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KR101074663B1 - 쌍방향 서지보호기 - Google Patents

쌍방향 서지보호기 Download PDF

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KR101074663B1
KR101074663B1 KR1020100091386A KR20100091386A KR101074663B1 KR 101074663 B1 KR101074663 B1 KR 101074663B1 KR 1020100091386 A KR1020100091386 A KR 1020100091386A KR 20100091386 A KR20100091386 A KR 20100091386A KR 101074663 B1 KR101074663 B1 KR 101074663B1
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circuit breaker
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surge protection
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서용준
우제형
홍달표
김국영
김정빈
김귀중
한재원
서성혁
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주식회사 그라운드
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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Abstract

누전, 과전류, 단락 또는 지락 등이 평상적으로 발생한 경우에는 전원차단기가 정상적인 차단(trip) 동작을 하지만, 낙뢰와 서지에 의하여 발생한 지락, 누전, 과전류, 순간 단락이 발생할 때에는 전원차단기가 트립(trip) 오동작하는 것을 방지하고, 과전압과 과전류를 제거하고 차단동작을 하는 쌍방향 서지보호기에 관해 개시한다. 본 발명의 쌍방향 서지보호기는: 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 사용되는 것으로서, 상기 전원차단기의 1차 측과 2차 측에 병렬로 연결되되, 상기 전원차단기 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있는 전원스위치와, 상기 전원차단기의 1차 측에서의 낙뢰서지 유입을 차단하고 제거할 뿐 아니라, 상기 전원차단기의 2차 측에서의 과전류도 제거할 수 있는 정전압 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 전원차단기의 1차 측이나 2차 측에서 낙뢰서지에 의한 과전류, 지락, 누전, 순간 단락 현상이 발생하여도 전원차단기가 오동작하는 것을 방지할 수 있어서 불필요한 인력낭비를 없애고, 장비운용을 중단하지 않고도 안정적으로 부하 설비를 운용할 수 있다.

Description

쌍방향 서지보호기 {Two-Way Surge Protective Device}
본 발명은 서지보호기(Surge Protective Device)에 관한 것으로, 특히 누전, 과전류, 단락 또는 지락 등이 평상적으로 발생한 경우에는 전원차단기가 정상적인 차단(trip) 동작을 하지만, 낙뢰와 서지에 의하여 발생한 지락, 누전, 과전류, 순간 단락이 발생할 때에는 전원차단기가 트립(trip) 오동작하는 것을 방지하고, 과전압과 과전류를 제거하고 차단동작을 하는 쌍방향 서지보호기에 관한 것이다.
일반적으로 전원차단기의 정격차단전류(Interrupt Capacity)는 1.5 ㎄∼5 ㎄ 정도이다. 통상의 낙뢰전류는 전원차단기의 정격차단전류보다 크기 때문에, 낙뢰 서지가 전원선로에 유입이 되면 전원차단기는 과전류, 과전압, 누전, 지락으로 인식을 하고 전원차단기가 트립(trip) 오동작을 한다. 통상적으로, 낙뢰 서지에 대한 대책으로 전원차단기의 2차 측에 서지보호기를 설치하는데, 이 서지보호기는 정전압소자로 구성된 것으로 순간적인 단락현상을 나타내고, 따라서 단락 과전류가 전원차단기에 흐르기 때문에 트립(trip) 오동작이 되는 것이다. 또한 낙뢰서지의 전압은 매우 높기 때문에 부하설비나 전원선로에서 절연파괴가 발생하게 되면, 전원차단기가 누전이나 지락으로 인식을 하여 오동작을 하게 된다.
도 1은 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 종래의 서지보호기가 설치된 상태를 나타낸 도면으로서, 도 1의 (a)는 그 시스템의 개략적 구성을 나타낸 도면, 도 1의 (b)는 시스템의 구성을 비교적 상세히 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 전원 공급시스템(100)은 전원공급장치(110)와 전원차단기(120), 서지보호기(130), 부하설비(140)로 구성되었으며, 전원차단기(120)의 2차 측에만 서지보호기(130)가 단방향으로 설치되었음을 알 수 있다. 따라서 전원공급장치(110) 측에서 낙뢰서지 전압이 유입되면, 전원차단기(120)가 고장이나 오동작을 하게 되고, 전원선과 부하설비(140) 측에서 유입된 낙뢰서지로 인하여 서지보호기(130)가 동작을 하면서 과전류가 전원차단기(120)에 흐르게 되어 전원차단기가 트립(trip) 오동작하는 문제가 발생한다. 서지보호기(130)에 접지가 되어 있지만, 임피던스 값이 큰 대지를 통한 서지전류의 방전은 전체 전류의 10% 정도만 이루어지고, 나머지 90% 정도의 과전류는 전원차단기(120)에 가해지거나 전원 공급시스템(100)에 부하설비(140)로서 연결된 타 장비에 유입이 되기 때문에, 전원차단기가 트립 오동작을 하면 타 장비가 손상을 입는 문제가 발생한다. 이에 대한 실험결과 낙뢰서지시험기로 10㎸/5㎄를 접지에 인가를 하면 약 500A 정도만 방전이 되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 전원차단기의 정격차단전류를 초과하는 과전류와 과부하를 감쇄하고 바이패스시켜서, 낙뢰 서지에 의한 전자통신 부하설비를 보호하면서, 전원차단기의 오동작을 방지하게 하면서도, 정상적인 과전류와 지락, 누전에는 정상적으로 트립(trip) 동작이 되게 하며, 낙뢰서지에 의한 이상전압과 과전류, 누전에는 오동작을 하지 않게 하여 부하설비를 안정적으로 운용하고 보호할 수 있는 쌍방향 서지보호기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 서지보호기는 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 사용되는 것으로서, 상기 전원차단기의 1차 측과 2차 측에 병렬로 연결되되, 상기 전원차단기 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있는 전원스위치와, 상기 전원차단기의 1차 측에서의 낙뢰서지 유입을 차단하고 제거할 뿐 아니라, 상기 전원차단기의 2차 측에서의 과전류도 제거할 수 있는 정전압 소자를 포함하는 쌍방향 서지보호기인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 쌍방향 서지보호기는: 상기 전원차단기의 1차 측에 병렬로 연결된 제1 서지보호회로와; 상기 전원차단기의 2차 측에 병렬로 연결된 제2 서지보호회로와; 상기 제1 서지보호회로와 제2 서지보호회로의 사이에 위치하여 이들을 서로 연결하는 쌍방향 서지보호회로와; 상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각과, 상기 전원차단기 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있도록 상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각에 포함된 전원스위치들을 구비하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각에 포함된 전원스위치들의 사이에 적어도 하나의 정전압 소자가 연결되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 쌍방향 서지보호회로가 상기 제1 서지보호회로에 포함된 전원스위치와 상기 제2 서지보호회로에 포함된 전원스위치의 사이에 삽입된 두 개의 정전압 소자로 이루어진 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 정전압 소자들의 각각이 가스방전관(GDT), MOV(Metal Oxide Varistor), 제너다이오드, SCR, 바리스터(Varistor),TRIAC 및 어레스터(Arrester)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 정전압 소자들의 각각의 한쪽 단자가 접지단자에 연결된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 쌍방향 서지보호기에 의하면, 전원차단기의 1차 측이나 2차 측에서 낙뢰서지에 의한 과전류, 지락, 누전, 순간 단락 현상이 발생하여도 전원차단기가 오동작하는 것을 방지할 수 있어서 불필요한 인력낭비를 없애고, 장비운용을 중단하지 않고도 안정적으로 부하 설비를 운용할 수 있다. 또한 낙뢰서지에 의해 전기전자통신 정보화설비, 신호설비, 제어설비들이 손상되는 것을 방지할 수 있어서, 이들을 효과적으로 보호하고 안전하게 운용하는 데 따른 경제적 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 종래의 서지보호기가 설치된 상태를 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기를 설명하기 위하여 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기가 설치된 상태를 나타낸 도면;
도 3a는 도 1에 도시된 전원차단기(120)의 트립(trip) 오동작 발생여부를 시험하기 위한 회로의 구성도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같이 시험한 결과를 나타낸 표; 및
도 4a는 도 2에 도시된 전원차단기(120)의 트립(trip) 오동작 발생여부를 시험하기 위한 회로의 구성도이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같이 시험한 결과를 나타낸 표이다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기를 설명하기 위하여 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기가 설치된 상태를 나타낸 도면으로서, 도 2의 (a)는 그 시스템의 개략적 구성을 나타낸 도면, 도 2의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기의 회로도를 포함하여 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 쌍방향 서지보호기(250)는 도 1에 도시한 시스템에 부가적으로 설치된다. 쌍방향 서지보호기(250)는 전원차단기(120)의 1차 측 전원부(210, 211)와 2차 측 전원부(220, 221)가 쌍방향 서지보호기(250)의 전원 1차 측 단자(212, 213)와 전원 2차 측 단자(222, 223)가 각각 연결되어, 결과적으로 쌍방향 서지보호기(250)가 전원차단기(120)에 병렬로 연결된다. 쌍방향 서지보호기(250)는, 전원차단기(120)의 1차 측에 병렬로 연결된 제1 서지보호회로(206)와, 전원차단기(120)의 2차 측에 병렬로 연결된 제2 서지보호회로(207)와, 제1 서지보호회로(206)와 제2 서지보호회로(207)의 사이에 위치하여 이들을 서로 연결하는 쌍방향 서지보호회로(208)로 구성된다. 제1 서지보호회로(206)는 전원차단기(120)의 1차 측 전원부(210, 211)의 각각에 직렬 연결된 제1 서지보호회로(206)용 전원스위치들(214, 215)과, 제1 서지보호회로(206)용 전원스위치들(214, 215) 사이를 연결하는 제1 서지보호회로(206)용 정전압 소자들(230, 231)로 이루어진다. 또한, 제2 서지보호회로(207)는 전원차단기(120)의 2차 측 전원부(220, 221)의 각각에 직렬 연결된 제2 서지보호회로(207)용 전원스위치들(224, 225)과, 제2 서지보호회로(207)용 전원스위치들(224, 225) 사이를 연결하는 제2 서지보호회로(207)용 정전압 소자들(234, 235)로 이루어진다. 이러한 전원스위치들(214, 215, 224, 225)은 제1 서지보호회로(206) 및 제2 서지보호회로(207)의 각각과 전원차단기(120) 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있도록 하여 이들을 전원선로와 전기적으로 분리할 수 있게 하는 역할을 한다. 제1 서지보호회로(206)의 스위치 214와 제2 서지보호회로(207)의 스위치 224의 사이에는 쌍방향 서지보호회로(208)용 제1 정전압 소자(236)가 연결되며, 제1 서지보호회로(206)의 스위치 215와 제2 서지보호회로(207)의 스위치 225의 사이에는 쌍방향 서지보호회로(208)용 제2 정전압 소자(237)가 연결된다. 제1 서지보호회로(206), 제2 서지보호회로(207) 및 쌍방향 서지보호회로(208)에는 각각 직렬 연결된 두 개씩의 정전압 소자들이 포함되어 있으며, 이 정전압 소자들의 중간 단자는 서로 연결되어 모두 접지단자(260)와 연결된다. 본 발명의 실시예에서 정전압 소자는 특별히 제한되지는 않으나, 가스방전관(GDT), MOV(Metal Oxide Varistor), 제너다이오드, SCR, 바리스터(Varistor), TRIAC 또는 어레스터(Arrester)를 사용할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 쌍방향 서지보호기(250)는 종래의 서지보호기(130)를 단독으로 사용하는 경우에 비하여 다음과 같은 우수한 효과를 나타내게 된다. 우선, 전원차단기(120)의 1차 측 전원부(210, 211)에 제1 서지보호회로(206)가 전원스위치들(214, 215)을 통하여 연결되어 전원선로와 전기적으로 분리될 수 있으며, 전원차단기(120)의 1차 측 전원부(210, 211)로 유입되는 낙뢰 서지로 인한 전원차단기(120)의 파손이나 오동작이 방지되고 낙뢰 서지가 차단되게 된다. 또한, 전원차단기(120)의 2차 측 전원부(220, 221)에 연결된 종래의 서지보호기(130)가 동작할 때 발생하는 단락현상으로 과전류, 과전압이 전원차단기(120)에 가해져서 전원차단기(120)가 오동작하는 것을 방지하기 위해 전원차단기(120)의 2차 측 전원부(220, 221)에도 제2 서지보호회로(207)가 전원스위치들(224, 225)을 통하여 연결되어 있기 때문에, 전원선로와 전기적으로 분리될 수 있으며, 전원차단기(120)의 2차 측 전원부(220, 221)로 유입되는 낙뢰 및 서지로 인한 전원차단기(120)의 오동작이 방지되고 낙뢰 서지가 차단되게 된다. 한편, 제1 서지보호회로(206)과 제2 서지보호회로(207)의 사이에는 쌍방향 서지보호회로(208)가 설치되어 낙뢰 서지에 의하여 발생할 수 있는 과전류, 과전압, 누설전류에 의한 전원차단기(120)의 누전차단 동작을 방지할 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 제1 서지보호회로(206)와 제2 서지보호회로(207), 그리고 그 사이에 위치한 쌍방향 서지보호회로(208)로 이루어진 쌍방향 서지보호기(250)를 제공함으로써, 낙뢰 서지가 발생한 경우에도, 전원차단기(120)가 안정적으로 동작하게 되어 불필요한 인력낭비를 없앨 수 있고, 또한 부하 설비(140)가 낙뢰 서지에 의해 손상되는 것을 방지하는 장점이 있어서 전기전자통신 정보화설비, 신호설비, 제어설비들을 효과적으로 보호하고 안정적으로 장비를 운용할 수 있어서 경제적 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 3a는 도 1에 도시된 전원차단기(120)의 트립 ( trip ) 오동작 발생여부 를 시험하기 위한 회로의 구성도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같이 시험한 결과를 나타낸 표이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 각각 30A 및 50A 규격이며, 정격차단 전류가 1.5 kA ∼2.5 kA 및 2.5 kA ∼5 kA 의 누전차단기 및 배선차단기로 각각 이루어진 전원차단기(120)에 대해 종래의 40 kA 규격의 서지보호기가 연결된 상태에서, 30초 간격의 LSS ( Lightning Surge Simulator ; 115)를 이용하여 각각 6 kV /3 kA 및 10kV/5kA의 서지시험전압 /전류를 30회 가했을 때, 트립 오동작이 30회 발생하였음을 알 수 있다.
도 4a는 도 2에 도시된 전원차단기(120)의 트립 ( trip ) 오동작 발생여부 를 시험하기 위한 회로의 구성도이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같이 시험한 결과를 나타낸 표이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 쌍방향 서지보호기(250)를 부가 설치한 것을 제외하고는 회로의 구성 및 시험 조건에서 도 3a 및 도 3b와 다른 것은 없음을 알 수 있다. 이 시험의 경우, 본 발명의 쌍방향 서지보호기 (250) 설치에 의해 전원차단기(120)의 트립 ( trip ) 오동작이 전혀 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
100: 전원 공급시스템 110: 전원공급장치
115: LSS(Lightning Surge Simulator) 120: 전원차단기
130: 종래의 서지보호기 140: 부하설비
206: 제1 서지보호회로 207: 제2 서지보호회로
208: 쌍방향 서지보호회로
210, 211: 전원차단기의 1차 측 전원부
212, 213: 쌍방향 서지보호기의 전원 1차 측 단자
214, 215: 제1 서지보호회로용 전원스위치들
220, 221: 전원차단기의 2차 측 전원부
222, 223: 쌍방향 서지보호기의 전원 2차 측 단자
224, 225: 제2 서지보호회로용 전원스위치들
230, 231: 제1 서지보호회로용 정전압 소자들
234, 235: 제2 서지보호회로용 정전압 소자들
236, 237: 쌍방향 서지보호회로용 정전압 소자들
250: 쌍방향 서지보호기 260: 접지단자

Claims (6)

  1. 전원차단기를 포함한 전원 공급시스템에 사용되는 서지보호기에 있어서,
    상기 전원차단기의 1차 측과 2차 측에 병렬로 연결되되, 상기 전원차단기 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있는 전원스위치와, 상기 전원차단기의 1차 측에서의 낙뢰서지 유입을 차단하고 제거할 뿐 아니라, 상기 전원차단기의 2차 측에서의 과전류도 제거할 수 있는 정전압 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 쌍방향 서지보호기가:
    상기 전원차단기의 1차 측에 병렬로 연결된 제1 서지보호회로와;
    상기 전원차단기의 2차 측에 병렬로 연결된 제2 서지보호회로와;
    상기 제1 서지보호회로와 제2 서지보호회로의 사이에 위치하여 이들을 서로 연결하는 쌍방향 서지보호회로와;
    상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각과, 상기 전원차단기 사이의 전기적 연결을 끊을 수 있도록 상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각에 포함된 전원스위치들;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 서지보호회로 및 제2 서지보호회로의 각각에 포함된 전원스위치들의 사이에 적어도 하나의 정전압 소자가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 쌍방향 서지보호회로가 상기 제1 서지보호회로에 포함된 전원스위치와 상기 제2 서지보호회로에 포함된 전원스위치의 사이에 삽입된 두 개의 정전압 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
  5. 제1항 또는 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 정전압 소자들의 각각이 가스방전관(GDT), MOV(Metal Oxide Varistor), 제너다이오드, SCR, 바리스터(Varistor), TRIAC 및 어레스터(Arrester)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
  6. 제1항 또는 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 정전압 소자들의 각각의 한쪽 단자가 접지단자에 연결된 것을 특징으로 하는 쌍방향 서지보호기.
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