KR20170004001A - 누전 차단기 - Google Patents

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KR20170004001A
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마사타카 치카이
다츠유키 츠카모토
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

교류 전로(1)를 개폐하는 개폐 접점(2)과, 교류 전로(1)의 누설 전류를 검출하는 영상전류기(3)와, 교류 전로(1)로부터 공급된 전력을 정전압의 전력으로 강압하는 강압회로(53)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 영상변류기(3)의 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로(6)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 누전 검출 회로(6)로 구동되어 개폐 접점(2)을 개리시키는 트립 장치(4)와, 강압회로(53)의 입력 측 선간에 설치되어, 강압회로(53)의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 사이리스터(54a)와, 강압회로(53)의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 사이리스터(54a)와 직렬체를 이루는 제1 제너다이오드(54b)를 구비한다.

Description

누전 차단기{EARTH LEAKAGE CIRCUIT BREAKER}
본 발명은 전로(電路)의 누설 전류가 소정치 이상이 되었을 때, 이 전로를 개방하는 누전 차단기에 관한 것으로, 특히 누전 차단기의 동작 전원에 관한 것이다.
이런 종류의 누전 차단기에 내장되는 전원 회로는, 교류 전로로부터 공급된 교류 전압(예를 들면 AC 100V)을 정류회로에 의해 직류 전압으로 변환한 후, 정류된 직류 전압을 강압회로에 의해, 보다 낮은 전압(예를 들면, DC 24V)으로 변환하여, 누전 검출 회로나 트립 장치에 구동 전원을 공급하는 것이다.
이러한 전원 회로에서는, 교류 전로에 낙뢰나 아크 접지 등에 의해 생기는 서지 전압이나 전자 접촉기나 릴레이의 개폐에 의해 생기는 개폐 서지 등의 순시적(瞬時的) 또는 단속적인 서지 전압(예를 들면 수 킬로볼트)으로부터 누전 검출 회로나 트립 장치를 보호할 필요가 있다.
그 보호 수단으로서는, 정류회로의 출력 전압으로부터 서지 전압을 검출하는 전압 검출 회로와, 이 전압 검출 회로가 서지 전압을 검출했을 때 강압회로의 출력 전압을 승압시키는 승압회로와, 강압회로의 출력 측에 설치되어, 강압회로의 출력 전압이 소정의 값에 도달했을 때 서지 전류를 흡수하는 전류 흡수 회로를 설치한 전원 회로가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한, 다른 서지 전압의 보호 수단으로서는, 정류회로와 강압회로의 사이에 과전압 흡수 수단을 설치한 것이 있다. 보다 상세하게는, 제너다이오드를 이용해 교류 회로에 침입한 서지 전압을 검출하는 과전압 검출 회로와, 강압회로의 입력부의 양단에 사이리스터와 콘덴서의 직렬체를 병렬 접속하고, 과전압 검출 회로가 서지 전압을 검출한 경우에, 사이리스터를 온 시켜서 서지 전압을 콘덴서에 흡수시키는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본국 특개 2009-95125호 공보(도 1) 일본국 특개 2009-195033호 공보(도 5)
종래의 누전 차단기의 전원 회로에서는, 서지 전압이 유기(誘起)된 경우, 승압회로에 의해 강압회로의 출력 전압을 승압시키고, 강압회로의 출력 전압이 소정의 값에 도달했을 때 서지 전류를 흡수하는 전류 흡수 회로에 전류를 통과시킴으로써 일정한 전압으로 클램프(clamp) 되어, 누전 검출 회로를 구성하는 부품이 과전압에 의해 고장나는 것을 방지하고 있다. 이 경우, 강압회로를 구성하는 MOS-FET으로 서지(surge)를 바이패스(bypass) 하기 때문에, 허용 손실이 큰 대형의 MOS-FET이 필요하다고 하는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 1에 있어서의 정류회로와 강압회로의 사이에 특허문헌 2에 기재된 보호 수단을 설치하는 것도 고려할 수 있다. 그렇지만, 서지 전압이 인가되었을 때, 사이리스터는 서지를 바이패스 하기 때문에, 서지 전압의 대부분은 정류회로보다 교류 전로 측에 설치된 입력 저항이 부담하게 된다. 따라서, 사이리스터의 애노드와 캐소드 사이의 전압인 정류회로의 출력 전압은 사이리스터의 온 전압(예를 들면, 2V)과 동일하게 되고, MOS-FET의 게이트와 소스 사이의 전압은 MOS-FET의 게이트 임계전압(threshold voltage)(예를 들면, 4V) 이하로 된다. 그러면, 강압회로의 출력 전압은, 예로써, 0V까지 저하되어버려 트립 장치를 구동할 수 없게 되어, 누전 차단기로서의 기능을 상실할 우려가 있다고 하는 문제가 생긴다.
본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 최대 허용 손실이 작은 MOS-FET의 사용을 가능하게 하여, 누전 차단기의 소형화를 도모하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 전로를 개폐하는 개폐 접점과, 전로의 누설 전류를 검출하는 누설 전류 검출기와, 전로로부터 공급된 전력을 저전압의 전력으로 강압하는 전원 회로와, 전원 회로로부터 전원 공급되고, 누설 전류 검출기의 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로와, 누전 검출 회로로 구동되어 개폐 접점을 개리시키는 트립 장치와, 전원 회로의 입력 측 선간에 설치되어, 전원 회로의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 스위칭 소자와, 전원 회로의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 스위칭 소자와 직렬체를 이루는 제1 제너다이오드를 구비한 것이다.
본 발명에 의하면, 전로에 중첩된 서지 전압이 강압회로의 입력 측에 설치된 스위칭 소자와 제1 제너다이오드의 직렬체로 바이패스 되므로, 강압회로에 최대 허용 손실이 작고 외형이 작은 부품을 사용할 수 있어, 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 전원 회로를 이용한 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서의 전원 회로를 이용한 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 전원 회로를 이용한 직류용 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 전원 회로를 이용한 직류용 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
실시 형태 1
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 전원 회로를 이용한 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 1에 있어서, 누전 차단기(100)는 교류 전로(1)를 개폐하는 개폐 접점(2)과, 교류 전로(1) 중에 삽입된 영상(零相) 변류기(3)에 접속되어, 그 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로(6)와, 이 누전 검출 회로(6)의 출력 신호에 의해 트랜지스터(8)를 통해서 전원을 공급받는 트립 코일(trip coil)(4a)과 이 트립 코일(4a)이 전원을 공급받을 때 개폐 접점(2)을 개리 구동하는 트립 기구(4b)를 가지는 트립 장치(4)와, 누전 검출 회로(6)와 트립 장치(4)의 양쪽에 급전(給電)하는 전원 회로(5)를 구비하고 있다.
전원 회로(5)는 교류 전로(1)로부터 입력되는 교류 전압을 소정의 직류 전압으로 변환하여 트립 코일(4a)에 여자(勵磁) 전류를 공급하는 것과 함께, 정전압 회로(7)에 의해 전원 회로(5)의 출력 전압보다 낮은 소정의 전압으로 변환하여 누전 검출 회로(6)에 공급한다.
이하, 전원 회로(5)의 상세에 대하여 설명한다.
전원 회로(5)는 교류 전로(1)에 접속되어, 교류 전로(1)로부터 전류를 제한하는 저항 즉 전류 제한 회로(51)와, 이 전류 제한 회로(51)의 후단에 접속되어, 다이오드 브릿지(diode bridge)에 의한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류회로(52)와, 이 정류회로(52)의 출력 측에 설치되어, 정류회로(52)로부터의 직류 전압을 보다 낮은 직류 전압으로 강압하는 강압회로(53)와, 정류회로(52) 및 강압회로(53)의 사이에 설치되어, 교류 전로(1)로부터의 서지 전압(surge voltage)을 흡수하는 서지 흡수 회로(54)를 가지고 있다.
강압회로(53)는 정류회로(52) 출력의 양극에 드레인이 접속된 전계효과 트랜지스터(53a)(이하, FET이라 한다)와, 이 FET(53a)의 게이트에 캐소드(cathode)가 접속되고, 애노드(anode)가 정류회로(52) 출력의 음극에 접속된 제2 제너다이오드(53b)와, FET(53a)의 드레인에 일단이 접속된 제1 저항(53c)과, 이 제1 저항(53c)의 타단에 일단이 접속되고, 타단이 제2 제너다이오드(53b)의 캐소드에 접속된 제2 저항(53d)으로 구성되어 있다.
서지 흡수 회로(54)는 정류회로(52) 출력의 양극과 FET(53a)의 드레인의 접속점에 애노드가 접속된 사이리스터(54a), 즉, 스위칭 소자와, 이 사이리스터(54a)의 캐소드에 캐소드가 접속되고, 애노드가 정류회로(52) 출력의 음극에 접속된 제1 제너다이오드(54b)와, 사이리스터(54a)의 게이트에 일단이 접속되고, 타단이 제1 저항(53c)과 제2 저항(53d)의 접속점에 접속된 제3 저항(54c)과, 사이리스터(54a)의 게이트에 일단이 접속되고, 타단이 제1 제너다이오드(54b)의 애노드에 접속된 제4 저항(54d)으로 구성되어 있다.
또한, 사이리스터(54a)가 정류회로(52) 출력의 양극 측, 제1 제너다이오드(54b)가 정류회로(52) 출력의 음극 측에 설치되어 있지만, 제1 제너다이오드(54b)를 정류회로(52) 출력의 양극 측, 사이리스터(54a)를 정류회로의 출력의 음극 측에 설치해도 된다. 이 경우, 서지 전압을 검출하는 수단은 사이리스터(54a)만으로 된다.
또한, 사이리스터(54a)는 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면, MOSFET, IGBT나 바이폴러 트랜지스터 등의 스위칭 소자로 구성하는 것이 가능하다.
또한, 트립 코일(4a) 및 트랜지스터(8)는 강압회로(53)의 출력에 접속된 예로 나타냈지만, 정류회로(52)의 출력에 접속해도 된다.
다음으로 동작에 대해 설명한다.
우선, 서지 전압의 인가가 없는 통상 상태의 경우에 대해 설명한다.
교류 전로(1)로부터 교류 전압(예를 들면, AC 100V ~ 440V 정도)이 공급되면 교류 전류 Ia가 전류 제한 회로(51)로 흐르고, 정류회로(52)에 의해 직류 전압 Va로 변환된다.
이 직류 전압 Va는, 정류회로(52)로부터의 출력인 직류 전압 Va가 직렬 접속된 제1 저항(53c), 제2 저항(53d), 및 제2 제너다이오드(53b)에 의해 분압된다. 그리고, 제2 저항(53d) 및 제2 제너다이오드(53b)의 직렬체의 양단 전압을 전압 Vc로 한다.
그러면, 사이리스터(54a)의 게이트에 인가되는 게이트 인가 전압 Vb는, 전압 Vc가 추가로 제3 저항(54c)과 제4 저항(54d)에 의해 분압된 제4 저항(54d)의 양단 전압으로 된다.
사이리스터(54a)가 턴온(turn-on) 하려면,
Vb ＞ (제1 제너다이오드(54b)의 제너 전압)＋(사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압) (1)
을 만족할 필요가 있다.
여기서, 식(1)을 만족하는 게이트 인가 전압 Vb의 값은, 다음의 식(2)로 구할 수 있다. 또한, Rf는 제4 저항(54d)의 저항값, Ie는 제3 저항(54c) 및 저항(54d)을 흐르는 전류이다.
Vb = Rf×Ie (2)
또한, 식(2)에 대입하는 전류 Ie에 대해서는, 이하에 나타내는 식(3) ~ 식(5)로 이루어진 3원 연립 방정식을 풀어서 구할 수 있다.
Ic = Id＋Ie (3)
Va - Vz = Rc×Ic＋Rd×Id (4)
Va = (Re＋Rf)×Ie＋Rc×Ic (5)
여기서, Ic는 제1 저항(53c)을 흐르는 전류, Id는 제2 저항(53d)을 흐르는 전류, Vz는 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압(zener voltage)이다.
이제, 예를 들어, 교류 전로(1)의 출압이 AC 440V일 때 정류회로(52)의 출력인 직류 전압 Va는 최대치가 대략 622V가 되고, 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압 Vz를 20V, 제1 저항(53c)의 저항값 Rc를 1.8MΩ, 제2 저항(53d)의 저항값 Rd를 83kΩ, 제3 저항(54c)의 저항값 Re를 5.6kΩ, 제4 저항(54d)의 저항값 Rf를 51kΩ으로 하여, 이것들을 식(3)에서 식(5)에 대입하면,
Ic = Id＋Ie (3')
622-20 = 1.8×106×Ic＋83×103×Ie (4')
622 = (5.6×103＋51×103)×Ie＋1.8×106×Ic (5')
로 된다. 이 (3')에서 (5')로 나타내는 3원 연립 방정식을 Ie에 대해서 풀면, Ie = 0.34 mA가 된다. 또한, 이 Ie의 값을, 식(2)에 대입하면,
Vb = 51×103×0.34×10-3 = 17.5V
로 된다.
이때, 사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압을 2V로 하면, 사이리스터(54a)가 턴온 하는 전압 = 2V＋20V = 22V이며, 게이트 인가 전압 Vb(17.5V)는 22V보다 작은 전압이기 때문에, 사이리스터(54a)의 게이트 인가 전압 Vb는 턴온 하는 전위에 도달하지 않아서 사이리스터(54a)의 애노드와 캐소드 사이는 도통(導通)되지 않는다.
한편, 직류 전압 Va에 의해 제1 저항(53c), 제2 저항(53d)을 통해, 제2 제너다이오드(53b)로 전류 Id가 흐른다. 이것에 의해 FET(53a)의 게이트 전압은 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압으로 되고, FET(53a)의 게이트 임계전압을 고려하면, 강압회로(53)의 출력 전압 Vd는,
Vd ≒ (제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압)-(FET(53a)의 게이트 임계전압)
으로 된다.
여기서 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압을 20V로 하고, FET(53a)의 게이트 임계전압을 5V로 했을 때, 전원 회로의 출력 전압 Vc는, Vc ≒ 20-5 = 15V가 된다.
전원 회로(5)의 출력의 전압 Vd는 트립 코일(4a) 및 정전압 회로(7)에 전원이 급전(예를 들면 15V)되고, 정전압 회로(7)는 전원 회로(5)의 출력 전압을 강압하여 누전 검출 회로(6)에 소정의 일정 전압(예를 들면 DC 5V)을 급전한다.
이러한 급전상태에 있어서, 교류 전로(1)에 누전이 발생했을 경우는, 영상변류기(3)의 출력에 신호가 발생하여, 누전 검출 회로(6)에 의해 영상변류기(3)의 출력 신호 레벨이 소정의 기준치를 초과한 것을 판별하고, 누전 트립 신호를 트랜지스터(8)에 출력한다. 트랜지스터(8)는 그 출력에 의해 온(on)으로 되어 전원 회로(5)로부터 트랜지스터(8)를 통해서 트립 코일(4a)에 여자 전류가 흘러, 트립 기구(4b)가 동작함으로써, 개폐 접점(2)이 개로된다.
다음으로, 교류 전로(1)에 서지 전압이 중첩된 경우에 대해 설명한다.
교류 전압에 서지 전압(예로써, 수 kV)이 중첩되면, 정류회로(52)에 의해 직류 전압 Va에 정류된 서지 전압이 나타난다. 정류회로(52)의 직류 전압 Va는, 직렬 접속된 제1 저항(53c), 제2 저항(53d), 및 제2 제너다이오드(53b)에 의해서 분압된다. 그리고, 제2 저항(53d) 및 제2 제너다이오드(53b)의 직렬체의 양단 전압을 전압 Vc로 한다. 사이리스터(54a)의 게이트에 인가되는 게이트 인가 전압 Vb는, 전압 Vc를 추가로 제3 저항(54c)과 제4 저항(54d)에 의해 분압한 54d의 양단의 전압으로 된다.
교류 전로(1)에 서지 전압 1kV가 인가되었을 때, 정류회로(52)의 출력인 직류 전압 Va의 최대치는 대략 1kV가 된다. 이것들을 식(3)에서 식(5)에 대입하면,
Ic = Id＋Ie (3'')
1000-20 = 1.8×106×Ic＋83×103×Ie (4'')
1000 = (5.6×103＋51×103)×Ie＋1.8×106×Ic (5'')
으로 되고, 이 (3'')에서 (5'')로 나타내는 3원 연립 방정식을 Ie에 대해서 풀면, Ie = 0.46mA가 된다. 이 Ie의 값을, 식(2)에 대입하면,
Vb = 51×103×0.46×10-3=23.7V
로 된다.
이때, 사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압을 2V로 하면, 사이리스터(54a)가 턴온 하는 전압 = 2V＋20V = 22V이며, 게이트 인가 전압 Vb(23.7V)는 22V보다 높은 전압이 되기 때문에, 사이리스터(54a)의 게이트 인가 전압 Vb는 턴온 하는 전위에 도달하여 사이리스터(54a)의 애노드와 캐소드 사이가 도통된다.
사이리스터(54a)가 턴온 한 상태에서의 정류회로(52)의 출력인 직류 전압 Va는,
Va = 사이리스터(54a)의 게이트 임계전압 ＋ 제1 제너다이오드(54b)의 제너 전압
으로 일정하게 유지된다.
사이리스터(54a)의 온 전압은 2V, 제1 제너다이오드(54b)의 제너 전압은 20V이므로, Va = 2＋20 = 22V가 된다. 이 직류 전압 Va에 의해서 제1 저항(53c), 제2 저항(53d)을 통해 제2 제너다이오드(53b)에 전류 Id가 흐른다. 이것에 의해 FET(53a)의 게이트 전압은, 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압이 되고, FET(53a)의 ON 전압을 고려하면, 강압회로(53)의 출력 전압 Vd는,
Vd ≒ (제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압)-(FET(53a)의 게이트 임계전압)
으로 된다.
여기서 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압은 20V, FET(53a)의 게이트 임계전압은 5V이므로, 강압회로(53)의 출력 전압 Vc는, Vc≒20-5=15V가 된다.
이와 같이, 사이리스터(54a)가 턴온 한 상태에서도 강압회로(53)의 출력의 전압 Vd는, 트립 코일(4a) 및 정전압 회로(7)에 전원이 급전(예로서, 15V)되고, 정전압 회로(7)는 전원 회로(5)의 출력 전압을 강압하여 누전 검출 회로(6)에 소정의 일정 전압(예를 들면, DC 5V)을 급전할 수 있다.
따라서, 교류 전로(1)에 서지 전압이 중첩되어, 서지 흡수 회로(54)의 사이리스터(54a)가 도통되어 서지 전압을 흡수하고 있을 때에 교류 전로(1)에 누전이 발생했다고 해도, 영상변류기(3)의 출력에 발생한 신호를 누전 검출 회로(6)로 판정하고, 소정의 기준치를 초과한 경우에는, 누전 검출 회로(6)가 누전 트립 신호를 트랜지스터(8)에 출력한다. 그리고, 이 출력에 의해 트랜지스터(8)는 온이 되어 전원 회로(5)로부터 트랜지스터(8)를 통하여 트립 코일(4a)에 여자 전류가 흘러, 트립 기구(4b)가 동작하므로, 개폐 접점(2)을 개로 시킬 수 있다.
또한, 사이리스터(54a)가 도통되어 서지 전압을 서지 흡수 회로(54)가 흡수한 후, 정류회로(52)의 출력인 직류 전압 Va가, 제1 제너다이오드(54b)의 제너 전압(예로써, 20V) 이하가 되면, 제1 제너다이오드(54b)를 흐르는 전류 Ib가, 사이리스터(54a)의 턴 오프(turn-off) 전류 이하로 되기 때문에(예로써, 수 ㎂) 사이리스터(54a)는 턴 오프되어, 비도통(非導通)으로 된다.
본 실시 형태에 의하면, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 영상변류기(3)의 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로(6)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 누전 검출 회로(6)로 구동되어 개폐 접점을 개리시키는 트립 장치(4)와, 강압회로(53)의 입력 측 선간(線間)에 설치되어, 강압회로(53)의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 사이리스터(54a)와, 강압회로(53)의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 사이리스터(54a)와 직렬체를 이루는 제1 제너다이오드(54b)를 구비하고, 교류 전로(1)에 중첩된 서지 전압은 사이리스터(54a)와 제1 제너다이오드(54b)의 직렬체로 바이패스 되므로, 강압회로(53)를 구성하는 FET는 최대 허용 손실이 작고 외형이 작은 것이 사용 가능하게 되어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 서지 전압이 교류 전로(1)에 중첩되었을 때, 서지 전압은 사이리스터(54a)와 제1 제너다이오드(54b)의 직렬체로 바이패스 되어, 사이리스터(54a)가 턴온 했을 때도 강압회로(53)의 출력 전압은 유지되므로, 누전 검출 회로(6) 및 트립 장치(4)를 동작시킬 수 있다.
또한, 서지 전압 검출을 위한 제1 제너다이오드(54b)는 제너 전압이 저전압인 것으로 회로를 구성할 수 있으므로, 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
실시 형태 2
도 2는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서의 전원 회로를 이용한 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
본 실시 형태의 누전 차단기(101)는, 실시 형태 1에 있어서의 제1 제너다이오드(54b)를 생략하고, 제2 제너다이오드(53b)로 겸용시킨 것으로, 상술한 실시 형태 1과 같은 다양한 효과를 달성하는 것이다.
도 2에 있어서, 누전 차단기(101)에서의 전원 회로(5)에서는, 실시 형태 1에서 사용하고 있던 제1 제너다이오드(54b)를 제거했으므로, 사이리스터(54a)의 캐소드는, 제2 저항(53d)과 제2 제너다이오드(53b)의 접속점에 접속되어 있다. 그 밖의 구성에 대해서는, 실시 형태 1과 동일하므로 상세 설명은 생략한다.
다음으로 동작에 대해 설명한다.
우선, 서지 전압의 인가가 없는 통상 상태의 경우에 대해 설명한다.
교류 전로(1)에서 교류 전압(예를 들면, AC 100V ~ 440V 정도)이 공급되면 교류 전류 Ia가 전류 제한 회로(51)로 흐르고, 정류회로(52)에 의해서 직류 전압 Va로 변환된다.
이 직류 전압 Va는 정류회로(52)로부터의 직류 전압 Va가 직렬 접속된 제1 저항(53c), 제2 저항(53d), 및 제2 제너다이오드(53b)에 의해서 분압된다. 그리고, 제2 저항(53d) 및 제2 제너다이오드(53b)의 직렬체의 양단 전압을 전압 Vc로 한다.
그러면, 사이리스터(54a)의 게이트에 인가되는 게이트 인가 전압 Vb는, 전압 Vc가 추가로 제3 저항(54c)과 제4 저항(54d)에 의해서 분압된 제4 저항(54d)의 양단 전압으로 된다.
한편, 사이리스터(54a)가 턴온 하려면, 사이리스터(54a)의 캐소드가, 제2 저항(53d)과 제2 제너다이오드(53b)의 접속점에 접속되어 있으므로, 이하의 식(6)을 만족할 필요가 있다.
Vb ＞ (제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압)＋(사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압) (6)
여기서, 식(6)을 만족하는 게이트 인가 전압 Vb의 값은, 실시 형태 1과 같이 식(3) ~ 식(5)로 이루어진 3원 연립 방정식을 풀어서 전류 Ie를 구하고, 이 Ie의 값을 식(2)에 대입하는 것으로 구할 수 있다.
실시 형태 1과 같이, 제1 저항(53c)의 저항값 Rc를 1.8MΩ, 제2 저항(53d)의 저항값 Rd를 83kΩ, 제3 저항(54c)의 저항값 Re를 5.6kΩ, 제4 저항(54d)의 저항값 Rf를 51kΩ, 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압을 20V로 한다.
실시 형태 1과 같이, 전류 Ie는, Ie = 0.34mA가 된다. 이 Ie의 값을, 식(2)에 대입하면,
Vb = 51×103×0.34×10-3 = 17.5V
가 된다.
이때, 사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압을 2V로 하면, 사이리스터(54a)가 턴온 하는 전압 = 2V＋20V = 22V이며, 게이트 인가 전압 Vb(17.5V)는 22V보다 낮은 전압이 되기 때문에, 사이리스터(54a)의 게이트 인가 전압 Vb는 턴온 하는 전위에 도달하지 않아서 사이리스터(54a)의 애노드와 캐소드 사이는 도통되지 않는다.
다음으로, 교류 전로(1)에 서지 전압이 중첩된 경우에 대해 설명한다.
교류 전압에 서지 전압(예로써, 1kV)이 중첩되면, 실시 형태 1과 같이, Ie=0.46mA가 된다. 구한 Ie의 값을, 식(2)에 대입하면,
Vb = 51×103×0.46×10-3 = 23.7V
가 된다.
이때, 사이리스터(54a)의 게이트 트리거 전압을 2V로 하면, 사이리스터(54a)가 턴온 하는 전압 = 2V＋20V = 22V이며, 게이트 인가 전압 Vb(23.7V)는 23.7V 보다 높은 전압이 되기 때문에, 사이리스터(54a)의 게이트 인가 전압 Vb는 턴온 하는 전위에 도달하여 사이리스터(54a)의 애노드와 캐소드 사이가 도통된다.
또한, 사이리스터(54a)가 도통되어 서지 전압을 서지 흡수 회로(54)가 흡수한 후, 정류회로(52)의 출력인 직류 전압 Va가, 제2 제너다이오드(53b)의 제너 전압(예로써, 20V) 이하가 되면, 제2 제너다이오드(53b)를 흐르는 전류 Ib가, 사이리스터(54a)의 턴 오프 전류 이하로 되기 때문에(예로써, 수 ㎂) 사이리스터(54a)는 턴 오프하여, 비도통으로 된다.
그 밖의 동작에 대해서는, 실시 형태 1과 동일하므로 설명은 생략한다.
본 실시 형태에 의하면, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 영상변류기(3)의 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로(6)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 누전 검출 회로(6)로 구동되어 개폐 접점을 개리시키는 트립 장치(4)와, 강압회로(53)의 입력 측 선간에 설치되어, 강압회로(53)의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 사이리스터(54a)와, 강압회로(53)의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 사이리스터(54a)와 직렬체를 이루는 제2 제너다이오드(53b)를 구비하고, 교류 전로(1)에 중첩된 서지 전압은 사이리스터(54a)와 제2 제너다이오드(53b)의 직렬체로 바이패스 되므로, 강압회로(53)를 구성하는 FET는 최대 허용 손실이 작고 외형이 작은 것이 사용 가능하게 되어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 제2 제너다이오드(53b)의 캐소드와 사이리스터(54a)의 캐소드를 접속해서, 제2 제너다이오드(53b)가 사이리스터(54a)와의 직렬체를 구성했으므로, 사용 부품을 삭감할 수 있어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
실시 형태 3
도 3은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 전원 회로를 이용한 직류용 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3에 있어서, 본 실시 형태의 누전 차단기(102)는, 실시 형태 1에서의 서지 흡수 회로(54)를 직류용 누전 차단기에 적용한 것이다. 실시 형태 1에서는 누설 전류 검출기로서 영상변류기를 사용했지만, 본 실시 형태에서는 누설 전류 검출기로서 직류의 누설 전류가 검출 가능한 플럭스 게이트 센서(flux gate sensor)(31)를 사용하고, 사이리스터(54a)를 게이트 턴 오프 사이리스터(54e)로 변경한 것이다. 그리고, 본 실시 형태도 상술한 실시 형태 1과 같은 다양한 효과를 달성하는 것이다.
플럭스 게이트 센서(31)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 직류 전로(11)가 삽통(揷通)되는 환상(環狀)의 코어(31a)와, 코어(31a)에 감겨진 코일(31b)과, 코일(31b)의 자속밀도를, 방향을 반전시키면서 포화시키도록 코일(31b)에 양음 대칭의 구형파(矩形波)로 전압을 인가하는 구동 회로(31c)와, 코일(31b)을 흐르는 코일 전류에 대응하여 변화하는 측정 전압으로부터 누설 전류를 검출하는 검출 회로(31d) 즉 누전 검출 회로를 구비한다.
또한, 실시 형태 1에서 설치하고 있던 정류회로(52)는, 양극과 음극의 역(逆)접속시의 고장 방지를 위해 설치해도 되지만, 직류 전로용으로는, 필수가 아니므로 제거하고, 전류 제한 회로(51)에 강압회로(53), 및 서지 흡수 회로(54)를 직접 접속하고 있다. 상세하게는, 직류 전로(11)로부터 공급되는 전압의 양극 측에, 사이리스터(54a)의 애노드와 FET(53a)의 드레인이 접속되고, 직류 전로(11)로부터 공급되는 전압의 음극 측에 제1 제너다이오드(54b)의 애노드 및 제2 제너다이오드(53b)의 애노드가 접속되어 있다.
또한, 게이트 턴 오프 사이리스터(54e)는, 이것으로 한정되지 않고, 자기 소호(消弧)형 스위칭 소자이면 되고, 예를 들면 MOSFET, IGBT나 바이폴러 트랜지스터 등으로 구성하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에서의 전원 회로(5)의 동작에 대해서는, 실시 형태 1에서 정류회로(52)에 의해 직류 전압화된 후와 동일하므로 설명은 생략한다.
본 실시 형태에 의하면, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 직류 전로(11)의 누전을 검출하는 플럭스 게이트 센서(31)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 플럭스 게이트 센서(31)로 구동되어 개폐 접점을 개리시키는 트립 장치(4)와, 강압회로(53)의 입력 측 선간에 설치되어, 강압회로(53)의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 사이리스터(54a)와, 강압회로(53)의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 사이리스터(54a)와 직렬체를 이루는 제1 제너다이오드(54b)를 구비하며, 교류 전로(1)에 중첩된 서지 전압은 사이리스터(54a)와 제1 제너다이오드(54b)의 직렬체로 바이패스 되므로, 강압회로(53)를 구성하는 FET는 최대 허용 손실이 작고 외형이 작은 것이 사용 가능하게 되어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
실시 형태 4
도 4는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 전원 회로를 이용한 직류용 누전 차단기의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4에 있어서, 본 실시 형태의 누전 차단기(103)는, 실시 형태 2에서의 서지 흡수 회로(54)를 직류용 누전 차단기에 적용한 것이다. 실시 형태 2에서는 누설 전류 검출기로서 영상변류기를 사용했지만, 본 실시 형태에서는, 누설 전류 검출기로서 직류의 누설 전류를 검출 가능한 플럭스 게이트 센서(31)를 사용하고, 사이리스터(54a)를 게이트 턴 오프 사이리스터(54e)로 변경한 것이다. 그리고, 상술한 실시 형태 2와 같은 다양한 효과를 달성하는 것이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 실시 형태 3에서는 설치하지 않았던 정류회로(52)를 양극과 음극의 역접속시의 고장 방지를 위해 설치하고 있다.
플럭스 게이트 센서(31)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 직류 전로(11)가 삽통되는 환상의 코어(31a)와, 코어(31a)에 감겨진 코일(31b)과, 코일(31b)의 자속밀도를, 방향을 반전시키면서 포화시키도록 코일(31b)에 양음 대칭의 구형파로 전압을 인가하는 구동 회로(31c)와, 코일(31b)을 흐르는 코일 전류에 대응하여 변화하는 측정 전압으로부터 누설 전류를 검출하는 검출 회로(31d) 즉 누전 검출 회로를 구비한다.
그 밖의 구성은, 실시 형태 2와 같으므로 설명은 생략한다.
본 실시 형태에 의하면, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 직류 전로(11)의 누전을 검출하는 플럭스 게이트 센서(31)와, 강압회로(53)로부터 전원 공급되고, 플럭스 게이트 센서(31)로 구동되어 개폐 접점을 개리시키는 트립 장치(4)와, 강압회로(53)의 입력 측 선간에 설치되어, 강압회로(53)의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 사이리스터(54a)와, 강압회로(53)의 입력의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 사이리스터(54a)와 직렬체를 이루는 제2 제너다이오드(53b)를 구비하고, 교류 전로(1)에 중첩된 서지 전압은 사이리스터(54a)와 제1 제너다이오드(54b)의 직렬체로 바이패스 되므로, 강압회로(53)를 구성하는 FET는 최대 허용 손실이 작고 외형이 작은 것이 사용 가능하게 되어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 제2 제너다이오드(53b)의 캐소드와 사이리스터(54a)의 캐소드를 접속해서, 제2 제너다이오드(53b)가 사이리스터(54a)와의 직렬체를 구성했으므로, 사용 부품을 삭감할 수 있어 누전 차단기의 소형화를 도모할 수 있다.
1 교류 전로, 2 개폐 접점, 3 영상변류기,
4 트립 장치, 4a 트립 코일, 4b 트립 기구,
5 전원 회로, 51 전류 제한 회로, 52 정류회로,
53 강압회로, 53a 전계효과 트랜지스터(FET),
53b 제2 제너다이오드,
54 서지 흡수 회로, 54a 사이리스터,
54b 제1 제너다이오드,
6 누전 검출 회로, 7 정전압 회로, 8 트랜지스터,
100 누전 차단기.

Claims (5)

  1. 전로(電路)를 개폐하는 개폐 접점과,
    상기 전로의 누설 전류를 검출하는 누설 전류 검출기와,
    상기 전로로부터 공급된 전력을 저전압의 전력으로 강압하는 강압회로와,
    상기 강압회로로부터 전원 공급되고, 상기 누설 전류 검출기의 검출 신호에 기초하여 누전을 검출하는 누전 검출 회로와,
    상기 누전 검출 회로로 구동되어 상기 개폐 접점을 개리(開離)시키는 트립(trip) 장치와,
    상기 강압회로의 입력 측 선간(線間)에 설치되어, 상기 강압회로의 입력 전압이 소정치에 도달했을 때 도통되는 스위칭 소자와,
    상기 강압회로의 양극 측에 캐소드를 향해 설치되어, 상기 스위칭 소자와 직렬체를 이루는 제1 제너다이오드를 구비한 누전 차단기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전로는 직류 전로이며, 스위칭 소자는 자기 소호(消弧)형 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전로는 교류 전로이며, 스위칭 소자는 사이리스터인 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강압회로는, 상기 전로로부터 공급되는 전압의 양측(positive side)에 드레인이 접속된 전계효과 트랜지스터와, 이 전계효과 트랜지스터의 드레인과 게이트의 사이에 접속된 제1 저항 및 제2 저항의 직렬체와, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트에 캐소드가 접속되고, 상기 전로의 음극 측에 애노드가 접속된 제2 제너다이오드와, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항의 접속점에 일단이 접속되고, 타단이 스위칭 소자의 게이트에 접속된 제3 저항과, 상기 게이트에 일단이 접속되고, 타단이 상기 전로의 음극 측에 접속된 제4 저항을 구비한 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강압회로는, 상기 전로로부터 공급되는 전압의 양측에 드레인이 접속된 전계효과 트랜지스터와, 이 전계효과 트랜지스터의 드레인과 게이트의 사이에 접속된 제1 저항 및 제2 저항의 직렬체와, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 및 상기 스위칭 소자에 캐소드가 접속되고, 상기 전로의 음극 측에 애노드가 접속된 상기 제1 제너다이오드와, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항의 접속점에 일단이 접속되고, 타단이 스위칭 소자의 게이트에 접속된 제3 저항과, 상기 게이트에 일단이 접속되고, 타단이 상기 전로의 음극 측에 접속된 제4 저항을 구비한 것을 특징으로 하는 누전 차단기.
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