KR102243149B1 - 누설 전류의 고조파 특성을 고려한 3상 감전 보호 장치 및 이를 포함한 배전반 - Google Patents

누설 전류의 고조파 특성을 고려한 3상 감전 보호 장치 및 이를 포함한 배전반 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3상 감전 보호 장치에 있어서, 3상 영상 변류기; 3상 전원에서 임의의 선간 전압을 기준 전압으로 선택하는 기준 전압 검출부; 상기 3상 영상 변류기에서 누설 전류를 상기 기준 전압의 한 주기 간격으로 검출하는 누설 전류 검출부; 상기 한 주기 전과 후에 검출한 2개의 누설 전류의 벡터 값을 감산하여, 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 산정하는 변화 누설 전류 산정부; 상기 변화 누설 전류를 기설정된 허용치와 비교하는 비교부; 및 상기 변화 누설 전류가 상기 기설정된 허용치를 초과하는 경우, 상기 3상 전원의 접점을 개로(off)하는 회로 차단 기구; 를 포함하되, 상기 변화 누설 전류 산정부는, 매 한 주기 마다 상기 누설 전류 및 상기 기준 전압을 각각 기설정된 개수로 샘플링하여 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터를 획득하는, 샘플링부; 상기 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션(cross-correlation) 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환하는, 복소 평면 매핑부; 상기 복소 평면 상에서 상기 복소 전류의 위상 기준을 상기 복소 전압의 위상으로 변경하고, 상기 위상이 변경된 복소 전류로부터 상기 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출하는, 수평 및 수직 성분 추출부; 상기 수평 성분 및 수직 성분 각각의 한 주기 전후의 계산 결과를 저장하는 계산 결과 저장부; 및 상기 한 주기 전 계산 결과와 상기 한 주기 후 계산 결과를 감산하여 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 계산하는, 변화 누설 전류 계산부; 를 포함할 수 있다.

Description

누설 전류의 고조파 특성을 고려한 3상 감전 보호 장치 및 이를 포함한 배전반{3-phase electric shock protection device considering the harmonic characteristics of leakage current and switchboard including the same}
본 명세서는 3상 감전 보호 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3상 전로에서 대지 정전 용량 또는 대지 절연 저항의 변화로 평상시에 발생하는 누전에 대한 보호는 물론, 인체 감전 시에 발생하는 누전에 대한 보호까지 가능한 3상 감전 보호 장치에 관한 것이다.
현재 상용화된 3상 감전 보호 장치의 감도 전류는 대부분 수 백 mA이다. 예를 들어 감도 전류가 150mA의 3상 감전 보호 장치는, 3상 영상 변류기(ZCT)에서 검출된 누설 전류가 150mA를 초과하면 회로를 차단하도록 동작한다. 그러나, 이러한 3상 감전 보호 장치의 동작은 인체에 감전 전류가 흐르는 사고 상황에서는 동작하지 않아, 인체 감전을 보호하는 기능을 정상적으로 수행하지 못한다는 문제점이 존재하였다.
예를 들어, 3상 전로에서 평상시 90mA의 누설 전류가 흐르고 있는 상태에서 인체 감전으로 30mA의 감전 전류가 갑자기 대지로 흘러 영상 변류기(ZCT)에 120mA의 누설 전류가 검출된 경우, 인체에 위험한 감전 전류가 흘렀음에도 영상 변류기(ZCT)에 검출된 누설 전류가 150mA에 미치지 못하므로 3상 감전 보호 장치는 작동하지 않는다. 그 결과, 종래 대부분의 3상 감전 보호 장치는 인체 감전을 보호할 수 없다는 문제점을 가졌다.
이를 해결하기 위해, 인체 감전 전류를 검출하는 다양한 기술들이 제안되었으나, 고조파가 포함된 누설 전류를 기초로 인체 감전 전류를 검출하므로, 정확도가 떨어진다는 문제점이 존재하였다.
따라서, 본 명세서는 상술한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위해, 3상 전로에서 대지 정전 용량 또는 대지 절연 저항의 변화로 평상시에 발생하는 누전에 대한 보호는 물론, 인체 감전 시에 발생하는 누전에 대한 보호까지 가능한 3상 감전 보호 장치를 제공하고자 함이 목적이다. 나아가, 인체 감전 시에 발생하는 누설 전류의 고조파 성분을 제거함으로써, 인체 감전 전류를 높은 정확도로 검출하기 위함이 목적이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 명세서에서는 평상시 누설 전류는 서서히 변화하고 인체 감전 전류는 갑자기 변화한다는 점에 착안하여 영상 변류기에서 검출한 누설 전류로부터 갑자기 변화한 급변 누설 전류, 즉 인체 감전 전류를 높은 정확도로 산출할 수 있는 방법을 제안한다.
본 방법은 영상 변류기에서 비교적 짧은 시간 간격으로 누설 전류를 연속적으로 검출하고, 실시간으로 현재의 누설 전류와 직전 누설 전류의 벡터 차이(빼기)를 산정하여 갑자기 변화한 급변 누설 전류, 즉 인체 감전 전류를 산출할 수 있다.
따라서 본 명세서의 3상 감전 보호 장치는 영상 변류기(ZCT)에서 검출된 누설 전류가 제1 허용치(예를 들어, 150mA)를 초과하거나, 갑자기 변화한 급변 누설 전류가 제2 허용치(예를 들어, 30mA)를 초과하면 전로를 차단하는 구조로 되어있어 평상시의 누전은 물론 인체 감전 보호까지 가능하다.
이를 위해 제안된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상 감전 보호 장치에 있어서, 3상 영상 변류기; 3상 전원에서 임의의 선간 전압을 기준 전압으로 선택하는 기준 전압 검출부; 상기 3상 영상 변류기에서 누설 전류를 상기 기준 전압의 한 주기 간격으로 검출하는 누설 전류 검출부; 상기 한 주기 전과 후에 검출한 2개의 누설 전류의 벡터 값을 감산하여, 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 산정하는 변화 누설 전류 산정부; 상기 변화 누설 전류를 기설정된 허용치와 비교하는 비교부; 및 상기 변화 누설 전류가 상기 기설정된 허용치를 초과하는 경우, 상기 3상 전원의 접점을 개로(off)하는 회로 차단 기구; 를 포함하되, 상기 변화 누설 전류 산정부는, 매 한 주기 마다 상기 누설 전류 및 상기 기준 전압을 각각 기설정된 개수로 샘플링하여 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터를 획득하는, 샘플링부; 상기 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션(cross-correlation) 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환하는, 복소 평면 매핑부; 상기 복소 평면 상에서 상기 복소 전류의 위상 기준을 상기 복소 전압의 위상으로 변경하고, 상기 위상이 변경된 복소 전류로부터 상기 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출하는, 수평 및 수직 성분 추출부; 상기 수평 성분 및 수직 성분 각각의 한 주기 전후의 계산 결과를 저장하는 계산 결과 저장부; 및 상기 한 주기 전 계산 결과와 상기 한 주기 후 계산 결과를 감산하여 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 계산하는, 변화 누설 전류 계산부; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 감전 보호 장치가 3상 전로에 적용되어 3상 전로에서 인체 감전으로 인한 부상 또는 사망 사고를 획기적으로 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인체 감전 전류를 검출하는 데 오차의 요인으로 작용할 수 있는 고조파를 사전에 제거/필터링한 후에 인체 감전 전류를 검출하므로, 인체 감전 전류 검출 정확도가 올라간다는 효과가 있다. 그 결과, 실제 인체 감전 전류가 흐르지 않았음에도, 고조파 오차 요인으로 인해 인체 감전 전류가 흐른 것으로 오인하여 회로를 차단하는 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 평상시 서서히 증가하는 누설 전류의 값이 기설정된 한도 값을 넘어가면, 인체 감전 전류를 검출하는 동작은 수행하지 않음으로써, 두 가지 종류의 누설 전류를 항상 실시간으로 모니터링하는 데 소비되는 전력을 절약할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 3상 전로에서 평상시 누설전류 Ig와 인체감전시 누설전류 Is의 경로를 나타낸다.
도 2는 시간 t1에서의 누설 전류 I(t1)과 시간 t2에서의 누설 전류 I(t2)를 기준 전압 V를 기준으로, 기준 전압 V에 대하여 평행한 수평 성분과 직각인 수직 성분으로 나눈 그래프를 도시한다.
도 3은 누설 전류 I의 순시값 i(t)와 기준 전압 V의 순시값 v(t)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 감전 보호 장치의 구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변화 누설 전류 산정부의 구성을 나타낸다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 예를 들어, 'A 및/또는 B'는 'A 또는 B 중 적어도 하나'의 의미로 해석될 수 있다. 또한, '/'는 '및' 또는 '또는'으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 3상 전로에서 평상시 누설전류 Ig와 인체감전시 누설전류 Is의 경로를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 평상시에는 a상, b상, c상, 이렇게 각 상의 대지 정전 용량과 대지 절연 저항에 따라 대지로 누설전류 Ia, Ib, Ic가 흐른다. 따라서 대지에는 각 상의 누설 전류 Ia, Ib, Ic가 벡터적으로 합해진 누설전류 Ig (Ig = Ia + Ib +Ic)가 흐르는 것으로 볼 수 있다. 그 결과, 3상 영상 변류기(ZCT)에서 검출되는 누설 전류 I는 누설 전류 Ig가 된다. 즉, I = Ig 이다.
그런데 도 1에서와 같이 a상에서 갑자기 인체 감전이 발생하면 a상에서 대지로 감전 전류 Is가 흐른다. 따라서 영상 변류기(ZCT)에서 검출되는 누설 전류 I는 평상시에 흐르던 누설 전류 Ig와 갑자기 발생한 감전 전류 Is가 벡터적으로 합쳐진 누설 전류가 된다. 즉 I = Ig + Is 이다.
전로에서 평상시에 흐르는 누설 전류는 전로의 대지 정전 용량과 대지 절연 저항에 따라 흐르게 되는데 이 누설 전류는 전로 주위의 온도, 습도, 먼지 등의 영향으로 변화되고 특히 절연물의 경년 효과(Aging Effect)로 인한 절연 저항의 열화로 누설 전류가 서서히 증가하는 특성을 갖는다. 반면 인체 감전 전류는 감전 사고 시 갑자기 증가하는 특성을 갖는다.
본 발명에서는 이렇듯 평상시 누설 전류는 서서히 증가하는 반면, 인체 감전 전류는 갑자기 증가하는 현상에 착안하여, 인체 감전 전류를 실시간으로 검출하는 방법을 제안하고자 한다.
또한, 누설 전류 I에 대해 고찰하면, Ia, Ib, Ic에 영상 고조파가 포함되어 있는 경우, 영상 고조파들은 서로 상쇄되지 않고 중첩되어 누설 전류 I에 포함되는 특징을 가지고 있다. 여기서, 영상 고조파는, 기본 주파수의 3의 배수가 되는 주파수를 갖는 고조파(예를 들어, 3차 고조파, 6차 고조파, 9차 고조파, ...)로서, 각상의 위상이 같아 중성선(N)상으로 중첩되어 최대 3배의 전류가 흐르며, 전압 및 전류 파형을 왜곡시켜 보호 계전 기기의 오동작을 유발한다. 따라서, 영상 고조파들은 누설 전류를 벡터적으로 계측하는 데 있어 오차의 요인으로 작용하므로, 반드시 제거해야 할 필요가 있다.
따라서, 이하에서는 전원의 한 주기 마다 누설 전류에서 고조파를 필터링한 후, 해당 누설 전류의 변화를 벡터적으로 산출하여 보다 정확도 높은 인체 감전 전류를 검출할 수 있는 기술에 대해 제안하고자 한다. 이를 위해, 기본적으로 본 명세서에서 제안하는 3상 감전 보호 장치는, 전원의 한 주기(T) 전 후의 누설 전류를 서로 벡터적으로 감(빼기)하여 한 주기 동안 변화한 누설 전류를 산정할 수 있다. 즉, 시간 t1에서의 누설 전류를 I(t1), 시간 t2(t2 = t1 + T)에서의 누설 전류를 I(t2)라 하면 누설 전류 I(t2)에서 누설 전류 I(t1)을 벡터적으로 감(빼기)하여 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류 ΔI를 산정하게 된다. 도 1의 경우를 예로 들면, 감전 사고 직전의 누설 전류를 I(t1), 감전 사고 직후의 누설 전류를 I(t2)라 가정했을 때, I(t1) = Ig 이고 I(t2) = Ig + Is 이므로, 감전으로 인한 변화 누설 전류 Is(=△I)는 Is = I(t2) - I(t1) 로부터 산정할 수 있다.
누설 전류 산정 시간은, 현재의 한국 산업 규격(KS)에 의하면 인체 감전 보호를 위하여는 누전 차단 시간이 30ms 이내여야 하므로, 10~20ms 이내로 설정될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 영상 변류기(ZCT)에서 전원의 한 주기(T)(=1/60Hz, 교류 전원의 경우 약 16.6ms)마다 누설 전류를 검출하여 현재에 검출한 누설 전류에서 한 주기 전에 검출한 누설 전류를 벡터적으로 감(빼기)하여 한 주기 동안 변화한 누설 전류를 산정한다. 본 명세서에서 한 주기로 설정한 이유는, 반 주기 단위로 변화 누설 전류를 계산하게 되면 너무 잦은 계산으로 내부 프로세스/부담 증가와 함께 불필요한 소비 전력이 발생하는 반면, 두 주기 이상 단위로 변화 누설 전류를 계산하게 되면 33.2ms 이상의 시간 단위로 변화 누설 전류가 계산되어 한국 사업 규격에 맞지 않는다. 따라서, 본 명세서에서는 변화 누설 전류의 계산 주기를 한 주기 또는 한 주기 반으로 제안하며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 한 주기로 변화 누설 전류를 계산하는 실시예를 중심으로 설명한다.
도 2는 시간 t1에서의 누설 전류 I(t1)과 시간 t2에서의 누설 전류 I(t2)를 기준 전압 V를 기준으로, 기준 전압 V에 대하여 평행한 수평 성분과 직각인 수직 성분으로 나눈 그래프를 도시한다.
도 2에서와 같이 우선 3상 전원의 선간 전압, 예를 들어 a상과 b상의 선간 전압 V를 기준 전압으로 하고, 이러한 기준 전압 V를 기준으로 누설 전류 I(t1)과 I(t2)의 수평 성분(x)과 수직 성분(y)을 계산할 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112021004113815-pat00001
이러한 수학식 1을 기초로, 두 누설 전류의 수평 성분끼리의 차인 ΔIx와, 수직 성분끼리의 차인 ΔIy를 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
Figure 112021004113815-pat00002
그 결과, 두 누설 전류의 차 ΔI는 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
Figure 112021004113815-pat00003
즉, 수학식 1 내지 3을 참조할 때 본 발명에서 과제 해결의 핵심 수단은, 누설 전류 I를 기준 전압 V를 기준으로 하여 수평 성분과 수직 성분으로 나눈 뒤, 수평 성분 및 수직 성분 별로 한 주기 전후의 누설 전류의 차이를 구함으로써 변화 누설 전류를 계산하는 것이 핵심이다.
다만 앞서 상술한 바와 같이, 누설 전류 I 및 기준 전압 V에 대한 고조파 제거가 선행되어야 하므로, 본 발명의 3상 감전 보호 장치는 누설 전류 I와 기준 전압 V에 고조파 제거 특성이 우수한 크로스-코릴레이션(cross-correlation) 기법을 적용하여 고조파를 제거한 후, 고조파가 제거된 누설 전류 I를 기준 전압 V를 기준으로 복소 평면에 재매핑하여 수평 성분과 수직 성분을 구하는 방법에 대해 제안한다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 이하에서 후술한다.
도 3은 누설 전류 I의 순시값 i(t)와 기준 전압 V의 순시값 v(t)를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, i(t)는 v(t)보다 위상이 θ만큼 앞서 있으며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 4 및 5와 같다.
Figure 112021004113815-pat00004
Figure 112021004113815-pat00005
여기서 ω = 2πf이고 f는 전원의 기본 주파수(예를 들어, 60Hz)이다.
3상 감전 보호 장치는, 이러한 시간 함수인 v(t) 및 i(t)를, 각각 기설정된 개수(K)만큼 샘플링하여 기준 전압 샘플 데이터(V(k)) 및 누설 전류 샘플 데이터(I(k))를 획득하고, 획득한 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환할 수 있다.
이를 수학식으로 표현하면 수학식 6 및 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021004113815-pat00006
여기서, V는 복소 전압, Vr은 복소 전압의 실수부, Vi는 복소 전압의 허수부, T는 기준 전압의 주기, K는 T당 기설정된 샘플 수(예를 들어, 16개), V(k)는 기준 전압 샘플 데이터를 나타낸다.
Figure 112021004113815-pat00007
여기서, I는 복소 전류, Ir은 복소 전류의 실수부, Ii는 복소 전류의 허수부, T는 기준 전압의 주기, K는 T당 기설정된 샘플 수(예를 들어, 16개), I(k)는 누설 전류 샘플 데이터를 나타낸다.
크로스-코릴레이션 기법은 특정 주파수의 성분만을 선택적으로 통과시키고, 나머지 주파수 성분(특히, 고주파수 성분)은 필터링하는 소프트웨어 필터 역할(예를 들어, BPF(Band Pass Filter) 역할)의 수행을 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 제안하는 3상 감전 보호 장치는, 수학식 6 및 7과 같이, 샘플링된 데이터 각각에 대하여 코릴레이션 함수인 사인(sin) 및 코사인(cos) 함수와 dot product를 수행한 값을 샘플 수(K)만큼 적분함으로써(즉, 크로스-코릴레이션 기법을 적용함으로써) 고주파 성분을 제외하는 동작을 수행할 수 있다. 이는, 샘플링된 데이터 각각에 대하여, 기본 주파수 f를 이용하여 생성된 사인 신호 및 코사인 신호와 크로스-코릴레이션을 취한 것으로 표현될 수도 있다. 사인 신호와 코사인 신호는 서로 직교 관계에 있으므로, 이 과정을 통하여 정현파 성분, 즉 기본 주파수 성분만의 기본 전압 및 누설 전류가 추출될 수 있다. 크로스-코릴레이션 기법이 적용되어 생성된 수학식 6 및 7을 살펴보면, 이산 푸리에 급수(Discrete Fourier Series)의 1차항 형태를 가짐을 알 수 있으며, 기본 주파수에 대응하는 이산 푸리에 급수의 1차항만의 성분을 샘플 데이터로부터 추출해내는 소프트웨어 필터 동작/기능을 알 수 있다. 이러한 동작을 통해, 복소 평면에 기본 주파수를 제외한 다른 차수의 주파수 성분은 모두 제거함으로써, 기본 주파수로 회전하는 누설 전류 성분만을 관찰 가능하게 된다.
다음으로, 3상 감전 보호 장치는, 수학식 7에 기초하여 획득된 복소 전류를 수학식 6에 기초하여 획득된 복소 전압을 기준으로 정렬할 수 있다. 보다 상세하게는, 3상 감전 보호 장치는, 복소 전류의 위상의 기준을 복소 전압의 위상으로 재정렬할 수 있다. 이는, 복소 전압을 기준으로 복소 전류를 정렬하여, 복소 전류의 수평 성분 및 수직 성분을 추출해내기 위함이다.
Figure 112021004113815-pat00008
여기서, Ix는 복소 전류의 수평 성분, Iy는 복소 전류의 수직 성분을 나타낸다.
수학식 8에서 두 번째 줄이 복소 전류에 복소 전압의 단위 벡터를 나눔으로써 위상의 기준을 복소 전압으로 재정렬하는 동작을 의미한다.
3상 감전 보호 장치는, 수학식 8을 통해 획득된 복소 전류의 수평 성분 및 수직 성분을 수학식 3에 적용함으로써 변화 누설 전류를 최종적으로 산출해낼 수 있다. 복소 전류의 수평 성분 및 수직 성분은 한 주기 단위로 산출될 수 있으며, 그 결과 변화 누설 전류 역시 한 주기 단위로 산출될 수 있다.
상술한 3상 감전 보호 장치의 동작은 각 기능을 수행/담당하는 복수의 구성들에 의해 수행될 수 있으며, 구체적인 3상 감전 보호 장치의 구성은 도 4 및 5를 참조하여 이하에서 상세히 후술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 감전 보호 장치의 구성을 나타내며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변화 누설 전류 산정부의 구성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 3상 감전 보호 장치는, 평상시의 누설 전류(I)를 모니터링하기 위한 구성으로서, (3상) 영상 변류기(1), 누설 전류 검출부(2), 누설 전류 허용치 설정부(3), 제1 비교기(4), 회로 차단 기구(5) 및 접점(6)을 포함할 수 있다. 누설 전류 검출부(2)는 영상 변류기(1)의 누설 전류를 실시간으로 검출할 수 있으며, 제1 비교기(4)는 누설 전류 검출부(2)가 검출한 누설 전류의 값과 누설 전류 허용치 설정부(3)가 설정한 허용치(예를 들어 150mA)를 비교할 수 있다. 만일, 검출된 누설 전류의 값이 허용치를 초과하면, 제1 비교기(4)는 회로 차단 기구(5)가 동작하여 접점(6)을 개로(off)하도록 신호를 전송할 수 있다.
또한, 3상 감전 보호 장치는, 인체 감전으로 급변하는 인체 감전 전류를 모니터링하기 위한 구성으로서, 앞서 상술한 구성에 추가로, 기준 전압 검출부(7), 변화 누설 전류(ΔI) 산정부(8), 변화 누설 전류(ΔI) 허용치 설정부(9), 제2 비교기(10)를 더 포함할 수 있다. 누설 전류 검출부는 영상 변류기의 누설 전류를 (기준 전압의) 한 주기 간격으로 검출할 수 있으며, 기준 전압 검출부(7)는 3상 전원 중 임의의 선간 전압을 기준 전압으로 선택할 수 있다. 변화 누설 전류(ΔI) 산정부(8)는, 앞서 도 2 및 3을 참조하여 상술한 방식에 따라, 한 주기 전과 후에 검출한 2개의 누설 전류의 벡터 값을 감산하여, 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류(ΔI)를 산정할 수 있다. 제2 비교기(10)는 변화 누설 전류(ΔI) 산정부(8)에서 산정된 변화 누설 전류(ΔI)의 값과 변화 누설 전류 허용치 설정부(9)에 설정된 허용치(예를 들어, 30mA)를 비교하여, 변화 누설 전류(ΔI)의 값이 허용치를 초과하면 접점(6)을 개로(off)하도록 회로 차단 기구(5)를 작동시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 변화 누설 전류(ΔI) 산정부(8)는 전원의 한 주기 동안 누설전류 I의 변화(ΔI)를 계산하기 위해, 샘플링부(510), 복소 평면 매핑부(520), 수평 및 수직 성분 추출부(530), 계산 결과 저장부(540) 및 변화 누설 전류 계산부(550)를 포함할 수 있다.
샘플링부(510)는 기준 전압의 매 한 주기마다 누설 전류(I(t)) 및 기준 전압(V(t))을 샘플링하여 누설 전류 샘플 데이터(I(k)) 및 기준 전압 샘플 데이터(V(k))를 획득할 수 있다.
복소 평면 매핑부(520)는, 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 복소 평면 매핑부(520)는, 앞서 상술한 수학식 6 및 7의 연산을 수행함으로써, 샘플 데이터를 복소 전류 및 복소 전압으로 변환할 수 있다.
수평 및 수직 성분 추출부(530)는, 복소 평면 상에서 복소 전류의 위상 기준을 복소 전압의 위상으로 변경하고, 위상이 변경된 복소 전류로부터 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출할 수 있다. 예를 들어, 수평 및 수직 성분 추출부(530)는, 앞서 상술한 수학식 8의 연산을 수행함으로써, 복소 전류로부터 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출할 수 있다.
계산 결과 저장부(540)는 수평 성분 및 수직 성분 각각의 한 주기 전후의 계산 결과를 저장할 수 있다. 즉, 현재 시간이 t2이고, 현재 시간으로부터 한 주기 전의 시간이 t1일 때, 계산 결과 저장부는 t1에 계산한 복소 전류의 수평 성분(Ix(t1)) 및 수직 성분(Iy(t1))과, t2에 계산한 복소 전류의 수평 성분(Ix(t2)) 및 수직 성분(Iy(t2))을 저장할 수 있다.
변화 누설 전류 계산부(550)는, 계산 결과 저장부(540)로부터 수신한 한 주기 전 계산 결과와 한 주기 후 계산 결과를 수평/수직 성분끼리 감산하여 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류(ΔI)를 계산할 수 있다. 예를 들어, 변화 누설 전류 계산부(550)는, 앞서 상술한 수학식 2 및 3의 연산을 수행함으로써, 변화 누설 전류(ΔI)를 산출할 수 있다.
본 도면들에서 예시된 구성들은 적어도 하나의 구성으로 통합되거나 기능별로 분리된 별도의 구성으로 구현될 수 있다. 또한, 각 구성은 적어도 하나의 하드웨어적인 구성으로 구현될 수 있다.
한편, 본 도면에는 도시하지 않았으나, 인체 감전 전류를 모니터링하는 동작이 중단/비활성화되기 위한 누설 전류(I) 허용치가 추가로/별도로 설정될 수 있다. 예를 들어, 평상시 검출되는 누설 전류가 120mA인 경우를 가정해보자. 이때, 만일 인체 감전에 따라 급변 전류 30mA가 흐른다면, 변화 누설 전류 산정부(8)가 별도로 변화 누설 전류(30mA)를 별도로 산정하지 않더라도 누설 전류 값이 150mA 이상으로 검출되므로, 평상시 누설 전류의 모니터링 동작으로 인해 접점(6)이 개로될 수 있다. 즉, 현재 평상시 검출되는 누설 전류 값이 누설 전류 허용치 설정부(3)에 의해 산정된 허용치로부터 변화 누설 전류 허용치 설정부(9)에 의해 설정된 허용치를 감산한 값 이상인 경우, 인체 감전 전류는 평상시 누설 전류를 모니터링하는 동작만으로도 충분히 감지가 가능하므로, 이에 중복하여 인체 감전 전류를 모니터링하기 위한 동작은 수행할 필요가 없게 된다. 따라서, 누설 전류 허용치 설정부(3)는, 평상시 누설 전류 모니터링을 위해 설정된 제1 허용치로부터 변화 누설 전류 허용치 설정부(9)에 의해 설정된 제2 허용치를 감산한 값인 제3 허용치(=제1 허용치-제2 허용치)를 설정하여 제1 비교기(4)에 전달할 수 있다. 제1 비교기(4)는 현재 검출된 누설 전류가 제3 허용치 이상인 경우, 인체 감전 전류를 모니터링하기 위한 구성들(예를 들어, 기준 전압 검출부(7), 변화 누설 전류 산정부(8), 변화 누설 전류 허용치 설정부(9), 제2 비교기(10)) 중 적어도 하나에 off/비활성화를 명령하는 제어 신호를 전송할 수 있다. 이를 통해, 3상 감전 보호 장치는 매 한 주기 단위로 변화 누설 전류를 산정할 필요가 없어 내부 프로세스 오버헤드 및 전력 소비가 줄어든다는 효과가 발생한다.
본 명세서에서 제안된 3상 감전 보호 장치는 배전반과 같은 다양한 전기 장치/시설/시스템에 적용/사용될 수 있으며, 각 전기 장치/시설/시스템 특성에 따라 누설 전류의 허용치가 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
또한, 펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현되어, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
아울러, 본 발명에 따른 장치나 단말은 하나 이상의 프로세서로 하여금 앞서 설명한 기능들과 프로세스를 수행하도록 하는 명령에 의하여 구동될 수 있다. 예를 들어 그러한 명령으로는, 예컨대 JavaScript나 ECMAScript 명령 등의 스크립트 명령과 같은 해석되는 명령이나 실행 가능한 코드 혹은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장되는 기타의 명령이 포함될 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 장치는 서버 팜(Server Farm)과 같이 네트워크에 걸쳐서 분산형으로 구현될 수 있으며, 혹은 단일의 컴퓨터 장치에서 구현될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치에 탑재되고 본 발명에 따른 방법을 실행하는 컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트 혹은 코드로도 알려져 있음)은 컴파일 되거나 해석된 언어나 선험적 혹은 절차적 언어를 포함하는 프로그래밍 언어의 어떠한 형태로도 작성될 수 있으며, 독립형 프로그램이나 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 혹은 컴퓨터 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 어떠한 형태로도 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 파일 시스템의 파일에 반드시 대응하는 것은 아니다. 프로그램은 요청된 프로그램에 제공되는 단일 파일 내에, 혹은 다중의 상호 작용하는 파일(예컨대, 하나 이상의 모듈, 하위 프로그램 혹은 코드의 일부를 저장하는 파일) 내에, 혹은 다른 프로그램이나 데이터를 보유하는 파일의 일부(예컨대, 마크업 언어 문서 내에 저장되는 하나 이상의 스크립트) 내에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에 위치하거나 복수의 사이트에 걸쳐서 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호 접속된 다중 컴퓨터나 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 전개될 수 있다.
설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1: 영상 변류기
2: 누설 전류 검출부
3: 누설 전류 허용치 설정부
4: 제1 비교기
5: 회로 차단 기구
6: 접점
7: 기준 전압 검출부
8: 변화 누설 전류 산정부
9: 변화 누설 전류 허용치 설정부
10: 제2 비교기

Claims (7)

  1. 3상 감전 보호 장치에 있어서,
    3상 영상 변류기;
    3상 전원에서 임의의 선간 전압을 기준 전압으로 선택하는 기준 전압 검출부;
    상기 3상 영상 변류기에서 누설 전류를 상기 기준 전압의 한 주기 간격으로 검출하는 누설 전류 검출부;
    상기 누설 전류의 제1 허용치를 설정하는, 누설 전류 허용치 설정부;
    상기 누설 전류를 상기 제1 허용치와 비교하는 제1 비교부;
    상기 한 주기 전과 후에 검출한 2개의 누설 전류의 벡터 값을 감산하여, 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 산정하는 변화 누설 전류 산정부;
    상기 변화 누설 전류의 제2 허용치를 설정하는, 변화 누설 전류 허용치 설정부;
    상기 변화 누설 전류를 상기 제2 허용치와 비교하는 제2 비교부; 및
    상기 누설 전류가 상기 제1 허용치를 초과하거나 상기 변화 누설 전류가 상기 제2 허용치를 초과하는 경우, 상기 3상 전원의 접점을 개로(off)하는 회로 차단 기구; 를 포함하되,
    상기 변화 누설 전류 산정부는,
    매 한 주기 마다 상기 누설 전류 및 상기 기준 전압을 각각 기설정된 개수로 샘플링하여 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터를 획득하는, 샘플링부;
    상기 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 각각 크로스-코릴레이션(cross-correlation) 기법을 적용한 후 복소 평면에 매핑하여 복소 전류 및 복소 전압으로 변환하는, 복소 평면 매핑부;
    상기 복소 평면 상에서 상기 복소 전류의 위상 기준을 상기 복소 전압의 위상으로 변경하고, 상기 위상이 변경된 복소 전류로부터 상기 복소 평면 상의 수평 성분 및 수직 성분을 추출하는, 수평 및 수직 성분 추출부;
    상기 수평 성분 및 수직 성분 각각의 한 주기 전후의 계산 결과를 저장하는 계산 결과 저장부; 및
    상기 한 주기 전 계산 결과와 상기 한 주기 후 계산 결과를 감산하여 상기 한 주기 동안 변화한 변화 누설 전류를 계산하는, 변화 누설 전류 계산부; 를 포함하고,
    상기 복소 평면 매핑부는,
    상기 누설 전류 샘플 데이터 및 기준 전압 샘플 데이터에 상기 크로스-코릴레이션 기법을 적용하여, 상기 누설 전류 및 상기 기준 전압에 포함된 기본파 성분을 제외한 고조파 성분을 필터링하고,
    상기 기준 전압 샘플 데이터를 수학식 1을 이용하여 상기 복소 전압으로 변환하되,
    [수학식 1]
    Figure 112021501072855-pat00019

    상기 수학식 1에서, 상기 V는 상기 복소 전압, 상기 Vr은 상기 복소 전압의 실수부, 상기 Vi는 상기 복소 전압의 허수부, 상기 T는 상기 한 주기, 상기 K는 상기 한 주기당 기설정된 샘플 수, 상기 V(k)는 상기 기준 전압 샘플 데이터이고,
    상기 누설 전류 샘플 데이터를 수학식 2를 이용하여 상기 복소 전류로 변환하되,
    [수학식 2]
    Figure 112021501072855-pat00020

    상기 수학식 2에서, 상기 I는 상기 복소 전류, 상기 Ir은 상기 복소 전류의 실수부, 상기 Ii는 상기 복소 전류의 허수부, 상기 T는 상기 한 주기, 상기 K는 상기 한 주기당 기설정된 샘플 수, 상기 I(k)는 상기 누설 전류 샘플 데이터이고,
    상기 수평 및 수직 성분 추출부는,
    수학식 3을 이용하여 상기 복소 전류의 위상 기준을 상기 복소 전압의 위상으로 변경하고, 상기 위상이 변경된 복소 전류로부터 상기 수평 성분 및 수직 성분을 추출하되,
    [수학식 3]
    Figure 112021501072855-pat00021

    상기 수학식 3에서, 상기 Ix는 상기 복소 전류의 수평 성분, 상기 Iy는 상기 복소 전류의 수직 성분이고,
    상기 변화 누설 전류 계산부는,
    수학식 4를 기초로 상기 변화 누설 전류를 계산하되,
    [수학식 4]
    Figure 112021501072855-pat00022

    Figure 112021501072855-pat00023

    상기 수학식 4에서, 상기 t2는 현재 시간, 상기 t1은 상기 t2로부터 상기 한 주기 전 시간, 상기 I(t2)x는 상기 t2에서의 상기 복소 전류의 수평 성분, 상기 I(t1)x는 상기 t1에서의 상기 복소 전류의 수평 성분, 상기 I(t2)y는 상기 t2에서의 상기 복소 전류의 수직 성분, 상기 I(t1)y는 상기 t1에서의 상기 복소 전류의 수직 성분, 상기 △I는 상기 변화 누설 전류이고,
    상기 누설 전류 허용치 설정부는,
    상기 제1 허용치로부터 상기 제2 허용치를 감산한 값인 제3 허용치를 설정하여, 상기 제1 비교부에 전달하고,
    상기 제1 비교부는,
    상기 누설 전류를 상기 제1 및 제3 허용치와 비교하고, 상기 누설 전류가 상기 제1 허용치 미만이나 상기 제3 허용치 이상인 경우, 상기 기준 전압 검출부, 상기 변화 누설 전류 산정부, 상기 변화 누설 전류 허용치 설정부 및 상기 제2 비교부에 비활성화 신호를 전송하고,
    상기 기준 전압 검출부, 상기 변화 누설 전류 산정부, 상기 변화 누설 전류 허용치 설정부 및 상기 제2 비교부는 상기 비활성화 신호에 따라 비활성화되는, 3상 감전 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항의 상기 3상 감전 보호 장치; 가 포함된, 배전반.
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