누전 차단기

누전 차단기 {Leakage Current Detector}

본 발명은 영상 변류기를 이용한 누전 차단기로서, 기존의 누전 차단기가 검출하지 못하는 부하에 흐르는 직류전류를 검출하여 과전류 또는 누전전류 발생 여부를 판단하는 누전 차단기에 관한 것이다.

누전 차단기는 에너지가 있는 전선과 중립 전선 사이의 전류균형이 깨졌을 때, 전류를 차단하는 장치로서, 차단기와 연결된 영상 변류기에 의해 누전되는 전류치를 검출하여 정격감도 이상일 경우 자동으로 상기 전류의 흐름을 차단할 수 있다.

여기서, 도 1에서 도시된 바와 같이, 영상 변류기(20)는 변압기의 2차 측 전선에 흐르는 전류를 검출하는 장치로 누전이 일어나지 않을 경우 전선에 흐르는 백터 합은 "0" 인 것을 근거한다.

즉, 영상변류기(20)는 외부전원(10)과 부하(50) 간을 오고 가는 입력전류 및 출력전류 간의 차이에 의해 발생한 합성자속(B)의 발생 여부를 근거하여 누전 발생 여부를 검출하는 것이다.

발생한 누전은 그 영상 변류기(20)를 지나는 입력전류 및 출력전류 간의 차이를 초래하여 자기장(B)을 생성하고, 그 자기장(B)은 다시 철심을 둘러싼 코일에 의해 제 2 전류(I _c )를 출력하여, 상기 2 전류 값이 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 부하(50)에 흐르는 전류의 흐름을 차단할 수 있다.

여기서, 영상 변류기(20)는 하나의 변류기로서, 변류기가 갖는 기술적 한계를 가진다.

즉, 도 1에서 영상 변류기(20)를 지나는 전류는 직류 및 교류 성분을 갖지만, 이들 간의 (백터)합에 의해 생성되는 2차 측 코일에 흐르는 전류(I _C )는 교류성분만을 포함한다.

따라서, 상기 영상 변류기(20)의 1차 측 코일에 허용치를 초과하는 직류전류가 부하(50)에 흐르더라도, 상기 영상 변류기(30)는 상기 전류의 교류 성분 간의 백터 합만을 고려하여 누전 또는 과전류 발생 여부를 판단하기 때문에 적절한 차단동작을 하지 못하는 문제가 발생한다.

고압 또는 특 고압을 요구하는 산업용 부하 기기에 적절한 외부전원이 공급되는가의 여부는 단순히 그 공급전력의 교류성분만을 검출하여 판단할 수 없다.

즉, 기존의 누전차단기는 과전압, 과전류, 또는 누설전류 여부를 검출시 공급되는 전류의 직류성분이 허용 직류의 크기를 초과하거나 미달하는 경우를 검출할 수 없어, 허용 기준치 범위 밖의 직류전원이 해당부하 기기에 전송되어, 연결된 차단기 및 부하의 손상을 쉽게 초래할 수 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 영상 변류기에 기설정 파형의 전류를 인가하고, 상기 변류기 철심에서 상기 인가된 신호에 의해 생성된 전류신호를 수집하여 외부전원에서 상기 변류기를 거쳐 부하에 흐르는 직류전류을 검출하여, 과전류의 흐름을 정확히 차단하는 누전차단기를 제공하고자 하였다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 누전 차단기는 영상 변류기를 이용하여 누설전류 발생 여부를 검출하는 것으로서, 상기 영상 변류기의 철심에 기설정 파형의 신호를 인가하는 발진부; 및

상기 영상 변류기의 철심에서 상기 인가된 신호에 의해 생성된 전류신호를 수집하여 외부전원에서 상기 영상 변류기를 거쳐 부하에 흐르는 전류의 직류성분을 검출하는 판별부;및

상기 영상 변류기의 철심에서 생성된 전류신호에 상응하는 전압신호를 출력하는 전류/전압 변환기;를 포함한다.

여기서, 상기 판별부는 상기 변류기 철심에 감긴 코일이 발생하는 시간대 별 자장의 강도의 변화와 및 이에 상응한 자속밀도의 변화관계를 근거하여, 상기 발진부가 출력할 파형의 신호를 결정할 수 있다．

또한, 상기 판별부는 상기 변류기 철심에 감긴 코일이 발생하는 시간대 별 자장의 강도의 변화와 및 이에 상응한 자속밀도의 변화관계를 근거하여, 상기 발진부가 출력할 파형의 신호를 결정할 수 있다.

또한, 상기 판별부는, 다음의 공식을 적용하여 상기 발진기가 출력할 파형의 신호를 결정하는 하는데,

여기서, μ ₀ 는 상기 영상변류기 철심(코어)의 유전율, μ _m 는 상기 철심의 유전율에 근거한 상대적 유전율,

그리고, 제2 입력변수는 다음의 공식으로 정의될 수 있다:

여기서, i _p (t)는 외부 전원에서 공급하는 시간에 따른 전류, N는 상기 영상 변류기 철심에 감긴 코일 수, i _L (t)는 본 발명의 발진부(61)가 상기 영상 변류기 철심에 공급하는 시간에 따른 전류，ｌ은 상기 코일의 길이를 나타낸다.

또한, 상기 누전차단기는 상기 발진부가 전송하는 신호에 상응하여 생성되는 상기 변류기 철심의 자속밀도 및 자장의 강도를 나타내는 제1 표시부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 누전차단기는 상기 발진부가 전송하는 신호에 상응하여 검출되는 상기 변류기 철심을 지나는 전선의 직류성분 신호를 표시하는 제2 표시부를 더 포함할 수 있다.

이때，상기 판별 부는 상기 외부전원이 상기 영상 변류기 철심에 공급하는 직류전류, 교류전류, 또는 직류전류 및 교류전류 성분으로 구성된 전류를 검출할 수 있다．

본 발명에 따른 누전 차단기는 기존 변류기가 검출하지 못한 외부공급 전원으로부터 해당 기기에 공급되는 직류전류를 검출하여 해당 변류기의 차단 오차성능을 향상시켰다.

도 1은 일반적 누전차단기의 구성을 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 누전차단기 구성을 나타내고 있다.
도 3은 일반적 누전차단기가 생성하는 자기 이력곡선을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 누전차단기의 신호처리 동작을 나타내고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 누전차단기 동작에 의한 변류기 철심의 자기 이력곡선을 나타내고 있다
도 6은 본 발명에 따른 누전 차단기의 영상 변류기에 전송되는 입력신호들을 나타내고 있다
도 7은 본 발명에 따른 누전 차단기의 판별부가 수신하는 입력신호를 나타내고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 누전차단기의 기본구성을 나타내고 있다.

여기서, 영상변류기 철심(20)은 외부전원(10)과 부하(50) 간의 전선을 둘러싸고, 그 전선에 흐르는 왕복전류가 생성한 자속(B)에 의한 전류량을 누전차단기(60)에 전송한다. 상기 영상 변류기 철심(20)의 자속(B) 원리는 도 1에서 설명한 바와 동일하다.

우선, 발진부(61)는 상기 누전차단기(60)의 일부로서 기설정된 파형을 갖는 전류를 주기적으로 상기 영상 변류기 철심(20)에 전송할 수 있다.

상기 발진부(61)는 증폭기능을 제공하는 능동소자 (트랜지스터 및 부성저항 소자 등) 및 양의 피드백 기능을 제공하고 주파수 선택이 가능한 수동소자로 구성되며, 기 설정된 특정 주파수에서 입력 신호가 없어도 유한한 발진 출력신호를 상기 영상 변류기 철심(20)에 전송할 수 있다.

상기 발진부(61)가 상기 영상변류기 철심(20)에 출력하는 신호는 논리상태 H(high, 논리 1)와 L(low, 논리 0)이 주기적으로 나타나는 클럭신호 또는 정현파 함수신호의 파형을 갖는 신호가 될 수 있다.

상기 출력신호를 수신한 상기 영상 변류기 철심(20)은, 그에 해당하는 자기이력(Magnetic Hysteresis)곡선을 갖게 되는데, 상기 자기 이력곡선에 대해서는 도 5를 통해 살펴보겠다.

전류/전압변환기(62)는 상기 누전차단기의 일부로서, 상기 영상변류기 철심(20)의 자기력에 의해 코일(30)에 흐르는 유도전류를 수신하고, 이에 상응한 전압으로 전환 시키는 장치이다.

상기 전류/전압변환기(62)는 전달저항 증폭기를 통해 구현되고, 그 증폭기의 (-)입력단자에 연결된 가상접지 (Rs)를 통해 상기 수신된 전류신호를 전압신호를로 변환하고 증폭시켜 상기 판별부(63)에 출력시킬 수 있다.

상기 판별부(63)는 상기 누전차단기(60)의 일부로서, 상기 발진부(61)가 상기 영상변류기 철심(20)에 출력한 신호에 의해 상기 외부전원(10)이 상기 부하(50)에 전송하는 직류전류, 교류전류, 또는 직류 및 교류전류 성분을 포함한 전류신호를 검출할 수 있다.

상기 판별부(63)는 검출된 직류 또는 교류 신호가 설정된 허용 기준 전압과 비교하여, 입력이 그 기준 전압을 초과하는지 여부를 판단하고, 그 결과를 디지털 신호로 변환시켜 상기 래치회로(64)를 제어할 수 있다.

상기 래치회로(64)는 상기 판별부(63)가 출력하는 신호에 따라 상기 외부전원 및 부하(기기) 간에 연결된 스위칭소자(40)의 턴-온 또는 턴-오프 동작을 위한 제어신호를 출력한다.

여기서, 상기 래치회로(64) 및 스위칭소자(40)의 구성은 기존의 일반적 래치회로 및 스위칭소자들을 사용하여 구현될 수 있다.

도 3은 영상 변류기를 지나는 외부전원의 공급 전류에 의해 영상 변류기 철심에 발생하는 자기 이력 곡선(Magnetic Hysteresis Curve)을 나타낸다.

여기서, 상기 자기 이력 곡선은 상기 철심을 지나는 입력전류(i ₁ 또는 i ₂ )에 의해 반응하는 상기 영상 변류기의 철심(20)의 자기 이력 곡선이다. 여기서, 수평축은 상기 철심에 인가되는 자장의 강도(H)이고, 수직축은 상기 자장의 강도에 따라 상기 철심이 갖는 자속밀도(B)이다.

이들 간의 관계를 살펴보면, 상기 철심(20)이 전혀 자화되지 않은 상태에서, 외부전원으로부터 일정한 교류성분의 전류를 인가될 때, 초기에 상기 철심(20)의 자속밀도(B)가 매우 급속도로 증가하다가 점차 느려지고, 어느 시점에 이르게 되면 자속밀도(B)가 포화상태로 되어 더 이상 증가하지 않게 된다.

보다 구체적으로, 파선으로 표시된 "０ - a" 구간을 초기 자화 곡선이라 하고, "a" 지점을 자기포화점이라 한다.

자기포화 상태("a")로부터 자장의 세기를 "O" 점까지 점차적 적으로 감소시키면, 처음의 초기 자화곡선을 따라 자속밀도(B)가 감소하는 것이 아니라, ab 곡선을 따라 감소하게 되어 자속밀도는 b 값을 갖게 된다.

여기서, 일정한 비율의 상기 자장(H)의 세기와 감소는 상기 코일에 인가되는 교류신호의 양(+)의 반파신호에 의해 서서히 증가하고 다시 서서히 감소할 수 있다

자장의 세기가 "O" 상태에서 반대방향의 자장을 증가시키면(즉, 상기 교류신호의 음(-) 반파신호를 상기 코일에 걸어주면) 자속밀도(B)는 bc 곡선을 따라 감소되고, 이때 잔류자기가 0(zero)이 될 때까지 걸어주는 자화력을 항자력(0-c)이라 한다.

"c"점의 상태에서 자장의 세기(H)를 반대방향으로 계속 증가시키면 자속밀도는 역자기 포화점("d"점)에 이르게 되고, 다시 정방향의 자장의 세기를 증가시키면 자속밀도가 계속 증가하여 하나의 폐쇄된 루프(abcdefa)가 완성된다.

여기서, 상기 자장의 세기(H)를 반대방향으로 증가시키는 것은 상기 영상 변류기 철심(20)에 인가되는 교류신호의 음(-)의 반파신호에 의해 실현될 수 있다.

여기서, 영상 변류기의 철심이 강 자성체인 경우, 그 철심에 자화전류를 흐르게 하게 자화를 시킨 경우, 그 자화전류의 통전을 중지시켜도 잔류자기가 남게 된다.

또한, 상기 영상 변류기 철심(20)은 높은 항자력 및 자기저항을 갖기 때문에, 외부전원에서 공급되는 직류 오프셋 (DC offset) 된 교류성분의 전류신호에서 상기 직류 전류신호를 검출할 수 없는 문제가 있다.

도 4는 본 발명에 따른 누전차단기가 신호처리 동작을 나타내고 있다.

상기 영상 변류기 철심(20)을 지나는 전류가 하나의 방향을 갖는 전류(I _p )라 가정하고 누전차단기의 신호처리 동작을 살펴보도록 하겠다.

외부전원(10)은 직류 및 교류로 구성된 전류를 영상 변류기(20)를 통해 부하(50)에 전송한다.

발진부(61)는 정해진 주파수에 따라 주기적으로 사각형 파형을 갖는 신호를 상기 변류기 철심(20)에 전송할 수 있다.

상기 발진부(61)의 전송신호에 의해 상기 영상 변류기 철심은 변화된 자기 이력 곡선을 갖게 되고, 사용자는 변화된 자기 이력 곡선을 표시창(미도시)를 통해 확인할 수 있다.

또한, 이를 근거하여, 사용자는 상기 발진부(61)의 전송신호 파장, 주파수, 또는 파장의 크기 등을 변화시켜 사용자가 원하는 자기 이력 곡선을 생성할 수 있다.

또한, 상기 전류/전압 변환기(62)는 사용자가 의도한 상기 철심의 자기 이력 곡선을 통해 상기 변류기 철심으로부터 교류,직류,또는 직류 및 교류로 구성된 신호를 검출할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 누전차단기 동작에 상응하여 변화하는 변류기 철심의 자기 이력 곡선을 나타내고 있다

여기서, 파선으로 표시된 제1 자기 이력 곡선은 도 3에서 도시된 자기 이력 곡선과 동일한 자기 이력 곡선이다.

반면, 실선으로 표시된 제2 자기 이력 곡선은 상기 발진부(61)가 상기 변류기 철심(20)에 전송한 전류(클럭신호)에 의해 변화된 자기 이력 곡선을 나타낸다.

여기서, 상기 제2 자기 이력 곡선은 자장의 강도(H) 변화에 해당하는 자속 밀도(B)의 변화가 상기 제1 자기 이력 곡선보다 상대적으로 가파른 기울기를 갖는다.

이러한 가파른 기울기는, 상기 발진기(61)의 입력신호를 통해 상기 영상 변류기 철심(20)이 항자력, 잔류자기, 및 자기저항이 낮은 자기적 특성을 갖는 것을 나타낸다.

여기서, 상기 코일에 존재하는 자속밀도(B)를 자장의 강도(H)의 함수로 보자면, 다음의 식으로 표현될 수 있다.

여기서, μ ₀ 는 상기 영상 변류기의 철심(코어)의 유전율, μ _m 는 상기 철심(코어)의 유전율에 근거한 상대적 유전율,

_r 은 상기 철심(코어)의 반경을 나타낸다, 또한, 여기서 제 1 입력변수 K 와 제 2 입력변수 H는 아래와 같이 정의된다.

여기서, μ ₀ 는 상기 영상 변류기의 철심(코어)의 유전율, μ _m 는 상기 영상 변류기 철심(코어)의 유전율에 근거한 상대적 유전율,B _s 는 영상 변류기 철심(코어)의 자속밀도(포화단계)를 나타낸다.

여기서, i _p (t)는 외부 전원에서 공급하는 시간에 따른 전류, N는 상기 영상 변류기 철심에 감긴 코일 수, i _L (t)는 본 발명의 발진부(61)가 상기 영상 변류기 철심에 공급하는 시간에 따른 전류，ｌ은 상기 코일의 길이를 나타낸다.

여기서, k의 값 및 외부 전력 공급원(10)으로부터 부하(50)에 흐르는 전류(i _p (t))가 일정한 경우, 항자력, 잔류자기, 및 자기저항이 낮은 철심의 자기적 특성을 발진부(61)의 출력전류를 통해 실현될 수 있다.

사용자는 상기 발진부(61)가 출력하는 전류 i _L (t)를 조절할 수 있으며, 이에 상응하여 변화하는 상기 영상 변류기의 철심(코어)의 자기 이력 곡선은 표시창(미도시)을 통해 나타나므로, 사용자는 의도한 상기 철심(코어)의 자기 이력 곡선을 출력할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상 변류기 철심에 입력되는 복수의 전류신호를 나타내고 있다.

예를 들어, 본 그래프의 수평축은 경과시간(time)을 나타내며, 수직축은 상기 경과시간에 해당하는 전류(mA)를 나타낸다.

본 발명에 따른 일 예로서, 제1 신호(I _P )는 시간의 경과에 따른 외부전원(10)에서 상기 영상 변류기 철심(20)을 거쳐 부하(50)에 전달되는 직류전류(DC Current)를 나타낸다.

또한, 제2 신호(I _OS )는 본 발명에 따른 발진부(61)가 상기 영상 변류기 철심(20)에 전송하는 설정된 주기와 파형을 갖는 전류(클럭신호)를 나타낸다.

또한, 제1 시점(t ₁ )은 상기 클럭 신호가 업(Up) 되는 시점이며, 제2 시점(t ₂ ) 및 제3 시점(t ₃ )은 상기 클럭 신호가 다운(down)되는 시점을 나타내고 있다.

사용자는 이들, 직류전류 및 클럭 신호를 본 발명에 따른 디스플레이부(미도시)를 통해 검출할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 누전 차단기의 전류/전압 변환기가 검출하는 입력신호를 나타내고 있다.

본 그래프의 수평축은 시간의 경과를 나타내고, 수직축은 상기 전류/전압 변환기(62)가 검출하는 상기 시간의 경과에 상응하여 변화하는 부하(50)에 공급되는 전류를 나타내고 있다.

여기서, 검출되는 전류신호는 도 6에서 살펴본 상기 외부전원(10)에서 상기 부하(50)에 공급되는 전류 및 상기 발진부(61)에서 출력하는 클럭신호의 조합에 상응하는 신호이다.

상기 검출된 신호는 상기 외부전원이 출력하는 직류전류의 크기를 나타낸다. 또한, 상기 직류전류 값을 기준으로 발진부(61)의 클럭 신호에 상응하게 상승과 하강을 주기적으로 반복하고 있다.

구체적으로, 도 6에서 개시된 상기 클럭 신호가 상승(Up)하는 제1 시점(t ₁ )에 상응하게, 상기 외부전원의 직류전류 값을 기준으로 상승하는 패턴의 신호가 출력된다. 한편, 상기 클럭 신호가 하강(down)하는 제2 시점(t ₂ ) 및 제3 시점(t ₃ )에 상응하게, 상기 외부전원의 직류전류 값을 기준으로 하강하는 패턴의 신호가 출력된다.

무엇보다, 사용자는 전류/전압 변환기(62)가 검출한 신호를 통해 외부전원(10)이 공급하는 직류전원의 특성을 정확히 파악할 수 있는 것이다.

비록 도시되지는 않았지만, 외부전원(10)에서 상기 영상 변류기 철심(20)을 거쳐 상기 부하(50)에 전달하는 전류가 교류성분 및 직류성분을 포함하는 경우, 상기 누전 차단기는 상기 발진부(61)가 출력하는 신호를 필터링- 아웃(filtering out) 시켜, 상기 철심(20)에 공급되는 전류의 성분을 정확히 검출할 수 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 누전차단기는 해당 주파수 대역을 차단하기 위한 필터회로를 포함할 수 있다.

상기 판별부(63)는 이들 전류 성분을 반영하는 전압 값들이 허용치 내의 직류 및 교류 전압인지 여부를 판단하고, 이를 통해 스위칭 소자(40)의 작동을 제어할 수 있다.

10: 외부전원
20: 영상 변류기(철심)
30: 코일
40: 스위칭 소자
50: 부하
60: 누전차단기
61: 발진부
62: 전류/전압 변환기
63: 판별부
64: 래치회로