KR20120067797A

KR20120067797A - 센서를 이용한 전류 검출 장치

Info

Publication number: KR20120067797A
Application number: KR1020100129381A
Authority: KR
Inventors: 최원준; 박권배
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-26
Also published as: KR101167448B1

Abstract

본 발명은 센서를 이용한 전류 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명의 전류 검출 장치는 CT 센서, CT 센서 출력 처리부, 로고스키 센서, 로고스키 센서 출력 처리부, 논리 게이트부, 제어부를 포함한다.
CT 센서 및 로고스키 센서는 비정상적인 전류를 검출하여 CT 센서 출력 처리부 및 로고스키 센서 출력 처리부에서 처리 및 비교하여 그 결과값을 논리 게이트부에 출력한다.
논리 게이트부는 CT 센서 출력 처리부 및 로고스키 센서 출력 처리부로부터 입력된 신호를 연산하여 제어부에 출력한다.
제어부는 논리 게이트의 출력 신호에 따라서 전원과 부하를 연결한 차단 스위치를 온, 오프 시킨다.
이와 같은 본 발명은 로고스키 코일 센서 및 CT 센서를 동시에 사용하여 이상 전류를 검출하고 검출된 이상 전류 처리를 아날로그로 함으로써 고장 여부의 판단 및 대처가 빠르며 로고스키 코일 센서 및 CT 센서의 두 가지 조건으로 고장 여부를 판단함으로 보다 정확한 판단을 할 수 있다는 장점을 가진다.

Description

센서를 이용한 전류 검출 장치{Current Detection apparatus using sensor}

본 발명은 센서를 이용한 전류 검출 장치에 관한 것으로, 특히 전류 차단기에 있어서 선로에 흐르는 비정상적인 전류를 CT(Current transfomer) 센서 및 로고스키 센서로 검출하여 전류 차단기를 동작시킬 수 있는, 센서를 이용한 전류 검출 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전류를 측정하는 방법은 변류기(Current transformer), 분류기(Shunt), 홀 센서(Hall sensor) 또는 로고스키 센서(Rogowski sensor)를 이용하는 등 다양한 방법이 있다.

또한, 이상 전류 센싱에 가장 많이 사용되는 센서는 변류기(Current transformer) 및 로고스키 센서(Rogowski sensor)이다.

변류기(Current transformer)는 포화 특성에 의하여 이상 전류량이 큰 것은 센싱하기가 곤란하며, 로고스키 센서(Rogowski sensor)는 큰 전류 측정은 용이하나 작은 정밀한 전류 측정은 불편하다.

상기 로고스키 센서는 코일 타입의 전류 센서로서, 로고스키 센서는 균일하게 감은 코일의 한쪽 끝을 코일 내부로 관통시켜 제작되며, 전류에 의해 유기되는 유도 전압을 적절한 적분 회로를 통하여 적분함으로써 전류를 측정하게 된다.

이러한 일 예가 도 1에 도시된다.

도 1은 종래의 전류 차단기용 로고스키 센서를 이용한 전류 측정 장치를 나타낸 도면이다.

로고스키 센서(20)는 선로에 흐르는 전류에 대하여 v = Mdi(t)/dt(여기서, M은 상호 인덕턴스이고, i는 선로에 흐르는 전류임)의 관계식에 의한 전압(v)을 유기한다. 상기 유기된 전압은 흐르는 전류의 미분 형태이므로 원 파형을 복원하기 위해 적분기(30)를 사용한다.

그리고, 신호 처리부(40)를 통해 디지털 회로에 알맞도록 진폭과 오프셋(Off-set)을 조정하는 신호 처리를 하게 되고, 신호 처리된 아날로그 신호는 ADC(50; Analog to Digital converter)를 통해 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(60; CPU 또는 DSP)로 입력된다.

마이크로프로세서(60)는 입력된 디지털 신호를 가공하여 적절한 처리 및 제어를 하게 된다.

도 1의 전류 측정 장치가 과전류 계전기에 적용될 경우에는, 로고스키 센서(20)를 통해 검출한 전류가 과전류이면 소정의 차단기 제어부가 마이크로프로세서(60)의 제어에 따라 차단기의 차단 동작을 수행하여 선로와 부하를 보호하게 된다.

그러나, 상술한 방법은 로고스키 코일의 출력 파형을 적분함에 따른 적분기 및 디지털 회로 사용으로 고장 여부를 고속으로 판단하기 위하여 전류 측정 장치의 샘플링 레이트 및 연산 속도를 높여야 함으로 비용의 증가를 초래한다는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로고스키 코일 센서 및 CT 센서를 동시에 사용하여 비정상적인 전류를 검출하고, 검출된 비정상적인 전류를 아날로그로 처리함으로써 검출 속도가 빠르고 또한 두 개의 센서를 동시에 사용하여 비정상적인 전류를 신뢰성 있게 검출할 수 있는 센서를 이용한 전류 검출 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 센서를 이용한 전류 검출 장치는 선로에 흐르는 전류를 검출하는 CT 센서; 상기 CT 센서에 인접하게 위치하여 상기 CT 센서를 통하여 흐르는 전류를 검출하는 로고스키 센서; 상기 CT 센서의 출력 신호를 정류 및 비교하여 결과값을 논리 게이트부에 출력하는 CT 센서 출력 처리부; 상기 로고스키 센서의 출력 신호를 정류 및 비교하여 결과값을 상기 논리 게이트부에 출력하는 로고스키 센서 출력 처리부; 상기 CT 센서 출력 처리부의 결과값과 상기 로고스키 센서 출력 처리부의 결과값을 연산한 신호를 제어부에 출력하는 논리 게이트부; 상기 논리 게이트부의 출력 신호에 따라서 차단 스위치를 온, 오프 동작시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 CT 센서 출력 처리부는 상기 CT 센서의 출력 신호를 맥류 전압으로 형성하는 제1 정류부; 상기 맥류 전압을 평탄한 직류 전압으로 형성하는 제1 평활부; 상기 직류 전압과 비교하기 위해 기준 전압을 형성하는 제1 기준 전압 설정부 및 상기 직류 전압과 상기 제1 기준 전압 설정부의 기준 전압를 비교하여 결과값을 출력하는 제1 비교부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 로고스키 센서 출력 처리부는 상기 로고스키 센서의 출력 신호를 맥류 전압으로 형성하는 제2 정류부; 상기 맥류 전압을 평탄한 직류 전압으로 형성하는 제2 평활부; 상기 직류 전압과 비교하기 위해 기준 전압을 형성하는 제2 기준 전압 설정부 및 상기 직류 전압과 상기 제2 기준 전압 설정부의 기준 전압를 비교하여 결과값을 출력하는 제2 비교부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 논리 게이트부는 AND 게이트이며, 상기 제1 비교부 및 제2 비교부의 출력 신호가 모두 하이 전압인 경우에 결과값인 하이 전압을 상기 제어부에 출력하여 상기 차단 스위치를 오프할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 선로에 흐르는 전류가 CT 센서 처리부 및 로고스키 센서 처리부에서 설정된 기준 전압보다 큰 비정상적인 전류인 경우에 상기 차단 스위치를 오프하여 전원을 부하로부터 분리할 수 있다.

이와 같은 본 발명은 로고스키 코일 센서 및 CT 센서를 동시에 사용하여 비정상적인 전류를 검출하고 검출된 비정상적인 전류를 아날로그로 처리함으로써 고장 여부의 판단 및 그에 따른 대처가 빠르며 또한 로고스키 코일 센서 및 CT 센서의 두 가지 출력 조건으로 고장 여부를 판단함으로 보다 정확한 판단을 할 수 있다는 장점을 가진다.

도 1은 종래의 전류 차단기용 로고스키 센서를 이용한 전류 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서를 이용한 전류 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 센서를 이용한 전류 검출 장치의 구성 블록을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 센서를 이용한 전류 검출 장치의 내부 회로를 도시한 도면의 일 실시 예이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 센서를 이용한 전류 검출 시스템은 크게 제어부(140), 전류 검출 장치(100) 및 부하 저항(180)을 포함한다.

AC 전원(170)은 교류 전원 공급원으로 전압 범위는 약 ±110V~±5KV 이다.

배선 저항(160)은 AC 전원(170)으로부터 부하 저항(180)까지의 선로에 분포한 등가 직렬 저항으로 거의 무시할 수 있는 수준이다.

부하(180)는 가정용 전등 또는 산업용 모터와 같은 전력 소모를 하는 제품으로 다수 개이다.

차단 스위치(150)는 제어부(140)가 하이(High:5V) 출력 신호를 출력하면, 열려서(오프되어) 부하(180)로 AC 전원(170)이 공급되지 않는 반면에 제어부(140)가 로우(Low:0V) 출력 신호를 출력하면, 닫혀서(온되어) AC 전원은 부하(180)로 공급된다.

차단 스위치(150)는 릴레이와 같은 전자 소자이며, 제어부(140)와 일체화될 수 있다..

이하에서는 전류 검출 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다.

전류 검출 장치(100)는 CT 센서(101), 로고스키 센서(102), CT 센서 출력 처리부(120), 로고스키 센서 출력 처리부(130) 및 논리 게이트부(110)로 구성된다.

CT 센서(101:Current transfomer) 및 로고스키 센서(102:Rogowski)는 전류를 검출하여 전압으로 변환하는 센서이며, 동일한 선로에 나란히 인접하여 설치된다.

CT 센서 출력 처리부(120)는 제1 정류부(122), 제1 평활부(123), 제1 기준 전압값 설정부(124) 및 제1 비교부(125)를 포함하고, 로고스키 센서 출력 처리부(130)는 제2 정류부(132), 제2 평활부(133), 제2 기준 전압값 설정부(134) 및 제2 비교부(135)를 포함한다.

AC 전원(170)이 정상적인 전류를 부하(180)에 공급하는 경우에 대해서 살펴본다.

우선, 차단 스위치(150)가 닫히고, 정상적인 전류가 부하(180)에 공급된다.

정상적인 교류 전류는 CT 센서(101) 및 로고스키 센서(102)를 통하여 교류 전압으로 변환된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 센서를 이용한 전류 검출 장치(100)의 구성 블록은 CT 센서(101), CT 센서 출력 처리부(120), 로고스키 센서(102), 로고스키 센서 출력 처리부(130) 및 논리 게이트부(110)를 포함한다.

CT 센서(101)에서 변환된 교류 전압은 제1 정류부(122)에 인가된다.

인가된 교류 전압은 다이오드(D1,D2,D3,D4)를 통하여 전파 정류되고 저항(R1)을 통하여 커패시터(C1,C2) 및 저항(R2)으로 이루어진 제1 평활부(123)에 공급된다.

제1 정류부(122)는 입력된 교류 전원을 맥류 파형으로 만드는 역할을 한다.

제1 평활부(123)는 제1 정류부(122)로부터 출력된 맥류 전압을 평탄한 직류 전압으로 만들기 위해 필터링 하는 역할을 한다.

제1 비교부(125)는 제1 기준 전압값 설정부(124)의 기준 전압(ZD1의 전압)과 평활부(123)의 상기 직류 전압을 비교하여 결과값을 논리 게이트부(110)에 출력한다.

제1 기준 전압값 설정부(124)는 저항(R3) 및 제너 다이오드(ZD1)로 구성되고, 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압은 제1 비교부(125)의 (-)입력 단자에 비교를 위한 상기 기준 전압으로 설정된다.

여기서, 정상적인 전류인 경우에 제1 비교부(125)의 (+)입력 단자의 센서의 전압이 (-)입력 단자의 기준 전압이 보다 항상 작게 설정되어 제1 비교부(125)의 출력 신호는 로우 전압(OV)이 된다.

마찬가지로, 로고스키 센서 출력 처리부(130)는 제2 정류부(132), 제2 평활부(133), 제2 기준 전압값 설정부(134) 및 제2 비교부(135)를 포함한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 검출 장치의 내부 회로를 도시한 도면이다.

제1 정류부(122)는 다이오드(D1 내지 D4) 및 저항(R1)으로 구성되고, 제1 평활부(123)는 커패시터(C1,C2) 및 저항(R2)으로 구성되고, 제1 기준 전압값 설정부(124)는 제너 다이오드(ZD1) 및 저항(R3)으로 구성된다.

또한, 제2 정류부(132)는 다이오드(D5 내지 D8) 및 저항(R3)으로 구성되고, 제2 평활부(133)는 커패시터(C3,C4) 및 저항(R4)으로 구성되고, 제2 기준 전압값 설정부(134)는 제너 다이오드(ZD2) 및 저항(R5)으로 구성된다.

로고스키 센서 출력 처리부(130)는 내부 회로 구성 및 기능에 있어서 CT 센서 출력 처리부(120)와 동일하며, 단지 로고스키 센서(102)의 출력 신호 파형의 전압 진폭 및 위상이 CT 센서(101)와 다름으로 제너 다이오드(ZD2)의 제너 전압값, 저항(R4) 및 커패시터(C3,C4)의 값이 다를 수 있다.

정상적인 전류인 경우에 제2 비교부(135)의 (+)입력 단자의 센서 전압이 (-)입력 단자의 제너 다이오드(ZD2)의 기준 전압이 보다 항상 작게 설정되어 제2 비교부(135)의 출력 신호는 로우 전압(0V)이 된다.

따라서 논리 게이트부(110)는 AND 논리 게이트로 제1 비교부(125)의 출력 신호인 0V와 제2 비교부(135)의 출력 신호인 0V를 입력받고 AND 연산을 하여 0V의 출력 신호를 제어부(140)에 출력한다.

제어부(140)는 논리 게이트부(110)로부터 출력된 OV를 이용하여 차단 스위치(150)를 계속 닫고 있는다.

반대로 비정상적인 전류가 부하(180)에 공급되는 경우를 살펴본다.

상기 비정상적인 전류란 과부하 또는 부하(180) 근처의 선로 단락과 같은 경우에 발생하는 이상 전류 또는 고장 전류로 과도한 전류 흐름을 의미한다.

차단 스위치(150)가 닫힌 상태에서 AC 전원(170)으로부터 비정상적인 전류가 CT 센서(101) 및 로고스키 센서(102)를 통하여 부하(180)로 흐른다.

상술한 바와 같이 CT 센서(101)는 비정상적인 전류에 비례한 교류 전압 파형을 검출하여 제1 정류부(122)에 출력한다.

제1 정류부(122)는 상기 교류 전압 파형을 전파 정류하여 맥류 신호로 만들어 제1 평활부(123)에 출력한다.

제1 평활부(123)는 맥류 신호를 노이즈가 제거된 평탄한 직류 전압으로 변환한다.

제1 비교부(125)는 상기 직류 전압을 제1 기준 전압값 설정부(124)의 기준 전압(ZD1의 전압)과 비교한다.

여기서, 비정상적인 전류인 경우에 제1 비교부(125)의 (+)입력 단자의 센서 전압이 항상 기준 전압(ZD1의 전압)보다 크게 설정되어 제1 비교부(125)의 출력 신호는 하이 전압(5V)이 된다.

또한, 로고스키 센서(102)의 출력 신호는 제2 정류부(132), 제2 평활부(133)를 통하여 제2 비교부(135)의 (+)입력 단자에 입력되고, 상기 제2 비교부(135)는 (-)입력 단자의 기준 전압인 제너 다이오드(ZD2)의 전압과 비교하여 하이 전압(5V)을 논리 게이트부(110)로 출력한다.

비정상적인 전류인 경우에 제2 비교부(135)의 (+)입력 단자의 센서 전압이 항상 기준 전압(ZD2의 전압)보다 크게 설정되어 제2 비교부(135)의 출력 신호는 하이 전압(5V)이 된다.

논리 게이트부(110)는 AND 게이트로 제1 비교부(125)의 출력 신호인 5V와 제2 비교부(135)의 출력 신호인 5V를 입력받고 AND 연산을 하여 5V의 출력 신호를 제어부(140)에 출력한다.

제어부(140)는 논리 게이트부(110)로부터 5V의 출력 신호를 입력받아 차단 스위치(150)를 연다.

본 발명은 CT 센서(101)와 로고스키 센서(102) 모두 비정상적인 전류를 검출(감지)하는 경우에 제어부(140)가 차단 스위치(150)를 열어서 AC 전원(170)으로부터 부하(180)를 분리하여 부하(180) 및 선로를 보호하는 반면에 CT 센서(101) 또는 로고스키 센서(102) 중에서 어느 하나가 비정상적인 전류를 감지하고 다른 하나는 정상적인 전류를 감지한 경우 또는 둘 다 정상적인 전류를 감지한 경우에 차단 스위치(150)를 닫아서 정상적으로 AC 전원(170)으로부터 부하(180)에 전원을 공급한다.

제어부(140)는 논리 게이트부(110)의 출력 신호가 논리적으로 "1"인 경우에 차단 스위치(150)를 열고, "0"인 경우에 차단 스위치(150)를 닫는다.

이때, 논리적으로 "1"인 출력 신호는 하이 전압(High voltage:5V) 이고, 논리적으로 "0"인 출력 신호는 로우 전압(Low voltage:0V)에 대응한다.

이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 논리 게이트부
120 : CT 센서 출력 처리부
130 : 로고스키 센서 출력 처리부

Claims

선로에 흐르는 전류를 검출하는 CT 센서;
상기 CT 센서에 인접하게 위치하여 상기 CT 센서를 통하여 흐르는 전류를 검출하는 로고스키 센서;
상기 CT 센서의 출력 신호를 정류 및 비교하여 결과값을 논리 게이트부에 출력하는 CT 센서 출력 처리부;
상기 로고스키 센서의 출력 신호를 정류 및 비교하여 결과값을 상기 논리 게이트부에 출력하는 로고스키 센서 출력 처리부;
상기 CT 센서 출력 처리부의 결과값과 상기 로고스키 센서 출력 처리부의 결과값을 연산한 신호를 제어부에 출력하는 논리 게이트부;
상기 논리 게이트부의 출력 신호에 따라서 차단 스위치를 온, 오프 동작시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서를 이용한 전류 검출 장치.
제 1항에 있어서,
상기 CT 센서 출력 처리부는 상기 CT 센서의 출력 신호를 맥류 전압으로 형성하는 제1 정류부;
상기 맥류 전압을 평탄한 직류 전압으로 형성하는 제1 평활부;
상기 직류 전압과 비교하기 위해 기준 전압을 형성하는 제1 기준 전압 설정부 및
상기 직류 전압과 상기 제1 기준 전압 설정부의 기준 전압를 비교하여 결과값을 출력하는 제1 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서를 이용한 전류 검출 장치.
제 1항에 있어서,
상기 로고스키 센서 출력 처리부는 상기 로고스키 센서의 출력 신호를 맥류 전압으로 형성하는 제2 정류부;
상기 맥류 전압을 평탄한 직류 전압으로 형성하는 제2 평활부;
상기 직류 전압과 비교하기 위해 기준 전압을 형성하는 제2 기준 전압 설정부 및
상기 직류 전압과 상기 제2 기준 전압 설정부의 기준 전압를 비교하여 결과값을 출력하는 제2 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서를 이용한 전류 검출 장치.
제 1항에 있어서,
상기 논리 게이트부는 AND 게이트이며, 상기 제1 비교부 및 제2 비교부의 출력 신호가 모두 하이 전압인 경우에 결과값인 하이 전압을 상기 제어부에 출력하여 상기 차단 스위치를 오프하는 것을 특징으로 하는 센서를 이용한 전류 검출 장치.
제 4항에 있어서,
상기 제어부는 선로에 흐르는 전류가 CT 센서 처리부 및 로고스키 센서 처리부에서 설정된 기준 전압보다 큰 비정상적인 전류인 경우에 상기 차단 스위치를 오프하여 전원을 부하로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 센서를 이용한 전류 검출 장치.