KR101621138B1 - 차단성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기 - Google Patents

Abstract

가스절연 개폐장치의 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가스의 냉각과 배출성능을 향상시킨 푸퍼(puffer) 방식의 차단기에 관하여 개시한다.
본 발명은 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서, 상기 차단기는 가동부측 도체부 또는 고정부측 도체부는 바닥면을 가지는 원통형상의 컨덕터와, 상기 컨덕터의 내부에 연결된 내부 도체관을 포함하며, 상기 내부 도체관을 관통하는 확산홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기를 제공한다.

Description

차단성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기{CIRCUIT BREAKER OF GAS INSULATION SWITCHGEAR}

본 발명은 가스절연 개폐장치의 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가스의 냉각과 배출성능을 향상시킨 차단기에 관한 것이다.

가스절연개폐장치(GIS :Gas Insulated Switchgear)는 차단기, 단로기 등의 개폐설비와 변성기, 피뢰기, 주회로 모선 등을 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 충전부는 고체 절연물(Spacer)로 지지하고 있으며 탱크 내부에는 절연성능과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 절연매체로 하여 충진, 밀봉한 개폐설비 시스템을 말한다.

GIS의 내압 주요 기기로는 가스 차단기, 단로기, 접기 개폐기, 피뢰기(Lightning Arrestor), 계기용 변압기(Potential Transformer), 변류기(Current Transfoormer) 등이 있다.

GIS에 사용되는 차단기의 동작책무는 IEC규격에 따른다. 통상 'O-0.3s-CO-3min-CO'의 책무를 따른다.

기본적으로, 차단기는 0.3초 이내 2번의 차단성능이 요구된다. 첫 번째 차단책무는 SF6 가스가 냉가스의 상태에서 수행되므로, 차단성능이 우수하다. 차단시, 발생하는 아크에 의해 주변의 SF6는 짧은 시간에 20,000에서 30,000도씨까지 올라간다. 0.3초후의 두 번째 차단책무는 차단부 내부가 고온, 고압으로 된 상태에서 차단을 실시한다. 고온에서의 SF6 가스는 차단성능이 급격히 떨어져서, 고장전류 차단이 어렵다.

관련선행기술로는 한국공개특허 제10-2006-0116567호 (공개일자 2006년 11월 15일) '흡입소호부를 갖는 고전압 아크 소호장치'가 있다.

본 발명의 목적은 아크를 소호하며 발생하는 열가스를 정체시킴으로써 열가스의 냉각효과를 향상시킴에 있다.

본 발명의 다른 목적은 가스절연차단장치의 차단기에 있어서 금속 도체와의 접촉 길이를 증가시킴과 동시에 열가스의 신속한 배기가 가능한 구조를 제공함에 있다.

본 발명은 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서, 상기 차단기는 가동부측 도체부 또는 고정부측 도체부는 바닥면을 가지는 원통형상의 컨덕터와, 상기 컨덕터의 내부에 연결된 내부 도체관을 포함하며, 상기 내부 도체관을 관통하는 확산홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기를 제공한다.

상기 차단기는 아크에 의하여 발생한 고온, 고압의 가스가 상기 내부 도체관의 확산홀 주변에서 와류를 생성하며 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 확산홀은 상기 내부 도체관에 균일하게 배열되어 있거나, 아크와의 상대적인 거리에 따라 크기를 달리하도록 형성되거나, 아크와의 상대적인 거리에 따라 분포밀도를 달리하는 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 확산홀은 슬릿형태를 가질 수 있으며, 이 경우 상기 확산홀은 내부 도체관의 길이 방향과 나란한 방향으로 형성되거나, 상기 확산홀은 내부 도체관의 길이 방향과 경사진 방향으로 형성될 수 있다.

상기 내부도체관은 가동부측 도체부 또는 고정부측 도체부과 접촉하여 통전되는 통전부와, 상기 통전부에서 연장 형성되거나 별도로 형성되어 확산홀을 구비하는 홀형성부를 포함하며,

상기 홀형성부는 상기 가동부측 도체부 또는 상기 고정부측 도체부의 바닥면에 결합될 수 있다.

본 발명은 열가스와 금속 도체와의 접촉 길이를 증가함과 동시에 열가스의 신속한 배기를 가능하게 하는 효과를 가져온다.

따라서, 차단기의 차단 성능을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 가스절연개폐장치에 구비되는 차단기의 구조를 나타낸 분리단면도
도 2는 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 투입 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 차단 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 일반적인 고온, 고압의 SF6 가스의 배기 경로를 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 차단성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 확산홀의 다양한 형태를 예시적으로 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 확산홀을 슬릿 형태로 형성한 것을 예시적으로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내부 도체관을 나타낸 도면임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 차단성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 가스절연개폐장치에 구비되는 차단기의 구조를 나타낸 분리단면도이고, 도 2는 차단기의 투입 상태를 나타낸 단면도이고, 도 3은 차단기의 차단 상태를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 가스절연 개폐장치의 차단기는 도면의 좌측에 도시된 가동부측 도체부(10)와, 도면의 위에 도시된 고정부측 도체부(20)와, 도면의 우측에 별도로 분리하여 도시한 가동로드부(30)를 포함한다.

가동로드부(30)가 가동부측 도체부(10) 상에서 슬라이딩 이동하며 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 투입 상태와 차단 상태를 전환하게 된다.

가동로드부(30)와 가동부측 도체부(10)는 항상 통전 상태를 유지하게 되나, 가동로드부(30)와 고정부측 도체부(20)는 가동로드부(30)의 위치에 따라 통전 여부가 달라진다.

도 2를 참조하여, 투입 상태에 관해서 살펴본다.

투입 상태에서는 고정부측 도체부(20)의 핑거 접점(22)이 가동로드부(30)의 주접점(32)과 접속되어 있으며, 고정부측 도체부(20)의 고정아크접점(24)은 가동로드부(30)의 가동아크접점(34)에 접속되어 있다.

따라서 고정부측 도체부(20)와 가동부측 도체부(10)가 가동로드부(30)를 통해 연결된다.

도 2와 같은 투입 상태에서 도 3과 같은 차단 상태로 전환되는 과정을 살펴본다.

작동 샤프트(31)가 가동로드부(30)를 아래쪽으로 당기게 되면, 먼저 주접점(32)과 핑거 접점(22)이 분리되고, 다음으로 고정아크접점(24)과 가동아크점점(34)이 분리된다. 고정아크접점(24)과 가동아크접점(34)이 분리될 때 아크가 발생하게 된다.

발생한 아크를 차단하기 위해서 SF6 가스를 이용한다.

SF6는 압력챔버(42)에 저장되어 있다가, 가동로드부(30)가 가동부측 도체부(20)로 이동함에 따라, 피스톤(45)에 의하여 압축된다. 압축된 SF6 가스가 일정 압력이상이 되면 열챔버(44)로 이동하고 노즐부(50)로 분사된다.

노즐부(50)는 가동로드부(30)의 가동아크접점(34)을 감싸는 형태로 형성된다. 노즐부(50)는 주노즐(52)과 보조노즐(54)을 포함하며, 주노즐(52)과 보조노즐(54) 사이의 간격으로 SF6 가스가 분사된다.

열챔버(44)에 축적된 SF6 가스가 노즐부(50)를 통해 아크를 소호하기 위해 분사되는데, 차단시 발생하는 아크로 인해 분사된 SF6 가스는 고온, 고압이 되어 고정부측 도체부(20)와 가동부측 도체부(10)로 초음속 유동이 발생하게 된다. 이 때 고온의 SF6 가스는 절연성능이 급격히 떨어지고, 절연성능이 떨어진 가스는 대지간 및 상간의 절연파괴를 야기할 수 있다.

도 4는 일반적인 고온, 고압의 SF6 가스의 배기 경로를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 고정부측 도체부(10)와 가동부측 도체부(20)는 모두 원통 형상의 컨덕터(110,210)와, 그 내부에 연결된 내부 도체관(120,220)을 구비하고 있다.

아크로 인해 발생한 고온, 고압의 SF6 가스는 내부 도체관(120,220)의 안쪽을 따라 컨덕터(110,210) 바닥면(112,212)까지 이동한 후, 다시 내부 도체관(120,220)의 외측을 따라 이동하여 컨덕터(110,210) 외부로 배출되는 경로를 가지게 된다.

고온, 고압의 SF6 가스를 충분히 냉각시키기 위해서는 내부 도체관(120,220)의 길이를 길게 하여, 접촉 길이를 연장 시키는 방법이 있다. 그런데, 내부 도체관(120,220)을 길게 할 경우 SF6 가스 냉각 효과를 가져올 수는 있으나 배출시간이 지연되는 문제점이 발생한다. 배출시간이 지연되면 2차 차단 수행시 차단 실패가 가능성이 높아진다.

도 5는 본 발명에 따른 차단성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기를 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차단기는 내부 도체관(120,220)에 확산홀(130,230)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

아크로 인하여 고온, 고압의 SF6 가스가 발생하여 배기될 때, 확산홀(130,230)에 근접한 가스는 확산홀(130,230)을 통과하여 배기가 된다. 이 때, 확산홀(130,230)의 주변에서는 확산홀(130,230)의 작은 배출크기로 인한 가스 유동으로 인해, 확산홀(130,230) 주변에 와류가 발생하게 되고, 이로 인해 내부 도체관(120,220) 외벽 주변에 SF6 가스가 모여서 냉각되면서 배기되는 결과를 가져온다.

이는 내부 도체관(120, 220)의 길이를 길게 하여, 접촉 길이를 연장시켜서 SF6 가스 냉각 효과를 가져올 수는 있으나 배출시간이 지연되는 문제점을 가진 종래 기술에 대하여, 내부 도체관(120, 220)의 길이를 길게 하지 않고 SF6 가스를 냉각시킬 수 있다.

이 때, 확산홀(130,230)의 크기가 너무 크면 확산홀 주변에 모이는 가스의 양보다 확산홀을 통해 그대로 배출되는 가스의 양이 많아져서 오히려 냉각이 부족하게 되는 문제점이 발생한다.

본원발명은 내부 도체관(120,220)을 관통하는 확산홀(130,230)을 구비함으로써 확산홀(130,230) 주변에 와류를 발생시키고, 와류에 의하여 가스를 정체시킴으로써 냉각 효과를 증가시키게 된다. 또한, 확산홀(130,230)을 통과하지 않는 가스들은 내부 도체관(120,220)의 내면을 따라 컨덕터(110,210)의 바닥면(112,212)에 도달하고, 바닥면(112,212)에 도달후 내부 도체관(120,220)의 외부와 컨덕터(110,210)의 사이를 따라 배출된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 확산홀의 다양한 형태를 예시적으로 나타낸 것이다.

(a)는 균일한 크기의 확산홀을 전체적으로 균일하게 배치한 형태를 나타낸 것이고, (b)는 아크와의 거리에 따라 확산홀의 크기를 가변적으로 형성한 형태를 나타낸 것이고, (c)는 아크와의 거리에 따라 확산홀의 분포밀도를 가변적으로 형성한 형태를 나타낸 것이다.

(a)와 같은 확산홀의 형태는 제조가 용이한 장점을 가지나, 각 구간에서 확산홀을 통과하는 가스의 유량을 조절할 수는 없는 단점을 가진다.

(b)와 (c)와 같은 형태는 아크에서 거리에 따라 확산홀을 통과하는 가스의 유량을 조절할 수 있는 효과를 가져온다.

(b)와 같은 형태는 아크에서 멀어질수록 확산홀을 직접 통과하여 배출되는 가스의 양을 증가시킴으로써 냉각 효과를 더욱 향상시킬 수 있으며,

(c)와 같은 형태는 아크에서 멀어질수록 확산홀을 직접 통과하여 배출되는 가스의 양이 감소되도록 함으로써 배기 속도를 향상시킬 수 있는 효과를 가져온다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 확산홀을 슬릿 형태로 형성한 것을 예시적으로 나타낸 것이다.

(d) 도시된 바와 같이, 확산홀은 내부 도체관의 길이방향과 나란한 방향으로 형성된 슬릿홀 형태를 가지거나, (e)에 도시된 바와 같이 내부 도체관의 길이 방향과 경사진 방향으로 형성된 슬릿홀 형태를 가질 수 있다.

확산홀을 슬릿 형태로 형성하면 확산홀을 통과하는 가스의 관성을 유지할 수 있어서 배기 시간 단축의 측면에서 유리한 효과를 가져온다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내부 도체관을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 내부 도체관(120)은 2개 이상의 부품이 조립된 형태로 구성될 수 있으며, 열전도도가 높은 재질을 사용하고 부착 위치를 달리 할 수 있다.

내부 도체관(120)에서 통전이 필요한 통전부(120a)는 알루미늄 또는 동 재질 등 전기전도도가 우수한 재질을 적용해하며, 통전부(120a)가 가동부측 도체부(또는 고정부측 도체부)와 연결되어 있어야 한다.

확산홀(130)이 형성되는 홀형성부(120b)는 통전이 목적이 아니므로, 통전부(120a)와 동일한 재질로 형성할 수도 있으나, 더 효과적인 가스 냉각을 위해 열전도도가 높은 구리(Cu) 또는 스테인레스 스틸 재질을 사용할 수 있다.

홀형성부(120b)는 도시한 바와 같이 바닥면(112)에 연결되어 형성될 수 있으며, 통전부에서 연장형성될 수도 있다.

도 8은 가동부측 도체부(10)의 내부 도체관(120)을 나타낸 것이나, 고정부측 도체부(20)의 내부 도체관(220)에도 동일한 구조가 적용될 수 있다.

10 : 가동부측 도체부
20 : 고정부측 도체부
22 : 핑거 접점
24 : 고정아크접점
30 : 가동로드부
32 : 주접점
34 : 가동아크접점
42 : 압력챔버
44 : 열챔버
110, 210 : 컨덕터
120, 220 : 내부 도체관

Claims (10)

1. 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서,
   상기 차단기는 가동부측 도체부 또는 고정부측 도체부는 바닥면을 가지는 원통형상의 컨덕터와, 상기 컨덕터의 내부에 연결된 내부 도체관을 포함하며,
   상기 내부도체관은
   가동부측 도체부 또는 고정부측 도체부과 접촉하여 통전되는 통전부와
   상기 통전부와 별도로 형성되어 확산홀을 구비하는 홀형성부를 포함하되, 상기 홀형성부는 구리(Cu) 또는 스테인레스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 차단기는 아크에 의하여 발생한 고온, 고압의 가스가 상기 내부 도체관의 확산홀 주변에서 와류를 생성하며 배출되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 확산홀은 상기 내부 도체관에 균일하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 확산홀은 아크와의 상대적인 거리에 따라 크기를 달리하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 확산홀은 아크와의 상대적인 거리에 따라 분포밀도를 달리하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 확산홀은 슬릿형태를 가지는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 확산홀은 내부 도체관의 길이 방향과 나란한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 확산홀은 내부 도체관의 길이 방향과 경사진 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀형성부는
    상기 가동부측 도체부 또는 상기 고정부측 도체부의 바닥면에 결합되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.

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