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KR20230063511A - 초민감형 누설전류 검출 장치 - Google Patents

초민감형 누설전류 검출 장치 Download PDF

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KR20230063511A
KR20230063511A KR1020210148653A KR20210148653A KR20230063511A KR 20230063511 A KR20230063511 A KR 20230063511A KR 1020210148653 A KR1020210148653 A KR 1020210148653A KR 20210148653 A KR20210148653 A KR 20210148653A KR 20230063511 A KR20230063511 A KR 20230063511A
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current
signal
phase
detection device
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Abstract

본 발명은 초민감형 누설전류 검출 장치에 관한 것으로서, 변류기에서 검출되는 전류 신호와 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력하는 A/D 컨버터, 샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출하는 프로세서 및 측정된 저항성 누설전류를 외부로 전송하는 외부 기기와의 통신을 위한 IoT 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 다수 샘플링에 의한 고밀도 샘플링의 초민감성 누설전류 검출장치를 제공함으로써 누설전류로 인한 각종 사고나 화재 등을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

초민감형 누설전류 검출 장치{High-Sensitive Leak Current Detection Device}
본 발명은 누설전류 검출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선로의 전류와 전압의 피크치를 정밀하게 검출하여 누설전류 측정 정밀도를 현저하게 향상시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
누설전류는 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)가 전기적 벡터의 합계로 배선회로에 흐르게 되는 데, 실제로 화재로 이어지는 누설 전류는 저항성 누설전류(Igr)이다. 일반적인 차단회로들이 누설전류만으로 전기를 차단하고 있어서 정확한 누설전류 판단에 의한 전기 단속관리가 이루어지지 않는 경우가 많다.
용량성 누설전류(Igc)는 형광등, 컴퓨터, 냉장고, 세탁기의 기기에서 필연적으로 발생하게 되는데, 최근에는 용량성 누설전류를 발생하는 부하가 늘어나고 있는 추세로 저항성 누설전류의 크기는 작으나 용량성 누설전류의 값이 커서 회로에 특별한 이상이 없는데도 불구하고 누전차단기가 빈번하게 꺼짐(off)으로 전환되는 일이 발생하고 있다. 이에 사용자는 누전차단기를 불신하게 되어 누선차단기를 제거하거나 꺼두는 일이 빈번하게 발생하고 있으며, 이는 실제 누설전류로 인해 화재가 발생할 경우 인명과 재산의 손실이 발생하게 된다.
한편, 2018년 개정된 전기설비기술기준 제13조(전로의 절연 저항 및 절연 내력)에 따르면 누설전류를 1mA 이하로 유지하여야 하는데, 기존 누설전류 측정기(차단기)는 대부분 측정정밀도가 10mA 수준이므로 측정된 누설전류가 1mA 이하 유지 조건을 만족하는지를 신뢰하기 어려운 문제점이 있다.
이와 관련하여 한국등록특허 제 10-1164009호에는 측정된 누설전류의 아날로그 신호를 디지털 신호인 펄스신호로 발생시키는 제1펄스 발생부와, 전압 센싱부(114)에 의해 측정된 전압을 수신하여 디지털 신호인 펄스신호로 발생시키는 제2펄스 발생부와, 전류펄스 신호와 전압펄스 신호의 시간차를 산출하는 시간차 발생부와, 전압에 대한 전류의 위상차를 산출하는 위상차 발생부와, 측정된 누설전류와 위상차 발생부에서 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류와 무효성분인 용량성 누설전류를 산출하는 누설전류 산출부를 포함하는 원격 검침용 전력량계가 제시되어 있다.
상기 등록특허는 2개의 펄스 간의 시간차여 전류에 대한 전압의 위상차를 산출하므로 상대적으로 저항성 누설전류의 측정 정확도가 높은 장점이 있다. 그러나, 상기 종래기술은 2개의 펄스 발생부와 시간차 발생부 등의 구성이 요구되어 제조 단가가 상승할 뿐만 아니라 여전히 누설전류 측정 정밀도가 1mA의 수준에는 미치지 못하고 있는 실정이다.
이에 간단한 구성을 통해 누설전류를 보다 정밀하게 측정할 수 있는 누설전류 검출 기기에 대한 요구가 높아지고 있다.
1. 한국등록특허 제 10-0876651호 (명칭 : 위상각 산출에 의한 누설전류 측정 및 누전차단 방법) 2. 한국등록특허 제 10-1164009호 (명칭 : 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 전류 파형과 전압 파형의 한 주기에 대하여 다수의 샘플링을 수행하여 정확한 전류와 전압의 피크치를 검출하고, 피크치 간의 시간차를 통해 보다 정확한 위상차를 산출할 수 있도록 하고, 그에 의해 고밀도 샘플링의 초민감성 누설전류 검출장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 변류기에서 검출되는 전류 신호와 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력하는 A/D 컨버터, 샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출하는 프로세서 및 측정된 저항성 누설전류를 외부로 전송하는 외부 기기와의 통신을 위한 IoT 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치가 제공된다.
여기서, 변류기에서 검출되는 전류 신호를 증폭하는 제 1 증폭부 및 선로의 전압 신호를 증폭하는 제 2 증폭부를 포함할 수 있다.
그리고, 제 1 및 제 2 증폭부는 800 ~ 1200배의 증폭률을 갖는 앰프가 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 A/D 컨버터는 전류 및 전압 신호에 대하여 초당 800 ~ 1200개의 데이터를 획득하는 것이 바람직하다.
또한, 적외선량 감지 센서, CO2 센서, 온도센서, 습도센서 중 적어도 어느 하나 이상의 센서가 더 포함되고, 상기 제1 프로세서는 검출된 센서값을 IoT 모듈을 통해 외부로 전송하도록 할 수도 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, R,S,T 3상 선로에 대하여, R,S,T 3상 선로의 누설전류 발생여부를 검출하기 위한 영상변류기, R,S,T 각 상 선로의 전류를 검출하는 제 1 ~ 3 변류기, R,S,T 각 3상의 전압을 검출하는 제 1 ~ 3 전압 감지모듈 및 상기 영상변류기, 제1 ~ 3 전류 감지모듈 및 제 1 ~ 3 전압 감지모듈의 검출신호에 기초하여 누설전류 발생 및 누설전류값을 결정하고, 누설전류 발생 정보 및 누설전류값을 외부로 전송하는 본체모듈을 포함하되, 상기 본체모듈은 각 상의 변류기에서 검출되는 전류 신호와 각 상의 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력하는 A/D 컨버터 및 샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치가 제공된다.
여기서, 상기 본체모듈은 자체 DC 전원 및 제 1 ~ 3 누설전류 검출모듈로 DC 전원을 공급하는 SMPS부와, 검출된 정보 및 이상상태 유무 정보를 표시하는 디스플레이부와, 외부와의 통신을 위한 IoT 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다수 샘플링에 의한 고밀도 샘플링의 초민감성 누설전류 검출장치를 제공함으로써 누설전류로 인한 각종 사고나 화재 등을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도1은 저항성 누설전류와 용량성 누설전류의 누설전류 벡터합을 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 초민감형 누설전류 검출 장치의 제1 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 전류 신호와 선로의 전압 신호의 피크치 검출을 통한 위상차 산출 방법을 설명하는 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 초민감형 누설전류 검출 장치의 제2 실시예를 나타낸 것이다.
도 5 도 4의 인터페이스 모듈의 상세 구성을 도시한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도1은 저항성 누설전류와 용량성 누설전류의 누설전류 벡터합을 나타낸 그림이다.도 1을 참조하면 누설전류 벡터합(Io)은 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)의 벡터합으로 나타남을 알 수 있다.
일반적으로 전류의 순시치를 이용한 누설전류 검출값은 누설전류 벡터합(Io)으로 검출되는데, 용량성 누설전류(Igc)가 큰 경우 저항성 누설전류(Igr)가 작은 경우에도 누설전류 벡터합(Io)은 큰 값이 검출될 수 있다.
실제 문제가 되는 누설전류는 저항성 누설전류(Igr)이므로 정확한 누설전류 검출을 위해서는 누설전류 벡터합(Io)이 아닌 저항성 누설전류(Igr)를 측정하여야 한다.
이때, 정확한 누설전류를 측정하는 방법은 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)의 위상차(θ)를 계산하여 누설전류 벡터합(Io)에 cosθ를 곱해주는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 초민감형 누설전류 검출 장치의 제1 실시예를 나타낸 것이고, 도 3은 전류 신호와 선로의 전압 신호의 피크치 검출을 통한 위상차 산출 방법을 설명하는 그림이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초민감형 누설전류 검출 장치는 변류기(10), 트랜스(20), 제1 및 제2 증폭기(30, 40), A/D 컨버터(50), 제1 프로세서(60), IoT 모듈(70) 및 디스플레이(80)를 포함하여 구성된다.
변류기(10)는 선로에 흐르는 전류를 측정하기 위한 것으로서, 제1 증폭기(30)에서 일정 이득의 신호로 증폭된 후 A/D 컨버터(50)로 입력된다.
트랜스(20)는 선로에 흐르는 전압을 검출하기 위한 것으로서, 제2 증폭기(40)에서 일정 이득의 신호로 증폭된 후 A/D 컨버터(50)로 입력된다.
여기서, 제 1 및 제 2 증폭부(30, 40)는 800 ~ 1200배의 증폭률을 갖는 앰프소자가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 1,000배의 증폭률을 가진 소자가 사용될 수 있다.
A/D 컨버터(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 변류기(10)에서 검출되는 전류 신호와 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력한다. A/D 컨버터(50)는 전류 및 전압 신호에 대하여 초당 800 ~ 1200개의 데이터를 획득하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 분해능이 24 bit/sec로 정밀 측정이 가능하고 초당 1,000개 정도의 데이터를 획득할 수 있는 규격의 A/D 컨버터(50)가 사용될 수 있다.
제1 프로세서(60)는 A/D 컨버터(50)에서 샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 도 3에 도시된 것과 같이 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출한다. 즉, 위에서 설명한 바와 같이 정확한 저항성 누설전류 검출을 위해서는 역률을 계산하여야 하며, 전류신호와 전압신호 간의 위상차를 구하면 역률을 계산할 수 있고, 이를 통해 순수한 저항성 누설전류를 계산할 수 있다.
본 발명에서는 초당 약 1,000개의 데이터를 샘플링하여 전압 신호와 전류 신호의 피크값을 검출하는 것을 통해 매우 정밀하게 전압과 전류 간의 위상차를 계산할 수 있다.
IoT 모듈(70)은 측정된 저항성 누설전류를 메인 모니터링 모듈 또는 외부로 전송하는 것으로서, 누설전류값이 허용치를 초과하는 경우 누설전류 정보 외에 알람 정보를 전송하는 것도 가능하다.
디스플레이(80)는 현재 모듈의 동작 상태 또는 측정된 누설전류 값을 표시하는 장치이다.
도 4는 본 발명에 따른 초민감형 누설전류 검출 장치의 제2 실시예를 나타낸 것이고, 도 5는 인터페이스모듈의 상세 구성을 도시한 것이다.
도 2의 제1 실시예가 단상의 누설전류를 검출하기 위한 장치의 구성인데 반해, 도 4의 제 2 실시예는 3상 전기 장치에서 각 상의 누설전류를 검출할 수 있도록 하는 장치의 구성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 따른 초민감형 누설전류 검출 장치는 영상변류기(100), 제1 ~ 3 변류기(110 ~ 130), 제1 ~ 3 전압 감지모듈(140 ~ 160) 및 본체모듈(170)을 포함한다.
영상변류기(100)는 3상 전류의 벡터합 즉, 3배의 영상전류에 대응하는 2차 전류를 얻도록 구성된 변류기로서, 고감도의 지락보호에 주로 사용된다. 본 실시예에서 영상변류기(100)는 R,S,T 3상 선로에 대하여, R,S,T 3상 선로의 누설전류 발생여부를 검출하기 위한 용도로 사용된다.
제1 ~ 3 변류기(110 ~ 130)는 R,S,T 각 상의 전류신호를 검출하기 위한 것이고, 제1 ~ 3 전압 감지모듈(140 ~ 160)은 R,S,T 각 상의 선로 전압을 검출하기 위한 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본체모듈(170)은 인터페이스 모듈(171), 제2 프로세서(172), IoT 모듈(173), SMPS(174) 및 디스플레이(175)를 포함하여 구성된다.
인터페이스 모듈(171)은 각종 센서 신호를 수집 및 처리하여 제2 프로세서(172)로 전달하기 위한 구성으로서, 온도센서(210), 습도센서(220), CO2센서(230), 적외선센서(240) 등의 각종 센서와, 이들 신호를 증폭 및 필터링하여 출력하는 제1 ~ 5 증폭부/필터(330 ~ 360)와, 검출된 전류신호 및 전압 신호를 증폭하는 제1 및 2 증폭푸(310, 320) 및 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(400)를 포함한다.
제1 및 제2 증폭부(310, 320)와 A/D 컨버터(400)의 구성은 제1 실시예의 제1 및 제2 증폭부(30, 40) 및 A/D 컨버터(50)의 구성과 동일한 것이다.
온도센서(210), 습도센서(220), CO2센서(230), 적외선센서(240) 등은 전기기기의 환경 조건이나 이상 상황 발생 등을 검출하기 위한 것이다. 예를 들어 CO2센서(230)나 적외선센서(240)는 수배전반 등의 전력 장비에서 발생하는 열, 아크, 화재 등을 검출하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
제2 프로세서(172)는 영상변류기(100)의 출력신호에 기초하여 누설전류 발생여부를 감지하고, 각 변류기(110 ~ 130)와 각 전압 감지모듈(140 ~ 160)의 검출 신호에 기초하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 각 상에서 발생한 저항성 누설전류를 산출한다.
IoT 모듈(173)은 측정된 저항성 누설전류를 메인 모니터링 모듈 또는 외부로 전송하는 것으로서, 누설전류값이 허용치를 초과하는 경우 누설전류 정보 외에 알람 정보를 전송하는 것도 가능하다.
SMPS(174)는 자체 DC 전원 및 제 1 ~ 3 누설전류 검출모듈로 DC 전원을 공급하기 위한 것이다.
디스플레이(175)는 검출된 누설전류 정보 및 이상상태 유무 정보를 표시한다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 변류기 20 : 트랜스
30 : 제1 증폭기 40 : 제2 증폭기
50 : A/D 컨버터 60 : 제1 프로세서
70 : IoT 모듈 80 : 디스플레이
100 : 영상변류기 110 ~ 130 : 변류기
140 ~ 160 : 전압감지모듈 170 : 본체모듈
171 : 인터페이스 모듈 172 : 제2 프로세서
173 : IoT 모듈 174 : SMPS
175 : 디스플레이

Claims (7)

  1. 변류기에서 검출되는 전류 신호와 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력하는 A/D 컨버터;
    샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출하는 프로세서; 및
    측정된 저항성 누설전류를 외부로 전송하는 외부 기기와의 통신을 위한 IoT 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    변류기에서 검출되는 전류 신호를 증폭하는 제 1 증폭부 및 선로의 전압 신호를 증폭하는 제 2 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 증폭부는 800 ~ 1200배의 증폭률을 갖는 앰프가 사용되는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 A/D 컨버터는 전류 및 전압 신호에 대하여 초당 800 ~ 1200개의 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  5. 제1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서,
    적외선량 감지 센서, CO2 센서, 온도센서, 습도센서 중 적어도 어느 하나 이상의 센서가 더 포함되고, 상기 제1 프로세서는 검출된 센서값을 IoT 모듈을 통해 외부로 전송하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  6. R,S,T 3상 선로에 대하여, R,S,T 3상 선로의 누설전류 발생여부를 검출하기 위한 영상변류기;
    R,S,T 각 상 선로의 전류를 검출하는 제 1 ~ 3 변류기;
    R,S,T 각 3상의 전압을 검출하는 제 1 ~ 3 전압 감지모듈; 및
    상기 영상변류기, 제1 ~ 3 전류 감지모듈 및 제 1 ~ 3 전압 감지모듈의 검출신호에 기초하여 누설전류 발생 및 누설전류값을 결정하고, 누설전류 발생 정보 및 누설전류값을 외부로 전송하는 본체모듈을 포함하되,
    상기 본체모듈은 각 상의 변류기에서 검출되는 전류 신호와 각 상의 선로의 전압 신호 각각에 대하여 1주기 신호에 대한 다수 개의 값을 샘플링하여 디지털 값으로 출력하는 A/D 컨버터 및 샘플링된 데이터를 처리하여 전류 신호의 피크값과 전압신호의 피크값을 산출하고, 이들 피크값 간의 시간차에 대응하는 위상차를 산출하며, 산출된 위상차를 이용하여 저항성 누설전류를 산출하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 본체모듈은 자체 DC 전원 및 제 1 ~ 3 누설전류 검출모듈로 DC 전원을 공급하는 SMPS부와, 검출된 정보 및 이상상태 유무 정보를 표시하는 디스플레이부와, 외부와의 통신을 위한 IoT 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초민감형 누설전류 검출 장치.
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