KR102055694B1 - 기밀식 절연 공간을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어 - Google Patents

기밀식 절연 공간을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어에 관한 것으로, 기밀식 절연 공간(4) 내에서, 절연 가스(6)는 대기압 초과로 유지되고 그리고 적어도 2개의 스위칭 접촉부(8, 10)들이 배열되고, 적어도 하나의 스위칭 접촉부(8, 10)는 노즐(12)에 대해 이동가능하게 장착된다. 본 발명은, 절연 가스(6)가 적어도 90 질량%의 질소 및 산소 또는 적어도 90 질량%의 질소 및 이산화탄소를 포함하는 혼합물이고, 그리고 노즐(12)이, 탄소, 질소 및 산소 원소들을 적어도 총 65 질량%를 포함하는 플라스틱으로 적어도 부분적으로 이루어지는 점을 특징으로 한다.

Description

기밀식 절연 공간을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어
본 발명은, 특허 청구항 제1 항의 전제부에 따른, 기밀식 절연 공간(gas-tight insulating space)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어(switchgear)에 관한 것이다. 특히, 이른바 퍼퍼 회로 차단기(puffer circuit breaker) 또는 셀프-블라스트 회로 차단기(self-blast circuit breaker)의 원리에 기반하는 가스-절연 중간-전압 또는 고전압 설비(gas-insulated medium- or high-voltage installations)들은, 불활성, 특히 전기 절연 가스를 갖는다. 이 절연 가스는, 한편으로는 하우징(housing)으로부터 스위치(switch)의 내부로 흐르는 전류들을 절연하는 역할을 하고, 다른 한편으로는 특히, 스위치기어의 내부의 아크(arc)를 소멸시키는 역할을 한다. 이를 위해, 6플루오르화 황(sulfur hexafluoride)(SF6)이 일반적으로 사용된다. SF6는 매우 양호한 절연 특성들 및 매우 양호한 아크 소멸 특성들을 갖지만, 매우 높은 온실 잠재력(greenhouse potential)을 가지며, 이런 이유로, 이 절연 가스의 사용은 문제가 된다.
스위칭 접촉부(switching contact)가 개방될 때 발생하는 아크의 소멸 동안, SF6 및 노즐 재료(nozzle material)의 부분들이 분해되는데, 노즐은 일반적으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 이루어진다. 이들 분해 생성물들은 일반적으로, 아크의 소멸 후에 그리고 냉각 후에, 특히 노즐의 표면 상에서 다시 재결합한다. 기존의 스위치기어의 경우, 한편으로는 절연 및 소멸 가스로서의 SF6와 다른 한편으로는 노즐 재료로서의 PTFE를 결합하는 것이 실행가능한 것으로 증명되었다. 그러나, 대안적인 가스가 사용되는 경우, 이는 바람직하지 않게 기존의 노즐 재료와 결합하는 것으로 밝혀졌다. 노즐의 표면과 스위치기어의 기능성에 악영향들을 주는 재결합 생성물들이 발생한다. 특히, 이들은, PTFE에 결합되어 있는(bound up) 플루오린(fluorine) 때문에, 환경 친화적이지 않다.
본 발명의 목적은, 확립된 SF6에 대한 대안적인 절연 가스를 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어를 제공하는 것이며, 이 경우, 아크의 소멸 후에 설비의 동작에 해로운 영향들을 미치는 재결합 생성물들의 발생이 적다.
이 목적은, 특허 청구항 제1 항의 특징들을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어에 의해 달성된다. 이러한 설비는, 절연 가스가 대기압 초과로 유지되는 기밀식 절연 공간을 갖는다. 게다가, 설비는, 절연 공간에 배열되는 적어도 2개의 스위칭 접촉부들을 제공하며, 적어도 하나의 스위칭 접촉부는 노즐에 대해 이동가능하게 장착된다. 본 발명은, 절연 가스가, 각각, 적어도 총 90 질량%의 질소 및 산소로 이루어진 혼합물 또는 적어도 총 90 질량%의 질소 및 이산화탄소로 이루어진 혼합물이라는 점을 특징으로 한다. 언급된 2개의 대안적인 절연 가스들은, 선택적으로 또한 합성되는 공기, 특히 정화된 공기(purified air), 및 이른바 바이오젠(biogen), 즉, 질소와 이산화탄소의 혼합물 ― 이는 최대 40%의 이산화탄소를 함유함 ― 중 어느 하나이다. 더욱이, 노즐은, 탄소, 질소 및 산소 원소들을 적어도 총 65%를 함유하는 플라스틱(plastic)으로 적어도 부분적으로 이루어진다. 이는, 플라스틱이 이들 3개 원소들 모두를 함유하는 것, 및 이들 원소들의 질량들의 합계(total)가 플라스틱의 전체 질량의 적어도 65%라는 것을 의미한다. 특히 바람직하게, 이들 원소들의 질량은 플라스틱의 질량의 70%, 가장 특히 바람직하게는 75%이다.
질소와 탄소 또는 질소와 산소의 혼합물과, 실제로 탄소, 질소 및 산소로 이루어지거나 또는 이들을 상당한 정도로 함유하는 플라스틱의 사용의 결합은, 이들의 화학적 조성의 관점에서 관련되는 물질들이, 아크의 소멸 동안의 플라스틱의 분해 동안 그리고 절연 가스의 분해 동안 생성되는 효과를 갖는다. 따라서, 이들 물질들의 재결합은, 한편으로는 노즐의 동작 및 다른 한편으로는 절연 가스의 작용에 악영향들을 미치는 어떤 해로운 물질들도 발생하게 하지 않는다. 심지어 원래의 물질이 재결합하는 경우조차도 바람직하다.
이 경우, 노즐의 플라스틱이 가능한 한 적은 플루오린, 특히 1 질량% 미만, 가장 특히 바람직하게는 0.1 질량% 미만의 플루오린을 함유하는 것이 특히 유리하다. 이는, 특히 플루오린 화합물들이 일반적으로 환경 친화적이지 않기 때문에, 그리고 마찬가지로, 이 플루오린 화합물이 표면들 상에 증착될 때, 부정적 특성들을 갖기 때문에, 유리하다.
노즐의 플라스틱을 위해 폴리아미드(polyamide) 또는 폴리이미드(polyimide)를 사용하는 것이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 예컨대, 구조 재료(construction material)로 사용되는 통상의 폴리아미드는 39.6 질량%의 탄소, 5.9%의 수소, 30.6%의 산소 및 6.5%의 질소를 포함한다. 나머지 비율들은, 충전물(filler)들, 이를테면, 인, 실리콘(silicon), 알루미늄(aluminum), 칼슘(calcium) 및 아연으로 이루어지며, 이들은 특히 난연제(fire retardant)들로서 플라스틱에 도입된다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 노즐 및 적어도 하나의 스위칭 접촉부는 회전 축에 대해 서로 대칭적으로 배열된다. 이는, 스위칭 접촉부가, 스위칭 접촉부를 둘러싸는 노즐로부터 철수될(withdrawn) 수 있고, 이로써, 원통형 공간을 생성하는 효과를 갖는데, 이 원통형 공간에서 아크가 확산될 수 있고 그리고 아크가 최상으로 소멸될 수 있는데, 왜냐하면, 원통형 공간은 대칭적인 공간이기 때문이다.
본 발명의 추가의 실시예들 및 추가의 특징들은 아래의 도면들에 기반하여 더 상세하게 설명되며, 도면들에서:
도 1 내지 도 5는 스위치의 개방 및 폐쇄의 다양한 단계들에서의 스위치기어, 특히 스위칭 접촉부들을 도시한다.
본 발명이 퍼퍼 회로 차단기로 제한되지는 않지만, 퍼퍼 회로 차단기의 그 자체로서 알려진 개략적인 시퀀스(sequence)가 먼저 아래에서 설명될 것이다. 도 1은 절연 공간(4)을 갖는 스위치기어(중간-전압 스위치기어이든 또는 고전압 스위치기어이든)를 도시하며, 절연 공간(4)은 스위칭 접촉부들(8 및 10) 둘레의 점선들에 의해 개략적으로 표시된다. 이는, 스위칭 접촉부들(8 및 10) 외부의 어레인지먼트(arrangement)는 더 이상 상세하게 고려되지 않는다는 것을 의미한다. 스위칭 접촉부들(8 및 10)은, 회전 축(13)을 중심으로 회전 대칭적으로 배열되는 회전 대칭적 컴포넌트(rotationally symmetrical component)들이다. 스위칭 접촉부(8)는, 다른 스위칭 접촉부(14)에 의해 환형으로 둘러싸인 중앙 핀(central pin)(7)을 갖는다. 여기서, 스위칭 접촉부(8)의 이들 2개의 부분들(7 및 14)은 결합되어, 통합형 컴포넌트(integrated component), 즉, 스위칭 접촉부(8)를 형성한다. 유사하게, 제2 스위칭 접촉부(10)는 마찬가지로 중앙 핀(9)을 갖고, 이어, 중앙 핀(9)은 외측 스위칭 접촉부(16)에 의해 회전 대칭적으로 둘러싸이며; 이들 컴포넌트들은 또한 통합형 컴포넌트를 나타내고, 이 통합형 컴포넌트는 여기서, 스위칭 접촉부(10)로 지칭된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 폐쇄 상태에서, 회전 축(13)을 따라 스위칭 접촉부(10)의 중앙 핀(9) 내로 도입되어 있는 보어(bore)(11) 내로 중앙 핀(7)이 피팅(fit)된다. 게다가, 외측 스위칭 접촉부들(14 및 16)이 접촉하여, 메인 유동 경로(main flow path)를 형성한다. 노즐(12)이 또한 제공되며, 노즐(12)은 플라스틱으로 이루어지고, 노즐(12)은 마찬가지로, 회전 축(13)에 대해 스위칭 접촉부(8)의 중앙 핀(7) 둘레에 회전 대칭적으로 배열된다.
스위치기어(2)의 개방 동안, 먼저, 외측 접촉부들(14 및 16)이 서로 분리되는데, 이를 위해, 적어도 하나의 스위칭 접촉부가, 화살표(22)에 의해 예시된 드라이브(drive)에 의해 회전 축(13)을 따라 철수된다. 이 경우의 전체적인 분리 동작은 수 밀리초(milliseconds) 내에 발생하지만, 외측 접촉부들(14 및 16)의 분리 후에, 중앙 핀들(7 및 9) 사이의 접촉은 처음에는 유지된다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 핀(7)은 핀(9)의 보어(11)로부터 철수된다. 동시에, 압축 챔버(compression chamber)(18) 내에 로케이팅된(located) 절연 가스(6)가 압축된다. 게다가, 노즐(12)이 축(13)을 따라 핀(7)에 대해 이동하는 방식으로, 노즐(12)이 스위칭 접촉부(10)에 부착된다.
내부 핀들(7 및 9)이 또한 더 이상 접촉하지 않는 그러한 정도까지, 2개의 접촉부들(8 및 10)의 분리가 일단 진행되면, 아크(20)가 대략적으로 회전 축(13)을 따라 노즐(12)의 구역에서 형성된다. 이는, 접촉부(10)의 컴포넌트 부분인 압축 챔버(18)로부터 유동되는 절연 가스(6)에 의해 소멸된다. 이 절연 가스 ― 이 예에서, 이 절연 가스는 80%의 질소 및 20%의 산소의 조성을 갖는 정화된 공기임 ― 는 아크(20) 둘레에서 도 3의 화살표(6)를 따라 유동하여 아크(20)를 소멸시킨다. 폴리아미드인 노즐 재료와 결합하여, 이는 탄소, 질소 및 산소에 기반하여 가스상 분해 생성물(gaseous decomposition product)들을 생성한다. 그 이유는, 노즐 재료로서의 폴리아미드가 공기 중의 경우와 실질적으로 동일한 원소들을 포함하기 때문이다. 특히, 질소 및 산소는 폴리아미드의 주성분(main constituent)들이다. 대안적인, 마찬가지로 특히 유리한 노즐 재료는 폴리이미드이다. 공기에 대한 대안으로서, 이른바 바이오젠, 즉, 질소와 산소의 혼합물이 마찬가지로 절연 가스(6)로서 사용될 수 있다.
아크(20)의 소멸 후에, 아크(20)가 절연 가스와 노즐 재료들 사이에서 발생할 때 고온들에서 생성된 가스상 분해 생성물들이 노즐(13) 상에 증착된다. 이 재결합은, 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 개방된 상태에서 발생한다. 이어서, 도 5는 차례로, 스위치기어(2)의 폐쇄 동작에 특정된 반대 프로세스(opposite process)를 도시한다. 이 경우, 압축된 공기 또는 스프링 힘(spring force)에 의해 일반적으로 제공되는, 화살표(22)에 의해 예시된 드라이브(22)는, 반대 방향으로 회전 축(13)을 따라 이동되고, 스위치는 상응하게 폐쇄된다.
이미 언급된 바와 같이, 폴리아미드들 또는 폴리이미드들이 특히 노즐들을 위한 재료들로서 고려된다. 이 경우, 통상의 폴리아미드는 39.6%의 탄소, 5.9%의 수소, 30.6%의 산소 및 6.5%의 질소를 포함한다. 여기서 주어지는 퍼센티지(percentage)들 모두는 질량%이다. 충전물들 및 난연제들로서는 3.6%의 인, 8.8%의 실리콘, 2.7%의 알루미늄, 1.7%의 칼슘 및 0.6%의 아연이 또한 포함된다. 여기서, 탄소, 산소 및 질소의 3개의 원소들은 함께 76.7%의 질량을 갖는다. 이에 대한 대안으로서, 49%의 탄소, 8%의 수소, 20.1%의 산소 및 9.5%의 질소를 포함하는 추가의 폴리아미드가 설명된다. 여기서, 또한, 충전물들, 이를테면, 2.6%의 인, 5.4%의 실리콘, 2.1%의 알루미늄, 3.3%의 칼슘이 또한 추가된다. 이 경우, 탄소, 산소 및 질소 원소들은 총 78.6%이다. 세 번째 변형에서, 40%의 탄소, 4.4%의 수소, 29.3%의 산소 및 6.5%의 질소를 함유하는 공폴리아미드(co-polyamide)가 사용된다. 여기서, 탄소, 산소 및 질소 원소들은 총 75.8%이다.
원칙적으로, 노즐을 위해 사용되는 플라스틱이, 언급된 이들 3개의 원소들, 즉, 탄소, 산소 및 질소를 적어도 65 질량%를 함유하는 경우가 유리한 것으로 밝혀졌다. 언급된 이 재료들의 양은, 한편으로는 절연 가스를 그리고 다른 한편으로는 노즐 표면을 오염시키는 어떤 생성물들도 분해 생성물들로서 생성되지 않는 것을 보장한다.
선택적으로 질소 및 산소의 주성분들로 합성되는 정화된 공기는, 절연 가스로서 유리한 것으로 결국 밝혀졌다. 본 발명은, 절연 가스가, 각각, 적어도 총 90 질량%의 질소 및 산소로 이루어진 혼합물 또는 적어도 총 90 질량%의 질소 및 이산화탄소로 이루어진 혼합물이라는 점을 특징으로 한다. 여기서, 혼합물은 일반적으로 80%의 질소 및 20%의 산소를 함유한다. 자연 공기의 경우, 작은 비율의 이산화탄소 및 또한 추가의 가스들, 특히 희가스(noble gas)들이 매우 적은 양들로 또한 존재할 수 있다. 게다가, 마찬가지로 질소에 기반하고 그리고 최대 40%의 이산화탄소를 함유하는, 이른바 바이오젠을 절연 가스(4)로서 사용하는 것이 또한 유리하다.
게다가, 노즐(12)을 위해 사용되는 플라스틱이 플루오린을 전혀 함유하지 않거나 또는 단지 매우 적은 플루오린만을 함유하는 것이 유리하다. 특히, 사실상 모든 플라스틱들에 탄소가 함유되므로, 플루오린 화합물들은 플루오르화탄소 화합물(fluorocarbon compound)들을 형성하며, 플루오르화탄소 화합물들은 절연 공간(4) 및 또한 스위칭 접촉부들(8 및 10) 및 노즐(13)을 오염시킨다. 플라스틱의 플루오린의 비율은 1% 미만, 특히 0.1% 미만이어야 한다는 것이 밝혀졌다.

Claims (5)

  1. 기밀식 절연 공간(gas-tight insulating space)(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어(switchgear)로서,
    상기 기밀식 절연(4) 공간 내에서, 절연 가스(insulating gas)(6)는 대기압 초과로 유지되고 그리고 적어도 2개의 스위칭 접촉부(switching contact)들(8, 10)이 배열되고, 적어도 하나의 스위칭 접촉부(8, 10)는 노즐(nozzle)(12)에 대해 이동가능하게 장착되며, 상기 절연 가스(6)는, 적어도 총 90 질량%의 질소 및 산소를 함유하는 혼합물 또는 적어도 총 90 질량%의 질소 및 이산화탄소를 함유하는 혼합물이고, 그리고 상기 노즐(12)은, 탄소, 질소 및 산소 원소 모두를 적어도 총 65 질량%를 함유하는 플라스틱(plastic)으로 적어도 부분적으로 이루어지는,
    기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라스틱은 1 질량% 미만의 플루오린(fluorine)을 함유하는,
    기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 플라스틱은 폴리아미드(polyamide) 또는 폴리이미드(polyimide)를 포함하는,
    기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 노즐(12) 및 적어도 하나의 스위칭 접촉부(8, 10)는 회전 축(13)에 대해 서로 대칭적으로 배열되는,
    기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 플라스틱은 0.1 질량% 미만의 플루오린을 함유하는,
    기밀식 절연 공간(4)을 갖는 중간-전압 또는 고전압 스위치기어.
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