KR101610193B1

KR101610193B1 - 개폐장치

Info

Publication number: KR101610193B1
Application number: KR1020140009223A
Authority: KR
Inventors: 임형우; 황동익
Original assignee: 일진전기 주식회사
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2016-04-08
Also published as: WO2015111920A1; KR20150088957A

Abstract

본 발명은 중심축에 비스듬한 슬릿이 형성된 전극을 구비함으로써 소호 성능을 높여 소형화 및 저비용화를 이룰 수 있는 개폐장치에 관한 것이다.
본 발명의 개폐장치는, 제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상의 이동을 통해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 개폐를 행하는 개폐장치이다. 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 삽입될 수 있는 중공을 가진다. 상기 제1 전극의 측면으로는 슬릿 (slit) 이 1 이상 형성된다. 상기 슬릿의 일단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선 및 상기 슬릿의 타단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선이 이루는 각이 상기 제2 전극이 삽입되는 측으로부터 보았을 때 0도 초과이다.
본 발명의 개폐장치에 따르면, 아크 교란에 의한 소호 효과를 증대하여 소호 시간을 줄일 수 있으며, 전극 간 이격 거리를 최소화할 수 있어, 장비의 크기를 더욱 소형화할 수 있고 저비용화를 도모할 수 있다.

Description

개폐장치{SWITCH-GEAR}

본 발명은 개폐장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 중심축에 비스듬한 슬릿이 형성된 전극을 구비함으로써 소호 성능을 높여 소형화 및 저비용화를 이룰 수 있는 개폐장치에 관한 것이다.

개폐장치 (開閉裝置, Switch-gear) 는 전기회로의 구성, 분리 또는 변경을 목적으로 사용되는 기구 또는 장치를 총칭하는 것으로서, 차단기, 단로기, 퓨즈와 같은 기구 뿐만 아니라 모선, 차단기, 단로기, 접지장치, 변성기 등을 금속제함에 내장시킨 가스절연 개폐장치 (GIS; Gas Insulated Switch-gear) 및 MCGS (Metal Clad Switch-gear) 를 포함한 넓은 의미로 사용한다.

차단기 (遮斷器, Circuit Breaker) 는 개폐장치의 한 종류로서 정상상태의 전로 (電路) 뿐만 아니라 이상상태 특히, 단락상태의 전로도 개폐할 수 있는 기기를 말한다. 국제표준규격 (IEC) 에서는 “정상상태의 전류를 투입, 통전, 차단하며 또한 단락과 같은 소정의 이상상태에 있어서 투입, 일정시간의 통전, 차단이 가능하도록 설계된 개폐장치를 말한다.”라고 정의한다.

차단기는, (1) 투입상태에서 양호한 도체로, 정상 또는 단락고장상태와 같은 이상조건에서도 열적, 구조적으로 견디어야 하고, (2) 개방상태에서 양호한 절연체로 상간 또는 상과 대지간 절연이 유지되어야 하고, (3) 차단기 투입시에는 이상전압 발생이 없이 정격 또는 그 이하의 발생전류를 정상적으로 차단하여야 하고, (4) 차단기 개방시에는 접촉자 손상이 없이 신속, 안전하게 회로를 분리하여야 한다.

차단기는 사용회로에 따라 직류용, 교류용으로 분류되며, 소호 (消弧) 방식에 따라 자력식, 타력식 소호 방식으로 구분되고, 소호 매질에 따라 기중차단기 (ACB), 유입차단기 (OCB), 자기차단기 (MBB), 공기차단기 (ABB), 진공차단기 (VCB), 가스 차단기 (GCB) 로 분류된다.

가스 차단기는 전로의 차단이 육불화유황 (SF₆) 과 같은 특수한 기체인 불활성 가스 (이하, '소호 가스') 를 소호 매질로 사용하는 차단기를 말한다. 가스 차단기의 특징은 소호 가스의 물리적, 화학적, 전기적 성질이 우수하고, 소호 능력이 우수하여 아크가 안정되고 절연회복이 빨라 고전압 대전류 차단에 적합하다. 차단시에 외부로 가스를 배출하지 않아 공기차단기와 달리 소음공해가 없으며, 변압기의 여자전류차단과 같은 소전류차단에도 안정된 차단이 가능하다. 개폐 과전압의 발생이 적고, 아크 감소후 절연회복이 우수하여 근거리선로 고장, 탈조 (脫調) 차단, 이상지로(異常地路) 등 가혹한 조건에서도 강하며 소형으로 축소할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 최근에 유입차단기 및 공기차단기를 대체하여 급속하게 사용이 증가되고 있다.

이러한 가스 차단기는 아크를 소호하는 방식에 따라 파퍼 소호방식 (puffer type), 로터리 아크 소호방식 (rotating type), 열팽창 소호방식 (thermal expansion type), 복합 소호방식 (hybrid extinction type) 등으로 분류될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 일반적인 가스절연 개폐장치의 개략적인 단면도들로서, 도 1a는 전극들이 서로 연결된 상태를 도시한 것이며, 도 1b는 전극들이 서로 이격되는 순간을 도시한 것이고, 도 1c는 소호용 쉴드를 구비한 일반적인 가스절연 개폐장치의 개략적인 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적인 가스절연 개폐장치 (10) 는, 제1 전극 (11) 과 이 제1 전극 (11) 에 삽입됨으로써 통전되고, 이탈됨으로써 단전되는 제2 전극 (12) 을 포함하여 구성된다.

여기서 도 1c를 참조하면, 제1 전극 (11) 에는 복수의 슬릿 (11-1) 이 형성되어, 봉 형상의 제2 전극 (12) 이 제1 전극 (11) 에 삽입된 경우 슬릿 (11-1) 이 벌어지면서 제2 전극 (12) 을 강하게 고정할 수 있게 구성된다.

제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 의 단부를 감싸도록 메인 노즐 (13) 이 위치된다. 도 1b를 참조하면, 메인 노즐 (13) 은 제1 전극 (11) 측에 고정되는데, 폭이 좁은 중심부분에서 아크가 발생하게 되고, 메인 노즐 (13) 내로의 소호 가스의 흐름을 통해 아크가 소호된다.

도 1b와 같이, 제2 전극 (12) 이 제1 전극 (11) 으로부터 이탈되면, 제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 사이의 메인 노즐 (13) 의 내부에는 고전압에 따른 아크 (A) 가 발생하며, 아크 (A) 는 제1 전극 (11) 측으로부터 강력하게 분사되는 소호 가스에 의해 소호된다.

또한, 제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 이 이격되고 아크 (A) 가 소호된다 하여도, 제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 간의 거리가 충분히 크지 않으면, 제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 간에 재점호가 일어날 수 있다. 이러한 재점호는 상용 주파 전압에 있어서 전류 영점 후 4분의 1 주기 이상의 시간이 경과한 뒤에 생기는 절연 파괴 현상이다. 이러한 재점호가 일어나면 큰 과도 전압이 발생하는 경우가 있어, 계통 기기의 신뢰성을 위협한다. 그 때문에, 가스절연 개폐장치에서는, 재점호를 회피하고 절연 파괴 현상을 막는 것이 중요하다.

신속한 아크의 소호, 재점호의 방지를 위해서 제1 전극 (11) 과 제2 전극 (12) 간의 개폐 속도의 향상, 이격 거리의 증대, 소호 가스의 유속 증대 등이 필요하나, 이러한 것들은 개폐장치의 대형화, 고비용화를 초래한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 비스듬한 슬릿을 가지는 전극에 의해 소호 성능을 높여 소형화 및 저비용화를 이룰 수 있는 개폐장치를 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 개폐장치는, 제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상의 이동을 통해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 개폐를 행하는 개폐장치이다. 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 삽입될 수 있는 중공을 가진다. 상기 제1 전극의 측면으로는 슬릿 (slit) 이 1 이상 형성된다. 상기 슬릿의 일단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선 및 상기 슬릿의 타단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선이 이루는 각이 상기 제2 전극이 삽입되는 측으로부터 보았을 때 0도 초과이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 공간의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되며, 플로팅 (floating) 된 소호용 쉴드를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 소호용 쉴드는 1 이상의 관통홀을 가진다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 소호용 쉴드는, 강자성체인 중심부와, 상기 중심부의 일부 또는 전부를 둘러싸며 상기 중심부보다 도전율이 높은 도체인 외측부를 포함하여 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 중심부는 1 이상의 관통홀을 가진다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 관통홀은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중심을 잇는 가상선과 0도 초과의 각을 이루도록 길게 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 어느 하나는 가동 아크 전극이며, 다른 하나는 고정 아크 전극이며, 상기 제1 전극의 외측에 위치하는 제1 메인 접촉자 및 상기 제2 전극의 외측에 위치하는 제2 메인 접촉자를 더 포함하며, 상기 소호용 쉴드는 상기 제1 메인 접촉자과 상기 제2 메인 접촉자의 내측에 배치되도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 모두 가동 아크 전극이며, 상기 제1 전극의 외측에 위치하는 제1 메인 접촉자 및 상기 제2 전극의 외측에 위치하는 제2 메인 접촉자를 더 포함하며, 상기 소호용 쉴드는 상기 제1 메인 접촉자의 내측 및 상기 제2 메인 접촉자의 내측에 배치되도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 메인 접촉자와 상기 제2 메인 접촉자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 비해 늦게 투입되고 먼저 차단된다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 개폐장치는, 제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상의 이동을 통해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 개폐를 행하는 개폐장치이다. 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 삽입될 수 있는 중공을 가진다. 상기 제1 전극의 측면으로는 슬릿 (slit) 이 1 이상 형성된다. 상기 슬릿은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중심을 잇는 가상선과 0도 초과의 각을 이루도록 형성된다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 개폐장치는 가스절연 개폐장치 (gas insullated switch-gear) 이다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 개폐장치는 열 팽창식 가스절연 개폐장치, 파퍼형 (puffer type) 가스절연 개폐장치 및 복합형 가스절연 개폐장치 중 어느 하나이다.

본 발명의 개폐장치에 따르면, 아크 교란에 의한 소호 효과를 증대하여 소호 시간을 줄일 수 있으며, 전극 간 이격 거리를 최소화할 수 있어, 장비의 크기를 더욱 소형화할 수 있고 저비용화를 도모할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 일반적인 가스절연 개폐장치의 개략적인 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 제1 전극의 사시도이다.
도 4는 도 2의 슬릿의 형상을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 소호용 쉴드에 발생하는 와전류에 의해 아크가 소호되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6a는 도 2의 개폐장치에서 소호용 쉴드의 중심부를 구체화하여 도시한 개략적인 부분단면도이다.
도 6b는 도 6a의 중심부의 개략적인 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 개폐장치의 실시예들에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐장치의 개략적인 단면도이며, 도 3은 도 2의 제1 전극의 사시도이고, 도 4는 도 2의 슬릿의 형상을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 개폐장치 (100) 는 제1 메인 접촉자 (110) 와, 제2 메인 접촉자 (120) 와, 제1 전극 (130) 과, 제2 전극 (140) 과, 메인 노즐 (150) 과, 소호용 쉴드 (160) 와, 보조 노즐 (170) 을 포함하여 구성된다.

참고로, 본 실시예의 개폐장치는 열팽창 소호 방식 (Thermal Expansion type) 에 따른 개폐장치에 적용된 예로 설명되나, 이는 설명의 편의를 위한 것이지, 본 발명의 계폐장치를 열팽창 소호 방식에 따른 개폐장치로 한정짓는 것은 아닌 점에 유의해야 한다. 본 실시예의 개폐장치는 이외에도 파퍼형 (puffer type) 소호 방식, 복합형 (hybrid type) 소호 방식 등에도 적용될 수 있다.

제1 메인 접촉자 (110) 와 제2 메인 접촉자 (120) 는 후술할 제1 전극 (130), 제2 전극 (140) 및 메인 노즐 (150) 의 외측에 위치하고, 본 실시예의 개폐장치 (100) 에서 주회로를 통전시키는 주접촉 부분이다.

제1 전극 (130) 은 가동 아크 접촉자 (moving arc contactor) 로서 기능하고, 또한 제2 전극 (140) 은 고정 아크 접촉자 (fixed stationally arc contactor) 로서 기능한다. 또한, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 모두 가동 아크 접촉자로서 기능할 수도 있다. 제1 전극 (130) 및 제2 전극 (140) 은 개폐 동작시에 회로에서 발생하는 아크를 담당하여 메인 접촉자들 (110, 120) 의 손상을 예방한다.

제1 메인 접촉자 (110) 와 제2 메인 접촉자 (120) 는 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 에 비해 늦게 투입되고 먼저 차단되어, 아크에 의한 손상을 예방하게 되고, 아크는 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이에서만 발생하게 된다.

제1 전극 (130) 은 그 내부에 중공 (131) 을 가지며, 이러한 중공 (131) 에 봉 형상의 제2 전극 (140) 이 삽입되어 접촉함으로써 통전될 수 있다. 이러한 제1 전극 (130) 및 제2 전극 (140) 의 형상은 예시적인 것이며, 다양한 형태로 변형이 가능함에 유의해야 한다.

여기서, 도 3을 참조하면, 제1 전극 (130) 의 측면에는 제1 전극 (130) 의 중심과 제2 전극 (140) 의 중심을 잇는 가상선과 0도 초과의 각을 이루도록 1 이상의 슬릿 (132) 이 형성된다. 즉, 슬릿 (132) 은 제1 전극 (130) 의 중심과 제2 전극 (140) 의 중심을 잇는 가상선에 비스듬하게 형성된다.

도 4를 참조하여, 슬릿 (132) 의 형상을 다른 방식으로 설명한다. 도 4는 제2 전극 (140) 이 삽입되는 측에서 제1 전극 (130) 을 본 것이다. 슬릿 (132) 은 제2 전극 (140) 측의 일단부 (132a) 와 그 반대측의 타단부 (132b) 를 가진다. 이 일단부 (132a) 와 중공 (131) 의 중심 C 를 잇는 선 및 타단부 (132b) 와 중공 (131) 의 중심 C 를 잇는 선이 이루는 각 a가 0도 초과이도록 슬릿 (132) 이 형성되는 것이 바람직하다.

슬릿 (132) 은 제1 전극 (130) 을 전개 (展開) 하여 보았을 때, 직선 또는 곡선일 수도 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.

이러한 슬릿 (132) 으로 인하여 제1 전극 (130) 내부의 중공 (131) 의 크기를 변화시킬 수 있어, 강고하게 제2 전극 (140) 을 중공 (131) 내부에서 고정시킬 수 있다. 또한, 이와 더불어, 제1 전극 (130) 의 길이 방향을 따라 흐르는 전류를 비스듬하게 흐르게 함으로써, 이 전류에 의한 자기장이 제2 전극 (140) 측으로 돌출되어 영향을 미치게 한다. 대조적으로, 슬릿 (132) 이 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 의 중심을 잇는 가상선을 따르도록 형성될 경우, 제1 전극 (130) 의 길이 방향을 따라 흐르는 전류에 의한 자기장은 제1 전극 (130) 의 측면에만 영향을 미칠 뿐, 제2 전극 (140) 측으로는 영향을 미치지 않는다.

제2 전극 (140) 측으로 돌출된 자기장을 효과적으로 형성하기 위해서는 슬릿 (132) 이 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 의 중심을 잇는 가상선에 대해 많이 기울어질수록 좋다. 다르게 말하면, 도 4를 참조할 때, a 값이 큰 것이 바람직하다. 이러한 슬릿 (132) 의 기울기는 다양하게 설정가능하며, 예를 들어 a는 45도, 90도, 135도, 180도, 360도, 540도, 720도 또는 그 이상일 수 있다.

슬릿 (132) 의 개수는 1 이상이고, 다양하게 설정 가능하나, 많이 형성할수록 전류를 비스듬하게 흐르게 하는 효과가 크게 되므로, 바람직하다.

슬릿 (132) 에 의해, 제1 전극 (130) 에서 제2 전극 (140) 측으로 자기장이 발생하고, 이에 따라 이 공간을 점유하게 되는 아크의 음전하는 로렌츠의 힘을 받게 되어, 아크가 제2 전극 (140) 을 직접 향하지 않고, 교란되게 된다.

메인 노즐 (150) 은 제1 전극 (130) 의 단부 (端部) 와 제2 전극 (140) 의 단부를 둘러싸도록 배치되어, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이에 발생하는 아크의 소호를 위한 소호 가스의 흐름을 안내한다. 메인 노즐 (150) 은 도 2의 실시예에서는 제1 전극 (110) 측에 고정된다. 이러한 메인 노즐 (150) 은 절연 재질로 이루어지며, 예를 들어 테프론 재질로 이루어질 수 있다.

메인 노즐 (150) 의 내면 (151) 은 아크의 발생 부분에서는 폭이 좁고, 제1 전극 (130) 측 및 제2 전극 (140) 측으로 갈수록 폭이 넓도록 형성된다. 이는 소호를 위한 가스의 흐름 속도가 아크 발생 부분에서 가장 크게 하기 위함이다.

여기서, 소호를 위한 가스는 팽창실 (152) 에서 공급되는데, 이는 열 팽창식을 채택한 경우의 예시에 불과하다. 예를 들어, 파퍼형을 채택한 경우에는 파퍼 실린더와 파퍼 피스톤을 구비하여 가스를 공급할 수 있다. 이러한 가스 공급 방식은 기존의 개폐장치의 공지의 구성을 따른다.

소호를 위한 가스는 팽창실 (152) 로부터, 즉 제1 전극 (130) 측으로부터 메인 노즐 (150) 의 내부로 공급되고, 아크를 소호한 후 제1 전극 (130) 및/또는 제2 전극 (140) 측으로 배출된다.

한편, 본 실시예의 개폐장치가 가스절연 개폐장치인 경우, 사용될 수 있는 소호 가스는 소호 성능 및 절연 성능이 우수한 가스이고, 예를 들어 SF₆ 가스일 수 있으나, SF₆ 가스는 이산화탄소 가스의 23900배의 지구 온난화 효과를 가진다고 알려져 있다. 환경보전의 관점에서, SF₆ 가스보다 지구 온난화 계수가 작은 가스를 이용해도 무방하며, 이러한 가스로는 공기, 이산화탄소, 산소, 질소 또는 이러한 가스들의 혼합 가스를 들 수 있다.

도 2와 같이, 사고의 발생 시에 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 간의 단전을 위해, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 이 서로 이격되기 시작하면, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이에는 고열의 아크가 발생한다. 또한, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 이 완전히 이격된 개방 상태에서도 뇌충격 등이 발생하면 아크가 발생될 수 있다. 이러한 아크로 인하여, 아크 주변의 가스가 급격히 팽창되고, 메인 노즐 (150) 의 내면 (151) 또는 전극들 (130, 140) 이 일부 용삭될 수도 있다.

이에 따라, 아크의 신속한 소호는 장치의 유지보수 측면에서 중요한 문제이다. 이러한 신속한 소호를 이루기 위해, 기존의 가스절연 개폐장치에서는, 소호 가스의 유속을 증가시키는 방식을 채택해왔다

이에 대해 본 실시예에서는, 비스듬히 형성된 슬릿 (132) 이 형성된 제1 전극 (130) 을 채용함으로써, 아크 발생 공간에 자기장을 형성하여 아크를 교란함에 의해, 신속한 소호를 달성할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예의 개폐장치 (100) 는, 도 2에서와 같이, 소호용 쉴드 (160) 를 구비함으로써, 아크의 소호를 더욱 신속하게 행할 수 있다.

도 2와 같이 소호용 쉴드 (160) 는 메인 노즐 (150) 에 매립되며, 상기 제1 전극 (130) 과 상기 제2 전극 (140) 간의 단락 시에 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이의 공간의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치된다. 즉, 소호용 쉴드 (160) 는 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 간의 아크 점유 공간 외측에 위치한다. 이러한 위치로부터 소호용 쉴드 (160) 는 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 간의 공간의 전계를 완화함과 함께, 후술할 와전류에 의한 소호 효과를 얻게 된다.

이러한 소호용 쉴드 (160) 는 어디와도 전기적으로 연결되지 않고, 플로팅되어 있는 것을 특징으로 하며, 메인 노즐 (150) 내에 매립되지 않아도 무방하다. 예를 들어, 소호용 쉴드 (160) 는 메인 노즐 (150) 외측에 위치하여도 무방하다. 또한, 소호용 쉴드 (160) 자체가 메인 노즐 (150) 로 형성되어도 무방하다. 즉, 소호용 쉴드 (160) 의 내측에는, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이에 발생하는 아크의 소호를 위한 소호 가스의 흐름을 안내하는 내측면이 형성될 수 있다.

또한, 메인 노즐 (150) 이 적용되지 않는 개폐장치에 적용될 경우라 하더라도, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이의 공간의 적어도 일부를 둘러싸되, 플로팅만 되어 있어도 된다.

중심부 (161) 는 소호용 쉴드 (160) 의 중앙 부분을 이루고 있으며, 전계에 영향을 미칠 수 있도록 강자성체로 이루어진다. 예를 들어, 중심부 (161) 는 니켈, 코발트, 기계강 (machine steel), 페라이트 (ferrite), 퍼멀로이 (permalloy), 뮤메탈 (mumetal), 센더스트 (sendust), 슈퍼멀로이 (supermalloy), 철, 주철, 파우더 철 (powedered iron), 변압기 철 (transformer iron) 및 이들의 합금 중 1 이상을 함유할 수 있다.

외측부 (165) 는 소호용 쉴드 (160) 의 외측을 이루도록 중심부 (161) 를 둘러싸도록 배치된다. 외측부 (165) 는 도 2에서는 중심부 (161) 의 전부를 감싸도록 배치되나, 일부만을 둘러싸도록 배치될 수도 있다.

또한, 외측부 (165) 는 중심부 (161) 보다 도전율이 높은 도체로 이루어지며, 도전율이 높으면 높을수록 와전류에 의한 자기장을 크게 발생시킬 수 있어, 바람직하다. 외측부 (165) 로는 중심부 (161) 보다 도전율이 높은 도체라면 강자성체, 반자성체 및 상자성체가 모두 사용될 수 있다.

외측부 (165) 로는 예를 들어, 도전율이 높은 비철 금속이 사용될 수 있으며, 반자성체 및 상자성체도 사용될 수 있다. 예를 들어, 구리, 마그네슘, 텅스텐, 백금, 금, 주석, 망간 및 이들의 합금 중 1 이상을 함유하도록 외측부 (165) 를 구성할 수도 있다.

외측부 (165) 를 중심부 (161) 보다 도전율이 큰 재질로 구성함으로써, 와전류를 더욱 크게 발생시킬 수 있어, 이에 따른 자기장에 의한 아크 교란 효과가 증대된다. 따라서, 신속한 아크 소호가 가능하다. 이에 대한 자세한 것은 도 3을 참조로 하여 후술된다.

또한, 외측부 (165) 는 중심부 (161) 에 비해 투자율이 작도록 설정되는 것이 바람직하다. 중심부 (161) 는 강자성체로서, 아크 발생 공간 내의 전계를 완화시키는 역할을 하는데, 외측부 (165) 를 중심부 (161) 보다 낮은 투자율로 구성함으로써, 이러한 전계 완화 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

보조 노즐 (170) 은 제1 전극 (130) 의 단부를 둘러싸면서 배치된다. 보조 노즐 (170) 은 제1 전극 (130) 의 중공 (131) 을 통해 가스를 아크 발생 부분으로 전달하는 역할을 하며, 메인 노즐 (150) 과 동일한 절연 재질로 제작될 수 있다.

도 5는 소호용 쉴드에 발생하는 와전류에 의해 아크가 소호되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 제1 전극 (130) 측으로부터 제2 전극 (140) 측으로 사고 전류가 메인 노즐 (150) 내의 공간으로 흐르면, 이러한 사고 전류에 의해 사고 전류가 흐르는 주변에 일점쇄선과 같은 자기장이 형성된다. 이러한 자기장은 소호용 쉴드 (160) 가 점유하는 공간에도 영향을 미치게 되며, 자기장의 변화는 소호용 쉴드 (160) 내부에 와전류 (eddy current) 를 흐르게 한다. 이는 전자기 유도에 의해 발생되는 것이다.

이러한 와전류는 자기장의 변화에 저항한다는 패러데이의 전자기 유도법칙에 의해, 자기장의 변화에 반대되는 자기장을 생성하는 방향으로 흐른다. 이에 따르면, 사고전류에 의해 형성되는 자기장의 방향 (도 5에서 왼쪽 방향) 에 반대 방향인 오른쪽 방향으로 자기장이 형성되도록 와전류가 발생한다. 따라서, 소호용 쉴드 (160) 의 상측은 외측으로 나오는 방향, 하측은 내측으로 들어가는 방향으로 와전류가 형성된다 (도 5에서는

,

로 도시됨).

한편, 이러한 와전류는 그 자체의 자기장을 주변에 형성하는데, 소호용 쉴드 (160) 의 하측의 와전류 (도 5에서

로 도시된 부분) 에 의해 아크를 형성하는 임의의 음전하에 영향을 미치며 반경 R를 가지는 자기장 (도 5에서 점선으로 도시됨) 이 형성된다. 자기장 내에서 전자가 이동을 할 경우 F=qν×B 의 로렌츠의 법칙에 의해 아크 내에서 이동하는 전자가 힘을 받아 방향이 변화된다. 다시 말해서, 아크 내의 전자는 도 5에서와 같이 왼쪽 방향을 가지는 와전류에 의한 자기장의 영향 하에 놓이게 되고, 이로 인하여 로렌츠의 힘을 받게 된다. 구체적으로는 전자는 전류의 방향과 반대 방향으로 이동되므로, 왼쪽으로의 자기장 하에서는 아래 방향으로 힘이 작용되게 된다.

아크를 형성하는 전자에 작용하는 힘 (즉, 다시 말하면 로렌츠의 힘) 에 의해, 아크는 직선 방향으로 형성되지 않고 소용돌이치게 되는 방식으로 교란되며, 이에 따라 소호 효과를 얻을 수 있게 된다.

이러한 와전류에 의한 소호 효과를, 외측부 (165) 를 도전율이 높은 도체로 형성함으로써 증대시키는 것이 가능하며, 도전율이 높을수록 더 큰 와전류를 얻을 수 있어서 바람직하다.

또한, 와전류에 의한 소호 효과 이외에도 소호용 쉴드 (160) 는 아크가 발생하는 공간 주변의 전계를 완화시킴으로써, 아크 발생을 완화시킬 수 있다. 소호용 쉴드 (160) 의 중심부 (161) 가 강자성체로 이루어짐으로써, 전계의 완화 효과를 얻을 수 있으며, 외측부 (165) 를 중심부 (161) 보다 낮은 투자율로 구성한다면 더 향상된 전계 완화 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 소호용 쉴드 (160) 를 중심부 (161) 와 외측부 (165) 로 구성함으로써, 와전류에 의한 소호 효과 및 전계 완화 효과를 증대하여 소호 시간을 줄일 수 있고, 전극 간 이격 거리를 최소화할 수 있어, 장비의 크기를 더욱 소형화할 수 있고 저비용화를 도모할 수 있다.

한편, 중심부 (161) 의 형상을 다양하게 구성함으로써, 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 사이의 전계를 더욱 완화시키고, 또한 아크의 교란을 증대시킬 수 있다.

도 6a는 도 2의 개폐장치에서 소호용 쉴드의 중심부를 구체화하여 도시한 개략적인 부분단면도이며, 도 6b는 도 6a의 중심부의 개략적인 사시도이다.

소호용 쉴드 (160) 의 중심부 (161) 는 그 내부가 꽉차도록 형성되어도 무방하나, 제1 전극 (130) 의 중심과 제2 전극 (140) 의 중심을 잇는 가상선에 대해 비스듬한 각을 형성하는 1 이상의 관통홀 (162) 을 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 관통홀 (162) 이란 중심부 (161) 의 표면을 관통하도록 형성된 구멍을 의미한다.

이러한 관통홀 (162) 에 의해 소호용 쉴드 (160) 의 전계 완화 효과를 증대할 수도 있고, 또한 아크가 발생하는 공간 내의 전자의 이동을 나선형으로 유도되도록 만들 수 있다. 이에 따라, 전계를 더욱 효과적으로 완화하고, 아크가 교란되어, 아크를 더욱 쉽게 소호할 수 있다.

도 6a 및 도 6b와 같이 비스듬하게 형성된 관통홀 (162) 을 가진 소호용 쉴드 (160) 와 비스듬한 슬릿 (132) 을 가진 제1 전극 (130) 을 동시에 사용할 경우, 아크의 교란이 더욱 커짐으로써, 아크의 더욱 신속한 소호를 기대할 수 있다.

상술한 소호용 쉴드 (160) 는 상술한 개폐장치 (100) 에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 여타의 형태의 가스절연 개폐장치에도 적용 가능하다. 또한, 가스절연 개폐장치 이외에도, 기중 차단기 (ACB) 에 따른 개폐장치, 유입 차단기 (OCB) 에 따른 개폐장치, 자기 차단기 (MBB) 에 따른 개폐장치, 공기 차단기 (ABB) 에 따른 개폐장치, 진공 차단기 (VCB) 에 따른 개폐장치 등에도 적용될 수 있다.

구체적으로, 상술한 개폐장치 (100) 는, 제1 전극 (130) 및 제2 전극 (140) 중 하나 이상을 이동시키는 이동장치 및 제1 전극 (130) 과 제2 전극 (140) 이 이격되면서 발생하는 아크에 의해 팽창하는 내부 가스를 수용하였다가 팽창된 내부 가스를 아크가 발생하는 공간에 분사하는 팽창실 (152) 을 더 구비함으로써, 열 팽창식 가스절연 개폐장치를 구성할 수 있다.

또한, 상술한 개폐장치 (100) 는, 팽창실 (152) 대신에 파퍼 실린더와 파퍼 피스톤을 구비함으로써, 파퍼형 (puffer type) 가스절연 개폐장치를 구성할 수도 있다.

또한, 상술한 개폐장치 (100) 는, 상술한 팽창실 (152) 과 파퍼 피스톤을 같이 구비함으로써, 복합형 가스절연 개폐장치를 구성할 수도 있다.

한편, 외측부 (165) 를 구비하지 않고, 중심부 (161) 만으로 소호용 쉴드를 구성할 수도 있다. 이 경우, 중심부 (161) 는 강자성체로 구성될 수도 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110…제1 메인 접촉자 120…제2 메인 접촉자
130…제1 전극 131…중공
132…슬릿 140…제2 전극
150…메인 노즐 152…팽창실
160…소호용 쉴드 161…중심부
165…외측부 170…보조 노즐
100…본 발명에 따른 개폐장치

Claims

제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상의 이동을 통해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 개폐를 행하는 개폐장치에 있어서,
상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 삽입될 수 있는 중공을 가지고,
상기 제1 전극은 상기 제2 전극이 삽입되는 단부로부터 측면으로 절개된 슬릿 (slit) 이 1 이상 형성되며,
상기 슬릿의 일단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선 및 상기 슬릿의 타단부와 상기 중공의 중심을 잇는 선이 이루는 각이 상기 제2 전극이 삽입되는 측으로부터 보았을 때 0도 초과이며,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 공간의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되며, 플로팅 (floating) 된 소호용 쉴드를 더 포함하고,
상기 소호용 쉴드는, 강자성체인 중심부와, 상기 중심부의 일부 또는 전부를 둘러싸며 상기 중심부보다 도전율이 높은 도체인 외측부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 소호용 쉴드는 1 이상의 관통홀을 가지는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 중심부는 1 이상의 관통홀을 가지는 것을 특징으로 하는 개폐장치.
제3 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 관통홀은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중심을 잇는 가상선과 0도 초과의 각을 이루도록 길게 형성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 어느 하나는 가동 아크 전극이며, 다른 하나는 고정 아크 전극이며,
상기 제1 전극의 외측에 위치하는 제1 메인 접촉자 및 상기 제2 전극의 외측에 위치하는 제2 메인 접촉자를 더 포함하며,
상기 소호용 쉴드는 상기 제1 메인 접촉자의 내측 및 상기 제2 메인 접촉자의 내측에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 모두 가동 아크 전극이며,
상기 제1 전극의 외측에 위치하는 제1 메인 접촉자 및 상기 제2 전극의 외측에 위치하는 제2 메인 접촉자를 더 포함하며,
상기 소호용 쉴드는 상기 제1 메인 접촉자의 내측 및 상기 제2 메인 접촉자의 내측에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 제1 메인 접촉자와 상기 제2 메인 접촉자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 비해 늦게 투입되고 먼저 차단되는 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상의 이동을 통해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 개폐를 행하는 개폐장치에 있어서,
상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 삽입될 수 있는 중공을 가지고,
상기 제1 전극은 상기 제2 전극이 삽입되는 단부로부터 측면으로 절개된 슬릿 (slit) 이 1 이상 형성되며,
상기 슬릿은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 중심을 잇는 가상선과 0도 초과의 각을 이루도록 형성되고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 공간의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되며, 플로팅 (floating) 된 소호용 쉴드를 더 포함하고,
상기 소호용 쉴드는, 강자성체인 중심부와, 상기 중심부의 일부 또는 전부를 둘러싸며 상기 중심부보다 도전율이 높은 도체인 외측부를 포함하여 구성되 는 것을 특징으로 하는 개폐장치.
제1 항에 있어서,
상기 개폐장치는 가스절연 개폐장치 (gas insullated switch-gear) 인 것을 특징으로 하는, 개폐장치.
제11 항에 있어서,
상기 개폐장치는 열 팽창식 가스절연 개폐장치, 파퍼형 (puffer type) 가스절연 개폐장치 및 복합형 가스절연 개폐장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 개폐장치.