KR20090065123A - 운동 특성이 향상된 차단기용 접점 개폐 장치 및 이를구비하는 차단기 - Google Patents

Abstract

종래에 비해 매우 적은 힘으로도 접점 개폐가 가능하고 폐극 및 개극 동작이 더욱 안정적이고 확실하게 이루어지도록 한 운동 특성이 향상된 차단기용 개폐 장치 및 이를 구비하는 차단기에 관한 것이다.

본 발명의 개폐 장치는, 가동 접촉자의 후방 측에 이격 배치된 받침점에 회동 가능하게 피벗 결합되는 제1 레버(L1)를 구비하고, 일측 단부가 상기 제1 레버(L1)의 자유 단부에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대측 단부가 상기 조작기의 가동자에 회동 가능하게 피벗 결합하는 연결 레버(Act_L)와, 일측 단부가 상기 제1 레버(L1)의 자유 단부와 받침점 사이의 중간 부분에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대 단부가 상기 가동 접촉자에 회동가능하게 피벗 결합하는 제2 레버(L2)를 포함한 구성으로 이루어진다.

차단기, 링크, 접점, 조작기, 지레, EMFA, PMA

Description

운동 특성이 향상된 차단기용 접점 개폐 장치 및 이를 구비하는 차단기{Opening and closing apparatus improved motional performance for electrical contacts and circuit breaker having thereof}

본 발명은 차단기용 접점 개폐 장치 및 이를 구비하는 차단기에 관한 것으로서, 특히 종래에 비해 매우 적은 힘으로도 접점 개폐가 가능하고 폐극 및 개극 동작이 더욱 안정적이고 확실하게 이루어지도록 한 운동 특성이 향상된 차단기용 개폐 장치 및 이를 구비하는 차단기에 관한 것이다.

차단기는 주로 송전선로의 송전단이나 수전단에 설치되어, 전력 계통에 고장이 없을 때 정상전류를 개폐하는 것은 물론, 단락 등의 고장이 발생하였을 때 고장 전류를 차단하여 계통 및 각종 전력 기기(부하)를 보호한다.

첨부 도면 도 1에는 일반적인 차단기가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 차단기는 통상적으로, 크게 접점부(10)와 조작부(20)로 나뉜다. 조작부(20)에는 기존의 영구자석형 조작기(PMA : Permanent Magnetic Actuator)(21)가 설치된 예를 보여주고 있다. 조작기(21)는 고정 철심(22)의 중간에 형성된 통로(23)내에 자성체로 이루어진 가동자(24)가 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되고, 상기 통 로(23)의 중간 부분에는 영구자석(25)이 배치되며, 영구자석(25)의 상, 하부에는 투입측 코일(26)과 개방측 코일(27)이 배치된 형태를 가진다. 상기 가동자(24)는 링크 요소(30)등에 의해 접점부(10)에 연결된다.

그리고, 접점부(10)에는, 진공을 유지하는 인슐레이터(11)의 내부에 고정 접촉자(12)와 가동 접촉자(13)가 구비된다. 상기 가동 접촉자(13)는 링크식 개폐 장치(30)에 의해 조작부(20)의 가동자(24)에 연결된다.

이러한 차단기에 있어서, 도 1과 같이 가동자(24)가 도면상 위로 동작(이동)하면, 가동 접촉자(13)가 고정 접촉자(12)로부터 이격되어 개극 상태(전류가 차단된 상태)를 유지하고, 가동자(24)가 도면상 아래로 동작(이동)하면 가동 접촉자(13)가 고정 접촉자(12)에 밀착되어 폐극 상태(전류가 도통되는 상태, 또는 투입 상태)가 된다.

첨부 도면 도 2에는, 도 1에 도시된 접점, 조작기 및 개폐 장치를 단순화된 형태로 도시하고 있고, 조작기를 도 1의 영구 자석형 조작기 대신에 전자기력을 이용한 조작기로 구비한 차단기 형태가 도시되어 있다.

상기 전자기력을 이용한 조작기는, 본 발명자 등에 의해 발명된 EMFA(Electro-Magnetic Force driving Actuator)라고 하는 조작기로서, 이는 대한민국 특허등록 제10-0668923호 공보, 제10-0641025호 공보, 제10-0718927로 공보 등에서도 잘 설명되어 있는 바와 같이, 조작기의 전체 외곽 형태를 이루는 자성체로 이루어지는 고정 철심의 내부에 영구자석을 배치하고, 상기 영구자석의 외부 둘레 또는 내측에 영구자석에 직교하는 방향으로 권취되는 코일을 가지는 가동자를 구비하여, 상기 코일에 정방향 또는 역방향의 전류가 인가하면, 상기 영구자석에 의한 자계와 코일의 전류밀도에 의한 전자 반발력에 의해 상기 코일을 일체로 가지는 가동자를 직선 왕복 운동시켜, 가동자에 연결된 피동 요소를 동작시키도록 되어 있다.

이러한 전자기력을 이용한 조작기는, 코일이 가동자가 되어 움직이므로, 작은 크기와 무게를 가지면서도 조작력과 조작 속도를 극대화 할 수 있고, 가동자의 행정 거리(stroke)를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이러한 전자기력을 이용한 조작기는, 기존의 영구자석형 조작기(PMA : Permanent Magnetic Actuator) 등에서 적용할 수 없었던 송전용 초고압 또는 고압용 차단기와 같이 큰 조작력, 높은 조작 속도 및 긴 행정 거리를 필요로 하는 피동 요소에서 우수한 성능을 발휘할 뿐만 아니라 저압용 차단기와 같은 피동 요소에도 광범위하게 적용할 수 있도록 한 것이다.

그런데, 위와 같이 차단기 분야의 연구는 조작기의 규모(사이즈)를 줄이고 조작력을 증대시키기 위한 분야에만 집중되었고, 그에 따라 상술한 전자기력을 이용한 조작기라고 하는 획기적인 성과를 거두기도 하였다. 이는 전자기력을 이용한 조작기는 종래의 영구자석형 조작기에 비해 사이즈를 1/2 ~ 1/3까지 줄일 수 있으면서 동작 특성이 매우 우수하다.

그러나, 위와 같이 향상된 조작기의 효율을 극대화하기 위한 개폐 장치에 대해서는 거의 연구는 거의 행해지지 않고 있다. 차단기에의 규모와 성능을 높이기 위해서는 무엇보다도 조작기의 개선이 시급하였기 때문에 모든 연구가 거의 조작기 에 집중되었던 것이다.

그런데, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 개폐 장치는, 단순 지fp형태의 링크 구조로 이루어져 있다. 이 개폐 장치는, 조작기의 힘을 배가시키기 위해서, 받침점을 기준으로 접점 쪽에 연결되는 링크의 길이를 짧게 하고 조작기 쪽에 연결되는 링크의 길이를 길게(통상적으로, 짧은 쪽의 2배 길이) 하여 조작력을 배기시킬 수 있도록 되어 있다.

한편, 도 1을 참조하면, 폐극 상태에서 고정 접촉자(12)와 가동 접촉자(13)가 하나의 도체처럼 전류를 잘 도통시키기 위해서는 두 접촉자(12)(13)가 강한 힘으로 밀착되어야 한다. 두 접촉자(12)(13)를 밀착시키는 힘을 압점력(contact force)이라고 하는데, 이의 압점력은 상기한 조작기(21)가 감당해야 한다. 그러므로, 조작부(21)는 두 접촉자(12)(13)가 강한 압점력으로 밀착된 상태를 계속적으로 유지하기 위한 충분한 에너지를 공급하여야 한다. 이와 같이 두 접촉자(12)(13)를 밀착시킨 상태로 계속 유지하기 위한 힘 또는 그 힘을 위해 조작기 감당하여야 하는 힘을 홀딩력이라고 하는데, 통상적으로 조작부의 홀딩력은, 지진이나 기타 외부로부터의 급격한 충격이 전해질 때에도 접점이 이탈되지 않도록 하기 위하여, 피동 요소가 요구하는 압점력보다 20% 정도 더 큰 힘이 요구된다.

또한, 송전용 고압/초고압용 차단기에 있어서는, 가동 접촉자를 매우 빠른 속도로 움직여서 순간적인 시간 내에 동작을 완료할 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 큰 조작력을 가지는 조작기를 필요로 하거나, 이것으로도 부족하면 조작기의 힘을 더욱 배가할 수 있는 개폐 장치를 필요로 하게 된다.

또한, 가동 접촉자를 빠른 속도로 동작시키면, 폐극 말미에서 가동 접촉자가 고정 접촉자에 큰 충격으로 부딪히는 문제가 생길 수 있다. 즉, 가동 접촉자의 이동 거리 및 시간은 조작기의 이동 거리 및 시간에 비례하기 때문에, 조작기의 이동이 그대로 가동 접촉자에 비례적으로(선형적으로) 반영되고, 그에 따라 폐극 말미에서도 매우 빠른 속도를 가지게 됨으로써 접촉자들이 매우 큰 충격으로 부딪히게 되는 것이다.

그런데, 종래의 개폐 장치는 위와 같은 문제들이 고려되어 있지 않아 단순히 힘을 배가하는 정도에 지나지 않았다. 따라서, 큰 압점력, 즉 큰 홀딩력을 유지하기 위해서 영구자석을 크게 구성하여야 한다. 또한, 또한 개극 시에는 매우 빠른 속도를 필요로 하나, 종래에는 조작기의 용량 즉, 사이즈를 키우지 않고서는 이를 달성할 수가 없다. 이러한 문제들 때문에 조작기의 조작력 및 조작 속도를 증가시키고 사이즈를 줄이기 위해 연구해 왔던 그간의 노력이 반감될 수밖에 없고, 개선된 조작기의 효과도 반감될 수밖에 없는 불행한 일이 발생하였다.

또한, 폐극 동작 말미에서도 조작기의 속도가 줄어들지 않기 때문에 그 충격에 의해 접점이 마모 내지 손상되는 등의 차단기 고장이 빈번해지고, 소음도 심해지는 문제가 발생하였다.

본 발명은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 특히 차단기 분야에 있어서 조작기의 조작력을 배가하여 적은 힘으로도 개폐 동작을 수행할 수 있고, 조작기의 가동자의 동작은 그대로인 채 개극 동작은 신속해지고 폐극 동작은 충격 없이 안정적으로 이루어지며, 폐극 후에는 큰 홀딩력(압점력)을 쉽게 유지할 수 있도록 한 운동 특성이 향상된 차단기용 접점 개폐 장치 및 이를 구비하는 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차단기용 접점 개폐 장치는, 고정 접촉자와, 상기 고정 접촉자에 마주보며 전후 직선운동하여 전류의 폐극 및 개극 동작을 수행하는 가동 접촉자 및 상기 가동 접촉자를 구동하기 위한 조작기를 구비하는 차단기에서, 상기 조작기와 가동 접촉자를 링크 방식으로 연결하는 개폐 장치에 있어서, 상기 가동 접촉자의 후방 측에 이격 배치된 받침점에 회동 가능하게 피벗 결합되는 제1 레버를 구비하고, 일측 단부가 상기 제1 레버의 자유 단부에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대측 단부가 상기 조작기의 가동자에 회동 가능하게 피벗 결합하는 연결 레버와, 일측 단부가 상기 제1 레버의 자유 단부와 받침점 사이의 중간 부분에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대 단부가 상기 가동 접촉자에 회동가능하게 피벗 결합하는 제2 레버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 차단기는, 고정 접촉자와 가동 접촉자를 가지는 접점부와, 사기 접점부의 가동 접촉자를 동작시켜 개극 및 폐극 동작을 수행하는 조작기를 가지는 조작부와, 상기 접점부의 가동 접촉자와 상기 조작기의 가동자 사이에 전술한 개폐 장치를 연결한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 차단기를 위한 특별한 매커니즘의 개폐 장치를 제공함으로써, 조작기로부터 가동 접촉자에 전달되는 힘이 매우 크고, 조작기의 속도는 그대로인 채 폐극 동작 말미에는 가동 접촉자의 이동이 서서히 이루어져 고정 접촉자에 안정적으로 접촉되고 개극 동작 초기에는 가동 접촉자의 이동이 신속히 이루어져 고정 접촉자로부터 신속하게 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 조작기의 힘이 배가되는 만큼 조작기의 사이즈를 축소할 수 있고, 가동자의 동작 특성에 차단기의 바람직한 개폐 특성이 그대로 반영되어 매우 안정적이면서도 효율적인 개폐 장치 및 차단기를 구현할 수 있다.

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

첨부 도면 도 3은 본 발명에 따른 접점 개폐 장치의 구성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차단기용 접점 개폐 장치는, 3절점 링크(three rigid frame link) 형태로 이루어진다. 즉, 본 발명의 개폐 장치는, 가동 접촉자의 후방 측에 이격 배치된 받침점에 회동 가능하게 피벗 결합되는 제1 레버(L1)를 구비하고, 일측 단부가 상기 제1 레버(L1)의 자유 단부에 회동가능하게 피벗 결합하 고 반대측 단부가 상기 조작기의 가동자에 회동 가능하게 피벗 결합하는 연결 레버(Act_L)와, 일측 단부가 상기 제1 레버(L1)의 자유 단부와 받침점 사이의 중간 부분에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대 단부가 상기 가동 접촉자에 회동가능하게 피벗 결합하는 제2 레버(L2)를 포함한다.

도 4 내지 도 6에는 상기한 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 변위 해석을 위한 것으로서, 도 4에는 해석에 사용된 도면이 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 분석 결과에 따른 조작기 변위와 접점 변위의 상관 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 4의 분석 결과에 따른 그래프와 수치 해석 결과에 따른 조작기 변위와 접점 변위의 상관 관계를 비교하여 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도면에서 조작기의 변위가 영(0)일 때가 개극 상태이고, 조작기의 변위가 약 3mm일 때가 폐극 상태이다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 3절점 개폐 장치에 의하면, 조작기의 변위(actuator stroke)에 따라 접점 변위(VI stroke)가 비선형적으로 변화한다. 조작기의 속도는 일정함에 비해 가동 접촉자의 속도는 변화한다. 폐극 동작 말미로 갈수록 즉, 접점이 가까워질수록 접점 변위의 변화량이 매우 작아진다. 다시 말해서, 폐극 동작 말미에서 조작기는 처음과 같은 속도로 이동하더라도 접점은 천천히 변화하는 특성을 보인다. 이에 의하면, 폐극 동작 말미에서 접점이 가까워지는 속도가 감소되어 접점이 급작스럽게 부딪히지 않고 느리고 안정적으로 접촉한다는 것을 의미한다. 다른 한편으로, 개극 초기에는 조작기의 속도에 비해 접점의 개극 속도가 매우 빨리 이루어짐을 알 수 있다. 결국 본 발명의 접점 개폐 장치를 적용하면 폐극 동작 말미에서는 안정적인 동작이 접촉 이 보장되고 개극 동작 초기에는 신속한 개극 동작이 구현됨으로써 차단기의 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 조작기의 효율을 극대화할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 역학 관계를 설명하기 위한 것으로서, 도 7 및 도 8에는 3절점 개폐 장치의 역학 관계의 해석의 기초가 되는 도면이 도시되어 있고, 도 9에는 그 해석 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 조작기의 변위가 0.015 ~ 0.017m에 왔을 때 가동 접촉자의 압점 스프링(도 2 참조)에 최초로 접하게 되는데, 그로부터 조작기가 큰 힘(약 6,000N)을 받고 그로부터 접점 간격이 좁아질수록 조작기에 미치는 힘은 변위에 비례하여 선형적으로 커짐에 비해, 본 발명에 따른 개폐 장치를 적용하는 경우에는 조작기에 가장 큰 힘이 전해지고 접점 간격이 짧아질수록 조작기에 가동 접촉자의 압점 스프링(도 2 참조)에 최초로 접하게 되었을 때 조작기에 가장 큰 힘이 전해지고 접점 간격이 좁아질수록 작아진다. 따라서, 본 발명에 따른 개폐 장치를 적용한 경우에는 조작기가 감당해야 할 힘도 약 3,500N 정도로서 종래의 약 6,000N에 비해 현저하게 줄어든다.

(실시예)

도 10 내지 도 13은 본 발명의 접점 개폐 장치를 25.8kV/25kA 차단기에 적용한 경우의 규격 및 각종 특성의 측정 그래프를 보여주는 것으로서, 도 10에는 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치를 25.8kV, 25kA의 차단기에 적용하였을 때의 규격을 나타내는 도면이 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 실시예에 따른 개폐 장치와 종 래의 1:2 단순 지레 형태의 개폐 장치를 적용한 실제 조작기에서, 폐극 동작시 조작기 변위에 따른 접점 변위를 측정하여 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 12에는 도 10의 실시예에서 폐극 동작시 압점력이 조작기에 미치는 힘을 비교하여 나타낸 도면이 도시되어 있으며, 도 13에는 도 10의 실시예에 따른 3절점 개폐 장치와 종래의 1:2 단순 지레 형태의 개폐 장치의 변위를 비교하여 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 3절점 링크 형태의 개폐 장치를 적용한 경우에는, 조작기가 감당해야 하는 조작력이 줄어들고, 접점 변위가 폐극시 동작 말미에서는 느리게 변화함으로써 접촉자의 안정적인 접촉이 보장되고, 개극 동작 초기에는 접점 변위가 신속하게 변화되므로, 본 발명의 개폐 장치에 의하면 차단기의 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 조작기의 효율을 극대화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 위와 같은 점에 의해 본 발명은 종래에 1:2 단순 지레 형태의 조작기의 부피가 170×180×100mm(=3,060,000㎣)이던 것을 110×117×100mm(=1,287,000㎣)으로 줄일 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 차단기를 위한 특별한 매커니즘의 개폐 장치가 제공됨으로써, 조작기로부터 가동 접촉자에 전달되는 힘이 매우 크고, 조작기의 속도는 그대로인 채 폐극 동작 말미에는 가동 접촉자의 이동이 서서히 이루어져 고정 접촉자에 안정적으로 접촉되고 개극 동작 초기에는 가동 접촉자의 이 동이 신속히 이루어져 고정 접촉자로부터 신속하게 떨어질 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 조작기의 힘이 배가되는 만큼 조작기의 사이즈를 축소할 수 있고, 가동자의 동작 특성에 차단기의 바람직한 개폐 특성이 그대로 반영되어 매우 안정적이면서도 효율적인 개폐 장치 및 차단기를 구현할 수 있다.

이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예가 상세하게 설명되었으나, 이는 하나의 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예는 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래의 차단기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 접점 개폐 장치를 단순화하여 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 접점 개폐 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 변위 해석에 사용된 도면이다.

도 5는 도 4의 분석 결과에 따른 조작기 변위와 접점 변위의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 도 4의 분석 결과에 따른 그래프와 수치 해석 결과에 따른 조작기 변위와 접점 변위의 상관 관계를 비교하여 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 역학 관계의 해석에 사용된 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 역학 관계의 해석에 사용된 또 다른 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 3절점 개폐 장치의 역학 관계 해석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예로서, 본 발명의 3절점 개폐 장치를 25.8kV, 25kA의 차단기에 적용하였을 때의 규격을 나타내는 도면이다.

도 11은 도 10의 실시예에 따른 개폐 장치와 종래의 1:2 단순 지레 형태의 개폐 장치를 적용한 실제 조작기에서, 폐극 동작시 조작기 변위에 따른 접점 변위를 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 12는 도 10의 실시예에서 폐극 동작시 압점력이 조작기에 미치는 힘을 비교하여 나타낸 도면이다.

도 13은 도 10의 실시예에 따른 3절점 개폐 장치와 종래의 1:2 단순 지레 형태의 개폐 장치의 변위를 비교하여 나타낸 그래프이다.

Claims (2)

1. 전류의 폐극 및 개극 동작을 수행하는 접점부와, 상기 접점부를 폐극 및 개극 동작시키기 위한 조작기를 구비하는 차단기에서, 상기 조작기와 접점부를 링크 방식으로 연결하는 개폐 장치로서,

   상기 접점부에 연결된 로드 단부로부터 이격 배치된 받침점에 회동 가능하게 피벗 결합되는 제1 레버와,

   상기 제1 레버의 자유 단부에 일측 단부가 회동가능하게 피벗 결합하고 반대 측 단부는 상기 조작기의 가동자 쪽에 연결되어 가동자의 운동을 상기 제1 레버에 전달하는 연결 레버와,

   일측 단부가 상기 제1 레버의 자유 단부와 받침점 사이의 중간 부분에 회동가능하게 피벗 결합하고 반대 측 단부가 상기 접점부 로드에 회동가능하게 피벗 결합하는 제2 레버를 포함하여,

   상기 조작기의 변위에 대한 상기 접점의 상대적 변위가 사인 함수 형태의 비선형적으로 변화하고, 접점의 개극 초기 구간에서의 속도는 전체 전극 거리의 중간 70% 구간에서의 평균속도에 비해 크고, 접점의 폐극 말기 구간에서의 속도는 전체 전극 거리의 중간 70% 구간에서의 평균속도에 비해 작은 것을 특징으로 하는 운동 특성이 향상된 차단기용 접점 개폐 장치.
2. 전류의 폐극 및 개극 동작을 수행하는 접점부와,

   상기 접점부를 폐극 및 개극 동작시키기 위한 조작기와,

   상기 조작기와 접점부를 링크 방식으로 연결하는 청구항 1에 기재된 개폐 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단기.

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