KR20140061889A - 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컵(Cup) 형상의 전극 구조를 갖는 축자계 방식의 진공인터럽터에 있어서, 접점의 중심부에는 홈이 형성되어 전류 차단시 아크의 발생이 방지되며, 접점의 중심부 영역보다 접점의 중심부와 외곽부 사이의 영역에서 축방향 자속밀도가 상대적으로 크게 발생되도록 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조는 제1바닥부와 원통 형상의 제2측면부로 이루어지고 상기 제1측면부에는 상기 제1바닥부에 대하여 일정한 기울기를 갖는 다수개의 제1슬릿이 형성되는 외부도체; 제2바닥부와 원통 형상의 제2측면부로 이루어지고 상기 외부도체의 내부에 설치되며, 상기 제2측면부에는 상기 제2바닥부에 대하여 일정한 기울기를 가지며 상기 제1슬릿부의 기울기의 방향과 반대방향을 갖는 다수개의 제2슬릿부가 형성되는 내부도체; 및 상기 외부도체의 상면에 결합되는 접촉판;을 포함하여 구성된다.

Description

축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조{CONTACT STRUCTURE OF AXIAL MAGNETIC FIELD TYPE VACUUM INTERRUPTER}

본 발명은 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컵(Cup) 형상의 전극 구조를 갖는 축자계 방식의 진공인터럽터에 있어서, 접점의 중심부에는 홈이 형성되어 전류 차단시 아크의 발생이 방지되며, 접점의 중심부 영역보다 접점의 중심부와 외곽부 사이의 영역에서 축방향 자속밀도가 상대적으로 크게 발생되도록 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조에 관한 것이다.

일반적으로 진공차단기는 고압 전력계통에 설치되어 단락이나 과전류 등의 위험상황이 발생할 경우 회로를 차단하여 전력계통을 보호하도록 구성된 회로차단기의 일종으로서 진공상태에서의 절연성능과 아크 소호력이 우수한 점을 활용하여 설계된 것이다.

이러한 진공차단기에 있어서 핵심부품은 진공인터럽터로 밀폐된 진공관 내에서 위와 같은 회로의 통전 및 차단 기능을 수행하는 것으로 고정전극과 상기 고정전극에 접촉 또는 분리될 수 있는 가동전극을 포함하고 있으며, 특히 고정전극과 가동전극이 직접 맞닿게 되는 부분을 접점이라 한다. 회로 접점부에는 대전류가 흐르게 되는데 접점에 아무런 설계를 반영하지 않은 평판접점을 사용할 경우 접점개리시 고온의 아크가 수축하여 접점중심에 고정되게 된다. 이를 핀치 효과(pinch effect)라 한다. 이를 방지하기 위해 고안된 접점형상으로 크게 축자계 방식(Axial magnetic field)과 횡자계 방식(Radial magnetic field)이 있다. 축자계 방식에서는 아크를 바로 확산시켜 아크의 수축을 미연에 방지하는 방법을 이용하고, 횡자계방식에서는 아크의 수축은 허용하되 아크를 회전시켜 아크에너지를 분산시키는 방법을 이용한다.

이 중에서 축자계 방식의 진공인터럽터는 축자계 전극 구조를 가지는데, 전극의 외주면으로 전류가 회전하여 고정전극과 가동전극 사이에서 축방향의 자속이 형성되도록 하는 구조이다. 축방향의 자속은 진공인터럽터가 차단 동작을 할 때 발생하는 아크를 접촉면 표면에 확산되도록 하여 아크의 집중에 의한 전극 표면의 손상을 방지하고 전류의 차단을 용이하게 한다.

이러한 축자계 전극 구조에는 크게 도 1의 코일형 전극 구조와 도 2의 컵형 전극구조가 있다. 도 1의 코일형 전극 구조는 전극의 전류 통전 경로를 코일형상으로 만들어 전극 표면에 축방향 자속을 만들게 되며, 도 2의 컵형 전극구조는 내부가 비어있는 컵 형상의 도체에 경사가 있는 슬릿을 만들어 전류가 통전되게 하여 축방향의 자속을 생성한다.

도 1의 예에서, 전극지지판(3)으로 유입된 전류는 각각 하부 도체연결핀(4, 6)으로 접속된 코일전극(1, 2)을 통하여 원주 방향으로 회전하는 전류(I)를 형성하게 된다. 이 전류(I)는 전극 상부 도체연결핀(5, 7)을 통하여 (도면에 도시되지 않은) 접촉 전극으로 흐르고, 이어서 이 접촉 전극에 대면하게 되는 다른 전극으로 전류(I)가 흐르게 된다. 여기서 코일전극(1, 2)에 흐르는 전류(I)에 의하여 축방향으로 자기장이 발생하게 된다.

도 2의 예에서, 컵형상의 도체(101)에 사선방향으로 여러 개의 슬릿(102)을 형성하여 전류가 흐를 수 있는 통전경로(103)이 형성된다. 이 통전경로(103)를 통하여 흐르는 전류(I)는 (도면에 도시되지 않은) 접점을 통하여 대면하는 다른 전극으로 흐르게 된다. 여기에서 통전 경로(103)로 흐르는 전류(I)에 의하여 축방향의 자기장이 발생하게 된다.

도 1의 코일형 전극 구조는 축방향 자속을 만드는 전류가 축방향과 직각을 이루는 원주 방향으로 형성된 코일형 도체(1, 2)를 통해서 흐르기 때문에 축방향 자속의 세기가 크다는 장점이 있다. 그러나, 전극을 구성하는 부품의 수가 많아 제조상의 어려움이 있고, 제조 단가가 높다. 또한, 통전경로가 길게 형성되므로 전기 저항이 크게 된다는 단점이 있다.

이와 비하여 도 2의 컵형 전극 구조는 축방향 자속을 만드는 전류가 외주면상에서 소정의 기울기를 갖는 통전경로(103)을 통해서 흐르기 때문에 상대적으로 작은 축방향 자속을 형성한다. 그러나, 구조가 일체형으로 되어 있어서 제조 단가가 적게 들고, 상대적으로 작은 전기 저항을 갖기 때문에 대전류에 의한 온도 상승폭이 상대적으로 작다는 장점을 가지고 있다.

하지만, 이러한 컵형 전극 구조에 있어서도 아크의 발생이 전극 중심부 영역에 모이기 쉽고 이로 인해 내부온도가 상승하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조에 있어서, 축자계를 생성하는 컵형 전극도체(외부도체)의 내부에 반대방향으로 전류가 흐르도록 하는 제2의 컵형 전극도체(내부도체)를 설치하여 자속밀도의 분포를 변형시켜, 중심부 영역보다는 중심부와 외곽부 사이에서 자속밀도가 높게 형성되도록 하며, 중심부에서는 아크가 발생하지 않도록 하여, 전기 저항을 낮게 하고 온도 상승을 감소시키는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극 구조를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조는 제1바닥부와 원통 형상의 제1측면부로 이루어지고 상기 제1측면부에는 상기 제1바닥부에 대하여 일정한 기울기를 갖는 다수개의 제1슬릿이 형성되는 외부도체; 제2바닥부와 원통 형상의 제2측면부로 이루어지고 상기 외부도체의 내부에 설치되며, 상기 제2측면부에는 상기 제2바닥부에 대하여 일정한 기울기를 가지며 상기 제1슬릿부의 기울기의 방향과 반대방향을 갖는 다수개의 제2슬릿부가 형성되는 내부도체; 및 상기 외부도체의 상면에 결합되는 접촉판;을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 내부도체의 두께는 상기 외부도체의 두께보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부도체의 상부면은 상기 접촉판에 맞닿게 형성되어 상기 내부도체가 상기 접촉판의 지지력을 보완할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1슬롯부 및 상기 제2슬롯부는 각각 4개 내지 10개로 균등하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 접촉판의 상부 중앙에는 홈이 형성되어 중심부에서 아크가 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 내부도체의 내경은 상기 홈의 직경과 같거나 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조에 의하면, 코일형 축자계 전극 구조와 비교하여 종래의 컵형 전극구조가 갖는 비교적 낮은 자속의 생성을 보완하여 주요 아크 발생영역인 중심부와 외곽부 사이의 영역에서 자속밀도 발생을 증대시키는 효과가 있다. 또한, 접촉판의 중심부에는 홀을 마련하여 아크의 발생을 원천적으로 감소시키는 효과가 있다. 한편, 내부도체에 의하여 접촉판의 중심부가 지지될 수 있으므로, 별도로 접촉판의 지지를 위한 부품을 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 코일형 축자계 전극의 사시도이다.
도 2는 종래기술에 따른 컵형 축자계 전극의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컵형 축자계 전극의 사시도이다.
도 4는 도 3의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 3에서 접촉판을 제거한 상태의 사시도이다.
도 6은 도 3에서 외부도체의 사시도이다.
도 7은 도 3의 단면도이다.
도 8은 도 7의 전극 표면에서의 자속밀도 분포를 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.

본 발명의 일 실시예에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조에 있어서, 제1바닥부와 원통 형상의 제1측면부로 이루어지고 상기 제1측면부에는 상기 제1바닥부에 대하여 일정한 기울기를 갖는 다수개의 제1슬릿이 형성되는 외부도체(10); 제2바닥부와 원통 형상의 제2측면부로 이루어지고 상기 외부도체의 내부에 설치되며, 상기 제2측면부에는 상기 제2바닥부에 대하여 일정한 기울기를 가지며 상기 제1슬릿부의 기울기의 방향과 반대방향을 갖는 다수개의 제2슬릿부가 형성되는 내부도체(20); 및 상기 외부도체의 상면에 결합되는 접촉판(30);을 포함하여 구성된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조의 사시도, 도 4는 도 3의 부분 절개 사시도, 도 5는 도 3에서 접촉판을 제거한 상태의 사시도, 도 6은 도 3의 단면도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조의 구성을 살펴보기로 한다.

외부도체(10)는 제1바닥부(11)와 원통 형상으로 형성되는 제1측면부(12)를 갖는 컵(cup) 형상으로 형성된다. 외부도체(10)는 동(copper) 등 전도성이 우수한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

제1슬릿(13)이 외부도체(10)의 제1측면부(12)에 형성된다. 제1슬릿(13)은 외부도체(10)의 제1측면부(12)에 원주방향을 따라 제1바닥부(11)를 이루는 면에 대해 일정한 기울기를 갖고 형성된다. 이 때, 기울기는 제1측면부(12)의 높이와 제1슬릿(13)의 원주방향 각도(즉, 도 6에서의 각 'B')에 의해 결정될 것이다. 물론, 제1슬릿(13)의 경사부가 반드시 제1측면부(12)의 최하단부에서 시작될 필요는 없다.

제1슬릿(13)의 갯수는 외부도체(10)의 크기와 각 슬릿 사이의 면으로 형성되는 통전경로에 흐르는 전류량 등을 고려하여 적절하게 설계되어야 하는데, 통상적으로 4개 내지 10개로 형성되는 것이 바람직하다. 도 3 내지 도 8에는 제1슬릿(13)의 갯수가 6개로 형성된 실시예가 도시되어 있다.

제1슬릿(13)의 원주방향 각도(즉, 도 6에서의 각 'B'를 말하는 것으로 슬릿형성각이라고도 한다)는 외부도체(10)의 높이와 통전량, 중심에서 외부에 이르는 자속밀도의 변화량 등을 고려하여 설계되어야 하는 것으로, 90°내지 150°사이로 형성되는 것이 바람직하다.

외부도체(10)의 하부에는 외부도체(10)와 마찬가지로 동(copper) 등의 재질로 형성되고 외부로부터 전기적으로 접속되며 외부도체(10)를 물리적으로 지지하는 지주(40)가 형성된다.

외부도체(10)의 제1바닥부(11) 상면에는 후술하는 내부도체(20)가 결합될 수 있는 안착홈(15)이 형성될 수 있고, 안착홈(15)의 중심에는 지주(40)가 관통결합될 수 있는 결합홀(16)이 형성될 수 있다.

내부도체(20)는 외부도체(10)와 마찬가지로 제2바닥부(21)와 원통 형상으로 형성되는 제2측면부(22)를 갖는 컵(cup) 형상으로 형성된다. 내부도체(20)의 재질 역시 동(copper) 등 전도성이 우수한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

제2슬릿(23)이 내부도체(20)의 제2측면부(22)에 형성된다. 제2슬릿(23) 역시 제1슬릿(13)과 마찬가지로 내부도체(20)의 제2측면부(22)에 원주방향을 따라 제2바닥부(21)를 이루는 면에 대해 일정한 기울기를 갖고 형성된다. 그러나, 제2슬릿(23)의 경사방향은 제1슬릿(13)의 경사방향과 반대로 형성된다. 즉, 제1슬릿(13)이 제1측면부(12)를 따라 제1바닥부(11)에 대하여 반시계 방향으로 경사를 이루며 형성된다면, 제2슬릿(23)은 제2측면부(22)를 따라 제2바닥부(21)에 대하여 시계 방향으로 경사를 이루며 형성된다. 물론, 제2슬릿(23)의 기울기도 제2측면부(22)의 높이와 제2슬릿(23)의 원주방향 각도에 의해 결정될 것이다.

제2슬릿(23)의 갯수는 내부도체(20)의 크기와 각 슬릿 사이의 면으로 형성되는 통전경로에 흐르는 전류량, 외부도체(10)에 의하여 형성되는 자속밀도와의 상대적 관계 등을 고려하여 적절하게 설계되어야 하는데, 제1슬릿의 갯수±3개의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. 도 3 내지 도 8에 제2슬릿(23)의 갯수가 6개로 형성된 실시예가 도시되어 있다.

내부도체(20)는 외부도체(10)의 내부에 형성된 안착홈(15)에 결합된다. 이 때 결합방식은 접합이나 용접에 의한 다양한 공지의 방법이 적용될 수 있고, 바람직하게는 브레이징 결합에 의하여 결합될 수 있다.

내부도체(20)의 높이는 외부도체(10)에 결합된 상태에서 볼 때, 외부도체(10)의 높이보다 같거나 작게 형성되어야 한다.

내부도체(20) 제2측면부(22)의 두께는 외부도체(10) 제1측면부(12)의 두께보다 작게 형성되도록 할 수 있다. 이로써, 내부도체(20)에 흐르는 전류의 전기저항이 외부도체(10)에 흐르는 전류의 전기저항보다 크게 형성되도록 하여 외부도체(10)를 따라 흐르는 전류량이 내부도체(20)를 따라 흐르는 전류량보다 많도록 할 수 있다.

접촉판(30)은 외부도체(10)의 상부면에 결합되는 판상의 구조체이다. 접촉판(30)은 원판의 형상으로 형성되며, 재질은 전도성, 내전압성이 우수한 것으로 형성될 수 있는데 동-크롬(coper-chromium) 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하다.

접촉판(30)은 전극의 최상층부를 이루는 것으로 전극(100)과 쌍을 이루는 다른 전극에 직접 맞닿게 되는 부분으로, 분리 및 접촉이 반복적으로 일어나며 표면에는 아크(arc)가 발생할 수 있다.

접촉판(30)의 중심부에는 홈(32)이 형성되어 아크(arc)가 형성되지 않도록 할 수 있다. 이 때, 홈(32)의 직경은 내부도체(20)의 직경과 같거나 작게 형성되는 것이 바람직하다.

접촉판(30)의 상면 외측부는 경사면을 이루도록 깍여서 전극의 접촉 및 분리가 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

접촉판(30)에는 외측으로부터 내측에 이르는 제3슬릿(32)이 다수개 형성된다. 제3슬릿(32)은 접촉판(30)의 최외곽으로부터 중심을 향하여 우측편심을 갖도록 경사각(도 3의 각 'A')을 갖고 형성된다. 이 때 경사각은 0° 내지 45°로 형성된다.

제3슬릿(31)의 갯수는 제1슬릿(13)의 수와 동일하게 형성되며 제3슬릿(31)의 최외곽부는 제1슬릿(13)의 최상단부와 만난다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조의 작용을 살펴보기로 한다.

외부도체(10)에는 다수개의 제1슬릿(13)의 사이사이에 반시계 방향을 따라 전류 I₁이 흐를 수 있는 제1통전경로(14)가 형성된다.

내부도체(20)에는 외부도체(10)의 제1슬릿(13)과 반대 방향의 기울기를 갖는 제2슬릿(23)의 사이사이에 시계 방향을 따라 전류 I₂가 흐를 수 있는 제2통전경로(24)가 형성된다.

내부도체(20)의 외경(D₂)은 외부도체(10)의 외경(D₁)의 1/2보다 작게 형성되며, 접촉판(30)의 상면 중앙에 형성된 홈(32)의 직경(D₃)보다 크게 형성된다. 한편, 내부도체(20)의 내경은 접촉판(30)의 홈(32)의 직경과 같거나 크게 형성된다.

즉,

D₁ > D₂ > D₃

와 같이 된다.

내부도체(20)의 두께(W₂)는 외부도체(10)의 두께(W₁)보다 작게 형성되어, 내부도체(20)의 전기 저항이 외부도체(10)의 전기 저항보다 커지게 된다. 따라서, 외부도체(10)에 흐르는 전류(I₁)가 내부도체(20)에 흐르는 전류(I₂)보다 커지게 된다.

즉,

W₁ > W₂

I₁ > I₂

와 같이 된다.

도 8에서, 지주(40)를 통해서 유입된 전류는 외부도체(10)를 통해 흐르는 전류(I₁)가 내부도체(20)을 통해 흐르는 전류(I₂)보다 많다. 이 때, 외부도체(10)를 통해 흐르는 전류(I₁)가 내부도체(20)을 통해 흐르는 전류(I₂)는 서로 반대방향으로 흐르므로, 이들 전류에 의해 생성되는 자기장의 방향도 서로 반대방향으로 형성된다. 즉, 외부도체(10)를 통해 흐르는 전류(I₁)에 의해서 생성되는 자속은 내부에서는 그림의 상방으로 향하는 자속이 생성되고, 외부에서는 하방으로 향하는 자속이 생성된다. 이와 반대로, 내부도체(20)통해 흐르는 전류(I₂)에 의해서 생성되는 자속은 내부에서는 하방으로 향하는 자속이 생성되고, 외부에서는 상방으로 향하는 자속이 생성된다.

따라서, 전극(100)에서 내부도체(20)의 내부영역( 영역 < D2 )에서는 전류(I₁)과 전류(I₂)에 의해서 생성되는 자속의 방향이 서로 반대가 되므로 상쇄되어 자속밀도가 감소한다. 그러나, 내부도체(20)의 외부와 외부도체(10)의 내부가 교차하는 영역( D1 > 영역 > D2 )에서는 전류(I₁)과 전류(I₂)에 의해서 생성되는 자속의 방향은 그림의 상방으로 향하는 같은 방향의 자속이 생성되어 증대되게 된다. 종래의 컵형 축자계 방식의 전극에서는 전극 중심부의 자속밀도가 높게 나타나지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조에서는 중심부보다는 내부도체(20)의 외부와 외부도체(10)의 내부가 교차하는 영역의 자속밀도가 높게 나타난다.

한편, 상대적으로 자속이 약한 내부영역에서 아크가 발생하게 되면 아크를 효과적으로 분산시키기 어려운 점을 고려하여 접촉판(30)의 중심부에는 홈(32)이 형성되어 아크의 발생 가능성을 원천적으로 감소시키게 된다.

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 외부도체 11 제1바닥부
12 제1측면부 13 제1슬릿
14 제1통전경로 15 안착홈
16 결합홀 20 내부도체
21 제2바닥부 22 제2측면부
23 제2슬릿 24 제2통전경로
30 접촉판 31 제3슬릿
32 홈 40 지주

Claims (6)

1. 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조에 있어서,
   제1바닥부와 원통 형상의 제1측면부로 이루어지고 상기 제1측면부에는 상기 제1바닥부에 대하여 일정한 기울기를 갖는 다수개의 제1슬릿이 형성되는 외부도체;
   제2바닥부와 원통 형상의 제2측면부로 이루어지고 상기 외부도체의 내부에 설치되며, 상기 제2측면부에는 상기 제2바닥부에 대하여 일정한 기울기를 가지며 상기 제1슬릿부의 기울기의 방향과 반대방향을 갖는 다수개의 제2슬릿부가 형성되는 내부도체; 및
   상기 외부도체의 상면에 결합되는 접촉판;을 포함하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 내부도체의 두께는 상기 외부도체의 두께보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 내부도체의 상부면은 상기 접촉판에 맞닿게 형성되어 상기 내부도체가 상기 접촉판의 지지력을 보완할 수 있는 것을 특징으로 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제1슬롯 및 상기 제2슬롯은 각각 4개 내지 10개 사이의 갯수로 균등하게 형성되는 것을 특징으로 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 접촉판의 상부 중앙에는 홈이 형성되어 중심부에서 아크가 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 내부도체의 내경은 상기 홈의 직경과 같거나 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 축자계 방식 진공인터럽터의 전극구조.

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