콘센트용누전감지모듈개발 콘센트용누전감지모듈개발 한영오 * Development of the Leakage Current Detection Module for a Concent Young-Oh Han * 요약 본연구에서는콘센트용누설전류감지및자동차단모듈을개발하였다. 제안된누설전류검출모듈은저항성누설전류검출칩을사용한콘센트용누설전류검출모듈과는차별화된, 전력프로세서인 MSP430 MCU(Micro Controller Unit) 를이용하여합성누설전류에서저항성누설전류를프로그램으로분리검출한다. 제안된방법으로구현된모듈은저항성누설전류 5mA 이상에서조기검출및자동차단기능이있을뿐만아니라, 저항성누설전류검출기능이프로그램으로구현되어있어저항성누설전류 5mA 이하또는이상으로도쉽게조정이가능한장점이있다. 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, 저항성누설전류, 용량성누설전류, 전력프로세서 Ⅰ. 서론우리나라에서는매년 2만명이상이약 5만건의전기재해로인해사망하거나다친다. 대부분의전기재해로인한인명피해나재산피해는전기화재또는감전사고로인한피해로발화요인별통계로는미확인단락에의해서, 발화관련기기별통계로는배선 / 배선기구에의해서전기화재가발생하는건수가가장많다. 현 재전기재해로인한사고를미연에방지하기위해사용되고있는방법으로는전기차단기뿐이다. 그러나 80% 이상의전기화재가전기차단기의안전한계치아래에서발생하기때문에더이상전기차단기에만의존해서는막대한인명피해와재산피해를주는전기에대한안전을보장받지못한다 [1,2]. 최근국내에있었던사고의예로, 연립주택의주방에서발생된것으로추정되는화재로방에서잠자고 * 남서울대학교전자공학과교수 (youngoh@nsu.ac.kr) 접수일자 : 2013. 02. 05 심사 ( 수정 ) 일자 : 2013. 02. 27 게재확정일자 : 2013. 03. 22 447
한국전자통신학회논문지제 8 권제 3 호 있던일가족이질식하여사망한사고가있었다. 현관앞에설치된분전반내부의배선용차단기및누전차단기는화염에의해형체를알아볼수없을정도로심하게소손되어차단유무를확인할수없었다. 그러나싱크대바닥에서발견된전자레인지와연결된이동용 2구콘센트부근을중심으로소손된흔적이많이나타났으며, 플러그날, 콘센트내부, 주콘센트에연결된배선과냉장고에연결된배선에서전기적으로용융된흔적을발견함에따라 콘센트합선에의한화재사고 임을밝혔다. 2010년에들어전기사용이더증가하면서감전및전기화재에대한노출빈도도높아지고있다. 하지만일반용전기설비의수용가에대한재해예방을위한법적규제장치는정기점검에한정돼있다. 또전기설비의변화주기가짧아지면서현재의정기점검은최소한의전기안전확보를위한제도로전기재해를근본적으로예방하는데한계가드러나고있으며, 아파트와같은대규모주거시설은자가용전기설비로분류되어정기점검에서도제외되고있는실정이다. 따라서악화되고있는수용가의전기에대한안전을확보하기위해누설전류, 과전류등의상태감시를통한재해예방이절실히필요한시점이다 [3,4]. 한편, 전원의분배및과전류, 단락전류, 누설전류에의한전기재해예방방법으로사용하고있는기존의배선용차단기및누전차단기와보호장치들은전기사용량이급증하고있는현재에제대로된사고방지및사후관리가이루어지지않고있다. 이와같은기존차단기들의한계를인식하고근본적인예방대책이시급하다. 감전사고, 전기화재및전기설비사고의예방을위해일반적으로사용되는누전차단또는누전정보시스템의대표적인기기가누전차단기 (Earth Leakage Breaker, ELB) 이다. 국내의안전기준에의하면누전차단기는일반장소 30mA, 습기장소 15mA 이하에서 0.03초이내에전원을차단하도록규정하고있다 [5]. 생체실험결과에의하면일반적으로인체는 5 30mA 에서호흡곤란, 혈압상승이시작되면서수분간견디는것으로보고되고있다. 누전차단기에서검출되는누설전류는저항성누설전류, 용량성누설전류및유도성누설전류가합성된전류이다. 용량성누설전류는컴퓨터, 냉장고, 세탁기, 인버터, 형광등, 전동기및용접기등의기기에서필연적으로발생하므로실내회로에특별한이상이없는데도누전차단기가빈번히차단되는경우가있다. 경우에따라사용자가누전차단기를제거하거나직결 (by pass) 하여사용하다가화재로인명과재산의손실이발생되기도한다. 저항성누설전류는전원전압과동상인성분으로전선로및부하의대지절연저항의열화가주요원인이며, 저항성누설전류가흐르면줄 (Joule) 열에의하여주위온도가상승하여화재등의전기재해의원인이되거나, 인체를통하여흐르면인명사고를유발하게된다. 용량성누설전류는전원전압보다 빠른성분으로전선로와대지정전용량이큰경우비교적많은양의용량성누설전류가흐르게되나, 변위전류의형태로흐르기때문에전기화재와같은재해를유발하지않는성분이다. 현재한국공업규격 (KSC 4613) 에의하면누전차단기규격은 30mA 이상으로되어있으나, 이것은 UL 기준 (Underwriters Laboratories, 5mA) 보다휠씬초과하는수치이다 (15mA이상은치사수준임 )[6]. 2003.2.28 산자부, 전기설비기술기준개정고시에서인체보호용누전차단기는 15mA 이하에서, 0.03초이내로차단되도록되어있으나 UL기준에비해위험수준임은분명하다. 따라서전기설비말단에설치되는매입콘센트에전기재해의주된원인인저항성누설전류만을검출할수있는기능을내장함으로써, 일반적인누전차단기에서검출하지못하는저항성누설전류를감지하여전기화재, 인체감전사고및전기설비사고를예방할필요가있다 [7,8]. Ⅱ. 누설전류분석누전전류는저항성누전전류 (Resistive Leakage Current) 와용량성누전전류 (Capacitive Leakage Current) 로구성된합성누전전류 (Total Leakage Current) 이다. 저항성누전전류는전압과동상인성분으로전선로의대지절연저항또는전선로에접속된전기제품의대지절연저항의열화가가장큰원인이라할수있다. 용량성누전전류는전원전압과동상인저항성누전전류보다 앞선성분으로전선로와 448
콘센트용누전감지모듈개발 대지사이의정전용량또는연결된전기제품의대지정전용량이원인이되어흐르게된다. 이는변위전류의형태로흐르기때문에전기화재와같은재해를유발하지않는성분이다. 그러나저항성누전전류가흐르면줄 (Joule) 열에의하여주위온도가상승하여화재등의전기재해의원인이되거나인체를통하여흐르면인명사고를유발하게된다. 따라서전기재해를예방하기위해서는합성누전전류보다저항성누전전류를분리하여검출할필요가있다. 그림 1은누설전류경로및전류성분을나타내며그림 2는저항성누설전류 (Igr) 와용량성누설전류 (Igc) 의상호관계를보여준다. 음, 벡터분해공식으로저항성분누설전류 (Igr) 를분리 / 산출하는매우신뢰성있는방식으로고조파발생지역에서도측정값의오차가거의없는방법으로알려져있다 [9,10]. 그림 3은본연구에서사용한저항상누설전류검출회로의구성도이다 그림 3. 저항성누설전류 (Igr) 검출회로구성도 Fig. 3 Resistive leakage current detection circuit diagram 그림 1. 누설전류경로및전류성분 Fig. 1 Leakage current path and current composition 선로에서전원전압의순시치 () 와합성누전전류의순시치 ( ) 를검출하고, 이들신호로부터평균전력 ( ) 을연산한후전원전압의실효치 ( ) 로나누어저항성누설전류를구하는방법이다. 이때, 저항성누설전류의실효치는식 (1) 과같다. cos cos (1) 단상회로에서공급되는전원전압 () 은정현파이므로식 (2) 와같다. (2) 그림 2. 저항성누설전류 (Igr) 와용량성누설전류 (Igc) Fig. 2 Resistive leakage current and capacitive leakage current 여기서 는전원전압 () 의실효값이고, 는각속도이며, 는전원주파수이다. 따라서전선로에흐르는합성누설전류도정현파이며식 (3) 과같다. Ⅲ. 누설전류검출알고리즘전압검출부에서검출된전압을기준전압으로하여영상변류기에서측정한누설전류는용량성누설전류 (Igc) 의성분이포함된경우, 위상차 θ를산출한다 sin (3) 여기서 는합성누설전류 ( ) 의실효치이며 는전원전압 () 과합성누설전류 ( ) 와의위상각이다. 이때, 를전원전압 () 의극성이 양 인구간 449
한국전자통신학회논문지제 8 권제 3 호 ( ) 에서적분한값을, 음 인구간 ( ) 에서적분한값을 라하면각각식 (4), (5) 와같다. sin (4) cos sin (5) cos 로구성은다음과같다. 상용전원 220V와접속단자사이의전기적연결을 ON/OFF 스위칭하기위한릴레이부, 제어신호에따라릴레이부를구동하기위한릴레이구동부, 접속단자를통해흐르는전류를각각감지하고 ( 구동전류감지-CT, 누설전류감지-ZCT), 전류의세기에대응하는전류감지신호를발생시키기위한전류센서부로구성된다. 전류센서부에의해감지된전류감지신호를기초로제어부인 MCU는저항성누설전류 5mA 이상이면전원과접속단자사이의전기적연결을 OFF시키기위한제어신호를발생시킨다. 따라서 가되며, cos 이므로 이고, 저항성누설전류는식 (6) 과같다. (6) 본연구에서는저항성누설전류 ( ) 를검출하기위하여영상변류기 (ZCT) 를이용하여합성누설전류 ( ) 를검출한다음, MCU(MSP 430) 에서그림 4의알고리즘 [10,11] 을적용하여구현하였다. Ⅳ. 실험본연구에서는위상차측정을이용한누설전류검출방법을이용하여합성누설전류및저항성누설전류검출알고리즘을 MCU(MSP 430) 에서프로그램으로구현하였다. 타당성검사를위하여 IEC 61008-1 규격의누전테스트회로도를기반으로제작된 J사의 Igr Leakage Analyzer를사용하였다. 그림 5는누설전류실험환경을나타낸다. 그림 5. 누설전류실험환경 Fig. 5 Leakage current experimental environments 그림 4. 저항성누설전류 (Igr) 검출알고리즘순서도 Fig. 4 Resistive leakage current detection algorithm flowchart 본연구에서개발한콘센트용누전감지모듈의회 그림 6은개발된누전감지모듈을콘센트에내장시키고누설전류발생기로누설전류를발생시킨후, 측정된파형및측정값으로합성누설전류 9.3mA, 저항성누설전류 9.2mA, 용량성누설전류 0.2mA를나타낸다. 450
콘센트용 누전감지 모듈 개발 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 (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 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 (a) 메인 PCB (b) PCB 조립상태 그림 8. 메인 PCB 및 조립상태 Fig. 8 Main PCB and assembly status [1] 서울특별시 소방재난본부[편], 화재연보 통계, 2008, 서울특별시 소방재난본부, pp. 3-5, 2009. [2] 최충석, 전기화재공학, 도서출판 동화기술, pp. 189-197, 2004. 451
한국전자통신학회논문지제 8 권제 3 호 [3] 고윤석, 전기화재방지를위한아크고장판단기법에대한연구, 한국전자통신학회논문지, 3 권, 4 호, pp. 260-265, 2008. [4] 고윤석, 신현용, 산업용분전반적용을위한 3 상전력관리장치시작품제작에대한연구, 한국전자통신학회논문지, 5 권, 5 호, pp. 498-503, 2010. [5] 제품안전규격, K 60884, 기술표준원, 2007. [6] 한국공업규격, KS C 4613, 기술표준원, 2005. [7] 한송엽, 저항성누설전류검출기의개발과응용, 대한민국학술원논문집, 49 권, 2 호, pp. 11-27, 2010. [8] 주남규, 김태완, 임용배, 전압위상비교에의한저항성누설전류검출회로개발, 대한전기학회전기설비전문위원회춘계학술대회논문집, pp. 17-18, 2009. [9] 김창성, 한송엽, 최충석, 저항성누설전류 (Igr) 검출콘센트의개발및안전성평가, 대한전기학회논문지, 58 권, 2 호, pp. 221-226, 2009. [10] 오노다께미, " 누전전류차단및방법, 국제특허, 국제공개번호, WO2006/035519, 2006. 04. 06. [11] 한영오, 누전, 과부하및대기전력차단콘센트, 대한민국특허청, 출원번호 10-2011-0107099, 2011. 10. 19. 저자소개 한영오 (Young-Oh Han) 1886년 2월연세대학교전기공학과졸업 ( 공학사 ) 1989년 8월연세대학교대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ) 1985년 8월연세대학교대학원전기공학과졸업 ( 공학박사 ) 1996년 3월~ 현재남서울대학교전자공학과교수 관심분야 : 디지털신호처리, 의용전자, 유비쿼터스센서네트워크 452