KR100652237B1 - 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기로서, 중공형의 하우징의 상·하단에 연결되며 전류가 흐르는 상·하부 단자와; 상기 상부 단자에 연결되는 중공 실린더형 접점으로서, 외주면에는 개구된 분출공과 상기 분출공 보다 상기 상부 단자 쪽에 위치하며 외주면에서 방사상으로 연장하는 차단판을 구비하는 고정 접점과; 상기 고정 접점에 슬라이딩 결합하는 중공 실린더형 접점으로서, 외주에는 상기 하부 단자에서 돌출한 압축대와 함께 압축실을 한정하는 압축 케이스가 형성된 가동 접점과; 조작기에 연결되어 상기 고정 접점과 슬라이딩 결합하도록 상기 가동 접점을 구동하는 가동 로드와; 상기 압축 케이스에 장착되어 상기 압축실에서 방출되는 가스를 상기 고정 접점을 향하여 분사하도록 배치되며, 상기 차단판이 삽입될 수 있도록 개구되는 상부 팽창실이 형성되는 노즐을 포함하여 구성됨으로써, 아크를 신속히 냉각시키기 위하여 압축실의 압력을 충분히 형성하면서도 아크 에너지를 이용하여 조작기의 작동 에너지를 최소화할 수 있는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기를 제공한다.

Description

조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기{GAS-INSULATED CIRCUIT BREAKER HAVING AN STRUCTURE FOR REDUCING OPERATING POWER}
도 1(a)는 종래의 가스 절연 차단기의 투입 상태에 대한 개략적인 단면도이고,
도 1(b)는 도 1(a)의 가스 절연 차단기의 차단 상태에 대한 개략적인 단면도이며,
도 2(a) 내지 (e)는 도 1의 가스 절연 차단기의 작동 상태도이고,
도 3(a)는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 조작력 저감 구조를 가지는 가스 절연 차단기의 투입 상태에 대한 개략적인 단면도이며,
도 3(b)는 도 3(a)의 가스 절연 차단기의 차단 상태에 대한 개략적인 단면도이고,
도 4(a) 내지 (e)는 도 3의 가스 절연 차단기의 작동 상태도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: 하우징 13: 상부 단자
15: 하부 단자 17: 가동 로드
18: 압축실 19: 압축대
21: 고정 접점 23: 차단판
25: 분출공 31: 가동 접점
33: 접촉부 35: 배출공
37: 압축 케이스 41: 노즐
43: 유입실 45: 상부 팽창실
46: 저면
본 발명은 가스 절연 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크를 신속히 냉각시키기 위하여 압축실의 압력을 충분히 형성하면서도 아크 에너지를 이용하여 조작기의 작동 에너지를 최소화할 수 있는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 절연 차단기(Gas-Insulated Circuit Breaker)는 정상부하시 개폐 및 사고 전류 차단시 발생되는 아크(arc)를 절연성이 양호한 SF6 가스(작동 가스)를 이용하여 소호시켜 신속하게 회로를 분리시키는 회로 및 기기 보호용 디바이스이다.
도 1(a)는 종래의 가스 절연 차단기의 투입 상태에 대한 개략적인 단면도이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 가스 절연 차단기의 차단 상태에 대한 개략적인 단면도를 나타내며, 도 2(a) 내지 (e)는 도 1의 가스 절연 차단기의 작동 상태를 나타내고 있다.
일반적으로 가스 절연 차단기의 내부의 구성 부분은 크게 고정부와 가동부로 구분할 수 있다.
고정부는 중공형의 하우징(111)의 개구된 상단 및 하단에 각각 설치된 상부 단자(113)와 하부 단자(115), 및 상부 단자(113)에서 연결되어 하부 단자(115)를 향하여 연장하는 중공형의 고정 접점(121)을 포함한다. 여기서 위의 양 단자(113 및 115)에는 전류가 인가된다.
가동부는 가동 로드(117), 가동 접점(131), 및 노즐(141) 등을 포함한다.
가동 로드(117)는 하부 단자(115)에 형성된 홈을 통하여 하우징(111) 밖으로 연장하며 조작기(미도시)와 연결되어 가동부 전체를 고정부를 향하여 또는 그로부터 멀어지는 방향으로 움직이게 한다.
가동 접점(131)은 가동 로드(117)의 상단부에 장착되며, 고정 접점(121)의 외경보다 큰 내경을 가져서 고정 접점(121)의 외주를 감싸며 슬라이딩 하는 방식으로 고정 접점(121)과 결합 또는 분리된다. 이러한 중공 실린더형의 가동 접점(131)의 외주에는 하부 단자(115)에서 연장하는 압축대(119)와 함께 압축실(118)을 한정하는 압축 케이스(137)가 형성된다. 나아가 가동 접점(131)의 일 측이 개구되어 형성된 배출공(135)은 고정 접점(121)에 형성된 배출공(125)와 함께 압축실(118)에서 방출되어 아크를 소호시킨 잔여 가스가 가동 접점(131) 및 고정 접점(121)의 내부에서 효과적으로 배출되게 하기 위하여 형성되기도 한다.
노즐(141)은 압축 케이스(137)의 상단부에 장착되며, 고정 접점(121)을 감싸는 유입실(143)과 고정 접점(121)을 향하여 개구된 분사실(145)을 갖는다. 아크 소 호 단계에서 압축실(118)의 고압 가스는 압축 케이스(137) 상부에 개구된 방출부(138)을 거쳐서 노즐(141)의 유입실(143)로 유입되고, 노즐(141)의 목(throat)에서 가속되면서 분사실(145)로 분사되어 아크를 소호시킨다.
정상적인 상태(투입 상태)에서, 차단기의 고정 접점(121)의 접촉부(133)는 가동 접점(131)의 외주면과 접속 상태로 정격 전류를 통전한다{도 2(a) 참조}. 사고 발생 시에는 사고 전류를 감지하는 전기적인 장치에 의해 조작기의 작동에 따라 가동 접점(131)은 고정 접점(121)에서 분리되어 전류를 차단(분리 상태)한다{도 2(e) 참조}.
이러한 차단의 기본 원리는 가동부의 이동에 따라 압축실(118)의 볼륨이 축소되면서 압축실(118) 내의 작동 가스가 압축되고, 그에 따라 발생하는 압축실(118)로부터의 작동 가스의 유동이 노즐(141)을 통과하면서 고속화되어 접점들(121 및 131) 사이에서 발생한 아크를 급격하게 냉각시키는 것이다.
가동부의 동작에 따른 각 단계에서 작용하는 힘에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 여기서, Pc: 압축실 압력, Po: 초기 충진 압력, k: 상수, △Pc: 압축실 압력 상승(Pc - Po), Fc: 가스 압축력(k*△Pc), Fr: 조작력을 나타낸다.
도 2(a)는 투입 상태로서 가동 접점(131)의 대향하는 면인 접촉부(133)가 고정 접점(121)의 외주에 슬라이딩 결합되어 있다. 이때는 가동부의 이동이 없으므로 △Pc(Fc), Fr은 "0"이 된다.
도 2(b)는 접점 분리 직전의 접촉부(133)가 고정 접점(121)의 단부의 외주와 맞물린 상태로서, 가동부의 이동 거리가 작기 때문에 압축실(118) 내의 압력 상승은 상대적으로 미미하여 Fc, Fr은 거의 동일하다.
도 2(c) 및 2(d)는 가동 접점(131)이 고정 접점(121)에서 분리되면서 아크가 발생하여 소호되는 단계로서, 가동부의 이동 거리가 증가함에 따라 압축실(118) 내의 압력이 급격하게 상승하고 그에 의한 반발력(압축력)이 가동부의 이동 방향(조작력 작용 방향)과 반대 방향으로 작용한다.
따라서, 이동 상태를 계속 유지하기 위해서는 조작기에 의한 조작력은 압축력보다 큰 상태를 유지해야 한다. 즉, Fc이 급격하게 상승하는 상태에서도 Fr ＞ Fc를 유지해야 하므로, 큰 Fr 이 요구된다.
도 2(e)는 차단 완료 상태로서, 압축실(118)의 압축 가스가 노즐(141)을 통하여 배출됨으로써 압축력이 급격히 감소하여 Fc, Fr은 거의 동일하게 된다.
상술한 바와 같이 차단 과정에서는 접점들(121 및 131) 사이에 발생하는 아크를 급격히 냉각시킬 수 있는 작동 가스의 유동을 얻는 것이 가장 중요한 사항이고, 이를 위해서는 압축실(118)의 압력이 충분히 상승되게 하여야 한다.
그러나 가동부를 구동하는 조작기는 이러한 압력 상승에 의한 압축 반발력(Fc)을 극복하고 가동부를 움직여야 하므로 과도한 압력 상승은 그에 상응하는 큰 조작력을 요구하게 된다. 이러한 조작력의 과도한 증가는 가동부의 이동 시에 차단기의 구성 요소에 과도한 충격을 발생시키며 조작기의 수명을 단축시키는 등의 문 제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 아크를 신속히 냉각시키기 위하여 압축실의 압력을 충분히 형성하면서도 아크 에너지를 이용하여 조작기의 작동 에너지를 최소화할 수 있는 가스 절연 차단기의 조작력 저감 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기는 중공형의 하우징의 상·하단에 연결되며 전류가 흐르는 상·하부 단자와; 상기 상부 단자에 연결되는 중공 실린더형 접점으로서, 외주면에는 개구된 분출공과 상기 분출공 보다 상기 상부 단자 쪽에 위치하며 외주면에서 방사상으로 연장하는 차단판을 구비하는 고정 접점과; 상기 고정 접점에 슬라이딩 결합하는 중공 실린더형 접점으로서, 외주에는 상기 하부 단자에서 돌출한 압축대와 함께 압축실을 한정하는 압축 케이스가 형성된 가동 접점과; 조작기에 연결되어 상기 고정 접점과 슬라이딩 결합하도록 상기 가동 접점을 구동하는 가동 로드와; 상기 압축 케이스에 장착되어 상기 압축실에서 방출되는 가스를 상기 고정 접점을 향하여 분사하도록 배치되며, 상기 차단판이 삽입될 수 있도록 개구되는 상부 팽창실이 형성되는 노즐을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 상부 팽창실은 상기 차단판의 외주부와 맞물려서 상대적인 미끄러짐 운동을 할 수 있는 내경을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 차단판의 외주에는 상기 상부 팽창실과의 미끄러짐 운동 시에 상기 상부 팽창실의 기밀을 유지하기 위한 기밀 링이 장착될 수 있다.
나아가, 상기 상부 팽창실의 종단면은 U자형이고, 상기 차단판은 투입 상태에서 상기 상부 팽창실의 저면과 완전 밀착하도록 돌출한 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 차단판은 상기 가동 접점 측을 향하여 절곡되는 형태로 구성될 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 상부 단자(13) 및 고정 접점(21) 등의 고정부와, 가동 로드(17) 및 가동 접점(31) 등의 가동부의 일반적인 구성 및 작동 원리는 앞서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3(a)는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기의 투입 상태에 대한 개략적인 단면도이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 가스 절연 차단기의 차단 상태에 대한 개략적인 단면도이고, 도 4(a) 내지 (e)는 도 3의 가스 절연 차단기의 작동 상태도이다.
도 3에 예시된 바와 같이, 고정 접점(21)에는 외부로 작동 가스가 배출되도록 하는 분출공(25)이 형성되어 있고, 이러한 분출공(25)의 위, 즉 상부 단자(13)에서 가까운 쪽에는 차단판(23)이 형성된다. 차단판(23)은 고정 접점(21)의 둘레에서 방사상으로 연장한다.
이러한 차단판(23)은 가동 접점(31) 쪽으로, 즉 도면상 아래 쪽으로 절곡되 는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 반전된 U자의 형상의 종단면을 갖는 것이다. 이를 통해 차단판(23)이 평면을 이루는 경우에 비하여 차단판(23)에 의해 한정되는 상부 팽창실(45)의 볼륨이 최소화될 수 있어서, 더 큰 팽창력(이에 대해서는 아래서 구체적으로 설명한다)을 기대할 수 있게 된다.
노즐(41)에는 차단판(23)이 삽입될 수 있도록 하는 내경을 가지고서 개구되는 상부 팽창실(45)이 형성된다. 이러한 상부 팽창실(45)은 차단판(23)과 맞물려서 상대적인 미끄러짐 운동을 할 수 있도록 하는 차원(dimension)의 내경을 가지는 것이 바람직하다. 그에 따라 초기에 압축실(18)에서 배출되는 작동 가스가 차단판(23)과 상부 팽창실(45) 사이로 빠져 나가지 않아서 충분한 팽창력이 형성될 수 있다. 나아가, 이러한 기밀성을 더욱 강화하기 위하여 상기 차단판(23)의 외주에는 기밀성이 좋은 소재로 형성되는 기밀 링(sealing ring, 미도시)이 장착될 수 있다. 이러한 기밀 링으로는, 예를 들어, O-링 등이 사용될 수 있다.
또한, 상부 팽창실(45)의 종단면은 U자형을 갖도록 형성되고, 차단판(23)은 투입 상태에서 상부 팽창실(45)의 저면(46)과 완전 밀착하도록 돌출한 형상을 가진다. 차단판(23)은 상부 팽창실(45)의 저면(46)을 향하여 절곡되어서 분출하는 작동 가스에 의한 반발력인 팽창력이 더욱 강화될 수 있다.
이제 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 조작력 저감 구조가 구비된 가스 절연 차단기의 차단 동작에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 여기서, Pc: 압축실 압력, Po: 초기 충진 압력, k1, k2: 상수, △Pc: 압축실 압력 상승(Pc - Po), △Pe: 팽창실 압력 상승(Pe - Po), Fc: 가스 압축력(k1*△Pc), Fe: 가스 팽창력(k2*△Pe), Fr: 조작력을 나타낸다.
도 4(a)는 투입 상태로서 가동 접점(31)의 대향하는 면인 접촉부(33)가 고정 접점(21)의 외주에 맞닿아 있다. 이때는 가동부의 이동이 없으므로 △Pc(Fc), △Pe(Fe), Fr은 "0"이 된다.
도 4(b)는 접점 분리 직전의 접촉부(33)가 고정 접점(21)의 단부의 외주와 맞물린 상태로서, 가동부의 이동 거리가 작기 때문에 압축실(18) 내의 압력 상승은 상대적으로 미미하여 Fc, Fr은 거의 동일하다. Pe(Fe)도 무시할 수 있을 정도로 작은 값을 가진다.
도 4(c) 및 4(d)는 가동 접점(31)이 고정 접점(21)에서 분리되면서 아크가 발생하여 소호되는 단계로서, 가동부의 이동 거리가 증가함에 따라 압축대(19)와 압축 케이스(37)에 의해 한정되는 압축실(18) 내의 압력이 급격하게 상승하고 그에 의한 반발력(압축력)이 가동부의 이동 방향과 반대로 작용한다.
또한 아크에서 발생한 고온, 고압의 가스는 고정 접점(21)에 형성된 분출공(25)을 통하여 상부 팽창실(45) 내로 유입된다. 이러한 가스는 차단판(23)에 의해 차단되어 상부 팽창실(45) 내에서 고압의 가스가 되어서, 상부 팽창실(45) 내의 상부 팽창실(45)의 저면(46)을 압박하게 된다. 이러한 힘이 팽창력(Fe)이다. 팽창력은 압축실(18)의 압축력과는 반대방향으로 작용하나, 조작기의 운동방향과는 동일한 방향으로 작용하게 된다.
따라서, 가동부가 이동 상태를 계속 유지하기 위해서는 조작력과 팽창력의 합이 압축력보다 크기만 하면 된다.
즉, Fr + Fe ＞ Fc 의 관계를 만족하면 되므로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 조작력 저감 장치를 구비하는 가스 절연 차단기에 있어서, 접점들(21 및 31)의 분리 시에 발생하는 아크 에너지는 그대로 소멸되는 것이 아니라 조작기에 의한 조작력을 줄이는데 다시 활용되는 것이다.
도 4(e)는 차단 완료 상태로서, 압축실(18)의 압축 가스가 노즐(41)을 통하여 배출됨으로써 압축력이 급격히 감소하여 Fc, Fe는 감소하게 된다. 이때 가동접점(31)에 형성된 배출공(35)은 앞서 설명한 배출공(135)과 동일한 역할을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 절연 차단기의 조작력 저감 장치는 아크를 신속히 냉각시키기 위하여 압축실의 압력을 충분히 형성하면서도 아크 에너지를 이용하여 조작기의 작동 에너지를 최소화할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 중공형의 하우징의 상·하단에 연결되며 전류가 흐르는 상·하부 단자와;
    상기 상부 단자에 연결되는 중공 실린더형 접점으로서, 외주면에는 개구된 분출공과 상기 분출공 보다 상기 상부 단자 쪽에 위치하며 외주면에서 방사상으로 연장하는 차단판을 구비하는 고정 접점과;
    상기 고정 접점에 슬라이딩 결합하는 중공 실린더형 접점으로서, 외주에는 상기 하부 단자에서 돌출한 압축대와 함께 압축실을 한정하는 압축 케이스가 형성된 가동 접점과;
    조작기에 연결되어 상기 고정 접점과 슬라이딩 결합하도록 상기 가동 접점을 구동하는 가동 로드와;
    상기 압축 케이스에 장착되어 상기 압축실에서 방출되는 가스를 상기 고정 접점을 향하여 분사하도록 배치되며, 상기 차단판이 삽입될 수 있도록 개구되는 상부 팽창실이 형성되는 노즐을 포함하여 이루어지는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 팽창실은 상기 차단판의 외주부와 맞물려서 상대적인 미끄러짐 운동이 가능한 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단판의 외주에는 상기 상부 팽창실과의 미끄러짐 운동 시에 상기 상부 팽창실의 기밀을 유지하기 위한 기밀 링이 장착되는 것을 특징으로 하는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 팽창실의 종단면은 U자형이고, 상기 차단판은 투입 상태에서 상기 상부 팽창실의 저면과 완전 밀착하도록 돌출한 형상인 것을 특징으로 하는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차단판의 종단면은 상기 상부 팽창실의 볼륨이 최소화되도록 상기 가동 접점 측을 향하여 반전된 U자형으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 조작력 저감 구조를 구비한 가스 절연 차단기.
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