KR20150001499A - 아크 에너지 활용율을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기 - Google Patents

Abstract

가스절연 개폐장치의 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 에너지를 이용하여 소호 가스의 압력을 증가시킴으로써 아크 소호 성능을 향상시킨 푸퍼(puffer) 방식의 차단기에 관하여 개시한다.
본 발명은 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부와, 상기 고정부측 도체부에 구비되는 고정아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되는 가동아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되어 가동로드부의 이동에 따라 소호가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서, 상기 노즐부는 상기 가동아크접점을 감싸는 형태로 배치된 보조노즐과, 상기 보조노즐을 감싸는 형태로 배치된 메인노즐을 포함하며, 상기 보조노즐과 상기 메인노즐 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제1가스유로를 형성하고, 상기 보조노즐과 상기 가동아크접점의 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제2가스유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기를 제공한다.

Description

아크 에너지 활용율을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기{CIRCUIT BREAKER OF GAS INSULATION SWITCHGEAR}

본 발명은 가스절연 개폐장치의 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 에너지를 이용하여 소호 가스의 압력을 증가시킴으로써 아크 소호 성능을 향상시킨 푸퍼(puffer) 방식의 차단기에 관한 것이다.

가스절연개폐장치(GIS :Gas Insulated Switchgear)는 차단기, 단로기 등의 개폐설비와 변성기, 피뢰기, 주회로 모선 등을 금속제 탱크 내에 일괄 수납하여 충전부는 고체 절연물(Spacer)로 지지하고 있으며 탱크 내부에는 절연성능과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 절연매체로 하여 충진, 밀봉한 개폐설비 시스템을 말한다.

GIS의 내압 주요 기기로는 가스 차단기, 단로기, 접기 개폐기, 피뢰기(Lightning Arrestor), 계기용 변압기(Potential Transformer), 변류기(Current Transfoormer) 등이 있다.

GIS에 사용되는 차단기의 동작책무는 IEC규격에 따른다. 통상 'O-0.3s-CO-3min-CO'의 책무를 따른다.

기본적으로, 차단기는 0.3초 이내 2번의 차단성능이 요구된다. 첫 번째 차단책무는 SF6 가스가 냉가스의 상태에서 수행되므로, 차단성능이 우수하다. 차단시, 발생하는 아크에 의해 주변의 SF6는 짧은 시간에 20,000에서 30,000도씨까지 올라간다. 0.3초후의 두 번째 차단책무는 차단부 내부가 고온, 고압으로 된 상태에서 차단을 실시한다. 고온에서의 SF6 가스는 차단성능이 급격히 떨어져서, 고장전류 차단이 어렵다.

관련선행기술로는 한국공개특허 제10-2006-0116567호 (공개일자 2006년 11월 15일) '흡입소호부를 갖는 고전압 아크 소호장치'가 있다.

본 발명의 목적은 아크의 에너지가 열챔버 내부로 공급되도록 함으로써 소호 가스의 압력을 향상시켜 아크 소호 성능을 향상시킴에 있다.

본 발명은 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부와, 상기 고정부측 도체부에 구비되는 고정아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되는 가동아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되어 가동로드부의 이동에 따라 소호가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서,

상기 노즐부는 상기 가동아크접점을 감싸는 형태로 배치된 보조노즐과, 상기 보조노즐을 감싸는 형태로 배치된 메인노즐을 포함하며, 상기 보조노즐과 상기 메인노즐 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제1가스유로를 형성하고, 상기 보조노즐과 상기 가동아크접점의 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제2가스유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기를 제공한다.

상기 제1가스유로와 상기 제2가스유로는 고정아크접점에 의하여 폐쇄되는 것이 바람직하다.

상기 가동아크접점이 상기 고정아크접점을 이탈할 때 상기 제2유로가 개방되고, 상기 보조노즐이 상기 고정아크접점을 이탈할 때 상기 제1유로가 개방되는 구조를 가지면 더욱 바람직하다.

본 발명은 아크 에너지가 열챔버로 전달될 수 있는 이중의 가스 유로를 구비함으로써, 아크 에너지를 이용하여 소호 가스의 압력을 향상시키는 효과를 가져온다.

결과적으로, 소호 가스의 압력 상승으로 인하여 아크 소호 성능이 향상되는 효과를 가져온다.

도 1은 가스절연개폐장치에 구비되는 차단기의 구조를 나타낸 분리단면도
도 2는 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 투입 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 차단 상태를 나타낸 단면도,
도 4 내지 도 8은 일반적인 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 아크 발생과 소호 과정을 나타낸 단면도,
도 9 내지 도 13은 본발명에 따른 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 아크 발생과 소호 과정을 나타낸 단면도임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 아크 소호 성능을 향상시킨 가스절연 개폐장치의 차단기에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 가스절연개폐장치에 구비되는 차단기의 구조를 나타낸 분리단면도이고, 도 2는 차단기의 투입 상태를 나타낸 단면도이고, 도 3은 차단기의 차단 상태를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 가스절연 개폐장치의 차단기는 도면의 좌측에 도시된 가동부측 도체부(10)와, 도면의 우측에 도시된 고정부측 도체부(20)와, 도면의 아래쪽에 별도로 분리하여 도시한 가동로드부(30)를 포함한다.

가동로드부(30)가 가동부측 도체부(10) 상에서 슬라이딩 이동하며 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 투입 상태와 차단 상태를 전환하게 된다.

가동로드부(30)와 가동부측 도체부(10)는 항상 통전 상태를 유지하게 되나, 가동로드부(30)와 고정부측 도체부(20)는 가동로드부(30)의 위치에 따라 통전 여부가 달라진다.

도 2를 참조하여, 투입 상태에 관해서 살펴본다.

투입 상태에서는 고정부측 도체부(20)의 핑거 접점(22)이 이동로드부(30)의 주접점(32)과 접속되어 있으며, 고정부측 도체부(20)의 고정아크접점(24)은 이동로드부(30)의 이동아크접점(34)에 접속되어 있다.

따라서 고정부측 도체부(20)와 이동부측 도체부(10)가 이동로드부(30)를 통해 연결된다.

도 2와 같은 투입 상태에서 도 3과 같은 차단 상태로 전환되는 과정을 살펴본다.

작동 샤프트(21)가 이동로드부(30)를 좌측으로 당기게 되면, 먼저 주접점(32)과 핑거 접점(22)이 분리되고, 다음으로 고정아크접점(24)과 이동아크점점(34)이 분리된다. 고정아크접점(24)과 이동아크접점(34)이 분리될 때 아크가 발생하게 된다.

발생한 아크를 차단하기 위해서 SF6 가스를 이용한다.

SF6는 압력챔버(42)에 저장되어 있다가, 이동로드부(30)가 이동부측 도체부(20)로 이동함에 따라, 피스톤(45)에 의하여 압축된다. 압축된 SF6 가스가 일정 압력이상이 되면 열챔버(44)로 이동하고 노즐부(50)로 분사된다.

노즐부(50)는 이동로드부(30)의 이동아크접점(34)을 감싸는 형태로 형성된다. 노즐부(50)는 주노즐(52)과 보조노즐(54)을 포함하며, 주노즐(52)과 보조노즐(54) 사이의 간격으로 SF6 가스가 분사된다.

열챔버(44)에 축적된 SF6 가스가 노즐부(50)를 통해 아크를 소호하기 위해 분사되는데, 차단시 발생하는 아크로 인해 분사된 SF6 가스는 고온, 고압이 되어 고정부측 도체부(20)와 가동부측 도체부(10)로 초음속 유동이 발생하게 된다. 이 때 고온의 SF6 가스는 절연성능이 급격히 떨어지고, 절연성능이 떨어진 가스는 대지간 및 상간의 절연파괴를 야기할 수 있다.

도 4 내지 도 8은 일반적인 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 아크 발생과 소호 과정을 나타낸 단면도이다.

도 4는 투입 상태를 나타낸 것이다. 투입 상태에서 차단 상태로의 전환을 위해 가동로드부가 이동하면 도 5에 도시된 바와 같이 주접점이 분리된 후, 도 6에 도시된 바와 같이 보조노즐(52)을 통과하고, 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 주노즐(54)을 통과하게 된다.

아크는 고정아크접점(24)에서 가동아크접점(34)이 분리되는 순간에 발생하여 성장하게 된다. 고정아크접점(24)이 보조노즐(52)을 이탈할 때에는 아크 에너지가 열챔버 내부로 전달되어 소호 가스의 압력이 상승하게 된다. 다시 말해 아크에서 발생하는 열에 의하여 소호 가스가 가열되어 압력이 상승하게 된다.

이후, 도 8에 도시된 바와 같이 소호 가스가 아크를 향해 분사되어 아크를 소호하게 된다.

그런데, 이러한 종래의 구조에서는 아크의 에너지가 열챔버로 전달되는 것은 보조노즐을 통과한 후 주노즐을 통과할 때까지의 순간이다.

도 9 내지 도 13은 본발명에 따른 가스절연 개폐장치에 구비되는 차단기의 아크 발생과 소호 과정을 나타낸 단면도이다.

본 발명은 아크 에너지를 보다 효과적으로 활용할 수 있도록 하기 위하여, 가동아크접점(34)과 보조노즐(52)의 사이에 제2 가스유로(56)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 보조노즐(52)과 주노즐(54)의 사이에 제1 가스유로(53)만 형성되어 있던 것에 비하여, 제2 가스유로(56)를 추가함으로써 보다 많은 아크 에너지를 활용할 수 있게 된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 투입 상태에서는 제1 가스유로(53)와 제2 가스유로(56)가 고정아크접점(24)에 의하여 막혀 있는 상태가 된다. 고정아크접점(24)은 환봉 형상으로 형성되어 있으며, 주노즐(54)과 보조노즐(52)은 링 형태로 고정아크접점(24)의 주변에 밀착된 상태를 유지하게 되므로, 제1 가스유로(53)와 제2 가스유로(56)가 폐쇄된 상태를 유지하게 된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 고정아크접점(24)에서 가동아크접점(34)이 분리되는 순간에 발생하여 성장하게 되는데, 고정아크접점(24)이 가동아크접점(34)에서 분리되고 보조노즐(52)에 접촉해 있는 상태에서는 제1 가스유로(53)는 폐쇄된 상태이지만 제2 가스유로(54)는 개방된 상태가 된다.

고정아크접점(24)이 가동아크접점(34)에서 분리되는 순간부터 아크가 발생하게 되는데, 이와 함께 제2 가스유로(54)도 개방되게 된다. 따라서, 아크에 의하여 발생하는 열에너지가 제2 가스유로(54)를 통해 열챔버(44) 내부로 전달되어 축적된다.

이동로드부(30)의 이동에 따라 고정아크접점(24)과 가동아크접점(34)은 서로 멀어지게 되는데, 도 12에 도시된 바와 같이 고정아크접점(24)이 주노즐(54)을 통과할 때에는 제1 가스유로(53)도 개방되어, 아크의 열에너지가 열챔버(44) 내부로 전달되어 축적된다.

이동로드부(30)가 더욱 이동하여 고정아크접점(24)이 주노즐(54)을 완전히 벗어나게 되면, 열챔버(44)에 저장되고 축적되어 있던 소호가스가 제1 가스유로(53)와 제2 가스유로(54)를 통해 분출되며 아크를 소호하게 된다.

본 발명은 아크의 에너지를 활용하여 열챔버(44) 내부의 소호 가스의 압력을 더욱 높일 수 있도록 하기 위하여, 보조노즐(52)과 가동아크접점(34)의 사이에 제2 가스유로를 형성한 것이다. 이로 인해, 아크 에너지가 열챔버(44)로 전달 되는 시간을 증가시키고, 또한 전달되는 경로를 추가로 확보할 수 있게 된다.

제2 가스유로(56)는 고정아크접점(24)이 가동아크접점(34)을 통과하는 시점부터 개방되며, 제1 가스유로(53)는 고정아크접점(24)이 보조노즐(52)을 통과하는 시점부터 개방된다. 각 가스유로(53,56)는 개방되는 시점부터 소호가스가 분사되기 전까지 아크 에너지를 열챔버로 전달하는 통로로서 작용하게 된다.

따라서, 열챔버로 전달되는 아크 에너지를 늘릴 수 있는 효과를 가져오게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 가동부측 도체부
20 : 고정부측 도체부
22 : 핑거 접점
24 : 고정아크접점
30 : 가동로드부
32 : 주접점
34 : 가동아크접점
42 : 압력챔버
44 : 열챔버
50 : 노즐부
52 : 보조노즐
53 : 제1 가스유로
54 : 주노즐
56 : 제2 가스유로

Claims (3)

1. 가동부측 도체부와, 고정부측 도체부와, 이들 사이를 이동하며 투입 상태와 차단 상태를 전환하는 가동로드부와, 상기 고정부측 도체부에 구비되는 고정아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되는 가동아크접점과, 상기 가동로드부에 구비되어 가동로드부의 이동에 따라 소호가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서,
   상기 노즐부는 상기 가동아크접점을 감싸는 형태로 배치된 보조노즐과, 상기 보조노즐을 감싸는 형태로 배치된 메인노즐을 포함하며, 상기 보조노즐과 상기 메인노즐 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제1가스유로를 형성하고, 상기 보조노즐과 상기 가동아크접점의 사이에 상기 열챔버로 연결되는 제2가스유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1가스유로와 상기 제2가스유로는 고정아크접점에 의하여 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가동아크접점이 상기 고정아크접점을 이탈할 때 상기 제2유로가 개방되고,
   상기 보조노즐이 상기 고정아크접점을 이탈할 때 상기 제1유로가 개방되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.

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