KR19980079908A - 절연형 개폐장치 - Google Patents

Abstract

차단시의 아크전극의 어긋남을 억제하여 차단성능을 향상시키고, 또한 소형화 가능한 절연형 개폐장치를 제공한다.

진공관 내에 한쌍의 아크전극(4, 5)을 고정시키고 다른 하나(5)는 앞의 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있게끔 배치하고 그 움직일 수 있는 가동전극(5)의 배면에서 진공관의 외측으로 가동도체(3)를 주축을 중심으로 회동할 수 있게끔 연장시켜서 가동전극(5)을 차단위치로 이동시켰을 때 가동전극의 중심이 고정전극(4)의 중심축 부근에 존재하도록 구성한 것이다.

Description

절연형 개폐장치

본 발명은 절연형 개폐장치에 관한 것으로서, 특히 가동도체를 주축을 중심으로 회동시켜 한쌍의 아크전극을 서로 접속 또는 차단시키게 되어 있는 절연형 개폐장치에 관한 것이다.

일반적으로 채용되고 있는 변전장치는, 변압기나 차단기 또 단로기 등을 구비하며, 변압기로부터의 전력을 이들 기기를 거쳐 모터 등의 부하에 공급하도록 하고 있다. 그리고 부하의 보수·점검을 행하기 위해서는 이 차단기를 개방하는 동시에 차단기와 별개로 설치되어 있는 단로기를 개방하고, 또한 접지장치에 의하여 전원쪽의 잔류전하 및 유도전류를 접지시켜 작업자의 안전을 확보하도록 하고 있다.

이들 개폐장치, 예컨대 진공차단기는 진공관 내에 대향하여 배치된 한쌍의 아크전극을 붙였다 떼었다함으로써 회로의 접속 또는 차단을 한다. 일반적으로는 진공관 밖에 설치된 조작기구에 의하여 가동도체를 고정도체에 대하여 상하로 이동시킴으로써 각각의 도체 끝단부에 설치된 한쌍의 아크전극을 붙였다 떼었다 하는 구성의 것이 많이 채용되고 있다. 또, 예컨대 일본국 특개소 55-143727호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 주축을 중심으로 하여 가동전극을 고정전극에 대하여 접촉 또는 차단시키는 진공차단기도 있다.

일반적으로 차단기는 회로차단시에 아크가 아크전극간의 발생되는 아크로 인한 열에 의하여 아크전극 표면의 온도가 상승여 금속용융이 일어난다. 따라서, 아크전극의 소모가 심하고, 또 이로 인해 증발된 금속입자들이 전극간에 많이 존재하게 되므로 차단성능이 현저하게 저하한다. 그래서, 특히 대전류를 차단하는 진공차단기에서는 아크전극의 구조를 여러 가지 형태로 하고 있다.

예컨대, 아크전극에 나선형상의 홈을 설치한 스파이럴 전극에서는 아크전극을 흐르는 전류에 의한 회전방향의 힘이 아크를 전극 사이로 이동시킴으로써 아크전극 표면의 금속용융을 억제한다. 또, 아크전극의 배면에 설치한 코일형 전극에 의해 발생된 축방향 자계가 아크를 전극 사이에서 균일하게 확산시켜 아크의 전류밀도를 감소시키기도 한다.

그러나, 종래의 절연형 개폐장치에는 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 예컨대 일본국 특개평3-273804호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 종래의 개폐장치에서는 차단기, 단로기 및 접지개폐기를 별개로 제작하여 수납하고 있기 때문에, 장치가 대형화되는 결점이 있고, 또, 주축을 중심으로 하여 가동전극을 회동시켜 고정전극에 대하여 접속 또는 차단시키는 회동조작형 차단기에서는 차단시에 있어서 아크전극이 어긋나 배치되기 때문에, 아크 발생 영역, 즉 전극의 유효면적이 감소하여 차단성능이 현저하게 저하되게 될 우려가 있었다.

본 발명의 목적은, 차단시의 아크전극의 어긋남을 억제하여 차단성능을 향상시키고 또한 소형화시킬 수 있는 이러한 종류의 절연형 개폐장치를 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명의 절연형 개폐장치의 일 실시예를 나타낸 종단측면도,

도 2는 본 발명의 절연형 개폐장치의 다른 실시예를 나타낸 종단측면도,

도 3은 본 발명의 절연형 개폐장치의 다른 실시예를 나타낸 종단측면도,

도 4는 본 발명의 절연형 개폐장치의 접속위치에서 아크전극의 어긋남과 차단위치에 있어서의 아크전극이 이루는 각의 관계를 나타낸 선도,

도 5는 본 발명의 절연형 개폐장치의 접속위치에서 아크전극의 어긋남과 차단성능 및 통전성능의 관계도,

도 6은 차단위치에서 아크전극이 이루는 각과 차단성능, 내압성능 및 주름관 내구성의 특성도,

도 7은 본 발명의 절연형 개폐장치의 다른 실시예를 나타낸 종단측면도,

도 8은 본 발명의 절연형 개폐장치의 전류통로와 아크에 작용하는 전자력을 모식적으로 나타낸 선도,

도 9는 본 발명의 절연형 개폐장치의 가동전극에서 가동도체 구부러짐부까지의 거리와 아크에 작용하는 전자력의 관계를 나타낸 것,

도 10은 공지의 전극배치에서 전류 통로와 아크에 작용하는 전자력을 모식적으로 나타낸 선도.

부호의 설명

1 : 절연가스 2 : 고정도체

3 : 가동도체 4 : 고정전극

5 : 가동전극 9 : 접지도체

15 : 주축 25 : 아크

30 : 진공관 37 : 절연가스용기

본 발명에 의한 절연형 개폐장치는 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있게끔 설치한 주축으로 구성하여, 상기 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 상기 가동전극의 중심이 상기 고정전극의 중심축 부근에 존재하도록 하는 것이다.

바람직하게는 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 그 한쌍의 전극의 대향면들 간의 각도가 20도 이하가 되도록 하는 것이다. 또, 가동도체를 L자형으로 형성하는 동시에, 가동전극으로부터 L자형 가동도체 굴곡부까지의 거리를 가동전극의 지름의 30%보다 길게 형성한다.

또 이 경우, 진공관 내에 접지도체를 배치하여, 가동도체를 주축을 중심으로 회동시킴으로써 한쌍의 아크전극간 또는 가동도체와 접지도체간의 적어도 한쪽을 개폐하도록 형성한다. 또, 고정전극 및 가동전극에 홈을 형성시켜 두 전극간에 발생되는 아크를 자장에 의해서 밀어내게끔 한다.

이렇게 구성해서 회로접속위치에서 두 전극이 서로 어긋나게 배치하면 회로차단위치에서는 두 전극이 서로 어긋나게 되지 않으므로 차단성능이 향상되는 것이다.

이하에 도시한 실시예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1에는 그 절연형 개폐장치가 단면으로 나타나 있다. 30이 진공관이고, 이 진공관은 절연용기의 내부에 배치되어 있다. 즉, 에폭시 수지로 몰드 성형된 졀연용기(37)의 내부에 이 진공관(30)이 배치되고, 또한 절연가스용기(37) 내에는 SF6 가스 등의 절연가스(1)가 충전되어 있어 진공관(30) 바깥쪽 연면 등의 절연내력이 향상하도록 형성되어 있다.

이 진공관(30)은 다음과 같이 구성되어 있다. 즉, 금속케이스(8)의 상부에 세라믹 부재의 절연 부싱(6A)이 설치되고, 또한 이 절연 부싱(6A)의 상부에 설치된 밀봉 금속지지구(7A)에 의하여 고정도체(2)가 고정되어 있다. 물론 케이스의 내부는 진공밀폐되어 있다.

금속케이스(8)의 하부에는 절연 부싱(6C)이 설치되고, 또한 접지도체(9)가 주름관(10C)를 거쳐 밀봉 금속지지구(7C)로 유지되어 있다. 한편, 고정도체(2)에 대하여 직각방향으로 배치된 가동도체(3)는 진공관(30) 외부로 연장되어 있고, 주름관(10B) 및 밀봉 금속지지구(7B)로 유지되어 있다. 또한, 본 실시예에서는 세 개의 절연부싱(6A, 6B 및 6C)을 설치하였으나, 이들 모두를 설치할 필요는 없고 도 2 및 도 3(실시예 2, 3)에도 나타나 있는 바와 같이 적어도 두 개 이상 설치하면 된다.

고정도체(2)는 진공관(30) 외부에서 중계도체(35)로 접속되고, 또 이 중계도체(35)는 절연가스용기(37)에 고정되어 있다. 중계도체(35)쪽부와 접속된 모선쪽 도체(36A)는 모선절연판(36)의 모선(36B)에 접속되어 있다. 또, 모선절연판(36)은 모선쪽 도체(36A) 및 모선(36B)과 함께 일체로 에폭시 수지에 의해서 사출성형되어 있다.

고정도체(2) 및 가동도체(3)의 끝단에는 각각 예컨대 Cu-Pb합금 등의 고융점 부재로 이루어지는 고정전극(4), 가동전극(5)이 설치되어 있다.

또, 상술한 바와 같이, 아크(25)가 아크전극(4, 5) 간의 어느 한 지점에서 집중하여 발생하면, 아크전극(4, 5) 표면의 온도가 상승하여 금속용융이 일어나기 때문에, 아크(25)를 아크전극(4, 5) 사이에서 항상 이동시키기 위한 압력을 가할 필요가 있다. 이를 위해서 본 실시예에서는 스파이럴 전극을 이용한다. 말하자면 아크전극(4, 5)에 나선 형상의 홈(28)을 설치하여 아크전극(4, 5)에 흐르는 전류에 의해 전극 주변을 향한 자기력을 형성시켜 아크(25)에 가하는 것이다.

가동도체(3)는 접속도체(16)에 설치한 주축(15)을 지점으로 회동한다. 부하쪽 도체(38)과 접속한 접속도체(16)로 가동도체(3)를 끼워 지지하고, 접속도체(16) 및 가동도체(3)에 설치한 관통구멍에 삽입한 주축(15)에 의해 가동도체(3)를 유지한다. 가동도체(3)는 그 끝단부(17)에 있어서 절연부(39)를 거쳐 조작기구부(40)와 연결된다.

가동도체(3)는 4단 조작기(도시생략)에 의하여, 주축(15)를 지점으로 상하방향으로 회동하여, 다음과 같은 네 개의 정지위치를 갖고있다. 즉, 가동전극(5)이 고정전극(4)에 접촉하는 접속위치(Y1)와, 이로부터 아랫쪽으로 회동하여 전류를 차단하는 차단위치(Y2)와, 더욱 아랫쪽으로 회동하여 우뢰 등으로 절연파괴되지 않는 절연거리를 가지게 한 단로위치(Y3)와, 더욱 아랫쪽으로 회동하여 가동도체(3)가 접지도체(9)에 접촉한 접지위치(Y4)이다.

여기에서, 차단위치(Y2)에 있어서의 가동쪽 아크전극(5)의 위치 및 방향과 각종 성능의 상관에 대하여 서술한다. 차단위치(Y2)에서 두 아크전극(4, 5)의 어긋남은 아크의 발생영역, 즉 전극의 유효면적을 감소시킨다. 따라서, 차단성능을 향상시키기 위해서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 차단위치(Y2)에서 가동전극(5)의 중심이 가능한한 고정전극(4)의 중심축 근처에 존재하는 것이 바람직하다. 이것을 위해서, 접속위치(Y1)에서 아크전극(4, 5)을 서로 어긋나게 배치하는 것이다.

그러나, 아크전극(4, 5)을 어긋나게 하여 배치하면 접촉면적이 감소하기 때문에, 통전성능이 저하하게 된다. 접촉시의 아크전극(4, 5)의 어긋남(L1)과 차단성능 및 통전성능의 관계를 도 5에 나타낸다. 그래프 가로축은 전극(4, 5)의 지름(d)을 기준으로 하여 어긋남(L1)의 정도를 표시한 것이다. 이를 통해서 알 수 있는 바, 어긋남(L1)의 정도는 아크전극(4, 5)의 지름(D)의 적어도 20% 이하로 하는 것이 바람직하다.

도 6은 차단위치(Y2)에서 아크전극(4, 5)이 이루는 각도(θ)와 차단성능, 아크전극(4, 5)간의 내압성능(withstanding voltage) 및 주름관(10)의 내구성의 관계를 나타낸다. 각도(θ)가 증가함에 따라 주름관(10)의 내구성이 저하한다. 한편, 각도(θ)의 증가에 따라 아크전극(4, 5)간의 거리가 증가하기 때문에 전극간의 내압이 향상된다.

또, 아크(25)는 아크저항이 작은, 즉 아크길이가 짧은 쪽으로 이동하려고 하기 때문에, 각도(θ)가 증가하면 전극의 유효면적(아크가 통과하는 범위)이 감소하고 차단성능이 저하한다. 따라서 차단위치(Y2)에서 아크전극(4, 5)이 이루는 각도(θ)는 10°이하가 가장 좋으며, 20°이하가 바람직하다.

이어서, 실시예 1, 2 및 3의 효과에 대하여 서술한다. 가동도체(3)를 주축(15)을 중심으로 회동시키는 구조로 되어 있기 때문에, 주름관(10)을 심하게 압박을 하지 않고서도 길게 움직여서 절연거리를 길게 취할 수 있기 때문에, 차단기뿐만 아니라 단로기로서도 사용할 수 있다. 또, 본 실시예에서는 하나의 진공관 속에 차단기, 단로기 및 접지개폐기의 세가지를 설치하기 때문에 개폐장치 전체를 현저하게 소형화할 수 있는 이점이 있다.

또, 상기와 같이 차단위치(Y2)에서 아크전극(4, 5)의 각도(θ)를 규정하고, 또, 접속위치(Y1)에서 아크전극(4, 5)을 어긋나게 하여 배치하고, 차단위치(Y2)에서 아크전극(4, 5)의 상대위치를 최적화함으로써, 차단·내압·통전 등의 각종 성능이 향상된다.

또한, 이 절연형 개폐장치는 상술한 것 외에, 가동전극(5)을 고정전극(4)에 대하여 개폐하는 차단기 등의 개폐기, 고정도체(2)로부터 단로위치(Y3)까지 가동도체(3)를 이동시키는 단로기, 가동도체(3)와 접지도체(9)를 이용한 접지개폐기 등, 단기능용 개폐기로서도 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 개폐기의 구조는 진공관(30) 또는 절연가스용기(37)를 사용치 않고서도 적용할 수 있다.

이어서, 본 실시예 4에 대하여 설명한다. 실시예 1에서는 고정도체(2)와 가동도체(3)를 L자형으로 배치하기 때문에, 아크(25)에는 L자 바깥쪽(도 1 중 오른쪽 방향)으로 튀어나오게 하려고 하는 전자력이 작용한다. 따라서, 아크(25)를 아크전극(4, 5) 사이에 유지할 수 없어 차단성능이 저하할 우려가 있다. 실시예(4)는 이 전자력의 감소를 목적으로 하여 고안한 것이다.

도 7에 그 실시예 4의 측단면도가 나타나 있다. 가동도체(3)는 L자형을 이루는 도체이다. L자형 도체는 일체로 제작해도 좋고, 또는 도면에 나타나 있는 바와 같이 2개의 직선도체(3a 및 3b)를 예컨대 납땜등을 해서 제작해도 좋다. 또한, 이 실시예에서는 아크전극(4, 5)이 절연부싱(6A) 안쪽에 존재하기 때문에, 전극 주변에는 아크차폐막(18)를 설치하였다. 이것은 절연부싱(6A) 내벽에 금속입자가 부착하여 절연성이 열화하는 것을 방지하기 위해서이다. 또한, 실시예 1과 같이 금속케이스(8) 내에 아크전극(4, 5)을 배치하고 아크차폐막(18)를 없애도 좋다.

먼저, 아크(25)에 작용하는 전자력에 대하여 서술한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 가동도체(3)에 흐르는 전류는 플레밍의 법칙에 의하여 아크(25)에 대하여 도면에서 볼때중 왼쪽방향으로 힘을 가하기 때문에, 아크(25)를 오른쪽 방향으로 움직이는 힘을 감소시킨다. 또, 아크(25)는 위치A에서 아크전극(4, 5) 외부로 비산하거나, 위치B에서는 그에 작용하는 회전력이 약해서 아크전극(4, 5)의 내측에 갇힐 가능성이 있다. 따라서, 가동도체(3)에 흐르는 전류의 영향을 가능한한 억제해야만 한다.

아크(25)에 대하여 작용하는 전자력(FA)(위치A에 작용하는 힘), FB(위치B에 작용하는 힘)는 가동전극(5)에서 가동도체(3)의 구부러짐부까지의 거리(La)에 의존한다. 도 9에 그 의존성을 나타내었다. 그래프 가로축은 아크전극(4, 5)의 지름(Ld)을 기준으로 해서 La를 표시한 것이다. 또한, 그래프 세로축은 아크(25)에 대하여 작용하는 전자력을 나타낸 것으로, 도 10에 도시한 공지의 전극구조에서 유기되는 전자력을 기준으로 해서 표시한 것이다.

도 9에 의하면, 가동도체(3)에 흐르는 전류는 특히 위치B의 아크(25)에 대하여 큰 전자력을 가하나, La를 증가시킴으로써 그 영향을 완화시킬 수 있다. 아크(25)를 아크전극(4, 5) 사이에서 회전이동시키면서 효과적으로 유지시키기 위해서는, La를 아크전극(4, 5)의 지름(Ld)보다 크게 하는 것이 바람직하고, 적어도 Ld의 30% 이상더 크게 할 필요가 있다.

마지막으로, 실시예 4의 효과에 대하여 서술한다. 이 실시예에서는 상술한 실시예와 마찬가지의 효과를 가지는 동시에, 다음과 같은 이점도 있다. 즉, 가동쪽 아크전극(5)으로부터 L자형의 가동도체(3) 구부러짐부까지의 거리(La)를 아크전극의 지름(Ld)의 30% 이상 더 크게 함으로써, 가동도체(3)에 흐르는 전류가 아크(25)에 대하여 끼치는 영향을 감소시킬 수 있다. 따라서, 아크(25)의 거동은 아크전극(4, 5)에 흐르는 전류에 의해서만 결정된다. 즉, 아크(25)는 축방향으로 조작하는 공지의 진공차단기와 마찬가지로 거동함으로써, 본 발명의 구조는 공지의 전극구조에도 적용할 수 있다.

이상 설명해 온 바와 같이 본 발명에 의하면, 접속시에 아크전극이 서로 어긋나게 배치되기 때문에, 차단위치에서 아크전극이 서로 어긋나는 정도가 감소되어서 차단성능을 향상시키고, 또한 소형화 가능한 이러한 종류의 절연형 개폐장치를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있도록 설치한 주축으로 구성한 것으로서,

   상기 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 상기 가동전극의 중심이 상기 고정전극의 중심축 부근에 존재하도록 설치한 것을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
2. 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있도록 설치한 주축으로 구성한 것으로서,

   상기 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 상기 가동전극의 중심이 상기 고정전극의 중심축 부근에 존재하도록 설치함으로써 상기 한쌍의 전극을 서로 접속시켰을 때 상기 가동전극의 중심이 상기 고정전극의 중심축에서 어긋나게 함을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가동전극의 어긋남이 상기 자신의 지름의 20% 보다 작게 형성되게 한 절연형 개폐장치.
4. 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있도록 설치한 주축으로 구성한 것으로서,

   상기 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 상기 한쌍의 전극의 대향면들 간의 각도가 20도 미만이 되도록 함을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
5. 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있게끔 설치한 주축으로 구성한 것으로서,

   상기 가동도체를 L자형으로 형성하는 동시에, 상기 가동전극으로부터 상기 L자형의 가동도체 굴곡부까지의 거리를 상기 가동전극의 지름의 30% 보다 길게 형성한 것을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 진공관 내에 접지도체를 배치하여, 상기 가동도체를 상기 주축을 중심으로 회동시킴으로써 상기 한쌍의 상기 아크전극간 또는 상기 가동도체와 상기 접지도체 간의 적어도 한쪽을 개폐하도록 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고정전극 및 가동전극에 홈을 형성시켜 두 전극간에 발생되는 아크를 자기장에 의해서 밀어내도록 하는 특징으로 하는 절연형 개폐장치.
8. 진공관 내에 하나는 고정시키고 다른 하나는 상기한 하나에 대하여 접속위치 또는 차단위치로 움직일수 있게끔 배치한 한쌍의 아크전극, 상기 움직일 수 있는 다른 하나의 전극의 배면에서 상기 진공관의 외측으로 연장시킨 가동도체, 및 이 가동도체를 회동시켜 상기한 가동전극을 상기 접속위치 또는 차단위치로 움직일 수 있게끔 설치한 주축으로 구성한 것으로서,

   상기 가동전극을 차단위치로 이동시켰을 때 상기 가동전극의 중심이 상기 고정전극의 중심축 부근에 존재하도록 함과 아울러 상기 한쌍의 전극의 대향면들 간의 각도가 20도 미만이 되도록 설치하는 것을 특징으로 하는 절연형 개폐장치.