KR20140006118U - 가스절연개폐장치의 아크접점 구조 - Google Patents

Abstract

이 고안은 가스절연개폐장치(GIS)의 아크접점구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 접점의 구조가 슬라이딩형으로 형성되어 스트로크 속도가 향상되며, 전류 차단시의 재점호 가능성이 감소되는 가스절연개폐장치의 아크접점구조에 관한 것이다.
본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치 아크접점구조는 제1가동부와 제2가동부로 구성되어 이중동작이 수행되는 가스절연개폐장치(GIS)에 적용되는 것으로, 상기 제2가동부의 제2가동 아크접촉자는 봉으로 이루어지고 단부에 아크접점이 형성되는 중심부재와 상기 중심부재를 감싸며 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하게 층을 이루어 결합되는 다수개의 실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스절연개폐장치의 아크접점 구조{ARC Contact Structure of Gas Insulated Switchgear}

이 고안은 가스절연개폐장치(GIS)의 아크접점구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 접점의 구조가 슬라이딩형으로 형성되어 스트로크 속도가 향상되며, 전류 차단시 과도회복전압에 의한 재점호 가능성이 감소되는 가스절연개폐장치의 아크접점구조에 관한 것이다.

일반적으로, 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear)는 전기계통의 전원측과 부하측간 회로상에 설치되어 정상적인 전류상태에서 인위적으로 회로를 개폐할 때 또는 회로상에 지락이나 단락 등 이상전류가 발생하였을 때 전류를 안전하게 차단하여 전력계통 및 부하기기를 보호하는 전기기기로서 주로 초고압기기용으로 사용된다.

이러한 가스절연개폐장치는 정상상태에서는 정격전류와 정격전압을 운전할 수 있도록 통전성능과 절연성능이 유지되어야 하며, 과전류 등 이상상태에서는 사고전류를 차단할 수 있는 차단성능을 확보해야 한다. 즉, 정상상태에서는 접점이 접촉한 상태를 유지하여 통전이 가능한 상태로 유지되며, 이상상태에서는 접점이 분리되면서 차단 성능을 확보한다. 따라서 접점의 위치와 움직임은 차단 성능 확보에 있어서 중요한 역할을 하고 있다.

초고압 차단기에서 접점은 주접점과 아크접점 두 가지로 분류되며, 차단 시 주접점의 개극이 먼저 발생하고 아크접점이 뒤이어 개극하는 구조를 가진다. 이때, 개극 후 아크접점에 발생하는 아크를 소호하기 위해 가스절연개폐장치는 트립작동시 압축실에서 압축된 절연성이 우수한 육불화황(SF6)가스와 같은 소호가스를 노즐을 통해 분사시켜 회로차단 동작시 발생하는 아크를 소호시켜 주게 된다. 소호기구로는 포퍼(Puffer)구조 또는 복합소호구조와 같은 방식을 가진다.

전류가 차단된 후에는 극간에 인가되는 과도회복전압(Transient Recovery Voltage)으로 인해 재점호(Restrike)가 일어날 가능성이 많으며, 따라서 이러한 재점호에 의한 차단기의 차단 실패(Breakdown)를 방지하기 위해서 접점의 움직임을 고려한 설계가 요구된다. 즉, 차단기의 차단 실패를 방지하기 위해서는 기본적으로 과도회복전압에 의한 전계분포가 임계전계 세기보다 낮아야 하는데, 여기서 접점의 위치에 따라 전계분포가 결정되므로 접점의 움직임이 중요하며 이에 대한 주요인자는 스트로크의 속도가 된다.

과도회복전압(Transient Recovery Voltage)으로 인한 재점호(Restrike)의 발생 방지와 관련한 선행기술로 대한민국 등록특허 제10-1231764호 '가스절연개폐장치'를 참조할 수 있다. 이 발명에서는 가동 메인 접접 부재(312)를 감싸는 쉴드(313)를 구비하여 재점호 발생 가능성을 줄이도록 하고 있다. 다만, 이것은 주접점에 관한 것으로 아크접점에 적용하기에는 어렵다는 문제점이 있다.

한편, 아크접점의 동작속도를 높이기 위하여 과거 고정부와 가동부로 구성되던 구조를 개선하여 제1가동부와 제2가동부로 구성되어 이중동작을 수행하는 가스절연개폐장치가 개발되었다. 이러한 선행기술의 예로 대한민국 등록특허 제10-0618605호 '가스절연 차단기의 개폐장치'를 들 수 있다.

도 1 내지 도 3에 종래기술에 따른 이중동작을 수행하는 가스절연개폐장치가 도시되어 있다. 도면을 참조하여 이러한 이중동작이 실현되는 원리를 살펴보기로 한다. 도 1은 투입 상태, 도 2는 소호 상태, 도 3은 개리상태를 순차적으로 나타내고 있다. 이상전류가 감지되어 하부의 가동측에 연결된 듀얼로드(1)가 하방으로 이동하면 제2가동 아크접촉자(2)의 상단에 형성된 듀얼포크(3)에 일단이 결합되어 있는 듀얼레버(4)의 타단부가 듀얼로드(1)의 상부에 형성된 돌기(5)에 걸려 회전하면서 제2가동 아크접촉자(2)를 상방으로 이동시키는 역할을 하도록 되어 있다. 즉, 링크기구를 형성하는 듀얼레버(4)의 힘이 제2가동 아크접촉자(2)에 전달되어 하측의 제1가동부와는 반대방향의 움직임을 나타내게 되는 것이다.

이러한 종래기술에 있어서 제2가동 아크접촉자(2)는 직선운동을 하며 제1가동부 아크접점(6)으로부터 분리되어 회로를 차단한다. 여기서 제2가동 아크접촉자(2)의 움직임을 결정지을 수 있는 요소는 오직 링크구조(1,4,5)에 의해서만 이루어진다. 즉, 제2가동 아크접촉자(2)의 이동속도는 뉴턴의 제2법칙(F=m*dv/dt)에 있어서 링크구조(1,4,5)에 의해 전달되는 힘과 제2가동 아크접촉자(2)의 질량에 의해 결정된다.

이때, 실질적으로 이중동작이 수행되는 구간은 짧고 피동적으로 움직이는 제2가동 아크접촉자(2)의 이동속도에는 한계가 있다는 문제점이 있다.

본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 아크 접점의 구조가 슬라이딩형으로 형성되어 스트로크 속도가 향상되며, 전류 차단시 과도회복전압에 의한 재점호 가능성이 감소되는 가스절연개폐장치의 아크접점구조를 제공하는 것이다.

본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치 아크접점구조는 제1가동부와 제2가동부로 구성되어 이중동작이 수행되는 가스절연개폐장치(GIS)에 적용되는 것으로, 상기 제2가동부의 제2가동 아크접촉자는 봉으로 이루어지고 단부에 아크접점이 형성되는 중심부재와 상기 중심부재를 감싸며 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하게 층을 이루어 결합되는 다수개의 실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다수개의 실린더는 제1실린더 및 제2실린더로 구성되며, 이상전류 발생시 상기 아크접촉자가 상방으로 운동하는 경우에 상기 중심부재가 먼저 움직이게 되고 상기 중심부재가 상기 제1실린더의 상부면에 접촉하면 상기 제1실린더는 상기 중심부재와 함께 움직이게 되고, 상기 제1실린더가 상기 제2실린더의 상부면에 접촉하면 상기 제2실린더는 상기 제1실린더와 함께 움직이게 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중심부재와 상기 실린더는 서로 같은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중심부재와 상기 실린더는 중앙에서 외곽층에 형성되는 것일수록 길이가 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치 아크접점구조에 의하면 아크 접점의 구조가 슬라이딩형으로 형성되어 스트로크의 속도가 향상되므로 차단에 필요한 시간이 감소되는 효과가 있다.

또한, 전류 차단시 과도회복전압으로 인한 재점호 가능성이 감소되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 가스절연개폐장치의 작동상태 단면도로서 투입상태를 나타낸다.
도 2는 도 1에서 소호상태를 나타낸다.
도 3은 도 1에서 개리상태를 나타낸다.
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점구조의 상세단면도이다.
도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점구조의 동작상태도로서 투입상태를 나타낸다.
도 6은 도 5에서 소호상태를 나타낸다.
도 7은 도 5에서 개리상태를 나타낸다.

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

본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점 구조는 제1가동부와 제2가동부로 구성되어 이중동작이 수행되는 가스절연개폐장치(GIS)에 있어서, 상기 제2가동부의 제2가동 아크접촉자(10)는 봉으로 이루어지고 단부에 아크접점(21)이 형성되는 중심부재(20)와 상기 중심부재(20)를 감싸며 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하게 층을 이루어 결합되는 다수개의 실린더(30,40)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점구조의 상세단면도이다. 도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점구조의 동작상태도로서 투입상태를 나타내고, 도 6은 소호상태, 도 7은 개리상태를 나타낸다. 도면을 참조하여 본 고안의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치는 소호장치 내에서 이중동작을 구현하기 위해서 제1가동부와 제2가동부로 나누어 구성된다. 제1가동부는 압축실린더(62), 제1가동접촉자(63), 노즐(64), 작동로드(65)를 포함할 수 있으며, 제2가동부는 제2가동 아크접촉자(10), 듀얼포크(15), 듀얼로드(51), 링크(52)를 포함할 수 있다.

이상전류가 감지되어 제2가동부의 듀얼로드(51)가 하방으로 이동하면 제2가동 아크접촉자(10)의 상단에 형성된 듀얼포크(15)에 일단이 결합되어 있는 링크(52)의 끼움부가 듀얼로드(51)의 상부에 형성된 돌기(51a)에 걸려 회전하면서 제2가동 아크접촉자(10)를 상방으로 이동시키는 역할을 하도록 되어 있다.

도 5를 참조하면, 제2가동 아크접촉자(10)는 다단으로 형성된다. 가장 중심부에는 중심부재(20)가 마련된다. 중심부재(20)는 봉 형상으로 이루어지며 단부에는 아크접점(21)이 형성된다. 중심부재(20)의 직경은 종래기술에 따른 아크접촉자의 직경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이것은 질량을 가볍게 하여 운동량을 줄이기 위한 목적이다. 중심부재(20)의 상부에는 걸림턱(22)이 형성된다.

중심부재(20)의 주변에는 중심부재(20)를 감싸는 실린더가 마련된다. 실린더는 다수개로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 제1실린더(30)와 제2실린더(40)로 구성된 예로 설명한다.

제1실린더(30)는 중심부재(20)를 감싸도록 형성된다. 즉, 중심부재(20)는 제1실린더(30) 내에 슬라이딩 가능하게 결합된다. 중심부재(20)가 슬라이딩하며 상방으로 이동하다가 걸림턱(22)이 제1실린더(30)의 상부면(31)에 닿게 되면 제1실린더(30)는 중심부재(20)와 함께 이동하게 된다.

제2실린더(40)는 제1실린더(30)의 외부에 형성된다. 즉, 제1실린더(30)는 제2실린더(40) 내부에 슬라이딩 가능하게 결합된다. 제1실린더(30)가 슬라이딩하며 상방으로 이동하다가 제1실린더(30)의 상부면(31)이 제2실린더(40)의 상부면(41)에 닿게 되면 제2실린더(40)는 제1실린더(30)와 함께 이동하게 된다.

중심부재(20)와 제1실린더(30) 및 제2실린더(40)는 모두 동일한 재질로 형성될 수 있다. 이는 제작, 설계, 작용에 있어서 용이하게 하기 위한 조치이다.

중심부재(20)와 제1실린더(30) 및 제2실린더(40)의 길이를 비교하였을 때, 제1실린더(30)의 길이는 중심부재(20)의 길이보다 짧게 형성되고, 제2실린더(40)의 길이는 제1실린더(30)의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. 이는 일 요소가 타 요소 내부에서 슬라이딩하며 삽입될 때 내부로 완전히 인입되어 함몰되지 않도록 하기 위함이다.

본 고안에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점 구조는 이외에도 슬라이딩이 가능한 봉과 다수의 실린더로 형성되어 압축 또는 신장이 가능한 아크접촉자라면 어떠한 것이라도 가능하다.

중심부재(20)와 제1실린더(30) 및 제2실린더(40)는 각각 자유롭게 슬라이딩이 가능하게 형성되므로 관성에 의한 운동이 자유롭게 이루어질 수 있다. 또한, 중심부재(20)는 제1실린더(30) 내에서 슬라이딩하여 삽입되고, 제1실린더(30)는 제2실린더(40) 내에서 슬라이딩하여 삽입되므로, 각각 신장되어 펼쳐진 최대거리와 각각 슬라이딩 압축되어 줄어든 최소거리 사이에는 상당량의 변위차가 형성될 수 있다.

도 6,7을 참조하여 본 고안의 일 실시예에 따른 가스절연개폐장치의 아크접점 구조의 작용을 설명하기로 한다.

이상전류가 감지되어 제2가동부의 듀얼로드(51)가 하방으로 이동하면 제2가동 아크접촉자(10)의 상단에 형성된 듀얼포크(15)에 일단이 결합되어 있는 링크(52)의 끼움부가 듀얼로드(51)의 상부에 형성된 돌기(51a)에 걸려 회전하면서 제2가동 아크접촉자(10)를 상방으로 움직이게 된다. 이에 따라, 듀얼포크(15)에 결합되어 있는 중심부재(20)는 제1실린더(30)의 내부에서 슬라이딩하며 상방운동을 하게 된다. 중심부재(20)의 걸림턱(22)이 제1실린더(30)의 상부면(31)에 닿게 되면 제1실린더(30)는 중심부재(20)와 함께 이동하게 된다. 제1실린더(30)가 제2실린더(40)의 내부에서 슬라이딩하며 상방으로 운동하여 제1실린더(30)의 상부면(31)이 제2실린더(40)의 상부면(41)에 닿으면 제2실린더(40)는 중심부재(20) 및 제1실린더(30)와 함께 움직이게 된다.

링크기구(51,52)의 힘을 받아 제2가동부 아크접촉자(10)가 움직이는 경우에 있어서 물리량을 고려해 보면 다음과 같다. 종래기술에 따른 아크접촉자의 질량을 m이라 하고, 본 고안의 일 실시예에 따른 중심부재(20)의 질량을 m1, 제1실린더(30)의 질량을 m2, 제2실린더(40)의 질량을 m3라고 하자. 여기서 m = m1 + m2 + m2 로 형성된다. 이와 달리, m < m1 + m2 + m2 이 경우에 있어서도, 그 차이는 크지 않도록 설계된다면, m1은 m보다는 현저하게 작게 된다. 따라서, 뉴튼의 제2법칙인 f = m × (dv/dt) 에 따르면 링크기구에서 받는 힘 f 는 동일하므로 종래 아크접촉자가 받는 가속도보다 중심부재(20)가 받는 가속도는 크게 된다. 즉, 중심부재(20)만 움직이는 동안에는 종래의 아크접촉자가 움직이는 속도보다 현저하게 크게 일어나게 되는 것이다. 이는 중심부재(20)와 제1실린더(30)만 움직이는 경우에도 같은 결과를 낳는다. 따라서, 중심부재(20)만 제1실린더(30)에 삽입되는 과정과 중심부재(20)와 제1실린더(30)만이 가동하는 과정은 속도의 향상이 일어나게 되는 것이다. 이로 인해, 아크접촉자가 분리되는 경우 종래기술에 비해 빠르게 분리가 일어나는 효과가 나타난다.

따라서, 아크접점(21a)의 분리속도는 매우 빠르게 일어나며 차단성능이 증진되고 과도회복전압에 따른 재점호의 가능성도 줄어들게 되므로 차단 실패의 가능성도 감소하는 효과가 나타난다.

비록 본 고안이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 고안의 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 제2가동 아크접촉자 15 듀얼포크
20 중심부재 21 아크접점
22 걸림턱 30 제1실린더
31 상부면 40 제2실린더
41 상부면 51 듀얼로드
51a 돌기 52 링크
62 압축실린더 63 제1가동접촉자
64 노즐 65 작동로드

Claims (4)

1. 제1가동부와 제2가동부로 구성되어 이중동작이 수행되는 가스절연개폐장치(GIS)에 있어서,
   상기 제2가동부의 제2가동 아크접촉자는,
   봉으로 이루어지고 단부에 아크접점이 형성되는 중심부재와, 상기 중심부재를 감싸며 길이방향을 따라 슬라이딩 가능하게 층을 이루어 결합되는 다수개의 실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 아크접점 구조.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 실린더는 제1실린더 및 제2실린더로 구성되며,
   이상전류 발생시 상기 아크접촉자가 상방으로 운동하는 경우에 상기 중심부재가 먼저 움직이게 되고 상기 중심부재가 상기 제1실린더의 상부면에 접촉하면 상기 제1실린더는 상기 중심부재와 함께 움직이게 되고, 상기 제1실린더가 상기 제2실린더의 상부면에 접촉하면 상기 제2실린더는 상기 제1실린더와 함께 움직이게 되는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 아크접점 구조.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 중심부재와 상기 실린더는 서로 같은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 아크점접 구조.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 중심부재와 상기 실린더는 중앙에서 외곽층에 형성되는 것일수록 길이가 짧은 것을 특징으로 하는 가스절연개폐장치의 아크점접 구조.

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