KR100429432B1 - 회로 차단기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3상 AC 전원(11), 및 3개의 활전력선들(R-R', S-S', 및 T-T')을 통해 전력선과 접속된 부하(12)로 구성된 전원/부하 회로에 이용되는 회로 차단기(10)에 관한 것이다. 이 회로 차단기(10)는 전원(11)을 향하는 각 전력선들과 접속된 스위치(SW1)를 포함한 트리핑 회로(60), 각 전력선들을 따라 순서대로 직렬로 접속된 적어도 3개의 평형을 이룬 1차 권선(P1 내지 P3) 및 2차 권선(S1)을 갖는 변압기(T1), 및 2차 권선(S1)과 접속되어 변압기(T1)에서 감응된 전압과 기준 전압을 비교해서 누설 고장이 발생한 경우에 트리핑 회로(60)가 트리핑 신호를 공급하여 스위치(SW1)를 개방시키는 전압 비교기(50)를 포함한다. 회로로(X)는 조합된 전압 감응/비교기(30)를 포함하며, 대향하는 쪽으로 뻗어나오되 변압기(T1)의 외부로 뻗어 있고, 두 개의 위상 대 위상 전압들을 서로 감응해서 비교하여, 전압 불평형 고장이 발생한 경우에, 누설 고장 조건을 시뮬레이팅하여 변압기(T1)가 고장을 검출하고 전압 비교기(50)가 트리핑 신호를 공급한다.

Description

회로 차단기{CIRCUIT BREAKER}
AC 전원/부하 회로에 이용되는 회로 차단기는 일반적으로 잘 알려져 있다. 통상의 회로 차단기는 변압기, 전압 비교기 및 스위치로 구성되어 있다. 변압기는 부하에 전류가 흐르기 전과 후를 감시하여 전류가 평형을 이루지 못할 경우, 예를 들어 누전 고장이 발생할 때의 전압을 감응할 수 있다. 전압 비교기는 이 감응 전압과 기준 전압을 비교하여 전압차를 나타내는 신호를 발생한다. 스위치는 이 전압차가 허용 불가능할 정도로 클 경우 전원으로부터 부하를 단절시키게 된다.
본 발명은 전기 회로에 고장이 생겼을 때 AC 전원으로부터 부하를 단절시키는 회로 차단기(circuit breaker)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 차단기의 제 1 실시예의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회로 차단기의 제 2 실시예의 회로도이다.
본 발명은 개선된 회로 차단기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 3상 AC 전원 및 그 3개의 활전력선(live power lines)을 통해 상기 전원과 접속된 부하로 형성된 전원/부하 회로에 이용되는 회로 차단기가 제공된다. 이 회로 차단기는 전원으로 향하는 각 전력선들과 직렬로 접속된 정상적으로 개방되어 있는 스위치들을 포함한 트리핑 회로와, 각 전력선들을 따라 순서대로 직렬 접속된 적어도 3개의 평형을 이룬 1차 권선들 및 2차 권선을 갖는 변압기, 2차 권선과 접속되어 변압기에서 감응된 전압과 기준 전압을 비교해서 전원/부하 회로에서 누설 고장이 발생한 경우에, 전원으로부터 부하를 단절시키기 위해서 트리핑 회로에 트리핑 신호를 공급하여 스위치들을 개방시키기 위한 전압 비교기, 및 상기 전력선들의 두 개의 위상 대 위상 전압들을 서로 감응해서 비교하여, 전원/부하 회로에서 전압 불평형 고장이 발생한 경우에, 변압기가 고장을 검출하고 상기 전압 비교기가 상기 트리핑 신호를 공급할 수 있도록 누설 고장 조건을 시뮬레이팅하는 조합된 전압 감응/비교기와 상기 변압기의 외측에서 양쪽으로 뻗어나오는 회로로(circuit path)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 조합된 전압 감응/비교기가 변압기의 한 측에서의 제 3 전력선에 대한 제 1 및 제 2 전력선들의 위상 대 위상 전압들을 감응 비교해서, 상기 전압들을 변압기의 반대 측에 접속된 출력부에 제공하도록 배치된다.
특히, 상기 조합된 전압 감응/비교기의 출력부는 변압기 반대 측에서의 제 3 전력선과 접속된다.
상기 변압기의 한 측은 전원 측을 향하며, 상기 변압기의 반대 측은 부하 측을 향하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예로서, 상기 조합된 전압 감응/비교기는 전력선들과 교차 접속된 각 입력쌍들을 갖는 제 1 및 제 2 전압 비교기들을 포함하며, 제 1 전압 비교기는 하나의 감지된 위상 대 위상 전압과 다른 하나의 감지된 위상 대 위상 전압을 비교하고, 제 2 전압 비교기는 다른 하나의 위상 대 위상 전압을 상기 하나의 위상대 위상 전압과 비교한다.
더욱 바람직하게는, 제 1 및 제 2 전압 비교기들이 각각 입력 분압기를 포함하며, 제 1 전압 비교기가 하나의 감지된 위상 대 위상 전압과 다른 하나의 감지된 위상 대 위상 전압의 퍼센트를 비교하고, 제 2 전압 비교기는 다른 하나의 위상 대 위상 전압과 하나의 위상 대 위상 전압의 퍼센트를 비교한다.
상기 두 개의 퍼센트들은 실질적으로 같은 것이 더욱 바람직하다.
바람직한 실시예로서, 상기 조합된 전압 감응/비교기는 도통을 위해 회로로를 따라 직렬로 접속된 누설 고장 조건을 시뮬레이트하는 소자를 포함하며, 소자는 제 1 및 제 2 전압 비교기들의 조합 출력부와 접속된 제어 단자를 갖는다.
더욱 바람직하게는, 상기 소자가 실리콘 제어 정류기로 제공된다.
회로 차단기는, 각 전력선들을 따라 직렬로 접속된 적어도 3개의 약간 불평형된 1차 권선들 및 2차 권선들을 갖는 제 2 변압기, 및 2차 권선과 접속되어 변압기에서 감응된 전압과 기준 전압을 비교해서, 전원/부하 회로에서 과전류 고장이 발생한 경우에, 전원으로부터 부하를 단절시키기 위해서 스위치를 개방하도록 트리핑 회로에 트리핑 신호를 공급하기 위한 부가적인 전압 비교기를 포함할 수 있다.
이하, 단지 일례로만 제시된 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1을 참조하면, 본 발명을 구현하기 위한 제 1 회로 차단기(10)가 도시되어 있다. 이 회로 차단기는 3상 주 전원(11)과, 이 전원(11)과 3개의 활전력선들(R-R', S-S', T-T') 및 1개의 중성 전력선(N-N')를 통해 접속된 부하(12)로 형성된 전원/부하 회로에 이용된다. 회로 차단기(10)는 전력선들(R-R', S-S', T-T' 및 N-N')과 연계된 고장 감응 회로(20), 이 고장 감응 회로(20)와 독립적으로 접속되어 고장이 발견됐을 때 트리핑 신호를 공급하는 제 1 및 제 2 비교 회로(40, 50), 및 이 비교 회로(40, 50)와 접속되어 상기 트리핑 신호에 응답하여 전원/부하회로를 차단시키는 트리핑 회로(60)를 포함한다.
트리핑 회로(60)는 전원을 향하는 각 전력선들(R-R', S-S', T-T' 및 N-N')과 직렬로 접속된 정상적으로 개방되어 4개로 한 세트를 이루는 스위치(SW1)와, 이 스위치(SW1)를 정상적으로 폐쇄 상태로 유지하는 솔레노이드(SO), 및 이 솔레노이드(SO)와 병렬로 접속되어 솔레노이드(SO)를 디스에이블(단락)시켜서 스위치(SW1)를 개방시킴으로써 전원(11)으로부터 부하(12)를 단절시키는 실리콘 제어 정류기(SCR1)로 이루어져 있다. 트리핑 회로(60)는 전파 정류기(D)를 포함하고 있는데, 이 전파 정류기(D)는 전원 분기점(R, T)에서 전력을 얻어 마이크로 스위치(SW2)를 거쳐서 솔레노이드(SO)를 작동시키며, 전압 분기점(V1)을 제공하는 제너 다이오드(D5)를 거쳐서 비교 회로(40, 50)를 작동시킨다. 상기 회로(40, 50, 60)는 공동 접지(E)를 공유하고 있다.
고장 감응 회로(20)는 3개의 활전력선들(R-R', S-S' 및 T-T')과 접속된 조합된 전압 감응/비교기(30) 및 각 전류 감응 변압기(T1 내지 T3)로 이루어져 있는데, 이 변압기(T1 내지 T3)는 각각 각 전력선들(R-R', S-S', T-T' 및 N-N')를 따라 스위치(SW1)의 다운스트림 위치에서 직렬로 접속된 4개의 1차 권선들(P1 내지 P4) 및 1개의 2차 권선(S1)을 갖고 있다. 변압기(T1)의 1차 권선(P1 내지 P4)은 평형을 이뤄서 모든 허용될 수 없는 누전 고장을 자체적으로 또는 전압 감응/비교기(30)와 조합하여 검출할 수 있으며, 그리고 동작 중인 전원/부하 회로에서의 위상 손실(유실)을 포함한 모든 허용될 수 없는 위상 전압 불평형을 비교 회로(50)에 의해 검출할 수 있게 한다.
변압기(T2)의 1차 권선(P1 내지 P4)은 1차 권선(P1, P4)과 각각 병렬로 접속된 저항(R11, R12)으로 인해 약간의 불평형을 이룰 수 있으며, 변압기(T3)의 1차 권선(P1 내지 P4)은 1차 권선(P2, P4)과 각각 병렬로 접속된 저항(R13, R14)으로 인해 약간의 불평형을 이룰 수 있다. 이들 두 개의 변압기(T2, T3)는 동작 중인 전원/부하 회로에서의 단락 고장을 포함한 모든 허용될 수 없는 과전류를 비교 회로(40)에 의해 검출하기 위한 것이다.
전압 감응/비교기(30)에는 한 쌍의 OP-AMP(연산 증폭기) 전압 비교기(OA1, OA2) 및 실리콘 제어 정류기(SCR2)가 포함되어 있다. 이 전압 감응 비교기(30)에는 2개의 입력부와, 전원(11)과 마주보는 변압기(T1 내지 T3) 측에서의 각 활전력선들(R-R', S-S' 및 T-T')과 접속된 공동 분기점(Y), 및 부하(12)와 마주보는 변압기(T1 내지 T3) 측에서의 활전력선(T-T')과 접속된 출력부가 있다. 따라서, 전압 감응 비교기(30)는 전원 분기점(R, S)에서 뻗어져 나와 변압기(T1 내지 T3)에 대해 전력선(R-R', S-S' 및 T-T')의 양측을 가로지르는 전원 분기점(T')에 이르되 변압기(T1 내지 T3)의 외부로 뻗어 있는 회로로(X)를 제공한다.
전압 감응 비교기(30)의 2개의 입력은 각 비교기(OA1, OA2)에 의해 제공된다. 각 비교기(OA1, 또는 OA2)는 전력 분기점(R 또는 S)을 거쳐서 다이오드-저항-커패시터 회로(D1-R1-C1,또는 D2-R2-C2)에 의해서 각 전원 분기점(R, 또는 S)과 접속된 제 1 입력부를 갖는다. 나머지 전원 분기점(T)은 공동 분기점(Y)을 제공한다. 각 비교기 (OA1,또는 OA2)의 제 2 입력부는 상기 제 1 입력부와 공동 분기점(Y)을 거쳐서 각 분압 저항 (R3/R4, 또는 R5/R6)에 의해서 다른 비교기 (OA2, 또는 OA1)의 제 1 입력부와 접속된다. 따라서, 비교기(OA1, OA2)의 입력부는 전력선(R-R', S-S' 및 T-T')과 교차 접속된다.
동작 시, 각 비교기 (OA1,또는 OA2)는 전원(11)의 각 위상 대 위상 전압(R-T,또는 S-T)을 감응하고 동일한 위상 대 위상 전압(R-T, 또는 S-T)의 퍼센트는 다른 비교기(OA2,또는 OA1)에 의해 감응한다. 따라서, 비교기(OA1, OA2)는 한 위상 대 위상 전압 (R-T, 또는 S-T)을 다른 위상 대 위상 전압(S-T, 또는 R-T)의 퍼센트(동일 퍼센트)와 교차비교하고 3개의 위상 전압(R-S-T)모두를 커버하도록 배치된다. 이 때, 3개의 위상 전압(R--S--T)이 정상 상태로 평형을 이루면, 두 개 비교기(OA1, OA2)에 의해 감응된 전압 차가 같고, 이들의 논리적 출력도 같다(논리 로우). 전원/부하 회로에서 허용될 수 없는 위상 전압 불평형(또는, 위상 손실)이 발생할 경우, 비교기(OA1, OA2)에 의해 감응된 전압차가 서로 다른 방향으로 변화할 수 있는데, 즉 한 전압차가 커질 때 다른 쪽 전압차가 감소한다. 이로 인해 비교기(OA1, OA2) 중 하나의 논리 출력을 야기하고, 그러므로 차례로 이들의 조합 출력이 토글(toggle)하게 된다(논리 하이).
비교기(OA1, OA2)에 의하여 두 개의 위상 대 위상 전압(R-T와 S-T)간에 교차 비교된 전압은 위상 대 위상 전압(R-T와 S-T) 가운데 어느 하나와 고정 기준 전압에 대한 비교 전압에 비해서 보다 두 배나 더 민감하다.
정류기(SCR2)는 공동 저항(R8)과 각 다이오드(D3, D4)(전압 분기점(V2)를 제공하여 비교기(OA1과 OA2)를 작동시키는데 쓰임)를 통하여 전원 분기점(R과 S)에 접속되는 애노드와, 전원 분기점(T')에 접속된 감응 비교 회로(30)의 출력부로서 작용하는 캐소드, 및 제어를 위해 비교기(OA1, OA2)의 조합된 출력에 접속된 게이트를 갖고 있다. 비교기(OA1, OA2)의 조합 논리 출력이 논리 하이로 토글되면, 정류기(SCR2)가 턴 온되어, 두 개의 전원 분기점(R과 S)이 변압기(T1 내지 T3) 외부로의 상기 회로로(X)를 거쳐 전원 분기점(T')에 접속된다. 이와 같이 전원/부하 회로에서의 누전 고장을 시뮬레이트하여 변압기(T)가 고장을 검출하고, 비교 회로(50)가 상술한 바와 같이 트리핑 신호를 공급하게 된다.
비교 회로(40)는 OP-AMP 전압 비교기(OA3), OP-AMP 전류 적분기(OA4), 및 전압 분기점(V1)과 접지(E) 양단 간에 접속된 분압기로서 작용하는 저항(R43/R44/R45)으로 구성된다. 비교기(OA3) 및 적분기(OA4)에는 각각 변압기(T2, T3)의 2차 권선(S1)의 제 1단부에 함께 접속된 제 1 입력부와, 저항(R43/R44/R45)을 통해 각 기준 전압을 인가받는 제 2 입력부, 및 트리핑 회로(60)의 정류기(SCR1)의 게이트에 접속된 조합 출력부가 있다. 비교기(OA3)와 적분기(OA4)는 변압기(T2, T3)에 대응해서 정류기(SCR1)를 턴 온해서 전원/부하 회로에서의 단락 전류 또는 허용될 수 없는 과부하 전류의 발생을 검출하는 작용을 한다.
비교 회로(50)는 OP-AMP 전압 비교기(OA5)를 포함하고 있는데, 이 전압 비교기(OA5)는 변압기(T1)의 2차 권선(S1)의 제 1단부에 접속된 제 1 입력부, 전압 분기점(V1)과 접지(E)에 거쳐서 분압기로서 작용하는 저항(R51/R52)을 통해 기준 전압을 인가받는 제 2 입력부, 및 트리핑 회로(60)의 정류기(SCR1)의 게이트와 접속된 출력부를 갖고 있다. 비교기(OA5)는 전원/부하 회로에 있는 변압기(T1)에서만 발생하는 모든 허용될 수 없는 누전 고장에 응답하거나 또는 변압기(T1)가 전압 감응/비교기(30)와 조합하여 검출한 허용될 수 없는 위상 전압 불평형 또는 위상 손실의 발생에 응답해서 정류기(SCR1)를 턴 온시키는 작용을 한다.
변압기(T1 내지 T3) 모두의 2차 권선(S1)의 제 2단부는 접지(E)에 접속된다.
회로에 고장이 생긴 경우, 상술한 바와 같이 고장 감응 회로(20)와 연계한 비교 회로(40, 50)의 제어 하에서, 트리핑 회로(60)가 스위치(SW1)를 개방시켜 전원(11)으로부터 부하(12)를 단절시키게 된다. 스위치(SW1)는 회로 고장이 제거된 후 수동으로만 다시 폐쇄될 수 있다. 회로 차단기(10)에 의해 다뤄질 수 있는 회로 고장의 유형으로는 (1)위상 전압 불평형; (2)위상 손실; (3)단락 전류; (4)과부하 전류; 및 (5) 누전 전류가 있다.
도 2는 제 1 회로 차단기(10)와 매우 유사한 방식으로 실시되며 작동하는 본 발명을 구현하는 제 2 회로 차단기(100)를 나타내는데, 여기서 등가의 부품들은 동일한 참조 부호를 붙였다. 회로 차단기(100)는 두 가지 중요한 차이점을 갖고 있다.
첫 번째 차이점은 변압기(T1 내지 T3)를 거치는 전력선(R-R',S-S',T-T' 및 N-N')과 공존하는 추가적인 선(0-0')를 제공한 점에 있는데, 여기서 변압기(T1 내지 T3)는 각각 선(0-0')를 따라 직렬로 접속된 제 5의 1차 권선(P5)을 갖는다. 또한, 전압 감응/비교기(30)의 출력부가 전원 분기점(T') 대신에 선(0-0')의 종단(0')에 접속되어 있다.
두 번째 차이점은 전압 감응/비교기(30)의 정류기(SCR2)에서 그 캐소드가 공동 분기점(Y)에 접속되고, 그 애노드가 전압 감응/비교기(30)의 출력부로서 작용하는 점에 있다.본 발명은 단지 일례를 통해 설명되었지만, 첨부된 청구항들에서 설명된 바와 같이 당업자들이 본 발명의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 상술된 실시예들 외에 여러 가지 다른 변형 및 응용을 할 수 있다.
본 발명은 단지 일례를 통해 설명되었지만, 첨부된 청구항들에서 설명된 바와 같이 당업자들이 본 발명의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 상술된 실시예들 외에 여러 가지 다른 변형 및 응용을 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 3상 AC 전원 및 그 3개의 활전력선을 통해 상기 전원과 접속된 부하로 형성된 전원/부하 회로에 이용되는 회로 차단기에 있어서,
    상기 회로 차단기는 상기 전원으로 향하는 각 전력선들과 직렬로 접속된 정상적으로 개방되어 있는 스위치들을 포함한 트리핑 회로와,
    상기 각 전력선들을 따라 순서대로 직렬 접속된 적어도 3개의 평형을 이룬 1차 권선들 및 2차 권선을 갖는 변압기,
    상기 2차 권선에 접속되어,상기 변압기에 감응된 전압과 기준 전압을 비교해서 상기 전원/부하 회로에서 누설 고장이 발생한 경우에, 상기 전원으로부터 상기 부하를 단절시키기 위해서 상기 트리핑 회로에 트리핑 신호를 공급하여 상기 스위치들을 개방시키기 위한 전압 비교기,
    상기 전력선들의 두 개의 위상 대 위상 전압들을 서로 감응해서 비교하여, 상기 전원/부하 회로에서 전압 불평형 고장이 발생한 경우에, 상기 변압기가 고장을 검출하고 상기 전압 비교기가 상기 트리핑 신호를 공급할 수 있도록 누설 고장 조건을 시뮬레이팅하는 조합된 전압 감응/비교기와 상기 변압기의 외측에서 양쪽으로 뻗어나오는 회로로를 포함하는 회로 차단기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합된 전압 감응/비교기는, 비교용의 상기 변압기의 한 측에서의 제 3 전력선에 대한 제 1 및 제 2 전력선들의 위상 대 위상 전압들을 감응하고, 상기 전압들을 상기 변압기의 반대 측에 접속된 출력부에 제공하도록 배치된 회로 차단기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조합된 전압 감응/비교기의 출력부는 상기 변압기 반대 측에서의 제 3 전력선과 접속된 회로 차단기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 변압기의 한 측은 전원 측을 향하며, 상기 변압기의 반대 측은 부하 측을 향하는 회로 차단기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합된 전압 감응/비교기는 전력선들과 교차 접속된 각 입력쌍들을 갖는 제 1 및 제 2 전압 비교기들을 포함하며,
    상기 제 1 전압 비교기는 하나의 감지된 위상 대 위상 전압과 다른 하나의 감지된 위상 대 위상 전압을 비교하고,
    상기 제 2 전압 비교기는 상기 다른 하나의 위상 대 위상 전압을 상기 하나의 위상 대 위상 전압과 비교하는 회로 차단기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전압 비교기들은 각각 입력(전압) 분압기를 포함하며,
    상기 제 1 전압 비교기는 하나의 감지된 위상 대 위상 전압과 다른 하나의 감지된 위상 대 위상 전압의 퍼센트를 비교하고,
    상기 제 2 전압 비교기는 상기 다른 하나의 위상 대 위상 전압과 상기 하나의 위상 대 위상 전압의 퍼센트를 비교하는 회로 차단기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 두 개의 퍼센트들은 실질적으로 같은 회로 차단기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 조합된 전압 감응/비교기는 도통을 위해 상기 회로로를 따라 직렬로 접속된 상기 누설 고장 조건을 시뮬레이트하는 소자를 포함하며, 상기 소자는 상기 제 1 및 제 2 전압 비교기들의 조합 출력부와 접속된 제어 단자를 갖는 회로 차단기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소자는 실리콘 제어 정류기로 제공되는 회로 차단기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 전력선들을 따라 직렬로 접속된 적어도 3개의 약간 불평형된 1차 권선들 및 2차 권선들을 갖는 제 2 변압기, 및
    상기 2차 권선과 접속되어 상기 변압기에서 감응된 전압과 기준 전압을 비교해서, 전원/부하 회로에서 과전류 고장이 발생한 경우에, 전원으로부터 부하를 단절시키기 위해서 스위치를 개방하도록 트리핑 회로에 트리핑 신호를 공급하기 위한 부가적인 전압 비교기를 포함하는 회로 차단기.
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