KR100480343B1 - 향상된 내구성을 갖는 폴리머 애자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 직경과 두께를 갖는 갓(shed)을 통하여 내구성을 향상시킨 폴리머 애자(polymer insulator)에 관한 것으로서, 특히 양단에 위치한 갓을 내측에 위치하는 갓 보다 두텁게 하여 관통파괴를 미연에 방지함과 아울러 오손(汚損)·섬락(閃絡) 내전압(pollution withstand voltage)(flashover voltage)을 기존의 애자 보다 향상시켰다.

본 발명에 따른 폴리머 애자는 중심부재; 및 상기 중심부재를 피복하고 있는 몸체와, 이 몸체 외주면에 돌설되어 있는 다수의 갓으로 이루어진 절연부를 포함하여 이루어져 있되, 상기 절연부의 갓들 중 양단에 위치하는 갓은 내측에 위치하는 갓 보다 그 두께가 더 두텁게 형성되어 있다.

Description

향상된 내구성을 갖는 폴리머 애자{POLYMER INSULATOR FOR IMPROVEMENT IN DURABILITY}

본 발명은 다양한 직경과 두께를 갖는 갓(shed)을 통하여 내구성을 향상시킨 폴리머 애자(polymer insulator)에 관한 것으로서, 특히 양단에 위치한 갓을 내측에 위치하는 갓 보다 두텁게 하여 관통파괴를 미연에 방지함과 아울러 다양한 직경을 갖는 갓(shed)을 통하여 오손(汚損)·섬락(閃絡) 내전압(pollution withstand voltage)(flashover voltage)을 기존의 애자 보다 향상시켰다.

일반적으로 애자는 송전선이나 전기기기의 나선(裸線) 부분을 절연하고 동시에 기계적으로 유지 또는 지지하기 위하여 사용되는 것으로, 전기적으로 충분한 절연내력(絶緣耐力)을 가지게 하기 위하여 다수의 주름을 만들어 표면에 따른 거리를 크게 하였다. 이는 애자 표면이 습하였을 때, 특히 염분이나 먼지 등이 부착하였을 때 절연내력이 저하되는 것을 방지하는 데 효과가 있다.

종래의 애자용 절연체로 사용되는 경질자기(porcelain)는 소재가 저렴하고 옥외에서 화학안정성이 좋으며 내열성과 내아크성이 우수하여 실제 절연물의 주종을 이루어 왔다. 그러나 경질자기는 충격강도가 약하고 소결시 부피감소가 커서 재질의 두께 변화폭이 큰 절연물 제작에 어려움이 있으며 최종제품의 취성도 크다. 또한 자기 소재로는 기계적 강도를 만족하는 일체형의 큰 절연물 제조가 어려운 단점이 있다. 다른 한편으로 자기는 표면 에너지가 커서 친수특성을 가지고 있으므로 오손된 상태의 절연물 표면에 물이 적절하게 기여하게 되면 누설전류가 증가하고 부분방전이 일어난다. 이것으로 인하여 열의 발생이 반복되면 금구, 시멘트, 자기 등의 접합부 소재간의 열팽창계수 차이가 커서 계면탈리 현상이 나타나고 그 부위에 전계가 집중되므로 절연열화가 과속되어 절연파괴로 진행이 된다는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여 옥외용 애자 등의 절연물로 고분자(polymer) 재료들이 개발되어 사용되고 있는데, 이러한 고분자 재료는 저항이 크고 절연파괴강도가 높으며 유전손실이 작고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 대량생산이 가능하여 전기 절연재료로 값싸게 이용할 수가 있다. 다만, 고분자는 탄소를 골격으로 하는 유기물질이라 대체로 열에 약하고, 내후성과 내트래킹성이 좋지 않다는 단점을 가지고 있으므로 열가소성 고분자보다는 열적, 기계적 특성이 우수한 경화성 수지들을 복합화한 합성물(composite)들이 전기절연물 분야에 주로 사용되고 있다.

초기의 고분자 재료로는 테프론, 에폭시 수지, 폴리에틸렌, 상온경화용 (RTV) 실리콘 고무, 고온경화용(HTV) 실리콘 고무, EPDM, EPDM/silicone alloy, EVA, 폴리우레탄 등 여러 가지였으나, 현재는 내후성과 내트래킹성 및 성형가공성 등의 이유로 EPDM과 실리콘 고무 및 EPDM/silicone alloy 등이 주로 사용되고 있다.

용도에 따른 애자의 종류는 ① 송전선용: 현수애자(懸垂碍子) ·장간(長幹)애자 ·내무(耐霧)애자(태풍 때의 오손에 견딜 목적으로 사용), ② 배전선용: 핀애자, ③ 옥내배선용: 놉애자 ·애관(碍管) ·클리트 애자, ④ 차단기 ·피뢰기용: 지지애자 등이 있다.

폴리머 애자는 일반적으로 기계적 응력을 부여하기 위한 것으로 대개 FRP 소재의 심봉(core rod)인 중심부재와; 이 중심부재 외주면에 대기오염 및 자외선 등의 환경에 강한 재료로 피복되는 폴리머 몸체(sheath)와, 이 몸체와 대개 일체형으로 된 갓(shed)으로 이루어진 하우징용 절연부로 되어 있다.

개발초기의 갓은 누설거리를 늘려주기 위해 기존의 자기재 애자의 형상대로 설계되었으나 금형으로부터의 탈형성 등이 문제가 되어 점차 현재와 같은 디스크 형태로 개선되었으며 직경이 작은 FRP 심봉 덕분에 누설전류가 길어지게 되어 충분한 절연설계가 가능하게 되었다.

애자가 현수애자일 경우에는 FRP 심봉 중심부재 양단에 압착 등의 방법으로 금구가 연결되어 있는데, 이 금구는 일반적으로 주물에 용융아연도금을 하여 부식을 방지하거나 배전급의 경우 알루미늄 재질을 사용하는 제품도 나와 있다.

상기 절연부, 특히 갓의 형상에 따라서 전계의 분포가 달라지므로 폴리머 애자의 성능과 직결되는 오손·섬락 내전압은 크게 다르게 된다. 폴리머 애자의 장기성능은 절연부 재료의 전기방전에 대한 열화내성과 흡습오염 조건에서의 섬락 내전압 특성에 의하여 결정된다.

열화내성은 소재 자체의 특성에도 크게 의존하지만 애자의 전계분포 특성을 감안한 갓 두께의 최적화에 따라 변화되고, 오손·섬락전압 특성은 애자의 갓 형상에 크게 의존하므로 갓의 최적 설계가 중요하다.

일반적으로 폴리머 애자에서 교호형 형상이 오손·섬락 내전압 특성이 우수한 것으로 밝혀져 있지만 작은 갓과 큰 갓의 크기의 비에 따라서 특성이 상당히 차이가 나고 있다.

본 명세서에서는 관통방지 내구력, 열화내성, 오손·섬락 내전압을 통칭하여 ' 내구성 '이라 하기로 한다.

상기와 같은 폴리머 애자의 구조와 내구성, 특히 오손·섬락 내전압 향상과 관련한 연구가 다방면으로 수행되어 왔다.

그 예로서 일본특허공개 평성11-297143호와 평성10-172368호가 있다.

상기 평성11-297143호에서는 큰 갓과 작은 갓을 교대로 구성한 교호형 폴리머 애자에서 갓에 일정한 기울기와 형상을 줌으로서 폴리머 애자에 쌓이기 쉬운 눈이 잘 떨어지도록 되어 있는 애자에 대하여 기술되어 있다. 한편 평성10-172368호에서는 역시 큰 갓과 작은 갓을 적절히 배치하고 기울기를 주어 폴리머 애자의 누설전류 증가에 큰 역할을 하는 물이 잘 떨어지도록 형상을 설계하는 방법에 대하여 기술되어 있다.

그러나 상기 일본 공개특허들에서는 단순히 습기로 인한 위험을 방지하기 위하여 여러 갓의 직경을 차등지게 하여 전체적으로 갓들이 일정 경사를 이루도록 하는 방식으로 물흐름 구조를 좋게 한 애자만을 제시하고 있을 뿐, 보다 근본적인 전계가 집중되는 부분의 갓과 집중되지 않는 부분의 갓의 두께 및/또는 높이를 다르게 함으로서 관통파괴 특성 및 오손·섬락 내전압과 같은 애자의 내구성을 향상시키는 것과는 관련이 없다.

본 발명은 상기와 같은 폴리머 애자의 관통파괴 특성 및 오손·섬락 내전압과 같은 애자의 내구성과 관련된 근본 문제를 해결하기 위하여 창작된 것으로서,

첫째, 낙뢰시 또는 오손에 의한 방전시 전계가 집중되는 부위의 기계적 강도를 강화시키는 것과, 둘째, 특히 직경이 서로 다른 갓이 조합된 교호형(alternative) 폴리머 애자에서 내구성의 개선을 위하여 갓의 두께와 직경을 다양하게 조합하여 최적화된 폴리머 애자의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 폴리머 애자는 중심부재; 및 상기 중심부재를 피복하고 있는 몸체와, 이 몸체 외주면에 돌설되어 있는 다수의 갓으로 이루어진 절연부를 포함하여 이루어져 있되, 상기 절연부의 갓들 중 양단에 위치하는 갓은 내측에 위치하는 갓 보다 그 두께가 더 두텁게 형성되어 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 폴리머 애자를 보다 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내고, 특히 갓(shed)과 관련한 동일 참조부호는 동일한 두께 및 동일한 직경을 갖는 것을 의미한다.

먼저 도 1에는 다양한 형태의 본 발명 폴리머 애자들이 도시되어 있는데, 도 1a는 본 발명의 사상에 따른 가장 기본적인 형태의 애자를 도시한 것이다. 중심부재(C)는 앞서 설명한 바와 같이 통상적으로 기계적 강도가 우수한 FRP 소재의 심봉(core rod)으로 되어 있다.

이 중심부재(C)는 합성수지로 된 절연부(I)에 의하여 덮여 있다. 절연부(I)를 이루는 합성수지는 EPDM(ethylene propylene diene terpolymer)과 실리콘 고무 및 EPDM/silicone alloy로 이루어질 수 있다. 절연부(I)는 몸체(B, sheath 역할)와 이 몸체 외주면에 일정 간격으로 돌설되어 있는 다수의 갓으로 이루어져 있다.

특히 본 발명에서 상기 갓은 양단에 위치하는 갓(S_L1,S_L2)이 내측에 위치하는 갓(S_L3) 보다 그 두께가 더 두텁게 형성되어 있다. 이는 전계가 집중되는 고접압측과 접지측에 연결되는 애자의 양단을 보다 두텁게 하여 우선 관통파괴 위험성을 미리 방지하도록 기계적 강도를 강화시키기 위한 것이다.

첨부된 도면들은 현수애자를 도시한 것으로 중심부재(C) 양단에는 고전압측 금구(M1)와 접지측 금구(M2)가 결합되어 있다. 또한 금구(M1,M2)에는 결합용 구멍(H1,H2)(도 1a를 제외한 도면에서는 참조부호 생략)이 형성되어 있다. 그러나 이러한 금구를 구비한 현수애자라는 애자의 종류에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

또한 도 1a 애자의 절연부(I)의 양단 갓(S_L1,S_L2) 중 고전압측의 갓(S_L1)이 접지측의 갓(S_L2) 보다 그 두께가 더 두텁게 형성되어 있는 것이 바람직한데, 이는 이하에서 도 2의 그래프와 관련하여 설명하듯이 고접압측에 전계가 더 집중된다는 문제를 해결하기 위한 것이다.

그러나 간략화를 위하여 도 1a 내지 도 1d에서는 이와 같은 양단 갓(S_L1,S_L2)의 두께가 동일한 것으로 도시되어 있다.

도 1b 내지 도 1d에는 도 1a의 것과는 달리 갓의 직경이 여러 종류인 교호형 현수애자가 도시되어 있다.

도 1b에 도시된 애자의 직경이 큰 갓(S_L1,S_L2,S_L3)은 도 1a의 것과 같지만, 이 큰 갓들 사이에는 보다 직경이 작은 갓(S_S1)이 형성되어 있다.

도 1c의 것은 도 1b의 것에서, 작은 갓(S_S3)이 도 1b의 것(S_S1) 보다 직경이 크다.

도 1d의 것은 도 1a의 큰 갓(S_L1,S_L2,S_L3) 사이에 도 1b 및 도 1c의 직경이 작은 두 갓(S_S1)(S_S3)이 위치하고 있다.

이에 덧붙여 상기와 같은 교호형 폴리머 애자에 있어, 보다 직경이 큰 갓이 양단에 위치하고 있는 것이 직경이 작은 갓이 양단에 위치하고 있는 애자 보다 아크거리를 길게 하는데 보다 바람직할 것이다.

이러한 결과는 본 발명의 착안점 중 도 1b에 도시된 교호형 폴리머 애자의 구조를 갖고, 양단 큰 갓(S_L1,S_L2)과 내측의 큰 갓(S_L1)의 두께가 동일한 애자, 즉 종래의 교호형 애자의 길이방향에 대하여 전계분석을 실행한 도 2의 그래프로부터 얻어진 것이다.

도 2의 전계분석에 사용된 폴리머 애자는 도 1b에서 모든 큰 갓의 두께가 동일하고 또한 작은 갓의 두께가 동일한 것이므로, 편의상 도 1b를 참조하여 설명하도록 한다.

분석에 사용된 교호형 현수애자의 길이는 455mm(금구M1, M2를 제외한 길이)이고, 각 갓의 직경은 [S_L1 = S_L2 = S_L3 = 86mm], [S_S1 = 46mm] 였다.

도 2의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 전계해석 결과 고전압 및 접지측 부위에서 전계가 집중되고 폴리머 애자의 중심 부분으로 갈수록 전계는 완화되는 현상을 알 수 있었다. 또한 고전압이 인가되는 부위가 접지 측의 부위에 비하여 전계가 더 집중되는 것을 알 수 있었다.

이러한 결과를 토대로 도 1a 내지 도 1d에 도시된 폴리머 애자들이 안출된 것으로, 전계가 집중되는 부위에서 관통파괴가 발생될 확률이 높으므로 전계가 집중되는 양단측 큰 갓(S_L1,S_L2)의 두께를 내측의 큰 갓들(S_L3)보다 두껍게 형성시키고, 더 나아가 전계가 더 집중되는 고전압측의 큰 갓(S_L1)의 두께를 접지 측의 큰 갓(S_L2) 보다 더 두껍게 하였다.

결국 도 1b 내지 도 1d의 교호형 폴리머 애자 특성은 애자 양단의 큰 갓(S_L1,S_L2) 두께를 두텁게, 특히 고접압측, 접지측, 내측의 두께를 서로 다르게 하는 특성에 덧붙여 오손·섬락 내전압을 향상시키기 위하여 전계가 집중되는 양단 부근에 직경이 작은 갓(S_S1)(S_S3)을 배치함으로써 아크거리를 길게 한다는데 있다.

이렇게 직경이 서로 다른 갓을 갖는 교호형 폴리머 애자에 있어, 도 1b 내지 도 1d에 도시된 것들 외에 여러 직경의 갓이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된 형태의 폴리머 애자들이 가능할 것인데, 이러한 변형들 또한 본 발명의 사상에 따른 것일 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

또한 첨부된 도면의 폴리머 애자들은 직경이 큰 중심 갓을 기준으로 양측이 대칭을 이루고 있으나, 이에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

그러나 결국 생산성을 고려할 경우 불규칙적인 것보다는 규칙적인 갓을 갖는 애자가 적합할 것이고, 이에 더 나아가 금형 문제와 재료비 문제를 생각하면 갓의 수가 일정하게 제한될 수밖에 없고 교호형 갓을 갖는 애자가 아크거리 확장에 훨씬 적합하므로, 본 발명에서는 이러한 점들과 일정한 실험에 근거하여 도 3의 폴리머 애자를 안출하게 되었다.

도 3의 폴리머 애자는 도 1b 또는 도 1c를 기본으로 한 것이다. 도 3의 직경이 보다 작은 갓들(S_S1,S_S2,S_S3) 중 양단측, 즉 보다 큰 직경의 양단 갓(S_L1,S_L2)과 인접한 작은 직경의 갓(S_S1)은 내측에 위치하는 직경이 작은 갓(S_S2,S_S3)에 비하여 직경이 보다 더 작게 형성되어 있다.

더 나아가 상기 직경이 작은 갓들(S_S1,S_S2,S_S3) 중 상기 갓S_S1과 인접한 갓S_S2는 가장 내측의 두 갓S_S3 보다 길이가 더 짧다. 즉 도 3에서 모든 갓들의 직경은 S_S1(D_S1)_〈 S_S2(D_S2)〈 S_S3(D_S3 )〈 (S_L1 = S_L2 = S_L3)(D_L) 순으로 되어 있다(D는 갓의 직경을 의미).

이러한 구조는 폴리머 애자의 관통파괴 특성 및 오손·섬락 내전압은 애자의 갓 형상에 크게 의존하게 되는데, 폴리머 애자의 전계해석을 통하여 전계가 집중되는 부분의 갓의 크기를 적절하게 조절함으로서 폴리머 애자의 관통파괴 특성 및 오손·섬락 내전압을 향상시킬 수 있다는 것에 착안한 것이다.

이어서 도 3에 도시된 폴리머 애자와 도 1a 내지 도 1c의 애자의 구조를 갖되 각 갓의 두께가 동일한 변형된 애자들(결국 종래의 애자)에 대하여 일정한 등가염분부착밀도(equivalent salt deposit density, ESDD) 하에서 FOV 50%(50% 섬락전압)과 FOV 5%(5% 섬락전압)의 값을 비교하여 <표 1>로 나타내었다.

실험된 애자의 치수는 우선 두께와 관련해서는 도 3의 것만 고전압측, 접지측, 내측의 큰 갓의 것이 서로 달랐고, 도 1a 내지 도 1c의 변형물은 모두 두께가 동일한 것을 사용하였다(이하, 앞서 도 2와 관련된 설명부분과 마찬가지로 편의상 도 1a 내지 도 1c의 참조부호를 그대로 사용하여 기술함).

각 애자의 전체 길이는 455mm(금구M1, M2를 제외한 길이)이고,

갓의 직경은 D_S1 = 46mm, D_S2 = 56mm, D_S3 = 66mm, D_L = 86mm이다.

<표 1> 각 애자의 섬락전압 비교

애 자	ESDD(mg/cm 2 )	FOV 50%(kV)	FOV 5%(kV)
도 3	0.01	82.8	77.7
도 1a의 변형	0.01	71.6	66.2
도 1b의 변형	0.01	81.3	70.7
도 1c의 변형	0.01	80.1	70.0
도 3	0.1	57.9	51.3
도 1a의 변형	0.1	49.9	43.1
도 1b의 변형	0.1	54.8	47.5
도 1c의 변형	0.1	54.4	47.0

<표 1>에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 폴리머 애자들은 오손·섬락 내전압이 도 1a 변형〈 도 1c 변형〈 도 1b 변형〈 도 3의 순으로 우수한 것을 알 수 있고, 역시 도 3의 폴리머 애자가 가장 우수한 것을 알 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 폴리머 애자에 따르면, 관통파괴 특성을 양단측 갓의 두께를 보다 두텁게 하는 방식으로 개선시킬 수 있다. 이와 아울러 교호형 폴리머 애자에서 작은 갓의 직경을 차등지게 하는 방식으로 보다 확실하게 오손·섬락 내전압을 일층 향상시켰다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 내구성이 향상된 폴리머 애자에서는 애자와 관련된 통상의 공지된 기술은 생략되어 있으나, 당업자라면 이러한 것들을 인지하고 추측, 추론 할 수 있을 것이다.

또한 이상의 설명이 첨부된 특정 도면과 관련하여 제한된 연관 관계 속에서 이루어졌으나, 이러한 도시된 각 특징의 폴리머 애자들은 당업자에 의하여 다양하게 조합되고 변형되어 실시될 수 있으며, 이러한 조합 및 변형들은 본 발명의 사상에 따른 것이며, 따라서 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 여러 폴리머 애자의 단면도,

도 2는 종래의 교호형 폴리머 애자의 길이방향 전계분포를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 최적화된 특징을 갖는 폴리머 애자의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

I: 절연부 B: 몸체

S_L1,S_L2,S_L3: 큰 갓 S_S1,S_S2,S _S3,: 작은 갓

C: 중심부재 M1,M2: 금구

Claims (7)

1. 중심부재; 및

   상기 중심부재를 피복하고 있는 몸체와, 이 몸체 외주면에 돌설되어 있는 다수의 갓으로 이루어진 절연부를 포함하되,

   상기 절연부의 갓들 중 양단에 위치하는 갓은 내측에 위치하는 갓 보다 그 두께를 더 두텁게 형성하여 관통파괴 특성을 개선한 것을 특징으로 하는 폴리머 애자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연부의 양단 갓 중 고전압측의 갓이 접지측의 갓 보다 그 두께가 더 두텁게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리머 애자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 절연부의 갓 중 양단부의 두께가 두터운 갓은 내측의 다른 갓들에 비하여 그 직경이 크고, 상기 양단부 두터운 갓에 인접한 갓은 내측의 다른 갓들에 비해 그 직경을 가장 작게 형성하여 양단부에서의 아크거리를 극대화한 것을 특징으로 하는 폴리머 애자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 애자는 양단에 금구를 구비한 애자인 것을 특징으로 하는 폴리머 애자.