분배전반의 재해방재장치{Device for prevention disaster in cabinet panel}

본 발명은 분배전반의 재해방재장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분배전반에서 중성선(neutral line: N) 이상이 발생할 경우 과전압의 발생을 방지하고 정상전압을 유지시켜줄 수 있도록 한 분배전반의 재해방재장치에 관한 것이다.

일반적으로 전력계통에 있어서, 22.9kv-y 배전방식은 3상 4선식 배전선로를 통해 변전소로부터 공장이나 빌딩과 같은 큰 규모의 수용가에 직접 전력을 공급하거나, 2차 변압기를 통해 소규모 공장이나 일반 가정에 전력을 공급하는 방식이며, 이때 사용하는 것이 분배전반이다.

3상 4선식을 채택하고 있는 우리나라의 배전 계통의 특징상 단상부하와 3상부하가 혼합되어 중성선에는 불평형 전류가 흐르게 되고, 최근에는 컴퓨터, LED 등 조명장치, 복사기 등 사무기기, 무정전전원공급장치(UPS) 등과 같은 비선형 부하장치의 증가로 인하여 중성선에는 더 많은 영상고조파가 흐르게 된다. 영상고조파는 각 3상의 위상이 동상의 값을 가지므로 단상전원 3개가 병렬로 연결된 것과 같이 중성선에 중첩되어 최대 3배의 영상고조파가 흐르게 된다. 이와 같이 중성선에 과다한 영상고조파가 흐르게 되면 중성선 도체의 과열, 배전 변압기의 성능저하, 전압의 왜곡, 통신선 잡음, 전기 전자 장비의 오작동 등의 장해를 일으키게 된다.

따라서 이러한 과도한 영상고조파를 감쇄시키기 위한 분배전반에는 여러 가지 방식이 제안되고 있는데, 그 중에서 3개의 위상선과 중성선에 연결된 지그재그(Zig Zag) 결선 변압기(지그-재그 트랜스)를 이용하여 영상 임피던스를 작게 하여 중성선에서 부하 계통 측으로 영상고조파가 흐르지 않도록 하고 지그재그 결선 변압기 측으로 흡수하여 영상고조파를 상쇄시키는 장치가 대표적이다. 이와 같이 지그재그 결선 변압기를 이용한 영상고조파 필터는 발생량이 가장 많은 저 차수인 3차 고조파를 효율적으로 감쇄할 수 있다.

지그재그 결선 변압기를 이용한 영상고조파 필터가 적용된 분배전반에 대한 종래의 기술이, 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0795037호(발명의 명칭: 과부하 보호기능을 구비한 영상고조파 저감장치)(이하, "종래기술 1"이라 약칭함)와 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0849463호(발명의 명칭: 과부하 방지장치가 구비된 영상고조파 저감장치)(이하, "종래기술 2"라 약칭함)에 개시되어 있다.

개시된 종래 기술 1은 복수의 차단기가 분배전반으로 결선되고, 전원의 3상(A, B, C) 및 중성선(N)이 분전반 차단기를 거쳐 영상고조파 저감장치의 결선변압기의 각 위상선(A, B, C)과 중성선(N)에 연결되되, 상기 중성선(N)에는 차단스위치를 개재시켜, 결선변압기가 설정된 일정온도이상 상승 시 회로를 차단하고, 다시 결선변압기의 온도가 일정온도 미만으로 낮아지면 회로를 자동 복구하는 과부하 보호기능을 하도록 동작한다.

또한, 개시된 종래기술 2는, 분배전반을 통과하는 전원의 3상선(R, S, T) 및 중성선(N)과 각각 연결되도록 구성되되, 상기 분전반으로부터 영상고조파 저감장치로 입력되는 3상선(R, S, T)의 입력단에는 전자접촉기가 구비되며, 상기 전자접촉기를 구성하는 코일이 상기 영상고조파 저감장치에 내장된 온도스위치에 연결되도록 구성되어, 상기 온도스위치의 동작에 따라 상기 3상선(R, S, T)을 연결하는 전자접촉기의 개폐가 이루어지도록 구성된다.

이렇게 구성된 종래기술 2는, 영상고조파 저감장치 내부에 온도스위치를 내장하고, 저감장치로 유입되는 3상선(R, S, T)의 입력단을 상기 온도스위치와 연결된 전자접촉기와 연결하여, 저감장치 내부의 온도가 일정온도보다 상승하거나 하강할 시, 상기 온도스위치가 온/오프되어 상기 3상선(R, S, T)과 연결된 전자접촉기의 스위치를 개방 또는 연결함으로써 영상고조파 저감장치를 주회로로부터 분리 또는 통전시켜 과부하에 의한 저감장치의 소손을 방지하고, 중성선의 개폐로 없이 전체 시스템을 안정적으로 작동시키게 된다.

그러나 상기와 같은 종래기술들은 중성선에 흐르는 영상 고조파를 어느 정도는 감소할 수 있는 장점은 있으나, 영상 고조파나 과열 등에 의해 중성선에 이상이 발생할 경우(예를 들어, 중성선 단선), 중성선 이상에 대한 대책이 전혀 강구되지 않아 과전압이 흘러 부하 기기가 소손되는 문제점을 발생하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분배전반에서 중성선(neutral line: N) 이상이 발생할 경우 과전압의 발생을 방지하고 정상전압을 유지시켜줄 수 있도록 한 분배전반의 재해방재장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 중성선에 흐르는 전류를 검출하여, 과도한 전류(기준치 이상)가 흐르면 지그-재그 트랜스를 동작시켜 영상 고조파를 감소할 수 있도록 한 분배전반의 재해방재장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 중성선 단선을 검출하여, 중성선 단선이 검출되면 복구용 중성선으로 복구하여 중성선 단선으로 인해 발생하는 과전압을 방지하고 정상전압을 유지시켜줄 수 있도록 한 분배전반의 재해방재장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 병렬로 중성선 복구장치를 구비하여 중성선 복구에 안정화를 추구하고, 병렬 중성선 복구장치에 의해서도 중성선이 복구되지 않으면 자동으로 차단기를 동작시키도록 한 분배전반의 재해방재장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 분배전반의 재해방재장치는,

메인 차단기 및 배전용 차단기(MCCB)를 구비한 전력 공급 장치와;

상기 전력 공급 장치의 중성선 이상 상태를 검출하여, 중성선 이상이 검출되면 일차로 중성선 복구를 시도하고, 상기 중성선 복구 후에도 중성선에 과전류가 흐를 경우에는 이차로 중성선 복구를 시도하며, 상기 이차로 중성선 복구를 시도한 후에도 중성선에 과전류가 흐르면 자동으로 차단기를 동작시키는 중성선 복구장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 중성선 복구장치는,

상기 중성선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기와;

상기 중성선의 단선 여부를 검출하는 단선 검출기와;

상기 전류 검출기와 상기 단선 검출기에 의해 출력된 전류 검출 값 및 단선 검출 값에 따라 영상 고조파 감소 및 중성선 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기와;

상기 제어기에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 중성선에 흐르는 영상 고조파를 감소시키거나 단선된 중성선을 복구하여 단상 전압의 평형을 유지하는 중성선 복구기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 단선 검출기는,

상기 중성선 전압과 대지전압을 측정하여, 상기 중성선 전압과 대지전압이 검출될 경우 중성선 단선으로 단선 검출 값을 출력하여 상기 제어기에 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 중성선 복구장치는,

상기 제어기에서 발생한 경보 제어신호에 따라 영상 고조파의 증가 또는 중성선 단선에 대한 경보를 발생하는 경보 발생기와;

상기 제어기에서 출력되는 이상상태 정보를 저장하는 메모리와;

상기 경보 발생기에 의해 경보가 발생한 후 관리자에 의해 경보해제를 위한 경보해제 스위치가 조작되면 경보해제 신호를 발생하여 상기 제어기에 전달하는 경보해제 신호 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 중성선 복구기는,

영상 고조파 감소를 위한 제어신호에 따라 동작하는 제1 스위치와;

상기 제1 스위치의 동작시 동작하여 중성선에 흐르는 전류를 감소시켜 영상 고조파를 제거하는 지그-재그 트랜스와;

각 상과 복구용 중성선(N)을 연결하여 일차 중성선 복구 동작을 통해 단상 전압의 평형을 유지하기 위한 제2 스위치와;

상기 제2스위치 동작 후에도 중성선 복구가 이루어지지 않았을 경우 상기 각 상을 인덕턴스를 통해 상기 복구용 중성선(N)과 연결하여 이차로 중성선 복구 동작을 수행하는 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 분배전반에서 중성선(neutral line: N) 이상이 발생할 경우 과전압의 발생을 방지하고 정상전압을 유지시켜줄 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 중성선에 흐르는 전류를 검출하여, 과도한 전류(기준치 이상)가 흐르면 지그-재그 트랜스를 동작시켜 영상 고조파를 감소할 수 있는 장점도 있다.

또한, 본 발명에 따르면 병렬로 중성선 복구기를 구비함으로써, 중성선 복구에 안정화를 추구할 수 있으며, 병렬 중성선 복구장치에 의해서도 중성선이 복구되지 않으면 자동으로 차단기를 동작시켜 중성선 이상으로 발생하는 문제를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분배전반의 재해방재장치의 구성도이고,
도 2는 도 1의 중성선 복구기의 실시 예 회로도이다.

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 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분배전반의 재해방재장치의 구성도로서, 전력 공급 장치(100)와, 중성선 복구장치(200)로 구성된다.

여기서 전력 공급 장치(100)는 메인 차단기(101) 및 배전용 차단기(MccB)를 포함하며, 3상 4선식(R, S, T, N)을 통해 전력을 공급받아 후단에 전력을 공급해주는 역할을 한다. 메인 차단기(101)나 배전반 차단기(MccB)의 상세 동작은 일반적인 분배전반의 동작과 동일하므로, 이하 해당 부분의 구체적인 설명은 생략한다.

중성선 복구장치(200)는 상기 전력 공급 장치(100)의 중성선 이상 상태를 검출하여, 중성선 이상이 검출되면 일차로 중성선 복구를 시도하고, 상기 중성선 복구 후에도 중성선에 과전류가 발생한 경우에는 이차로 중성선 복구를 시도하며, 상기 이차로 중성선 복구를 시도한 후에도 중성선에 과전류가 흐르면 자동으로 차단기를 동작시키는 역할을 한다.

이러한 중성선 복구장치(200)는 중성선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기(220)와; 상기 중성선의 단선 여부를 검출하는 단선 검출기(210)와; 상기 전류 검출기(220)와 상기 단선 검출기(210)에 의해 출력된 전류 검출 값 및 단선 검출 값에 따라 영상 고조파 감소 및 중성선 복구를 위한 제어신호를 발생하는 제어기(230)와; 상기 제어기(230)에서 발생하는 제어신호에 따라 상기 중성선에 흐르는 영상 고조파를 감소시키거나 단선된 중성선을 복구하여 단상 전압의 평형을 유지하는 중성선 복구기(240)를 구비한다.

여기서 상기 단선 검출기(210)는 상기 중성선 전압과 대지전압을 측정하여, 상기 중성선 전압과 대지전압이 검출될 경우 중성선 단선으로 단선 검출 값을 출력하여 상기 제어기(230)에 전달한다.

또한, 상기 중성선 복구장치(200)는 상기 제어기(230)에서 발생한 경보 제어신호에 따라 영상 고조파의 증가 또는 중성선 단선에 대한 경보를 발생하는 경보 발생기(250)와; 상기 제어기(230)에서 출력되는 이상상태 정보를 저장하는 메모리(260)와; 상기 경보 발생기(250)에 의해 경보가 발생한 후 관리자에 의해 경보해제를 위한 경보해제 스위치가 조작되면 경보해제 신호를 발생하여 상기 제어기(230)에 전달하는 경보해제 신호 입력부(270)를 더 구비한다. 이러한 경고 해제 스위치는 관리자가 발생한 이상 상태에 대한 후속 조치를 취한 후 경고 발생기를 해제하기 위해서 조작하는 스위치로서, 경고 해제 스위치가 조작되면 제어기(230)는 이를 인식하고 경고 발생기(250)를 오프하여 경고를 해제하게 되는 것이다.

또한, 상기 제어기(230)는 상기 전류 검출기(220)에서 검출한 전류 값과 기준 설정치를 비교하여, 상기 검출한 전류 값이 상기 기준 설정치를 초과하게 되면 영상 고조파가 상승한 것으로 판단하고, 영상 고조파 감소를 위한 제어신호를 발생하여 상기 중성선 복구기(240)에 전달하게 된다.

여기서 제어기(230)는 제어 가능한 프로그램을 저장하고, 상기 저장한 프로그램에 따라 중성선 복구장치(200)의 전체 동작을 제어할 수 있는 마이컴, 마이크로프로세서, 중앙처리장치, 마이크로컨트롤러 등으로 구현하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 중성선 복구기(240)는 도 2에 도시한 바와 같이, 영상 고조파 감소를 위한 제어신호에 따라 동작하는 제1 스위치(M1)와; 상기 제1 스위치(M1)의 동작시 동작하여 중성선에 흐르는 전류를 감소시켜 영상 고조파를 제거하는 지그-재그 트랜스(L1 ~ L6)와; 각 상(R, S, T)과 복구용 중성선(N)을 연결하여 일차 중성선 복구 동작을 통해 단상 전압의 평형을 유지하기 위한 제2 스위치(M2)와; 상기 제2스위치(M2) 동작 후에도 중성선 복구가 이루어지지 않았을 경우 상기 각 상을 인덕턴스(L4 ~ L6)를 통해 상기 복구용 중성선(N)과 연결하여 이차로 중성선 복구 동작을 수행하는 제3 스위치(M3)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 분배전반의 재해방재 장치는, 한국전력으로부터 공급되는 전력을 1차 변압기를 통해 전력 공급 장치(100)에서 공급받아, 2차 변압기를 통해 Y결선 방식으로 3상 4선식 전력을 공급하게 되는 데, 이때 부하 측에 공급되는 전력선 중 중성선(N)에 영상 고조파가 과다하게 흐르게 되거나 중성선 단선이 검출될 경우에는 부하에 공급되는 전력에 이상이 발생하여, 부하의 기기가 소손될 우려가 있다.

이러한 사고를 미리 방지하기 위해서 본 발명에서는 분배전반에 중성선 복구장치(200)를 설치하고, 상시 중성선의 상태를 감지하여, 중성선에 과다하게 영상 고조파가 흐르거나 중성선의 단선이 감지되면 즉시 경보를 수행함과 동시에 영상 고조파를 감소시키거나 다른 중성선으로 복구를 하여, 상간 전압 불균형을 보상함과 동시에 경부하 쪽에 과전압이 흐르지 못하도록 작용을 하여 항상 안정적인 전압이 유지되도록 한다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 분배전반에 전력이 공급되면 전류 검출기(220)는 중성선에 흐르는 전류를 검출하여 전류 검출 값을 제어기(230)에 전달하게 된다. 여기서 전류 검출 방식은 일반적인 CT를 사용하는 것이 바람직하다.

제어기(230)는 검출되는 전류 검출 값과 영상 고조파의 양을 판별하기 위해 미리 설정한 기준 설정치(기준 전류 값)를 비교하여, 상기 전류 검출 값이 상기 기준 설정치 이하이면 영상 고조파가 과다하지 않은 것으로 판단을 하고 이전 상태를 유지하며, 이와는 달리 상기 전류 검출 값이 상기 기준 설정치보다 클 경우에는 중성선에 과다하게 영상 고조파가 흐르는 것으로 판단을 하고, 영상 고조파 감소 및 중성선 복구기(240)에 영상 고조파 감소를 위한 제어신호를 전달한다. 아울러 영상 고조파 증가 검출 정보를 메모리(260)에 저장함과 동시에 경보 발생기(250)를 동작시켜 영상 고조파가 증가하고 있음을 외부에 알리게 된다.

아울러 중성선 복구기(240)는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제어기(230)로부터 영상 고조파 감소를 위한 제어신호가 전달되면, 제1 스위치(M1)가 온 상태로 동작을 하여 각 상(R, S, T)에 연결된 1차측 인덕턴스(L1 ~ L3)를 2차측 인덕턴스(L4 ~ L6)와 지그-재그 방식으로 연결하여 지그-재그 트랜스를 형성하게 되며, 이러한 지그-재그 트랜스에 의해 중성선에 흐르는 영상 고조파를 감소시키게 된다. 여기서 지그-재그 트랜스에 의해 중성선에 흐르는 영상 고조파를 감소시키는 방법은 당해 분야에 통상의 지식을 가진 종사자라면 누구나 알 수 있는 자명한 사실이므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이러한 과정을 통해 중성선에 흐르는 과도한 영상 고조파를 감소시키게 되고, 이후 제어기(230)는 지속적으로 전류 검출기(220)에서 검출하는 전류 검출 값을 기준 설정치와 비교하여, 전류 검출 값이 기준 설정치보다 작을 경우에는 중성선에 흐르는 영상 고조파가 감소된 것으로 판단을 하고, 중성선 복구기(240)에 구비된 상기 제1 스위치(M1)를 오프 상태로 동작시켜, 지그-재그 트랜스를 해제하게 된다.

다음으로, 단선 검출기(210)는 동작을 하여 중성선(N)의 단선 여부를 검출하고, 그 검출한 단선 검출 값을 제어기(230)에 전달한다.

예컨대, 단선 검출기(210)는 중성선의 전압 및/또는 대지전압을 측정하여, 중성선에 전압이 검출되는지 아니면 대지전압이 검출되는지를 확인하여 중성선의 단선을 판단한다.

이 판단 결과 중성선의 단선으로 판단되면, 중성선 단선 검출 값에 중성선 단선 이상 정보를 포함시켜 제어기(230)에 제공한다. 여기서 중성선 단선 이상 정보는 하이신호(5V)라고 할 수 있으며, 중성선의 단선이 검출되지 않을 경우 중성선 단선 검출 값은 로우신호(0V)라고 할 수 있다.

제어기(230)는 상기 단선 검출기(210)로부터 제공되는 단선 검출 값을 내장된 제어 프로그램으로 분석하여(중성선 단선 이상 정보가 하이신호인지 로우신호인지 분석), 중성선 단선이 아니라고 판단이 되면 영상 고조파 감소 및 중성선 복구기(240)를 동작하지 않게 되며, 이와는 달리 중성선 단선이라고 판단이 되면 상기 중성선 복구기(240)에 중성선 복구를 위한 제어신호를 발생하게 된다.

아울러 제어기(230)는 중성선 단선 검출 정보를 메모리(260)에 저장함과 동시에 경보 발생기(250)를 동작시켜 중성선 단선이 발생하였음을 외부에 알려주게 된다.

또한, 중성선 복구기(240)는 도 2에 도시한 바와 같이, 내부적으로 복구용 중성선(N)을 구비하고, 상기 제어기(230)에 의해 중성선 복구를 위한 제어신호가 전달되면, 제2 스위치(M2)가 동작을 하여 복구용 중성선(N)과 각상별 코일(인덕턴스)(L1 ~ L3)을 연결하게 된다. 즉, 복구용 중성선(N)은 항상 존재한 상태에서 중성선 단선시 3상을 복구용 중성선에 연결하여 단선된 중성선을 1차로 복구하게 된다. 여기서 중성선 접속은 마그넷 스위치 등을 이용하면 쉽게 접속할 수 있다.

중성선 복구기(240)가 동작을 하여 단선된 중성선을 복구하면, 중성선 단선으로 인해 발생할 수 있는 각상별 단상 전압의 불평형을 이전과 같이 평형 상태로 유지할 수 있으며, 이로 인해 전력 공급부(100)의 중성선이 단선되어도 종래와 같이 부하 쪽에 과전압이 흐르는 것을 방지하고 정상전압을 유지시켜주게 되므로 기존과 같이 과전압이 흘러 전기기기를 소손하게 되는 문제를 방지하게 된다.

한편, 관리자는 필요한 조치를 취하고 경보 해제 스위치를 온 상태로 조작하여 제어기(230)에 경보 해제에 대한 신호를 입력할 수 있으며, 제어기(230)는 경보 해제 신호가 입력되면 경보 발생기(250)를 오프하여 경보를 해제하게 된다.

그리고 본 발명의 다른 특징으로서 상기와 같은 방식으로 1차 중성선을 복구하였는데도 중성선(N)에 과전류가 흐르면(전류 검출기(220)를 통해 검출함), 제어기(230)는 중성선 복구기(240)에 2차 중성선 복구 제어신호를 발생한다.

중성선 복구기(240)는 2차 중성선 복구 제어신호에 의해 제3 스위치(M3)가 동작을 하여, 각 상( R, S, T)과 인덕턴스(L4 ~ L6)를 연결하여, 각 상(R, S, T)과 중성선(N)이 접속되도록 하여, 2차로 중성선 복구를 시도하게 된다.

예컨대, 본 발명은 지그재그 트랜스를 중심으로 양단에 병렬로 중성선 복구기를 구비하고, 중성선 단선이 검출되면 1차로 하나의 중성선 복구기를 통해 중성선을 복구한다. 이후 중성선에 흐르는 전류를 검출하여 1차로 중성선을 복구하였는데도 불구하고 중성선에 과전류가 흐르게 되면 다시 2차로 다른 하나의 중성선 복구기를 통해 중성선을 복구하게 된다. 즉, 최악의 상태에서는 병렬로 접속된 2개의 중성선 복구기를 동시에 동작시켜, 중성선을 복구하여 부하 측에 항상 안정적인 전력을 공급해주게 된다.

이러한 본 발명에 따르면 분배전반에서 중성선이 단선되면 복구용 중성선으로 자동 복구를 수행하여, 중성선 단선으로 인해 발생하는 상별 전압 불평형을 방지하여, 부하 측의 전기기기가 소손되는 것을 방지하게 된다. 또한, 중성선에 영상 고조파가 증가하는 경우에도 지그-재그 트랜스를 통해 영상 고조파를 감소할 수 있어, 부하 측에는 항상 안정적인 전력을 공급해줄 수 있게 되는 것이다.

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

100… 전력 공급장치
200… 중성선 복구장치
210… 단선 검출기
220… 전류 검출기
230… 제어기
240… 중성선 복구기
250… 경보 발생기
260… 메모리
270… 경보 해제신호 입력부