KR101623404B1 - 진공인터럽터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터는 고정전극; 구동부에 의해 가동되어 상기 고정전극에 접촉 또는 분리될 수 있는 가동전극; 상기 고정전극과 가동전극을 수용하며, 측면부를 형성하는 세라믹 용기; 상기 고정전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 고정전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 고정측 실컵; 및 상기 가동전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 가동전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 가동측 실컵;을 포함하되, 상기 고정측 실컵은, 상기 고정전극의 일단에서 연장되는 평면부, 상기 평면부로부터 하방으로 일차로 절곡되고 다시 상방으로 절곡되는 내측주름부, 상기 내측주름부로부터 상방으로 연장되어 외측으로 절곡되고 다시 하방으로 절곡되는 외측주름부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

진공인터럽터{Vacuum Interrupter}

본 발명은 진공인터럽터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공인터럽터 내부의 진공을 유지하고 고정(가동)전극을 지지하는 역할을 하는 실컵과 상기 실컵에 조립되어 세라믹 종단부의 첨예부를 차폐하여 절연성능을 향상시키는 엔드실드의 구조를 개선한 진공인터럽터에 관한 것이다.

일반적으로 진공차단기는 고압 전력계통에 설치되어 단락이나 과전류 등의 위험상황이 발생할 경우 회로를 차단하여 전력계통을 보호하도록 구성된 회로차단기의 일종으로서 진공 상태에서의 절연성능과 아크 소호력이 우수한 점을 활용하여 설계된 것이다. 진공차단기는 이상전류 발생시 차단기 내부의 진공 인터럽터(Vacuum Interrupter : VI)에서 진공 소호방식으로 회로를 차단하여 인명 및 부하기기를 보호하게 된다.

여기서, 진공인터럽터는 진공상태인 용기 내에 고정접점과 가동접점이 배치되도록 하여 고전압 또는 초고전압의 전력회로를 개폐할 때 발생하는 아크를 신속히 소호하도록 하는 기구로서, 가동접점을 구동하는 개폐기구와 액추에이터(actuator) 및 트립 제어부 등과 함께 진공차단기의 핵심적인 부품이다.

도 1에 종래기술에 따른 진공인터럽터의 종단면도가 도시되어 있다. 진공인터럽터의 고정전극(1)의 단부에 고정접점(2)이 결합되어 있고, 가동전극(3)의 단부에는 가동접점(4)이 결합되어 있다. 세라믹 용기(5)는 진공인터럽터의 측면부를 이룬다. 고정측 실컵(Seal-cup, 6)이 고전전극(1)과 세라믹 용기(5)의 상단부에 연결되고, 가동측 실컵(7)이 세라믹 용기(5)의 하단부에 연결되어 세라믹 용기(5)와 함께 진공상태를 만들어주고 절연성을 확보하게 된다. 세라믹 용기(5) 내부의 연면방전을 방지하여 절연성능을 향상시키는 엔드실드(End Shield, 7)가 각각 고정측 실컵(6)과 가동측 실컵(7)에 설치되어 있다. 또한, 차단 시 발생하는 금속증기로부터 세라믹 용기(5)를 보호하는 센터실드(5a)가 세라믹 용기(5)의 내측면에 설치되어 있다. 한편, 가동전극(3)에는 진공상태로 밀폐된 채 개폐동작이 가능하도록 벨로우즈(Bellows, 9)가 연결되어 있다. 벨로우즈(9)의 상단에는 쉴드(9a)가 설치되어 차단시 발생하는 금속증기로부터 벨로우즈를(9)을 보호하여 준다.

도 2에는 고정측 실컵(6)과 엔드실드(8)의 분해 단면도가 도시되어 있다. 고정측 실컵(6)은 고정전극(1)과 세라믹 용기(5) 사이에 설치되어 진공인터럽터의 내부를 진공으로 유지하도록 한다. 엔드실드(8)는 고정측 실컵(6)에 설치되어 세라믹 용기(5)의 내부 표면에 발생할 수 있는 연면방전에 의한 절연성능 저하를 방지하는 역할을 한다. 가동전극(3)에 있어서도 마찬가지로 가동측 실컵(7)에 엔드실드(8)가 마련된다. 그런데, 엔드실드(8)를 별도로 고정측 실컵(6) 또는 가동측 실컵(7)에 조립하게 됨으로 인하여 부품의 수가 증대하고, 엔드실드(8)를 고정측,가동측 실컵(6,7)에 고정하기 위하여 용접공정이 필요하게 된다. 이에 따라 비용 및 시간이 소요되며, 엔드실드(8)가 고정측,가동측 실컵(6,7)에 설치되는 부분의 형상과 조립위치가 적절치 않아, 진공인터럽터 내부 절연성능 개선의 효과가 별로 없는 경우가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 진공 기밀을 유지하기 위해 사용하는 실컵과 절연성능 향상을 위하여 실컵에 설치되는 엔드실드를 일체화하고 연면거리를 증대시켜 절연성을 향상시키고, 생산공정이 단순화되어 생산성을 향상시킨 진공인터럽터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터는 고정전극; 구동부에 의해 가동되어 상기 고정전극에 접촉 또는 분리될 수 있는 가동전극; 상기 고정전극과 가동전극을 수용하며, 측면부를 형성하는 세라믹 용기; 상기 고정전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 고정전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 고정측 실컵; 및 상기 가동전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 가동전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 가동측 실컵;을 포함하되, 상기 고정측 실컵은, 상기 고정전극의 일단에서 연장되는 평면부, 상기 평면부로부터 하방으로 일차로 절곡되고 다시 상방으로 절곡되는 내측주름부, 상기 내측주름부로부터 상방으로 연장되어 외측으로 절곡되고 다시 하방으로 절곡되는 외측주름부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가동측 실컵은 상기 고정측 실컵과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내측주름부는 상기 세라믹 용기의 내측에 형성되어 상기 세라믹 용기의 상단부가 차폐될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내측주름부의 일부는 상기 세라믹 용기의 상단부를 꼭짓점으로 하여 상기 세라믹 용기의 내측면으로부터 30도의 범위 내에 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 내측주름부는 절곡부가 반원을 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터에 의하면 실컵과 엔드실드가 일체화되어 부품수가 감소하는 효과가 있다. 이에 따라 생산공정이 단축되고 생산성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 내측주름부가 형성되어 연면거리가 증대하여 절연성능이 향상되는 효과가 있다. 더불어, 전계집중 현상으로 인해 세라믹 용기 표면에 발생하는 인한 절연파괴 가능성이 감소하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 진공인터럽터의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서 고정측 실컵과 엔드실드의 분해 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터의 종단면도이다.
도 4는 도 4에 있어서 고정측 실컵의 단면도이다.
도 5는 도 3의 상부 부분도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터 및 비교 실시예의 등전위분포를 나타낸 것이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터 및 비교 실시예의 전계강도 그래프를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터의 종단면도이다. 도 4는 도 4에 있어서 고정측 실컵의 단면도이고, 도 5는 도 3의 상부 부분도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 진공인터럽터에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터는 고정전극(10); 구동부에 의해 가동되어 상기 고정전극(10)에 접촉 또는 분리될 수 있는 가동전극(20); 상기 고정전극(10)과 가동전극(20)을 수용하며, 측면부를 형성하는 세라믹 용기(50); 상기 고정전극(10)을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 고정전극(10)과 세라믹 용기(50) 사이에 설치되는 고정측 실컵(30); 및 상기 가동전극(20)을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 가동전극(20)과 세라믹 용기(50) 사이에 설치되는 가동측 실컵(40);을 포함하되, 상기 고정측 실컵(30)은, 상기 고정전극(10)의 일단에 결합되는 평면부(31), 상기 평면부(31)로부터 하방으로 일차로 절곡되고 다시 상방으로 절곡되는 내측주름부(32), 내측주름부(32)로부터 상방으로 연장되어 외측으로 절곡되고 다시 하방으로 절곡되는 외측주름부(33)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

고정전극(10)은 봉 형상으로 형성되어 전원측 또는 부하측에 연결된다. 고정전극(10)은 도전성 재료로 형성되며, 바람직하게는 무산소동(Oxygen-free Copper)으로 형성될 수 있다.

고정접점(15)은 디스크 형상으로 형성되어 고정전극(10)의 단부에 결합된다. 고정접점(15)은 크롬동(Cu-Cr)으로 형성될 수 있다.

가동전극(20)은 고정전극(10)과 마찬가지로 봉 형상으로 형성되어 부하측 또는 전원측에 연결된다. 가동전극(20)은 도전성 재료로 형성되며, 바람직하게는 무산소동(Oxygen-free Copper)으로 형성될 수 있다. 가동전극(20)은 구동부(미도시)에 의하여 상하운동이 가능하도록 설치된다.

가동접점(25)은 디스크 형상으로 형성되어 가동전극(20)의 단부에 결합된다. 가동접점(25)은 크롬동(Cu-Cr)으로 형성될 수 있다. 가동접점(25)은 가동전극(20)에 결합되어 있으므로 가동전극(20)과 함께 움직이게 된다. 가동접점(25)은 구동부에 의해 가동전극(20)과 함께 움직이면서 상기 고정접점(15)에 접촉되거나 분리될 수 있다. 가동접점(25)이 고정접점(15)에 접촉되면 전원측으로부터 전류가 흘러 부하측으로 전달될 수 있으며, 진공차단기의 차단동작이 일어나 가동접점(25)이 고정접점(15)으로부터 분리되면 전원측으로부터 부하측으로 전달되는 전류가 끊어진다.

세라믹 용기(50)는 진공인터럽터의 측면부 외형을 이룬다. 세라믹 용기(50)는 원관 형태로 형성될 수 있으며 내부에 고정전극(10)과 가동전극(20)을 수용하게 된다. 실시예에 따라서는 세라믹 용기(50)는 상부 세라믹 용기와 하부 세라믹 용기로 나누어질 수 있다.

세라믹 용기(50)의 상단부에 고정측 실컵(Seal Cup, 30)이 결합되고, 세라믹 용기(50)의 하단부에 가동측 실컵(40)이 결합된다. 진공인터럽터는 세라믹 용기(50), 고정측 실컵(30), 가동측 실컵(40)에 의해 밀폐공간을 이루게 된다. 이 밀폐공간의 내부는 진공을 유지하게 된다.

고정측 실컵(30)과 가동측 실컵(40)은 SUS303과 같은 스테인리스 스틸이나 합금 등으로 형성될 수 있다.

고정측 실컵(30)의 내측에는 고정전극(10)에 접하는 평면부(31)가 형성된다. 평면부(31)에는 중앙에 홀(31a)이 형성되어 이 홀(31a)을 통해 고정전극(10)이 삽입되고 지지된다.

내측주름부(32)는 상기 평면부(31)의 외측으로부터 하방으로 일차로 절곡되고 다시 상방으로 절곡되어 형성된다. 즉, 내측주름부(32)는 'U'자형 곡면을 이룬다. 이에 따라, 곡률반경이 크게 형성된다. 내측주름부(32)는 절곡부(32a)가 반원을 형성할 수 있다.

내측주름부(32)는 세라믹 용기(50)의 내측에 형성된다. 즉, 도 5에 있어서 내측주름부(32)의 하단면의 높이는 세라믹 용기(50)의 상단부(51)의 높이보다 낮게 형성된다. 이에 따라, 금속 첨예부가 되는 세라믹 용기(50)의 상단부(51)가 차폐됨으로써 절연성능이 향상된다. 바람직하게는, 내측주름부(32)의 일부는 상기 세라믹 용기(50)의 상단부(51)를 꼭짓점으로 하여 상기 세라믹 용기의 내측면으로부터 30도의 범위 내에 형성되도록 할 수 있다. 이는 내측주름부(32)로부터 세라믹 용기(50)에 이르는 거리 'a'와 평면부(31)로부터 내측주름부(32)의 하단면에 이르는 거리 'b'에 의해서도 정해질 수 있는 바, 설계시 중요한 팩터로 사용될 수 있다.

외측주름부(33)는 내측주름부(32)로부터 상방으로 연장되어 외측으로 절곡되고 다시 하방으로 절곡되어 형성된다. 외측주름부(33)는 거꾸로 된 'U'자형 곡면을 이룬다. 외측주름부(33)의 종단부는 고정측 실컵(30)에 결합된다. 외측주름부(33)는 내측주름부(32)와 세라믹 용기(50) 사이의 거리를 유지하는 역할을 한다.

등전위분포도를 살펴보기로 한다. 도 6A 및 6B에는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터 및 비교 실시예의 등전위분포가 도시되어 있다. 비교 실시예(도 6B)의 고정측 실컵(35)의 경우 내측주름부가 없고, 평면부(38)가 세라믹 용기(50)의 내측으로 삽입 형성되어 있다. 본 실시예(도 6A)에 있어서 내측주름부(32)는 절곡부(32a)가 반원을 형성함으로써 대비되는 실시예(도 6B)의 절곡부(39)가 1/4원을 형성하는데 비하여 커다란 곡면을 형성한다. 이에 따라 등전위면을 이루는 영역이 하부로 확대되는 것을 볼 수 있다. 또한, 내측주름부(32)의 절곡부(32a)에 발생하는 전계집중 현상이 비교 실시예의 경우에 비해 완화되어 세라믹 용기(50) 표면에 발생 가능한 절연파괴 현상이 감소하게 된다.

전계강도를 살펴보기로 한다. 도 7A 및 7B에는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터 및 비교 실시예의 전계강도 그래프가 나타나 있다. 그래프는 고정측 실컵(30,35)에 있어서 내측으로부터 외측 방향으로 표면거리에 따라 발생하는 전계강도를 나타낸 것이다. 본 실시예(도 7A)의 전계강도는 비교 실시예(도 7B)에 비하여 전체적으로 전계강도가 낮게 형성되는 것을 알 수 있다. 특히, 최대전계강도가 10% 이상 감소하여 전력기기의 임펄스내전압 절연 성능 공차 기준 ±3% 대비 3배 이상의 절연성능 개선 효과가 있다. 또한, 고정전극에 인접한 평면부(31)의 전계강도는 비교 실시예에 비하여 현저하게 낮아졌음을 알 수 있다.

가동측 실컵(40)은 고정측 실컵(30)과 동일한 방식으로 설치되고 그 효과도 같으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

주름관(Bellows,60)이 가동전극(20)의 주변에 설치된다. 주름관(60)의 일단은 가동측 실컵(40)에 고정적으로 결합되며, 주름관(60)의 타단은 가동측 실드(70)에 결합되어 가동전극(20)과 함께 움직이게 된다. 가동전극(20)이 상하운동을 하더라도, 주름관(60)에 의해 진공인터럽터 내부의 진공 밀폐성이 파괴되지 않고 유지된다. 즉, 가동전극(20)이 움직임에 따라서 가동측 실컵(40)과 가동전극(20) 사이에 미세하게 진공이 파괴더더라도 주름관(60)에 의해 차폐되므로 진공인터럽터의 내부는 진공이 유지된다.

가동측 실드(70)가 가동전극(20) 주변에 설치된다. 가동측 실드(70)는 차단시 발생하는 금속증기로부터 주름관(60)을 보호하는 동시에 진공인터럽터의 내부를 진공상태로 유지하는 역할을 하게 된다.

세라믹 용기(50)의 내부에 센터 실드(75)가 설치된다. 센터 실드(75)는 차단시 직경 방향으로 비산하는 아크 및 금속 증기를 차폐하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진공인터럽터에 의하면 실컵과 엔드실드가 일체화되어 부품수가 감소하는 효과가 있다. 이에 따라 생산공정이 단축되고 생산성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 내측주름부가 형성되어 연면거리가 증대하여 절연성능이 향상되는 효과가 있다. 더불어, 전계집중 현상으로 인해 세라믹 용기 표면에 발생하는 인한 절연파괴 가능성이 감소하는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

10 고정전극 15 고정접점
20 가동전극 25 가동접점
30 고정측 실컵 31 평면부
31a 홀 32 내측주름부
32a 절곡부 33 외측주름부
39 절곡부 40 가동측 실컵
50 세라믹 용기 51 상단부
60 주름관 70 가동측 실드
75 센터 실드

Claims (5)

1. 고정전극;
   구동부에 의해 가동되어 상기 고정전극에 접촉 또는 분리될 수 있는 가동전극;
   상기 고정전극과 가동전극을 수용하며, 측면부를 형성하는 세라믹 용기;
   상기 고정전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 고정전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 고정측 실컵; 및
   상기 가동전극을 지지하고, 진공기밀상태를 유지하기 위해 상기 가동전극과 세라믹 용기 사이에 설치되는 가동측 실컵;을 포함하되,
   상기 고정측 실컵은,
   상기 고정전극의 일단에서 연장되는 평면부,
   상기 평면부로부터 하방으로 일차로 절곡되고 다시 상방으로 절곡되는 내측주름부,
   상기 내측주름부로부터 연장되어 외측으로 절곡되고 다시 하방으로 절곡되는 외측주름부로 구성되고,
   상기 평면부는 상기 고정전극에 접하고, 상기 가동측 실컵은 상기 고정측 실컵과 동일하게 형성됨으로써, 상기 고정측 실컵과 가동측 실컵 및 세라믹 용기에 의해 밀폐공간이 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공인터럽터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 내측주름부는 상기 세라믹 용기의 내측에 형성되어 상기 세라믹 용기의 상단부가 차폐될 수 있는 것을 특징으로 하는 진공인터럽터.
4. 제1항에 있어서, 상기 내측주름부의 일부는 상기 세라믹 용기의 상단부를 꼭짓점으로 하여 상기 세라믹 용기의 내측면으로부터 30도의 범위 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 진공인터럽터.
5. 제1항에 있어서, 상기 내측주름부는 절곡부가 반원을 이루는 것을 특징으로 하는 진공인터럽터.
   

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