설치되어 있으므로 누설전류가 발생하면 부하로 공급되는 전기를 차단하도록 구성되어 있다.

전기 사용시 누설전류를 흐르지 않게 하려면 폐회로가 구성되지 않도록 하는 방법과, 절연이 파괴되어 접지가 되지 않도록 하는 방법을 사용할 수밖에 없다.

그런데 절연이 파괴되지 않도록 하고 접지되지 않도록 하는 것은 현실적으로 불가능하다.

따라서 일반적으로 주거용, 상업용, 산업용으로 전기를 사용할 때 전기선로 및 접속기기 등의 누설전류로 인한 감전이나 화재 등의 사고가 빈번하게 일어나 전기공급이 중단되는 문제를 해결하고, 어떤 환경에서도 감전사고 없이 전기를 안심하고 사용할 수 있는 누전방지 기술 개발이 필요하다.

본 발명의 목적은 전자파의 위험으로부터 안심하고 전기제품을 사용할 수 있도록 함은 물론, 주거용, 상업용, 산업용으로 전기를 사용할 때 전기선로 및 접속기기 등의 누설전류로 인한 감전이나 화재 등의 사고가 빈번하게 일어나 전기공급이 중단되는 문제를 해결하고, 어떤 환경에서도 감전사고 없이 전기를 안심하고 사용할 수 있도록 한, 누설전류 방지시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 누설전류 방지시스템은

누설전류 방지시스템에 있어서,

전력회사로부터 공급받는 전기회로와 별개의 전기회로가 구성되어 누전으로 인한 감전사고의 위험이 없도록

삼상 또는 단상의 교류전기를 공급받아서 2차측에서 상기 교류전기를 비접지식으로 변환하는 절연변압기;

상기 절연변압기를 통해 비접지식으로 변환된 전기회로에 의해 발생되는 대지 간의 정전 전하를 제거하는 컨트롤보드;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 컨트롤보드는

전력회사로부터 공급되는 교류를 브릿지 회로를 통해 직류로 변환하여 차동증폭부로 출력하는 정류부;

정류부로부터 직류를 입력받는 입력부와, 입력부를 통해 입력된 직류를 기준치와 비교하는 설정 및 비교부와, 설정 및 비교부의 비교결과에 따라 정전 전하가 제거되도록 구동되는 릴레이구동부로 구성되는 차동증폭부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 절연변압기는 전력회사의 전압을 Y결선으로 전달받아 부하단을 Δ 결선 또는 Y 결선 비접지로 받는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 차동증폭부는 입력부를 통해 입력된 직류로 변환된 플로팅(floating) 상태의 비접지 전류에 의해 전기회로와 그라운드 사이에 충전 전하가 발생할 수 있으므로, 설정 및 비교부를 통해 비교한 결과 선로전압이 기준치 이상인 경우 충전 전하를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 릴레이구동부는 릴레이를 동작시켜 대지 간의 충전 전하를 그라운드 사이의 저항에 의해 상쇄시킴으로써 출력전압이 기준치 이내로 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 누설전류 방지시스템에 따르면, 전자파의 위험으로부터 안심하고 전기제품을 사용할 수 있도록 함은 물론, 주거용, 상업용, 산업용으로 전기를 사용할 때 전기선로 및 접속기기 등의 누설전류로 인한 감전이나 화재 등의 사고가 빈번하게 일어나 전기공급이 중단되는 문제를 해결하고, 어떤 환경에서도 감전사고 없이 전기를 안심하고 사용할 수 있도록 한다.

도 1은 종래 보호시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 누설전류 방지시스템의 구성도.
도 3은 변압기 및 리액터 철심구조 변경 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 누설전류 방지시스템의 제어 구성도.
도 5는 도 4의 정류부의 상세 회로도.
도 6a, 도 6b, 도 6c는 선로전압 감지 비교 및 대지간 정전 전하를 상쇄시키는 구성의 상세 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 제품 사진.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다.

각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

[발명의 바람직한 형태]

1. 누설전류

전력회사로부터 수요처까지의 전기회로중에 누전시 누설전류가 흐르는 선로를 검토해보면, 폐회로 구성을 막을 수 있는 장소는 전력회사 구간인 중성점 접지부분이라는 것을 알 수 있다.

즉 부하에 전원을 공급하는 전원선은 인체가 접촉하면 감전을 야기하는 구간이지만 끊을 수 없고, 전력회사의 중성접지 부분이 폐회로가 구성되지 않도록 절단할 수 있는 부분인데, 이 부분은 전력회사의 전력공급에 필요한 안전기기 동작을 위해서 불가능한 부분이며, 더구나 전기안전기술의 접지규정을 위반하는 것이기 때문에 불가능하다. 전력회사와 일체로 연결된 전기회로 내에서는 누설전류를 흐르지 못하게 폐회로를 끊는다는 것은 불가능한 것이다.

그러므로 지금과 같이 전기회로가 일체로 되어 있는 경우에는 누설전류를 흐르지 못하게 하는 방법은 없으며, 전력회사의 전기회로와 별도로 새로운 전기회로(소비자용)를 구성하여야 가능하다. 전력회사의 전기회로와 전기소비자의 전기회로가 전기적으로 연결되지 않는 전기회로를 구성하면 되는 것이다.

이를 구현하기 위해서는 전력회사의 전기회로와 독립된 수요처의 전기회로를 자기적으로 연결하는 방법이 있다. 즉 서로 다른 전기회로가 전기적으로 간섭을 받지 않고 자기적으로 결합되는 방법을 사용하면, 누설전류가 흐르는 폐회로를 끊을 수 있는 전기회로를 구성할 수 있는 것이다.

전기회로를 자기회로를 통해서 2개의 전기회로로 분리하는 것은 전자유도법칙을 이용하면 가능하다. 이 원리를 적용하여 제품화한 것이 변압기로서, 전력계통에서 고장전류가 너무 큰 경우, 작은 두 개의 계통으로 분리할 때 사용하며, 전압의 변경없이 단순히 계통을 분리하는 경우에 사용하는 것을 절연변압기(isolation transformer)라고 한다.

결과적으로 누설전류가 흐르는 것을 근본적으로 해결하는 방법을 정리하면 다음과 같다.

1) 전력회사에서 공급받는 전기와 전기회로적으로 독립된 새로운 전기회로를 자기회로를 통해서 구성한다.

2) 이렇게 구성된 새로운 전기회로를 통해서 소비자가 부하를 연결해서 전기를 사용하면 누설전류가 흐르는 폐회로를 단선시킬 수 있고, 누설전류는 흐르지 않게 되며, 인체가 전기적으로 감전되는 문제는 근본적으로 방지할 수 있게 되는 것이다.

구조는 기존의 방식을 사용하면 되는데, 소형의 경우 소음문제가 없는 트로이달(troidal) 방식도 좋으며, 이 방식은 소음과 품질, 특히 제품화시 외형문제로 디자인의 한계를 극복할 수 있음과 동시에 생산성을 상당히 높일 수 있는 방식이다.

본 발명은 상기 방식으로 누설전류가 흐르지 않는 전원공급장치(누전 방지시스템)를 개발하여 전기를 안전하게 사용할 수 있도록 한 것이다.

또한, 일반적으로 전기는 공기중에서만 사용하고, 불가피하게 수중 또는 습기가 많은 곳에서 사용하려면 반드시 방수처리를 한 후 사용해야 하며, 사용 중 방수에 문제가 생기는 경우 감전이 발생되는 문제가 있다.

이러한 경우, 전기사용시 누설전류를 근본적으로 흐르지 않게 하는 전원공급장치(누전 방지시스템)를 이용하면 전기적 절연거리를 반영한 전기제품의 경우 수중이나 습기가 많은 곳에서도 사용할 수 있게 된다.

현실적으로 전기공급자 측에서 접지를 해놓았기 때문에 선로의 절연파괴나 인체에 접촉하는 경우 폐회로가 구성되어 누설전류가 흐르는 것은 당연하고, 보호장치가 동작하여 전기가 차단되는 것 또한 당연하다.

따라서 누설전류가 흐르도록 설계된 전기를 전력회사 또는 집단 수전시설로부터 공급받아서 사용하는 부하측에서 누설전류 문제로 어려움을 겪는 경우가 발생한다.

본 발명은 이러한 경우 누설전류 방지시스템을 사용하여 누전(누설전류)으로부터 자유롭게 전기를 사용할 수 있도록 한다.

본 발명의 원리는 첫째, 전기회로를 접지하지 않아야 하며, 둘째, 전기회로가 폐회로로 구성되지 않도록 해야 한다.

주지하다시피, 전력회사로부터 공급받는 전기는 전기사고시 접지를 통해서 폐회로가 구성되어 누설전류가 흐르게 되고 이로 인해서 인명피해 및 화재 등이 발생한다.

그러나 전력공급회사와 연결된 전기회로에서는 누설전류의 요인인 접지선을 제거하고 사용하는 것을 수요자 측에서 할 수 없다.

그래서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 전기회로를 구성해야 한다.

즉, 기존의 전기회로와 독립된 새로운 전기회로를 구성하는 방법밖에 없는데, 기존의 전기회로에서 전기에너지를 받는 별개의 전기회로를 만드는 것은 단순한 전기회로 변경으로는 불가능하다.

본 발명에서는 자기회로를 이용하여 변환과정을 거치면 별개의 전기회로가 구성되도록 한다. 즉 전력회사로부터 공급받는 전기회로와 독립된 전기회로를 만들기 위해서 전기적인 절연(isolation) 기능을 갖는 자기회로를 삽입해서 새로운 전기회로를 만드는 것이다.

전기회로에서 전기적으로 절연기능을 갖게 하는 방법은 절연 트랜스포머(변압기)를 삽입해서 사용하면 된다.

예를 들어, 절연 트랜스포머는 전기회로의 고장용량을 줄이고자 할 때, 즉 전기회로를 분할해서 사용해야만 할 때도 사용되는 기법이고, 그 외에도 전기제품의 기판 설계시에도 전기회로간의 간섭을 줄이기 위해서도 활용되는 기법이다.

또한, 우리가 사용하고 있는 전기는 발전기에서 기계에너지를 자기회로를 통해서 전기에너지를 만들고, 전동기에서는 전기에너지를 자기회로를 통해서 기계에너지로 변환시킬 수 있는 것과 같이, 본 발명에서는 자기회로를 통해서 전기에너지로 변환되는 원리를 사용하면 새로운 전기회로로 변경이 가능한 것이다.

이렇게 구성된 새로운 전기회로는 절대로 접지를 할 필요가 없고 그대로 사용하면 된다. 이러한 원리는 단상 전원 기준이고, 3상 전원에도 동일하게 적용된다.

특히 산업용으로 전기를 사용하는 경우 침수의 위험이 있거나 자연재해 등으로부터 전기공급의 중단이 우려되는 경우 유용한 대안이 될 것이다.

한편, 접지가 되지 않기 때문에 출력측의 전기회로가 플로팅(FLOATING)되고, 이로 인해 전압상승의 문제가 발생할 수도 있으므로 이에 대한 근본적인 해결책을 강구해야 한다.

구체적으로 살펴보면, 전기를 비접지식으로 공급받는 방법으로는, 공급자측에 부하측 결선을 3상3선식(Δ결선)으로 해서 비접지의 전기를 공급받거나, 자가 수전설비를 설치하고 공급받는 경우에는 변압기 출력측의 결선을 Δ결선으로 하거나 Y결선인 경우 접지를 하지 않고 3상3선식의 전기로 수요처에 전기를 공급하는 방법이 있다.

그러나 비접지식으로 전기를 공급받는 것이 일반적으로 어렵고 위험하기 때문에 본 발명과 같이 공급받는 접지식 전기를 절연변압기를 이용하여 비접지식 전기로 변환하여 사용하여야 한다.

2. 전자파

일반적으로 전기제품의 전자파는 통신장애 뿐만 아니라, 인간의 건강을 위협하는 요인으로 판단하고, 이를 해결하고자 많은 노력이 이루어지고 있다.

즉 전기제품의 전자파 발생에 대한 규격을 정해서 기준값 이내로 전기제품을 제작하도록 하는 전자파 인증을 실시하고 있다.

전자파 인증을 받은 전기제품을 사용하는 소비자는 전력회사로부터 공급받는 전기를 전기기기 즉 스위치, 연결기구물, 전선 등을 통해서 전기제품에 전기를 인가한다.

따라서 전기사용자는 전기공급과정의 계통과 전기제품의 여러 가지 측면에서 전자파를 검토해야 하므로 다음과 같이 외부요인에 의해서 전자파 발생을 감소시킬 수 있게 된다.

제조사는 전기회로 및 제품구조를 설계할 때 전자파를 감소시키기 위해서 심혈을 기울이며, 주로 필터를 사용하거나 차폐하는 방법을 사용한다.

한편, 전자파는 전기제품뿐만 아니라 전원을 연결하는 제반 전기기기 즉 전선 및 콘센트 등에서도 발생된다.

본 발명에서는 전기제품 제조자의 부분은 다루지 않고, 외부 요인만을 다루면서 사용기간이 경과하면 여러 가지 요인에 의해서 절연성이 저하되어 증가되는 전자파 발생 문제를 함께 고려하여 전자파 감소 문제를 해결하였다.

전자파 발생의 주요 원인으로는, 전기제품의 사용기간이 경과하면서 절연성이 저하되어 누설전류가 증가함으로써 전자파 발생이 증가하는 것과, 누전에 의한 common mode noise 전자파가 발생하는 것과, 전기제품에 전기를 공급하기 위해서는 여러 전기기기를 통해야 하는데, 예를 들어 분전반부터 전기스위치, 전기선로, 콘센트, 플러그 등을 거쳐서 전기를 공급받게 되는데 이 전기부품에서도 전자파는 발생된다.

상기와 같이 외부적인 요인에 의한 전자파 발생을 줄일 수 있는 전자파 방지장치가 필요하다.

현재는 이러한 전자파 발생을 주로 차폐에 의존하고 있으며, 차폐 재질을 개발하는 방향이 대세를 이루고 있다

전기제품을 만드는 제조자측에서 전자파 문제를 해결한 좋은 제품을 생산하더라도, 사용하다 보면 절연 저하 등으로 누전이라는 문제가 대두되고, 이로 인한 전자파 발생이 증가하는 문제가 제기된다.

앞에서 언급했듯이 누설전류를 근본적으로 흐르지 않게 할 수 있는 전원을 공급한다면 간단하게 해결할 수 있는 문제이다.

따라서 제조방법의 문제 또는 한계나 누전 등의 이유로 발생되는 전자기파를 감소시키기 위해서 공급 전원의 특징을 변경 및 조정함으로써 해결하는 방법을 제안한다.

그리고 common mode noise는 전기제품 자체에서 해결할 수 있는 문제가 아니며, 공급 전원의 중성점접지를 통해서 구성되는 폐회로를 막고, 누설전류 및 상호인덕터스 변화 등의 문제로 발생되는 전자파 발생을 근원적으로 해결해야 한다.

전기제품 및 스위치, 콘센트, 플러그 등의 전기선로 부품은 사용 중 절연 저하로 누설전류가 흐르게 된다.

즉 전기제품은 누설전류가 기준규격에서 허용하는 범위내에서 미세하게 흐르는데, 이 경우 누설전류는 전류 불평형으로 전자파를 증가시킨다.

따라서 누설전류가 흐르면 전기공급선로와 전기기기에서 전자파를 발생시키는데, 전류의 크기 및 위상 차이가 발생하므로 전류에 의해서 발생한 자속이 상쇄되는 부분에 차이가 발생하고 전자파가 증가하게 되는 것이다.

한편, 전류에 의한 전자파 발생을 설명하면, 두 개의 전원선에 부하가 연결되어 도선에 전류가 흐르는 경우 두 도선에는 크기와 위상이 같은 전류가 흐르는데 흐르는 중간에 절연의 문제로 누설전류가 흐르게 되면 그 크기에 준하는 전류의 차이가 발생한다.

즉, 전원선의 두 도선이 가깝게 나란히 있게 되면 도선에 흐르는 전류의 방향은 반대이고, 도선 각각의 주변에는 자속이 발생하는데 두 도선 사이의 자속은 상쇄되고 차이 나는 만큼만 누설이 되고, 이것이 전자파로 주변에 퍼지게 되는 것이다.

이와 같은 현상은 변압기, 전동기, 솔레노이드에서도 동일한 원리가 적용되며 제품설계시 유의해서 반영해야 한다.

특히, 전동기를 사용하는 전기제품, 즉 헤어드라이, 선풍기, 공기청정기, 에어플라이, 전자레인지, 에어콘 등의 제품에서는 전자파 발생이 현저히 높으므로 사용시 유의할 필요가 있다.

이런 이유로 코일을 사용하는 제품에서는 코일구조가 중요하며 누설자속을 줄여서 전자파 발생을 근본적으로 감소시키는 방식을 적용해야 한다.

특히, 전동기의 경우는 고정자 코일과 회전자 코일의 구조와 권선 제조방법의 한계 때문에 정렬 권선을 하는데 어려움이 있으므로 코일에 흐르는 전류에 의해서 발생자속이 서로 상쇄되지만 누설되는 자속이 많고, 전자파 발생이 크다는 문제가 있는 것이다.

즉, 누설자속이 많다는 것은 인덕턴스 또는 리액턴스가 크고 역율이 나쁘다는 것이다.

따라서, 전동기에서 전자파를 근본적으로 줄이려면 정렬 권선방법을 사용해야 된다.

전동기를 사용하는 경우 사용시간이 경과하면 자연히 도체의 절연이 떨어져서 누전이 되는데, 이 경우 코일의 TURN간 발생 자속이 쇄교하여 상쇄시키지 못하고 누설되는 자속이 증가하며, 발생되는 전자파는 증가하게 된다.

전동기에서는 권선방법의 한계로 발생하는 누설자속에 의한 전자파와, 누설전류로 인한 전류 불평형으로 발생되는 전자파가 있는데, 본 발명에서는 이러한 전기적 현상을 효과적으로 해결하여 전자파가 감소되는 신기술을 개발하였다.

[발명의 바람직한 실시예]

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 누설전류 방지시스템의 구성도이다. 도 3은 변압기 및 리액터 철심구조 변경 예시도이다. 도 4는 본 발명의 누설전류 방지시스템의 제어 구성도이다. 도 5는 도 4의 정류부의 상세 회로도이다. 도 6a, 도 6b, 도 6c는 선로전압 감지 비교 및 대지 간 정전 전하를 상쇄시키는 상세 회로도이다. 도 7은 본 발명에 따른 제품 사진이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 누설전류 방지시스템은 전력회사의 삼상 또는 단상의 교류전기를 공급받고, 2차측을 통해 상기 교류전기를 비접지식으로 변환하는 독립된 회로인 자기회로(절연변압기; ISOLATED TRANSFORMER)(100)가 구성된다.

상기 교류전기를 비접지식으로 변환하는 독립된 회로인 절연변압기를 사용하여 전력회사의 계통과 독립된 전기회로를 구성하는 것이다.

전력회사에서 접지식으로 전원을 받으면 절연변압기(100)를 통해 비접지식으로 변환해야 한다.

이를 위해 전력회사의 22,900볼트 전기를 가정용 380볼트로 Y결선으로 전달받아 부하단을 Δ 결선 또는 Y 결선 비접지로 받는다. 즉 공급받는 접지식 전기를 비접지식 전기로 전환하기 위해 절연된 전기회로를 중요한 구성 요소로 하여, 수중에서도 안전하게 사용할 수 있는 전기를 얻게 된다.

그러나 비접지 상태에서는 대지와 플로팅 상태에서 전압상승의 문제가 발생하고, 이러한 전압상승은 절연 파괴 및 기계 손상의 원인이 된다.

즉, 접지식 전기를 비접지식으로 전환하는 졀연시스템은 전기선로와 그라운드 사이에 충전 전하, 즉 C(Capitance) 성분이 발생할 수 있고, 이로 인해서 선로전압이 상승될 수 있으며, 과전압으로 절연파괴 등의 문제가 있을 수 있기 때문에 선로전압을 감지하여 충전전하를 제거하는 장치를 장착해야 한다.

이러한 비접지 회로를 구성하기 위해서 자기회로를 독립적으로 분리된 복권 절연변압기를 사용해서 구현한다.

이때, 절연변압기는 입력측 권선과 부하측 권선은 반드시 독립적으로 분리된 복권변압기이어야 한다. 즉 단권변압기는 사용할 수 없다.

그리고 각 가정에서 감전보호 및 누전방지용 개발품이 소용량인 경우에 적용하는 절연변압기는 효율 및 소음 등의 문제를 해결하기 위해서 철심구조는 도 3에 도시한 바와 같이 트로이달(troidal type)구조로 하고, 재질은 방향성 규소강판을 사용하는 것이 좋다.

도 3은 변압기 및 리액터 철심구조 변경 예시도로tj, ①번은 방향성규소강대의 단면으로, 나선형으로 말아서 스폿(spot)용접하고, ②번은 철심 단면과 동일한 구조 또는 원통형으로 할 수 있다. 방향성규소강대의 편을 적층단면으로 하되, 단면은 사각, 원형, 다각형 등 다양하게 적용할 수 있다. ③번은 분말을 금형으로 형상을 만든 첨심단면으로, 분말로 제작된 형상철심은 자속포화점이 규소강판보다 현저히 낮기 때문에 저주파인 경우 경제성 때문에 적용이 어려우므로 도시된 바와 같이 양측면에만 적용한다. ④번은 동선을 권선작업한 단면으로, 일반적으로 작업성이 좋다. ⑤번은 ①번의 규소강대 작업시 문제가 없으면 반영하여도 상관없다.

이하, 절연변압기를 이용하여 비접지식 전기로 전환한 후 충전 전하 C 성분을 제거하는 방법을 자세히 설명한다.

새로운 전기회로는 부하나 선로에 따라서 대지 간에 정전전하가 발생하게 되는데, 이는 선로전압 상승의 원인이며 절연파괴 등의 문제를 야기하기 때문에 반드시 제거되어야 한다.

따라서 본 발명에서는 선로전압을 감지해서 허용범위 이내로 관리하기 위해 컨트롤보드(200)를 구성한다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 누설전류 방지시스템의 컨트롤보드(200)는 도 5에 도시한 연결단자(J1)로 상기 절연변압기(100)의 비접지 교류전기를 받아서 2개의 브릿지 회로를 통해 직류로 변환한 후 차동증폭기(400)로 출력하는 정류부(300)와, 상기 정류부(300)로부터 입력된 직류를 기준치와 비교하여 선로전압과 비교하고, 그 비교결과에 따라 릴레이를 작동시켜 대지간의 충전전하를 제거거하는 차동증폭기(400)를 포함할 수 있다.

상기 차동증폭부(400)는 입력부(500), 설정 및 비교부(600), 릴레이작동부(700)를 포함할 수 있다.

상기 입력부(500)를 통해 입력된 상기 직류로 변환된 플로팅 상태의 비접지 전류는 전기회로와 그라운드 사이에는 충전전하가 발생할 수 있으므로, 설정 및 비교부(600)가 선로전압을 기준치와 비교하고, 기준치 이상인 경우 릴레이작동부(700)가 릴레이를 작동시켜 저항을 통해 상기 충전전하를 제거(상쇄)한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, J7을 통해 상기 정류부(300)로부터의 전압을 입력부(500)를 통해 입력받아서 설정 및 비교부(600)를 통해 기준치와 비교하고, 기준치 이상인 경우 저항을 통해 소모시켜 감전 위험을 제거한다.

즉, 상기 설정 및 비교부(600)는 릴레이작동부(700)를 통해 비접지 상태에서 대지와 일정치의 C값(대지 간의 충전 콘덴서의 정전전하)을 상기 저항에 의해 소모(저항으로 상쇄)시켜 감전 위험을 제거한다.

상기 릴레이작동부(700)는 출력전압을 설정전압 이내로 유지하기 위해서 릴레이(도 6c의 RL2, RL3)를 동작시키고, J5, J6(도 6c 참조)로 연결되는 그라운드 사이의 저항(R)에 의해 대지간의 정전 전하를 상쇄시킨다.

구체적으로, 상기 입력부(500)는 INA177/SO 칩의 오프셋(OFFSET)으로 입력 전류를 전달받고, 설정 및 비교부(600)는 TL064/SOIC 에 입력되는 신호를 비교하며, 릴레이작동부(700)는 G6B-1114P/DIP 부품을 사용하여 릴레이를 동작시켜 전기선로와 그라운드 사이 충전 전하를 제거한다.

[시험예]

전력회사 전원을 입력으로 하고, 본 발명에 따른 누설전류 방지시스템의 출력단에 콘센트의 플러그를 연결하여 물속 부하시험을 하였다.

물에 잠겨진 도선의 나도체 부분 양쪽이 물을 통해서 단락되지 않고, 물과 대지 간 접지로 지락이 일어나지 않는 것을 확인하였다.

또한, 임피던스가 증가하여 전압이 강하하였으며, 물속에서 손실이 증가하였고(백열전구의 경우 부하의 50% 정도의 손실 발생), 물속에서는 역율이 1.0에서 0.9로 낮아졌다.

또한, 단자 사이가 물로 채워져 있어서 절연저항이 거의 0으로 일반적으로는 단락이 일어나야 하는데, 본 실험에서는 전혀 전기가 통하지 않았다.

또한, 전선 충전부와 접지선 부분 사이도 물로 채워져 있고, 절연저항은 일정 옴(Ω)으로 전기가 통하지 않았다.

또한, 물 속의 전기제품을 놓고 동작시키면 부하 단자 간의 전압은 낮아졌다.

그리고 접속기가 물에 잠긴 상태에서 접지 단자와 본 발명 출력단자 간의 전압은 서로 차이가 발생하고, 입력전압의 50% 수준이었다.

본 발명의 출력단에서 접지 단자와 전원 단자(2개) 간의 전압은 115%와 85% 정도임을 시험으로 확인하였다.

이때, 입력단자의 연결상태에 따라서 전압값이 다르게 나타났다.

다른 시험예로서, 민물, 바닷물 등의 모든 환경의 액체 속에서의 현상 시험을 하였는데, 전기를 받은 전기제품을 수돗물 속에 넣고 단상전원을 가하고 시험하였다.

이때, 전원의 두 단자를 상호 방향을 바꾸어도 문제가 되지 않았다.

또한, 물 속에 전원연결부인 콘센트에서 단락 및 지락의 절연 문제는 없었다.

또한, 콘센트에서 전기를 받은 전구에도 아무런 문제가 발생하지 않았다. 즉 물에 손을 담구어도 감전 등 안전상의 문제는 발생하지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 예를 들어, 현재 국내외 모든 도심지 가로등의 경우, 침수나 수중에서 전기를 사용하게 되면 전기선이 물을 통해서 폐회로가 구성되기 때문에, 침수시 행인의 감전을 막기 위해서 누전차단기로 전기를 차단하는 현실을 대체할 수 있는 기술로서, 쓰나미나 대홍수 등에 의해 피해를 입는 원자로의 냉각수공급용 펌프나 물에 빠진 차량의 윈도우 작동, 하수처리장의 폐수 처리와 선박의 평형수 소독, 선박 평형수에 대한 환경적 측면의 규제에 따라 선박 평형수 내의 미생물이나 병원균 살균 등에 다양하게 이용될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100 : 자기회로, 절연변압기(isolation transformer)
200 : 컨트롤보드 300 : 정류부
400 : 차동증폭부 500 : 입력부
600 : 설정 및 비교부 700 : 릴레이작동부

Claims (5)

1. 누설전류 방지시스템에 있어서,
   전력회사의 교류전기를 Y결선으로 전달받고 부하단을 Δ 결선 또는 Y 결선 비접지로 받는 전기회로가 구성되어 누전으로 인한 감전사고의 위험이 없도록 하는 것으로써, 삼상 또는 단상의 교류전기를 공급받아서 2차측에서 상기 교류전기를 비접지식으로 변환하는 절연변압기;
   상기 절연변압기를 통해 비접지식으로 변환된 전기회로에 의해 발생되는 대지 간의 정전 전하를 제거하도록,
   상기 전력회사로부터 공급되는 교류전기를 브릿지 회로를 통해 직류전기로 변환하여 차동증폭부로 출력하는 정류부;
   상기 정류부로부터 직류전기를 입력받는 입력부와, 상기 입력부를 통해 입력된 직류전기를 기준치와 비교하는 설정 및 비교부와, 상기 설정 및 비교부의 비교결과에 따라 정전 전하가 제거되도록 구동되는 릴레이구동부로 구성되는 차동증폭부로 구성되는 컨트롤보드;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 누설전류 방지시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 차동증폭부는 입력부를 통해 입력된 직류로 변환된 플로팅(floating) 상태의 비접지 전류에 의해 전기회로와 그라운드 사이에 충전 전하가 발생할 수 있으므로, 설정 및 비교부를 통해 비교한 결과 선로전압이 기준치 이상인 경우 충전 전하를 제거하는 것을 특징으로 하는 누설전류 방지시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 릴레이구동부는 릴레이를 동작시켜 대지 간의 충전 전하를 그라운드 사이의 저항에 의해 상쇄시킴으로써 출력전압이 기준치 이내로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 누설전류 방지시스템.

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