KR101307318B1 - 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법 - Google Patents

전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법에 관한 것으로서, 특히 상용전원과 인체사이에 존재하는 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류의 크기와 위상을 분석하기 위한 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법에 관한 것이다.
본 발명은 전기재해 예방 기술로서의 누설전류 감시 기술의 유효성을 분석하기 위해 인체 임피던스 모델 및 데이터로부터 인체의 임피던스 위상을 추정하고 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류의 크기와 위상을 분석하기 위한 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류 분석방법을 제공함에 있다.

Description

전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법{Method for analyzing body current passing through resistance leakage current path}
본 발명은 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법에 관한 것으로서, 특히 상용전원과 인체사이에 존재하는 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류의 크기와 위상을 분석하기 위한 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법에 관한 것이다.
종래, 공개특허 제2011-0032871호, "누전 차단장치"외에 다수 출원 및 공개된 바 있다.
종래기술에 의하면, 내부에 전원을 제공하는 전원부를 포함하는 누전 차단장치에 있어서, 배전선로에 발생한 서지전류 및 누설전류를 검출하기 위한 영상변류기(ZCT); 상기 서지전류 또는 누설전류에 의해 상기 영상변류기의 2차 코일에 유기된 전압에 대응하는 신호를 출력하고 상기 누전 차단장치의 동작을 위한 동작신호가 수신되면 상기 누전 차단장치를 동작시키는 제어부; 및 상기 제어부로부터 출력되는 신호의 지속시간에 따라 서지전류 또는 누설전류의 발생 여부를 결정하여 누설전류 발생시에는 상기 누전 차단장치의 동작신호를 상기 제어부로 출력하는 서지보호부; 를 포함한다.
누설전류는 전기기기 및 선로 등에서의 절연고장 뿐만 아니라, 노이즈 필터의 커패시터와 부유 정전용량 등에 의해서도 발생할 수있다.
이런 누설전류는 경우에 따라, 감전사고와 전기화재 등의 사고원인이 될 수 있기 때문에 누전차단기를 설치하여 제한하고 있다.
라인필터 등에는 전원노이즈 제거를 위하여 전원과 접지 사이에 바이패스 커패시터를 설치한다.
이런 커패시터를 통하여 전원에서 접지로 용량성 전류가 흐르고 누전차단기는 이 전류를 누전으로 오인한다.
그러나 디지털 부하의 증가에 따라 전원 노이즈 제거용 커패시터의 적용이 급증하고 있어, 절연고장이 없는 상태에서도 용량성 누설전류가 크게 발생하여 원하지 않는 누전차단기 트립이 발생하기도 한다.
본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 전기재해 예방 기술로서의 누설전류 감시 기술의 유효성을 분석하기 위해 인체 임피던스 모델 및 데이터로부터 인체의 임피던스 위상을 추정하고 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류의 크기와 위상을 분석하기 위한 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류 분석방법을 제공함에 있다.
본 발명은 (a) 데이터베이스에 저장된 인체 임피던스 모델에 따른 인체 임피던스 데이터 중, 인체 임피던스 값에서 인체 내부저항을 차감하여 접촉전압에 따른 피부저항 추정치에 대한 피부저항 추정데이터를 산출하는 단계; (b) 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 인체 내부저항을 이용하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출하는 단계; (c) 피부 커패시턴스 추정데이터를 이용하여 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출하는 단계; (d) 상기 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터와 인체위상 추정부의 인체 임피던스위상 추정데이터를 이용하여 저항성 누설경로를 통해 인가되는 각 접촉전압별로 인체 임피던스를 산출하는 단계; (e) 상기 각 접촉전압별 인체 임피던스를 이용하여 인체에 작용하는 접촉전압에 대한 누설경로의 저항성분 값을 산출하는 단계; 및 (f) 상기 저항성 누설경로 저항성분 값에 대한 인체 통전전류의 크기와 위상을 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 (a) 단계는, (a-1) 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터를 불러들이는 단계; (a-2) 상기 인체 임피던스 데이터 중, 접촉전압별 DC 임피던스 값에서 인체 내부저항을 차감하여 피부 저항 추정치(Ω)를 산출하는 단계; 및 (a-3) 접촉전압(V)에 따른 피부저항 추정치(Ω)에 대한 피부저항 추정데이터를 출력하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 (b) 단계는, (b-1) 인체 임피던스 데이터 중, 각 접촉전압별 60Hz 전원에 대한 인체 임피던스 값을 이용하여 R1과 R2에 각각 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 인체 내부저항을 인체 임피던스식(수학식 2)에 대입하는 단계; 및 (b-2) 상기 제 (b-1) 단계의 결과에서, 피부 리액턴스 값(1/jωC1)을 반복 계산하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 2]
Figure 112013071456854-pat00001
또한 바람직하게 상기 제 (c) 단계는, (c-1) 상기 피부 커패시턴스 추정데이터를 피부 임피던스식(수학식 3)에 대입하는 단계; (c-2) 상기 제 (c-1)의 결과에서, 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure 112013071456854-pat00002
그리고 바람직하게 제 (d) 단계는, (d-1) 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 단계; (d-2) 상기 위상 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 위상을 산출하는 단계; (d-3) 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 단계; 및 (d-4) 상기 크기 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 크기를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전기재해 예방 기술로서의 누설전류 감시 기술의 유효성을 분석하기 위해, 인체 임피던스 모델 및 데이터로부터 인체의 임피던스 위상을 추정하고 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류의 크기와 위상을 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석장치의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석장치의 인체 임피던스 모델을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 임피던스 모델을 단순하게 표현한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 임피던스 벡터도에 관한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저항성 누설경로를 통한 통전 임피던스 모델에 관한 도면이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류 분석방법에 대한 흐름도이며,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S2 단계의 피부저항 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S4 단계의 피부 커패시턴스 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이며,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제 S6 단계의 인체 임피던스 위상 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이고,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S8 단계의 인체 임피던스위상 및 크기 산출과정에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명에 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 인체 임피던스 위상분석장치의 인체 임피던스 모델을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인체 임피던스 모델을 단순하게 표현한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체 임피던스 벡터도에 관한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저항성 누설경로를 통한 통전 임피던스 모델에 관한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류 분석방법에 대한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S2 단계의 피부저항 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S4 단계의 피부 커패시턴스 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제 S6 단계의 인체 임피던스 위상 추정데이터 산출과정에 대한 흐름도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제 S8 단계의 인체 임피던스위상 및 크기 산출과정에 대한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석장치는 데이터베이스(100), 인체위상 추정부(200), 인체위상 분석부(300), 저항성 누설경로 분석부(400), 통전전류 산출부(500)를 포함한다.
데이터베이스(100)는 인체 임피던스 모델에 따른 인체 임피던스 데이터가 저장된 구성이다.
여기서, 인체 임피던스 모델은 도 2와 같이 인체 내부를 순수 저항(Ri)성분으로, 입,출력 접촉 부위는 각각 피부 저항(Rs)과 피부 커패시터(Cs)의 병렬 구성으로 모델링할 수 있다.
이때, 인체 내부에도 커패시턴스 성분이 존재하지만 작은 값이므로 일반적으로 생략하여 해석한다. 또한 피부저항과 피부커패시터의 병렬 RC회로와 인체 내부 저항 사이에는 피하조직의 저항 성분이 존재하지만 별도로 분리하여 고려하지 않고 인체 내부 저항에 포함하여 해석한다.
도 2의 인체 임피던스모델이 도 3의 모델보다는 실제 인체와 좀더 유사한 모델이나, 계산상의 복잡성으로 인해 도 3의 모델로 단순화하여 표현할 수 있다.
도 3의 C1 및 R1 값은 손-손 접촉모델(R1=2Rs, C1=Cs/2, R2=Ri), 양손-양발 접촉모델(R1=Rs, C1=Cs, R2=Ri), 손-엉덩이 접촉모델(R1=Rs, C1=Cs, R2=Ri) 등과 같이 접촉모델에 의존하며, R2값은 인체 내부저항값(Ri)으로 접촉모델과 상관없이 항상 동일하다.
피부 커패시턴스 값 Cs는 접촉면적에 따라 차이가 있다. 1cm2 면적당 피부 커패시턴스의 실험적인 값은 0.01 uF/cm2 에서 0.05 uF/cm2로 단위 접촉면적당 커패시턴스를 이용하여 계산하면, 접촉 면적이 각각 대(82cm2), 중(12.5cm2), 소(1cm2)일 때, 피부커패시턴스 Cs값의 범위는 다음의 식과 같다.
[수학식 1]
Figure 112013071456854-pat00003
인체 임피던스의 전체 값은 접촉전압, 전원주파수, 접촉면적, 온도, 습기, 인체 통전 경로에 따라 다르다.
다음의 표 1은 IEC 60479-5의 데이터를 정리한 것으로, AC 60㎐전원과 DC전원에서 접촉전압에 따른 인체임피던스 값이다. 표 1의 감전조건은 손-손 감전경로에 대하여, 접촉면적이 대(10,000 ㎠)일 경우이다.
[표 1] (전체 인체 임피던스, 손-손 접촉모델, 접촉면적 10,000cm2, 건조)
Figure 112013071456854-pat00004
접촉전압이 높으면 피부조직이 파괴되어 인체 내부 저항성분만 나타나며, 접촉전압이 낮을수록 피부 임피던스가 크게된다. 표1로부터 접촉전압이 200 V 이상인 경우　AC 60 ㎐전원과 DC전원에 대한 인체 임피던스는 거의 차이가 없음을 알수있다. 즉, 피부 커패시턴스 영향이 매우 작아지게 된다.
따라서 상용전원(220 V, 60 ㎐)과 대지 사이에 인체가 직접 접촉되는 경우에는 인체는 거의 저항성분으로 해석할 수 있다.
접촉전압 및 기타 조건별로 인체 임피던스 크기와 위상 데이터를 정확히 구하면 다양한 인체 감전전류에 대한 시뮬레이션이 가능하게 된다.
인체위상 추정부(200)는 인체 임피던스 데이터로부터 피부 저항과 피부 커패시턴스를 추정하여 이를 토대로 인체 임피던스 위상을 산출하는 구성이다. 이러한 기능을 수행하기 위한 인체위상 추정부는, 피부저항 추정모듈(210), 피부 커패시턴스 추정모듈(220), 인체 임피던스 추정모듈(230)을 포함한다.
피부저항 추정모듈(210)은, 인체 임피던스 위상을 추정하기 위해 먼저, 데이터베이스(100)의 인체 임피던스 데이터를 불러들이고, 표 1의 접촉전압별 50백분위 DC 임피던스 값에서 50백분위 인체 내부저항을 차감하여, 접촉전압(V)에 따른 피부저항 추정치(Ω)에 대한 피부저항 추정데이터를 산출한다.
도 3의 인체 임피던스 모델에 DC전압이 인가되면 피부 커패시터는 개방회로로 볼 수 있다. 따라서 표 1의 접촉전압별 DC 인체 임피던스 값에서 인체 내부 저항을 뺀 값을 피부 저항값으로 볼 수 있다.
표 1의 접촉전압별 50백분위 DC임피던스 값에서 50백분위 인체 내부저항을 차감하여 계산한 피부저항 추정데이터는 다음의 표 2와 같다.
[표 2] 피부저항 추정(손-손 접촉모델, 접촉면적 10,000cm2, 건조)
Figure 112013071456854-pat00005
피부 저항을 추정하는 방법과 유사한 방법으로 상용 주파수에서 피부 커패시턴스를 추정할 수도 있다.
피부 커패시턴스 추정모듈(220)은, 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터(표 1)에서, 각 접촉전압별 60Hz 전원에 대한 50백분위 인체 임피던스 값을 사용하여 R1과 R2에 각각 피부저항 추정데이터(표 2)의 접촉전압별 피부 저항과 50백분위 인체 내부저항을 다음의 인체 임피던스식(수학식 2)에 대입한 후, 피부 리액턴스 값(1/jωC1)을 반복 계산하여 피부 커패시턴스 추정데이터(표 3)를 산출한다.
[수학식 2]
Figure 112013071456854-pat00006
[표 3] 피부 커패시턴스 추정(손-손 접촉모델, 접촉면적 10,000cm2, 건조)
Figure 112013071456854-pat00007
표 2와 표 3의 값은 피부 저항과 피부 리액턴스의 50백분위 값을 의미하는 것이 아니라, 피부 임피던스의 대략적으로 추정하여 인체 임피던스의 특성과 경향을 확인하기 위한 것이다.
인체 임피던스 추정모듈(230)은, 표 3의 피부 커패시턴스 추정데이터를 피부 임피던스식(수학식 3)에 대입하여 인체 임피던스 위상을 계산하면 인체 임피던스위상 추정데이터가 표 4와 같이 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112013071456854-pat00008
[표 4]
Figure 112013071456854-pat00009
표 4는 인체 임피던스위상 추정데이터이다.(손-손 접촉모델, 접촉 면적 10,000cm2,건조)
표 4로부터 상용주파수에서 인체 임피던스 위상의 절대값은 접촉전압이 175V에서 25V로 낮아지면 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
인체위상 분석부(300)는 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터와 인체위상 추정부의 인체 임피던스위상 추정데이터를 이용하여 인체 임피던스위상 및 인체 임피던스 크기를 산출하는 구성이다.
이러한 기능을 수행하기 위한 인체위상 분석부는 위상 분석모듈(310), 위상 산출모듈(320), 크기 분석모듈(330), 크기 산출모듈(340)을 포함한다.
위상 분석모듈(310)은, 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 구성이다.
위상 산출모듈(320)은, 위상 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 위상을 산출하는 구성이다.
크기 분석모듈(330)은, 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 구성이다.
크기 산출모듈(340)은, 크기 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 크기를 산출하는 구성이다.
인체 임피던스 데이터(표 1)의 인체 임피던스 50백분위 값과, 인체 임피던스 추정모듈에서 산출된 인체 임피던스위상 추정데이터(표 4)의 인체 임피던스 위상 추정치를 이용하여 인체 임피던스 크기와 인체 임피던스위상 추정데이터를 정리하면 표 5와 같다.
[표 5]
Figure 112013071456854-pat00010
표 5는 인체 임피던스 크기와 인체 임피던스위상 추정데이터이다.(손-손 접촉모델, 접촉면적 10,000cm2, 건조)
표 5의 값으로 95% 신뢰수준의 회귀분석을 실시하면 (수학식4)와 같은 인체 임피던스 위상과 접촉전압과의 관계식을 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013071456854-pat00011
표 5의 인체 임피던스 위상 추정데이터와 수학식4에 의해 계산된 인체 임피던스의 위상을 비교하면 표 6과 같이 나타난다.
[표 6]
Figure 112013071456854-pat00012
표 6은 인체 임피던스 위상과 접촉전압과의 관계식(수학식 4)에 의해 계산된 인체 임피던스 위상을 인체 임피던스위상 추정데이터와 비교한 것이다.
수학식 4를 구하는 회귀분석에서 결정계수가 0.99512 이므로, 회귀식이 임피던스 위상 추정치와 접촉전압과의 관계를 잘 설명할 수 있음을 알 수 있다.
또한 Y절편과 기울수기계의 P-값이 각각
Figure 112013071456854-pat00013
과
Figure 112013071456854-pat00014
으로 0.05 이하이므로 구해진 Y절편과 기울기계수는 유의한 값이다.
표 6에서 접촉전압과 인체 임피던스 크기 사이의 관계를 직관적으로 살펴보면 수학식 5와 같은 관계를 유추해볼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112013071456854-pat00015
수학식 5에서 접촉전압의 승수인 a를 0.01에서 0.01단위로 증가시키면서
Figure 112013071456854-pat00016
에 대한 인체 임피던스 크기를 회귀분석하여 결정계수가 가장 큰 a를 구하면 0.27이 된다. a가 0.27로 가정하면 수학식 6과 같은 인체 임피던스의 크기와 접촉전압과의 관계식을 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112013071456854-pat00017
표 7은 수학식 6에 의해 계산된 인체 임피던스 크기를 정리하였다. 이 회귀분석에서도 결정계수가 0.99763이어서 수학식 6의 회귀식이 임피던스 크기와 접촉전압과의 관계를 잘 설명할 수 있음을 알 수 있다.
[표 7]
Figure 112013071456854-pat00018
또한 Y절편과 기울기계수의 P-값이 각각
Figure 112013071456854-pat00019
과
Figure 112013071456854-pat00020
으로 0.05 이하이기 때문에 구해진 Y절편과 기울기 계수는 유의한 값이다.
수학식 4와 수학식 6을 이용하면 접촉전압이 25V와 175V 사이일 때 인체 임피던스 크기와 위상 값을 산출하고 경향성을 확인할 수 있다. 이를 통해 175V 이하에서 인체 통전전류의 크기와 위상을 추정할 수 있다.
저항성 누설경로 분석부(400)는, 인체위상 분석부의 각 접촉전압에 대한 저항성 누설경로 저항성분 값을 산출하는 구성이다.
이러한 저항성 누설경로 분석부는, 저항성 누설경로를 통하여 인체가 통전될 때 인체에 인가되는 접촉전압 관계식(수학식7)과 통전경로의 전체 임피던스 관계식(수학식8)에 의해 누설경로의 저항성분 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식7]
Figure 112013071456854-pat00021
[수학식8]
Figure 112013071456854-pat00022
통전전류 산출부(500)는 저항성 누설경로 저항성분 값에 대한 인체 통전전류의 크기와 위상을 산출하는 구성이다.
IEC(1990)에서는 인체 반응전류(reaction current) 및 이탈전류(let-go current) 등을 테스트하기 위해 도 3의 세 성분 값을 각각 C1 = 0.22 ㎌, R1 = 1500Ω, R2 = 500 Ω으로 설정하고 있다. 이 설정값으로 상용 주파수 60 ㎐에서의 인체 임피던스를 계산하면 크기는 1,986 Ω이고 위상은 -5.31°이다.
위의 조건에서는 220 V 상용전원과 대지 사이에 인체가 직접 접촉할 경우, 인체 통전전류는 110.79 ㎃이고, 위상은 5.31°이다. 저항성 인체 통전전류는 110.32㎃이고, 용량성 인체 통전전류는 10.25 ㎃로 저항성 성분이 전체 통전전류의 대부분을 차지한다.
인체 통전조건, 개인별 인체특성 등에 따라 감전 전류 크기와 위상이 차이가 날 수 있지만 인체가 상용전원과 대지 사이에 직접 접촉될 경우 인체 통전전류는 대부분 저항성 전류이다.
인체가 상용전원에 직접 접촉하여 감전될수도 있지만, 전기기기나 기타 사물 등을 통하여 감전될수도 있다. 이렇게 상용전원과 인체사이에 존재하는 누설 경로를 통하여 인체가 통전되면 전원 전체가 인체에 인가되지않고 누설경로에서 전압강하가 발생하여 인체 접촉전압은 낮아지게 된다.
따라서 피부 임피던스와 전체 인체 임피던스도 함께 증가하여 인체 통전전류는 작아지게 된다.
저항성 누설경로(Rlp)에 의해 인체가 통전되면 전체 통전경로를 도 5와 같이 누설경로 저항과 인체 임피던스의 직렬 구성으로 모델링할 수 있다.
이 경우 인체 임피던스 위상 절대값은 접촉전압이 낮아져서 직접 접촉시의 위상보다 증가한다.
전체 통전경로의 임피던스 위상 절대값은 누설경로가 저항 성분이기 때문에 낮아진 인체 임피던스 위상 절대값보다는 작다.
상용전원에 저항성 누설경로를 통하여 인체가 통전될 때 인체에 인가되는 접촉전압은 앞서 기술한 (수학식7)과 (수학식8)의 관계를 가진다.
표 8은 각 접촉전압별로 인체 임피던스를 (수학식 4)와 (수학식 6)으로부터 계산하고, 도 5와 같은 조건에서 인체에 작용하는 접촉전압을 만족하는 누설경로의 저항성분을 반복법으로 구한 후, 그 때의 인체 통전전류의 크기와 위상을 계산한 것이다.
[표 8]
Figure 112013071456854-pat00023
표 8에서 보는 바와 같이 저항성 누설경로의 저항성분이 증가함에 따라 감전전류의 위상은 증가하다가 다시 감소함을 알 수 있다.
감전전류 위상 최대값을 추정하기 위하여 누설 경로의 저항을 변화시키면서 인체 통전전류의 위상을 반복 계산하면 최대값은 8.1°이다. 이 최대값은 인체 특성 및 감전 조건에 따라 변할 수 있다.
참고로, 인체 통전전류 위상 및 피부 임피던스에 대해 설명하면 다음과 같다.
인체통전전류(
Figure 112013071456854-pat00024
)는 접촉전압 크기 및 주파수, 전원 용량, 접촉면적, 통전전류경로, 습기, 온도 등에 따라 다를 수 있다. 하지만 통전전류에 영향을 미치는 조건이 고정된 상태에서 접촉전압(
Figure 112013071456854-pat00025
)만 변하는 경우를 가정하면, 인체통전전류는 (수학식9)와 같이 접촉전압을 인체임피던스(
Figure 112013071456854-pat00026
)로 나누어서 계산할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112013071456854-pat00027
접촉전압의 위상을 기준 위상(0°)으로 정하면 (수학식9)와 (수학식10)과 같이 인체통전전류의 위상은 인체임피던스 위상과 크기는 같고 부호는 반대이다.
[수학식 10]
Figure 112013071456854-pat00028
[수학식 11]
Figure 112013071456854-pat00029
그러므로 상용전원에 직접 접촉하여 인체가 감전되는 경우의 인체 통전전류의 위상은 그 조건에서의 인체 임피던스의 위상을 구하면 알 수 있다. 저항, 인덕터, 커패시터 등의 누설 경로를 경유하여 인체가 감전되는 경우는 경유한 경로의 임피던스와 인체 임피던스를 함께 고려해야 한다.
이렇게 외부 누설경로를 통하여 인체가 감전되면 누설경로에서 전압강하가 발생하여 인체에 인가되는 전압은 감소한다. 따라서 인체에 작용하는 접촉전압이 낮아져서 피부 임피던스와 인체 임피던스가 증가하게 된다.
도 3에서 인체 임피던스식은 (수학식12)와 같고, 피부 임피던스식은 (수학식13)과 같다.
[수학식12]
Figure 112013071456854-pat00030
[수학식13]
Figure 112013071456854-pat00031
도 4는 도 3에 대한 인체 임피던스의 벡터도이다.
도 4를 보면, R2가 양의 값을 갖기 때문에 인체 임피던스 위상의 절대값은 피부 임피던스 위상의 절대값보다 작다.
인체 임피던스가 피부 임피던스보다 현저히 클 경우에는 인체 임피던스의 위상은 0에 가깝고, 반대로 피부 임피던스가 인체 임피던스보다 현저히 클 경우 인체 임피던스의 위상은 피부 임피던스 위상에 근접하게 된다.
(수학식13)의 피부 임피던스를 살펴보면 피부 임피던스의 위상이 jωR1C1 항에 의존함을 알 수 있다.
접촉 면적이 증가하면 피부 커패시턴스가 비례하여 증가하고, 피부 저항은 반비례하여 감소하기 때문에 주파수가 일정할 경우, 피부 저항과 피부 커패시턴스의 곱은 접촉 면적에 대하여 상수라고 볼 수 있으므로, 기타조건이 같다면 접촉면적과 피부 임피던스의 위상은 독립적이다.
다만, 피부 임피던스 위상은 개인특성 및 기타감전 조건에 의존한다.
피부 임피던스 영향이 크게 나타나는 낮은 전압 레벨에서 주파수별 측정결과에 따르면 피부 임피던스는 주파수가 1에서 1,000 ㎐로 변함에 따라 크기가 약130 ㏀에서 30 ㏀으로 감소하고, 위상은 -2°에서 -58°로 변하게 된다.
또한 주파수가 1,000 ㎐ 이상으로 계속 높아지면 피부 임피던스 크기는 계속 줄어들면서 인체 임피던스 모델에서 인체 내부 저항에 더해지는 방식으로 모델링에서 생략된 피하조직 저항 성분인 약 1㏀ 전후값으로 수렴하게 된다.
위상의 경우는 주파수가 증가함에 따라 약 -60°∼ -80°까지 줄어들다가 다시 커져 0°로 수렴한다.
그리고 피부 임피던스 위상이 -45°가 되는 주파수는 양볼에 2 ㎠ 크기의 전극을 부착하여 4명의 인원을 측정한 결과 각각 42 ㎐(남, 20세), 48 ㎐(남, 23세), 67 ㎐(남, 23세), 233 ㎐(여, 4세)였다.
참고로, 상관 관계를 추출하기 위하여 적용될 수 있는 통계학적 방법의 일 예로서 회귀 분석(Regression analysis)에 대해 설명하면 다음과 같다.
회귀 분석은 통계학에서 관찰된 연속형 변수들에 대해 독립변수와 종속변수 사이의 상관관계에 따른 수학적 모델인 선형적 관계식을 이용하여 어떤 독립변수가 주어졌을 때 이에 따른 종속 변수를 예측하는 통계학적 방법이다. 회귀 분석의 결과로서 얻어지는 수학적 모델이 실제 모집단에 얼마나 부합하는지 여부는 적합도를 이용하여 측정할 수 있다.
1개의 종속변수와 1개의 독립 변수 사이의 관계를 분석할 경우를 단순회귀분석(Simple Regressin Analysis)이라 하고, 1개의 종속변수와 여러 개의 독립 변수 사이의 관계를 규명하고자 할 경우를 다중회귀분석(Multiple Regression Analysis)이라고 한다. 이와 같이, 회귀분석은 시간에 따라 변화하는 데이터나 어떤 영향, 가설적 실험, 상관 관계의 모델링 등의 통계적 예측에 이용될 수 있다.
종속변수를 y, 독립변수를 x라 하고, n이 표본의 개수라고 하면, 회귀모델은 다음 (수학식14)와 같다.
[수학식14]
Yi = a + βXi + ei, I = 1, 2, ..., n
수학식 14에서, a는 회귀 계수(regression coefficient)를 나타내고, β는 Xi의 기울기 또는 가중치를 나타낸다. 즉, Xi가 한 단위 증가할 때의 종속 변수 Yi의 변화량을 나타낸다. ei는 오차항으로서, 회귀 직선으로 설명되지 못하는 부분을 반영한다.
예를 들어, Xi가 접촉전압이고, Yi가 인체 임피던스위상 추정데이터라면, 회귀 계수(a)와 β(접촉전압의 기울기 또는 가중치)를 구하면 이후부터는 수학식12를 이용하여 인체 임피던스 위상을 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 인체 임피던스 위상분석방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 데이터베이스에 저장된 인체 임피던스 모델에 따른 인체 임피던스 데이터 중, 인체 임피던스 값에서 인체 내부저항을 차감하여 접촉전압에 따른 피부저항 추정치에 대한 피부저항 추정데이터를 산출한다(S2).
다음으로 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 인체 내부저항을 이용하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출한다(S4).
다음으로 피부 커패시턴스 추정데이터를 이용하여 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출한다(S6).
다음으로 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터와 인체위상 추정부의 인체 임피던스위상 추정데이터를 이용하여 저항성 누설경로를 통해 인가되는 각 접촉전압별로 인체 임피던스위상 및 인체 임피던스 크기를 산출한다(S8).
다음으로 각 접촉전압에 대한 저항성 누설경로 저항성분 값(Rlp)을 수학식7과 수학식8을 이용하여 산출한다(S10).
[수학식7]
Figure 112013071456854-pat00032
[수학식8]
Figure 112013071456854-pat00033
그리고 저항성 누설경로 저항성분 값에 대한 인체 통전전류의 크기와 위상을 산출한다(S12).
[수학식]
Figure 112013071456854-pat00034
[수학식]
Figure 112013071456854-pat00035
[수학식]
Figure 112013071456854-pat00036
도 7에 도시된 바와 같이, 제 (S2) 단계를 설명하면, 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터를 불러들인다(S22).
다음으로 인체 임피던스 데이터 중, 접촉전압별 50백분위 DC 임피던스 값에서 50백분위 인체 내부저항을 차감한다(S24).
그리고 접촉전압(V)에 따른 피부저항 추정치(Ω)에 대한 피부저항 추정데이터를 산출한다(S26).
도 8에 도시된 바와 같이, 제 (S4) 단계를 설명하면, 인체 임피던스 데이터 중, 각 접촉전압별 60Hz 전원에 대한 50백분위 인체 임피던스 값을 이용하여 R1과 R2에 각각 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 50백분위 인체 내부저항을 인체 임피던스식(수학식 2)에 대입한다(S32).
그리고 제 (S32) 단계의 결과에서, 피부 리액턴스 값(1/jωC1)을 반복 계산하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출한다(S34).
[수학식 2]
Figure 112013071456854-pat00037
그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 (S6) 단계를 설명하면, 피부 커패시턴스 추정데이터를 피부 임피던스식(수학식 3)에 대입한다(S42).
다음으로 제 (S42)의 결과에서, 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출한다(S44).
[수학식 3]
Figure 112013071456854-pat00038
도 10에 도시된 바와 같이, 제 (S8) 단계를 설명하면, 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석한다(S52).
다음으로 제 S42 단계의 분석결과인 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 위상을 산출한다(S54).
다음으로 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석한다(S56).
그리고 크기 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 크기를 산출한다(S58).
100 : 데이터베이스 200 : 인체위상 추정부
210 : 피부저항 추정모듈 220 : 피부 커패시턴스 추정모듈
230 : 인체 임피던스 추정모듈 300 : 인체위상 분석부
310 : 위상 분석모듈 320 : 위상 산출모듈
330 : 크기 분석모듈 340 : 크기 산출모듈
400 : 저항성 누설경로 분석부 500 : 통전전류 산출부

Claims (5)

  1. (a) 데이터베이스에 저장된 인체 임피던스 모델에 따른 인체 임피던스 데이터 중, 인체 임피던스 값에서 인체 내부저항을 차감하여 접촉전압에 따른 피부저항 추정치에 대한 피부저항 추정데이터를 산출하는 단계;
    (b) 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 인체 내부저항을 이용하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출하는 단계;
    (c) 피부 커패시턴스 추정데이터를 이용하여 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출하는 단계;
    (d) 상기 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터와 인체위상 추정부의 인체 임피던스위상 추정데이터를 이용하여 저항성 누설경로를 통해 인가되는 각 접촉전압별로 인체 임피던스를 산출하는 단계;
    (e) 상기 각 접촉전압별 인체 임피던스를 이용하여 인체에 작용하는 접촉전압에 대한 누설경로의 저항성분 값을 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 누설경로의 저항성분 값에 대한 인체 통전전류의 크기와 위상을 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 (a) 단계는,
    (a-1) 데이터베이스의 인체 임피던스 데이터를 불러들이는 단계;
    (a-2) 상기 인체 임피던스 데이터 중, 접촉전압별 DC 임피던스 값에서 인체 내부저항을 차감하여 피부 저항 추정치(Ω)를 산출하는 단계; 및
    (a-3) 접촉전압(V)에 따른 피부저항 추정치(Ω)에 대한 피부저항 추정데이터를 출력하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 (b) 단계는,
    (b-1) 인체 임피던스 데이터 중, 각 접촉전압별 60Hz 전원에 대한 인체 임피던스 값을 이용하여 R1과 R2에 각각 피부저항 추정데이터의 접촉전압별 피부 저항과 인체 내부저항을 인체 임피던스식(수학식 2)에 대입하는 단계; 및
    (b-2) 상기 제 (b-1) 단계의 결과에서, 피부 리액턴스 값(1/jωC1)을 반복 계산하여 피부 커패시턴스 추정데이터를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법.
    [수학식 2]
    Figure 112013071456854-pat00039
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 (c) 단계는,
    (c-1) 상기 피부 커패시턴스 추정데이터를 피부 임피던스식(수학식 3)에 대입하는 단계;
    (c-2) 상기 제 (c-1)의 결과에서, 인체 임피던스위상 추정데이터를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법.
    [수학식 3]
    Figure 112013071456854-pat00040
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 (d) 단계는,
    (d-1) 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 단계;
    (d-2) 상기 위상 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스위상 추정데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 위상을 산출하는 단계;
    (d-3) 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 상관 관계를 분석하는 단계; 및
    (d-4) 상기 크기 분석모듈의 분석결과인 인체 임피던스 데이터와 접촉전압과의 관계식을 이용하여 인체 임피던스 크기를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기의 저항성 누설경로를 통한 인체 통전전류분석방법.
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