[논문]저항성 누전전류에 의하여 동작하는 새로운 누전차단기

함승진; 한송엽; 고창섭

문제 정의

본 논문에서 제안된 저항성 누전전류 검출 알고리즘의 타당성을 확인하기 위하여 다양한 경우의 저항성 누전 전류와 용량성 누전전류가 동시에 흐르는 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 그림 8은 저항성 누전전류와 용량성 누전 전류를 다양하게 조절할 수 있도록 본 논문에서 고안한 실험 회로를 나타낸다.
본 논문에서는 문헌[11〕에서 제안된 방법을 기초로 저항성 누전전류 검출시간이 이론상 최대 16.67ms이하인 새로운 누전 전류 검출기법을 제안하고, 이를 기존의 개폐기구와 결합하여 법규에 규정된 차단시간을 만족하는 저항성 누전 전류에 의하여 동작하는 누전차단기를 개발하였다. 개발된 누전차단기는 저항성 누전전류의 검출시간이 짧고 저렴하게 구현할 수 있음을 확인하였으며, 다양한 경우의 누전 전류에 대한 실험과 PSIM 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.
산출 할 수 있다. 본 논문에서는 이에 기초하여 이론적인 검출시간이 최대 16.67ms 이하인 새로운 저항성 누전 전류의 검출기법을 제안하였다
본 논문에서는 전원전압의 반주기에 대한 적분 연산으로 저항성 누전전류를 검출하기 위하여 초기화 가능 적분기 (resettable integrator) 를 도입하였으며, 이는 그림 6의 OPIO, OP11과 같이 연산증폭기와 트랜지스터를 이용하여 구현된다. 저항성 누전전류를 계산하기 위해 즉, 식(4)의 적분을 수행하기 위하여, 아날로그 스위치 (AS1)과 아날로그 스위치(AS2)는 각각 #<,#<S, 인 구간에서만 입력된 신호가 통과하도록 하므로, 초기화 가능 적분기(1)과 초기화 가능 적분기(2)는 각각#<#<#, 인 구간에 서식(4)의 /如과 尸砧를 계산하여 각각 저항성 누전전류를 산출하게 된다.

제안 방법

그림 8은 저항성 누전전류와 용량성 누전 전류를 다양하게 조절할 수 있도록 본 논문에서 고안한 실험 회로를 나타낸다. 그림에서와 같이 단상 220V, 60Hz 선로를 대상으로 하였으며, 저항성 누전전류(4)의 크기는 50# 가변저항을 이용하여 조절할 수 있도록 하였고, 용량성 누전전류 (#)는 0.6811F의 콘덴서와 100Q의 저항부하를 접속한 후 그 사이의 노드에 1KQ가변저항을 연결하여 사용함으로써 그 양을 조절할 수 있도록 하였고, 전류계를 분리 설치하여 각각의 누전전류 성분과 합성 누전전류를 측정하였다. 또한 실험 중 단락전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 5KQ의 저항을 삽입하였다.
기존의 합성 누전전류방식 누전차단기 내의 제어회로를 제거한 후 본 실험에서 제작된 저항성 누전전류 검출 회로를 접속하여, 실제 선로에 용량성 누전전류(#)가 흐르는 상태에서 저항성 누전전류가 기준치 이상으로 흐를 경우 제작된 검출 회로에 의한 선로의 차단시간을 측정하였다. 예를 들면, 40mA의 용량성 누전전류(7c)가 흐르고 있는 상태에서 임의의 시간에 30mA의 저항성 누전전류(4)가 흐를 때, 합성 누전 전류 신호와 제작된 회로의 출력 %을 오실로스코프로 측정 하여 그림 13에 나타내었다.
비례하는 신호이다. 따라서 그 신호만을 획득할 필요가 있으며 이를 위해 본 논문에서는 샘플링(sampling) 회로를 이용하였고, 트랜지스터를 이용하여 구현하였다. 따라서 샘플링 회로를 활성화시키기 위한 샘플링 신호가 필요하며, 이는 전원전압 신호를 이용하여 만들어 진다.
한편 100% 의 저항성 누전전류가 흐를 경우에는 영상변류기로부터 얻어진 신호는 전원전압과의 위상이 동상이어야 하나 영상 변류기의 2차권선 인덕턴스로 인하여 ZL 출력은 전원 전압에 비해 약10°정도 위상차(leading)를 가진다. 따라서 제작된 회로는 고조파 제거 및 위상보정을 위해 그림 6에 나타낸 바와 같이 영상변류기 2차측과 연산증폭기 (OP8) 사이에 시정수 t = 0.4次로 설계된 R-C 저역통과필터(Low pass filter)를 삽입 하였다. 즉, 합성 누전전류 신호는 정상 상태(99.
본 논문에서는 선로에 흐르는 합성 누전전류를 전원 전압의 반주기에 대하여 적분함으로써 저항성 누전전류를 분리 측정할 수 있는 새로운 알고리즘을 제안하고, 이를 아날로그 스위치, 초기화 가능 적분기와 샘플링회로를 도입하여 구현하였다. 저항성 누전전류와 용량성 누전전류가 다양하게 혼합되어 흐르는 여러가지 경우에 대하여 실험한 결과, 제안된 저항성 누전전류 측정 알고리즘은 저항성 누전전류만 흐르는 경우는 물론 저항성 누전전류와 용량성 누전전류가 다양하게 혼합되어 동시에 흐르는 여러가지 경우에도 합성 누전 전류로부터 저항성 누전전류를 6.
본 논문에서는 연산증폭기 (OP4)로 구현된 가산기를 이용하였다. 샘플링 신호(%)는 그림 7(g)에 나타낸 바와 같이 다음 식으로 표현된다.
이용해야 한다. 본 논문에서는 전원전압 신호로부터 샘플링 신호를 구하였다.
이를 위하여 그림 8의 스위치 S%개방하고, S%는 투입한 상태에서 가변저항 을 조절하여 저항성 누전전류(4)가 5mA에서 30mA까지 변화하도록 하였다. 본 실험에서는 저항성 누전 전류(4)의 크기가 1mA일 때 회로의 출력(%)이 0.33V가 되도록 이득 상수 K를 고정하여 실험을 수행하였다. 그 결과 그림 11과 같이 저항성 누전전류(孔)이 증가함에 따라 검출회로의 출력 신호(%))가 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다.
선로에 용량성 누전전류(7c)와 저항성 누전 전류(4)가동 시에 흐르는 경우, 제안된 검출회로가 저항성 누전전류 (#)를 정확하게 검출하는지 확인하였다. 이를 위하여 스위치 佐을 모두 투입한 후 50KQ가변저항을 조절하여 각각 5mA, 15mA, 25mA의 저항성 누전전류가 일정하게 흐르도록 한 상태에서 1KQ의 가변저항을 조절하여 용량성 누전 전류(7c)를 5mA에서 41mA까지 변화시키면서 검출 회로의 출력전압(%)을 측정하였다.
선로에 저항성 누전전류(#)만 흐르는 상태에서 #의 크기의 변화에 따른 저항성 누전전류 검출회로의 출력(%) 을 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 이를 위하여 그림 8의 스위치 S%개방하고, S%는 투입한 상태에서 가변저항 을 조절하여 저항성 누전전류(4)가 5mA에서 30mA까지 변화하도록 하였다.
오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 이를 위하여 그림 8의 스위치 S%개방하고, S%는 투입한 상태에서 가변저항 을 조절하여 저항성 누전전류(4)가 5mA에서 30mA까지 변화하도록 하였다. 본 실험에서는 저항성 누전 전류(4)의 크기가 1mA일 때 회로의 출력(%)이 0.
)를 정확하게 검출하는지 확인하였다. 이를 위하여 스위치 佐을 모두 투입한 후 50KQ가변저항을 조절하여 각각 5mA, 15mA, 25mA의 저항성 누전전류가 일정하게 흐르도록 한 상태에서 1KQ의 가변저항을 조절하여 용량성 누전 전류(7c)를 5mA에서 41mA까지 변화시키면서 검출 회로의 출력전압(%)을 측정하였다. 그 결과 그림 12(a)와 같이 용량성 누전전류가 0mA에서 41mA까지 크게 변하는 경우에도 제안된 검출회로의 출력(%)은 거의 일정하게 측정되었다.
적분기 초기화 신호(#)는 전원 전압(#)신호의 위상을 90° 지연시킨 후 연산증폭기(OP3)를 이용하여 출력된 구형파 신호에서 동기신호 S3)를 감산하여 얻을 수 있는데, 본 논문에서는 연산증폭기(OP5)로 구현된 감산기를 이용하였다. 초기화 신호(#)는 그림 7(c)에 나타낸 바와 같이 다음식으로 표현된다.

성능/효과

이를 위하여 스위치 佐을 모두 투입한 후 50KQ가변저항을 조절하여 각각 5mA, 15mA, 25mA의 저항성 누전전류가 일정하게 흐르도록 한 상태에서 1KQ의 가변저항을 조절하여 용량성 누전 전류(7c)를 5mA에서 41mA까지 변화시키면서 검출 회로의 출력전압(%)을 측정하였다. 그 결과 그림 12(a)와 같이 용량성 누전전류가 0mA에서 41mA까지 크게 변하는 경우에도 제안된 검출회로의 출력(%)은 거의 일정하게 측정되었다. 이는 용량성 누전전류가 크게 변하는 경우에도 저항성 누전전류만을 분리 검출할 수 있음을 의미하며, 그 오차는 그림 12(b)와 같이 저항성 누전전류가 5mA, 15mA, 25mA인 경우에 대하여 각각 평균 6.
67ms이하인 새로운 누전 전류 검출기법을 제안하고, 이를 기존의 개폐기구와 결합하여 법규에 규정된 차단시간을 만족하는 저항성 누전 전류에 의하여 동작하는 누전차단기를 개발하였다. 개발된 누전차단기는 저항성 누전전류의 검출시간이 짧고 저렴하게 구현할 수 있음을 확인하였으며, 다양한 경우의 누전 전류에 대한 실험과 PSIM 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.
33V가 되도록 이득 상수 K를 고정하여 실험을 수행하였다. 그 결과 그림 11과 같이 저항성 누전전류(孔)이 증가함에 따라 검출회로의 출력 신호(%))가 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 본 논문에서 제안한 검출회로를 이용하여 다양한 크기의 저항성 누전전류를 정확히 측정할 수 있음을 의미한다.
따라서 본 논문에서 제안된 저항성 누전전류 검출 방법은 이론적으로는 합성 누전전류를 전원전압의 반주기에 대한 적분만으로도 계산 될 수 있기 때문에 전체적인 검출 시 간이단축되는 장점을 가짐을 알 수 있다.
74% 정도의 최대 평균 오차범위 내에서 정확하게 산출함을 확인하였다. 또한 제작된 회로를 실제 누전차단기에 적용하여 누전차단 실험을 한 결과, 선로에 존재하는 용량성 누전전류로 인한 차단기의 오동작을 근본적으로 제거할 수 있음을 확인하였고, 동작 시간은 어떠한 경우에도 규정 차단시간(30ms)내에 동작함을 보였다.
예를 들면, 40mA의 용량성 누전전류(7c)가 흐르고 있는 상태에서 임의의 시간에 30mA의 저항성 누전전류(4)가 흐를 때, 합성 누전 전류 신호와 제작된 회로의 출력 %을 오실로스코프로 측정 하여 그림 13에 나타내었다. 스위치 (SHQ이 투입 되 기전 용량성 누전전류(#)가 흐르는 동안에는 회로의 출력 % 이 정확이 영이 됨을 확인할 수 있다. 그리고 스위치(S%) 가 투입된 후 저항성 누전전류#가 흐르면서부터 그림 13 에서 저항성 누전전류#를 검출하기 시작함을 알 수 있다.
그 결과 그림 11과 같이 저항성 누전전류(孔)이 증가함에 따라 검출회로의 출력 신호(%))가 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 본 논문에서 제안한 검출회로를 이용하여 다양한 크기의 저항성 누전전류를 정확히 측정할 수 있음을 의미한다.
이상의 고찰로부터 제작된 회로는 어떠한 경우에도 용량성 누전전류량과 저항성 누전전류량의 크기에 상관없이 차단기가 규정시간 내에 동작됨을 알 수 있으며, 더불어 본 연구에서 제안된 검출회로를 이용하면 선로에 용량성 누전 전류#)가 흐를 경우 이로 인한 누전차단기의 오동작 현상을 완벽하게 제거할 수 있음을 알 수 있다.
알고리즘은 연산증폭기와 트랜지스터, 아날로그소자 등 가격이 저렴한 소. 자들만을 이용하여 간단하게 구현될 수 있기 때문에, 문헌[-8[]1 이에서 제안한 마이크로프로세서, 기억소자, A/D 변환 장치 등 고가의 소자를 이용하여 구현되는 종래의 방법보다는 저렴하게 구현될 수 있을 것으로 판단된다.
저항성 누전전류와 용량성 누전전류가 다양하게 혼합되어 흐르는 여러가지 경우에 대하여 실험한 결과, 제안된 저항성 누전전류 측정 알고리즘은 저항성 누전전류만 흐르는 경우는 물론 저항성 누전전류와 용량성 누전전류가 다양하게 혼합되어 동시에 흐르는 여러가지 경우에도 합성 누전 전류로부터 저항성 누전전류를 6.74% 정도의 최대 평균 오차범위 내에서 정확하게 산출함을 확인하였다. 또한 제작된 회로를 실제 누전차단기에 적용하여 누전차단 실험을 한 결과, 선로에 존재하는 용량성 누전전류로 인한 차단기의 오동작을 근본적으로 제거할 수 있음을 확인하였고, 동작 시간은 어떠한 경우에도 규정 차단시간(30ms)내에 동작함을 보였다.
2 는 회로출력 h로서, 세 개의 출력 중에 세 번째에 의해 차단기가 동작했음을 볼 수 있다. 즉, 첫 번째 출력과 두 번째 출력은 합성 누전전류신호가 LPF의 과도현상에 영향을 받아 실제로 30mA의 저항성 누전전류가 흐르고 있음에도 불구하고 그 크기가 30mA에 미치지 못하는 결과를 냈다. 반면 세 번째 출력은 합성 누전전류 신호의 과도현상에 아무런 영향을 받지 않았으므로 정상적으로 30mA의 저항성 누전전류량에 해당하는 신호로 출력되었다.
11% 이하임을 확인하였다. 특히 저항성 누전전류 검출 오차가 14.54%로 최대인 경우는 저항성 누전전류와 용량성 누전 전류가 각각 5mA와 41mA로 저항성 누전전류에 비하여 용량성 누전전류가 과도하게 흐르는 경우로, 실제의 선로에서는 거의 발생하지 않는 경우임을 감안하면 본 논문에서 제안된 저항성 누전전류 검출기법은 매우 정확하게 저항성 누전 전류를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 가령, 그림 12(b)에서 저항성 누전전류와 용량성 누전전류가 각각 15mA, 41mA인 경우를 보면, 회로의 이론적인 출력은 4.

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