KR100900273B1 - 아크 감지기능을 갖는 전력량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력량계에 관한 것으로, 보다 자세하게는 방전 현상의 일종인 아크를 감지하여 안전성을 극대화한 전력량계에 관한 것이다.

본 발명은 전기적으로 연결된 부하의 소비전력을 측정하기 위한 전력량계로서, 상기 부하의 소비전류에 비례하는 전류출력신호를 생성하는 계기용변류기; 배선의 부하전압에 비례하는 전압출력신호를 생성하는 계기용변압기; 상기 계기용변류기 및 상기 계기용변압기로부터 생성되는 아날로그 형태의 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호를 디지털 형태로 변환시키는 A/D컨버터; 및 디지털 형태로 변환된 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호 전송받고 이를 누적하여 상기 부하에서 소비된 전력량에 대한 소비전력정보를 산출하며, 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호를 참조하여 유해 아크가 발생 유무를 판단하고 위험신호를 출력하는 제어부;를 포함한다.

아크, 불연속, 전기화재, 누전, 전력량계, CT, PT, ZCT

Description

아크 감지기능을 갖는 전력량계{Electronic watt hour meter having arc detection function}

본 발명은 전력량계에 관한 것으로, 보다 자세하게는 방전 현상의 일종인 아크를 감지하여 안전성을 극대화한 전력량계에 관한 것이다.

현재 세계 어느 곳에 가더라도 전기를 이용하고 있지 않은 곳은 없을 정도로 전기 에너지는 우리의 삶과 밀접한 관계를 맺게 되었다.

이러한 전기 에너지는 사용자가 의도하지 않은 과전류나 누전 등의 이유로 사고를 야기할 수 있으며, 이에 따라 사용자를 전기사고의 위험으로부터 보호하기 위해 배선용 차단기나 누전용 차단기 등의 보호 장비가 개발되었다.

그러나, 이와 같은 보호 장비들이 설치되어 있음에도 불구하고, 국내에서 일어나는 화재사고 중 전기화재가 34%의 비중을 차지할 정도로 사용자를 완벽히 보호하지 못하고 있는 실정이다.

이처럼 전기화재가 높은 비중을 차지하는 이유는, 전기화재의 경우 배선용 차단기나 누전용 차단기로 예방할 수 없는 아크 결함(Arc fault)으로 인한 화재의 발생비율이 높기 때문이다.

이러한 아크 결함은 저전류 및 고임피던스의 특성을 가지고, 바이메탈의 동작지점인 차단기의 열적 임계값(Thermalthreshold) 이하의 평균 실효값(Root MeanSquare: RMS)을 갖는 전류를 발생시키기 때문에, 기존의 배선차단기 및 누전차단기가 동작하지 않고 그에 따라 화재가 발생하는 경우가 많아진다.

그럼에도 불구하고, 상기 아크 결함은 벽면 내부의 옥내 배선 등에서 고온으로 발생하기 때문에 매우 위험하다.

아크 결함이 발생하는 원인으로는 가정용, 산업용 등과 같은 일반 전기설비에서 저전압 배전설비의 벽면 등에 설치된 케이블이 열화 또는 노화되거나, 습기나 쥐와 같은 동물들에 의한 손상, 벽면의 못 등에 의한 절연 및 배선 파괴 등을 들 수 있고, 부하율이 낮은 심야 시간에는 순간 과전압이 발전하여 아크가 발생하기도 한다. 또한, 위와 같이 아크가 발생하면 절연체의 표면이 탄화로 인하여 열분해 되어, 전기도체가 되면서 연소 연료의 역할을 수행함으로써 화재가 발생하게 된다.

앞서 살펴본 바와 같은 위험을 안고 있는 아크 결함은 때와 장소를 가리지 않고 사용자에게 큰 위험이 될 수 있으므로, 전기를 사용하는 사용자의 가까이에서 빠르고 정확하게 검출하는 것이 무엇보다 중요하다.

본 발명은 위와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 전력 소비처마다 전력소비를 측정하기 위해 구비되는 전력량계에 아크 감지기능을 부가하여 전기화재사고로부터 사용자를 보호할 수 있는 아크 감지기능을 갖는 전력량계를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기적으로 연결된 부하의 소비전력을 측정하기 위한 전력량계로서, 상기 부하의 소비전류에 비례하는 전류출력신호를 생성하는 계기용변류기; 배선의 부하전압에 비례하는 전압출력신호를 생성하는 계기용변압기; 상기 계기용변류기 및 상기 계기용변압기로부터 생성되는 아날로그 형태의 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호를 디지털 형태로 변환시키는 A/D컨버터; 및 디지털 형태로 변환된 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호 전송받고 이를 누적하여 상기 부하에서 소비된 전력량에 대한 소비전력정보를 산출하며, 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호에 불연속점이 존재하되, 상기 전류출력신호의 크기가 설정 전류크기보다 크고 제 1 설정 시간 내 존재하는 불연속점의 수가 소정 개 이상일 경우, 유해 아크가 발생한 것으로 판단하고 위험신호를 출력하는 제어부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전력 소비처마다 전력소비를 측정하기 위해 구비되는 전 력량계를 통해 부하로부터 소비되는 전력량을 산출하면서도, 유해 아크를 효율적으로 감지함으로써 전기화재사고로부터 사용자를 보호할 수 있다.

아울러 본 발명은 누전과 온도에 의한 이상 유무도 감지할 수 있으며 이러한 감지내용과 산출된 전력량을 통신부를 통해 외부로 전송함으로써 외부에서도 원거리에 위치한 사용자가 용이하게 전력량계의 구동상태를 알 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 감지기능을 갖는 전력량계를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 감지기능을 갖는 전력량계의 구성도이다. 도 1에 도시된 것과 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 감지기능을 갖는 전력량계(100)는 계기용변류기(120)와 계기용변압기(130)와 A/D컨버터(140) 및 제어부(150)를 포함한다.

계기용변류기(CT, 120)는 전원(10)으로부터 공급되는 부하(20)의 소비전류를 검출하여, 이에 비례하는 전류출력신호를 생성한다. 이러한 전류출력신호는 종래의 전력량계에서와 같이 전력량을 산출하는데 이용될 뿐만 아니라, 후술할 제어부(150)가 아크에 따른 위험을 판단하고 이에 따른 조치를 취하는데 이용될 수 있다.

본 발명은 이와 같이 전력량 산출과 아크 감지의 두 기능을 수행함에 있어서 하나의 계기용변류기(120)를 이용하게 되므로, 중복되는 구성에 의한 낭비가 없으며, 전력량계와 아크감지장치를 따로 구비하는 것보다 훨씬 작은 크기로 제작할 수 있는 장점이 있다.

계기용변압기(PT, 130)는 부하(20)와 전기적으로 연결된 배선의 부하전압에 비례하는 전압출력신호를 생성하는데, 이러한 전압출력신호는 계기용변류기(120)에서 생성된 전류출력신호와 함께 부하(20)에 의한 소비전력을 산출하는데 이용된다.

한편, 본 발명에 따른 전력량계는 선택적으로 영상전류변류기(110)를 더 포함할 수 있는데, 영상전류변류기(ZCT, 110)는 전원(10)으로부터 전력을 공급받으며, 전력량계(100)와 전기적으로 병렬 연결된 부하(20)로부터의 누전이 발생하면 영상전류신호를 생성한다.

이러한 영상전류변류기(110)는 누전이 없는 상태에서는 영상변류기를 통해 흐르는 전류와 돌아가는 전류가 서로 상쇄되나, 누전이 발생한 상태에서는 영상변류기를 통해 흐르는 전류에 차가 생기는 원리를 이용하여 누전을 감지하게 된다.

A/D컨버터(140)는 영상전류변류기(110)와 계기용변류기(120) 및 계기용변압기(130)로부터 생성된 아날로그 형태의 상기 영상전류신호와 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호를 디지털 형태로 변환하여 단일 프로세서 칩으로 구현될 수 있는 제어부(150)가 용이하게 인식할 수 있도록 한다.

제어부(150)는 A/D컨버터(140)를 통해 디지털 형태로 변환된 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호 전송받고 이를 누적하여 상기 부하에서 소비된 전력량에 대한 소비전력정보를 산출한다.

계기용변류기(120)와 계기용변압기(130)를 통해 부하(20)에 의한 소비전력량을 산출하는 것은 이미 널리 알려진 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 제어부(150)는 부하(20)에서의 전기사고를 방지하기 위험상황을 판단하는데, 이를 위해 먼저, 영상전류변류기(110)가 누전을 감지하여 영상전류신호를 생성한 경우, A/D컨버터(140)를 통해 디지털 형태로 변환된 상기 영상전류신호를 전송받은 경우 누전위험신호를 출력할 수 있다.

또한, 상기 전류출력신호를 통해 위험상황을 판단하게 되는데, 이를 위해 제어부(150)는 도 3에 도시된 것과 같이 A/D컨버터(140)를 통해 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호에 불연속점이 존재하는지 판단하고, 만일 불연속점이 존재할 경우, 다시 상기 전류출력신호의 크기가 설정 전류크기보다 큰지 판단하게 된다.
여기서, 불연속점이란, 직전의 전류출력신호 평균값을 현재의 전류출력신호 평균값과 비교했을 때, 설정범위 이상을 벗어나 정상적으로 산출될 수 없는 차이값을 보이는 경우를 말하는 것으로, 통칭되는 불연속 디지털 신호의 개념과는 다른 것을 의미한다.
한편, 제어부(150)가 디지털 형태의 상기 출력신호에 불연속점이 존재하는지 판단하는 방법은, 디지털 형태의 전류출력신호에서 샘플링 간격 간의 전류변화 크기를 연산하고, 직전의 샘플링 값을 그 양측의 샘플링값 평균과 비교하여, 상기 직전의 샘플링값과 상기 평균의 차이값이 일정값 이상이면 불연속점이 존재하는 것으로 판단하는 방법 등이 이용될 수 있다.
이와 같은 판단방법은 이미 당해 기술 분야의 종사자에게 널리 알려진 사항이며, 국내 등록특허 제10-0695535호(2007년 3월 8일 등록) 등을 통해 공지된 바 있다.

이때, 상기 설정전류값은 전력량계(100)를 설계하는 설계자가 변경 가능한 값으로, 설계자의 의도와 전력량계(100)에 요구되는 안전기준에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.

또한, 상기 전류출력신호의 크기가 상기 설정 전류크기보다 클 경우, 다시 제 1 설정 시간 내 존재하는 불연속점의 수를 계수하고, 계수된 상기 불연속점의 수가 소정 개 이상인지 판별하여 상기 불연속점의 수가 소정 개 이상일 경우 위험신호를 출력한다.

여기서도, 상기 제 1 설정시간과 소정 개수가 설계자의 의도와 전력량계(100)에 요구되는 안전기준에 따라 얼마든지 달라질 수 있음은 물론이다.

더 나아가 본 발명의 제어부(150)는 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호에 불연속점이 존재하되, 상기 전류출력신호의 크기가 설정 전류크기보다 작고, 제 2 설정 시간 내에 상기 불연속점 간의 폭 변화가 있을 경우, 유해 아크가 존재하는 것으로 판단하고 위험신호를 더 출력할 수도 있다.

여기서, 상기 제 2 설정 시간은 설계자의 의도와 전력량계(100)에 요구되는 안전기준에 따라 달라질 수 있으며, 경우에 따라 상기 제 1 설정 시간과 동일한 값으로 설정될 수도 있다.

한편, 본 발명은 도 1에 도시된 것과 같이 경고신호출력부(160)를 더 포함할 수도 있는데, 이러한 경고신호출력부(160)는 제어부(150)가 위험신호나 누전위험신호를 출력할 경우, 사용자가 청각적으로 인식 가능한 경고신호를 출력한다.

이러한 구성을 통해 본 발명은 원거리에 위치한 사용자도 전기사고에 의한 위험 상황에 처해 있음을 용이하게 인식할 수 있도록 한다.

그리고, 본 발명의 전력량계(100)는 제어부에 의해 산출된 상기 소비전력정보를 사용자가 시각적으로 인식 가능하도록 출력하는 화면표시수단(170)을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 화면표시수단은 도트 매트릭스, 세븐 세그먼트 또는 엘시디를 통해 구현될 수 있다,

또한, 본 발명은 제어부(150)에서 위험신호나 누전위험신호를 출력할 경우, 화면표시수단(180)을 통해 사용자가 시각적으로 인식 가능한 위험경고정보를 출력하도록 할 수 있다.

이와 같이, 화면표시수단(170)을 통해 위험경고정보를 출력함으로써, 본 발명은 사용자가 시각적으로 위험상황을 인지할 수 있도록 한다.

따라서, 청각 능력이 떨어지는 사용자라 하더라도 용이하게 유해 아크로 인한 위험상황을 파악할 수 있다.

나아가, 본 발명은 실시예에 따라 온도감지부(180)를 더 포함할 수 있다.

일반적으로, 누전이나 기타 전기적으로 불안정한 상태에서는 고열이 발생되며, 과열은 오동작의 주요 원인이 되므로 이러한 상태를 감지하여 사용자에게 통보하는 것이 바람직하다.

이를 위해서 본 발명은 전력량계(100) 또는 부하(20)의 주변 대기 온도를 감지하여 위험신호를 출력할 수도 있는데, 이때 온도감지부(180)가 이용된다.

온도감지부(180)는 전력량계(100) 또는 부하(20)의 일단이나 그 부근에 온도센서(미도시) 등을 구비하여 전력량계(100) 또는 부하(20)의 온도를 측정하게 되며, 이렇게 측정된 온도는 제어부(150)에 기설정된 온도정보와 비교된다.

만일 상기 측정된 온도가 기설정된 온도보다 높을 경우 제어부(150)는 화재의 위험이 존재하는 상황인 것으로 판단하고 화재위험신호를 출력하게 된다.

이때 기설정된 온도정보는 전력량계(100)가 설치되는 위치나 부하(20)의 특성 등을 반영하여 변경될 수도 있으며, 이때, 상기 온도센서(미도시)가 구비되는 위치는 사용자의 의도에 따라 전력량계(100) 또는 부하(20)의 내부일 수도 있다.

그리고, 온도비교에 의하여 제어부(150)가 위험신호를 출력하게 되는 경우에는 경고신호출력부(160)와 화면표시수단(170)가 유해아크 감지에 의해 위험신호를 출력된 때와는 다른 정보를 출력하도록 하여 사용자가 현재 위험 상황이 유해아크에 의한 것인지 아니면 과열에 의한 것인지 인식할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이와 더불어, 상기 측정된 온도와 기설정된 온도정보의 비교 결과에 따라 경고신호출력부(160)와 화면표시수단(170)가 다른 정보를 출력하도록 할 수도 있는데, 예를 들어 상기 측정된 온도가 기설정된 온도정보보다 30% 더 높을 경우 화면표시수단(170)은 노란색의 메시지를 출력하고 경고신호출력부(160)는 80dB 수준의 경고신호를 출력하나, 상기 측정된 온도가 기설정된 온도정보보다 60% 이상 더 높을 경우에는 화면표시수단(170)은 붉은색의 메시지를 출력하고 경고신호출력부(160)는 100dB 수준의 경고신호를 출력할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 아크감지기능을 갖는 전력량계는 통신부(190)를 더 포함할 수 있다.

이러한 통신부(190)는 제어부(150)를 통해 산출된 상기 소비전력정보나 상기 온도제어부를 통해 측정된 상기 온도에 관한 정보 또는 상기 제어부로부터 출력된 위험신호나 화재위험신호 또는 누전위험신호를 외부로 송출하여 전력량계의 구동상태를 외부에 위치한 모니터링 시스템(미도시)과 같은 구성을 통해 모니터링할 수 있도록 한다.

나아가, 이렇게 통신부를 통해 외부로 송출된 이러한 각종 정보는 적절한 데이터 변환을 거친 뒤 핸드폰 등의 사용자단말(미도시)로 전송될 수도 있다.

이와 같은 구성을 통해 본 발명은 아크사고 등으로 야기된 위험 상황을 원거리에 위치한 사용자에게 용이하게 통보할 수 있으며, 나아가 서버 등을 통해 위험신호 송수신에 관한 정보를 기록함으로써 위험사고 예상지역을 파악하는데 이용될 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

예를 들어, 제어부(150)를 통해 입력되는 신호들이 미약할 경우 증폭기(AMP, 미도시) 등의 구성을 통해 이들 신호를 증폭하는 등의 구성이 더 포함되는 것도 얼마든지 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 감지기능을 갖는 전력량계의 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 제어부가 유해 아크를 판별하는 과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 영상변류기 120 : 계기용변류기

130 : 계기용변압기 140 : A/D컨버터

150 : 제어부 160 : 경고신호출력부

170 : 화면표시수단 180 : 온도감지부

190 : 통신부

Claims (8)

1. 삭제
2. 전기적으로 연결된 부하의 소비전력을 측정하기 위한 전력량계에 있어서,

   상기 부하의 소비전류에 비례하는 전류출력신호를 생성하는 계기용변류기;

   배선의 부하전압에 비례하는 전압출력신호를 생성하는 계기용변압기;

   상기 계기용변류기 및 상기 계기용변압기로부터 생성되는 아날로그 형태의 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호를 디지털 형태로 변환시키는 A/D컨버터; 및

   디지털 형태로 변환된 상기 전류출력신호 및 상기 전압출력신호를 전송받고 이를 누적하여 상기 부하에서 소비된 전력량에 대한 소비전력정보를 산출하며, 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호에 불연속점이 존재하되, 상기 전류출력신호의 크기가 설정 전류크기보다 크고 제 1 설정 시간 내 존재하는 불연속점의 수가 소정 개 이상일 경우, 유해 아크가 발생한 것으로 판단하고 위험신호를 출력하고, 전송받은 디지털 형태의 상기 전류출력신호에 불연속점이 존재하되, 상기 전류출력신호의 크기가 설정 전류크기보다 작고 제 2 설정 시간 내에 존재하는 불연속점 간의 폭에 변화가 있을 경우 유해 아크가 발생한 것으로 판단하고 위험신호를 더 출력하는 제어부;

   를 포함하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
3. 제 2항에 있어서, 상기 아크 감지기능을 갖는 전력량계는,

   상기 부하로부터의 누전 발생 시 영상전류신호를 생성하는 영상전류변류기를 더 포함하고,

   상기 A/D컨버터는 상기 영상전류변류기로부터 생성되는 아날로그 형태의 상기 영상전류신호를 디지털 형태로 더 변환시키며,

   상기 제어부는, 디지털 형태의 상기 영상전류신호를 전송받을 경우 누전이 발생한 것으로 판단하고 누전위험신호를 더 출력하는 것을 특징으로 하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
4. 제 3항에 있어서, 상기 아크 감지기능을 갖는 전력량계는,

   상기 부하 또는 상기 전력량계 주변의 온도를 측정하기 위한 온도감지부를 더 포함하고,

   상기 제어부는,

   기설정된 화재경고 온도정보가 상기 온도감지부를 통해 측정된 상기 부하 또 는 상기 전력량계 주변의 온도를 초과할 경우 화재위험신호를 더 출력하는 것을 특징으로 하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어부가

   위험신호, 누전위험신호, 화재위험신호 중 어느 하나를 출력할 경우,

   사용자가 청각적으로 인식 가능한 경고신호를 출력하는 경고신호출력부;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 소비전력정보를 사용자가 시각적으로 인식 가능하도록 출력하는 화면표시수단;

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어부로부터 산출된 상기 소비전력정보, 상기 온도감지부를 통해 측정된 상기 온도에 관한 정보, 및 상기 제어부로부터 출력되는 위험신호나 누전위험신 호 또는 화재위험신호를 외부로 송신하기 위한 통신부;

   를 더 포함하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 제어부가 위험신호, 누전위험신호 또는 화재위험신호 중 어느 하나를 출력할 경우,

   상기 화면표시수단을 통해 사용자가 시각적으로 인식 가능한 위험경고정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 아크 감지기능을 갖는 전력량계.

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