KR101501636B1 - 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기 - Google Patents

체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 복합소호방식 가스 차단기의 체크밸브의 개폐동작을 변경함으로써, 열팽창실 내에 존재하는 냉가스의 양을 늘리고, 이로 인해 열팽창실로 유입되는 열가스를 좀더 효과적으로 냉각시키기 위한 것이다.
이를 통해 차단기의 주요 차단시험인 열적차단성능 시험에서 소호부에 존재하는 열가스를 효과적으로 냉각시켜 차단성능을 비약적으로 향상시키는 효과를 가지도록 한다.

Description

체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기{Hybrid-extinction type gas circuit breaker with check valve}
본 발명은 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 전력계통에서 고장 발생 시 고장전류를 차단하고 전력계통 설비를 보호하는 복합소호방식 가스 차단기에서, 상하단 조합형의 체크밸브를 설치하여 열팽창실 내로 들어가는 냉가스의 양을 증대시킬 수 있는 복합소호방식 가스 차단기에 관한 것이다.
일반적으로 전력계통에 고장이 발생할 경우, 고장전류를 차단하고 전력설비를 보호하기 위하여 차단기(Circuit Breaker)가 사용된다.
보통 초고전압 차단기에서 고장전류에 의해 두 전기접점 간에 발생하는 아크를 소호하기 위한 원리는 다음과 같다.
기본적으로 절연가스를 차단기 내에 고압으로 충진한 상태에서 고장전류에 의한 아크가 발생하면, 절연가스를 매우 높은 압력으로 압축하여 아크에 직접 강력하게 분사함으로써 아크를 소호하게 된다.
여기서, 절연가스로는 SF6(육불화황) 가스가 널리 사용되고 있으며, 이는 화학적으로 매우 안정된 분자구조를 가지기 때문에 높은 절연파괴강도를 가진다.
이러한 특성 때문에 SF6 절연가스는 고전압설비의 절연매체로 널리 사용되고 있고, 또한 아크 방전을 소멸시키는 아크 소호 성능이 우수하여 차단기의 아크 소호 매질로 널리 사용되고 있다.
현재 대부분의 초고전압 전력계통에서 고장 발생시 고장전류 차단 및 전력계통 설비 보호를 위하여 SF6 가스 차단기(Gas Circuit Breaker)(이하, 가스 차단기라 함)가 사용되고 있으며, 초고전압 차단기에서 아크를 소호하는 방식에 따라 크게 파퍼 방식(Puffer type)과 복합소호방식(Hybrid type)으로 나뉜다.
여기서, 복합소호방식 가스 차단기는 한국 공개특허 10-2002-0015896호, 한국 공개특허 10-2005-0093565호, 한국 등록특허 10-1040592호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.
이러한 복합소호방식 가스 차단기는 보통 압축실(compress chamber)과 열팽창실(thermal chamber) 등 2개의 챔버(chamber)를 포함하여 구성되고, 고장전류에 의한 아크를 소호하기 위하여 차단기 내부에 설치된 압축실 및 열팽창실을 이용한다.
통상적으로 가스 차단기의 압축실은 소전류 차단에 이용되고, 가스 차단기의 열팽창실은 대전류 차단에 이용된다.
도 1은 종래의 복합소호방식 가스 차단기를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 복합소호방식 가스 차단기는 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11), 선단에 제1노즐(12)을 가지는 실린더(13) 및 실린더로드(14), 상기 실린더(13)의 내부에 조성되는 압축실(15)과 열팽창실(16) 그리고 압축실(15)과 열팽창실(16)을 구획짓는 분리벽(17), 상기 실린더(13)의 내부에 위치되는 피스톤(18), 상기 열팽창실(16)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널(19) 등을 포함한다.
여기서, 미설명 부호 20은 가동아크접점에 설치되는 제2노즐이고, 21과 22는 분리벽과 피스톤에 각각 설치되는 체크밸브와 감압밸브이며, 23은 조작기측으로 연결되는 연결고리를 나타낸다. .
따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 전력계통에 고장이 발생하면, 연결고리(23)를 통해 연결된 조작기(미도시)에 의해 고정아크접점(10)과 피스톤(18)을 제외한 나머지 부분(이하, 가동부라 함)이 도 1을 기준으로 우측에서 좌측으로 이동하게 된다.
이렇게 가동부가 이동하는 과정에서 압축실(15)의 가스는 위치가 고정되어 있는 피스톤(18)에 의해 자동으로 압축된다.
또한, 가동부가 이동함에 따라 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)이 분리되고, 이와 동시에 두 아크접점(10,11) 사이에는 아크가 발생하게 된다.
이때, 상기 압축실(15)의 가스압력이 열팽창실(16)의 가스압력보다 높으면 분리벽(17)의 체크밸브(21)가 열리게 되고, 계속해서 압축실(15)에서 압축된 가스는 열팽창실(16)과 제1노즐(12)을 통해 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이로 분사된다.
이에 따라, 두 아크접점(10,11) 사이에서 발생한 아크가 압축실(15)의 압축된 가스에 의해 소호되면서 고장전류가 차단될 수 있게 된다.
이와 같은 고장전류 차단 작동은 전력계통에서 발생한 고장전류가 작은 경우에 가능한 작동으로, 이는 분사된 가스가 고정아크접점과 가동아크접점 사이에서 발생한 아크에 의해 팽창하여 열팽창실로 역류하지 않을 경우에만 가능하다.
만약, 차단해야 할 고장전류가 큰 경우에는 고정아크접접과 가동아크접점 사이에서 발생한 아크 에너지가 크므로, 주위의 가스를 팽창시켜 가스를 열팽창실로 역류시키게 된다.
이때, 아크의 온도가 수만 도에 달하므로 고온에 의해 아크 주위의 가스가 팽창하여 열팽창실로 역류하며, 역류된 가스에 의해 열팽창실의 압력이 압축실보다 높아지면 체크밸브가 닫히게 된다.
계속해서, 열팽창실로 역류한 가스는 열팽창실에서 냉각되어 다시 고정아크접점과 가동아크접점 사이의 아크로 분사되면서 아크를 소호하게 된다.
이 과정에서 압축실의 압력이 높으면 조작기에 스트레스를 주게 되고, 차단기 자체에도 기계적 압력이 가해질 수 있으므로, 압축실의 압력이 일정치(예를 들어 15bar) 이상이 되면, 피스톤의 감압밸브가 열려 압축실의 가스를 뒤쪽으로 분출하여 압축실의 압력을 조절하게 된다.
이를 정리하면, 고장전류의 크기가 작은 경우에는 압축실의 압축된 가스로 아크를 소호하여 고장전류를 차단하고, 고장전류가 큰 경우에는 고정아크접점과 가동아크접점 사이에서 발생한 아크 에너지를 이용하여 주위의 가스를 팽창시켜 열팽창실로 역류시킨 다음, 역류되어 열팽창실에서 냉각 및 압축된 가스를 재차 분사하여 아크를 소호함으로써 고장전류를 차단하게 되는 것이다.
한편, 일반적인 전력계통의 경우 교류이므로 전류가 "0"이 되는 시점이 존재하며, 이때 열팽창실에 높은 압력으로 충전되어 있던 가스가 아크로 다시 분사되어 두 전기접점 간에 존재하는 열가스를 배출시킨다.
이로써 절연성능을 회복하게 되는데 이를 차단에 성공하였다고 한다.
한편, 열팽창실 내에 열가스가 유입되기 전 압축실의 압축효과로 인해 체크밸브가 열리게 되고, 열팽창실 내에는 냉가스의 압력이 높아지게 된다.
만일, 열팽창실 내로 열가스가 유입될 때 냉가스의 압력이 높다면 열가스는 더욱 효과적으로 냉각될수 있으며, 열적 차단에 유리하게 된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존 복합소호방식 가스 차단기는 고장전류를 차단하기 위해 압축실에서 압축하며, 이로 인해 체크밸브가 열리면서 압축된 냉가스가 열팽창실로 유입된다.
이때, 체크밸브는 도 2에서 볼 수 있듯이 축 방향(X축 방향)으로 이동하게 되고, 절연가스는 체크밸브가 열려 있는 통로로 흘러가게 된다.
따라서, 체크밸브에 부딪힌 절연가스 유체는 유속이 감소되고, 이로 인해 유량이 줄어들게 된다.
이는 체크밸브가 절연가스의 유로를 막고 있기 때문이며, 체크밸브의 구조와 형상을 변경하여 좀더 많은 양의 절연가스가 유속을 잃지 않고 열팽창실로 유입될 수 있도록 하는데 본 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기는 고정아크접점과 가동아크접점, 선단에 제1노즐을 가지는 실린더 및 실린더로드, 상기 실린더의 내부에 조성되는 압축실과 열팽창실, 체크밸브를 가지면서 압축실과 열팽창실을 구획짓는 분리벽, 상기 실린더의 내부에 위치되는 피스톤, 상기 열팽창실에서 고정아크접점과 가동아크접점사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널을 포함하는 구조로 이루어지는 한편, 특히 상기 분리벽에 있는 가스통로를 개폐하는 체크밸브는 상단 체크밸브와 하단 체크밸브로 구성됨과 더불어 위아래로 각각 젖혀지면서 가스통로를 완전히 개방시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
따라서, 상기 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기는 2개의 체크밸브가 완전히 젖혀지면서 열려지게 되므로, 열팽창실로 들어가는 통로에 아무런 장애물이 없기 때문에 많은 양의 냉가스가 열팽창실로 유입될 수 있게 되고, 결국 열팽창실로 들어오는 열가스와 냉가스를 충분히 혼합 및 냉각시켜 열적 차단성능을 높일 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 체크밸브의 상단 체크밸브와 하단 체크밸브는 그 하단부와 상단부를 통해 일부 겹쳐지는 상태로 가스통로를 막을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 체크밸브의 상단 체크밸브는 분리벽측에 힌지부에 의해 상단 지지되는 구조로 설치될 수 있고, 하단 체크밸브는 상단 체크밸브의 뒷쪽에 위치되면서 분리벽에 설치되어 있는 받침대측에 힌지부에 의해 하단 지지되는 구조로 설치될 수 있다.
본 발명의 효과는 좀더 많은 양의 냉가스가 열팽창실로 유입되는 것이다.
기존의 체크밸브에서는 열팽창실로 흘러갈 수 있는 통로를 체크밸브가 완전히 막고 있는 상태에서 약간의 통로만 만들어 주는 것으로서, 적은 양의 냉가스만이 열팽창실로 유입되었다.
그러나, 본 발명에서는 열팽창실로 흘러가는 통로에 아무런 장애물이 없도록 함으로써, 압축된 냉가스가 속도를 거의 잃지 않고 열팽창실로 유입되게 된다.
이는 열팽창실로 유입될 열가스의 온도를 낮추는데 큰 역할을 하는 것으로 차단기의 주요 성능 중 하나인 열적 차단성능을 비약적으로 상승시켜주게 된다.
도 1은 종래의 복합소호방식 가스 차단기를 나타내는 단면도
도 2는 종래의 복합소호방식 가스 차단기의 작동상태를 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소호방식 가스 차단기를 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소호방식 가스 차단기의 작동상태를 나타내는 단면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소호방식 가스 차단기를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 가스 차단기는 전력계통 이상 시 이동가능한 가동부로서 실린더(13)와 실린더로드(14)를 포함하며, 상기 실린더(13)의 선단부에는 제1노즐(12)이 장착되고, 상기 실린더로드(14)의 선단부에는 가동아크접점(11) 및 그 바깥둘레의 제2노즐(20)이 장착된다.
그리고, 상기 실린더(13)의 내부에는 실린더 전후 폭 중간쯤되는 위치에 실린더로드(14)의 둘레면과 실린더(13)의 내벽 사이에 동심구조로 고정되는 분리벽(17)이 설치되고, 이렇게 설치되는 분리벽(17)에 의해 실린더(13)의 내부는 앞쪽의 열팽창실(16)과 뒷쪽의 압축실(15)로 구획될 수 있게 된다.
이때, 상기 압축실(15)과 열팽창실(16)의 내부에는 절연가스로서 SF6 등과 같은 가스가 채워져 있게 된다.
또한, 상기 실린더(13)의 내부 후단부에는 그 위치가 고정되어 있는 피스톤(18)이 동심구조로 배치되며, 이에 따라 실린더(13)의 내부에 조성되는 압축실(15)은 실린더(13) 및 실린더로드(14)와 함께 이동가능한 앞쪽의 분리벽(17)과 가동부 이동 시 움직이지 않고 위치를 고수하고 있는 뒷쪽의 피스톤(18) 사이에 갇혀진 공간 형태로 이루어지게 된다.
이러한 분리벽(17)과 피스톤(18)에는 각각 체크밸브(21)와 감압밸브(22)가 설치되며, 이때의 체크밸브(21)는 열팽창실쪽으로만 열리는 밸브로서, 압축실(15)과 열팽창실(16) 간의 압력차에 의해 오픈되면서 압축실(15) 내부의 가스가 열팽창실(16)로 보내지도록 하는 역할을 하게 되는 한편, 상기 감압밸브(22)는 압축실(15)의 내부 압력이 일정치 이상인 경우에 오픈되면서 가스를 배출시켜 조작기(미도시)나 차단기 자체를 보호해주는 역할을 하게 된다.
그리고, 전력계통 고장 시 서로 분리되면서 아크를 발생시키는 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)이 마련되고, 이때의 가동아크접점(11)은 실린더로드(14)에 결합됨과 더불어 그 선단부를 통해 고정아크접점(10)의 선단측과 연결된다.
여기서, 상기 고정아크접점의 후단측 연결 및 지지구조, 가동부의 이동구조 및 이동방식 등은 종래의 가스 차단기와 동일하므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 서로의 배치관계에서 중심측에 위치되어 있는 제2노즐(20)과 외곽측에 위치되어 있는 제1노즐(12) 사이, 즉 제2노즐(20)의 바깥쪽 둘레면과 제1노즐(12)의 안쪽 내벽면 사이에는 히팅채널(19)이 형성되고, 이에 따라 열팽창실(16)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이에 가스의 흐름이 만들어지게 된다.
즉, 상기 히팅채널(19)을 통해 열팽창실(16)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이(아크 발생 부위)로, 또 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이에서 열팽창실(16)로 가스가 흘러갈 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 가스 차단기는 열팽창실(16)의 내부에 유입되는 냉가스의 양을 최대한 증가시킬 수 있는 수단으로 2개의 밸브 조합으로 이루어진 체크밸브(21)를 포함한다.
상기 체크밸브(21)는 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)로 구성되고, 이때의 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)는 함께 열리거나 닫히면서 분리벽(17)에 있는 가스통로(24)를 개폐할 수 있게 된다.
여기서, 상기 상단 체크밸브(25)는 그 상단부를 통해 분리벽(17)측에 힌지부(28a)에 의해 지지되는 구조로 설치되어, 상단부의 힌지부(28a)를 중심으로 회전되면서 뒷쪽(열팽창실이 있는 쪽)을 향해 윗쪽으로 젖혀지는 방식으로 개폐된다.
그리고, 상기 하단 체크밸브(26)는 상단 체크밸브(25)의 바로 뒤에서 접하여 위치됨과 더불어 그 하단부를 통해 분리벽(17)에 설치되어 있는 받침대(27)측에 힌지부(28b)에 의해 지지되는 구조로 설치되어, 하단부의 힌지부(28b)를 중심으로 회전되면서 뒷쪽(열팽창실이 있는 쪽)을 향해 아래쪽으로 젖혀지는 방식으로 개폐된다.
이렇게 설치되는 상단 체크밸브(25)의 하단부와 하단 체크밸브(26)의 상단부는 일부가 서로 접하면서 겹쳐진 상태에서 함께 가스통로(24)를 막고 있게 된다.
이때, 상기 상단 체크밸브(25)는 가스통로(24)의 면적보다 상대적으로 큰 면적으로 제작하여 분리벽(17)에 간섭되도록 하면서 압축실(15)이 있는 앞쪽으로는 젖혀지지 않게 되고, 이와 마찬가지로 하단 체크밸브(26)도 가스통로(24)의 면적보다 상대적으로 큰 면적으로 제작하여 상단 체크밸브(25) 및 분리벽(17)에 간섭되도록 할 수 있다.
물론, 상기 하단 체크밸브(26)가 뒷쪽으로 위치됨에 따라 이때의 상단 체크밸브(25)의 두께만큼의 옆쪽 틈새는 하단 체크밸브(26)의 양측단에 벽체를 적절히 형성하여 이를 마감할 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)는 압축실(15) 내의 압력에 의한 빠져나오는 냉가스의 미는 힘에 의해 위아래로 각각 젖혀지면서 가스통로(24)를 완전히 개방시킬 수 있게 된다.
따라서, 이와 같이 구성되는 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소호방식 가스 차단기의 작동상태를 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전력계통 고장 시(고장전류가 작은 경우) 실린더로드(14)의 후단에 연결된 조작기(미도시)에 의해 고정아크접점(10)과 피스톤(18)을 제외한 가동부(가동아크접점, 실린더로드, 제1노즐, 실린더, 분리벽 등)가 도 4을 기준으로 우측에서 좌측으로 이동하게 된다.
이렇게 가동부가 이동하는 과정에서 압축실(15)의 가스는 위치가 고정되어 있는 피스톤(18)에 의해 자동으로 압축되고, 이와 동시에 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)이 분리되면서 두 아크접점(10,11) 사이에는 아크가 발생하게 된다.
이때, 상기 압축실(15)의 가스압력이 열팽창실(16)의 가스압력보다 높기 때문에 분리벽(17)의 가스통로(24)를 막고 있던 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)가 위아래 젖혀지면서 열리게 되고, 이와 동시에 압축실(15) 내의 냉가스는 열팽창실(16)과 제1노즐(12)을 통해 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이의 아크로 분사된다.
이에 따라, 두 아크접점(10,11) 사이에서 발생한 아크는 압축실(15)의 압축된 가스에 의해 소호되면서 고장전류가 차단될 수 있게 된다.
한편, 전력계통 고장 시(고장전류가 큰 경우) 고정아크접접(10)과 가동아크접점(11) 사이에서 발생한 아크 에너지가 크기 때문에 주위의 가스가 팽창되면서 열팽창실(16)로 역류된다.
즉, 아크의 온도가 수만 도에 달하기 때문에 고온에 의해 아크 주위의 가스가 팽창하여 열팽창실(16)로 역류하게 되고, 이렇게 역류된 가스에 의해 열팽창실(16)의 압력이 압축실(15)보다 높아지면서 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)가 닫히게 된다.
계속해서, 열팽창실(16)로 역류한 열가스는 열팽창실(16) 내의 냉가스와 섞이면서 냉각되어 다시 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이의 아크로 분사되면서 아크를 소호하게 된다.
이때, 상기 압축실(15)로부터 열팽창실(16)로 냉가스가 유입될 때, 위아래의 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)가 위아래로 젖혀지면서 가스통로(24)를 완전히 개방하게 되므로, 압축된 냉가스는 속도를 거의 잃지 않고 열팽창실(16)로 유입되고, 결국 많은 양의 냉가스가 열팽창실(16)로 들어와 역류한 열가스와 섞이면서 열가스를 충분히 냉각시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 열가스가 열팽창실로 흘러가는 가스통로에 위아래로 젖혀지면서 가스통로를 완전히 개방시킬 수 있는 체크밸브를 적용함으로써, 열팽창실로 유입되는 냉가스의 양을 많이 확보할 수 있고, 따라서 열팽창실로 유입되는 열가스를 효과적으로 냉각하여 차단기의 차단성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
10 : 고정아크접점 11 : 가동아크접점
12 : 제1노즐 13 : 실린더
14 : 실린더로드 15 : 압축실
16 : 열팽창실 17 : 분리벽
18 : 피스톤 19 : 히팅채널
20 : 제2노즐 21 : 체크밸브
22 : 감압밸브 23 : 연결고리
24 : 가스통로 25 : 상단 체크밸브
26 : 하단 체크밸브 27 : 받침대
28a,28b : 힌지부

Claims (3)

  1. 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11), 선단에 제1노즐(12)을 가지는 실린더(13) 및 실린더로드(14), 상기 실린더(13)의 내부에 조성되는 압축실(15)과 열팽창실(16), 체크밸브(21)를 가지면서 압축실(15)과 열팽창실(16)을 구획짓는 분리벽(17), 상기 실린더(13)의 내부에 위치되는 피스톤(18), 상기 열팽창실(16)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널(19)을 포함하며,
    상기 분리벽(17)에 있는 가스통로(24)를 개폐하는 체크밸브(21)는 상단 체크밸브(25)와 하단 체크밸브(26)로 구성되어, 각각 위아래로 젖혀지면서 가스통로(24)를 완전히 개방시키고, 각각의 상단부와 하단부가 일부 겹쳐지는 상태로 가스통로(24)를 막는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 체크밸브(21)의 상단 체크밸브(25)는 분리벽(17)측에 힌지부(28a)에 의해 상단 지지되는 구조로 설치되고, 하단 체크밸브(26)는 상단 체크밸브(25)의 뒷쪽에 위치되면서 분리벽(17)에 설치되어 있는 받침대(27)측에 힌지부(28b)에 의해 하단 지지되는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 체크밸브를 가지는 복합소호방식 가스 차단기.
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