KR20020092983A - 아크 누전 조기 검출 및 경보 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력공급 시스템에 있어서 다음과 같은 단계를 포함하는 조기 고장검출 방법에 관한 것이다.

⒜ 전력공급 시스템 선로 상에 고주파 순간 서지의 존재여부를 계속적으로 체크하난 단계.

⒝ 검출된 순간 서지들의 진폭이 미리 설정한 레벨을 초과하면 그 순간 서지들을 펄스열로 변환하는 단계.

⒞ 상기 펄스들 사이의 시간 간격을 분석하여 감쇠기들로부터 기인하는 것들을 식별하여, 무시하는 단계.

⒟ 상기 펄스열에서 지속시간이 상기 T-ARC 기간 보다 짧은 상태의 단소음 구조를 식별하는 단계.

⒠ 상기 상태들의 이전 및 이후에 전류진폭이 서로 상이한 단소음 상태들을 판별하여, 정상적인 스위칭 동작에 의한 것으로 간주되는 상태들을 무시하는 단계.

⒡ 나머지 각각의 단소음 상태를 누전 이벤트로서 간주하여, 이 이벤트들을 제1레지스터에 축적하는 단계.

⒢ 상기 펄스열에서 지속시간이 T-아크 기간 보다 긴 상태의 장소음 상태들을 각각 따로따로 식별하는 단계.

⒣ 다수의 아크 이벤트들을 각각의 지속시간에 비례하는 각 장소음 상태에 속하는 것으로 간주하여 이벤트수들을 제2레지스터에 축적하는 단계.

⒤ 상기 제1 및 제2 레지스터의 값들을 합하고, 만약 합계가 미리 정한 기간 내에 설정치 N-경보를 초과하면 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시키는 단계.

Description

아크 누전 조기 검출 및 경보 장치{Apparatus for the detection and early warning of electrical arcing fault}

오늘날 전기공급 시스템의 계속적인 자동보호는 다음과 같은 방법으로 이루어진다. 즉,

a) 단락 또는 과부하가 발생할 때 전류를 차단하므로 써 위험한 과전류를 방지하는 안전 퓨즈 및 차단기에 의한 방법,

b) 외부 전원선으로부터 접지도선으로 위험한 누전이 발생할 때마다 전류를 차단하는 접지사고 개폐기에 의한 방법 등이다.

다른 종류의 전기고장으로서는 전기회로 내에 작은 공극으로 분리되어 있는 2개의 도체 사이에 전류가 흐르는 경우에 나타나는 아크 누전에 의하여 일어난다. 이와 같은 대부분의 아크 누전에 있어서는 마치 불규칙적으로 번갈아 "켜고, 끄는" 스위치처럼 간헐적으로 전류가 흐른다.

아크 누전은 다음과 같은 위험과 문제들을 일으킨다: 즉,

1) 불충하게 방호장치가 된 아크 발생 부위에서 뜻밖에 발생되는 과열에 기인하는 화재와,

2) 중대한 고장을 초래하여 전기 제품 또는 기계를 손상시켜 최종적으로 단락을 일으켜 전류가 차단되는 아크 누전과,

3) 연속적인 과전류의 발생과 불규칙적인 전류공급을 일으켜 전기제품의 손상을 촉진시키는 아크 누전 사고 등을 일으킨다.

전류는 부하저항에 의하여 제한을 받으며, 이때 전류가 위험치 로서 설정한계치 이하로 나타나기 때문에, 직렬 아크 누전은 상기 보호 수단에 의하여 방지되지 않는다. 또한 병렬 아크 누전이 설정한계치 이하로 나타나는 한에 있어서는, 화재위험이 계속 존재하게 된다. 또한 전류가 끊어진 다음에도 단락형성을 위한 전위가 남아있다.

아크 발생조건의 형성에 대한 조기경보장치는 화재를 예방하고, 뜻하지 않은 단전, 및 전기제품의 손상을 방지하는 역할을 하기 때문에 그러한 조기경보장치의 필요성은 명백하다.

과거 20년 동안 아크누전의 검출을 위한 여러 가지의 장치들이 소개되어 왔다. 대부분의 장치들은 전기회로에 있어서 도전 파라미터의 불연속성이 순간과도현상을 일으킨다는 사실을 이용하여, 그 결과 나타나는 순간 전류진동을 감지하는 것이다. 그다음 전력망 부하의 유효한 사용에 따른 현상과 상기 아크누전 현상을 구별하는 각종 장치를 이용하여 전류의 고주파 진동을 분석한다. 상기 분석을 용이하게 하기 위하여 상기 과도현상을 통상 디지털 신호 또는 다른 단순신호로 변환한다. 이러한 모든 제안들은 원칙적으로 각종 현상들을 구별하는 방법에 따라 상이하다. 따라서 그러한 제안 방법들의 능력과 효율을 도출한다.

예를 들어 1984년 8월에 공표된 미국특허 제4,466,071호(발명자: 러셀 외 수인)는 고임피던스 아크누전을 검출하기 우한 방법과 장치에 관한 것이다. 상기 검출은 "교류전류의 고주파 성분을 감시하고, 각 사이클의 고주파 성분을 분석하므로 써" 이루어진다. 고주파 성분의 크기가 두드러지게 증가하여 나타날 때 이것은 아크누전 또는 정상적인 스위칭 동작을 의미한다. 상기 고주파 성분이 증가하는 기간은 각종 현상들을 구별하여, 아크누전을 판단할 수 있다.

상기 미국특허 제4,466,071호는 다음과 같은 3가지 특별한 단점들을 가지고 있다: 즉,

1. 제광기를 스위칭할 때 충분한 시간 동안 고준위의 고주파 전류성분을 발생할 수 있으므로 상기 장치에 의하여 아크누전 현상으로서 잘못 식별될 수도 있다.

2. 만약 아크누전을 판정하기 위한 최소기간이 너무 짧으면, 예를 들어, 0.5초 이하 이면, 전기드릴의 토글스위치의 온/오프 동작과 같이 시간이 긴 스위칭 동작은 고장으로 식별될 수도 있다.

3) 다른 한편으로, 만약 아크누전을 나타내는 최소기간이 너무 길면, 예를 들어, 0.5초 이상 이면, 고장으로 발전하게 될 초기단계의 특징을 나타내는 짧은 신호들이 무시 될 것이다. 따라서 결과적으로 조기경보가 제공될 기회를 상실하게 될 것이다.

1997년 10월 공표된 미국특허 제5,682,101호(발명자: 브루크스 외 수인)는 전원선의 전류 변동률을 검출하여, 그에 비례하는 신호를 발신하는 검출기를 발표하였다. 상기 변동률 신호가 일정한 한계치를 초과할 때마다 펄스를 발신하도록 되어있다. 전류의 각 고주파 잡음은 급경사 진동을 발생하여 선택된 고주파 대역 속으로 여과되어 상기 검출기에 의하여 펄스로 변환된다. 상기 펄스수에 비례하는 량 만큼 콘덴서를 충전하므로 써 펄스를 계수한다. 일정한 충전레벨을 초과하면, 상기 검출기는 아크누전을 표시한다. 위에 제시된 예에서 상기 콘덴서의 방전 시상수는 33 msec 이다.

상기 부르크 씨는 각종 유사현상들의 구별에 관하여 다음과 같이 언급하고 있다: 즉, "감지기(21)에 의하여 발생되는 변동률 신호의 패턴은 회로의 상태가 정상적인 부하인지, 정상적인 스위칭 현상 인지, 또는 아크누전 현상 인지를 나타낸다" 라고 말하고 있다. 그러나 실제로는 예를 들어 긴 스위칭 현상의 패턴은 아크누전 현상의 패턴과 완전히 비슷하다. 따라서 그러한 패턴만으로는 각 현상들의 구별이 불가능하다.

상기 브루크스 외 수인들의 시스템의 다른 단점들은 다음과 같다: 즉,

1) 의사잡음 뿐만 아니라 회로의 보호부분 역시 감쇠하기 위하여 각각의 부하에 대한 블로킹필터(blocking filter)를 사용한다는 것과,

2) 회로 내의 감쇠기가 식별되지 않고, 이것이 의사경고의 발생을 초래하게 된다는 것이다.

1998년 3월에 공고된 미국특허 제5,726,577호(발명자: 엔젤)는 교류회로 내에 직렬아크 검출기를 발표하였다. 이 검출기는 전류의 불연속성에 대응하는 펄스를 포함하는 2차유도 전류를 나타내는 신호를 발생시킨다. 아크 전류의 연속성 특성들은 아크를 제거하기에 너무 낮은 전류에서는 매유 규칙적이다. 사실상 "전류 영교차에서의 불연속성을 제외하고는 전류가 보다 더 연속적이다." 이것은 반사이클 씩 서로 반대 극성을 갖는 한 쌍의 펄스로 나타나는 유일한 펼스패턴이 된다. 다른 한편으로는, 감쇠기로부터 나오는 신호는 또한 매 반사이클 마다 한번씩 나타나는 교번극성의 3중펄스로 이루어진다. 상기 차이는 아크로 인한 펄스와 정상적인 부하로 인한 다른 펄스 사이의 구별을 위한 기초가 된다. 그러나 다음과 같은 몇 가지 한계와 단점들에 관하여 언급하지 않을 수 없다. 즉, 이 방법은 오직 고정적으로 계속적인 아크를 일으키는 완전히 저준위 전류에 의한 직렬 아크에만 적합하다. 그러나 불규칙적이며, 일시적 또는 간헐적으로 일어나는 아크로서, 결과적으로 동일한 패턴쌍이 반복되지 않는 아크에 대해서는 적절치 못하다. 또한 상기 미국특허 제5,726,577호의 방법은 단 1개의 감쇠기와 단지 교류회로에서만 누전검출을 위한 것이다.

1998년 10월에 공고된 미국특허 제5,818,237호(발명자: 쮜르혀 외 수인)는 아크누전 검출기를 발표하였다. 이 검출기는 전류신호를 추적하여, 미분하는 것이다. 따라서 전류의 단계적 증가에 응답하는 펄스를 포함하는 di/dt 신호가 발생된다. 상기 검출기는 펄스를 분석하여 전원 주파수와 동일하거나 높은 속도로 나타나는 펄스를 저지한다. 이와 같은 방법으로 다른 펄스들을 계수하는 동안 감쇠기와 같은 부하에 의하여 생성된 펄스들을 계속적으로 제거하고, 설정된 시간간격 내에설정수가 달성된 다음에 검출기가 전류차단기를 동작시킨다. 이 검출기는 진짜 아크누전 신호와 정상부하 신호는 모두 임의시간간격의 펄스들을 포함하기 때문에 상기 진아크누전 신호와 정사부하 신호를 구별할 수 없다. 예를 들어, 프로그램된 세탁기, 오래 끄는 스위치 동작, 또는 기타 오용된 스위치 동작 에 의하여 생성된 신호들은 충분히 계수되도록 분리된 펄스들을 포함하고 있다. 축적이 매우 신속히 이루어져서 따라서 오경고를 초래하게 된다.

다른 선행기술의 고장검출기들은 고주파잡음을 검출하여 분석하는 것이다. 예를 들어 1998년 3월에 공표된 미국특허 제5,729,145호(발명자: 블레이즈)는 광대역 고주파잡음에 대한 전원파형을 검출하고, 검출된 잡음에서 전원파형에 동기화된 진폭변화 패턴을 분석한다. 이 검출기는 상기 공극 사이의 AC전압이 아크 임계전압 이하로 떨어질 때마다 아크가 억제되어 고주파 잡음을 제거하는 개념에 따라 동작한다. 이와 같은 시간간극(time gap)은 전원파형과 동기 적으로 나타난다.

블레이드 씨의 방법은 때때로 고장 초기 단계로 나타나는 짧거나{반주기 이하}, 불규칙적인 스파크 버스트에 대해서는 설명이 없다. 결과적으로, 블레이드 씨의 방법에 의한 경고는 아크 생성의 비교적 늦은 단계에서 발하게 되고, 이 경고 지연시간은 초기단계 이후 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수도 있다. 또한 이 방법은 오직 AC전력 시스템에만 사용하기 위한 것이다.

1998년 11월 공고된 미국특허 제5,835,321호(발명자: 엘름 외 수인)는 AC전류의 선택 가능한 사이클 수에 대한 저주파잡음의 존재 여부를 검출하는 검출기를 공개하고 있다. 그러나 스위칭 동작은 통상 광대역 잡음을 발생시키고, 스위칭 자극이 식별되지 않고 제외되지 않기 때문에, 그중 몇몇은, 특히 긴 스위칭 동작에 기인하는 것들은 축적되어 오경고를 일으킨다.

상기 또는 기타 최신 선행기술 및 낡은 검출기 모델들의 한계와 단점들을 고려할 때 여전히 아크 신호와 유효 정보원으로부터의 신호들을 보다 효율적이고 신뢰성 있게 구별할 수 있는 검출기의 필요성이 대두되고 있다. 특히, 초기 아크누전에 대한 조기경고를 할 수 있는 검출기가 필요로 한다.

본 발명의 한 가지 목적은 AC 및 DC 양쪽의 전기 시스템에서 모두 아크 누전을 검출하기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부적합한 도전 또는 절연 상태를 초기단계에서 경고하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진아크누전과, 스위치, 부하 및 감쇠기들의 정상적인 동작을 구별하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 검출기는 전기회로 속에 흐르는 전류의 불연속성을 검출하여, 이에 해당하는 빠른 순간 서지(surges)들을 이산 펄스들로 변화시킨 다음, 다음과 같은 단계에 의하여 분석한다. 즉,

1) 감쇠기들은 이들이 발생하는 동일한 시간간격의 신호들에 의하여 식별되고, 이때 시간간격은 통상 전력공급의 전기간 또는 반기간이다. 그 다음 그에 대응하는 펄스들이 제외된다.

2) 완화발진기로부터와 같은 다른 똑같은 격시 펄스(time-spaced pulses)들은 연속적인 펄스들 사이 또는 각각의 다른 펄스들 사이의 동일한 시간간격을 검출하므로 써 식별될 수도 있다. 그 다음 정합 펄스들을 제거한다.

3) 정상적인 스위칭 동작, 위험한 아크 공정 및 기타 아크 작용은 다음 2개의 카테고리에 따라 식별되고 구별된다. 즉, 비발달성 아크(예: 스파크 또는 간헐적 아크) 카테고리 및 발달성 아크 카테고리:

(i) 비발달성 아크 카테고리(일시성):

정상적인 스위칭 동작의 결과로서, 전류진폭이 명확하게 변화되고, 한편 아크 누전 이벤트(event)가 일어난 다음에 상기 전류진폭이 때로는 변경되고, 때로는 이전의 값을 보존한다. 따라서 고주파 이벤트 다음에 영변화는 반드시 위험하지는 않지만 부적절한 전기적 상태가 형성되고 있다는 것을 의미 한다. 그러한 아크 이벤트(이하 "누전 이벤트"라고 칭함)들은 심각한 상태를 계속 분석하기 위하여 축적된다. 긴 이벤트들은 다음 카테고리에 속하는 것으로 간주된다.

(ii) 발달성 아크 카테고리(연속성):

이 카테고리는 전형적으로 2초가 되도록 선택하여 미리 정의된 T-ARC라고 칭하는 기간 보다 긴 RF이벤트들을 취급한다. 그러한 이벤트들은 콜 아크 상태(call arcing states)이다. 긴 RF 이벤트들은 아크 프로세스의 특징을 나타내며, 스위칭 동작에 거의 관련이 없다. 따라서 감쇠 회로 및 펄스 회로 이벤트들은 거의 제외되기 때문에, 상당히 긴 이벤트는 아크누전의 존재를 의미하는 것이 거의 확실하다. 또 한편 문제의 존재를 결론짓기 전에 통계의 신뢰성을 얻기 위하여 긴 이벤트들의 지속 시간들이 축적된다. 편리성을 위하여, 각 아크 상태에 초로 나타낸 아크 상태의 지속시간과 동일한 다수의 아크 이벤트들이 부가된다.

상기 각 카테고리에 있어서 계수는 요구되는 감도에 따라 1일 1회 정도 wo실시된다.

펄스들의 분석을 종료하기 전에 2가지 점이 언급되어야 한다.

I) 전력선을 따른 강력한 감쇠효과 때문에 검출기에 대한 전자기방해는 거의 영향을 끼치지 못한다. 전기 배전반 안에 밀폐되어 있는 검출기 자체는 통상 전자기원(e.m. source)으로부터 멀리 떨어져 있다. 또한 검출기는 필요시 차폐시킬 수 있다.

II) 전기기계들은 다양한 고주파 성분들을 포함하는 전자기 소음을 발생시킨다. 그러나 이들의 진폭은 통상 작다. 결과적으로 소음을 펄스로 변환되는 것을 방지하도록 적절한 한계를 선택할 수 있다.

좀더 자세히 설명하면, 본 발명은 전력공급 시스템에서 다음과 같은 단계들을 포함하는 조기 고장검출 방법에 관한 것이다.

⒜ 전력공급선에서 고주파 순간 서지의 존재를 계속 체크하는 단계,

⒝ 진폭이 설정된 레벨을 초과하는 순간 서지를 검출하여 펄스열로 변환하는 단계,

⒞ 펄스들 사이의 시간간격을 분석하여 감쇠기들에 의한 펄스들을 식별하여 무시 하는 단계,

⒟ 상기 펄스열에서 지속시간이 상기 T-ARC기간 보다 짧은 상태의 단소음 구조를 식별하는 단계,

⒠ 상기 상태들의 이전 및 이후에 전류진폭이 서로 상이한 단소음 상태들을 판별하여, 정상적인 스위칭 동작에 의한 것으로 간주되는 상태들을 무시하는 단계,

⒡ 나머지 각각의 단소음 상태를 누전 이벤트로서 간주하여, 이 이벤트들을 제1레지스터에 축적하는 단계,

⒢ 상기 펄스열에서 지속시간이 T-ARC기간 보다 긴 상태의 장소음 상태들을 각각 따로따로 식별하는 단계,

⒣ 다수의 아크 이벤트들을 각각의 지속시간에 비례하는 각 장소음 상태에 속하는 것으로 간주하여 이벤트수들을 제2레지스터에 축적하는 단계,

⒤ 상기 제1 및 제2 레지스터의 값들을 합하고, 만약 합계가 미리 정한 기간 내에 설정치 N-ALARM를 초과하면 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시키는 단계.

본 발명의 보다 바람직한 실시예에 따라 상기 가산단계는 다음과 같은 단계들을 포함한다. 즉,

⒜ 만약 아크 이벤트들의 축적된 수가 미리 설정한 기간 내에 설정치 N-ALARM을 초과하면, 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시키는 단계,

⒝ 만약 누전 이벤트들의 축적수가 미리 설정한 기간 내에 설정치 N-WARNING를 초과하면 경고신호를 동작시키는 단계.

상기 보다 선호되는 실시예에서 바람직하게는 상기 N-ALARM 및 N-WARNING들을 요구되는 검출감도 및 전기적 환경에 따라 별도로 정의된다.

바람직하게는 상기 방법도 또한 T-LONG-ARC의 설정기간을 초과하는 펄스열을검출하면 경고를 발하거나, 또는 경고발령과 동시에 전류를 차단하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 N-ALARM은 요구되는 검출감도와 전기적 환경에 따라 미리 정의된다.

바람직하게는 감쇠기에서 발생된 펄스들의 식별은 다음과 같이 수행된다. 즉,

⒜ 전사이클 또는 반사이클과 동일한 2개의 연속 펄스들 사이의 시간간격을 검출하므로 써 하나의 감쇠기에서 기인된 펄스들을 판정하며,

⒝ 하나의 펄스와 나중의 전 또는 반 사이클과 동일한 n 펄스들 사이의 시간 간격을 검출하므로 써 n 감쇠기들에 기인하는 펄스들을 판정한다.

바람직하게는 유효 스위칭에 기인하는 펄스들의 식별은 전력선로에서 설정치I-MIN를 초과하는 전류진폭의 후속 변화를 결정하므로 써 이루어진다.

바람직하게는 하나의 펄스열은 상태를 구성하는 임의의 2개 연속 펄스들이 지속시간 T-QUIET 보다 짧은 시간에 의하여 분리되는 경우에 잡음상태로서 정의된다.

바람직하게는 전류의 후속변화 판단은 다음의 4가지 인식에 기초를 두고 있다. 즉,

i. 스파크 방전이 지난 다음, 또한 짧은 아크가 끝난 다음에는

전류가 이전의 값으로 복귀할 확률이 매우 높다.

ii. 이 복귀가 이루어질 때까지의 기간은 무작위적이며,

동시에 1초 보다 훨씬 짧아질 수 있다.

iii. 매일의 일상적인 회로에서 2개의 정상적 스위칭 동작들 사이의

포즈(pause)에 대한 통계적기대치는 1초 보다 크다.

iv. 스위치를 온 또는 오프 하면 전류가 뚜렷하게 변화하지만,

한편 완전히 반대로서, 누전 이벤트 다음에는 전류가 때로는

변화하고, 때로는 변치 않고 그대로 남아 있다.

바람직하게는 T-LONG-ARC은 3초 내지 50초의 범위이고, T-ARC는 0.7초 내지 3초 사이의 범위이다.

바람직하게는 T-QUIET는 0.1초 내지 1.0초 사이의 범위이다.

본 발명은 또한 다음과 같은 장치들로 구성되는 전력공급 시스템의 고장을 검출하는 장치에 관한 것이다. 즉,

⒜ 전기선로 상의 고주파 순간 서지를 감지하는 장치,

⒝ 고주파 순간 서지(short surges)들을 펄스열로 변환시키는 장치,

⒞ 펄스들을 분석하여, 감쇠기들로부터 발생된 것으로 판명된

펄스들과, 유효 스위칭에 기인되는 펄스들을, 만약 존재한다면,

제외시키는 장치,

⒟ 나머지 펄스열을 분석하여 그 펄스들의 지속시간에 따라

일련의 아크 이벤트들 또는 누전 이벤트를 판별하는 장치,

⒠ 누전 이벤트들과 아크 이벤트들을 계수하는 장치, 및

⒡ 검출된 누전 이벤트들과 아크 이벤트들의 합계가 N-ALARM의

미리 설정된 수를 초과할 때 경보를 발하는 장치.

바람직하게도 유효 스위칭 동작을 판별하기 위한 장치는 전력선에서 고주파 순간 서지에 뒤이어 나타나는 전류변화를 검출하기 위한 전류 측정장치를 포함한다.

본 발명은 전기회로의 안전성과 신뢰성을 제공하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가전제품, 상용 및 공업 분야, 자동차 분야의 전기시스템에서 아크 누전을 조기에 검출하여 경고하여 주는 방법과 장치에 관한 것이다.

제1도는 "잡음상태(N)"와 "정숙상태(Q)"가 판별되는 방법을 보여주는 전형적인 고주파 신호의 경과시간을 도시한 개략도이다.

제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 아크누전 검출기의 블록선도이다.

제3도는 AC 아크누전 검출기의 배선도이다. 제6도에는 상기 검출기 구성부분들의 고유 값의 예가 제시되어 있다.

제4도는 본 발명의 일 실시예에 따라 아크누전 검출 프로세스를 보여주는 흐름도이다.

제5도는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 아크누전 검출 프로세스를 보여주는 흐름도이다.

제6도는 본 발명의 하나의 특정한 실시예에 따라 제3도에 도시한 장치의 구성부분들을 위한 일정한 고유치들을 제시하는 표이다.

전선의 절연은 시간 경과와 더불어 각종 기계적 및 환경적 조건에 기인하여 열화된다. 예를 들어 전기회로 내의 접점들은 통상 과도한 줄(Joule) 열을 발생시키는 표면 및 격자의 불규칙성 때문에 전선보다 열이 높다. 그렇게 발생되는 열은접점 근처의 절연체를 탄화시켜 열화시키게 된다.

접점들의 도전성 역시 각종 기계적 및 환경적 조건에 기인하여 저하된다. 예를 들어 기계적 진동, 특히 전기기계에 있어서는 도전체 연결부들의 나사가 느슨하게 풀리고, 결과적으로 연결부의 전기저항을 증가시킨다. 기타 작용요소로서는 접점의 산화 및 먼지의 접착, 습기, 고온 등이 도전체의 구조를 왜곡시킨다. 이 모든 요소들은 전기저항을 증가시키고, 종국에는 접촉기능 저하를 초래하게 된다.

결국 이것은 전류가 느슨한 접점 또는 AC외부전력선과 불완전하게 절연된 중성선 또는 접지선 사이의 작은 공극을 통과하는 상태로 발전할 수 있다. 전류가 접점 안에 이온화된 작은 공극을 통과하여 부하로 흐르는 첫 번째 상태는 통상 직렬 아크라고 부르며, 상기 두 번째 상태는 때때로 병렬 또는 단락 아크라고 부른다. 이러한 상태들이 아크 또는 짧은 스파크를 형성하게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 부적합한 상태를 발생초기 단계에서 조지검출 방법과 장치를 제공한다. 이 방법은 운전요원이 없는 전기 시스템 또는 불시정전이 제조라인에 큰 손상을 일으킬 수 있는 공업 분야에서 특히 유리하다.

본 발명의 기초를 이루는 몇 가지 아크특성들을 설명하면 다음과 같다.

아크는 분리된 2개의 도전체 부분 사이의 작은 공극을 통과하는 전류통로를 형성하는 것으로서 매우 불안정한 현상이다. 보다 자세히 말하면, 상기 현상은 도전 파라미터들의 빠른 변동을 나타내는 것이 특징이다.

전기 장치의 변수들이 돌연적 또는 고속 변화를 할 때 고주파 순간 서지의 발생은 불가피한 것이다. 이때 전류는 고주파로 진동하며, 이 고주파 진동은 마이크로초 이하의 속도로 기하급수적으로 감쇠하여 새로운 "안정상태"로 된다. 예를 들어 이러한 상태는 스위치의 정상적인 개폐동작에서 나타난다. 그와 같은 스위칭 동작을 하는 동안에 도전체 부분들이 단시간 동안 충분히 가까이 접근하여 짧은 아크를 발생시키는 상태가 나타나며, 이때 전류는 서로 인접된 도체들 사이의 공극을 통과하여 흐르게 된다. 그러한 프로세스는 급격한 전기적 파라미터의 변화가 일어나서, 그 결과 고주파 순간 서지가 발생한다. 전기회로 내에 추가적인 부하를 스위칭(ON)하는 프로세스는 다음과 같은 단계를 포함한다. 즉, 스위칭하기 전에 초기에는 회로의 기존의 병렬저항들을 통하여 흐르는 전류(I₁)를 갖는 안정상태를 나타낸다. 그 다음, 전류변동과 많은 고주파 신호들이 나타나는 특징을 갖는 아크 단계이다. 이 단계는 흔히 "소음" 또는 "불안정"한 상태라고 부른다. 수마이크로초 후에, 고주파 파동들이 감쇠하여 새로운 전류(I₂)가 흐르게 되어 다음의 스위칭 동작을 할 때까지 수초 또는 그 이상 동안 지속된다. 때때로 스위치 접점의 기계적 반동 때문에 고주파 작용이 수밀리초 까지 지속된다.

전력공급 시스템에 포함되는 각종 상태에 관한 상세한 정의는 다음과 같다.

본 명세서에서, 2개의 고주파 이벤트에 의하여 경계를 이루고, 그 내부에 고주파 이벤트를 포함하지 않으며, 선택된 최소 설정시간주기(T-QUIET) 보다 긴 시간간격을 "정지상태" 또는 "정숙상태"라고 부른다. 상기 T-QUIET의 설정된 지속시간은 예를 들어 AC의 25 사이클, 즉, 약 0.5초가 될 것이다. 상기 "정숙" 또는 "정지" 상태는 또한 한쪽 측면만을 경계를 짓거나 또는 전혀 경계가 없으며, 고주파이벤트들을 포함하지 않고, T-QUIET보다 긴 시간간격이다. 여기서는 정지상태의 최소 지속시간을 T-QUIET라고 칭한다. 상기 미리 설정된 T-QUIET는 위로부터 경계를 설정하므로 써, 2개의 정상적인 스위칭 동작(1초보다 반드시 긴)들 사이의 통계적으로 기대되는 휴지시간이 실질적으로 정지상태의 카테고리에 속하도록 하여야 한다. 상세히 후술하는 바와 같이, 상기 T-QUIET는 전류진폭의 정확한 판정을 위한 타임베이스(time base)를 형성하기 때문에 상기 T-QUIET는 동시에 아래로부터 경계가 설정되어야 한다.

2개의 고주파 이벤트들에 의한 경계로 둘러싸이고, 정지상태를 포함하지 않으며, 추가적인 고주파 이벤트들을 포함할 수 있는 시간간격은 본 명세서에서 "잡음" 또는 "불안정"한 상태라고 칭한다. 명백하게도 2개의 고주파 이벤트로 경계를 이루는, 즉, T-QUIET보다 짧은 지속시간을 갖는 간격은 내용에 관계없이 불안정 상태이거나, 또는 보다 큰 불안정 상태의 일부분이다. 다음에 상세하게 후술하는 제1도가 이러한 상태들을 도시하고 있다.

아크의 3가지 카테고리를 시간적 상태에 따라 정의하면 다음과 같다.

a)지속성 아크:이러한 아크 발생은 전류가 정상적인 부하를 갖는 작은 공극을 통과하여 직렬로 거의 연속적으로 흐르는 상태이다. 그러나 아크 발생은 매우 불안정하고, 예를 들어 접점의 침식 때문에 특히 한 가지 도전 상태에서 다른 도전 상태로 크게 변동하면서 많은 고주파 신호들을 동반한다. 각 사이클 마다 영전위 레벨 점에서 전류는 통상 중단하고, 그러나 임의의 사이클 점에서 요동이 발생하며, 따라서 전체 사이클은 고주파 작용을 나타낸다. 그와 같은 상태는 본 명세서에서 "아크 상태"라고 칭한다. 즉, 상세히 말하여, 아크 상태는 T-ARC라고 칭하는 미리 설정된 기간(시간) 보다 길게 지속하는 잡음상태를 말한다. 상기 T-ARC는 예를 들어 2초로 정의할 수 있다. 지속성 아크는 통상 상당한 량의 열을 방출하여 화재를 일으킬 소도 있다.

b)간헐성 아크:이 아크 상태는 전류와 함께 또는 전류 없이 일련의 리프(leaps)들을 정지상태로부터 잡음상태로 형성하며, 그 다음 잠시 후에 정지상태로 복귀한다. 이 상태는 예를 들어 느슨한 접점에 작은 공극이 일시적으로 형성될 때, 또는 낡은 절연물로 피복된 도체부분들이 기계적 진동에 의하여 서로 접근할 때 일어난다. 잡음상태회로의 지속시간은 원래의 정지상태 또는 다른 정지상태로 복귀하기 전에 아크 현상의 불안정성 때문에 완전히 무작위적으로 변화한다. 특히, 상기 지속시간은 회로의 1 사이클 기간 이하로 떨어질 수도 있다. 이와는 반대로, 정상적인 도전상태 또는 비도전상태는 여러 초 동안 지속할 수도 있다. 명백한 것은, 그와 같은 1개 또는 수개의 전류도약 이후에는 시스템이 선행 정지상태의 하나로 복귀되는 것이다. 따라서 몇 개의 연속 정지상태에서 전류의 측정은 결국 선행하는 전류 측정치들 중 하나를 재생하게 된다.

c)스파크 또는 일시성 아크 발생:이 경우 매우 짧은 고주파 전류 버스트가 발생하며, 스파크 또는 일시성 아크가 끝나면, 전류는 통상 원래의 값으로 복귀한다. 스파크 또는 일시성 아크 발생의 시간척도는 통상 소수초이하이다. 스파크 및 간헐성 아크는 열방출이 적으며, 화재발생 면에서는 덜 위험하다. 그러나 그와 같은 누전을 검출하는 중요성은 장차 보다 많은 손해를 초래하는 가능성을 갖는 부적절한 전기적 상태로 발전한다는 것에 의미를 부여하는데 있다.

감쇠기 제어 부하는 통상 유사한 순간 서지들을 발생시킨다. 상세히 설명하면, 감쇠기는 고유특성을 가지고 있으며, 이때 매 반사이클 마다 제어된 부하(예: 램프)를 AC사이클의 고정상에서 스위치 온(ON)되어 유사한 순간 서지들을 발생한다.

전력선에서 다른 고주파 신호원은 전기 모터이다. 오늘날 대부분의 전기 모터들은 단지 저 레벨의 고주파 소음을 발생하는 유도형이며, 한편 심한 고주파 소음을 발생시키는 정류자를 갖는 전기 모터들은 거의 사용되지 않는다. 또한 대부분의 전기 모터들은 통상 고주파 신호들을 여과하기 위한 장치가 잘 되어있다.

상기 아크 상태의 정의와 분류는 전형적인 간헐성 아크 발생에 관한 제1도에 제시된 예에서 명확하게 알 수 있다. 제1도는 고주파신호들의 무작위 시간분포 및 그에 따라 정의된 상태를 도식으로 보여주고 있다. 1,3,4,9,11, 및 12 구간들은 T-QUIET보다 길지만, 그러나 T-ARC보다는 짧고, 한편 다른 구간들은 T-QUIET보다 짧다고 가정한다. 그다음 1,3,9, 및 11 구간의 상태들은 정숙상태의 정의와 합치하며, 한편 2, 4+5+6+7+8, 10, 및 12 구간의 상태들은 소음상태의 정의와 합치된다. (이하 T-QUIET = "T-정숙", T-ARC = "T-아크"로 칭함)

예를 들어 무전류 상태로부터 시작되는 간헐성 아크 발생의 경우에는, 연속 정지 상태들 중 하나도 똑같이 무전류 상태라고 예측된다.

소음상태가 동일한 전류의 2개 정치상태들에 의하여 경계가 이루어지는 아크 발생 이벤트는 무관심한 사용자에게 전류의 중대한 변동에 뒤따르는 아크 발생 이벤트 보다 더 파악하기 곤란하다. 실제로, 도전 상태로부터 비도전 상태로의 천이와 함께 아크 발생이 일어나는 첫 번째의 경우에 있어서 예를 들어 전등불을 "오프(OFF)"하는 효과, 즉, 뜻밖의 변화로서 쉽게 인지될 수 있는 현상을 나타내는 회로상태에는 중요한 변화가 일어난다. 상기 첫 번째의 경우에 변화가가 작기 때문에 누전이 사용자에게 인지되지 않고 남아있을 수 있으며, 따라서 아크 검출기가 필요로 하는 것이다. 본 발명의 검출기는 그와 같이 전류의 작은 변화를 포함하는 아크 누전에 특히 민감하다.

전기선로를 통하여 순간 서지들의 출현은 아크 발생 및 부적합한 전기적 상태에 대한 즉각적인 경고가 될 수도 있었다. 그러나 그와 같은 순간 서지들은 또한 정상적인 스위치 동작, 또는 램프 조광기와 같은 위상제어장치에 의해서도 발생될 수 있다. 따라서 정상적인 스위치 또는 감쇠기 동작에 기인하는 순간 서지들 및 아크 누전에 기인하는 순간 서지들 사이의 구별은 매우 어렵다. 예를 들어 전동공구의 트리거(trigger)를 천천히 동작시키거나 또는 스위치의 지연 오동작도 고속신호를 발생시키기 때문에 고속 고주파 신호 자체는 아크 발생을 나타내는 것이라고 할 수 없다.

신호들의 구별은 본 발명에 따라 3개의 특성에 기초를 두고 있다. 즉,

1) 감쇠기들의 정상적(유효한) 스위칭 및 아크 발생으로부터 기인하는 순간 서지의 상이한 시간간격.

2) 아크 발생 이벤트 하에 전류의 가능한 불변성과는 반대로 정상적 부하의 스위칭 하에 전류의 불가피한 변화성.

3) 전기 모터들의 작용에 기인되는 고주파 소음의 비교적 낮은 강도.

상기 처음 2개의 특성은 후술하는 고주파원의 특성으로부터 도출된다. 즉,

정상적 스위칭 동작:그러한 동작은 하나의 명백한 도전 상태로부터 다른 상태로의 전이시키며, 이 전이는 평균적으로 수초 이상 지속하고, 평균전류에 상당한 변화를 일으킨다.

지속성 아크:지속성 아크는 오직 짧은 전류의 휴지만으로 사이클의 각종 위상점에 많은 고주파 신호들을 발생시킨다. 불안정상태의 수명은 매우 짧아서, 통상 1초 이하 이다. 소음상태 이전과 이후에 정지상태에서 평균전류는 때로는 동일하고, 때로는 다르며, 각각의 가능성은 완전히 상당한 확률을 가지고 있다.

스파크 또는 일시성 아크 발생:이 아크는 짧은 전류 버스트(burst)를 발생시키고, 전류 버스트가 끝나면 전류는 통상 원래의 값으로 복귀한다. 시간척도는 소수초 이하이다.

감쇠기 동작:감쇠기 동작은 일정한 위상에서 사이클 상에 동일한 시간간격으로 고주파 순간 서지를 발생한다. 사이클의 다른 부분은 매우 약한 고주파 작용을 나타낸다.

이러한 특성들은 정상적 및 비정상적 작용에 대한 신뢰성 있는 판별기법을 제공하기 위한 본 발명에 따른 방법의 기초를 구성한다.

AC회로의 아크검출 절차

본 발명의 검출기는 AC 및 DC 양쪽 전력선로의 아크누전을 검출하는데 적용할 수 있다. 각각의 경우에 대한 검출방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.

상기 고주파 순간 서지들은 검출기에 의하여 판별성 펄스로 변환된다. 이 펄스들은 시간적 간격 및 관련된 전류변화에 관하여 분석된다.

분석절차의 제1단계에서, 감쇠기들에 기인하는 펄스들이 다음과 같이 식별되고 제외된다. 즉, 한 감쇠기에 기인하는 펄스들은 통상 AC주파수의 전 또는 반 사이클만큼 떨어져 있다. 따라서 연속된 펄스들 사이의 포즈(pauses)들을 검사하기 위하여 단순논리를 설정하고, 만약 상기 포즈들의 합계가 동일하면 해당 펄스들을 제외시킨다. 다른 펄스들은, 만약 있다면, 동일 사이클을 갖는 감쇠기 펄스들과 함께 제2분석단계로 통과한다. 이 분석절차는 펄스들 사이의 연속 포즈들의 합계가 반 또는 전 사이클과의 동일 여부를 체크 하므로 써 동시에 동작하는 몇 개의 감쇠기들에 대하여 쉽게 범용화 된다.

제2분석단계에서는 나머지 펄스들을 분석한다. 한편으로는 정상적인 스위칭에 기인하는 펄스들을, 다른 한편으로는 일시성 또는 간헐성 아크누전에 기인하는 펄스들을 식별한다. 정상적인 스위칭 동작은 반대의 전류변화에 의하여 다음과 같이 구별된다. 즉,

먼저, 고주파 이벤트에 선행하는 정지상태의 전류진폭과, 후속하는 정지상태의 진폭을 판별한다. 상기 판별은 순시전류를 측정하고, 이들의 시간평균을 적절히 계산하므로 써 수행된다.

그다음, 고주파 이벤트 전후에 전류진폭들 비교한다. 전술한 바와 같이, 정상적이 스위칭 이벤트 전후의 전류진폭들은 뚜렷이 상이하며, 한편 아크누전 이벤트의 경우에는 진폭들이 때로는 동일하고, 때로는 다르다. 효과적인 판별은 진행중 측정 및 고주파 이벤트 전후의 전류레벨의 비교에 의하여 달성된다. 전술한 바와 같이, 간헐성 아크 발생 중에 전류는 정지상태로부터 파동하는 불안정 상태로, 그리고 반대방향으로 점프(jump)한다. 따라서 하나의 진행 중 비교는, 조만간, 2개의 정지된 동일한 전류상태들 사이에 소음상태가 나타나게 될 구성을 충족시키게 될 것이다. 이것은 명백히 스위칭 동작과 일치하지 않으며, 이것은 아크누전의 훌륭한 통계적 표시이다. 그와 같은 소음상태는 따라서 누전 이벤트로 간주되어, 전에 축적된 누전 이벤트에 가산된다.

전류변화시험을 위한 하나의 선택적 알고리즘은 T-COMPARE (예: 1초)라고 부르는 시한 동안에 고주파 이벤트 이전의 전류진폭을 고주파 이벤트를 뒤따르는 각 정지상태의 진폭과 비교하는 것이다. 이 비교는 진아크누전으로부터 누전 이벤트들의 축적에 기여하며, 한편 T-COMPARE(이하 "T-비교"라고 칭함) 동안에 유효부하가 "온(ON)" 및 "오프(OFF)"되는 정상적인 이벤트로부터의 축적에 대한 바람직하지 못한 기여는 무시된다.

AC 선로에서 누전 이벤트의 존재여부를 체크하는 개념을 완성하기 위하여 몇 가지의 특수 정의들과 명령문들이 제공된다.

전류진폭은 오직 정지상태, 즉, 아무런 펄스를 포함하고 있지 않으며, T-정숙보다 긴 시간간격에서 만이 판별된다. 여기서 전류진폭은 연속적 사이클들의 일정한 정수를 채용한 양순간전류의 평군전류로서 정의된다. 신뢰성 있는 정확도를 달성하기 위하여, 평균전류는 수사이클, 예를 들어 25 사이클에 걸친 시간적분에 의하여 계산되며, 이때 각 사이클은 예를 들어 200 적분점들을 포함한다. 평균전류계산의 수행에 사용된 상기 사이클수는 N-CYC라고 표시한다. 상기 평균진폭은 각 사이클이 완료된 다음에 갱신(updating)된다. 명백한 것은, 상기 전류진폭이 소음상태 동안 판별되지 않는다는 것이다.

전류변화시험:만약 소음 이벤트 전후의 전류진폭이 적어도 설정레벨 I-MIN 만큼, 예를 들어 I-MIN(이하 "N-최소"라고 칭함)이 0.1A 만큼 상이할 경우에는, 이 이벤트는 정상적인 스위칭 동작에 기인한 것으로 판별되며, 따라서 이 이벤트는 무시된다. 그러나 만약 소음 이벤트 전후의 전류진폭이 본질적으로 동일하다면, 즉, I-최소 이내에 들어 있다면, 이 이벤트는 누전 이벤트를 의미하는 것으로 판별된다. 누전 이벤트들은 상태의 격렬성을 계속적으로 분석하기 위하여 축적된다. 위에서 소음 이벤트는 고주파 순간 서지의 단일 펄스 이거나 또는 수개의 펄스로 이루어진 소음상태를 의미한다.

본 판별절차에 따르면, 실제의 정상적 스위칭 동작에서 기인하는 펄스들은 무시되어야 한다. 그러나 진아크누전에 기인하는 펄스들은 단지 부분적으로만 고려되고, 부분적으로 무시된다. 이것은 전류변화시험 동안, 즉, T-비교 기간 동안 시스템이 이전의 도전 상태로 복귀하기 위한 충분한 시간이 있느냐에 달려있다.

상기 분석은 "있음직한 것"과 "있을법하지 않은 것"의 가정에 기초를 두고 있기 때문에, 결론은 오직 통계적 의미에서만 유효하다. 그러므로 오직 일정한 수의 누전 이벤트들을 계수한 다음에야 비로소 상태를 누전으로서 결론을 짓고, 본 분석절차의 마지막에 설명하는 바와 같이 측정치들을 취한다.

분석절차의 제3단계에 있어서, 아크 상태, 즉, T-아크(미리 설정된 바와 같이)보다 긴 소음상태가 고려된다.

이와 같은 펄스열들은 지속시간 만으로 아크누전의 유효표시이기 때문에 전류변화시험을 받지 않는다. 명백한 것은, 그와 같은 긴 펄스열들이 일차적으로 아크누전의 원인일 수 있으며, 한편 이 펄스들은 스위치와 전기모터 스위치의 연장된 오용, 또는 많은 스위치들의 연속적 동작에 기인하는 경우는 거의 드물다. 또한 이들은 이미 펄스들이 제외된 감쇠기의 동작에 기인할 수는 결코 없다. 따라서 긴 펄스열들의 출현은 아크누전의 표시로서 크게 의심된다. 신뢰성 있는 통계를 달성하기 위하여, 데이터를 다음과 같이 편리하게 축적된다. 초로 표시되는 아크 상태의 지속시간과 동일한 다수의 등가 아크 이벤트들을 각 아크 상태에 첨가하며, 이것이 축적될 수이다.

T-아크 보다 짧은 소음상태들은 제외되고, 이들의 지속시간은 축적되지 않는다. 왜냐하면 이 지속시간 까지의 펄스열들은 예를 들어 천공기의 트리거 스위치 작용의 정상적인 동작에서 발생될 수 있기 때문이다. 그러나 이 소음상태는 이미 분석절차의 선행단계에서 전류변화시험을 거쳤다는 것을 기억해 두어야 할 것이다.

이 소음상태의 선두에서 매우 긴 아크 상태는 특별한 역할을 한다. 여기서 T-LONG-ARC(이하 "T-긴 아크"라고 칭함)라고 부르는 설정기간(예: 15초)보다 긴 상태는 즉각적으로 경고를 발하거나, 또는 전류차단기를 동작시키도록 설계된다.

상기 분석절차의 최종단계에서는 누전의 심각성에 대한 결론을 내리고, 측정치들을 취한다.

미리 설정된 기간 내에 축적된 누전 이벤트들과 축적된 아크 이벤트들의 총합계가 N-ALARM(이하 "N-경보"라고 칭함)이라고 부르는 설정수를 초과할 때 마다 문제가 존재하는 것으로 결론을 내린다. 이 경우에는 경보를 발령하거나 또는 전류차단기를 동작시킨다.

상기 N-경보의 값은 요구되는 감도 및 관련된 전기적 환경에 따라 수십 내지 수천의 범위로 선택할 수 있다. 전형적인 100의 값은 활성 아크를 100초 이내 검출이 보장될 것이다. 계수기는 매일 또는 몇 시간마다 리셋(reset)할 수 있다.

본 발명의 제2의 보다 바람직한 실시예에 있어서, 누전 이벤트는 아크 이벤트 보다 덜 위험한 것으로 간주되고, 서로 별도로 취급된다. 따라서 측정치들은 다음과 같이 취한다. 즉,

I) 만약 설정된 기간 내에 축적된 누전 이벤트 수가 N-경고의 설정수를 초과할 경우에는 경고신호를 발한다. 그러나

II) 만약 설정된 기간 내에 축적된 아크 이벤트들의 수가 N-경보의 설정치를 초과할 경우에는 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기가 작동된다.

전술한 바와 같이, N-경보 및 N-경고의 값은 요구되는 감도 및 관련된 전기적 환경에 따라 수십 내지 수천의 범위 내에서 선택될 수 있다. 전형적인 값으로서 N-경보는 100으로, N-경고는 1000으로 정할 수 있다. 계수기는 매일 또는 몇 시간마다 리셋 한다.

모두 함께 상기 본 발명의 분석절차는 임의의 감도를 가지고 아크 누전의 조기검출을 가능케 한다. 예를 들어 스위치들의 지연된 오작동, 착암기의 트리거형 스위치의 작동, 또는 1개 또는 그 이상의 감쇠기들의 동작에 기인하는 의사경보들은 제거된다.

제4도는 본 발명의 제1실시예에 따른 각종 아크 발생원들을 판별하기 위한 절차를 대략 단순화된 형식으로 예시하는 블록선도이다: 즉,

- 제4도에서 101단계는 감쇠기에 기인하는 펄스들을 식별하는 서브루틴을 나타낸다. 이 식별은 펄스들 사이의 포즈(pauses)들이 10 ms 동안 약 1ms 까지의 가능한 편차로 지속하는지의 여부를 체크하므로 써 수행된다. (동일한 편차로 60 ms 까지 10 ms의 배수도 감쇠기의 징조로서 간주된다.)

- 제102단계는 "정숙" 및 "소음" 상태의 경계들을 판별하는 서브루틴이다. 이 판별은 현재의 펄스가 선행 펄스로부터 T-정숙보다 길거나 짧은 기간만큼 떨어져 있는지의 여부를 체크 하므로 써 수행된다.

- 제103단계에 있어서, 최종 포즈의 길이는 갱신된다. 단, 다음 2개 조건이 충족될 경우이다. 즉, 최종 포즈가 소음 상태이고, 현재의 펄스가 선행 펄스에 T-정숙보다 짧게 접근되어 있는 경우이다.

- 제104단계(서브루틴)는 검출된 "소음" 상태의 길이가 T-긴 아크 보다 긴지의 여부를 체크한다. 만약 그렇다면, 경보를 동작시키며(제110단계), 만약 그렇지 않으면, 분석절차는 제106단계의 서브루틴으로 계속된다.

- 제105단계에 있어서, 전류변화시험의 서브루틴은 현재의 펄스 이전의 전류진폭이 이후의 전류진폭보다 최소한 일정한 량의 I-최소 만큼 차이가 있는지의 여부를 체크한다. 만약 차이가 있다면, 펄스는 부하의 정상적인 스위칭 온 또는 오프에 기인한 것으로 가정하여 아무런 조치를 취하지 않는다. 그렇지 않고 차이가 없다면, 누전 이벤트라고 결론을 내리고, 절차를 제107단계로 계속한다.

- 제106단계(서브루틴)는 현재의 "소음" 상태가 T-아크 보다 긴지의 여부를 체크한다. 만약 그렇다면, 의심나는 상태의 징조이며, 이 상태는 아크 상태라고 간주된다. 이때 절차는 제108단계로 계속된다.

- 제107단계(서브루틴)는 누전 이벤트들의 수를 축적하는 례지스터 "A"에 누전 이벤트를 1개 더 추가한다.

- 제108단계(서브루틴)는 현 아크 상태의 지속시간(초)에 수적으로 동일한 등가 아크 이벤트들의 현재 수를 레지스터 "B"에 추가한다.

- 제109단계(서브루틴)는 레지스터 "A"에 축적된 누전 이벤트들과 레지스터 "B"에 축적된 아크 이벤트들의 총합계가 N-경보를 초과 하는지의 여부를 체크한다. 만약 초과 하지 않는다면, 아무런 조치도 취하지 않는다.

- 제110단계에서는 경보를 발령하거나 또는 동시에 전류차단기를 작동시킨다.

제5도는 마찬가지로 본 발명의 제2실시예에 따라 각종 아크 발생원들을 식별하기 위한 절차를 간략한 형식으로 예시한 것이다. 이 절차는 제109단계로부터 시작하는 최종부분을 제외하고는 본질적으로 제1실시예의 절차와 동일하다. 따라서 제109단계까지의 절차에 관한 설명은 중복을 피하기 위하여 생략한다. 즉, 상이한 단계들은 다음과 같다.

- 제109단계(서브루틴)는 레지스터 "B"에 축적된 아크 이벤트들이 N-경고를 초과 하는지를 체크하며,

- 제110단계에서 경고신호가 발령되고,

- 제111단계(서브루틴)는 레지스터 "B"에 축적된 아크 이벤트들이 N-경보를 초과하는지의 여부를 체크하며,

- 제112단계에서 경보를 발령하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시킨다.

D.C.회로의 아크 검출절차:

DC 회로에 있어 아크 검출절차는 AC 아크 검출절차와 유사하지만, 약간 더 간단하다.

전술한 바와 같이, 고주파 순간 서지들을 계수 가능한 펄스들로 변환한다. 첫 번째 단계에서, 주기적으로 반복하는 펄스들을 식별한다. 이때 반복율은 초기에 불명하며, 이 반복율을 각종 퍼스 세트들 사이의 동일한 포즈를 체크하는 알고리즘에 의하여 결정한다. 주기적 펄스들은 제외된다.

다음 단계에 있어서는, 정상적인 스위칭 동작에 기인하는 펄스들은 전술한 바와 같은 전류변화시험에 의하여 나머지 펄스들과 구별된다. 그러나 전류진폭은 단순히 순간 전류치와 동일하다. 고주파 펄스 바로 "이전" 및 "이후"의 전류들은 순간 서지의 시간범위로부터 충분히 벗어난 것으로 정의되며, 상기 시간범위는 특정한 응용에 따라 다르다. 그다음 정상적인 스위칭 동작에 기인하는 펄스들은 제외된다. 다른 한편으로는, 동일한 전류를 갖는 2개의 정숙상태들 사이에 나타난 소음상태는 누전 이벤트로서 간주되어 고려된다.

다음 단계에 있어서는, 긴 고주파 펄스열들이 식별되고, AC의 경우에 관하여 전술한 바와 같이 등가 아크 이벤트들의 수가 결정된다.

경보, 경고 및 리셋 기준들은 AC의 경우와 마찬가지로 원칙적으로 동일하다.

정류자가 있는 전기기계들의 "환경" 안에서 검출기의 적절한 기능 작용을 가능케 하기 위해서는 상기 전기기계들을 고주파 소음을 여과하기 위한 장치를 해야 한다. 이 조건은 DC회로뿐만 아니라 AC회로에도 적용된다.

A.C. 검출기 설명

AC 회로에서 결함을 검출하기 위하여 설계된 바와 같은 검출기 개념의 바람직한 실시예가 제2도에 블록선도 형식으로 설명되어 있다.

고역 센서(1)는 고주파신호(>100 kHz)의 검출 및 전송을 위한 것이다. 상기 센서는 부하선로 또는 전기회로의 전체구간의 입구에 위치한다. 전력선로에서의 고주파 전류변화는 센서 내에 고주파신호를 유발시켜, 이 고주파신호는 고역필터(2)를 통하여 고역 펄스 쉐이퍼(pulse shaper)(3)로 지향시킨다.

상기 고역 펄스 쉐이퍼(3)는 설정전압 레벨을 초과하는 신호를 동일한 높이의 직사각형파 펄스로 변환하여, 정지폭 판별기(4)로 인도한다.

상기 정지폭 판별기(4)는 감쇠기들과 기타 위상제어장치들의 존재여부를 첵크한다. 즉, 상기 정지폭 판별기(4)는 연속 펄스들 사이의 포즈들을 측정한 다음, 50 Hz 전력 시스템에서 예를 들어 9 - 11 ms로 분리되는 펄스들을 제외시킨다. 이 펄스들은 물론 누전 이벤트로서 간주되지 않으며, 분석을 위한 고려의 대상이 아니다. 나머지 펄스들은 비정상 스위칭 판별기(5)로 이송된다.

상기 비정상 스위칭 판별기(5)는 상기 펄스들이 정상적 스위칭 동작 또는 비정상 아크 발생에 기인하는 것인지를 판단하다. 이러한 목적을 위하여, 상기 비정상 스위칭 판별기(5)는 상기 펄스 (또는 펄스열)의 '이전' 및 '이후'의 평균전류를 계산한다.

만약 '이전' 및 '이후'의 평균전류가 적어도 I-최소(이때 I-최소는 예를 들어 0.1A를 선택하였음) 만큼 다른 경우에는, 통상 상기 펄스 또는 펄스열은 정상적 스위칭 동작에 의하여 발생된 것을 의미하며, 따라서 이 이벤트는 누전 이벤트로서 계산에 넣지 않는다. 만약 평균전류가 I-최소 보다 작게 다를 경우에는 펄스 또는 펄스열은 통상 정상적 스위칭 동작으로부터 초래되지 않은 것을 의미하며, 따라서 누전 이벤트로서 계산된다.

상기 비정상 스위칭 판별기(5)는 또한 긴 펄스열을 분석한다. 즉, 상기 비정상 스위칭 판별기(5)는 소음 간격의 길이 및 등가 누전 이벤트들의 대응수를 결정하여 합계수를 유지한다.

만약 축적된 누전 이벤트들과 축적된 아크 이벤트들의 합계가 설정된 수 N-경보에 도달(예: 1/2일 주기 당 100)하면, 비정상 스위칭 판별기(5)가 경보를 발하거나, 또는 동시에 선로 차단기에 신호를 보내서 부하를 차단한다. 또한 소음 간격이 T-긴 아크(예: 15초) 보다 긴 상태에 있어서는 즉각 경보가 발령되거나, 또는 전류차단기가 작동된다.

본 발명의 제2실시예에 있어서, 본 발명 장치는 다음의 2가지 옵션에 따라 응답한다. 즉,

1) 소극적 옵션(mild option): 축적된 누전 이벤트 수가 N-경고를 초과할 때 마다 경고신호가 발령되며,

2) 적극적 옵션(vigorous option): 축적된 아크 이벤트 수가 N-경보를 초과할 때 마다 경보가 동작하고, 또는 동시에 전류가 차단된다.

평균전류를 계산하기 위하여, 상기 비정상 스위칭 판별기(5)는 순간 전류 값을 수신하여야 한다. 여기서 저역센서(10), 저역 필터(9), 능동전파정류기(8) 반파 증폭기(6) 및 저역 펄스 쉐이퍼(7)들이 이와 같은 임무를 수행한다.

상기 저역 센서(10)는 50 또는 60 Hz의 변화를 검출하여, 이와 상응하는 신호를 발생시킨다. 이 신호들은 저역 필터(9)를 통과하여 능동전파정류기(8)로 전송된다.

상기 저역 펄스 쉐이퍼(7)는 반파 증폭기(6)의 출력파와 동일한 지속시간과 위상을 갖는 직4각형파 펄스를 형성한다. 상기 펄스들의 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 에지(edges)들은 영전류점의 결정을 가능케하고, 이것을 기초로 하여 일정한 사이클 수에 걸쳐 평균전류의 정확한 값의 계산을 가능케 한다.

평균전류의 계산은 비정상 스위칭 판 별기(5)에 의하여 예를 들어 매 일일 사이클, 예를 들어 25 사이클 동안 마다 200개의 측정치를 기초로 하여 수행된다.

스위치 리셋(reset)은 디코더(decoder)의 초기화를 위한 것이다. 리셋동작은 일일1회 또는 규정한 대로 매 수 시간마다 자동적으로 이루어진다.

제3도는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크누전 검출기를 예시하고 있다.

상기 고역 센서(1)와 저역 센서(10)들은 권선(coils)들로서, 이 코일들은 부하선로를 둘러싼 2개의 코어에 감겨있다. 하나는 고주파 전자파를 감지하고, 다른 하나는 저주파를 감지하는데 사용된다. 따라서 이들의 코어 재료가 상이하다.

상기 고역 필터(2)는 제6도의 표에 열거된 값들을 갖는 콘덴서(C1) 및 저항(R1, R2)들로 이루어져 있다.

상기 고역 펄스 셰이퍼(3)는 매우 높은 정귀환계수를 갖는 연산증폭기(U1A)를 가지고 있다.

저역 필터(9)는 음귀환을 갖는 연산증폭기(U4A)를 포함한다.

상기 능동 전파정류기(8)는 1개의 연산증폭기(U4B) 및 2개의 지너다이오드(Zener diode)(D5, D6)들을 포함한다.

상기 반파증폭기(6)는 하나의 부귀환을 갖는 하나의 연산증폭기(U4C)를 포함한다.

상기 저역 펄스 쉐이퍼(7)는 하나의 연산증폭기(U4D)를 포함하며, 반파비교기로서 작용한다.

상기 선로차단기(11)는 전기회로의 전류차단기이다.

상기 정지폭 판별기(4) 및 비정상 스위칭 판별기(5)는 예를 들어 2개의PICI6cXXX형 마이크로 제어기에 의하여 실현된다.

제3도에 도시된 회로의 구성부품들의 적용 가능한 값들의 예는 제6도에 열거되어 있다.

상기 검출기 자체는 중앙 배전반에 장착하는 것이 바람직하다. 상기 검출기의 2개 센서들은 검출기에 의하여 체크되고 보호될 특별한 전기 분기선로에 연결된다. 회로망의 모든 분기회로에 대한 전반적 보호는 각각 다른 분기회로에 연결된 몇 쌍의 센서들을 갖고 있는 수개의 검출기들을 사용하거나 또는 어느 정도 범용화된 검출기에 의하여 달성된다. 그러한 경우에는, 모든 센서들이 제2도에 도시한 바와 같은 동일한 구조를 갖는 동일한 검출기에 신호를 공급한다. 신호 처리기 들은 각 쌍의 센서로부터의 신호들을 따로따로 분석하여, 고장 분기회로가 식별될 수 있다.

D.C. 검출기 설명

DC 검출기의 기초는 AC 검출기와 유사한 것으로서, 고주파 순간 서지들을 감지하여, 이 순간 서지들을 계수 가능한 펄스들로 변환하며, 상기 고주파 펄스들의 시간적 특성을 분서하여 전류변화시험을 실시하는 것이다. DC의 경우에는 전류진폭을 다르게 결정하므로, 후술하는 바와 같이 검출기의 구조변경이 필요하다:

소형 저항기를 DC전원과 함께 직렬로 연결한다. 상기 저항기에 나타나는 전압을 연산증폭기의 입력부에 연결한다. 상기 연산증폭기로부터 회로 내의 전류와 관련된 출력을 마이크로프로세서에 연결한다. 이렇게 하면 전류변화시험을 가능케 한다.

상기 소형 저항기와 연산증폭기는 제3도에서 반파 증폭기(6), 저역 펄스 쉐이퍼(7), 능동전파정류기(8), 저역 필터(9), 저역 센서(10)를 포함하는 전체 저주파 채널을 대체한다.

DC의 경우에는 1개의 마이크로프로세서로서 전체적인 분석에 충분하다. 측정 저항기 및 기타 검출기 구성부품들의 값들은 특정형태의 작업프레임에 따라 다르다.

본 발명을 설명하기 위하여, 몇 가지의 선호하는 수치를 가정한다. 특히 다음의 값들을 가정한다.

1) 정숙상태의 정의에 있어서 T-정숙을 위하여 0.5초를 가정한다. 그러나 T-정숙은 0.1 내지 1.0초 범위로 할 수 있다.

2) 아크 상태의 정의에 있어서 T-아크를 위하여 2초를 가정한다. T-아크는 0.7 내지 3초의 범위로 할 수 있다.

3) 즉각적인 경보신호를 발령하기 위하여 T-긴 아크에 15초를 가정한다. T-긴 아크는 요구되는 감도에 따라 4 내지 50초의 범위로 할 수 있다.

4) 고주파 이벤트 이후에 수행되는 전류변화시험의 지속기간으로서 T-비교에 1초를 가정한다. 이 T-비교는 0.5 내지 2.0초의 범위로 할 수 있다.

5) 평균전류를 결정할 사이클 수로서 N-사이클에 25사이클을 가정한다. N-사이클은 5 내지 50 사이클의 범위로 할 수 있다.

6) 전류가 스위칭 동작에 의하여 변화된 것을 결론을 내리기 위한 한계치가 되는 I-최소를 위하여 0.1A를 가정한다. I-최소의 값은 회로 내의 최대전류에 따라 결정된다. 통상, I-최소는 최대전류의 약 0.1% 내지 0.5% 범위로 할 수 있다.

7) 경보신호를 위한 누전 이벤트의 한계 수인 N-경보는 매6시간 마다 100 이벤트로 가정하였다. 그러나 요구되는 감도 및 전기적 환경에 따라 6시간 당 20 내지 500 이벤트의 범위로 할 수 있다.

8) 제2실시예(제5도에 따라 동작하는)를 위한 N-경고는 6시간 당 100 이벤트로 취하였다. 이 값은 6시간 당 10 내지 1000 이벤트의 범위로 할 수 있다.

9) 제6도에 열거된 바와 같이 제3도의 바람직한 전자회로의 모든 파라미터들은 단지 바람직한 값으로서, 보호된 전기적 시스템과 요구되는 감도 등에 따라 본 발명의 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경될 수 있다.

참고사항:

a)50 Hz:본 명세서에서 몇몇 숫자는 50 Hz의 선주파수를 언급하고 있다. 그러나 다른 선주파수, 즉, 60 Hz 등으로 쉽게 조절할 수도 있다.

b) 감쇠기: 본 발명의 방법은 감쇠기들로부터 기인하는 순간 서지들을 이들 사이의 포즈(pauses)들에 의하여 식별한다. 대안으로서, 사이클 상의 고정위상에 나타나는 현상에 의하여 식별될 수도 있다.

c) 상기 전류변화시험은 고주파 이벤트 '이전'과 '이후'의 전류진폭들을 비교한다. 다른 회로 파라미터들이 고주파 이벤트 '이전'과 '이후'에 비교되는 다른 유사한 시험이 계획될 수도 있다. 예를 들어 소형 저항기의 전압강하는 누전 이벤트와, 정상적인 스위치 작동에 기인하는 이벤트 사이를 구별하는데 도움을 줄 수 있는 유사한 정보를 제공한다.

본 발명의 실시예들을 첨부도면을 이용하여 설명하였지만, 본 발명은 특허청구범위의 정신과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지로 수정하고, 변형하며, 개작할 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (15)

1. 전력공급 시스템의 고장검출 방법에 있어서,

   a. 전력공급선에서 고주파 순간 서지의 존재를 계속 체크하는 단계,

   b. 진폭이 설정된 레벨을 초과하는 순간 서지를 검출하여 펄스열로 변환하는 단계,

   c. 펄스들 사이의 시간간격을 분석하여 감쇠기들에 의한 펄스들을 식별하여 무시 하는 단계,

   d. 상기 펄스열에서 지속시간이 상기 T-아크 기간 보다 짧은 상태의 단소음 구조를 식별하는 단계,

   e. 상기 상태들의 이전 및 이후에 전류진폭이 서로 상이한 단소음 상태들을 판별하여, 정상적인 스위칭 동작에 의한 것으로 간주되는 상태들을 무시하는 단계,

   f. 나머지 각각의 단소음 상태를 누전 이벤트로서 간주하여, 이 이벤트들을 제1레지스터에 축적하는 단계,

   g. 상기 펄스열에서 지속시간이 T-아크 기간 보다 긴 상태의 장소음 상태들을 각각 따로따로 식별하는 단계,

   h. 다수의 아크 이벤트들을 각각의 지속시간에 비례하는 각 장소음 상태에 속하는 것으로 간주하여 이벤트수들을 제2레지스터에 축적하는 단계,

   i. 상기 제1 및 제2 레지스터의 값들을 합하고, 만약 합계가 미리 정한 기간 내에 설정치 N-경보를 초과하면 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시키는 단계들을 포함하는 전력공급 시스템의 조기 고장검출 방법.
2. 제1항에 있어서,

   N-경보가 요구되는 검출감도와 전기적 환경에 따라 미리 정의되는 조기 고장검출 방법.
3. 제1항에 있어서,

   감쇠기들로부터 기인되는 펄스들의 식별을 위하여:

   a. 전사이클 또는 반사이클과 일치하는 2개의 연속 펄스들 사이의 시간간격을 검출하므로 써 하나의 감쇠기에서 기인된 펄스들을 판정하는 단계와,

   b. 하나의 펄스와, 그 이후에 전 또는 반 사이클과 동일한 n 펄스들 사이의 시간 간격을 검출하므로 써 n 감쇠기들에 기인하는 펄스들을 판정하는 단계들을 포함하는 조기 고장검출 방법.
4. 제1항에 있어서,

   유효 스위칭에 기인하는 펄스들의 식별은 전력선로에서 설정치 I-최소를 초과하는 전류진폭의 후속하는 변화를 결정하므로 써 수행되는 조기 고장검출 방법.
5. 제1항에 있어서,

   하나의 펄스열은 상태를 구성하는 임의의 2개 연속 펄스들이 T-정숙의 지속시간 보다 짧은 지속시간에 의하여 분리되어 있는 경우에 소음상태로서 정의되는 조기 고장검출 방법.
6. 제4항에 있어서,

   전류에 있어서 후속하는 변화의 판단은 다음의 4가지 인식, 즉,

   i. 스파크 방전이 지난 다음, 또한 짧은 아크가 끝난 다음에는 전류가 이전의 값으로 복귀할 확률이 매우 높다는 인식과,

   ii. 이 복귀가 이루어질 때까지의 기간은 무작위적이며, 동시에 1초 보다 훨씬 짧아질 수 있다는 인식과,

   iii. 매일의 일상적인 회로에서 2개의 정상적 스위칭 동작들 사이의 포즈(pause)에 대한 통계적기대치는 1초보다 크다는 인식과,

   iv. 스위치를 온 또는 오프 하면 전류가 뚜렷하게 변화하지만, 한편 완전히 반대로서, 누전 이벤트 다음에는 전류가 때로는 변화하고, 때로는 변치 않고 그대로 남아 있다는 인식에 기초를 두고 있는 조기 고장검출 방법.
7. 제1항에 있어서,

   T-긴 아크의 미리 설정된 기간을 초과하는 펄스열을 검출하면 경보를 발령하거나, 또는 경보발령과 동시에 전류를 차단하는 단계를 더 포함하는 조기 고장검출 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 T-긴 아크는 3초 내지 50초 까지의 범위로 되어있는 조기 고장검출 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 T-아크는 0.7초 내지 3초 사이의 범위로 되어있는 조기 고장검출 방법.
10. 제5항에 있어서,

    상기 T-정숙은 0.1초 내지 1.0초 사이의 범위로 되어있는 조기 고장검출 방법.
11. 전력공급 시스템에 있어서,

    a. 전기선로 상의 고주파 순간 서지를 감지하는 장치와,

    b. 고주파 순간 서지(short surges)들을 펄스열로 변환시키는 장치와,

    c. 펄스들을 분석하여, 감쇠기들로부터 발생된 것으로 판명된 펄스들과, 유효 스위칭에 기인되는 펄스들을, 만약 존재한다면, 제외시키는 장치와,

    d. 나머지 펄스열을 분석하여 그 펄스들의 지속시간에 따라 일련의 아크 이벤트들 또는 누전 이벤트를 판별하는 장치와,

    e. 누전 이벤트들과 아크 이벤트들을 계수하는 장치, 및

    f. 검출된 누전 이벤트들과 아크 이벤트들의 합계가 N-경보의 미리 설정된 수를 초과할 때 경보를 발하는 장치들로 구성되는 전기공급 시스템의 고장검출장치.
12. 제11항에 있어서,

    유효 스위칭 동작을 판별하기 위한 상기 장치는 전력선에서 고주파 순간 서지에 뒤이어 나타나는 전류변화를 검출하기 위한 전류측정장치를 포함하는 전기공급 시스템의 고장검출장치.
13. 제11항에 있어서,

    전기기술자가 사용하기 위하여

    a. 상기 장치의 각종 데이터를 표시하기 위한 하나의 디스플레이와,

    b. 상기 장치의 운전을 설정하기 위하여 미리 설정한 값들과

    변수들을 입력하기 위한 키보드를 더 포함하는 전기공급 시스템의 고장검출장치.
14. 제1항에 있어서,

    상기 합계 단계는

    a. 만약 아크 이벤트들의 축적된 수가 미리 설정한 기간 내에 설정치 N-경보를 초과하면, 경보를 발하거나 또는 동시에 전류차단기를 동작시키는 단계와,

    b. 만약 누전 이벤트들의 축적수가 미리 설정한 기간 내에 설정치 N-경고를 초과 하면 경고신호를 동작시키는 단계로 이루어지는 전력공급 시스템의 조기 고장검출 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 N-경보 및 N-경고는 요구되는 검출감도 및 전기적 환경에 따라 각각 별도로 정의되는 전력공급 시스템의 조기 고장검출 방법.