KR20150088504A - 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과 그를 이용한 침수 시 감전 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 기술은 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과 그를 이용한 침수 시 감전 방지 장치에 관한 것으로, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류를 크게 저감시켜 감전을 근본적으로 방지하기 위한 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과, 상기 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 사용하면서 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지함으로써 침수된 전기 장치가 정상적으로 동작하도록 하기 위한 침수 시 감전 방지 장치를 제공한다. 이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 침수 시 감전 방지 장치는, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하기 위한 변압기; 상기 변압기로부터 출력되는 전원과 연결된 누전 차단기; 및 상기 누전 차단기에 연결된 플러스 노출 단자와 마이너스 노출 단자가 기 결정된 시간 차이 이내에 침수되도록 하여, 상기 누전 차단기의 차단 동작을 방지하기 위한 차단 동작 방지부를 포함할 수 있다.

Description

중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과 그를 이용한 침수 시 감전 방지 장치{Electric Transformer with Neutral Grounding and Method Thereof, and Anti-Electric Shock Apparatus In Water Immersion Using That}

본 발명의 몇몇 실시예들은 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과 그를 이용한 침수 시 감전 방지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류를 크게 저감시켜 감전을 근본적으로 방지하기 위한 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법과, 상기 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 사용하면서 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지함으로써 침수된 전기 장치가 정상적으로 동작하도록 하기 위한 침수 시 감전 방지 장치에 관한 것이다.

이하의 본 발명의 몇몇 실시예들에서 전기 장치는 가로등, 전동기, 고압 변압기, 교통신호등제어기 등의 모든 전기 기기 및 전기 장비를 포함한다.

일반적으로 단상2선식 저압 배전 방식, 단상3선식 저압 배전 방식 및 3상4선식 저압 배전 방식 등의 여러 가지 저압 배전 방식(이하, '제 1 종래기술'이라 함)이 있다.

먼저, 도 1을 참조하여 단상2선식 저압 배전 방식에 대하여 살펴보면, 도 1은 종래의 단상2선식 저압 배전 방식을 설명하기 위한 도면으로, 도 1에 도시된 바와 같이 출력 측의 플러스(+) 단자와 마이너스(-) 단자 간에서 220V 전압을 인출하여 사용하고 있으며, 이때 마이너스 단자에 접지 측이 연결되어 있는 접지 방식을 사용하고 있다.

다음으로, 단상3선식 저압 배전 방식에 대하여 살펴보면, 기존에 대부분의 전기 장치가 110V를 사용한 경우가 있었다. 그러다가 산업화가 활성화되면서 220V로 변경되는 시기가 도래하였다. 그에 따라, 이미 사용하고 있는 110V 전기 장치와 새로 생겨나는 220V 전기 장치를 병행하여 사용할 수 있는 저압 배전 방식이 필요하게 되었는데, 이때 등장한 저압 배전 방식이 바로 단상3선식 저압 배전 방식이다.

다음으로, 3상4선식 저압 배전 방식에 대하여 살펴보면, 산업화가 활성화되어 가면서 동력 사용에 적합한 3상 전기의 수요가 증대되었으며, 그에 따라 3상 전기와 단상 전기를 동시에 사용할 수 있는 3상4선식 저압 배전 방식 또한 그에 비례하여 증대되어 현재 대부분의 저압 배전 방식에 사용되고 있다.

도 2는 종래의 3상4선식 저압 배전 방식을 설명하기 위한 도면으로, 도 2에 도시된 R, S, T 단자는 380V 3상 전동기 등에 연결하여 사용하게 되고, N 단자와 R, S, T 단자 중 어느 한 단자를 조합하여 220V 전기를 인출하여 사용하게 된다.

그런데, 일반적으로 전기를 사용할 때, 단상2선식 저압 배전 방식과 단상3선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식에서 인출된 220V 전기가 모두 동일한 것 같지만, 접지 방식의 특성 측면에서 살펴보면 그 성질이 많이 다르다. 이를 단상3선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식을 예로 들어 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 종래의 단상3선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식에서의 콘센트를 나타내는 도면이다.

먼저, 3상4선식 저압 배전 방식의 콘센트의 경우 1번 단자와 접지인 3번 단자의 전압을 측정하면 220V가 나오고, 2번 단자와 3번 단자의 전압을 측정하면 0V가 나온다.

그리고 단상3선식 저압 배전 방식의 콘센트의 경우 1번 단자와 접지인 3번 단자의 전압을 측정하면 110V가 나오고, 2번 단자와 3번 단자의 전압을 측정하면 역시 110V가 나오게 된다.

이를 통하여 단상3선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식의 대지(접지) 전압이 서로 다름을 알 수 있다.

도 4a는 종래의 단상2선식 저압 배전 방식에서 침수 시의 누설 전압을 측정한 결과를 나타내는 도면이고, 도 4b는 종래의 단상2선식 저압 배전 방식에서 침수 시의 누설 전류를 전류계를 이용하여 측정하는 상태를 나타내는 도면이며, 도 4c는 도 4b의 등가 회로도이고, 도 4d는 도 4c의 등가 회로도에서의 순간 전류 흐름을 나타내는 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 종래의 단상2선식 저압 배전 방식으로부터 인출된 220V 전원에서 플러스 및 마이너스 단자의 두 선을 연장하여 플라스틱 수조 속에 모두 담그고, 물속의 플러스 및 마이너스 선과 약 1m 정도 이격된 거리에서 물과 접지 단자 간의 전압을 전압계로 측정하면, 이때 측정된 전압은 220V의 중간값인 110V가 나온다. 따라서 사람이 손으로 직접 물과 접지 단자를 동시에 접촉하면 많은 전류가 순식간에 흘러 바로 감전에 이르게 된다. 이때, 누설되는 전류의 양을 도 4b에 도시된 바와 같이 물과 접지 단자 간에 전류계를 연결하여 측정할 수 있다.

여기서, 도 4b의 두 접지 간의 대지 저항값을 약 3kΩ 정도라고 가정하면 도 4b에 대한 등가 회로를 도 4c와 같이 나타낼 수 있다.

이때, 도 4d를 참조하여 등가 회로에서의 순간 전류 흐름을 살펴보면, 220V 전압에 의한 기전력 방향에 의하여 a경로와 b경로를 따라 전류가 흐른 후에 물을 통하여 c경로를 따라 흐르게 된다. 즉, 전류의 흐름에 있어서 그 힘이 서로 상쇄되지 않고 흐르기 때문에 전류계가 대전류의 값을 나타내게 된다. 따라서 전류계의 위치에 사람이 위치하게 되면(즉, 사람이 손으로 직접 물과 접지 단자를 동시에 접촉하면) 많은 전류가 순식간에 흘러 바로 감전에 이르게 된다.

전술한 종래의 단상2선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식에서의 접지 방식은 전기 장치의 침수 시 누전 차단기가 정상적으로 동작하는 경우 해당 전기 장치의 동작이 정지되는 단점이 있고, 전기 장치의 침수 시 누전 차단기가 동작하지 않은 상태를 가정하면 많은 양의 전류가 외부로 누설되어 감전사고의 위험이 매우 큰 단점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0037986호(이하, '제 2 종래기술'이라 함)는 전기 장치가 통전 중에 침수되었을 때 나충전부(피복이 없어 전류가 통하는 부분)로부터 흘러나오는 누설전류를 흡수하여 누전사고 또는 감전사고를 방지하는 침수 감전 방지 장치를 개시하고 있다. 제 2 종래기술의 침수 감전 방지 장치는 몇 가지 실시예로 예시되어 있는데, 그 실시예들의 공통점은 노출된 연결단자들(단상접속단자 P, 중성점단자 N, 접지단자 E)이 배치된 연결단자대를 포함하여 차단기와 안정기 등과 같은 다른 디바이스들을 모두 커버하는 정도로 넓은 면적을 갖는 평판형 금속판을 중성점단자(N) 또는 접지단자(E)에 전기적으로 연결한 채 이들 연결단자대, 차단기, 안정기 등의 저면 밑에 배치되는 형태로 설치한 구성이라는 점이다.

이러한 제 2 종래기술의 설명에 의하면, 이런 구성에 의해 연결단자대의 노출된 연결단자들이 침수되더라도 나충전부를 통해 흘러나오는 전류의 거의 대부분이 그 평판형 금속판을 통해 흐르게 되어 인체가 물에 접촉하더라도 인체를 통해 흐르는 전류의 세기가 극히 미약하여 감전사고 또는 누전사고가 방지될 수 있다고 하고 있다.

그러나 제 2 종래기술과 동일한 구성의 침수 감전 방지 장치를 제작하여 실험한 바에 따르면, 제 2 종래기술은 몇 가지의 치명적인 약점이 있다.

첫째는 누전 및 감전 방지 효과를 얻기 위해서는 누전방지용 금속판이 교류 전원의 중성점단자에 연결되어야 하는 데, 이를 완벽하게 보장해주는 것이 문제가 된다. 제 2 종래기술의 설명에 따르면, 침수 시 누전 방지 효과를 얻기 위해서는 평판형 금속판이 교류 전원의 중성점단자(N)나 접지단자(E)에 연결되어야 한다. 이를 위한 하나의 방법은 연결단자대를 설치할 때 단상(1P) 교류 전원 공급선로 두 가닥 중에서 전원 측의 중성점단자에 연결된 제1공급선로를 미리 찾아내어 그것을 평판형 금속판이 연결되는 연결단자와 직결시키고 나머지 제2공급선로를 나머지 연결단자에 직결시키는 방법이다. 그런데, 이러한 방법은 전원 측의 중성점단자에 연결된 제1공급선로를 찾아내야 하는 번거로움이 있고, 잘못 찾아서 연결하면 원하는 누전 및 감전 방지 효과를 얻을 수 없으며, 부하에 전원공급을 할 필요가 없는 때에도 부하는 항상 전원 측에 연결되어 있게 하여 전력 낭비를 초래하는 문제가 있다. 필요한 때에만 부하를 전원 측에 연결되도록 하기 위해서는 전원 측과 연결단자대 사이에 플러그와 콘센트를 배치하는 방안을 고려할 수 있다. 이러한 방안의 경우, 평판형 금속판이 교류 전원 측에 전기적으로 연결되는 경로를 보면, 연결단자대의 단자->플러그단자->콘센트를 통하여 연결된다. 이때, 평판형 금속판이 교류 전원의 중성점단자에 연결되기 위해서는 평판형 금속판이 연결된 연결단자대의 제1연결단자(J1)와 연결된 플러그단자가 교류 전원 측의 중성점단자에 연결된 콘센트 단자와 연결되는 것을 완벽히 보장할 수 있어야 한다. 플러그는 연결단자대의 세 개의 단자와 각각 전기적으로 연결된 두 개의 플러그단자(IN1, IN2)와 하나의 접지단자(G)를 구비한다. 그런데, 두 개의 플러그단자(IN1, IN2)는 외관이 서로 동일하다. 또한, 교류 전원이 인가되는 콘센트의 두 콘센트단자 즉, 교류 전원의 중성점단자와 연결된 제1콘센트단자(N) 및 단상전압단자와 연결된 제2콘센트단자(R) 역시 외관이 동일하다. 따라서 사용자가 플러그를 콘센트에 꽂을 때 제1플러그단자(IN1)가 제1 콘센트단자(N)에 반드시 연결되게 하기 위해서는 두 개의 플러그단자 중 어느 것이 제1플러그단자(IN1)인지를 알아야 하고, 동시에 두 개의 콘센트단자 중 어느 것이 제1콘센트단자(N)인지도 알아야 한다. 이러한 조건을 보장하는 것은 실제로 매우 어렵다. 설사 플러그와 콘센트의 단자 극성을 알고 있는 사용자라 하더라도 플러그를 콘센트에 꽂을 때 그 점에 주의하지 않게 되면 올바른 극성으로 연결하지 못하는 실수를 범할 수도 있다. 사용자 실수를 방지하기 위해, 플러그단자와 콘센트 단자에 극성 표시를 해두는 것도 한 가지 방법이 되겠으나, 이런 점을 모르는 사용자가 플러그를 콘센트에 꽂을 가능성도 있고, 부주의에 따른 실수 유발의 가능성을 고려할 때, 이 방법 또한 완전한 것이 되지 못하는 단점이 있다.

또한, 제 2 종래기술은 누전방지용 금속판이 '접지단자(E)'에 연결되어도 같은 효과가 얻어지는 것처럼 설명하고 있지만, 실험한 바에 의하면 누전방지용 금속판을 '중성점단자(N)'가 아닌 접지단자(E)에 연결하면 원하는 누전 및 감전 방지 효과를 얻을 수 없는 단점이 있다.

둘째는 제 2 종래기술이 제안한 누전방지용 도전성 금속판은 제 2 종래기술에서 주장하는 바와 같이 침수 시 누전 및 감전 방지 기능을 제공하지 못한다는 점이다. 여러 가지 테스트를 통해 확인한 바에 따르면, 그 원인이 누전방지용 도전성 금속판이 '평판형' 구조인 점에 있었다. 실험에 의하면, 제 2 종래기술이 제시한 바와 같이 큰 평판형의 금속판을 연결단자대 등의 아래에 배치한 구성은 연결단자대가 침수된지 수 초 내지 수십 초만에 누설전류량이 커져 누전 차단기가 작동하여 부하에 대한 전원공급이 끊기고 연결단자대를 침수시킨 물에 손을 담그면 전기 감전의 충격이 느껴졌다. 이렇게 되는 원인은 누전방지용 도전성 금속판과 단상전압단자에 연결된 제2연결단자 간의 거리가 지나치게 멀고 그들 사이에는 절연물질로 된 연결단자대의 몸체가 배치되어 그들 간의 최단 경로를 통해 전류가 흐르는 것을 방해하는 점 때문에 그들 사이의 저항값이 크고, 그에 따라 제2연결단자에서 나오는 전류량의 일부는 누전방지용 도전성 금속판으로 흘러들어가지만 나머지 상당량의 전류가 다른 곳으로 누설되기 때문인 것으로 추정된다. 제 2 종래기술은 누전방지용 평판형 도체판의 크기를 사용전압이 380V일 때 50x30cm로 제시하였지만, 시험한 바에 따르면 이보다 훨씬 더 큰 사이즈(예를 들어, 60x60cm)의 도체판을 사용하면 누전 차단기가 떨어지는 시간이 좀 더 길어지는 변화는 생기지만, 결국에는 누전 차단기가 작동하였다. 따라서 도체판의 사이즈를 키워서 해결할 수 있는 문제가 아님을 알 수 있었다. 실제적으로도 도체판이 설치될 수 있는 공간적인 제약 등의 이유로 도체판의 사이즈를 무한정 키울 수도 없는 노릇이다. 따라서 평판형 도체판의 사이즈를 키우는 방식으로는 근본적으로 해결할 수 없는 단점이다.

따라서 상기와 같은 제 1 종래기술은 전기 장치의 침수 시 누전 차단기가 정상적으로 동작하는 경우 해당 전기 장치의 동작이 정지되고, 전기 장치의 침수 시 누전 차단기가 동작하지 않은 상태를 가정하면 많은 양의 전류가 외부로 누설되어 감전사고의 위험이 매우 큰 문제점이 있고, 상기와 같은 제 2 종래기술은 누전 및 감전 방지 효과를 제공하지 못하는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

따라서 본 발명의 일 실시예는 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류를 크게 저감시켜 감전을 근본적으로 방지하기 위한 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 상기 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 사용하면서 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지함으로써 침수된 전기 장치가 정상적으로 동작하도록 하기 위한 침수 시 감전 방지 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는, 침수 시 감전 방지 장치에 있어서, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하기 위한 변압기; 상기 변압기로부터 출력되는 전원과 연결된 누전 차단기; 및 상기 누전 차단기에 연결된 플러스 노출 단자와 마이너스 노출 단자가 기 결정된 시간 차이 이내에 침수되도록 하여, 상기 누전 차단기의 차단 동작을 방지하기 위한 차단 동작 방지부를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 변압기에 있어서, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 변압기의 변압 방법에 있어서, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써, 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류를 크게 저감시켜 감전을 근본적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지함으로써, 침수된 전기 장치가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 단상2선식 저압 배전 방식을 설명하기 위한 도면,
도 2는 종래의 3상4선식 저압 배전 방식을 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래의 단상3선식 저압 배전 방식과 3상4선식 저압 배전 방식에서의 콘센트를 나타내는 도면,
도 4a는 종래의 단상2선식 저압 배전 방식에서 침수 시의 누설 전압을 측정한 결과를 나타내는 도면,
도 4b는 종래의 단상2선식 저압 배전 방식에서 침수 시의 누설 전류를 전류계를 이용하여 측정하는 상태를 나타내는 도면,
도 4c는 도 4b의 등가 회로도,
도 4d는 도 4c의 등가 회로도에서의 순간 전류 흐름을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용한 경우 침수 시의 누설 전압을 측정한 결과를 나타내는 도면,
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용한 경우 침수 시의 누설 전류를 전류계를 이용하여 측정하는 상태를 나타내는 도면,
도 6c는 도 6b의 등가 회로도,
도 6d는 도 6c의 등가 회로도에서의 순간 전류 흐름을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는 방식을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는 방식을 설명하기 위한 도면,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성점 접지 방식의 변압기 및 그 방법을 설명하기 위한 도면으로, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 나타내고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하는 변압기(50)를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예는 단상(1P) 입력 측과 2선 출력 측으로 이루어진 단상2선식 저압 배전 방식에 있어서, 2차 권선(출력 측의 권선)의 중성점(51, 2차 권선의 중간 위치)을 접지(52)와 연결하는 중성점 접지 방식을 사용한다. 그 외의 변압기 기기술은 공지 기술이므로 여기서는 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

도 5의 구성 방식에 중성선을 추가한다면, 지금은 거의 신설되지 않고 있는, 기존의 단상3선식 저압 배전 방식에서의 접지와 외형적으로는 유사하다. 그러나 단상3선식 저압 배전 방식에서는 110V 전압과 220V 전압 모두에서 누전 차단기가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는데 그 초점을 맞추었을 뿐, 전기 장치의 침수 시 누설전류에 대한 부분을 염두에 둔 것은 아니었기 때문에 현재까지도 도 5에 도시된 바와 같은 단상2선식 저압 배전 방식에서의 중성점 접지 방식이 사용되지 않고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 단상2선식 저압 배전 방식에서의 중성점 접지 방식을 사용하면, 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 양극 단자 간에 전류가 흘러, 즉 플러스(+) 전극 단자에서 마이너스(-) 전극 단자로 전류가 흐르고 그 힘이 서로 상쇄되어 양극 단자 간과 그 주변을 제외한 외부로 누설전류가 거의 발생하지 않게 된다(후술되는 도 6a 내지 도 6d 참조). 물론, 이때에 양극 단자 간에 존재하는 물이 부하로 작용하여 약 30W 정도의 전력 소비가 발생한다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용한 경우 침수 시의 누설 전압을 측정한 결과를 나타내는 도면이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용한 경우 침수 시의 누설 전류를 전류계를 이용하여 측정하는 상태를 나타내는 도면이며, 도 6c는 도 6b의 등가 회로도이고, 도 6d는 도 6c의 등가 회로도에서의 순간 전류 흐름을 나타내는 도면이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 단상2선식 저압 배전 방식에서의 중성점 접지 방식으로부터 인출된 220V 전원에서 플러스 및 마이너스 단자의 두 선을 연장하여 플라스틱 수조 속에 모두 담그고, 물속의 플러스 및 마이너스 선과 약 10cm 정도 이격된 거리에서 물과 접지 단자 간의 전압을 전압계로 측정하면, 이때 측정된 전압은 10V 이하의 전압이 나온다. 좀 더 구체적으로 예를 들어 살펴보면, 4V 내지 10V 정도의 전압이 측정된다. 따라서 일반적으로 30V 미만의 전압에서는 감전이 발생하지 않는 것으로 알려져 있으므로, 손으로 직접 물과 접지 단자를 동시에 접촉하여도 전류가 거의 흐르지 않아 감전사고가 발생하지 않게 된다. 이처럼, 전류가 거의 흐르지 않는다는 것을 도 6b에 도시된 바와 같이 물과 접지 단자 간에 전류계를 연결하여 누설되는 전류를 측정함으로써 확인할 수 있다.

여기서, 도 6b의 두 접지 간의 대지 저항값을 약 3kΩ 정도라고 가정하면 도 6b에 대한 등가 회로를 도 6c와 같이 나타낼 수 있다.

이때, 도 6d를 참조하여 등가 회로에서의 순간 전류 흐름을 살펴보면, 220V 전압에 의한 기전력의 방향(예를 들어, 도 6d에서는 위쪽에서 아래쪽의 방향)에 의하여 220V 전압에 의한 전류가 g경로를 따라 흐른 후에 물을 통하여 i경로를 따라 흐르게 된다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, d단자와 e단자 간의 전압은 220V이다. 이처럼, d단자와 e단자 간에 220V의 전위차가 있고 플라스틱 수조 속의 물을 도선으로 하는 제 1 폐회로(g경로-물의 도선-i경로)가 형성되므로 당연히 제 1 폐회로를 따라 220V 전압에 의한 전류가 흐르게 된다.

한편, d단자와 f단자 간 및 f단자와 e단자 간의 전압은 각각 110V이다. 이처럼, d단자와 f단자 간 및 f단자와 e단자 간에 각각 110V의 전위차가 있고 플라스틱 수조 속의 물을 도선으로 하는 제 2 폐회로(g경로-물의 도선-h경로) 및 제 3 폐회로(h경로-물의 도선-i경로)가 각각 형성되므로 당연히 제 2 폐회로 및 제 3 폐회로를 따라 전류가 흘러야 하는 것으로 보이지만, d단자와 f단자 간 및 f단자와 e단자 간의 전압이 110V로 서로 동일하고 그 기전력 방향이 서로 반대여서 그에 따른 전류 흐름이 서로 반대 방향이기 때문에 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 즉, 중성점(51)을 기준으로 위쪽 110V 전압과 아래쪽 110V 전압이 서로 동일하고 전류계 입장에서 두 전압에 의한 기전력 방향이 서로 반대여서 그에 따른 전류 흐름이 서로 반대 방향이기 때문에 그 힘이 거의 완전히 서로 상쇄되어 전위차도 거의 없고 전류도 거의 흐르지 않게 되며, 그에 따라 전류계의 값은 거의 "0"이 된다.

결과적으로, 침수의 우려가 많은 전기 장치에 단상2선식 저압 배전 방식에서의 중성점 접지 방식의 단상 220V를 사용하게 되면, 누전 차단기가 고장으로 동작하지 않거나 또는 누전 차단기 1차 측이 침수되는 경우가 발생하더라도 감전사고의 위험을 크게 줄일 수 있다. 다시 말하면, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써, 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류가 거의 발생하지 않아 감전을 근본적으로 방지할 수 있다.

다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조하여 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는 방식에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는 방식을 설명하기 위한 도면으로, 차단 동작 방지부(720)가 누전 차단기(710)와 일체형으로 구현된 경우를 나타내고 있다.

일반적으로, 누전 차단기(710)는 정격 전압보다 더 높은 전압이 들어오거나, 전기 장치에서 누전이 발생하는 상태를 미리 감지하여 자동으로 전기를 차단시켜 주는 배선 기구이다. 이때, 누전 차단기(710)는 인체 기준의 경우 누전 발생 후 0.03초 이내에 누전 차단 동작을 수행하여야 하고, 산업 기준의 경우 누전 발생 후 0.1초 이내에 누전 차단 동작을 수행하여야 한다. 이러한 누전 차단기(710)는 공지 기술이므로 여기서는 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다. 다만, 누전 차단기(710)는 도 5에서 전술한 변압기(50)에서 출력되는 전원과 연결되며, 플러스 단자에 연결된 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 단자에 연결된 마이너스 노출 단자(722)를 지지하는 기능을 기본적으로 수행한다. 그리고 누전 차단기(710)는 방수형 누전 차단기인 것이 바람직하다.

이때, 누전은 침수가 아닌 일반적인 상태에서 발생하는 경우와 전기 장치가 침수된 경우에 발생할 수 있다. 이렇게 누전이 발생하면 누전 차단기(710)가 정상적으로 동작하여 전기 공급을 차단함으로써, 후단의 전기 장치의 동작이 정지된다.

그런데, 도 5 및 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 전술한 바와 같이, 단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용함으로써, 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 그 단자들로부터 외부로 누설되는 누전전류를 크게 저감시켜 감전을 방지할 수 있다면, 침수로 인하여 누전이 발생한 경우에는 누전 차단기의 차단 동작을 방지하여 후단의 전기 장치(특히, 가로등, 교통신호제어기, 지하 시설물의 콘센트 등)가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

따라서 본 발명의 다른 실시예는 전기 장치의 노출된 플러스 및 마이너스 단자가 기 결정된 시간 차이 이내(예를 들어, 0.03초 이내)에, 즉 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기(710)의 차단 동작을 방지하기 위한 차단 동작 방지부(720)를 포함한다.

이때, 차단 동작 방지부(720)는 누전 차단기(710)의 플러스 단자에 연결된 플러스 노출 단자(721)와 누전 차단기(710)의 마이너스 단자에 연결된 마이너스 노출 단자(722)를 기 결정된 이격 거리(예를 들어, 7mm 내지 8mm)를 가지면서 하단이 평형이 되도록 구비하여, 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)가 기 결정된 시간 차이 이내(예를 들어, 0.03초 이내)에 침수되도록 하여 플러스 노출 단자(721)에서 마이너스 노출 단자(722)로 전류가 흐르도록 하여, 누전 차단기(710)의 차단 동작을 방지한다. 즉, 차단 동작 방지부(720)는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 하단이 평형(설치 시에 물방울 수평계 등을 이용하여 하단이 평형이 되도록 설치함)을 이루도록 하여 두 단자가 거의 동시에 침수되도록 하여 플러스 노출 단자(721)에서 마이너스 노출 단자(722)로 전류가 흐르도록 함으로써, 누전 차단기(710)가 침수로 인한 누전 상태를 감지하지 못하도록 하여 차단 동작이 일어나지 않도록 할 수 있다.

그리고 차단 동작 방지부(720)는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)를 지지하여 이격 거리 및 하단 평형을 유지하기 위한 지지 부재(723)를 더 포함한다. 이때, 지지 부재(723)는 누전 차단기(710)로부터 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)가 인출되는 선의 세 위치(상단, 중단, 하단) 중 어느 한 위치에 구비되어도 무방하나, 좀 더 확실하게 이격 거리 및 하단 평형을 유지하기 위해서는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 측의 위치(즉, 하단)에 구비되는 것이 바람직하며, 더욱 확실하게 이격 거리 및 하단 평형을 유지하기 위해서는 누전 차단기(710)로부터 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)가 인출되는 선의 세 위치(상단, 중단, 하단) 모두에 구비되거나 인출되는 선 전체에 구비되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 지지 부재(723)는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)를 각각 지지하도록 두 개로 구현할 수도 있다.

그리고 차단 동작 방지부(720)는 물의 유속으로부터 차단 동작 방지부(720)를 보호하기 위한 보호 케이스(723)를 더 포함한다. 일반적으로, 침수의 경우 물의 흐름이 없이 차오르는 경우도 있지만, 대부분 흐르는 물에 의해 침수가 발생한다. 그런데, 차단 동작 방지부(720)의 경우 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간의 이격 거리 및 하단 평형을 유지하여야 한다. 이를 위하여, 차단 동작 방지부(720)는 물의 유속으로 인하여 차단 동작 방지부(720)가 유동되는 것을 방지하기 위하여 보호 케이스(723)를 더 포함한다.

이때, 보호 케이스(723)는 물이 입수되고 배출되도록 하며, 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 이물질 유입 방지부(725)를 더 포함한다. 이때, 이물질 유입 방지부(725)는 구체적으로 이물질 거름망 등으로 구현할 수 있으며, 침수 시 보호 케이스(723) 내에 물이 서서히 차오르도록 하기 위하여 보호 케이스(723)의 하단에 구비되는 것이 바람직하다. 여기서, 이물질 유입을 방지하는 이유는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간에 이물질이 삽입되어 차단 동작 방지부(720)가 오동작하는 것을 방지하기 위해서이다.

그리고 보호 케이스(723)는 물이 입수되는 경우 내부의 공기가 배기되도록 하기 위한 공기 배기부(726)를 더 포함한다. 이때, 공기 배기부(726)는 보호 케이스(723)의 상단 위치이면 좌우 또는 중앙 등 어느 위치에 구비되어도 무방하다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는 방식을 설명하기 위한 도면으로, 차단 동작 방지부(720)가 누전 차단기(710)와 별도로 구현된 경우를 나타내고 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 710 내지 726의 각 구성 요소는 도 7에서 전술한 바와 같이 구비되어 동일하게 동작하므로, 여기서는 더 이상 설명하지 않기로 한다.

다만, 차단 동작 방지부(720)는 차단 동작 방지부(720)를 고정하기 위한 고정부(810)를 더 포함한다. 이때, 고정부(810)는 차단 동작 방지부(720)가 수평이 되도록 고정하기 용이하게 하기 위하여 예를 들어 볼트를 상하로 이동시키면서 차단 동작 방지부(720)가 수평이 되도록 고정할 수 있도록 한다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이, 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 하단이 평형을 이루도록 하여 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)가 기 결정된 시간 차이 이내(예를 들어, 0.03초 이내)에 침수되도록 하고 또한 플러스 노출 단자(721)에서 마이너스 노출 단자(722)로 전류가 잘 흐르도록 하기 위해서는, 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간의 이격 거리를 줄이는 것이 바람직하다. 그러나 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간의 이격 거리를 너무 줄이면 이물질 등으로 인한 오작동의 우려가 있다.

따라서 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 차단 동작 방지부(720)는 절연 물질(절연체)로 이루어져 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간의 이격 거리를 기 결정된 이격 거리(예를 들어, 3mm 내지 5mm)로 줄이기 위한 이격 거리 축소부(910, 920)를 더 포함한다. 이때, 이격 거리 축소부(910, 920)는 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간의 일부 위치에 삽입(도 9a 참조)되거나, 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 일부 위치를 감싸는 형태(도 9b 참조)로 구현할 수 있으며, 그에 따라 침수 시 플러스 노출 단자(721)에서 마이너스 노출 단자(722)로 전류 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다.

여기서, 이격 거리 축소부(910)는 이격 거리 및 하단 평형을 유지하기 위하여 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)를 지지하는 기능을 더 수행한다.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 이격 거리를 축소함으로써, 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)의 하단이 평형을 이루도록 하기 쉽고 그에 따라 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722)가 기 결정된 시간 차이 이내(예를 들어, 0.03초 이내)에 침수되도록 하기 용이하며 또한 플러스 노출 단자(721)에서 마이너스 노출 단자(722)로 전류가 더욱 잘 흐르도록 할 수 있을 뿐만 아니라 플러스 노출 단자(721)와 마이너스 노출 단자(722) 간에 존재하는 물이 부하로 작용하여 발생하는 전력 소비를 줄일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 전기 장치의 노출된 단자들이 거의 동시에 침수되도록 하여 누전 차단기의 차단 동작을 방지함으로써, 침수된 전기 장치가 정상적으로 동작할 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

50 : 변압기 51 : 중성점
52 : 접지 710 : 누전 차단기
720 : 차단 동작 방지부

Claims (16)

1. 침수 시 감전 방지 장치에 있어서,
   단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하기 위한 변압기;
   상기 변압기로부터 출력되는 전원과 연결된 누전 차단기; 및
   상기 누전 차단기에 연결된 플러스 노출 단자와 마이너스 노출 단자가 기 결정된 시간 차이 이내에 침수되도록 하여, 상기 누전 차단기의 차단 동작을 방지하기 위한 차단 동작 방지부
   를 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 차단 동작 방지부는,
   상기 누전 차단기의 플러스 단자에 연결된 상기 플러스 노출 단자와 상기 누전 차단기의 마이너스 단자에 연결된 상기 마이너스 노출 단자를 기 결정된 이격 거리를 가지면서 하단이 평형이 되도록 구비하여, 상기 플러스 노출 단자와 상기 마이너스 노출 단자가 상기 기 결정된 시간 차이 이내에 침수되도록 하여 상기 플러스 노출 단자에서 상기 마이너스 노출 단자로 전류가 흐르도록 하여, 상기 누전 차단기의 차단 동작을 방지하는, 침수 시 감전 방지 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 차단 동작 방지부는,
   상기 플러스 노출 단자와 상기 마이너스 노출 단자를 지지하여 상기 이격 거리 및 하단 평형을 유지하기 위한 지지 부재
   를 더 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 차단 동작 방지부는,
   물의 유속으로부터 상기 차단 동작 방지부를 보호하기 위한 보호 케이스
   를 더 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 보호 케이스는,
   물이 입수되고 배출되도록 하며, 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 이물질 유입 방지부
   를 더 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 이물질 유입 방지부는,
   물이 서서히 차오르도록 하기 위하여 상기 보호 케이스의 하단에 구비된, 침수 시 감전 방지 장치.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 보호 케이스는,
   물이 입수되는 경우 내부의 공기가 배기되도록 하기 위한 공기 배기부
   를 더 포함하는, 침수 시 감전 방지 장치.
   
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
   절연 물질로 이루어져 상기 플러스 노출 단자와 상기 마이너스 노출 단자 간의 이격 거리를 줄이기 위한 이격 거리 축소부
   를 더 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 이격 거리 축소부는,
   상기 플러스 노출 단자와 상기 마이너스 노출 단자를 지지하는, 침수 시 감전 방지 장치.
   
10. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차단 동작 방지부는,
    상기 차단 동작 방지부를 고정하기 위한 고정부
    를 더 포함하는 침수 시 감전 방지 장치.
    
11. 변압기에 있어서,
    단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하는, 변압기.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 중성점 접지 방식은,
    출력 측의 2차 권선의 중성점을 접지와 연결하는, 변압기.
    
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 변압기에 연결된 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 플러스 단자에서 마이너스 단자로 전류가 흐르고, 중성점 접지 방식에 의해 접지 측으로 흐르는 전류가 상쇄되도록 하여 누설 전류 발생을 방지하는, 변압기.
    
14. 변압기의 변압 방법에 있어서,
    단상2선식 저압 배전 방식에서 중성점 접지 방식을 사용하여 전압을 공급하는, 변압 방법.
    
15. 제 14항에 있어서,
    상기 중성점 접지 방식은,
    출력 측의 2차 권선의 중성점을 접지와 연결하는, 변압 방법.
    
16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 변압기에 연결된 전기 장치의 노출된 단자들이 침수되는 경우 플러스 단자에서 마이너스 단자로 전류가 흐르고, 중성점 접지 방식에 의해 접지 측으로 흐르는 전류가 상쇄되도록 하여 누설 전류 발생을 방지하는, 변압 방법.

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