KR20150000144U

KR20150000144U - 가스 차단기의 팽창실 구조

Info

Publication number: KR20150000144U
Application number: KR2020130005390U
Authority: KR
Inventors: 안희섭
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-01-12

Abstract

이 고안은 가스 차단기의 팽창실 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차단시 발생하는 열가스의 압력이 낮은 경우에도 팽창실 안쪽까지 유동이 진행되어 열가스와 냉가스의 혼합이 촉진됨으로써 혼합가스의 온도가 낮게 형성되는 가스 차단기의 팽창실 구조에 관한 것이다.
전술한 요구를 해결하기 위하여 제공되는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 팽창실 구조는 고정접촉자, 상기 고정접촉자에 선택적으로 접촉 또는 분리될 수 있는 가동접촉자, 상기 가동접촉자가 결합되며 가동로드에 의해 평행이동하는 가동실린더 및 상기 가동실린더에 결합되는 주노즐과 보조노즐이 구비되어 있는 가스 차단기에 있어서, 관체로 형성되어 상기 가동실린더 내부의 팽창실에 삽입 설치되며, 상기 팽창실의 공간을 중심축을 기준으로 내측공간과 외측공간으로 나누는 배리어;를 포함하여 구성되며, 상기 배리어는 상기 고정접촉자와 가동접촉자가 분리되면서 발생하는 아크에 의해 상기 팽창실 내에 유입되는 열가스가 상기 팽창실 내부 안쪽까지 유동이 진행되어 냉가스와의 혼합이 촉진되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 차단기의 팽창실 구조{Structure of Expansion Room of High Voltage Gas Circuit Breaker}

이 고안은 가스 차단기의 팽창실 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차단시 발생하는 열가스의 압력이 낮은 경우에도 팽창실 안쪽까지 유동이 진행되어 열가스와 냉가스의 혼합이 촉진됨으로써 혼합가스의 온도가 낮게 형성되는 가스 차단기의 팽창실 구조에 관한 것이다.

일반적으로 가스 차단기(Gas Circuit Breaker) 혹은 가스절연개폐장치(Gas Insulated Switchgear)는 전기계통의 전원측과 부하측간의 회로 사이에 설치되어 회로상에 지락이나 단락 등 이상전류가 발생하였을 때 전류를 안전하게 차단하여 전력계통 및 부하기기를 보호하는 전기기기로서 주로 초고압(High Voltage)용에 사용된다. 따라서, 가스 차단기는 정상상태에서는 정격전류와 정격전압을 운전할 수 있는 통전성능과 절연성능이 유지되어야 하며, 이상상태에서는 사고전류를 차단할 수 있는 차단성능을 확보해야 한다.

가스 차단기는 외부에 연결된 조작기에서 전달되는 동력을 받아 전극을 분리하여 기계적인 차단을 하게 되는데, 이때 전극의 접점 사이에서 발생하는 아크(arc)는 SF6 등의 가스를 분사하여 전기적 차단 및 소호를 하게 된다. 즉, 접점 사이의 아크에 분사되는 가스는 고온의 아크로부터 열을 흡수하게 되고 이 과정에서 아크의 전기적 전도성이 제거되므로 차단이 이루어지게 된다.

도면을 참조하여 가스 차단기에 있어서 아크의 소호 및 전류의 차단과정을 상세히 살펴보기로 한다. 도 1a에 정상상태의 가스 차단기가 도시되어 있다. 이상전류가 발생하면 가동로드(1)가 움직여 실린더(2)를 이동시키게 된다. 이 때 전극, 즉 고정접촉자(3)와 가동접촉자(4) 사이에는 고온, 고압의 아크가 발생한다. 아크에서 발생하는 복사에너지에 의해 주노즐(5)과 보조노즐(6)의 표면에서는 용삭(ablation)이 발생하고 용삭된 고온의 증기(열가스, hot gas)는 아크의 압력에 의해 역유로(Back Flow Channel)를 통해 팽창실(7)로 유입되어 팽창실(7) 내부에 있는 냉가스(cold gas)와 혼합이 되고 팽창실(7) 내부의 압력은 증가한다(도 1b 참조).

사고 전류가 전류영점으로 진행되면서 전류의 크기는 작아지고 아크의 크기도 감소하여 압력이 낮아지는 반면, 팽창실(7)에서는 사고전류 기간 동안 고온, 고압의 열가스가 냉가스와 혼합되어 혼합가스를 이루면서 압력이 높아지게 된다. 한편, 압축실(8)에서 압축된 고압의 냉가스도 팽창실(7)에 합류되고, 고정접촉자(3)가 주노즐(5)로부터 분리되면 극간 압력이 급속히 떨어지므로 혼합가스는 팽창실(7)에서 극간을 향하여 분사되게 된다. 팽창실(7)에서 극간으로 분사되는 혼합가스는 아크의 열에너지를 흡수하여 전기적 전도성을 감소시켜 전기적 차단을 완료하게 된다(도 1c 참조).

이때, 아크에 대한 차단 성능을 증대시키 위해서는 팽창실(7)에서 분사되는 가스의 압력이 높고, 온도가 낮을수록 차단에 유리하게 된다. 즉, 위와 같은 가스 차단기에 있어서 아크에 분사되는 혼합가스의 압력과 온도는 차단성능을 결정하는 주요한 인자(factor)가 된다.

그런데, 종래기술에 있어서는 혼합가스의 분사를 제어하기 위하여 차단기의 설계 시 팽창실의 크기, 가동로드의 이동속도, 혼합가스의 배출시점, 압축실의 개폐시점을 조절하는 방식 등을 주로 활용하였는데, 이는 대부분 높은 압력을 유지하는데 초점을 맞추고 있는 것이다. 예를 들면, 대한민국 공개특허 제10-2013-0011181호 '가스 절연 차단기', 공개특허 제10-2012-0002779호 '가스절연개폐장치용 복합 소호형 가스차단기', 등록특허 제10-1048005호 '압축실 분출가스 제어형 복합 소호 차단기' 등이 그러하다. 즉, 종래기술에 있어서는 고온, 고압의 열가스가 팽창실에 유입되어 팽창실 내부에 존재하는 냉가스와의 혼합에 의해 혼합가스를 이룰 때 가스의 혼합이 잘 이루어지도록 하여 혼합가스의 온도를 낮춤으로써 차단 성능을 높이도록 하는 측면은 제대로 고려하지 못하고 있다.

열가스와 냉가스의 혼합이 차단성능에 미치는 영향을 좀 더 살펴보기로 한다. 고압의 열가스는 팽창실 내부에 있는 냉가스를 팽창실 후미 쪽으로 밀어내면서 혼합이 된다. 이때 열가스의 압력이 낮은 경우 냉가스와 혼합이 잘 이루어지지 않아 극간에 분사되는 가스는 충분히 혼합이 되지 못한 상태로 분사되어 차단성능이 떨어지게 된다.

도 2에 팽창실로 유입되는 열가스의 압력에 따른 혼합과정을 해석한 결과가 도시되어 있다. 도면상의 좌측이 팽창실 입구이다. (a)는 열가스의 압력이 낮은 경우이고, (b)는 열가스의 압력이 높은 경우이다. (a)에서와 같이, 열가스의 압력이 낮은 경우 팽창실의 안쪽(후미부)까지 유동이 진행하지 못한 상태에서 확산이 발생하고 있으며, 팽창실의 안쪽에서는 냉가스와의 혼합이 거의 발생하지 않고 있다.

도 3에는 전류 차단 시 차단기의 팽창실에서 극간 아크로 분사되는 혼합가스를 해석한 결과로 각각 도 2에 대응하는 것이다. (a)에서와 같이, 열가스가 냉가스와 제대로 혼합되지 못한 경우에는 고온의 상태로 그대로 분사되며, (b)의 경우와 같이 열가스와 냉가스의 혼합이 잘 이루어진 경우에는 극간으로 분사되는 가스의 온도가 낮아져서 상대적으로 차단에 유리하게 된다.

본 고안은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 차단시 발생하는 열가스의 압력이 낮은 경우에도 팽창실 안쪽까지 유동이 진행되어 팽창실의 내부에서 열가스와 냉가스의 혼합이 촉진됨으로써 혼합가스의 온도가 낮게 형성되는 가스 차단기의 팽창실 구조를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 팽창실로 유입되는 열가스에 난류를 발생시켜 열가스와 냉가스의 혼합이 보다 촉진되도록 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 요구를 해결하기 위하여 제공되는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 팽창실 구조는 고정접촉자, 상기 고정접촉자에 선택적으로 접촉 또는 분리될 수 있는 가동접촉자, 상기 가동접촉자가 결합되며 가동로드에 의해 평행이동하는 가동실린더 및 상기 가동실린더에 결합되는 주노즐과 보조노즐이 구비되어 있는 가스 차단기에 있어서, 관체로 형성되어 상기 가동실린더 내부의 팽창실에 삽입 설치되며, 상기 팽창실의 공간을 중심축을 기준으로 내측공간과 외측공간으로 나누는 배리어;를 포함하여 구성되며, 상기 배리어는 상기 고정접촉자와 가동접촉자가 분리되면서 발생하는 아크에 의해 상기 팽창실 내에 유입되는 열가스가 상기 팽창실 내부 안쪽까지 유동이 진행되어 냉가스와의 혼합이 촉진되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 배리어에는 관통홀이 다수개 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배리어의 내측면에는 충돌부가 형성되어 열가스에 난류가 발생되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배리어의 전,후단부에는 상기 가동실린더의 내측 일부에 결합하기 위한 결합단이 다수개 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 배리어는 후단부의 직경이 전단부의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 팽창실 구조에 의하면, 차단시 발생하는 열가스의 압력이 낮은 경우에도 팽창실 안쪽까지 유동이 진행되는 동시에 난류가 발생될 수 있도록 하는 배리어가 설치되어 있어 팽창실의 내부에서 열가스와 냉가스의 혼합이 촉진됨으로써 혼합가스의 온도가 낮게 형성되는 효과가 있다. 이에 따라, 전류 차단시 전극 사이의 아크에 분사되는 혼합가스가 아크의 열에너지를 많이 흡수함으로써 전류 차단성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 배리어에는 관통홀이 다수개 형성되어 팽창실로 유입되는 열가스의 교란을 통한 난류가 발생되어 열가스와 냉가스의 혼합이 보다 촉진되는 효과가 있다.

또한, 상기 배리어에는 충돌부가 형성되어 열가스의 난류 발생이 더욱 촉진되는 효과가 있다.

한편, 상기 배리어는 후단부의 직경이 전단부의 직경보다 작게 형성되어 열가스와 냉가스의 혼합이 더욱 촉진되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 가스 차단기의 차단과정을 나타낸 것으로 (a) 정상상태 (b) 접점 분리 상태 (c) 노즐 분리 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 종래기술에 따른 가스 차단기의 팽창실에서의 열가스와 냉가스의 혼합과정에 대한 해석도이다.
도 3은 종래기술에 따른 가스 차단기의 팽창실에서 극간으로 분사되는 혼합가스의 해석도이다.
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 전극부 단면도이다.
도 5는 도 4의 배리어의 사시도이다.
도 6은 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기에 있어서 팽창실 내부의 열가스 흐름도이다.
도 7은 도 5의 배리어의 다른 실시예의 절개사시도이다.
도 8은 도 5의 배리어의 또 다른 실시예이다.
도 9는 도 8의 배리어가 적용된 가스 차단기 팽창실의 단면도이다.

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 가스 차단기의 팽창실 구조는 고정접촉자(10), 상기 고정접촉자(10)에 선택적으로 접촉 또는 분리될 수 있는 가동접촉자(15), 상기 가동접촉자(15)가 결합되며 가동로드(11)에 의해 평행이동하는 가동실린더(20) 및 상기 가동실린더(20)에 결합되는 주노즐(25)과 보조노즐(30)이 구비되어 있는 가스 차단기에 있어서, 관체로 형성되어 상기 가동실린더(20) 내부의 팽창실(21)에 삽입 설치되며, 상기 팽창실(21)의 공간을 중심축을 기준으로 내측공간(21a)과 외측공간(21b)으로 나누는 배리어(40)를 포함하여 구성된다.

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 전극부 단면도이고, 도 5는 도 4의 배리어의 사시도이다. 도 6은 본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기에 있어서 팽창실 내부의 열가스 흐름도이다. 도면을 참조하여, 본 고안의 각 실시예에 따른 가스 차단기의 팽창실 구조를 상세히 설명하기로 한다.

가동실린더(20)의 중앙부에는 가동접촉자(15)와 보조노즐(30)이 결합되어 있으며, 가동실린더(20)의 상부에는 주노즐(25)이 결합되어 있다. 가동로드(11)는 구동부(미도시)에 연결되어 있으며, 사고전류 발생시 가동로드(11)가 움직임에 따라서 가동실린더(20)는 고정접촉자(10)로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 가동실린더(20)의 움직임에 따라 가동접촉자(15)와 보조노즐(30) 및 주노즐(25)은 모두 함께 움직이게 된다. 가동로드(11), 가동실린더(20), 가동접촉자(15), 주노즐(25) 및 보조노즐(30)은 가동부를 이룬다.

가동실린더(20)의 내부에는 가동실린더(20)의 상,하면 및 측면과 보조노즐(30)의 외주면으로 둘러쌓이는 팽창실(21)이 형성된다. 보조노즐(30)의 머리 부분과 주노즐(25)의 하류장 사이에는 유로(flow channel)가 형성되어 팽창실(21)의 입구가 된다.

배리어(40)는 관체로 이루어진다. 배리어(40)의 몸체(41)는 원형관 형상으로 이루어지고, 몸체(41)에는 종횡배열로 관통홀(42)이 다수개 형성된다. 몸체(41)의 상단부 및 하단부에는 각각 결합단(43)이 플랜지 형태로 다수개 돌출 형성된다. 결합단(43)에는 나사결합을 위한 나사홈이 형성될 수 있다.

배리어(40)는 가동실린더(20)의 팽창실(21) 내부에 삽입 설치된다. 배리어(40)의 상,하단부에 형성된 결합단(43)이 가동실린더(20)의 상,하부벽에 각각 결합됨에 따라 배리어(40)는 팽창실(21)에 고정 설치된다.

배리어(40)에 의해 팽창실(21)은 내측공간(21a)과 외측공간(21b)으로 구분된다. 이에 따라, 차단 초기에 발생하는 노즐부(25,30)의 용삭으로 인한 열가스는 팽창실(21) 내부로 유입될 때, 먼저 내측공간(21a)에 유입되고, 배리어(40)의 관통홀(42)을 통하여 외측공간(21b)에 흘러들어가게 된다. 이때, 내측공간(21a)에 유입된 열가스는 상대적으로 팽창실(21)의 안쪽(후미부)까지 깊숙히 흘러들어가게 되며, 배리어(40)의 관통홀(42)을 통과하면서 난류가 형성되며 외측공간(21b)에 확산되게 된다. 이에 따라, 열가스는 팽창실(21) 내에 존재하던 냉가스와 혼합이 잘 이루어지게 된다.

본 고안의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 팽창실 구조의 작용을 설명하기로 한다.

단락사고 등 이상전류가 발생하면 차단기의 가동부가 구동부의 힘을 받아 움직이게 된다. 가동부가 이동함에 따라 가동접촉자(15)는 고정접촉자(10)로부터 분리되고 고온, 고압의 아크(arc)가 발생한다. 아크의 복사에너지에 의해 주노즐(25)과 보조노즐(30)의 표면에서는 용삭이 일어나며 이에 따라 고온, 고압의 열가스가 발생한다. 열가스는 아크의 압력에 의해 팽창실(21)로 유입되게 된다. 팽창실(21)에 유입된 열가스는 공간이 작은 내측공간(21a)에서 배리어(40)의 후단부(45)까지 빠르게 흘러들어가게 된다. 열가스는 팽창실(21) 내부에 존재하고 있던 냉가스와 혼합된다. 또한, 열가스는 관통홀(42)을 통해 외측공간(21b)으로까지 확산된다. 열가스는 관통홀(42)을 통과하면서 난류가 발생하여 냉가스와의 혼합이 촉진되게 된다. 열가스는 팽창실(21)의 내측공간(21a)은 물론 외측공간(21b)에서까지 냉가스와 혼합되어 고압, 저온의 혼합가스를 형성하게 되며, 가동부의 이동이 더욱 진행되어 고정접촉자(10)가 주노즐(25)의 목을 빠져나오게 되면 주노즐(25) 하류장으로 분사되어 고정접촉자(10)의 고정접점과 가동접촉자(15)의 가동접점 사이의 아크를 소호하며 전기적 차단을 이루게 된다. 여기서, 열가스는 상대적으로 좁은 팽창실의 내측공간(21a)의 후미부까지 빠르게 유동이 진행되며, 관통홀(42)을 통과하면서는 난류가 형성되어 외측공간(21b)에서 냉가스와의 혼합이 보다 촉진된다. 이에 따라, 혼합가스의 온도가 낮아져 극간에 분사될 때 아크의 열에너지를 많이 흡수하게 되므로 차단 성능이 향상되는 효과가 발생한다.

도 7에는 본 고안의 다른 실시예에 적용되는 배리어(50)의 절개 사시도가 도시되어 있다. 전술한 실시예의 배리어(40)와 전체적으로는 동일하게 형성될 수 있다. 그러나, 배리어(50)의 내측면에는 충돌부가 돌출 형성되어 열가스에 난류가 발생되도록 할 수 있다. 충돌부는 도 7에 도시된 바와 같이 다수개의 충돌편(56)이 돌출되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 팽창실(21) 내에 존재하는 냉가스와의 혼합이 보다 촉진될 수 있다.

도 8에는 본 고안의 또 다른 실시예에 따른 배리어(60)가 도시되어 있다. 첫번째 실시예의 배리어(40)와 비교할 때, 이 실시예의 배리어(60)는 후단부(65)의 직경이 전단부(64)의 직경보다 작게 형성되어 원뿔대의 형상으로 이루어진다. 또한, 관통홀(62)에는 일측에 충돌편(66)이 형성되어 충돌부를 이룬다.

도 9를 참조하여, 도 8의 배리어(60)가 적용된 실시예의 작용을 설명하기로 한다. 배리어(60)의 후단부(65)로 갈수록 팽창실(21)의 내측공간(21c)은 좁게 형성되므로 팽창실(21) 내로 유입되는 열가스는 보다 빠르게 팽창실(21)의 안쪽까지 진행되며, 경사면에 형성된 관통홀(62)에 의해 난류의 형성도 더욱 잘 일어나게 된다. 여기서, 충돌편(66)에 의해 열가스의 난류 발생은 더욱 촉진될 수 있다. 이에 따라 열가스는 외측공간(21d)으로 용이하게 확산되며, 열가스와 냉가스의 혼합이 촉진된다.

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 고정접촉자 11 가동로드
15 가동접촉자 20 가동실린더
21 팽창실 21a,21c 내측공간
21b,21d 외측공간 25 주노즐
30 보조노즐 40,50,60 배리어
41,51,61 몸체 42,52,62 관통홀
43,53,63 결합단 44 전단부
45 후단부 56,66 충돌편

Claims

고정접촉자, 상기 고정접촉자에 선택적으로 접촉 또는 분리될 수 있는 가동접촉자, 상기 가동접촉자가 결합되며 가동로드에 의해 평행이동하는 가동실린더 및 상기 가동실린더에 결합되는 주노즐과 보조노즐이 구비되어 있는 가스 차단기에 있어서,
관체로 형성되어 상기 가동실린더 내부의 팽창실에 삽입 설치되며, 상기 팽창실의 공간을 중심축을 기준으로 내측공간과 외측공간으로 나누는 배리어;를 포함하여 구성되며,
상기 배리어는 상기 고정접촉자와 가동접촉자가 분리되면서 발생하는 아크에 의해 상기 팽창실 내에 유입되는 열가스가 상기 팽창실 내부 안쪽까지 유동이 진행되어 냉가스와의 혼합이 촉진되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 팽창실 구조.
제1항에 있어서, 상기 배리어에는 관통홀이 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 팽창실 구조.
제1항에 있어서, 상기 배리어의 내측면에는 충돌부가 형성되어 열가스에 난류가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 팽창실 구조.
제1항에 있어서, 상기 배리어의 전,후단부에는 상기 가동실린더의 내측 일부에 결합하기 위한 결합단이 다수개 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 팽창실 구조.
제1항에 있어서, 상기 배리어는 후단부의 직경이 전단부의 직경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 팽창실 구조.