[논문]mA급 유효성분 누설전류 감지 모듈 개발

한영오

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.1.109

[국내논문] mA급 유효성분 누설전류 감지 모듈 개발
Development of mA Level Active Leakage Current Detecting Module 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.1, 2017년, pp.109 - 114

초록
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본 연구에서는 mA급 유효성분(저항성) 누설전류를 감지할 수 있는 모듈을 개발하였다. 감지된 누설전류를 기술표준규격에서 규정하는 0.03초 이내에 차단을 할 수 있도록 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430 프로세서를 사용하여 모듈을 구현하였다. 개발된 모듈은 스마트그리드의 스마트분전반에서 감전예방을 위한 모듈로 적용 가능할 것으로 기대된다.

In this study, we have developed the active leakage current detection module based on a MSP430 processor, 16bit signal processor. This module can be operated in a desired trip threshold within 0.03 seconds as specified in KS C 4613. This developed module is expected to be applicable as a module for ...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 위상차 측정 방식의 유효성분 누설전류 검출 알고리즘을 이용하여, 16bit 신호처리 프로세서인 MSP430을 메인 프로세서로 하는 mA급 유효성분 누설전류 감지 및 자동차단 모듈을 개발하여, 전세계적으로 추진되고 있는 스마트그리드에서의 스마트분전반에 적용될 수 있는 누전감지 및 차단 모듈로의 가능성을 제시하고자 한다[6].
본 연구에서는 기존 누전차단기 가지고 있는 전기재해의 위험성을 보완하기 위하여 유효성분 누설전류 검출 알고리즘을 적용한 mA급 유효성분 누설전류 검출 및 자동차단 모듈을 개발하였다. 개발된 모듈의 정량적 성능평가를 위해 UL 943 Class A(6mA±1mA)를 기준으로 하였으며, 그 결과 유효성분 누설전류 6mA±1mA에서 0.

제안 방법

그림 1은 유효성분 누설전류 검출을 위한 알고리즘의 순서도이다. 먼저 전원전압을 검출하고 영교차점을 검출한 뒤, ZCT에서 입력되는 합성 누설전류와 연산 처리하여 저항성 누설전류 I_gr을 구한다. 연산 처리를 통해 구해진 저항성 누설전류가 임계값보다 크면 릴레이를 차단하고, 차단임계값보다 작으면 통과시킨다.
그림 4는 개발된 유효성분 누설전류 검출 및 자동차단 모듈의 실물사진을 나타낸다. 전원선에 흐르는 전류를 검출하기 위해 변류기(Current Transformer, CT)를, 합성 누설전류를 검출하기 위해 영상변류기(Zero Phase Current Transformer, ZCT)를 모듈의 주변회로로 추가하였다.
그림 5는 제안된 알고리즘을 바탕으로 개발된 모듈테스트를 위한 실험환경의 회로 구성도이며, 그림 6은 실제 실험환경을 나타낸다. 또한 성능 테스트 실험에서 유효성분 누설전류와 용량성 누설전류의 값을 일정하게 설정하기 위해 십진저항기, 십진용량기를 사용하였다.
본 연구에서는 인체에 영향을 미칠 수 있는 유효성분 누설전류인 6mA를 차단 임계값으로 설정하고, 표준안전규격인 0.03초 이내에 차단하는지 실험하였다. 그림 6와 같이 6.
03초 이내에 차단하는지 실험하였다. 그림 6와 같이 6.5mA의 유효성분 누설전류, 20.0mA의 용량성 누설전류 즉, 합성 누설전류 20.0mA를 통과시키고 영상변류기에 오실로스코프의 1번 채널을 연결하여 유효성분 누설전류의 파형을 확인하고, 2번 채널은 릴레이에 신호가 나오는 부분에 연결하여 저항성 누설전류가 차단되는 파형을 확인하였다.
개발된 mA급 유효성분 누설전류 검출 및 자동차단 모듈을 메인 프로세서로 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430을 사용하여 구현함으로써, 향후 스마트그리드에서 BEMS, FEMS 및 HEMS 등에서 널리 설치 될 스마트분전반에 적용될 수도 있도록 개발하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 주 제어모듈로 MSP430F47187를 사용하였다. 그림 2는 MSP430F47187의 내부 구조도이다.
그림 3은 개발된 mA급 유효성분 누설전류 감지모듈 및 주변 회로부의 구성도를 나타낸다. 메인 프로세서는 16bit 신호처리 프로세서인 MSP430을 사용하였다[9]. 상용전원 220V와 접속단자 사이의 전기적 연결을 ON/OFF하기 위한 릴레이부, 접속단자에 흐르는 전류 및 전압을 감지하는 센서부와 주변회로로 구성되어 있다.

이론/모형

본 연구에서는 위상차 측정을 이용한 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 사용하였다[7-8]. 이 방법은 실효치 계산, 위상차, 역률계산을 CPU에서 직접 처리해야 되기 때문에 다소 고가의 MCU가 필요하지만 프로그램을 통해 저항성 누설전류 검출이 가능하고 추가적으로 전력량과 용량성 누설전류도 구하는 것이 가능하여 위상차 측정을 이용한 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 사용하였다.
본 연구에서는 위상차 측정을 이용한 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 사용하였다[7-8]. 이 방법은 실효치 계산, 위상차, 역률계산을 CPU에서 직접 처리해야 되기 때문에 다소 고가의 MCU가 필요하지만 프로그램을 통해 저항성 누설전류 검출이 가능하고 추가적으로 전력량과 용량성 누설전류도 구하는 것이 가능하여 위상차 측정을 이용한 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 사용하였다. 그림 1은 유효성분 누설전류 검출을 위한 알고리즘의 순서도이다.
구현한 저항성 누설전류 검출 모듈의 성능을 확인하기위하여 IEC 61008-1 규격의 누전 테스트 회로를 기반으로 제작된 I_gr Leakage Analyzer를 사용하였다. I_gr Leakage Analyzer는 저항성 누설전류와 용량성 누설전류에 대해 각각 ±3%의 허용오차를 가진다.

성능/효과

개발된 모듈의 정량적 성능평가를 위해 UL 943 Class A(6mA±1mA)를 기준으로 하였으며, 그 결과 유효성분 누설전류 6mA±1mA에서 0.03초 이내의 차단특성을 보여줌을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2014년 감전사고의 수는 어떻게 되는가?	국민안전처 중앙소방본부의 자료에 의하면 2014년 감전사고는 총 569명으로 사고 발생시점은 비 오고 습한 여름에 몰려있다. 감전사고 사상자를 살펴보면 8월이 가장 많고(71명, 12.
	감전사고 사상자는 시기마다 어느 차이가 있는가?	국민안전처 중앙소방본부의 자료에 의하면 2014년 감전사고는 총 569명으로 사고 발생시점은 비 오고 습한 여름에 몰려있다. 감전사고 사상자를 살펴보면 8월이 가장 많고(71명, 12.5%), 이는 제일 적은 11월(29명, 5.1%)에 비하면 7.4%나 높은 수치이다. 6월부터 8월까지 감전사상자를 모아보면 184명으로 32.
	감전사상자를 살펴봤을 때 사고가 난 배경은 어떻게 되는가?	2%로 가장 많았으며, 다른 직종들은 비슷비슷한 수치인데 다만 5세 미만 어린이 부상자는 어른들보다 훨씬 높은 수치를 기록하였다. 사고가 난 배경을 보면 전기공사나 설비 보수작업 중 사고가 난 경우가 217명, 38.1%로 가장 많았고 무엇보다 어린이들이 가정에서 장난이나 호기심으로 전기설비를 만졌다가 사고를 당하는 경우도 7.9%로 나타났다[1].

참고문헌 (9)

KESCO, "A Statistical Analysis on the Electrical Accident," Report, Electric Shocks, Jun, 2015.
Korea Industrial Standards, KS C 4613, Korea Industrial Standards Association, 2006.
K. Ban, K. Yoon, J. Park, M. Nam, and N. Kim, "The design of control algorithm for leakage current detection and blocking," Int. and Control Proc., San Francisco, USA, Dec, 2003, pp. 417-420.
S. Ham, S. Han, and C. Go, "The New Earth Leakage Breaker Operating with Resistive Leakage Current," J. of the Korean Institute of Electrical Engineerings, vol. 57, no. 2, 2009, pp. 198-207.
Y. Go, "The Arc Fault Determination Method for the Electric Fire Prevention," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 3, no. 4, 2008, pp. 260-265.
H. Moon, Y. Lim, D. Kim, and S. Lee, "A Study on the Standardization of Smart Distribution Board for Electrical Safety," J. of the Korean Institute of Electrical Engineerings, vol. 65, no. 1, 2016, pp. 227-231.

원문보기 상세보기
Y. Han, "The Implementation of active leakage current detecting algorithm based on 16bit signal processor," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 6, 2016, pp. 605-610.

원문보기 상세보기
Y. Han and D. Kim, "The development of a android application for intelligent outlets," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 4, 2013, pp. 447-452.
Texas Instruments, "MSP430x4xx Family User's Guide," Texas Instruments Document, Dec, 2013.

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