KR20230048726A - 삼상 아크 검출 장치 - Google Patents

삼상 아크 검출 장치 Download PDF

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박창일
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Abstract

본 발명은 삼상 상용전원에서 삼상 아크 커플링 회로부를 이용하여 더 간단하고 저렴한 구조로 아크 결함시 발생하는 아크 고주파를 효율적으로 검출하는 삼상 아크 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치에 의하면, 하나의 삼상 아크 커플링회로와 증폭부 및 필터부 회로만으로 아크 검출이 가능하여, 장치의 크기를 작게 구성할 수 있으며, 저렴한 비용의 부품으로 구성이 가능하여 제품의 경쟁력을 높일 수 있으며, 1MHz 이상의 아크 고주파 신호를 추출함으로써, 저주파에 형성되어 있는 부하의 다양한 스위칭 노이즈로부터 분리되어, 더 정확한 삼상 아크 검출이 가능한 장점이 있다.

Description

삼상 아크 검출 장치{Three-phase arc detection device}
본 발명은 삼상 상용전원 환경에서 전기화재의 주 원인이 되는 아크 결함을 검출하기 위한 삼상 아크 검출 장치에 관한 것이다.
국내에서는 전기화재를 예방하기 위한 장치로 누전차단기를 사용하고 있다. 그러나 누전차단기는 과전류 및 누설전류를 차단하는 장치로 감전 사고를 예방하는 효과는 크지만, 아크에 의해 발생하는 전기화재를 예방하는 측면에서는 미흡하다. 누전차단기가 일반용 주택에 100% 설치된 상황에서도 전기화재는 지속적으로 발생하고 있는 것도 이 때문이다.
결국 현행 누전차단기는 감전사고 예방에는 큰 효과를 얻었지만 전기화재 예방에는 미흡한 만큼 아크로 인한 화재를 예방하는 아크차단기의 보급 확대가 절실하다는 게 전문가들의 설명이다.
미국은 1999년 2월 ‘UL 1699 AFCI(Arc-Fault Circuit Interrupters)’를 제정하고 2002년 1월 1일부터 아크차단기를 주택에 의무 적용했다. 2013년 7월에는 국제표준인 ‘IEC 62606 AFDD (Arc Fault Detection Devices)’가 제정돼 세계적으로 아크차단기가 보급될 수 있는 기틀이 마련됐다. 2018년 이후 독일을 시작으로 영국, 오스트리아, 프랑스 등 유럽에서도 시험표준 및 설치기준 제정이 추진돼 아크차단기 보급이 확대되고 있다.
온실가스 감축과 에너지효율의 개선을 위하여 많은 국가에서 전기자동차(EV) 보급 확대정책을 펼치고 있으며 우리 정부도 EV의 보급과 확산을 위해 공공충전인프라 확충, EV구입 및 충전기설치 보조금지급, EV충전용전기의 한시적인 기본요금 면제와 요금 50% 할인 등 다양한 지원을 하고 있다. 따라서, 전기차 충전기의 설치가 매년 확대되고 있는 상황이다. 그러나 전기차 충전기의 설치가 확대됨에 따라 전기차충전기의 화재 발생 빈도도 점차 늘어나고 있는 추세이다. 이에 전기차충전기의 전기화재를 방지하기 위해서는 아크차단기의 설치가 필요하다. 그러나, 지금까지 개발되고 보급되어있는 아크 차단기들은 대부분 2극의 단상용 아크차단기들로, 삼상 전원을 사용하는 전기차충전기에는 적용이 불가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 삼상 아크 검출장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 삼상 아크 검출장치(100)는 전류센서부(110), 증폭부(120), 필터부(110), 아날로그 디지털 변환부(130), 신호 처리부(140), 검출 제어부(150) 및 차단부(170)를 포함하여 이루어진다.
전류센서부(110)는 아크고주파신호를 감지하는 3개의 전류센서(111, 112, 113)를 포함한다. 상기 전류센서(111, 112, 113)는 전류의 변화에 의해 생기는 자기속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 로고스키코일로 구현할 수 있다.
이와 같이 3개의 전류센서(111, 112, 113)를 이용하여 삼상아크차단기를 만들게 되면, 증폭부(120)와 필터부(130)에서도 3개의 증폭기(121, 122, 123)와 3개의 필터(131, 132, 133)를 필요로 한다. 이에 따라 제품이 커지고, 비용이 상승하는 단점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 삼상 상용전원에서 삼상아크 커플링회로를 이용하여 더 간단하고 저렴한 구조로 아크 결함시 발생하는 아크 고주파를 더 정확하고 효율적으로 검출할 수 있는 삼상 아크 검출 장치를 제공하는데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치는, 아크 검출 장치에 있어서, 삼상 상용전원선으로부터 아크 신호를 추출하는 삼상 아크 커플링 회로부를 이용하여 아크 결함시 발생하는 아크를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치는, 상기 삼상 아크 커플링 회로부에서 출력된 상기 아크 신호를 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부로부터 출력되는 아크 신호로부터 노이즈는 제거하고 두드러진 아크 신호 만을 추출하는 필터부; 상기 필터부에서 출력되는 아날로그의 아크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 아날로그 디지털 변환부에서 출력되는 아크 신호의 주파수를 분해하여 분석하는 디지털 신호 처리부; 및 상기 주파수 분석결과를 근거로 최종 아크 발생 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 부하에 연결된 차단기의 차단 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 삼상 아크 커플링 회로부는, 상기 삼상 상용전원선에 연결된 제1, 제2 및 제3 캐패시터로 이루어진 고주파통과 필터부; 1차 코일의 3개 입력 탭이 상기 제1, 제2 및 제3 캐패시터에 연결된 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 2차 코일의 양측 탭에 연결된 제4 및 제5 캐패시터를 구비한 고주파 커플링부; 및 상기 제4 및 제5 캐패시터의 사이에 직렬 연결된 제1 및 제2 2저항과, 상기 제1 및 제2 저항의 연결 노드와 전원전압의 사이에 연결된 제3 저항을 구비한 디씨 오프셋 설정부;를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제4 및 제5 캐패시터는 상기 아크 신호를 커플링하는 역할을 수행한다.
또한 상기 제4 및 제5 캐패시터의 용량 조절에 의해 상기 아크 신호의 주파수가 조절될 수 있다.
상기 디씨오프셋 설정부는. 상기 고주파 커플링부에서 출력되는 상기 아크 신호의 레벨을 미리 설정된 디씨(DC) 레벨로 설정해 주는 역할을 수행한다.
상기 증폭부는, 상기 아크 고주파 커플링 회로부에서 추출된 아크 신호를 상기 아날로그 디지털 변환부의 입력 범위로 증폭할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부는 상기 아날로그 디지털 변환부로부터 공급되는 디지털의 아크 신호를 FFT(Fast Fourier Transformation) 신호처리 알고리즘을 이용하여 주파수 분해한다.
상기 삼상 아크 커플링 회로부에서 추출되는 상기 아크 신호의 주파수는 1MHz 내지 30MHz인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치에 의하면 하나의 삼상 아크 커플링회로와 증폭부 및 필터부 회로만으로 아크 검출이 가능하여, 장치의 크기를 작게 구성할 수 있으며, 저렴한 비용의 부품으로 구성이 가능하여 제품의 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 1MHz 이상의 아크 고주파 신호를 추출함으로써, 저주파에 형성되어 있는 부하의 다양한 스위칭 노이즈로부터 분리되어, 더 정확한 삼상 아크 검출이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 삼상 아크 검출 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 삼상 아크 커플링 회로부의 상세 회로도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 삼상 아크 검출 장치(200)는, 삼상 아크커플링회로부(210), 증폭부(220), 필터부(230), 아날로그 디지털 변환부(240), 디지털 신호 처리부(250), 제어부(260) 및 차단부(270)를 포함하여 이루어진다.
삼상 아크커플링회로(210)는 상용 삼상 전원선(R,S,T)으로부터 고주파의 아크 신호를 추출한다.
증폭부(220)는 상기 아크 신호를 증폭하여 필터부(230)에 전달한다.
상기 필터부(230)는 상기 증폭부(220)에서 증폭된 아크 신호로부터 노이즈는 제거하고 두드러진 아크 신호만을 추출한다.
아날로그 디지털 변환부(240)는 상기 필터부(230)에서 출력되는 아날로그의 아크 신호를 디지털 신호로 변환한다.
디지털신호 처리부(250)는 디지털 신호로 변환된 아크 신호의 주파수를 분해하여 분석하여 제어부에 전달한다.
제어부(260)는 디지털신호 처리부(250)에서 처리된 상기 주파수 분석 결과를 근거로 최종 아크 발생 여부를 확인하고, 그 확인 결과 아크가 발생된 것으로 판단 될 때 부하에 연결된 차단기(270)를 동작시킨다.
삼상 아크 커플링 회로부(210)는 삼상 상용 전원선(R,S,T)에 연결되어 그 삼상 상용 전원선(R,S,T)을 통해 입력되는 60Hz의 전원 신호는 차단하고, 1MHz 내지 30MHz의 특정 주파수 범위의 아크 신호를 추출한다. 삼상 아크 커플링 회로부(210)의 상세 구성은 도 3을 참고하여 후술하기로 한다.
증폭부(220)는 상기 삼상 아크 커플링 회로부(210)에서 추출된 아크 신호를 아날로그 디지털 변환부(240)의 입력 범위로 증폭한다.
필터부(230)는 상기 증폭부(220)로부터 공급되는 증폭된 아크 신호에 대하여 백그라운드 노이즈를 제거하고, 가장 두드러진 아크 신호만을 통과시킨다.
아날로그 디지털 변환부(240)는 상기 필터부(230)로부터 공급되는 아날로그의 아크 신호를 디지털의 아크 신호로 변환한다.
디지털 신호 처리부(250)는 상기 아날로그 디지털 변환부(240)로부터 공급되는 디지털의 아크 신호를 FFT(Fast Fourier Transforation) 신호처리 알고리즘을 이용하여 주파수 분해하고 그 분해된 주파수를 분석한다.
제어부(260)는 상기 디지털 신호 처리부(150)에서 분석된 결과를 근거로 아크 발생 여부를 판단하게 되는데, 아크가 발생된 것으로 판단되는 경우 제어 신호(CTL)를 출력한다.
차단기(270)는 아크 발생시 상기 삼상 상용 전원선(R,S,T,N)을 통해 부하에 공급되는 상용 전원을 차단하는 역할을 한다. 차단기(270)는 평상시 온 상태를 유지하여 상용 전원선(R,S,T,N)을 통해 공급되는 상용 전원을 부하에 전달한다. 그러나, 차단기(270)는 상기 상용 전원선(R,S,T,N)에 아크가 발생되어 상기 제어부(260)로부터 상기 제어 신호(CTL)가 공급되는 경우에는 상기 제어 신호(CTL)에 의해 차단 동작하여 부하에 공급되고 있던 상용전원을 차단시킨다.
도 3은 도 2에 도시된 삼상 아크 커플링 회로부의 상세 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 삼상 아크 커플링 회로부(210)는 고주파 통과 필터부(211), 고주파 커플링부(212) 및 디씨 오프셋 설정부(213)를 포함한다.
고주파 통과 필터부(211)는 삼상 상용 전원선(R,S,T)에 연결된 3개의 캐패시터(C1,C2,C3)를 포함하여 이루어진다.
고주파 커플링부(212)는 1차 코일의 3개의 입력 탭이 상기 캐패시터(C1,C2,C3)에 연결된 트랜스포머(T)와, 상기 트랜스포머(T)의 2차 코일의 양측 탭에 연결된 커패시터(C4,C5)를 포함하여 이루어진다.
디씨 오프셋 설정부(213)는 상기 커패시터(C4,C5)의 사이에 직렬 연결된 저항(R1,R2)과 그 저항(R1,R2)의 연결 노드와 전원전압(VDD)의 사이에 연결된 저항 (R3)을 구비한다.
도 3을 참조하면, 고주파 통과 필터부(211)는 상기 삼상 상용 전원선(R,S,T)을 통해 전송되는 신호들 중에서 60Hz의 전원 신호는 차단하고 상기 아크 신호를 통과시키는 역할을 한다.
고주파 커플링부(212)의 트랜스포머(T)는 상기 고주파 통과 필터부(111)와 절연된 상태를 유지하면서 상기 아크 신호를 다음단으로 전달하는 역할을 한다. 고주파 커플링부(212)는 트랜스포머(T)의 2차 코일과 커패시터(C4,C5)의 용량을 조절하여 커플링되는 아크 신호의 주파수를 조절할 수 있다.
디씨 오프셋 설정부(213)는 상기 고주파 커플링부(212)에서 출력되는 아크 신호의 레벨을 미리 설정된 디씨(DC) 레벨로 설정해 주는 역할을 수행한다.
결국, 상기와 같은 삼상 아크 커플링 회로부(210)를 이용하면, 1MHz 내지 30MHz 사이의 아크 신호를 검출할 수 있으며, 삼상 상용 전원선(R,S,T)에 1000A 이상의 대전류가 흐르더라도, 아크 신호를 검출할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
210 : 삼상 아크 커플링 회로 220 : 증폭부
230 : 필터부 240 : 아날로그 디지털 변환부
250 : 디지털 신호 처리부 260 : 제어부
270 : 차단기

Claims (9)

  1. 아크 검출 장치에 있어서,
    삼상 상용전원선으로부터 아크 신호를 추출하는 삼상 아크 커플링 회로부를 이용하여 아크 결함시 발생하는 아크를 검출하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삼상 아크 커플링 회로부에서 출력된 상기 아크 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부로부터 출력되는 아크 신호로부터 노이즈는 제거하고 두드러진 아크 신호 만을 추출하는 필터부;
    상기 필터부에서 출력되는 아날로그의 아크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부;
    상기 아날로그 디지털 변환부에서 출력되는 아크 신호의 주파수를 분해하여 분석하는 디지털 신호 처리부; 및
    상기 주파수 분석결과를 근거로 최종 아크 발생 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 부하에 연결된 차단기의 차단 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 삼상 아크 커플링 회로부는
    상기 삼상 상용전원선에 연결된 제1, 제2 및 제3 캐패시터로 이루어진 고주파통과 필터부;
    1차 코일의 3개 입력 탭이 상기 제1, 제2 및 제3 캐패시터에 연결된 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 2차 코일의 양측 탭에 연결된 제4 및 제5 캐패시터를 구비한 고주파 커플링부; 및
    상기 제4 및 제5 캐패시터의 사이에 직렬 연결된 제1 및 제2 2저항과, 상기 제1 및 제2 저항의 연결 노드와 전원전압의 사이에 연결된 제3 저항을 구비한 디씨 오프셋 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제4 및 제5 캐패시터는 상기 아크 신호를 커플링하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제4 및 제5 캐패시터의 용량 조절에 의해 상기 아크 신호의 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 디씨오프셋 설정부는
    상기 고주파 커플링부에서 출력되는 상기 아크 신호의 레벨을 미리 설정된 디씨(DC) 레벨로 설정해 주는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  7. 제3항에서, 상기 증폭부는
    상기 아크 고주파 커플링 회로부에서 추출된 아크 신호를 상기 아날로그 디지털 변환부의 입력 범위로 증폭하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는
    상기 아날로그 디지털 변환부로부터 공급되는 디지털의 아크 신호를 FFT(Fast Fourier Transformation) 신호처리 알고리즘을 이용하여 주파수 분해하는 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 삼상 아크 커플링 회로부에서 추출되는 상기 아크 신호의 주파수는 1MHz 내지 30MHz인 것을 특징으로 하는 삼상 아크 검출 장치.
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