KR101364478B1 - 복합 소호식 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자측 아크 접점 및 가동자측 아크 접점간 아크를 복합 소호 방식으로 차단하는 복합 소호식 차단기에 관한 것으로서, 냉가스를 압축 저장하는 압축실; 상기 압축실에서 공급되는 냉가스와 상기 아크에 의해 발생된 열가스가 혼합되는 열팽창실; 상기 열팽창실의 열가스 인입측에 형성되며, 열가스가 열팽창실의 중간 지점까지 유도되어 인입되도록 장벽 역할을 하는 배리어; 및 상기 배리어에 의해 열가스가 방출되는 노즐에서 상기 열팽창실의 인입구까지 형성되는 히팅 채널을 포함한다.
본 발명에 따르면, 아크에 의해 발생된 열가스가 열팽창실 인입측의 배리어에 의해 열팽창실의 중앙부까지 유도되어 열팽창실 내부로 인입됨으로써, 열가스와 냉가스의 혼합 효율을 높이고 대전류 차단 등에 있어 극간 절연 회복 능력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

복합 소호식 차단기{HYBRID EXTINCTION TYPE CIRCUIT BREAKER}

본 발명은 복합 소호식 차단기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열팽창실의 열가스 인입측에 배리어를 형성하여 열가스와 냉가스의 혼합 효율을 극대화함으로써 극간 절연 회복 능력을 향상시킨 복합 소호식 차단기에 관한 것이다.

일반적으로 전력 계통에서 고장 전류를 차단하기 위해 차단기가 사용된다. 통상적으로 가스를 이용하여 두 접점 사이에서 발생하는 아크를 소호하는 가스 차단기가 널리 사용되고 있다.

가스 차단기는 아크를 소호하는 방식에 따라 파퍼 소호방식(Puffer Type), 로터리 아크 소호방식(Rotating Arc Type), 열팽창 소호방식(Thermal Expansion Type), 복합 소호방식(Hybrid Extinction Type) 등으로 분류된다. 여기서 복합 소호방식의 가스 차단기는 두 가지 이상의 아크 소호방식을 함께 채용한 차단기를 의미한다. 통상적인 복합 소호방식의 가스 차단기는 파퍼 소호방식과 열팽창 소호방식을 복합적으로 사용하며, 외부 구동력으로 압축실 내 소호가스를 압축하여 냉가스를 형성하고, 아크에 의해 발생된 열가스를 열팽창실로 유입하여 압축된 냉가스와 혼합하는 방식으로 아크를 소호한다.

복합 소호방식의 차단기에서는 열팽창실에서 열가스와 냉가스의 혼합이 효과적으로 이루어져야 하며, 이는 고장 전류 차단시 극간 절연 능력을 회복하는 중요한 인자로 작용한다. 통상적으로 고장 전류가 작을 경우에는 아크에 의해 발생되는 에너지가 작기 때문에 열가스의 팽창압력이 작아진다. 따라서 열팽창실 내에서 열가스와 냉가스의 혼합이 적절하게 수행된다.

그러나 고장 전류가 큰 경우에는 아크에 의해 발생되는 에너지가 커지기 때문에 열가스의 팽창압력이 커지게 된다. 이로 인해 극간에서 발생된 열가스가 열팽창실로 진입하는 노즐목에서 높은 팽창 압력으로 걸려있는 상태에서, 압축된 냉가스와 대치상태를 유지하며, 이는 열가스의 열팽창실 유입을 어렵게 한다. 이로 인해 종래 혼합 소호식 차단기는 대전류 차단시에 극간 절연 회복 능력이 떨어지는 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 열팽창실의 열가스 인입측에 배리어를 형성하고 열가스가 유입되는 통로에서 긴 구간의 히팅 채널을 갖도록 함으로써, 열가스가 열팽창실의 중앙부까지 유도되어 열팽창실 내부로 인입될 수 있으며, 열팽창실 내에서 열가스와 냉가스간 혼합 효율을 높이고 극간 절연 회복 능력을 향상시킬 수 있는 복합 소호식 차단기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 고정자측 아크 접점 및 가동자측 아크 접점간 아크를 복합 소호 방식으로 차단하는 복합 소호식 차단기에 있어서, 냉가스를 압축 저장하는 압축실; 상기 압축실에서 공급되는 냉가스와 상기 아크에 의해 발생된 열가스가 혼합되는 열팽창실; 상기 열팽창실의 열가스 인입측에 형성되며, 열가스가 열팽창실의 중간 지점까지 유도되어 인입되도록 장벽 역할을 하는 배리어; 및 상기 배리어에 의해 열가스가 방출되는 노즐에서 상기 열팽창실의 인입구까지 형성되는 히팅 채널을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 상기 열팽창실의 장변측에 상기 배리어가 형성되며, 상기 배리어는 상기 노즐의 일부를 구성한다.

열팽창실은 장변측 길이에 비해 단변측 길이가 짧게 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 상기 열팽창실의 단변측 길이는 장변측 길이에 비해 1/2 이하의 값을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 상기 열팽창실의 단변측 길이는 장변측 길이에 대비하여 32% 내지 35%의 길이를 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 상기 배리어의 길이는 상기 열팽창실의 장변측 길이에 대비하여 10% 내지 50%의 길이를 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 소호식 차단기는, 상기 배리어의 길이는 상기 열팽창실의 장변측 길이의 28% 내지 32%의 길이를 갖는다.

본 발명의 복합 소호식 차단기에 따르면, 열팽창실의 열가스 인입측에 배리어를 형성하여 열가스가 긴 구간의 히팅 채널을 거쳐 열팽창실 중앙부로 유입됨으로써, 열팽창실 내에서 열가스와 냉가스간 혼합 효율을 높일 수 있고, 특히 BTF(Bushing Terminal Fault)와 같은 단자 단락 사고의 대전류를 차단하거나 높은 TRV(Transient Recovery Voltage)가 발생하는 고장에서 극간 절연 회복 능력을 크게 향상시켜 차단기의 안정적인 운전이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 배리어가 노즐의 일부를 구성함으로써 추가 구성품을 적용하거나 추가의 가공 없이 바로 열팽창실에 노즐을 삽입하여 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 열팽창실의 세로 길이가 짧아져 절연에 대한 상대지 및 상간거리를 축소할 수 있고, 배리어의 길이를 열팽창실 가로 길이의 대략 30%로 선택하여 최적의 차단 성능을 가질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차단기 내부 구조를 보인 절개 사시도,
도 2는 본 발명에서의 열팽창실 구조를 개략적으로 예시한 단면 구성도,
도 3은 종래 열팽창실 구조에서의 열가스 유동 해석 비교예를 보인 온도 분포도, 및
도 4 내지 도 6은 본 발명의 열팽창실 구조에서의 열가스 유동 해석을 보인 온도 분포도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 복합 소호식 차단기에 관한 것으로서, 고정자 아크 접점과 가동자 아크 접점 사이에서 발생된 아크를 복합 소호 방식으로 차단하는 차단기에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 복합 소호식 차단기는 파퍼 구동력에 의해 냉가스를 압축하는 파퍼 소호방식(Puffer Type)과, 열팽창실 내부로 아크에 의한 열가스를 유입하여 아크를 소호하는 열팽창 소호방식(Thermal Expansion Type)을 복합적으로 이용하는 차단기에 관한 것으로서, 열팽창실의 열가스 인입측에 노즐 일체형의 배리어를 형성한 구조적 특징을 갖는다.

이하의 설명에서는 열팽창실의 구조와 관련한 본 발명의 특징부에 대하여 중점적으로 설명하기로 하며, 냉가스의 압축구조 및 고정자와 가동자의 개폐 구조 등 통상 알려진 복합 소호식 차단기의 일반적 구조에 대하여는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 한편, 본 발명의 기술사상은 냉가스를 반드시 파퍼 구동력으로 압축하는 것에 국한되지 않고, 다른 압축 방식으로 냉가스를 압축하는 경우에도 적용될 수 있을 것이다. 또한, 배리어는 반드시 노즐 일체형으로 구성되어야 하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 차단기 내부 구조를 보인 절개 사시도로서, 복합 소호식 차단기의 열팽창실을 부분적으로 절개한 사시도이다. 도 2는 본 발명에서의 열팽창실 구조를 개략적으로 예시한 단면 구성도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 차단기 일측에는 냉가스를 압축 저장하는 압축실(102)이 구비된다. 압축실은 앞서 언급한 바와 같이 파퍼 구동력에 의하여 냉가스를 압축 저장하며, 도시 안된 개폐 밸브에 의해 개폐되어 열팽창실(100) 내부로 냉가스를 공급한다. 압축실(102)을 개폐하는 개폐 밸브는 예컨대 체크 밸브이다.

열팽창실(100)은 아크에 의한 열가스가 팽창되어 유입되는 챔버 형태를 가진다. 통상 열가스의 팽창 압력에 의하여 압축실(102)의 개폐 밸브가 개방되며, 압축실(102)에 압축 저장된 냉가스가 열팽창실(100)로 유입된다.

여기서, 본 발명에 따른 복합 소호식 차단기는 도시한 바와 같이 열팽창실(100)의 열가스 인입측에 배리어(110)가 형성된다. 도 1을 참조하면, 배리어(110)는 열팽창실(100)의 하단에서 열팽창실(100) 내측으로 돌출된 벽 형태를 가진다. 바람직하게는, 배리어(110)는 열가스가 방출되는 노즐(138)의 일부분이다. 따라서, 노즐(138)의 열가스 방출부분에서 열팽창실(100)의 인입구까지 히팅 채널(120)이 형성된다. 즉, 히팅 채널(120)은 노즐(138)의 일부로서 열가스가 열팽창실(100)로 유입되는 구간이며, 냉가스가 지나갈 때 열가스와 열교환을 통해 열가스를 1차로 냉각시키는 역할을 한다.

도 2를 참조하면, 차단기의 차단 동작에 의해 가동자측 아크 접점(132)과 고정자측 아크 접점(134) 사이의 극간(136)에서 아크가 발생하고, 이 아크는 노즐(138)을 통해 방출된다. 노즐(138)을 통해 방출된 아크는 배리어(110)에 의해 형성된 히팅 채널(120)을 따라 이동한다. 이때, 도시한 바와 같이 배리어(110)에 의해 열가스가 열팽창실(100)의 중간 지점까지 유도되어 열팽창실(100) 내부로 유입된다. 또한, 열가스가 히팅 채널(120)을 따라 이동하면서 열교환에 의하여 1차로 냉각된다. 열가스의 팽창압력에 의해 압축실(102)이 개방되며, 열팽창실(100) 내에서는 열가스와 냉가스간 혼합이 이루어진다.

즉, 열가스가 히팅 채널(120)을 거치면서 열교환을 하게 되며, 열팽창실(100)의 중간 지점까지 유도되어 인입된다. 이에 따라, 열팽창실(100) 내부 공간을 최대한 활용하여 열가스와 냉가스가 혼합되며, 배리어(110)에 의해 형성된 열팽창실(100)의 후방 공간은 열팽창실(100) 내부에서 혼합된 가스가 대류 현상을 일으키도록 역할한다. 따라서, 열가스와 냉가스간 혼합 효과를 높일 수 있게 된다.

바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 열팽창실(100)의 장변측 길이(w)에 비해 열팽창실(100)의 단변측 길이(d)가 짧게 형성된다. 예컨대, 열팽창실(100)의 단변측 길이(d)는 장변측 길이(w)에 비해 1/2 이하의 값을 갖는다. 바람직하게는, 열팽창실(100)의 단변측 길이(d)는 장변측 길이(w)의 1/3 값을 갖는다. 단변측 길이(d)는 제조 공차 등을 감안하여 대략 장변측 길이(w)의 32% 내지 35%의 값을 갖는다.

배리어(110)의 길이는 열팽창실(100)의 장변측 길이(w)에 대비하여 10% 내지 50%의 길이를 갖는다. 아래에서 예시하는 바와 같이, 열팽창실(100)의 단변측 길이(d)가 장변측 길이(w)에 비해 1/3의 값을 가질 때, 배리어(110)의 길이가 열팽창실(100)의 장변측 길이(w)에 대비하여 30%(제조 공차 등을 감안하여 ㅁ2%의 공차를 감안하여)의 값을 갖는다면 가장 최적의 차단 성능을 나타낸다.

이와 같은 구조는 열팽창실(100)의 가용 체적(차단기 설계상 열팽창실에 허용되는 체적)을 최대한 활용하여 열가스와 냉가스간 혼합 효율을 높이고, 열팽창실(100)의 높이를 낮추어 차단기의 크기 증가를 억제하는 장점을 갖는다.

도 3은 종래 열팽창실 구조에서의 열가스 유동 해석 비교예를 보인 온도 분포도이고, 도 4 내지 6은 본 발명의 열팽창실 구조에서의 열가스 유동 해석을 보인 온도 분포도이다. 도 3 내지 6은 각각 동일한 차단 조건에서 전류 영점(대략 차단 동작 이후 33ms 정도의 시간 경과 시점)에서의 아크 소호 상태를 비교 도시한 온도 분포도로서, 도 3 내지 6의 비교를 통해 본 발명에 따른 복합 소호식 차단기의 극간 절연 회복 능력을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3과 같이 배리어를 구비하지 않은 종래의 복합 소호식 차단기에서는, 전류 영점에서 열가스가 열팽창실 내부로 진입하지 못하고 있음을 알 수 있다. 도 3에서는 아크에 의해 발생된 열가스가 열팽창실 입구에서 냉가스와 대치하여 혼합이 잘 이루어지지 않는다. 이후 어느 정도의 시간이 소요되면 열가스와 냉가스간 혼합이 이루어지면서 아크가 소호되지만, 아크 소호까지 비교적 많은 시간이 소요되고, 이로 인해 대전류 차단시 극간 절연 회복 능력이 저하된다.

도 4는 배리어(110)의 길이가 열팽창실(100) 가로 길이의 30%일 때 열가스 유동 해석의 온도 분포를 보여준다. 전류 영점에서 이미 열팽창실(100) 내부에서 열가스와 냉가스의 혼합이 원활하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한, 히팅 채널(120)과 극간(136)에 충분한 냉가스가 공급되어 차단시에 높은 절연 회복 능력이 예상되고 있다.

도 5는 배리어(110)의 길이가 열팽창실(100) 가로 길이의 40%일 때 열가스 유동 해석의 온도 분포를 보여준다. 마찬가지로 전류 영점에서 열팽창실(100) 내부에서 열가스와 냉가스의 혼합이 원활하다. 하지만, 도 4의 실시예에 비해 길어진 히팅 채널(120)로 인해 혼합된 냉가스가 아직까지는 극간(136)에 충분히 공급되지 못하고 있다.

도 6은 배리어(110)의 길이가 열팽창실(100) 가로 길이의 20%일 때 열가스 유동 해석의 온도 분포를 보여준다. 전류 영점에서 앞선 도 3의 실시예에 비해 열팽창실(100) 내부에서 열가스와 냉가스의 혼합이 원활하지만, 도 4 및 5의 실시예에 비해서는 극간(136)에서 유입된 열가스에 의해 순수한 냉가스가 압축실 근처로 밀려나고 있다. 또한, 도 4 및 5에 비해 히팅 채널(120)이 짧아졌음에도 불구하고, 혼합된 냉가스가 아직 극간(136)으로 원활하게 유입되지 않고 있다.

도 4 내지 6의 비교예를 참고하여 볼 때, 본 발명의 실시예는 노즐 일체형 배리어(110)를 구비하는 것으로 열팽창실(100) 내부에서 열가스와 냉가스간 혼합이 원활하게 이루어지는 것을 알 수 있다. 나아가, 열팽창실(100)의 단변측 길이(d)가 장변측 길이(w)에 비해 대략 1/3의 값을 가지며, 배리어(110)의 길이가 열팽창실(100)의 장변측 길이(w)에 대비하여 30%(제조 공차 등을 감안하여 ㅁ2%의 공차를 감안하여)의 값을 가질 때 가장 우수한 극간 절연 회복 능력을 보임을 알 수 있다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

100 : 열팽창실 102 : 압축실
110 : 배리어 120 : 히팅채널
132 : 가동자측 아크 접점 134 : 고정자측 아크 접점
138 : 노즐 136 : 극간

Claims (6)

1. 고정자측 아크 접점 및 가동자측 아크 접점간 아크를 복합 소호 방식으로 차단하는 복합 소호식 차단기에 있어서,
   냉가스를 압축 저장하는 압축실;
   상기 압축실에서 공급되는 냉가스와 상기 아크에 의해 발생된 열가스가 혼합되는 열팽창실;
   상기 열팽창실의 열가스 인입측에 열팽창실 내측으로 돌출된 벽 형태를 가지도록 형성되며, 열가스가 열팽창실의 중간 지점까지 유도되어 인입되도록 장벽 역할을 하는 배리어; 및
   상기 배리어에 의해 열가스가 방출되는 노즐에서 상기 열팽창실의 인입구까지 형성되는 히팅 채널
   을 포함하는 복합 소호식 차단기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열팽창실의 장변측에 상기 배리어가 형성되며, 상기 배리어는 상기 노즐의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 소호식 차단기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 열팽창실의 단변측 길이는 장변측 길이에 비해 1/2 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 소호식 차단기.
4. 제2항에 있어서,
   상기 열팽창실의 단변측 길이는 장변측 길이에 대비하여 32% 내지 35%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 소호식 차단기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배리어의 길이는 상기 열팽창실의 장변측 길이에 대비하여 10% 내지 50%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 소호식 차단기.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배리어의 길이는 상기 열팽창실의 장변측 길이의 28% 내지 32%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 소호식 차단기.

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