KR101976372B1 - 마스터 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마스터(만능) 차단기에 관한 것으로서, 배전계통에서 전원 측 접촉불량, 결상, 단선, 누전과 부하 측의 누전, 불평형전류 시에 전력고장에 대한 이상전력의 이상전류를 중성선에서 출력하고, 고장검출기가 검출하여 경보 또는 차단하도록 함으로써, 배전계통의 전기사고 발생을 방지하는 마스터(만능) 차단기가 개시된다.
개시된 마스터(만능) 차단기는, 상기 배전계통의 전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 불평형과전류, 삼상 전동기의 불평형전류 시 상기 전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 불평형과전류, 삼상전동기의 불평형전류발생에 대한 이상전류를 중성선을 사용하여 출력하는 고장출력기와; 상기 고장출력기에서 출력되는 중성선의 이상전류를 검출하기 위한 고장검출기를 포함하며, 상기 고장출력기는, 제1 레그, 제2 레그, 제3 레그와; 제1 권선, 제2 권선, 제3 권선과; 철심을 구비하고, 상기 제1 권선, 상기 제2 권선, 상기 제3 권선은 각각 상기 제1 레그, 상기 제2 레그, 상기 제3 레그 중에 두 개의 레그에서 상기 제1 권선, 상기 제2 권선이 권취되고 상기 제3 권선은 상기 제1 권선, 상기 제2 권선이 권취된 레그에 상기 제1 권선, 상기 제2 권선의 반대방향으로 지그재그로 권취되어 일단이 중성점에 연결되는 권선인 코일이 구비된다.

Description

마스터 차단기{Master breaker}

본 발명은 마스터 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배전계통에서 전원 측의 누전, 결상, 단선,접촉불량과 부하 측의 누전, 불평형 과전류, 삼상전동기의 불평형전류에 의한 전력이상을 경보 또는 차단하기위하여 고장출력기를 상기 배전계통에 연결하고 연결된 상기 고장출력기에서 상기 전력이상이 발생하면 중성선을 사용하여 이상전류를 출력하고, 배전계통에 전기사고가 파급되는 것을 방지하는 고장검출기를 구비한 마스터 차단기에 관한 것이다.

지난 2004년 국내에서 발생한 화재를 원인별로 분류하면 전기화재의 점유율이 34%로 1위를 차지해, 2위인 담배 불(11.7%)을 비롯하여 다른 화재 원인들보다 훨씬 높은 점유율을 갖는 것으로 나타났다.(수용가 배선기구의 전기화재 및 소화안전 시스템 연구, 류홍남, 2006)

이러한 전기화재에는 다양한 원인이 있으며, 그 중 주요 요인을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 합선으로, 전선의 껍질(피복)이 벗겨지거나 전선에 못, 핀 등으로 고정시키거나 움직일 수 있는 전선 위에 무거운 것을 올려놓아 전선의 두 가닥이 직접 또는 간접 저항으로 접촉되어 전류는 쉽게 흐를 수 있는 접촉부분으로 집중적으로 흘러 합선(단락)현상이 일어나는데 이때 도체 간 접촉에 의한 불꽃이 발생하면서 화재로 이어지게 된다.

과부하는, 정격용량보다 많은 양의 전기를 초과하여 사용할 경우나 불평형전류로, 전선이나 전기기기 자체 또는 배선기구의 접속부에서 열이 과다하게 발생하여 화재로 발전하게 된다.

누전은, 전기가 통하는 전선 이외의 물체를 통해 전기가 외부로 흐르는 것으로, 누전 화재는 전류가 통로로 설계된 부분을 거치지 않고 건물 및 부대 설비 등으로 흘러 열이 축적되고 이것이 발열하여 화재를 일으킨다.

접촉불량은, 전선의 접속점(회로의 분기등)에서 저항이 생겨 흐름의 장애가 일어난 것으로, 이러한 장애가 일정한 시간 이상 누적되면 전선의 피복이 탄화되어 전선의 도체인 +, - 전극이 부딪침으로써 불이 나게 된다.

또한, 결상, 단선으로 인한 과전류, 과전압, 불평형 전력, 영상고조파 등도 전기화재를 야기하고 있지만 첨부한 선행기술이 있어 자세한 설명은 생략하고 접촉불량에 대해서만 설명하고자 한다.

이와 같이 전기화재의 원인은 다양한데, 각 화재 원인들은 수반하는 물리현상이 모두 상이하므로, 이들을 감지하기 위해 이용되는 방법 또한 모두 상이하고 보호계전기의 종류도 다양하다.

일례로, 현재 사용되고 있는 전력량계는 기계식 전력량계와 전자식 전력량계가 있으며, 양자 모두 구조가 전력량계의 본체에 단자부가 구성되어 있다.

그러나, 그러한 단자부의 설치로 인하여 전력량계의 단자부 결선작업의 애로점, 단자부의 발열사고, 단자부 안전사고, 단자부 무단조작, 제조원가의 상승, 전력량계 소형화의 장애 등 많은 결점을 내재하고 있다.

특히 그 중에서도 전력량계의 접촉불량, 즉 전력량계의 단자부와 전선의 접촉불량에 의한 전력량계 소손 건수가 예전에 비해 증가하고 있다.

접촉불량은, 전선의 접속점(회로의 분기 등)에서 저항이 생겨 흐름의 장애가 일어난 것으로, 이러한 장애가 일정시간 이상 누적되면 온도가 상승하고 전선의 피복(절연물)이 탄화, 연화되어 마침내 전선의 혼촉, 즉 전선의 도체인 +,- 전극이 부딪침으로써 전력량계의 소손, 나아가서 전기화재로 까지 이어지는 것이다.

구체적으로, 전선의 접촉불량으로 접촉면의 저항이 증가함에 따라 도체(전선) 접속면의 열이 상승하고, 상승된 고온의 열은 도체(전선) 간의 절연물을 손상시켜 도체간 단락되는 현상이 나타나게 된다. 또한, 도체간 접촉으로 아크가 발생하고, 이 아크열에 의해 기기가 소손되고, 나아가 전기화재까지 확산되는 현상이 발생하는 것이다.

일반적으로 전기기구의 열화로 인한 소손 및 전기화재의 주요 원인은 합선, 과전류, 누전, 접촉불량이다.

현재까지 전원 측의 누전, 단선, 결상, 접촉불량을 제외한 전기화재의 발생을 줄이기 위한 지속적인 노력으로 부하 측의 합선, 과전류, 누전으로 인한 화재를 방지할 수 있는 장비의 개발과 보급은 어느 정도 이루어지고 있다.

즉, 부하 측의 합선이나, 누전, 과부하 등을 감지하기 위한 기술은 많이 개발되고 있지만, 전원 측의 단선, 결상, 누전, 접촉불량의 원인을 정확히 감지하고 이를 차단 또는 조치할 수 있는 기술은 개발되어 있지 않아 한전의 경우 접촉불량 배전선로를 찾기 위해서 적외선(열화상) 카메라로 많은 인원과 예산을 소요해 가며 배전선로를 일일이 점검하고 있는 실정이다.

예를 들어, 기존의 접촉불량 및 전기적 이상 상태를 검출하는 장치는 온도를 감지하거나, 전압 및 전류변화, 고조파 변화(VTHD, ITHD) 등을 감지하여 접촉불량을 검출하는 것이 일반적이고, 이러한 종래의 기술은 다양한 전기품질요소를 측정해야 하거나, 온도 감지장치 등을 별도로 설치하여야 할 뿐더러 결정적으로 접촉불량시 나타나는 전기적 현상을 정확히 분석하고, 판별하지 못하고 있다.

즉, 고조파 변화를 통해 감지하는 종래의 기술은 고객이 용접기 및 아크성 부하를 사용하면 VTHD, ITHD가 심하게 증가하게 되며, 또한 경부하, 중부하, 피크부하에 따라 그 값이 정상상태에서도 심한 변동을 가져오기 때문에 접촉불량으로 인한 것인지를 확신하지 못한다.

또한, 전압값 또는 전류값 하나의 인자로부터 접촉불량을 감지하는 종래의 기술도 마찬가지로 전압과 전류 소스가 분리되어 있는 경우(PT, CT로 분리되어 공급되는 고객)는 접촉 불량을 판단하기에 한계가 있다.

따라서 접촉불량에 대한 원인을 정확히 판단하여 전기기기의 소손 및 전기화재를 예방할 수 있는 기술이 그 어느 때보다도 절실히 요구되고 있다.

이러한 접촉불량 및 결상, 단선, 불평형과전압, 과전류로 인해 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 종래에 제안된 기술이 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2009-0004718호(2009.1.12.공개)(발명의 명칭: 접촉불량 감지장치 및 방법)(이하 '종래기술1' 이라 한다), 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1109024호(2012.1.17.등록)(발명의 명칭: 전력량계의 접촉불량 감지장치 및 감지방법)(이하 '종래기술2' 라 한다), 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1320373호(2013.10.15.등록)(발명의 명칭: 변압기를 구비한 결상복구장치 및 그 설치공법)(이하 '종래기술3' 라 한다)에 개시되어 있다.

개시된 '종래기술1' 은,

전류 실효값, 역률, 전류 순시치, 고조파 등의 변화를 지표로 접촉불량을 감지하고, 이에 따라 전원을 차단함으로써 사용자를 화재의 위험에서 보호할 수 있으며, 접촉불량을 감지할 수 있는 다섯 가지 요인 중 두 가지 이상의 요인이 만족되었을 때 접촉불량으로 판정하도록 함으로써 보다 정확하게 접촉불량을 감지하고, 나아가, 접촉불량에 따른 차단 상황에 대한 정보를 사용자 단말기로 고지함으로써 원거리에 위치한 사용자도 용이하게 이를 인지할 수 있도록 구성한다.

개시된 '종래기술2' 는,

수용가로 공급되는 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 검출부와 상기 검출된 전압 및 전류의 값을 통해 기 설정된 총 측정시간 및 측정시간 단위로 역률값을 연산하는 역률연산부와 상기 기 설정된 총 측정시간 및 측정시간 단위로 연산된 역률 값이 미리 정해진 기준 값보다 작은 값의 범위에서 지속적으로 감소되는 경우 접촉불량으로 판단하는 접촉불량판단부 및 상기 접촉불량판단부에서 접촉불량으로 판단된 경우 접촉불량 신호를 원격서버로 전송하는 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 또한, 전력량계의 접촉불량을 방지하여 접촉불량으로 인한 전기기기(전력량계)의 소손을 예방할 수 있도록 구성된다.

개시된 '종래기술3' 은,

3상 4선식 배전 계통에서 전력선의 결상, 중성선의 단선 및 전력선과 중성선에 불평형 이상전류가 발생할 시 검출하여, 전력선의 결상, 중성선의 단선 및 전력불평형의 발생을 정상으로 복구하고, 영상 고조파를 감소시켜 정상전력을 유지시켜줄 수 있도록 구성된다.

1. 공개특허공보 공개번호 10-2009-0004718호(2009.1.12.공개) 2. 등록특허공보 등록번호 10-1109024호(2012.1.17.등록) 3. 등록특허공보 등록번호 10-1320373호(2013.10.15.등록)

그러나 상기와 같은 종래 기술은 배전계통에 누전, 접촉불량, 결상, 단선이 발생 시에 상기 누전, 접촉불량, 결상, 단선의 복구전력으로 인해 누전(지락) 또는 복구전력의 다른 수용가(전기회로) 유입 등으로 전기기기의 소손 또는 전기화재 또는 정전이 발생하는 문제가 있었다.

또한, 배전계통에서 전원 측 누전 발생 시 누전과 삼상전동기부하 측의 단선이상 불평형에 대한 검출방법이 제시 되지 않아 누전에 의한 감전 문제와 삼상부하 측의 단선이상 불평형을 검출하지 못하는 문제가 있었다.

또한, 배전계통에 누전(지락) 또는 단락으로 인한 단선, 결상 발생 시 단선, 결상을 복구하는 시설비용이 과다 발생하고 고장전기를 차단하여야 하는 전기기술자들의 입장에서는 단선, 결상복구전력에 대해 심하게 반대하는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 배전계통에서 발생하는 제반 문제점들을 해결하기 위해서 제안한 것으로서,

본 발명이 해결하려는 과제는, 배전계통에서 전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 과전류, 이상 불평형전류가 발생하면 실시간으로 이상전류를 출력하여 누전, 결상, 단선, 접촉불량, 불평형전류에 의해 이상 과전압, 이상 과전류, 이상전류가 발생되거나, 그 과전압, 과전류, 이상전류로 인해 감전, 화재 등의 전기사고가 발생하는 것을 방지하기 위한 마스터 차단기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 배전계통에 누전, 접촉불량, 결상, 단선, 삼상 부하의 전류불평형으로 전력이상이 발생하면 상기 전력이상을 실시간 경보하여 감전, 화재, 기기소손, 과열 등으로 발생하는 전기사고를 예방하기 위한 마스터 차단기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 배전계통에 누전, 접촉불량, 결상, 단선, 삼상 부하의 전류불평형으로 전력이상이 발생하면 상기 전력이상을 차단하여 감전, 화재, 기기소손, 과열 등으로 발생하는 전기사고를 방지하기 위한 마스터 차단기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "마스터 차단기"는,

3상 4선식 배전계통에 연결되어 상기 배전계통의 전기설비에서 접촉불량 시 접촉불량에 의한 고장 위상전력을 중성선과 건전상을 사용하여 공급하고, 결상 시에는 결상위상을 정상위상전력으로 중성선과 건전상을 사용하여 공급하며, 중성선 단선 시는 삼상을 사용하여 중성선을 복구 공급하고, 전원 측의 불평형 전류와 부하 측의 불평형 전압을 중성선을 사용하여 평형으로 개선하며, 누전 시에도 건전상과 중성선을 사용하여 누전지점에 전력을 공급하며, 삼상 전동기부하의 불평형 시에도 중성선과 건전상을 사용하여 삼상전원측을 평형방향으로 보정하여, 상기 접촉불량, 결상, 단선, 불평형 전류, 불평형 전압, 누전 발생 시 그 고장전기를 정상전력으로 공급, 복구, 개선, 보정, 보충 중에 하나 이상을 고장출력기가 실시하여, 고장검출기가 경보 또는 차단하도록 하는 상기 고장출력기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장검출기는,

상기 고장출력기의 중성선을 영상변류기로 검출하여 검출된 이상전류 검출 값을 기존에 구비된 누전경보기에 전달하고 기 설정한 상기 누전경보기의 설정 값과 비교하여 전력이상으로 판단하면 자체 경보하거나, 기존에 영상변류기가 구비된 기존 누전차단기를 통하여 전원을 즉시 차단하는 것을 특징으로 한다.

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상기 고장출력기는,

철심인 제1 레그, 제3 레그와; 코일인 제1 권선, 제2 권선, 제3 권선을 구비하고, 상기 제1 권선은 상기 제1 레그에 권취되고, 상기 제2 권선은 상기 제3 레그에 권취되며, 상기 제3 권선은 상기 제1 권선과 상기 제2 권선이 권취된 반대방향으로 상기 제1 레그와 상기 제3 레그에서 지그재그로 권취되어 상기 제1 권선, 상기 제2 권선, 상기 제3권선의 일단이 삼상 전력선에 연결되고 상기 제1 권선, 상기 제2 권선, 상기 제3권선의 타단이 중성선에 연결되어 상기 전력선 또는 중성선에서 누전, 접촉불량, 단선, 결상, 불평형전류 시에 중성선에서 전류를 발생하며 상기 제1 레그와 상기 제3 레그에서 발생되는 자속이 순환하는 통로역할을 하는 제2 레그를 더 포함하는 것을 특징으로 한다

상기 고장출력기는,

S상의 역 위상과 T상의 역 위상을 더하여 R상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상과 T상의 역 위상을 더하여 S상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상과 S상의 역 위상을 더하여 T상의 위상을 출력하여 누전, 단선, 결상, 접촉불량, 불평형전류를 복구하는 이상전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장출력기는,

S상의 역 위상 또는 T상의 역 위상과 R상의 정 위상을 더하여 R상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상 또는 T상의 역 위상과 S상의 정 위상을 더하여 S상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상 또는 S상의 역 위상과 T상의 정 위상을 더하여 T상의 위상을 출력하여 누전, 단선, 결상, 접촉불량, 불평형전류를 복구하는 중성선 이상 전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장출력기는,

상기 누전, 상기 결상, 상기 단선, 상기 접촉불량, 상기 불평형전류의 고장전력 발생 시 각각의 레그에 권취된 각각의 권선이 1:1의 비율로 상호 전자기유도 작용을 하여 상기 고장전력 경보 또는 차단용 이상전류을 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장검출기는,

배전계통의 누전, 지락, 단선, 결상, 접촉불량, 이상 과전류, 이상 과전압 이상 불평형으로부터 배전계통을 보호하기 위하여 상기 고장출력기에서 출력하는 이상전류를 영상변류기 또는 전력검출기로 검출하여 트립회로, 누전차단기, 배선용차단기, 퓨즈, 회로보호용차단기, 경보발생기 중 어느 하나 이상으로 그 검출 값을 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기 전력검출기는,

상기 고장출력기의 입출력의 전압, 전류를 검출하여, 외부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따르면, 배전계통에서 전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 과전류, 삼상전동기의 불평형전류에 의한 전력이상을 실시간으로 경보 해줌으로써, 상기 전력이상에 의해 감전, 전기기기 소손, 전기화재 등의 전기사고가 발생되는 것을 예방할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 배전계통에서 전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 과전류, 삼상전동기의 불평형전류에 의한 전력이상을 차단해줌으로써, 상기 전력이상에 의해 감전, 전기기기 소손, 전기화재 등의 전기사고가 발생되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 정상전력을 사용하는 평상시에도 불평형전력과 영상고조파를 배전계통에 연결된 고장출력기가 이상전류로 출력하여 줌으로써 관리자가 보수하도록 하여 전기품질을 개선할 수 있는 장점이 있다.

도 1은, 접촉불량으로 아크 발생시 전압, 전류의 변화 파형도.
도 2는, 정상전력의 전압, 전류의 변화 파형도.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배전계통(100)의 이상 시 마스터(만능)차단기(200)의 구성 및 회로도.
도 4는, 고장출력기의 여러 실시 예의 회로도 및 누설전력복구벡터도.
도 5는, 고장출력기의 여러 실시 예의 회로도.
도 6은 한국전기연구원에서 각 상의 전원을 단선시켜 시험한 전원 측과 부하 측 연결 회로도와 시험결과표{결상(A, B, C상 OFF) 시 전원 측 중성선 전류를 보면 부하 측 전력을 복구하기 위해 중성선에서 이상전류가 발생하는 것을 볼 수 있으며 상술한 선행기술3의 제품으로 시험한 결과 치입니다.}

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마스터(만능)차단기(200)의 구성 및 회로도로서, 배전계통(100)에 연결되어 있는 고장출력기(220)와 배전계통에 이상전력이 유입되는 것을 방지하기 위해 이상전류를 검출하는 고장검출기(210)를 포함한다.

이러한 마스터(만능)차단기(200)는 하나의 모듈로 구현하여 제품화하면, 휴대하여 전기고장(전원 측의 누전, 결상, 단선, 접촉불량과 부하 측의 누전, 과전류, 불평형전류)을 점검하거나, 분배전반에 구비하여 경보하거나, 차단기에 내장하여 전력 이상 시 전력을 차단하거나, 기존에 설치된 전력공급용 기기에도 쉽게 적용하여 이상 전력을 경보하거나, 차단할 수 있는 장점이 있다.

배전계통(100)은 삼상 3선식(R, S, T) 또는 3상 4선식(R, S, T, N)으로 전력을 공급해주는 일반적인 배전계통을 의미한다.

마스터(만능)차단기(200)는 배전계통(100)의 전기설비에 연결되어, 상기 배전계통(100)에서 누전, 접촉불량, 결상, 단선, 불평형전류 발생 시 발생한 전력이상을 감지하기 위한 누설전력을 고장출력기(220)에서 출력해주며, 상기 누전, 접촉불량, 결상, 단선, 불평형전류 발생 시 고장검출기(210)중 하나인 영상변류기가 고장출력기(220)에서 출력하는 이상전류를 검출하여 상기 누전, 접촉불량, 결상, 단선, 불평형전류에 의한 전력이상을 외부에서 알 수 있도록 출력하여주거나, 검출한 이상전류로 전원을 차단할 수 있도록 하여주고, 상기 전력이상의 발생을 방지하는 기능을 수행한다.

이러한 마스터(만능)차단기(200)는, 상기 전력이상의 발생 시 상기 전력이상을 입력받아 상기 전력이상을 감지하기 위한 이상전류를 출력하는 고장출력기(220)와 전력이상을 차단 또는 경보하기 위해 고장출력기(220)에서 발생하는 이상전류를 검출하는 고장검출기(210)를 구비하고, 상기 고장출력기(220)에 의해 동작하여 출력된 전력이상 여부를 외부에서 판단하도록 전달하거나, 전력이상 발생 시 전력이상을 자체 차단한다.

이러한 고장출력기(220)는, 배전계통(100)의 전원 측에서 상기 누전, 단선, 결상, 접촉불량으로 고장전력이 발생하면, 상과 상간의 전위차와 위상차, 중성점과 상간의 전위차와 위상차를 이용해 전자기유도를 하여, 상기 누전, 단선, 결상, 접촉불량으로 인한 고장상황을 고장검출기(210)에 공급하고자 철심인 레그(120, 130, 140)와 코일인 권선(P1, P2, P3, P4)을 구비하며, 제1 레그(120)에는 제1 권선(P1)과 제3 권선(P2)이 서로 반대방향으로 권취되고, 제3 레그(140)에는 제2 권선(P2)과 제3 권선(P4)이 서로 반대방향으로 권취되어, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선(P2)과 상기 제3 권선(P2, P4)의 일단이 중성선(N)에 연결되고, 특히, 상기 제3 권선(P2, P4)은 상기 제1 레그(120)와 상기 제3 레그(140)에 각각 권취되어 전원 측의 누전, 단선, 결상, 접촉불량과 부하 측의 누전, 삼상전동기의 전류불평형에 고장에 대한 이상전류출력을 위해 서로 전기적으로 연결되고 상기 제2 레그는 상기 제1 레그와 상기 제3 레그에서 유도되는 서로 다른 자속을 배출하는 통로 역할을 하는 것이 바람직하다.

이를 조금 더 구체적으로 설명하면, 도 4에 도시된 고장출력기(220)의 간략한 구성회로도와 위상벡터도(220-1)를 보면, 전원입력 측에 입력 A, 입력 B, 입력 C와 부하 측의 사이에 연결된 고장출력기(220)를 볼 수 있으며, 만일에 상기 고장출력기(220)의 입력 A가 지락 또는 단선 또는 결상이 되면 입력 A는 사라지거나 위상이 변형되어, 입력 B, 입력 C의 전원만 공급되게 되고, 도 4에 포함된 벡터도면(810)에 도시된 입력 A가 단선 시 복구방법의 벡터도(810-1, 810-2, 810-3)의 순서대로 실시간으로 전원입력 A의 복구가 가능하고, 복구전력에 의한 이상전류가 중성선에서 발생한다.

또한, 상기 고장출력기(220)의 입력 B가 지락 또는 단선 또는 결상이 되면 입력 B는 사라지게 되어, 입력 A와 입력 C의 전원만 공급되게 되고, 도 4에 포함된 도면(820)에 도시된 입력 B가 단선 시 복구방법의 벡터도(820-1, 820-2, 820-3)의 순서대로 실시간으로 전원입력 A의 복구가 가능하며 복구전력에 의한 이상전류가 중성선에서 발생하며,

또한, 상기 고장출력기(220)의 입력 C가 지락 또는 단선 또는 결상이 되면 입력 C는 사라지게 되어, 입력 A와 입력 B의 전원만 공급되게 되고, 도 4에 포함된 도면(830)에 도시된 입력 C가 단선 시 복구방법의 벡터도(830-1, 830-2, 830-3)의 순서대로 실시간으로 전원입력 C의 복구가 가능하게 되어 이상전류가 발생하게 된다.

이를 조금 더 상세하게 설명하면, 도 4에 도시된 고장출력기(220)는, 전압비가 각각 1:1로 권취된 권선을 구비하고, 벡터도(810-1)에서와 같이 상기 입력 A가 소멸된 상태가 되면, 서로 위상각 120도를 유지하는 입력 B, 입력 C와 중성선만 전원이 입력되게 되어, 일단이 중성점(N)과 연결된 권선(코일) P2의 타단에 입력 B의 전압이 투입되게 되고, 상기 권선 P2가 권취된 레그(870)와 동일한 레그에 상기 권선 P2의 반대방향으로 권취된 권선 P4에도 중성점을 기준으로 상기 권선 P2에 유기된 전압과 위상의 180도 반대방향의 위상 전압이 상기 권선 P4에 전자기유도로 발생되어, 도면(810-1)상태의 위상벡터가 나타나게 되고, 한편, 상기 입력 B와 120도의 위상차 및 전위차를 갖는 상기 입력 C는 권선 P3의 일단에 연결되어 전원이 투입되어 있고, 상기 권선 P4에서 발생된 위상의 전압은 상기 권선 P3와 연결된 타단에 입력 C와 위상차를 갖는 입력 B의 반대방향의 전원을 투입하게 되어, 결국은 상기 권선 P3에도 소멸된 입력 A의 위상과 같은 전압이 유기되어 도면(810-2)상태의 위상벡터가 나타나게 되며, 상기 권선 P3는 권선 P3가 권취된 동일한 레그(860)에서 반대방향으로 권취된 권선 P1에 권선 P3가 갖는 위상의 반대위상전압을 발생하는 전자기유도를 실시하게 되어서, 상기 중성점(N)에 일단이 연결되어 있던 상기 권선 P1은 중성점을 기준으로 하여 상기 권선 P3위상의 180도 반대위상인 소멸된 전원 입력 A를 발생하게 되면 중성선의 전류는 입력 B와 입력 C의

배의 전류가 고장출력기에 흐르게 되어 이상전류가 출력되는 것이다.

여기서, 이상전류에 대해 설명하자면 문헌상 벡터에 의한 전기이론은 A(R)+B(S)+C(T)=N이며 이것은 A(R), B(S), C(T)에 100이라는 평형전류가 흐르면 N에 흐르는 전류는 0으로 전류가 흐르지 않습니다. 그렇지만 A상이 단선되거나 결상되면 고장출력기가 A상을 복구하기 위해 B, C상과 N상의 전력을 사용하여 A상에 전기를 공급하려면 B와 C상은 50씩 N상은 50×

의 전류86.6이 흐르게 되어 R상의 100을 복구하게 되고 결국 N상에는 이상전류 86.6이 발생되며 불평형 부하에서 중성선(N)이 단선되면 부하 측에 과전류가 흐르지 않도록 복구하기 위해 A(R), B(S), C(T)상은 상기 고장출력기의 입력A, 입력B, 입력C에 똑같은 전류를 공급하게 되어 상기 고장출력기는 부하측 중성선(N)에 전류를 공급하여 상기와 같은 원리로 중성선(N)에 이상전류가 발생되고 삼상의 전동기 부하가 A상이 단선되거나 결상이 되면 고장출력기는 부하 평형을 유지하기 위해 상기와 같은 원리로 B, C상과 중성선(N)의 전류를 사용하게 되어 결국은 이상전류가 발생되는 것이며, 전원 측과 부하 측의 누전발생도 복구하기 위해 같은 원리로 중성선(N)에서 이상전류가 발생되는 것이다.

상기 고장출력기(220)에서 중성선(N)의 이상전류가 발생하면 고장검출기(210)는 즉시 누설된 전류를 검출하여 경보발생기(230) 또는 차단기(230)에 이상전류 검출 값을 전달하게 되면 경보발생기나 차단기는 동작을 하게 된다.(기존의 전기설비에서는 결상을 검출하기 위해 UVR(저전압계전기)이나 POR(결상계전기)을 사용하여 결상을 검출하지만 가격이 고가이고 중성선단선 시에는 검출하는 것이 어려우며, 특히 접촉불량은 정확하게 검출하기가 용이하지 않다)

이어서, 입력 B가 단선 시 복구되는 것을 설명하면, 도 4의 벡터도(820)에서 상기 입력 B가 사라진 도(820-1)를 보면 상기 입력 B가 소멸되면, 입력 A와, 입력 C에만 전원이 입력되어, 상기 입력 A는 일단이 중성점(N)과 연결되어 있는 권선(코일) P1의 타단에 입력 A의 전원이 투입되게 되고, 상기 권선 P1은 상기 권선 P1이 권취된 레그(860)와 동일한 레그에 상기 권선 P1의 반대방향으로 권취된 권선 P3에 전자기유도를 하게 되고, 상기 권선 P3는 일단에 전원 입력C가 연결되어 있어, 상기 권선 P3는 입력 A와 중성점을 기준으로 입력전원 C가 갖는 전기적인 위치가 상기 권선 P3의 기준 위상이 되고, 상기 전원 입력 A가 상기 권선 P1에 유기된 위상과 전압의 180도 반대의 위상과 전압이 상기 권선 P3에 발생하여, 도면(820-1)상태의 벡터가 나타나게 되고, 상기 P3의 타단에 연결되어 있는 권선 P4에 상기 P3의 유도된 전원을 공급하게 되면, 도면(820-2)상태의 벡터가 생성되며, 상기 권선 P4는 상기 권선 P4가 권취된 레그(870)와 동일한 레그에서 상기 권선 P4의 반대방향으로 권취된 권선 P2에 중성점을 기준으로 전자기유도를 하게 되어, 결국은 상기 권선 P2에도 복구전압이 유기되어 도면(820-3)상태의 벡터가 나타나게 되며, 소멸된 전원 입력 B를 발생하게 되는 것이다.

또한, 입력 C가 전원공급이 안 되더라도 상기 입력 A가 사라지거나, 상기 입력 B가 사라져도 삼상의 위상차와 전위차 및 각 상과 중성점의 위상차와 전위차를 이용하여 전자기유도로 상기 입력 A나 상기 입력 B가 복구되는 방법과 같은 이유로 입력 C는 복구된다. 굳이 입력 C가 복구되는 것을 간단하게 설명하자면, 도면(830)은 입력 C가 공급되지 않는 벡터도이며, 전원 입력 C가 없어져서, 전원 입력 A와 전원 입력 B가 중성점에 각각 연결된 권선 P1과 권선 P2에 전원을 공급하게 되면, 상기 권선 P1과 상기 권선 P2는 중성점을 기준으로 V결선의 형태를 하게 되고, 상기 권선 P2는 권선 P4를 180도 반대방향의 위상과 전압으로 전자기유도하게 되고, 상기 권선 P1은 권선 P3를 180도 반대방향의 위상과 전압으로 전자기유도를 하여, 도면(830-3)과 같이 전원 입력 C가 복구되어 발생된다.

또한, 중성선이 단선 되더라도 상기 입력 A, 상기 입력 B, 상기 입력 C에 삼상 전원이 투입되면 각각의 상들이 120도를 유지하게 되고 삼상전력의 중심이 자연적으로 생성되어 권선(P1, P2, P3, P4)에 의해 중성선이 나타나게 되고 배전계통의 전원측에서 지락, 단선, 결상으로 인해 하나의 선로 고장으로 입력 전원이 투입되지 않았음에도 불구하고 삼상의 전류를 똑같이 사용하여 정상적으로 중성선 전류가 출력되므로 중성선의 전류는 이상전류로 공급하게 되는 것이다.

아울러, 상술한 선행기술3과 첨부한 도 5의 실시 예에 의해서도 이상전류가 출력되며 배전계통에 이상이 발생하여 비정상적인 불평형전류의 삼상전동기전원이 공급될 시에는 결상된 부하전류를 고장출력기에서 불평형을 보충하여 평형으로 보정하게 되고 이에 따른 중성선의 이상전류가 발생되어 고장검출기를 가동하게 되고 배전계통에 비정상적인 전력이 유입되지 않도록 조치한다.(고장검출기는 고장출력기의 차단용량에 의하여 설정하며 전력검출기 또는 누전차단기 또는 배선용차단기 또는 퓨즈 또는 회로보호차단기 등으로 시설하는 것이 바람직하다)

즉, 본 발명에 따르면 배전계통(100)에서 전기설비의 누전, 접촉불량, 전력선의 결상, 중성선의 단선, 부하 측의 누전, 삼상전동기의 불평형전류로 전력이상이 발생하면 고장출력기(220)는 전력이상을 입력받아 전력이상을 보충하는 이상전류를 실시간 출력하여 상기 전력이상이 발생한 배전계통(100)에 공급하고, 이상전류의 유입으로 상기 이상전류를 고장검출기(210)가 검출하면 외부에 알리거나 전력이상을 차단하게 된다. 그리고 차단기를 차단하기 위해 트립하는 장치는 기존의 누전차단기의 회로를 사용하여 차단하거나 기존에 구비된 누전경보기를 사용하면 전력이상의 발생을 바로 외부로 고장경보를 발생하여 관리자가 이를 인지하도록 하며, 이후 관리자가 후속 조치를 신속하게 취할 수 있도록 함으로써, 전력이상 발생으로 인해 추후 발생할 수 있는 시스템 고장, 전기화재사고를 미연에 방지할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 - 배전계통(배전계통의 전기설비)
120 - 제1 레그, 130 - 제2 레그, 140 - 제3 레그
200 - 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마스터(만능) 차단기
210 - 고장검출기
220 - 고장출력기
230 - 차단기(배선용, 누전) 또는 경보발생기
P1 - 제1 레그에 권취된 제1 권선
P2 - 제3 레그에 권취된 제2 권선
P3 - 제1 레그에 권취된 제3 권선
P4 - 제3 레그에 권취된 제3 권선
A(R), B(S), C(T) - 전력선,
N - 중성선

Claims (9)

1. 3상 4선식 배전계통에 연결되어 상기 배전계통의 전기설비에서 접촉불량 시 접촉불량에 의한 고장 위상전력을 중성선과 건전상을 사용하여 공급하고, 결상 시에는 결상위상을 정상위상전력으로 중성선과 건전상을 사용하여 공급하며, 중성선 단선 시는 삼상을 사용하여 중성선을 복구 공급하고, 전원 측의 불평형전류와 부하 측의 불평형전압을 중성선을 사용하여 평형으로 개선하며, 누전 시에도 건전상과 중성선을 사용하여 누전지점에 전력을 공급하며, 삼상 전동기부하의 불평형 시에도 중성선과 건전상을 사용하여 삼상전원측을 평형방향으로 보정하여, 상기 접촉불량, 결상, 단선, 불평형전류, 불평형전압, 누전 발생 시 그 고장전기를 정상전력으로 공급, 복구, 개선, 보정, 보충 중에 하나 이상을 고장출력기가 실시하여, 고장검출기가 경보 또는 차단하도록 하는 상기 고장출력기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
2. 청구항 1항에 있어서, 상기 고장검출기는
   상기 고장출력기의 중성선을 영상변류기로 검출하여 검출된 이상전류 검출 값을 기존에 구비된 누전경보기에 전달하고 기 설정한 상기 누전경보기의 설정 값과 비교하여 전력이상으로 판단하면 자체 경보하거나, 기존에 영상변류기가 구비된 기존 누전차단기를 통하여 전원을 즉시 차단하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
3. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 고장출력기는
   철심인 제1 레그, 제3 레그와; 코일인 제1 권선, 제2 권선, 제3 권선을 구비하고, 상기 제1 권선은 상기 제1 레그에 권취되고, 상기 제2 권선은 상기 제3 레그에 권취되며, 상기 제3 권선은 상기 제1 권선과 상기 제2 권선이 권취된 반대방향으로 상기 제1 레그와 상기 제3 레그에서 지그재그로 권취되어 상기 제1 권선, 상기 제2 권선, 상기 제3권선의 일단이 삼상 전력선에 연결되고 상기 제1 권선, 상기 제2 권선, 상기 제3권선의 타단이 중성선에 연결되어 상기 전력선 또는 중성선에서 누전, 접촉불량, 단선, 결상, 불평형전류 시에 중성선에서 전류를 발생하며 상기 제1 레그와 상기 제3 레그에서 발생되는 자속이 순환하는 통로역할을 하는 제2 레그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
4. 청구항 3항에 있어서, 상기 고장출력기는,
   S상의 역 위상과 T상의 역 위상을 더하여 R상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상과 T상의 역 위상을 더하여 S상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상과 S상의 역 위상을 더하여 T상의 위상을 출력하여 누전, 단선, 결상, 접촉불량, 불평형전류를 복구하는 중성선의 이상전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
5. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 고장출력기는,
   S상의 역 위상 또는 T상의 역 위상과 R상의 정 위상을 더하여 R상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상 또는 T상의 역 위상과 S상의 정 위상을 더하여 S상의 위상을 출력하거나, R상의 역 위상 또는 S상의 역 위상과 T상의 정 위상을 더하여 T상의 위상을 출력하여 누전, 단선, 결상, 접촉불량, 불평형전류를 복구하는 중성선의 이상전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
6. 청구항 1항에 있어서, 상기 고장출력기는,
   상기 누전, 상기 결상, 상기 단선, 상기 접촉불량, 상기 불평형전류의 고장전력 발생 시 각각의 레그에 권취된 각각의 권선이 1:1의 비율로 상호 전자기유도 작용을 하여 상기 고장전력 경보 또는 차단용 이상전류을 출력하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
7. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 고장검출기는,
   배전계통의 누전, 지락, 단선, 결상, 접촉불량, 이상 과전류, 이상 과전압 이상 불평형으로부터 배전계통을 보호하기 위하여 상기 고장출력기에서 출력하는 이상전류를 영상변류기 또는 전력검출기로 검출하여 트립회로, 누전차단기, 배선용차단기, 퓨즈, 회로보호용차단기, 경보발생기 중 어느 하나에 그 검출 값을 전달하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
8. 청구항 7항에 있어서, 상기 전력검출기는,
   상기 고장출력기의 입출력의 전압, 전류를 검출하여, 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 마스터 차단기.
9. 삭제

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