KR101716825B1 - 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 각각 이격 배치되어 중심도체와 접촉하는 세 개의 중심매입금구를 포함하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서, 상기 중심매입금구가 관통되는 관통공을 갖는 복수의 중심매입금구지지부와; 복수의 상기 중심매입금구지지부로부터 각각 방사상으로 연장되는 복수의 고전계절연부와; 복수의 상기 고전계절연부보다 급경사를 가지며 각각 방사상으로 연장되는 복수의 저전계절연부와; 상기 고전계절연부 및 상기 저전계절연부로부터 연장 형성된 연장 절연부를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서는 고전계 영역은 절연재가 완만한 경사각을 가지도록 하며, 저전계 영역은 급한 경사각을 갖도록 고전계절연부 및 저전계절연부를 최적화시키며, 이에 의해 제조비용이 감소되는 효과를 제공한다. 또한, 연결절연부를 통해 응력이 분산되며 이에 의해 전기적 및 기계적인 스트레스가 감소하는 효과를 제공한다.

Description

가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서 {Three-phase Insulating Spacer for Gas Insulated Switchgear}

본 발명은 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 중심에 대해 각각 상이한 경사각으로 이루어진 비대칭적인 원통구조를 가져 고전계 및 대전계 영역에 최적화되며, 절연물의 사용을 최소화하여 제조비용이 감소되는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서에 관한 것이다.

가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear, GIS)는 증가하는 전력 요구량에 따라 초고압화되는 설비들의 용지확보와 유지보수 및 안전성 등의 문제를 해결하기 위해 송변전 계통해서 이용되는 설비로서, 금속제 접지탱크 내 차단기, 단로기, 접지장치, 변성기 등의 설비들을 수납시키고 육불화황(Sulfur Hexafluoride, SF₆) 가스 등의 절연가스로 채워 봉입한 설비이다.

이와 같은 가스절연 개폐장치에는 가압되는 중심도체를 금속제로 이루어진 접지탱크(Grounding Tank)로부터 이격시켜 지지하면서 가스를 구획하여 분리시키는 기능을 하는 절연스페이서(Insulating Spacer)가 제공된다. 절연스페이서는 주로 에폭시(Epoxy) 절연물로 성형되어 접지탱크와 중심도체 간 절연 유지 역할을 하며 가스절연 개폐장치에서 핵심적인 부품이다. 절연스페이서는 가스절연 개폐장치의 운전 중 전계(Electric Field)로 인한 전기적 스트레스뿐만 아니라 도체의 지지, 고압의 가스, 전자기력 등에 의한 기계적 스트레스, 장시간 동안 고온 작동에 따른 열적 스트레스 및 아크(Arc)의 발생 등에 따른 화학적 스트레스도 발생하게 된다. 따라서 장기간 운용되는 가스절연 개폐장치 설비들에 있어서 기기의 가용성과 신뢰성 확보를 위해 절연 스페이서에 대한 충분한 설계가 요구된다.

절연스페이서 중 3상 구조를 갖는 종래의 기술은 '대한민국특허청 등록특허 등록번호 제10-0945277호 가스절연 개폐장치용 절연 스페이서'에 기재된 것과 같이 콘 형태의 스페이서에서 3개의 중심 매입금구가 매설되며, 중심매입금구들 주변부를 두껍게 하여 주굴곡면이 형성되도록 한다. 또한 중심도체와 절연물의 접착력을 향상시키면서 곡면의 경계면을 완만하게 처리하여 높은 응력을 견딜 수 있도록 설계되어 있다.

이와 같은 종래기술에서는 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 중심매입금구(11) 를 지지하는 지지부(13) 및 절연부(15)의 두께를 개별적으로 증가시킴으로써 중심매입금구(11) 주변의 접착강도와 파괴강도는 유지되는 반면, 원통 대칭 형상의 단상 구조와 달리 고압가스로 인한 압력을 크게 받을 때 파선(A)으로 표현된 매설된 중심매입금구간 경계면을 따라 절연스페이서(10)의 중심까지의 위치에서는 가스의 압력에 대해 취약해질 수 있다. 이에 다른 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 3상 절연스페이서(20)의 중심 부근부터 중심매입금구(21)를 지지하는 지지부(23) 및 절연부(25)까지 두께를 증가시켜 연결절연부(27)를 형성하여 가스의 압력 및 도체의 굽힘 등에 대해 응력을 효과적으로 분산하는 구조를 채택한 예도 있다. 하지만 이와 같이 단상구조에서의 응력보강 구조를 단순 적용하게 되면 강도향상에 비해 절연물 사용량이 증가하여 이에 따라 제조비용이 증가한다는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 중심에 대해 각각 상이한 경사각으로 이루어진 비대칭적인 원통구조를 가져 고전계 및 대전계 영역에 최적화되며, 절연물의 사용을 최소화하여 제조비용이 감소되는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서를 제공하는 것이다.

또한, 연결절연부를 통해 응력이 분산되며 이에 의해 전기적 및 기계적인 스트레스가 감소되는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서를 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 상기 중심매입금구가 관통되는 관통공을 갖는 복수의 중심매입금구지지부와; 복수의 상기 중심매입금구지지부로부터 각각 방사상으로 연장되는 복수의 고전계절연부와; 복수의 상기 고전계절연부보다 급경사를 가지며 각각 방사상으로 연장되는 복수의 저전계절연부와; 상기 고전계절연부 및 상기 저전계절연부로부터 연장 형성된 연장 절연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서에 의해 달성된다.

여기서, 상기 고전계절연부와 저전계절연부는 돔(Dome) 형상으로 이루어지며, 상기 저전계절연부를 상호 연결하며 방사상으로 연장된 연결절연부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고전계절연부 내에는 실드링(Shielding Ring)이 매설된 것이 바람직하며, 상기 연장절연부는 상기 고전계절연부 및 상기 저전계절연부보다 얇은 두께로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 연장절연부는 볼트 및 볼트매입금구를 더 포함하며, 상기 볼트에 의해 접지탱크와 결합하며, 상기 연장절연부는 상기 접지탱크 내 절연 및 가스기밀이 가능하도록 오링 및 오링홈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 중심매입금구지지부, 상기 고전계절연부, 상기 저전계절연부 및 상기 연장절연부는 일체로 성형되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서는 고전계 영역은 절연재가 완만한 경사각을 가지도록 하며, 저전계 영역은 급한 경사각을 갖도록 고전계절연부 및 저전계절연부를 최적화시키며, 이에 의해 제조비용이 감소되는 효과를 제공한다.

또한, 연결절연부를 통해 응력이 분산되며 이에 의해 전기적 및 기계적인 스트레스가 감소하는 효과를 제공한다.

도 1 및 도 2는 종래의 기술에 따른 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서의 정면도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서의 정면도이고,
도 4는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서와 접지탱크가 결합한 상태를 나타낸 단면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서(100)를 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 삼상 절연스페이서(100)는 세 개의 중심매입금구지지부(110), 고전계절연부(120), 저전계절연부(130) 및 고전계절연부(120)와 저전계절연부(130)로부터 연장 형성된 연장절연부(140)로 이루어진다.

이러한 중금매입금구지지부(110), 고전계절연부(120) 및 저전계절연부(130)는 일반적으로 충전재가 배합된 에폭시 수지의 경화물로 구성되어 뛰어난 절연능력과 기계적 강도 및 내열성을 제공할 수 있으며, 제조 공정의 용이성을 위해 중금매입금구지지부(110), 고전계절연부(120) 및 저전계절연부(130)는 일체로 사출 등에 의해 성형되는 것이 바람직하다.

세 개의 중심매입금구지지부(110)는 각각이 관통공(111)을 포함하고 있으며, 관통공(111) 각각에는 중심매입금구(150)가 삽입된다. 중심매입금구(150)는 도전성이 뛰어나고 기계적 강도가 우수한 금속으로 형성되며, 고압의 전류가 통전가능하여 세 개의 중심도체(200)와 접촉 및 결합하여 3상의 전력을 전달하는 기능을 수행한다. 중심매입금구(150)의 표면에는 절연물과의 접착력 향상이나 열 또는 응력에 의한 미세 박리에 의한 계면에서의 전계 집중 등을 방지하기 위해 코팅층이 형성될 수도 있다.

중심매입금구지지부(111)는 중심매입금구(150)와의 접착력을 향상시키기 위해 통상의 절연스페이서(100)의 연장절연부(140)보다 두껍게 형성하여 넓은 접촉면적으로 부착되도록 한다. 경우에 따라서 중심매입금구지지부(111)는 중심매입금구(150)와 접착력을 향상시키기 위해 연장절연부(140)에 비해 충분히 융기된 형상으로 형성할 수 있으며, 적절한 넓이를 형성하여 충분한 기계적 강도와 주변 굴곡면에서의 연면 전계 완화 효과를 제공할 수 있도록 한다.

또한 중심매입금구지지부(110)는 중심매입금구(150) 또는 중심도체(200)와 함께 삼중점이 형성되는 영역이므로 전계의 집중을 최소화하기 위해서는 가능한 상부 및 하부가 평탄하도록 중심도체(200) 및 중심매입금구(150)의 축선을 기준으로 직각으로 형성되도록 한다.

각각의 중심매입금구지지부(110)로부터 고전계절연부(120)와 저전계절연부(130)가 방사상으로 연장된다. 고전계절연부(120)는 중심매입금구(150) 주변부로부터 접지탱크(300)에 이르기까지 완만한 굴곡을 이루도록 설계된다. 중심매입금구(150)가 원형 구조이기 때문에 중심매입금구(150) 주변에서 일반적으로 큰 전계가 발생하며, 특히 고전계절연부(120) 영역은 가압부와 접지부의 절연거리가 가장 짧은 영역이기 때문에 매우 큰 전계가 유도될 수 있다. 이와 같은 영역에서 연면 전계를 효과적으로 분산시키기 위해서는 중심매입금구(150)와 가까운 굴곡의 연면 경사는 완만하게 하고 접지탱크와 가까운 굴곡은 가파른 돔(Dome) 형상으로 설계하는 것이 바람직하다.

저전계절연부(130)는 고전계절연부(120)와 마찬가지로 중심매입금구지지부(110)로부터 방사상으로 연장되는데, 고전계절연부(120)에 대해 상대적으로 급경사를 가진다. 이를 통해 연장절연부(140)의 면적이 커지도록 한다. 또한 저전계절연부(130)는 고전계절연부(120)와 마찬가지로 돔 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

절연스페이서(100)의 동작 중에 발생하는 전기적 스트레스(Electrical Stress)는 저전계절연부(130)에서 가장 낮게 발생하며, 연결절연부(160)의 존재로 인해 해당 영역의 기계적 응력도 크게 분산된다. 따라서 넓은 면적을 필요로 하는 고전계절연부(120)와 달리 저전계절연부(130)를 좁은면적으로 급경사지도록 형성하여 전반적인 절연물 사용량을 감소시켜 경제적인 절연스페이서(100)를 제조할 수 있다.

연결절연부(160)는 복수의 저전계절연부(130)를 완만하게 마루를 형성하여 상호 연결하는 역할을 하며, 저전계절연부(130)와 마찬가지로 방사상으로 연장형성된다. 또한 인접한 연장절연부(140)와는 큰 곡률로 연결되며 큰 마루를 형성함으로써 가스의 내압과 결합된 중심도체(200)의 하중 및 비틀림에 강한 기계적 성능을 확보할 수 있도록 한다.

연장절연부(140)는 고전계절연부(120), 저전계절연부(130) 및 연결전연부(160)로부터 연장 형성되며, 고전계절연부(120), 저전계절연부(130) 및 연결전연부(160)와 동일한 에폭시 수지 경화물을 사용하여 제조된다. 또한 제조 공정상의 용이성을 위해 연장절연부(170)는 고전계절연부(120), 저전계절연부(130) 및 연결전연부(160)와 일체로 사출 등을 이용한 성형을 통해 제조되는 것이 바람직하다.

연장절연부(140)는 절연스페이서(100)의 운용 규모에 맞게 적절한 두께로 이루어져 평탄하게 형성되며, 절연스페이서(100)의 주요 두께를 결정한다. 절연스페이서(100)에서 가장 넓은 공간을 차지하는 연장절연부(140)는 절연스페이서(100)의 단가를 낮추기 위해 고전계절연부(120) 및 저전계절연부(130)보다 상대적으로 얇은 두께로 이루어진다.

고전계절연부(120)와 인접한 접지탱크(300), 절연스페이서(100) 및 가스가 만나는 삼중점 영역 및 접지탱크(300)의 굽어진 부위 등과 같이 전계가 집중되기 쉬운 영역에 실드링(Shield Ring, 170)을 매설하여 접촉면의 간격을 띄워 전계집중을 효과적으로 완화시킨다. 실드링(170)은 링 형상의 금속 부재로 절연스페이서(100) 내에 매설되며, 볼트매입금구(180)와 연결 및 접지되어 고정된 전위를 갖도록 구성된다.

볼트매입금구(180)는 연장절연부(140)를 관통하도록 위치하며, 내부에 볼트(181)를 삽입하여 절연스페이서(100)와 접지탱크(300)를 결합하는 역할을 한다. 이러한 볼트매입금구(180)에 설치된 볼트(181)를 조절하여 연장절연부(140)의 둘레를 따라 형성된 오링홈(190) 및 오링홈(190)에 삽입되는 오링(191)을 가압 및 압착하여 가스의 누설을 막도록 가압정도를 조절가능하다.

이와 같은 본 발명의 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서(100)는 종래의 기술적 사상에 따라 고전계절연부(120)는 두텁고 완만한 경사를 가지도록 하며, 이와 달리 저전계절연부(130)는 급경사로 형성되도록 하여 연장절연부(140)의 영역을 증가시킬 수 있어 제조 비용이 감소하게 된다. 또한, 연결절연부(160)의 형성으로 연면전계 완화 및 기계적 강도의 보강을 달성할 수 있고, 연결절연부(160)에 의한 응력 분산 효과로 중심매입금구지지부(110)로부터 저전계절연부(130)에 이르는 영역의 스트레스가 감소한다. 이뿐만 아니라, 실드링(180)을 설치하여 절연스페이서(100)의 기계적, 전기적 특성을 최적화시켜 경제적이면서도 작동 상 안정적인 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서(100)를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 절연스페이서(100)는 절연물의 효과적인 배치를 통해 절연물의 감축, 전계완화의 효율성 증대, 적절한 기계적 강도를 유지 또는 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

10, 20: 절연스페이서 11, 21: 중심매입금구
13, 23: 지지부 15, 25: 절연부
27: 연결절연부 100: 절연스페이서
110: 중심매입금구지지부 111: 관통공
120: 고전계절연부 130: 저전계절연부
140: 연장절연부 150: 중심매입금구
160: 연결절연부 170: 실드링
180: 볼트매입금구 181: 볼트
190: 오링홈 191: 오링
200: 중심도체 300: 접지탱크

Claims (8)

1. 각각 이격 배치되어 중심도체와 접촉하는 세 개의 중심매입금구를 포함하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서에 있어서,
   상기 중심매입금구가 관통되는 관통공을 갖는 복수의 중심매입금구지지부와;
   복수의 상기 중심매입금구지지부로부터 각각 방사상으로 연장되는 복수의 고전계절연부와;
   복수의 상기 고전계절연부보다 급경사를 가지며 각각 방사상으로 연장되는 복수의 저전계절연부와;
   상기 고전계절연부 및 상기 저전계절연부로부터 연장 형성된 연장 절연부와;
   마루를 형성하여 상기 저전계절연부를 상호 연결하며 방사상으로 연장된 연결절연부를 포함하며,
   상기 연장절연부는 상기 고전계절연부 및 상기 저전계절연부보다 얇은 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연스페이서.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 고전계절연부와 저전계절연부는 돔(Dome) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연 스페이서.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 고전계절연부 내에는 실드링(Shielding Ring)이 매설된 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연 스페이서.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 연장절연부는 볼트 및 볼트매입금구를 더 포함하며,
   상기 볼트에 의해 접지탱크와 결합하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연 스페이서.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 연장절연부는 상기 접지탱크 내 절연 및 가스기밀이 가능하도록 오링 및 오링홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연 스페이서.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 중심매입금구지지부, 상기 고전계절연부, 상기 저전계절연부 및 상기 연장절연부는 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 가스절연 개폐장치용 삼상 절연 스페이서.

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