3-상 전력 시스템용 접지 결함 회로 차단기 시스템 document_id A220623107732

종래의 접지-결함 보호 시스템은 평형 전류를 정상적으로 운송하는 전력 전도체(conductor)에서 전류의 미세한 차이를 감지하는 것이 주목적이다. 이러한 차이는 접지(ground)에 대한 라인(line) 전도체들 중 하나로부터 전류가 누설됨에 따라 야기될 수 있고, 이로서 센서에서, 전도체의 전류내 평형 또는 제로 차이를 설정하는 정상 전류의 일부를 중성 전도체로부터 빼앗는다. 만일 차동 전류(differential currents)가 기설정된 수준 이하일 경우, 전력은 정상적으로 중단되지 않고 흐르도록 허용된다. 반면, 만일 차동 전류가 오랜 시간 동안 기설정된 임계치를 초과하면, 절연의 초기 실패 또는 사람에게 심각한 쇼크가 발생할 수 있기 때문에 상기 회로는 차단된다. 부정(spurious) 신호는 종종 접지-결함 차단기가 실제의 결함 전류와 혼동되게 하는 원인이다. 예를 들면, 급격한 부하 변동 또는 번개 유래 서지(surge)에 의해 야기된 전력 라인 과도전류는 접지-결함 차단기 시스템에서 불필요한 라인 트립핑을 일으킬 수 있다. 이러한 회로 차단은 효과적인 시스템 작동을 방해하기 때문에, 이에 대한 불내성(intolerance)이 이와 같은 장치의 사용자가 위험할 정도의 높은 수준으로 감도 설명(specification)을 설정하도록 유발한다는 것을 발견하는 것이 비정상적이지 않다. 3-상 전력 시스템에서 빈번하게 발생되는 정상 상태의 부정 신호는 적어도 하나의 하류 피더 라인으로부터 유래된 접지에 대한 용량성 전류이다. 이것은 부하에 연결된 긴 케이블에 의해 야기될 수 있거나, 또는 전력 시스템 전압 서지 또는 라인에 실제적인 결함이 전혀 없는 유사한 회로 영향에 의한 부하-이용 장치의 손상을 방지하게 위해 사용되는 것과 같은 별도의 상과 대지간(phase-to-ground) 연결 축전지(capacitor)에 의해 야기될 수 있다. 따라서 접지-결함 탐지기 및 실제 결함 발생이 없는 회로의 불필요한 단선에 의한 반응에도 불구하고 불충분한 원인에 대한 차단기 시스템에 의해 발생되는 회로의 차단은 불쾌하고, 이것은 방지되어야 한다. 실제 접지-결함은 다른 원인을 가질 수 있고 및 공급 전도체에서 상이한 수준의 전류 불균형을 일으킬 수 있다. 만약 전류 불균형이 상대적으로 높다면, 즉, 접지 결함 전류 흐름이 상대적으로 크다면, 상기 시스템은 신속하고 정확하게 반응해야 한다. 현대의 GFCI 기술은 125 볼트의 선과 대지간(line-to-ground) 전압 또는 250 볼트의 선간(line-to-line) 전압 이상으로 작동하는 시스템을 위해 제한된 용도를 갖는다. 통상적인 GFCI의 용도는 단일-위상(single-phase)인, 120-240 전력 시스템에 원칙적으로 적합하다. 상기 시스템이 125 볼트와 대지간(volt-to-ground) 전압 이상에서 작동하는 다수의 피더 회로 시스템인 3-상이고(예컨데, 일반적으로 각각 230 및 277 볼트의 정상 전압과 대지간(voltage-to-ground) 전압을 갖는 400 또는 480 볼트의 상간(phase-to-phase) 전압으로 정격화된 시스템), 및 하나의 위상(phase)이 대지로 결함될 경우, 비영향 피더들의 결함 없는 위상에서 용량성 충전 전류의 크기는 비영향 피더의 GFCI를 "오류 트립(false trip)"하는 크기로 용이하게 도달할 수 있다. 예외적으로 긴 피더 회로(약 1000 피트 길이의 회로 전도체를 갖는)가 4 내지 6 mA의 GFCI 트립 수준 이상으로 용량성 충전 전류를 야기하기 때문에, 이것은 125 볼트와 대지간 전압 이하로 정격화된 시스템(예를 들면, 240-120 볼트 단일-위상 시스템 또는 208Y/120 볼트 3-상 시스템)에서는 평범한 문제가 아니다. 미국에서 발광 회로를 위해 사용되는 통상의 전압은 277 볼트의 상과 대지간(또는 상과 중성간) 전압이며, 이는 480 볼트의 상간 전압으로 정격화된 모든 3-상 전기 시스템(특이한 "코너 접지(corner grounded)" 시스템은 제외)에 대해 존재하는 전압과 대지간 또는 전압과 중성(neutral)간 전압이다. 신체를 통한 접지-결함 회로로 인해 개체의 감전사가 발생할 수 있는 일반적인 상황에 있어서, 죽음이 즉시 일어나지는 않으나, 대부분 경우 심실 세동(ventricular fibrillation)으로부터 유래된다. 감전사시키는 전류가 높을수록 심실 세동이 발생하는 시간은 더 짧아진다. 1000 볼트에서 95번째 백분위수(95th percentile) 인체 저항(IEC TS 60479-1, 4판, 2005년 7월 참조)의 이용은 1050 옴(ohms)의 "건식(dry)" 핸드-투-핸드(hand-to-hand) 저항 및 945 옴(ohms)의 건식 핸드-투-풋(hand-to-foot)의 저항을 산출한다. 일예로, 가장 낮은 저항인 945 옴의 건식 핸드-투-풋 저항은 690 볼트 시스템의 샘플 계산에 사용될 수 있다. 225 볼트의 저(lower) 전압에서, 건식 핸드-투-핸드 저항은 1900 옴이고 및 건식 핸드-투-풋 저항은 약 1710 옴이다. 이와 같은 저항을 이용하여, 1900 옴의 핸드-투-핸드 저항은 277 볼트의 전압에서 146 mA의 신체 전류 흐름에 해당한다. 1710 옴의 핸드-투-풋 저항은 277 볼트의 전압에서 162 mA의 신체 전류 흐름에 해당한다. 이렇게 기술된 전류 흐름의 수준은 사람이 전류가 통하는 잡은 전도체를 자발적으로 "놓거나 (let go)" 또는 풀어줄 수 있는 곳에서는 6 mA의 임계치 보다 현저하게 높다. 사실상, 이러한 전류 크기는 전류 흐름이 약 1초 이상 신체를 통해 지속된다면 심장의 심실 세동을 일으킬 수 있다. 오늘날 경험된 많은 감전사들은 277 볼트 수준에서 일어난다. 따라서 심실 세동(ventricular fibrillation)은 치명적인 전기적 사고에서 죽음의 주된 메카니즘으로 고려된다. 심실 세동은 약 40 mA를 초과하는 쇼크 전류가 심장을 통과하여 발생한다. 신체를 통한 전류 흐름(약 40 mA 내지 1500 mA의 전류 흐름 범위)을 다양한 시간 동안 지속 노출한 공지된(IEC TS 60479-1, 4판, 2005년 7월 참조) 시간-전류 플롯은 경험된 심실 세동에 대한 확률 곡선(위험 임계치가 50% 확률까지의 범위)의 세트(set)를 나타낸다. 상기에서 나타낸 바와 같이, 쇼크의 지속 기간이 주(key) 요소이다. IEC TS 60479-1에 따르면, "쇼크 지속 기간이 0.1초 이하일 동안, 섬유성 연축(fibrillation)은 전류 크기가 500mA 이상일 때 발생할 수 있고, 상기 쇼크가 상처입기 쉬운 기간 내에 감소된다면 몇개의 암페어 순서에 따라 전류 크기에 대해 발생할 것이다. 이러한 세기 및 한번의 심장 주기보다 긴 지속기간의 쇼크 동안, 가역적인 심장 마비가 발생 될 수 있다." 또한, "상처입기 쉬운 기간은 약 10%의 심장 주기인 심전도에서 T 파동의 초기 부분 동안 발생한다." 쇼크는 전압 소스(source)가 충분히 빨리 제거된다면 몇몇 암페어까지의 신체 전류에 의해 감전사가 반드시 발생하지는 않을 것이다. 전압 소스가 사람으로부터 빨리 제거될수록, 심실 세동은 덜 발생할 것이다. 심실 세동은 즉시 치료(예컨대, CPR, 심장소생기에 의한 처리)가 시작되지 않으면 종종 죽음을 초래한다. 왼편-핸드-대-풋(left-hand-to-foot) 쇼크(1.0의 심장 전류 요소)에 대하여 심실 세동의 임계치 5% 확률을 위한 IEC(international electrotechnical commission) "c1"은 하기 방정식에 의해 표현될 수 있다: t(I)=0.2[(500-I)/(I-40)]0.5 여기서, t= 시간 (초), 및 I= 밀리암페어 전류 (mA) 이러한 방정식에 따른 계산은 GFCI 장치가 왼편-핸드-대-풋 유래 "최악의 경우"의 쇼크에 대한 심실 세동을 방지하기 위하여 0.1초 이내에 400mA의 전류가 분명해야 한다. 690 볼트 3-상 시스템(720 볼트 상간(phase-to-phase)의 최대 전압)에 대하여: Ibody= (720/1.732)/945 = 0.440A, 또는 ~440 mA 한가지 사실은 125 볼트의 라인과 대지간(line-to-ground) 전압보다 큰 전압에서 또는 3-상 시스템 에서 GFCI의 응용은 제한된다는 것이며, 즉, 상기에서 지적한 바와 같이, 어떠한 전력 시스템 상의 모든 피더 회로 전도체들은 접지에 대한 용량성 특징을 갖는다. 이것은 "시스템 충전 전류(system charging current)"로 언급되며, 하기에서 설명한다. 모든 어떠한 시스템 상에 존재하는 정상적인 시스템 충전 전류는 종종 GFCI 장치의 명목상 6 mA의 임계치를 초과할 수 있고, 접지-결함(ground-fault)을 갖는 회로에 실제적으로 관여하지 않는 GFCI 보호 회로의 GFCI의 방해 트립핑이 야기될 수 있다. 도 1에 도시된 바에 따르면, 3-상 소스 S는 메인(main) 상(phase) 라인인 A, B, C가 피더 라인인 A', B', C' 및 A",B" C" 각각을 통해 부하 LOAD1 및 LOAD2의 쌍에 연결된 것으로 나타난다. 이러한 회로는 대표적인 피더 회로에서 보호 메카니즘으로 사용된 유닛 GFSI1 및 GFSI2와 같이 복수의 GFCI 유닛을 분리하는 공지기술의 GFCI의 용도를 나타낸다. 파선(dashed line)으로 나타낸 것은 각각의 피더 라인에 대하여 분포된 용량성과 대지간(capacitance-to-ground) 전압을 나타내는 용량성 상징인 "C0"이다. LOAD1에 대한 피더 회로의 시스템 충전 전류는 하기의 방정식을 이용하여 위상 용량성과 대지간(phase capacitance-to-ground) 값으로부터 계산될 수 있다: Ic= 3Ico =√3VLL/Xco Xco = (106)/2πfC0 여기서 Ic= 접지 결함 동안의 시스템 충전 전류 (암페어); Ico = 정상 시스템 상태(접지 결함이 없음) 동안의 각 위상(phase)의 시스템 충전 전류 (암페어[Ico]); VLL = 시스템 라인간(line-to-line) 전압 (볼트); Xco = 퍼-위상 용량성 리액턴스(per-phase capacitive reactance)(옴[Xco]에 있어서); f = 주파수 (헤르츠); 및 C0 = 퍼-위상 용량성-대-접지(per-phase capacitance-to-ground)(마이크로패러드(microfarad)). 480 볼트에서 13 mA의 시스템 충전 전류(Ic)에 대하여(일반적으로는 1000 ft 길이의 금속 전선관에서 3-전도체 절연 케이블 회로에 대하여) 상기 방정식을 이용하면: Xco = 1.732(480)/0.013 = 64,000 옴/1000 ft 길이의 피더 케이블에 대한 위상 이전의 "신체 저항"의 계산으로부터, 사람이 전류가 통하는 전기적 상 전도체를 만질 경우, 용량성이 케이블 전체를 따라 소스로 유도되어 분포되는 것을 제외하고는, 1050 옴을 -j64,000 옴 용량성의 유도저항 Xco와 병렬식으로 순서대로 저항기에 접속하는 것에 대응할 것이 분명하고, 대부분의 전류는 더 직접적으로 신체 저항을 통과할 것이다(참고: 도 1에서 RN은 시스템의 중성 접지 저항기이고, 직접-접지 시스템에 대한 제로(zero) 저항에서부터, 고-저항 접지 시스템에 대한 수백 옴, 비접지 시스템에 대한 무한대 값까지 다양할 수 있다). 기술된 실시예에 있어서, LOAD1에 대한 어떠한 피더 라인에서의 결함은 GFCI1에 의해 감지될 것이다. 설명된 바와 같이, GFCI1은 회로 차단기 CB1 및 코어-밸런스 전체와 연결된 접지-결함 센서 탐지 장치 GFS1, 3상인 A', B' 및 C' 모두를 에워싸는 전류 변압기 CT1(3상에 대한 중성뿐만 아니라, 만약 사용된다면 4-전선 시스템)를 포함한다. 상기 3상 부하 전도체(및 중성)에서 각각의 용량성 충전 전류들은 평형 또는 불균형 부하 상태에 대해 합이 제로(zero)이다. 정상의 시스템 작동 상태하에서, 모든 3상에서의 용량성 충전 전류 Ico 는 같거나 합이 제로이다. 이러한 실시예에 있어서, CT1의 다선 이차 권선(multi-turn secondary winding) 상에서 유도된 결함 전류는 A', B', C'의 3 라인 전도체에서 흐르는 용량성 충전 전류의 벡터 합과 비례한다. 이러한 합이 설정된 임계치 값(일반적으로 4 내지 6 mA) 이하이면, CT1의 코어에서 유도된 총 유량(flux) 및 유사하게는 다선 이차 권선 W1에서 유도되고 GFS1으로 연결되는 결함 전류는 이들의 트립 임계치 보다 낮을 것이다. 임계치 수준을 초과하는 권선 W1에서 유도된 결함 전류의 부존재 시, 차동 전류 변압기는 "평형(balanced)으로" 남고, 회로 차단기 CB1은 닫혀진 상태로 유지된다. 반면, 도 1의 "F"에서 나타낸 바와 같이, 접지 결함은 라인 A'가 대지로 쇼트되고, 라인 A', B', C'에서 용량성 충전 전류의 벡터 합이 임계치 값보다 적지 않고, 및 이차 권선 W1에서 유도된 대응 결함 전류가 GFS1의 차동 변압기를 불균형화 시키고, 트립 회로 차단기 CB1이 LOAD1에 대한 피더 회로를 방해하며 및 접지 결함 F를 제거하는 곳에서 발생할 수 있다. 그러나, 도 1에서 추가로 주지할 수 있는 것에 따르면, 하기에 기술된 바와 같이, 결함 시, 대지에 대해 존재하는 불균형된 전압은 또한 LOAD2에 대한 피더 회로(및 소스 S에서 파생된 시스템에 있는 어떠한 다른 피더 회로들)의 B" 및 "C" 위상에서 전류 흐름(전류 Ib2 및 Ic2)을 강요한다. 만약 결과적인 불균형이 GFS2의 트립 임계치를 초과하는 W2에서 결함 전류의 발생을 유발한다면, 이러한 두개의 전류는 비결함 피더 회로의 오류(false) 트립을 초래할 수 있다. 이러한 과정은 불필요한 "방해(nuisance)" 트립의 원인이며, 예방되어야 한다. 따라서 125 볼트 이상의 전압에서 원칙적으로 작동하고 및 4 내지 6 mA(사람이 "let go(놓다)"하는 전류 임계치의 하한치에 해당함)의 접지-결함 픽업(pick-up) 감도를 갖는 3상 응용을 위한 GFCI 시스템의 요구는 6 mA의 전류 수준을 초과하는 접지-결함을 수초 이내로, 또는 20 mA 내지 30 mA을 초과하는 접지-결함 전류를 0.025 내지 0.100초 이내로 트립하는 것일 것이다. 나아가, GFCI 시스템은 라인이 결함 났는지를 빠르게 확인하고 및 시스템에 있는 기타 피더 회로의 작동을 방해하지 않는 라인을 포함한 피더 회로의 방해가 필요하다. 또한, 상기에서 기술된 GFCI시스템의 장점은 치명적인 쇼크를 방지하기 위하여 전기적 절연의 초기 결함을 6 mA 내지 30mA의 전류 감도에서 확인할 수 있으며, 이것은 장치의 손상을 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명의 목적은 모니터된 전력 공급 시스템의 결함 없는 회로에 대한 방해 간섭을 일으키지 않고 시스템 결함을 빠르게 확인하고 및 제거할 수 있는 개선된 접지-결함 회로 차단기 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 낮은 또는 높은 수준의 접지-결함 동안 3-상 전력 시스템을 통해 흐르는 작은 용량성 전류를 보완하여 비결함 회로의 방해 트립핑을 방지하는 수단을 제공한다. 본 발명의 또 다른 목적은 결함 부위(resides)를 시스템 내에서 즉시 확인하고 및 상기 시스템 내의 기타 라인들의 간섭을 방해하는 동안 결함된 라인의 즉각적인 간섭을 야기하는 3-상 전력 공급 시스템을 위한 GFCI 시스템을 제공하는 것이다. 간략하게, 본 발명의 바람직한 구현예는 3-상 소스의 전력, 3- 또는 4-전선 메인 회로 및 상기 메인 회로와 교차하여 연결된 복수의 3- 또는 4-전선 피더 회로를 포함하는 3-상 전력 분포 네트워크에서 사용하기 위한 접지-결함 회로 차단 시스템을 형성하는 복수의 GFCI 유닛 및 제어기를 포함한다. 상기 GFCI 유닛은 메인 회로 및 각각의 피더 회로에서 제공된다. 상기 제어기는 언제 어디서 결함이 발생하고 이에 따른 반응으로 결함된 회로의 차단 및 비결함 회로의 트립핑을 방해하는 것을 확인하기 위해 메인 GFCI 유닛 및 각각의 피더 GFCI 유닛들을 연속적으로 모니터한다. 신규한 GFCI 시스템은 직접-접지(solidly-grounded), 저항-접지(resistance-grounded), 또는 비접지(ungrounded) 뿐만 아니라 기타 3-상 시스템으로도 적용가능하다. 본 발명의 중요한 장점은 기타 "healthy" 피더 회로들의 방해 없이 결함된 피더 회로로부터 즉시 전력을 차단할 수 있는 GFCI 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 결함을 즉시 확인할 수 있고, 상기 결함의 원인을 결정하고, 상기 결함된 회로를 차단하고 및 어떠한 결함없는 회로의 방해를 방지할 수 있는 GFCI 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 본 발명의 장점들 및 기타 목적들은 당업자들에 명백한 것이며 몇몇의 도면을 참고로 하여 하기에서 상세히 설명한다.