KR101094775B1 - 배선용차단기의 소호기구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아크기둥의 아크그리드측 이동속도를 더욱 가속시킬 수 있는 배선용차단기의 소호기구를 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따라서 수직방향으로 적층설치되는 복수의 아크 그리드(ARC GRID)와 아크 그리드들을 지지하는 지지판을 구비하여 아크 챔버(ARC CHAMBER)를 형성하는 배선용차단기의 소호기구에 있어서, 상기 아크 그리드는, 강자성체(FERRO MAGNETIC MATERIAL)로 만들어진 것으로 두개의 다리부를 갖는 U자형 판부; 상기 U자형 판부를 상기 지지판에 접속하여 지지하기 위해서, 상기 U자형 판부로부터 상기 U자형 판부와 동일 평면상의 측방으로 연장하는 복수의 지지돌부; 및 적층되는 인접 아크 그리드간 공극을 최소화하여 상기 아크 챔버내에서 발생한 아크를 상기 아크 그리드쪽으로 유인하는 힘을 증대시킬 수 있도록, 상기 다리부의 판면으로부터 직각방향으로 절곡연장하게 형성되는 절곡부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배선용차단기의 소호기구가 개시된다.

Description

배선용차단기의 소호기구{ARC EXTINGUISHING MECHANISM FOR CIRCUIT BREAKER}
본 발명은 배선용차단기에 관한 것으로, 특히 배선용차단기의 소호기구(arc extinguishing mechanism)에 관한 것이다.
저전압(통상 저압으로 약칭됨) 전기계통에 있어 배선용차단기는 과전류나 단락전류와 같은 정격전류보다 수십 퍼센트 내지 수백 퍼센트 큰 사고전류로부터 부하와 설비를 보호해 주는 역할을 한다. 사고전류는 크게 과부하 전류와 단락전류로 구분되며, 각각의 전류가 기준치 이상으로 흐르게 되면 차단기는 선로를 개방하게 된다. 특히 단락전류가 흐를 경우의 전류량은 설비용량에 따라 적게는 수백 A(암페어)에서 많게는 수만 A까지 흐르게 되며, 이 순간 배선용차단기가 동작하여 회로를 개방(차단)하게 된다. 배선용차단기의 단락전류로 인한 동작 메커니즘에 있어, 선로의 개방 순간에 배선용차단기 내부의 접점(가동접점과 고정접점)이 서로 개리(開離)되고 접점 사이에는 아크(arc)가 발생되며 발생된 아크는 접점이 완전히 개리된 후에도 접점 사이에서 수ms(밀리초) 형성되어 있다. 이 아크는 열과 압력을 가지고 있어 배선용차단기의 기계적 소손을 유발시킬 수 있으며, 이는 작업자의 안전과도 직결되는 문제이다.
배선용차단기의 동작시간, 즉 기계적으로 접점이 떨어지는 개리 시간은 2~3ms 정도이며, 아크발생 후 이것이 소호되기까지의 시간은 5ms~10ms정도가 된다. 따라서 배선용차단기의 단락전류 차단시간은 배선용차단기의 기계적 동작시간과 아크가 소호되기까지의 시간의 합으로 표현 될 수 있다. 따라서 아크를 빠르게 소호하게 되면 배선용차단기의 단락전류 차단시간이 단축되어 배선용차단기의 전기적/기계적 손상을 크게 줄일 수 있다.
단락전류로부터 차단기 자체의 기계적/전기적 소손 방지를 위하여 기계적 동작시간을 줄이는 연구와 아크를 최대한 빠르게 소호하기 위한 연구가 활발하게 이루어 지고 있으며, 특히 아크를 최대한 빠르게 소호(arc extinguishing)하기 위하여 아크 그리드(arc grid)를 접점의 전방에 설치하여 아크 전압과 유동 속도를 높이고, 아크로 인한 가스 배기를 효율적으로 하는 배선용차단기 내부의 구조, 그리고 아크 열에 견디도록 하는 재료연구 등 아크 소호에 유리하도록 하는 다양한 연구가 진행 중 이다.
특히 아크의 소호를 위해 보편적으로 이용되는 대표적 기구물로써는 복수개의 아크 그리드 조립체인 아크 챔버(arc chamber)가 널리 이용되고 있으며, 발생된 아크의 구동력 향상(배출 속도 향상)을 위하여 전자기적 영향을 고려한 그리드의 형상 최적화가 필요하다.
이러한 배선용차단기의 소호기구에 대한 종래기술의 일예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조할 수 있는 바와 같이 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구는 소호기구 어셈블리(100)을 포함하여 구성된다. 소호기구 어셈블리(100)는 복수개가 적층 설치되는 아크 그리드(10)와, 복수개의 아크 그리드(10)를 지지하는 한 쌍의 지지판(20)을 포함하여 구성된다. 도 2를 참조할 수 있는 바와 같이, 각각의 아크 그리드(10)는 강자성체로 된 알파벳 "U"자형의 판부(10a)와, 해당 판부(10a)의 양 측부로부터 연장형성되는 지지돌부(10b)를 포함하여 구성된다. 아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)에 대응하도록, 한 쌍의 지지판(20)의 각각에는 아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)가 삽입되도록 허용하는 복수의 그리드 삽입구부(부호 미부여)가 구비되며, 도 1에는 해당 그리드 삽입구부에 아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)가 삽입된 상태가 도시되고 있다.
이와 같은 소호기구 어셈블리(100)는, 도 1을 참조할 수 있는 바와 같이 판부(10a)의 양 다리부 사이에 고정접촉자(40)와 가동접촉자(30)의 접점들(40a, 30a)이 위치하게 설치된다. 따라서, 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)은 소호기구 어셈블리(100)중 판부(10a)의 양 다리부 사이에 고정설치되고, 가동접촉자(30)의 가동접점(30a)은 복수의 판부(10a)의 양 다리부 사이를 따라서 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)에 접촉하는 위치 또는 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)로부터 분리되는 위치로 가동하게 된다.
한편, 도 3은 상술한 바와 같은 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구의 작용 특성을 보여주는 특성도로서, 전자계 해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 직류 10000암페어(A)가 흐르는 것으로 가정한 아크 기둥(도 3에서 U자형 자속내의 점 참조)이 도 1에 도시된 강자성체로된 아크 그리드(10)들에 의해서 아크 그리드(10)쪽방향 즉, 도3에서 Z축방향으로 받는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)를 나타낸 것이다.
이러한 로렌쯔의 힘은 다음 식 (1)과 같이 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010043715296-pat00001
위의 식(1)에서 Fz는 아크 기둥(도 3에서 U자형 자속내의 점 참조)이 도 1에 도시된 강자성체로된 아크 그리드(10)들에 의해서 아크 그리드(10)쪽방향 즉, Z축방향으로 받는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)이고, Bx는 아크 기둥에 의해 형성되는 자속량, ly는 아크 기둥 자체의 전류 량이며, L은 가동접촉자(30)의 가동접점(30a)이 고정접점(40a)으로부터 분리되는 개극시 가동접점(30a)과 고정접점(40a)간 거리(개극거리)를 나타낸다.
수식(1)에 근거한 시뮬레이션 프로그램에 의하면 도 3과 같은 시뮬레이션의 예에서 직류 10000암페어(A)가 흐르는 것으로 가정한 아크 기둥(도 3에서 U자형 자속내의 점)이 Z축방향으로 받는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)은 약 120N(도 3의 우측 상위의 표에서는 정확히 119.72N)이됨을 확인할 수 있었다.
즉, 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구에서는 아크 기둥이 아크 그리드(10)쪽방향으로 약 120N의 힘으로 이동되며, 아크 이동시간을 단축하여 소호시간을 더욱 단축하기 위해서는 더욱 큰 힘으로 아크 기둥을 이동시켜야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술보다 더욱 큰 로렌쯔의 힘을 작용하여 소호기구내에서 발생한 아크 기둥을 더욱 신속히 소호할 수 있는 배선용차단기의 소호기구를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은, 수직방향으로 적층설치되는 복수의 아크 그리드(ARC GRID)와 아크 그리드들을 지지하는 지지판을 구비하여 아크 챔버(ARC CHAMBER)를 형성하는 배선용차단기의 소호기구에 있어서,
상기 아크 그리드는,
강자성체(FERRO MAGNETIC MATERIAL)로 만들어진 것으로 두개의 다리부를 갖는 U자형 판부;
상기 U자형 판부를 상기 지지판에 접속하여 지지하기 위해서, 상기 U자형 판부로부터 상기 U자형 판부와 동일 평면상의 측방으로 연장하는 복수의 지지돌부; 및
적층되는 인접 아크 그리드간 공극을 최소화하여 상기 아크 챔버내에서 발생한 아크를 상기 아크 그리드쪽으로 유인하는 힘을 증대시킬 수 있도록, 상기 다리부의 판면으로부터 직각방향으로 절곡연장하게 형성되는 절곡부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배선용차단기의 소호기구를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 배선용차단기의 소호기구는 아크 그리드가 판면으로부터 직각방향으로 연장형성된 절곡부를 가지므로 적층되는 인접 아크 그리드간 공극을 최소화하여 적층되는 복수의 아크 그리드가 하나의 자성체와 같이 강력한 자계를 형성할 수 있으므로, 아크 그리드내에서 발생한 아크 기둥이 신속히 아크 그리드로 이동하게 유도할 수 있고 따라서 신속히 아크가 소멸될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구의 구성을 보여주는 사시도이고,
도 2는 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구중 아크 그리드의 구성을 별도로 보여주는 아크 그리드의 사시도이며,
도 3은 종래기술에 따른 배선용차단기의 소호기구에 있어서 아크 그리드의 자속흐름과 아크 그리드 내에 위치한 아크 기둥이 받게 되는 로렌쯔의 힘과 방향을 나타내는 시뮬레이션 특성도이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구의 구성을 보여주는 사시도이며,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구중 아크 그리드의 구성을 별도로 보여주는 아크 그리드의 사시도이며,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구에 있어서 아크 그리드의 자속흐름과 아크 그리드 내에 위치한 아크 기둥이 받게 되는 로렌쯔의 힘과 방향을 나타내는 시뮬레이션 특성도이다.
상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 4와 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구의 구성을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구는 도시된 바와 같이 아크 챔버(ARC CHAMBER)를 형성하도록 수직방향으로 적층설치되는 복수의 아크 그리드(ARC GRID)(10)와, 아크 그리드(10)들을 지지하는 한 쌍의 지지판(20)을 포함하는 소호기구 어셈블리(100)로 구성된다.
도 5를 참조할 수 있는 바와 같이, 각각의 아크 그리드(10)는 두개의 다리부(10c)를 갖는 U자형 판부(10a)와, 복수의 지지돌부(10b)와, 절곡부(10d)를 포함하여 구성된다.
U자형 판부(10a)는 강자성체(FERRO MAGNETIC MATERIAL)로 만들어진 것으로서, 두개의 다리부(10c)를 갖는다.
복수의 지지돌부(10b)는 U자형 판부(10a)를 지지판(20)에 접속하여 지지하기 위해서, U자형 판부(10a)로부터 U자형 판부(10a)와 동일 평면상의 측방으로 연장한다.
절곡부(10d)는 다리부(10c)의 판면, 다시말해 아크 그리드(10)의 판면로부터 직각 방향으로 절곡연장하게 형성된다. 일 실시예에 따라 절곡부(10d)는 다리부(10c)의 판면, 다시말해 아크 그리드(10)의 판면로부터 직각 방향으로 상향절곡연장하게 형성될 수 있고, 다른 실시예에 따라 절곡부(10d)는 다리부(10c)의 판면, 다시말해 아크 그리드(10)의 판면로부터 직각 하향 절곡연장하게 형성될 수 있다. 도 4와 도 5에는 절곡부(10d)하향 절곡연장한 실시예가 도시되었다. 또한, 이러한 절곡부(10d)는 적층되는 인접 아크 그리드(10)간 공극을 최소화하여 상기 아크 챔버내에서 발생한 아크를 아크 그리드(10)쪽으로 유인하는 힘을 증대시킬 수 있다. 따라서 적층되는 인접 아크 그리드(10)간 공극을 최소화하여 적층되는 복수의 아크 그리드(10)가 하나의 자성체와 같이 강력한 자계를 형성할 수 있으므로, 도 4에 있어서 가동접점(30a)와 고정접점(40a)를 둘러싸게 배치된 아크 그리드(10)내의 가동접점(30a)와 고정접점(40a)간에서 발생한 아크 기둥이 신속히 아크 그리드(10)로 이동하게 유도할 수 있고 따라서 신속히 아크가 소멸될 수 있게된다.
아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)에 대응하도록, 한 쌍의 지지판(20)의 각각에는 아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)가 삽입되도록 허용하는 복수의 그리드 삽입구부(부호 미부여)가 구비되며, 도 4에는 해당 그리드 삽입구부에 아크 그리드(10)의 지지돌부(10b)가 삽입된 상태가 도시되고 있다.
이와 같은 소호기구 어셈블리(100)는, 도 4를 참조할 수 있는 바와 같이 U자형 판부(10a)의 양 다리부(10c) 사이에 고정접촉자(40)와 가동접촉자(30)의 접점들(40a, 30a)이 위치하게 설치된다. 따라서, 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)은 소호기구 어셈블리(100)중 U자형 판부(10a)의 양 다리부(10c)사이에 고정설치되고, 가동접촉자(30)의 가동접점(30a)은 복수의 U자형 판부(10a)의 양 다리부(10c)사이를 따라서 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)에 접촉하는 위치 또는 고정접촉자(40)의 고정접점(40a)로부터 분리되는 위치로 가동하게 된다.
한편, 도 6을 주로 참조하고 도 4 내지 도 5를 보조적으로 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구의 작용 효과를 설명한다.
도 6은 상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구에 있어서 아크 그리드의 자속흐름과 아크 그리드 내에 위치한 아크 기둥이 받게 되는 로렌쯔의 힘과 방향을 나타내는 시뮬레이션 특성도로서, 전자계 해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 직류 10000암페어(A)가 흐르는 것으로 가정한 아크 기둥(도 6에서 U자형 자속 흐름으로 둘러싸인 점 부분 참조)이 도 4에 도시된 강자성체로된 아크 그리드(10)들에 의해서 아크 그리드(10)쪽방향 즉, 도6에서 Z축방향(다시 말해서 자속의 흐름 방향에 직각방향으로서 양의 방향)으로 받는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)를 나타낸 것이다.
수식(1)에 근거한 시뮬레이션 프로그램에 의하면 도 6과 같은 시뮬레이션의 예에서 직류 10000암페어(A)가 흐르는 것으로 가정한 아크 기둥(도 6에서 U자형 자속으로 둘러싸인 점)이 Z축방향으로 받는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)은 약 120N(도 6의 우측 상위의 표에서는 정확히 189.58N)이됨을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구에서는 아크 기둥이 아크 그리드(10)쪽방향으로 약 190N의 힘으로 이동되며, 이러한 힘은 전술한 종래기술의 120N보다 약60%가 증가된 힘이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배선용차단기의 소호기구는 종래기술에 대비하여 아크 이동시간을 대폭 단축하여 소호시간을 더욱 단축할 수 있는 작용 효과를 발휘할 수 있다.
10: 아크 그리드 10a: U자형 판부
10b: 지지돌부 10c: 다리부
10d: 절곡부 20: 지지판
30: 가동접촉자 30a: 가동접점
40: 고정접촉자 40a: 고정접점
100: 소호기구 어셈블리

Claims (3)

  1. 수직방향으로 적층설치되는 복수의 아크 그리드(ARC GRID)와 아크 그리드들을 지지하는 지지판을 구비하여 아크 챔버(ARC CHAMBER)를 형성하는 배선용차단기의 소호기구에 있어서,
    상기 아크 그리드는,
    강자성체(FERRO MAGNETIC MATERIAL)로 만들어진 것으로 두개의 다리부를 갖는 U자형 판부;
    상기 U자형 판부를 상기 지지판에 접속하여 지지하기 위해서, 상기 U자형 판부로부터 상기 U자형 판부와 동일 평면상의 측방으로 연장하는 복수의 지지돌부; 및
    적층되는 인접 아크 그리드간 공극을 최소화하여 상기 아크 챔버내에서 발생한 아크를 상기 아크 그리드쪽으로 유인하는 로렌쯔(Lorentz)의 힘을 증대시킬 수 있도록, 상기 다리부의 판면으로부터 직각방향으로 절곡연장하게 형성되는 절곡부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배선용차단기의 소호기구.
  2. 제1항에 있어서,
    절곡부는 상기 다리부의 판면으로부터 하향 직각방향으로 절곡연장하게 형성된 것을 특징으로 하는 배선용차단기의 소호기구.
  3. 제1항에 있어서,
    절곡부는 상기 다리부의 판면으로부터 상향 직각방향으로 절곡연장하게 형성된 것을 특징으로 하는 배선용차단기의 소호기구.
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