KR101384422B1

KR101384422B1 - 누전 차단기

Info

Publication number: KR101384422B1
Application number: KR1020120081708A
Authority: KR
Inventors: 겐지 가나야마; 신타로 가미타니
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-04-10
Also published as: CN103295852B; JP5768741B2; KR20130099787A; CN103295852A; JP2013182680A

Abstract

전자석 장치를 저전압 부위에 형성하면서, 전자 부품의 만일의 쇼트 모드 고장에 대해서, 이 전자석 장치를 작동시키는 누전 차단기를 얻는다.
3상 전로의 3개의 전력선이 끼워 통과되고, 상기 3상 전로의 누설 전류를 검출하는 영상변류기와, 이 영상변류기에서 검출된 신호의 레벨 판정을 수행하는 누전 검출 회로와, 이 누전 검출 회로의 출력에 반응해서 개폐 기구부를 작동시키는 전자석 장치와, 상기 개폐 기구부의 작동에 의해 개리(開離)되는 전로 접점과, 상기 전력선에 접속되어 이 전력선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류회로, 및 이 정류회로의 직류 출력단에 접속되어 상기 누전 검출 회로 및 전자석 장치에 동작 전력을 공급하는 강압 회로로 이루어진 전원 회로를 구비하고, 상기 정류회로에 이상 전류가 흘렀을 때, 이 이상 전류가 상기 전자석 장치를 흐르도록 했다.

Description

누전 차단기{EARTH LEAKAGE BREAKER}

본 발명은 주회로의 누설 전류가 소정치 이상이 되었을 때, 이 주회로를 개방하는 누전 차단기에 관한 것으로, 상세하게는 그 기능을 실현하기 위해서 구성된 전자 부품의 만일의 고장을 검지하는 것에 관한 것이다.

현재, 유통되고 있는 누전 차단기의 거의 모두는, 누전 차단기에 내장된, 예를 들면 집적회로로 구성된 누전 검출 회로에서, 영상변류기(零相變流器)에서 검출된 신호의 레벨 판정을 수행하고, 누설 전류가 소정치를 초과하면 누전 차단기에 내장된 전자석 장치에 대해 구동 신호를 출력시켜 주회로를 개방하는 방식을 채용하고 있다. 그런데, 이들 누전 검출 회로 및 전자석 장치에는 동작 전력이 필요하지만, 이 동작 전력은 누전 차단기의 내부(예를 들면, 주회로 전압 AC 400V)로부터 취하고, 소정의 전압(예를 들면, DC 12V)으로 강하시켜 공급되고 있는 케이스가 많다.

따라서, 누전 검출 회로를 시작으로 하는 전자 부품은 주회로와 직결되게 되므로, 이 주회로에 중첩된 서지[surge]나 임펄스[impulse]가 누전 차단기 내, 즉 전자 부품에 침입하며, 이들 전자 부품이 소실ㆍ파손에 이르는 것을 미연에 방지할 필요가 있다. 이에, 일반적으로는 누전 차단기의 동작 전력 생성의 근원이 되는 주회로와의 접속점에 있어서, 서지 흡수 소자, 예를 들면 서지 옵서버[surge absorber]를 구비하는 형태가 알려져 있다. 또한, 혹은 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 서지 옵서버의 전단에 전자석 장치를 형성하고, 서지 옵서버를 흐르는 비교적 큰 전류로 전자석 장치를 여자(勵磁)시켜, 누전 차단기 그 자체를 트립[trip]시키는 형태도 알려져 있다.

또한, 이때 3극용 누전 차단기에서는, (이 특허문헌 1의 도 2로부터도 알 수 있듯이), 3극 중 외측 2극, 즉 U-W상 사이로부터 취하는 것이 일반적이고, 이것이 3극용 누전 차단기를 단상 전로(電路)에 사용하는 경우의 제약 조건인, R-T상 사이로의 접속으로 되어 있다. 그런데, 이 누전 차단기에 한정하지 않고, 배전 기기의 국제화, 이른바 글로벌ㆍ스탠다드화[global standardization]가 된지 오래다. 구체적으로는 IEC(International　Electrotechnical　Commission, 국제 규격) 60947-2 AnnexB에 준거(準據)한 누전 차단기가 요구되고 있는데, 종래의 JIS(Japanese Industrial　Standards, 일본공업규격)　C8371(즉, 일본 독자적인 규격)과의 차이 중 하나로, 3상(3 phase) 전로의 어느 1상이 결상되어도 누전 기능은 정상적으로 동작해야 한다는 것을 들 수 있다.

이 때문에, 전술한 바와 같이 R-T상 사이로부터 전압을 취하고 있는 경우, S상의 결상에서는 문제없지만, R상 혹은 T상이 결상된 때는 즉시 누전 기능을 상실해 버린다. 이에, 이 상실을 방지하기 위해서 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이, 동작 전력을 3상 전로의 각 상으로부터 취한 후 정류회로에서 정류하고, 소정의 전압으로 강하시켜 얻는 형태가 알려져 있다. 이 방식에 의하면, 어느 1상이 결상되어도 나머지 2상으로 동작 전력을 생성할 수 있으므로, 누전 기능은 계속해서 정상적으로 동작한다. 또한, 이 특허문헌 2에 있어서의 서지 흡수 소자는 필터 회로, 즉 정류회로의 전후에 구비된 저항과 콘덴서인 것을 미루어 알 수 있다.

[특허문헌 1] 특개 2000-222998호 공보(제 4 페이지 좌측 제39행 ~ 우측 제8행) [특허문헌 2] 특개 2005-137095호 공보(제 6 페이지 제8행 ~ 제10행)

특허문헌 1에서는 서지 옵서버를 포함해 모든 전자 부품의 전단, 다시 말하면, 주회로와의 접속점의 직하(直下)에 전자석 장치(트립 코일[trip coil])를 접속하고 있기 때문에, 당해 서지 옵서버를 시초로 만일의 쇼트 모드[short mode] 고장이 전원 단락으로 이어지는 전자 부품을 형성해도, 그 전원 단락을 통해서 흐르는 전류로 전자석 장치가 작동한다. 이 작동에 의해 누전 차단기가 트립하지만, 이 시점, 즉 쇼트 모드 고장 직후의 트립에서는, 사용자는 그 고장을 알아차리지 못할 가능성이 높다. 이 때문에 고장을 알아차리지 못한 채, 누전 차단기에 대해 ON 조작(경우에 따라서는 리셋 조작을 거쳐 ON 조작)을 시도해 보아도, 그때마다 트립을 반복함으로써, 사용자는 (트립 본래의 요인인) 주회로의 절연 열화나 당해 누전 차단기의 고장을 파악하게 된다.

누전 차단기의 고장 여부는 부하측의 배선을 일단 제외한 뒤에, 전술한 ON 조작을 시도해 보면 판별할 수 있지만, 어느 경우에서도 고장에 대해 재빠르게 「트립」이라고 하는 수단으로, 제품(누전 차단기)의 발화ㆍ소실 방지, 이른바 페일 세이프[fail safe] 기능을 동작시키는 점은 바람직하다. 그렇지만, 이 기능을 실현하기 위해서 전자석 장치를 주회로와의 접속점의 직하에 형성하므로, 이 작동에 해당하는 부품(이 특허문헌 1에서는 사이리스터[thyristor])에 파워 소자의 사용을 피할수 없게 되어 버리는데, 한정된 기판 면적 안에서 전술한 3상 전로의 각 상으로부터의 정류회로 구축 등을 감안한 경우, 극력, 파워 소자의 기판으로의 장착(실장)은 피하고 싶다.

「파워 소자 레스[power-device-less]」라고 하는 시점만을 파악하면, 정전류 회로 이후, 즉 저전압 부위에 전자석 장치를 형성한 특허문헌 2에, 그 해(解)가 시사되고 있지만, 인용례의 도 3으로부터도 알 수 있듯이, 이 경우, 필터[filter]회로의 일단을 담당하는 평활 콘덴서[capacitor]에 만일의 쇼트 모드 고장이 발생해도, 전자석 장치의 작동은 기대하지 못하고, 결과적으로 누전 차단기가 발화ㆍ소실에 이를 우려가 있다. 이것을 방지하기 위해서 평활 콘덴서에 직렬로 퓨즈[fuse]를 삽입하고, 전원 단락에 의한 유입 전류로 이 퓨즈를 용단(溶斷)시키는 일도 고려할 수 있지만, 퓨즈 용단 이후에 있어서 서지 흡수 능력의 저하가 불가피한 것은 물론, 경우에 따라서는 적절한 전압을 누전 검출 회로에 공급할 수 없음으로써, 누전 기능 그 자체의 상실을 초래할 가능성도 있다. 이 결과, 사용자는 누전 테스트 버튼으로 누전 기능 체크를 수행하지 않는 이상, 누전 기능 상실이라는 그 사실을 알지 못한 채, 「누전 차단기」를 단순한 「배선용 차단기」로서 사용을 계속하게 된다. 즉, 말할 필요도 없이, 주회로의 절연 열화 감시라는 점에서는 바람직하다고는 말하기 어렵다.

본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 전자석 장치를 저전압 부위에 형성하면서, 전자 부품의 만일의 쇼트 모드 고장에 대해서, 이 전자석 장치를 작동시키는 누전 차단기를 얻는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 관한 누전 차단기는, 3상 전로의 3개의 전력선이 끼워 통과되고, 상기 3상 전로의 누설 전류를 검출하는 영상변류기와, 이 영상변류기에서 검출된 신호의 레벨 판정을 수행하는 누전 검출 회로와, 이 누전 검출 회로의 출력에 반응해서 개폐 기구부를 작동시키는 전자석 장치와, 상기 개폐 기구부의 작동에 의해 개리(開離)되는 전로 접점과, 상기 전력선에 접속되어 이 전력선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류회로, 및 이 정류회로의 직류 출력단에 접속되어 상기 누전 검출 회로 및 전자석 장치에 동작 전력을 공급하는 강압 회로로 이루어진 전원 회로를 구비하고, 상기 정류회로에 이상 전류가 흘렀을 때, 이 이상 전류가 상기 전자석 장치를 흐르도록 한 것이다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이, 이른바 3상 전원 채취이면서, 페일 세이프 기능을 향상시킨 누전 차단기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 3극용 누전 차단기의 내부 회로도이다.

[실시형태 1]

도 1에 있어서, 누전 차단기(100)는 교류 전로를 개폐하는 개폐 접점(2)과, 교류 전로(1) 중에 삽입된 영상변류기(3)에 접속되고, 그 검출 신호에 기초해서 누전을 검출하는 누전 검출 회로(12)와, 이 누전 검출 회로(12)의 출력 신호에 의해 스위칭 소자(13 및 14)를 통해서 통전되는(energized) 트리핑 코일(tripping coil)(15a), 및 이 트리핑 코일(15a)의 통전시에 개폐 접점(2)을 개리(開離) 구동하는 트리핑 기구(15b)를 가진 전자석 장치(15)와, 누전 검출 회로(12)와 전자석 장치(15)의 양쪽 모두에 급전하는 전원 회로(11)를 가지고 있다. 또한, 이 급전은 교류 전로(1)로부터 입력되는 교류 전압을 소정의 직류 전압으로 변환해서 이루어진다.

소정의 직류 전압으로의 변환은 다음과 같이 이루어진다. 즉, 누전 차단기(100)는 교류 전로(1)에 접속되고, 전류를 제한하는 전류 제한 저항(4)의 다음 단의 풀 다이오드 브릿지[full bridge diode]로 이루어진 정류회로(5)에 접속되고, 게다가 이 정류회로(5)의 다음 단에는, 정류회로(5)의 출력정측에 드레인[drain]이 접속된 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)(8a)와, 이 전계 효과 트랜지스터(8a)의 게이트(gate)와 후술하는 퓨즈(51)를 통해서 정류회로(5)의 출력부측과의 사이에 접속된 제너 다이오드[zener-diode](8b)와, 이 제너 다이오드(8b)에 제너 전류를 공급하기 위해서 드레인과 게이트 사이에 접속된 저항(8c)으로 이루어진 강압 회로(8)가 접속되어 있다. 그리고, 이 강압 회로(8)의 입출력단에 각각 접속되는 평활 콘덴서(7 및 10)를 통해서 누전 검출 회로(12)와 전자석 장치(15)에 급전이 이루어진다. 또한, 평활 콘덴서(7 및 10)와 병렬로, 서지 전류를 흡수하는 제너 다이오드(6 및 9)가 접속되어 있다.

계속해서, 동작에 대해서 설명한다. 당해 누전 차단기(100)의 ON 조작에 의해, 교류 전로(1)로부터 AC 100~400V 정도의 교류 전압이 공급되면, 전류 제한 저항(4)에 교류 전류(Ia)가 흐르고, 정류회로(5)에서 직류 전압(Vb)으로 변환된다. 그러면, 정류회로(5)로부터 출력된 전류(Ib)에 의해, 저항(8c)을 통해서 제너 다이오드(8b)에 전류(Ic)가 흐른다. 이때, 이 제너 다이오드(8b)에 걸리는 전압 즉, 전계 효과 트랜지스터(8a)의 게이트 전압을 Vc라 하면, 강압 회로(8)의 출력전압(Vd)은 'Vd = Vc - 전계 효과 트랜지스터(8a)의 ON 전압'이 되고, 전술한 대로 Vc는 제너 다이오드(8b)의 제너 전압이므로, 'Vd ≒ 8b의 제너 전압 - 전계 효과 트랜지스터(8a)의 ON 전압'이 된다. 여기서, ON 전압을 3V 정도로 하고, 제너 전압을 24V 정도로 하면, 출력전압(Vd)은 21V 정도가 된다.

한편, 제너 다이오드(9)의 제너 전압을 24V 정도로 하면, Vd는 전술한 바와 같이 21V 정도이기 때문에, 이 제너 다이오드(9)의 제너 전압을 초과하지 않는 것으로부터, 제너 다이오드(9)는 온 되지 않고, 전류(Id)는 흐르지 않는다. 이 결과, 누전 검출 회로(12)와 전자석 장치(15)에 소정의 직류 전압(이 경우, 21V 정도)이 급전되게 된다. 이 급전상태에 있어서, 교류 전로(1)에 누전이 발생한 경우는, 주지하는 바와 같이 영상변류기(3)의 출력에 신호가 발생하고, 누전 검출 회로(12)에 의해 영상변류기(3)의 출력 신호 레벨이 소정의 기준치를 초과한 것을 판별하면, 누전 트립 신호를 스위칭 소자(13)에 출력한다.

그러면, 이 스위칭 소자(13)는 그 출력에 의해 온이 되고, 계속해서 스위칭 소자(14)를 온시킴으로써, 전원 회로(11)부터 이 스위칭 소자(14)를 통해서 트리핑 코일(15a)에 여자 전류가 흐른다. 이 결과, 트리핑 기구(15b)가 동작함으로써, 개폐 접점(2)을 개로(開路) 시켜 누설 전류가 계속 흐르는 것에 의한 사고나 화재를 미연에 방지할 수 있다. 이와 같이, 스위칭 소자(13 및 14)를 강압 회로 이후에 형성했기 때문에, 이것들 스위칭 소자에 파워 소자를 채용할 필요가 없고, 전술한 풀 다이오드 브릿지로 이루어진 정류회로(5)의 기판 실장과 서로 어울려서, 그 실장 규모를 최대한 억제하는 것이 가능해진다.

여기서, 본원의 포인트는 스위칭 소자(13과 14)를 흐르는 전류의 정류회로(5)의 출력부측으로의, 이른바 귀환 루트의 차이에 있다. 즉, 제너 다이오드(6) 이후의 전자 부품은, 예를 들면 그 저항값이 수 10Ω 정도의 퓨즈(51)를 통해서 정류회로(5)의 출력부측에 도달하는 것에 대해, 스위칭 소자(14)만은 이 스위칭 소자(14)의 컬렉터측과 스위칭 소자(13)의 이미터측이, 컬렉터측에 음극을 접속시킨 다이오드(52)에 의해서 퓨즈(51)는 통하지 않고, 트리핑 코일(15a)을 통해서 정류회로(5)의 출력부측에 도달하고 있다. 다시 말하면, 트리핑 코일(15a)의 전류, 즉 여자 전류의 그 전류 경로에 퓨즈(51)가 포함되지 않은 것이, 본원의 회로상의 특징이 되고 있다.

이 특징은 이하에 언급하는 효과를 달성한다. 즉, 전자 부품(예를 들면, 제너 다이오드(6 및 9), 평활 콘덴서(7 및 10))의 만일의 쇼트 모드 고장에 의해서, 당해 누전 차단기(100)의 발화ㆍ소실의 우려가 있는 경우, 이와 같은 사상을 일으킬 정도의 전류이면, 용이하게 퓨즈(51)가 용단에 이른다. 그러면, 다이오드(52)의 양단 전압을 V1, V2로 나타내면 V1>V2가 되고, 이 전류는 다이오드(52)를 통해서 트리핑 코일(15a)을 흐르게 된다. 말할 필요도 없이, 이 전류는 트리핑 기구(15b)를 동작시키기에는 충분하기 때문에, 전술한 누전 발생시와 마찬가지로 개폐 접점(2)을 개로 시킴으로써, 이 전류, 즉 쇼트 모드 고장을 일으킨 전자 부품을 통해서 흐르는 이상 전류를 차단할 수 있으므로, 누전 차단기의 발화ㆍ소실을 미연에 방지할 수 있다.

무엇보다도, 이 시점에서는 「발명이 해결하려고 하는 과제」의 항에서도 언급한 바와 같이, 이 누전 트립이 쇼트 모드 고장에 의한 것인지의 여부는 모르지만, 사용자가 ON 조작, 즉, 단락 상태에 있는 전원 회로(11)가 다시 교류 전로(1)에 접속됨으로써, 역시, 이 이상 전류가 트리핑 코일(15a)을 통해서 흐르고, 누전 트립을 반복하게 된다. 이 반복에 의해, 사용자는 당해 누전 차단기(100)의 이상도 의심하고, 부하측의 배선을 일단 제외한 후의 ON 조작에서 시작해서, 그 이상을 인식할 수 있다. 여기서, 중요한 것은 쇼트 모드 고장을 일으킴으로써, 정상적인 누설 감시를 할 수 없게 된 누전 차단기의, 그 사용 계속의 정지를 사용자에게 어떠한 형태로 재촉하는 것이다.

이 사용 정지를 퓨즈와 다이오드의 추가만으로 실현하였으므로, 예를 들면 3상 전로에 있어서의 결상에서의 동작 계속에 필요한 부품이 실장된 기판이어도, 페일 세이프 기능을 보다 향상시킬 수 있다. 따라서, 사용하기 편리하고 신뢰성이 높은 누전 차단기를 사용자에게 제공하는 것이 가능하다.

1 : 교류 전로 2 : 개폐 접점
3 : 영상변류기 4 : 전류 제한 저항
5 : 정류회로 6 : 제너 다이오드
7 : 평활 콘덴서 8 : 강압 회로
9 : 제너 다이오드 10 : 평활 콘덴서
11 : 전원 회로 12 : 누전 검출 회로
13ㆍ14 : 스위칭 소자 15 : 전자석 장치
15a : 트리핑 코일 15b : 트리핑 기구
51 : 퓨즈 52 : 다이오드
100 : 누전 차단기

Claims

3상 전로(電路)의 3개의 전력선이 끼워 통과되고, 상기 3상 전로의 누설 전류를 검출하는 영상변류기와, 이 영상변류기에서 검출된 신호의 레벨 판정을 수행하는 누전 검출 회로와,
이 누전 검출 회로의 출력에 반응해서 개폐 기구부를 작동시키는 전자석 장치와,
상기 개폐 기구부의 작동에 의해 개리(開離) 되는 전로 접점과,
상기 전력선에 접속되어 이 전력선의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류회로, 및 이 정류회로의 직류 출력단에 접속되어 상기 누전 검출 회로 및 전자석 장치에 동작 전력을 공급하는 강압 회로로 이루어진 전원 회로를 구비한 누전 차단기에 있어서,
상기 강압 회로의 입출력단에 접속된 전자 부품에 이상 전류가 흘렀을 때, 이 이상 전류가 상기 전자석 장치를 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
청구항 1에 있어서,
상기 전자석 장치의 반응이 스위칭 소자에 의해서 이루어지고, 또한 이 스위칭 소자가 상기 전원 회로의 다음 단에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
청구항 2에 있어서,
상기 이상 전류에 의해 용단(溶斷)하는 퓨즈를 마련하고, 이 퓨즈가 용단한 후에, 상기 이상 전류가 다이오드를 통해서 상기 전자석 장치를 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 누전 차단기.