KR20150009761A - 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기 - Google Patents

Abstract

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 소호 가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호 가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호 가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서, 상기 열챔버를 열팽창실과 반력저장실로 분할하고, 상기 열팽창실과 상기 반력저장실의 압력차에 의하여 이동하는 반동내벽부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기{CIRCUIT BREAKER OF GAS INSULATION SWITCHGEAR HAVING DOUBLE COMPRESSION THERMAL CHAMBER}

본 발명은 가스절연개폐장치의 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열팽실이 이중 압축구조를 가지도록 함으로써 소호 가스의 분사 압력을 향상시킨 가스절연개폐장치의 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 충진하고, 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. 그런데, 첫번째 차단시 발생하는 아크에 의해 주변의 SF6는 짧은 시간에 20,000에서 30,000도씨까지 올라간다. 0.3초 후의 두 번째 차단책무는 차단부 내부가 고온, 고압으로 된 상태에서 이루어져야 한다. 그런데 SF6 가스는 고온에서의 차단성능이 급격히 떨어져서, 두 번째 차단시 고장전류 차단이 어려운 문제점을 가지고 있었다.

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

본 발명의 목적은 대전류 차단시에도 일정한 차단 속도를 유지할 수 있는 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 차단시에 소요되는 조작 에너지를 감소시켜 차단기의 기계적인 내구성을 향상시킴에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 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 소호 가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호 가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호 가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서, 상기 열챔버를 열팽창실과 반력저장실로 분할하고, 상기 열팽창실과 상기 반력저장실의 압력차에 의하여 이동하는 반동내벽부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 반동내벽부는 아크 발생시 열팽창실을 팽창시키는 방향으로 이동하고, 아크 소호시 열팽창실을 수축시키는 방향으로 이동하여 소호 가스 분사 압력을 증가시키는 것이 바람직하다.

상기 반동내벽부는 상기 열챔버 내부 공간을 분할하며 이동 가능하게 형성되는 이동벽체와, 상기 이동벽체가 상기 열팽창실을 축소하는 방향으로 이동하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 탄성부재는 상기 반력저장실에 구비되는 반력저장실이 축소될 때 압축되는 형태이거나,

상기 열팽창실에 구비되는 열팽창실이 확장될 때 인장되는 형태가 될 수 있다.

그리고, 상기 이동벽체는 소호 가스가 상기 반력저장실에서 상기 열팽창실로 유입되는 방향으로만 소통시키는 체크밸브를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축챔버와 상기 열챔버를 연결하되, 상기 압축챔버의 압력이 상기 열챔버의 압력보다 높은 경우에 개방되는 압력밸브를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 압축챔버의 압력이 일정압력을 초과하면 상기 압축챔버의 압력을 배기하는 릴리즈밸브를 포함하면 더욱 바람직하다.

본 발명은 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하여 대전류 차단시에도 일정한 차단 속도를 유지할 수 있는 효과를 가져온다.

또한 본 발명은 차단시에 소요되는 조작 에너지를 감소시켜 차단기의 기계적인 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 가스절연개폐장치에 구비되는 차단기의 구조를 나타낸 분리단면도,
도 2는 차단기의 투입 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 차단기의 차단 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기의 투입 상태를 나타낸 일부 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연 개폐장치의 차단기의 투입 상태를 나타낸 일부 단면도,
도 6 내지 도 10은 투입 상태에서 가동로드부(30)가 이동하여 차단 상태로 전환될 때까지의 동작을 순차적으로 나타낸 도면임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

일반적으로 가스절연개폐장치는, 송전선로 상에 설치되어 송전선로가 정상 상태에서는 기기 및 선로 점검을 위한 개폐 동작을 하고, 이상 상태에서는 고장전류를 차단하여 선로 및 부하기기를 안전하게 보호하는 역할을 수행한다.

특히, 초고압 전력 계통에서는 지락/단락 등 이상 상태에서의 사고 전류를 안전하게 차단함으로써 계통 보호를 하는 기기이다. 즉, 가혹한 전류 차단 조건인 이상 상태에서, 사고 전류 차단을 위해서 절연력이 우수한 소호 가스를 압축하고 전류 차단시 발생하는 아크 소호를 위해 높은 압력으로 분사하도록 동작한다.

특히, 복합 소호형 차단기는 사고 전류를 차단하기 위하여 사고 전류의 아크 에너지를 이용하여 전류 차단 에너지인 팽창실의 에너지를 팽창시키며, 이를 위해서는 사고 전류 차단을 위한 차단기 초기 이동 시 압축실로부터 팽창실로 많은 양의 가스를 큰 에너지를 통해 이동시켜야 하는 필요성이 존재한다.

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 상부에 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 가동로드부(30)의 주접점(32)과 접속되어 있으며, 고정부측 도체부(20)의 고정아크접점(24)은 가동로드부(30)의 가동아크접점(34)에 접속되어 있다.

따라서 고정부측 도체부(20)와 가동부측 도체부(10)가 가동로드부(30)를 통해 연결된다.

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

작동 샤프트(31)가 가동로드부(30)를 아래측으로 당기게 되면, 먼저 주접점(32)과 핑거 접점(22)이 분리되고, 다음으로 고정아크접점(24)과 가동아크점점(34)이 분리된다. 고정아크접점(24)과 가동아크접점(34)이 분리될 때 아크가 발생하게 된다.

발생한 아크를 차단하기 위해서 SF6 가스를 이용한다.

SF6는 압력챔버(42)에 저장되어 있다가, 가동로드부(30)가 가동부측 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 가동로드부(30)의 가동아크접점(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 4는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연개폐장치의 차단기의 투입 상태를 나타낸 일부 단면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창실의 이중압축 구조를 구비하는 가스절연 개폐장치의 차단기의 투입 상태를 나타낸 일부 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스절연 개폐장치의 차단기는 열챔버(44)와, 압축챔버(42)를 구비하되, 상기 열챔버(44)가 아크 발생시 아크 에너지를 직접 전달받는 열팽창실(102)과 반력저장실(104)로 분할되는 것을 특징으로 한다.

열팽창실(102)과 반력저장실(104)은 반동내벽부(100)에 의하여 분할된다.

반동내벽부(100)는 열팽창실(102)과 반력저장실(104)의 압력차이에 따라서 열팽창실(102)을 확장시키거나 수축시키는 방향으로 이동하게 된다.

반동내벽부(100)는 열챔버(44) 내부공간을 분할하며 이동 가능하게 형성되는 이동벽체(110)와, 상기 이동벽체(110)가 상기 열팽창실을 축소하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성부재(120)를 포함한다.

또한, 소호 가스가 상기 반력저장실(104)에서 상기 열팽창실(102)로 유입되는 방향으로만 소통시키는 체크밸브(미도시)를 포함한다.

체크벨브를 통한 소호 가스의 이동은 반력저장실(104)이 열팽창실(102)의 압력보다 높은 경우에만 이루어지게 되므로, 도 8에 도시된 바와 같이 열팽창실(102)의 압력이 낮아져 탄성부재(120)가 복원될 때부터 소호 가스가 반력저장실(104)에서 열팽창실(102)로 이동하게 된다.

그리고, 상기 압축챔버(42)와 상기 열챔버(44)를 연결하는 압력밸브(미도시)를 포함한다. 압력밸브는 상기 압축챔버(42)의 압력이 상기 열챔버(44)의 압력보다 높은 경우에 개방된다. 압력밸브는 열챔버(44)의 반력저장실(104)로 연결되거나, 열팽창실(102)로 연결될 수 있다.

압력밸브를 통해 압축챔버(42)에 저장된 소호 가스가 열챔버(44)를 통해 노즐부(50)로 분사될 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 압축챔버(42)는 릴리즈 밸브(136)를 더 포함할 수 있다.

릴리즈 밸브(136)는 상기 압축챔버(42)의 압력이 일정압력을 초과하면 상기 압축챔버(42)의 압력을 배기하도록 작동한다. 이는 압축챔버(42) 내부에 필요 이상의 고압이 발생하여 가동로드부(30)의 동작을 지연시키는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 4에 도시한 실시예의 경우 탄성부재(120)가 반력저장실(104)에 구비되어, 이동벽체(110)가 반력저장실(104)을 축소하는 방향(열팽창실을 확장하는 방향)으로 이동하게 되면, 탄성부재가 압축되며 압축력을 탄성력으로 저장하였다가 복원되며 이동벽체(110)를 이동시키는 구조를 가지고 있으나,

도 5에 도시한 바와 같이, 탄성부재(122)를 열팽창실(102)에 구비하여, 이동벽체(110)가 반력저장실(104)을 축소하는 방향(열팽창실을 확장하는 방향)으로 이동하게 되면, 탄성부재(122)가 인장되며 인장력으로 탄성력을 저장하였다가, 복원되며 이동벽체(110)를 이동시키는 구조를 가질 수도 있다.

도 4나 도 5는 탄성부재의 설치위치와, 탄성력 저장 형태만 다를 뿐 동일한 원리로 동작하게 되므로, 이하에서는 도 4의 실시예를 기준으로 동작에 관하여 설명한다.

도 6 내지 도 10은 투입 상태에서 가동로드부(30)가 이동하여 차단 상태로 전환될 때까지의 동작을 순차적으로 나타낸 것이다.

도 6은 차단 동작이 시작되어 주접점이 분리된 후, 아크 접점이 분리되기 직전 상태를 나타낸 것이다.

도 6과 같은 상태에서 가동로드가 추가적으로 이동하면 아크가 발생하며 아크에서 발생하는 에너지가 열팽창실로 유입되어 열팽창실의 압력이 증가하기 시작한다.

도 7은 열팽창실의 압력이 최대가 된 상태를 나타낸 것이다.

열팽창실(102)의 압력이 아크 에너지에 의하여 증가하게 되면, 그에 따라 반동내벽부(100)의 이동벽체(110)가 열팽창실(102)을 팽창시키는 방향으로 이동하게 되고, 그에 따라 탄성부재는 압축되며 탄성력을 저장하게 된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 가동로드부(30)가 추가적으로 이동하여 노즐부(50)가 개방되면, 노즐부(50)를 통해 열팽창실(102)의 소호 가스가 분사되므로 열팽창실(102)의 압력이 점차 낮아지게 된다. 이 때, 소호 가스의 분사 압력은 열팽창실(102) 내부의 압력과 탄성부재(120)에 저장된 탄성복원력이 더해지게 되므로, 종래보다 높은 압력으로 소호 가스를 분사하게 되어 소호 성능의 향상을 가져온다.

도 9는 열팽창실 및 탄성부재의 복원력이 모두 소멸된 시점을 나타낸 것으로, 이 때 이후부터는 차단기의 메커니즘에 의한 압축챔버(42)의 압력으로 소호 가스를 분출하게 된다. 가동로드부(30)가 이동하며 압축챔버(42) 내부의 소호 가스가 압축되는데, 압축챔버(42)와 열챔버(44)는 압력밸브(134)로 연결되어 있다.

압력밸브(134)는 압축챔버(42)의 압력이 열챔버(44)의 압력보다 높을 때 개방되므로, 열챔버(44)의 압력이 소멸되면, 압축챔버(42)에 저장된 소호 가스가 열챔버(44)를 거쳐 노즐을 통해 분사되는 것이다.

압축챔버(42)에는 압축챔버(42)의 외부와 소통을 조절하는 릴리즈밸브(136)를 구비하는데, 릴리즈밸브(136)는 압축챔버(42) 내부의 압력이 일정압력을 초과하면 압축챔버(42)의 압력을 배기하도록 개방된다.

릴리즈밸브(136)는 압축챔버(42) 내부에 과다한 압력이 발생하여 가동로드부(30)의 이동속도 저하되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.

도 10은 차단 상태로의 전환이 완료된 상태를 나타낸 것이다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 열챔버를 열챙창실과 반력저장실로 분할하여, 열팽창실이 아크 에너지와 탄성부재에 의하여 이중으로 압축되는 구조를 제공함으로써, 소호 가스 분사 압력을 상승시키고, 차단시 소요되는 조작에너지를 감소시키는 효과를 가져온다.

따라서, 본 발명에 따른 가스절연 개폐장치의 차단기는 대전류 차단시에도 일정한 차단 속도를 유지할 수 있는 효과를 가져온다.

또한 본 발명은 차단시에 소요되는 조작 에너지를 감소시켜 차단기의 기계적인 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

10 : 가동부측 도체부
20 : 고정부측 도체부
22 : 핑거 접점
30 : 가동로드부
32 : 주접점
42 : 압축챔버
44 : 열챔버
100 : 반동내벽부
102 : 열팽창실
104 : 반력저장실
110 : 이동벽체
120, 122 : 탄성부재
136 : 릴리즈밸브

Claims (8)

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 소호 가스를 압축하는 압축챔버와, 상기 압축챔버로부터 소호 가스를 전달받는 열챔버와, 상기 열챔버에 저장된 소호 가스를 아크를 향하여 분사하는 노즐부를 포함하는 가스절연개폐장치의 차단기에 있어서,
   상기 열챔버를 열팽창실과 반력저장실로 분할하고, 상기 열팽창실과 상기 반력저장실의 압력차에 의하여 이동하는 반동내벽부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반동내벽부는
   아크 발생시 열팽창실을 팽창시키는 방향으로 이동하고,
   아크 소호시 열팽창실을 수축시키는 방향으로 이동하여 소호 가스 분사 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 반동내벽부는
   상기 열챔버 내부 공간을 분할하며 이동 가능하게 형성되는 이동벽체와,
   상기 이동벽체가 상기 열팽창실을 축소하는 방향으로 이동하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 탄성부재는
   상기 반력저장실에 구비되는 반력저장실이 축소될 때 압축되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 탄성부재는
   상기 열팽창실에 구비되는 열팽창실이 확장될 때 인장되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 이동벽체는
   소호 가스가 상기 반력저장실에서 상기 열팽창실로 유입되는 방향으로만 소통시키는 체크밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축챔버와 상기 열챔버를 연결하되,
   상기 압축챔버의 압력이 상기 열챔버의 압력보다 높은 경우에 개방되는 압력밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 압축챔버의 압력이 일정압력을 초과하면 상기 압축챔버의 압력을 배기하는 릴리즈 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치의 차단기.

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