KR20220131077A - 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접점부에 전자기력 발생부가 추가되어 아크 소호 능력이 향상된 직류 차단기에 관한 것입니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기는 외함 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자; 상기 외함 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자;를 포함하고, 차단시 상기 고정접촉자와 가동접촉자에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고, 상기 전자기력 발생부는, 상기 고정접촉자의 일부에 형성되는 코일부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기{Direct Current Circuit Breaker Having Electromagnetic Force Generator}

본 발명은 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접점부에 전자기력 발생부가 추가되어 아크 소호 능력이 향상된 직류 차단기에 관한 것입니다.

일반적으로 같은 송전 용량 하에서 직류(DC)는 교류(AC)에 대비하여 전선 소요량 및 철탑 크기가 감소하는 장점을 가진다. 송전 용량이 동일한 경우 직류를 사용하면 교류를 사용하는 경우에 비하여 전선 소요량을 30% 정도 절감할 수 있다. 이와 같은 이점으로 인하여 직류 배전 시장이 점차 확대되고 있는 추세이다.

이러한 추세에 따라 직류 차단기는 배전급 LVDC(Low Voltage Direct Current), ESS(Energy Storage System), 신재생 에너지 시장 등 다양한 분야에서 그 수요가 증가하고 있다.

직류 차단기는 기기 내부에 고장 검출부를 구비하여 직류 회로에 이상 전류가 발생한 경우, 개극 이상 전류가 최대치에 도달하기 전에 이상 전류를 감지하여 고속으로 차단하는 차단기이다. 직류 차단기는 단락 및 과전류 등을 감지한 후 짧은 응답 시간을 갖는다.

직류 차단기는 교류 차단기와 마찬가지로 과전류 또는 사고 전류의 발생 시 차단(trip)이 이루어진다. 개폐기구부의 차단 동작에 의해 차단기가 부하 측에 제공되는 전원을 차단함으로써 차단기 및 선로를 보호한다.

도 1 내지 도 4에 종래기술에 따른 직류 차단기가 도시되어 있다. 도 1 및 도 3에는 각각 직류 차단기의 외부 사시도 및 내부 구조도가 도시되어 있다. 직류 차단기는 교류 차단기와 마찬가지로 접점부(2,3), 개폐기구부(4), 트립부(5,7,8,9), 소호부(6) 등으로 구성되어 있다. 개폐기구부(4)에 의해 접점부(2,3)의 가동접점(3)이 고정접점(2)과 접촉되거나 개리되어 회로를 통전 또는 차단시킨다.

트립부(5,7,8,9)는 직류 회로에 이상 전류가 발생한 경우에 개폐기구부(4)의 구속을 해제하여 접점부(2,3)를 개방한다.

전류 통전 상태에서 접촉되어 있던 두 접점이 개리될 경우, 두 접점간에 아크가 발생하는데, 이 아크는 소호부(6)로 이동하여 소호되면서 차단이 이루어진다.

직류 회로는 교류 회로와 다르게 전압 영점(zero point)이 존재하지 않아 접점이 분리되면 아크가 발생하여 전류가 지속적으로 통전된다. 따라서, 전류를 완전히 차단하기 위하여 소호부(6)를 사용하여 아크를 소호하여야 한다.

종래기술에 따른 직류 차단기는 교류에 사용되는 차단기와 동일한 차단기를 사용할 수 있다. 교류용 차단기 제품을 전원에서 부하까지 직렬로 연결하여 직렬용으로 전환하여 사용하고 있으며, 각 상마다 전압을 분담하여 차단하는 방식으로 사용되고 있다.

직류용 차단기 또한 과전류 또는 순시 전류 발생 시에는 차단 동작이 이뤄져 차단기가 부하 측에 제공되는 전원을 차단함으로써 차단 및 선로를 보호하도록 하고 있다.

직류 차단기가 교류 차단기와 다른 점은 회로가 각 상을 일렬로 잇도록 직렬로 연결된다는 점이다.

도 2에는 종래 4극 배선용 차단기의 회로 연결도가 도시되어 있다. 회로(11)는 전원(18)으로부터 배선용 차단기(1)의 각 상(R,S,T,N 상)에 순차적으로 직렬로 연결되고 부하(19)를 거쳐 다시 전원(18)으로 연결된다. 여기서, 배선용 차단기(1)에는 R상, S상, T상, N상의 순서로(물론, 이 순서는 역으로 구성될 수도 있다) 차례로 직렬로 연결된다. 또한, 각 상에는 차단부(2,3)가 마련되어 있다. 직렬 차단기의 경우 차단시 전체 전압은 각 상에서 분담하게 된다.

배선용 차단기의 각 극을 일렬로 연결하기 위하여 연결 도체(13,14)가 마련될 수 있다. 연결 도체(13,14)는 일자형 연결 도체(13) 및 U형 연결 도체(14)를 포함할 수 있다.

도 4를 더 참조하여, 접점부에서 발생하는 차단 시 상태를 살펴보면 다음과 같다. 접점부(2,3)는 고정접촉자(2) 및 상기 고정접촉자(2)에 접촉 또는 분리되도록 회전하며 움직이는 가동접촉자(3)로 구성된다.

차단시 고정접촉자(2)와 가동접촉자(3) 사이에 아크(A)가 발생하는 경우, 전류(i)의 흐름으로 인해 가동접촉자(3)와 고정접촉자(2)에 유도 자기장(B1, B2)이 발생한다. 아크의 전류(i)와 유도 자기장(B1,B2)에 의해 전자기력(F)이 발생하여 아크(A)를 소호실로 이동시킨다.

종래 기술은 고정접촉자(2)와 가동접촉자(3)에 흐르는 전류로 인해 유도되는 자기장의 효과로 발생하는 전자기력이 아크에 작용해 아크를 접점부에서 소호실 내부로 이동시키는 기능을 한다. 단락 사고와 같이 전류가 큰 경우에 전자기력도 커져서 아크를 빠르게 이동시켜 소호 능력을 만족시킬 수 있다. 그런데, 오히려 전류가 작은 경우에는 전자기력의 크기가 작아서 아크가 소호부로 이동하지 못하고 접점부에 머무르게 된다.

교류는 전류 영점을 가지고 있어서 전류 영점에 도달하면 아크가 자연스럽게 소멸할 수 있으나 직류의 경우에는 전류 영점이 없기 때문에 아크가 접점부 사이에 오래 머무르는 경우 아크로 인해 접점부가 손상을 입을 수 있다.

따라서, 차단시 발생하는 아크가 소전류 상태에서도 소호부로 이동할 수 있도록 보완되어야 한다.

한편, 이와 같은 목적으로 접점부 양측에 영구자석을 설치하여 고정된 자기장을 만들어서 아크 소호 능력을 향상시킨 발명도 있다. 하지만 영구자석을 사용하여 자기장을 만드는 경우, 회로에 흐르는 전류의 방향이 반대로 바뀌면 전자기력의 방향이 반대로 작용하므로 아크의 소호부로의 유도를 오히려 방해하게 된다. 직류 배선용 차단기는 설치 방향에 따라 전류의 방향이 바뀔 수 있기 때문에 영구자석을 사용하는 경우 오히려 역효과가 날 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 전자기력이 추가되어 아크 소호 능력이 향상된 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기를 제공하는 것이다. 또한, 전류의 흐름에 따라 방향이 자동으로 전환되어 전류의 방향에 상관없이 모두 적용할 수 있는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기는 외함 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자; 상기 외함 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자;를 포함하고, 차단시 상기 고정접촉자와 가동접촉자에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고, 상기 전자기력 발생부는, 상기 고정접촉자의 일부에 형성되는 코일부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고정접촉자는, 상기 회로의 일단에 연결되는 고정단자부; 상기 고정단자부에 일단이 연결되는 상기 코일부; 상기 코일부의 타단에 연결되고, 상기 고정단자부로부터 이격되는 고정접점부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일부는 상기 고정단자부와 고정접점부의 양측에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정단자부와 코일부 사이에는 제1 연결부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정접점부와 코일부 사이에는 제2 연결부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일부는 나선으로 수회 권회되는 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일부의 중심은 측면에서 볼때 상기 고정접점부에 구비되는 고정접점과 상기 가동접촉자에 구비되는 가동접점에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코일부는 측면에서 볼때 상기 고정단자부와 고정접점부를 포함하는 크기의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기는 외함 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자; 상기 외함 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자;를 포함하고, 차단시 상기 고정접촉자와 가동접촉자에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고, 상기 전자기력 발생부는 상기 가동접촉자의 일부에 형성되는 가동코일부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가동접촉자는, 상기 회로의 일단에 연결되는 가동단자부; 상기 가동단자부에 일단이 연결되는 상기 가동코일부; 상기 가동코일부의 타단에 연결되고, 상기 가동단자부로부터 이격되는 가동접점부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가동코일부는 상기 가동단자부와 가동접점부의 양측에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가동단자부와 가동코일부 사이에는 제1 연결부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가동접점부와 가동코일부 사이에는 제2 연결부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 가동코일부는 나선으로 수회 권회되는 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단기에 의하면 접점부에 코일 형태의 전자기력 발생부가 구비되어 차단시 발생하는 아크를 효과적으로 아크 소호부로 유도할 수 있다.

코일에 의한 전자기력 발생부는 영구 자석과 다르게 회로에 흐르는 전류의 방향에 따라 전자기력의 방향이 전환되므로 전류의 흐름이 반대로 바뀌어도 적용 가능하다.

전자기력 발생부는 고정접촉자에 일체로 형성되어 조립이 용이하고 안정적이다.

전자기력 발생부는 아크가 잔류하는 동안 계속하여 작용한다.

도 1은 종래기술에 따른 직류 차단기의 사시도이다.
도 2는 종래기술에 따른 직류 차단기의 회로 연결도이다.
도 3은 종래기술에 따른 직류 차단기의 내부 구조도이다.
도 4는 도 3에서 접점부의 차단 상태의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단기의 내부 구조도이다.
도 6은 도 5에서 접점부의 차단 상태의 사시도이다.
도 7은 도 6에서 차단시 발생하는 아크에 의한 전자기력 발생도이다.
도 8은 도 7의 상면도이다.
도 9는 도 7에서 자속밀도를 표시한 것이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단기의 내부 구조도이고, 도 6은 도 5에서 접점부의 차단 상태의 사시도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기는 외함(101) 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자(120); 상기 외함(101) 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자(120)에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자(140);를 포함하고, 차단시 상기 고정접촉자(120)와 가동접촉자(140)에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고, 상기 전자기력 발생부는, 상기 고정접촉자(140)의 일부에 형성되는 코일부(124)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

외함(101)은 배선용 차단기의 구성요소들을 수용하고 지지한다. 외함(101)은 개략적으로 상자형으로 형성된다. 외함(101)의 상면에는 핸들(103)이 노출된다. 핸들(103)은 사용자의 수동적인 조작력에 의해 개폐기구(102)를 동작시킨다.

외함(101)의 전,후면에는 회로의 전원측 또는 회로의 부하측과 연결될 수 있는 단자부(108,109)가 마련된다. 단자부(108,109)는 각 상별로 (또는 각 극별로) 마련된다. 예를 들어, 3상 4극 배선용 차단기의 경우에는 전원측 및 부하측에 각 4개의 단자부가 마련될 수 있다.

고정접촉자(120)가 외함(101) 내부에 고정 설치된다. 고정접촉자는 전원측 단자부(108)에 연결된다. (쌍접점형 배선용 차단기(double circuit breaker)의 경우, 고정접촉자는 전원측 및 부하측에 각각 마련된다. 즉, 전원측 고정접촉자와 부하측 고정접촉자가 구비된다. 이때, 전원측 고정접촉자는 전원측 단자부에 직접 연결되거나 일체로 형성될 수 있다. 부하측 고정접촉자는 트립기구(특히 히터)를 통해 부하측 단자부에 연결될 수 있다.)

접점부(고정접촉자와 가동접촉자) 인근에는 차단시 발생하는 아크를 소호하기 위하여 소호부(소호장치)(150)가 마련된다. (쌍접점형 배선용 차단기의 경우 소호부는 전원측 및 부하측에 각각 마련된다.) 소호부(150)는 한 쌍의 측벽(151)과 상기 측벽(151)에 소정 간격으로 결합되는 복수 개의 그리드(152)로 구성될 수 있다.

회로에 흐르는 이상전류를 검출하고 개폐기구를 트립시키기 위한 검출 및 트립부(트립기구)(110)가 외함(101)의 일부에 마련된다. 검출 및 트립부는 간단히 트립기구라고 할 수 있다. 트립기구(110)는 부하측에 마련되는 것이 보통이다. 트립기구(110)는 부하측 단자부(109)에 연결되는 히터(111), 히터(111)에 결합되어 열을 감지하고 열량에 따라 만곡되는 바이메탈(112), 히터(111) 주변에 설치되는 마그넷(미도시)과 아마추어(미도시), 상기 바이메탈(112) 또는 아마추어의 접촉에 의해 회전할 수 있도록 설치되는 크로스바(115), 크로스바(115)의 회전에 의해 구속 또는 해제되어 개폐기구(102)의 래치(105)를 구속 또는 해제하는 래치홀더(미도시)를 포함할 수 있다.

통상적으로 소전류 지연 차단시에는 히터(111)에 발생하는 열에 의해 바이메탈(112)이 만곡하여 크로스바(115)가 회전하여 개폐기구(102)를 작동시키게 되고, 대전류 순시 차단시에는 마그넷(113)에 여자되는 자력에 의해 아마추어가 흡인되면서 크로스바(115)를 회전시켜 개폐기구(102)가 작동하게 된다.

사용자의 조작력은 핸들(103)을 통해 개폐기구(102)에 전달된다. 개폐기구(102)의 동력을 각 상에 전달하기 위하여 개폐기구(102)에는 한 쌍의 회전핀(104)이 설치된다. 회전핀(104)은 모든 상을 가로지르는 길이로 형성되어 샤프트 어셈블리(또는 가동자 어셈블리)(130)에 설치된다.

샤프트 어셈블리(130)가 마련된다. 샤프트 어셈블리(130)에는 회전핀(104)이 관통 설치된다. 샤프트 어셈블리(130)는 회전핀(104)에 의해 개폐기구(102)의 개폐 동력을 전달받아 회전한다. 샤프트 어셈블리(130)가 회전함에 따라 가동접촉자(140)도 회전하여 고정접촉자(120)에 접촉되거나 분리된다.

샤프트 어셈블리(130)는 샤프트 바디(131), 가동접촉자(140), 샤프트 핀, 스프링을 포함하여 구성된다.

샤프트 바디(131)는 원기둥 형태로 형성된다. 샤프트 바디(131)의 평평한 양측면(원판면)에 축(132)이 돌출 형성된다. 샤프트 바디(131)에는 축(132) 방향에 수직인 방향으로 개구부가 관통 형성된다. 샤프트 바디(131)의 내벽에는 샤프트 핀이 삽입 고정될 수 있는 핀 장착홈이 형성된다. 샤프트 바디(131)에는 축(132) 방향에 나란하게 관통되어 회전핀(104)이 삽입될 수 있는 핀홀이 한 쌍 형성된다.

가동접촉자(140)는 샤프트 바디(131)의 개구부에 삽입 설치된다. 가동접촉자(140)는 샤프트 바디(131)와 함께 또는 독자적으로 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하면서 고정접촉자(120)에 접촉 또는 분리되어 회로를 통전시키거나 차단시킨다.

가동접촉자(140)의 단부에는 고정접촉자(120)의 고정접점(129)에 접촉될 수 있는 가동접점(142)이 각각 구비된다. 가동접점(142)은 크롬-동(Cr-Cu) 합금 등 전도성 및 내구성이 우수한 재질로 제작될 수 있다.

가동접촉자(140)는 일반적인 소전류나 대전류 차단 상황에서는 샤프트 바디(131)와 함께 회전하지만, 한류 차단시에는 급격한 전자반발력에 의해 가동접촉자(140)가 독자적으로 회전한다. 이 경우, 가동접촉자(140)는 개구부의 샤프트 핀(미도시)에 접하여 회전이 멈추게 된다.

가동접촉자(140)가 회전하는 것은 3가지 경우로 구분될 수 있다. 첫번째 경우는 사용자가 핸들(103)을 조작하여 핸들(103)과 접속되어 있는 개폐 기구(102)가 샤프트 어셈블리(130)를 회동시켜 가동접촉자(140)가 샤프트 바디(131)와 함께 회전하는 경우이다. 즉, 가동접촉자(140)는 스프링(160)의 힘에 의해 구속되어 샤프트 바디(131)와 함께 움직인다. 다시 말하면, 이 경우 샤프트 어셈블리(130)는 가동접촉자(140)와 샤프트 바디(131)가 일체로 움직인다.

두번째 경우는 트립기구(110)의 과전류 검출에 따른 트립 동작에 의해 개폐 기구(102)에 대한 구속이 해제되어 샤프트 어셈블리(130)가 회전하면서 가동접촉자(140)도 회전하는 경우이다. 이때에도 가동접촉자(140)는 접압 스프링(139)의 힘에 의해 구속되어 샤프트 바디(131)와 함께 움직인다.

세번째 경우는 단락전류와 같은 큰 사고전류의 발생시 전자반발력에 의해 가동접촉자(140)가 고정접촉자(120)로부터 분리되어 회전하는 경우이다(소위 한류차단). 이때 가동접촉자(140)는 샤프트 바디(131)와는 별개로 독립적으로 회전하게 된다. 가동접촉자(140)는 샤프트 바디(131)의 개구부 내에서 움직인다. 가동접촉자(140)가 강한 전자반발력에 의하여 접압 스프링(139)의 탄성력을 이기고 시계 방향으로 움직이는 경우, 가동접촉자(140)는 고정접촉자(120)로부터 분리된다. 즉, 이 경우(한류 차단의 경우)에는 샤프트 어셈블리(130)는 샤프트 바디(131)가 회전하지 않는 상태에서 가동접촉자(140)만 독자적으로 움직인다.

아크 소호부(아크 슈터)(150)는 대칭적으로 마주하여 한쌍의 측벽을 형성하는 측판(151)과 복수 개의 철판으로 형성되어 측판(151)에 소정의 간격으로 병렬적으로 삽입되는 그리드(152)를 포함한다. 아크 소호부는 측판(151)와 그리드(152)에 둘러싸여 아크가 소호될 수 있는 내부공간을 이룬다.

회로가 정상상태에 있는 경우 고정접촉자(120)의 고정접점(129)과 가동접촉자(140)의 가동접점(142)이 연결되어 전류가 흐르게 된다. 회로에 과전류나 사고전류가 발생하면 트립기구 및 개폐기구에 의해 가동접촉자(140)가 회전하여 가동접점(142)이 고정접점(129)으로부터 분리되어 전류가 차단된다. 이때, 가동접점(142)과 고정접점(129) 사이에서 아크가 발생하게 된다. 이 아크는 그리드(152)의 사이사이로 들어가면서 짧은 아크로 분할되며 아크전압이 상승하게 된다. 더불어, 아크 소호부 내에 존재하는 SF6 등 아크소호용 가스에 의해서 아크전압은 더욱 상승하게 된다. 이에 따라, 아크는 자유전자의 방출이 억제되면서 소멸되게 된다.

측판(151)은 대칭되는 한 쌍으로 구비된다. 측판(151)은 절연 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 차단시 발생하는 아크는 측판(151)에서는 반사되어 그리드(152)로 모이도록 할 수 있다.

아크를 흡인하여 소호시키기 위하여 그리드(152)가 마련된다. 이때, 그리드(152)는 상기 한 쌍의 측판(151)에 설치되는 복수 개로 마련된다. 그리드(152)는 측판(151)에 끼움결합 될 수 있다.

그리드(152)는 평판으로 형성된다. 그리드(152)는 아크를 흡인하기 유리하도록 철재로 형성된다. 그리드(152)의 양측면에는 측판(151)에 설치될 수 있도록 끼움돌기(미부호)가 복수 개 돌출 형성된다. 그리드(152)의 끼움돌기가 측판(151)의 끼움홀에 끼움결합된다. 이때, 안정적인 결합을 위하여 코킹작업이 수행될 수 있다.

그리드(152)는 복수 개가 구비되어 측판(151)에 소정 간격을 갖고 다층으로 설치될 수 있다. 이에 따라, 그리드(152)의 사이사이로 아크가 지나갈 수 있는 통로가 마련된다. 그리드(152)가 적층 설치될 때의 간격은 아크의 분할 및 흡인력을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.

트립기구 지지부(114)가 마련된다. 트립기구 지지부(114)는 히터(111) 등 검출기구 구성부품들을 지지하기 위하여 마련된다. 트립기구 지지부(114)는 'ㄷ'자 형태로 형성될 수 있다. 트립기구 지지부(114)의 중간부에 히터(111)가 결합되고 양 측면부 또는 날개부에는 다른 구성부품이 결합될 수 있다.

히터(111)가 마련된다. 히터(111)는 동(copper) 등 전기 전도도가 우수하고 발열성이 큰 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

히터(111)는 'ㄴ'자 형태로 형성될 수 있다. 히터(111)는 트립기구 지지부(114)에 결합되어 고정된다.

히터(111)는 전원측 단자부(108) - 고정접촉자(120) - 가동접촉자(140) - 히터(111) - 부하측 단자부(109) - 주회로(미도시)로 이어지는 회로 상에 배치되어 전류를 전달하는 선로로서 기능한다. 또한, 히터(111)는 과전류가 흐를 때는 열에 의해 온도가 상승하게 된다.

바이메탈(112)이 구비된다. 바이메탈(112)은 열변형률이 서로 다른 2가지의 금속재료가 결합된 플레이트(스트립)로서 서로 열변형률이 다른 금속이 고정되어 있으므로 열을 받으면 만곡되는 특성을 갖는다.

바이메탈(112)의 하단부는 히터(111)에 결합되어 히터(111)에 발생하는 열을 전달받는다.

바이메탈(112)의 상부에는 간격조절부(116)가 마련된다. 간격조절부(116)는 회전에 의해 전후 방향으로 이동 가능하게 설치되어, 바이메탈(112)과 크로스바(115) 사이의 간격을 조절하는 역할도 한다.

각 상(극)을 연결하여 직렬로 만들기 위하여 연결 도체(118,119)가 마련된다. 연결 도체(118,119)는 단상에서 연장되는 단상 연결 도체(118) 및 인접한 2개의 상을 연결하는 2상 연결 도체(119)로 구성될 수 있다.

한편, 인접한 연결 도체(118,119) 사이에서의 절연 파괴 현상을 방지하기 위하여 절연 커버(117)가 구비될 수 있다.

고정접촉자(120)에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 고정접촉자(120)는 고정단자부(121), 코일부(124: 124a, 124b), 고정접점부(128)를 포함한다.

고정접촉자(120)는 일단에 구비되는 고정단자부(121)를 갖는다. 고정단자부(121)는 외부에 연결된다. 고정단자부(121)는 직접 회로에 연결되거나, 연결 도체(118)를 통해 회로에 연결될 수 있다. 고정단자부(121)가 전원에 연결되는 경우 고정단자부(121)로부터 전류가 흘러들어오고, 고정단자부(121)가 부하에 연결되는 경우 고정단자부(121)로 전류가 흘러나간다.

고정접촉자(120)는 고정단자부(121)에 연결되는 코일부(124)를 갖는다. 코일부(124)는 코일 형태로 n회 권회되는 플레이트로 구성될 수 있다. 코일부(124)는 나선 모양으로 수회 감기는 코일 형태로 형성되므로 차단시 아크(A)가 발생하는 경우 유도 자기장(B)을 형성한다. 즉, 유도 전자기력을 발생시킨다. 이에 의해, 아크는 로렌츠의 힘에 따른 전자기력(F)을 받아 소호부(150)가 있는 방향으로 밀려난다. 즉, 코일부(124)는 차단시 자기장을 형성하여 아크 유도 작용을 한다. 도 7에 이러한 전자기력의 발생이 도시되어 있다.

코일부(124: 124a, 124b)는 접점부(120,140)의 양측(좌,우측)에 각각 구비될 수 있다. (여기서, 접점부의 일측(좌측)에 구비되는 구성요소에 첨자 a를 부기하고, 접점부의 타측(우측)에 구비되는 구성요소에 첨자 b를 부기하였다. 이하 같다.) 전류(i)를 기준으로 하면, 코일부(124a, 124b)는 전원에서 부하로 흐르는 전류 방향의 좌,우측에 각각 구비된다. 또는 코일부(124a, 124b)는 고정단자부(121)와 고정 접점부(128)의 좌,우측에 각각 구비된다고 말할 수 있다. 코일부(124a, 124b)는 접점부(120,140)의 양측에 구비되어 전류에 작용하는 자기력이 한층 강화된다.

코일부(124a, 124b)는 선으로 이루어지지 않고 플레이트로 이루어져 자기력이 보다 강하게 일어나도록 한다.

코일부(124a, 124b)는 접점부의 양측에 서로 대칭으로 구비되어 자기력이 보다 강하게 발생되도록 한다.

코일부(124a, 124b)는 고정접촉자(120)에 일체로 형성되어 전류가 흐르는 한 자기력도 지속적으로 발생한다.

고정단자부(121)와 코일부(124a, 124b) 사이에는 제1 연결부(122: 122a,122b)가 마련된다. 제1 연결부(122a,122b)는 고정단자부(121)와 코일부(124a, 124b) 사이를 연결하는 부분으로 고정단자부(121)의 일단부로부터 코일부(124a, 124b)의 일단부 사이를 잇는다. 제1 연결부(122a,122b)는 고정단자부(121)와 코일부(124a, 124b)를 연결하기 위하여 'ㄱ'자 형상 등 적절히 꺽이거나 구브러질 수 있다.

고정접촉자(120)는 가동접촉자(140)에 접촉되는 고정접점부(128)가 구비된다. 고정접점부(128)는 플레이트 또는 막대의 형태로 형성될 수 있다. 고정접점부(128)는 고정단자부(121)로부터 이격된다. 고정접점부(128)의 말단에는 상면에 고정접점(129)이 구비된다.

고정접점(129)에는 가동접촉자(140)의 가동접점(142)이 접촉한다. 고정접점(129)은 크롬-동(Cr-Cu) 합금 등 전도성 및 내구성이 우수한 재질로 제작될 수 있다.

고정접점부(128)와 코일부(124a, 124b) 사이에는 제2 연결부(126a,126b)가 마련된다. 제2 연결부(126a,126b)는 고정접점부(128)와 코일부(124a, 124b) 사이를 연결하는 부분으로 고정접점부(128)의 일단부로부터 코일부(124a, 124b)의 타단부 사이를 잇는다. 제2 연결부(126a,126b)는 고정접점부(128)와 코일부(124a, 124b)를 연결하기 위하여 'ㄱ'자 형상 등 적절히 꺽이거나 구브러질 수 있다.

도 7 및 도 8에는 차단시 발생하는 전자기력이 도시되어 있다. 정상 통전상태에서 전류(i)는 전원으로부터 회로를 따라 전원측 단자부(108)로 들어와 고정접촉자(120)의 고정단자부(121) - 코일부(124a, 124b) - 고정접점부(128) 및 가동접촉자(140)를 거쳐 부하측 단자부(1109)를 통해 회로로 흘러나가 부하에 인가된다.

차단시 고정접점(129)과 가동접점(142) 사이에서 발생하는 아크에 의해 전류는 고정접촉자(120)와 가동접촉자(140) 사이에서 끊어지지 않고 계속 흐른다. 이때, 고정접점부(128)에서 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장(B1)과 가동접촉자(140)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장(B2)에 더하여 코일부(124a, 124b)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장(B3)이 추가된다. 결과적으로, 자기장(B = B1 + B2 + B3)에 의한 자기력은 증대되고, 이에 따라 아크(A)에 가해지는 힘(전자기력)(F)은 커진다. 아크는 보다 신속히 아크 소호부(150)로 이동하게 되고, 그리드에 분할되어 차단된다. 또한, 종래 전류값이 낮은 소전류 상태에서 형성되는 자기장(B1 + B2)이 작아서 아크 이동에 필요한 전자기력이 충분히 형성되지 않았던 경우에 대비하여, 본 실시예에 의해 증가된 자기장(B1 + B2 + B3)에 의해 소전류에 의한 아크도 아크 소호부(150)로 이동하여 차단된다. 즉, 본 발명에 의하면 전류의 크기에 무관하게 아크 소호 성능이 크게 향상된다.

한편, 별도로 도시하지는 않았지만, 전류의 방향이 바뀌는 경우, 즉 가동접촉자(140)가 전원측에 연결되고, 고정접촉자(120)가 부하측에 연결되는 경우, 전류의 방향이 바뀜에 따라서 자기장의 방향도 반대로 형성된다. 따라서, 아크가 받는 힘의 방향은 마찬가지로 소호부를 향하는 방향으로 발생한다.

도 9는 본 발명에 따른 실시예의 직류 차단기에서 차단시 발생하는 자기장을 자속밀도로 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 직류 차단기에 시뮬레이션을 통한 실험을 진행한 결과 일례로 1 kA의 전류 입력에서 최대 자속밀도의 값이 0.457 T(테슬라)에서 0.873 T로 91% 증가하고 아크가 받는 전자기력도 1.74 N에서 3.0 N으로 72% 증가하는 효과를 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예의 경우 전자기력이 종래의 예에 비해 2배 가까이 확연히 증대된 것을 알 수 있다.

코일부(124a, 124b)의 중심은 접점부에 인접하게 배치되도록 한다. 이는 아크의 발생이 고정접점과 가동접점에서 발생하는 것이므로 고정접점과 가동접점에 우선적으로 포커스를 투어 작용하도록 하기 위한 것이다.

<제2 실시예>

도 10에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 코일부(224a)의 반경이 제1 실시예에 비하여 축소된 상태로 형성된다. 이 실시예에서는 고정접점(129)과 가동접점(142)에 보다 집중적으로 자기장을 발생시킨다.

그러나, 코일부(224a)의 반경은 측면에서 보았을 때 고정접점(129)과 가동접점(142)을 포함할 수 있는 크기 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

이 실시예에서도 코일부(224a)의 중심은 접점부(고정접점(129)과 가동접점(142))에 인접하게 배치되도록 한다.

<제3 실시예>

도 11에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 코일부(324a)의 반경이 제1 실시예에 비하여 확장된 상태로 구성된다. 이 실시예에서는 고정접점(129)과 가동접점(142) 뿐 아니라 가동접촉자(140)가 분리되어 아크가 신장된 경우 아크 신장 범위를 모두 커버할 수 있는 크기로 자기장을 발생시킨다.

그러나, 코일부(324a)의 반경은 측면에서 보았을 때 고정접점부(128)를 포함할 수 있는 크기 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 달리 말하면, 코일부(324a)의 반경은 고정접점부(128)를 벗어나지 않는 크기 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 점유공간을 지나치게 크게 차지하지 않도록 하기 위함이다.

이 실시예에서도 코일부(324a)의 중심은 접점부에 인접하게 배치되도록 한다.

<제4 실시예>

도 12에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 코일부(424a, 424b)가 제1 실시예에 비하여 턴수(turn 數)가 증가한 것이 특징이다. 이에 따라 코일부에서 발생하는 자기장의 세기는 증가한다.

<제5 실시예>

도 13에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 코일부(524a)의 폭(코일 플레이트의 폭)이 증가한 것이 특징이다. 이에 따라 코일부에서 발생하는 자기력은 접점부에 집중되고 자기장의 세기는 증가한다.

<제6 실시예>

도 14에는 본 발명의 다른 측면에 따른 직류 차단기가 도시되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기는 외함(101) 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자(120); 상기 외함(101) 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자(120)에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자(140);를 포함하고, 차단시 상기 고정접촉자(120)와 가동접촉자(140)에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고, 상기 전자기력 발생부는, 상기 가동접촉자(140)의 일부에 형성되는 코일부(144)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

가동접촉자(140)에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 가동접촉자(140)는 가동단자부(141), 가동코일부(144: 144a, 144b), 가동접점부(148)를 포함한다.

가동접촉자(140)는 일단에 구비되는 가동단자부(141)를 갖는다. 가동단자부(141)는 외부에 연결된다. 가동단자부(141)는 직접 회로에 연결되거나, 연결 도체(118)를 통해 회로에 연결될 수 있다. 가동단자부(141)가 전원에 연결되는 경우 가동단자부(141)로부터 전류가 흘러들어오고, 가동단자부(141)가 부하에 연결되는 경우 가동단자부(141)로 전류가 흘러나간다.

가동접촉자(140)는 가동단자부(141)에 연결되는 가동코일부(144)를 갖는다. 가동코일부(144)는 코일 형태로 n회 권회되는 플레이트로 구성될 수 있다. 가동코일부(144)는 나선 모양으로 수회 감기는 가동코일 형태로 형성되므로 차단시 아크가 발생하는 경우 유도 자기장을 형성한다. 즉, 유도 전자기력을 발생시킨다. 이에 의해, 아크는 로렌츠의 힘에 따른 전자기력을 받아 소호부(150)가 있는 방향으로 밀려난다. 즉, 가동코일부(144)는 차단시 자기장을 형성하여 아크 유도 작용을 한다.

가동코일부(144: 144a, 144b)는 접점부(120,140)의 양측(좌,우측)에 각각 구비될 수 있다. (여기서, 접점부의 일측(좌측)에 구비되는 구성요소에 첨자 a를 부기하고, 접점부의 타측(우측)에 구비되는 구성요소에 첨자 b를 부기하였다. 이하 같다.) 전류(i)를 기준으로 하면, 가동코일부(144a, 144b)는 전원에서 부하로 흐르는 전류 방향의 좌,우측에 각각 구비된다. 또는 가동코일부(144a, 144b)는 가동단자부(141)와 가동 접점부(148)의 좌,우측에 각각 구비된다고 말할 수 있다. 가동코일부(144a, 144b)는 접점부(120,140)의 양측에 구비되어 전류에 작용하는 자기력이 한층 강화된다.

가동코일부(144a, 144b)는 선으로 이루어지지 않고 플레이트로 이루어져 자기력이 보다 강하게 일어나도록 한다.

가동코일부(144a, 144b)는 접점부의 양측에 서로 대칭으로 구비되어 자기력이 보다 강하게 발생되도록 한다.

가동코일부(144a, 144b)는 가동접촉자(140)에 일체로 형성되어 전류가 흐르는 한 자기력도 지속적으로 발생한다.

가동단자부(141)와 가동코일부(144a, 144b) 사이에는 제1 연결부(142: 142a,142b)가 마련된다. 제1 연결부(142a,142b)는 가동단자부(141)와 가동코일부(144a, 144b) 사이를 연결하는 부분으로 가동단자부(141)의 일단부로부터 가동코일부(144a, 144b)의 일단부 사이를 잇는다. 제1 연결부(142a,142b)는 가동단자부(141)와 가동코일부(144a, 144b)를 연결하기 위하여 'ㄱ'자 형상 등 적절히 꺽이거나 구브러질 수 있다.

가동접촉자(140)는 가동접촉자(140)에 접촉되는 가동접점부(148)가 구비된다. 가동접점부(148)는 플레이트 또는 막대의 형태로 형성될 수 있다. 가동접점부(148)의 말단에는 상면에 가동접점(149)이 구비된다. 가동접점(149)는 고정접촉자(120)의 고정접점(129)에 접촉한다.

가동접점부(148)와 가동코일부(144a, 144b) 사이에는 제2 연결부(146a,146b)가 마련된다. 제2 연결부(146a,146b)는 가동접점부(148)와 가동코일부(144a, 144b) 사이를 연결하는 부분으로 가동접점부(148)의 일단부로부터 가동코일부(144a, 144b)의 타단부 사이를 잇는다. 제2 연결부(146a,146b)는 가동접점부(148)와 가동코일부(144a, 144b)를 연결하기 위하여 'ㄱ'자 형상 등 적절히 꺽이거나 구브러질 수 있다.

정상 통전상태에서 전류(i)는 전원으로부터 회로를 따라 부하측 단자부(109)로 들어와 가동접촉자(140)의 가동단자부(141) - 가동코일부(144a, 144b) - 가동접점부(148) 및 고정접촉자(120)를 거쳐 전원측 단자부(108)를 통해 회로로 흘러나가 부하에 인가된다.

차단시 가동접점(149)과 고정접점(129) 사이에서 발생하는 아크에 의해 전류는 고정접촉자(120)와 가동접촉자(140) 사이에서 끊어지지 않고 계속 흐른다. 이때, 고정접촉자(120) 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장과 가동접촉자(140)의 가동접점부(128)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장에 더하여 가동코일부(144a, 144b)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장이 추가된다. 결과적으로, 자기장에 의한 자기력은 증대되고, 이에 따라 아크에 가해지는 힘(전자기력)은 커진다. 아크는 보다 신속히 아크 소호부(150)로 이동하게 되고, 그리드에 분할되어 차단된다. 또한, 종래 전류값이 낮은 소전류 상태에서 형성되는 자기장이 작아서 아크 이동에 필요한 전자기력이 충분히 형성되지 않았던 경우에 대비하여, 본 실시예에 의해 증가된 자기장에 의해 소전류에 의한 아크도 아크 소호부(150)로 이동하여 차단된다. 즉, 본 발명에 의하면 전류의 크기에 무관하게 아크 소호 성능이 크게 향상된다.

가동코일부(144a, 144b)의 중심은 접점부에 인접하게 배치되도록 한다. 이는 아크의 발생이 가동접점과 가동접점에서 발생하는 것이므로 가동접점과 가동접점에 우선적으로 포커스를 투어 작용하도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 각 실시예에 따른 직류 차단기에 의하면 접점부에 코일 형태의 전자기력 발생부가 구비되어 차단시 발생하는 아크를 효과적으로 아크 소호부로 유도할 수 있다.

코일에 의한 전자기력 발생부는 영구 자석과 다르게 회로에 흐르는 전류의 방향에 따라 전자기력의 방향이 전환되므로 전류의 흐름이 반대로 바뀌어도 적용 가능하다.

전자기력 발생부는 고정접촉자에 일체로 형성되어 조립이 용이하고 안정적이다.

전자기력 발생부는 아크가 잔류하는 동안 계속하여 작용한다.

이상에서 설명한 실시예들은 본 발명을 구현하는 실시예들로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 직류 차단기
101 외함
102 개폐기구부
108,109 단자부
110 트립기구
120 고정접촉자
121 고정단자부
122 제1 연결부
124 코일부
126 제2 연결부
128 고정접점부
129 고정접점
130 샤프트 어셈블리
140 가동접촉자
141 가동단자부
142 제1 연결부
144 가동코일부
146 제2 연결부
148 가동접점부
149 가동접점

Claims (14)

1. 외함 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자;
   상기 외함 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자;를 포함하고,
   차단시 상기 고정접촉자와 가동접촉자에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고,
   상기 전자기력 발생부는 상기 고정접촉자의 일부에 형성되는 코일부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
2. 제1항에 있어서, 상기 고정접촉자는,
   상기 회로의 일단에 연결되는 고정단자부;
   상기 고정단자부에 일단이 연결되는 상기 코일부;
   상기 코일부의 타단에 연결되고, 상기 고정단자부로부터 이격되는 고정접점부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
3. 제2항에 있어서, 상기 코일부는 상기 고정단자부와 고정접점부의 양측에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
4. 제2항에 있어서, 상기 고정단자부와 코일부 사이에는 제1 연결부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
5. 제2항에 있어서, 상기 고정접점부와 코일부 사이에는 제2 연결부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
6. 제2항에 있어서, 상기 코일부는 나선으로 수회 권회되는 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
7. 제2항에 있어서, 상기 코일부의 중심은 측면에서 볼때 상기 고정접점부에 구비되는 고정접점과 상기 가동접촉자에 구비되는 가동접점에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
8. 제2항에 있어서, 상기 코일부는 측면에서 볼때 상기 고정단자부와 고정접점부를 포함하는 크기의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
9. 외함 내부에 고정 설치되고, 회로의 일단에 연결되는 고정접촉자;
   상기 외함 내부에 회동 가능하게 설치되고, 상기 회로의 타단에 연결되고, 상기 고정접촉자에 접촉 또는 분리되는 가동접촉자;를 포함하고,
   차단시 상기 고정접촉자와 가동접촉자에 전자기력을 제공하는 전자기력 발생부가 구비되고,
   상기 전자기력 발생부는 상기 가동접촉자의 일부에 형성되는 가동코일부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
10. 제9항에 있어서, 상기 가동접촉자는,
    상기 회로의 일단에 연결되는 가동단자부;
    상기 가동단자부에 일단이 연결되는 상기 가동코일부;
    상기 가동코일부의 타단에 연결되고, 상기 가동단자부로부터 이격되는 가동접점부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
11. 제10항에 있어서, 상기 가동코일부는 상기 가동단자부와 가동접점부의 양측에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
12. 제10항에 있어서, 상기 가동단자부와 가동코일부 사이에는 제1 연결부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
13. 제10항에 있어서, 상기 가동접점부와 가동코일부 사이에는 제2 연결부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.
14. 제10항에 있어서, 상기 가동코일부는 나선으로 수회 권회되는 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기력 발생부를 갖는 직류 차단기.

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