KR102458039B1

KR102458039B1 - 교류 전력 시스템에서 절연체-금속 전이에 의해 발생되는 불연속 점프 전류 차단기

Info

Publication number: KR102458039B1
Application number: KR1020210154171A
Authority: KR
Inventors: 김현탁; 노태문
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-10-25
Also published as: WO2023085722A1; US20240235176A1

Abstract

본 발명은, 두 전극 사이에 비선형 전기적 특성을 내는 절연성 물질을 갖는 교류 전력 시스템에서, 절연체-금속 전이가 발생하는 불연속 점프 전류를 관측하여 교류 전력을 차단하는 불연속 점프 전류 차단기의 개발에 관한 것으로, 본 발명의 불연속 점프 전류 차단기는 불연속 점프 전류의 크기를 설정하는 설정부와 교류 전력 도선에 나란하며 이격거리 d≥0 에 위치하고 교류 전력의 전자파를 측정하는 금속도선(등록특허 제10-1981640호)을 포함하는 센서부와 금속도선의 아날로그 신호를 증폭하는 증폭기부와 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터부와 상기 시스템을 구동하는 프로그램을 포함하는 메모리를 포함하는 마이크로콘트롤러부와 불연속 점프 전류를 차단하는 전력 차단부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

교류 전력 시스템에서 절연체-금속 전이에 의해 발생되는 불연속 점프 전류 차단기{BREAKER OF A DISCONTINUOUS JUMP CURRENT INDUCED BY THE INSULATOR-METAL TRANSITION IN AN AC POWER SYSTEM}

본 발명은 전력 단자 혹은 전선에서 금속의 산화에 의해 형성된 전기적으로 비선형 특성을 내는 절연성 물질 가령 아산화동 (CuO₂) 혹은 하이드로 카본에서 전기적으로 선형 특성을 내는 금속으로 전이가 일어나서 발생된 불연속 점프 전류를 차단하는 차단기(Discontinuous Jump Current Breaker: DJCB)에 관한 것이다.

전기 화재는 오래된 콘센트 혹은 오래된 전선에서 전선이 삽입되거나 전선이 연결될 때 일어나는 것이 아니라 전선이 삽입되어 혹은 연결되어 있는 상태에서 화재가 일어나는 것이다. 오래된 콘센트 혹은 오래된 전선들의 특징은 전선들의 접촉 단자들이 검게 산화되어 그 표면에 전기적으로 비선형 특성을 내는 절연 물질인 검은색의 아산화동(CuO₂)이 콘센트의 연결 부분 혹은 전선 구리 주위에 형성 되어 있는 것이다. 이때 아산화동에서 IMT(Insulator-to-Metal Transition) 현상(도1, 100, 200)이 일어나서 불연속 점프(200)로 전류가 흐를 수 있다. 아산화동이 없는 전선 혹은 콘센트에서는 이런 현상을 보기 어렵다.
여기서 IMT 현상에 대해 학술적으로 연구된 것을 도 1에서 보여준다 (비특허문헌 2). 도 1은 아산화동과 같이 IMT 현상이 일어나는 바나듐옥사이드(VO₂) 절연성 물질과 그 물질 양단에 금속의 전극들이 연결된 IMT 소자(30)에 삼각파를 입력하여 IMT 점프의 측정을 보여준다.

추가로 전선이 반단락이 되면 반단락 부분의 전류가 흐르는 단면적이 작아져서 저항이 높아지고 그 부분에서 열이 집중되어 아산화동이 쉽게 형성된다. 순수한 아산화동은 에너지 갭을 갖는 절연체이지만 산소가 부족할 경우 CuO_2-d은 전기적으로 비선형 특성을 내는 반도체가 된다. 비닐 성분의 케이블이 녹으면 반도체 특성을 보이는 유기 반도체인 탄화 수소가 형성되기도 한다. 전선 피복에 형성된 아산화동은 반도체 특성을 보이는 것이 특징이므로 약간의 전류가 흐른다. 그래서 이 약간의 전류 때문에 불연속 점프의 IMT가 일어나기 전에 반도체 전류로서 어깨(Shoulder)(100)라는 전류의 거동이 나타난다 (선행논문 1 과 2). 이 전류가 흐르고 있을 때는 어깨에 상당하는 반도체 전류를 관찰하는 것이 어렵다. 어깨 이 후 점프 이 후에 선형적인 금속 특성의 큰 전류가 어느 정도 지속될 때 그 큰 전류로 인한 줄(Joule)열이 발생되고 그 열로 화재가 난다. 그래서 큰 전류로 열이 발생되기 전에 전력을 차단하면 화재를 방지할 수 있다. 따라서 IMT 현상의 전류의 불연속 점프를 찾아내고 그 전류를 제어하는 차단기가 필요하다. 이것을 절연체-금속-전이(혹은 IMT) 불연속 점프 전류 차단기라고 명명한다. 줄여서 불연속 점프 전류 차단기라고 한다.

또한 IMT 불연속 전류가 발생한다고 해서 반드시 화재가 나는 것은 아니다. 예를 들면, 가정용 진공청소기와 같이 모터를 구동할 때 그 전류 점프가 발생하기도 한다. 이와 같이 전류 점프는 화재와 관련이 있기는 하지만 어떤 경우에는 필요할 때도 있다. 따라서 이 점프 전류는 상황에 맞도록 사용하기 위하여 제어해서 편리하게 사용할 필요가 있다.

미국 등록 특허 US 6,339,525 B1 (명칭: Arc fault detector with circuit interrupter) 미국 등록 특허 US 6,532,139 B2 (명칭: Arc fault circuit interrupter and circuit breaker having the same) 등록특허 KR 제10-1981640호 (명칭: 교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기), 패밀리 특허: Pub. No.: US 2020/0182913 A1, Current sensor for measuring alternating electromagnetic wave and a current breaker using the same.

H. T. Kim et al., "Mechanism and observation of Mott transition in VO2-based two- and three-terminal devices", New Journal of Physics 6, 52 (2004). B. J. Kim et al., 'Temperature dependence of the first-order metal-insulator transition in VO2 and programmable critical temperature sensor ', Applied Physics Letters 90, 023515 (2007).

본 발명의 과제는 교류 전력 시스템에서, 예를 들면 아산화동(CuO₂)과 같은 검은 녹이 있는 콘센트의 단자 혹은 검은 녹이 있는 전력기기의 콘센트에 꼽는 플러그 전원 단자(IMT 소자를 품는 것과 같음, 도 1c, 도 1d)를 포함하는 전력도선, 그 검은 녹에서 절연체-금속 전이(IMT)가 일어나서 발생되는 불연속 전류 점프의 크기를 감지하고 그 점프 전류의 크기에 따라 전력 차단용 제어 신호를 내어 전력을 끊는 차단기를 만드는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두 전극 사이에 비선형 전기적 특성을 내는 절연성 물질을 갖는 콘센트에 전력기기용 전원이 연결되는 것을 포함하는 교류 전력 시스템에서(도 1c, 도 1d), 절연체-금속 전이가 일어날 때 발생하는 전류 점프를 측정하고 그 점프 전류의 크기가 어떤 임계 값을 넘을 때 그 교류 전력 시스템에 공급되는 전력을 차단한다.
IMT 점프 전류 차단기는 절연체-금속 전이가 일어나는 교류 전력 도선(313)에 나란한 금속 도선을 놓고 전류를 측정하는 현탁-라인 센서(특허문헌 3)을 포함하는 센서부(310)와 센서부에서 얻어진 전류 신호를 연산 증폭기로 증폭하는 증폭기부(320)와 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC; Analog-Digital Converter)부(340)와 임계 점프 전류의 크기를 설정하는 임계전류 설정부(370)와 임계 전류 점프의 크기를 읽고 측정되어 디지털화 된 전류 신호와 비교하여 임계 점프 전류를 판단하고 전력 제어용 신호를 내는 프로그램을 저장하는 메모리부를 포함하는 마이크로콘트롤러(390)와 전력 제어용 릴레이 혹은 전력 반도체를 포함하는 전력 제어부(380)를 포함하는 구성을 갖는다.
상기 아날로그-디지털 컨버터부는 마이크로콘트롤러에 내장되는 것을 포함한다.

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상기 센서부에서 전력 도선과 김-라인 센서선 사이의 거리 d 는 d ₃ 0 의 범위를 포함한다.

상기 임계전류를 결정하는 임계전류 설정부(370)는 디지털 형식을 갖도록 하는 딥(DIP(373)) 스위치와 아날로그 스위치(376)로 구성되는 것을 포함한다.

임계전류 설정부가 아날로그 스위치로 구성될 때는 아날로그 스위치는 전류의 신호를 아날로그-디지털로 변환하는 컨버터가 아닌 별도의 아날로그-디지털 컨버터에 연결되는 것을 포함한다(도 3b).

예를 들면, 도 3(a)의 2 디지트 딥(DIP) 스위치로 임계 전류를 설정할 경우에는, '00'은 어떤 양자화 된 값이 설정되지 않은 것을 뜻하고, '01'은 어떤 양자화 된 값의 1배, '10'은 어떤 양자화 된 값의 2배, '11'은 어떤 양자화 된 값의 3배를 의미한다. 여기서 양자화 된 값은 전류 점프의 시작 값으로 설정하는 것을 포함한다.

도 3(b)의 아날로그 스위치로 임계전류를 설정할 경우에는, 관측된 아날로그 값을 이용하여 어떤 양자화 된 값을 아날로그 배수가 되도록 하는 것을 의미한다. 즉 아날로그 배수는 양자화된 값의 배수를 의미한다. 예를 들면, 전류 점프의 시작 값을 양자화 된 값으로 정할 때, 점프 전류의 값은 전류 점프 시작 값의 배수가 된다.

또 다른 예로는, 전력도선에서 연속 측정에서 점프 전류의 시작 값(I_Jump-start)과 점프 전류 시작 값의 측정 바로 앞의 측정값(I_Jump-start-1)과의 차이, 즉 △I_{before jump} = I_Jump-start - I_Jump-start-1라고 할 때, 점프 전류, △I_jump는 △I_{before jump}의 정수배, △I_jump ≥ △I_{before jump} x m으로 하는 것을 포함한다. 여기서 m은 외부 스위치에 설정된 값에 대응된다.

예를 들면, I_Jump-start-1= 10A, I_Jump-start = 20A, I_Jump = 100A 라고 하면, △I_{before jump} = 20A - 10A = 10A 가 되고, △I_jump = I_Jump - I_Jump-start = 80A 가 된다. 여기서 딥 스위치 설정은 11로서 m=3으로 설정한다. 그래서 (△I_jump = 80A) ≥ (△I_{before jump} x m = 10 x (3=m))이 되어서 전력 차단용 제어 신호를 낸다. 또는 델타비율(DR)을 가지고 생각할 수도 있다, △R_{before jump} = △I_{before jump}/I_Jump-start-1=10A/10A=1 되고, △R_Jump = △I_Jump/I_Jump-start= 80A/20A = 4 > (m=)3가 되어, 전력 차단 신호를 낸다. 이 경우는 △R_Jump 만 고려해도 된다.

따라서, 임계 점프 전류의 크기는 앞에 측정된 연속된 두 개의 값의 차이가 어떤 양자화된 값으로 결정되거나, 혹은 앞에 측정된 값을 어떤 양자화 된 값으로 정하여 그 값의 배수를 정하는 것을 포함한다.

상기 전력 제어부(380)에서 점프 전류를 차단하는 스위치부(380)는 교류전력기기(382)를 보호하기 위하여 MCU(350)에서 내는 전력 차단용 스위치 제어용 신호(384)에 따라 동작되는 것을 특징으로 한다.

전력 차단용 스위치는 릴레이(388) 혹은 전력 반도체(389)를 포함한다 (도 4). 그 릴레이와 전력 반도체는 점프 전류 차단 스위치(388,389) 제어 소자(386)에 의해 제어된다.

점프 전류 차단 스위치(388,389) 제어 소자(386)는 전계효과 트랜지스터 혹은 바이폴라 트랜지스터 혹은 사이리스터 (Silicon Controlled Rectifier: SCR) 혹은 트라이악 혹은 포토 트랜지스터 혹은 포토 SCR 혹은 포토 트라이악을 포함한다. 점프 전류 차단 스위치는 릴레이(388) 혹은 전력 반도체(389)를 포함한다.

그 릴레이는 전자석으로서 전기적 힘으로 스위치가 동작되는 것을 의미하며 릴레이와 같은 원리로 동작되는 솔레노이드를 포함한다.

그 전력 반도체(389)는 파워용 전계효과 트랜지스터 (Field Effect Transistor) 혹은 IGBT(Inter Gate Bipolar Transistor)를 포함한다.

전원부(395)는 본 발명의 IMT 점프 전류 차단기(300)에 전력을 공급한다. 전원부는 점프 전류 차단 시에 IMT 점프 전류 차단기에 전력이 공급되지 않는 경우를 대비하여 배터리가 연결되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 김 라인 전류센서(316)를 이용하는 절연체-금속 전이 점프 전류 차단기는 전력 시스템에서 불연속 전류 점프를 측정하여 화재를 예방하는 데 큰 효과가 있을 뿐만 아니라 모터와 같이 화재를 일으키지 않는 전력기기의 사용을 하도록 한다.

상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도 1(a)는 두 전극 사이에 비선형 전기적 특성을 내는 절연성 물질을 갖는 절연체-금속 소자(30)에 삼각 교류 전류를 인가했을 때 절연체-금속 전이 (Insulator-Metal-Transition (IMT) 혹은 금속-절연체-전이 (Metal-Insulator-Transition (MIT) 로도 부름)가 일어나서 절연체가 금속으로 전이 될 때 불연속 점프 전류의 관측을 보여준다. 참고 논문 1에서 인용되었다.
도 1(b)는 두 전극 사이에 절연성 물질이 있는 절연체-금속-전이 소자의 개념도이다.
도 1(c)는 콘센트에 플러그가 삽입된 것으로 51(전극)-52(검은녹)-54(전극)와 51(전극)-53(검은녹)-55(전극)가 IMT 소자가 형성된 것과 IMT가 일어나는 위치(50)을 보여준다.
도 1(d)는 콘센트에 플러그가 삽입된 것으로 56(전극)-58(검은녹)-61(전극)과 57(전극)-59(검은녹)-62(전극)가 IMT 소자가 형성된 것과 IMT가 일어나는 위치(50)을 보여준다.
도 2는 본 발명의 불연속 점프 전류 차단기 내부 기능도를 보여준다.
도 3(a)는 임계 점프 전류의 크기 설정용 딥 스위치 연결을 보여준다.
도 3(b)는 임계 점프 전류 결정용 아날로그 스위치 연결을 보여준다.
도 4(a)는 릴레이를 이용하여 불연속 점프 전류를 차단하는 스위치부의 기능도를 보여준다.
도 4(b)는 전력 반도체 소자를 이용하여 불연속 점프 전류를 차단하는 스위치부의 기능도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시 예로서 개발된 AC 110V 단상 불연속 점프 전류 차단기와 실시예의 배선도를 보여준다.
도 6은 도 5의 불연속 점프 전류 차단기에서 측정된 불연속 점프 전류 파형을 보여준다.
도 7은 불연속 점프 전류를 차단하는 프로그램의 플로우 차트를 보여준다.

본 발명의 실시 예로서, 도 2의 차단기의 기능도에 따라 도 5의 IMT 불연속 점프 전류 차단기를 제작하였다. 실험실에서 IMT 불연속 점프를 쉽게 구현하기 위하여 IMT 소자(30)의 절연성 물질은 바나듐다이옥사이드(VO₂)(35)를 사용하였다. 실험실에 큰 전류의 부재로 IMT 후 IMT 소자의 저항이 약 1KW이 되도록 하였다. 교류 110V 전압에 IMT 후에 최대 1A의 펄스 전압이 흐르도록 하였다. IMT 소자를 도 5와 같이 연결하고 김-라인 전류센서(316)를 이용하여 측정된 실험 데이터는 도 6에서 보여준다. 이 데이터는 도 1(a)의 데이터처럼 어깨(100)와 점프 후 펄스(200: 201, 202, 203, 204)들을 보여준다. 그 전류 점프, 델타 D들의 데이터는 표 1에서 보여준다. 점프의 크기를 결정하는 외부 스위치로서 도 5의 외부 I/O 단자에 하이-로(High-Low)로 2 비트 DIP 스위치(373) 기능이 되도록 하여 '00', '01', '10', '11'의 신호를 넣었다.

예로서, 딥 스위치 설정 '00'은 도 7의 플로우 차트 설정값 m=0, '01'은 m=1, '10'은 m=2이고, '11'은 m=3에 대응한다.

아래의 표 1의 데이터에서 얻어진 전류 점프 △ 값을 딥 스위치(도 5의 373)의 세팅 값 도 7의 프로그램 플로우 차트에 있는 m에 대응시킨다. 딥 스위치 11로서 m=3으로 설정하고 △가 3 이상이면, MCU(390)는 측정 전류가 전력 차단용 전류 점프로 간주하고 점프 전류 차단 스위치인 릴레이(388)로 전력 차단용 신호를 내보낸다. 따라서, 도 5의 시스템으로 위 조건에서 릴레이(388)가 전력을 차단하는 것을 확인하였다.

점프 1, 2, 3, 4는 도 6에 있는 것이고, 전류 점프 폭 비 (Jump Ratio) DR=[Ni-N(i-1)]/N(i-1)로 정의(도 7)한다. 표 1의 데이터에서 점프 폭 DR은 반올림하고 정수로 취한 것이다.

	점프 1 (201)			점프 2 (202)			점프 3 (203)			점프 4 (204)
No	시간	전류	△R	시간	전류	△R	시간	전류	△R	시간	전류	△R
N1	5.85	13		20.9	13		37.1	46		53.43	188
N2	6.07	651	49	21.3	83	5	37.1	269	5	53.99	728	3
N3	6.12	576	0	21.6	295	3	37.6	225	0	54.12	652	0
N4	6.59	628	0							54.47	802	0

10 : 교류 전력 신호를 내는 펄스 발생기
20 : 저항 30 : 바나듐옥사이드(VO₂) 기반 IMT 소자
35 : 절연성 바나듐 옥사이드
40 : 제1 전극 혹은 전선의 제1 단자
45 : 제2 전극 혹은 전선의 제2 단자
50 : 콘센트와 플러그가 접촉하는 절연체-금속 전이가 일어나는 접점지역
51 : 콘센트 내부에서 외부 전력도선과 연결되는 전력도선
52 : 콘센트 내부에 있는 아산화 검은 녹이 있는 제1 전극
53 : 콘센트 내부에 있는 아산화 검은 녹이 있는 제2 전극
54 : 플러그에서 아산화 검은 녹이 없는 제1 전극
55 : 플러그에서 아산화 검은 녹이 없는 제2 전극
56 : 콘센트 내부에 있는 아산화 검은 녹이 없는 제1 전극
57 : 콘센트 내부에 있는 아산화 검은 녹이 없는 제2 전극
58 : 플러그에서 아산화 검은 녹이 있는 제1 전극
59 : 플러그에서 아산화 검은 녹이 있는 제2 전극
60 : 콘센트 내부에 있는 중성선
61 : 플러그에 연결된 제1 전극 전력도선
62 : 플러그에 연결된 제2 전극 전력도선
65 : 삼각파 입력 전력 전압 70 : 출력 전류
80 : 절연성 물질 혹은 아산화동(CuO₂) 혹은 탄화수소
90 : 전극과 절연성 물질로 되어 절연성 물질이 금속으로 전이 되는 소자; 혹은 전선 혹은 콘센트 단자에 검은 아산화동 혹은 탄화수소가 형성되어 전선이 연결된 IMT 콘센트
100 : 점프 불연속 점프 전류 발생 전의 반도체 영역 (어깨 부분)
200 : 불연속 점프 전류
201 : 불연속 점프 전류 1
202 : 불연속 점프 전류 2
203 : 불연속 점프 전류 3
204 : 불연속 점프 전류 4
300 : 불연속 점프 전류 차단기의 내부 기능별 레이아웃
310 : 김-라인 센서부 313 : 전력 도선
316 : 김-라인 전류센서
320 : 증폭기부
340 : ADC (Analog-Digital Converter) 부
350 : CPU부, (CPU: Central Processing Unit)
360 : 메모리부
370 : 임계 점프 전류 설정부
373 : 임계 점프 전류 설정부 내 딥 스위치
376 : 임계 점프 전류 설정부 내 아날로그 스위치
380 : 과전류를 차단하는 스위치부
382 : 전력기기
384 : 릴레이 스위치 제어용 트랜지스터 제어용 신호선
386 : 릴레이 스위치 제어용 트랜지스터
388 : 과전류 차단용 스위치부의 릴레이
389 : 과전류 차단용 스위치부의 전력반도체 소자
390 : 마이크로콘트롤러(MCU)부
395 : 전원부

Claims

두 전극 사이에 비선형 전기적 특성을 내는 절연성 물질을 갖는 전력기기용 전원이 연결된 콘센트의 전력도선을 포함하는 교류 전력 시스템에서, 그 절연성 물질이 선형 전기적 특성을 내는 금속 상태로 전환될 때, 전력도선에서 연속적으로 측정된 2개의 전류 데이터의 차와 아래의 불연속 점프 전류 차단기 내에 있는 입력 스위치에 설정된 차단용 전류의 불연속 점프의 크기를 비교하여 불연속 점프 전류를 판단하고 교류 전력 차단 신호를 내는 프로그램을 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 1의 불연속 점프 전류 차단기에 대하여,
불연속 점프 전류의 크기를 설정하는 임계전류 설정부(370);
교류 전력 도선에 나란하며 교류 전력 도선과의 이격거리는 0보다 크거나 같고 교류 전력의 전자파를 측정하는 금속도선을 포함하는 센서부(310);
금속도선의 아날로그 신호를 증폭하는 증폭기부(320);
증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(340);
임계 점프 전류의 크기를 읽고 측정되어 디지털화 된 전류 신호를 비교하여 임계 점프 전류를 판단하고 전력 제어용 신호를 출력하는 프로그램을 저장하는 메모리부(360)를 포함하는 마이크로콘트롤러부(390); 및
불연속 점프 전류를 차단하는 전력 제어부(380);를
포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 2에서 임계전류 설정부에 관하여,
불연속 점프 전류의 크기에 대응되는 값을 설정하는 딥 스위치 혹은 아날로그 스위치를 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 2에서 전력 제어부에 대하여,
교류 전력 차단 신호와 연결되어 전력 차단용 전자석 릴레이를 제어하는 트랜지스터 혹은 SCR을 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 4에서 전력 차단용 전자석 릴레이에 대하여,
코일에 흐르는 전자기력에 의해 접점을 스위칭 하는 솔레노이드 스위치 혹은 트립 코일을 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 2에서 전력 제어부에 대하여,
교류 전력 차단 신호와 연결되어 전력 차단용 파워 소자를 제어하는 트랜지스터 혹은 포토 트랜지스터 혹은 SCR을 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.
청구항 6에서 전력 차단용 파워 소자에 대하여,
IGBT 혹은 트라이악 혹은 전력용 SCR을 포함하는 불연속 점프 전류 차단기.