KR102148711B1 - 아크 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

신뢰성 및 안전성을 제공할 수 있는 아크 감지 시스템 및 방법을 제시한다. 제시된 아크 감지 시스템은 선로에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱부; 및 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 기초로 아크를 감지하되, 아크상태의 펄스 크기와 주파수, 및 상기 선로에 연결된 부하를 구동하는 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈를 근거로 아크를 감지하는 아크 감지기;를 포함한다.

Description

아크 감지 시스템 및 방법{Arc detection system and method}
본 발명은 아크 감지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력설비에서의 아크발생을 감지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
물리적으로 떨어진 두 개의 전극 사이에서 기체를 매개로 전류가 흐르는 경우에 발산되는 강한 빛과 열을 아크(Arc)라고 한다.
아크는 크게 하나의 도선 내에서 발생하는 직렬 아크, 두 개의 도선 사이에서 발생하는 병렬 아크, 접지와 하나의 도선 사이에서 발생하는 접지 아크 등으로 분류할 수 있다.
여기서, 직렬 아크는 전류가 정상적으로 흘러야 할 선로 또는 접점의 접속이 약해지면서 발생하는 아크 사고(Arc fault)이다. 이러한 직렬 아크는 전류에 영점이 형성되지 않기 때문에 자연 소호가 힘들어 위험성이 높을 뿐만 아니라, 사고 검출에 있어서도 어려움이 존재한다.
이와 같이 직렬 아크 사고는 선로의 노화, 커넥터의 접촉불량 등에 의해 발생할 수 있다. 이러한 직렬 아크 사고에서는 사고가 발생하였음에도 불구하고 사고 전류의 크기가 정상동작 범위 내에 있으므로 일반적인 과전류 차단기 또는 누전 차단기로는 검출이 어렵다.
선행기술 1 : 대한민국 등록특허 제10-1625618호(아크검출장치, 아크검출방법 및 전력시스템) 선행기술 2 : 대한민국 등록특허 제10-0900273호(아크 감지기능을 갖는 전력량계) 선행기술 3 : 대한민국 등록특허 제10-1692283호(직류 배전용 직류 아크 사고 검출기 및 직류 아크 사고 검출 방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 신뢰성 및 안전성을 제공할 수 있는 아크 감지 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 아크 감지 시스템은, 선로에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱부; 및 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 기초로 아크를 감지하되, 아크상태의 펄스 크기와 주파수, 및 상기 선로에 연결된 부하를 구동하는 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈를 근거로 아크를 감지하는 아크 감지기;를 포함한다.
상기 아크 감지기는, 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인지를 판별할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 주파수분석함에 있어서, 제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 검출된 제 1 신호가 상기 스위칭 노이즈와 동일하지 않으면 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인 것으로 판별할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 전류 센싱부에서 센싱된 전류값에서 아크 감지를 위한 대역의 주파수만을 필터링하는 밴드패스 필터부; 상기 밴드패스 필터부에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부; 상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수분석하는 분석부; 및 상기 분석부의 주파수 분석 결과에 기인한 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 1 신호의 펄스의 크기 및 주파수를 상기 스위칭 노이즈의 펄스의 크기 및 주파수와 비교하여 상기 제 1 신호가 아크인지를 최종적으로 판별하는 아크 판별부;를 포함할 수 있다.
상기 분석부는, 제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 아크 판별부에서 아크를 최종적으로 판별해 냄에 따라 트리거 신호를 발생시키는 트리거 신호부;를 추가로 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시양태는, 상기 아크 감지기가 아크를 감지함에 따라 차단기를 동작시키는 스위치부;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 선로는, 하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널의 선로일 수 있다.
상기 선로는, 하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널이 병렬연결된 멀티 채널의 선로일 수 있다.
상기 전류 센싱부는 각각의 채널에 일대일로 연결되고, 상기 아크 감지기는 한 개로 구성되어 상기 각각의 채널의 전류 센싱부에 연결될 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크가 발생한 것으로 여겨지는 제 1 채널을 검출하고, 상기 제 1 채널의 아크를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 상기 제 1 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 비교하여 상기 제 1 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 각각의 채널별로, 상기 전류 센싱부에서 센싱된 전류값에서 아크 감지를 위한 대역의 주파수만을 필터링하는 밴드패스 필터부; 각각의 채널별로, 상기 밴드패스 필터부에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부; 각각의 채널별로, 상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수 분석하는 분석부; 및 상기 분석부의 주파수 분석 결과에 기인한 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이로 아크라고 할 수 있는 신호를 포함하는 제 1 채널을 검출하고, 상기 제 1 채널의 아크를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 상기 제 1 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 비교하여 상기 제 1 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는 아크 판별부;를 포함할 수 있다.
상기 분석부는, 각각의 채널별로, 제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 아크 판별부의 각 채널별 결과를 저장하는 데이터 저장부; 및 상기 데이터 저장부의 데이터를 기초로 문제가 발생한 채널에 대한 고장 예측 및 진단을 수행하는 고장 예측 및 진단부;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 아크 감지기는, 상기 전류 센싱부에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 모니터링하고 모든 채널의 전류값을 서로 비교분석하여 어느 채널에서 이상이 있는지를 1차적으로 검출하고, 상기 1차적으로 검출된 해당 채널의 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 1차적으로 검출된 해당 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 아크 감지 방법은, 전류 센싱부가, 선로에 흐르는 전류를 센싱하는 단계; 및 아크 감지기가, 상기 센싱되는 전류값을 기초로 아크를 감지하되, 아크상태의 펄스 크기와 주파수, 및 상기 선로에 연결된 부하를 구동하는 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈를 근거로 아크를 감지하는 단계;를 포함한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 단일 채널 또는 멀티 채널(다중 접점이 있는 모든 분기회로) 각각의 전류에 대한 시계열 데이터(time series data) 분석 및 주파수 특성 분석을 통하여 아크발생여부를 정확하게 판별함으로써, 아크 감지의 신뢰성을 제공할 수 있다.
또한, 연관 전기화재를 방지함과 더불어 채널별 데이터를 통하여 전력설비의 고장 진단 및 예측에 활용할 수 있다.
통상적인 누전 차단기, 과전류 차단기 등으로 검출하기 어려운 직렬 아크에 대한 보호기능을 갖는다. 이로 인해, 안전성을 제공할 수 있다.
여러 채널에서 측정된 전류 특성을 데이터베이스에 저장하여 빅데이터로 활용이 가능하다.
저장된 각 분기회로의 전류 특성을 기반으로 고장 예측 및 진단이 가능함으로써, 유지보수비용이 절감된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 감지 시스템이 단일 회로에 연결된 경우를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 아크 감지기의 내부 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분석부의 동작을 설명하기 위해 채용된 FFT분석 타임테이블을 예시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 아크 판별부의 동작을 설명하기 위해 채용된 파형도이다.
도 5는 도 1의 아크 감지 시스템에 의한 아크 감지 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6은 도 5의 설명에 채용되는 그래프로서, 아크 성분이 있는 경우 및 아크 성분이 없는 경우의 주파수 스펙트럼의 크기의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 감지 시스템이 병렬 연결된 다수의 분기회로에 연결된 경우를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 아크 감지기의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7의 아크 감지 시스템에 의한 아크 감지 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 감지 시스템이 단일 회로에 연결된 경우를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 아크 감지 시스템(20)은 전력시스템에 설치될 수 있다.
전력시스템에 설치된 아크 감지 시스템(20)은 단일 회로에 연결될 수 있다. 여기서, 단일 회로는 단일 채널이라고 호칭할 수 있다.
도 1에서, 다수의 부하(10, 11, 12)는 상호 병렬로 연결된다. 도 1의 부하(11)와 부하(12) 사이에는 하나 이상의 부하가 병렬로 연결될 수 있다.
아크 감지 시스템(20)은 부하(10, 11, 12)와 차단기(30)의 사이에 연결된다.
다수의 부하(10, 11, 12)와 아크 감지 시스템(20) 및 차단기(30)는 선로를 통해 서로 연결된다. 아크는 임의의 선로에서 발생할 수 있다.
아크 감지 시스템(20)은 연결된 선로의 전류를 센싱하고 센싱값을 분석하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다. 물론, 아크 감지 시스템(20)은 연결된 선로에 흐르는 전류를 분석하여 부하(10, 11, 12) 내부에서 발생한 아크도 검출할 수 있다.
도 1에는 도시하지 않았지만, 아크 감지 시스템(20)이 설치된 전력 시스템에는 부하(10, 11, 12)를 구동하는 전력변환장치가 연계될 수 있다. 예를 들어, 전력변환장치의 스위칭 노이즈는 주파수 정보에 기반을 둔 아크 감지기의 오작동 유발 요인으로 작용한다. 이러한 전력변환장치의 스위칭 노이즈는 선로의 전류를 감시하여 아크를 감지(또는 검출)하는 아크 감지기의 감지 성능에 영향을 미칠 것이다.
그에 따라, 도 1에 도시된 아크 감지 시스템(20)은 연계된 전력변환장치 등의 스위칭 노이즈가 아크 검출의 판단근거로 사용되어 오검출되는 것을 방지한다.
다시 말해서, 아크 감지 시스템(20)은 연계된 전력변환장치에서 발생하는 스위칭 노이즈를 명확하게 분리해 내기 위해, FFT 분석에 의해 1차로 검출된 아크 신호가 전력변환장치 등에서 규칙적으로 발생하는 펄스의 크기와 주파수와 동일한지를 판단하여 동일하면 상기 1차로 검출된 아크 신호를 스위칭 노이즈로 간주하여 제외시킨다.
아크 감지 시스템(20)은 전류 센싱부(22), 아크 감지기(24), 및 스위치부(26)를 포함할 수 있다.
전류 센싱부(22)는 단일 회로(즉, 단일 채널)의 선로에 흐르는 전류를 센싱한다.
아크 감지기(24)는 전류 센싱부(22)에서 센싱되는 전류값을 FFT 분석하여 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크 신호라고 할 수 있는 제 1 신호를 1차적으로 검출하고, 연계된 장치(예컨대, 전력변환장치 등)에서 발생하는 펄스의 크기와 주파수를 측정하여 상기 검출된 제 1 신호와 비교함으로써, 제 1 신호가 최종적으로 아크인지를 판별(감지)해 낸다.
아크 감지기(24)는 최종적으로 아크를 감지해 내면 트리거 신호를 출력할 수 있다.
아크 감지기(24)의 내부 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
스위치부(26)는 아크 감지기(24)로부터의 트리거 신호에 근거하여 온(ON)된다. 이에 의해, 차단기(30)가 동작하여 아크(Arc)로부터 해당 채널을 보호한다. 예를 들어, 스위치부(26)는 릴레이로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 아크 감지기(24)의 내부 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 분석부의 동작을 설명하기 위해 채용된 FFT분석 타임테이블(timetable)을 예시한 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 아크 판별부의 동작을 설명하기 위해 채용된 파형도이다.
아크 감지기(24)는 밴드패스 필터부(24a), 아날로그/디지털 변환부(24b), 분석부(24c), 아크 판별부(24d), 및 트리거 신호부(24e)를 포함할 수 있다.
밴드패스 필터부(24a)는 전류 센싱부(22)에서 센싱된 전류 데이터에서 아크 감지를 위한 대역(예컨대, 40 ~ 100KHz 대역)의 주파수만을 필터링한다. 여기서, 아크 감지를 위한 주파수 대역은 사용환경에 따라 달라질 수 있다.
아날로그/디지털 변환부(24b)는 밴드패스 필터부(24a)에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환한다.
분석부(24c)는 아날로그/디지털 변환부(24b)에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수 스펙트럼을 분석한다. 아크 주파수 스펙트럼은 대략 40 ~ 100KHz 대역에서 광범위하게 분포할 것이다.
다시 말해서, 분석부(24c)는 입력받은 신호에 대해 도 3에 예시한 바와 같이 매 t1(예컨대, 50ms)마다 t1/2(예컨대, 25ms)씩 겹쳐서 FFT(fast Fourier transform) 분석을 행할 수 있다. 분석부(24c)는 FFT 스펙트럼 분석기를 포함하고, 입력받은 신호에 대해 두 번에 걸친 반복적인 FFT 분석을 행한다고 볼 수 있다.
부연설명하면, 분석부(24c)는 아날로그/디지털 변환부(24b)로부터의 시계열적인 신호를 제 1 분석 주기(예컨대, 50ms)마다 두 번에 걸친 FFT 분석(즉, FFT분석 1, FFT분석 2)을 행하되, FFT분석 1과 FFT분석 2의 분석 시간이 서로 중첩되게(예컨대, 25ms씩 겹쳐지게) 한다.
이와 같이 하면, 예를 들어 분석부(24c)는 매 50ms마다 25ms씩 겹쳐서 반복적으로 FFT 분석을 하게 되므로, 시간의 공백없는 분석이 가능하여 후속하는 아크 판별부(24d)에서의 아크 판별의 정확도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 오검출 확률을 감소시킬 수 있다.
아크 판별부(24d)는 분석부(24c)에서의 분석 주기마다의 FFT 분석 결과 스펙트럼(즉, FFT분석 1에 의한 스펙트럼, FFT분석 2에 의한 스펙트럼)을 비교하여 기존 상태를 정상상태로 규정하고 스펙트럼값이 변화되면 이를 아크상태로 규정할 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 상술한 정상상태 및 아크상태의 규정을 분석부(24c)에서 수행하는 것으로 할 수도 있다.
그리고, 아크 판별부(24d)는 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이를 기준값과 비교하여 차이가 기준값보다 크면 해당 시점에서 아크가 발생하였을 것으로 1차로 판별할 수 있다. 아크 판별부(24d)는 아크가 발생하였을 것으로 1차로 판별되는 해당 시점의 신호를 아크 신호로서 검출할 수 있다.
부하에 연계된 전력변환장치, 형광등, 모터 등에서의 동작 펄스는 특정 크기와 주파수를 가지며 반복적으로 발생되는 특징이 있다. 도 4를 참조하여 부연설명한다. 도 4의 두 개의 그래프중에서 위의 그래프는 전력변환장치의 스위칭 파형을 예시한 것이고, 아래의 그래프는 전력변환장치의 DC출력 전류파형을 예시한 것이다.
도 4에 예시된 바와 같이, 예를 들어 전력변환장치는 아크가 발생되지 않은 정상적인 상태에서는 특정 크기와 주파수를 갖는 펄스를 반복적으로 발생시키는 특징을 갖는다. 즉, 전력변환장치는 규칙적인 스위칭 동작(On, Off)을 하며, 이로 인하여 발생되는 규칙적인 파형은 스위칭 노이즈로 간주하여 아크 판별 과정에서 제외시켜야 된다.
반면에, 아크가 발생된 경우에는 전력변환장치는 다양한 펄스의 크기와 광범위한 주파수 분포를 갖는다.
그에 따라, 아크 판별부(24d)는 1차로 검출한 아크 신호가 전력변환장치 등에서 발생하는 스위칭 노이즈(규칙적인 펄스)와 동일한 신호이면 아크 판별 과정에서 제외시킨다. 즉, 아크 판별부(24d)는 전력변환장치에서 발생하는 규칙적인 펄스의 크기와 주파수를 파라미터로 검출하여 1차로 검출한 아크 신호가 상기 규칙적인 펄스와 동일한 크기 및 주파수를 갖는다면 1차로 검출한 해당 아크 신호를 스위칭 노이즈로 간주하여 아크 판단 과정에서 제거함으로써 오작동을 방지하도록 한다. 여기서, 규칙적인 펄스의 크기는 피크(peak) 값을 파악함으로써 알 수 있고, 주파수는 라이징 에지(rising edge)를 파악함으로써 알 수 있다. 물론, 필요에 따라서는, 스위칭 노이즈로 간주되는 파라미터에 대한 정보가 아크 판별부(24d)에 미리 저장되어 있는 것으로 할 수도 있다.
트리거 신호부(24e)는 아크 판별부(24d)에서 아크 신호를 최종적으로 판별해 냄에 따라 트리거 신호를 발생시킨다. 트리거 신호는 스위치부(26)에게로 인가될 것이다.
이어, 단일 채널에서의 아크 감지 방법에 대해 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5는 도 1의 아크 감지 시스템에 의한 아크 감지 동작을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 6은 도 5의 설명에 채용되는 그래프이다.
일단, 전류 센싱부(22)는 단일 회로의 선로에 흐르는 전류를 실시간으로 센싱하여 아크 감지기(24)에게로 보낸다(S10).
그에 따라, 아크 감지기(24)의 밴드패스 필터부(24a)는 전류 센싱부(22)로부터의 전류 데이터에서 아크 감지를 위한 대역(예컨대, 40 ~ 100KHz 대역)의 주파수만을 필터링한다(S12).
이후, 아크 감지기(24)의 아날로그/디지털 변환부(24b)는 밴드패스 필터부(24a)에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환한다(S14).
그리고 나서, 아크 감지기(24)의 분석부(24c)는 아날로그/디지털 변환부(24b)에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수 스펙트럼 분석을 한다(S16). 아크 주파수 스펙트럼은 대략 40 ~ 100KHz 대역에서 광범위하게 분포할 것이다. 이때, 분석부(24c)는 도 3에 예시한 바와 같이 매 50ms마다 25ms씩 겹쳐서 FFT 분석을 행할 수 있다.
이어, 아크 감지기(24)의 아크 판별부(24d)는 분석부(24c)에서의 분석 주기마다의 FFT 분석 결과 스펙트럼에서 아크에 해당하는 시간영역상의 신호를 1차로 검출한다. 예를 들어, 아크 판별부(24d)는 FFT 분석 결과 스펙트럼(즉, FFT분석 1에 의한 스펙트럼, FFT분석 2에 의한 스펙트럼)을 비교하여 기존 상태를 정상상태로 규정하고 스펙트럼값이 변화되면 이를 아크상태로 규정할 수 있다. 그리고 나서, 아크 판별부(24d)는 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이를 소정의 기준값과 비교한다(S18).
상기의 단계 S18에서, 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이가 기설정된 기준값보다 크지 않으면 아크 판별부(24d)는 아크가 발생하지 않은 것으로 판단한다(S20).
반대로, 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이가 기설정된 기준값보다 크면 아크 판별부(24d)는 아크가 발생한 것으로 1차로 판단하고 해당 시점의 신호를 아크 신호로 검출한다(S22). 도 6은 아크가 있거나 없는 PV 시스템의 배선에서 측정된 주파수 스펙트럼의 일 예를 예시한 것이다. 도 6을 보면, 아크가 없으면 AC 신호는 일반적으로 시스템에 존재하는 인버터 등에서의 스위칭과 관련된 여러 피크를 제외하고는 상당히 작음을 알 수 있다. 반대로, 아크가 존재하면 노이즈가 추가되어 더욱 복잡합 스펙트럼이 나타남을 알 수 있다. 한편, 도 6에서 볼 수 있듯이, PV 시스템에서 인버터 등에서의 스위칭으로 인한 피크는 아크로 인한 노이즈보다 진폭이 상당히 크다는 것을 파악할 수 있다. 도 6에서 보여주는 주파수 스펙트럼의 예시는 "NREL, Low Cost Arc Fault Detection and Protection for PV Systems, January 30, 2012 - September 30, 2013, P8"에서 찾아볼 수 있다. 아크 판별부(24d)는 정상상태(즉, 아크 성분이 없는 상태)의 스펙트럼 값과 아크상태(즉, 아크 성분이 있는 상태)의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이가 기설정된 기준값보다 크면 해당 시점의 신호를 아크 신호(도 6에서 Arc)로서 1차로 검출할 수 있다.
이후, 아크 판별부(24d)는 부하에 연계된 전력변환장치, 형광등, 모터 등의 동작 펄스를 검출한다(S24). 여기서, 연계된 장치의 동작 펄스 검출이 필요한 이유는 1차로 검출된 아크 신호가 연계된 장치의 동작 펄스와 동일한 특징을 가지는 지를 파악하기 위해서이다. 즉, 연계된 장치의 동작 펄스가 도 4에서와 같이 특정 크기와 주파수를 반복적으로 갖는다면 이와 같이 규칙적으로 발생하는 파형은 스위칭 노이즈로 간주하여야 하기 때문이다.
이어, 아크 판별부(24d)는 1차로 검출된 아크 신호가 상술한 스위칭 노이즈에 상응하는 신호인지를 판단한다. 즉, 아크 판별부(24d)는 1차로 검출된 아크신호의 주파수 및 펄스의 크기가 연계된 장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일한지를 판단한다(S26).
그 판단 결과, 1차로 검출된 아크신호의 주파수 및 크기가 전력변환장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일하면 아크 판별부(24d)는 1차로 검출된 아크신호를 스위칭 노이즈로 간주하여 실제로는 아크가 아닌 것으로 최종 판단한다.
반대로, 1차로 검출된 아크신호의 주파수 및 크기가 전력변환장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일하지 않으면 아크 판별부(24d)는 1차로 검출된 아크신호를 아크인 것으로 최종 판단한다(S28).
이와 같이 아크가 발생한 것으로 최종 판단되면 트리거 신호부(24e)는 트리거 신호를 발생시킨다. 트리거 신호는 스위치부(26)에게로 인가되어 차단기(30)의 동작에 의해 아크(Arc)로부터 해당 채널을 보호하게 된다(S30).
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 감지 시스템이 병렬 연결된 다수의 분기회로에 연결된 경우를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 아크 감지 시스템(전류 센싱부(160, 180, 190), 아크 감지기(170), 및 스위치부(161, 181, 191)를 포함)은 전력시스템에 설치될 수 있다.
도 7의 아크 감지 시스템은 다수 병렬 연결된 분기회로에 연결될 수 있다.
각각의 분기회로에는 차단기 및 부하가 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 분기회로에는 차단기(100)와 부하(130)가 선로를 통해 서로 연결될 수 있고, 제 2 분기회로에는 차단기(110) 및 부하(140)가 선로를 통해 서로 연결될 수 있고, 제 N 분기회로에는 차단기(120) 및 부하(150)가 선로를 통해 서로 연결될 수 있다.
도 7에서는 각각의 차단기(100, 110, 120)와 각각의 부하(130, 140, 150)가 일대일로 서로 연결되게 하였으나, 각각의 차단기(10, 110, 120)마다 직렬 연결된 다수의 부하가 연결되어도 무방하다.
분기회로별로 단일 채널이라고 할 수 있으므로, 도 7에 도시된 아크 감지 시스템은 멀티 채널에서의 아크를 감지할 수 있다.
도 7의 아크 감지 시스템은 연결된 선로의 전류를 센싱하고 센싱값을 분석하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 아크 감지 시스템은 각 채널별 선로에 흐르는 전류를 분석하여 각 채널별로 아크 발생 여부를 검출할 수 있다. 물론, 도 7의 아크 감지 시스템은 채널별로 연결된 선로에 흐르는 전류를 분석하여 각각의 채널별 부하 내부에서 발생한 아크도 검출할 수 있다.
도 7에는 도시하지 않았지만, 아크 감지 시스템이 설치된 전력 시스템에는 부하(130, 140, 150)를 구동하는 전력변환장치 등이 연계될 수 있다. 예를 들어, 전력변환장치의 스위칭 노이즈는 주파수 정보에 기반을 둔 아크 검출기의 오작동 유발 요인으로 작용한다. 이러한 전력변환장치의 스위칭 노이즈는 선로의 전류를 감시하여 아크를 감지(또는 검출)하는 아크 감지기의 감지 성능에 영향을 미칠 것이다.
그에 따라, 도 7에 도시된 아크 감지 시스템은 연계된 전력변환장치 등의 스위칭 노이즈가 아크 검출의 판단근거로 사용되어 오검출되는 것을 방지한다.
도 7의 아크 감지 시스템은 전류 센싱부(160, 180, 190), 아크 감지기(170), 및 스위치부(161, 181, 191)를 포함할 수 있다.
여기서, 전류 센싱부(160) 및 스위치부(161)는 차단기(100)와 부하(130) 사이의 선로에 연결되고, 전류 센싱부(180) 및 스위치부(181)는 차단기(110)와 부하(140) 사이의 선로에 연결되고, 전류 센싱부(190) 및 스위치부(191)는 차단기(120)와 부하(150) 사이의 선로에 연결된다.
각각의 전류 센싱부(160, 180, 190)는 해당하는 분기회로의 선로에 흐르는 전류를 센싱한다.
각각의 스위치부(161, 181, 191)는 아크 감지기(170)로부터의 채널별 트리거 신호에 근거하여 온(ON)된다. 이에 의해, 해당 채널에 발생된 아크(Arc)로부터 해당 채널을 보호할 수 있다. 예를 들어, 스위치부(161, 181, 191)는 릴레이로 구성될 수 있다.
아크 감지기(170)는 메인 프로세싱 기능을 담당하는 것으로서, 한 개로 구성될 수 있다.
아크 감지기(170)는 멀티 채널(즉, 다수의 분기회로)에 대한 아크 센싱 및 차단을 수행할 수 있다.
다시 말해서, 아크 감지기(170)는 전류 센싱부(160, 180, 190)에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 FFT분석하여 아크상태의 펄스의 크기와 주파수를 근거로 아크가 발생한 것으로 여겨지는 채널을 1차적으로 검출할 수 있다. 그리고 나서, 아크 감지기(170)는 1차적으로 검출된 채널의 아크를 상술한 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 각 채널별 상태를 모니터링한다. 그리고, 아크 감지기(170)는 1차적으로 검출된 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 서로 비교하는데, 1차적으로 검출된 채널의 데이터가 다른 채널의 데이터와는 상이한 특징 또는 패턴을 가진다면 상기 1차적으로 검출된 채널에서 아크가 발생한 것으로 최종적으로 판정할 수 있다. 물론, 아크 감지기(170)는 및 아크가 발생된 것으로 최종 판정된 채널의 차단을 수행할 수 있고, 고장상황 판단을 수행할 수 있다.
아크 감지기(170)는 최종적으로 어느 채널에서 아크가 발생된 것으로 판별(감지)하면 트리거 신호를 출력할 수 있다.
아크 감지기(170)의 내부 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
도 8은 도 7에 도시된 아크 감지기(170)의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
아크 감지기(170)는 밴드패스 필터부(170a), 아날로그/디지털 변환부(170b), 분석부(170c), 아크 판별부(170d), 트리거 신호부(170e), 데이터 저장부(170f), 및 고장 예측 및 진단부(170g)를 포함할 수 있다.
밴드패스 필터부(170a)는 각각의 채널별로, 전류 센싱부에서 센싱된 전류 데이터에서 아크 감지를 위한 대역(예컨대, 40 ~ 100KHz 대역)의 주파수만을 필터링한다. 여기서, 아크 감지를 위한 주파수 대역은 사용환경에 따라 달라질 수 있다.
아날로그/디지털 변환부(170b)는 각각의 채널별로, 밴드패스 필터부(170a)에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환한다.
분석부(170c)는 각각의 채널별로, 아날로그/디지털 변환부(170b)에서 변환된 디지털 신호로 각 채널별 아크를 판별할 수 있도록 주파수 스펙트럼 분석한다. 아크 주파수 스펙트럼은 대략 40 ~ 100KHz 대역에서 광범위하게 분포할 것이다.
다시 말해서, 분석부(170c)는 입력받은 각 채널별 신호에 대해 도 3에 예시한 바와 같이 매 50ms마다 25ms씩 겹쳐서 FFT(fast Fourier transform) 분석을 행할 수 있다. 분석부(170c)에서의 채널별 신호에 대한 FFT 분석 동작은 상술한 분석부(24c)와 동일하므로, 상술한 분석부(24c)의 설명으로 충분히 이해할 수 있으리라 본다.
분석부(170c)는 각각의 채널별로 매 50ms마다 25ms씩 겹쳐서 반복적으로 FFT 분석을 하게 되므로, 시간의 공백없는 분석이 가능하여 후속하는 아크 판별부(170d)에서의 아크 판별의 정확도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 오검출 확률을 감소시킬 수 있다.
아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로 분석부(170c)에서의 분석 주기마다의 FFT 분석 결과 스펙트럼(FFT분석 1에 의한 스펙트럼, FFT분석 2에 의한 스펙트럼)을 서로 비교하여 기존 상태를 정상상태로 규정하고 스펙트럼값이 변화되면 이를 아크상태로 규정할 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 상술한 정상상태 및 아크상태의 규정을 분석부(170c)에서 수행하는 것으로 할 수도 있다.
그리고, 아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로, 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이를 기설정된 기준값과 비교하여 어느 채널에서 아크가 발생하였을 것인지를 1차적으로 판단할 수 있다. 다시 말해서, 아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로, 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이를 기설정된 기준값과 비교하여 차이가 기준값보다 크면 해당 시점에서 아크가 발생하였을 것으로 판단할 수 있다. 이에 의해, 아크 판별부(170d)는 어느 채널에서 아크가 발생하였을 것인지를 1차적으로 판단할 수 있다.
아크 판별부(170d)는 아크가 발생하였을 것으로 1차로 판별되는 해당 시점의 신호를 아크 신호로서 검출할 수 있다.
부하에 연계된 전력변환장치, 형광등, 모터 등에서의 동작 펄스는 특정 크기와 주파수를 가지며 반복적으로 발생되는 특징이 있다. 도 4를 참조하여 부연설명한 바와 같이, 예를 들어 전력변환장치는 아크가 발생되지 않은 정상적인 상태에서는 특정 크기와 주파수를 갖는 펄스를 반복적으로 발생시키는 특징을 갖는다. 즉, 전력변환장치는 규칙적인 스위칭 동작(On, Off)을 하며, 이로 인하여 발생되는 규칙적인 파형은 스위칭 노이즈로 간주하여 아크 판별 과정에서 제외시켜야 된다.
이에 의해, 아크 판별부(170d)는 어느 한 채널에 아크가 발생하였을 것으로 판단하였다면 해당 채널의 아크 신호가 전력변환장치 등에서 발생하는 스위칭 노이즈의 특징과 동일한 신호이면 해당 아크 신호를 아크 판별 과정에서 제외시킨다. 이와 같이 아크 신호가 스위칭 노이즈이어서 제외되면 해당 채널은 아크가 발생되지 않은 것이 된다.
그리고, 아크 판별부(170d)는 아크가 발생되었을 것으로 여겨지는 채널의 아크 신호가 전력변환장치 등에서 발생하는 규직적인 펄스의 크기 및 주파수와는 다르다면 해당 채널에 이상(문제)이 있는 것으로 판단한다. 그리고 나서, 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단되는 채널의 데이터와 여타 다른 채널의 데이터를 서로 비교한다. 예를 들어, 모든 채널이 이상이 없는 상태에서 서로 유사한 환경에 있다면 각각의 채널은 서로 유사한 데이터를 가질 것이다. 그런데, 어느 한 채널이 다른 채널들과는 상이한 데이터(예컨대, 주파수가 상이한 경우)를 가지고 있다면 상이한 데이터를 가진 해당 채널에 아크가 발생된 것으로 판단할 수 있을 것이다.
따라서, 이상이 있는 채널의 데이터는 여타 다른 채널의 데이터와는 다른 특징 또는 패턴을 가질 것이므로, 상기의 비교에 의해 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단된 채널에서 아크가 발생된 것으로 최종적으로 판별한다. 다시 말해서, 아크 판별부(170d)는 1차적으로 이상이 있다고 판단된 채널에 대해 다시 한번 아크 판별을 진행한다. 예를 들어, 1차적으로 검출된 이상이 있는 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터간의 차이가 기설정된 기준값보다 크다면 아크 판별부(170d)는 1차적으로 검출된 이상이 있는 채널에서는 아크가 발생한 것으로 최종적으로 판별(판단)할 수 있다.
트리거 신호부(170e)는 아크 판별부(170d)에서 어느 한 채널 또는 복수의 채널에 아크가 발생된 것으로 최종 판별함에 따라 트리거 신호를 발생시킨다. 트리거 신호는 그에 상응하는 채널의 스위치부에게로 인가될 것이다. 그에 따라, 해당 채널의 스위치부(예컨대, 릴레이)의 동작에 의해 해당 채널이 아크로부터 보호될 것이다.
데이터 저장부(170f)는 아크 판별부(170d)의 각 채널별 결과를 저장하여 데이터베이스로 활용할 수 있다.
고장 예측 및 진단부(170g)는 데이터 저장부(170f)에 저장된 데이터를 기초로 문제가 발생한 분기회로의 채널에 대하여 고장 예측 및 진단을 수행할 수 있다.
상술한 아크 감지기(170)는 상술한 바와 같은 동작과는 다르게 동작시킬 수도 있다. 예를 들어, 모든 채널 데이터 비교, 이상이 있는 채널 검출, 검출된 채널에서 아크라고 할 수 있는 신호와 스위칭 노이즈를 비교하여 검출된 채널에 대한 최종적인 아크 발생 판별의 순서대로 동작하게 할 수 있다. 즉, 아크 감지기(170)는 전류 센싱부(160, 180, 190)에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 모니터링하고 모든 채널의 전류값을 서로 비교분석하여 어느 채널에서 이상이 있는지를 1차적으로 검출하고, 1차적으로 검출된 해당 채널의 전류값을 주파수분석하여 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제 1 신호를 상술한 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 1차적으로 검출된 해당 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별할 수도 있다. 이와 같이 다른 방식의 아크 감지기(170)의 동작은 당업자라면 앞서의 설명으로 충분히 이해할 수 있으리라 본다.
이번에는, 멀티 채널에서의 아크 감지 방법에 대해 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 도 7의 아크 감지 시스템에 의한 아크 감지 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
일단, 각 채널의 전류 센싱부(160, 180, 190)는 해당 채널의 선로에 흐르는 전류를 실시간으로 센싱하여 아크 감지기(170)에게로 보낸다(S100).
그에 따라, 아크 감지기(170)의 밴드패스 필터부(170a)는 각 채널의 전류 센싱부(160, 180, 190)로부터의 전류 데이터에서 아크 감지를 위한 대역(예컨대, 40 ~ 100KHz 대역)의 주파수만을 필터링한다(S110).
이후, 아크 감지기(170)의 아날로그/디지털 변환부(170b)는 밴드패스 필터부(170a)에서 필터링된 각 채널별 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환한다(S120).
그리고 나서, 아크 감지기(170)의 분석부(170c)는 아날로그/디지털 변환부(170b)에서 변환된 각 채널별 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수 스펙트럼을 분석한다(S130). 아크 주파수 스펙트럼은 대략 40 ~ 100KHz 대역에서 광범위하게 분포할 것이다. 이때, 분석부(170c)는 도 3에 예시한 바와 같이 매 50ms마다 25ms씩 겹쳐서 FFT 분석을 행할 수 있다.
이어, 아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로 FFT 분석 결과 스펙트럼(FFT분석 1에 의한 스펙트럼, FFT분석 2에 의한 스펙트럼)을 비교하여 기존 상태를 정상상태로 규정하고 스펙트럼값이 변화되면 이를 아크상태로 규정한다. 그리고 나서, 아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이를 구하고 그 차이를 기준값과 비교하여 어느 채널에서 아크가 발생하였는지를 1차적으로 판단한다(S140).
상기의 단계 S140에서, 모든 채널에서 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이가 기설정된 기준값보다 크지 않으면 아크 판별부(170d)는 모든 채널에서 아크가 발생하지 않은 것으로 판단한다(S150).
반대로, 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이가 기설정된 기준값보다 큰 채널이 있다면 아크 판별부(170d)는 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이가 기설정된 기준값보다 큰 채널에서 아크가 발생하였을 것으로 1차로 판단하고 해당 채널에서의 아크 신호를 검출한다(S160).
그리고 나서, 아크 판별부(170d)는 각각의 채널별로 연계된 장치(예컨대, 전력변환장치, 형광등, 모터 등)의 동작 펄스를 검출한다(S170). 여기서, 연계된 장치의 동작 펄스 검출이 필요한 이유는 1차로 검출된 채널의 아크 신호가 연계된 장치의 동작 펄스와 동일한 특징을 가지는 지를 파악하기 위해서이다. 즉, 연계된 장치의 동작 펄스가 도 4에서와 같이 특정 크기와 주파수를 반복적으로 갖는다면 이와 같이 규칙적으로 발생하는 파형은 스위칭 노이즈로 간주하여야 하기 때문이다.
이어, 아크 판별부(170d)는 1차로 검출된 채널의 아크 신호가 상술한 스위칭 노이즈에 상응하는 신호인지를 판단한다. 즉, 아크 판별부(170d)는 1차로 검출된 채널의 아크 신호의 주파수 및 펄스의 크기가 연계된 장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일한지를 판단한다(S180).
그 판단 결과, 1차로 검출된 채널의 아크신호의 주파수 및 크기가 전력변환장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일하면 아크 판별부(170d)는 1차로 검출된 채널의 아크 신호를 스위칭 노이즈로 간주하여 실제로는 아크가 아닌 것으로 최종 판단한다.
반대로, 1차로 검출된 채널의 아크신호의 주파수 및 크기가 전력변환장치의 동작 펄스의 주파수 및 크기와 동일하지 않으면 아크 판별부(170d)는 1차로 검출된 채널의 아크신호를 아크인 것으로 판단하여 상기 1차로 검출된 채널에 이상(문제)이 있는 것으로 판단한다.
그리고 나서, 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단된 채널에 대해 다시 한번 아크 판별을 진행한다.
즉, 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단된 채널의 데이터를 여타 다른 채널들의 데이터와 비교한다(S190).
그에 따라, 이상이 있다고 판단된 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터간의 차이가 기설정된 기준값보다 작다면 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단된 채널에서는 아크가 발생하지 않은 것으로 최종적으로 판단한다.
반대로, 이상이 있다고 판단된 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터간의 차이가 기설정된 기준값보다 크다면 아크 판별부(170d)는 이상이 있다고 판단된 채널에서는 아크가 발생한 것으로 최종적으로 판단한다(S200).
이와 같이 어느 한 채널에서 아크가 발생된 것으로 최종 판단되었다면 트리거 신호부(170e)는 트리거 신호를 발생시킨다. 트리거 신호는 해당 채널의 스위치부에게로 인가되어 아크(Arc)로부터 해당 채널을 보호하게 된다(S210).
상술한 도 9를 참조하여 설명한 방법과는 다르게 아크 감지를 할 수 있다. 예를 들어, 각 채널별 전류값을 모니터링하고 모든 채널의 전류값을 서로 비교분석하여 어느 채널에서 이상이 있는지를 1차적으로 검출하고, 1차적으로 검출된 해당 채널의 전류값을 주파수분석하여 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 검출된 제 1 신호를 스위칭 노이즈와 비교하여 1차적으로 검출된 해당 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하게 할 수도 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
20 : 아크 감지 시스템
22, 160, 180, 190 : 전류 센싱부
24, 170 : 아크 감지기
26, 161, 181, 191 : 스위치부
24a, 170a : 밴드패스 필터부 24b, 170b : 아날로그/디지털 변환부
24c, 170c : 분석부 24d, 170d : 아크 판별부
24e, 170e : 트리거 신호부 170f : 데이터 저장부
170g : 고장 예측 및 진단부

Claims (26)

  1. 선로에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센싱부; 및
    상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 기초로 아크를 감지하되, 아크상태의 펄스 크기와 주파수, 및 상기 선로에 연결된 부하를 구동하는 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈를 근거로 아크를 감지하는 아크 감지기;를 포함하고,
    상기 아크 감지기는,
    상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인지를 판별하는,
    아크 감지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 전류 센싱부에서 센싱되는 전류값을 주파수분석함에 있어서, 제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 하는,
    아크 감지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 검출된 제 1 신호가 상기 스위칭 노이즈와 동일하지 않으면 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인 것으로 판별하는,
    아크 감지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 전류 센싱부에서 센싱된 전류값에서 아크 감지를 위한 대역의 주파수만을 필터링하는 밴드패스 필터부;
    상기 밴드패스 필터부에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부;
    상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수분석하는 분석부; 및
    상기 분석부의 주파수 분석 결과에 기인한 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 1 신호의 펄스의 크기 및 주파수를 상기 스위칭 노이즈의 펄스의 크기 및 주파수와 비교하여 상기 제 1 신호가 아크인지를 최종적으로 판별하는 아크 판별부;를 포함하는,
    아크 감지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 분석부는,
    제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 하는,
    아크 감지 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 아크 판별부에서 아크를 최종적으로 판별해 냄에 따라 트리거 신호를 발생시키는 트리거 신호부;를 추가로 포함하는,
    아크 감지 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 감지기가 아크를 감지함에 따라 차단기를 동작시키는 스위치부;를 추가로 포함하는,
    아크 감지 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 선로는,
    하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널의 선로인,
    아크 감지 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 선로는,
    하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널이 병렬연결된 멀티 채널의 선로인,
    아크 감지 시스템.
  11. 제 10항에 있어서.
    상기 전류 센싱부는 각각의 채널에 일대일로 연결되고,
    상기 아크 감지기는 한 개로 구성되어 상기 각각의 채널의 전류 센싱부에 연결된,
    아크 감지 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 전류 센싱부에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크가 발생한 것으로 여겨지는 제 1 채널을 검출하고, 상기 제 1 채널의 아크를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 상기 제 1 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 비교하여 상기 제 1 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는,
    아크 감지 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    각각의 채널별로, 상기 전류 센싱부에서 센싱된 전류값에서 아크 감지를 위한 대역의 주파수만을 필터링하는 밴드패스 필터부;
    각각의 채널별로, 상기 밴드패스 필터부에서 필터링된 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부;
    각각의 채널별로, 상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호로 아크를 판별할 수 있도록 주파수 분석하는 분석부; 및
    상기 분석부의 주파수 분석 결과에 기인한 정상상태와 아크상태의 스펙트럼 값의 차이로 아크라고 할 수 있는 신호를 포함하는 제 1 채널을 검출하고, 상기 제 1 채널의 아크를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 상기 제 1 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 비교하여 상기 제 1 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는 아크 판별부;를 포함하는,
    아크 감지 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 분석부는,
    각각의 채널별로, 제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 하는,
    아크 감지 시스템.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 아크 판별부의 각 채널별 결과를 저장하는 데이터 저장부; 및
    상기 데이터 저장부의 데이터를 기초로 문제가 발생한 채널에 대한 고장 예측 및 진단을 수행하는 고장 예측 및 진단부;를 추가로 포함하는,
    아크 감지 시스템.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 아크 감지기는,
    상기 전류 센싱부에서 센싱되는 각 채널별 전류값을 모니터링하고 모든 채널의 전류값을 서로 비교분석하여 어느 채널에서 이상이 있는지를 1차적으로 검출하고, 상기 1차적으로 검출된 해당 채널의 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 1차적으로 검출된 해당 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는,
    아크 감지 시스템.
  17. 전류 센싱부가, 선로에 흐르는 전류를 센싱하는 단계; 및
    아크 감지기가, 상기 센싱되는 전류값을 기초로 아크를 감지하되, 아크상태의 펄스 크기와 주파수, 및 상기 선로에 연결된 부하를 구동하는 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈를 근거로 아크를 감지하는 단계;를 포함하고,
    상기 아크를 감지하는 단계는,
    상기 센싱되는 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인지를 판별하는 단계;를 포함하는,
    아크 감지 방법.
  18. 삭제
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 센싱되는 전류값의 주파수분석은,
    제 1 분석 주기마다 두 번에 걸친 주파수 스펙트럼 분석을 행하되, 첫 번째 주파수 스펙트럼 분석과 두 번째 주파수 스펙트럼 분석의 분석시간이 서로 중첩되게 하는,
    아크 감지 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 최종적으로 아크인지를 판별하는 단계는,
    상기 검출된 제 1 신호가 상기 스위칭 노이즈와 동일하지 않으면 상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인 것으로 판별하는,
    아크 감지 방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 아크를 감지하는 단계는,
    상기 제 1 신호가 최종적으로 아크인 것으로 판별됨에 따라 트리거 신호를 발생시키는 단계;를 추가로 포함하는,
    아크 감지 방법.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 선로는,
    하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널의 선로인,
    아크 감지 방법.
  23. 제 17항에 있어서,
    상기 선로는,
    하나 이상의 부하가 연결된 단일 채널이 병렬연결된 멀티 채널의 선로인,
    아크 감지 방법.
  24. 제 23항에 있어서.
    상기 전류 센싱부는 각각의 채널에 일대일로 연결되고,
    상기 아크 감지기는 한 개로 구성되어 상기 각각의 채널의 전류 센싱부에 연결된,
    아크 감지 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 아크를 감지하는 단계는,
    상기 센싱되는 각 채널별 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크가 발생한 것으로 여겨지는 제 1 채널을 검출하는 단계; 및
    상기 제 1 채널의 아크 성분을 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 동일하지 않으면 상기 제 1 채널의 데이터와 다른 채널의 데이터를 비교하여 상기 제 1 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는 단계;를 포함하는,
    아크 감지 방법.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 아크를 감지하는 단계는,
    상기 센싱되는 각 채널별 전류값을 모니터링하고 모든 채널의 전류값을 서로 비교분석하여 어느 채널에서 이상이 있는지를 1차적으로 검출하는 단계;
    상기 1차적으로 검출된 해당 채널의 전류값을 주파수분석하여 상기 아크상태의 펄스 크기와 주파수를 기반으로 아크라고 할 수 있는 제 1 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 제 1 신호를 상기 스위칭 노이즈와 비교하여 상기 1차적으로 검출된 해당 채널에서 아크가 발생한 것이 맞는지를 최종적으로 판별하는 단계;를 포함하는,
    아크 감지 방법.
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