WO2013187616A1 - 다양한 아크 및 과부하를 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 차단 장치 - Google Patents

다양한 아크 및 과부하를 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 차단 장치 Download PDF

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정태영
김대상
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H02H1/0015—Using arc detectors

Definitions

  • the present invention relates to a power cut device, and more particularly, to a power cut device that can cut off the power supply by detecting various arcs and overloads that may occur in the electric line.
  • Power-off devices also known as power outlets or sockets or multi strips or power boards, do not have an ability to detect anomalies at all, or even if there are some limited anomalies, such as a short circuit, It has only a single function to block. In most buildings and houses, earth leakage breakers installed on power lines can only detect a short circuit. As described above, conventional power cut-off devices are often unable to detect an abnormal situation other than a short circuit, and there is a limit in preventing an electrical disaster.
  • the electric fire may be caused by the ignition of the surrounding ignition by the arc of the arc due to the abnormality of the electric line or the electric equipment, the overheating caused by the overcurrent due to the overload caused by the large current flowing through the load, or the overcurrent of the load itself.
  • the terminal power line connected to the load causes a short circuit, it is often caused by overheating while the line acts as a kind of load having a small capacity.
  • a power cut circuit that basically has a function of detecting an overload, and can properly cut off the power by distinguishing between a short arc that may occur when a user turns on or off the power and a continuous arc that may cause a fire. And a power off device.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a power interruption device capable of detecting a continuous voltage-type micro arc and large current-type arc that can cause a fire, thereby cutting off the power.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a power interruption device that can cut off the power even in the case of a minute arc and a large arc, as well as a momentary voltage drop due to overheating or abnormal line overload due to overload.
  • a fine arc detection unit conducting the first switching element based on a voltage induced in the high frequency choke coil by the high frequency pulse current due to the fine arc on the power line, and outputting a fine arc detection current while the first switching element is conducting;
  • a high current arc detector for outputting a high current arc detection current while the second switching element is turned on based on a change in the magnetic field generated in the coil inserted on the power line due to the high current arc on the power line;
  • a delay unit accumulatively charging the fine arc detection current or the large current arc detection current with a predetermined time constant and outputting an arc detection signal when the voltage of the delay capacitor reaches a predetermined level;
  • a power cut-off unit capable of electrically cutting the load side and the power line when an operating voltage is applied
  • the first switch may be configured to connect the operating voltage to the power cutoff unit by the arc detection signal.
  • the fine arc detector the fine arc detector
  • a second capacitor is connected in series between the inductor and the terminal 1 of the high frequency choke coil, and a first diode and the first capacitor are connected in series between the inductor and the terminal 2 of the high frequency choke coil.
  • a fourth diode is connected between the terminal 2 of the high frequency choke coil and another power line;
  • One end of the high frequency choke coil is commonly connected to the control terminal of the first switching element and the second capacitor through a high frequency rectifying diode, and the other end of the input terminal of the first switching element and the anode of the second diode and It may be connected to the anode of the fourth diode.
  • the high current arc detector is
  • the second switching element When a change in the magnetic field occurs in the coil inserted on the power supply line due to a current change due to a large current arc on the power supply line, the second switching element is turned on based on the voltage induced in the current transformer by the change in the magnetic field.
  • the high current arc detection current may be output to flow through the second switching element while the second switching element is conductive.
  • the second switching element of the high current arc detector is a reed switch
  • the high current arc detection current may be output to flow through the reed switch while the reed switch is turned on by a change in the magnetic field occurring in the coil inserted on the power line due to the current change due to the high current arc on the power line.
  • a delay resistor discharging a charge charged in the delay capacitor due to at least a portion of the fine arc detection current or the large current arc detection current
  • It may include a third switching device that is turned on when the constant voltage device is conductive to output the arc detection signal.
  • the first switch may include a coupling element electrically connecting the power line and the power cutoff unit when the arc detection signal is received at a control terminal.
  • the self-maintaining relay When the first switch is energized by the arc detection signal and the operating voltage is connected, the self-maintaining relay is electrically insulated from the load side and maintains an electrical insulation state with the load side even after the arc detection signal is extinguished. It may include.
  • the self-maintaining relay the self-maintaining relay
  • It may include a three-terminal switch is switched to a position for connecting the power line and the drive coil in a position that magnetically connects the power line and the load side by the magnetization of the drive coil.
  • the power cut off unit the power cut off unit
  • the connection between the drive coil and the power line may be cut off and the three-terminal switch may be switched to a position connecting the power line and the load side.
  • the power off device the power off device
  • the apparatus may further include an overload detector configured to output an overload detection signal when the DC voltage rectified by the AC voltage induced by the current transformer due to an overload or a short circuit exceeds a predetermined level.
  • the power off device the power off device
  • the electronic device may further include a second switch configured to connect the operating voltage to the power cutoff unit by the overload detection signal.
  • the power off device the power off device
  • the apparatus may further include an operating voltage generator configured to charge a rectified voltage in a capacitor connected between two power lines, and provide the charged voltage as the operating voltage.
  • an operating voltage generator configured to charge a rectified voltage in a capacitor connected between two power lines, and provide the charged voltage as the operating voltage.
  • the power off device the power off device
  • the operating voltage is passed through the second reed switch while the second reed switch is turned on by a change in the magnetic field occurring in the second coil inserted on the power line due to a current change due to an overload or a short circuit on the power line.
  • the apparatus may further include an overload detector configured to be connected to the blocking unit.
  • the power off device the power off device
  • the apparatus of claim 13, further comprising an operating voltage generator configured to charge a rectified voltage in a capacitor connected between two power lines, and provide the charged voltage as the operating voltage.
  • the power cut-off device of the present invention there may be a spark, arc, overload, voltage drop and the like that may occur due to abnormal conditions such as wires and electrical appliances, such as poor connection, short circuit due to short circuit, overload, line overheating, line resistance change, etc. Disasters such as fire due to overheating can be prevented with a single power off device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a power off device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram specifically illustrating a power interruption device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a fine arc detection unit of a power off device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a large current arc detector of a power interruption device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an overload detection unit of a power interruption device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a power cutoff unit of a power cutoff device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a block diagram illustrating a power off device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram specifically illustrating a power interruption device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a large current arc detection unit of a power interruption device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an overload detection unit and a power cutoff unit of a power cutoff device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a power off device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a circuit diagram specifically illustrating a power off device according to an embodiment of the present invention.
  • the power cut-off device 10 is typically an input power terminal on the side of a grid power input, such as an input plug to be inserted into a power outlet, for example, installed on a building wall.
  • a grid power input such as an input plug to be inserted into a power outlet, for example, installed on a building wall.
  • 18 for example, an output power terminal 19, such as a socket into which a plug of a load device is to be inserted, and a fine arc detector 11, a high current arc detector, connected between the input power terminal 18 and the output power terminal 19; 12, a delay unit 13, an overload detector 14, an operation voltage generator 15, and a power cutoff unit 16 may be included, and the filter unit 17 may be further included.
  • the fine arc detection unit 11 uses a voltage sensor 111 connected to the power line AC1, for example, a fine arc detection current corresponding to the strength and weakness of the fine arc detected whenever the minute arc is detected using the inductor T3. Is applied to the delay unit 13.
  • the fine arc detector 11 transmits a high frequency pulse due to the micro arc propagating along the power line to the inductor T3.
  • the detection is performed based on the induced voltage, and each time the high frequency pulse is detected, the fine arc detection current may be output to the delay unit 13 in the form of a pulse corresponding to the magnitude and width of the detected high frequency pulse.
  • the high current arc detector 12 detects a large arc with a large current using a current sensor 121 using a coil capable of inducing a change in the magnetic field by the high current arc, for example, a current transformer (CT).
  • CT current transformer
  • the large current arc detection unit 12 generates an organic alternating voltage and a high frequency pulse current appearing on the power line due to the high current arc. Detection can be performed based on the voltage induced in CT. If the detected organic alternating voltage and the high frequency pulse current are greater than or equal to a predetermined magnitude, the high current arc detector 12 applies the large current arc detection current to the delay unit 13 in a pulse form corresponding to the magnitude and the appearance time of the organic alternating voltage. do.
  • the delay unit 13 may be implemented to include an integrator capable of accumulating a fine arc detection current or a large current arc detection current, which may be implemented as, for example, a delay capacitor 131 and a delay resistor 132. Can be.
  • the delay capacitor 131 may be charged by the fine arc detection current or the large current arc detection current, and the charge charged in the delay capacitor 131 may be discharged with a predetermined time constant by the delay resistor 132.
  • the delay unit 13 If the micro-arc or the high-current arc is continuously or strongly generated above a predetermined level and the delay capacitor 131 is charged above a predetermined voltage, the delay unit 13 generates an arc detection signal to generate an arc detection signal. Output to the first switch 161.
  • the voltage type micro arc detected in the fine arc detection unit 11 is a continuous fine arc that may cause a fire, or if the current type large arc detected in the high current arc detection unit 12 is strong enough to cause a fire. If it is a continuous and continuous arc, the charge accumulates in the delay capacitor 131 due to the continuous fine arc detection currents or the high current arc detection currents, so that the voltage across the delay capacitor 131 becomes higher than a predetermined reference voltage level.
  • the detection signal can be generated.
  • the detected fine arc or the high current arc is of a temporary and instantaneous nature, the charge accumulated in the delay capacitor 131 is discharged by the delay resistor 132, and the accumulated detection signal disappears over time. Therefore, there is no risk of fire and the power is not cut off by a single arc.
  • each delay circuit will output a respective arc detection signal, and each arc detection signal can be connected to activate each switch at the power interruption unit 16.
  • the overload detector 14 When a current surges or a voltage drops on the power line due to an overload or a short circuit, the overload detector 14 generates an overload detection signal and outputs the overload detection signal to the second switch 162 of the power cutoff unit 16. .
  • the overload detection unit 14 uses the current sensor 141, for example, the current transformer CT, to increase the AC current due to the overload of the power line AC2 or to increase the AC current due to an abnormal voltage drop. And generate an overload detection signal.
  • the current sensor 141 for example, the current transformer CT
  • the current sensor 121 of the large current arc detector 12 and the current sensor 141 of the overload detector 14 may be implemented as separate current transformer elements, or may share one current transformer element. .
  • the overload detection unit 14 detects the surge of the AC current due to the voltage drop, the voltage of the power line AC1 is low and the power cutoff unit 16 may not operate properly.
  • the operating voltage generator 15 is normally charged to an appropriate operating voltage.
  • the second switch 162 When the second switch 162 is closed while the overload detection unit 14 outputs an overload detection signal with the voltage drop, the operating voltage generator 15 closes the charged operating voltage.
  • the second switch 162 may provide the relay 163 as a driving voltage required for the relay 163 to operate.
  • the power interrupter 16 When the first switch 161 is closed by the arc detection signal or the second switch 162 is closed by the overload detection signal, the power interrupter 16 is connected to the output power supply terminal 19 by the relay 163.
  • the power path AC1 to be connected may be electrically disconnected to cut off the power.
  • the first switch 161 or the second switch 162 may be configured to connect the relay 163 to an AC power supply voltage or a DC operating voltage by a signal output from the delay unit 13 and the overload detection unit 14. It may be implemented as a device such as, for example, a two-terminal switch, a photo-coupler or a two-terminal relay that can be electrically connected or disconnected.
  • the relay 163 of the power cut-off unit 16 includes a three-terminal switch 164 inserted into the lead between the input power terminal 18 and the output power terminal 19, the first and second switches ( By operating the 161 and 162 to drive the three-terminal switch 164 to one of the power output power terminal 19 or the drive coil 165, the power supply to the load can be connected or disconnected.
  • the relay 163 when the second switch 162 is closed, the relay 163 operates the solenoid driving coil 165 by the DC voltage charged in the operating voltage generator 15, and the relay 163 operates by the solenoid driving coil 165.
  • the connection contact of the terminal switch 164 moves from the terminal 2 to the terminal 3 so that the electrical connection between the input power terminal 18 and the output power terminal 19 is disconnected.
  • the relay 163 may be implemented not only as a relay element but also as an electric element such as a switch capable of operating similar to the relay.
  • the power cut-off unit 16 may further include a manual return switch 166 capable of manually restarting power supply after the power is cut off due to an arc or an overload. If the input power terminal 18 is disconnected from the wall outlet or the manual return switch 166 stops supplying power to the power cutoff unit 16, the power cutoff unit 16 remains in the connection state before the cutoff operation. To return. When the manual return switch 166 is closed, the power-off state is maintained. When the manual return switch 166 is opened by the user, the relay 163 returns to the original connection state, whereby the power path is reconnected and power is restored. Can be supplied.
  • Figure 3 is a specific circuit diagram of the fine arc detection unit of the power interruption device according to an embodiment of the present invention It is an example.
  • the fine arc detection unit 11 detects a high frequency pulse due to a fine arc on the power line by the inductors 111 and T3 and the choke coil L1 connected between the two power lines AC1 and AC2.
  • the first switching element Q1 conducts according to the detection of the high frequency pulse, and while the first switching element Q1 conducts, the fine arc detection currents are output to the delay capacitor 131 having a predetermined time constant to accumulate. Charge it.
  • Fine arcs can occur momentarily when plugged in or unplugged, or when the power switch is turned on and off, and minute sparks can occur continuously within seconds due to electrical loads or line failures. It is not necessary to do it or it does not need to be cut off, but in the latter case, the power should be cut off as there is a danger of fire.
  • Fine arcs from loads or lines are usually expressed as pulse currents with frequency components from a few kHz to several GHz.
  • the high frequency pulse current propagates through the AC line, is blocked by the filter unit 17, and may be detected by the fine arc detection unit 11.
  • the fine arc detection unit 11 outputs a fine arc detection current whenever a high frequency pulse is detected.
  • the filter unit 17 inserted into the power line passes the low frequency alternating current component of the normal commercial power source, but prevents the high frequency pulse caused by the micro arc generated from the load side from propagating to the system side, and the high frequency pulse due to the micro arc is fine. It may assist to trigger the operation of the arc detector (11).
  • the filter unit 17 may include two inductors T1 and T2 inserted in series to the AC lines AC1 and AC2, respectively.
  • the first inductor T1 and the second inductor T2 are high frequency inductors and may block passage of high frequencies of a predetermined frequency or more.
  • high frequency pulses generated at the load side propagate to the grid at the input terminal 18 side. It is possible to prevent the power supply disconnecting device 10 from being damaged by inhibiting the high frequency surge from being propagated on the input terminal 18 side.
  • the filter unit 17 is a kind of non-linear variable resistor (TVR) connected in parallel to the power line on the input terminal 18 side so as to absorb the surge transmitted from the outside.
  • TVR non-linear variable resistor
  • the high-frequency voltage capable of triggering the operation of the fine arc detector 11 does not appear in the power line to which the filter unit 17 is inserted.
  • the high frequency pulse current due to the micro arc occurs, the high frequency pulse current does not pass through the first and second inductors T1 and T2, and the high frequency pulse voltage is induced in the third inductor T3.
  • the high frequency choke coil element Since the high frequency choke coil element has a high impedance with respect to the high frequency AC signal, when a high frequency pulse voltage is applied by the arc pulse, a voltage difference is generated at both ends. In the normal state, the high frequency choke inductor L1 passes the low frequency alternating voltage as it is and no voltage difference is formed at both ends.
  • the high frequency pulse voltage induced in the third inductor T3 is applied to the high frequency choke L1 by a closed circuit formed by the first capacitor C1, the second capacitor C2, the first diode D1, and the high frequency choke L1. Is approved. As the high frequency choke L1 is saturated by the high frequency pulse, a slight voltage is induced at both ends (between terminals 1 and 2).
  • the high frequency choke L1 is connected to the input terminal 2 of the first switching element Q1 by a second diode D2 whose terminal 1 is a high frequency rectifying diode, and the terminal 2 is the input terminal 1 of the first switching element Q1. Is connected to. Accordingly, the voltage induced across the high frequency choke L1 is rectified by the second diode D2 to form a voltage difference between both input terminals 1 and 2 of the first switching element Q1 and the first switching element Q1. Turn on).
  • the fine arc detector 11 and the delay unit 13 For this reason, whenever a micro arc occurs, in the fine arc detector 11 and the delay unit 13, the third diode D3, the fourth resistor R4, and the delay capacitors 131 and C4 from the power supply line AC1.
  • the micro-arc detection current flows through the sixth diode D6 and the fifth resistor R5 to the power supply line AC2 through the terminal 3 of the first switching element Q1, the terminal 1 and the fourth diode D4.
  • a path can be formed temporarily.
  • the minute arc detection current is generated in the form of a pulse due to the temporary conduction between the terminals 1 and 3 of the first switching element Q1 every time the minute arc is generated.
  • the first LED (LED1) is a signal lamp that makes it possible to know that the power is applied to the power cut device 10.
  • the first resistor R1 is for discharging the voltage applied to the second capacitor C2 when the power is normally supplied.
  • the first resistor R1 is a fine current flowing through the first resistor R1 to drive the first LED LED1 to emit light. It may indicate that power is being applied.
  • the high frequency pulse current of the fine arc passes through the first and second diodes D1 and D2
  • the low frequency band does not pass by the first and second capacitors C1 and C2, but only the high frequency band passes.
  • the pulse current passes through the first and second capacitors C1 and C2 only high frequency components of several tens of MHz or more remain. Accordingly, noise components of several kHz to thousands of kHz, which may occur even under normal use of the load, are excluded from the arc detection, and malfunction of the power cutoff device 10 can be minimized.
  • the fine arc detection current generated by the fine arc detector 11 charges the delay capacitor 131 in the delay unit 13.
  • the delay unit 13 has a voltage level of the delay capacitor 131 that is charged while the fine arc detection currents due to the continuous arc are applied to a predetermined reference voltage, for example, the constant voltage element 133 such as the Zener diode ZD1.
  • a predetermined reference voltage for example, the constant voltage element 133 such as the Zener diode ZD1.
  • an arc detection signal may be generated to enable the first switch 161 to conduct.
  • the delay unit 13 may not exceed the predetermined voltage level, for example, the breakdown voltage of the zener diode ZD1. Because of this, the arc detection signal cannot be generated.
  • the delay capacitor 131 is configured to discharge immediately over time by the delay resistor 132 connected to the delay capacitor 131.
  • the fine arc detection unit 11 can accurately detect continuous fine arcs having a high risk of actual fire while ignoring one or two instantaneous or artificial arcs that are not at high risk.
  • the fine arc detection current output from the first switching element Q1 of the fine arc detection unit 11 has a waveform substantially similar to the shape of the fine arc pulse whenever the fine arc pulse is detected.
  • it may cause charging of the fourth capacitor C4 in the delay unit 13.
  • the charging speed of the fourth capacitor C4 may be adjusted by the current driving capability of the first switching element Q1, the value of the fourth resistor R4, or the fifth resistor R5.
  • the fine arc detection current no longer flows while the first switching element Q1 is turned off, and the charge charged to the fourth capacitor C4 until then is changed by the variable delay resistor R6. Can be discharged by.
  • the discharge rate of the fourth capacitor C4 may be adjusted by the variable resistor value of the variable delay resistor R6.
  • a voltage higher than a predetermined reference voltage may be induced across the fourth capacitor C4, thereby generating an arc detection signal.
  • the fourth capacitor C4 is continuously charged, and the voltage across the fourth capacitor C4 is, for example, a constant voltage diode ZD1 in which a Zener diode may be implemented.
  • the AC power supply AC1 is connected to the input terminal 2 of the third switching element Q3 while the constant voltage diode ZD1 is conducting, and the terminal is connected while the third switching element Q3 is conducting.
  • a current path is formed between 3 and terminal 1. The current flowing from the terminal 3 to the terminal 1 of the third switching element Q3 may activate the first photo coupler PTC1 constituting the first switch 161 while serving as an arc detection signal.
  • the fourth resistor, the sixth diode D6, and the fifth resistor R5 provide an appropriate voltage drop to the delay unit 13 in consideration of the high AC voltage level between the power supply lines, and prevent the reverse flow of current. In order to appropriately determine the charging speed of the fourth capacitor C4.
  • the second resistor R2 and the third capacitor C3 are circuit elements connected to protect the first switching element Q1 and to facilitate the conduction operation.
  • Figure 4 illustrates a large current arc detector of the power interruption device according to an embodiment of the present invention One schematic.
  • a current sensor 121 capable of detecting a sudden change in the AC current is mounted on the AC line AC2.
  • a predetermined voltage is induced across the current sensor 121 such as the current transformer CT, for example.
  • the voltage induced in the current transformer 121 charges the detection capacitor C6 connected in parallel to both ends of the current transformer 121, and when the charging voltage of the detection capacitor C6 is equal to or higher than a predetermined voltage level, the high current arc detection unit 12 performs a high current. Arc detection current can be generated.
  • the input terminal 1 of the second switching element Q2 is connected to the power supply line AC2 through the fifth diode D5, and thus, the input of the second switching element Q2 is input.
  • the potentials of the terminals 1 and 2 are usually almost the same or only have a difference that does not cause conduction of the second switching element Q2.
  • the third diode D3, the fourth resistor R4, and the delay capacitor C4 between the power supply lines AC1 and AC2.
  • a current path is formed that leads to the seventh diode D7, the seventh resistor R7, and the terminals 3 of the second switching element Q2, and the first and fifth diodes D5, and the high current arc detection current is formed in the current path.
  • the current flows to charge the delay capacitor C4.
  • the voltage charged to the delay capacitor C4 does not reach the breakdown voltage of the zener diode ZD1, or there is no subsequent high current arc, and thus the voltage charged to the delay capacitor C4 again is a zener diode. If the breakdown voltage of ZD1 is not reached, the third switching element Q3 does not conduct and no arc detection signal is generated.
  • the third switching element Q3 is conducted in the delay unit 13 to generate an arc detection signal only in the event of one arc generation only when there is a harmful high current arc that may cause a fire. Slow arcs caused by simple arcing, fluorescent lamps, flashers, etc. can be ignored.
  • the fifteenth resistor R15 and the fifth capacitor C5 are circuit elements connected to protect the third switching element Q3 and to facilitate the conduction operation.
  • the delay unit 13 charges the delay capacitor 131 as at least a part of the fine arc detection current or the high current arc detection current, and delay the capacitor.
  • a constant voltage element 133 for example, a zener diode ZD1 that conducts when the voltage accumulated in the delay capacitor reaches a predetermined level.
  • a third switching element Q3 that is turned on when the constant voltage element 133 is turned on, and outputs an arc detection signal.
  • FIGS. 1, 2, and 5 is a circuit diagram illustrating an overload detection unit of a power interruption device according to an embodiment of the present invention.
  • the current sensor 141 of the overload detection unit 14 capable of detecting a sudden change in the AC current is attached to the AC power supply line AC2.
  • the current sensor 141 may be mounted only for the overload detector 14, but may share the current sensor 121 of the large current arc detector 12.
  • a predetermined induced AC voltage across the current sensor 141 such as the current transformer CT is converted into a predetermined DC voltage through the bridge diode D11 and the ninth diode C9.
  • the converted DC voltage may be applied as an overload detection signal to the second photo coupler PCT2 serving as the second switch 162 via the current control tenth resistor R10 and the circuit protection eleventh resistor R11.
  • the circuit protection zener diode DS and the circuit protection capacitor CS are circuits for the sudden voltage fluctuations that may occur in the current transformer CT.
  • FIGS. 1, 2, and 6. 6 is a circuit diagram illustrating a power cutoff unit of a power cutoff device according to an embodiment of the present invention.
  • the power cutoff unit 16 is activated by the arc detection signal output from the delay unit 13 and is controlled by the first switch 161 for controlling the relay 163 and the overload detection signal output from the overload detection unit 14. And a second switch 162 that is activated to control the relay 163, and is driven when connected to the operating voltage of the power supply voltage or the operating voltage generator 15 to switch the connection state of the power supply. It may include.
  • the second switch 162 may apply a power supply voltage to the relay 163.
  • the impedance of the line itself acts as a load, leading to rapid overheating and leading to a fire.
  • the voltage itself of the power supply line AC1 is lowered, the speed and the error of the conventional switchgear are large. .
  • the operating voltage generator 15 may store an appropriate amount of electrical energy normally, and then transfer the driving energy to the relay 163 if necessary.
  • the operating voltage generator 15 includes a direct current including an eighth diode D8, a thirteenth resistor R13, an eighth capacitor C8, and a ninth diode D9 between two AC power lines AC1 and AC2. Voltage charging circuit.
  • the rectified direct current using the eighth diode D8 and the ninth diode D9 flows through the thirteenth resistor R13 and the eighth capacitor C8 to charge the eighth capacitor C8. Since there is no discharge path after the eighth capacitor C8 is fully charged, power consumption due to the operating voltage generator 15 is not a big problem.
  • the first switch 161 When the arc detection signal occurs, the first switch 161 is closed and connected to the power line AC1, and a power voltage is applied from the power line AC1 to the solenoid driving coil 165 of the relay 163.
  • the second switch 162 When the overload detection signal is generated, the second switch 162 is closed, and the driving coil 165 of the relay 163 supplies a power supply voltage or an operating voltage of a predetermined level charged in the operation voltage generator 15. Is authorized.
  • the first and second switches 161 and 162 may also be implemented as photocoupler switches PTC1 and PTC2 or conventional relays.
  • the light emitting diode inside the photocoupler switches PTC1 and PTC2 emits light, and the light receiving diode is energized while receiving light.
  • the relay closes and energizes when the fine arc detection signal or the overload detection signal is activated. Due to the characteristics of the photocoupler or the relay, both ends are electrically insulated and no signal is transmitted in the reverse direction, so generation or destruction of detection signals is not affected by the operation of the relay 163.
  • the relay 163 normally holds the switching conductor of the three-terminal switch 164 in the position of the terminal 2, but when the power supply voltage or the predetermined operating voltage is applied, the relay 163 terminals the switching conductor by magnetic force by magnetization of the driving coil 165. By moving to the 3 position, the three-terminal switch 164 can be switched. When the magnetic field of the drive coil 165 disappears, the switching conductor is restored to the position of the terminal 2 by a restoring force such as a spring.
  • the relay 163 may be implemented as a self-holding relay.
  • the self-holding relay can maintain the switched terminal position by itself even if the operation signal disappears after the operation signal is applied and switched to a specific terminal position, unlike a normal relay which returns to its original position when the operation signal disappears. .
  • the three-terminal switch 164 inserted into the power line AC1 electrically connects the input power terminal 18 side and the output power terminal 19 side at the position of terminal 2 in a normal state, but the drive coil Once the magnetic field is formed by 165, the switch conductor is switched to the position of the terminal 3 to electrically connect the input power supply terminal 11 side (or the operating voltage generator 15 side) and the driving coil 165.
  • the driving coil 165 of the relay 163 has a terminal 1 connected to the power line AC1 through the first switch 161, and an eighth of the operating voltage generator 15 through the second switch 162. It is connected to the capacitor C8, and the terminal 2 is connected to the power line AC2.
  • the first switch 161 and the overload detection signal are deactivated even after the arc detection signal or the overload detection signal is deactivated as long as power is connected at the input power terminal 18. Even if the second switch 162 is opened again, the driving coil 165 of the self-maintaining relay 163 may continue to operate to cut off the power supply to the load side.
  • the manual return switch 166 is, for example, a push button switch, which is normally closed but opens while the user presses it, and when opened, terminal 3 of the 3-terminal switch 164 with the self-maintaining relay 163 driven. And cut off the electrical connection between the drive coil 165. Therefore, when the manual return switch 165 is turned off, the current flowing in the driving coil 165 is interrupted, the operation of the self-holding relay 163 is also stopped, and the three-terminal switch switched to the terminal 3 by the magnetic force by the coil 165. 164 switches from terminal 3 back to terminal 2 as the magnetic force disappears, and power supply to the load side can be resumed.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a power off device according to another embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a circuit diagram specifically illustrating a power off device according to another embodiment of the present invention.
  • the power cut-off device 70 includes an input power terminal 78, an output power terminal 79, and an input power terminal 78 and an output power terminal 79 on the grid power input side. It may include a fine arc detection unit 71, a high current arc detection unit 72, a delay unit 73, an overload detection unit 74, an operating voltage generator 75, a power cutoff unit 76 connected therebetween, and filtering
  • the unit 77 may further include.
  • the power cutoff device 70 of FIG. 7 is generally similar to the power cutoff device 10 of FIG. 1, and generates a fine arc detector 71, a delay unit 73, and an operating voltage of the power cutoff device 70 of FIG. 7.
  • the unit 75 and the power cutoff unit 76 may include a fine arc detector 11, a delay unit 13, an operating voltage generator 15, and a power cutoff unit 16 of the power cutoff device 10 of FIG. 1. Since each can be described substantially the same, the description is omitted here.
  • the fine arc detection unit 71 uses a voltage sensor 711 connected to the power line AC1, for example, a fine arc detection current corresponding to the strength and weakness of the fine arc detected whenever the minute arc is detected using the inductor T3. Is applied to the delay unit 73.
  • the fine arc detection unit 71 transmits a high frequency pulse due to the micro arc propagating along the power line to the inductor T3.
  • the microarray detection current may be output to the delay unit 73 in the form of a pulse corresponding to the magnitude and width of the detected high frequency pulse whenever the high frequency pulse is detected.
  • the high current arc detection unit 72 may detect the high current arc by a reed relay 721 using a coil capable of inducing a change in the magnetic field by the high current arc, and a large arc accompanying the high current may be detected. Each time, a high current arc detection current is applied to the delay unit 73.
  • the reed relay is a coil wound around a reed switch in which two magnetic alloys are separated in a vacuum tube. Reed switches are fast and very reliable.
  • the two magnetic alloys forming the reed switch do not contact each other, but if a large current arc flows through the coil, the magnetic field generated by the coil becomes stronger.
  • the two magnetic alloys of the reed switch are magnetized with different polarities and eventually come into contact with each other to energize the reed switch.
  • the role of the reed relay 721 of the high current arc detection unit 72 may correspond to the role of the current sensor 121 and the second switching element Q2 of the high current arc detection unit 12 of FIG. 1.
  • the high current arc detection unit 72 is similar to the high current arc detection unit 12 of FIG. 1 in that a large change in the magnetic field occurs in the coil when there is a high current arc, and the change in the magnetic field forms a current path. It causes switching. The difference is that in the high current arc detector 12 of FIG. 1, the change in the magnetic field of the coil uses a voltage induced in another adjacent coil, while the high current arc detector 72 uses a magnetic material that is magnetized more strongly due to the change in the magnetic field of the coil. to be.
  • a large current arc flows through the coil of the reed relay 721 to generate a strong magnetic field, and energizes the reed switch.
  • An energized reed switch may allow high current arc detection current to flow. The operation of the high current arc detection unit 72 will be described in detail with reference to FIG. 9.
  • the delay unit 73 may be implemented to include an integrator capable of accumulating the fine arc detection current, and the description thereof will be omitted since it is substantially the same as the delay unit 13 of FIG. 1.
  • the delay unit 73 is designed to be shared by the fine arc detection unit 71 and the high current arc detection unit 72, but according to the embodiment, the fine arc detection unit 71 and the high current arc detection unit 72 are provided. May be designed to have a delay circuit for each, or only the fine arc detector 71 may be designed to have a delay circuit. In this case, each delay circuit will output a respective arc detection signal, and each arc detection signal can be connected to activate each switch at the power interrupter 76.
  • the power cutoff unit 76 receives electric energy accumulated in the operating voltage generator 75 while the overload detector 74 is energized. Is supplied to the relay 763 to activate the relay 763.
  • the overload detector 74 uses the second reed relay 741 to increase the AC current due to the overload of the power line AC2 or the AC current to increase due to the abnormal voltage drop. Can be sensed and energized.
  • the overload detection signal may flow through the reed switch energized by the voltage charged in the operation voltage generator 75.
  • overload detection unit 74 The detailed operation of the overload detection unit 74 is described below with reference to FIG.
  • the operating voltage generator 75 may store an appropriate amount of electrical energy normally, and may transfer the driving voltage generator 75 to the relay 763 when needed.
  • the operating voltage generator 75 includes a direct current including an eighth diode D8, a thirteenth resistor R13, an eighth capacitor C8, and a ninth diode D9 between two AC power lines AC1 and AC2. Voltage charging circuit.
  • the DC current rectified using the eighth diode D8 and the ninth diode D9 flows through the thirteenth resistor R13 and the eighth capacitor C8 to charge the eighth capacitor C8. Since there is no discharge path after the eighth capacitor C8 is fully charged, power consumption due to the operating voltage generator 75 is not a big problem.
  • the power supply blocking unit 76 When the first switch 761 is closed by the arc detection signal or the second reed relay 741 of the overload detection unit 74 is closed by the arc detection signal, the power supply blocking unit 76 outputs the power supply terminal 79 by the relay 763.
  • the power path AC1 connected to) may be electrically disconnected to cut off the power.
  • the first switch 761 may electrically connect or disconnect the relay 763 to an AC power supply voltage or a DC operating voltage by signals output from the delay unit 73 and the overload detector 74.
  • the relay 763 may be implemented as a device such as a two terminal switch, a photo-coupler or a two terminal relay.
  • the relay 763 of the power cut-off unit 76 includes a three-terminal switch 764 inserted into a lead between the input power terminal 78 and the output power terminal 79, and includes a first switch 761 and By operating the second reed relay 741, the three-terminal switch 764 may be driven to be connected to either the power output power terminal 79 or the driving coil 765, thereby connecting or disconnecting the power supply to the load. .
  • the relay 763 operates the solenoid driving coil 765 by the DC voltage charged in the operating voltage generator 75, and the solenoid driving coil 765.
  • the connection contact of the three-terminal switch 764 moves from terminal 2 to terminal 3 so that the electrical connection between the input power terminal 78 and the output power terminal 79 is disconnected.
  • the relay 763 may be implemented as an electric element such as a switch capable of operating similar to the relay as well as the relay element despite its name.
  • the power cutoff unit 76 may further include a manual return switch 766 that can manually resume power supply after the power is cut off due to an arc or an overload. If the input power terminal 78 is disconnected from the wall outlet or the manual return switch 766 is turned off to stop the power supply to the relay 763 of the power cutoff unit 76, the power cutoff unit 76 cuts off. Return to the previous connection. When the manual return switch 766 is closed, the power-off state is maintained.
  • the solenoid drive coil 765 of the relay 763 loses the magnetic field and the three-terminal switch 764 By returning the switching conductor to its original connection state, that is, terminal 2, the power path can be reconnected and the power supplied again.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a large current arc detection unit of a power interruption device according to another embodiment of the present invention.
  • the third switching element Q3 of the delay unit 73 When the voltage of the terminal 1 of the third switching element Q3 of the delay unit 73 is sufficiently lower than the voltage of the terminal 2 while the fourth capacitor C4 is charged by the high current arc detection current, the third switching element Q3. Conducts a current path between terminal 3 and terminal 1. The current flowing from the terminal 3 to the terminal 1 of the third switching element Q3 may act as an arc detection signal and activate the first photo coupler PTC1 constituting the first switch 761.
  • a resistor connected in parallel to the coil in the first reed relay 721 is a bypass path of the current when a large current arc is generated, and the reed switch is opened again by consuming the energy accumulated in the coil after the arc detection to remove the magnetic field. It can function as an element.
  • FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an overload detector and a power shutoff unit 76 of the power cutoff device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the coil of the second reed relay 741 when the normal AC power current flows in the power line AC2, the coil of the second reed relay 741 generates a weak magnetic field and the two magnetic alloys of the reed switch are normally used. Does not magnetize sufficiently. The reed switch is therefore kept open.
  • the power cutoff unit 76 is activated by the first switch 761 which is energized by the arc detection signal output from the delay unit 73 and the overload detection signal output by the overload detection unit 74 and is supplied with a power supply voltage or an operating voltage. It may include a relay 763 is driven when connected to the operating voltage of the generator 75 to switch the connection state of the power supply.
  • the arc detection signal is generated and the first switch 761 is closed, the power line AC1 and the relay 763 are connected, and the solenoid driving coil 765 of the relay 763 is connected from the power line AC1. Power supply voltage is applied.
  • the first switch 761 may also be implemented as a photocoupler switch PTC1 or a conventional relay.
  • the light emitting diode inside the photocoupler switch PTC1 emits light, and the light receiving diode is energized while receiving light.
  • the relay closes and energizes when the fine arc detection signal is activated. Due to the characteristics of the photocoupler and the relay, both ends are electrically insulated and no signal is transmitted in the reverse direction, so generation or destruction of the detection signal is not affected by the operation of the relay 763.
  • the second reed relay 741 of the overload detector 75 When an overload occurs, the second reed relay 741 of the overload detector 75 is closed, and an operating voltage of a predetermined level charged in the operating voltage generator 75 is applied to the driving coil 765 of the relay 763. . A predetermined electric energy is stored in the operating voltage generator 75 while power is normally supplied to the load. When an overload is detected and the overload detector 74 is energized, the electrical energy stored in the operating voltage generator 75 is cut off. It is transmitted to the solenoid drive coil 765 of the unit 76. The relay 763 can be driven based on this delivered electrical energy.
  • the relay 763 normally holds the switching conductor of the three-terminal switch 764 at the position of the terminal 2, but when the power supply voltage or the predetermined operating voltage is applied, the relay 763 terminals the switching conductor by magnetic force by magnetization of the driving coil 765. By moving to the 3 position, the three-terminal switch 764 can be switched. When the magnetic field of the drive coil 765 disappears, the switching conductor is restored to the position of the terminal 2 by a restoring force such as a spring.
  • the relay 763 may be implemented as a self-holding relay like the relay 763 of FIG. 2.
  • Power cutoff device that can cut off the power supply by detecting various arcs and overloads according to the present invention, such as sparks, arcs, overloads, voltage drop and fire due to overheating that may occur due to abnormal conditions such as wires and electrical appliances It can be widely used for existing home and industrial power disconnect devices by preventing disasters and enabling micro arc detection and large current arc detection.

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Description

다양한 아크 및 과부하를 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 차단 장치
본 발명은 전원 차단 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기 선로에 발생할 수 있는 다양한 아크 및 과부하를 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 차단 장치에 관한 것이다.
가정용 또는 산업용으로 전기 장치들을 사용할 때에, 전원 선로의 불량, 접지 불량, 부하의 고장, 사용자의 실수 등의 원인으로 발생하는 이상 상황들은 선로의 단락, 부하의 과전류, 아크 등의 다양한 형태로 나타난다.
속칭 콘센트(power outlet 또는 socket)나 멀티탭(multi strip 또는 power board)으로 불리는 전원 차단 장치들은 이상 상황을 감지하는 기능이 아예 없거나, 있더라도 몇몇 제한된 이상 상황, 예를 들어 누전을 감지할 경우 전원 공급을 차단하는 단독 기능만 갖추고 있다. 대부분의 건물이나 가옥에 전원 선로에 설치되는 누전 차단기는 누전만 검출할 수 있다. 이렇듯 통상적인 전원 차단 장치들은 누전 외에 다른 이상 상황을 검출하지 못하는 경우가 많고 전기 재해를 예방하는 데에 한계가 있다.
한편, 전기 누전은 통상적으로 화재의 원인으로 알려져 있지만, 누전이 전력 낭비나 감전 사고의 원인이 될 가능성이 크다고 할지라도 실제로 누전 현상으로 인해 화재가 일어날 가능성은 크지 않다. 따라서 전원 차단 장치가 전기 누전을 검출하여 전원을 차단하는 기능만을 가진 경우에는 화재를 방지하는 효과를 발휘하기 어렵다.
오히려, 전기 화재는 전기 선로나 전기 기기의 이상으로 인한 아크의 불꽃에 의해 주변의 인화 물질이 착화하거나, 부하에 많은 전류가 흐르는 과부하로 인한 과전류에 의한 과열 때문에 발생하거나, 부하 자체의 과전류가 아니더라도 부하에 연결되는 말단 전원 선로가 단락을 일으킬 경우에 그 선로가 용량이 작은 일종의 부하로써 작용하면서 생기는 과열에 의해 발생하는 경우가 많다.
그런데, 비록 아크가 화재의 원인이 될 가능성이 크기는 하지만, 아크는 전원 스위치를 올리거나 플러그를 꽂거나 뺄 때도 쉽게 관찰되는 현상이기 때문에 아크가 검출되었다고 무조건 전원을 차단한다면 전기 기기를 제대로 사용할 수 없을 것이다. 따라서, 과부하를 감지하는 기능을 기본적으로 가지면서, 사용자가 전원을 켜거나 끌 때 생길 수 있는 짧은 아크와 화재의 원인이 될 수 있는 연속적인 아크를 구별하여 적절하게 전원을 차단할 수 있는 전원 차단 회로 및 전원 차단 장치가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 화재를 발생시킬 수 있는 연속적인 전압형 미세 아크와 대형 전류형 아크를 검출할 수 있고, 이에 따라 전원을 차단할 수 있는 전원 차단 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 미세 아크와 대형 아크 뿐 아니라, 과부하로 인한 선로 과열 또는 선로 이상으로 인한 순간적인 전압 강하 시에도 전원을 차단할 수 있는 전원 차단 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전원 차단 장치는,
전원 선로 상의 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류에 의해 고주파 초크 코일에 유기되는 전압에 기초하여 제1 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제1 스위칭 소자가 도통되는 동안에 미세 아크 검출 전류를 출력하는 미세 아크 검출부;
전원 선로 상의 대전류 아크로 인해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 일어난 자기장의 변동에 기초하여 제2 스위칭 소자가 도통되는 동안에 대전류 아크 검출 전류를 출력하는 대전류 아크 검출부;
상기 미세 아크 검출 전류 또는 대전류 아크 검출 전류를 지연 커패시터에 소정의 시정수를 가지고 누적적으로 충전시키며, 상기 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 아크 검출 신호를 출력하는 지연부;
동작 전압이 인가되면 부하 측과 상기 전원 선로를 전기적으로 차단할 수 있는 전원 차단부; 및
상기 아크 검출 신호에 의해 상기 전원 차단부에 상기 동작 전압을 연결하는 제1 스위치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 미세 아크 검출부는,
상기 전원 선로에 삽입되고 상기 고주파 초크 코일과 폐회로를 이루는 인덕터를 포함하며,
상기 폐회로는 상기 인덕터와 상기 고주파 초크 코일의 단자 1 사이에 제2 커패시터가 직렬로 연결되고, 상기 인덕터와 상기 고주파 초크 코일의 단자 2 사이에는 제1 다이오드와 제1 커패시터가 직렬로 연결되며,
상기 고주파 초크 코일의 단자 2와 다른 전원 선로 사이에 제4 다이오드가 연결되고,
상기 고주파 초크 코일은 일단이 고주파 정류용 다이오드를 통해 상기 제1 스위칭 소자의 제어 단자와 상기 제2 커패시터에 공통적으로 연결되고, 타단이 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단자와 상기 제2 다이오드의 애노드 및 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 대전류 아크 검출기는
상기 전원 선로 상의 대전류 아크로 인한 전류 변동에 의해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 자기장의 변동이 일어나면, 자기장의 변동에 의해 변류기에 유기되는 전압에 기초하여 상기 제2 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제2 스위칭 소자가 도통되는 동안에 상기 제2 스위칭 소자를 거쳐 흐르도록 대전류 아크 검출 전류를 출력할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 대전류 아크 검출기의 제2 스위칭 소자는 리드 스위치(Reed Switch)이고,
상기 전원 선로 상의 대전류 아크로 인한 전류 변동에 의해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 일어나는 자기장의 변동에 의해 상기 리드 스위치가 도통되는 동안에 상기 리드 스위치를 거쳐 흐르도록 대전류 아크 검출 전류를 출력할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 지연부는
상기 미세 아크 검출 전류 또는 상기 대전류 아크 검출 전류의 적어도 일부로 인해 상기 지연 커패시터에 충전된 전하를 방전하는 지연 저항;
상기 지연 커패시터에 누적적으로 충전된 전압이 소정 레벨에 이르면 도통하는 정전압 소자; 및
상기 정전압 소자가 도통할 때에 도통되어 상기 아크 검출 신호를 출력하는 제3 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 스위치는 제어 단자에 상기 아크 검출 신호가 수신되면 전원 선로와 상기 전원 차단부를 전기적으로 연결하는 커플링 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단부는
상기 아크 검출 신호에 의해 상기 제1 스위치가 통전되어 상기 동작 전압이연결되면 상기 부하 측과 전기적으로 절연되고, 상기 아크 검출 신호가 소멸한 후에도 부하 측과 전기적인 절연 상태가 유지되는 자기 유지형 릴레이를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 자기 유지형 릴레이는,
상기 제1 스위치가 통전되어 상기 동작 전압이 연결되거나 또는 전원 선로의 전압이 인가되면 자화되는 구동 코일; 및
상기 구동 코일의 자화에 의해 자기적으로 상기 전원 선로와 부하 측을 연결하는 위치에서 상기 전원 선로와 상기 구동 코일을 연결하는 위치로 절환되는 3단자 스위치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단부는,
상기 3단자 스위치와 상기 구동 코일 사이에 삽입되는 수동 복귀 스위치를 더 포함하며,
상기 수동 복귀 스위치가 상기 구동 코일이 동작 중에 있을 때에 열리면, 상기 구동 코일과 전원 선로 사이의 연결이 차단되고, 상기 3단자 스위치가 상기 전원 선로와 상기 부하 측을 연결하는 위치로 절환될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단 장치는,
과부하 또는 합선으로 인한 전류 변동에 의해 변류기에 유기되는 교류 전압을 정류한 직류 전압이 소정의 레벨을 초과하면 과부하 검출 신호를 출력하는 과부하 검출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단 장치는,
상기 과부하 검출 신호에 의해 상기 전원 차단부에 상기 동작 전압을 연결하는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단 장치는,
두 전원 선로 사이에 연결된 커패시터에 정류된 전압을 충전하고, 충전된 전압을 상기 동작 전압으로서 제공하는 동작 전압 생성부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단 장치는,
전원 선로 상에 과부하 또는 합선으로 인한 전류 변동에 의해 전원 선로 상에 삽입된 제2 코일에서 일어나는 자기장의 변동에 의해 제2 리드 스위치가 도통되는 동안에 상기 동작 전압이 상기 제2 리드 스위치를 거쳐 상기 전원 차단부로 연결되도록 동작하는 과부하 검출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전원 차단 장치는,
청구항 13에 있어서, 두 전원 선로 사이에 연결된 커패시터에 정류된 전압을 충전하고, 충전된 전압을 상기 동작 전압으로서 제공하는 동작 전압 생성부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전원 차단 장치에 따르면, 전선 및 전기 기구 등의 이상 상태, 즉 연결 불량, 단락에 의한 합선, 과부하, 선로 과열, 선로 저항 변화 등으로 인하여 발생할 수 있는 스파크, 아크, 과부하, 전압 강하와 과열로 인한 화재 등의 재해를 하나의 전원 차단 장치로써 방지할 수 있다.
특히, 전기 기구 내부에서 일어날 수 있는 미세 아크도 감지할 수 있고, 대형 전류형 아크도 감지하여 대처할 수 있다.
나아가, 접지 라인을 필요로 하지 않고 단상 교류 선로에 간단히 적용할 수 있어, 독자적인 전원 차단 장치로서, 또는 기존의 가정용 및 산업용 전원 차단 장치에 부가적으로 장착함으로써, 폭넓게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 미세 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 과부하 검출부를 예시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 전원 차단부를 예시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치를 예시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치의 과부하 검출부와 전원 차단부를 예시한 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치를 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전원 차단 장치(10)는 통상적으로 건물 벽체에 설치되어 있는 예를 들어 속칭 콘센트(power outlet)에 삽입할 입력 플러그와 같은 계통 전원 입력 측의 입력 전원 단자(18), 예를 들어 부하 장치의 플러그를 삽입할 소켓과 같은 출력 전원 단자(19), 그리고 입력 전원 단자(18)와 출력 전원 단자(19) 사이에 연결된 미세 아크 검출부(11), 대전류 아크 검출부(12), 지연부(13), 과부하 검출부(14), 동작 전압 생성부(15), 전원 차단부(16)를 포함할 수 있고, 필터링부(17)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 각 구성요소들을 간략히 소개하면 다음과 같다.
미세 아크 검출부(11)는 전원 선로(AC1)에 연결된 전압 센서(111), 예를 들어 인덕터(T3)를 이용하여 미세 아크가 검출될 때마다 검출되는 미세 아크의 강약에 상응하는 미세 아크 검출 전류를 지연부(13)에 인가한다.
예를 들어, 부하 장치에서 또는 전원 선로에서 전류를 거의 동반하지 않는 전압형 미세 아크가 발생할 경우에, 미세 아크 검출부(11)는 전원 선로를 따라 전파되는 미세 아크로 인한 고주파 펄스를 인덕터(T3)에 유기된 전압에 기초하여 검출하고, 이러한 고주파 펄스가 검출될 때마다 검출된 고주파 펄스의 크기와 폭에 상응하는 펄스 형태로 미세 아크 검출 전류를 지연부(13)에 출력할 수 있다.
대전류 아크 검출부(12)는 대전류 아크에 의해 자기장의 변화를 유도할 수 있는 코일을 이용하는 전류 센서(121), 예를 들어 변류기(CT: current transformer)를 이용하여 대전류를 동반하는 대형 아크가 검출될 때마다 검출되는 대형 아크의 강약에 상응하는 대전류 아크 검출 전류를 지연부(13)에 인가한다.
또한, 만약 전기 부하 장치에 한두 번의 발생으로도 화재를 일으킬 수 있는 중대형의 전류형 아크가 발생할 경우에는, 대전류 아크 검출부(12)가 대전류 아크로 인해 전원 선로에 나타나는 유기 교류 전압 및 고주파 펄스 전류를 변류기(CT)에 유기된 전압에 기초하여 검출할 수 있다. 만약 검출된 유기 교류 전압 및 고주파 펄스 전류가 소정 크기 이상일 경우에, 대전류 아크 검출부(12)는 유기 교류 전압의 크기와 출현 시간에 상응하는 펄스 형태로 대전류 아크 검출 전류를 지연부(13)에 인가한다.
지연부(13)는 미세 아크 검출 전류 또는 대전류 아크 검출 전류를 누적할 수 있는 적분기를 포함하도록 구현될 수 있는데, 이러한 적분기는 예를 들어, 지연 커패시터(131)와 지연 저항(132)로써 구현될 수 있다. 이때 지연 커패시터(131)는 미세 아크 검출 전류 또는 대전류 아크 검출 전류에 의해 충전될 수 있고, 지연 커패시터(131)에 충전된 전하는 지연 저항(132)에 의해 소정의 시정수를 가지고 방전될 수 있다.
만약 미세 아크 또는 대전류 아크가 소정의 수준 이상으로 지속적으로 또는 강하게 발생하여 지연 커패시터(131)가 소정 전압 이상으로 충전되면, 지연부(13)는 아크 검출 신호를 생성하여 전원 차단부(16)의 제1 스위치(161)로 출력한다.
예를 들어, 만약 미세 아크 검출부(11)에서 검출된 전압형 미세 아크가 화재 유발 가능성이 있는 지속적인 미세 아크라면, 또는 만약 대전류 아크 검출부(12)에서 검출된 전류형 대형 아크가 화재를 유발할 정도로 강력하고 지속적인 아크라면, 연속적인 미세 아크 검출 전류들 또는 대전류 아크 검출 전류들로 인해 지연 커패시터(131)에 전하가 누적되면서 지연 커패시터(131)의 양단 전압이 소정의 기준 전압 레벨보다 높아지고, 이에 따라 아크 검출 신호가 생성될 수 있다.
반면에, 만약 검출되는 미세 아크 또는 대전류 아크가 일시적이고 순간적인 성격이라면, 지연 커패시터(131)에 누적되는 전하는 지연 저항(132)에 의해 방전되고, 누적된 검출 신호는 시간이 지남에 따라 사라진다. 따라서 화재 위험성이 없고 단발적인 아크에 의해서는 전원이 차단되지 않는다.
도 2의 실시예에서는 지연부(13)가 공유되도록 설계되었지만, 실시예에 따라서, 미세 아크 검출부(11)와 대전류 아크 검출부(12)가 각각을 위한 지연회로를 별도로 가지도록 설계될 수 있다. 이 경우, 각각의 지연회로는 각각의 아크 검출 신호를 출력할 것이고, 각각의 아크 검출 신호가 전원 차단부(16)에서 각각의 스위치를 활성화하도록 연결될 수 있다.
다음으로, 과부하나 합선으로 인해 전원 선로에 전류가 급증하거나 전압이 강하될 경우에, 과부하 검출부(14)는 과부하 검출 신호를 생성하여 전원 차단부(16)의 제2 스위치(162)로 출력한다.
예를 들어, 과부하 검출부(14)는 전류 센서(141), 예를 들어 변류기(CT)를 이용하여 전원 선로(AC2)의 과부하로 인하여 교류 전류가 급증하거나 비정상적인 전압 강하로 인하여 교류 전류가 급증하는 것을 감지하고 과부하 검출 신호를 생성할 수 있다.
실시예에 따라, 대전류 아크 검출부(12)의 전류 센서(121)와 과부하 검출부(14)의 전류 센서(141)는 각자 별도의 변류기 소자로 구현될 수도 있고, 하나의 변류기 소자를 공유할 수도 있다.
이때, 전압 강하로 인하여 과부하 검출부(14)가 교류 전류의 급증을 감지할 경우에, 전원 선로(AC1)의 전압이 낮아 전원 차단부(16)가 제대로 동작하지 못할 수 있다. 동작 전압 생성부(15)는 평상 시에 적절한 동작 전압으로 충전되어 있다가, 전압 강하와 함께 과부하 검출부(14)가 과부하 검출 신호를 출력하면서 제2 스위치(162)가 닫히면, 충전된 동작 전압을 제2 스위치(162)를 통해 릴레이(163)가 동작하는 데에 필요한 구동 전압으로서 릴레이(163)에 제공할 수 있다.
전원 차단부(16)는, 아크 검출 신호에 의해 제1 스위치(161)가 닫히거나 또는 과부하 검출 신호에 의해 제2 스위치(162)가 닫히면, 릴레이(163)에 의해 출력 전원 단자(19)로 연결되는 전원 경로(AC1)가 전기적으로 단절됨으로써, 전원을 차단할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 스위치(161) 또는 제2 스위치(162)는 지연부(13)와 과부하 검출부(14)에서 출력되는 신호에 의해 릴레이(163)를 교류 전원 전압에 또는 직류 동작 전압에 전기적으로 연결 또는 차단할 수 있는 예를 들어, 2단자 스위치, 포토커플러(photo-coupler) 또는 2단자 릴레이(relay)와 같은 소자로써 구현될 수 있다.
한편, 전원 차단부(16)의 릴레이(163)는 입력 전원 단자(18)와 출력 전원 단자(19) 사이의 도선에 삽입된 3단자 스위치(164)를 포함하며, 제1 및 제2 스위치(161, 162)의 동작에 의해 3단자 스위치(164)를 전원 출력 전원 단자(19) 또는 구동 코일(165) 중 하나에 연결하도록 구동함으로써 부하에 대한 전력 공급을 연결 또는 차단시킬 수 있다.
예를 들어, 릴레이(163)는 제2 스위치(162)가 닫히면 동작 전압 생성부(15)에 충전된 직류 전압에 의해 솔레노이드 구동 코일(165)이 동작되며, 솔레노이드 구동 코일(165)에 의해 3단자 스위치(164)의 연결 접점이 단자 2에서 단자 3으로 이동하여, 입력 전원 단자(18)와 출력 전원 단자(19) 사이의 전기적 연결이 단절된다. 이때, 릴레이(163)는 그 이름에도 불구하고, 릴레이 소자뿐 아니라 릴레이와 유사한 동작을 할 수 있는 스위치 등의 전기 소자로 구현될 수 있다.
일단 전원 차단부(16)가 부하에 전력 공급을 차단하면 그러한 차단 상태는 입력 전원 단자(18)로부터 외부에서 전력이 전원 차단부(16)에 공급되는 한 계속될 수 있다. 나아가, 전원 차단부(16)는 아크나 과부하로 인해 전원이 차단된 후에 수동으로 전원 공급을 재개할 수 있는 수동 복귀 스위치(166)를 더 포함할 수 있다. 만약 입력 전원 단자(18)를 벽체 콘센트에서 분리하거나 또는 수동 복귀 스위치(166)를 작동시켜 전원 차단부(16)에 전력 공급을 중단하면, 전원 차단부(16)는 차단 동작 이전의 연결 상태로 복귀한다. 수동 복귀 스위치(166)가 닫힌 상태에서는 전원 차단 상태가 유지되다가, 수동 복귀 스위치(166)가 사용자에 의해 열리면 릴레이(163)가 원래의 연결 상태로 돌아감으로써 전원 경로가 다시 연결되어 전원이 재공급될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 미세 아크 검출부(11)의 구성과 동작을 좀더 상세하게 설명하면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 미세 아크 검출부에 대한 구체적인 회로도를 예시한 것이다.
간략하게 설명하면, 미세 아크 검출부(11)는 양 전원 선로(AC1, AC2) 사이에 연결된 인덕터(111, T3) 및 초크 코일(L1)에 의해 전원 선로에 미세 아크로 인한 고주파 펄스를 검출하고, 이러한 고주파 펄스의 검출에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)를 도통시키며, 제1 스위칭 소자(Q1)가 도통되는 동안 미세 아크 검출 전류들을 소정의 시정수를 가진 지연 커패시터(131)에 출력시켜 누적적으로 충전시킨다.
미세 아크는 플러그를 꽂거나 뺄 때에나, 전원 스위치를 켜고 끌 때에 순간적으로 일어날 수 있고, 전기 부하나 선로의 이상으로 인해 미세한 스파크가 수 초 이내에 연속적으로 발생할 수도 있는데, 전자의 경우에는 전원을 차단하지 말아야 하거나 차단할 필요가 없지만 후자의 경우에는 화재의 위험이 있으므로 전원을 차단하여야 한다.
부하나 선로에서 발생한 미세 아크는 대체로 수 kHz에서 수 GHz까지의 주파수 성분을 가진 펄스 전류로 발현한다. 이러한 고주파 펄스 전류는 교류 선로를 타고 전파되다가 필터부(17)에서 저지되고, 미세 아크 검출부(11)에서 검출될 수 있다. 미세 아크 검출부(11)는 고주파 펄스가 검출될 때마다 미세 아크 검출 전류를 출력한다.
먼저, 전원 선로에 삽입된 필터부(17)는 정상적인 상용 전원의 저주파 교류 성분은 통과시키지만 부하 측에서 발생한 미세 아크에 의한 고주파 펄스가 계통 측으로 전파되는 것은 저지하며, 또한 미세 아크로 인한 고주파 펄스가 미세 아크 검출부(11)의 동작을 촉발할 수 있도록 보조할 수 있다.
이를 위해 필터부(17)는 교류 선로(AC1, AC2)에 각각 직렬로 삽입된 두 인덕터(T1, T2)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(T1)와 제2 인덕터(T2)는 고주파 인덕터로써, 일정 주파수 이상의 고주파의 통과를 저지할 수 있다.
구체적으로, 교류 선로(AC1, AC2)의 입력 측 양단에 또는 부하 측 양단에 삽입된 고주파 인덕터(T1, T2)는 부하 측에서 발생한 고주파 펄스가 입력 단자(18) 측의 계통(grid)으로 전파되는 것을 억지하고, 또한 입력 단자(18) 측에서 전파될 수 있는 외부의 고주파 서지를 저지함으로써 전원 차단 장치(10)가 파손되는 것을 막을 수 있다.
한편, 필터부(17)는 외부로부터 전달되는 서지를 흡수할 수 있도록 입력 단자(18) 측의 전원 선로에 병렬로 연결된 TNR(비선형 가변 저항기(NVR: non-linear variable resistor)의 일종으로서 TNR은 상표명)을 더 포함할 수 있다.
정상적인 상태에서는 필터부(17)가 삽입된 전원 선로에는 미세 아크 검출부(11)의 동작을 촉발할 수 있는 고주파 전압이 나타나지 않는다. 하지만 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류가 발생할 경우, 고주파 펄스 전류는 제1 및 제2 인덕터(T1, T2)를 통과하지 못하고 고주파 펄스 전압이 제3 인덕터(T3)에 유기된다.
고주파 초크 코일 소자는 고주파 교류 신호에 대해 높은 임피던스를 가지기 때문에 아크 펄스에 의한 고주파 펄스 전압이 인가되면 양단에 전압차를 발생시킨다. 정상 상태에서는 고주파 초크 인덕터(L1)는 저주파 교류 전압을 그대로 통과시키며 양단에 전압차가 형성되지 않는다.
제3 인덕터(T3)에 유기된 고주파 펄스 전압은 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 다이오드(D1)과 고주파 초크(L1)가 이루는 폐회로에 의해 고주파 초크(L1)에 인가된다. 고주파 초크(L1)가 고주파 펄스에 의해 포화되면서 양단(단자 1 및 2 사이)에 약간의 전압이 유기된다.
고주파 초크(L1)는 단자 1이 고주파 정류 다이오드인 제2 다이오드(D2)에 의해 제1 스위칭 소자(Q1)의 입력 단자 2와 연결되고, 단자 2는 제1 스위칭 소자(Q1)의 입력 단자 1에 연결된다. 따라서 고주파 초크(L1)의 양단에 유기된 전압은 제2 다이오드(D2)에 의해 정류되면서 제1 스위칭 소자(Q1)의 양 입력 단자 1 및 2 사이에 전압차를 형성하고 제1 스위칭 소자(Q1)를 도통시킨다.
제1 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 단자 3에서 단자 1로 전류가 흐를 수 있게 되는데, 미세 아크가 사라지면, 고주파 초크(L1)에 유기된 전압도 사라지고, 제1 스위칭 소자(Q1)가 비활성화되어 단자 3과 단자 1 사이의 전류 경로가 닫히기 때문에, 지연 커패시터(C4)에 흐르던 미세 아크 검출 전류도 사라진다.
이로 인해, 미세 아크가 발생할 때마다, 미세 아크 검출부(11)와 지연부(13)에서는 전원 선로(AC1)로부터 제3 다이오드(D3), 제4 저항(R4), 지연 커패시터(131, C4), 제6 다이오드(D6), 제5 저항(R5)를 거쳐 제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 3와 단자 1, 제4 다이오드(D4)를 통해 전원 선로(AC2)까지 미세 아크 검출 전류가 흐를 수 있는 경로가 일시적으로 형성된다.
미세 아크 검출 전류는 미세 아크의 발생 시마다 제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 1과 단자 3의 일시적인 도통으로 인해 펄스 형태로 발생한다.
한편, 제1 LED(LED1)는 전원 차단 장치(10)에 전원이 인가되고 있음을 알 수 있게 하는 신호 램프이다. 제1 저항(R1)은 정상적인 전원 공급 시에 제2 커패시터(C2)에 걸리는 전압을 방전하기 위한 용도인데, 제1 저항(R1)에 흐르는 미세 전류로서 제1 LED(LED1)을 구동시켜 발광시킴으로써 전원이 인가되고 있음을 표시할 수 있다.
제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 1과 단자 3 사이의 일시적인 도통으로 제3 다이오드(D3), 제2 LED(LED2), 제3 저항(R3), 제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 3과 단자 1, 제4 다이오드(D4)로 이어지는 전류 경로도 형성되는데, 이로 인해 미세 아크가 검출될 때마다 제2 LED(LED2)가 점멸하도록 할 수 있다.
한편, 미세 아크의 고주파 펄스 전류가 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 통과할 때에 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)에 의해 저주파 대역은 통과하지 못하고 고주파 대역만 통과하는데, 이 펄스 전류가 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 거치면 수십 MHz 이상의 고주파 성분만 남게 된다. 이에 따라, 부하의 정상적인 사용 시에도 생길 수 있는 수 kHz에서 수천 kHz 정도의 노이즈 성분은 아크 검출에 배제되고, 전원 차단 장치(10)의 오동작이 최소화될 수 있다.
미세 아크 검출부(11)가 생성하는 미세 아크 검출 전류는 지연부(13) 내의 지연 커패시터(131)를 충전한다. 지연부(13)는 연속적인 아크에 의한 미세 아크 검출 전류들이 인가되면서 충전되는 지연 커패시터(131)의 전압 레벨이 소정의 기준 전압, 예를 들어 제너 다이오드(ZD1)와 같은 정전압 소자(133)의 항복 전압을 초과하면 제1 스위치(161)를 도통시킬 수 있는 아크 검출 신호를 생성한다.
이때, 지연부(13)는 한두 차례의 짧은 아크가 발생할 경우에는, 지연 커패시터(131)에 충전된 전압 레벨이 소정의 기준 전압, 예를 들어 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압을 초과하지 못하기 때문에 아크 검출 신호를 생성하지 못한다.
나아가, 더 이상 아크가 발생하지 않으면 지연 커패시터(131)에 연결된 지연 저항(132)에 의해 지연 커패시터(131)가 시간이 지나면서 곧바로 방전되도록 구성된다.
이렇게 하여 미세 아크 검출부(11)는 위험성이 크지 않은 한두 차례의 순간적이거나 인위적인 아크는 무시하면서 실제 화재의 위험성이 큰 연속적인 미세 아크를 정확하게 검출할 수 있다.
구체적으로 도 3을 참조하면, 미세 아크 검출부(11)의 제1 스위칭 소자(Q1)에서 출력된 미세 아크 검출 전류는 미세 아크 펄스가 검출될 때마다 실질적으로 미세 아크 펄스의 형태와 유사한 파형을 가지고 발생할 수 있으며, 지연부(13)에 인가되면 지연부(13) 내의 제4 커패시터(C4)의 충전을 야기한다. 제4 커패시터(C4)의 충전 속도는 제1 스위칭 소자(Q1)의 전류 구동 능력, 제4 저항(R4) 또는 제5 저항(R5)의 값에 의해 조절될 수 있다.
만약 충분히 연속적이고 위험한 아크 펄스가 존재하지 않으면, 제1 스위칭 소자(Q1)가 오프되면서 미세 아크 검출 전류가 더 이상 흐르지 않으며, 그때까지 제4 커패시터(C4)에 충전된 전하는 가변 지연 저항(R6)에 의해 방전될 수 있다. 제4 커패시터(C4)의 방전 속도는 가변 지연 저항(R6)의 가변 저항 값에 의해 조절할 수 있다.
만약 충분히 연속적인 아크 펄스의 존재로 인해 아크 검출 전류가 지속적으로 발생하면 제4 커패시터(C4)의 양단에 소정의 기준 전압보다 충분히 높은 전압이 유기될 수 있고, 이에 따라 아크 검출 신호가 생성될 수 있다.
예를 들어 아크 검출 전류가 지속적으로 흐르면 제4 커패시터(C4)가 계속 충전되고, 제4 커패시터(C4) 양단의 전압이 예를 들어 제너 다이오드(zener diode)로 구현될 수 있는 정전압 다이오드(ZD1)의 항복 전압보다 높아질 수 있는데, 이 경우 정전압 다이오드(ZD1)가 도통되면서 제3 스위칭 소자(Q3)의 입력 단자 2에 교류 전원(AC1)이 연결되고, 제3 스위칭 소자(Q3)가 도통되면서 단자 3과 단자 1 사이에 전류 경로가 형성된다. 제3 스위칭 소자(Q3)의 단자 3에서 단자 1로 흐르는 전류는 아크 검출 신호의 역할을 하면서 제1 스위치(161)을 구성하는 제1 포토 커플러(PTC1)를 활성화시킬 수 있다.
또한, 제4 저항, 제6 다이오드(D6) 및 제5 저항(R5)은, 전원 선로 사이의 높은 교류 전압 레벨을 고려하여, 지연부(13)에 적절한 전압 강하를 제공하고 전류의 역류를 방지하며, 제4 커패시터(C4)의 충전 속도를 적절히 결정하기 위함이다.
한편, 제2 저항(R2)와 제3 커패시터(C3)는 제1 스위칭 소자(Q1)를 보호하고 도통 동작을 원활하게 만들기 위해 연결된 회로 소자이다.
이어서, 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여 대전류 아크 검출부(12)의 구성과 동작을 좀더 상세하게 설명하면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
교류 전류의 급격한 변동을 검출할 수 있는 전류 센서(121)가 교류 선로(AC2)에 장착되어 있다. 대전류 아크가 발생하면서 출력 전원 단자(19)에서 입력 전원 단자(18) 측으로 펄스 전류가 흐르면, 예를 들어 변류기(CT)와 같은 전류 센서(121)의 양단에 소정의 전압이 유기된다. 변류기(121)에 유기된 전압은 변류기(121)의 양단에 병렬로 연결된 검출 커패시터(C6)를 충전시키고, 검출 커패시터(C6)의 충전 전압이 소정 전압 레벨 이상이면 대전류 아크 검출부(12)는 대전류 아크 검출 전류를 생성할 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 제2 스위칭 소자(Q2)의 입력 단자 1은 제5 다이오드(D5)를 통해 전원 선로(AC2)에 연결되어 있어, 제2 스위칭 소자(Q2)의 입력 단자 1 및 2의 전위는 평소에는 거의 같거나 제2 스위칭 소자(Q2)의 도통을 일으키지 않는 정도의 차이만을 가진다.
대전류 아크가 발생하면, 변류기(121) 양단에 전압이 유기되면서 제10 고주파 다이오드(D10)에 의해 정류된 전압이 제9 저항(R9)를 통해 제7 커패시터(C7)에 충전되고, 제7 커패시터(C7)의 충전 전압이 급상승하면서 제8 저항(R8)에 의해 제7 커패시터(C7)에 충전된 전압이 방전되기 시작하고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 입력 단자 2의 전위가 높아지면서 제2 스위칭 소자(Q2)가 도통한다.
제2 스위칭 소자(Q2)의 도통에 따라, 전원 선로들(AC1, AC2) 사이에 제3 다이오드(D3), 제4 저항(R4), 지연 커패시터(C4). 제7 다이오드(D7), 제7 저항(R7), 제2 스위칭 소자(Q2)의 단자 3과 1, 제5 다이오드(D5)로 이어지는 전류 경로가 형성되고, 이 전류 경로에 대전류 아크 검출 전류가 흘러 지연 커패시터(C4)에 충전이 이루어진다.
대전류 아크가 사라지면 제7 커패시터(C7)에 충전된 전하는 곧바로 방전되고 제2 스위칭 소자(Q2)는 다시 비활성화되기 때문에, 전류 경로는 닫힌다.
전류 경로가 형성되는 사이에 지연 커패시터(C4)에 충전되는 전압이 제너다이오드(ZD1)의 항복 전압에 이르지 못하거나, 또한 후속하는 대전류 아크가 없어 지연 커패시터(C4)에 재차 충전되는 전압이 제너다이오드(ZD1)의 항복 전압에 이르지 못하면, 제3 스위칭 소자(Q3)가 도통되지 않고 아크 검출 신호는 생성되지 않는다.
따라서, 화재 가능성이 있는 유해한 대전류 아크가 있을 경우에만 한 차례의 아크 발생에도 지연부(13)에서 제3 스위칭 소자(Q3)가 도통되어 아크 검출 신호를 생성하도록 하고, 전기 기기 사용 중에 있을 수 있는 단순 아크 현상이나 형광등, 점멸기 등에 의해 생길 수 있는 느린 아크는 무시될 수 있다.
한편, 제15 저항(R15)과 제5 커패시터(C5)는 제3 스위칭 소자(Q3)를 보호하고 도통 동작을 원활하게 만들기 위해 연결된 회로 소자이다.
이렇듯, 미세 아크 검출부(11)와 대전류 아크 검출부(12)의 동작에 따르면, 지연부(13)는 지연 커패시터(131)를 미세 아크 검출 전류 또는 대전류 아크 검출 전류의 적어도 일부로써 충전하고, 지연 커패시터(131)에 충전된 전하를 방전하는 지연 저항(132)을 포함하며, 나아가 지연 커패시터에 누적적으로 충전된 전압이 소정 레벨에 이르면 도통하는 예를 들어 제너 다이오드(ZD1)와 같은 정전압 소자(133)와, 정전압 소자(133)가 도통할 때에 도통되어 아크 검출 신호를 출력하는 제3 스위칭 소자(Q3)를 포함할 수 있다.
이어서, 도 1, 도 2 및 도 5를 참조하여 전원 차단 장치(10)의 과부하 검출부(14)의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 과부하 검출부를 예시한 회로도이다.
교류 전류의 급격한 변동을 검출할 수 있는 과부하 검출부(14)의 전류 센서(141)가 교류 전원 선로(AC2)에 장착되어 있다. 실시예에 따라, 전류 센서(141)는 과부하 검출부(14)만을 위해 장착될 수도 있지만, 대전류 아크 검출부(12)의 전류 센서(121)를 공유할 수도 있다.
부하측에서 과부하 또는 합선이 발생하면, 교류 전원 선로(AC2)에 급격한 전류 변화가 발생하는데, 이러한 전류 변화는 대전류 아크와 다른 주파수 대역과 에너지를 가지므로 대전류 아크 검출부(12)로는 검출되지 않는다.
이러한 전류 변화에 의해 변류기(CT)와 같은 전류 센서(141)의 양단에 소정의 유기된 교류 전압은 브리지 다이오드(D11)와 제9 다이오드(C9)를 거쳐 소정의 직류 전압으로 변환된다. 변환된 직류 전압은 전류 제어용 제10 저항(R10)과 회로 보호용 제11 저항(R11)을 거쳐 제2 스위치(162) 역할을 하는 제2 포토 커플러(PCT2)에 과부하 검출 신호로서 인가될 수 있다.
회로 보호용 제너 다이오드(DS)와 회로 보호용 커패시터(CS)는 변류기(CT)에 발생할 수 있는 돌발적인 전압 변동에 대비하기 위한 회로이다.
이어서, 도 1, 도 2 및 도 6을 참조하여 전원 차단 장치(10)의 전원 차단부(16)의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 차단 장치의 전원 차단부를 예시한 회로도이다.
전원 차단부(16)는 지연부(13)에서 출력되는 아크 검출 신호에 의해 활성화되어 릴레이(163)를 제어하는 제1 스위치(161)와, 과부하 검출부(14)에서 출력되는 과부하 검출 신호에 의해 활성화되어 릴레이(163)를 제어하는 제2 스위치(162)를 포함하며, 전원 전압 또는 동작 전압 생성부(15)의 동작 전압에 연결 시에 구동되어 전원의 연결 상태를 절환하는 릴레이(163)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 제2 스위치(162)는 전원 전압을 릴레이(163)에 인가시킬 수도 있다. 하지만, 통상적으로 과부하나 합선 상태가 되면 선로 자체의 임피던스가 부하로 작용하여 급격히 과열되고 화재로 이어지기 쉬운데, 전원 선로(AC1)의 전압 자체가 낮아지기 때문에 종래의 개폐기로는 속도가 늦고 오차가 크다.
따라서 이에 대비하여 미리 동작 전압을 준비하기 위한 회로가 필요한데, 그러한 회로가 동작 전압 생성부(15)이다. 동작 전압 생성부(15)는 평소에 적량의 전기 에너지를 저장해 두었다가, 필요 시에 릴레이(163)에 전달하여 구동시킬 수 있다.
동작 전압 생성부(15)는 두 교류 전원 선로(AC1, AC2) 사이에 제8 다이오드(D8), 제13 저항(R13), 제8 커패시터(C8) 및 제9 다이오드(D9)로 구성되는 직류 전압 충전 회로이다. 제8 다이오드(D8)와 제9 다이오드(D9)를 이용하여 정류된 직 전류가 제13 저항(R13)과 제8 커패시터(C8)에 흘러 제8 커패시터(C8)가 충전된다. 제8 커패시터(C8)가 일단 완전히 충전되면 이후에 방전 경로가 없기 때문에, 동작 전압 생성부(15)로 인한 전력 소비는 크게 문제되지 않는다.
아크 검출 신호가 발생할 경우에는 제1 스위치(161)가 닫히면서 전원 선로(AC1)과 연결되며, 전원 선로(AC1)로부터 릴레이(163)의 솔레노이드 구동 코일(165)에 전원 전압을 인가한다.
과부하 검출 신호가 발생할 경우에는 제2 스위치(162)가 닫히면서, 릴레이(163)의 구동 코일(165)에 전원 전압 또는 바람직하게는 동작 전압 생성부(15)에 충전된 소정 레벨의 동작 전압을 인가한다.
한편, 제1 및 제2 스위치(161, 162)는 포토커플러 스위치(PTC1, PTC2) 또는 통상적인 릴레이로도 구현될 수 있다. 이 경우, 아크 검출 신호 또는 과부하 검출 신호가 활성화되었을 때에 포토커플러 스위치(PTC1, PTC2) 내부의 발광 다이오드가 발광하고, 수광 다이오드가 광을 수신하면서 통전된다. 만약 릴레이로 구현될 경우에는 미세 아크 검출 신호 또는 과부하 검출 신호가 활성화되었을 때에 릴레이가 닫히면서 통전된다. 포토커플러나 릴레이의 특성상, 양단이 전기적으로 절연되고, 역방향으로 신호가 전달되지 않으므로, 검출 신호들의 생성이나 소멸이 릴레이(163)의 동작에 의해 영향을 받지 않는다.
릴레이(163)는 평시에는 3단자 스위치(164)의 스위칭 도체를 단자 2의 위치에 유지하지만, 전원 전압 또는 소정 동작 전압의 인가 시에는 구동 코일(165)의 자화에 의해 자기력으로 스위칭 도체를 단자 3 위치로 이동시켜, 3단자 스위치(164)를 절환될 수 있다. 구동 코일(165)의 자기장이 사라지면, 스위칭 도체는 스프링 등의 복원력에 의해 단자 2의 위치로 복원된다.
이러한 릴레이(163)는 자기 유지형 릴레이로 구현될 수 있다. 이 경우, 자기 유지형 릴레이는, 동작 신호가 사라지면 원 위치로 복귀하는 통상의 릴레이와 달리, 동작 신호가 인가되어 특정 단자 위치로 절환된 후에 그 동작 신호가 사라지더라도 절환된 단자 위치를 스스로 유지할 수 있다.
예를 들어, 전원 선로(AC1)에 삽입된 3단자 스위치(164)는 정상 상태에서는 단자 2의 위치에서 입력 전원 단자(18) 측과 출력 전원 단자(19) 측을 전기적으로 연결하지만, 구동 코일(165)에 의해 일단 자기장이 형성되면 스위치 도체가 단자 3의 위치로 절환되어 입력 전원 단자(11) 측(또는 동작 전압 생성부(15) 측)과 구동 코일(165)을 전기적으로 연결한다.
이러한 릴레이(163)의 구동 코일(165)은 단자 1이 제1 스위치(161)를 통해 전원 선로(AC1)와 연결되고, 제2 스위치(162)를 통해 동작 전압 생성부(15)의 제8 커패시터(C8)에 연결되며, 단자 2는 전원 선로(AC2)에 연결되어 있다.
3단자 스위치(164)가 단자 2에 연결된 상태에서 제1 스위치(161)가 도통되면, 제1 스위치(161)를 통해 전원 선로(AC1)로부터 구동 코일(165)에 전류가 흘러 자화되면서 전원 선로(AC1)에 삽입된 3단자 스위치(164)를 자기력으로 단자 2에서 단자 3로 절환시키며, 출력 전원 단자(19) 측에 대한 전원 공급을 차단시키면서 동시에 단자 3으로부터 구동 코일(165)이 전원 선로(AC1)에 연결되어 전류가 구동 코일(165)에 계속 흐를 수 있게 한다.
마찬가지로, 3단자 스위치(164)가 단자 2에 연결된 상태에서 제2 스위치(162)가 도통되면, 제2 스위치(162)를 통해 동작 전압 생성부(15)로부터 구동 코일(165)에 전류가 흘러 자화되면서 전원 선로(AC1)에 삽입된 3단자 스위치(164)를 자기력으로 단자 2에서 단자 3로 절환시키며, 출력 전원 단자(19) 측에 대한 전원 공급을 차단시키면서 동시에 단자 3으로부터 구동 코일(165)이 전원 선로(AC1)에 연결되어 전류가 구동 코일(165)에 계속 흐를 수 있게 한다.
이로써 일단 자기 유지형 릴레이(163)가 구동되면, 입력 전원 단자(18)에서 전원이 연결되어 있는 한, 이후에 아크 검출 신호 또는 과부하 검출 신호가 비활성되어더라도, 다시 말해, 제1 스위치(161) 및 제2 스위치(162)가 다시 열리더라도, 자기 유지형 릴레이(163)의 구동 코일(165)이 계속 작동하면서 부하 측에 대한 전원 공급을 차단할 수 있다.
수동 복귀 스위치(166)는, 예를 들어 푸시 버튼 스위치로서, 평소에는 닫혀있지만 만약 사용자가 이를 누르는 동안에 열리며, 열리면 자기 유지형 릴레이(163)가 구동된 상태에서 3단자 스위치(164)의 단자 3과 구동 코일(165) 사이의 전기적 연결을 차단한다. 따라서 수동 복귀 스위치(165)가 오프되면 구동 코일(165)에 흐르던 전류가 끊기고, 자기 유지형 릴레이(163)의 동작도 중단되고, 코일(165)에 의한 자기력으로 단자 3에 절환되어 있던 3단자 스위치(164)가 자기력이 사라지면서 단자 3에서 다시 단자 2로 절환되며, 부하 측에 전력 공급이 재개될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치를 예시한 블록도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 전원 차단 장치(70)는 계통 전원 입력 측의 입력 전원 단자(78), 출력 전원 단자(79), 그리고 입력 전원 단자(78)와 출력 전원 단자(79) 사이에 연결된 미세 아크 검출부(71), 대전류 아크 검출부(72), 지연부(73), 과부하 검출부(74), 동작 전압 생성부(75), 전원 차단부(76)를 포함할 수 있고, 필터링부(77)를 더 포함할 수 있다.
도 7의 전원 차단 장치(70)는 도 1의 전원 차단 장치(10)와 대체로 유사하며, 도 7의 전원 차단 장치(70)의 미세 아크 검출부(71), 지연부(73), 동작 전압 생성부(75), 전원 차단부(76)는 도 1의 전원 차단 장치(10)의 미세 아크 검출부(11), 지연부(13), 동작 전압 생성부(15), 전원 차단부(16)와 각각 실질적으로 동일하게 설명될 수 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.
미세 아크 검출부(71)는 전원 선로(AC1)에 연결된 전압 센서(711), 예를 들어 인덕터(T3)를 이용하여 미세 아크가 검출될 때마다 검출되는 미세 아크의 강약에 상응하는 미세 아크 검출 전류를 지연부(73)에 인가한다.
예를 들어, 부하 장치에서 또는 전원 선로에서 전류를 거의 동반하지 않는 전압형 미세 아크가 발생할 경우에, 미세 아크 검출부(71)는 전원 선로를 따라 전파되는 미세 아크로 인한 고주파 펄스를 인덕터(T3)에 유기된 전압에 기초하여 검출하고, 이러한 고주파 펄스가 검출될 때마다 검출된 고주파 펄스의 크기와 폭에 상응하는 펄스 형태로 미세 아크 검출 전류를 지연부(73)에 출력할 수 있다.
대전류 아크 검출부(72)는 대전류 아크에 의해 자기장의 변화를 유도할 수 있는 코일을 이용하는 리드 릴레이(Reed Relay)(721)에 의해 대전류 아크를 검출할 수 있고, 대전류를 동반하는 대형 아크가 검출될 때마다 대전류 아크 검출 전류를 지연부(73)에 인가한다.
리드 릴레이는 진공의 튜브 내에 두 개의 자성합금을 이격시켜놓은 리드 스위치에 코일을 감은 소자이다. 리드 스위치는 속도가 빠르고 신뢰성이 매우 높다.
리드 릴레이(721)의 동작을 설명하면, 정상적인 상태에서 코일에 교류 전원 전류를 흐를 때에는 리드 스위치를 이루는 두 자성합금이 접촉하지 않지만, 만약 코일에 대전류 아크가 흐르면, 코일에서 발생하는 자기장이 강해지면서 리드 스위치의 두 자성합금이 서로 다른 극성으로 자화되고 결국 서로 접촉하게 되어 리드 스위치를 통전시킨다.
대전류 아크 검출부(72)의 리드 릴레이(721)의 역할은 도 1의 대전류 아크 검출부(12)의 전류 센서(121) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 역할에 상응할 수 있다. 대전류 아크 검출부(72)이 도 1의 대전류 아크 검출부(12)와 유사한 점은 코일을 기반으로 하여 대전류 아크가 있을 때에 코일에서 자기장의 변화가 크게 발생하고, 그러한 자기장의 변화가 전류 경로를 형성하는 스위칭을 일으킨다는 점이다. 차이점은 도 1의 대전류 아크 검출부(12)에서는 코일의 자기장 변화가 인접한 다른 코일에서 유기되는 전압을 이용하는 반면에 대전류 아크 검출부(72)는 코일의 자기장 변화로 인해 더 강하게 자화되는 자성체를 이용한다는 점이다.
대전류를 동반하는 대형 아크가 전원 선로(AC2)를 통해 흐르면 리드 릴레이(721)의 코일에 대전류 아크가 흐르면서 강한 자기장이 발생하고, 리드 스위치를 통전시킨다. 통전된 리드 스위치를 통해 대전류 아크 검출 전류가 흐를 수 있다. 대전류 아크 검출부(72)의 동작은 도 9에서 상세히 설명한다.
지연부(73)는 미세 아크 검출 전류를 누적할 수 있는 적분기를 포함하도록 구현될 수 있고, 도 1의 지연부(13)와 실질적으로 동일하므로 설명을 생략한다.
도 8의 실시예에서는 지연부(73)가 미세 아크 검출부(71)와 대전류 아크 검출부(72)에 의해 공유되도록 설계되었지만, 실시예에 따라서, 미세 아크 검출부(71)와 대전류 아크 검출부(72)가 각각을 위한 지연회로를 별도로 가지도록 설계되거나, 또는 미세 아크 검출부(71)만 지연 회로를 가지도록 설계될 수 있다. 이 경우, 각각의 지연회로는 각각의 아크 검출 신호를 출력할 것이고, 각각의 아크 검출 신호가 전원 차단부(76)에서 각각의 스위치를 활성화하도록 연결될 수 있다.
다음으로, 과부하나 합선으로 인해 전원 선로에 전류가 급증하거나 전압이 강하될 경우에, 과부하 검출부(74)가 통전되면서 동작 전압 생성부(75)에 누적되어 있던 전기 에너지를 전원 차단부(76)의 릴레이(763)에 공급하여 릴레이(763)를 활성화시킨다.
과부하 검출부(74)는 대전류 아크 검출부(72)와 유사하게 제2 리드 릴레이(741)를 이용하여 전원 선로(AC2)의 과부하로 인하여 교류 전류가 급증하거나 또는 비정상적인 전압 강하로 인하여 교류 전류가 급증하는 것을 감지하고 통전될 수 있다.
급증한 교류 전류가 전원 선로(AC2)를 통해 흐르면 제2 리드 릴레이(741)의 코일에 대전류가 흐르면서 강한 자기장이 발생하고, 리드 스위치를 통전시킨다. 동작 전압 생성부(75)에 충전된 전압에 의해 통전된 리드 스위치를 통해 과부하 검출 신호가 흐를 수 있다.
과부하 검출부(74)의 상세한 동작은 도 10을 참조하여 아래에서 설명된다.
동작 전압 생성부(75)는 평소에 적량의 전기 에너지를 저장해 두었다가, 필요 시에 릴레이(763)에 전달하여 구동시킬 수 있다.
동작 전압 생성부(75)는 두 교류 전원 선로(AC1, AC2) 사이에 제8 다이오드(D8), 제13 저항(R13), 제8 커패시터(C8) 및 제9 다이오드(D9)로 구성되는 직류 전압 충전 회로이다. 제8 다이오드(D8)와 제9 다이오드(D9)를 이용하여 정류된 직류 전류가 제13 저항(R13)과 제8 커패시터(C8)에 흘러 제8 커패시터(C8)가 충전된다. 제8 커패시터(C8)가 일단 완전히 충전되면 이후에 방전 경로가 없기 때문에, 동작 전압 생성부(75)로 인한 전력 소비는 크게 문제되지 않는다.
전원 차단부(76)는, 아크 검출 신호에 의해 제1 스위치(761)가 닫히거나 또는 과부하 검출부(74)의 제2 리드 릴레이(741)가 닫히면, 릴레이(763)에 의해 출력 전원 단자(79)로 연결되는 전원 경로(AC1)가 전기적으로 단절됨으로써, 전원을 차단할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 스위치(761)는 지연부(73)와 과부하 검출부(74)에서 출력되는 신호에 의해 릴레이(763)를 교류 전원 전압에 또는 직류 동작 전압에 전기적으로 연결 또는 차단할 수 있는 예를 들어, 2단자 스위치, 포토커플러(photo-coupler) 또는 2단자 릴레이(relay)와 같은 소자로써 구현될 수 있다.
한편, 전원 차단부(76)의 릴레이(763)는 입력 전원 단자(78)와 출력 전원 단자(79) 사이의 도선에 삽입된 3단자 스위치(764)를 포함하며, 제1 스위치(761) 및 제2 리드 릴레이(741)의 동작에 의해 3단자 스위치(764)를 전원 출력 전원 단자(79) 또는 구동 코일(765) 중 하나에 연결하도록 구동함으로써 부하에 대한 전력 공급을 연결 또는 차단시킬 수 있다.
예를 들어, 릴레이(763)는 제2리드 릴레이(741)가 닫히면 동작 전압 생성부(75)에 충전된 직류 전압에 의해 솔레노이드 구동 코일(765)이 동작되며, 솔레노이드 구동 코일(765)에 의해 3단자 스위치(764)의 연결 접점이 단자 2에서 단자 3으로 이동하여, 입력 전원 단자(78)와 출력 전원 단자(79) 사이의 전기적 연결이 단절된다. 이때, 릴레이(763)는 그 이름에도 불구하고, 릴레이 소자뿐 아니라 릴레이와 유사한 동작을 할 수 있는 스위치 등의 전기 소자로 구현될 수 있다.
일단 전원 차단부(76)가 부하에 전력 공급을 차단하면 그러한 차단 상태는 입력 전원 단자(78)로부터 외부에서 전력이 전원 차단부(76)에 공급되는 한 계속될 수 있다. 나아가, 전원 차단부(76)는 아크나 과부하로 인해 전원이 차단된 후에 수동으로 전원 공급을 재개할 수 있는 수동 복귀 스위치(766)를 더 포함할 수 있다. 만약 입력 전원 단자(78)를 벽체 콘센트에서 분리하거나 또는 수동 복귀 스위치(766)를 오프시켜 전원 차단부(76)의 릴레이(763)에 전력 공급을 중단하면, 전원 차단부(76)는 차단 동작 이전의 연결 상태로 복귀한다. 수동 복귀 스위치(766)가 닫힌 상태에서는 전원 차단 상태가 유지되다가, 수동 복귀 스위치(766)가 사용자에 의해 열리면 릴레이(763)의 솔레노이드 구동 코일(765)이 자기장을 잃고 3단자 스위치(764)의 스위칭 도체가 원래의 연결 상태 즉 단자 2로 돌아감으로써 전원 경로가 다시 연결되어 전원이 재공급될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 7, 도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 평상 시에 정상적인 교류 전원 전류가 전원 선로(AC2)에 흐를 때에는 제1 리드 릴레이(721)의 코일은 약한 자기장을 발생시키며 리드 스위치의 두 자성합금을 충분히 자화시키지 못한다. 따라서 리드 스위치는 오픈된 상태를 유지한다.
대전류 아크가 발생하면, 먼저 제1 리드 릴레이(721)의 코일에 아크로 인한 대전류가 흐르고, 코일에 형성된 자기장의 세기가 급증하면서 리드 스위치의 두 자성합금을 서로 다른 극성으로 자화시킨다. 강하게 자화된 자성합금들이 서로 접촉하면 리드 스위치가 닫히고, 전원 선로(AC1)에서 제3 다이오드(D3), 제4 저항(R4), 지연부(73)의 제4 커패시터(C4), 제1 리드 릴레이(721)의 닫힌 리드 스위치와 제1 스위치 저항(RS1), 제4 다이오드(D4), 전원 선로(AC2)에 이르는 전류 경로가 형성되고, 이 전류 경로를 따라 대전류 아크 검출 전류가 흐른다.
대전류 아크 검출 전류에 의해 제4 커패시터(C4)가 충전되면서 지연부(73)의 제3 스위칭 소자(Q3)의 단자 1의 전압이 단자 2의 전압에 비해 충분히 낮아지면 제3 스위칭 소자(Q3)가 도통되면서 단자 3과 단자 1 사이에 전류 경로가 형성된다. 제3 스위칭 소자(Q3)의 단자 3에서 단자 1로 흐르는 전류는 아크 검출 신호의 역할을 하면서 제1 스위치(761)을 구성하는 제1 포토 커플러(PTC1)를 활성화시킬 수 있다.
한편, 제1 리드 릴레이(721)에서 코일에 병렬로 연결된 저항은 대전류 아크 발생 시에 전류의 우회 경로로써, 그리고 아크 검출 후에 코일에 축적된 에너지를 소모하여 자기장을 제거함으로써 리드 스위치가 다시 오픈되도록 하는 소자로써 기능할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 차단 장치의 과부하 검출부와 전원 차단부(76)를 예시한 회로도이다.
도 7, 도 8 및 도 10을 함께 참조하면, 평상 시에 정상적인 교류 전원 전류가 전원 선로(AC2)에 흐를 때에는 제2 리드 릴레이(741)의 코일은 약한 자기장을 발생시키며 리드 스위치의 두 자성합금을 충분히 자화시키지 못한다. 따라서 리드 스위치는 오픈된 상태를 유지한다.
과부하로 전류가 급증하면, 먼저 제2 리드 릴레이(741)의 코일에 과대 전류가 흐르고, 코일에 형성된 자기장의 세기가 급증하면서 리드 스위치의 두 자성합금을 서로 다른 극성으로 자화시킨다. 강하게 자화된 자성합금이 접촉하면 리드 스위치가 닫히고, 공급 전압 생성부(75)의 제8 커패시터(C8)에 충전된 전기 에너지가 제2 리드 릴레이(741)의 닫힌 리드 스위치를 통해 전원 차단부(76)의 릴레이(763)로 인가된다.
이어서, 전원 차단 장치(70)의 전원 차단부(76)의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다.
전원 차단부(76)는 지연부(73)에서 출력되는 아크 검출 신호에 의해 통전되는 제1 스위치(761)와, 과부하 검출부(74)에서 출력되는 과부하 검출 신호에 의해 활성화되며 전원 전압 또는 동작 전압 생성부(75)의 동작 전압에 연결 시에 구동되어 전원의 연결 상태를 절환하는 릴레이(763)를 포함할 수 있다.
아크가 발생하면 아크 검출 신호가 발생하면서 제1 스위치(761)가 닫히고, 전원 선로(AC1)와 릴레이(763)가 연결되며, 전원 선로(AC1)로부터 릴레이(763)의 솔레노이드 구동 코일(765)에 전원 전압이 인가된다.
제1 스위치(761)는 포토커플러 스위치(PTC1) 또는 통상적인 릴레이로도 구현될 수 있다. 이 경우, 아크 검출 신호가 활성화되었을 때에 포토커플러 스위치(PTC1) 내부의 발광 다이오드가 발광하고, 수광 다이오드가 광을 수신하면서 통전된다. 만약 릴레이로 구현될 경우에는 미세 아크 검출 신호가 활성화되었을 때에 릴레이가 닫히면서 통전된다. 포토커플러나 릴레이의 특성상, 양단이 전기적으로 절연되고, 역방향으로 신호가 전달되지 않으므로, 검출 신호의 생성이나 소멸이 릴레이(763)의 동작에 의해 영향을 받지 않는다.
과부하가 발생할 때에는 과부하 검출부(75)의 제2 리드 릴레이(741)가 닫히면서, 릴레이(763)의 구동 코일(765)에 동작 전압 생성부(75)에 충전된 소정 레벨의 동작 전압이 인가된다. 부하에 정상적으로 전원이 공급되는 동안에 동작 전압 생성부(75)에 소정의 전기 에너지가 저장되는데, 과부하가 검출되어 과부하 검출부(74)가 통전되면 동작 전압 생성부(75)에 저장된 전기 에너지가 전원 차단부(76)의 솔레노이드 구동 코일(765)에 전달되는 것이다. 이 전달된 전기 에너지를 기반으로 릴레이(763)가 구동될 수 있다.
릴레이(763)는 평시에는 3단자 스위치(764)의 스위칭 도체를 단자 2의 위치에 유지하지만, 전원 전압 또는 소정 동작 전압의 인가 시에는 구동 코일(765)의 자화에 의해 자기력으로 스위칭 도체를 단자 3 위치로 이동시켜, 3단자 스위치(764)를 절환될 수 있다. 구동 코일(765)의 자기장이 사라지면, 스위칭 도체는 스프링 등의 복원력에 의해 단자 2의 위치로 복원된다.
이러한 릴레이(763)는 도 2의 릴레이(763)와 마찬가지로 자기 유지형 릴레이로 구현될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
[발명의 실시를 위한 최선의 형태] 란에서 구체적으로 개시하고 있다.
본 발명에 따른 다양한 아크 및 과부하를 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 차단 장치는, 전선 및 전기 기구 등의 이상 상태로 인하여 발생할 수 있는 스파크, 아크, 과부하, 전압 강하와 과열로 인한 화재 등의 재해를 방지할 수 있고 미세 아크 감지 및 대형 전류형 아크 감지 등이 가능하도록 함으로써 기존의 가정용 및 산업용 전원 차단 장치 등에 폭넓게 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 전원 선로 상의 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류에 의해 고주파 초크 코일에 유기되는 전압에 기초하여 제1 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제1 스위칭 소자가 도통되는 동안에 미세 아크 검출 전류를 출력하는 미세 아크 검출부;
    전원 선로 상의 대전류 아크로 인해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 일어난 자기장의 변동에 기초하여 제2 스위칭 소자가 도통되는 동안에 대전류 아크 검출 전류를 출력하는 대전류 아크 검출부;
    상기 미세 아크 검출 전류 또는 대전류 아크 검출 전류를 지연 커패시터에 소정의 시정수를 가지고 누적적으로 충전시키며, 상기 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 아크 검출 신호를 출력하는 지연부;
    동작 전압이 인가되면 부하 측과 상기 전원 선로를 전기적으로 차단할 수 있는 전원 차단부; 및
    상기 아크 검출 신호에 의해 상기 전원 차단부에 상기 동작 전압을 연결하는 제1 스위치를 포함하는 전원 차단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 미세 아크 검출부는,
    상기 전원 선로에 삽입되고 상기 고주파 초크 코일과 폐회로를 이루는 인덕터를 포함하며,
    상기 폐회로는 상기 인덕터와 상기 고주파 초크 코일의 단자 1 사이에 제2 커패시터가 직렬로 연결되고, 상기 인덕터와 상기 고주파 초크 코일의 단자 2 사이에는 제1 다이오드와 제1 커패시터가 직렬로 연결되며,
    상기 고주파 초크 코일의 단자 2와 다른 전원 선로 사이에 제4 다이오드가 연결되고,
    상기 고주파 초크 코일은 일단이 고주파 정류용 다이오드를 통해 상기 제1 스위칭 소자의 제어 단자와 상기 제2 커패시터에 공통적으로 연결되고, 타단이 상기 제1 스위칭 소자의 입력 단자와 상기 제2 다이오드의 애노드 및 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 대전류 아크 검출기는
    상기 전원 선로 상의 대전류 아크로 인한 전류 변동에 의해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 자기장의 변동이 일어나면, 자기장의 변동에 의해 변류기에 유기되는 전압에 기초하여 상기 제2 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제2 스위칭 소자가 도통되는 동안에 상기 제2 스위칭 소자를 거쳐 흐르도록 대전류 아크 검출 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 대전류 아크 검출기의 제2 스위칭 소자는 리드 스위치(Reed Switch)이고,
    상기 전원 선로 상의 대전류 아크로 인한 전류 변동에 의해 상기 전원 선로 상에 삽입된 코일에서 일어나는 자기장의 변동에 의해 상기 리드 스위치가 도통되는 동안에 상기 리드 스위치를 거쳐 흐르도록 대전류 아크 검출 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 지연부는
    상기 미세 아크 검출 전류 또는 상기 대전류 아크 검출 전류의 적어도 일부로 인해 상기 지연 커패시터에 충전된 전하를 방전하는 지연 저항;
    상기 지연 커패시터에 누적적으로 충전된 전압이 소정 레벨에 이르면 도통하는 정전압 소자; 및
    상기 정전압 소자가 도통할 때에 도통되어 상기 아크 검출 신호를 출력하는 제3 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 스위치는 제어 단자에 상기 아크 검출 신호가 수신되면 전원 선로와 상기 전원 차단부를 전기적으로 연결하는 커플링 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 전원 차단부는
    상기 아크 검출 신호에 의해 상기 제1 스위치가 통전되어 상기 동작 전압이연결되면 상기 부하 측과 전기적으로 절연되고, 상기 아크 검출 신호가 소멸한 후에도 부하 측과 전기적인 절연 상태가 유지되는 자기 유지형 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 자기 유지형 릴레이는,
    상기 제1 스위치가 통전되어 상기 동작 전압이 연결되거나 또는 전원 선로의 전압이 인가되면 자화되는 구동 코일; 및
    상기 구동 코일의 자화에 의해 자기적으로 상기 전원 선로와 부하 측을 연결하는 위치에서 상기 전원 선로와 상기 구동 코일을 연결하는 위치로 절환되는 3단자 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 전원 차단부는,
    상기 3단자 스위치와 상기 구동 코일 사이에 삽입되는 수동 복귀 스위치를 더 포함하며,
    상기 수동 복귀 스위치가 상기 구동 코일이 동작 중에 있을 때에 열리면, 상기 구동 코일과 전원 선로 사이의 연결이 차단되고, 상기 3단자 스위치가 상기 전원 선로와 상기 부하 측을 연결하는 위치로 절환되는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    과부하 또는 합선으로 인한 전류 변동에 의해 변류기에 유기되는 교류 전압을 정류한 직류 전압이 소정의 레벨을 초과하면 과부하 검출 신호를 출력하는 과부하 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 과부하 검출 신호에 의해 상기 전원 차단부에 상기 동작 전압을 연결하는 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 두 전원 선로 사이에 연결된 커패시터에 정류된 전압을 충전하고, 충전된 전압을 상기 동작 전압으로서 제공하는 동작 전압 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    전원 선로 상에 과부하 또는 합선으로 인한 전류 변동에 의해 전원 선로 상에 삽입된 제2 코일에서 일어나는 자기장의 변동에 의해 제2 리드 스위치가 도통되는 동안에 상기 동작 전압이 상기 제2 리드 스위치를 거쳐 상기 전원 차단부로 연결되도록 동작하는 과부하 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 두 전원 선로 사이에 연결된 커패시터에 정류된 전압을 충전하고, 충전된 전압을 상기 동작 전압으로서 제공하는 동작 전압 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 차단 장치.
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