KR950013425B1 - 트립 지연 자기 회로를 갖는 회로 차단기 - Google Patents

트립 지연 자기 회로를 갖는 회로 차단기 Download PDF

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Description

트립 지연 자기 회로를 갖는 회로 차단기
제 1 도는 정면에서 도시된 트립 지연 자기 회로 기구를 갖는 다극 회로 차단기의 중심극을 통해서 도시한 종단면도.
제 2 도는 트립 지연 자기 회로 기구를 트립핑 위치에서 도시한 부분 단면도.
제 3 도는 기계적 시간 지연 자기 회로가 고정 전류에 미치는 영향을 도시한 교류 정현파 곡선의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 회로 차단기 18 : 작동 기구
30 : 부하 단자 34 : 가동 접촉부
38 : 가동 접촉 아암 64 : 피벗 핀
68 : 핸들 72 : 솔레노이드 코일
78 : 플런저 82 : 햄머
90 : 전기자 98 : 레버
100 : 피벗
본 발명은 절연 하우징내에 장착되는 회로 차단기에 관한 것으로서, 특히 회로 차단기의 때아닌 갑작스런 트립핑 동작을 방지하기 위해 저레벨 과전류에서 응용되는 자기 회로 공기 갭에 관한 것이다. 시간 지연 효과를 얻기 위해서는 가면 자기 회로 공기 갭을 갖는 회로 차단기를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면 전동기 회로의 보호 측면에서 전동기 시동 과도 전류로 인해 회로 차단기가 때아닌 갑작스런 트립핑 동작을 하지 않도록 하기 위해 회로 차단기가 저레벨 과전류 조건에서 트립 기능의 지연이 가능하게끔 구성된 자기회로를 구비하는 것이 바람직하다.
지금까지는 회로 차단기를 트립핑하기 위해 과전류 값을 선택적으로 조절하는 수동 수단이 제공되었다. 그러나 그러한 수단은 일반적으로 전동기의 시동 전류가 전동기의 정상 시동 전류값의 2배까지 이를 수 있는 유입 전류 펄스를 포함하기 때문에 모든 응용 분야에 완전히 적용되지 못했다. 자기 트립핑 장치는 통상시동 전류값에 따라 트립핑 또는 작동하도록 설계되기 때문에 유입 전류는 트립핑 장치의 기능에 상당히 파괴적인 요소가 될 수 있다.
본 발명에 따라 가동 접촉부를 포함하는 한쌍의 분리 접촉부 ; 상기 가동 접촉부를 운반하고, 상기 접촉부들의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 접촉 아암 ; 상기 접촉 아암을 작동시키기 위해 피벗으로 지지된 해제 가능한 부재를 포함하는 작동 기구 ; 상기 해제 가능한 부재를 래칭하기 위해 해제 가능한 부재의 래치 위치와 비래치 위치 사이에서 이동 가능한 래치 레버를 포함하는 래칭 수단 ; 및 상기 래치 레버를 래치 위치에서 해제 가능하게 유지하기 위한 트립 바아를 포함하는 트립 수단을 구비하는 회로 차단기는 상기 트립 바아의 때아닌 갑작스런 비대칭 동작을 방지하기 위해 전자기 수단 및 소정의 과전류 조건 이하의 과전류에 응답하여 상기 전자기 수단의 작동에 대해 예비적으로 이동 가능한 전기자(armature)를 포함하는 트립 지연 수단을 구비하는 것에 구성의 특징이 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 회로 차단기는 접촉 아암을 동작시키기 위해 피벗으로 해제 가능한 부재를 포함하는 작동 기구 ; 상기 해제 가능한 부재를 래칭하기 위해 상기 해제 가능한 부재의 래치 위치와 비래치 위치 사이에서 이동 가능한 래치 레버를 포함하는 래칭 수단 ; 상기 래치 레버를 래치 위치에서 해제 가능하게 유지하기 위한 트립 바아를 포함하는 트립 수단 ; 상기 트립 바아의 때아닌 갑작스런 비래칭을 방지하기 위해 전자기 수단 및 소정의 과전류 조건 이하의 과전류에 응답하여 상기 전자기 수단의 작동에 대해 예비적으로 이동 가능한 전기자를 포함하는 트립 지연 수단을 구비한다.
본 장치의 장점은 트립 지연으로 인해 전동기 과도 전류가 무시되는 한편 전자기 회로에 의해 순간 고장시 단락 회로가 트립핑한다는 점이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다.
제 1 도는 성형 케이스 회로 차단기(10)를 나타낸 것으로서 절연 하우징이나 베이스(12)을 구비하는데 베이스(12)는 나사(도시되어 있지 않음)와 같은 다수의 죔쇠(fasteners)에 의해 커버가 유지되는 분리선에서 기계적으로 부착된 커버(14)를 갖고 있다. 상기 회로 차단기는 단극 및 다극 구조로 구성될 수 있다. 다극 구조는 공지된 방법으로 하우징의 내부를 나란한 인접 전극 유니트 구획으로 분리시키는 절연 장벽을 구비한다. 3극 회로 차단기와 같은 다극 유니트의 경우에 작동 기구(operating mechanism)는 중심극 유니트에 배치된다. 그러나 각 전극 유니트는 래치 레버(26)을 해제시키는 트립 바아 (24)를 회전시키기 위한 분리된 트립 지연 장치(22)를 포함한다.
다상 회로 차단기 경우에, 하우징(10)의 대향 단부에서 라인 단자(28)와 부하 단자(30)를 포함하는 한쌍의 유사한 단자가 각각의 위상에 대해 제공된다. 단자(28,30)는 3상 회로와 같은 전기 회로에 회로 차단기(10)를 직렬 전기 접속하여 관련 전기 시스템을 보호하기 위해 사용된다.
회로 차단기(10)는 서로 각각 전기 접점에서 고정 접촉부(32)와 가동 접촉부(34)를 포함하는 한쌍의 분리 접촉부가 상호 전기 접촉되어 있는 폐쇄 위치 상태로 도시되어 있다(제 1 도). 상기 위치에서 회로 차단기를 통하는 회로는 라인 단자(28)로부터 도선(36), 접촉부(32,34), 접촉 아암(38), 분류기(shunt)(40), 트립지연 장치(22)내의 코일(72) 및 도선(42)을 거쳐 부하 단자(30)까지 연장한다.
접촉 아암(38)은 피벗 핀(44)에서 크로스 바아(48)에 고착되거나 크로스 바아와 일체적으로 결합되는 회전 가능한 캐리지(46)에 피벗으로 연결된다. 상기 접촉 아암(38)과 상기 캐리지(46)는 회로 차단기(10)를 통해서 정상 전류 조건동안 크로스 바아(48)와 함께 하나의 유니트처럼 회전한다. 작동 기구(18)는 미합중국 특허 제 4,503,408호에 기재된 작동 기구의 전형으로서 본 명세서에서는 상세히 설명되어 있지 않다. 간단히 설명하면, 작동 기구(18)는, 중심극 유니트의 베이스(12)에 확고히 고착되어 있는 복수의 간격 플레이트(50) 그중 하나가 도시되어 있음 사이에 배치되어 있다. 역 U자형 작동 레버(52)는 상기 플레이트상의 U자형 노치(54)에서 피벗으로 지지되고, 상기 레버의 다리 단부들은 플레이트의 U자형 노치(54)에서 지지된다.
작동 기구(18)는 접촉 아암(38)을 플레이트(50)상에서 핀(62)에 의해 피벗으로 지지되는 해제 가능한 크래들 부재(60)에 연결시키는 상부 토글 링크(56)와 하부 토글 링크(58)를 갖는 상단 중심 토글을 포함한다. 상기 토글 링크(56,58)는 니 피벗 핀(Knee pivot pin)(64)에 의해서 피벗으로 연결된다. 상단 중앙 작동 스프링(66)은 니 피벗 핀(64)과 레버(52)의 고리 부분 사이의 장력하에서 연결된다. 핸들(68)은 작동 기구(18)의 수동 조작을 위해 레버(52)의 상부 단부상에 설치된다.
접촉부(32,34)는 일반적으로 온 상태에서 오프 상태까지 제 1 도에서 도시된 상태로부터 핸들(68)을 우측 방향으로 이동시킴으로써 수동으로 분리된다. 그러나 트립 지연 장치(22)의 래치 레버(26)가 크래들 부재(60)의 노치(70)와 맞물려 결합되어 있는 한, 회로 차단기(10)는 제 1 도에 도시된 바와같이 비트립핑 위치에 있게 된다. 본 발명을 위해 회로 차단기의 작동 기구(18)는 오직 트립 지연 장치(22)에 의해서만 트립핑되는 것으로 도시된다. 분리된 고속 전자기 트립 장치와 같은 다른 트립핑 수단은 미합중국 특허 제 4,220,935호 뿐만 아니라 다른 곳에도 개시되어 있다.
작동 기구(18)가 트립 지연 장치(22)와 같은 어떤 수단에 의해 트립핑될 경우 접촉 아암(38)은 일점 쇄선위치(38a)로 이동한다. 본 발명의 자기 회로의 설계로 인해 저레벨 과전류에서 트립 기능의 지연이 허용됨으로써 전동기 시동 과도 전류가 회로 차단기를 갑작스럽게 트립핑시키지는 못한다. 트립 지연 자기 장치(22)는 이중 자기장 갭 변화(dual magnetic field gap change)에 의해 전기 임펄스가 인가된 후에 기계적 동작을 지연시킨다. 이를 위해 트립 지연 자기 장치(22)는 이격 프레임 부재(76,77)내에 설치된 보빈(74)내에서 감긴 코일(72) 및 플런저(78)를 포함하는 전자기 수단을 포함한다. 플런저 (78)의 상단부는 몸체(80)내부에 위치한다. 몸체(80)는 돌출부인 햄머(82)를 포함한다. 또한 몸체(80)는 코일 스프링(86)이 정상 전류 작동 상태하에서 플런저를 수축된 위치에서 유지하기 위해 부재(88)상에서 지지되는 하단부를 갖는 코일 스프링(86)이 위치하는 윈도우(84)를 포함한다.
트립 지연 자기 장치(22)는 또한 프레임 부재(76)상에 피벗으로 장착되는 상단부와, 코일 스프링(92)에 의해 프레임 부재(77)의 단부로부터 정상 상태에서 이격되는 하단부를 갖는 전기자(90)를 구비한다.
한편, 전자기 수단은, 코일(72)의 대향 단부에 각각 배치되는 단부를 가지며 프레임 부재(76)의 한 단부상에서 피벗으로 설치되고 자기력에 응답하여 프레임 부재(77)의 다른 단부와 접촉 및 분리되게끔 이동 가능한 전기자(90)를 포함하는 자기 프레임 부재를 구비한다.
정상 전류 조건하에서 트립 지연 자기 장치(22)는 제 1 도에서 도시한 상태, 즉 분류기(40)로부터 흐르는 전류는 플런저(78)를 코일 아래 방향으로 끌어 당기지 않고 코일(72)을 통해 도선(2)으로 흐른다.
그러나, 소정 크기의 과전류가 발생하는 경우, 프레임 부재(76,77)내에는 충분한 값의 전자기력이 발생하며, 이 전자기력으로 인해 프레임 부재(77)를 향해 전기자(90)가 끌어 당겨짐으로써, 전기자(90)와 프레임 부재 사이의 갭이 폐쇄되고, 스프링(92)의 힘이 압도당한다. 상기 동작에 응답하여 증가한 전자기력으로 인해 햄머(82)가 트립 바아 (24)의 아암(96)에 충돌하여 레버(98)가 피벗(100) 주위를 회전할 수 있을 정도로 충분히 트립 바아가 회전함으로써, 래치 레버(26)가 크래들 부재(60)의 노치(70)로부터 해제되어, 결국 회로 차단기 기구가 트립핑 동작을 하게 되고 접촉 아암이 개방 위치(38a)로 상승 이동한다.
분명하건대, 접촉부(32,34)가 분리될 때 플런저의 전자기력은 감소하고 스프링(86)의 작용으로 인해 플런저(78)는 수축 위치(제 1 도)로 끌어 당겨진다. 즉, 플런저는 래치된 위치에 대응하는 위치로 바이어싱(biasing)된다. 이와 동시에 스프링(92)의 장력하에서 전기자(90)는 제 1 도의 수축 위치로 복귀한다.
제 3 도에서 전형적인 전동기 시동 전류의 교류 전류를 나타내는 정현파 곡선이 도시된다. 가능한 한 높은 고장 전류 C를 피하기 위해, 폐쇄 위치(제 2 도)로 이동하는 전기자(90)의 지연 작용 없이 록 회전자(lock rotor) 전류의 10배에 해당하는 자기 트립 레벨이 레벨 A에서 설정될 수도 있다. 그러나 전기자(90)가 회로내에 포함되는 경우 회로 차단기의 불필요한 트립 동작이 발생하기 전에 제 2 도에 도시된 위치에서의 전기자(90)의 폐쇄시에 수반된 시간 지연만으로도 높은 고장 전류 C가 감소하기에 충분하다. 그러한 이유 때문에, 단지 록 회전자 전류 D의 2배인 B에서 자기 트립이 설정되어 전동기 가동시 우수한 보호 능력을 제공할 수 있다. 표준 솔레노이드는 고정 코어 부재 및 코일에 의해 자기적으로 작동하는 이동 전기자를 구비한다. 상기 코어와 전기자 사이의 인력은 다음 방정식으로 표현된다.
F=KB2A
여기서 B=공기 갭에서의 자장 밀도
A=유효 전극면 영역
이 자장 밀도는 코일과 전류와 관련이 있다. 인력은 부하 및 솔레노이드의 힘을 공기 갭과 결부시킨다. 그러므로 주어진 부하에 대해 필요한 힘을 발생하기 위해서는 충분한 자장 밀도가 조성되어야 한다. 전형적인 자기 솔레노이드는 이러한 방식으로 작동한다. 전기자(90)가 개방 위치에서 밀폐 위치까지 이동하는데 소요되는 시간은 가속도 방정식 F=ma로부터 유도되고 자기 구동력 뿐만 아니라 이동 질량, 갭, 부하에 따라 변한다.
본 발명의 장치는 통로(94) 및 플런저(78)가 이동하는 코일내의 갭을 갖는 자기 경로의 두 개의 가변 공기갭을 포함한다. B에 대한 일반 방정식은 자기장 경로와 관련하여 표현된다. 2개 공기 갭은 각각 R1과 R2로 나타내어진다. 전류의 인가시 발생된 B1으로 인해 전기자(90)가 갭(94)으로 이동하여 이 갭을 폐쇄시키기에 충분한 힘 F1=KB2A이 조성되도록 작동이 이루어진다. R2값은 효율적으로 0이 된다. 시간이 흐르면서 R1은 0으로 감소되고 회로에서의 자기장은 B1에서 B2로 변화한다. B2자계 밀도와 동일하거나 이 밀도보다 큰 힘은 코일내의 공기 갭을 폐쇄시키고 전기자(90)를 기계적으로 작동 개시시키기에 충분한 값의 힘을 조성함으로써 회로 차단기의 래치 기구가 트립핑된다. 따라서 전류가 최초 인가된 순간과 제 2이동 플런저(78)가 작동한 시간 사이에 기계적 시간 지연이 발생한다.
고전류(고장 레벨)가 발생하는 곳에서 자기장 밀도는 솔레노이드(90)의 작용 없이 플런저(78)를 작동시킬 정도로 충분히 높다.
따라서 트립 지연 기구는 전동기 과도 전류를 무시하는 한편 자기 회로는 순간 고장시 단락 회로 전류에 대해 트립핑한다.

Claims (4)

  1. 가동 접촉부(34)를 포함하는 한쌍의 분리 접촉부(32,34)와 ; 상기 가동 접촉부를 운반하고, 상기 접촉부들의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 가동 접촉 아암(38)과 ; 상기 접촉 아암을 작동시키기 위해 피벗으로 지지된 해제 가능한 부재를 포함하는 작동 기구(18)와 ; 상기 해제 가능한 부재를 래칭하기 위해 해제 가능한 부재의 래치 위치와 비래치 위치 사이에서 이동 가능한 래치 레버를 포함하는 래칭 수단(26)과 ; 상기 래치 레버를 래치 위치에서 해제 가능하게 유지하기 위한 트립 바아(24)를 포함하는 트립 수단을 구비하는 회로 차단기에 있어서, 상기 트립 바아의 때아닌 갑작스런 비래칭 동작을 방지하기 위해 전자기 수단(72,74,78) 및 소정의 과전류 조건 이하의 과전류에 응답하여 상기 전자기 수단의 작동에 대해 예비적으로 이동 가능한 전기자(90)를 포함하는 트립 지연 수단(22)을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기 수단은 솔레노이드 코일(72)과 플런저(78)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 플런저(78)는 래치된 위치에 대응하는 위치로 바이어싱되는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전자기 수단은, 또한 코일의 대향 단부에 각각 배치된 단부를 가지며 프레임 부재의 한 단부상에서 피벗으로 설치되고 자기력에 응답해서 프레임 부재의 다른 단부와 접촉 및 분리되게끔 이동 가능한 전기자를 포함하는 자기 프레임을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
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