KR200383776Y1 - 변류기 2차단자의 개방 감지장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 변류기(CT) 2차측 단자의 개방(open)을 감지하여 개방으로 인한 사고를 예방하기 위하여 개방여부를 판단하기 위한 수단, 개방에 따른 과전압 차단수단을 포함한 다수의 보호수단들을 구비한 장치에 있어서, 변류기 2차측 단자의 개방이 아닌 사고로 발생되는 과전압이 상기 장치의 회로에 유입될 때 이로 인한 변류기 2차측에 연결된 다른 보호용 계전기의 오동작을 방지할 목적으로 상기 다른 보호용 계전기가 동작할 수 있는 시간인 2차지연시간을 주어서 소정의 시간이 경과한 후 상기 장치가 동작하도록 하며, 상기 2차지연시간을 딥 스위치를 포함한 다수의 수단 가운데 하나에 의해 사전에 여러가지로 설정하여 사용자가 필요에 따라 원하는 설정값을 선택할 수 있도록 하고, 모터 기동시를 포함하여 각종 부하의 정상 운전시 일시적으로 발생하는 과전압에 의해서는 변류기 2차측 단자가 개방되었다고 판단하지 아니하도록 하기 위하여 부하특성에 따라 예상되는 과전압값을 다양하게 미리 설정해 놓아, 사용자가 필요에 따라 부하특성에 맞는 과전압값을 선택하도록 하고, 이때 딥 스위치를 포함한 다수의 수단 가운데 하나에 의해 상기 과전압값을 설정하고, 사용자가 선택한 설정값 이상의 전압이 변류기에 입력되면 상기 장치가 동작하고, 변류기 2차측 단자 개방신호가 감지되었을 때에는 발광다이오드와 경보수단을 포함한 다수의 경고표시수단 가운데 하나 이상을 이용하여 현재 상태가 2차지연 동작상태임을 표시하는 것이 특징이다.

Description

변류기 2차단자의 개방 감지장치{AN APPARATUS FOR MONITORING OPEN STATE OF THE SECONDARY TERMINALS OF A CURRENT TRANSFORMER}

본 고안은 변류기(CT) 2차측 단자의 개방(open)을 감지하기 위한 장치로서, 더욱 자세하게는 변류기 2차측 단자에 연결된 다른 계전기들의 동작시간을 고려하여 변류기 2차측 개방사고로 오판하는 것을 막도록 하는 기술에 관한 것이다.

변류기(CT; Current Transformer)는 교류의 큰 전류에서 그것에 비례하는 작은 전류를 얻음으로써 교류전류계의 측정범위를 확대하기 위해 사용되는 변압기이다. 변류기의 구조는 변압기와 같은 성층철심에 권선수가 적은 1차코일과 권선수가 많은 2차코일을 감은 것인데, 2차코일에는 전류계, 전력계, 계전기 등의 측정장치를 연결한다. 또한, 변류기 1차전류의 정격(定格)값은 수십 A(암페어)에서 수천 A까지 여러가지가 있으나, 2차전류의 정격값은 대부분 5A이며 1,2차 코일의 전류비는 각 코일 권선수에 반비례한다.

한편 변류기의 2차측 단자는, 이를 단락(short)시키는 것은 안전하지만, 개방(open)하는 것은 매우 위험한데, 이는 변류기의 1차코일에 전류가 흐르는 상태에서 2차코일을 개방하게 되면, 1차측 전류가 모든 철심을 자화하는 작용을 하여, 철심이 포화되어 발열하고 이로 인해 코일의 손상 내지 변류기의 폭발 위험성 및 감전사고의 위험성이 있기 때문이다. 따라서 변류기의 2차코일에 연결된 전류계, 전력계 등의 계측기 내부 회로가 개방되거나 기타 사유로 인해 변류기의 2차코일이 개방(open)될 경우 이를 즉시 감지하여 즉시 개방상태의 차단, 즉 개방된 2차측 단자를 즉시 단락(short)시킬 수 있는 기능을 가진 회로를 변류기 2차측에 연결할 필요가 있다.

한편 상기와 같은 개방 감지회로는 개방(open)을 감지하여 단자를 단락(short)시킨 후에는, 관리자가 변류기의 2차 단자가 개방된 원인을 찾아서 이를 제거할 때까지 계속하여 단락상태를 유지하여야 한다. 만약 단락상태를 불완전하게 유지하여 관리자가 수리작업을 하는 도중에 갑자기 개방상태로 전환된다면 감전사고가 발생할 수 있기 때문이다.

이와 같은 위험성이 있음에도 현재 변류기의 2차코일의 개방으로 인한 사고방지의 대책은 거의 전무한 실정이므로 이를 예방하기 위한 장치의 개발이 요청되고 있다.

아울러 변류기를 비롯하여 전기설비에 연결된 각종 계측기기, 예컨대 전류계, 전력계, 계전기, 기록계 등에 대한 점검이나 수리작업을 하는 경우, 감전사고를 방지하기 위해 작업을 하는 동안 변류기의 2차단자를 안정적으로 단락 유지시켜야 할 필요가 있다.

이 경우 종래에는 변류기의 2차단자를 간단하게 단락시킬 수 있는 별도의 장치가 마련되어 있지 않았기 때문에 여러모로 불편한 점이 많았다. 즉 전체 전기설비의 운영을 멈추지 않고 전원을 계속 공급하는 상태에서 변류기 2차단자를 단락시켜야 하기 때문에 감전의 위험 등이 항상 존재하였다.

이러한 문제점들의 해결방안은 본 고안의 출원인에 의한 선출원특허인 한국특허 출원번호 제10-2004-65294호에 자세하게 개시되어 있다. 하지만 상기한 선출원에는 또 다른 문제점이 있다. 즉 변류기 2차측의 다른 계전기들의 동작시간을 고려하지 않고 있기 때문에 실제로 변류기 2차측 단자가 개방되어 있지 않음에도 불구하고 지락사고와 같은 다른 사고를 변류기 2차측 개방사고로 오판함으로써 변류기 소손 이외의 2차적인 사고로 발전할 위험성이 있었다. 따라서 이러한 문제점에 대한 대책이 시급한 실정이다.

그리고 종래에는 모터의 기동시에는 큰 기동전류가 순간적으로 발생하여 과전압이 발생할 수 있으므로 이에 의해서 변류기 2차측 단자가 개방된 것으로 판단할 수 있었다. 이러한 경우에는 설사 다른 계전기들의 동작시간을 고려한다고 하여도 해결이 되지 않았다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 부하의 특성에 따라 예상되는 과전압값을 미리 설정해 놓는 기술이 필요하게 되었다.

따라서 본 고안은 상기한 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 변류기 2차단자의 개방 감지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 또 다른 목적은 이하 고안의 상세한 설명과 첨부도면에 의해 보다 명확해 질 것이다.

일반적으로 CT 2차측 단자가 개방되면 개방전압이 발생되며 본 고안은 이 개방전압을 신호원으로 하여, CT 2차측 단자의 개방시 개방신호가 감지되면 CT 2차측 단자를 단락시켜 CT의 파손으로 인한 2차 피해를 방지한다. 이때 단락회로는 릴레이접점 또는 이와 유사한 기능을 하는 트랜지스터, 트라이액, SCR, 포토릴레이 등 다양한 전자부품으로 구성하는 것이 가능하다.

본 고안의 변류기 2차측 개방감지기는 CT 2차측에 이상이 있을 경우 동작상태 신호를 출력하고, 이 출력 신호를 자동화 또는 다른 기기의 신호원으로 사용한다. 즉 이 출력신호는 릴레이접점 또는 트랜지스터를 이용한 전압출력신호 또는 IC를 이용한 RS-232, 422 등 다른 기기의 데이터 출력신호가 될 수 있다.

본 고안의 개방감지기에서 테스트 스위치를 누르면 본 기기의 동작확인시 및 CT 후단에 연결된 기기들의 점검시 CT를 단락시켜 주므로, CT 후단에 연결된 전류계, 전력계, 계전기, 기록계 등의 점검 및 교체 수리가 용이하다. 일반적으로 지금까지는 CT 후단에 연결된 이러한 기기를 점검 또는 수리하기 위하여 CT 단자를 전선으로 단락시킨 후 작업을 하여야 했지만 본 기기를 사용하면 간편하게 점검 스위치(TEST)를 누르는 것만으로 CT를 단락 상태로 만들어 줄 수 있다.

이제 도 1을 참조하여 본 고안의 동작에 대해 보다 자세한 설명을 하기로 한다. 본 고안의 개방감지기는 CT입력단자(J2)를 통하여 CT개방시 변류기 코일에 유기되는 전압을 회로 입력 신호로 받아들인다. 단자(J2)로 입력된 이상 과전압으로부터 회로 초단을 보호하기 위하여 TNR1을 삽입하고 다시 저항 R12, R13을 통과한 후 다시 TNR2로 과전압을 낮추고, 저항 R11로 전류를 제한한 후 제너다이오드(D2, D3)에서 전압을 전원전압보다 낮추어 회로를 보호한다. 여기서 TNR1,2는 소정의 전압값을 넘는 전압이 걸리면 단락이 되는 특징을 지니고 있으며, TNR1,2와 제너다이오드는 과전압으로부터 회로를 보호하기 위한 3중의 안전장치이다.

입력 보호회로를 통과한 전압의 크기를 저항 R10으로 낮춘 뒤 CT 개방전압에 필요한 전압크기를 DIP Switch(S3)를 이용하여 설정한다.

CT 출력의 영향을 줄이기 위하여 증폭기(OP Amp) U5A를 초단 버퍼로 사용하여 입력 임피던스를 높여 CT에서 출력되는 값의 영향을 줄이고 회로내에서 충분한 전류를 사용할 수 있도록 한다.

증폭기 U5A로 증폭된 신호는 저항(R6)를 통하여 비교증폭기(U5B)에 입력되고 저항(R19, R20)과 반고정 저항(VR1)을 사용하여 CT개방시 입력되는 전압과 비교할 수 있도록 비교전압을 만들어 저항(R8)을 통하여 증폭기(OP Amp) U5B의 - 입력단자에 인가한다.

+ 단자에 인가된 비교전압과 - 단자에 인가된 신호전압을 비교증폭기(OP Amp) U5B에서 비교하여 신호전압이 높을때는 + 전압으로 출력되고 평상시는 - 로 출력된다.

CT 2차측 단자가 개방되어 신호전압이 비교증폭기 U5B에 인가되면 비교증폭기의 출력이 다이오드(D5)를 통하여 + 전압만이 시간지연용 IC U4B의 A단자로 입력됨과 동시에, 잘못된 입력신호에 의한 오동작을 방지하기 위해 저항(R17)을 거쳐 IC U4B의 C단자에 입력된다.

IC U4B의 입력 전압이 H로 상승할 때부터 U4B의 출력(Q)은 H를 유지하고 신호가 없으면 20msec후 L로 복귀한다. 회로지연시간은 수학식 1에 의해 계산된다.

R18 × C6

여기서 C6: 콘덴서 용량

R18: 저항값

본 실시예에서는 60Hz의 1(16.6msec) 주기 또는 50Hz의 1(20msec) 주기보다 큰 25msec ~ 30msec로 하는 것이 바람직하다. 이것을 본 고안에서는 1차지연이라고 한다. 1차지연은 교류를 직류로 정류하는 회로를 사용함으로써 시스템이 복잡해지는 것을 막기 위해 도입된 기술로서 도 2에 이러한 개념이 나타나있다.

본 고안의 회로는 신호전압의 + 쪽의 피크치와 기준전압을 비교하여 출력하므로 전원 주파수 50, 60Hz와 동일한 펄스파로 비교기 출력이 나타나게 되므로 25msec ~ 30msec로 1차지연시간을 설정하여 도 2의 중간부분과 같이 신호전압의 +쪽의 피크치가 있을 때는 IC 입력 신호가 H, L로 반복적인 출력이 되어 U4B의 출력신호는 계속적인 H 신호를 유지하고 최종 신호의 H상승에서부터 25 ~ 30msec 후까지 1로 출력된다. 그러나 도 2의 왼쪽 부분을 보면 U4B 입력신호가 한번만 H, L가 되어 지연시간 외의 구간에서는 L을 나타내게 됨을 알 수 있다. 이것은 일종의 정류기가 있는 듯한 효과를 나타낸다고 볼 수 있다.

그리고 본 고안은 개방신호가 감지되었을 때만 즉 U4B의 출력 Q가 하이일 때만 발광다이오드(LED2)를 점등시켜서 2차지연 동작상태임을 표시한다. 이러한 지연시간을 고려하게된 동기는 일반적으로 CT개방이 아닌 사고로 발생되는 과전압이 회로에 유입될 때 다른 계전기의 오동작을 방지할 목적으로 보호용 계전기가 동작할 수 있는 시간(이 시간이 2차지연시간임)을 주기 위하여 일정시간이 경과한 후 동작하도록, 시간지연 IC(U4B)를 사용하고 2차지연시간설정은 DIP Switch(S4)를 이용하여 설정한다. 이러한 2차지연시간을 고려하지 않을 경우에는 예로서 지락사고와 같은 사고가 나서 이상전압이 발생한 경우 과전류로 인해 많은 전압이 변류기에 유기될 수 있어서 변류기 2차측이 개방된 것으로 잘 못 판단할 수 있어서 오동작을 하여 뜻하지 않은 2차 사고를 일으킬 수 있다. 이러한 것을 예방하기 위해서 본 고안에서는 2차지연시간 설정이라는 개념을 도입하여 시스템의 안정성을 높였다. 이때 지연시간은 수학식 2와 같이 계산하여 설정값을 산출한다.

C5 × R16 + R14 + R15

여기서 C5: 콘덴서 용량

R14, R15, R16: 저항값

일반적으로 변류기는 소정시간(예로서 1분) 이상은 견디게 설계가 되어 있어서 그 이하의 짧은 시간에 변류기 2차측 개방 이외의 사고로 발생하는 과전압에는 충분히 견딜 수 있어서 본 고안에 따른 2차지연시간설정은 매우 중요한 의미를 갖는다. 즉 본 고안에 따르면 변류기 2차측의 다른 계전기들이 동작하는 시간을 고려함으로써 변류기 2차측 개방 사고로 잘 못 판단하는 오류를 제거할 수 있다.

도 1의 우측 상단 딥 스위치 S4 옆에 나타낸 것은 본 고안에 따른 2차시간 지연의 설정값을 예시한 것이며, 이들 값으로 2차지연시간이 한정되는 것이 아님은 자명하다. 이 실시예에서는 S1, S2 두개의 스위치의 조합에 의해 모두 네가지의 지연시간을 설정하고 있다. 이 예에서는 2초, 1.5초, 1초, 0.5초로 설정값을 고정시켜 놓았다.

2차 지연시간설정용 IC U4A의 출력신호는 U4B의 출력이 H로 상승할 때부터 수학식 2에 따른 계산식만큼 지연하여 출력된다.

지연출력인 U4A의 출력과 U4B의 출력인 Q를 NAND 게이트 U1B의 입력으로 넣어 두신호가 H일 때만 출력이 L로 출력되므로 NAND게이트(U1A, U1D)를 반전 버퍼로 사용하여 출력신호를 반전하여 H 출력을 만든다.

도 3에서 U4B의 출력파형에서 초록색 부분 가운데 왼쪽 부분은 2차동작지연시간의 설정치보다 적을 때를 나타내고, 오른쪽은 2차동작지연시간의 설정치보다 클 때를 나타낸다.

난드게이트 U1A, U1D의 출력 전압(H)이 NPN형 트랜지스터(TR2)의 베이스에 인가되어 베이스-에미터에 순방향 바이어스 전압이 인가되어 트랜지스터가 구동되어 ON 상태가 되면 콜렉터의 전류가 에미터로 흘러들어가서 릴레이(Relay) RL1, RL2를 동작시킨다.

릴레이 동작시 코일에 인가되는 역기전력으로부터 회로를 보호하기 위하여 다이오드 (D1)를 이용하여 역기전력을 감소시킨다.

PNP형 트랜지스터 TR1의 베이스전압이 저항(R2)을 통하여 GND 전위를 유지하므로 에미터-베이스에 순방향 바이어스 전압이 인가되어 트랜지스터(TR1)는 구동되어 ON 상태를 유지하므로 릴레이는 +12V의 전압을 항시 유지하고 있게 된다.

릴레이 RL1, RL2가 동작하면 릴레이연동 스위치(RL1의 접점 1)이 동작하여 릴레이의 한쪽 전위를 GND로 만들어 릴레이가 자기유지를 시킨다.

릴레이가 동작하는 동안에는 저항 R1을 통하여 전류를 제한하여 발광다이오드(LED1)를 점등시켜서 동작상태임을 표시한다.

이상신호를 감지한 경우 릴레이 RL1, RL2가 자기유지를 하고 있으므로 CT의 이상부분을 발견하여 수리한 후 복구 스위치(S1)를 누르면 트랜지스터(TR1) 베이스에 +12V가 인가되어 트랜지스터(TR1)가 OFF 상태로 되어 릴레이의 +12V가 OFF 되므로 자기유지기능이 사라지고 릴레이는 원래상태로 돌아온다.

릴레이의 스위치(RL2접점)는 CT가 개방되어 다른 부분의 고장이 발생하는 것을 방지하기 위하여 릴레이가 동작하면 CT코일을 단락시킨다.

릴레이의 스위치(RL1 접점2)는 이상시 경보용으로 다른 기기의 작동을 위하여 접점으로 출력된다. 본 기기의 점검 및 CT 후단의 기기점검을 하기 위하여 점검 스위치 S2를 누르면 릴레이 RL1, RL2의 한쪽을 GND로 만들어 입력신호가 없어도 릴레이가 동작하여 자기 유지를 하게된다. 점검 및 수리를 완료한 후 복구스위치(S1)를 누르면 정상 상태로 돌아간다.

전원부는 본 고안의 회로에 필요한 전원을 공급 하기 위하여 트랜스 1차측에 AC전원을 넣으면 2차측에 감압된 전압이 유기되고 이 전압을 다이오드 D4를 통하여 정류를 한 후, 콘덴서 C1, C3로 평활을 하고 정전압 IC(U2, U3)를 통하여 DC 전압 +12V와 -12V를 만들어 회로에 공급한다.

한편 도 1의 딥 스위치 S3옆에는 스위치 S1, S2의 조합에 따라 네가지의 전압값이 예시되어 있다. 이들 전압값은 CT에 따라 다르며 변류기 2차측 단자 개방시 발생 가능한 과전압을 나타내고 있다. 이 예에서는 상기 과전압값이 30V, 60V, 90V, 120V로 정해져 있으나 본 고안의 변형에 의해 다양한 전압값으로 변경할 수 있음은 이 분야의 통상의 기술자들에게는 자명하다. 예로서 여기서 30V로 설정하면, 변류기에 입력되는 이상전압값이 30V이상이 되면 변류기 2차측 단자가 개방된 것으로 판단하여 본 고안의 장치가 동작하게 된다. 이 값은 비교기 U5A의 +단자에 입력된다. 본 고안은 이처럼 변류기 2차측 개방에 따른 이상과전압을 미리 다수개 설정하여 놓음으로써 이상전압에 대한 효과적인 대응이 가능하도록 한 것이 특징이다.

변류기에 따라 부하 특성이 다르며 이로 인해 예로서 전동기 부하 기동시 기동전류가 정격전류보다 높게 나타나므로 이로인해 과전압이 발생할 수 있어서 변류기 2차측 단자가 개방된 것으로 오판할 수 있다. 따라서 이러한 경우를 예방하기 위하여 예상되는 이상전압값에 대한 설정값을 미리 정해놓고 사용자가 부하특성에 따라 설정값을 선택할 수 있도록 하는 것이 이 고안의 또 다른 특징이다.

이러한 과전압에 의한 오동작은 앞서 설명한 2차지연시간 설정만으로는 예방할 수 없기 때문에 본 고안에서는 부하특성에 따라 다양한 과전압값을 미리 설정해 놓아 전동기부하와 같은 부하특성에 따른 순간적인 과전압 발생시에는 변류기 2차측 단자가 개방된 것으로 판단하지 않도록 한다.

이상 본 고안의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 고안이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 하지만 이와 같은 변형된 실시예들은 본 고안의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며 본 고안의 청구범위에 포함되는 것으로 해석해야 한다.

본 고안의 변류기 2차단자의 개방 감지장치는 CT개방이 아닌 사고시에 과전압이 유입될 때 다른 보호용 계전기가 동작할 수 있는 시간을 주기 위하여 일정시간이 경과한 후 개방감지기가 동작하도록 하여 오동작의 발생을 줄일 수 있다.

그리고 본 고안은 2차지연동작 시간의 설정값을 세분화 함으로써 시스템의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 부하특성에 따라 예상되는 과전압값을 다양하게 미리 설정해 놓아, 사용자가 필요에 따라 부하특성에 맞는 과전압값을 선택하도록 하여, 해당 과전압값 이상의 과전압이 발생하여야만 변류기 2차측 단자가 개방된 것으로 판단하게 되므로 모터 기동시와 같이 부하의 정상 운전시 순간적으로 발생하는 과전압과 같은 경우에 발생할 수 있는 오판을 예방할 수 있다.

본 고안의 개방감지기에서 테스트 스위치를 누르면 본 기기의 동작확인시 및 CT 후단에 연결된 기기들의 점검시 CT를 단락시켜 주므로, CT 후단에 연결된 전류계, 전력계, 계전기, 기록계 등의 점검 및 교체 수리가 용이하다.

도 1은 본 고안에 따른 릴레이식 변류기 2차단자의 개방 감지장치의 바람직한 일 실시예의 회로구성도.

도 2는 도 1의 U4B 입출력 신호의 파형도.

도 3은 도 1의 U4A 출력, U4B 출력, U1A 출력, U1D 출력 및 릴레이동작 신호의 파형도.

Claims (2)

1. 변류기 2차측 단자의 개방을 감지하여 개방으로 인한 사고를 예방하기 위하여 개방여부를 판단하기 위한 수단, 개방에 따른 과전압 차단수단을 포함한 다수의 보호수단들을 구비한 장치에 있어서,

   변류기 2차측 단자의 개방이 아닌 사고로 발생되는 과전압이 상기 장치의 회로에 유입될 때 이로 인한 변류기 2차측에 연결된 다른 보호용 계전기의 오동작을 방지할 목적으로 상기 다른 보호용 계전기가 동작할 수 있는 시간인 2차지연시간을 주어서 소정의 시간이 경과한 후 상기 장치가 동작하도록 하며, 상기 2차지연시간을 딥 스위치를 포함한 다수의 수단 가운데 하나에 의해 사전에 여러가지로 설정하여 사용자가 필요에 따라 원하는 설정값을 선택할 수 있도록 하는 것이 특징인, 변류기 2차측 단자의 개방 감지장치.
2. 제 1 항에 있어서, 모터 기동시를 포함하여 각종 부하의 정상 운전시 일시적으로 발생하는 과전압에 의해서는 변류기 2차측 단자가 개방되었다고 판단하지 아니하도록 하기 위하여 부하특성에 따라 예상되는 과전압값을 다양하게 미리 설정해 놓아, 사용자가 필요에 따라 부하특성에 맞는 과전압값을 선택하도록 하고, 이때 딥 스위치를 포함한 다수의 수단 가운데 하나에 의해 상기 과전압값을 설정하고, 사용자가 선택한 설정값 이상의 전압이 변류기에 입력되면 상기 장치가 동작하고, 변류기 2차측 단자 개방신호가 감지되었을 때에는 발광다이오드와 경보수단을 포함한 다수의 경고표시수단 가운데 하나 이상을 이용하여 현재 상태가 2차지연 동작상태임을 표시하는 것이 특징인, 변류기 2차측 단자의 개방 감지장치.