KR100340702B1 - 엔상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원 설비 중 배선 선로에 사용되는 ATS(비상전원 절체 개폐기)의 개폐시 중성선 N상이 순간적으로 분리되어 단선되는 것을 방지하며, 항상 접촉 상태가 유지되도록 하기 위해 N상 미개방장치를 사용하는 ATS 및 개폐방법에 관한것이다.

본 발명의 ATS는 3상 가동단자(4)가 상용전원측 전압단자(2)와 비상전원측 전압단자(1)의 중간에 수평으로 위치될 때 3상(R, S, T상)의 상용전원측 전압단자(2) 및 비상전원측 전압단자(1)와 3상 가동단자(4)의 높이(H1)는 동일하고, N상 가동단자(4')가 N상 상용전원측 중성단자(2') 및 비상전원측 중성단자(1')의 중간에 수평으로 위치될 때 N상 상용전원측 중성단자(2') 및 비상전원측 중성단자(1')와 N상 가동단자(4')의 높이(H2)는 3상 가동단자(4)의 높이(H1)보다 낮게 설계된다. 상기와 같이 설계된 가동단자(3,4,4')에 의해 높이가 낮은 N상의 가동단자(4')는 상용전원 중성단자(2')와의 접속을 유지하는 한편 비상전원 중성단자(1')에 먼저 접속되어 N상이 미개방상태가 이루어지게 된다.

본 발명의 ATS는 교류 전원의 접지, 지락 사고시 인명의 쇼크 위험을 감소, 전위차에 의한 사고 발생을 예방, 과도 전류가 발생방지, 주변장치의 손상방지, 아크발생의 대폭 감소, 장치의 조작 개폐 실패율 감소 등의 효과를 갖는다.

Description

엔상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기{AUTOMATIC TRANSFER SWITCH USING A CLOSED-TRANSITION NEUTRAL CONTACT UNIT}

본 발명은 전원 설비 중 저압 3상 4선식 배선 선로에 사용되는 비상전원 절체 개폐기(이하 'ATS'라 한다)에 관한 것으로, 상세하게는 ATS의 개폐시 중성선 N상이 순간적으로 분리되어 단선되는 시간을 상당히 단축시킴으로써 항상 접속 상태가 유지 되도록 하기 위해 N상 미개방(Closed-Transition) 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기에 관한 것이다.

일반적으로, 비상전원 절체 개폐기는 전력공급자인 한전으로부터 전력 수요자에게 소요 전력원을 공급하지 못하는 불의의 사태가 발생하는 경우에, 전력수요자가 비상 전력공급원인 자체 발전기를 가동하여 소요 전력을 자체적으로 충당하도록 자체 발전기와 전력소요설비인 전기설비를 자동으로 연결시켜주는 전원연결장치로서, 특히 대용량의 릴레이 또는 기계식 절체기를 사용하여 전원의 절체를 실시하는 기기이다.

'전원의 절체'라는 용어는 전기 설비에 공급되는 전원을 변경하는 것으로서, 상용전원의 정전시 비상전원으로부터 부하설비에 전력을 공급받으며 상용전원 복구시 비상전원을 차단하고 복전하는 개폐기에 의한 자동 또는 수동 전원 절환 메카니즘을 말한다.

최근에는 빌딩, 병원, 아파트, 공장 등의 건축물이 대형화되고, 고층화되며, 전자화 됨에 따라서 설비의 중요성이 나날이 더해 가고 있으며, 특히 예비전원 설비 보급확대에 따른 단상 3선식 및 3상 4선식 ATS의 수요도 증대되고 있다.

이때의 예비전원으로는 별도의 발전설비를 가동하는 방식, 충전기를 갖춘 축전지, 축전지와 발전설비의 병용이 있을 수 있으며, 또는 수전 선로를 별개로 구성하여 2회선 수전으로 상시 대기하고 있는 타전원을 사용하는 방식도 있다.

일반적으로 ATS의 구성은 한전으로부터 공급되는 상용전력과 자체 발전기에 의하여 공급되는 비상전력의 각각의 입출력단과, 한전으로부터 공급되는 전력이 중단되면 자동으로 상용전력의 입출력단을 차단하고 자체 발전기의 입출력단으로 연결하는 가동단자와, 그리고 가동단자를 구동시키는 구동 메카니즘으로 구성되어 있다.

수동형 ATS는 정전이 감지되면, 릴레이 또는 기계식 절체기를 수동으로 작동시켜 비상전원으로 전환하는 것이고, 자동식 ATS는 상용전원의 정전시 이를 감지하여 비상전원으로 전환시키는 작동을 자동으로 수행하는 것이다.

이러한 ATS에 있어서, 그 작동의 신뢰성, 신속성 및 안정성이 요구되지만 실제로는 중성선의 접촉불량으로 이상전압 및 이상전류 돌입 현상이 발생되곤 한다. 실예로, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 단상 3선식 회로의 중성선이 활선상태에서 분리되는 경우 이상전압 및 이상전류 돌입이 발생한다. 단상 3선식으로 불평형 부하를 사용하고 있을 때, LAMP 부하의 저항 즉, 부하#1은 0.4Ω이고, 부하#2의 저항이 0.6Ω인 경우, 각 상의 부하전류는 300A(120V/0.4Ω)와 200A(120V/0.6Ω)가 흐르며 각 상 전류의 불평형에도 불구하고 각 부하에 걸리는 전압은 120V가 된다. 도 1과 같은 불평형 부하를 갖는 상태로 중성선이 분리되었을 경우, 도 2에서와 같이 240V의 전압은 LAMP 부하 #1과 #2를 가로질러 직렬로 걸리고 이때 선로에 흐르는 전체부하 전류는

240V / (0.4Ω+ 0.6Ω) =240A 가 흐르게 되며

불평형 부하 때문에 E2는 E1보다 전압이 높고 부하에 과전압이 걸리게 된다.

El = I × Rl = 240 × 0.4 = 96V

E2 = I × R2 = 240 × 0.6 =144V

다른 실예로서, 3상 4선식 회로에서 중성선이 활선상태에서 분리되는 경우의 이상전압 및 이상전류 돌입이 도 3에 예시된다. 다른 상은 접촉되어 있으나 N상이 개방된 상태라면 부하설비(Rl, R2)에는 다음과 같이 이상전류 및 이상전압 돌입이 발생하게 된다. 선간전압을 380V으로 하면 중성선 부하에는 220V가 인가되어야 하지만 N상이 개방되어 있는 관계로 부하 Rl과 R2에는 직렬로 380V가 걸리게 되고, 이때 부하 Rl은 2Ω, 부하 R2는 8Ω인 경우, S상과 T상 사이에는

380V / (2Ω+8Ω) = 38A

의 전류가 흐르게 되어 정상상태에서의 T상 전류 l10A(220V/2Ω), S상 전류 27.5A(220V/8Ω)와는 다른 이상 전류가 흐르게 된다. 또 부하 Rl에 인가되는 전압은 76V(38A×2Ω)로 정상전압 220V보다 낮은 저전압이 인가되고 부하 R2에 인가되는 전압은 304V(38A×8Ω)로 정상전압 220V 보다 높은 고전압이 인가되어 부하설비의 운용 효율저하 및 손상을 줄 수 있으며 OCR, OVR, UVR등 각종 계전기류에 오동작을 초래하여 선로 보호장치 운영에 장애를 가져올 수도 있다.

일반적인 개폐기로는 단순 3상(극)개폐기와 도 4에 도시된 바와 같이, 3상의 R, S, T 전원공급선과 중성선 N을 개폐하도록 구성된 전기적 안전을 고려한 4극개폐기가 있다. 이때, 중성선 N상은 전원공급선(R, S, T상)에 비하여 동시에 접촉되기 보다는 먼저 떨어지고 먼저 붙는 경우(Breaks-before-Make)가 빈번히 발생한다. 이는 상간 부하가 같지 않은 상태에서의 개폐를 의미하므로 ATS 절체후 여러 종류의 전기설비가 소손되고 조명기구는 심한 광속의 변동을 일으키게 되는 결정적인 요인이 된다. 게다가 불평형율이 법이 정하는 기준치를 다소 벗어날 경우는 절체시 심한 전압 불평형이 발생하게 되며 경부하측 부하의 단선 등으로 점점 불평형은 심화되게 되고 결국에는 경부하측 기기가 거의 손상되는 직접적인 원인이 되기도 한다.

본 발명의 목적은 이와 같은 문제점을 방지하기 위해 전원 절체시 N상(중성선) 미개방 기술을 도입하여 중성선 N상이 3상(R, S, T상)보다 먼저 투입되고 늦게 개방되는 기능(Overlapping Neutral Contact)의 N상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은 ATS 에서 중성선 가동단자가 3상 가동단자의 절체 동작을 완료할 때까지 접촉상태를 유지하여, 3상 가동단자가 중성선 N상에 비해 선투입되거나 후개방되어 발생되는 부하단 전압인 상전압이 순간적으로 선간전압(상전압×배)으로 인가되는 것을 근원적으로 방지하도록 N상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 근본적으로 N상이 전압측 절체 완료시 까지 미개방(Closed-Transition)되게 함으로써 아크(Arc)가 거의 발생하지 않게 되고, 과도 전류의 발생을 방지하여 연결 부하설비의 손상을 방지하는 N상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 비상전원 절체 개폐기의 개폐동작을 정확하게 구현함과 아울러 전원공급의 안정성을 실현하는 N상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기를 제공하는 것이다.

도 1 내지 도 3은 N상 개방에 따른 이상전압 및 이상전류발생을 예시하는 회로도.

도 4는 통상적인 3상 4선식 개폐기의 원리를 설명하기 위한 회로도.

도 5의 a-c는 본 발명의 미개방 중성선 N상을 보여주는 단선도.

도 6은 본 발명 비상전원 절체 개폐기의 일 실시예의 개략 사시도.

도 7은 본 발명에 의한 3상(전압극) 가동단자를 보여주는 도 6의 A-A선 개략 단면도.

도 8은 본 발명에 의한 중성선 N상 가동단자를 보여주는 도 6의 A-A선 개략 단면도.

도 9의 (a)-(d)는 본 발명의 일 실시예로 3상 가동단자와 중성선 N상 가동단자의 순차적인 동작상태를 보여주는 도6의 A-A선 개략 단면도.

본 발명의 N상 미개방 절체장치를 사용하는 비상전원 절체 개폐기는 3상이 절체될 때까지 N상을 미개방 시키기 위한 것으로서, 도 7, 도 8, 및 도 9에 개략 단면도로 도시된 바와 같이, 중성선 N상의 가동단자(4') 간격 높이(H2)(즉, 상용전원 단자(2)와 비상전원단자(3)로부터 중성선 N상 가동단자(4') 사이의 높이)가 3상(R,S,T)(전압극)의 가동단자(3,4) 간격 높이(H1)보다 낮게 형성되고, 중성선 N상의 가동단자(4')에 형성된 슬롯(7')도 또한 상용전원 가동단자(3,4)의 슬롯(7) 보다 낮은 위치에 형성된 것이 특징이다.

상기 슬롯(7,7')들은 절연물(9)에 형성된 핀(10,10')에 각각 결합되어 있고, 상기 절연물(9)은 축(5)의 회전에 따라 동일각으로 회전된다. 축(5)의 회전에 따라 동일각으로 회전되는 절연물(9)의 핀(10,10')과 이 핀에 결합된 슬롯의 조합에 의해 상용전원측 또는 비상전원측으로 3상 가동단자(4)와 N상 가동단자(4)가 이동되게 함으로써 본 발명의 N상 미개방이 달성되는 N상 미개방장치가 구성된다.

도 6에 사시도로 도시된 바와 같이, 본 발명의 N상 미개방 절체장치는 3상 가동단자(4)와 N상 가동단자(4')를 축(5)의 회전에 의해 상용전원 또는 비상전원으로 절체 시키기 위한 기본요소(예컨데, 절연물, 스프링(도시되지 않음), 하부단자(지지대)(6), 3상가동단자(3,4), 중성선 N상 가동단자(4') 등)를 포함한다. 3상 가동단자(4)와 중성선 N상 가동단자(4')의 구조, 형상 및 치수를 제외하고, 실질적으로 본 발명의 기본적인 구조는 종래의 요소들과 유사하다.

그러나, 본 발명의 N상 미개방 기술을 사용하는 비상전원 절체 개폐기는 상용전원에서 비상전원으로 또는 비상전원에서 상용전원으로 전원의 절체가 이루어질 때, 즉 3상 가동단자(4)가 상용전원 전압단자에서 떨어져서 비상전원 전압단자로 이동될 때 중성선 N상은 상용전원 중성단자(2')에 계속 접촉되는 상태를 유지하고 3상 가동단자(4)가 비상전원 전압단자에 접촉하기 전에 N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자(2')에 계속 접촉을 유지하는 한편 3상 가동단자(4)보다 비상전원 중성단자(1')에 먼저 접촉이 이루어지게 하는 것(즉 3상 가동단자(4)가 상용전원 전압단자에서 떨어져서 비상전원 전압단자(2)에 접촉할 때 N상 가동단자(4')가 상용전원 및 비상전원 양쪽 중성단자에 접촉됨)을 특징으로 한다.

이를 더욱 설명하면, 도 5의 (a)-(c)에 단선도로 도시된 바와 같이, 본 발명의 N상 미개방장치를 달성하기 위해 상용전원으로부터 비상전원으로의 전원 절체시, N상 가동단자(4')의 접촉상태가 순차적으로 변화된다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, N상 가동단자(4')는 상용전원 중성단자(2')에 접속되어 있고, 비상전원 중성단자(1')와는 떨어져 있다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 3상 가동단자(4)가 상용전원 전압단자(2)로부터 이탈되어 비상전원 전압단자(1)와 접속되기 전에, N상 가동단자(4')가 비상전원 중성단자(1')에 접속되어 N상 미개방상태가 된다. 즉, N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자(2')와 비상전원 중성단자(1')에 동시에 접속된다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, N상 미개방이 된 후, 3상 가동단자(4)는 비상전원 전압단자(1)에 접속되면, N상 미개방상태의 N상가동단자(4')는 상용전원 중성단자(2')로부터 이탈된다(접속이 해제된다).

도 9의 (a)-(d)에 본 발명의 N상 미개방 절체장치가 개략적인 작동상태도로 도시됐다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 장치는 3상(R,S,T)(전압극)과 중성선 N 상이 상용전원측에 각각 연결되어 있다. 이와 같이 정상적으로 연결되어 상용전원이 부하설비에 공급되고 있는 중에 불의의 사태로 상용전원의 공급이 갑자기 중단되는 경우, 부하설비에 정상적인 전원을 공급하도록 비상전원 절체 개폐기가 도 9의 (a)-(d)순으로 작동된다.

도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 상용전원측의 정상적인 전원은 3상 가동단자(4)를 통하여 부하설비로 공급된다. 이때 N 상 가동단자는 상용전원측의 N상 중성단자(2')에 접촉되어 있다. 상용전원측에 접촉되어 있을 때, 3상 가동단자(4)와 결합된 핀(10)은 3상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7) 중앙에 위치되고 비상전원측 슬롯(7)의 상단에 위치되며, N상 가동단자(4')와 결합된 핀(10')은 N상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7') 하단에 위치되고 비상전원측 슬롯(7')의 상단에 위치된다.

도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 상용전원측의 전원공급이 중단되는 경우 3상(R,S,T)의 가동단자는 축(5)의 회전에 의해 비상전원측을 향해 이동되고, 3상 가동단자(4)는 상용전원측 3상 전압단자에서 완전히 떨어진다. 이때, 중성선 N상도 비상전원측을 향해 이동되나 여전히 상용전원측 N상 중성단자(2')에 접촉되어 있다. 이때, 3상 가동단자(4)와 결합된 핀(10)은 3상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7) 상단에 위치되고 비상전원측 슬롯(7)의 상단에 위치되며, N상 가동단자(4')와 결합된 핀(10')은 N상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7') 중앙에 위치되고 비상전원측 슬롯(7')의 중앙에 위치된다. 이는 N상 가동단자의 높이(H2)가 3상 가동단자의 높이(H1)보다 낮기 때문이다.

도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, 3상 가동단자(4)가 상용전원측 3상 전압단자에서 떨어져서 비상전원측으로 이동되어 비상전원측 3상 전압단자에 완전히 접촉된 후 중성선 N상 가동단자(4')는 상용전원측 N상 중성단자(2')에서 비로소 떨어진다. 이때, 3상 가동단자(4)와 결합된 핀(10)은 3상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7) 상단에 위치되고 비상전원측 슬롯(7)의 상단에 위치되며, N상 가동단자(4')와 결합된 핀(10')은 N상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7') 상단에 위치되어 N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자(2')에서 이탈되고 비상전원측 슬롯(7')의 중앙하단에 위치된다.

도 9의 (d)에 도시된 바와 같이, 축(5)이 더욱 회전되면 3상 가동단자(4)가 비상전원의 3상 전압단자와의 접촉이 더욱 완전하게 이루어지고, 이때 상용전원측 에서 떨어진 N상 가동단자(4')가 비상전원측 N상 중성단자(1')와의 접촉이 더욱 확실히 달성된다. 이때, 3상 가동단자(4)와 결합된 핀(10)은 3상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7) 상단에 위치되고 비상전원측 슬롯(7)의 중앙상단에 위치되며, N상 가동단자(4')와 결합된 핀(10')은 N상 가동단자의 상용전원측 슬롯(7') 상단에 위치되고 N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자(2')에서 완전히 이탈되고 비상전원측 슬롯(7')의 하단에 위치되어 N상 가동단자(4')가 비상전원 중성단자(1')에 더욱 확실히 접촉된다.

즉, 상용전원의 공급이 중단되면 도시되지 않은 개폐기제어회로에 작용에 의해 개폐기의 상용전원측 전압단자에 접촉되어 있는 3상 (R,S,T)(전압극) 가동단자를 이동시켜서 비상전원측의 전압단자에 접촉시킴으로써 비상전원을 부하설비에 계속하여 공급해 주도록 하기 위해, 3상 가동단자(4)가 상용전원에서 비상전원으로 절체될 때, 중성선 N상 가동단자(4')가 비상전원 중성단자에서 떨어지지 않고, 3상 가동단자(4)가 비상전원 전압단자에 접촉되기 전에 N상 가동단자(4')가 비상전원 중성단자에 먼저 접촉되게 한 후 3상 가동단자(4)가 비상전원 전압단자에 접촉됐을 때 N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자에서 떨어진다. 즉, N상 가동단자(4')가 양쪽 전원 중성단자에 동시에 접촉이 유지된 다음 3상 가동단자(4)의 전환이(절체가) 완료됐을 때 전원이 끊어진 측(여기에서는 상용단자 측)으로부터 N상 가동단자(4')가 떨어진다. 바꾸어 말하면, N상 미개방 상태를 유지하면서 선투입 후개방되는 본 발며의 기술이 도 9의 (a)-(d)의 순서로 작동되는 본 발명의 비상전원 개폐기에 의해 이루어 진다.

상기에서 설명한 도 9의 (a)-(d)과정은 순간적으로 일어나는 과정이며, 이와 같은 본 발명의 N상 미개방 장치에 의한 전원 절체 개폐기에 의해 종래의 문제점들이 방지된다.

상용전원의 공급이 정상적으로 이루어 질 수 있는 경우, 비상전원의 공급을 중단하고 상용전원을 공급하기 위해서 비상전원측에서 상용전원측으로 3상(R,S,T)과 N상 가동단자(4')가 상기와 동일 방식으로 실행된다.

따라서 전원 절환시에 과도전류가 발생하지 않고, 교류전원의 접지효과가 발생되어 개폐 조작 동작의 실패율이 감소된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 적용 ATS 및 개폐방법에 의해 접지장해 보호장치의 적절한 운영 및 오동작이 제거되고, 교류 전원의 접지 효과를 얻을 수 있게 되며, 지락 사고시 인명의 쇼크 위험을 감소시키는 효과가 있다.

전원절체시에 3상 가동단자의 선투입 및 N상 가동단자(4')의 후개방을 달성함과 동시에, 선투입 후개방 기술을 더욱 발전시켜서 종래의 문제점을 더욱 완벽히 방지하는 효과를 갖는다.

또한, 전위차에 의한 사고 발생을 완전히 예방할 수 있고, 과도 전류가 발생될 수 없으므로 연결장치의 손상을 방지할 수 있으며, 아크발생이 매우 작아지고, 장치의 조작 개폐 실패율이 감소되는 효과가 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 전위차에 의한 사고, 아크발생 및 연결장치의 손상을 방지하기 위해 상용전원측 단자와 비상전원측 단자간 절체시 3상(R, S, T)의 개폐동작이 중성선 N상에 비해 선개방 후투입되는 비상전원 절체 개폐기(ATS)에 있어서,

   중성선 N상 가동단자(4') 간격 높이(H2)가 3상의 가동단자 간격 높이(H1)보다 낮게 형성되고, N상 가동단자(4')의 슬롯(7')도 또한 상용전원 가동단자(4)의 슬롯(7) 보다 낮은 위치에 형성되어 N상 미개방이 달성되는 것을 특징으로 하는 비상전원 절체 개폐기.
2. 제 1 항에 있어서, 3상 가동단자(4)가 전원이 중단된 상용전원 전압단자(2)로 부터 비상전원 전압단자(1)에 접촉될 때까지 N상 가동단자(4')가 상용전원 중성단자(2')와 접촉이 유지된 채 3상 가동단자(4)보다 먼저 비상전원 중성단자(1')에 접촉되고, N상 가동단자(4')의 슬롯(7')에 결합된 핀(10')은 슬롯(7')의 중앙에 위치되어 N상 미개방이 달성되는 것을 특징으로 하는 비상전원 절체 개폐기.
3. 제 2 항에 있어서, N상 가동단자(4')는 3상 가동단자(4)가 비상전원 전압단자(1)에 접촉된 후 비상전원 중성단자(2')에서 이탈되는 것을 특징으로 하는 비상전원 절체기.