저용량용 내뢰 서킷 차단기 개발

개발 경위 신세대 커뮤니케이션 환경을 실현하기 위해 유비쿼터스를 받치고 있는 통신 와이어레스화와 함께, 통신 장치가 옥외에 설치되는 경우가 늘어나고 있다. 따라서 뇌 서지를 당할 기회가 증가하고, 상용 전력선과 메탈 통신선에서 침입하는 뇌 서지에 따른 기구 파괴와 오동작이 다발하고 있다. 또 통신시스템의 환경 부하 저감이 도모되기 때문에 장치의 소비전력이 낮아지고 있다. 따라서 전원 용량이 적어지고, 탑재된 과전류 차단기 전류용량이 소용량화 하고 있다. 용량이 작은 과전류 차단기는 내뢰 성능이 적어지고, 뇌 서지에 따른 오동작과 내부 회로가 오동작을 일으키는 사례가 발생하고 있다. <그림 1>에 차단기와 퓨즈의 단기간 동작 특성과 뇌 서지 관계에 대해 나타냈다.

그림과 같이 기존의 차단기는 아래가 볼록하고, 퓨즈는 거의 일정한 특성을 갖는다. 그림에서 곡선 아래에는 차단기 끊김 또는 퓨즈 끊김은 발생하지 않지만, 곡선 위에는 끊김이 발생한다. 예를 들면 동작 시간 0.1∼1ms의 뇌 서지에는 줄의 적분치 200[AAs] 정도일 때 정격전류 10A 차단기로는 끊기지 않지만, 5A 차단기로는 끊긴다. 자연현상인 뇌 서지의 강도와 발생 빈도는 차단기와 퓨즈가 저용량화해도 큰 변화는 없다. 따라서 저용량화로 인한 오동작이 발생한다고 보인다. 또, 전류가 작은 파형을 반복함으로 차단기가 트립되는 것을 실험으로 알았다. 여기서 종래 파악되지 않았던 옥외 통신장치의 전원부에 침입하는 뇌 서지를 관측하여 그 특성을 조사했다. 그 결과, 전원선 사이나 전원선-접지 사이에 뇌 서지가 많이 발생하는 것이 판명됐다. 이 결과를 토대로 과전류 보호 차단기에서 상용 전원주파수의 전류차단 특성을 갖고, 뇌 서지 등의 비교적 주파수가 높은 과전류에 대해 오동작하지 않는 안전성이 높은 차단기가 개발됐다. 옥외 통신장치의 전원부에 침입하는 뇌 서지 관측결과 실제 옥외에 설치되어 있는 통신장치의 전원부에 뇌 관측을 했다. 관측은 뇌가 많이 나타나는 토치기현과 사이타마현 총 10개소에서 실시했다. 관측기간은 2002년 7월 5일부터 10월 4일까지 3개월이었다. 관측기간 중에 모든 관측 장소 주변에서 낙뢰가 발생하고, 특히 토치기현에서는 14일부터 17일까지 뇌우일이 있고 1500∼3000회 정도의 낙뢰가 발생했다. 관측으로는 132쌍의 뇌 서지 파형이 관측됐다. 이 파형은 삼각파형, 진동파형 2종류로 분류된다. 진동파형과 삼각파형의 선간전류의 대표적인 파형 예를 <그림 2>에 나타낸다. 삼각파형은 파두 길이 10㎲, 파미 길이 300㎲이고, 감쇠 진동파형은 파두 길이 8㎲, 파미 길이 40㎲, 진동 주파수 약 4㎑이다.

뇌 서지 전류의 누적발생 빈도확률을 <그림 3>에 나타낸다. 과거 연구에 의해 장치, 뇌우일 당 전류파고치 누적발생 빈도를 식 ①로 얻을 수 있다. 여기서 P는 누적발생 빈도확률, I는 최대전류치다. 관측결과 삼각파형의 경우 K=0.42, a=0.012, 진동파형의 경우 k=0.47, a=0.13이다. P=k×e-aI - 식 ①

회로차단기가 차단되지 않는 뇌우 일수를 N일이라고 하면 P와 N의 관계는 식 ②로, N 뇌우일에 대한 뇌 서지 전류파고치 I는 식 ③으로 구할 수 있다. <그림 4>에 뇌우 일수에 대한 뇌 서지 전류파고치를 나타낸다. N=1/P - 식 ② I=-(1nN+1nk)/a - 식 ③

또 용수철식 잡아당기는 기구를 갖는 서킷 차단기에서 뇌 서지가 반복하여 침입한 경우, 잡아당긴 기구가 조금씩 움직이고(혹은 슬라이드 한다), 차단기가 끊기기도 한다. <그림 5>에 잡아당긴 기구의 슬라이드 현상을 나타낸다.

이 현상을 고려해 M회 반복해서 발생하는 뇌 서지 전류파고치 I는 식 ④로 구할 수 있다. 즉 식 ④에서 계산한 전류파고치와 반복 시험횟수 M의 관계를 <표 1>에 나타낸다. I=-{1n(N/M)+1nk}a - 식 ④ 이상의 관측으로 얻은 파형 파라메터와 식 ④에서 얻은 반복 시험전류치를 이용하여 차단기를 시험할 수 있고, 실제로 발생하는 뇌 서지 전류파형에 대한 차단기 특성의 평가·결정을 할 수 있다. 개발품 개요 1. 종래의 문제점 종래 차단기(전자방식)를 <그림 6>에 나타낸다. 종래의 전자방식 차단기의 경우, 차단기 내부 코일에 흐르는 전류가 변하여 자속이 발생한다. 이 자속이 금속편에 대해 힘을 작용해 금속편을 이동시킨다. 그 결과 잡아당긴 장치가 동작하고, 차단기 접점이 열리는 특징이 생겼다.

종래 코일의 등가회로를 <그림 7>에 나타낸다. <그림 7>에서 코일의 등가회로는 인덕턴스 L1-0, 그 직류저항은 R1-0으로 보내진다. 따라서 주파수가 커지면 코일에서 발생하는 자속이 커지고, 전자력이 커지는 경향이 있다. 즉, 상용 전원주파수에서 높은 주파수 성분을 갖는 뇌 서지 같은 전류의 경우 전자력이 강해지기 때문에 전류가 낮아져도 차단기가 동작하는 가능성이 있다.

2. 문제의 해결안 (1) 코일 1에 대한 바이패스 회로의 특성 개선 고주파 성분 서지로 차단기 단의 문제를 해결하기 위해서는 코일 1의 인덕턴스 부에 의한 전자력을 억압하는 것이 유효한 방법이 된다. 이 과제의 해결방법으로 코일 1에 바이패스 회로를 설정한다. 바이패스 회로를 만들고 뇌 서지 전류의 주파수 성분을 <그림 6>의 코일 1에 흘리지 않게 한다. 이 때 고주파 성분을 놓아주는 바이패스 회로로써 서지 방호소자와 콘덴서 등의 고주파와 고전압에서 낮은 임피던스인 소자를 이용할 수 있다. 그러나 이런 소자는 과전압·과전류가 될 경우 단락해서 파괴할 수 있고, 차단기에는 맞지 않는 문제가 있다.

코일 1에 대한 바이패스 회로를 <그림 8>에 나타낸다. 여기서 <그림 8(a)>와 <그림 8(b)> 각각의 좌측은 종래의 코일 1의 등가회로이고, 우측은 바이패스 회로다. 코일 1의 인덕턴스 L1에 착안하고, L1에 의한 작은 인덕턴스 L2와 L1의 기생저항 R1에서 큰 기생저항 R2를 만들어 코일 1에 흐르는 전류에 주파수 특성을 가져다줄 수 있다. <그림 8(a)>에서 L1-1=150μH, R1-1=0.001Ω, L2-1=1μH, R2-1=0.1Ω이고, <그림 8(b)>에서는 L1-1=200μH, R1-1=0.001Ω, L2-1=1μH, R2-1=1Ω이다. 이 때 코일 1에 흐르는 전류와 바이패스 회로(L2, R2)에 흐르는 전류 주파수 특성을 <그림 9>에 나타낸다.

직류나 상용 전원주파수(50㎐, 60㎐)에서는 대부분의 전류가 코일 1에 흐르고, 뇌 성분인 수㎑ 이상에서는 코일 1에 흐르는 전류를 1/2∼1/10로 저감시키는 것이 가능하다. 즉, 상용 전력에 대한 특성을 바꾸지 않고, 내뢰 특성을 향상시키는 것이 가능하다. 또한 <그림 8>의 바이패스 회로 구성에서 R1 및 R2를 직류저항하지 않고 단독 저항해도 좋다. 이 때 차단기 회로의 개량 이미지를 <그림 10>에 나타낸다. 코일 1에 대해 바이패스 회로를 차단기 외부로 빼내고, 주파수에 따른 영향을 금속편에 전달되지 않도록 연구중이다.

(2) 이너셜호일 추가 차단기 종류에서 이너셜호일이라는 원반상의 것을 회전축에 부착, 관성에 의해 내펄스성능을 대강 1.5배 정도 향상시킬 수 있다. 이너셜호일의 실장예를 <그림 11>에 나타낸다.

(3) 코어 자기회로 정수변경과 위치변경 코어의 자기시 정수의 변경에 따른 개량 예를 <그림 11>에 나타낸다. <그림 12>에서 코어 2는 코어 3과 탄성체(용수철 등)와 점성액체로 구성된다. 여기서 코일 1의 자기회로에 시정수를 지니게 하기 위해 코어 2내의 자성재료 코어 3을, 코일 1이 발생시킨 자력으로 들어올림과 함께 탄성체와 점성액체에 따른 시정수를 갖는다. 코일 1과 코어 2에서 발생하는 자력에 시간이 늦어지는 특성을 갖음으로 코어 2 주파수 특성을 둔화시켜 뇌 서지에 의한 불필요 동작을 억제할 수 있다. 또 코어의 위치를 금속편에서 떨어뜨려 고주파 성분에 대한 감도를 열화할 수 있다. (4) 형상기억합금에 따른 개량 <그림 13>은 형상기억합금을 이용한 잡아당기는 기능이 있는 차단기에 대한 개량안이다. 종래의 형상기억합금을 이용한 잡아당기는 기능은 직류나 상용 전원주파수 성분이어도 차단시간이 길어지는 특성이었다. 따라서 형상기억합금의 변형 설정온도를 낮게 함으로 직류나 상용 전원주파수에서의 차단시간을 짧게 하고, 바이패스 회로를 추가하여 뇌 서지 전류의 차단 감도를 낮출 수 있다. 3. 개발품의 도입실적 상기 해결안 (1)에서 (4)를 적용하여 시작품을 작성하고, 그 특성을 평가했다. 최종적으로 개량품에는 (2) 이너셜호일 추가와 (3) 코어 자기회로 정수변경과 위치변경을 이용했다. 내뢰 서킷 차단기는 2003년도부터 사용되어 2006년 7월까지 홋카이도에서 오키나와까지 전 지역에서 옥외에 설치되는 통신장치의 전원부에 이용되고, 대략 1만개 가깝게 도입되고 있다. 또, 내뢰 차단기를 도입한 통신장치의 뇌 서지에 의한 불필요한 차단기의 차단은 격감하고 있다.