KR20040061475A - Ｃｏｂ－ｉｃ를 이용한 아크차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누전, 과부하등 전기적 결함에 따른 화재나 인명 및 재산을 보호하는 통합차단기의 기능을 수행하도록 함은 물론 회로를 COB화하여 신뢰성을 증진하며 COB화에 따른 비용절감 및 생산공정 단순화하고 소형으로 일반 가정에서 설치가 간편한 통합차단기의 구현이 가능하도록 한 COB-IC를 이용한 아크차단기에 관한 것이다.

본 발명은 가정에 공급되는 전원 차단시스템에서 누전성, 과부하, 단락, 아크성 신호를 검출하여 전원회로를 차단시키는 기능을 통합한 통합 차단기 회로를 제공하도록 한다.

그리고 누전에 관련된 결함, 과부하에 관련된 결함, 단락성 결함, 아크성 결함에 따른 인명 및 화재와 시스템 보호용 차단 시스템 회로로 교류 전원이 공급되는 선로의 상 전원선과 접지 전원선 사이의 교류 주파수 성분에 포함된 신호를 검출하여, 누전, 과부하, 단락, 아크성 신호의 판별 유 무에 따라 차단기를 트립하도록 한다.

누전, 과부하, 단락, 아크 신호의 검출회로 구현과, 구현된 검출회로를 코브화하여 적용된 통합형 차단기를 구현하고자 함을 특징으로 한다.

Description

ＣＯＢ－ＩＣ를 이용한 아크차단기{AFCI using COB-IC}

본 발명은 효율적이며 신뢰성이 높고, 정확한 아크성 패턴을 검출하는 회로를 COB IC화한 COB-IC를 이용한 아크차단기에 관한 것으로, 상세하게는 누전, 과부하등 전기적 결함에 따른 화재나 인명 및 재산을 보호하는 통합차단기의 기능을 수행하도록 함은 물론 회로를 COB화하여 신뢰성을 증진하며 COB화에 따른 비용절감 및 생산공정 단순화하고 소형으로 일반 가정에서 설치가 간편한 통합차단기의 구현이 가능하도록 한 COB-IC를 이용한 아크차단기에 관한 것이다.

일반적으로 현재 세계적으로 전기의 누전이나 시스템에 흐르는 과전류로부터 인명이나 화재 및 시스템의 보호를 위하여 누전차단기와 과부하 계전기를 일반적으로 만이 사용하고 있음은 이미 잘 알려진 사실이다.

그리고 이러한 보호장치는 과전압이나 누전으로 인하여 회로에 흐르는 과도한 전류를 검출하여 인명이나 화재 및 시스템을 보호하는 장치로 대부분의 가정이나 공장, 사무실등 사용용도 및 주변환경에 따라 다양하게 사용되고 있다.

이렇게 사용되는 누전차단기와 과부하 계전기는 모두 입력 정격전압의 범위에서 벗어날 때 검출하여 전기 회로를 차단시키거나, 입력범위에서는 일반 누전차단기와 과부하 계전기로 감지할 수 없거나, 극히 제한적으로 검출하여 인명이나 화재 및 시스템을 보호하고 있다.

따라서 입력정격 범위 내, 외에서 전기회로의 이상유무를 감지, 보호할 필요가 있으며, 특히 일반적인 차단기로 검출이 불가능하고 화재 위험이 큰 아크성 신호를 검출하여 화재로부터 인명을 보호하고 누전 및 과전류를 검출하여 화재로부터 인명이나 시스템 및 재산을 보호하는 범용성 차단 회로를 개발하고 소형, 경량화가 가능하고 특성이 우수한 COB IC를 개발, 적용할 필요성이 있게 된다.

현재 감전에 관련된 접지 결합 보호용 차단기, 과부하 결합 차단기 등은 산업화의 공장이나 일반가정에 많이 보급 사용중이며 관련기술 또한 최고의 기술수준으로 볼 수 있다.

그러나 이와 같은 보호용 차단기는 전원공급 선로의 절연상태, 과전류 또는 과전압에 다른 전선의 기계적, 전기적인 변형, 전선의 노화, 접속상태의 결함 및 작업중의 손상 등 광범위한 원인으로 아크가 발생하여 인명이나 시스템을 손상하게 하고 화재의 위험을 항상 내포하고 있으므로 이러한 아크성에 관련하여 신호를 검출 차단하는 보호시스템이 필연적이다.

상기와 같은 원인으로 인한 아크발생의 일반적인 유형은 직렬아크, 병렬아크, 접지아크로 분류 할 수 있다.

첫째로 직렬아크는 도 1에 도시한 바와 같이, 공급되는 전원선로의 전선이 아크발생의 원인에 따라 부하에 직렬로 연결된 도선에서 아크가 발생하는 현상이며, 부하에 따라 아크성 전류도 변화한다.

둘째로 병렬 아크는 도 2에 도시한 바와 같이 전원선로의 두 전선에서 아크가 발생하는 현상이며 아크성의 크기에 따라 아크저항이 변화하므로 두 선로사이에저항값도 변화한다.

셋째로 접지 아크는 도 3에 도시한 바와 같이 전원선로의 두 전선과 접지사이에서 아크가 발생하는 현상이며, 아크성의 크기의 따라 아크저항이 변하므로 두 선로 사이의 저항값도 변화한다.

상기의 3가지 유형에 따라 아크성 신호를 검출하기 위하여 아크 패턴이 필요하게 되고, 이 아크 패턴에 따라 차단하는 차단회로가 필요하다.

이와 같은 아크패턴은 생활주변에서 일반적으로 많이 전원라인에 유기되며 전기 제품을 사용하는 경우에도 초기에는 아크성 패턴이 발생할 수 있다.

조광기에서 발생하는 아크 패턴과 같이 유사한 아크 패턴으로부터 아크성 패턴을 판별하는데는 많은 어려움이 있지만 이와 같은 어려움을 해결하기 위하여 종래의 아크결함 검출기는 복수의 주파수 대역에 걸쳐서 아크를 검출하고 모든 대역에서 아크가 발생하는 경우 아크발생으로 판단하여 차단기를 구동시키는 아크차단기(US 5,805,397)와, 아크 패턴을 메모리에 저장하고 프로세스에서 검출된 신호를 판별하여 처리하는 아크차단기(US 6,212,049)가 있으며, 복수 대역에서의 아크검출과는 달리 간단하게 단일 선로 상에서 아크성 패턴이 검출되면 차단되는 아크차단기(US 5,963,406)들이 출원되었으며 다음의 도 4 내지 도 6에 도시하였다.

종래의 아크차단기는 도 4 내지 도 6에서 도면상의 부호 211, 217, 234, 225 및 28, 30, 40과 182, 198은 누전 및 접지결함과 아크성 결합을 검출하는 구성이며, 도 4와 도 5에서 라인에 유기되는 신호패턴이 아크패턴의 유형과 유사하면 오동작의 범위가 크며, 도 6은 도면상의 부호 188, 200의 신호검출로부터 아크 패턴을 검출하지만 188, 200의 내부회로가 각각 독립적으로 필요하므로 차단기의 특성상 부피가 커지며 차단기의 내부에 장착하였을 때의 신뢰성이 제기된다.

따라서 아크패턴과 유사한 유형의 패턴을 판독 구별하고 정확한 아크성 패턴 검출과 신뢰성을 위하여 소형이며 경량화가 가능하여야 한다.

기존의 아크차단기는 도 4 내지 도 6에서 도면상의 부호 211, 217, 234, 225(도 4), 28, 30, 40(도 5) 및 182, 198(도 6)은 누전 및 접지결함과 아크성 결합을 검출하는 회로로 일반 GFCI에 간단한 회로가 추가된 것이며, 도 4와 도 5에서 라인에 유기되는 신호패턴이 아크패턴의 유형과 유사하면 오동작의 범위가 크고, 도 6의 도면상 부호 188, 200의 신호 검출로부터 아크 패턴을 검출하지만 도면상 부호 188, 200의 내부회로가 각각 독립적으로 필요하므로 차단기의 특성상(소형, 경량, 신뢰성) 부피가 커지며 차단기의 내부에 장착하였을 때의 신뢰성 문제가 야기된다. 또한 기존 아크차단기의 특성을 크게 개선되었다고 볼 수 없으며, 상기의 도면상 부호(22. 24. 25. 28. 106)(도 5), (211, 213, 233, 234, 217, 229, 238)(도 4)과 같이 독립적으로 영상변류기 및 전류변환기를 사용하여 부피, 공간면적, 제조 등에 관련하여 많은 어려움을 내포하고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하며, 신뢰성을 높일 수 있는 아크차단회로가 필요하게 되었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 효율적이며 신뢰성이 높고, 정확한 아크성 패턴을 검출하는 회로를 COB IC화한 아크차단기에 관한 것으로서, 누전, 과부하등 전기적 결함에 따른 화재나인명 및 재산을 보호하는 통합차단기의 기능을 수행하도록 함은 물론 회로를 COB화하여 신뢰성을 증진하며 COB화에 따른 비용절감 및 생산공정 단순화하고 소형으로 일반 가정에서 설치가 간편한 통합차단기의 구현이 가능하도록 한 COB-IC를 이용한 아크차단기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 COB-IC를 이용한 아크차단기는 효율적이며 신뢰서이 높고, 정확한 아크성 패턴을 검출하는 회로를 COB IC화한 아크차단기를 개발하며, 누전, 과부하 등 전기적 결함에 따른 화재나 인명 및 재산을 보호하는 통합차단기를 구현하도록 한다.

또한 회로를 COB화하여 신뢰성을 증진하며 COB화에 따른 비용절감 및 생산공정 단순화하고 소형으로 일반 가정에서 설치가 간편한 통합차단기를 구현하도록 한다.

이러한 통합차단기를 구현하고자 하면 우선 광범위한 대역에서 직선성이 우수한 특성을 갖는 CT 및 ZCT가 필요하며, 이와 같은 특성에 다른 아크패턴을 인식할 수 있는 회로를 개발하여야 한다.

도 1은 종래의 직렬 아크에 의해 아크가 발생하는 상태를 나타낸 개략도.

도 2는 종래의 병렬 아크에 의해 아크가 발생하는 상태를 나타낸 개략도.

도 3은 종래의 접지 아크에 의해 아크가 발생하는 상태를 나타낸 개략도.

도 4 내지 도 6은 종래 아크차단기의 구성을 나타낸 블록도.

도 7은 본 발명의 전체적인 구성을 나타낸 블록도.

도 8은 본 발명 접지결함 검출부의 상세한 구성을 도시한 블록도.

도 9은 본 발명 아크결함 검출부의 상세한 구성을 도시한 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 트립부 2 : 접지결함 검출부

3 : 아크결함 검출부 4 : 전원부

11 : 전류검출부 12 : 영상변류 검출신호 증폭기

12 : 지연부 14, 23 : 기준전압 발생부

15 : 실효전류 변환기 16 : 접지결함검출 신호출력부

21 : 아크 검출부 22 : 필터부

24, 26 : 비교부 25 : 증폭부

27 : 레벨 한정부 28 : 트립레벨 조정부

29 : 트립신호 발생부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 COB-IC를 이용한 아크차단기는

도 7의 제어 블록도에 도시한 바와 같이, 트립부(1), 접지결함 검출부(GFCI)(2), 아크결함 검출부(AFCI)(3) 및 전원부(4)들로 구성되어 있다.

상기의 트립부(1)는 다음과 같은 상황에 따라 전원 라인의 투입을 차단한다.

1, 접지결함 검출부(GFCI)(2)의 트립신호가 출력되는 경우는 영상변류기의 검출신호가 10∼30[mA]인 경우에 전원 라인의 투입을 차단하고,

(상기 영상변류기의 검출신호가 10[mA] 이하인 경우는 접지결합 검출인 경우로 분석처리하며, 영상변류기의 검출신호가 30[mA] 이하인 경우는 누전차단기 영역으로 분석처리하도록 입력저항으로 조정한다.

2, 아크결함 검출부(AFCI)(3)의 트립신호가 출력될 때에는 전원 라인의 투입을 차단하고,

3, 테스트용 트립신호가 출력될 때에는 전원 라인의 투입을 차단하는 한편,

4, 단락전류에 따른 신호가 출력될 때에는 전원 라인의 투입을 차단한다.

상기의 접지결함 검출부(GFCI)(2)는 도 8에 도시한 것과 같이, 전류검출부(ZCT)(11), 영상변류 검출신호 증폭기(12), 지연부(13), 기준전압 발생부(14), 실효전류 변환기(15) 및 접지결함검출 신호출력부(16)로 구성되며, 접지결함 검출에 따른 기준전압 공급부(17)가 있다.

상기의 접지 결합 검출부(2)는 전류검출부(ZCT)(11)에서 노이즈가 제거된 신호에서 평형 전류의 차(10[mA]이하의 전류)가 검출되면, COB CI의 영상변류 검출신호 증폭기(12)에 입력되며 이 미약한 신호를 증폭한 후 지연부(13)를 경유하도록 하여 증폭되고 지연된 신호와 기준전압 발생부(14)로부터의 기준 전압과 실효전류 변환기(15)에서 비교하여 접지결함신호로 검출되면 접지결함검출 신호출력부(16)를 통하여 사이리스터(SCR1)를 제어하면서 트립시키도록 한다.

상기의 아크결함 검출부(3)는 도 9에 도시한 바와 같이, 아크 검출부(CT)(21)와, 필터부(22), 기준전압 발생부(23), 비교부(24)의 노이즈제거용 필터회로와 증폭부(25), 비교부(26), 유사한 아크성으로부터 오동작을 방지하기 위한 레벨한정부(27), 트립레벨 조정부(28), 트립신호 발생부(29)의 트립레벨 조정 및 출력회로들로 구성되어 있다.

상기 아크결합 검출부(3)의 동작원리를 살펴보면,

전원라인의 아크 검출부(CT)(21)에서 광대역의 신호원이 검출되면, 이 신호원은 노이즈제거용 필터회로의 필터부(22)를 거치는 중에 그 레벨을 증폭하면서 비교부(24)에 입력하여 비교부(24)에서 기준전압 발생부(23)로부터의 아크패턴 설정의 기준전압과 아크성 신호를 비교한 후 아크성 신호로 인식하면 다음의 트립레벨 조정 및 출력회로로 출력한다.

상기의 트립레벨 조정 및 출력회로에서는 증폭부(25)에서 증폭하고 비교부(26)로 전달하여 다음 신호와 현재의 신호를 비교한 다음, 유사한 아크성으로부터 오동작을 방지하기 위한 트립레벨 조정부(28)로 전달하여 레벨 한정부(27)를 경유하여 전달되는 신호들을 적산한 후 트립신호 발생부(29)로 출력하여 트립 레벨보다 큰 신호가 검출되면 아크성 신호로 판단하여 트립신호로 출력하도록 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 COB-IC를 이용한 아크차단기에 의하여서는 본 연구에서는 효율적이며 신뢰성이 높고, 정확한 아크성 패턴을 검출하는 회로를 구현하였으며, 구현한 회로를 COB IC화하여 아크차단기에 적용하여 누전, 과부하등 전기적 결함에 다른 화재나 인명 및 재산을 보호하는 통합 차단회로를 개발하였으며, 또한 COB화에 따른 비용절감 및 생산공정 단순화, 제품의 소형가 가능하다.

아크성결함, 순시단락에 단일 CT를 사용하였으며, 직선성이 우수한 ZCT, CT의 개발 요건을 습득하였으며, 결함에 따르 트립기능을 수행하는 트립코일의 개발 기술을 확보하였으며 ZCT, CT의 검출신호 증폭단의 입력저항 변경으로 120[V], 220[V]사용 지역과 부하전류에 다른 차단레벨을 자유롭게 조정 생산할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

1. 트립부(1), 접지결함 검출부(GFCI)(2), 아크결함 검출부(AFCI)(3) 및 전원부(4)들로 구성하여

   영상변류기의 검출신호가 10∼30[mA] 이어 접지결함 검출부(GFCI)(2)로부터 트립신호가 출력되거나, 아크결함 검출부(AFCI)(3)에서 트립신호가 출력되거나, 테스트용 트립신호가 출력될 때에는 상기의 트립부(1)에서 전원 라인의 투입을 차단하도록 구성한 것을 특징으로 하는 COB-IC를 이용한 아크차단기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기의 접지 결합 검출부(2)는 전류검출부(ZCT)(11)에서 노이즈가 제거된 신호에서 평형 전류의 차(10[mA]이하의 전류)가 검출되면 COB CI의 영상변류 검출신호 증폭기(12)에 입력되며 이 미약한 신호를 증폭한 후 지연부(13)를 경유하도록 하여 증폭되고 지연된 신호와 기준전압 발생부(14)로부터의 기준 전압과 실효전류 변환기(15)에서 비교하여 접지결함신호로 검출되면 접지결함검출 신호출력부(16)를 통하여 사이리스터(SCR1)를 제어하면서 트립시키도록 한 COB-IC를 이용한 아크차단기.
3. 제 1 항에 있어서,

   전원라인의 CT(21)에서 광대역의 신호원이 검출되면 이 신호원은 노이즈제거용 필터회로의 필터부(22)를 거치는 중에 그 레벨을 증폭하고,

   비교부(24)에서 기준전압 발생부(23)로부터의 아크패턴 설정의 기준전압과 아크성 신호를 비교하여 아크성 신호로 인식하도록 하고,

   상기 비교부(24)로부터의 신호는 트립레벨 조정 및 출력회로의 증폭부(25)에서 증폭되고,

   비교부(26)에서 다음 신호와 현재의 신호를 비교하고,

   트립레벨 조정부(28)에서 레벨 한정부(27)를 경유하여 전달되는 신호들을 적산하여 유사한 아크성으로부터 오동작을 방지하도록 하고,

   트립신호 발생부(29)에서 트립 레벨보다 큰 신호가 검출되면 아크성 신호로 판단하여 트립신호로 출력하도록 한 COB-IC를 이용한 아크차단기.