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KR100888744B1 - 자동 트립 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

자동 트립 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR100888744B1
KR100888744B1 KR1020070134170A KR20070134170A KR100888744B1 KR 100888744 B1 KR100888744 B1 KR 100888744B1 KR 1020070134170 A KR1020070134170 A KR 1020070134170A KR 20070134170 A KR20070134170 A KR 20070134170A KR 100888744 B1 KR100888744 B1 KR 100888744B1
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Abstract

본 발명은 자동 트립 장치와 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전력선의 열화를 감지하여 과부하로 인한 사고를 미리 방지할 수 있는 자동 트립 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 전력선이 연결된 차단기의 자동 트립 장치로서, 상기 전력선의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 차단기에 대해 트립 동작을 수행하는 트립부와, 상기 측정된 온도로부터 저항온도계수를 산출하고, 산출된 저항온도계수에 기초하여 최대 허용 전류를 산출하고, 산출된 최대 허용 전류를 상수로 나눈 값이 소정의 초기 열화 값보다 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력하는 제어부를 포함한다. 이와 같이, 본 발명은 전력선의 열화 시 이를 알려 전기 화재를 예방할 수 있는 효과가 있다.
트립, 전력선, 교체, 저항온도계수

Description

자동 트립 장치 및 그 제어 방법 {Automatic trip device and control method thereof}
본 발명은 자동 트립 장치와 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전력선의 열화를 감지하여 과부하로 인한 사고를 미리 방지할 수 있는 자동 트립 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속은 온도가 증가하면 금속 원자의 열 진동이 커져서 전자의 운동을 방해하기 때문에 저항이 증가하게 된다. 따라서 구리로 된 전력선의 온도가 증가하면 전력선의 저항이 증가한다. 전력선의 저항이 증가하면 그만큼 전력선에서 전력 소모가 증가하고 전력 소모의 증가에 따라 전력선의 열 발생이 커지게 되며, 결국 화재로 이어질 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 전력선의 온도 증가에 따라 최대 허용 전류를 변경하는 기술이 공개특허 제 1995-0010266호에 개시되어 있다.
공개특허 1995-0010266호는 온도의 증가에 따라 최대 허용 전류를 하향 조절하여 전력선의 과부하를 방지하고 있으나, 차단기의 전력선에 열화가 발생하는 경우를 고려하지 않고 있다. 일반적으로 전력선의 열화는 1) 전기적 요인으로서 서지(surge) 전류 또는 과전류에 의한 차단기 개폐 시의 아크(arc) 손실, 2) 열적 요인으로 과부하 또는 단락에 의한 열 발생, 3) 기계적 요인으로 균열, 파손, 변형 등, 4) 환경적 요인으로 습기, 먼지, 부식, 절연물 변질 등에 의해 발생한다. 전력선에 열화가 발생하면 온도의 증가에 따라 저항이 급격하게 증가하기 때문에, 전력선의 열화를 가정하지 않고 종래의 기술대로 단순하게 온도 증가에 따라 최대 허용 전류를 하향 조정하면, 전력선의 열화에 의한 급격한 저항 증가 시 최대 허용 전류보다 적은 전류가 흐르더라도 과부하가 발생하여 화재가 발생할 수 있다.
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본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 측정된 온도로부터 저항온도계수를 산출하여 저항온도계수에 따른 최대 허용 전류를 변화시키고 최대 허용 전류가 소정의 값보다 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력함으로써 전력선의 열화를 감지하여 전력선의 열화에 의한 사고를 예방할 수 있는 자동 트립 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 자동 트립 장치는, 전력선이 연결된 차단기의 자동 트립 장치로서, 상기 전력선의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 차단기에 대해 트립 동작을 수행하는 트립부와, 상기 측정된 온도로부터 저항온도계수를 산출하고, 산출된 저항온도계수에 기초하여 최대 허용 전류를 산출하여, 산출된 최대 허용 전류를 상수로 나눈 값이 소정의 초기 열화 값보다 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자동 트립 제어 방법은, 전력선이 연결된 차단기의 자동 트립 제어 방법으로서, 상기 전력선의 온도를 측정하여 저항온도계수를 산출하는 단계와, 상기 저항온도계수에 기초하여 최대 허용 전류를 산출하는 단계와, 상기 산출된 최대 허용 전류를 상수로 나눈 값이 소정의 초기 열화 값보다 큰 경우 상기 차단기의 교체 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자동 트립 장치 및 그 제어 방법은 전력선의 열화를 감지하여 차단기 교체 신호를 출력함으로써 과부하에 의한 전기 화재를 예방할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 자동 트립 장치의 블록도를 도시한다.
본 발명에 의한 자동트립 장치(100)는 전력선이 연결된 차단기에 내장되어, 전력선의 온도를 측정하는 온도센서(11)와; 전력선의 전류를 측정하는 전류센서(12)와; 온도센서(11)와 전류센서(12)에서 측정한 데이터를 저장하는 데이터 저장부(13)와; 제어신호에 의해 전력선을 차단하는 트립부(14)와; 외부에서 전력선 차단을 요청할 수 있는 외부 트립 신호 입력부(15)와; 차단기의 수명을 표시하는 수명표시부(16)와; 경보신호를 발생하는 경고부(17)와; 측정된 온도로부터 저항온도계수를 산출하고 산출된 저항온도계수에 따라 최대 허용 전류(세팅전류)를 산출하여 산출된 최대 허용 전류가 소정의 값보다 큰 경우 차단기 교체신호를 출력하는 제어부(18)와; 상기 측정 데이터 및 분석 데이터를 외부의 시스템 컴퓨터로 전송하는 데이터 통신부(19)로 구성된다.
제어부(18)의 동작을 더 살펴 보면, 온도센서(11)와 전류센서(12)에서 측정한 데이터를 입력받아 데이터 저장부(13)에 저장하고, 상기 산출된 세팅전류와 측정된 전류를 비교하여 측정된 전류가 더 크면 전력선을 차단하기 위해 트립부(14)를 제어하고, 측정 데이터를 분석하여 분석 데이터를 데이터 저장부(13)에 저장하고 그 분석 데이터에 따라 차단기의 수명을 수명 표시부(16)에 표시하고, 상기 산출된 저항온도계수를 사전에 저장된 경보 저항온도계수와 비교하여 산출된 저항온도계수가 경보 저항온도계수보다 크면 경보신호를 발생하기 위해 경보부(17)를 제어한다. 여기서 수명 표시부(16)에 표시되는 차단기의 수명이란 전력선 구간의 수명으로서, 전력선 구간의 수명은 전력선의 열화에 의해 단축된다.
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도 2는 본 발명에 의한 자동 트립 장치가 차단기에 설치되어 사용된 상태를 도시한다.
본 발명에 의한 자동 트립 장치(100)가 내장된 차단기(200)는 부하(400)에 전기를 공급하는 전력선(300)에 병렬로 연결된다.
본 발명에 의한 자동 트립 장치(100)는 A구간의 전력선(300)의 온도를 일정시간(예를 들면, 1/1000초)마다 온도센서(11)를 이용하여 측정한다. 전력선(300)은 구리로 되어 있기 때문에 임피던스의 저항성분에 의해 열이 발생한다.
전력선의 허용 온도는 케이블의 종류에 따라 차이가 있으나 일반적으로 5℃~60℃이고, 최대 사용온도는 80℃ 전후이다. 최대 사용온도에서 24시간 이상 사용하게 되면 기능의 저하나 변형이 올 수 있으며, 150℃ 전후로는 화재가 발생할 수 있다.
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도 3은 온도 변화에 따른 구리의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
금속의 저항은 온도가 올라가면 커진다. 그것은 금속원자의 열 진동이 심해져서 자유전자의 운동을 방해하기 때문이다. 온도가 1도 상승하는데 따른 저항의 증가비율을 저항의 온도계수(temperature coefficient of resistance)라고 한다.
따라서, 저항온도계수는 다음과 같이 온도의 변화에 따른 저항의 변화에 의해 구한다.
at= r/Rt = a0R0/R0(1+a0t)=a0/(1+a0t)
a0:0°C 일때의 저항온도계수 at: t°C 일때의 저항온도계수
R0: 0°C 일때의 도체저항 Rt: t°C 일때의 도체저항
t: 도체의 온도 r: 1°C 에 대한 저항 변화값
표준 연동의 경우
a0 = 1/234.5, at = 1/(234.5+t)
정상적인 부하의 소비전력이 1100W이고 220V 5A를 사용한다고 가정할 경우, A구간의 저항이 10Ω이라면 A구간에서는 250W (W =I2R)의 주울 열이 발생한다. 열이 발생함에 따라 A구간의 온도가 상승하여 저항이 증가하고 다시 주울 열이 증가하는 것이 반복되어 A구간의 온도가 계속해서 상승한다.
전력선에 열화가 없는 경우에는 온도 증가에 따라 저항은 증가하지만 저항온도계수는 증가하지 않는다. 저항온도계수가 증가하지 않으면 종래와 같이 온도에 따라 세팅전류를 산출할 수 있으며, 저항온도계수가 증가하게 되면 전력선에 열화가 진행되고 있다는 것을 의미하므로 이 경우는 저항온도계수에 따라 세팅전류를 산출한다. 저항온도계수는 전력선의 온도, 전류, 전류의 공급시간 등을 측정하여 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 전력선의 온도와 전류를 측정하여 그에 따라 차단기를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4에 도시한 순서도는 저항온도계수가 증가하는 경우 즉, 전력선에 열화가 진행되는 경우에 있어서의 자동 트립 제어 방법이다.
우선, 저항온도계수가 소정의 값보다 큰 경우 경보를 출력하기 위해 그 기준이 되는 경보 저항온도계수(E)를 설정하고, 전력선의 열화 감지의 기준이 되는 열화 초기값(F)을 설정하는 초기화 과정을 수행한다(단계 S41).
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온도센서(11)가 전력선(300)의 온도를 측정하여(단계 S42), 측정된 온도로부터 저항온도계수(A)를 산출하고(단계 S43) 산출된 저항온도계수를 데이터 저장부(13)에 저장한다. 산출된 저항온도계수가 경보 저항온도계수보다 큰지를 판단하여(단계 S44) 큰 경우 경보부(17)를 동작시켜 경보신호를 출력한다(단계 S45).
다음, 산출된 저항온도계수에 따라 세팅전류(B)를 산출하고(단계 S46) 산출된 세팅전류를 데이터 저장부(13)에 저장한다. 이어서 전류센서(12)가 전력선(300)에 흐르는 현재 전류(C)를 측정하여(단계 S47) 데이터 저장부(13)에 저장한다.
다음, 산출된 세팅전류(B)를 정격전류(D)로 나누어 그 값이 초기 열화값(F)보다 큰 지를 판단하고(단계 S48), 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력한다(단계 S49). 전력선에 열화가 진행되면 저항온도계수가 증가하다가 전력선의 열화가 더욱 심해지면 매우 큰 부하가 발생하면서 온도 증가에 따른 저항의 증가가 둔감에 진다. 즉, 전력선의 열화가 어느 한도를 넘으면 저항온도계수가 오히려 작아지면서 세팅전류가 커지게 된다. 따라서 세팅전류가 일정한 값보다 작으면 아직까지 전력선의 열화가 크지 않은 것으로 보고, 세팅전류가 일정한 값보다 크면 전력선의 열화가 큰 것으로 판단할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 세팅전류를 소정의 상수 (정격전류)로 나눈 값이 일정한 값 즉, 초기 열화 값보다 작으면 전력선의 열화가 적은 것으로 보고, 초기 열화 값보다 크면 전력선의 열화가 큰 것으로 보고 이때 차단기 교체 신호를 출력하게 된다. 여기서 차단기 교체 신호란 차단기에 연결된 전력선의 열화를 경고하는 신호를 의미한다. 상기와 같은 전력선의 열화가 발생했는지를 감지한 후, 다음 단계로서 세팅전류가 측정전류보다 적은지를 판단하고(단계 S50), 적은 경우 트립 신호를 출력한다(단계 S51).
세팅전류가 측정전류보다 큰 경우에는 외부 트립 신호가 입력되었는지를 판단하고(단계 S52), 외부 트립 신호가 입력된 경우 트립 신호를 출력한다(단계 S51). 외부 트립 신호가 입력되지 않은 경우에는 단계 S42로 돌아가 그 이하의 단계를 반복한다. 한편, 자동 트립 장치(100)의 데이터 통신부(19)는 제어부(18)의 제어 하에 상기 각 단계에서 생성된 저항온도계수, 세팅전류, 현재 측정 전류, 차단기 교체신호 및 트립 신호에 대한 데이터를 시스템 컴퓨터(51)로 송신할 수 있다(단계 S53).
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본 발명에 의한 자동 트립 장치는 메인차단기, 서브차단기, 콘센트, 조명기기 등에 설치될 수 있다. 이렇게 설치된 자동 트립 장치들은 상호 간 데이터 통신을 할 수 있도록 자동 트립 네트워크 시스템을 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 자동 트립 네트워크 시스템을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시스템 컴퓨터(51)는 최상층에 자리하여 하위층(layer 1, layer 2, layer 3)의 자동 트립 장치(52, 53, 54)에서 수집되는 데이터를 받아 관리자가 파악할 수 있도록 처리, 분석하여 표시하고 관리자의 명령을 자동 트립 장치(52, 53, 54)에 전달한다.
제1 자동 트립 장치(52)는 메인 차단기에 내장되고, 제2 자동 트립 장치(53)은 서브 차단기에 내장되고, 제3 자동 트립 장치(54)는 콘센트나 조명기 등의 전기기기에 내장된다. 최하위에 위치하는 제3 자동 트립 장치(54)는 전력선에 직접 연결되어 전류, 주파수, 온도 등의 데이터를 수집하고 이상 상태를 감지하여 경고를 하거나 전원을 차단하고 상기 수집된 데이터를 상위에 존재하는 제2 자동 트립 장치(53)에 전달한다. 제2 자동 트립 장치(53)는 제3 자동 트립 장치(54)에서 수집된 데이터를 받아 제1 자동 트립 장치(52)에 전달하고, 제1 자동 트립 장치(52)는 제2 자동 트립 장치(53)에서 수집된 데이터를 받아 시스템 컴퓨터(51)에 전달한다. 도 5에서는 자동 트립 장치(52, 53, 54)가 3 개의 층으로 구분되어 있으나 필요에 따라서 더 많은 층으로 확장할 수 있다.
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도 1은 본 발명에 의한 자동 트립 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명에 의한 자동 트립 장치가 차단기에 사용된 상태를 나타낸 도면.
도 3은 온도 변화에 따른 구리의 저항의 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 자동 트립 제어 방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 자동 트립 장치가 사용되는 자동 트립 네트워크 시스템의 예시도.
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< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11: 온도센서 12: 전류센서
13: 데이터저장부 14: 트립부
15: 외부 트립 신호 입력부 16: 수명표시부
17: 경보부 18: 제어부
19: 데이터 통신부

Claims (13)

  1. 전력선이 연결된 차단기의 자동 트립 장치로서,
    상기 전력선의 온도를 측정하는 온도 센서와,
    상기 차단기에 대해 트립 동작을 수행하는 트립부와,
    상기 측정된 온도로부터 저항온도계수를 산출하고, 산출된 저항온도계수에 기초하여 최대 허용 전류를 산출하고, 산출된 최대 허용 전류를 상수로 나눈 값이 소정의 초기 열화 값보다 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 자동 트립 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    경보신호를 출력하는 경보부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 산출된 저항온도계수가 소정의 값보다 큰 것으로 판단하면 상기 경보부가 경보신호를 출력하도록 제어하는 자동 트립 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력선의 전류를 측정하는 전류 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 측정된 전류가 상기 산출된 최대 허용 전류보다 큰 것으로 판단하면 상기 트립부가 상기 차단기에 대해 트립 동작을 수행하도록 제어하는 자동 트립 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정된 온도 및 전류를 저장하는 데이터 저장부와,
    상기 차단기의 수명을 표시하는 수명 표시부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 저장된 측정 데이터를 분석하여 차단기의 수명을 산출하고, 산출된 값을 상기 수명 표시부에 표시하는 자동 트립 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트립부가 강제로 트립 동작을 수행하도록 외부 트립 신호를 입력하는 외부 트립 신호 입력부를 더 포함하는 자동 트립 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자동 트립 장치에서 발생하는 데이터를 외부 시스템으로 전송하기 위한 데이터 통신부를 더 포함하는 자동 트립 장치.
  7. 삭제
  8. 전력선이 연결된 차단기의 자동 트립 제어 방법으로서,
    상기 전력선의 온도를 측정하여 저항온도계수를 산출하는 단계와,
    상기 저항온도계수에 기초하여 최대 허용 전류를 산출하는 단계와,
    상기 산출된 최대 허용 전류를 상수로 나눈 값이 소정의 초기 열화 값보다 큰 경우 차단기 교체 신호를 출력하는 단계를 포함하는 자동 트립 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산출된 저항온도계수가 소정의 값보다 큰 경우 경보신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 자동 트립 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전력선의 전류를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 전류가 상기 최대 허용 전류보다 큰 경우 차단기에 대한 트립 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 자동 트립 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 측정된 온도 및 전류를 저장하는 단계와,
    상기 저장된 측정 데이터를 분석하여 상기 차단기의 수명을 산출하고 표시하는 단계를 더 포함하는 자동 트립 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 차단기에 대하여 강제로 트립 동작을 수행하기 위한 외부 트립 신호를 입력하는 단계를 더 포함하는 자동 트립 제어 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    저항온도계수, 전류, 차단기 교체신호, 트립 신호 중 적어도 하나를 외부 시스템으로 전송하는 단계를 더 포함하는 자동 트립 제어 방법.
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