KR100661685B1 - 누설 전류 방지 기능을 구비한 ｐｔｃ 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기는, 전원에 연결되어 사고 발생시 선로를 차단시키는 제 1차단부; 상기 제 1차단부와 병렬로 연결되어 사고 발생시 사고 전류를 한류시키는 한류부; 상기 제 1차단부와는 병렬로 연결되고 상기 한류부와는 직렬로 연결되며, 정상 상태에서는 상기 한류부로 흐르는 전류를 차단하고, 사고 발생시에는 사고 전류를 상기 한류부로 우회시키는 분류부; 및 사고 발생시 상기 한류부에 의해 제한된 사고 전류를 차단시키도록 상기 한류부와 연결된 제 2차단부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, PTC 소자로 누설 전류가 흐르는 것을 방지함으로써 PTC 소자의 노화 및 오동작을 방지할 수 있다.

Description

누설 전류 방지 기능을 구비한 ＰＴＣ 차단기{PTC current limiting circuit breaker having function of prevention of leakage current}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1 및 도 2는 종래의 PTC 한류 차단기의 회로도들이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC 한류 차단기의 동작 상태를 도시한 회로도이다.

도 4는 도 3의 블럭도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PTC 한류 차단기의 동작 상태를 도시한 회로도이다.

도 6은 도 5의 블럭도이다.

본 발명은 PTC(Positive Temperature Coefficient: 이하, PTC라 한다) 한류 차단기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PTC 소자로 누설 전류가 흐르는 것을 방지하여 PTC 소자의 노화 및 오동작을 방지하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 관한 것이다.

선로에 과전류 또는 단락 전류(이하, '사고 전류'라 한다) 발생시 신속하게 선로를 차단하여 배선 및 접속기기의 파괴 또는 화재발생을 방지하는 전기적 보호 시스템을 차단기라 칭한다. 차단기는 접합된 스위치를 구비하며, 선로에 사고 발생시 전자 반발력에 의해 스위치의 접점이 개리되어 사고 전류를 차단한다. 그러나, 차단기가 동작하여 사고 전류가 흐르고 있는 회로를 차단할 경우, 개리된 스위치의 접점 사이에 발생하는 아크는 중심온도가 8,000~12,000℃에 이르며 폭발적인 팽창압력을 지니므로 스위치의 접점을 용융, 소모시키고 절연물을 열화, 파괴시키는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하고자 PTC 소자를 이용한 한류 차단기가 제안되었다.

도 1은 종래의 PTC 한류 차단기(10)의 회로도이다. 도면을 참조하면, 종래의 PTC 한류 차단기(10)는, 전원(14)에 직렬로 연결된 제 1차단부(11), 상기 제 1차단부(11)에 병렬 연결된 PTC 소자(12), 및 상기 제 1차단부(11)에는 병렬 연결되고 상기 PTC 소자(12)에는 직렬 연결되어, 부하(15)로의 사고 전류 흐름을 차단하는 제 2차단부(13)로 구성된다. 도 2에 도시된 종래의 PTC 한류 차단기(20)는 도 1에 도시된 PTC 한류 차단기(10)와 비교하여, 제 1차단부(11)에 PTC 소자(12)만이 병렬 연결되어 있다는 점을 제외하고는 구성이 도 1의 예와 동일하다.

상기 PTC 소자(12)는 허용전류 이상의 전류가 유입되면 주울열로 가열되며, 소자가 임계온도를 넘어서면 저항이 급격히 증가하여 전기적으로 연결된 회로를 차단시켜 회로를 보호한다.

이러한 구성을 가진 종래의 PTC 한류 차단기(10)의 동작 과정을 살펴보면, 전력계통에 사고가 발생하여 선로에 사고 전류가 흐르게 되면, 차단기의 제 1차단부(11)가 전자 반발력에 의해 열리게 되어 선로는 차단된다. 그러면, 사고 전류는 더이상 차단된 선로측으로 흐를 수 없고 PTC 소자(12)가 설치된 선로측으로 우회(bypass)된다.

그리고, 우회된 사고 전류는 PTC 소자(12)에 주울열을 발생시키고 그에 따라, PTC 소자(12)가 임계온도를 초과하면 소자의 저항이 급격하게 증가하여 선로의 사고 전류는 제한된다. 이렇게 사고 전류가 제한되면, 미리 정해진 시간안에 제 2차단부(13)의 접점은 기계적으로 개리되고 사고 전류는 완전히 차단된다.

이와 같이, 제 1차단부(11) 및 제 2차단부(13)의 순차 트립 후에 사고 복구가 이루어지고, 사고 복구가 이루어지는 동안 PTC 소자(12)의 온도는 하강하여 소자의 임계온도 이하로 냉각됨에 따라 소자 초기의 매우 작은 저항값으로 복귀된다. 따라서, 사고 복구후 PTC 한류 차단기(10)의 제 1차단부(11) 및 제 2차단부(12)가 다시 닫혀지면 선로에는 통상의 부하전류가 흐르게 된다.

그러므로, 종래의 PTC 한류 차단기(10)는 사고가 발생하더라도 사고 전류를 PTC 소자(12)가 설치된 선로를 통해 우회(bypass)시켜, 제 1차단부(11)의 접점 파손을 방지할 수 있다.

하지만, 종래의 PTC 한류 차단기(10)의 경우 제 1차단부(11)와 PTC 소자(12) 는 병렬로 연결되어 있어 사고가 발생하지 않은 정상 상태에서도 부하 전류가 PTC 소자(12)로 흐르게 되어(이하, 정상 상태에서 PTC 소자(12)로 흐르는 전류를 '누설 전류'라고 한다) PTC 소자(12)가 노화될 뿐만 아니라 전력손실도 발생한다.

또한, PTC 소자(12)가 저항이 낮은 상태에서 저항이 높은 상태로 변하기 위한 임계 전류치가 상기 누설 전류치 보다 작은 경우에, 사고가 발생하지 않더라도 누설 전류에 의해 PTC 소자(12)의 저항값이 높아져, 사고 발생시에만 작동하여 사고 전류를 한류시켜야 하는 PTC 소자(12)가 한류 소자로서 역할을 할 수 없게 되는 문제가 발생한다. 특히, 장기간의 사용으로 제 1차단부(11)의 접점에 마모가 발생하여 저항이 증가하는 경우에는 PTC 소자(12)로 흐르는 누설 전류가 증가하여 상기와 같은 문제들은 더욱 심각해진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 정상 상태에서 누설 전류가 PTC 소자로 흐르는 것을 방지하여 PTC 소자의 노화 및 오동작을 방지하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기는, 전원에 연결되어 사고 발생시 선로를 차단시키는 제 1차단부; 상기 제 1차단부와 병렬로 연결되어 사고 발생시 사고 전류를 한류시키는 한류부; 상기 제 1차단부와는 병렬로 연결되고 상기 한류부와는 직렬로 연결되며, 정상 상태에서는 상기 한류부로 흐르는 전류를 차단하고, 사고 발생시에는 사고 전류를 상기 한류부로 우회시키는 분류부; 및 사고 발생시 상기 한류부에 의해 제한된 사고 전류를 차단시키도록 상기 한류부와 연결된 제 2차단부;를 포함한다.

본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 있어서, 상기 분류부는 GDT 소자 또는 바리스터 소자인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 있어서, 상기 전원이 교류인 경우에, 상기 분류부는 소자의 극성을 반대로 하여 병렬로 연결된 GDT 소자의 어셈블리인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 있어서, 상기 한류부는 PTC 소자인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 있어서, 상기 제 2차단부는 상기 한류부와는 직렬 연결되고 상기 제 1차단부와는 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기에 있어서, 상기 제 2차단부는 상기 제 1차단부, 상기 분류부 및 상기 한류부가 형성하는 폐회로에 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC 한류 차단기(30)의 동작 상태를 도시한 회로도이고, 도 4는 도 3의 블럭도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PTC 한류 차단기(30)는 전원(35)에 연결되어 사고 발생시 선로를 차단시키는 제 1차단부(31), 제 1차단부(31)에 병렬로 연결되어 사고 발생시 사고 전류를 분류하는 분류부(32), 제 1차단부(31)와는 병렬로 연결되고 분류부(32)와는 직렬로 연결되어 사고 발생시 분류된 사고 전류를 한류시키는 한류부(33), 및 사고 발생시 한류된 사고 전류를 차단시키는 제 2차단부(34)를 포함한다.

상기 제 1차단부(31)는 한쌍의 접점이 구비된 스위치로서, 정상 상태시 스위치가 닫혀 있어 부하(36)로의 전류 통로 역할을 한다. 그러나, 전력 계통에 사고가 발생한 경우에는, 제 1차단부(31)의 접점 사이에 전자 반발력이 발생하여 도 3에 도시한 바와 같이 접점이 개리되고 따라서, 제 1차단부(31)에 연결된 선로는 차단된다. 그러면, 사고 전류는 후술하는 바와 같이 분류부(32)로 우회된다.

상기 분류부(32)는 제 1차단부(31)와는 병렬로 연결되고 한류부(33)와는 직렬로 연결되어, 정상 상태에서는 한류부(33)로 흐르는 누설전류를 차단하고, 사고 발생시에는 사고 전류를 한류부(33)로 우회시켜 사고 전류가 한류되도록 하는 소자이다. 따라서, 정상 상태 즉, 통상적인 부하 전류가 제 1차단부(31)에 흘러 저전압이 제 1차단부(31)의 양단에 인가되는 경우에는, 부하 전류가 제 1차단부(31)측으로만 흐르도록 하고 분류부(32)측으로는 흐르지 않도록 하기 위해, 분류부(32)의 저항값이 커야 한다. 반면에, 사고 발생시 즉, 갑자기 전류가 차단되어 제 1차단부(31)의 양단에 높은 전압이 유도되는 경우에는, 사고 전류를 한류시키기 위해 분류부(32)의 저항값이 작아야 한다.

따라서, 분류부(32)로는 GDT(Gas Discharge Tube)소자나 바리스터(Varistor)소자가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 GDT 소자는 가스로 충진된 가스관내의 전극에 일정한 방전 개시 전압이 인가되는 경우에는 가스 방전이 유발되어 전류가 흐르지만, 방전 개시 이하의 전압이 전극에 인가되는 경우에는 전류가 흐르지 않는 전기소자이다. 그리고, 상기 바리스터 소자는 인가되는 전압에 따라 저항이 변하는 바리스터 물질로 구성되어, 일정 전압 이하에서는 전류가 흐르지 않다가 과전압 상태에서는 전류를 통하게 하는 전기소자이다. 따라서, 양 소자 모두 인가되는 전압에 의해서 저항값이 변하는 저항소자로서, 일정 전압 이하에서는 저항값이 높아져 전류가 흐르지 않다가, 과전압 상태에서는 저항값이 낮아져 전류를 통한다는 점에서는 공통적이다. 하지만, GDT 소자는 극성을 가지나, 바리스터 소자는 극성을 가지지 않는다는 점에서 차이가 있다.

따라서, GDT 소자를 분류부(32)로 사용하는 경우에는 GDT 소자의 극성을 고 려하여 연결해야 한다. 만일, 인가되는 전원이 교류인 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 GDT 소자의 극성을 반대로 하여 병렬로 연결한 GDT 소자의 어셈블리가 사용된다. 한편, 바리스터 소자를 분류부(32)로 사용하는 경우에는, 바리스터 소자는 GDT 소자와 달리 극성에 관계없이 연결된다.

상기 한류부(33)는 제 1차단부(31)에 병렬로 연결되어 사고 발생시 사고 전류를 한류시키는 소자로서, 고분자 수지와 전도성 물질의 혼합물로 이루어진 폴리머 PTC 소자가 주로 사용된다. 제 1차단부(31)가 장기간 사용으로 접촉 저항이 증가된 경우에는, 정상 상태시에도 누설 전류가 상기 PTC 소자(12)로 흐르게 된다. 따라서, PTC 소자는 노화되고 전력 손실도 발생하게 되나 전술한 바와 같이 상기 분류부(32)에 의해 누설 전류가 차단이 되므로 상기한 문제점들이 발생하지 않게 된다. 또한, 상기 누설 전류가 PTC 소자(12)로 흐르지 않으므로 정상 상태시에 PTC 소자(12)가 오동작하여 저항값이 높아지는 현상을 방지할 수 있어, 사고 발생시에만 분류부(120)에 의해 우회된 사고 전류를 한류시킬 수 있다.

상기 제 2차단부(34)는 한류부(33)에 의해 한류된 사고 전류를 차단하기 위해 제 1차단부(31)와는 병렬로 연결되고 한류부(33)와는 직렬로 연결되는 스위치로서, PTC 소자(12)에 의해 사고 전류가 제한된 후에 미리 정해진 시간안에 스위치의 접점이 기계적으로 개리됨으로써 사고 전류가 완전히 차단된다. 도 3 및 도 4에서는, 상기 제 2차단부(34)가 분류부(33) 및 한류부(34)에 직렬 연결되어 있지만, 이에 한하지 않고 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 제 1차단부(31), 분류부(32), 및 한류부(33)가 폐회로를 구성토록 연결하고, 제 2차단부(34)를 상기 폐회로에 따로 연결할 수도 있다.

이하, 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기의 구체적인 동작과정을 정상 상태와 사고 발생시로 나누어 구체적으로 설명하기로 한다.

선로가 정상 상태인 경우에, 통상적인 부하 전류가 제 1차단부(31)를 통해 흐르게 되어 제 1차단부(31)의 양단에는 저전압이 인가된다. 따라서, 제 1차단부(31)와 병렬로 연결된 분류부(32)의 양단에도 역시 저전압이 인가됨에 따라, GDT 소자 또는 바리스터 소자로 구성된 분류부(32)의 저항값이 높아져, 부하 전류가 분류부(32)로 우회되지 않으므로 분류부(32)에 직렬로 연결된 한류부(33)로 누설 전류가 흐르지 않게 된다. 결과적으로, 정상 상태에는 한류부(33)로 누설 전류가 흐르지 않는다.

그리고, 선로에 사고 전류가 발생하면 전자 반발력에 의해 제 1차단부(31)의 접점이 개리되어 제 1차단부(31)에 연결된 선로가 차단된다. 그러면, 제 1차단부(31)의 접점 사이에는 높은 전압이 유도되고, GDT 소자 또는 바리스터 소자로 구성된 분류부(32)의 양단에도 역시 높은 전압이 인가된다. 따라서, 분류부(32)의 저항이 낮아지게 되어 사고 전류는 분류부(32)로 우회되고, 우회된 사고 전류는 한류부(33)로 흐르게 된다. 그러면, 한류부(33)는 주울열이 발생하여 저항이 증가하게 되고 결과적으로 사고 전류를 한류 시킨다. 이렇게 사고 전류가 제한되면, 미리 정해진 시간안에 제 2차단부(34)의 접점을 기계적으로 개리시켜 사고 전류를 완전한 차단시킨다. 결과적으로, 사고 발생시에만 한류부(33)로 사고 전류를 우회시켜 사고 전류만을 제한 할 수 있다.

이상과 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제는 달성되며, 본 발명이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 정상 상태에서 PTC 소자로 누설 전류가 흐르는 것을 방지함으로써 PTC 소자의 수명을 연장하고 전력 손실을 방지할 수 있으며, 누설 전류에 의한 PTC 소자의 오동작을 방지함으로써 한류 차단기의 신뢰성을 증대할 수 있다.

Claims (6)

1. 전원에 연결되어 사고 발생시 선로를 차단시키는 제 1차단부;

   상기 제 1차단부와 병렬로 연결되어 사고 발생시 사고 전류를 한류시키는 한류부;

   상기 한류부와 직렬로 연결되고, 상기 한류부와 함께 제 1차단부와는 병렬로 연결되며, 정상 상태에서는 상기 한류부로 흐르는 전류를 차단하고, 사고 발생시에는 사고 전류를 상기 한류부로 우회시키는 분류부; 및

   사고 발생시 상기 한류부에 의해 제한된 사고 전류를 차단시키도록 상기 한류부와 연결된 제 2차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 분류부는 GDT 소자 또는 바리스터 소자임을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전원이 교류인 경우에,

   상기 분류부는 소자의 극성을 반대로 하여 병렬로 연결된 GDT 소자의 어셈블리인 것을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 한류부는 PTC 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2차단부는 상기 한류부와는 직렬 연결되고 상기 제 1차단부와는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2차단부는 상기 제 1차단부, 상기 분류부 및 상기 한류부가 형성하는 폐회로에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 누설 전류 방지 기능을 구비한 PTC 한류 차단기.

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