KR20090065675A - 아크 전류 차단장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류를 검출하여 이를 차단하는 아크 전류 차단장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치는 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하여 도선에 열이 발생하고, 도선 저항이 불규칙하게 낮아지면, 부하(10)로 입력되는 전류가 아크 전류라고 판단하고, 부하(10)로 아크 전류가 입력되는 것을 차단함으로써 아크 전류에 의한 화재를 예방할 수 있다.
아크, 검출, 차단기, 전류, 전압

Description

아크 전류 차단장치 및 그 방법{A cutoff apparatus for arc-current and method thereof}
본 발명은 아크 전류 차단장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류를 검출하여 이를 차단하는 아크 전류 차단장치 및 그 방법에 관한 것이다.
아크(arc) 전류란 전기 배선 등 두 개의 전극 접촉에 의한 전압강하에 의하여 전기적으로 방전되어 수 마이크로초(㎲) 동안 발생하는 전류이다. 아크 전류는 도선과 중성단 사이에서 발생하는 병렬(parallel) 아크, 도선이 단선되거나 전기 기구에 느슨하게 연결되어 있는 경우에 다수 발생하는 직렬(serial) 아크, 및 중성단과 접지(ground)단 사이에서 발생하는 접지 아크 등이 있다. 아크 전류가 발생되면, 두 전극 사이에는
Figure 112007090908007-PAT00001
의 줄(joule)열이 발생한다. 아크 전류로 인하여 발생한 줄열은 발화점 이상의 높은 열을 발생시킴으로써 전기화재의 원인이 된다. 이러한 아크 전류는 120 ~ 250V의 저전압 및 5 ~ 150㎃의 저전류 특성이 있다.
현재 미국에서는 전체 전기화재의 40% 이상이 아크 전류에 의한 화재이다. 따라서, 미국에서는 5㎃ 차단 레벨을 가지는 아크 전류 차단장치의 사용을 의무화하고 있다. 하지만, 현재까지 국내에서는 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류를 차단하는 아크 전류 차단장치의 사용의 의무화는 물론이고, 그에 대한 연구도 전무(前無)한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류를 검출하여 이를 차단하는 아크 전류 차단장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치는 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하는 신호 처리부(25)를 포함하며, 상기 신호처리에 의하여 상기 부하(10)로 입력되는 전류 중 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류가 검출되면 아크 전류 발생 신호를 출력하는 아크 전류 검출부(20)와; 상기 아크 전류 검출부(20)로부터 상기 아크 전류 발생 신호가 입력되면 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 차단하는 전류 차단부(30)를 구비한다.
상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하여 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 도선의 온도와 도선의 저항을 계산한다.
상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 상기 도선의 온도(T)는,
Figure 112007090908007-PAT00002
k는 열전도계수이고, C는 표면농도이고, S는 단면적이고, ρ는 밀도이고, VW는 인가전압이며, ρτ는 시상수 밀도이다.
상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 상기 도선의 컨덕턴스(G)는,
Figure 112007090908007-PAT00003
Figure 112007090908007-PAT00004
여기서, G는 도선의 컨덕턴스, Q는 아크 내에 축적된 에너지, W는 입력 전력, N은 전력 손실이다.
상기 아크 전류 검출부(20)는 상기 신호 처리부(25)가 신호처리한 상기 도선의 온도가 높아지고, 상기 도선의 저항이 낮아질 때, 상기 아크 전류 발생 신호를 출력한다.
본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법은 부하(10)로 입력될 전류가 아크 전류 검출부(20)로 입력되는 단계와; 상기 아크 전류 검출부(20)는 입력된 전류를 신호 처리부(25)로 입력하는 단계와; 상기 신호 처리부(25)는 입력되는 전류를 신호처리하여 입력된 전류가 흐르는 도선의 온도, 도선 저항 및 전류를 감지하고 이를 전압파형으로 변환하는 단계와; 감지한 상기 도선 저항이 주변회로에 의해 조정되어 주어지는 기준치 이하인가를 판단하는 단계와; 감지한 상기 도선 저항이 상기 기준치 이하이면, 변환한 상기 전압파형으로 아크 전류 검출부(20)는 아크 전류 발생 신호를 출력하는 단계와; 상기 아크 전류 검출부(20)가 상기 아크 전류 발생 신호를 출력하면, 전류 차단부(30)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 차단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치는 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하여 도선에 열이 발생하고, 도선 저항이 불규칙하게 낮아지면, 부하(10)로 입력되는 전류가 아크 전류라고 판단하고, 부하(10)로 아크 전류가 입력되는 것을 차단함으로써 아크 전류에 의한 화재를 예방할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치는 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하는 신호 처리부(25)를 포함하며, 신호처리에 의하여 부하(10)로 입력되는 전류 중 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류가 검출되면 아크 전류 발생 신호를 출력하는 아크 전류 검출부(20)와, 아크 전류 검출부(20)로부터 아크 전류 발생 신호가 출력되면 부하(10)로 입력되는 전류를 차단하는 전류 차단부(30)를 구비한다.
부하(10)로 입력되는 전류는 아크 전류 검출부(20)를 거쳐서 부하(10)로 입력된다.
아크 전류 검출부(20)는 부하(10)로 입력될 전류가 입력되면, 입력된 전류를 신호 처리부(25)로 입력한다. 신호 처리부(25)는 입력된 전류를 신호처리한다.
신호 처리부(25)는 입력된 전류를 신호처리하여 입력된 전류가 흐르는 도선의 온도 및 저항을 계산한다.
수학식 1은 도선의 온도 분포 방정식이다.
Figure 112007090908007-PAT00005
여기서, k는 열전도계수이고, C는 표면농도이고, S는 단면적이고, ρ는 밀도이고, VW는 인가전압이며, ρτ는 시상수 밀도이다.
아크 전류가 흐르면, 도선에는 열이 발생한다. 한편, 아크 전류가 흐르지 않으면 도선에 발생하는 열은 무시할 수 있는 정도의 열이 발생한다.
한편, 아크 전류가 흐를 때의 도선 저항은 일정하지 않다. 따라서, 도선 저항은 전류와 전압을 이용한 미분방정식으로 아크 전류 내에 축적된 에너지를 도선 저항이라고 가정하여 아크 전류에 의한 도선 저항을 수학식 2와 같이 모델링할 수 있다.
Figure 112007090908007-PAT00006
Figure 112007090908007-PAT00007
여기서, G는 도선의 컨덕턴스, Q는 아크 내에 축적된 에너지, W는 입력 전력, N은 전력 손실이다.
아크 전류가 발생하면, 도선 저항은 불규칙하게 낮아진다. 아크 전류 검출부(20)는 신호 처리부(25)의 신호처리에 의하여 도선에 열이 발생하고, 도선 저항이 불규칙하게 낮아지면, 부하(10)로 입력되는 전류가 아크 전류라고 판단하여 아크 전류 발생 신호를 출력한다.
전류 차단부(30)는 아크 전류 검출부(20)로부터 아크 전류 발생 신호가 출력되면 부하(10)로 입력되는 전류를 차단한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치는 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하여 도선에 열이 발생하고, 도선 저항이 불규칙하게 낮아지면, 부하(10)로 입력되는 전류가 아크 전류라고 판단하고, 부하(10)로 아크 전류가 입력되는 것을 차단함으로써 아크 전류에 의한 화재를 예방할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법을 나타내는 순서도이 다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법은 부하(10)로 입력될 전류가 아크 전류 검출부(20)로 입력되고(S10), 아크 전류 검출부(20)는 입력된 전류를 신호 처리부(25)로 입력한다(S20). 신호 처리부(25)는 입력되는 전류를 신호처리하여 입력된 전류가 흐르는 도선의 온도, 도선 저항 및 전류 감지하고, 이를 전압파형으로 변환한다(S30). 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법은 상기 S30 단계에서 감지한 도선 저항이 주변회로에 의해 조정되어 주어지는 기준치 이하인가를 판단한다(S40). 상기 S40 단계의 판단 결과, 감지한 도선 저항이 기준치 이하이면, 상기 S30 단계에서 변환한 전압파형으로 아크 전류 검출부(20)는 아크 전류 발생 신호를 출력한다(S50). 아크 전류 검출부(20)가 아크 전류 발생 신호를 출력하면, 전류 차단부(30)는 부하(10)로 입력되는 전류를 차단한다(S60). 한편, 상기 S40 단계의 판단 결과, 도선 저항이 기준치 이상이면, 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법은 입력되는 전류를 정상 전류라고 판단한다(S55).
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아크 전류 차단방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 부하 20 : 아크 전류 검출부
25 : 신호 처리부 30 : 전류 차단부

Claims (6)

  1. 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하는 신호 처리부(25)를 포함하며, 상기 신호처리에 의하여 상기 부하(10)로 입력되는 전류 중 저전압 및 저전류 특성의 아크 전류가 검출되면 아크 전류 발생 신호를 출력하는 아크 전류 검출부(20)와;
    상기 아크 전류 검출부(20)로부터 상기 아크 전류 발생 신호가 입력되면 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 차단하는 전류 차단부(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 신호처리하여 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 도선의 온도와 도선의 저항을 계산하는 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 상기 도선의 온도(T)는,
    Figure 112007090908007-PAT00008
    k는 열전도계수이고, C는 표면농도이고, S는 단면적이고, ρ는 밀도이고, VW는 인가전압이며, ρτ는 시상수 밀도인 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 신호 처리부(25)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류가 도선을 흐를 때의 상기 도선의 컨덕턴스(G)는,
    Figure 112007090908007-PAT00009
    Figure 112007090908007-PAT00010
    여기서, G는 도선의 컨덕턴스, Q는 아크 내에 축적된 에너지, W는 입력 전력, N은 전력 손실인 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 아크 전류 검출부(20)는 상기 신호 처리부(25)가 신호처리한 상기 도선 의 온도가 높아지고, 상기 도선의 저항이 낮아질 때, 상기 아크 전류 발생 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단장치.
  6. 부하(10)로 입력될 전류가 아크 전류 검출부(20)로 입력되는 단계와;
    상기 아크 전류 검출부(20)는 입력된 전류를 신호 처리부(25)로 입력하는 단계와;
    상기 신호 처리부(25)는 입력되는 전류를 신호처리하여 입력된 전류가 흐르는 도선의 온도, 도선 저항 및 전류를 감지하고 이를 전압파형으로 변환하는 단계와;
    감지한 상기 도선 저항이 주변회로에 의해 조정되어 주어지는 기준치 이하인가를 판단하는 단계와;
    감지한 상기 도선 저항이 상기 기준치 이하이면, 변환한 상기 전압파형으로 아크 전류 검출부(20)는 아크 전류 발생 신호를 출력하는 단계와;
    상기 아크 전류 검출부(20)가 상기 아크 전류 발생 신호를 출력하면, 전류 차단부(30)는 상기 부하(10)로 입력되는 전류를 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 전류 차단방법.
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