KR101287173B1 - 절연 감시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절연 감시 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 교류전원의 공급 여부와 관계없이 접지 간 절연 상태를 실시간 측정 및 감시할 수 있는 절연 감시 장치에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하고 생성된 직류전압을 복수의 전원 분리형(isolation) 직류전압으로 출력하는 전원부와, 상기 전원부로부터 출력된 직류전압을 입력받고 접지를 통해 흘러들어오는 전류로부터 비교전압을 검출하는 검출부와, 상기 검출부로부터 입력된 비교전압과 기준전압을 비교하여 절연 저항 값에 대응하는 전압을 출력하며 설정 값을 처리하는 제어부와, 그 절연 저항에 대응하는 값을 설정하며 지시계의 선택 및 내부 설정을 위한 디지털 설정부와, 상기 제어부에서 출력된 전압을 전류로 변환하여 지시기를 구동시키는 미터 구동부와, 그 절연 상태에 따라 경고 표시나 알람을 출력하거나 외부로 접점 출력을 제공하는 알람부를 포함한다.

Description

절연 감시 장치 {Ground monitor}
본 발명은 절연 감시 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 교류전원의 공급 여부와 관계없이 접지 간 절연 상태를 실시간 측정 및 감시할 수 있는 절연 감시 장치에 관한 것이다.
절연 감시 장치는 회로의 절연 상태가 나빠지는 경우를 알아내기 위해 전기설비에 설치하는 장치를 말한다. 절연 감시 장치는 각종 전원, 배전반, 모터 구동기, 히터 조절기 등 전기적 시스템의 절연 감시가 필요한 곳에 설치되며 절연 상태를 연속적으로 측정하고 지시기로 표시하여 감시자가 미터기를 통해 회로의 절연 상태를 확인할 수 있다.
종래의 절연 감시 장치는 트랜스 방식을 채택하여 일정한 교류 전원(AC 110V 또는 AC 220V)만 사용할 수 있어서 입력 전원의 변경에 대하여 대응할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래의 절연 감시 장치는 비교전압을 생성하는 차동증폭기에 입력되는 전압을 변경할 때 저항체를 직접 연결하는 방식을 채택하여 저항체의 특성상 접점 저항성분에 따른 측정오차가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 절연 감시 장치는 아날로그 방식을 채택하여 노이즈에 취약할 뿐만 아니라 AC 성분이 포함된 신호를 가지고 절연 저항 값을 측정하게 되므로 절연 저항 값을 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 절연 감시 장치는 아날로그 선택 스위치 방식이어서 사용자가 기준이 되는 값을 설정 할 때 선택 할 수 있는 폭이 매우 제한적이라는 문제점이 있다.
또한, 종래의 절연 감시 장치는 측정치의 인정 시간(채터링 시간)과 복귀 시간을 설정할 수 없어 외부 노이즈에 대해 취약하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 절연 감시 장치는 사용자가 임의로 외부 지시계(미터기)를 변경할 수 없어서 외부 인터페이스에 대하여 범용적인 지정을 할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 입력 전원의 변경에 상관없이 다양한 입력 전원에 사용 가능한 절연 감시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 접점 저항 성분에 영향을 받지 않고 비교전압을 변경할 수 있는 절연 감시 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 노이즈에 강하며 절연 저항 값을 정확하게 측정할 수 있는 디지털 방식의 절연 감시 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 외부 지시계에 대한 범용적인 설치가 가능한 절연 감시 장치를 제공 하는 것에 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하고 생성된 직류전압을 복수의 직류전압으로 출력하는 전원부와, 상기 전원부로부터 출력된 직류전압을 입력받고 접지를 통해 흘러들어오는 전류로부터 비교전압을 검출하는 검출부와, 상기 검출부로부터 입력된 비교전압과 기준전압을 비교하여 절연 저항 값에 대응하는 전압을 출력하는 제어부와, 상기 제어부에서 출력된 전압을 전류로 변환하여 지시기를 구동시키는 미터 구동부를 포함한다.
상기 전원부는 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하는 브릿지다이오드와, 상기 브릿지다이오드에서 생성된 직류전압을 제1 직류전압으로 변환하는 제1 DC-DC 컨버터와, 상기 제1 직류전압을 제2 직류전압으로 변환하는 제2 DC-DC 컨버터와, 상기 제2 직류전압을 제3 직류전압으로 강압하여 출력하는 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제1 DC-DC 컨버터 또는 제2 DC-DC 컨버터는 전원 분리 기능을 가진다.
상기 검출부는 접지를 통해 흘러들어오는 전류에서 교류성분을 제거하는 AC 신호처리부와, 접지를 통해 흘러들어오는 전류에 의해 발생하는 순간적인 노이즈를 제거하는 신호안정화부와, 상기 AC 신호처리부에서 출력된 신호에서 노이즈를 제거하고 증폭하여 비교전압을 출력하는 차동증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 상기 차동증폭부에서 출력된 신호에 포함된 교류성분을 RMS(Root Means Square) 연산 처리하여 DC 값을 계산하고, DC 값을 반영하여 비교전압을 조정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제어부에 연결되어 상기 접지를 통해 흘러들어오는 전류에 의한 전압 값을 변경하거나, 상기 알람부의 채터링 시간 또는 복귀 채터링 시간을 변경하거나, 외부 지시계의 종류를 설정할 수 있는 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 설정부는 디지털 로터리 스위치 또는 디지털 푸시 스위치로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 교류전압을 정류하여 제1 직류전압을 생성하는 브릿지다이오드와, 상기 브릿지다이오드에서 생성된 제1 직류전압을 제2 직류전압으로 변환하는 전원 분리형 DC-DC 컨버터와, 상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 제2 직류전압을 입력받고 접지단으로부터 흘러들어오는 전류에서 교류성분을 제거하여 비교신호를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 비교신호에 잔존하는 교류성분을 RMS(Root Means Square) 연산 처리하여 직류값을 측정하고, 측정한 직류값을 반영하여 비교신호를 조정하고, 조정한 비교신호와 기준신호를 비교하여 절연 저항 값을 계산하는 제어부를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 트랜스 방식을 사용하지 않고 정류된 신호를 DC-DC 컨버터와 레귤레이터를 통해 강압하여 사용하므로 입력전원에 구애받지 않고 다양한 입력전원에 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 전원부에 전원 분리형 DC-DC 컨버터를 채용하여 스트레스성 노이즈 등에 안정적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 비교전압 변경 시 저항체를 직접 연결하는 방식을 사용하지 않기 때문에 접점 저항 성분 및 저항의 고유 오차 값에 의한 영향을 받지 않아서 더욱 정밀하게 절연 상태를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 마이콤을 사용하여 비교전압 신호에 포함된 AC 성분을 DC 값으로 연산 처리 가능하므로 절연 저항 값을 종래보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 디지털 로터리 스위치 또는 디지털 푸시 스위치를 가짐으로써 설정 값의 범위가 넓고 더욱 세분화된 설정을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 감시 장치는 외부 지시계(미터기)를 다양하게 선택하여 연결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 내부 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 전원부의 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 측정부의 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 미터 구동부의 회로도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 설정부의 회로도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 접점 출력을 제공하는 절연 감시 장치를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 절연 감시 장치의 내부 구성도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 절연 감시 장치는 인쇄회로기판(PCB) 상에 구현되며, 전원부(10), 검출부(20), 제어부(30), 미터 구동부(40), 설정부(50), 알람부(60) 등을 포함한다.
절연 감시 장치는 외부 전원(100)으로부터 전력을 공급받아 동작하고, 교류전원에 직접 연결되어 접지간의 절연상태를 측정하고 지시기(미터기)(200)를 통해 절연 상태를 감시자에게 알릴 수 있다.
절연 감시 장치는 절연 상태를 표시하거나 알람으로 경고하는 방식 외에 접점 출력을 통해 직접 전원 차단용으로 사용할 수도 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 모터 등의 부하 측과 전원 측의 전선 중앙에 마그네트 또는 차단기를 복합 구성하여 직접 전원 차단용으로 사용할 수 있다.
전원부(10)는 외부 전원(100)로부터 교류전압을 공급받아 직류전압을 생성하는 부분이다. 전원부(10)는 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하고 생성된 직류전압을 복수의 직류전압으로 출력한다. 전원부(10)는 인쇄회로기판의 15번 단자 및 16번 단자를 통해 전원(100)와 접속된다. 전원부(10)는 절연소자를 포함하여 외부 또는 내부 파괴 충격으로부터 장치를 보호한다.
검출부(20)는 전원부(10)로부터 출력된 직류전압을 입력받고 접지를 통해 흘러들어오는 전류로부터 비교전압을 검출하는 부분이다. 검출부(20)는 검출한 비교전압을 제어부(30)에 출력한다. 검출부(20)는 인쇄회로기판의 7번 단자와 8번 단자를 통해 교류전원과 측정체 즉, 접지에 접속된다. 이때 알람부(60)는 알람이 아닌 직접 차단의 경우 마그네트 또는 차단기의 구동단자에 직접 접속될 수 있다.
제어부(30)는 검출부(20)에서 검출된 비교전압과 기 설정된 기준전압을 비교하여 절연 저항 값에 대응하는 전압을 출력하는 부분이다. 제어부(30)는 마이콤으로 구현되며, 마이콤의 연산 처리에 의해 절연 저항 값에 대응하는 전압을 생성하고 이를 미터 구동부(40)에 출력한다.
제어부(30)는 설정부(50)로부터 검출부(20)의 측정 전압에 대한 비교전압 변경을 위한 설정값과, 알람부(60)의 채터링 시간 또는 알람 복귀 인정 시간 변경을 위한 설정 값과, 외부 지시계 변경을 위한 설정 값을 입력받는다.
또한 제어부(30)는 절연 저항 값이 설정치를 벗어나면 알람부(60)에 구동신호를 출력한다. 이때 알람부(60)에 모터 등의 부하체와 전원 측의 전선 간 절연상태가 나빠질 경우 상호 단락을 유도할 수 있는 장치를 가질 수 있다.
미터 구동부(40)는 제어부(30)로부터 신호를 입력받아 지시기(200)를 구동시키는 부분이다. 미터 구동부(40)는 제어부(30)에서 출력된 전압을 전류로 변환하고 변환된 전류를 지시기(200)로 보내어 지시기(200)의 바늘을 움직이게 한다. 감시자는 지시기(200)의 바늘이 가리키는 절연 저항 값을 보고 접지 간 절연 상태를 확인하게 된다. 미터 구동부(40)는 인쇄회로기판의 1번 단자 및 2번 단자를 통해 지시기(200)와 접속된다.
설정부(50)는 검출부(20)에서 검출된 비교전압 값을 변경하거나 알람부(60)의 채터링 시간을 변경하기 위한 신호를 제어부(30)에 출력한다. 감시자는 설정부(50)를 통해 비교전압을 변경하고 채터링 시간 또는 복귀 채터링 시간을 변경할 수 있다. 즉, 감시자는 설정부(50)를 통해 알람의 연속감지 시간 또는 복귀 연속감지 시간을 설정할 수 있다. 또한 설정부(50)는 외부 지시계를 설정할 수 있으며, 예를 들어, 1M, 2M 등의 지시계를 설정할 수 있다.
알람부(60)는 제어부(30)로부터 구동신호를 입력받아 경고음이나 경고표시를 출력하는 부분이다. 접지간 절연 상태가 나빠진 경우 알람부(60)는 경고음이나 경고표시를 통해 감시자에게 절연 악화 상황을 알릴 수 있다. 또한 접점 출력 등을 통해 부하 측의 동작전원을 차단할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원부(10)의 내부 회로 구성을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하여 전원부(10)의 동작을 설명한다.
먼저 교류전원 AC 85V~265V가 브릿지다이오드(102) 및 커패시터(103)을 거치면서 정류되어 DC 120V~375V가 된다. 제1 DC-DC 컨버터(104)는 DC 120V~375V를 입력받아 24V를 출력하고, 제2 DC-DC 컨버터(106)는 24V를 입력받아 -5V와 +5V를 출력하고, 레귤레이터(108)는 5V를 입력받아 3.3V를 출력한다.
본 발명의 실시예에서 DC-DC 컨버터는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 사용하고, 레귤레이터는 LDO(Low Drop Output) 전압 레귤레이터 또는 정전압 레귤레이터를 사용한다. 또한, DC-DC 컨버터는 전원 분리(isolation) 기능을 가진 전원 분리형 SMPS이다.
제1 DC-DC 컨버터(104)에서 출력된 24V는 검출부(20)에서 비교전압을 검출하는데 사용되고, 제2 DC-DC 컨버터(106)에서 출력된 5V는 OP AMP 등과 같은 소자를 구동시키는 전압으로 사용되며, 레귤레이터(108)에서 출력된 3.3V는 마이콤에서 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 검출부(20)의 내부 회로 구성을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하여 검출부(20)의 동작을 설명한다.
검출부(20)는 전원부(10)로부터 일정한 DC전압을 입력받아 라인 상에 통전 상태는 물론 비통전 상태에서도 접지 간의 절연 상태를 측정하기 위한 비교전압을 검출할 수 있다.
검출부(20)는 AC 신호처리부(202), 신호안정화부(204), 차동증폭부(206) 등을 포함한다.
AC 신호처리부(202)는 접지단으로부터 흘러들어오는 전류에서 AC 성분을 제거한다. AC 신호처리부(202)는 커패시터(C14)와 분배저항(R5, R9)으로 구성된다. 접지단으로부터 흘러들어온 전류는 커패시터(C14)를 통해 AC 성분이 제거되고 AC 성분이 제거된 전류는 분배저항(R5, R9)을 통해 흐르게 된다.
신호안정화부(204)는 흐르는 전류에 발생하는 순간적인 노이즈 또는 스파크성 노이즈를 제거하여 신호를 안정화시킨다. 신호안정호부(204)는 제너다이오드(ZD)와 커패시터(C9)로 구성된다. 제너다이오드(ZD)는 순간적인 노이즈나 스파크성 노이즈를 제거하고 커패시터(C9)는 노이즈가 제거된 신호를 평활화시켜 안정적인 신호를 생성한다.
차동증폭부(206)는 노이즈를 제거하고 신호를 증폭하는 부분이다. 차동증폭부(206)는 AC 신호처리부(202)를 통해 AC 성분이 제거된 신호(DC 성분)만이 증폭되어 제어부(30)에 입력될 수 있도록 한다. 차동증폭부(206)를 통과한 신호는 제어부(30)에 입력된다.
차동증폭부(206)를 통과한 신호에는 약간의 AC 성분이 존재하므로, 제어부(30)는 약간의 AC 성분을 RMS(Root Means Square) 연산 처리하여 DC 값을 측정하고, DC 값을 반영하여 비교전압을 조정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미터 구동부(40)의 내부 회로 구성을 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 미터 구동부(40)는 제어부(30)로부터 절연 저항 값에 대응하는 전압을 입력받고 OP AMP를 통해 전압을 전류로 변환한다.
아날로그 지시기는 전류 구동방식으로 되어 있다. 따라서 지시기(200)에 연결된 미터 구동부(40)는 제어부(30)로부터 전압을 입력받으면 입력된 전압을 전류로 변환하여 지시기(200)로 출력한다. 미터 구동부(40)에서 출력된 전류에 의해 지시기(200)의 지시자(바늘)가 움직인다. 지시기(200)는 사용자가 설정부(50)의 스위치로 설정하여 임의의 기종을 선택 할 수 있다.
감시자는 지시기(200)를 육안으로 보고 절연 상태를 확인할 수 있으나, 감시자가 항상 지시기(200)가 있는 곳으로 가야만 절연 상태를 확인할 수 있다면 불편할 수 있다. 이에 따라 휴대단말이나 외부 장치를 통해 절연 상태를 감시할 수 있도록 절연 감시 장치에 통신 기능을 부가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 설정부(50)의 내부 구성을 나타낸 것이다.
설정부(50)는 제어부(30)에 연결되어 저항 또는 시간을 설정한다. 종래는 여러 저항값의 저항체를 직접 연결하는 방식으로 비교전압을 변경하였으나, 본 발명에 따른 설정부(50)는 직접 저항체를 바꾸어 비교전압을 변경하지 않고 디지털적으로 비교전압을 변경할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 설정부(50)는 디지털 로터리 스위치나 디지털 푸시 스위치 등으로 구현될 수 있으며, 감시자는 로터리 스위치를 조작하여 제어부(30)에 일정한 신호 값을 입력할 수 있다. 즉, 도 5의 스위치를 통해 비교전압, 입력 채터링 시간 및 복귀시간, 지시계 종류 등을 설정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
10: 전원부 20: 검출부
30: 제어부 40: 미터 구동부
50: 설정부 60: 알람부
100: 전원 200: 지시기(미터기)
102: 브릿지다이오드 104: 제1 DC-DC 컨버터
106: 제2 DC-DC 컨버터 108: 레귤레이터
202: AC 신호처리부 204: 신호안정화부
206: 차동증폭부

Claims (9)

  1. 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하고 생성된 직류전압을 복수의 직류전압으로 출력하는 전원부와,
    상기 전원부로부터 출력된 직류전압을 입력받고 접지를 통해 흘러들어오는 전류로부터 비교전압을 검출하는 검출부와,
    상기 검출부로부터 입력된 비교전압과 기준전압을 비교하여 절연 저항 값에 대응하는 전압을 출력하는 제어부와,
    상기 제어부에서 출력된 전압을 전류로 변환하여 지시기를 구동시키는 미터 구동부를 포함하는 절연 감시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는 교류전압을 정류하여 직류전압을 생성하는 브릿지다이오드와,
    상기 브릿지다이오드에서 생성된 직류전압을 제1 직류전압으로 변환하는 제1 DC-DC 컨버터와,
    상기 제1 직류전압을 제2 직류전압으로 변환하는 제2 DC-DC 컨버터와,
    상기 제2 직류전압을 제3 직류전압으로 강압하여 출력하는 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터는 전원 분리 기능을 가진 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 접지를 통해 흘러들어오는 전류에서 교류성분을 제거하는 AC 신호처리부와,
    접지를 통해 흘러들어오는 전류에 의해 발생하는 순간적인 노이즈를 제거하는 신호안정화부와,
    상기 AC 신호처리부에서 출력된 신호에서 노이즈를 제거하고 증폭하여 비교전압을 출력하는 차동증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 차동증폭부에서 출력된 신호에 포함된 교류성분을 RMS(Root Means Square) 연산 처리하여 DC 값을 계산하고, DC 값을 반영하여 비교전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    절연 저항 값이 설정치를 벗어나면 상기 제어부로부터 구동신호를 입력받아 경고음을 출력하는 알람부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부에 연결되어 상기 접지를 통해 흘러들어오는 전류에 의한 전압 값을 변경하거나, 상기 알람부의 채터링 시간 또는 복귀 채터링 시간을 변경하거나, 외부 지시계의 종류를 설정할 수 있는 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 감시 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 설정부는 디지털 로터리 스위치 또는 디지털 푸시 스위치로 구성된 것을 특징으로 절연 감시 장치.
  9. 교류전압을 정류하여 제1 직류전압을 생성하는 브릿지다이오드와,
    상기 브릿지다이오드에서 생성된 제1 직류전압을 제2 직류전압으로 변환하는 전원 분리형 DC-DC 컨버터와,
    상기 DC-DC 컨버터에서 변환된 제2 직류전압을 입력받고 접지단으로부터 흘러들어오는 전류에서 교류성분을 제거하여 비교신호를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 비교신호에 잔존하는 교류성분을 RMS(Root Means Square) 연산 처리하여 직류값을 측정하고, 측정한 직류값을 반영하여 비교신호를 조정하고, 조정한 비교신호와 기준신호를 비교하여 절연 저항 값을 계산하는 제어부를 포함하는 절연 감시 장치.
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