KR200404802Y1 - 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈 - Google Patents

Abstract

본 고안은 송배전 계통에 사용되는 고압 전류 제한 퓨즈에 관한 것으로, 내부 아크 차단 막이 있는 비 도전성 지지대에 나선형으로 복수개의 용단 소자를 권회시킬 때 상기 용단 소자를 용단 특성이 다른 2 종류의 가용도체를 접합하여 권회되게 하므로서 보호하고자 하는 기기의 특성에 따라 단락 전류 및 과전류에도 보호 성능을 발휘하며 사고전류 예상 영역을 확대하여 안전적으로 고장 전류를 차단할 수 있도록 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈에 관한 것이다.

이러한 본 고안은 고압 전류 제한 퓨즈에서, 용단 특성이 다른 2종류의 가용도체가 접합된 2중 구조의 가용도체를 사용하여 단락 전류 및 과전류 보호 기능까지 차단 영역을 광범위하게 확대시키고, 가용도체 열화에 의한 용단 발생시 야기 될 수 있는 아크의 진전을 막기 위하여 아크 차단 막이 있는 비 도전성 지지대를 형상화하여 제작 사용함으로써 이루어지는 것이다.

Description

2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈{High current limited fuse that apply soluble conductor of dual structure}

본 고안은 송배전 계통에 사용되는 고압 전류 제한 퓨즈에 관한 것으로, 내부 아크 차단 막이 있는 비 도전성 지지대에 나선형으로 복수개의 용단 소자를 권회시킬 때 상기 용단 소자를 용단 특성이 다른 2 종류의 가용도체를 접합하여 권회되게 하므로서 보호하고자 하는 기기의 특성에 따라 단락 전류 및 과전류에도 보호 성능을 발휘하며 사고전류 예상 영역을 확대하여 안전적으로 고장 전류를 차단할 수 있도록 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈에 관한 것이다.

산업 전선에서 송배전 계통에 사용되는 산업용 전자기기인 전류 제한 퓨즈는 이미 공지 되어 있는 기술이며, 고압, 저압 등 넓은 범위의 전압 등급에서 사용되는 것으로, 상기 전류 제한 퓨즈는 산업용 전기기기, 또는 퓨즈 홀더와 조합하여 회로보호, 산업용 전기기기 보호 등 안전장치의 일부로서, 사고전류를 빠른 시간에 차단하여 신속하게 회로를 분리시키는 책무를 수행하게 된다.

이와 같은 전류 제한 퓨즈는 도 1에 도시한 바와 같이 절연통(1), 단자금구(2), 가용도체(3), 소호제(4) 및 비도전성 지지대(5), 동작 표시장치(6)로 구성되어 있으며, 상기 전류 제한 퓨즈에 과전류가 흐르게 되면 가용도체(3)가 용단, 발호 되므로 높은 아크 전압이 발생되어 한류 차단하게 되며, 한다. 차단속도가 빠르고, 단락전류와 같은 대 전류 발생시는 전류를 제한 차단함으로 안전하게 2 차측 기기보호를 할 수 있다.

도 1에 도시된 전류 제한퓨즈를 구성하는 절연통(1)은 사용 목적, 통전 전류, 사고 전류의 종류에 따라 도자기 또는 수지 성형품으로 제작 되며, 단자금구(2)는 도전성이 좋고, 열 발생이 적은 금속제로 주로 동이 사용 되며, 가용도체(3)는 정상 부하 시 전류를 잘 통전시키고, 사고전류 발생시 용단, 발호가 되어 아크를 발생시켜야 하므로 주로 동 또는 은이 사용되며, 또한 정상 부하 시 절연통(1)과 단자금구(2)에 기준치 이상의 온도를 발생시키면 안 되는 한편 사고전류 발생시에는 빠른 용단이 이루어져야 함으로 부하 용량에 따라 가용도체(3)의 형상, 두께, 수량을 결정하여 제작되어야 한다.

일반적으로 정상 부하 용량이 클수록 은(용융점 960℃)이 사용 되고, 전압에 따라 길이, 전류에 따라 두께와 가닥수를 증가 시키며, 소호제(4)는 10~200(mesh) 입자상의 자연 규사, 규석을 분쇄한 분쇄 규사, 인조 알루미나 등이 사용 되나 제조 가격 등의 점에서 자연규사를 주로 사용 하며, 비 도전성 지지대(5)는 가용도체(3)를 나선형으로 감을 때 지지하는 것으로 차단 시 가용도체(3)의 온도를 견디는 재질로 제작 되며, 동작 표시장치(6)는 사고전류 차단 시 동작 시켜 차단 완료 된 퓨즈의 신속한 식별과 또는 동작 시 발생하는 표시장치의 동작 에너지를 이용하여 조합 되어 있는 개폐기 류의 기계적 트립 동작 또는 전기적 동작 상태 표시등을 함께 사용 할 수 있도록 구성 되어있다.

이러한 전류제한 퓨즈는 평상시 단자금구(2)를 통하여 전류가 들어와 퓨즈 가용도체(3)를 통하여 반대쪽 단자금구(2)로 전류가 통전 되는 구조로 사고전류 발생시 퓨즈 가용도체(3)의 전 길이에 거쳐 용단, 발호되어 높은 아크 전압을 발생시켜 전류 제한 차단하는 방식으로, 전류가 차단되면 가용도체(3)가 저항이 커지고 전류는 표시장치(6)의 니크롬선으로 전류가 흐르면서 열을 발생 시키고 니크롬선이 끊어지면서 스프링의 힘에 의해 표시봉이 앞쪽으로 튀어 나간 뒤 완전하게 전류를 차단하게 된다.

한편 고압 배전 계통의 다양화로 고압 전류 제한 퓨즈의 사용 및 설치 방법도 다양해지고 있으며, 특히 일체형 배전반 혹은 간이 수전 설비에서는 경제성 등을 고려하여 변압기 보호를 위해 사용되어지는 백업용 고압 전류 제한 퓨즈만으로 변압기의 1 차측 보호를 할 수 있도록 제작이 되어 널리 사용 되고 있으나, 이 경우 현재 고압 전류 제한 퓨즈의 기술 특성상 변압기 돌입전류를 고려하여 전류 제한 퓨즈의 용량을 선택하여야 하므로 주로 2 차측 단락 또는 변압기 단락 사고 시 동작 할 수 있도록 선정 되고 있다.

그러나 2차측 부하 변동, 단락 사고 또는 변압기 지락 등의 영향으로 1차측 선로로 과전류 유입이 되어 1차측 고압 전류 제한 퓨즈에 의한 차단 동작을 필요로 할 수 있는 전류 영역대가 발생할 수 있으나 차단 속도의 저하, 시간의 지연 등으로 변압기 고장 또는 고압 전류 제한 퓨즈의 파손 등이 야기 될 수 있다.

이와 같은 사고로 장시간의 과전류 발생시 전류 제한 퓨즈의 파손을 방지하기 위해 풀 레인지(full range)퓨즈(보호 영역이 확대 된 퓨즈)를 제작 하여 사용하는데, 이는 가용도체(3)의 형상을 도 2에 도시된 띠형 및 도 3에 도시된 원형으로 제작하고, 소호제(4)의 굵기를 조절, 또한 절연통(1)의 크기를 크게 하여 장시간(약 2시간 이상) 동안 과전류가 발생한다 하여도 고압 전류 제한 퓨즈의 파손이 되지 않고, 다른 기기가 동작 할 수 있도록 구성하고 있다.

그러나, 상기된 풀 레인지 퓨즈는 단지 과전류 통전 시간의 지연 효과 밖에 없으며 위와 같은 형태의 전류 제한 퓨즈는 단락 발생시는 퓨즈 절연통(1) 내부의 가용도체(3)의 노치부분의 전 영역에서 아크가 발생하므로 신속한 차단이 이루어지지만 장시간의 과전류 또는 반복 과전류에 의한 열화 등으로 가용도체(3)의 일부가 용단 되었을 경우 전압에 의해 발생하는 아크 전압이 단락 시 발생하는 아크 전압보다 작고, 열화에 의한 아크는 지속시간이 길어 주위의 소호제(4)가 고온으로 되면서 팽창하여 절연통(1)을 직각 방향으로 밀어내는 큰 힘이 발생하며 압력과 열 충격으로 인하여 절연통(1) 내벽이 파손되면서 차단 실패하고 폭발 하거나 또는 차단이 되더라도 절연통(1)의 파손으로 소호제(4)가 비산 할 수 있다.

이를 방지하기 위하여 절연통(1)과 권선 피치(p)를 크게 하여 제작한다 하여도 단순히 시간 지연의 효과밖에 기대 할 수 없으며, 경제성도 떨어지게 되므로, 기존의 전류 제한 퓨즈로는 단락사고와 과전류를 동시에 보호하는데 한계가 있게 된다.

도 4에 도시된 그래프는 일반적인 백업용 전류 제한 퓨즈의 전류-시간 용단 특성 곡선과 풀 레인지용 전류-시간 용단 특성 곡선을 보이고 있다.

본 고안은 일체형 배전반, 고압 전류 제한 퓨즈만으로 기기 보호 및 계통 보호를 하도록 구성 된 간이 수전설비(약식 수전 설비)에 사용되는 고압 전류 제한 퓨즈에서, 용단 특성이 다른 2종류의 가용도체가 접합된 2중 구조의 가용도체를 사용하여 단락 전류 및 과전류 보호 기능까지 차단 영역을 광범위하게 확대시키고, 가용도체 열화에 의한 용단 발생시 야기 될 수 있는 아크의 진전을 막기 위하여 아크 차단 막이 있는 비 도전성 지지대를 형상화하여 제작 사용함으로써 절연통 및 기기들의 파손 및 폭발을 방지하고 안전한 계통 보호 범위를 확대하여 전기 사고를 줄이는데 그 목적이 있는 것이다.

본 고안의 구성은 기존 전류 제한 퓨즈의 기본적인 부품 구성과 같으므로, 동일 부품에 대해서는 기존과 동일한 부품번호를 부여한다.

기존의 가용도체(3)는 도 2 및 도 3과 같이 일반적인 가용도체의 형상만을 이용하여 도 4에 도시된 그래프의 특성을 나타내는 방식과는 달리 본 고안에서는 도 5와 같이 도 7에 도시된 그래프의 특성을 갖도록 각기 용단 특성이 다른 2종류의 가용도체(3h)(3i)를 접합한 2중 구조의 가용도체(3g)를 제작하여 고압 전류 제한 퓨즈에 적용함으로써 변압기 돌입전류에서는 0.1초, 100회 이상 견디며, 1,2차 단락 및 계통의 지락, 2차측 과전류 등 광범위한 범위에게 보호 기기의 손상 없이 사고전류를 신속히 차단 동작을 할 수 있도록 하는 것이다.

즉 본 고안의 2중 구조의 가용도체(3g)는 양쪽 끝으로 단락 차단에 용이한 형태와 구조를 같은 가용도체(3h)를 사용 하고 가운데는 과전류 차단이 용이하도록 비열이 크고, 저항인 온도 계수가 크며, 융점이 높은 재질 특성을 갖는 가용도체(3i)를 사용하여 제작되게 된다.

본 고안의 2중 구조의 가용도체(3g)의 양쪽으로 위치한 가용도체(3h)는 그 형태가 도 5와 같이 원형선 또는 사각 띠 형태이고, 노치는 2가지 이상의 형태를 갖게 되고, 가용도체(3h)는 은 재질, 가용도체(3i)는 니켈 또는 니크롬선을 사용하여 구성된다.

그리고 본 고안은 기존의 비 도전성 지지대(5)에 아크 차단 막(5a')이 있는 비 도전성 지지대(5a)로 제작하여 적용함으로써 안전성 및 신뢰성을 증가 시켰다.

이 같이 본 고안은 도 7의 a와 같은 특성 곡선을 갖는 니켈 또는 니크롬선으로 가용도체(3i)를 제작한 후 이를 도 7의 b와 같은 특성을 갖는 은 재질의 가용도체(3h)의 양측에 접합하여 도 5와 같은 2중 구조의 가용도체(3g)로 제작하고, 상기 2중 구조의 가용도체(3g)를 도 6에 도시된 바와 같이 아크 차단 막(5a')이 있는 비 도전성 지지대(5a)에 권회하여 고압 전류 제한 퓨즈를 제작하게 된다.

이러한 구성의 본 고안에 대한 원리 및 그 작동을 살펴본다.

평상시 단자금구(2)를 통하여 전류가 들어와 퓨즈 가용도체(3)를 통하여 다시 반대쪽 단자금구(2)로 전류가 통전 되는 구조로 사고전류 발생시 퓨즈 가용도체(3)의 전 길이에 거쳐 용단, 발호되어 높은 아크 전압을 발생시켜 전류 제한 차단한다.

이 과정에서 변압기 보호용에 적합한 퓨즈는 변압기의 돌입전류(통상 정격 전류의 10배 전류)를 0.1초 동안 견뎌야 하고 이를 일반적으로 100회 이상 반복할 수 있어야 한다.

따라서 이 조건에 맞도록 퓨즈를 선정 할 경우 일반적으로 도 4와 같은 형태를 보이는데, 이 경우 10초 이상으로 유지 되는 과전류(일반적으로 변압기 정격의 2~3배 전류)에서는 퓨즈로 차단하기 어렵다.

그리고 이와 같은 특성을 보이는 가용도체(3)는 도 2 및 도 3과 같은 형태이며, 주로 은을 사용 한다.

본 고안은 도 5와 같이 2중 구조의 가용도체(3g)를 구성하되 중앙부인 “나”부에 니켈선 또는 니크롬선으로 제작된 가용도체(3i)를 위치시키고, 그 양쪽 “가”,”다”부에 은으로 제작 된 가용도체(3h)를 사용 용도와 용량에 따라 두께 및 노치형상을 제작하여 전압 별 적정한 길이(L1, L2, L3)로 잘라 접합하고, 도 6과 같이 아크 차단 막(5a')이 있는 비 도전성 지지대(5a)에 감는 뒤 양단의 단자금구(2)에 연결하고, 80~100mesh의 소호제(4)로 충진 하여 제작하면 도 7과 같은 용단 특성을 보이므로 단락 전류 발생시 신속한 차단뿐만 아니라 변압기 2차측으로 부터 과전류의 유입 또는 지락 전류 등이 10초 이상 발생시에도 차단 가능하게 된다.

또한 도 5와 같은 2중 구조의 가용도체(3g)를 제작 시 도 2와 같이 기존의 가용도체(3) 형상이 주로 원형 등 간격, 또는 마름모 등 간격을 사용하여 제작 되었는데, 사용 용도와 보호하고자 하는 기기의 특성을 고려하여 기존의 단일 노치 형태가 아닌 원형, 마름모, 사각 형태의 노치 등 2형상 이상을 하나의 가용도체에 등 간격으로 제작 하므로 전류의 크기 지속시간에 따라 다른 특성을 보이도록 제작하는 방법을 가용도체(3h)에 적용하여 가용도체(3i)와 접합하여 제작하므로서 보다 다양한 기기의 단락 및 과전류 보호를 안전하게 할 수 있게 된다.

본 고안은 사고 전류 차단 영역을 광범위하게 확대 하여 계통 사고의 차단 능력을 확대함으로, 기존 일체형 배전반 및 간이 수전 설비 등의 계통 보호 시 2중 차단 기능 배제와 변압기 특성상 발생 할 수 있는 과전류에도 차단 가능하게 할 수 있다.

또한 변압기의 권선 굵기를 가늘게 할수록 손실을 최소화시킬 수 있는 반면 과전류에는 취약하게 되는 단점이 발생되나, 본 고안의 전류 제한 퓨즈의 경우 저 손실 형 변압기 보호용 퓨즈로써 탁월한 기능을 발휘 할 수 있으며, 계통의 안전적인 차단 기능을 높이는 효과를 기대 할 수 있다.

도 1은 기존 고압 전류 제한 퓨즈의 일반적인 구성 및 내부 상세도

도 2는 고압 전류 제한 퓨즈의 띠형 가용도체(3a-3e)의 일반적인 노치 형상도

도 3은 고압 전류 제한 퓨즈의 원형 가용도체(3f)의 일반적인 노치 형상도

도 4는 일반적인 전류 제한 퓨즈의 전류-시간 용단 특성 그래프

도 5는 본 고안 2중 구조의 가용도체(3g) 형상도

도 6은 본 고안 고압 전류 제한 퓨즈의 내부 상세도

도 7은 본 고안 2중 구조의 가용도체(3g)를 적용한 전류 제한 퓨즈의 전류-시간 용단 특성 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 절연통 2 : 단자금구

3,3a~3i : 가용도체 3g : 2중 구조의 가용도체

4 : 소호제 5,5a : 비 도전성 지지대

5a' : 아크 차단막 6 : 표시장치

Claims (5)

1. 가용도체(3i)의 양쪽으로 재질이 다른 가용도체(3h)가 접합된 2중 구조의 가용도체(3g)를 비 도전성 지지대(5a)에 권회하여 제작한 것을 특징으로 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈.
2. 제1항에 있어서, 과전류 차단이 용이하도록 비열이 크고, 저항인 온도 계수가 크며, 융점이 높은 재질 특성을 갖는 가용도체(3i)의 양쪽으로 단락 차단에 용이한 형태와 구조를 같는 가용도체(3h)가 접합된 2중 구조의 가용도체(3g)인 것을 특징으로 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈.
3. 제2항에 있어서, 가용도체(3i)는 니켈 또는 니크롬선을 사용하고, 가용도체(3h)는 은 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈.
4. 제1항에 있어서, 가용도체(3h)는 원형선 또는 사각 띠 형상을 갖고, 노치는 2가지 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈.
5. 제1항에 있어서, 비 도전성 지지대(5a)에는 아크 차단이 용이한 아크 차단 막(5a')이 형성된 것을 특징으로 하는 2중 구조의 가용도체를 적용한 고압 전류 제한 퓨즈.