KR20150055706A - 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 전력계통에서 고장 발생 시 고장전류를 차단하고 전력계통 설비를 보호하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드에 관한 것이다.
본 발명은 열가스가 흐르는 통로상에 열가스의 진행력과 스프링의 복원력에 의해 인출 및 복원가능한 유동가이드를 설치하고, 이렇게 설치한 유동가이드에 의해 열팽창실 내의 열가스와 냉가스가 잘 혼합되도록 한 새로운 형태의 전류 차단 방식을 구현함으로써, 고정아크접점과 가동아크접점 사이의 아크로 분사되는 열가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 등 전류 차단 성능을 크게 향상시킬 수 있는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드를 제공한다.

Description

가스 차단기의 자동이동식 유동가이드{Auto-moving flow guide for gas circuit breaker}

본 발명은 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 전력계통에서 고장 발생 시 고장전류를 차단하고 전력계통 설비를 보호하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드에 관한 것이다.

일반적으로 전력계통에 고장이 발생할 경우, 고장전류를 차단하고 전력설비를 보호하기 위하여 차단기가 사용된다.

보통 고전압 차단기에서 고장전류에 의해 두 전기접점 간에 발생하는 아크를 소호하기 위한 원리는 다음과 같다.

기본적으로 절연가스를 차단기 내에 고압으로 충진한 상태에서 고장전류에 의한 아크가 발생하면, 절연가스를 매우 높은 압력으로 압축하여 아크에 직접 강력하게 분사함으로써 아크를 소호하게 된다.

여기서, 절연가스로는 SF₆(육불화황) 가스가 널리 사용되고 있으며, 이는 화학적으로 매우 안정된 분자구조를 가지기 때문에 높은 절연파괴강도를 가진다.

이러한 특성 때문에 SF₆ 절연가스는 고전압설비의 절연매체로 널리 사용되고 있고, 또한 아크 방전을 소멸시키는 아크 소호 성능이 우수하여 차단기의 아크 소호 매질로 널리 사용되고 있다.

현재 대부분의 고전압 전력계통에서 고장 발생시 고장전류 차단 및 전력계통 설비 보호를 위하여 SF₆ 가스 차단기(이하, 가스 차단기라 함)가 사용되고 있으며, 고전압 차단기에서 아크를 소호하는 방식은 복합 소호 방식이 주로 적용된다.

여기서, 복합 소호 방식 가스 차단기는 한국 공개특허 10-2002-0015896호, 한국 공개특허 10-2005-0093565호, 한국 등록특허 10-1040592호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.

도 4는 종래 가스 차단기의 주요 부분 확대 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 가스 차단기는 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11), 선단의 주노즐(12)과 축선의 실린더로드(13)를 가지는 실린더(14), 상기 실린더(14)의 내부에 조성되는 열팽창실(15), 상기 열팽창실(15)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널(16), 상기 가동아크접점(11)의 둘레에 설치되는 보조노즐(17) 등을 포함한다.

따라서, 전력계통에 고장이 발생하면, 실린더로드의 후단에 연결된 조작기(미도시)에 의해 고정아크접점과 피스톤(미도시)을 제외한 가동부(가동아크접점, 실린더로드, 주노즐, 실린더 등)가 도면의 오른쪽 방향으로 이동하게 된다.

이렇게 가동부가 이동하는 과정에서 실린더 내의 압축실(미도시)의 가스는 위치가 고정되어 있는 피스톤에 의해 자동으로 압축된다.

계속해서, 가동부가 이동함에 따라 고정아크접점과 가동아크접점이 분리되고, 이와 동시에 두 아크접점 사이에는 아크가 발생하게 된다.

그리고, 상기 압축실에서 압축된 가스는 열팽창실과 주노즐을 통해 고정아크접점과 가동아크접점 사이로 분사되고, 결국 두 아크접점 사이에서 발생한 아크가 가스에 의해 소호되면서 고장전류가 차단될 수 있게 된다.

또한, 아크를 통해 가열된 열가스는 열팽창실로 유입되고, 기존에 열팽창실을 채우고 있던 차가운 가스들과 섞이면서 냉각되며, 이때의 냉각능력이 차단성능과 직결된다.

이렇게 냉각효과를 높이기 위해서는 열팽창실로 유입되는 열가스의 흐름이 열팽창실 내에서 큰 원을 그리면서 차가운 가스와 섞이는 것이 유리하다.

그러나, 열팽창실에서 열가스와 냉가스가 잘 혼합되지 못한 채 아크로 분사될 경우 절연파괴가 일어날 가능성이 커진다.

즉, 기존 가스 차단기의 경우, 열팽창실 내에 열가스가 유입되면 열팽창실에 존재하는 냉가스와 혼합된 후, 이렇게 혼합되어 냉각된 열가스가 다시 아크로 분사되도록 되어 있는데, 이때 냉가스와 혼합되는 운동력은 순전히 열가스의 진행방향에 의한 운동력 뿐이며, 열팽창실의 형상 등에 따라 혼합이 잘 이루어지지 않게 된다.

이와 같이, 열팽창실 내의 열가스와 냉가스가 잘 혼합되도록 하는 것이 차단성능에 결정적인 영향을 미치게 되므로, 이에 대한 연구 및 개발의 필요성이 요구된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 열가스가 흐르는 통로상에 열가스의 진행력과 스프링의 복원력에 의해 수납 및 인출가능한 유동가이드를 설치하고, 이렇게 설치한 유동가이드에 의해 열팽창실 내의 열가스와 냉가스가 잘 혼합되도록 한 새로운 형태의 전류 차단 방식을 구현함으로써, 고정아크접점과 가동아크접점 사이의 아크로 분사되는 열가스를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 등 전류 차단 성능을 크게 향상시킬 수 있는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드는 고정아크접점과 가동아크접점, 선단의 주노즐과 축선의 실린더로드를 가지는 실린더, 상기 실린더의 내부에 조성되는 열팽창실, 상기 열팽창실에서 고정아크접점과 가동아크접점사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널, 상기 가동아크접점의 둘레에 설치되는 보조노즐 등을 포함하는 한편, 특히 상기 열팽창실의 일측에 열팽창실 내측으로 인출됨과 더불어 열팽창실 외측으로 복원가능한 가이드 플레이트와 상기 가이드 플레이트에 복원력을 제공하는 스프링, 그리고 상기 스프링의 한쪽을 지지하는 고정블럭을 설치한 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드는 열가스가 열팽창실로 유입 시 가이드 플레이트가 인출되면서 가스의 유동흐름을 잡아줄 수 있도록 하고, 냉가스가 열팽창실로부터 배출 시 가이드 플레이트가 복원되면서 냉가스 흐름에 간섭을 주지 않도록 하는 특징이 있다.

여기서, 상기 가이드 플레이트는 히팅채널을 가로막고 있는 수직판과 히팅채널(16)을 따라 나란하게 위치되는 수직판의 일체형으로 이루어져, 열가스의 미는 힘에 의해 열팽창실 내측으로 인출될 수 있도록 되어 있다.

그리고, 상기 가이드 플레이트는 히팅채널에 형성되어 있는 플레이트 설치홈 내에 삽입 위치되도록 하여, 인출 및 복원 시 슬라이드 안내를 받을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드 플레이트의 경우, 보조노즐의 둘레를 따라가면서 동심원으로 배치되는 적어도 1개 이상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제공하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드는 다음과 같은 장점이 있다.

가스 차단기의 열팽창실 내부로 수납 및 인출이 가능한 유동가니드를 설치하여 히팅채널을 통해 유입되는 열가스와 열팽창실 내에 존재하는 냉가스를 전체적으로 잘 혼합되도록 함으로써, 두 전기접점 사이에 발생하는 아크에 충분하게 냉각된 가스를 분사할 수 있고, 따라서 전류 차단 성능을 획기적으로 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드를 나타내는 단면도
도 2는 도 1의 A-A 선 단면도
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드의 작동상태를 나타내는 단면도
도 4는 종래의 가스 차단기를 나타내는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드를 나타내는 단면도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 자동이동식 유동가이드를 포함하는 가스 차단기는 전력계통 이상 시 이동가능한 가동부로서 실린더(14)와 실린더로드(13)를 포함하며, 상기 실린더(13)의 선단부에는 주노즐(12)이 장착되고, 상기 실린더로드(13)의 선단부에는 가동아크접점(11) 및 그 바깥둘레의 보조노즐(17)이 장착된다.

그리고, 상기 실린더(14)의 내부는 앞쪽의 열팽창실(15)과 뒷쪽의 압축실(미도시)이 조성될 수 있게 된다.

이때, 상기 압축실과 열팽창실(15)의 내부에는 절연가스로서 SF₆ 가스가 채워져 있게 된다.

또한, 전력계통 고장 시 서로 분리되면서 아크를 발생시키는 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)이 마련되고, 이때의 가동아크접점(11)은 실린더로드(13)에 결합됨과 더불어 그 선단부를 통해 고정아크접점(10)의 선단측과 연결된다.

여기서, 상기 고정아크접점의 후단측 연결 및 지지구조, 가동부의 이동구조 및 이동방식 등은 종래의 가스 차단기와 동일하므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 서로의 배치관계에서 중심측에 위치되어 있는 보조노즐(17)과 외곽측에 위치되어 있는 주노즐(12) 사이, 즉 보조노즐(17)의 바깥쪽 둘레면과 주노즐(12)의 안쪽 내벽면 사이에는 히팅채널(16)이 형성되고, 이에 따라 열팽창실(15)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이에 가스의 흐름이 만들어지게 된다.

즉, 상기 히팅채널(16)을 통해 열팽창실(15)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이의 아크 발생 부위로, 또 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이에서 열팽창실(15)로 가스가 흘러갈 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서 제공하는 가스 차단기, 예를 들면 복합 소호 방식의 가스 차단기는 열팽창실(15)의 내부에서 냉가스와 열가스를 효과적으로 혼합시켜주는 수단으로 가이드 플레이트(18), 스프링(19) 및 고정블럭(21) 등으로 구성되는 자동이동식 유동가이드를 포함한다.

상기 가이드 플레이트(18)는 열가스가 밀려 들어올 때 인출되어 열팽창실(15)의 내부 안쪽까지 연장위치되면서 열가스 흐름을 유도하는 역할을 하게 된다.

이러한 가이드 플레이트(18)는 열팽창실(15)의 일측에 설치되어 열팽창실(14) 내부로 인출되거나, 열팽창실(14)로부터 빠져나와 원래 위치로 복귀될 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 가이드 플레이트(18)는 히팅채널(16)에 형성되어 있는 플레이트 설치홈(21) 내에 슬라이드 가능한 구조로 삽입 위치되며, 이때의 플레이트 설치홈(21) 내에서의 안내를 받으면서 열팽창실(15)측으로 들어오는 열가스에 의해 밀려서 인출되거나, 열팽창실(15)측에서 냉가스가 나갈 때 스프링(19)에 의해 복원될 수 있게 된다.

이와 같은 가이드 플레이트(18)는 히팅채널(16)의 폭을 가로막고 있는 짧은 길이의 수직판(18a)과 히팅채널(16)을 따라 나란하게 위치되는 긴 길이의 수직판(18b)의 일체형으로 이루어질 수 있게 된다.

이에 따라, 히팅채널(16)을 통해 열가스가 밀려오게 되면, 이때의 열가스는 가이드 플레이트(18)의 수직판(18a)에 부딪히게 되고, 이렇게 수직판(18a)에 부딪히는 열가스의 미는 힘에 의해 가이드 플레이트(18)는 열팽창실(15)이 있는 쪽으로 밀리면서 열팽창실 내측으로 인출될 수 있게 된다.

그리고, 상기 가이드 플레이트(18)는 적어도 1개 이상이 구비될 수 있으며, 일 예로 보조노즐(17)의 둘레를 따라가면서 일정간격을 두고 동심원으로 배치되는 다수개를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 90°간격으로 배치되는 4개의 가이드 플레이트(18)를 적용한 예를 보여주고 있다.

상기 스프링(19)은 가이드 플레이트(18)를 복원시켜주는 수단으로서, 히팅채널(19) 내에서 가이드 플레이트(18)의 수직판(18a)과 히팅채널(16)과 열팽창실(15)의 경계부위에 설치되어 있는 고정블럭(20) 사이에서 양단 지지되는 구조로 설치된다.

이러한 스프링(19)은 가이드 플레이트(18)의 인출 시 압축되면서 가이드 플레이트(18)의 위치 복원을 위한 스프링 힘을 확보할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 스프링(19)은 열팽창실(15)로 들어오는 열가스의 미는 힘이 없거나 약해지면 스프링 힘을 발휘하여 가이드 플레이트(18)를 원래의 위치(열팽창실 내부로 인출되기 전 위치)로 복원시켜줄 수 있게 된다.

따라서, 이와 같이 구성되는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 3a 및 3b에 도시한 바와 같이, 전력계통 고장 시(고장전류가 작은 경우) 실린더로드(13)의 후단에 연결된 조작기(미도시)에 의해 고정아크접점(10)을 제외한 가동부(가동아크접점, 실린더로드, 주노즐, 실린더 등)가 도면의 오른쪽 방향으로 이동하게 된다.

이렇게 가동부가 이동하는 과정에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)이 분리되면서 두 아크접점(10,11) 사이에는 아크가 발생하게 되고, 이와 더불어 열팽창실(15) 내의 가스는 위치가 고정되어 있는 피스톤(미도시)에 의해 자동으로 압축되며, 이렇게 압축된 열팽창실(15) 내의 가스는 주노즐(12)을 통해 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이의 아크로 분사된다(여기서, 가스의 압축작용은 종래와 같으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다).

이에 따라, 두 아크접점(10,11) 사이에서 발생한 아크는 열팽창실(15)에서 히팅 채널(16)을 통해 들어오는 가스에 의해 소호되면서 고장전류가 차단될 수 있게 된다.

한편, 전력계통 고장 시(고장전류가 큰 경우) 고정아크접접(10)과 가동아크접점(11) 사이에서 발생한 아크 에너지가 크기 때문에 주위의 가스가 팽창되면서 열팽창실(15)로 역류된다.

즉, 아크의 온도가 수만 도에 달하기 때문에 고온에 의해 아크 주위의 가스가 팽창하여 열팽창실(15)로 역류하게 된다.

계속해서, 열팽창실(15)로 역류한 열가스는 열팽창실(15) 내의 냉가스와 섞이면서 냉각되어 다시 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11) 사이의 아크로 분사되면서 아크를 소호하게 된다.

이렇게 가스의 유동이 이루어지고 있는 과정에서, 아크측 열가스가 열팽창실(15)로 유입될 때, 히팅채널(16)을 통해 흘러들어가는 열가스에 의해 가이드 플레이트(18)가 밀리면서 열팽창실(15)의 내부로 인출되어 펼쳐지게 되고, 이에 따라 열가스는 가이드 플레이트(18)에 의해 열팽창실(15)의 내측 안쪽까지 유도되는 흐름을 보이게 되며, 결국 열가스는 열팽창실(15)의 내부에서 큰 원을 그리면서 냉가스와 원활하게 섞일 수 있게 된다.

계속해서, 열팽창실(15)에서 충분히 혼합된 냉가스는 전류크기의 감소로 인해 아크에너지가 줄어들면서 열팽창실(15) 밖으로 밀려 나오게 되고, 이와 동시에 가이드 플레이트(18)는 스프링(19)의 힘을 받아 원래 있던 위치쪽으로 밀려 들어가게 되며, 이에 따라 냉가스는 가이드 플레이트(18)에 의한 간섭없이 원활하게 아크측으로 분사될 수 있게 된다.

그리고, 아크가 소멸되면서 열팽창실(15)의 압력이 접점 간의 아크 영역의 압력보다 높아지게 되면, 가이드 플레이트(18)는 스프링(19)에 의해 원래 위치로 완전히 복귀하게 된다.

이와 같이, 가스의 흐름을 유도하는 유동가이드를 채택하여 열팽창실 내에서 열가스와 냉가스가 잘 섞이도록 함으로써, 열팽창실의 열가스를 효과적으로 냉각시킨 후에 아크영역으로 분사할 수 있고, 이를 통해 차단기의 차단 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

10 : 고정아크접점 11 : 가동아크접점
12 : 주노즐 13 : 실린더로드
14 : 실린더 15 : 열팽창실
16 : 히팅채널 17 : 보조노즐
18 : 가이드 플레이트 18a : 수직판
18b : 수평판 19 : 스프링
20 : 고정블럭 21 : 플레이트 설치홈

Claims (4)

1. 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11), 선단의 주노즐(12)과 축선의 실린더로드(13)를 가지는 실린더(14), 상기 실린더(14)의 내부에 조성되는 열팽창실(15), 상기 열팽창실(15)에서 고정아크접점(10)과 가동아크접점(11)사이로 가스의 흐름을 만들어주는 히팅채널(16), 상기 가동아크접점(11)의 둘레에 설치되는 보조노즐(17)을 포함하고,
   상기 열팽창실(15)의 일측에 열팽창실 내측으로 인출됨과 더불어 열팽창실 외측으로 복원가능한 가이드 플레이트(18)와 상기 가이드 플레이트(18)에 복원력을 제공하는 스프링(19), 그리고 상기 스프링(19)의 한쪽을 지지하는 고정블럭(20)을 설치하여, 열가스가 열팽창실로 유입 시 가이드 플레이트가 인출되면서 가스의 유동흐름을 잡아줄 수 있도록 하고, 냉가스가 열팽창실로부터 배출 시 가이드 플레이트가 복원되면서 냉가스 흐름에 간섭을 주지 않도록 한 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가이드 플레이트(18)는 히팅채널(16)을 가로막고 있는 수직판(18a)과 히팅채널(16)을 따라 나란하게 위치되는 수직판(18b)의 일체형으로 이루어져, 열가스의 미는 힘에 의해 열팽창실 내측으로 인출될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 가이드 플레이트(18)는 히팅채널(16)에 형성되어 있는 플레이트 설치홈(21) 내에 삽입 위치되어 인출 및 복원 시 슬라이드 안내를 받을 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 가이드 플레이트(18)는 보조노즐(17)의 둘레를 따라가면서 동심원으로 배치되는 적어도 1개 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 차단기의 자동이동식 유동가이드.

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