KR20150003396A - 가스 차단기 - Google Patents

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KR20150003396A
KR20150003396A KR1020147034012A KR20147034012A KR20150003396A KR 20150003396 A KR20150003396 A KR 20150003396A KR 1020147034012 A KR1020147034012 A KR 1020147034012A KR 20147034012 A KR20147034012 A KR 20147034012A KR 20150003396 A KR20150003396 A KR 20150003396A
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히데유키 고츠지
하지메 우라이
마코토 고이즈미
마코토 히로세
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

절연 탱크(1) 내에 개극 및 폐극 동작이 가능하게 대향 배치한 한 쌍의 아크 접촉자(3, 5)를 설치하고, 일방의 아크 접촉자(5)의 외주에 동축 상에 버퍼 실린더(7)를 설치한다. 버퍼 실린더(7)와 고정 피스톤(6)과 중공 로드(8)에 의해 버퍼실(9)을 구성한다. 버퍼실(9)에 연통하는 공간을 형성하는 절연 노즐(4)을 설치하고, 절연 노즐(4) 내에서 발생한 아크로부터 배출된 열가스를 배기·냉각하는 배기통(2)을 타방의 아크 접촉자(3)의 외주에 설치한다. 배기통(2)의 종단부 앞쪽의 내주면에 유로 면적을 일시적으로 좁히는 구조물(11)을 설치한다.

Description

가스 차단기{GAS CIRCUIT BREAKER}
본 발명은 차단기에 관한 것으로서, 특히 전류 차단시에 절연 가스를 분사하여, 아크를 소호(消弧)하는 가스 차단기에 관한 것이다.
최근, 전력 계통의 고전압·대전류화가 진행되고 있어, 필요한 차단 성능을 얻기 위해 가스 차단기의 대용량화가 진행되고 있다. 반면에, 비용 저감을 위해, 차단부 구조, 배기·실드 구조의 최적화에 의한 소형화도 진행되고 있다.
도 2에 가스 차단기의 개요 구조를 나타낸다. 가스 차단기는 절연 가스가 충전된 절연 탱크(1) 내에 수납되어 있다. 통상, 전극측의 고정 아크 접촉자(3)와 가동측의 가동 아크 접촉자(5)는 전기적으로 접속되어 있으나, 사고시에 개극(開極) 지령이 전해지면 절연 로드(10)를 개재하여 조작기에 의해 가동측이 동작하여, 전극측의 고정 아크 접촉자(3)와 가동측의 가동 아크 접촉자(5)가 물리적으로 개리(開離)된 상태로 이행된다.
접촉자가 개리된 후에도, 고정 아크 접촉자(3)와 가동 아크 접촉자(5) 사이에는 전류가 흐르고, 아크가 발생한다. 가스 차단기는 아크에 고압의 절연 가스를 분사하여 소호하기 때문에, 가동측 동작시에 고정 피스톤(6)으로 버퍼실(9) 내의 절연 가스의 압축이 행하여져, 아크에의 가스 분사가 행하여지고, 아크의 소호가 행하여진다.
가스 분사시에 발생한 열가스는 고온이고 밀도가 낮아져 있어, 절연 내력(耐力)이 낮은 상태로 되어 있다. 극간(極間)의 절연 성능의 저하를 막기 위해 소호가 성공한 후에 열가스는 배기통(2)을 통해 전극 사이로부터 신속히 배출할 필요가 있다.
배기통의 역할은 발생한 열가스를 전극 사이에 체류시키지 않고 신속히 배출하는 것과, 열가스를 효율적으로 냉각하는 것이다.
도 2를 이용하여, 배기통(2)과 탱크(1) 사이에서의 절연 파괴 발생의 메커니즘에 대하여 설명한다. 가스의 냉각이 불충분하고 밀도가 저하된 채의 고온에서 절연 내력이 낮은 열가스가 배기통 단부(端部)의 고전계부(高電界部)에 도달하면 배기통(2)과 탱크(1) 사이의 절연 내력이 저하되어, 배기통(2)과 탱크(1) 사이에서 절연 파괴가 일어나는 사고(접지)가 발생한다.
접지 사고에 대해서는, 가스 탱크 지름을 확대함으로써, 배기통과 탱크 사이의 전계 완화에 의한 대지(對地) 절연 성능을 얻는 수단이나, 배기통 확대에 의한 열가스의 냉각 능력을 향상시킨다는 수단이 채용되고 있다.
그 밖에 배기통에 관통 구멍을 설치하고 배기통 내외의 압력차를 이용하여 관통 구멍을 통해 배기통 내에 밀도가 높은 저온 가스를 끌어들이도록 한 것이나, 배기통 내주면에 나선 홈 구조를 설치하여, 배기통 단부 근방의 내주면에 밀도가 작은 절연 가스가 접촉하지 않도록 하여, 절연 내력 저하 방지를 노린 것이 있다(특허문헌 1).
일본국 공개특허 특개평 8-203396호 공보
가스 탱크 지름의 확대에 의한 전계 완화나 배기통 확대에 의한 열가스 냉각 성능의 향상이라는 절연 성능 향상 수단은 차단기의 대형화로 연결될 우려가 있다. 또한 배기통에 대한 가공에 의한 절연 성능 향상책에는, 가공의 종류에 따라서는 차단기 제조의 비용 증가로 연결된다.
본 발명에서는, 배기통 종단부 앞쪽의 내주면에 유로를 좁히는 구조물을 배치하거나 또는 부품을 추가함으로써, 차단기의 대지 절연 성능을 향상시킬 수 있는 가스 차단기의 제공을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 관련된 가스 차단기는, 절연 탱크 내에 개극 및 폐극(閉極) 동작이 가능하게 대향 배치한 한 쌍의 아크 접촉자와, 상기 일방(一方)의 아크 접촉자의 외주에 동축 상에 설치된 버퍼 실린더와, 상기 버퍼 실린더와 고정 피스톤과 중공(中空) 로드에 의해 구성되는 버퍼실과, 상기 버퍼실에 연통하는 공간을 형성하는 절연 노즐과, 상기 절연 노즐 내에서 발생한 아크로부터 배출된 열가스를 배기·냉각하기 위해, 상기 타방(他方)의 아크 접촉자의 외주에 설치된 배기통으로 구성하고, 상기 배기통 종단부 앞쪽의 내주면에 유로 면적을 일시적으로 좁히는 구조물을 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전류 차단시에 발생한 열가스를 배출하는 배기통에 유로를 일시적으로 좁히는 구조물을 배치함으로써, 가스 유속을 변화시키고 배기통 내벽으로부터 가스를 박리시켜, 절연 성능이 저하된 열가스가 배기통 단부의 고전계부에 도달하지 않도록 한다. 또한 배기통에는 복잡한 가공을 실시할 필요가 없기 때문에 저렴하게 구성할 수 있다.
도 1은, 실시예 1과 관련되는 가스 차단기의 단면도이다.
도 2는, 종래의 가스 차단기에 있어서의 배기통 내의 가스 흐름과 그때에 발생하는 접지 현상의 설명도이다.
도 3은, 종래의 가스 차단기에 있어서의 배기통 단부의 고전계부의 단면도와 가스 흐름의 설명도이다.
도 4는, 실시예 1과 관련되는 배기통 부분의 확대도 및 가스 흐름의 설명도이다.
도 5는, 실시예 2에 있어서의 배기통에 관통 구멍을 설치한 형상을 나타낸 단면도 및 관통 구멍으로부터 끌어 들여지는 가스 흐름의 모양을 나타낸 설명도이다.
도 6은, 실시예 3에 있어서의 구조물의 다른 형상을 나타낸 개략도이다.
도 7은, 실시예 3에 있어서의 배기통 구조에 관통 구멍을 추가한 배기통의 단면도이다.
도 8은, 본 발명을 쌍구동 방식의 가스 차단기에 적용한 경우의 개략도이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 하기는 어디까지나 실시의 예이며, 발명의 내용을 하기 구체적 양태에 한정하는 것을 의도하는 취지가 아니다. 발명 자체는 특허청구범위에 기재된 내용에 입각하는 한 다양한 양태로 실시하는 것이 가능함은 말할 필요도 없다.
(실시예 1)
실시예 1에 대하여 도 1, 도 3, 도 4를 이용하여 설명한다. 도시를 생략하고 있으나, 본 실시예에 있어서 차단기는 절연 로드(10)를 개재하여 조작기와 접속되어 있고, 차단기 전체는 SF6 절연 가스가 충전된 절연 탱크(1) 내에 배치된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 차단기는, 고정 아크 접촉자(3)와 가동 아크 접촉자(5)와, 버퍼 실린더(7)와, 버퍼 실린더(7)와 고정 피스톤(6)에 의해 구성되는 버퍼실(9)과, 절연 노즐(4)과, 절연 노즐(4)로부터 배출된 열가스를 배기·냉각하는 배기통(2)으로 개략 구성된다.
고정 아크 접촉자(3) 및 그 외주측에 배치되는 배기통(2)과, 통전 상태(폐극 상태)에 있어서 고정 아크 접촉자(3)와 접촉하는 가동 아크 접촉자(5)와, 통전 상태(폐극 상태)에 있어서 배기통(2)과 접촉하는 버퍼 실린더(7)로 구성되고, 고정 아크 접촉자(3)와 가동 아크 접촉자(5), 배기통(2)과 버퍼 실린더(7)가 각각 전기적으로 접속되어 있다.
버퍼실(9)은, 상기 버퍼 실린더(7)와, 버퍼 실린더(7)의 내주에 동축 상에 배치되어 내부가 중공으로 되어 있고, 당해 중공 내에 절연 가스가 유입되는 중공 로드(8)와, 버퍼 실린더(7)와 중공 로드(8)의 사이에 형성된 공간을 슬라이딩하는 고정 피스톤(6)으로 형성된다.
고정 피스톤(6)은 절연 탱크의 내주면에 설치된 장착 자리에 고정되어 있다. 아크에 분사되는 절연 가스의 버퍼실 내에 있어서의 압력 형성은, 버퍼 실린더(7)가 고정 피스톤(6)에 대해 상대적으로 이동함으로써 행하여진다. 보다 상세하게는, 도시되어 있지 않은 조작기와 접속된 절연 로드(10)로부터 중공 로드(8)를 통해 버퍼 실린더(7)에 조작기의 구동력이 전달되어 움직임으로써 버퍼실(9) 내의 절연 가스가 압축된다.
버퍼실(9) 내에서 압축된 고압의 절연 가스는 고정 아크 접촉자(3)와 가동 아크 접촉자(5) 사이에 발생한 아크에 분사된다. 아크에 분사된 후에 발생하는 고온의 열가스는 절연 노즐(4)을 지나, 배기통(2)의 내부를 지나고, 냉각되면서 고정측의 단부로부터 절연 탱크(1) 내에 배출된다.
도 4의 배기통부 확대도에 나타내어지는 바와 같이, 배기통 내부에는 배기통의 가스 유로 면적을 일시적으로 좁히는 구조물(11)이 설치되어 있다. 통상의 배기통 구조의 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이 배출되어온 열가스는 배기통 내벽을 따라 배출된다. 도 4에 나타내는 바와 같이 배기통 단부의 내벽에 구조물(11)을 배치한 경우, 구조물(11)의 위치에서 유로 단면적이 좁혀짐으로써, 유속·압력 변화를 일으키고, 열가스를 배기통 내벽으로부터 박리하여, 배기통 밖으로 배기된다.
이 때문에 배출되어온 열가스는 배기통 단부의 고전계부에 도달하지 않고 탱크 내에 배출되게 된다. 본 발명은 배기통 종단부의 고전계부 앞쪽에, 배기통 내주면에 유로를 일시적으로 좁히는 구조물을 배치함으로써, 차단기의 대형화 및 복잡한 가공을 하지 않고 대지 절연 성능을 향상시키는 목적을 달성하고 있다.
본 발명에 있어서, 유로 면적을 좁히기 위한 구조물(11)은 배기통 종단부 근방의 고전계부를 피한 내주면에 배치함으로써, 유속·압력 변화에 의해 배기통 내벽으로부터 열가스를 박리시켜, 열가스가 고전계부에 도달하는 것을 막을 수 있다.
그러나, 도 4에 나타내는 배기통 종단부의 구조물 사이의 각도(θ)가 너무 작으면, 열가스는 배기통 내벽으로부터 일시적으로 박리된 후, 다시 배기통 내벽을 따라 흐르기 때문에, 배기통 종단부의 고전계부가 절연 내력이 저하된 열가스에 노출되어버린다.
각도(θ)가 커질수록 압력·유속 변화가 커져, 박리 현상을 일으키기 쉬워진다. 예를 들면 θ=10도 이상의 각도를 가지는 위치에 구조물(11)을 배치하면 충분한 압력·유속 변화를 일으킬 수 있어, 열가스의 배기통 종단부에의 도달을 막을 수 있다.
본 발명으로 있어서, 유로 면적을 좁히기 위한 구조물(11)은, 배기통과 일체형으로 제작해도 되고, 또, 단순 원통 형상의 배기통 형상에 대해 나중에 용접 또는 나사 등으로 링 형상의 구조물을 고정해도 된다.
본 실시예에서는 절연 가스로서 SF6을 사용하였으나, 절연 가스의 종류는 SF6에 한정되는 것이 아니며, 건조 공기·질소 가스 등 다른 절연 가스를 사용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 2)
이하, 도 5에 의거하여 실시예 2를 설명한다. 실시예 1과 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
본 실시예는, 실시예 1에서 설명한 배기통 내에 유로를 좁히는 구조물(11)을 배치하고, 절연 성능을 향상시키는 배기통 형상에 추가로, 유로를 좁힌 후 다시 유로가 넓어지는 위치에 배기통의 내외를 관통하는 관통 구멍(12)을 설치한 것을 특징으로 한다.
배기통 내벽에 배치한 구조물(11)에 의해 열가스를 배기하는 유로 단면적이 좁혀지는 전후에서 유속 및 압력의 변화가 발생한다. 구조물(11)이 없는 상태에 있어서, 관통 구멍(12)을 설치한 경우에도 열가스가 흐르고 있는 배기통 내부의 압력은, 외부의 압력에 대해 낮아져 있기 때문에 관통 구멍(12)을 통해 배기통 외부의 저온 가스의 유입이 발생하여, 열가스의 냉각이 행하여진다.
본 실시예는 배기통 내부에 설치한 구조물(11)에 의해 유로가 좁혀지고 다시 확대되는 위치에 관통 구멍(12)을 설치하는 것에 의해, 구조물(11)을 설치하지 않는 경우에 비해 큰 압력차를 발생시켜, 보다 효율적으로 외부의 냉각 가스를 받아들임으로써, 열가스를 냉각하고, 절연 성능의 저하를 방지하고 있다.
(실시예 3)
이하, 도 6, 7에 의거하여 실시예 3을 설명한다. 실시예 1, 2와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
본 실시예는, 실시예 1, 2에서 설명한 배기통 내에 배치한 유로를 좁히는 구조물(11)의 형상을, 흐르는 방향을 따라 유로를 좁히는 테이퍼 형상으로 한 것을 특징으로 한다.
실시예 1에서는 배기통 내부에 구조물(11)을 배치하여, 유로가 좁혀짐으로써 열가스에 속도·압력 변화를 발생시켜, 배기통 단부에의 절연 성능이 저하된 열가스의 도달을 막고 있다. 그러나, 가스 유로를 좁힘으로써 유로 단면적이 작아지면, 유로 저항이 커져 가스의 배기 성능의 저하를 초래한다. 배기 성능이 저하되면 극간에 절연 성능이 저하된 가스가 체류함으로써, 극간에서의 아크의 재점호가 발생할 우려가 있다.
그래서, 구조물(11)을 도 6에 나타내는 테이퍼 형상으로 함으로써 가스의 유로 저항의 증대를 저감하여, 배기통의 가스를 효율적으로 배기 함으로써 극간의 절연 성능 저하를 막는다. 또한, 도 7에 나타내는 바와 같이 배기통 종단부와 구조물의 사이에 관통 구멍을 설치함으로써, 실시예 2에서 설명한 열가스의 냉각 기능을 얻을 수 있다.
(실시예 4)
상기 실시예에서는 고정 아크 접촉자(3)는 고정되어 있으나, 가동측의 가동 아크 접촉자(5)에 대향하는 아크 접촉자가 상대적으로 가동하는 소위 쌍구동형 차단기에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
이하, 쌍구동형 차단기에 적용한 실시예에 대해 도 8을 참조하여 설명한다. 절연 노즐(4)의 선단(先端)을 연결 로드(21)의 일단(一端)에 고정하고, 연결 로드(21)의 타단(他端)과 연결 레버(22)의 일단을 회동 자유롭게 연결한다. 연결 레버(22)의 대략 중앙을 지지축(22A)에 의해 회동 자유롭게 배기통(2)의 내주면에 고정하고, 연결 레버(22)의 타단과 아크 접촉자(3A)의 종단부를 회동 자유롭게 연결한다. 이와 같은 구성에 의해, 가동측이 차단 동작을 개시하면 아크 접촉자(3A)는 가동측과 멀어지는 방향으로 동작한다.
이와 같은 쌍구동형 차단기의 배기통(2) 단부 근방의 내주면에, 상기 각 실시예에서 설명한 구조물(11) 및 관통 구멍(12)을 배치함으로써, 상기 실시예와 동일한 효과를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 구조물(11)에 열전도율이 높은 금속 재료나 수지 재료를 이용함으로써, 보다 효과적으로 열가스의 냉각을 행할 수 있다. 또한, 구조물(11)을 수지 재료에 의해 형성함으로써, 열가스에 의해 구조물의 아브레이션이 발생한다. 이때의 기화열에 의해 열가스를 냉각할 수 있다.
1 : 절연 탱크
2 : 배기통
3 : 고정 아크 접촉자
3A : 아크 접촉자
4 : 절연 노즐
5 : 가동 아크 접촉자
6 : 고정 피스톤
7 : 버퍼 실린더
8 : 중공 로드
9 : 버퍼실
10 : 절연 로드
11 : 구조물
12 : 관통 구멍
13 : 저온 가스
21 : 연결 로드
22 : 연결 레버
22A : 지지축

Claims (7)

  1. 절연 탱크 내에 개극 및 폐극 동작이 가능하게 대향 배치한 한 쌍의 아크 접촉자와,
    상기 일방의 아크 접촉자의 외주에 동축 상에 설치된 버퍼 실린더와,
    상기 버퍼 실린더와 고정 피스톤과 중공 로드에 의해 구성되는 버퍼실과,
    상기 버퍼실에 연통하는 공간을 형성하는 절연 노즐과,
    상기 절연 노즐 내에서 발생한 아크로부터 배출된 열가스를 배기·냉각하기 위하여, 상기 타방의 아크 접촉자의 외주에 설치된 배기통으로 가스 차단기를 구성하고,
    상기 배기통 종단부 앞쪽의 내주면에 유로 면적을 일시적으로 좁히는 구조물을 설치한 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물의 형상이 가스 배기 방향을 향해 유로를 좁히는 테이퍼 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물과 상기 배기통 종단부 사이의 다시 유로 면적이 넓어지는 위치에, 상기 배기통의 내외를 관통하는 관통 구멍을 설치한 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조물과 상기 배기통 종단부 사이의 다시 유로 면적이 넓어지는 위치에, 상기 배기통의 내외를 관통하는 관통 구멍을 설치한 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물은 분리 가능하게 상기 배기통 종단부 앞쪽의 내주부에 감입(嵌入)된 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조물은 분리 가능하게 상기 배기통 종단부 앞쪽의 내주부에 감입된 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 구조물은 분리 가능하게 상기 배기통 종단부 앞쪽의 내주부에 감입된 것을 특징으로 하는 가스 차단기.
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