콘센트용 누전감지 모듈 개발
한영오*
Development of the Leakage Current Detection Module for a Concent
Young-Oh Han*
요 약
본 연구에서는 콘센트용 누설전류 감지 및 자동차단 모듈을 개발하였다. 제안된 누설전류 검출 모듈은 저항 성 누설전류 검출 칩을 사용한 콘센트용 누설전류 검출 모듈과는 차별화된, 전력 프로세서인 MSP430 MCU(Micro Controller Unit)를 이용하여 합성 누설전류에서 저항성 누설전류를 프로그램으로 분리 검출한다.
제안된 방법으로 구현된 모듈은 저항성 누설전류 5mA 이상에서 조기 검출 및 자동차단 기능이 있을 뿐만 아 니라, 저항성 누설전류 검출 기능이 프로그램으로 구현되어 있어 저항성 누설전류 5mA 이하 또는 이상으로도 쉽게 조정이 가능한 장점이 있다.
ABSTRACT
In this paper, the leakage current detection and auto shut-off module for a concent has been developed. Existing leakage current detection modules are detecting resistive leakage current, using a resistive leakage current detection chip but the proposed leakage current detection module separates and detects resistive leakage current in the synthesis leakage current by only programming in a power processor MCU(MSP430). The module implemented by proposed method has early detection and auto shut-off feature at more than resistive leakage current 5mA, and has the advantage of easily adjusting resistive leakage current less or more than 5mA, because of resistive leakage current detection function being implemented by a program in MCU.
키워드
concent, resistive leakage current, capacitive leakage current, power processor 콘센트, 저항성 누설전류, 용량성 누설전류, 전력 프로세서
* 남서울대학교 전자공학과 교수(youngoh@nsu.ac.kr)
접수일자 : 2013. 02. 05 심사(수정)일자 : 2013. 02. 27 게재확정일자 : 2013. 03. 22
Ⅰ. 서 론
우리나라에서는 매년 2만명 이상이 약 5만 건의 전 기재해로 인해 사망하거나 다친다. 대부분의 전기재해 로 인한 인명피해나 재산피해는 전기화재 또는 감전 사고로 인한 피해로 발화요인별 통계로는 미확인 단 락에 의해서, 발화관련기기별 통계로는 배선/배선기구 에 의해서 전기화재가 발생하는 건수가 가장 많다. 현
재 전기재해로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 사 용되고 있는 방법으로는 전기차단기뿐이다. 그러나 80% 이상의 전기화재가 전기차단기의 안전 한계치 아래에서 발생하기 때문에 더 이상 전기차단기에만 의존해서는 막대한 인명피해와 재산피해를 주는 전기 에 대한 안전을 보장 받지 못한다[1,2].
최근 국내에 있었던 사고의 예로, 연립주택의 주방 에서 발생된 것으로 추정되는 화재로 방에서 잠자고
있던 일가족이 질식하여 사망한 사고가 있었다. 현관 앞에 설치된 분전반 내부의 배선용 차단기 및 누전차 단기는 화염에 의해 형체를 알아 볼 수 없을 정도로 심하게 소손되어 차단유무를 확인할 수 없었다. 그러 나 싱크대 바닥에서 발견된 전자레인지와 연결된 이 동용 2구 콘센트 부근을 중심으로 소손된 흔적이 많 이 나타났으며, 플러그 날, 콘센트 내부, 주 콘센트에 연결된 배선과 냉장고에 연결된 배선에서 전기적으로 용융된 흔적을 발견함에 따라 ‘콘센트 합선에 의한 화 재사고’임을 밝혔다.
2010년에 들어 전기사용이 더 증가하면서 감전 및 전기화재에 대한 노출 빈도도 높아지고 있다. 하지만 일반용 전기설비의 수용가에 대한 재해예방을 위한 법적 규제 장치는 정기점검에 한정돼 있다. 또 전기설 비의 변화주기가 짧아지면서 현재의 정기점검은 최소 한의 전기안전확보를 위한 제도로 전기재해를 근본적 으로 예방하는데 한계가 드러나고 있으며, 아파트와 같은 대규모 주거시설은 자가용 전기설비로 분류되어 정기점검에서도 제외되고 있는 실정이다. 따라서 악화 되고 있는 수용가의 전기에 대한 안전을 확보하기 위 해 누설전류, 과전류 등의 상태감시를 통한 재해 예방 이 절실히 필요한 시점이다[3,4].
한편, 전원의 분배 및 과전류, 단락전류, 누설전류 에 의한 전기재해 예방 방법으로 사용하고 있는 기존 의 배선용 차단기 및 누전 차단기와 보호 장치들은 전기 사용량이 급증하고 있는 현재에 제대로 된 사고 방지 및 사후관리가 이루어지지 않고 있다. 이와 같은 기존 차단기들의 한계를 인식하고 근본적인 예방 대 책이 시급하다.
감전사고, 전기화재 및 전기설비 사고의 예방을 위 해 일반적으로 사용되는 누전차단 또는 누전정보 시 스템의 대표적인 기기가 누전차단기(Earth Leakage Breaker, ELB) 이다. 국내의 안전기준에 의하면 누전 차단기는 일반장소 30mA, 습기장소 15mA 이하에서 0.03초 이내에 전원을 차단하도록 규정하고 있다[5].
생체실험 결과에 의하면 일반적으로 인체는 5∼30mA 에서 호흡곤란, 혈압상승이 시작되면서 수분 간 견디 는 것으로 보고되고 있다.
누전차단기에서 검출되는 누설전류는 저항성 누설 전류, 용량성 누설전류 및 유도성 누설전류가 합성된 전류이다. 용량성 누설전류는 컴퓨터, 냉장고, 세탁기,
인버터, 형광등, 전동기 및 용접기 등의 기기에서 필 연적으로 발생하므로 실내 회로에 특별한 이상이 없 는데도 누전차단기가 빈번히 차단되는 경우가 있다.
경우에 따라 사용자가 누전차단기를 제거하거나 직결 (by pass)하여 사용하다가 화재로 인명과 재산의 손 실이 발생되기도 한다.
저항성 누설전류는 전원전압과 동상인 성분으로 전 선로 및 부하의 대지 절연 저항의 열화가 주요 원인 이며, 저항성 누설전류가 흐르면 줄(Joule)열에 의하 여 주위 온도가 상승하여 화재 등의 전기재해의 원인 이 되거나, 인체를 통하여 흐르면 인명사고를 유발하 게 된다. 용량성 누설전류는 전원전압보다 빠른 성분으로 전선로와 대지 정전 용량이 큰 경우 비교적 많은 양의 용량성 누설전류가 흐르게 되나, 변위전류 의 형태로 흐르기 때문에 전기화재와 같은 재해를 유 발하지 않는 성분이다.
현재 한국공업규격(KSC 4613)에 의하면 누전차단 기 규격은 30mA 이상으로 되어 있으나, 이것은 UL 기준(Underwriters Laboratories, 5mA)보다 휠씬 초 과하는 수치이다(15mA이상은 치사 수준임)[6].
2003.2.28 산자부, 전기설비기술기준 개정고시에서 인 체 보호용 누전 차단기는 15mA 이하에서, 0.03초 이 내로 차단되도록 되어 있으나 UL기준에 비해 위험수 준임은 분명하다. 따라서 전기설비 말단에 설치되는 매입콘센트에 전기재해의 주된 원인인 저항성 누설전 류만을 검출할 수 있는 기능을 내장함으로써, 일반적 인 누전 차단기에서 검출하지 못하는 저항성 누설전 류를 감지하여 전기화재, 인체감전사고 및 전기설비사 고를 예방할 필요가 있다[7,8].
Ⅱ. 누설전류 분석
누전전류는 저항성 누전전류(Resistive Leakage Current)와 용량성 누전전류(Capacitive Leakage Cu- rrent)로 구성된 합성 누전전류(Total Leakage Current)이다. 저항성 누전전류는 전압과 동상인 성분 으로 전선로의 대지 절연저항 또는 전선로에 접속된 전기제품의 대지 절연저항의 열화가 가장 큰 원인이 라 할 수 있다. 용량성 누전전류는 전원전압과 동상인 저항성 누전전류 보다 앞선 성분으로 전선로와
대지사이의 정전용량 또는 연결된 전기제품의 대지 정전용량이 원인이 되어 흐르게 된다. 이는 변위전류 의 형태로 흐르기 때문에 전기화재와 같은 재해를 유 발하지 않는 성분이다. 그러나 저항성 누전전류가 흐 르면 줄(Joule) 열에 의하여 주위 온도가 상승하여 화 재 등의 전기재해의 원인이 되거나 인체를 통하여 흐 르면 인명사고를 유발하게 된다. 따라서 전기재해를 예방하기 위해서는 합성 누전전류보다 저항성 누전전 류를 분리하여 검출할 필요가 있다. 그림 1은 누설전 류 경로 및 전류성분을 나타내며 그림 2는 저항성 누 설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)의 상호관계를 보 여준다.
그림 1. 누설전류 경로 및 전류 성분 Fig. 1 Leakage current path and current composition
그림 2. 저항성 누설전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc) Fig. 2 Resistive leakage current and capacitive leakage
current
Ⅲ. 누설전류 검출 알고리즘
전압 검출부에서 검출된 전압을 기준전압으로 하여 영상변류기에서 측정한 누설 전류는 용량성 누설전류 (Igc)의 성분이 포함된 경우, 위상차 θ를 산출한 다
음, 벡터분해 공식으로 저항성분 누설전류(Igr)를 분 리/산출하는 매우 신뢰성 있는 방식으로 고조파 발생 지역에서도 측정값의 오차가 거의 없는 방법으로 알 려져 있다[9,10]. 그림 3은 본 연구에서 사용한 저항상 누설전류 검출회로의 구성도이다
그림 3. 저항성 누설전류(Igr) 검출 회로 구성도 Fig. 3 Resistive leakage current detection circuit
diagram
선로에서 전원전압의 순시치()와 합성 누전전류의 순시치()를 검출하고, 이 들 신호로부터 평균전력 ()을 연산한 후 전원전압의 실효치()로 나누어 저항성 누설전류를 구하는 방법이다. 이 때, 저항성 누설전류의 실효치는 식 (1)과 같다.
cos
cos (1)
단상회로에서 공급되는 전원전압()은 정현파이므 로 식 (2)와 같다.
(2)
여기서 는 전원전압()의 실효값이고,
는 각속도이며, 는 전원 주파수이다.
따라서 전선로에 흐르는 합성 누설전류도 정현파이 며 식 (3)과 같다.
sin (3)
여기서 는 합성 누설전류()의 실효치이며 는 전원전압()과 합성 누설전류()와의 위상각이다.
이 때, 를 전원전압()의 극성이 ‘양’ 인 구간
( )에서 적분한 값을 , ‘음’ 인 구간 ( )에서 적분한 값을 라 하면 각각 식 (4), (5)와 같다.
sin
cos
(4)
sin
cos
(5)
따라서 가 되며, cos이므로
이고, 저항성 누설전류는 식 (6) 과 같다.
(6)
본 연구에서는 저항성 누설전류()를 검출하기 위 하여 영상 변류기(ZCT)를 이용하여 합성 누설전류 ()를 검출한 다음, MCU(MSP 430)에서 그림 4의 알고리즘[10,11]을 적용하여 구현하였다.
그림 4. 저항성 누설전류(Igr) 검출 알고리즘 순서도 Fig. 4 Resistive leakage current detection algorithm
flowchart
본 연구에서 개발한 콘센트용 누전감지 모듈의 회
로 구성은 다음과 같다. 상용전원 220V와 접속단자 사이의 전기적 연결을 ON/OFF 스위칭하기 위한 릴 레이부, 제어 신호에 따라 릴레이부를 구동하기 위한 릴레이 구동부, 접속 단자를 통해 흐르는 전류를 각각 감지하고(구동전류감지-CT, 누설전류감지-ZCT), 전 류의 세기에 대응하는 전류 감지 신호를 발생시키기 위한 전류 센서부로 구성된다. 전류 센서부에 의해 감 지된 전류 감지 신호를 기초로 제어부인 MCU는 저 항성 누설전류 5mA 이상이면 전원과 접속 단자 사이 의 전기적 연결을 OFF시키기 위한 제어 신호를 발생 시킨다.
Ⅳ. 실험
본 연구에서는 위상차 측정을 이용한 누설전류 검 출방법을 이용하여 합성 누설전류 및 저항성 누설전 류 검출 알고리즘을 MCU(MSP 430)에서 프로그램으 로 구현하였다. 타당성 검사를 위하여 IEC 61008-1 규격의 누전 테스트 회로도를 기반으로 제작된 J사의 Igr Leakage Analyzer를 사용하였다. 그림 5는 누설 전류 실험환경을 나타낸다.
그림 5. 누설전류 실험환경
Fig. 5 Leakage current experimental environments
그림 6은 개발된 누전감지 모듈을 콘센트에 내장시 키고 누설전류 발생기로 누설전류를 발생시킨 후, 측 정된 파형 및 측정값으로 합성 누설전류 9.3mA, 저항 성 누설전류 9.2mA, 용량성 누설전류 0.2mA를 나타 낸다.
(a) 측정파형 (b) 측정값 그림 6. 누설전류 실험 파형
Fig. 6 Leakage current experimental waveforms
그림 7은 누설전류에 따른 전원파형을 나타낸다.
저항성 누설전류 5mA 이상 시 부하로 공급되는 전원 차단 및 차단시간을 보여주고 있다. 그림 8은 본 연구 에서 개발된 콘센트용 누전감지 모듈의 메인 PCB 및 PCB 조립상태를 나타낸다.
그림 7. 누설전류 및 전원 파형 Fig. 7 Leakage current and power waveforms
(a) 메인 PCB (b) PCB 조립상태 그림 8. 메인 PCB 및 조립상태 Fig. 8 Main PCB and assembly status
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 콘센트용 누설전류 감지 및 자동차 단 모듈을 개발하였다. 개발된 모듈은 저항성 누설전 류 검출 칩을 사용한 콘센트용 누설전류 검출 모듈과 는 차별화된, 전력 프로세서인 MSP430 MCU를 이용 하여 합성 누설전류에서 저항성 누설전류를 프로그램 으로 분리 검출하였다.
기존의 범용 누전차단기는 합성 누설전류 30mA 이상에서 전원을 차단함으로써 화재 및 인체감전의 위험요인이 잠재하고 있으며, 또한 변위전류의 일종인 용량성 누설전류로 인한 빈번한 차단동작 등으로 사 용자에게 불편함을 초래하기도 한다.
제안된 방법의 구현 모듈은 저항성 누설전류 5mA 이상에서 조기 검출 및 자동차단 기능이 있을 뿐만 아니라, MCU에서 저항성 누설전류 검출 기능이 프로 그램으로 구현되어 있어 저항성 누설전류 5mA 이하 또는 이상으로도 손쉽게 차단전류 조정이 가능한 장 점이 있다.
결과적으로 제안된 연구결과는 화재, 감전 등의 사 고예방은 물론 전기설비에서 불필요하게 손실되는 누 설전류를 방지하여 에너지 절감도 가능할 수 있다. 개 발된 모듈이 내장된 콘센트(멀티탭, 매입형 콘센트)는 야외 공사현장, 사우나, 물놀이 시설 등 습기와 분진이 많은 현장의 배전 시스템에 활용될 수 있을 것이다.
향후 연구 방향으로는 누설전류 감지는 물론 에너 지 절감을 위한 대기전력 자동차단, 외부기기와의 유 무선통신 기능이 융합된 소형화된 저가의 지능형 콘 센트용 모듈 개발이 필요할 것이다.
감사의 글
본 논문은 2012년도 남서울대학교 학술연구비 지원에 의해 연구되었음.
참고 문헌
[1] 서울특별시 소방재난본부[편], “화재연보 통계, 2008”, 서울특별시 소방재난본부, pp. 3-5, 2009.
[2] 최충석, “전기화재공학”, 도서출판 동화기술, pp. 189-197, 2004.
[3] 고윤석, “전기화재 방지를 위한 아크고장 판단 기법에 대한 연구”, 한국전자통신학회논문지, 3 권, 4호, pp. 260-265, 2008.
[4] 고윤석, 신현용, “산업용 분전반 적용을 위한 3 상 전력 관리 장치 시작품 제작에 대한 연구”, 한국전자통신학회논문지, 5권, 5호, pp. 498-503, 2010.
[5] 제품안전규격, K 60884, 기술표준원, 2007.
[6] 한국공업규격, KS C 4613, 기술표준원, 2005.
[7] 한송엽, “저항성 누설전류 검출기의 개발과 응 용”, 대한민국학술원논문집, 49권, 2호, pp. 11- 27, 2010.
[8] 주남규, 김태완, 임용배, “전압 위상 비교에 의 한 저항성 누설 전류 검출 회로 개발”, 대한전 기학회 전기설비전문위원회 춘계학술대회논문 집, pp. 17-18, 2009.
[9] 김창성, 한송엽, 최충석, “저항성 누설전류(Igr) 검출 콘센트의 개발 및 안전성 평가”, 대한전기 학회논문지, 58권, 2호, pp. 221-226, 2009.
[10] 오노다께미, "누전전류차단 및 방법“, 국제 특허, 국제공개번호, WO2006/035519, 2006. 04. 06.
[11] 한영오, “누전, 과부하 및 대기 전력 차단 콘센 트”, 대한민국특허청, 출원번호 10-2011-0107099, 2011. 10. 19.
저자 소개
한영오(Young-Oh Han) 1886년 2월 연세대학교 전기공학과 졸업(공학사)
1989년 8월 연세대학교 대학원 전기 공학과 졸업(공학석사)
1985년 8월 연세대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학박사) 1996년 3월～현재 남서울대학교 전자공학과 교수
※ 관심분야 : 디지털 신호처리, 의용전자, 유비쿼터스 센서 네트워크
