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KR100299015B1 - 자체시험회로차단기의접지고장및스퍼터링아크트립장치 - Google Patents

자체시험회로차단기의접지고장및스퍼터링아크트립장치 Download PDF

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KR100299015B1
KR100299015B1 KR1019940023422A KR19940023422A KR100299015B1 KR 100299015 B1 KR100299015 B1 KR 100299015B1 KR 1019940023422 A KR1019940023422 A KR 1019940023422A KR 19940023422 A KR19940023422 A KR 19940023422A KR 100299015 B1 KR100299015 B1 KR 100299015B1
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South Korea
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레이몬드와렌맥켄지
존안소니워퍼
Original Assignee
존 씨. 메티유
이턴 코포레이션
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Abstract

본 발명은 회로 차단기용 접지고장 트립장치에 관한 것으로, 전류 변환기 감지코일(들)을 통과하는 시험 도선, 및 중성점-접지고장을 시뮬레이트하는 루프내에서 시험 도선을 선택적으로 접속시키는 시험 스위치를 포함하는 수동 시험회로에 의해 시험된다. 휴지발진 접지고장 시험회로에서, 시험 도선 루프는 감지코일 양쪽을 통과한다. 중성점-접지 검출기가 하나의 공통 감지코일을 가지는 스퍼터링 아크고장 검출기와 조합될 때, 모든 부품의 시험은, 라인 도선으로부터 얻는 펄스를 2차 감지코일에 주입하거나, 또는 대안적으로, DC 전원으로부터 충전된 콘덴서를 2차 감지코일을 따라 접속시키는 추가 시험회로를 추가함으로써 성취된다. 이러한 대안적인 시험회로 모두는 스퍼터링 아크트립을 발생하는데 필요한 연속적인 사상을 발생시킨다.

Description

자체시험 회로 차단기의 접지고장 및 스퍼터링 아크 크립장치
제1도는 감지코일을 공유하고, 접지고장 검출회로에 결합된, 본 발명에 따른 시험회로의 실시예를 포함하는 스퍼터링 아크 고장 회로 차단기의 개략도.
제2도는 제1도의 회로부분을 형성하는 집적회로의 개략 회로도.
제3도는 제1도 및 제2도의 회로 차단기용 추가 시험회로의 부분 블록으로 된 개략 회로도.
제4도는 제1도 및 제2도의 회로 차단기용의 또 다른 시험회로의 부분 블록도로 된 개략 회로도.
제5도는 본 발명에 따른 시험회로를 포함하는 접지고장 검출회로에 결합된 또다른 스퍼터링 아크 고장 회로 차단기의 개략 회로도.
제6도는 제5도의 회로 차단기의 일부를 형성하는 집적회로의 개략 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 회로 차단기 3 : 스퍼터링 아크 검출기
7 : 전기시스템 9 : 라인 도선(line conductor)
11 : 중성 도선(neutral conductor) 21, 23 : 전류 검출변환기
25 : 2차 권선 29 : 집적회로
41 : 트립 솔레노이드 67 : 저역필터
87, 89, 99, 101 : 비교기 107 : 계수회로
119, 129, 159 : 시험회로
본 발명은 회로 차단기용 전자 트립유닛(trip unit)에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 접지고장 및 스퍼터링 아크고장에 응답하고 이들 특성을 전부 시험하는 시험회로를 포함하는 트립장치에 관한 것이다.
종래의 주거, 경공업 및 상업용 회로 차단기는 지연된 트립(trip)을 제공하기 위해 보통 크기의 영속적인 과전류에 응답하는 열트립장치 및 큰 크기의 과전류에 순간적으로 응답하는 자기 트립장치를 지닌다. 따라서, 고장전류는 소정의 크기, 예를 들면 발생할 순시 트립에 대해 10배의 정격 전류가 되거나, 과전류가 지연 트립을 이행하기 위해 소정의 시간간격에 걸쳐서 소정의 평균값을 유지해야 한다.
최근에 이러한 회로 차단기에 접지고장 트립유닛을 합체하는 것이 보통이다. 접지고장 트립유닛은 라인 도선과 접지, 중성 도선과 접지 사이의 고장을 검출한다. 라인-접지고장은 환형 코일형의 차동 변환기에 의해 통상적으로 검출된다. 라인 및 중성 도선은 라인-접지고장 없이 전류가 동일하고, 반대가 되도록 코일을 통과하여 2차적으로 어떤 신호도 발생하지 않는다. 라인-접지고장은 레벨 검출되는 2개의 도선에서 전류의 불균형을 크게한다. 회로 차단기 부근에 접지된 코드는 중성 도선을 필요로 한다. 따라서, 보호장치에서 중성점-접지고장은 중성 도선과 접지 사이의 루프를 폐쇄시킨다. 일반적으로, 중성점-접지고장은, 피드백이 중성점-접지고장에 의해 완료되는 루우프를 통과하는 경우 발진을 발생시키는 중성 도선에 신호를 제공함으로써 검출된다.
일반적인 형태의 접지고장 검출기는 휴지(dormant) 발진회로이다. 이 접지고장회로는 2개의 감지코일을 포함한다. 먼저 하나는 라인-접지 고장을 검출하는 차동 변환기 역할을 하고, 중성점-접지고장은 2개의 코일을 접속하여 연산 증폭기가 발진하게 하는 피드백을 제공한다.
접지고장 회로 차단기는 회로의 라인-접지 고장부를 시험하는 시험회로를 합체하는 것이 통상적이다. 통상, 이것은 차동 변환기를 통과하는 시험 도선을 포함하고, 라인과 중성 도선을 지나는 스위치에 의해 선택적으로 접속된다. 중성점-접지고장을 시험하는 장치는 현재 제공된 것이 없다.
최근, 스퍼터링 아크고장으로부터 전기시스템의 보호에 관심이 있게 되었다. 스퍼터링 아크고장은 피복이 없는 벗겨진 도선이 접촉할 때 발생한다. 이러한 고장에 의해 야기되는 전류는 도선을 멀리 미는 자기척력을 발생시킴으로써, 아크를 발생시킨다. 이 아크는 전류가 제로로 될 때 사라진다. 기계적인 힘 또는 정전력은 도선을 다시 접속시키고, 사이클이 반복된다. 이러한 고장으로 인한 아크는, 특히 연장 코드(extension cord)와 같은 꼰 와이어 도선에서, 도선의 구리를 녹일 수 있고, 이것은 주위 재료를 점화시킬 수 있다. 이러한 고장이 화재의 위험을 제공하고 있지만, 열 또 자기 트립장치에 의해 검출될 만큼 전류가 충분히 높지는 않다.
미합중국 특허 제5,224,006호는 스퍼터링 아크고장에 응답하는 전자 트립유닛을 가진 회로 차단기를 개시하고 있다. 이 트립유닛은 전압고장 및 과전류에 의해 발생되는 사인파형이 아니라 계단형 전류파형을 발생시킨다는 원리를 근거로 한다. 따라서, 트립유닛은, 열 및 자기 트립장치의 픽업레벨 이하의 피크 전류를 지닌 스퍼터링 아크고장이 회로 차단기를 트립하도록 레벨 검출되는 대역폭 제한 di/dt 신호를 발생시킨다.
미합중국 특허 제5,224,006호의 스퍼터링 아크고장 검출기는, di/dt 신호를 발생하기 위해, 중성점-접지고장 검출용 피드백을 제공하는, 휴지발진 접지고장 검출기의 감지코일을 이용한다.
레이몬드 W. 매켄지(Raymond W. Mackenzie) 및 죠셉 C. 엔겔(Joseph C. Engel)씨의 1993년 2월 26일자로 제출한 "Circuit Breaker Responsive to Repeated In-Rush Currents Produced by a Sputtering Arc Fault"라는 제목을 가지며, 양수인의 WE 57,406으로 확인된 특허출원 일련번호 제023,435호는, 스퍼터링 아크고장에 의해 발생한 전류의 높은 값에 빠르게 턴온(turn on)하는 것을 특징으로 하는 아크 파형이 몇몇 응용장치 또는 동시에 스위치 온 되는 응용장치 군에 의해서도 또한 발생한다는 문제점을 제시한다. 이 응용장치에 의해 발생한 인-러쉬(in-rush) 전류의 크기는 스퍼터링 아크고장에 의해 발생한 전류보다 크지 않아, 적당한 레벨 검출기를 설치함으로써 거짓 트립을 방지할 수 있을지라도, 이 후자의 특허출원은, 스퍼터링 아크고장이 반복적으로 되는 반면 인-러쉬 전류가 단일 사건임을 인식함으로써 스퍼터링 아크고장과, 응용장치의 인-러쉬 전류간에 구별을 제공한다. 따라서, 본 특허출원에서의 트립유닛은 di/dt 신호가 소정의 시간간격내에서 임계값을 초과하는 횟수를 계수한다.
상기 특허출원에서 설명한 트립유닛은 단지 라인-접지 트립 기능만을 시험하는 전술한 시험회로를 포함한다. 트립유닛은 중성점-접지 검출기나 또는 스퍼터링 아크검출기는 시험하지 않는다. 중성점-접지고장을 포함하는 접지고장을 위한 완전검사 및 스퍼터링 아크 검출기를 시험하기 위한 개량된 전자 트립유닛이 필요하다.
중성점-접지고장 검출기능은 물론 라인-접지고장 검출기능을 시험할 수 있는 자체시험 트립유닛을 지향하는 본 발명에 의해 이러한 요구 및 기타요구가 충족된다. 또한, 본 발명의 자체 시험 트립유닛은 트립유닛의 스퍼터링 아크 검출기능을 시험하기 위해 구비된다. 따라서, 전자 트립유닛의 모든 트립기능이 전부 시험된다.
특히, 트립유닛의 중성점-접지 기능을 시험하기 위해, 수동 시험수단은 전류 감지코일을 통과하는 시험 도선과, 이 감지코일을 통과하는 루프내의 시험도체를 선택적으로 접속시키는 스위치를 포함한다. 시험 스위치를 폐쇄하면. 중성점-접지고장이 시뮬레이트 된다. 휴지발진 접지고장 검출기인 경우에, 시험 도선은 스위치가 폐쇄될 때 코일간을 결합하기 위해 감지코일 모두를 통과한다. 감지코일들 모두를 포함하는 전체 휴지 발진회로가 중성점-접지고장을 검출하도록 작동해야 하기 때문에, 이 간단한 수동 시험장치는 휴지발진 접지고장 검출기의 완전한 시험이 된다.
스퍼터링 아크고장 검출기에서 수단이 다음에 레벨 검출되는 대역폭 제한 di/dt 신호를 발생하기 위해 전류 감지코일의 2차측에 접속되어 있는 경우, 코일의 1차측에 필요한 신호의 크기를 발생하기 어렵기 때문에 시험 신호가 감지코일의 2차측에 전달된다. 그러나, 스퍼터링 아크 검출기가 접지고장 검출기의 전류 감지코일에 결합되고 이 감지코일을 이용하는 경우, 접지고장 시험은 코일의 시험을 제공한다.
스퍼터링 아크고장 검출기를 시험하는 시험신호를 주입하는 수단은, 제1실시예에서 전류 감지코일의 2차측에 접속된 임피던스와 이 임피던스를 라인 도선에 선택적으로 접속시키는 스위치를 포함한다. 스퍼터링 아크 검출기가 대역폭 제한 di/dt 신호가 임계값을 초과하는 횟수를 계수하는 수단을 포함하는 경우, 라인 도선으로부터의 AC의사이클은 검출기를 시험하는데 필요한 반복 현상(事象)을 제공한다.
시험신호를 스퍼터링 아크고장 검출기에 주입하는 대안적인 구성은, 전류 감지코일의 2차 권선에 접속된 콘덴서와 이 콘덴서를 충전시키는 수단을 포함한다. 스위치는, 콘덴서를 충분한 크기의 발진을 발생시키는 감지코일의 2차 권선에 선택적으로 방전시켜, 대역폭 제한 di/dt 신호가 선택된 시간간격내에서 요구되는 횟수인 임계수준을 초과하게 한다. 중성 도선의 저항률에 따라 전압 강하를 측정하고, 저역필터 및 고역필터를 통과해 얻어진 신호를 통과시키는 스퍼터링 아크고장을 감지하는 대안적인 방법에서, 위에서 언급한 특허출원 일련번호 제023,435호에 설명되어 있듯이, 시험신호는 상기 임피던스를 라인 도선에 접속시키기 위해, 임피던스와 시험 스위치 수단에 의해 제1필터 섹션의 출력에 주입된다.
본 발명을 미합중국 특허 제4,081,852호에 설명된 차단회로와 같은 종래의 주거용 회로 차단기에 응용한 것으로 설명한다. 이 회로 차단기는 열-자기 과전류 트립 메커니즘과, 몰드 하우징내에서 병렬의 칸막이에 설치된 접지고장 검출기를 포함한다. 접지고장 검출기는, 열-자석 트립 메커니즘을 작동하여 접지고장에 따라 회로 차단기를 트립하기 위해 몰드 하우징의 2개의 칸막이(compartment) 사이의 벽을 통해 연장되는 플런저를 가진 트립 솔레노이드를 포함한다.
도 1에 도시되어 있듯이, 바람직한 실시예에서 본 발명의 회로 차단기(1)는 접지고장 검출기(5)를 지닌 스퍼터링 아크 검출기(3)를 포함한다. 회로차단기(1)는, 부하(13)에 전력을 제공하는 라인 도선(9)과 중성 도선(11)을 포함하는 전기시스템(7)을 보호한다. 부하(13) 및 볼트된 라인-중성점 고장에 의해 제공된 전형적인 과전류에 대항하여 보호하는 것외에, 추가해서 본 발명의 회로 차단기(1)는 라인 도선(9)과 중성 도선(11) 사이, 및 라인-접지고장(17)과 중성점-접지고장(19) 사이의 스퍼터링 아크고장(15)에 대항하여 보호한다. 위에서 언급했듯이, 스퍼터링 아크고장(15)은, 닳거나 까진 절연으로 인한 라인 및 중성 도선의 피복이 없는 부분이 접촉함으로써 일어난다. 전기시스템(7)의 고장은 회로 차단기(1)의 전류 감지 변환기(21, 23) 형태의 전류센서에 의해 검출된다. 전류 감지 변환기(21, 23)는 환형 코일이다. 라인 도선(9)과 중성 도선(11)은 1차 전류 변환기를 형성하도록 환형 코일(21)의 구멍을 통과한다. 전류 변환기(23)는 환형 코일의 구멍을 통과하는 중성 도선(11)의 형태로 단일 1차 코일을 지닌다. 전류 변환기(21)의 2차 권선(25)과 전류 변환기(23)의 2차 권선(27)은 집적회로(29)에 각각 접속되어 있다.
전류 변환기(21)는 라인-접지고장을 검출한다. 전기시스템(7)에서 라인-접지고장이 없으면, 변환기의 1차 코일을 형성하는 라인 및 중성 도선(9, 11)을 통과하는 전류는 어떠한 전류도 2차 권선(25)에서 유도되지 않도록 동일하고 반대이다. 라인 도선(9)이 접지되면, 이 도선을 큰 전류가 통과하고, 알맞은 전류가 2차 권선(25)에서 유도되도록 전류가 중성 도선(11)을 거의 또는 전혀 통과하지 않는다. 이 신호가 DC 차단 콘덴서(31)를 통하고 NEGGFI 및 POSGFI 입력을 통해 집적회로(IC)(29)에 인가되어 IC의 연산 증폭기(설명할 것임)의 오프셋이 전류 변환기(21)에 인가되지 않도록 한다. 저항(33)은, 전류 변환기(21)의 직렬 접속 콘덴서(31)와 2차 권선(25)에 의해 야기되는 공진을 결정적으로 감쇠시킨다. IC 입력 맞은 편의 콘덴서(35)는 잡음을 억제한다. 피드백 저항(37)은 IC(29)의 연산 증폭기의 이득을 설정한다.
아래에서 자세히 설명되어 있듯이, 전류 변환기(21)의 2차 권선(25)에서 전류의 크기가 라인-접지고장을 검출하기 위해 선택된 임계값을 초과하면, IC(29)의 OR 출력이 SCR(39)을 턴 온 하기 위해 높아진다. SCR(39)을 턴 온 하면, 라인 및 중성 도선에 의해 제공된 전류로 트립 솔레노이드(41)를 통전시키기 위해 전류를 제공한다. 이 전류는 다이오드(43)에 의해 정류된 반파이다. SCR(39)은, 콘덴서(47)에 의한 게이트상에서의 잡음과, 금속산화 바리스터(MOV)(45)에 의한 서지(surge)로부터 보호된다. 트립 솔레노이드(41)를 통전시키면, 미합중국 특허 제4,081,852호에 설명되어 있듯이, 트립 메커니즘(49)이 작동하게 되어 라인 도선(9)의 접점(51)을 개방시킨다.
다이오드(43)는 또한 DC 전력을 IC(29)의 션트 레귤레이터(shunt regulator)에 제공한다. IC에 의해 제공된 전류는 트립 솔레노이드(41)를 작동시키는데 불충분하다. IC(29)의 전원은 필터 콘덴서(53), 공급전류레벨을 결정하는 한쌍의 저항(55, 57)을 포함한다. DC 전력이 IC(29)의 VPOS 입력에 제공된다. VNEG 핀이 중성 도선의 접지에 접속되어 있다. 바이패스 콘덴서(59)는 VPOS 입력에 교류가 없는 것으로 해야 한다. 이와 유사하게 또 다른 바이패스 콘덴서(61)는 POSGFI 입력의 교류를 제거한다.
접지고장 검출기(5)는 휴지발진형이다. 전류 변환기(23)의 2차 권선(27)은, IC(29)의 연산 증폭기의 출력에 접속되며, 결합 콘덴서(63)를 통해 핀 GAMP에 접속되어 있다. 중성점-접지고장 검출기는 전류 감지 변환기(21, 23)를 통해 2차 권선(25, 27)을 결합하여, IC(29) 주위에 피드백 루우프를 형성함으로써 IC의 연산 증폭기를 발진시킨다. 이 발진 주파수는 콘덴서(63, 65)의 값 선택은 물론 전류 감지 변환기(21, 23)의 파라미터를 선택함으로써 설정될 수 있다. 예시적인 회로 차단기에서, 이 주파수는 약 20 KHz이다. 발진의 크기가 선택된 임계값을 초과할 때, SCR(39)은 회로 차단기를 트립하도록 기동된다.
본 발명에 따라, 또한 전류 감지 변환기(23)는 스퍼터링 아크고장 검출을 위해 전류를 감지하는데 이용된다. 스퍼터링 고장 검출에 필요한 전류 신호의 변화비, di/dt는 트립을 발생하는데 필요한 전류레벨에서 포화하지 않는 전류 감지 변환기(23)내에 코어를 구비함으로써 발생된다. 적절한 코어의 재료는 mu가 낮고, 플럭스(flux) 포화 레벨이 큰 분말철이다. 이러한 코어는 단지 발진주파수를 소량만큼 증가시킴으로써 중성점 접지 검출에 영향을 준다.
전류 감지 변환기(23)의 2차 권선(27)에서 발생한 di/dt 신호는 저역필터(67)를 통과함으로써 대역폭 제한이 된다. 이것은, 제1극이 콘덴서(69) 및 저항(71)에 의해 형성되고, 제2극은 콘덴서(73) 및 저항(75)에 의해 형성된 2극 저역필터이다. 예시적인 회로 차단기의 이 저역필터(67)는 약 2KHz에서전력점을 갖는다. 위에서 참고한 관련 특허출원에서 설명했듯이, di/dt 신호는 과전류, 라인-중성점 고장 및 스퍼터링 아크고장을 표시하는데 이용된다. 대역폭 제한 저역필터(67)의 파라미터는, 스퍼터링 아크고장으로 발생한 di/dt 신호의 스파이크(spike)를 감쇠시키고, 과전류 라인-중성점 고장의 사인파 전류에 대한 회로의 상대적 민감도와 스퍼터링 아크고장의 스텝기능을 조절하도록 선택되었다. 위에서 언급했듯이, 본 발명은, 소정의 시간주기내에서 검출된 스텝기능의 수를 계수함으로써 어떤 응용장치에 의해 발생한 인-러쉬 전류로부터 스퍼터링 아크고장을 구별한다. 콘덴서(77) 및 저항(79)은 아래에서 설명하는 방식으로, 선택된 시간간격을 설정한다.
도 2는 IC(29)의 개략 회로도이다. 칩(29)은 VPOS 및 VNEG 핀을 통해 위에서 설명한 반파 정류전원에 의해 통전되는 전원(81)을 지닌다. 연산 증폭기(83)는 비교기(87, 89)를 포함하는 윈도우 비교기(85)에 적용하기 위해 전류 감지 변환기(21)의 2차 측에서 신호를 증폭시킨다. 비교기(87)는, 라인-접지고장을 검출하기 위해 양의 임계값인 전원(81)에 의해 제공되는 기준 전압에 의해 바이어스 된다. 유사하게, 음의 임계값 바이어스 전압이 비교기(89)에 인가된다. 전원 전압의 거의 중간점인 바이어스 전압이 연산 증폭기(83)의 비반전 입력에 인가된다. 풀업 저항(91)은 비교기(87, 89)의 출력과 VPOS 사이에 접속되어 있다. 또한, 비교기의 출력은, OR 회로(93)의 반전입력에 접속되어 있고, 이 OR 회로의 출력은 IC(29)의 OR 핀을 통해 SCR(39)의 게이트에 접속되어 있다. 일반적으로, 비교기(87, 89)의 출력은 SCR(39)이 게이트 작용이 되지 않도록 높다. 라인-접지고장이 있으면, 전류 감지변환기(21)의 2차 권선(25)에서 발생한 신호는, 부하전류의 교번하는사이클 동안 비교기(87, 89)에 인가된 임계값을 초과시킨다. 접지고장 전류의 양의사이클은, 비교기(87)의 출력을 낮게 함으로써 OR 회로(93)의 출력이 SCR(39)을 게이트 작용하도록 높아지고, 트립 솔레노이드를 통전시킨다. 부의사이클 일 때, 비교기(89)는 SCR(39)를 턴 온 한다.
위에서 설명했듯이, 중성점-접지고장인 경우, 제2전류 감지 변환기(23)는, IC(29)의 GAMP 핀에 접속된 결합 콘덴서(63)를 통해 연산 증폭기(83)의 출력에 접속되어 있다. 중성점-접지 고장은, 연산 증폭기(83)의 출력에 접속된 전류 감지 변환기(23)와, 입력에 접속된 전류 감지 변환기(21) 사이에서 피이드백 루프를 완성한다. 이 발진의 크기가 윈도우 비교기(85)의 임계값을 초과할 때, SCR(39)은 OR(93)을 통해 게이트 된다.
언급되어 있듯이, 전류 감지 변환기(23)가 또한 스퍼터링 아크고장을 검출하는데 이용된다. 저역필터(67)에 의해 대역폭 제한된 2차 권선(27)에 발생한 di/dt 신호는 팔로워(follower) 연산 증폭기(95)를 통해, 비교기(99, 101)를 구비하는 제2윈도우 비교기(97)에 인가된다. 비교기(99, 101)는 대역폭 제한 di/dt 신호를 전원(81)에 의해 설정된 양 및 음의 임계값과 비교한다. VPOS에 접속된 풀업 저항(103)은, 대역폭 제한 di/dt 신호가 선택된 제한범위내에 있을 때, 비교기(99, 101)의 출력에서 높은 논리신호를 유지한다. 스퍼터링 아크고장을 나타내는 전류 파형이 검출될 때, 윈도우 비교기(97)의 출력이 낮아진다. 어떤 응용장치가 유사한 파형을 발생시킬 수 있기 때문에, 크기가 작을지라도, 계수회로(107)가 윈도우 비교기(97)의 출력에 제공된다. 계수회로(107)는 윈도우 비교기(97)의 임계값이 초과되는 경우를 계수한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 계수회로(107)는 2개의 이러한 경우가, 설정된 시간 간격 내에서 발생함에 따라 트립 신호를 발생시킨다.
계수회로(107)는 D형 플립-플롭(109)을 포함한다. 플립-플롭(109)은 인버터(111)를 통해 윈도우 비교기(97)의 출력에 의해 클록 동작된다. 또한, 윈도우 비교기(97)의 출력은 다이오드를 통해 비교기(115)의 반전 입력에 접속되어 있다. 이 비교기(115)는 윈도우 비교기(97)의 출력을 전원(81)에 의해 발생한 양의 임계전압과 비교한다. 통상, 이 기준 전압은 전원 전압의 약이다. 비교기(115)의 출력은 플립-플롭(109)의 데이터 입력 D에 인가된다. 도 2의 회로에 있어 이용되지 않는 플립-플롭(109)의 Q 출력은, 클록펄스가 CLK 입력에 인가될 때 D 단자에서의 신호의 논리값으로 된다. 따라서, 플립-플롭의출력은, 플립-플롭이 클록 동작될 때, D 입력에 인가된 신호와 논리값이 반대로 된다.는 OR(93)의 반전입력에 접속되어 있다.
또한, 비교기(115)의 반전입력은, IC(29)의 RC 핀을 통해 타이밍 콘덴서(77)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 콘덴서(77)의 타측은 VPOS에 접속되어 있다. 정상적인 환경하에서, 콘덴서(77)는 분기 저항(79)에 의해 방전된다. 따라서, 비교기(115)의 출력은 낮다. 윈도우 비교기(97)의 출력이, 처음으로 낮아질 때, 스퍼터링 아크고장 현상임을 표시하면서, 플립-플롭(109)은 펄스의 리딩 엣지(leading edge)에 의해 클록 동작된다. D 입력이 클럭펄스 인가시 낮았었기 때문에,출력은 높은 상태로 유지되고, 어떤 게이트 신호도 OR(93)를 통해 SCR(39)에 인가되지 않는다. 윈도우 비교기(97)의 출력이 낮아질 때, 콘덴서(77)는 거의 VPOS에 딸린 다이오드를 통해 급속히 충전된다. 비반전 입력의 전압이 기준 전압을 초과함에 따라, 비교기(115)의 출력은 높아진다. 스퍼터링 아크 전류가 피크 크기에 도달함에 따라 윈도우 비교기(97)의 출력이 다시 높아질 때, 콘덴서(77)는 저항(79)을 통해 방전하기 시작한다. 이들 성분의 값들은, 콘덴서(77)의 전압이 소정의 시간간격동안 비교기(115)에 가해진 기준전압 이상으로 유지되도록, 설정된다. 설명했던 바와 같이, 적당한 시간간격은 약 1초이다. 스퍼터링 아크고장을 표시하는 윈도우 비교기(97)의 출력이 타이머의 설정시간이 종료하기 전에 낮아지면, 플립-플롭(109)의 D 입력은, 플립-플롭이 클록 동작될 때 높아질 것이므로, OR(93)의 출력으로 하여금 높아지게 하고, SCR(39)로 하여금 게이트 온(gate on)되게 하여 트립 솔레노이드(41)를 통전시키면서,출력이 낮아질 것이다.
관련응용의 회로 차단기를 포함하는 전형적인 접지고장 회로 차단기는, 1차 전류를 전류 변환기(21)에 주입함으로써 접지고장 전자장치의 작동을 시험하는 내부 시험 스위치를 지니고 있다. 이것은 라인-접지고장에 응답하도록 오직 접지고장 회로 차단기의 능력을 시험한다. 접지된 중성점 고장 검출회로의 작동은 시험하지 않는다. 이 회로가 고장나고, 접지 중성점 고장이 라인-접지고장과 더불어 존재하는 경우, 접지고장 회로 차단기가 시험 스위치를 트립할지라도 접지 회로 차단기는 트립될 수 없다.
스퍼터링 아크 보호를 또한 포함하는 도 1 및 도 2에서 설명한 향상된 접지고장 회로 차단기(1)는, 추가로 시험문제를 복잡하게 한다. 내부 시험 스위치를 지닌 아크 검출회로를 시험하는데 필요한 1차 전류의 레벨 발생은 실용적이지 못하다. 또한, 아크 검출회로(3)는 아크 감지를 위해 접지된 중성 전류 변환기(23)를 이용하고, 라인-접지고장 시험은 이 전류 변환기의 통합성을 시험하지 못한다.
본 발명에 따라서, 더욱 안전한 접지고장 회로 차단기 자체시험은 라인-접지고장 검출 대신에 접지된 중성점 고장검출을 시험함으로써 성취된다. 접지된 중성점 고장시험은 트립하기 위해 전체 전자회로가 기능하는 것을 요구한다. 중성점-접지 시험회로(119)는, 통과하는 시험 도선(121)을 포함하고, 전류 변환기(21, 23) 모두의 또 다른 1차 권선이 된다. 저항(123)은 시험 도선(121), 및 스위치가 폐쇄될 때 변환기(21, 23)의 코일을 통과하는 루프(127)를 선택적으로 완성하는 시험 스위치(125)와 직렬로 접속되어 있다. 저항(123)은 중성점-접지고장동안 중성 도선(11) 및 접지에 의해 형성되는 루프의 최대 임피던스와 사실상 균등한 값을 갖는다. 명목상 이 값은 약 2 옴(ohm)이다. 시험 도선(121)은 이 값에 균등한 같은 분산저항을 가질 수 있으므로 개별저항의 필요성을 제거한다.
시험 스위치(125)를 폐쇄하면, 중성점-접지고장을 시뮬레이션하는 루프(127)를 형성한다. 전류 변환기(21, 23) 모두가 중성점-접지고장으로 발생할 트립신호에 대해 순서로 작동되기 때문에, 모든 접지고장 검출기가 시험된다. 시험회로(119)는 전력접속이 필요없기 때문에 라인-접지고장 시험기 보다 간단하다. 120 VAC로 인해 공간을 차지하는 선이 적기 때문에, 회로기판의 배치가 간단하다. 접지된 중성점 민감도가 초기에 과다하지 않으면, 라인-접지고장에 대한 민감도의 감소로 회로가 접지-중성점 고장 시험을 할 수 없게 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 회로 차단기(1)에 사용되는 바와 같이, 접지 중성점 고장 시험회로(119)는, 감지코일 또는 전류 변환기(21, 23), 트립코일(41, 59∼61) 및 (69∼75)를 제외한, 모든 수동 소자 대부분의 집적회로(29), 및 부품(39, 43∼47 및 53∼57)를 포함하는 전원을 구비한 대부분의 전자회로를 시험한다. 따라서, 시험회로(121)는, 검출기에 의해 이용되는 감지 코일[전류 변환기(23)]이 시험에 포함되기 때문에, 스퍼터링 아크 검출기(3)로서의 작동가능성을 향상시킨다. 이것은 스퍼터링 아크 검출기에 대한 충분한 시험이 될지라도, 회로를 100% 시험하는 것은 아니다.
스퍼터링 아크 검출기(3)에 대한 전체 전자회로는, 도 3에 도시된 제2시험 회로(129)를 이용하여 시험할 수 있다. 간단히 하기 위해, 스퍼터링 아크 검출기(3) 및 접지고장 검출기(5)를 블록도(31)로 나타냈다. 이 제2시험 회로(129)는 중성 도선(11)의 감지코일 또는 전류 변환기(23)의 2차 권선(27)과 라인 도선(9) 사이에 접속된 임피던스(153)를 포함한다. 스위치(135)는 AC 신호를 2차 권선(27)에 선택적으로 주입한다. 임피던스(153)는 저항, 콘덴서, 또는 저항과 콘덴서의 직렬 조합일 수 있다. 임피던스는, 회로 임피던스와 협력하여 라인전압이 시험을 위해 적당한 레벨로 감소하도록 선택된다. 이상적으로는, 감소는 낮은 라인 전압에서 단지 트립을 보장할 정도이면 적당하다. 시험회로(129)에 의해 인가된 AC 전압의사이클은, 트립하기 위해 아크 검출회로에 의해 필요한 현상을 제공한다. 이 시험회로(129)는, 스퍼터링 아크고장 검출기와 접지고장 검출기의 모든 전자장치가 시험되도록 시험회로(119)와 조합해서 이용하는 것이 바람직하다.
대안적 형태의 추가 시험회로가 도 4에 도시되어 있다. 시험회로(137)는 스퍼터링 아크고장 검출기의 시험을 완료하는데 필요한 펄스를 발생시키기 위해 외부 전원(81)으로부터 얻은 DC 전력을 이용한다. 이 시험회로(137)는 감지 코일 또는 전류 변환기(23)의 2차 권선(27)을 따라 도선(141)에 의해 접속된 콘덴서(139)를 포함한다. 콘덴서(139)는 저항(143)을 통해 DC 전원(81)으로부터 충전된다. 시험 스위치(145)는 폐쇄될 때 감지코일 또는 전류 변환기(23)의 2차 권선(27)을 따라 콘덴서(139)를 접속시킨다. 권선(27)과 콘덴서(139)에 의해 형성된 공진회로는 스퍼터링 아크고장 검출기를 트립하는 펄스 시퀀스를 발생시킨다. 시험회로(137)가 감지코일(23)을 포함하는 스퍼터링 아크회로의 시험을 완벽하게 하기 때문에, 이 시험회로는 중성점-접지 시험회로(119), 또는 라인-접지고장 검출회로의 작동만을 시험하는 선행 기술의 시험회로와 관련하여 이용된다.
도 5는 회로 차단기(1')가 접지고장 및 스퍼터링 아크고장에는 모두 응답하지만 스퍼터링 아크고장을 감지하기 위해 접지고장 표시기의 감지코일을 이용하지 않는 본 발명의 또 다른 실시예를 예시한다. 대신, 도 5에 도시된 회로 차단기(1')는 위에서 언급한 미합중국 특허출원 제023,435호에서 설명한 방식으로 스퍼터링 아크고장을 검출하도록 중성 도선의 고유 저항성을 이용한다. 개량된 회로 차단기(1')에서, 중성 도선(11)의 저항성은 저항(149)과 콘덴서(151)를 포함하여 구성된 저역필터(147)를 통과하는 전압을 발생시킨다. 이 저역필터의 출력은, 콘덴서(155)와 저항(75)을 포함하여 구성된 고역필터(153)에 의해 미분된다. 고역필터(153)에 의해 후송되는 저역필터(147)의 조합은 매우 낮은 신호레벨에서도 도 1의 코일회로와 동일한 대역폭 제한 di/dt 신호를 발생시킨다. 대역폭 제한 di/dt 신호는, 도 6에 도시되어 있듯이 집적회로(29)의 연산 증폭기(95)의 비반전 입력이 아니라, 반전입력에 인가된다. 피드백 저항(157)은 매우 낮은 레벨 검출신호를 증폭하는데 필요한 이득을 제공한다. 집적회로 차단기의 기타 구성은 도 1과 같다.
회로 차단기(1')의 스퍼터링 아크 부분을 시험하는 시험회로(159)는, 시험 스위치(163)에 의해 라인, 및 저항(149)과 직렬로 중성 도선을 따라 접속된 임피던스(161)를 포함한다. 저항(149) 및 시험회로(159) 적당한 크기의 시험전압을 스퍼터링 아크 검출회로에 주입하는 분압기를 형성한다.
본 발명은 청구 범위내에서 벗어나지 않으면 여러 수정과 변경이 가능하다.

Claims (21)

  1. 중성 도선이 지나는 감지코일 수단과, 이 감지코일 수단에 연결되며, 전기시스템내 중성점-접지 고장에 응답하여 회로 차단기용 트립 신호를 발생시키는 중성점-접지 고장 검출기와, 이 중성점-접지 고장 검출기로 하여금 상기 트립 신호를 발생시키는 접지 중성점 고장 상태를 시뮬레이트하는 상기 감지코일 수단에 연결된 시험수단을 포함하여 구성되며, 상기 시험수단은, 상기 감지코일 수단을 지나는 시험도선 수단과, 상기 감지코일 수단을 지나는 폐쇄 루프내에서 상기 시험 도선 수단을 선택적으로 연결시키는 시험 스위치를 포함하며, 상기 시험도선 수단은, 보호 대상인 전기 시스템에 있어 중성점-접지고장의 최대 임피던스와 실질적으로 동일한 임피던스를 갖는, 라인 도선 및 접지 중성 도선을 갖는 전기시스템을 보호하는 전류 차단기용 접지고장 트립장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시험 도선 수단은 전기 도선과, 보호된 전기시스템내 상기 중성점-접지고장의 상기 임피던스에 균등하는 개별 임피던스를 포함하는 접지고장 트립장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시험 도선 수단은 보호된 전기시스템내의 상기 중성점-접지고장의 상기 임피던스에 사실상 균등하는 분산 임피던스를 가진 전기 도선을 포함하는 접지고장 트립장치.
  4. 라인 도선과 중성 도선을 지니며, 스퍼터링 아크고장 및 접지고장을 방지하는 보호된 전기시스템내의 회로 차단기용 트립장치에 있어서, 상기 트립장치는, 상기 보호된 전기시스템내의 전류를 감지하는 코일감지수단과 ; 감지코일수단에 접속되어 접지된 중성점 고장을 포함하는 접지고장 및 스퍼터링 아크 고장에 응답하여 트립신호를 발생하는 고장검출수단과 ; 접지된 중성점 및 스퍼터링 아크고장 상태를 시뮬레이트하는 신호를 상기 고장 검출수단에 선택적으로 주입하는 상기 감지코일수단에 접속된 시험수단을 포함하는 트립장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시험수단은, 상기 감지코일수단을 통해 연장한 시험 도선과, 상기 감지코일수단을 통해 연장한 폐쇄 루프내의 상기 시험 도선을 선택적으로 접속시키는 시험 스위치를 포함하는 트립장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 시험 도선 수단은 상기 보호된 전기시스템내의 접지된 중성점 고장의 최대 임피던스에 사실상 균등한 임피던스를 갖는 트립장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 감지코일수단은, 상기 라인 도선과 상기 중성 도선이 통과하는 제1감지코일과, 상기 중성 도선은 통과하지만 상기 라인 도선은 통과하지 않는 제2감지코일을 포함하며, 또한 상기 고장 검출수단은, 상기 제1 및 제2감지코일에 접속된 휴지발진 접지고장 검출회로와 상기 제2감지코일에 접속된 스퍼터링 아크검출회로를 포함하며, 또한 상기 시험 도선 수단은 상기 제1 및 제2감지코일을 통해 연장하는 트립장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2코일은 2차 권선을 지니고, 또한 상기 스퍼터링 아크검출회로는 대역폭 제한 di/dt 신호(여기서 i는 중성 도선의 전류)를 발생시키는, 상기 2차 권선에 접속된 수단과, 사전에 선택된 상태하에서 상기 트립 신호를 발생시키기 위해 상기 di/dt 신호에 응답하는 수단을 포함하고 있으며, 또한 상기 시험 수단은, 상기 스퍼터링 아크검출 회로가 상기 트립신호를 발생시키게 하는 상기 2차 권선에 시험신호를 주입하는 수단을 포함하는 트립장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시험신호를 주입하는 상기 수단은, 상기 2차 권선에 접속된 임피던스수단과, 상기 임피던스수단을 상기 라인 도선에 선택적으로 접속시키는 스위치를 구비한 트립장치.
  10. 제8항에 있어서, 시험신호를 주입하는 상기 수단은, 상기 2차 권선에 접속된 콘덴서, 상기 콘덴서를 충전시키는 수단, 및 상기 콘덴서를 상기 2차 권선에 선택적으로 방전시키는 스위치 수단을 포함하는 트립장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 di/dt 신호에 응답하는 상기 수단은, 상기 di/dt 신호를 임계값에 비교하는 레벨검출수단, 및 상기 di/dt 신호가 선택된 간격내에서 소정의 횟수 상기 임계값을 초과할 때 트립 신호를 발생시키는 상기 레벨 검출기에 응답하는 수단을 포함하며, 또한 시험신호를 상기 2차 권선에 주입시키는 상기 수단은, 상기 선택된 간격내에서 상기 소정의 회수 상기 임계값을 초과하는 상기 2차 권선에 시험신호를 주입하는 트립장치.
  12. 제11항에 있어서, 시험신호를 주입하는 상기 수단은, 상기 2차 권선에 접속된 임피던스 수단과, AC 펄스를 상기 2차 권선에 주입하기 위해 상기 임피던스 수단을 상기 라인 도선에 선택적으로 접속시키는 스위치를 포함하는 트립장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 시험수단은, 상기 2차 권선에 접속된 콘덴서, 상기 콘덴서를 충전시키는 수단, 및 발진을 발생시키기 위해 상기 콘덴서를 상기 2차 권선에 선택적으로 방전시키는 스위치 수단을 포함하는 트립장치.
  14. 라인 도선 및 중성 도선을 지니며, 스퍼터링 아크고장을 방지하는 보호된 전기시스템내의 회로 차단기용 자체시험 트립에 있어서, 상기 트립장치는, 1차 권선으로 라인 및 중성 도선중 하나를 갖고, 2차 권선을 가진 감지코일과 ; 상기 2차 권선에 접속되어 대역폭 제한 di/dt 신호(여기서 i는 상기 보호된 전기시스템내의 전류)를 발생시키는 수단과 ; 상기 대역폭 제한 di/dt 신호를 선택된 임계값에 비교하는 레벨 검출 수단과 ; 상기 대역폭 제한 di/dt 신호가 선택된 간격내에서 소정의 횟수 상기 선택된 임계값을 초과할 때 트립 신호를 발생시키는 수단 ; 및 상기 감지코일에 접속되어 상기 선택된 간격내의 소정의 횟수 상기 선택된 임계값을 초과하는 대역폭 제한 di/dt 신호를 생성하는 펄스를 발생시키는 시험수단을 포함하는 자체시험 트립장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 시험수단은, 상기 2차 권선에 접속된 임피던스 수단과, 상기 임피던스 수단을 상기 라인 도선에 선택적으로 접속시키는 스위치수단을 포함하는 자체시험 트립장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 시험수단은, 상기 2차 권선에 접속된 콘덴서, 상기 콘덴서를 충전하는 수단, 및 발진을 발생하기 위해 콘덴서를 상기 2차 권선에 선택적으로 방전시키는 스위치수단을 포함하는 자체시험 트립장치.
  17. 라인 도선과 중성 도선을 지닌 보호된 전기시스템의 회로 차단기용 트립장치에 있어서, 상기 트립장치는, 상기 보호된 전기시스템의 전류를 감지하는 감지수단과, 상기 감지수단에 접속되어 상기 보호된 전기시스템의 스퍼터링 아크고장에 의해 생성된 전류패턴에 응답하여 트립신호를 발생시키는 수단을 포함하는 고장검출 수단, 및 상기 감지수단에 접속되어 스퍼터링 아크고장에 의해 생성된 상기 전류패턴을 시뮬레이트하여 상기 트립신호를 발생시키는 시험수단을 포함하는 트립장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 고정검출수단은, 상기 전류가 선택된 시간간격내에서 소정의 횟수 사전에 선택된 크기를 초과하는 전류패턴에 응답하는 수단을 포함하고, 또한 상기 시험수단은, 상기 선택된 시간간격내에서 상기 소정의 횟수 상기 사전에 선택된 크기를 초과하는 시험신호를 발생시키는 수단을 포함하는 트립장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 감지수단은 상기 중성 도선이 통과하는 감지코일수단을 포함하며, 상기 시험수단은 상기 감지코일수단을 통해 연장한 시험 도선 수단과, 상기 감지코일수단을 통과하는 폐쇄된 루프내에서 상기 시험 도선 수단을 선택적으로 접속시키는 시험 스위치를 포함하는 트립장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 감지수단은, 상기 중성 도선과 고역필터에 의해 후속되는 저역필터에 접속된 도선을 포함하고, 또한 상기 시험수단은 임피던스와, 라인 도선 및 중성 도선을 따라 상기 임피던스를 선택적으로 폐쇄 접속할 때 상기 임피던스가 저역필터에 접속되는 스위치를 포함하는 트립장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 저역필터는 저항 및 콘덴서를 포함하고, 상기 임피던스 및 상기 저항은 상기 시험신호를 생성하는 분압기를 형성하는 트립장치.
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