KR101247140B1 - 고속투입스위치의 반발판 및 이를 구비한 고속투입스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 톰슨코일에 의해 반발력을 제공받아 투입 및 개방동작을 수행하는 고속투입스위치의 반발판으로서, 가운데에 중심홀을 가진 원형의 플레이트 형상이되, 상기 플레이트의 상면에는 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정지점에서 상기 중심홀을 둘러싼 그루브가 형성되어 있는 고속투입스위치의 반발판을 제공한다. 그리고, 상기 그루브는 상기 플레이트의 중심쪽은 급경이며 상기 플레이트의 바깥쪽은 완경이며, 상기 플레이트 상면의 외측단부는 곡선형상으로 이루어지는 진다. 이러한 구성에 의해서, 반발판의 부분 중에서 톰슨코일과의 관계에서 전자반발력 형성에 기여하지 못하는 부분을 제거할 수 있어서 반발판이 보다 고속으로 투입될 수 있게 되는 것이다.

톰슨코일, 반발판, 전자반발력, 차단기, 아크

Description

고속투입스위치의 반발판 및 이를 구비한 고속투입스위치{REPULSION PLATE OF HIGH-SPEED CLOSING SWITCH AND HIGH-SPEED CLOSING SWITCH HAVING THE SAME}

본 발명은 수배전반 내부에서 고속으로 투입되어 개폐하는 차단기 스위치에 관한 것으로, 특히 수배전반의 아크 사고시 즉시 고속으로 고전압 전원을 접지쪽으로 투입하여 사고 전류를 우회시켜 수배전반의 아크 사고로 인한 피해를 최소화하는 고속투입 스위치에 관한 것이다.

일반적으로 수배전반은 전력을 공급받아 각각의 전력수용가에 설치된 부하설비에서 요구하는 전력을 공급하기 위해서, 특고압의 전력을 저압으로 변환하여 분배하는 설비이며, 통상적으로 내부에는 개폐기, 피뢰기, 변압기, 차단기 및 각종 계측장비 등이 구비되어 있다.

수배전반 회로의 내부에서 아크가 발생하게 되면, 아크의 고온 고압으로 인하여 각종 계측장비 등 내부 기기가 파손될 수 있고 경우에 따라서는 절연이 파괴되어 이와 접촉한 사용자에게도 피해가 발생할 수 있는 위험성이 있으므로 이에 대처할 수 있는 아크 대책이 중요하다. 신속한 아크 소호를 위해서, 톰슨코일을 이용하여 고속투입스위치를 이용하고 있다.

톰슨코일을 이용한 고속스위치는 권선을 감은 코일에 순간적인 전류를 인가하고, 이에 따라 코일과 코일 위에 위치한 반발판 사이에 전자반발력을 발생시켜 반발판을 이동시킴으로써 투입/오픈하는 것이다. 전자반발력에 의해 이동하는 반발판은 매우 큰 순간가속력을 가지고 있어서 이를 적용하여 스위치를 제작할 경우 투입/오픈 시간을 수 ms 이내로 줄일 수 있다.

도 1은 톰슨코일을 적용한 차단기의 원리를 개략적으로 보여주는 도면이다. 이를 보면, 에너지가 축전되어 있는 커패시터(1), 펄스 구동회로(2), 개방스위치(3), 투입스위치(4)를 포함하며, 접점의 차단 동작이 일어나는 차단부(9), 차단부의 개방을 위한 개방코일(5), 차단부의 투입을 위한 투입코일(6) 그리고 전자반발력에 의해 상하로 이동하는 가동부(7)가 도시된다. 도 1에 도시된 차단기의 원리를 보면, 투입스위치(4)가 온되면 커패시터(1)에 충전되어 있던 전원이 투입코일(6)에 인가되고, 이에 따라 투입코일(6)과 가동부(반발판)(7) 사이에 전자반발력이 발생하여 가동부가 이동함으로써 차단부(9)가 투입되게 된다. 그리고, 위의 상태에서 개방스위치(3)가 온 되면 커패시터(1)의 충전 전원이 개방코일(5)에 인가되고, 개방코일(5)과 가동부(7) 사이에는 위에서 설명한 전자반발력이 발생하게 되어 가동부가 이동함으로써 차단부(9)가 개방된다.

도 2는 톰슨코일을 적용한 고속투입스위치(10)로서 수배전반 내에서 아크사고가 발생한 경우에 이를 조기에 검출하여 사고전류를 우회시킴으로써 사고의 파급을 막는 스위치이다. 도 2를 참조하여 고속투입스위치의 구성을 보면, 고속투입스위치의 투입을 위한 투입코일(11), 고속투입스위치의 개방을 위한 개방코일(12), 접지전극(13), 고압전극(14), 가동전극(15) 그리고 접촉자(16) 등으로 구성되어 있다

수배전반 내에서 아크가 검출되면 커패시터(미도시)에 충전되어 있던 전원이 투입코일(11)에 인가되고, 투입코일(11)과 가동전극(15) 사이에는 위에서 설명한 와전류에 의한 전자반발력이 발생하여 가동전극(15)이 고압전극(14) 쪽으로 순간적으로 이동하여 접지전극(13)과 고압전극(14)을 서로 통전시켜서 사고전류를 우회시킨다. 이후, 사고전류가 우회되고 사고의 위험이 제거된 후 시스템을 정상화 시킬 경우에는 다시 커패시터에 충전된 전원을 개방코일(12)에 인가하여 개방코일과 가동전극 사이의 전자반발력을 이용하여 가동전극을 접지전극 방향으로 이동시킴으로써 두 전극을 분리시킨다. 그리고, 상기 가동전극은 사고전류를 우회시키기 위해 고압전극과 접지전극을 연결하는 원통형상의 도체부와 그 하부에 배치된 반발판으로 이루어진다.

그런데, 종래에 사용되는 반발판은 전자반발력 형성에 큰 영향을 주지 않는 불필요한 부분을 완전히 제거하지 않은 상태로 형성되어 있다. 그러므로, 이러한 부분으로 인해서 반발판의 질량이 증가되어 투입동작이 신속하게 이루어지지 않아서 톰슨코일을 이용한 스위치나 차단기의 성능을 저하시키는 요인이 되고 있어서 개선이 요구된다.

본 발명은 수배전반 내부에서 발생하는 아크에 대응하여 이를 신속하게 제거할 수 있는 고속투입 스위치를 제공하는데 목적이 있으며, 또한 고속투입 스위치의 가동부가 고속으로 움직일 수 있도록 반발판의 형상을 최적화하기 위한 것이다.

상기 목적을 위해서 본 발명은, 톰슨코일에 의해 반발력을 제공받아 투입 및 개방동작을 수행하는 고속투입스위치의 반발판으로서, 가운데에 중심홀을 가진 원형의 플레이트 형상이되, 상기 플레이트의 상면에는 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정지점에서 상기 중심홀을 둘러싼 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판을 제공한다. 상기 그루브는, 상기 플레이트의 중심쪽은 급경이며 상기 플레이트의 바깥쪽은 완경이며, 상기 플레이트 상면의 외측단부는 곡선형상으로 이루어진다.

이러한 구성에 의해서, 반발판의 부분 중에서 톰슨코일과의 관계에서 전자반발력 형성에 기여하지 못하는 부분을 제거할 수 있어서 반발판이 보다 고속으로 투입될 수 있게 되는 것이다.

그리고, 상기 그루브는 사각형상의 홈일 수 있으며, 상기 플레이트의 상면 외측단은 끝단부분의 두께가 감소하도록 단차진 형상일 수 있다.

또한, 본 발명은, 톰슨코일에 의해 반발력을 제공받아 투입 및 개방동작을 수행하는 고속투입스위치의 반발판으로서, 가운데에 중심홀을 가진 원형의 플레이 트 형상이되, 상기 중심홀에서 반경방향으로의 단면은 상면은 볼록한 곡선형이며 하면은 평평하게 이루어져 톰슨코일에 의해 반발력이 형성되는 반발력 형성부위를 포함하는 고속투입스위치의 반발판을 제공한다.

그리고, 상기 반발력 형성부위의 안쪽에는, 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정두께를 가진 지지부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 톰슨코일; 상기 톰슨코일의 상측에 배치되며, 가운데에 중심홀을 갖는 원형 플레이트 형상의 반발판; 및 상기 반발판의 중심홀에 삽입되어 상기 반발판의 상하이동을 안내하는 원기둥 형상의 가이드부재를 구비한 가동로드;를 포함하고, 상기 반발판의 상면에는 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정지점에서 상기 중심홀을 둘러싼 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속투입스위치를 제공한다.

상기 그루브는, 상기 반발판의 중심쪽은 급경이며 상기 플레이트의 바깥쪽은 완경으로 이루어지고, 상기 플레이트 상면의 외측단부는 곡선형상으로 이루어질 수 있다. 또는 상기 그루브는 사각형상의 홈이며 상기 플레이트의 상면 외측단은 끝단부분의 두께가 감소하도록 단차진 형상일 수 있다.

그리고, 상기 가동로드는 상기 가이드부재의 하단에서 수직하게 연결된 원판 형상의 하단부를 더 포함할 수 있다.

그리고 본 발명의 고속투입스위치는 상기 반발판과 함께 이동하여 투입 개방동작이 이루어지게 하는 가동전극을 더 포함하고,상기 가동전극은 상기 반발판과 일체로 형성되거나 또는 상기 가동전극은 상기 반발판과 별개로 형성되어 상기 반 발판의 상측에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명은 톰슨코일; 상기 톰슨코일의 상측에 배치되며, 원형 플레이트 형상의 반발판; 및 상기 반발판의 상하이동을 안내하는 가이드부재를 구비한 가동로드;를 포함하고, 가동로드는, 원판 형상의 하단부와 상기 하단부의 외측단부에서 상측으로 수직하게 연장되는 연장부로 이루어지고, 상기 반발판은 상하이동시, 외측단부가 상기 가동로드의 연장부에 의해서 안내되는 고속투입스위치를 제공한다.

그리고, 상기 반발판은 가운데에서 중심홀을 가지며, 상기 중심홀에서 반경방향으로의 단면은, 상면은 볼록한 곡선형이며 하면은 평평하게 형성될 수 있거나, 플레이트의 상면 내측단 및 외측단은 끝단부분의 두께가 감소하도록 단차진 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 상기 구성에 의해서, 수배전반 내부에서 발생하는 아크에 대응하는 상기 고속투입스위치에 구비된 반발판이 최적화된 형상을 가지고 있으므로 반발판의 투입속도가 충분히 확보되어 고속투입 스위치의 성능을 최상으로 유지하는 효과가 발생한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 수배전반의 고속투입 스위치를 상세히 설명한다.

톰슨코일을 이용한 고속스위치 또는 차단기의 성능은 코일의 감은 횟수, 코 일의 형상, 인가되는 전류의 크기, 반발판의 재질 등 여러 가지 요소에 의해 결정된다. 반발판의 형상 또한 성능에 큰 영향을 주는 요소 중 하나이다.

다시 말하면, 톰슨코일을 이용한 고속투입스위치는 반발판과 코일 사이에 형성되는 전자반발력을 이용한 것이며, 이러한 반발판과 코일 사이에 발생하는 전자반발력은 코일에 흐르는 시변전류(time-varying current)와 이 전류에 의하여 반발판에 생겨나는 맴돌이 전류(eddy current)에 의하여 발생한다. 이 때 코일에 흐르는 시변전류에 의하여 반발판에 유기되는(induced) 맴돌이 전류는 원판형으로 제작된 도체에 골고루 형성되는 것이 아니라 특정 부위에 집중되어 유기된다. 즉, 반발판이 맴돌이 전류가 크게 발생하지 않는 부분을 포함하고 있다면, 이부분은 반발판과 코일 사이에서 발생하는 전자반발력에는 영향을 미치지 못하면서 반발판의 질량만 상승시키게 되므로 반발판의 이동을 방해하는 요인으로 작용하는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 톰슨코일을 적용한 스위치 또는 차단기에 적용되는 반발판의 형상을 도시한 것이며, 도 4는 도 3의 형상의 단면을 보여주며, 도 5는 반발판의 단면을 보여주는 그림이다.

기본적인 구성은 전원이 인가되어 자속을 변화시키는 톰슨코일(100), 상기 톰슨코일의 자속변화에 따라 맴돌이 전류가 발생되며 상기 톰슨코일의 상측에 배치되는 반발판(110) 그리고 상기 반발판이 올바른 방향으로 진행할 수 있도록 고정시켜 주는 가동로드(120)로 구성된다.상기 가동로드(120)는 대략원판 형상의 하단부(121)와 상기 플레이트의 중앙부에서 위로 돌출되어 연장된 원기둥 형상의 가이드부재(123)로 이루어진다.상기 톰슨코일(100)은, 가운데가 빈 고리 형상의 코일이 며 가운데 빈 공간에 상기 가동로드의 가이드부재(123)가 배치된다. 상기 반발판(110)은 상기 톰슨코일의 상측에 배치되되, 상기 가동로드의 가이드부재(123)가 삽입될 수 있도록 가운데 부분에 중심홀(h)이 형성되어서, 상기 가이드부재에 의해 가이드되어 상하로 이동한다.

도 4 내지 도 5를 참고하면, 발명의 일 실시예에 따른 반발판(110)은 중심에 상기 가동로드(120)의 가이드부재(123)가 삽입되는 중심홀(h)이 있고, 상기 중심홀(h)의 내벽에서 반경방향으로 일정 폭을 가진 지지부(114)가 형성된다.

상기 가이드부재(123)는 상기 중심홀(h)에 삽입되어서, 반발판이 상기 가이드부재(123)에 의해서 상하로 가이드되어 이동한다. 그리고, 상기 지지부(114)의 반경방향 외측으로는 반발판의 몸체부(111)가 상기 지지부(114)를 둘러싸고 형성된다. 상기 반발판의 몸체부(111)의 단면을 보면, 상부면(112)은 중앙부가 볼록한 형상이면서 하부면(113)은 평평한 형상으로 이루어진다. 상부면에서 볼록하고 하부면에서 평평한 이부분이 아래쪽에 위치하는 톰슨코일과 관계에서 전자반발력을 형성하는 반발력 형성부위가 된다. 상기 몸체부(111)에서 중앙부가 볼록하도록 가장자리 부분이 제거된 것은, 맴돌이 전류의 생성이 미약한 가장자리 부분을 제거한 것이다.

반발판의 지지부(114)는, 반발판이 상하방향으로 이동할 때 올바른 방향으로 진행할 수 있도록 지지해 주는 가동로드의 가이드부재(123)와 접촉하는 부분이기 때문에 필요한 지지력을 확보하기 위해서, 비록 전자반발력 형성에 기여하는 바가 미약하다 하더라도 반발판이 이동할 때 변형 등이 발생하지 않도록 기계적 성능확 보를 위해 형성한 부분이다.

이와 같이, 톰슨코일에 순간적인 전류가 흐르고 이에 따라 반발판에 맴돌이 전류가 유기됨으로써 발생하는 전자반발력은 톰슨코일과 반발판이 인접해 있는 부분에서 가장 크게 발생하고, 반발판이 톰슨코일과 멀어질수록 여기되는 맴돌이 전류는 작게되고 전자반발력의 형성에 큰 기여를 하지 못하게 된다. 따라서 본 발명에서는 반발판을 설계함에 있어서, 코일과 반발판 사이에 발생하는 자계 및 맴돌이 전류의 분포 해석을 통해 형상을 최적화하여 반발판의 불필요한 부분(전자반발력 형성에 큰 영향을 주지 못하는 부분)을 제거함으로써 반발판 자체의 무게를 감소시킴으로써, 동일 조건(코일의 감은 횟수/형상, 전원, 재질 등)에서 더 좋은 성능을 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반발판의 형상을 도시하고 있다. 이를 보면, 본 실시예의 반발판(210)은 중앙부에 상기 가동로드(120)의 가이드부재(123)가 삽입되는 중심홀(h)이 있고, 상기 중심홀(h)의 측면에는 반발판이 상기 가이드부재(123)에 의해서 상하로 가이드되어 이동시에 반발판에 지지력을 제공하는 지지부(214)가 구비된다. 그리고, 상기 지지부(214)의 외측으로는 반발판의 몸체부(211)가 위치한다. 상기 반발판의 몸체부(211)는, 상부면(212)은 높이가 서로 다른 복수개의 면으로 이루어지고 하부면(213)은 평평한 형상으로 이루어진다. 상기 몸체부(211)의 상부면이 계단식으로 높이가 다른 복수개의 면(212,214)으로 이루어져서 대략 가운데 부분의 상하방향 폭이 커게 된 것은, 맴돌이 전류의 생성이 미약한 가장자리 부분을 제거함으로써 형성된 것이다. 본 도면에서는 상기 반발판의 상 부면이 2개의 면으로 이루어진 형상이 도시되어 있으나, 필요에 따라서는 3개 내지 4개의 면으로 이루어질 수도 있을 것이다.

도 7에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동로드의 형상을 보여주고 있다. 본 실시예의 기본적인 구성은 전원이 인가되어 자속을 변화시키는 톰슨코일(300), 상기 톰슨코일의 자속변화에 따라 맴돌이 전류가 발생되며 상기 톰슨코일의 상측에 배치되는 반발판(310) 그리고 상기 반발판이 올바른 방향으로 진행할 수 있도록 고정시켜 주는 가동로드(320)로 구성된다. 도 7에서 (b)를 참조하면, 상기 가동로드(320)는 대략 원판 형상의 하단부(321)와 상기 하단부의 외측단부에서 상측으로 수직하게 연장되는 연장부(323)로 이루어진다. 상기 가동로드(320)의 연장부(323)는 상기 반발판(310)이 상하로 이동할 때에 상기 반발판의 외측에 접하면서 상기 반발판을 가이드하게 된다.

본 발명의 고속투입스위치에서는 상기 톰슨코일에 전류가 흐르면 상기 반발판에 반발력이 생겨서 이동하게 되고 반발판과 함께 이동하는 가동전극이 고압전극에 접촉하거나 이격됨으로써 투입 개방동작이 이루어지게 된다. 이때 가동전극과 반발판은 서로 별도로 제작되어 배치될 수도 있고, 일체로 제작되어 배치될 수도 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 코일에 전류가 흐를 경우 반발력에 의해 직접 운동을 하게 되는 반발판(110)에 전극을 연결하여 전류를 흐르게 함으로써 가동전극과 반발판을 일체로 형성할 수도 있다. 가동전극과 일체로 형성된 상기 반발판(110)이 톰슨코일(100)과 사이에서 전자반발력을 받아서 이동하게 된다.

그리고, 도 9에 도시된 바와 같이, 반발판(110)의 상측에 가동전극(150)을 배치함으로써 반발판과 가동전극을 별도로 형성하여 배치할 수도 있다. 다시말하면, 반발판 위에 가동전극을 위치시킴으로써, 반발판(110)이 톰슨코일(100)과 반발력에 의해서 이동하면 상기 반발판위에 배치된 가동전극(150)이 반발력을 전달받아 이동하게 할 수 있게 형성한 것이다.

도 1은 톰슨코일을 이용한 차단기의 일반적인 원리를 보여주는 도면이며,

도 2는 톰슨코일을 이용한 고속투입스위치의 일반적인 모습이며,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 톰슨코일을 적용한 스위치의 일부 구성을 도시한 것이며,

도 4는 도 3의 단면을 보여주며,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반발판의 단면을 보여주며,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반발판의 단면을 보여주며,

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 톰슨코일을 적용한 스위치의 일부구성을 도시한 것이며,

도 7b는 도 7a의 가이드부재를 일부 절개한 사시도이며

도 8은 본 발명에 따른 고속투입스위치에서 가동전극과 반발판이 일체로 형성된 형상이며,

도 9는 본 발명에 따른 고속투입스위치에서 가동전극과 반발판을 별도로 형성된 형상이다.

Claims (8)

1. 톰슨코일에 의해 반발력을 제공받아 투입 및 개방동작을 수행하는 고속투입스위치의 반발판으로서,

   상기 반발판은 가운데에 중심홀을 가진 원형의 플레이트 형상이되, 상기 플레이트의 종단면은 상면에서 하면에 이르는 두께가 상이하게 형성되고,

   상기 플레이트의 상면에는, 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정지점에서 상기 중심홀을 둘러싼 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 그루브는, 상기 플레이트의 중심쪽은 급경이며 상기 플레이트의 바깥쪽은 완경인 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 플레이트 상면의 외측단부는 곡선형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 그루브는, 사각형상의 홈인 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 플레이트의 상면 외측단은 끝단부분의 두께가 감소하도록 단차진 형상인 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 중심홀에서 반경방향으로의 단면은, 상면은 볼록한 곡선형이며 하면은 평평하게 이루어져 톰슨코일에 의해 반발력이 형성되는 반발력 형성부위를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 반발력 형성부위의 안쪽에는, 상기 중심홀의 내벽에서 반경방향으로 일정두께를 가진 지지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 고속투입스위치의 반발판.

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