KR102409588B1

KR102409588B1 - 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치

Info

Publication number: KR102409588B1
Application number: KR1020220029105A
Authority: KR
Inventors: 김응석; 김경태
Original assignee: 주식회사 케이에너지시스템
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2042-03-08
Also published as: JP2025506984A; US20230358794A1; DE112022000383T5; WO2023171880A1; KR102409588B9

Abstract

본 발명은 아크 주파수 대역을 복수의 대역통과 필터를 이용하여 구획하고, 구획된 각 주파수 대역별로 아크의 발생 여부를 탐지함으로써, 일정한 주파수 대역에서만 주로 발생하는 스위칭 노이즈나 전원 노이즈를 제외하며 이를 통해 아크 감지의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 고가의 아날로그 디지털 변환기의 사용을 최소화하고, 중복 영역 감지를 통해 아크 판단의 정확도를 높이는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치를 제안한다. 이를 위해 본 발명은, 선로에 연결되며, 아크 발생이 예상되는 주파수 대역에 대해 저역통과 필터, 적어도 하나의 대역통과 필터 및 고역통과 필터를 적용하여 상기 주파수 대역을 복수의 검출 대역으로 구획하고 상기 아크를 감지하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한다.

Description

다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치{Arc detector using multi band frequency detection function}

본 발명은 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치에 관한 것으로, 특히 아크가 발생하는 아크 주파수 대역을 복수로 구획하고, 각 구획별로 아크를 감지함으로써 아크와 유사한 스위칭 노이즈나 인버터 노이즈에 의한 오검출을 최소화하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치에 관한 것이다.

물리적으로 떨어진 두 개의 전극 사이에서 기체를 매개로 전류가 흐르는 경우에 발산되는 강한 빛과 열을 아크(Arc)라고 한다.

아크는 크게 하나의 도선 내에서 발생하는 직렬 아크, 두 개의 도선 사이에서 발생하는 병렬 아크, 접지와 하나의 도선 사이에서 발생하는 접지 아크 등으로 분류할 수 있다.

여기서, 직렬 아크는 전류가 정상적으로 흘러야 할 선로 또는 접점의 접속이 약해지면서 발생하는 아크 사고(Arc fault)이다. 이러한 직렬 아크는 전류에 영점이 형성되지 않기 때문에 자연 소호가 힘들어 위험성이 높을 뿐만 아니라, 사고 검출에 있어서도 어려움이 존재한다.

이와 같이 직렬 아크 사고는 선로의 노화, 커넥터의 접촉불량 등에 의해 발생할 수 있다. 이러한 직렬 아크 사고에서는 사고가 발생하였음에도 불구하고 사고 전류의 크기가 정상동작 범위 내에 있으므로 일반적인 과전류 차단기 또는 누전 차단기로는 검출이 어렵다.

선행기술 1 : 대한민국 등록특허 제10-1625618호(아크검출장치, 아크검출방법 및 전력시스템) 선행기술 2 : 대한민국 등록특허 제10-0900273호(아크 감지기능을 갖는 전력량계) 선행기술 3 : 대한민국 등록특허 제10-1692283호(직류 배전용 직류 아크 사고 검출기 및 직류 아크 사고 검출 방법)

본 발명의 목적은 아크가 발생하는 아크 주파수 대역을 복수로 구획하고, 구획된 각 주파수 대역에서 동일한 아크가 발생하는가를 감지함으로써, 스위칭 노이즈나 전력변환 시 발생하는 노이즈에 의한 검출 오류를 최소화하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 아크 주파수 대역에 대해 대역통과 필터와 비교기를 이용하여 아크를 감지토록 함으로써 처리속도가 고속인 고가의 ADC(Analog to Digital Converter) 사용을 최소화하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 선로에 연결되며, 아크 발생이 예상되는 주파수 대역에 대해 저역통과 필터, 적어도 하나의 대역통과 필터 및 고역통과 필터를 적용하여 상기 주파수 대역을 복수의 검출 대역으로 구획하고 상기 아크를 감지하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 선로에 흐르는 전기의 품질을 상시 모니터링할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 아크 주파수 대역을 복수의 대역통과 필터를 이용하여 구획하고, 구획된 각 주파수 대역별로 아크의 발생 여부를 탐지함으로써, 일정한 주파수 대역에서만 주로 발생하는 스위칭 노이즈나 전원 노이즈를 제외하며 이를 통해 아크 감지의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 복수의 주파수별로 대역통과를 적용하면서도 고속으로 동작하는 고가의 아날로그 디지털 변환기의 사용을 최소화한다. 이를 통해 전체 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치의 제조 단가를 감소시키면서도 주파수 대역별로 아크 검출을 분할처리 함으로서 성능은 더 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치의 블록개념도를 도시한다.
도 2는 저역통과 필터, 대역통과 필터 및 고역통과 필터의 주파수 대역이 명확히 구분되는 일 예에 따른 참조도면을 도시한다.
도 3은 대역통과 필터의 통과 주파수 대역을 이웃하는 주파수 대역과 중첩하게 구성하는 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 4는 스위칭 노이즈나 임펄스가 자주 발생하는 주파수 대역에 대해 아크 검출을 제외하는 일 예를 따른 참조도면을 도시한다.
도 5와 도 6은 대역통과 필터에 연결되는 비교기에 설정되는 기준전압의 일 예를 도시한다.
도 7은 선로에 연결되는 전원장치의 스위칭 파형의 일 예를 도시한다.
도 8은 아크와 인버터 노이즈가 혼합된 신호의 일 예를 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 아크 주파수 대역은 모든 주파수 대역을 지칭할 수 있다. 다만 본 명세서에서는 이해와 편의를 위해 0Hz ∼150kHz의 실시예를 중심으로 설명하도록 한다. 본 명세서에서 언급되는 실시예에 의해 아크 주파수 대역이 실시예에 의해 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.

본 명세서에서 언급되는 대역통과 필터는 아크 주파수 대역을 기준으로 저역통과 필터, 대역통과 필터, 및 고역통과 필터를 모두 총칭할 수 있다. 별다른 언급이 없을 경우, 저역통과 필터, 대역통과 필터 및 고역통과 필터를 모두 지칭할 수 있으며, 따로 언급하는 경우, 대역통과 필터 대신 저역통과 필터 또는 고역통과 필터라고 별도로 지칭하여 설명할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치의 블록개념도를 도시한다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치는, 전류센서(50), 대역 검출부(100), 연산부(200) 및 차단기(300)를 포함하여 구성되고, 연산부(200)는 신호처리부(210) 및 아크 판단부(220)로 구성될 수 있다.

전류센서(50)는 션트(Shunt) 저항, CT(Current Transformer) 센서 및 홀센서(Hall sensor) 등의 전류측정소자로 구성될 수 있다.

전류센서(50)는 한 쌍의 선로(10) 중 어느 일 측에 직결된다. 전류센서(50)는 전류측정소자에 의해 발생되는 전압값을 참고하여 선로(10)를 흐르는 전류값을 산출한다. 아울러, 전류센서(50)는 전류측정소자에 의해 발생되는 전류에 대응하는 전압값을 대역 검출부(100)로 제공할 수 있다.

대역 검출부(100)는 전류센서(50)를 통해 선로(10)를 흐르는 전류에 대한 전압값을 토대로 아크를 검출한다. 대역 검출부(100)는 아크 주파수 대역을 복수의 검출 대역으로 구획하고, 각 검출 대역에 따라 저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 또는 고역통과 필터(111)를 구비한다.

실시예에 따른 아크 주파수 대역은 아래의 각 호에 따라 주파수 대역을 구획할 수 있다.

1) 저주파 대역 : 0hz 내지 40khz

2) 대역통과 필터의 주파수 대역 : 40khz 내지 100khz

3) 고주파 대역 : 100khz 이상

저주파 대역은 본 실시예에서, 아크가 가장 강하게 발생하는 주파수 대역에 해당한다. 또한, 스위칭 노이즈가 가장 많이 발생하는 주파수 대역에 해당한다.

저주파 대역에 대해서는 별도로 아날로그 디지털 변환기와 퓨리에 변환(Fourier transform) 또는 고속 퓨리에 변환(fast Fourier transform)에 의해 주파수 변환을 수행하여 아크와 아크가 아닌 임펄스를 구분하도록 구성될 수 있다. 저주파 대역에는 저역통과 필터(110a)가 마련되며, 추후 상술하도록 한다.

대역통과 필터의 대역은 40khz 내지 100khz에 해당하며, 해당 주파수 대역은 하나, 둘 또는 그 이상의 개수로 구획될 수 있다. 도 1에서 대역통과 필터는 참조부호 110b 내지 110n에 해당한다.

고주파 대역은 100khz 이상의 주파수 대역에 해당하며, 고역통과 필터(111)가 아크 감지를 담당한다.

선로에서 발생하는 아크는 저주파 대역, 고주파 대역 및 대역통과 필터의 주파수 대역 모두에서 발생하나, 특정 주파수 대역에서만 발생하는 스위칭 노이즈나 임펄스(impulse)와는 달리 아크는 아크 주파수 대역 전체에 걸쳐 발생한다는 점에서 차이가 있다.

한편, 저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 및 고역통과 필터(111)의 주파수 대역은 각각이 독립적이거나, 또는 일부 중첩될 수 있다. 이는 도 2 내지 도 4를 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 및 고역통과 필터(111)의 주파수 대역이 명확히 구분되는 일 예를 도시한다.

도 2에서 저역통과 필터(110a)는 0hz 내지 40khz 대역의 주파수 대역만을 통과시키고,

대역통과 필터(110b 내지 110n)는 40khz 내지 100khz의 주패수 대역만을 통과시키며,

고역통과 필터(111)는 100khz 이상의 주파수 대역만을 통과시키도록 주파수 대역이 구획되어 있는 것을 볼 수 있다.

저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 및 고역통과 필터(111)가 아크 주파수 대역을 명확히 구분하는 방식은 대역통과 필터의 필터 이득(gain)의 완성도에 따라 성패가 갈릴 수 있다. 아래의 표 1을 참조하여 필터의 이득 특성을 살펴보도록 한다.

표 1에 나타난 바와 같이 저역통과 필터(110a)의 이득(gain)은 주파수가 증가할수록 감소하며 a1 지점에서의 이득은 최대치 대비 절반 수준으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 저역통과 필터(110a)에서 a1 지점에 해당하는 주파수 대역에서 아크가 발생할 때, 발생되는 아크의 신호값 최대치는 절반정도 감소한 상태로 수신될 수 있다.

표 1에 나타난 바와 같이 대역통과 필터(110b 내지 110n)의 이득(gain)은 a2지점에 해당하는 주파수보다 낮은 주파수 및 a2'지점에 해당하는 주파수보다 높은 주파수에 대해서는 수신 이득이 대폭 감소하는 것을 볼 수 있다. 대역통과 필터(110b 내지 110n)는 a2 내지 a2'지점 사이의 주파수 대역에 대해서는 양호한 수신 이득을 보장할 수 있으나, a2 지점보다 낮거나, a2' 지점보다 높은 주파수에서 아크가 발생하는 경우, 수신되는 아크의 신호값은 대폭 감소되어 아크로서 판단되지 않을 소지가 있다.

표 1에 나타난 바와 같이 고역통과 필터(111)는 a3 지점보다 낮은 주파수의 이득(gain)은 최대치 대비 낮은 이득 특성을 나타낸다. 만일 a3 지점 또는 그 이하의 지점에 해당하는 주파수에서 아크가 발생한다면, 발생되는 아크의 신호값 최대치가 너무 낮게 판단되어 아크로서 식별되지 않을 우려가 있다.

상기한 표 1을 통해 설명한 바와 같이 저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 및 고역통과 필터(111)의 신호 이득을 살펴보았다. 본 출원인은 이러한 문제에 대해 도 3과 도 4를 통해 저역통과 필터, 고역통과 필터 및 대역통과 필터(110a 내지 111)에 할당되는 주파수 대역을 조율하는 방안을 제안하고자 한다.

도 3을 함께 참조하면, 아크 주파수 대역에 대한 필터의 대역은 이웃하는 주파수 대역과 중첩하는 형태로 구현될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 저역통과 필터(110a)는 0hz 내지 45khz의 주파수 대역에 대해 필터링을 수행하고, 대역통과 필터(110b 내지 110n)는 35khz 내지 110khz 대역에 대해 필터링을 수행하며, 고역통과 필터(111)는 90khz 이상의 주파수 대역에 대해 필터링을 수행하도록 주파수 대역이 구획 및 할당될 수 있다.

저역통과 필터(110a)는 도 2에 도시된 주파수 대역 대비 더 확장되어 0hz 내지 45khz의 주파수 대역을 필터링 한다. 표 1에 나타난 a1지점이 주파수 축에서 우측으로 확장되는 효과를 가지며, 저역통과 필터의 주파수 대역이 넓어지는 것과 같다.

고역통과 필터(111)는 도 2에 도시된 주파수 대역 대비 저주파 대역으로 더 확장되어 90khz 이상의 주파수 대역을 통과시킴으로써, 당초 담당하던 100khz 주파수 대역에 대한 신호 이득을 확보할 수 있다.

도 3에서 밴드 1과 밴드 2는 중복되는 주파수 영역을 갖는다. 밴드 1과 중복 대역(b1)은 저역통과 필터(110a)의 주파수 대역이 담당하지만,

대역통과 필터(110b 내지 110n) 또한, 중복 대역(b1)을 수신하도록 아크 주파수 대역이 구획된다. 마찬가지로, 대역통과 필터(110b 내지 110n)는 밴드 2에 해당하는 주파수 대역과 고역통과 필터(111)가 담당하던 주파수 대역 중 중복 영역(b2)을 필터링 하도록 구성된다. 이에 따라, 중복 대역(b1, b2)이 이웃하는 주파수 대역을 처리하는 필터와 중첩되게 필터링되고, 아크 검출에 손실되는 주파수 대역 없이 모든 대역에서 아크 검출 판단을 수행할 수 있다.

한편, 검출 대역은 도 4에 도시된 것처럼 특정 주파수 대역을 제외한 형태로 구성될 수도 있다.

도 4는 스위칭 노이즈나 임펄스가 자주 발생하는 주파수 대역에 대해 아크 검출을 제외하는 일 예를 따른 참조도면을 도시한다.

도 4에서는 30khz 내지 50khz의 주파수 대역을 아크 검출에서 제외하고 있는데, 이는 실시예에 따른 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치가 적용되는 전기장치에서 30khz 내지 50khz 주파수 대역에 아크로 오검출될 수 있는 불필요한 노이즈가 발생하는데 따른다. 이는 선로(10)에 연결되는 부하가 유발하는 노이즈가 존재하는 주파수 대역은 아크 검출에서 제외함으로써 아크 감지장치가 오검출을 수행하지 않도록 하는 것이다.

도 4에 도시된 주파수 대역을 검출 대역에서 제외하는 방안은 전체 전기 시스템의 노이즈 특성에 따라 결정되는 바, 예시된 주파수 대역(30khz 내지 50khz)은 본 실시예에 따른 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치가 연결되는 전기장치에 따라 다양할 수 있다.

이상으로, 저역통과 필터(110a), 대역통과 필터(110b 내지 110n) 및 고역통과 필터(111)의 특성을 살펴보았다. 이하, 대역 검출부(100)의 나머지 구성에 대해 살펴보도록 한다.

먼저, 저역통과 필터(110a)는 전류센서(50)의 센싱값 중 저주파 대역에 해당하는 주파수 대역을 획득 후, 아크 판단부(200)로 전달한다.

대역필터 통과(110b 내지 110n)의 출력값은 개별적으로 신호처리부(210)에 제공된다. 도 1에서, 대역통과 필터(110b)의 출력값은 신호처리부(210)에서 각각 사용자 설정된 기준값과 비교되어 비교결과값을 출력할 수 있다. 또한, 대역통과 필터(110b 내지 110n)의 출력값은 하나의 기준전압이 아니라 복수의 기준전압에 의해 비교되고, 각각의 비교값을 생성할 수도 있다.

아크 검출을 목적으로 할 경우, 대역통과 필터(110b)의 출력값은 하나의 기준전압과 비교되어 아크 발생여부를 판단하도록 구성될 수 있다.

신호처리부(210)는 대역통과 필터(110b)의 출력값과 기준전압을 비교하여 기준전압보다 큰 전압이 대역통과 필터(110b)에서 인가되면 아크가 발생한 것으로 판단하고 논리값 "1"을 출력하도록 구성할 수 있다.

마찬가지로, 신호처리부(210)는 대역통과 필터(110n)의 출력값도 기준전압과 비교하고 비교결과 기준전압보다 출력값이 큰 경우 논리값 "1"을 출력하여 아크 발생을 검출할 수 있다.

이는 고역통과 필터(111)도 동일하며, 신호처리부(210)는 고역통과 필터(111)의 출력값과 고역통과 필터(111)에 대해 설정된 기준전압을 비교하고 비교 결과에 따라 논리 "0" 또는 "1"을 출력하여 아크 발생을 검출할 수 있다.

또한, 신호처리부(210)는 대역 검출부(100)를 구성하는 필터(110b 내지 110n)의 출력값 각각에 대해 서로 다른 기준전압과 비교하여 아크 검출 이외에 선로(10)를 흐르는 전력의 전력품질 평가용 데이터를 생성할 수도 있다.

예컨대 신호처리부(210)는 대역통과 필터(110b)의 출력값을 기준전압 1과 비교하여 아크 검출에 이용하고, 대역통과 필터(110b)의 출력값을 기준전압 2, 기준전압 3 및 기준전압 n과 각각 비교하여 선로(10)를 통과하는 전력의 품질 측정에 이용할 수 있다.

여기서, 아크 검출에 요구되는 기준전압(기준전압 1)과 전력 품질 측정에 이용되는 기준전압(기준전압 2 내지 기준전압 n)은 서로 다른 전압일 수 있으며, 아크 전압보다는 낮게 설정되는 것이 바람직하다. 이는 도 5와 도 6을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 5와 도 6은 대역통과 필터(110b)의 출력값과 비교되는 기준전압의 일 예를 도시한다.

도 5에서, 신호처리부(210)의 기준전압이 RV1 내지 RVn이 예시되며, 이중 기준전압 RV1은 아크 감지에 사용된다고 가정하며, 선로(10)를 통과하는 전압은 직류(dc)를 기준으로 설명하도록 한다.

선로(10)를 통과하는 직류(dc)에 대해 신호처리부(210)는 복수의 기준전압(RV1 내지 RVn)을 대응시켜 각각의 기준전압(RV1 내지 RVn)과의 비교 결과를 판단한다. 만일, 직류(dc)가 도 5에 도시된 것과 같은 파형을 보인다면, 신호처리부(210)는,

기준전압(RV4)에 대해서 t1, t2, t3에서 논리값 "1"을 출력할 것이나, t4, t5에서는 논리값 "0"을 출력하게 되고, t6에서는 논리값 "1"을 출력하게 된다.

시간축 t 에서 일정 시간 간격마다 기준전압(RV4)과의 비교결과는 논리값으로 1, 1, 1, 0, 0, 1과 같이 출력된다는 것은 직류(dc)의 품질이 균일하지 않다는 것을 의미하며, 직류(dc)의 전류값이 일정하다는 전제가 있더라도, 선로(10)에 흐르는 전원은 직류(dc)의 변화량에 비례하여 그 품질이 떨어진다는 것을 의미한다.

다음으로 도 6은 선로를 흐르는 직류의 파형 중 다른 예를 도시한다.

도 6의 파형은 교류를 직류로 변환할 때 발생하는 전원 노이즈를 포함하는 일 예를 도시한다.

도 6을 참조하면, 전원 노이즈가 포함되는 직류(w1)는 P1과 P2 지점에서 기준전압(RV1)을 초과하고, 기준전압(RV1)과 비교할 때는 논리값 "1"로 검출된다.

그러나, 타 기준전압(RV2 내지 RVn)과의 비교 결과에서는 타 기준전압(RV2 내지 RVn) 대비 작으므로 검출되지 않는다.

반면, 도 6에서 직류(w2)는 신호처리부(210)에서 기준전압(RV1 내지 RV3)과 비교할 때 모두 검출된다.

이는 직류(w2)에 기대되는 기본전압(ref) 대비 최대값이 높은 스위칭 노이즈가 지속적으로 검출된다는 것을 의미하며, 직류(w2)의 품질은 직류(w1) 대비 떨어진다는 것을 나타낸다.

직류의 품질은 도 7과 도 8을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 7의 두 개의 그래프중에서 위의 그래프는 선로(10)에 연결되는 전원장치의 스위칭 파형을 예시한 것이고, 그 아래의 그래프는 전원장치의 DC출력 전류파형을 예시한 것이다.

도 7에 예시된 바와 같이, 선로(10)에 직류를 공급하는 전원장치는 아크가 발생되지 않은 정상적인 상태에서 교류를 스위칭하여 직류로 변환하는 과정에서 일정한 크기와 주파수를 갖는 펄스를 반복적으로 발생하는 특징이 있다. 교류를 슬라이싱(slicing) 할 때마다 삼각파 형상의 전류파형이 선로(10)에 유입되는데, 이러한 전류파형은 특정 주파수 대역(주로 100khz 대역에서 발생)에서 발견되는 특징이 있다. 특정 주파수 대역에서 일정한 크기로 규칙적으로 발생하는 이러한 파형은 아크로서 판별될 필요가 없는 것이다.

도 8은 아크와 인버터 노이즈가 혼합된 신호의 일 예를 도시한다.

도 8을 참조하면, 아크는 아크 주파수 대역 전체에서 발생하며, 특히 저주파 대역에서 진폭이 크게 나타남을 볼 수 있다.

반면, 인버터에서 발생하는 스위칭 노이즈는 15khz, 33khz 및 48kjz 대역에서만 관찰되며, 진폭은 아크와 유사하다.

인버터에서 발생하는 스위칭 노이즈가 도 6에 도시된 것과 달리 세군데에서 발생하는 이유는, 인버터가 출력전압을 유지하기 위해 스위칭 주기를 바꾸는데 기인한다.

선로(10)를 흐르는 전압의 품질, 즉 전력의 품질의 변동이 심하면 인버터는 스위칭 노이즈를 가변하면서 일정한 전압이 선로(10)를 흐르도록 한다. 그런데, 도 7에서 주파수와 진폭의 관계로 정의된 그래프로 볼 때, 3개의 피크치 진폭(IV1, IV2 및 IV3)이 관측되는 것일 뿐, 시간축과 진폭으로 정의할 때, 임의의 시점에서 인버터의 스위칭 노이즈 IV1, IV2, IV3 중 어느 하나만 발생하고 나머지 둘은 나타나지 않는다.

이는 아크 주파수 대역에 대해 시간의 흐름에 따라 아크를 검출하는 대역 검출부(100)에서 검출할 때, 단 하나만 검출된다는 것을 의미한다. 즉, 인버터의 스위칭 노이즈는 하나의 임펄스(impulse)로 간주되며, 아크 주파수 대역의 전 주파수 대역에서 발생하지 않는다는 것이다.

이상으로, 도 7과 도 8을 참조하여 선로(10)에 흐르는 아크와 아크가 아닌 파형들을 살펴보았다. 이하, 아크 판단부(220)에 대해 살펴보도록 한다.

아크 판단부(200)는 대역 검출부(100)의 필터링 결과값을 신호처리부(210)에 마련되는 복수의 기준전압과 비교하고, 비교결과를 제공받아 대역 검출부(100)에 마련되는 각 필터(110a 내지 111) 별로 계수한다. 예컨대, 대역통과 필터(110b)의 출력값을 하나의 기준전압과 비교할 수도 있으나, 전력품질 측정을 위해 둘 이상의 기준전압과 비교하여 아크 검출과 전력품질 측정을 동시에 진행할 수 있다.

아크 판단부(200)는 각 필터(110a 내지 111)에서 각 필터별로 적용되는 기준전압을 상회하는 횟수를 계수 후, 계수된 값이 미리 설정된 기준값을 초과 시, 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

아크 발생 여부만을 판단하고자 할 경우, 아크 판단부(200)는 각 필터(110a 내지 111)에서 출력되는 출력값을 아크 판단을 위한 단일 기준전압과 비교하고 비교결과 논리값 "1"이 발생되는 횟수를 카운트하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다.

한편, 저역통과 필터(110a)는 대역통과 필터(110b 내지 110n)나 고역통과 필터(111)와는 달리 신호처리부(210)에서 아날로그 디지털 변환될 수 있다.

아날로그 디지털 변환은 저역통과 필터(110a)에 의해 필터링된 저역의 신호를 디지털 변환 후, 주파수 판단부(241)로 제공할 수 있다.

신호처리부(210)는 전류센서(50)에서 센싱되는 전류값을 FFT 분석하여 아크 상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크 신호로 예측되는 추정신호를 먼저 검출하고, 선로(10)에 연계된 장치(예컨대, 전원장치나 인버터 등)에서 발생하는 펄스의 크기와 주파수를 추정신호와 아크 발생 여부를 판단할 수 있다.

저역통과 필터(110a)에 대해서만 별도의 FFT 분석을 수행하는 이유는,

4) 비교기능을 갖는 신호처리부(210)가 인버터 노이즈나 전원장치에서 발생되는 노이즈를 아크로 오판할 우려가 있고,

5) 전원장치나 인버터 이외에 부하에서 발생하는 노이즈를 아크로 혼동할 우려가 존재하는데 따른다.

6) 이 외에 선로(10)에 연결되는 부하에 따라서 주기적이고 진폭이 큰 노이즈가 발생할 수 있는데, 저역통과 필터(110a)의 출력값을 기준전압과 비교하는 구조만으로는 해당 노이즈를 아크로 오판할 가능성이 존재하는데 따른다.

아크 결정부(220)는 신호처리부(210)에서 FFT 처리된 신호에 대해 FFT 분석을 수행하여 아크 발생 여부를 판단하거나, 각 필터(110a 내지 111)별 출력값과 기준전압을 비교 및 계수하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있으며, 각 필터(110a 내지 111)마다 복수의 기준전압을 주어 선로(10)를 흐르는 직류의 전력품질 데이터를 작성할 수 있다. 또한, 아크 결정부(220)는 선로(10)에서 아크가 발생한 것으로 판단하면 차단기(300)를 스위칭 온 하여 선로(10)를 흐르는 직류를 차단할 수 있다.

아크 결정부(260)의 판단 방법은,

7) 신호처리부(210)의 비교결과가 모두 아크 감지로 식별될 때, 선로(10)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 방법.

8) 신호처리부(210)의 비교결과 아크 감지로 판단되는 개수가 그렇지 않은 결과값 보다 많을 때, 선로(10)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 방법.

9) 신호처리부(210)의 비교결과, 아크로 판단한 결과값이 그렇지 않은 결과값보다 적은 것으로 판정되나, 저역통과 필터(110a)의 출력값이 아크발생으로 판정되는 경우, 선로(10)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 방법.

10) 신호처리부(210)에서 FFT 분석결과가 아크로 판단되고, 필터(110a 내지 111)의 출력값 중 최소 하나가 아크로 판단될 때, FFT 분석결과를 우선하여 선로(10)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 방법.

11) 고역통과 필터(111)의 아크 판단결과를 우선하여 고역통과 필터(111)를 제외한 타 필터(110a 내지 110n)에서 아크가 하나라도 판정되면, 선로(10)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 방법.

여기서, 항목 11)은 선로(10)에 발생하는 아크가 주로 고대역인 경우 적용 가능한 방법이며, 항목 9)는 선로(10)에 발생하는 아크가 주로 저대역일 경우 적용 가능한 방법이다.

아크의 아크 주파수 대역은 실시예에 따른 아크 감지장치가 연결되는 선로(10)와, 선로(10)에 연결되는 부하에 따라 그 주파수 대역이 상이할 수 있는 바, 전술한 항목 7) 내지 11) 중 전체 전기 시스템에 적합한 것을 이용하여 아크를 감지하는 것이 바람직하다.

10 : 선로 50 : 전류센서
100 : 대역 검출부 110a : 저역통과 필터
110b 내지 110n : 대역통과 필터 111 : 고역통과 필터
200 : 연산부 210 : 신호처리부
220 : 아크 판단부 300 : 차단기

Claims

선로에 연결되며, 아크 발생이 예상되는 주파수 대역에 대해 저역통과 필터, 하나 이상의 대역통과 필터 및 고역통과 필터를 적용하여 복수의 검출 대역들로 구획해 아크를 감지하는 아크 감지장치에 있어서,
상기 저역통과 필터의 출력 신호에 대해서는, ADC(Analog Digital Converter)를 이용해 디지털 변환된 상기 저역통과 필터의 출력 신호를 분석하여 저주파수 대역의 아크 발생을 검출하며,
상기 대역통과 필터 및 상기 고역통과 필터의 출력 신호에 대해서는, 비교기를 이용해 상기 대역통과 필터 및 상기 고역통과 필터의 대역별 출력 신호의 크기와 미리 설정된 아크 기준값을 비교한 결과를 계수하여 대역별 아크 발생을 검출하고,
상기 검출된 저주파수 대역의 아크 발생 여부 및 상기 대역별 아크 발생 여부에 기초하여, 상기 선로에 대한 아크 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 아크 감지장치.
제1항에 있어서,
상기 각 검출 대역별 대역통과 필터를 통해 검출된 파형의 크기와 상기 아크 기준값을 비교하는 대역 검출부; 및
상기 각 검출 대역별 검출 결과를 계수하고, 계수값이 미리 설정된 기준 계수값을 이탈할 때 아크가 발생한 것으로 판단하는 연산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제2항에 있어서,
상기 대역통과 필터는,
필터링 주파수 대역이 상기 아크 주파수 대역을 구획한 것 중 어느 하나이며, 이웃하는 주파수 대역과 적어도 일 영역이 중첩되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제2항에 있어서,
상기 대역통과 필터는,
필터링 주파수 대역이 상기 아크 주파수 대역을 구획한 것 중 어느 하나이며, 이웃하는 주파수 대역과는 독립적인 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제4항에 있어서,
상기 대역통과필터의 출력 신호는 서로 이웃하는 두 주파수 대역들 사이에 특정 주파수 대역이 제외되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제2항에 있어서,
상기 연산부는,
상기 저역통과 필터의 출력값을 아날로그 디지털 변환 후, 주파수 분석을 수행하여 기 정의된 아크 상태의 펄스 크기와 주파수 조건과 비교하여 아크 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제2항에 있어서,
상기 연산부는,
상기 대역 검출부에서 출력되는 각각의 신호를 미리 설정된 전압값과 비교하여 비교 결과를 검출 횟수로서 출력하고,
상기 검출횟수를 계수하는 신호처리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.
제7항에 있어서,
상기 연산부는,
각 검출 대역별로 기준값을 초과하는 아크 감지결과를 카운팅하는 신호처리부; 및
상기 신호처리부에서 카운팅된 아크의 검출 회수가 미리 설정된 기준 검출회수를 초과 시, 상기 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역 판별 기능을 구비한 아크 감지장치.