KR101160228B1 - 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MOV 등 서지억제소자를 이용한 SPD를 차단기와 일체로 설치하여서 된 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 개시한다. 본 발명은 SPD를 위한 별도의 수납공간이 불필요하도록 하며 서지억제소자에 인가되는 과대 전압 인가시 트립되는 제한 전압을 고려하여 순시동작전류의 조정이 가능하도록 함에 따라 안정성을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여 SPD를 한 함체에 내장하지 않고 차단기에 구획된 수납실에 설치함으로써 차단기와 SPD를 일체화하여서 된 것이며, 차단기의 2차측에 SPD의 서지억제소자를 연결하되, 순시 트립 수단을 부여함으로써 순시 동작 전류의 크기 조정이 가능하여 과대 전류가 흐름을 방지하도록 한 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 주차단기 및 보조차단기와 별도로 SPD를 설치하거나 별도의 배선을 실시할 필요가 없게 되는 것이어서, 배전반의 컴팩트화에 기여할 수 있게 되고 점유 공간을 축소시킬 수 있게 되며 배전반의 조립 공정 단순화에 기여할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치 { Multi-Function Instantaneous Trip Apparatus Based Surge Protect Device }

본 발명은 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 MOV(Metal Oxide Varistor) 등 서지억제소자를 이용한 SPD를 차단기와 일체로 설치하여서 된 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, SPD는 전원선 및 신호선에 침입하는 각종 이상전압을 효과적으로 억제하여 부하에 안정된 전원 및 신호를 공급하여야 하므로, 개폐 서지나 뇌서지와 같이 크기가 크고 급준한 파형 특성을 가진 임펄스성 이상 전압에 대응하여 부하회로를 보호할 수 있음과 동시에 서지 보호기 자체도 충분한 절연내력과 에너지 내량을 가지고 있도록 설계되어야 한다.

이를 위하여 서지 보호기의 설계 시 최대 연속 사용 전압(mcov:maximum continuous operating voltage)을 정격 전압보다 높게 설계, 제작하는 것이 일반적이며, 이와 같은 설계에도 불구하고 실제로는 서지, 특 고압 선로 등에 의한 수전 저압 3상 선로의 지락, 단락시 발생한 일시과전압(Temporary Overvoltage)이 선로의 고장이나 지락사고 등에 의하여 선로에 일시적으로 가하여 지는 정격전압보다 큰 과전압이 발생되는 경우가 많다. 이와 같이, 지속시간이 수십 ㎲~수백 ㎲인 서지에 비하여 수백 ㎳ 내지 수 초간 지속되는 일시과전압은 상대적으로 매우 큰 에너지를 가지며, 이러한 전압이 서지보호기의 최대 연속 사용 전압보다 크게 되면 서지 보호소자의 소손이 초래되는 것이다.

이러한 과정으로 소손된 서지보호소자는 수옴 이하의 낮은 저항값을 갖게 되어 보호기 회로가 단락된다. 이러한 단락전류가 흐르게 되면 차단기가 함께 설치된 경우 회로가 차단되나, 개폐기만이 존재하는 선로상황에서는 단락전류를 차단하지 못하게 되어 과열로 화재가 발생될 수 있다.

따라서 SPD는 계통의 사고 시 발생하는 일시과전압에 어느 정도 견딜 수 있는 에너지 내량을 갖도록 설계되어야 하며, 보호소자의 소손으로 회로가 단락되었을 시 화재 등의 2차적인 피해를 방지하기 위하여 신속히 분리할 수 있도록 휴즈를 이용한 과전류 차단 대책을 병행하여 구성하였다.

그 대표적인 예가 대한민국등록특허공보 10-0353268(발명의 명칭: 전자파 대응 단위세대 분전반)에 의하여 개시되었으며, 이를 도 1로 보였다.

반면에 이러한 SPD로 사용되는 MOV(Metal Oxide Varistor)는 별도의 함체에 내장되어 인입선과 연결되는 주차단기(1)의 2차측에 연결되며, 이러한 SPD(3)에 2차측 부하에 연결되는 분기차단기(2)를 하나 이상 연결하도록 하여서 된 것이므로, 주차단기(1) 및 분기차단기(2)와는 별도로 설치하여야 하는 것이며, 이를 도 2로 보였다.

이에서 보인 바와 같이, 종래에는 SPD(3)를 별도의 함체에 넣어 다른 차단기들과 함께 분전함 내에 설치하는 것이므로, 분전함의 전체 부피 증가가 불가피하게 되는 문제점이 있는 것이다.

뿐만 아니라, 순간 과대 전압의 유입의 경우에 SPD(3)에는 순간적으로 전류가 급증하며, 이에 따라 열폭주 현상이 야기되고 이때 SPD(3)에 흐르는 전류량에 따라 서지억제소자가 폭발하는 강도가 확대되는 문제점이 있는 것이다.

대한민국등록특허공보 10-0353268(발명의 명칭: 전자파 대응 단위세대 분전반)

본 발명의 제1목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 SPD를 위한 별도의 수납공간이 불필요하도록 한 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 제공함에 있다. 아울러, 본 발명의 제2목적은 SPD에 사용되는 서지억제소자에 인가되는 과대 전압 인가 시 트립되는 제한 전압을 고려하여 순시동작전류의 조정이 가능하도록 함에 따라 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 제1목적을 달성하기 위하여 SPD를 별도의 함체에 내장하지 않고 주차단기에 구획된 수납실에 설치함으로써 차단기와 SPD를 일체화하여서 된 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 제안한다.

본 발명은 제2목적을 달성하기 위하여 차단기의 2차측에 SPD의 MOV 등 서지억제소자를 연결하되, 차단기에 순시 트립 수단을 부여함으로써 순시 동작 전류의 크기 조정이 가능하여 과대 전류가 흐름을 방지하도록 한 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 제안한다.

이와 같이 하여 본 발명은 차단기에 별도로 SPD를 설치하고 별도의 배선을 실시할 필요가 없게 되는 것이어서, 배전반의 컴팩트화에 기여할 수 있게 되고 점유 공간을 축소시킬 수 있게 되며 배전반의 조립 공정 단순화에 기여할 수 있게 되는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 차단기의 2차측에 설치된 서지억제소자에 과대 전류가 흐르지 않도록 순시동작 전류의 크기를 조절함으로써 안정성을 증가시키고 선택 차단 특성을 가질 수 있어 전력 계통의 안정성을 증대시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

도1은 종래의 단위세대에 연결된 MOV 관련 회로도.
도2는 종래의 단위세대 분전반 내부를 보인 설명도.
도3은 본 발명에 의한 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치를 보인 분리 사시도.
도4는 도3의 A-A선 단면도.
도5는 도3의 B-B선 단면도.
도6 내지 도8은 본 발명에 의한 SPD PCB의 전기적 구성을 보인 예시도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 의한 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치의 전체적인 구조를 도3으로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 차단기(100)의 케이싱 일측을 연장하여 구획벽(103)으로 구획된 SPD를 위한 SPD 수납실(102)을 구비하여서 된 것이다.

이러한 본 발명은 케이싱에 추가로 설치된 구획벽(103)을 기준으로 차단기(100) 접점이 수납되는 차단기 접점 수납실(101)과 SPD PCB가 수납되는 SPD 수납실(102)로 구분되며, 접점 수납실(101)과 SPD 수납실(102) 위에 커버(104)를 덮어 고정하여서 된 것이다. 이와 같이 된 본 발명은 도 4의 단면도로 보인 바와 같이 하나의 커버(104)가 접점 수납실(101)과 SPD 수납실(102) 모두를 덮도록 할 수 있으며,

필요에 따라 도 5로 보인 단면도와 같이 접점 수납실(101)과 SPD 수납실(102)에 각각 분리 형성된 커버(104),(104')가 덮도록 할 수도 있다.

이와 같이 분리된 커버(104),(104')를 사용하는 경우에는 보수의 필요가 발생한 경우 선택적으로 커버(104),(104')를 여닫을 수 있으므로 편리하게 된다.

이러한 본 발명에서 SPD 수납실(102)에 수용되는 SPD는 다양한 형태로 실시할 수 있다.

예를 들면, 도6으로 보인 바와 같이 각 상의 선로(RST)와 중성선(N)이 3개의 MOV(200)로 연결되고 접지선(G)과 중성선(N)이 가스방전소자(GDT)로 연결되도록 한 PCB를 구성하며, 접지선(G)은 SPD 수납실(102) 일측에 추가로 설치된 접지 단자(G)와 연결되도록 할 수 있는 것이다.

아울러, 이러한 도6으로 보인 실시예는 서지억제소자로 MOV를 사용한 예이며, SCR, GDT(Gas Discharge Tube), TVS(Transient Voltage Suppressor) 등 다양한 소자를 활용할 수 있음은 물론이다.

다른 형태의 PCB는 도 7로 보인 바와 같이 각 상마다 연결된 복수개의 MOV(200)에 연결된 복수개의 분압저항(308)과, 이러한 복수개의 분압저항(308)에 연결되며, 마이크로프로세서(303)의 제어에 의하여 순차적으로 분압저항(308)에 의한 입력 전압을 출력시키도록 하여서 된 멀티플렉서(300)와, 멀티플렉서(300)의 출력과 연결된 서지검출부(301)와, 서지검출부(301)의 출력에 연결된 A/D변환부(302)와, A/D변환부(302)에 연결된 마이크로프로세서(303)와, 마이크로프로세서(303)에 연결된 표시부(305) 및 MOV 이상 표시 램프(306)로 구성된 것일 수 있다.

이와 같이 된 형태의 PCB는 RST 선로를 통하여 서지 전압이 가하여 지는 경우 MOV(200) 양단에 흐르는 전류로 인하여 분압저항(308)에 분압되는 전압이 변화하고, 이러한 전압 변화는 멀티플렉서(300)의 어느 한 입력측을 경유하여 서지검출부(301)에 인가되고, 서지검출부(301)에서는 서지 전압에 상응하는 신호 파형을 증폭하고 파형 정형하여 A/D변환부(302)에 인가함으로써 서지 전압에 상응하는 디지털 데이터를 출력시키게 된다. 이는 마이크로프로세서(303)에 의하여 분석되고 내,외부 메모리에 데이터로 축적됨으로써, 서지 유입 횟수 및 서지 전압 그리고 서지 유지 시간등의 데이터로 저장된다. 그러므로 마이크로프로세서(303)는 내장된 프로그램에 의하여 이들 데이터를 기초로 표시부(305)로 교체가 필요함을 표시할 수 있으며,

분압저항(308)에 의하여 검출된 전압이 일정 범위 이하인 경우에는 열화되어 누설 전류가 발생하는 상태이므로 즉각 MOV 이상 표시 램프(306)를 구동하여 즉시 교체하도록 유도할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에서는 MOV(200)에 흐르는 과도서지전류량을 마이크로프로세서(303)에 의하여 산출하여 표시부(305)로 표시할 수 있으며, 이를 위하여 분압저항(308)의 전압이 강하되는 시간 동안 서지전류가 흐른 것으로 판정하는 서지 전류가 흐른 시간과 분압저항에 의하여 검출된 전압을 곱하고 이를 MOV(200)의 과도임피던스로 나누어 주면 과도서지전류량을 산출할 수 있으며, 이러한 과도서지전류량이 표시부(305)로 표시함으로써 MOV(200)의 작동 상태를 파악할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 하여 도 7로 보인 실시예에서는 MOV(200)의 열화 정도를 측정하고, 그 결과에 따라 교체 여부를 판정하는 한편 서지의 유형을 분석하여 선로 배선 및 설비 등의 최적화 설계, 설비 배치의 최적화 등이 가능하게 된다.

또 다른 형태의 PCB는 도 8로 보인 바와 같이 복수개 MOV(200)의 표면온도를 감지하는 복수개의 온도센서(304)와, 복수개의 온도센서(304) 출력을 선택적으로 출력하는 멀티플렉서(300)와 멀티플렉서(300)의 출력을 증폭하기 위한 차동증폭기(307)와, 이를 디지털 데이터로 변환하기 위한 A/D변환부(302)와, A/D변환부(302)의 출력이 인가되는 마이크로프로세서(303)와, 마이크로프로세서(303)의 출력을 표시하기 위한 표시부(306)를 구비하여서 된 것이다.

이는 MOV(200)의 표면온도를 온도센서(304)로 감지하여 멀티플렉서(300)에 인가하며, 멀티플렉서(300)는 MOV(200)의 표면온도값을 순차로 차동증폭기(307)에 인가하고, 차동증폭기(307)에서 기준전압과 비교, 증폭된 아날로그 출력 값이 A/D변환부(302)에서 디지털 데이터로 변환되고 마이크로프로세서(303)에 의하여 분석됨으로써, 복수개 MOV(200)의 표면에서 어느 하나라도 설정된 온도 이상이 되면 열화로 판정하여 교체하여야 할 MOV(200)를 표시하도록 할 수 있게 되어 유지 보수가 용이하게 되는 것이다.

아울러, 본 발명에서 사용 가능한 SPD PCB는 MOV(200)와 휴즈를 직렬로 연결하여서 된 단순한 형태로 할 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 발명의 도 7,8로 보인 실시예에서 서지억제소자로 MOV를 사용한 예를 보였으나, 이 역시 SCR, GDT(Gas Discharge Tube), TVS(Transient Voltage Suppressor) 등 다양한 소자를 활용할 수 있음은 물론이다.

이러한 다양한 형태로 된 PCB는 SPD 수납실(102)에 설치되어 차단기(100)의 인입단자 및 2차 단자와 배선하고 접지 단자를 배선하며, 이후 커버(104)를 덮고 조립함으로써 사용할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에서는 이러한 차단기(100)를 순시 트립 수단이 구비된 것으로 설치함으로써, 차단기(100)의 2차측에 설치된 MOV(200)에 과대 전류가 흐르지 않도록 순시동작 전류의 크기를 조절함으로써 안정성을 증가시키고 선택 차단 특성을 가질 수 있어 전력 계통의 안정성을 증대시킬 수 있게 된다. 이를 위하여 본 발명에서는 가장 속도가 빠른 열동 전자식(熱動電磁式) 트립 수단을 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 열동 전자식 트립 수단은 과전류가 흐르면 고정철심에서 발생된 자계에 의하여 가동철심을 흡인하여 트립 크로스 바(Trip Cross Bar)를 동작시켜 자동 차단하게 되는 순시동작이 구현되므로 가장 빠른 동작 속도를 얻을 수 있게 되어 MOV(200)의 열화로 인한 단락 시 가장 신속하게 과대 전류를 차단하여 선로의 안정적 운영에 기여하게 된다.

아울러, 본 발명에서는 순시 트립 수단을 완전전자식(完全電磁式)으로 설치할 수도 있으며, 이는 Oil Dash Pot(ODP) 외부에 감겨진 코일에 정격 전류의 8~10배 이상의 대전류가 흐르게 되면 코일에 의하여 아마츄어가 흡인되어 트립 크로스 바(Trip Cross Bar)를 동작시켜 자동 차단하게 되는 순시동작이 실시되므로 빠른 동작 속도에 의하여 MOV(200)의 열화로 인한 단락 시 신속하게 과대 전류를 차단하여 선로의 안정적 운영에 기여하게 된다.

아울러, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 공지된 여러 요소들을 결합하여 다양한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.

100: 차단기 101:접점 수납실
102: SPD 수납실 103:구획벽
104,104':커버 200:MOV
300:멀티플렉서 301:서지검출부
302:A/D변환부 303:마이크로프로세서
304:온도센서 305:표시부
306:이상표시램프 307:차동증폭기
308:분압저항

Claims (7)

1. 차단기의 케이싱 내부에 차단기 접점 및 조작 레버를 구비하되,
   케이싱 일측을 연장하고 추가로 설치된 구획벽을 기준으로 차단기 접점이 수납되는 차단기 접점 수납실과, SPD PCB가 수납되는 SPD수납실로 구분 형성됨과 아울러, 접점 수납실과 SPD 수납실 위에 커버를 덮어 고정하여서 됨을 특징으로 하며,
   상기 SPD PCB는 복수개의 MOV의 양단에 분압저항이 연결되고, 이러한 복수개의 분압저항에 연결되며, 마이크로프로세서의 제어에 의하여 순차적으로 분압저항에 의한 입력 전압을 출력시키도록 하여서 된 멀티플렉서와, 멀티플렉서의 출력과 연결된 서지검출부와, 서지검출부의 출력에 연결된 A/D변환부와, A/D변환부에 연결된 마이크로프로세서와, 마이크로프로세서에 연결된 표시부 및 서지억제소자 이상 표시 램프로 구성된 것임을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 커버는 차단기 접점 수납실 커버와, SPD수납실 커버가 분리 형성됨을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로프로세서는 서지전류가 흐른 시간과 분압저항에 의하여 검출된 전압을 곱하고 이를 MOV의 과도임피던스로 나누어 주어 과도서지전류량을 산출한 다음 표시부(305)로 표시함으로써 MOV에 흐르는 과도서지전류량을 표시할 수 있도록 함을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 SPD PCB는 복수개 MOV의 표면온도를 감지하는 복수개의 온도센서와, 복수개의 온도센서 출력을 선택적으로 출력하는 멀티플렉서와 멀티플렉서의 출력을 증폭하기 위한 차동증폭기와, 이를 디지털 데이터로 변환하기 위한 A/D변환기와, A/D변환기의 출력이 인가되는 마이크로프로세서와, 마이크로프로세서의 출력을 표시하기 위한 디스플레이를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 차단기의 순시 트립 수단은 열동 전자식으로 된 것임을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 차단기의 순시 트립 수단은 완전 전자식임을 특징으로 하는 서지억제소자 기반 다기능 순시 트립 장치.

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