KR101861477B1

KR101861477B1 - 아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기

Info

Publication number: KR101861477B1
Application number: KR1020170041694A
Authority: KR
Inventors: 박지홍; 김재섭
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-05-25

Abstract

본 발명은 직류 차단기에 아크 블로우 아웃 장치를 구비하여 아크 소호 성능을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기는, 고정접점과, 상기 고정접점에 접촉 또는 개리되도록 동작하는 가동접점과, 상기 가동접점을 구동하는 동작부와, 상기 가동접점의 개리시 발생하는 아크와 교차하는 방향의 자기장을 제공하는 블로우 아웃 장치를 포함하며, 상기 블로우 아웃 장치는 블로우 아웃 코일과, 상기 블로우 아웃 코일에 삽입되는 제1구간과, 상기 제1구간에서 상기 가동접점과 상기 고정접점 사이에 발생하는 아크 발생 영역을 향하여 절곡된 제2구간과, 상기 제2구간에서 절곡되어 상기 아크 발생 영역에 발생하는 아크의 길이 방향과 나란한 방향으로 절곡된 제3구간을 포함하며 단면 형상이 원형인 제1코어와, 상기 제1코어와 상기 아크의 길이 방향에 대칭인 형상을 가지는 제2코어를 구비한다.

Description

아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기{DC CIRCUIT BREAKER HAVING AN ARC BLOW-OUT DEVICE}

본 발명은 직류 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기에 관한 것이다.

같은 송전 용량 하에서 직류(DC)는 교류(AC)에 대비하여 전선 소요량 및 철탑 크기가 감소하는 장점을 가진다. 송전 용량이 동일한 경우 직류를 사용하면 교류를 사용하는 경우에 비하여 전선 소요량을 30% 정도 절감할 수 있다. 이와 같은 이점으로 인하여 직류 배전 시장이 점차 확대되고 있는 추세이다.

이러한 추세에 따라 직류 차단기는 배전급 LVDC(Low Voltage Direct Current), ESS(Energy Storage System), 신재생 에너지 시장 등 다양한 분야에서 그 수요가 증가하고 있다.

직류 차단기는 기기 내부에 고장 검출부를 구비하여 직류 회로에 이상 전류가 발생한 경우, 개극 이상 전류가 최대치에 도달하기 전에 이상 전류를 감지하여 고속으로 차단하는 차단기이다. 직류 차단기는 단락 및 과전류 등을 감지한 후 짧은 응답 시간을 갖는다.

이러한 직류 차단기는 일반적으로 가동접점, 고정접점, 구동부, 트립부, 소호부 등으로 구성되어 있다. 구동부에 의해 가동접점이 고정접점과 접촉되거나 개리될 수 있으며, 직류 회로에 이상 전류가 발생한 경우에는 트립부에 의해 접촉되어 있던 두 접점이 개리될 수도 있다.

전류 통전 상태에서 접촉되어 있던 두 점점이 개리될 경우, 두 접점간에 아크(Arc)가 발생하게 되며 이 아크가 소호부로 이동하게 되면서 차단이 이루어진다.

직류 차단기는 자연영점이 없기 때문에 교류 차단기에 비해 상대적으로 차단이 어려우며, 단락 전류 및 과전류와 같은 큰 전류에 비해 작은 전류일수록 차단에 더욱 취약한 단점을 가진다.

접점 개리 시 발생한 아크는 플래밍의 왼손 법칙에 의해 발생한 힘과 내부 압력에 의해 소호부로 이동하게 된다. 이 때의 플래밍의 왼손 법칙에 의해 발생한 아크를 이동시키는 힘은 전류와 자속의 크기에 비례한다.

단락 전류 및 과전류 발생시에는 전류도 크고 내부 압력도 크기 때문에 아크를 소호부로 충분히 이동시킬 수 있지만 상대적으로 작은 전류가 발생하는 경우에는 전류도 작고 내부 압력도 작기 때문에 아크가 고정접점과 가동접점의 사이에 계속 머물러 결과적으로 차단이 실패할 가능성이 증가한다.

도 1은 일반적인 직류 차단기의 접점부 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 직류 차단기는 고정접점(10)과, 상기 고정접점(20)에 접촉 또는 해제되도록 동작하는 가동접점(20)과, 상기 가동접점(20)을 동작시키는 구동부(30)를 포함한다.

도시한 실시예의 경우 가동접점(20)이 x축 방향으로 왕복 동작하며 고정접점(10)과 접촉 또는 개리되는 것으로, 개리시에 x축 방향으로 아크(A)가 발생하게 된다.

이 때 전류의 방향은 x축 방향이 되므로, y축 방향으로 자기장이 인가되면 아크(A)는 Z축 방향으로 힘을 받게 된다.

소호부(미도시)는 고정접점(10)과 가동접점(20)의 상부에 배치되므로, y축 방향으로 자기장이 인가되면, 고정접점(10)과 가동접점(20)의 사이에 발생한 아크(A)가 소호부로 이동할 수 있다.

종래의 아크 블로우 아웃 장치는 영구자석을 이용하는 경우와, 블로우 아웃 코일을 이용하는 경우가 있었다.

영구 자석을 이용하는 블로우 아웃 장치의 경우 자기장의 방향이 고정되므로 단방향 전류만 취급하는 직류 차단기에는 적합하나, 양방향 전류를 취급하는 직류 차단기에는 부적합하다. 왜냐하면 정방향성 전류와 영구자석의 자속에 의하여 직교선상에서 소호부 측으로 힘이 작용되나, 반대로 역방향성 전류가 흐르게 되면 전류의 방향은 바뀌지만 영구 자석에 의한 자속의 방향은 고정되어 있기 때문에 플래밍의 왼손 법칙에 의하여 힘의 방향이 소호부 반대방향으로 작용하기 때문에 오히려 아크가 소호부로 이동되는 것을 방해하기 때문이다.

한편, 블로우 아웃 코일을 이용하는 경우 블로우 아웃 코일에 내부 전원을 인가하는 타입과, 별도의 외부 전원을 인가하는 타입이 있다.

내부 전원을 블로우 아웃 코일로 인가하는 타입은 접점 개리시 발생된 아크에 의한 전위차가 코일에 인가되는데, 이 때 코일에 인가되는 전압이 매번 다를 수 있기 때문에 결과적으로 차단 시간에 대한 편차가 크고 차단 시간이 비정상적으로 길어지는 경우가 발생할 수 있다.

외부 전원을 인가하는 타입의 경우 코일에 일정한 외부 전원을 인가하기 때문에 내부 전원을 적용하는 경우에 비하여 상대적으로 차단 시간이 일정하고 편차가 작은 장점을 가진다.

본 발명의 목적은 직류 차단기에 아크 블로우 아웃 장치를 구비하여, 아크 소호 시간을 단축시킴에 있다.

본 발명의 다른 목적은 내부 공간이 협소한 직류 차단기에도 설치 가능한 구조의 아크 블로우 아웃 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 아크 발생 부위에 자기장을 효과적으로 인가할 수 있는 아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 구비하는 직류 차단기는 고정접점과, 상기 고정접점에 접촉 또는 개리되도록 동작하는 가동접점과, 상기 가동접점을 구동하는 동작부와, 상기 가동접점의 개리시 발생하는 아크와 교차하는 방향의 자기장을 제공하는 블로우 아웃 장치를 포함하며, 상기 블로우 아웃 장치는 블로우 아웃 코일과, 상기 블로우 아웃 코일에 삽입되는 제1구간과, 상기 제1구간에서 상기 가동접점과 상기 고정접점 사이에 발생하는 아크 발생 영역을 향하여 절곡된 제2구간과, 상기 제2구간에서 절곡되어 상기 아크 발생 영역에 발생하는 아크의 길이 방향과 나란한 방향으로 절곡된 제3구간을 포함하며 단면 형상이 원형인 제1코어와, 상기 제1코어와 상기 아크의 길이 방향에 대칭인 형상을 가지는 제2코어를 포함한다.

이 때, 상기 제1구간과 상기 제2구간의 절곡각도(θ1)와, 상기 제2구간과 상기 제3구간의 절곡각도(θ2)는 둔각인 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1구간과 상기 제2구간의 절곡각도(θ1)와, 상기 제2구간과 상기 제3구간의 절곡각도(θ2)는 120°~150°범위이면 더욱 바람직하다.

아울러, 상기 제1구간과 상기 제3구간은 상하로 높이 차를 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 구비한 직류 차단기는 소전류 아크를 신속하게 소호할 수 있는 효과를 가져온다.

또한 본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 구비한 직류 차단기는 블로우 아웃 코일에 외부 전원을 인가함으로써 일정한 차단 성능을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

그리고, 본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 구비한 직류 차단기는 하나의 블로우 아웃 코일만을 적용함으로써, 블로우 아웃 코일 장치의 구조를 간소화하고 블로우 아웃 코일 장치의 동작에 소요되는 전력을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 일반적인 직류 차단기의 접점부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치가 구비된 직류 차단기를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 정면도이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치가 구비된 직류 차단기를 나타낸 도면이다.

본 발명은 내부 공간이 협소한 직류 차단기에 적용이 가능한 아크 블로우 아웃 장치 및 이를 구비하는 직류 차단기를 제공한다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 직류 차단기는 고정접점(10)과, 상기 고정접점(10)에 접촉 또는 개리 되도록 동작하는 가동접점(20)과, 상기 가동접점을 구동하는 동작부(30)와, 상기 가동접점(20)의 개리시 발생하는 아크와 교차하는 방향의 자기장을 제공하는 블로우 아웃 장치(100)를 포함한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 블로우 아웃 장치(100)는 상기 고정접점(10)과 가동접점(20)의 양측에 배치되는 한 쌍의 코어(120,140)와, 상기 한 쌍의 코어(120,140) 중 일측의 코어(120)에 결합되는 블로우 아웃 코일(110)을 포함한다.

도시한 실시예의 경우 우측의 코어(120)에만 블로우 아웃 코일(110)이 결합되어 있으나, 반대로 좌측의 코어(140)에만 블로우 아웃 코일(110)을 결합할 수도 있다.

블로우 아웃 코일(110)의 배치 위치는 직류 차단기의 내부 공간의 형태에 따라서 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 블로우 아웃 장치(100)는 한 쌍의 코어(120,140)와, 단일의 블로우 아웃 코일(110)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 종래의 블로우 아웃 장치들은 한 쌍의 코어와 한 쌍의 블로우 아웃 코일을 구비하여 양측이 대칭되는 형태로 구성되어 있었으나, 아크를 블로우 아웃 하기 위한 힘은 아크와 직교하는 방향의 자기장의 세기와 관계되는 것으로, 양측에 반드시 대칭되는 형태로 코어와 코일이 배치되어야 하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 한 쌍의 코어(120,140)와, 단일의 블로우 코일(110)을 이용하여 아크와 직교하는 방향의 자기장을 제공함으로써, 블로우 아웃 코일 장치(100)의 전체 구조를 간소화하고 크기를 축소할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 블로우 아웃 코일 장치(100)는 우측의 제1코어(120)와, 좌측의 제2코어(140)와, 제1코어(120)에 결합된 블로우 아웃 코일(110)을 포함한다.

제1코어(120)와 제2코어(140)의 형상은 아크의 길이 방향에 대하여 선대칭인 입체 형상을 가진다. 제1코어(120)와 제2코어(140)를 아크에 대하여 대칭 형상을 가지게 하는 것은, 제1코어(120)와 제2코어(140)를 통해 흐르는 자속의 손실을 감소시키기 위한 것이다.

블로우 아웃 코일(110)은 외부전원(미도시)에 연결되어 전원을 공급받는다.

블로우 아웃 코일(110)에 자기력이 발생하게 되면, 자속이 제1코어(120)를 따라 흐른 후, 아크의 길이 방향과 교차하며 제2코어(140)로 흐르게 된다.

블로우 아웃 코일(110)에서 생성되는 자기장의 세기는 전압 크기, 코일 턴수, 코일 재질 등에 따라 달라지게 된다. 자기장의 세기는 코일에 인가되는 전압이 크고 코일 턴수가 많고 코어 면적이 클수록 유리하지만 이는 제품의 크기, 무게, 설치 공간, 비용 등과 관련된다.

그런데, 블로우 아웃 코일(110)의 코일 턴수가 증가하게 되면 블로우 아웃 코일(110)의 외경이 증가하게 되고, 블로우 아웃 코일(110)의 외경이 증가하게 되면, 그만큼 블로우 아웃 코일(110)에 삽입된 코어가 접점들의 측면으로부터의 이격거리가 커지게 된다.

실질적으로 아크 생성 영역에 발생하는 자기장은 제1코어(120)와 제2코어(140)가 이격된 부분이 되는데, 제1코어(120)과 제2코어(140)의 이격거리가 커지게 되면, 이격된 부분의 자속이 감소하게 된다.

본 발명은 도시한 바와 같이, 아크 발생 영역에 인접한 코어가 아크 발생 영역의 양측면에 근접할 수 있도록 코어(120,140)가 절곡된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제1코어(120)는 3구간으로 구성된다. 제1구간(122)는 블로우 아웃 코일(110)에 삽입되는 부분이고, 제3구간(126)은 아크에 자기장을 인가하는 구간이며, 제2구간(124)은 제1구간의 자속을 제3구간(126)으로 전달되도록 하는 구간이다.

제1코어(120)는 아크 블로우 아웃 코일(110)에 삽입되는 부분인 제1구간(122)과, 제1구간(122)에서 아크 발생 영역 방향으로 절곡된 제2구간(124)과, 상기 제2영역에서 아크 발생 방향과 나란한 방향으로 절곡된 제3구간(126)을 포함한다.

이 때, 제1구간(122)과 제2구간(124)의 절곡 각도(θ1) 및 제2구간(124)과 제3구간(126)의 절곡 각도(θ2)는 둔각인 것이 바람직하며, 120°~150° 범위이면 더욱 바람직하다. 도시한 실시예는 θ1,θ2 가 모두 135°인 실시예를 나타낸 것이다.

코어(120,140)의 절곡 각도를 둔각으로 하는 것은, 코어(120,140)를 흐르는 자속의 손실을 감소시키기 위한 것이다.

이러한 구조는 블로우 아웃 코일(110)의 외경이 증가하더라도, 코어(120,140) 사이의 간격을 일정하게 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

따라서, 단일의 코일의 크기를 증가시키더라도 코어 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있으므로, 하나의 블로우 아웃 코일을 이용하여 아크 소호 성능 확보에 필요한 자속을 제공할 수 있다.

한편, 코어(120,140)는 강자성체 재질인 것이 바람직하다. 이는 코어를 흐르는 자속의 손실을 감소시키기 위한 것이다.

또한, 코어(120,140)는 일정한 단면적을 가지는 막대 형상으로 형성될 수 있다. 이 때 코어(120,140)의 단면은 원형, 타원형 또는 다각형의 모양을 가질 수 있다. 물론, 도시한 바와 같이 코어(120,140)가 원형의 단면을 가지는 경우에 코어의 내부를 흐르는 자속의 손실을 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치를 나타낸 정면도이다.

앞서 설명한 제1실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치는 코어의 제1구간(122)과 제3구간(126)이 동일 수평면 상에 놓여진 상태를 나타낸 것이나, 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치는 제1구간(142)과 제3구간(146)이 상하로 높이 차를 가지는 경우를 나타낸 것이다.

아크 블로우 아웃 장치는 협소한 직류 차단기의 내부 공간에 설치되어야 하는데, 직류 차단기의 구조에 따라서 아크 발생영역 양측 부분과 동일한 평면상에 블로우 아웃 코일을 설치하기 어려운 경우가 발생할 수 있다.

본 실시예는 이러한 경우에 제2절곡구간에서 좌우측 방향 및 상하 방향으로 절곡각을 가지도록 한 것이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치(200)는 블로우 아웃 코일(210)과, 상기 블로우 아웃 코일에 삽입되는 제1코어(220)와, 상기 제1코어(220)와 대칭 형상을 가지는 제2코어(240)를 포함한다.

이 때, 제1코어(220)는 블로우 아웃 코일(210)에 삽입되는 제1구간(222)과, 상기 제1구간(222)에 내측 상부 방향으로 절곡된 제2구간(224)과, 상기 제2구간(224)에서 절곡된 제3구간(226)을 포함한다.

제2코어(220)는 제1코어(240)와 대칭 형상을 가지는 것으로, 제2코어(220)에 대한 설명은 생략한다.

앞서 설명한 제1실시예의 경우 제1구간(122)과 제3구간(126)이 동일 평면상에 놓여지나, 본 실시예의 경우 제1구간(222)과 제3구간(226)이 다른 평면상에 놓여진 위치(꼬인 위치)가 된다.

따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 아크 블로우 아웃 장치(200)는 블로우 아웃 코일(210)을 설치할 수 있는 공간이 아크 발생 영역보다 낮은 높이인 경우에도, 아크 발생 영역의 양측에 제3구간(226)이 위치될 수 있도록 하는 효과를 가져온다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 아크 블로우 아웃 장치는 아크 블로우 아웃 코일의 크기가 커지더라도, 아크 발생 영역에 인접한 코어 사이의 간격을 일정 하게 확보할 수 있으며, 직류 차단기의 내부 공간이 협소하더라도 그 형태에 맞게 코어의 형상을 변형하고, 블로우 아웃 코일의 배치 위치를 설정할 수 있는 효과를 가져온다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 고정접점
20 : 가동접점
30 : 구동부
A : 아크
100, 200 : 아크 블로우 아웃 장치
110, 210 : 블로우 아웃 코일
120, 220 : 제1코어
140, 240 : 제2코어
122,142,222,242 : 제1구간
124,144,224,244 : 제2구간
126,146,226,246 : 제3구간

Claims

고정접점과, 상기 고정접점에 접촉 또는 개리되도록 동작하는 가동접점과, 상기 가동접점을 구동하는 동작부와, 상기 가동접점의 개리시 발생하는 아크와 교차하는 방향의 자기장을 제공하는 블로우 아웃 장치를 포함하며,

상기 블로우 아웃 장치는
블로우 아웃 코일과,
상기 블로우 아웃 코일에 삽입되는 제1구간과, 상기 제1구간에서 상기 가동접점과 상기 고정접점 사이에 발생하는 아크 발생 영역을 향하여 절곡된 제2구간과, 상기 제2구간에서 절곡되어 상기 아크 발생 영역에 발생하는 아크의 길이 방향과 나란한 방향으로 절곡된 제3구간을 포함하며 단면 형상이 원형인 제1코어와,
상기 제1코어와 상기 아크의 길이 방향에 대칭인 형상을 가지는 제2코어를 구비하는 직류 차단기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1구간과 상기 제2구간의 절곡각도(θ1)와,
상기 제2구간과 상기 제3구간의 절곡각도(θ2)는 둔각인 것을 특징으로 하는 직류 차단기.
제 2 항에 있어서,
상기 제1구간과 상기 제2구간의 절곡각도(θ1)와,
상기 제2구간과 상기 제3구간의 절곡각도(θ2)는 120°~150°범위인 것을 특징으로 하는 직류 차단기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1구간과 상기 제3구간은 상하로 높이 차를 가지는 것을 특징으로 하는 직류 차단기.