KR20200093979A - 누전 차단기 및 그 누설 전류 검출 방법 - Google Patents

누전 차단기 및 그 누설 전류 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 누전차단기에 관한 것으로, 영상변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하는 산출부, 상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류인지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

누전 차단기 및 그 누설 전류 검출 방법{EARTH LEAKAGE CIRCUIT BREAKER(ELCB) AND METHOD FOR DETECTING LEAKAGE CURRENT}
본 발명은 누전 차단기 및 그 누설 전류 검출 방법에 관한 것이다.
현대 주택에서 전기는 삶의 편의를 위해 없어서는 안 될 매우 중요한 에너지원이지만 전기화재나 인체 감전을 발생시켜 재산상의 손실이나 심각한 인명피해를 가져올 수 있는 매우 위험한 존재이기도 하다. 따라서 전기법규에서는 주택이나 건축물의 인입구에 과전류 차단기(MCCB : Mold Cased Circuit Breaker)나 누전 차단기(ELCB : Earth Leakage Circuit Breaker, GFCI : Ground Fault Circuit Interrupter)를 설치하도록 규정하고 있다.
통상적인 누전차단기는, 영상변류기(ZCT: Zero Current Transformer)를 통해 누전 신호가 감지되면 증폭기에 의해 증폭된다. 증폭된 누전 신호는 레벨 판별기에서 설정된 기준 전압과 비교하여 기준 전압보다 클 경우 트립(Trip) 발생기에서 트립 신호를 트립부에 전달하게 된다. 트립부는 전원 회로를 차단하여 누전 발생 시 부하와 인체를 보호하게 된다.
한편, 종래의 누전 차단기는, 기본파, 제3 고조파 및 피크값을 이용하여, 누전, 지락 및 평형 중 어느 하나를 구분한다. 그러나 모터 기동 시 발생하는 평형 전류의 경우 영상변류기(ZCT)의 포화로 출력 파형이 A형(135˚) 누설 전류(직류 성분을 포함하는 맥동 전류)와 매우 유사하다. 따라서, 모터를 사용하는 산업 현장, 다수의 DC부하를 사용하는 시설과 같이 고주파의 영향이 많은 경우, 누전차단기는 A형(135 ˚) 누설 전류와 평형 전류의 구분이 어려워, 정상 동작임에도 불구하고, 즉 평형 전류의 경우에 해당함에도 누전차단기가 차단되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 영상변류기를 통해 검출된 전류 신호를 산출된 피크값의 비를 이용하여 A형 누설 전류 해당 여부를 판단하고, A형 누설 전류도 판단된 경우, 기본파의 크기와 실효값의 비율을 이용하여 누전 전류의 검출 정확도를 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 누전 차단기에 관한 것으로, 영상변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하는 산출부, 상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류인지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 산출된 피크값의 비율은, 상기 검출된 전류 신호로부터 산출된 양의 극성의 피크값 및 음의 극성의 피크값의 비율인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 산출부는, 상기 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Converter, ADC) 모듈, 상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)을 하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 DFT 모듈 및 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호로부터 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출하는 산출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율(X)은,
Figure pat00001
을 이용하여 산출할 수 있고, 여기서, X는 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율이고, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율이 기 설정된 임계값보다 큰 경우, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형과 다른 파형을 가지는 제2 누설 전류에 해당하는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라, 상기 기본파의 크기, 상기 피크값 및 상기 검출된 신호의 제3 고조파 크기에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 산출된 피크값의 비율이 기준 비율을 초과하는 경우, 상기 제1 누설 전류로 판단하고, 상기 산출된 피크값의 비율이 상기 기준 비율 이하인 경우, 상기 제2 누설 전류로 판단하는 것을 특징으로 한다.
나아가 상기 기준 비율이 1인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 누설 전류 검출 방법에 관한 것으로, 누전차단기에 있어서, 영상변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하는 제1단계, 상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류인지 여부를 판단하는 제2단계, 상기 판단 결과에 따라, 제어부가 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 실시 예에 있어서, 상기 산출된 피크값의 비율은, 상기 검출된 전류 신호로부터 산출된 양의 극성 피크값 및 음의 극성 피크값의 비율인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1단계는, 아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Converter, ADC) 모듈이 상기 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환하는 제1-1단계, DFT(Discrete Fourier Transform) 모듈이 상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 제1-2단계 및 산출 모듈이 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호로부터 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출하는 제1-3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율은,
Figure pat00002
을 이용하여 산출할 수 있고, 여기서 X는 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율을 의미하고, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율이 기 설정된 임계값보다 큰 경우, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
나아가 상기 제2단계는, 상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류 및 기 설정된 파형과 다른 파형을 가지는 제2 누설 전류 중 어느 하나에 해당하는지 여부를 판단하는 제2-1단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제3단계는, 상기 제2-1단계의 판단 결과에 따라, 상기 피크값 및 상기 검출된 전류 신호의 제3 고조파 크기 중 적어도 하나에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제3-1단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2-1단계는, 상기 산출된 피크값의 비율이 기준 비율을 초과하는 경우, 상기 제1 누설 전류로 판단하고, 상기 산출된 피크값의 비율이 상기 기준 비율 이하인 경우, 상기 제2 누설 전류로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 누전 차단기 및 누설 전류 검출 방법에 관한 것으로, 영상변류기를 통해 검출된 전류 신호를 산출된 피크값의 비를 이용하여, A형 누설 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 또한, A형 누설 전류로 판단된 경우 기본파의 크기와 실효값의 비율을 이용하여 A형 누설 전류와 평형 전류의 구분 정확도를 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 산출부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3a는 AC형 누설 전류를 설명하기 위한 참조 도면이다.
도 3b는 A형 누설 전류를 설명하기 위한 참조 도면이다.
도 3c는 평형 및 누설 전류를 설명하기 위한 참조 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설 전류 검출 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 A형 누설 전류 검출 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 AC형 누설 전류 검출 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은, 누전 차단기 및 그 누설 전류 검출 방법에 관한 것으로, 먼저 검출된 전류 신호를 AC형 누설 전류 신호와 A형 누설 전류 신호로 분류하고, 특히, A형 누설 전류로 판단된 경우, A형 누설 전류와 평형 전류를 정확하게 판별할 수 있다.
여기서 AC형(Type AC) 누설 전류는, 직류(DC) 성분을 포함하지 않는 순수한 정현파의 교류(AC) 성분의 전류로 양의 극성과 음의 극성을 모두 포함하는 파형의 형태를 가진다. 입력된 신호가 AC형 누설 전류로 판단되는 경우 누전차단기는 트립 신호를 출력한다. 한편, A형(Type A) 누설 전류는, 직류(DC) 성분이 있는 교류 맥동 전류를 포함하는 것으로 양의 극성 또는 음의 극성 중 어느 하나를 포함하는 반파 파형의 형태를 가질 수 있다. 입력된 신호가 A형 누설 전류로 판단되는 경우에도 누전차단기는 트립(TRIP) 신호를 출력한다.
AC형 전류 및 A 형 전류, 즉 각각의 서로 다른 형태의 전류를 분류하는 방법은 이하 상세히 설명한다.
한편, 본 발명에 일 실시 예에 따른 누전차단기 및 그 누설 전류 검출 방법은 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 누전차단기는, 전류 검출부(100), 산출부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.
먼저, 전류 검출부(100)는, 회로로부터 누설 전류 검출 신호를 출력한다. 이를 위해서 전류 검출부(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 회로가 관통하도록 설치되는 링(ring)형의 코어(core)와, 해당 코어에 감겨서 누설 전류 검출 신호를 출력하는 2차 권선으로 구성된 영상 변류기(ZCT; zero current transformer)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 영상 변류기(ZCT)는, 누설 전류를 검출 할 수 있는 장치로, 지락 계전기와 조합하여 사용함으로써 누전이 발생한 경우 회로를 차단할 수 있다. 이때 영상 변류기의 동작 원리는, 이론적으로 전기 선에서 전기 벡터의 합이 정상 상태에서는 '0'이 되어야 하지만, 1선 지락(누전)이 발생한 경우 벡터의 합이 0이 되지 않는 것을 이용한다. 즉, ZCT를 통과하여 선로에 흐르는 전류가, 정상 시(누전이 발생하지 않은)에는 ZCT로 부터 부하로 들어갔다가 나오는 전류가 같으므로 아무런 문제가 없다. 그러나, 선로에서 지락(누전)이 발생한 경우에는, 부하로 들어갔다가 나오는 전류의 차이가 발생하므로, 이 차이만큼의 전류가 지락 전류(누전)이다. 즉 지락전류를 ZCT에서 검출할 수 있다.
한편, 산출부(200), 영상 변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 검출된 신호의 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출할 수 있다.
여기서 기본파의 크기는, 계통에서 기본이 되는 주파수 성분의 크기를 의미한다. 또한 실효값은 입력된 교류 전류 신호의 순시값의 1주기에 걸친 평균값의 제곱근을 의미한다. 또한 피크값은 검출된 전류 신호의 최대값을 의미한다. 한편 기본파의 크기, 피크값 및 실효값의 자세한 의미는, 이하 도 2에서 설명하도록 한다.
한편, 제어부(300)는, 누전차단기를 구성하는 각 구성요소를 제어할 뿐만 아니라, 통상적으로 장치의 전반의 동작을 제어할 수 있다.
또한 제어부(300)는 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 전류인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고 판단 결과에 따라, 기본파의 크기와 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 산출된 피크값의 비율은 검출된 전류 신호로부터 산출된 양의 극성의 피크값 및 음의 극성의 피크값의 비율로 산출될 수 있다. 예를 들어, 산출된 피크값의 비율은 양의 극성의 피크값을 음의 극성의 피크값으로 나누어 산출된 값으로, 양의 극성의 피크값과 음의 극성의 피크값이 동일한 교류 전류의 경우, 그 비율은 1이 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 산출부(200)를 보다 세부적으로 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 산출부(200)는, ADC(Analog-Digital Converter) 모듈(210), DFT(Discrete Fourier Transform) 모듈(220) 및 산출 모듈(230)을 포함할 수 있다.
먼저, 산출부(200)에 포함되는 구성 중, ADC 모듈(210)은, 상기 전류 검출부(100)에서 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이때, ADC 모듈(110)이란, 연속적인 아날로그(Analog) 신호를 0과 1로 구성되는 디지털(digital) 신호로 전환하는 칩(I/C) 또는 모듈이다.
DFT 모듈(220)은, ADC 모듈(210)에 의해 변환된 시간 영역의 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역의 디지털 신호로 출력한다. 이때 이산 푸리에 변환이란, 일정한 간격으로 샘플링된 함수를 푸리에 변환하는 것을 의미한다.
한편, 산출 모듈(230)은, 검출된 전류 신호가 ADC 모듈(210) 및 DFT 모듈(200)을 거쳐 출력된 주파수 영역의 디지털 신호로부터, 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출할 수 있다.
여기서 기본파의 크기는, 계통에서 기본이 되는 주파수 성분의 크기를 의미할 수 있다. 예를 들어, 유럽은 50Hz, 한국은 60Hz 주파수를 사용한다. 이 경우, 유럽은 50Hz 주파수 성분의 크기일 수 있다. 그리고 한국은 60Hz 주파수 성분의 크기일 수 있다.
실효값(root-mean-square value)은, 입력된 교류 전류 신호의 순시값의 1주기에 걸친 평균값의 제곱근을 의미한다. 즉, 정현파의 경우에는 그 최대 진폭의 0.707배가 된다.
피크(Peak)값은, 검출된 전류 신호의 최대값을 의미한다. 또한, 피크비(Peak Ratio)는 양의 극성의 피크값과 음의 극성 피크값의 비율을 나타낸다. 예를 들어, 0(Zero)를 기준으로 양의 극성과 음의 극성을 가지는 사인(sin) 파형의 경우 양의 극성의 피크값과 음의 극성의 피크값이 서로 같은 크기를 가지게 되어 피크비는 1이 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부(300)는, 산출부(200)에서 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 신호가 기 설정된 파형의 제1 전류에 해당하는지 여부를 판단한다. 여기서, 제1 전류는 A형 누설 전류를 포함할 수 있다. 다만, A형 누설 전류로 한정되지 않고, 그 밖의 다른 파형을 가지는 전류를 포함할 수 있다.
여기서, 피크값의 비율은, 상술한 바와 같이 양의 극성의 피크값과 음의 극성의 피크값의 비율, 즉 피크비를 의미하다.
이때 입력 신호가 피크비에 근거하여 A형 누설 전류로 판단되는 경우, 제어부(300)는 산출부(200)에서 산출된 기본파의 크기 및 실효값의 비율에 근거하여, 트립(tirp) 신호를 출력할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 AC 전류, A형 누설 전류, 평형 및 누설 전류를 설명하기 위한 참조 도면이다.
도 3a는, AC형(Type AC) 누설 전류로, 직류(DC) 성분을 포함하지 않는 순수한 정현파의 교류(AC) 성분의 전류로 양의 극성과 음의 극성을 모두 포함하는 파형의 형태를 가진다. AC형 누설 전류로 판단되는 경우 누전차단기는 트립(Trip) 신호를 출력할 수 있다.
한편, 도 3b는 A형(Type A) 누설 전류를 나타내는 것으로, 직류(DC) 성분이 있는 교류 맥동 전류를 포함하는 것으로 양의 극성 또는 음의 극성 중 어느 하나를 포함하는 반파 파형의 형태를 가질 수 있다. 여기서, 도 3b는 A형 누설 전류의 일 예로, 다른 형태의 파형을 포함할 수 있다. 또한 A형 누설 전류로 판단되는 경우 누전차단기는 트립(Trip) 신호를 출력할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, A형 누설 전류(0˚, 90˚, 135˚)는 SCR(silicon controlled rectifier)을 이용한 위상 제어 방식이 있을 수 있다. 이때, 전류의 위상 0˚, 90˚및 135˚ 중 고주파 비율이 가장 높은 135˚ A형 누설 전류의 파형은 평형 전류와 유사하여 그 구분이 어렵다. 즉, 검출된 전류 신호가 평형 전류임에도 A형 누설 전류로 판단되는 경우, 누전차단기는 트립 신호를 출력할 수 있어, 누전차단기의 오동작이 발생할 수 있다.
한편, 도 3c는 평형 전류와 지락 전류의 파형을 나타낸다.
평형 전류는 인버터 기동 시 발생하는 파형으로 들어가는 전류와 나가는 전류의 합이 이상적으로는 0(Zero)으로 출력 파형이 출력되지 않아야 한다. 그러나 실질적으로 임피던스 부정합, ZCT의 포화 현상 등 물리적 현상으로 인해 0점(Zero Point)을 교차하는 시점에 파형이 출력된다.
나아가 평형 전류는 정상 상태에서 흐르는 전류로, 누설 또는 지락 전류와는 달리 누전차단기가 트립되어서는 안 된다. 따라서 누전차단기는 회로 상의 평형 전류 발생 상태와 누설 전류 발생 상태를 정확하게 구별해야 한다.
반면, 지락 전류는 지락 발생 시 발생하는 파형의 전류로, 그 피크값이 매우 높은 것이 특징이다. 따라서 피크값의 크기를 이용하면 지락 전류와 누설 전류를 구분할 수 있다. 이 경우, 지락 전류란, 전선 또는 전로 중 일부가 직접 또는 간접으로 대지(접지)로 연결된 경우로, 즉 전로와 대지간 절연이 저하하여 아아크 또는 도전성 물질의 영향으로 전로 또는 기기의 외부에 위험한 전압이 나타나거나, 전류가 흐르게 되는 상태를 의미한다. 이러한 지락 전류는 인체 감전, 누전 화재 또는 기기 손상을 일으키는 원인이 된다. 지락 전류가 발생하는 경우 누전차단기는 트립신호를 출력한다.
한편, 일 실시 예에 따른 평형 전류는 도 3c에 도시된 형태의 파형을 가질 수 있다. 그러나 평형 전류를 실제로 측정하는 경우, 파형의 형태가 도 3c에 도시된 평형 전류의 파형과 상이한 경우가 발생할 수 있다.
일 예로 하기의 [표 1]을 참조하면, 실제 평형 전류의 파형은 도 3c와 달리 양의 극성의 파형(또는 음의 극성 파형)만 검출되는 구간이 존재할 수 있다. 표 1의 오른쪽 파형은, 양의 극성 파형만 존재하는 평형 전류를 나타낸다.
Figure pat00003
하기의 [표 2]를 참조하면, 양의 극성 파형만 존재하는 평형 전류의 경우, 135˚의 A형 누설 전류와 그 구분이 쉽지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 검출된 전류가 누전차단기의 트립이 발생하면 안되는 평형 전류임에도, 누설 전류로 오인하여 트립이 발생하는 오류가 발생할 수 있다.
Figure pat00004
그러므로, 본 발명에 따른 누전차단기의 제어부는, 기본파의 크기 및 실효값의 비율을 변수로 설정하여, A형 누설 전류와 양의 극성만 포함하는 평형 전류를 구분할 수 있다.
상기 [표 2]를 참조하여, A형 누설 전류(135˚)와 양의 극성만 가지는 평형 전류의 파형을 비교하면, A형 누설 전류(135˚)는 평형 전류의 파형과 비교하여 0이 아닌 값을 가지는 파형의 지속 시간(Δt)에서의 상기 파형의 면적, 즉 기본파의 크기가 더 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 기본파의 크기 및 실효값의 비율을 기 설정된 임계값과 비교하여 A형 누설 전류(135˚)와 평형 전류의 파형을 구분할 수 있다.
기본파의 크기 및 실효값의 비율을 임의의 변수 X로 지정하면 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00005
즉, 상기 수학식 1은 신호의 면적이 넓을수록 기본파의 크기 및 실효값의 비율(X)이 큰 값을 가지는 특성을 이용하여 A형 누설 전류(135˚)와 평형 전류를 구분할 수 있다.
한편 이상의 설명에서는 A형 누설 전류를 검출하는 누전차단기에 관하여 상술하였다. 이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여, 누전차단기의 누설 전류 검출 방법에 관하여 서술하도록 한다. 즉 누전차단기의 A형 누설 전류 검출 방법과 AC형 누설 전류 검출 방법을 자세히 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누전차단기의 누설 전류 검출 방법의 흐름도이다.
먼저 산출부(200)는, 영상변류기(ZCT)에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출한다(S100).
여기서 기본파의 크기, 피크값 및 실효값은 상기 설명한 용어의 그 의미와 동일하므로, 중복된 설명은 생략하도록 한다.
한편 검출된 전류 신호에서 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하기 위한 전처리 과정은 다음과 같다.
전류 검출부(100)는 영상변류기(ZCT)에서 전류 신호를 검출한다.
ACD 모듈(210)은 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환한다. DFT 모듈(220)은 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역의 디지털 신호로 출력한다.
즉, 검출된 전류 신호가 ADC 모듈(210) 및 DFT 모듈(220)을 거쳐 출력된 주파수 영역의 디지털 신호를 통해, 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 누전차단기의 제어부(300)는 산출된 피크값의 비율, 즉 피크비에 근거하여, 검출된 전류가 A형 누설 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다(S200). 한편, 제어부(300)는 피크비에 근거하여, 검출된 전류가 AC형 누설 전류에 해당하는지 여부도 판단할 수 있다. AC형 누설 전류에 해당하는 경우는 하단에서 상세히 설명하도록 한다.
한편, 상기 S200단계는 피크비에 근거하여 검출된 전류가 A형 누설 전류인지를 판단하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 0(Zero)를 기준으로 양의 극성과 음의 극성을 가지는 사인(sin) 파형의 경우 양의 극성의 피크값과 음의 극성의 피크값이 서로 같은 크기를 가지게 되어 피크비는 1이 된다. 즉, 검출된 전류는, 피크비가 1인 경우 AC형 누설 전류에 해당하고, 피크비가 1보다 큰 값을 가지는 경우 A형 누설 전류에 해당한다고 판단할 수 있다. 다만 이는 본 발명의 일 실시 예로, 그 기준값은 달리 설정할 수 있다.
한편, 검출된 전류 신호가 A형 누설 전류에 해당하는 것으로 판단된 경우, 기본파의 크기와 실효값의 비율에 근거하여 트립 신호를 출력할 수 있다(S300).
따라서 검출된 전류 신호가 A형 누설 전류에 해당하는지 여부는 기본파의 크기 및 실효값의 비율에 따라 결정될 수 있다. 일 실시 예로, 기본파의 크기 및 실효값의 비율에 따라 A형 누설 전류(135 ˚)와 평형 전류가 구분될 수 있다.
기본파의 크기 및 실효값의 비율(X)은 상기 [수학식 1]과 같다.
즉, 상기 [수학식 1]에 따라, 제어부(300)는 전류 신호의 파형이 가지는 면적이 넓을수록 기본파의 크기 및 실효값의 비율(X)이 큰 값을 가지는 특성을 이용하여 A형 누설 전류(135˚)와 평형 전류를 구분할 수 있다.
도 5는 S300단계에 따라 A형 누설 전류 검출 방법을 세부적으로 도시한 도면이다.
먼저 제어부(300)가, 산출된 피크값의 비율, 즉 피크비에 근거하여, 검출된 전류가 A형 누설 전류에 해당된다고 판단된 경우, 실효값을 기 설정된 값과 비교하여 누전차단기의 트립 발생 여부를 결정할 수 있다(S310).
양의 극성 또는 음의 극성 중 어느 하나의 극성 파형만 출력되는 A형 누설 전류는, 전체 파형(예를 들어, 정현파)이 출력되므로 기본파의 크기을 비교하는 AC형 누설 전류와 달리, 실효값(RMS)의 크기를 기 설정된 값과 비교하여 트립 여부를 판단할 수 있다.
즉, A형 누설 전류는 SCR 위상각 제어에 의한 파형으로 기본파의 크기만으로 파형을 비교하는 것은 한계가 있으므로, 실효값의 크기를 활용할 수 있다.
상기 S310 단계의 판단 결과에 따라, 상기 실효값이 설정값보다 크다고 판단되는 경우, 검출된 전류 신호가 평형 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다(S320). 즉, 검출된 전류 신호의 제3 고조파를 산출하고, 산출된 제3 고조파를 기 설정된 설정값(예를 들어, 70%)과 비교하여 설정값보다 크다고 판단되는 경우, 검출된 전류는 평형 전류이므로 트립 신호를 출력하지 않는다.
그러나 산출된 제3 고조파를 기 설정된 설정값(예를 들어, 70%)보다 작은 경우, A형 누설 전류(135˚)와 유사한 형태의 평형 전류(상기 표 2 참조)를 구분할 필요가 있다.
따라서 본 발명의 제어부는, 기본파의 크기와 실효값의 비율(상기 수학식1의 X, 그러나 도 5에서는 임의의 변수를 'PF'로 표기함)에 근거하여 평형 전류와 A형 누설 전류(135˚)의 구분할 수 있다(S330).
기본파의 크기와 실효값의 비율(X)이 기 설정된 값(예를 들어 20%)보다 큰 값을 가지는 경우, A형 누설 전류(135˚)로 판단되므로 트립 신호를 출력할 수 있다(S340). 그러나 기본파의 크기와 실효값의 비율(X)이 기 설정된 값(예를 들어 20%)보다 작은 경우, 검출된 전류는 평형 전류에 해당하는 것으로 누전 차단기는 트립이 발생하지 않는다.
이때 상기 기본파의 크기와 실효값의 비율은 임의의 변수로 X 또는 PF로 기재하였다. 이는 동일한 변수를 의미하는 것으로, 표기상의 차이가 있을 뿐이다.
한편, 상기 S200단계에 따르면, 본 발명에 따른 제어부(300)는 산출된 피크비에 근거하여, 검출된 전류를 AC형 누설 전류로 판단할 수 있다. 이 경우 기 설정된 조건에 근거하여 AC형 누설 전류에 해당하는 경우에도 트립 신호를 출력할 수 있다.
도 6은 S200단계에서 AC형 누설 전류로 판단된 경우의 AC형 누설 전류 검출 방법의 흐름도이다.
먼저, S200단계에서 검출된 전류가 피크비에 근거하여 AC형 누설 전류로 판단된 경우, 기본파의 크기를 기 설정된 값과 비교하여 트립 발생 여부를 결정할 수 있다(S410).
구체적으로, 기본파의 크기와 감도 전류의 비율이 기 설정된 비율 이상인 경우, 지락 전류 또는 평형 전류 중 어느 하나에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 감도 전류가 100mA이고, 기본파의 크기가 80mA일 때, 그 비율을 계산하면 80%이다. 따라서 70% 보다 큰 값을 가지므로 지락 전류에 해당하는지 여부를 판단하여야 한다. 그러나 만약 기본파의 크기가 70%에 미치지 못하는 경우에는 누설 전류에 해당하지 않는 것으로 트립 신호를 출력하지 않는다.
한편 기본파의 크기가 기 설정된 비율(예를 들어 70%) 보다 큰 경우, 검출된 전류 신호가 지락 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 일 예로, 산출된 피크값과 설정값을 비교하여 피크값이 설정값보다 큰 값을 가지는지 여부에 따라, 지락 전류로 판단할 수 있다(S420).
한편, 검출된 전류 신호의 피크값이 설정값보다 작은 경우, 검출된 전류 신호가 평형 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 검출된 전류 신호의 제3 고조파를 이용하여 평형 전류에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다(S430).
이때 제3 고조파의 크기가 설정된 값보다 작다고 판단되는 경우, 제어부는 트립 신호를 출력할 수 있다(S440). 그러나 제3 고조파의 크기가 설정된 값보다 큰은 경우, 평형 전류로 판단하여 누전차단기가 트립되지 않도록 설정할 수 있다.
따라서 본원발명은 피크비를 근거로, 검출된 전류가 AC형 누설 전류로 판단된 경우, 기본파의 크기, 피크값 및 제3 고조파를 이용하여 누설 전류를 판별할 수 있다.
한편, 본원발명은 피크비를 근거로, 검출된 전류가 A형 누설 전류로 판별된 경우, 실효값, 제3 고조파를 이용하여 누설 전류, 지락 전류 및 이론상 평형 전류를 구별하고, 추가적으로 기본파의 크기와 실효값의 비율을 이용하여 누설 전류와 실제 평형 전류를 구분하여 누전차단기의 오동작을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 전류 검출부
200: 산출부
210: ADC(Analog-Digital Converter) 모듈
220: DFT(Discrete Fourier Transform) 모듈
230: 산출 모듈
300: 제어부

Claims (14)

  1. 영상변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하는 산출부; 및
    상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류인지 여부를 판단하고,
    상기 판단 결과에 따라, 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산출된 피크값의 비율은,
    상기 검출된 전류 신호로부터 산출된 양의 극성의 피크값 및 음의 극성의 피크값의 비율인 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Converter, ADC) 모듈;
    상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)을 하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 DFT 모듈; 및
    상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호로부터 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출하는 산출 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율은,
    Figure pat00006
    을 이용하여 산출할 수 있고,
    여기서, X는 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율을 의미하고,
    상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율이 기 설정된 임계값보다 큰 경우, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형과 다른 파형을 가지는 제2 누설 전류에 해당하는지 여부를 판단하고,
    상기 판단 결과에 따라, 상기 기본파의 크기, 상기 피크값 및 상기 검출된 신호의 제3 고조파 크기에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 피크값의 비율이 기준 비율을 초과하는 경우, 상기 제1 누설 전류로 판단하고,
    상기 산출된 피크값의 비율이 상기 기준 비율 이하인 경우, 상기 제2 누설 전류로 판단하는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 비율이 1인 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  8. 누전차단기에 있어서,
    영상변류기에서 검출된 전류 신호로부터, 기본파의 크기, 피크값 및 실효값을 산출하는 제1단계;
    상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류인지 여부를 판단하는 제2단계; 및
    상기 판단 결과에 따라, 제어부가 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산출된 피크값의 비율은,
    상기 검출된 전류 신호로부터 산출된 양의 극성 피크값 및 음의 극성 피크값의 비율인 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Converter, ADC) 모듈이 상기 검출된 전류 신호를 샘플링(sampling)하여 시간 영역의 디지털 신호로 변환하는 제1-1단계;
    DFT(Discrete Fourier Transform) 모듈이 상기 변환된 디지털 신호를 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 주파수 영역의 디지털 신호로서 출력하는 제1-2단계; 및
    산출 모듈이 상기 이산 푸리에 변환된 디지털 신호로부터 기본파의 크기, 실효값 및 피크값을 산출하는 제1-3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율은,
    Figure pat00007
    을 이용하여 산출할 수 있고,
    여기서, X는 상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율을 의미하고,
    상기 기본파의 크기와 상기 실효값의 비율이 기 설정된 임계값보다 큰 경우, 트립 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 산출된 피크값의 비율에 근거하여, 상기 검출된 전류 신호가 기 설정된 파형을 가지는 제1 누설 전류 및 기 설정된 파형과 다른 파형을 가지는 제2 누설 전류 중 어느 하나에 해당하는지 여부를 판단하는 제2-1단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 제2-1단계의 판단 결과에 따라, 상기 피크값 및 상기 검출된 전류 신호의 제3 고조파 크기 중 적어도 하나에 근거하여, 트립 신호를 출력하는 제3-1단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제2-1단계는,
    상기 산출된 피크값의 비율이 기준 비율을 초과하는 경우, 상기 제1 누설 전류로 판단하고,
    상기 산출된 피크값의 비율이 상기 기준 비율 이하인 경우, 상기 제2 누설 전류로 판단하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 검출 방법.
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