KR20200116675A - 아크-차단 신호 컨버터 - Google Patents

아크-차단 신호 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아크-차단 신호 컨버터에 관한 것으로서, 단상 또는 3상의 선로에 설치되는 누전차단기 등의 기존 차단장치의 상류측 혹은 하류측에 삽입 연결하여 유해 아크 발생시 기존 차단장치를 이용하여 전원 차단시켜 아크 차단을 할 수 있는 아크-차단 신호 컨버터에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 분전반 배선 중간에 삽입 설치되며, 각 상별 아크를 검출하여 유해 아크 신호를 기존 설치 차단기를 동작시키는 차단신호로 변환하는 단일 제품으로 된 아크-차단 신호 컨버터를 구성하며, 표시 색깔 및 점멸 상태가 가변될 수 있는 LED표시등을 구성하여 전원 차단 원인과 분전반의 각 분기의 현재 상태를 표시하도록 한다.

Description

아크-차단 신호 컨버터{Arc-break Signal Converter}
본 발명은 아크-차단 신호 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단상이나 3상 전원 배선 중간에 삽입 설치하여 유해 아크 발생시 전원선 상에 설치된 차단장치 기성품을 동작시켜 전원 차단할 수 있도록 아크를 차단 신호로 변환하는 아크-차단 신호 컨버터에 관한 것이다.
전기 화재는 지속적으로 발생되고 있으며, 전기 화재 점유율이 전체 화재의 약 20％대를 유지하고 있다. 국내에서는 전기화재를 예방하기 위하여 누전 차단기를 설치하고 있다. 그러나, 누전 차단기가 일반용 주택에 100％ 설치된 상황에서도 전기화재는 지속적으로 발생하고 있다.
누전 차단기는 과전류 및 누설전류를 차단하는 장치로서, 감전사고를 예방하는 효과는 크지만, 아크가 원인이 되어 발생하는 전기화재를 예방하는 측면에서는 미흡하다. 따라서, 최근까지 전기화재는 감소되지 않고 피해액은 증가되고 있는 실정이다.
1994년, 미국의 주요 재해예방기관인 NFPA, CPSC, UL 등을 주축으로 전기화재의 원인을 규명하기 위하여 합동조사 연구를 수행한 결과, 보고서에 의하면 주택의 전기화재는 40％ 이상이 아크 고장(acr-fault)으로 인하여 발생한다고 보고되고 있다.
이에 따라, 미국에서는 2002년부터 주택의 침실 부하기기 전원회로에 아크 차단기(Arc Fault Circuit; AFCI) 설치를 규정하였고, 2008년부터는 주택의 침실, 거실, 서재, 현관 등 대부분의 전기회로에 아크 차단기를 설치하도록 규정을 강화하였다. 그 결과, 주택의 전기화재가 매우 감소되는 효과를 얻을 수 있었다.
국내에서도 근래에 와서 아크 차단기 개발이 시도되고 있다. 그 예로, 한국등록특허 제10-1124278호(이하, '선행문헌') 외에 다수 등록 및 공개되어 있다.
상기한 선행문헌은 아크 결함을 검출하여 회로를 차단하는 AFCI 차단기의 회로 구동 전원을 교류(AC) 라인 대신 전류변환기(CT)로부터 얻도록 하여 무해아크에 의한 오동작을 방지하고, 회로 동작 이상 여부 및 라인 연결 상태를 확인할 수 있는 구성을 개시하고 있다.
그러나, 상기한 선행문헌을 포함한 종래에는 2개의 전원선(220V) 만을 접속하는 단상용 아크 차단기에 국한되어 개발이 집중되었다.
실제 현장에서는 3상 3선식 또는 3상 4선식 등의 많은 3상용 전원 설비 및 장비가 있고 그 부분에서도 역시 계속적인 아크 사고로 인하여 전기화재가 끊이지 않고 있기 때문에 3상용 아크 차단기 개발이 요구되고 있다.
하지만, 3상용 아크 차단기는 단상용 차단기에 비해서 사용되는 용량의 종류가 엄청나게 많고 정격 전류 및 전압이 상당히 높은 경우가 많아 기술의 난이도가 매우 높고 개발비 또한 크게 들어 미국은 물론 전 세계적으로 제품의 개발과 보급이 전혀 되고 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 3상용 아크 차단기를 독립적으로 설치하지 않더라도 누전 차단기 등의 기존 차단기를 동작시켜 단상 및 3상에서의 아크 결함에 대해 전원 차단할 수 있도록 한 아크-차단 신호 컨버터를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터는, 전원 배선 중간에 삽입 설치되며, 전원선의 각 상에 발생되는 유해 아크를 검출하여 검출되는 아크 신호를 차단신호로 변환하여 선로에 설치되는 차단기를 동작시켜 아크 차단을 수행함을 특징으로 한다.
상기 아크-차단 신호 컨버터는 유해 아크 발생시 누설 신호로 변환하여 누전차단기를 동작시켜 전원 차단되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 아크-차단 신호 컨버터는 전원 배선 중간에 삽입 설치될 수 있도록 하는 각 상별 연결단자, 상기 연결단자에 연결되어 각 상별로 발생되는 아크 신호를 검출하는 아크검출부, 상기 아크검출부에서 검출되는 아크신호를 분석하여 유해 아크 여부를 판단하고, 유해한 아크로 판단시 릴레이를 구동시키는 마이크로프로세서, 상기 마이크로프로세서에 의해 구동되어 차단신호를 내보내는 릴레이, 및 동작 전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 아크-차단 신호 컨버터는, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 각 상별 연결단자를 구성하여 전원 배선 중간에 삽입 설치할 수 있어 신규 전원 설비에서 뿐만 아니라 기존 전원 설비에도 추가 설치가 용이하다.
둘째, 단상이나 3상의 선로 상에 발생되는 유해 아크를 차단신호로 변환하여 누전차단기 또는 아크 겸용 누전차단기 또는 기타 차단기 등의 기존 차단기를 동작시켜 전원 차단함으로써, 3상 전원 설비 전용 아크 차단기의 개발 및 제조에 따른 기술적, 경제적 어려움을 해결할 수 있다.
즉, 독립된 3상용 아크 차단기 제품을 개발 및 제조하지 않더라도 3상용 전원 설비나 장비에서 아크 차단을 할 수 있다. 이로 인하여, 단상은 물론 3상 전원 설비에서의 아크 차단이 가능하여 전기 화재 사고를 획기적으로 감소시킬 수 있다.
셋째, R, S, T, N의 모든 상에 대하여 사고 아크를 감지할 수 있어 3상의 다른 분기에서 발생한 사고 아크로 인한 단상의 아크차단기 오동작을 방지할 수 있다.
넷째, 통신기능을 구비하여 언제, 어디서든 전원 차단 원인 및 각 전원 분기의 상태 모니터링이 가능하여 전기 차단에 의한 위험 상황 발생시 신속한 대처를 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터를 나타내는 외관 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아크-차단 신호 컨버터를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크-차단 신호 컨버터를 나타내는 구성도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터의 설치 형태를 나타내는 개략도,
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터의 결선 형태를 나타내는 구성도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터에 관하여 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터(1)를 보이는 외관도로서, 케이스 외부에 전원 배선 중간에 삽입 설치될 수 있도록 하는 각 상별 연결단자(10), 통신포트(20), 전원스위치(30), 정상 동작 여부를 확인할 수 있도록 하는 테스트버튼(40), 표시 색깔 및 점멸 상태가 가변될 수 있도록 하여 전원 차단 원인과 각 분기의 현재 상태를 표시하는 LED표시등(50)으로 구성된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 아크-차단 신호 컨버터(1)를 나타내는 구성도로서, 도 2는 전류변환기(Current Transform; CT) 일체형으로, 도 3은 CT 분리형으로 각각 구성된다.
도 2 및 도 3을 참조하여 보면, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 각 상별 입력 연결단자(10a)에 연결되어 각 분기별로 발생되는 아크신호를 검출하는 아크검출부(100), 검출되는 아크신호를 분석하여 유해 아크 여부를 판단하고 판단결과에 따라 릴레이를 구동시키는 마이크로프로세서(200), 마이크로프로세서(200)에 의해 구동되어 기 설치된 누전 차단기 등의 차단장치에 차단신호를 내보내는 릴레이(300), 자체적으로 동작 전원을 공급하기 위한 전원부(400)와 통신컨버터(500)를 포함하여 구성된다.
아크검출부(100)는 분기별로 CT(110a∼110d), 밴드패스필터(120a∼120d), OP-AMP(130a∼130d), A/D컨버터(140a∼140d)를 포함하여 구성된다.
CT(110a∼110d)는 아크와 전류를 감지할 수 있는 센서로, 도 2에 보여진 바와 같이, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1) 내부에 포함시켜 구성할 수도 있고, 도 3에 보여진 바와 같이 아크-차단 신호 컨버터(1) 외부로 분리하여 별도 구성할 수도 있다.
밴드패스필터(Band Pass Filter; BPF)(120a∼120d)는 CT(110a∼110d)로부터 전류를 인가받아 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시킨다.
OP-AMP(130a∼130d)는 밴드패스필터(120a∼120d)를 통과한 고주파의 아크 입력을 인가받아 기준레벨과 비교하여 유해 아크만을 출력한다.
A/D컨버터(140a∼140d)는 OP-AMP(130a∼130d)로부터 출력되는 아크파형을 후단의 마이크로프로세서(200)가 처리할 수 있는 디지털 형태로 변환한다.
전원부(400)는 차단기에 의해 전원 차단시에도 전원 공급될 수 있도록 하는 충전 가능한 배터리 전원을 사용함이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 도 4 및 도 5에 보여진 바와 같이, 기존에 설치되어 있는 독립적인 누전 차단기 또는 아크 겸용 누전차단기 등의 차단장치(2) 상류측 또는 하류측의 전원선 상에 연결하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 도 4의 (가) 내지 (다) 및 도 5의 (가) 내지 (다)에 보여진 바와 같이, 단상식, 3상 3선식, 3상 4선식에 설치할 수 있다.
이때, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 도 6 내지 도 9에 보여진 바와 같은 형태로 결선되게 된다.
도 6은 3상 4선식에서 차단장치(2)의 상류측에 설치시 도 2의 CT 일체형 아크-차단 신호 컨버터(1)의 결선 형태를 보여주고, 도 7은 차단장치(2)의 하류측에 설치시의 결선 형태를 보여준다.
도 6 및 도 7에 보여진 바와 같이, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)의 입출력 연결단자(10a,10b)에는 "R,S,T,N"의 4개 전원선이 연결되어 전원 배선 중간에 삽입 설치되게 된다. 이때, 릴레이(300)에는 "R,S,T,N" 중 임의로 2개의 상을 선택하여 연결하거나 하나의 상을 선택하고 나머지는 접지를 연결하면 된다. 단, 릴레이(300)에 연결되는 2개의 상 중 하나는 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류와 연결해야 하고, 나머지 하나는 상류와 연결해야 한다.
도 6에서는, "R"과 "N"의 2개 상을 선택하여 릴레이(300)에 연결하되 "R" 상은 점프 연결단자(10c)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류에 연결하고, "N" 상은 출력 연결단자(10b)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 상류에 연결하게 된다.
도 7에서는, "R"과 "N"의 2개 상을 선택하여 릴레이(300)에 연결하되 "R" 상은 점프 연결단자(10c)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 상류에 연결하고, "N" 상은 출력 연결단자(10b)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류에 연결하게 된다.
이렇게 연결 설치된 상태에서, 아크검출부(100)는 CT(110a∼110d)를 통해 각 상의 선로에 흐르는 전류를 검출하고, 밴드패스필터(120a∼120d)를 이용해 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시킨 후 OP-AMP(130a∼130d)를 이용해 유해 아크만을 출력하고 이를 A/D변환기(140a∼140d)를 이용해 디지털 데이터로 변환한다.
마이크로프로세서(200)는 아크검출부(100)에서 검출된 아크신호가 유해한 아크인지 아닌지를 판단하게 된다.
마이크로프로세서(200)에서 유해한 아크로 판단될 경우 릴레이(300)를 구동시켜 누설신호 등의 차단신호를 인위적으로 발생시켜 누전차단기 등의 차단장치(2)가 동작하여 전원을 차단시키게 된다.
이처럼, 전원 배선 중간에 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)를 삽입 설치하여 아크 발생시 아크를 감지하고 그중 화재의 원인이 되는 유해 아크를 분석 및 구분하여 유해 아크를 검출하고 전기 화재의 원인이 되는 유해 아크로 판명된 부분의 신호를 차단신호로 변환하여 기존 설치 차단장치(2)를 동작시켜 전원을 차단토록 한다. 즉, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 독립적인 차단기가 아니라 유해 아크 발생시 차단신호를 발생하는 것으로, 누전 차단기 등의 기존 차단기를 이용하여 차단하게 된다.
한편, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 내부에 충전 가능한 배터리 전원을 사용하는 전원부(400)의 전원으로 동작하기 때문에, 차단장치(2)에 의해 전원이 차단된 상태에서도 전원 공급 상태가 유지되어 동작하게 된다.
따라서, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)는 아크 결함에 의해 전원 차단이 되더라도 전원을 유지하게 되어 현재 분기의 상태 및 차단 원인 등의 선로의 상태에 대한 정보를 실시간으로 분석할 수 있다.
마이크로프로세서(200)는 분석결과를 LED표시등(50)에 점등 색깔 및 점멸 주기를 다르게 표시하여 차단 원인이나 선로 상태를 사용자가 시각적으로 알 수 있도록 한다.
본 실시예에서, LED표시등(50)는 정상 작동 상태에서 초록색으로, 아크 발생시 파란색, 누전 발생시 빨간색 등으로 구분 표시하여 정상 동작 여부 및 선로의 상태를 시각적으로 확인할 수 있도록 한다. 색깔은 목적에 따라 다르게 할 수 있다.
마이크로프로세서(200)는 또한, 정상적으로 전원이 인가되면 일정한 주기로 정상신호를 생성하고, 아크를 검출하였을 시 아크가 발생하였다는 트립신호를 생성하여 이렇게 생성된 신호를 통신컨버터(500)를 통해 외부로 송신하여 분전반 내의 분기의 전기 상태를 실시간으로 감시하는 분기별 모니터링 기능이 가능하다.
따라서, 위험에 즉각 대처하여야 하는 경우에 요구되는 실시간 차단에 대한 정확한 모니터링이 긴급히 요구되는 경우에 매우 유용하다.
특히, 환풍기, 선풍기 등 공기 순환과 관련된 경우 3상 설비가 되어 있는 경우가 많기 때문에 수천, 수만 마리의 가축을 기르는 계사나 돈사 등 축사 등의 경우 갑작스런 전기 차단에 의한 위험 상황 발생시 그에 대한 모니터링이 즉각 이루어져 신속한 대처를 할 수 있다.
한편, 테스트버튼(40)는 마이크로프로세서(200)에서 릴레이(300)를 구동시키도록 강제 구동 신호를 생성하여 아크 신호가 없더라도 제품의 정상 동작 여부를 확인할 수 있다.
도 8은 3상 4선식에서 차단장치(2)의 상류측에 설치시 도 3의 CT 분리형 아크-차단 신호 컨버터(1)의 결선 형태를 보여주고, 도 9는 차단장치(2)의 하류측에 설치시의 결선 형태를 보여준다.
도 8 및 도 9에 보여진 바와 같이, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)의 입출력 연결단자(10a,10b)에는 "R,S,T,N"의 4개 전원선이 연결되어 전원 배선 중간에 삽입 설치되게 된다. 특히, 입력 연결단자(10a)에는 각 상별 CT(110a∼110d)가 연결된다. 릴레이(300)에는 "R,S,T,N" 중 임의로 2개의 상을 선택하여 연결하거나 하나의 상을 선택하고 나머지는 접지를 연결하면 된다. 단, 릴레이(300)에 연결되는 2개의 상 중 하나는 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류와 연결해야 하고, 나머지 하나는 상류와 연결해야 한다.
도 8에서는, "R"과 "N"의 2개 상을 선택하여 릴레이(300)에 연결하되 "R" 상은 점프 연결단자(10c)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류에 연결하고, "N" 상은 출력 연결단자(10b)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 상류에 연결하게 된다.
도 9에서는, "R"과 "N"의 2개 상을 선택하여 릴레이(300)에 연결하되 "R" 상은 점프 연결단자(10c)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 상류에 연결하고, "N" 상은 출력 연결단자(10b)를 통해 기존 설치 차단장치(2) 단의 하류에 연결하게 된다.
이렇게 연결 설치된 상태에서, CT(110a∼110d)는 각 상의 선로에 흐르는 전류를 검출하여 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)로 인가한다. 아크-차단 신호 컨버터(1)의 아크검출부(100)는 인가되는 전류 신호를 밴드패스필터(120a∼120d)를 이용해 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시킨 후 OP-AMP(130a∼130d)를 이용해 유해 아크만을 출력하고 이를 A/D변환기(140a∼140d)를 이용해 디지털 데이터로 변환한다. 그 이후의 동작은 도 6 및 도 7에서와 동일하게 수행되어 유해한 아크 발생시 기존 설치 차단장치(2)를 이용해 전원 차단하게 된다.
따라서, 본 발명의 아크-차단 신호 컨버터(1)를 이용하면 독립 규격의 차단기와 같이 정격전류 및 전압 등 다양한 규격별 용량별의 규격인증을 요하는 별도의 독립된 차단기 제품을 규격별로 모두 만들 필요가 없게 된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
1 : 아크-차단 신호 컨버터 2 : 차단장치
10 : 연결단자 20 : 통신포트
30 : 전원스위치 140 : 테스트버튼
50 : LED표시등 100 : 아크검출부
200 : 마이크로프로세서 300 : 릴레이
400 : 전원부 500 : 통신컨버터

Claims (7)

  1. 전원 선로에 설치되는 차단기를 이용해 아크에 의한 차단을 수행하는 아크-차단 신호 컨버터에 있어서,
    상기 아크-차단 신호 컨버터는,
    각 상별 연결단자를 구비하여 전원 배선 중간에 삽입 설치되며, 상기 연결단자의 각 상별로 CT가 연결되어 각 상에 발생되는 유해 아크를 검출하고, 검출되는 아크 신호를 차단신호로 변환하여 상기 차단기로 내보냄을 특징으로 아크-차단 신호 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 차단기는 누전차단기이며,
    상기 아크-차단 신호 컨버터는 유해 아크 신호 발생시 이를 누설 신호로 변환하여 누전차단기가 동작되도록 함을 특징으로 하는 아크-차단 신호 컨버터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 아크-차단 신호 컨버터는
    상기 CT로부터 검출되는 전류를 인가받아 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 통과시키기 위한 밴드패스필터, 상기 밴드패스필터를 통과한 고주파 특성의 신호를 인가받아 기준레벨과 비교하여 유해 아크만을 출력하는 OP-AMP, 및 상기 OP-AMP로부터 출력되는 유해 아크 파형을 디지털 형태로 변환하는 A/D컨버터를 구비하여 각 상별로 발생되는 아크 신호를 검출하는 아크검출부;
    상기 아크검출부에서 검출되는 아크신호를 분석하여 유해 아크 여부를 판단하고, 유해한 아크로 판단시 릴레이를 구동시키는 마이크로프로세서;
    상기 마이크로프로세서에 의해 구동되어 차단신호를 내보내는 릴레이; 및
    상기 차단기의 차단 동작에 의해 전원 차단시에도 동작 전원이 공급될 수 있도록 하는 충전 가능한 배터리와, 상기 배터리로부터 동작 전원의 공급을 "온(ON)/오프(OFF)" 조작하기 위한 전원스위치를 구비하는 전원부를 포함하는 아크-차단 신호 컨버터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 아크-차단 신호 컨버터는 표시 색깔 및 점멸 상태가 가변될 수 있도록 하여 전원 차단 원인과 각 분기의 현재 상태를 표시하는 LED표시등을 더 포함하는 아크-차단 신호 컨버터.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 아크-차단 신호 컨버터는 정상 동작 여부를 확인할 수 있도록 하는 테스트버튼을 더 포함하는 아크-차단 신호 컨버터.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 아크-차단 신호 컨버터는 정상적인 전원 인가 상태 및 아크 발생을 외부에서 감시 및 모니터링할 수 있도록 외부와 통신하는 통신컨버터를 더 포함하는 아크-차단 신호 컨버터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 CT는 상기 아크-차단 신호 컨버터의 내부에 일체형이나 외부에 분리형으로 구성 가능함을 특징으로 하는 아크-차단 신호 컨버터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022097864A1 (ko) * 2020-11-03 2022-05-12 주식회사 아이앤씨테크놀로지 아크차단기 겸용 누전차단기

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022097864A1 (ko) * 2020-11-03 2022-05-12 주식회사 아이앤씨테크놀로지 아크차단기 겸용 누전차단기

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