KR102066855B1

KR102066855B1 - 피뢰기

Info

Publication number: KR102066855B1
Application number: KR1020170092711A
Authority: KR
Inventors: 나리타 슌이치; 나리타 ?이치; 토다 나리요시; 와타나베 히데노리
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2020-01-16
Also published as: JP6350611B2; KR20180018323A; JP2018026449A

Abstract

(과제) 피뢰기의 굽힘 강도 또는 비틀림 강도를 향상시킨다.
(해결 수단) 1쌍의 전극(2, 3)의 사이에 복수의 산화아연 소자(4)를 적층하고, 전극(2, 3)끼리를 지지부재(5)로 고정한다. 지지부재(5)는 코어부재(5b)와, 코어부재(5b)의 외주부에 FW(필라멘트 와인딩)재를 감아 형성된 FW층(5c)을 갖는다. 지지부재(5)의 양단부에 각각 구멍(5a)을 형성하고, 한쪽 구멍(5a)은 전극(2)에 형성된 피장력가설부(2b)에 걸어 장착하고, 다른 쪽 구멍(5a)은 전극(3)에 형성된 피장력가설부(3b)에 걸어 장착한다.

Description

피뢰기{arrester}

본 발명은 계통에 침입한 이상(異常) 전압으로부터 전기 기기를 보호하기 위해서 이용되는 피뢰기에 관한 것이다. 특히 실리콘 고무 등의 폴리머 절연 재료로 산화아연 소자 유닛을 몰딩한 폴리머형 피뢰기의 구조에 관한 것이다.

피뢰기는 계통에 침입한 이상 전압으로부터 전기 기기를 보호하기 위해서 이용된다. 예를 들어 피뢰기는 송전선으로의 낙뢰로 인한 트립(trip:정지) 사고를 방지하기 위한 송전용 피뢰기 장치 본체로서도 사용된다.

도 5에 도시하는 바와 같이 다이렉트 몰드형의 피뢰기(9)는 전극(10, 11) 사이에 비선형 저항 소자인 산화아연 소자(4)를 적층한 산화아연 소자 유닛(12)과, 실리콘 고무 등의 폴리머 절연 재료로 산화아연 소자 유닛(12)을 직접 몰딩하여 형성된 외피(7)를 구비한다.

다이렉트 몰드형의 피뢰기(9)에는 주로 게이지 구조가 적용된다. 구체적으로는 적층한 산화아연 소자(4)의 주위에 배치되도록 전극(10, 11) 사이에 지지부재(13)가 설치된다. 이 지지부재(13)에 의해 전극(10, 11) 사이에 적층된 산화아연 소자(4)가 기계적으로 고정됨과 함께 굽힘 모멘트에 대한 강도가 부여된다. 지지부재(13)는 예를 들어 유리섬유 강화 플라스틱(FRP) 등의 절연물에 의해 형성된다.

다이렉트 몰드형의 피뢰기(9)는 자기제 애관이나 폴리머 애관을 사용하는 피뢰기와 마찬가지로 지진시에 발생하는 굽힘 모멘트나 단락시에 흐르는 단락 전류에 견디는 것이 요구된다.

또한, 다이렉트 몰드형의 피뢰기(9)에서는 외피(7)의 몰딩 중에 외피를 구성하는 폴리머 절연 재료가 산화아연 소자(4) 사이, 그 외 도전 경로가 되는 부품 사이에 칩입하는 것을 방지하기 위해서 산화아연 소자(4) 사이에 압축력이 가압 스프링(14)에 의해 가해진다. 그리고 피뢰기(9)로서 설치 후에는 리드선(도시 생략)의 장력, 풍압 하중, 지진에 의한 모멘트를 받는다. 이들 하중은 주로 산화아연 소자 유닛(12)을 구성하는 지지부재(13)에 대한 인장 하중이 되기 때문에 지지부재(13)의 강도, 지지부재(13)의 양단부와 전극(10, 11)의 고착 강도가 중요한 요소가 된다.

일본 특허 공개 평10-70013호 공보

유리섬유 강화 플라스틱(FRP)은 수지가 유리섬유에 의해 보강된 재료이며, 우수한 기계 강도를 갖는다. 그러나 상하의 전극에 지지부재를 고정하기 위해서 유리섬유를 절단하는 등의 가공을 행함으로써 지지부재의 기계 강도가 대폭 저하될 우려가 있다.

그래서 종래 기술에 관한 피뢰기에서는 벨트 형상의 선륜(線輪)(지지부재에 상당함)에 의해 전극 간의 고정을 행하고 있다(예를 들어 특허문헌 1의 도 1 참조). 벨트 형상의 지지부재는 일방향으로 묶인 유리섬유와 플라스틱에 의해 형성되어 있고, 유리섬유가 벨트 방향으로 배향된다. 또한 지지부재가 벨트 형상임으로써, 전극 간을 고정하기 위해서 유리섬유가 절단되지 않는다. 따라서 벨트 형상의 지지부재는 굽힘 하중에 의해 발생하는 인장력에 대하여 유리한 구조이고, FRP 본래의 강도를 발휘할 수 있다.

반면에 지지부재를 벨트 형상으로 함으로써, 지지부재의 중앙이 공간이 되어 지지부재 자체의 비틀림 강성이 작아지고, 결과적으로 피뢰기의 비틀림에 대한 강도가 작아진다. 피뢰기의 비틀림에 대한 강도를 향상시키기 위해서 지지부재의 외주에 보강부재를 설치하거나 지지부재의 개수를 늘리거나 할 수 있지만, 이러한 보강을 함으로써 피뢰기의 비용이 증가된다.

또한, 벨트 형상의 지지부재는 통상 금형에 에폭시 레진을 함침한 유리섬유를 감은 후(필라멘트 와인딩) 경화시켜 제작되고 있고, 산화아연 소자 유닛의 길이에 따라 금형이 필요해진다. 즉, 산화아연 소자 유닛의 길이마다 금형을 제작하게 되어 피뢰기의 제조 비용이 증가한다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로 굽힘 강도, 비틀림 강도를 향상시킨 저렴한 피뢰기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 피뢰기의 일 양태는 적층된 비선형성의 전압-전류 특성을 갖는 소자와, 상기 적층된 소자의 양단에 설치되는 1쌍의 전극과, 상기 전극 간에 설치되고, 상기 소자의 주위에 복수 배치되는 지지부재와, 적어도 상기 소자, 상기 1쌍의 전극, 및 상기 복수의 지지부재를 일체적으로 몰딩하는 폴리머 절연 재료로 이루어지는 외피를 갖고, 상기 지지부재는 코어부재와, 상기 코어부재의 외주부에 형성되고, 상기 코어부재의 외주를 따른 방향으로 배향된 유리섬유를 포함하는 유리섬유 강화층을 갖고, 상기 전극은 상기 전극 간에 상기 지지부재를 팽팽하게 가설(인장가설)하는 피장력가설부(인장가설부)를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 피뢰기의 다른 양태는 상기 피뢰기에 있어서, 상기 피장력가설부의 단부에 상기 피장력가설부에 설치된 지지부재의 연신방향과 반대측으로 돌출하는 돌연부(突緣部)가 형성된 것을 특징으로 하고 있다.

이상의 발명에 따르면 굽힘 강도, 비틀림 강도가 큰 저렴한 피뢰기의 구조가 가능해진다.

도 1의 (a)는 본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기의 주요부의 측면도, (b)는 동 피뢰기의 주요부의 상면도, (c)는 동 피뢰기의 주요부의 하면도, (d)는 도 1의 (a)에 도시한 피뢰기의 A-A 단면도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기의 하측에 설치된 전극의 상면도, (b)는 동 전극의 측면도, (c)는 도 2의 (a)에 도시한 전극의 B-B 단면도이다.
도 3의 (a)는 지지부재의 평면도, (b)는 도 3의 (a)에 도시한 지지부재의 C-C 단면도이다.
도 4의 (a)는 지지부재를 구성하는 코어부재의 단부의 확대도, (b)는 구멍을 가공하지 전의 지지부재의 단부의 확대도, (c)는 지지부재의 단부의 확대도이다.
도 5는 종래 기술에 관한 피뢰기의 개략을 도시한 단면도이다.

본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기에 대하여 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기(1)는 1쌍의 전극(2, 3)과, 전극(2, 3) 사이에 적층되는 산화아연 소자(4)와, 적층된 산화아연 소자(4)의 주위에 배치되는 지지부재(5)를 구비한다. 또한, 도 1에서는 도시 생략되어 있지만, 피뢰기(1)는 도 5에 도시한 종래 기술에 관한 피뢰기(9)와 마찬가지로 전극(2, 3) 사이에 산화아연 소자(4)를 적층한 산화아연 소자 유닛(6)을 실리콘 고무 등의 폴리머 절연 재료에 의해 직접 몰딩한 외피(7)나 산화아연 소자(4)에 압접력을 부여하는 탄성부재 등을 구비하고 있다. 또한, 실시 형태의 설명에서는 산화아연 소자 유닛(6)에 대하여 전극(2)이 설치되는 측을 상측, 전극(3)이 설치되는 측을 하측으로 하지만, 상하방향은 본 발명을 전혀 한정하는 것은 아니다.

전극(2, 3)은 대략 원기둥 형상이고, 전극(2, 3)의 내단부(즉, 산화아연 소자(4)와 대향하는 단부)의 외주면에는 지지부재(5)의 단부가 유동(遊動) 가능하게 끼워지는 전극 홈(2a, 3a)이 형성된다. 전극 홈(2a, 3a)은 산화아연 소자 유닛(6)에 설치되는 지지부재(5)의 수에 따라 거의 등간격으로 형성된다. 또한, 전극(2, 3)은 대략 원기둥 형상뿐만 아니라 지지부재(5)의 수에 대응한 변을 갖는 각기둥 형상 등으로 할 수 있다. 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이 전극 홈(3a)의 지지부재(5)의 주표면과 대향하는 면에는 전극(3)의 직경방향으로 돌출한 피장력가설부(3b)가 형성된다. 이 피장력가설부(3b)는 나중에 상세하게 설명하는 지지부재(5)에 형성된 구멍(5a)에 삽입 통과되어 지지부재(5)가 걸려 장착된다. 또한, 피장력가설부(3b)의 선단부에는 피장력가설부(3b)에 설치된 지지부재(5)의 연신방향과는 반대측으로 돌출한 돌연부(3c)가 형성되고, 이 돌연부(3c)에 의해 전극(3)의 직경방향으로의 지지부재(5)의 탈락이 방지된다. 또한, 전극(2)에 대해서도 마찬가지로 전극 홈(2a)의 지지부재(5)의 주표면과 대향하는 면에 전극(2)의 직경방향으로 돌출한 피장력가설부(2b)가 형성되고, 피장력가설부(2b)의 선단부에는 피장력가설부(2b)에 설치된 지지부재(5)의 연신방향과는 반대측으로 돌출한 돌연부(2c)가 형성된다. 이와 같이 피장력가설부(2b, 3b)에 지지부재(5)의 단부를 걸어 장착함으로써 전극(2, 3) 사이에 지지부재(5)가 팽팽하게 가설되게 된다.

산화아연 소자(4)는 비선형성의 전압-전류 특성을 갖고, 피뢰기(1)의 연속 사용 전압하에서는 절연체로서 작용하고, 뇌 서지(lightning surge)와 같은 전압이 큰 영역에서는 도체로서 작용한다. 이 작용에 의해 뇌 서지로부터 기기를 보호하는 것이 가능해진다. 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이 산화아연 소자(4)와 전극(2)(또는 전극(3))의 사이에는 길이 조정 전극(8)이 설치된다. 길이 조정 전극(8)의 한쪽(예를 들어 전극(2)측의 길이 조정 전극(8))에는 나중에 상세하게 설명하는 육각홀 붙이 고정나사가 맞닿아 전극(2, 3) 사이의 길이가 조정된다.

지지부재(5)는 전극(2)과 전극(3)의 사이에 팽팽하게 가설된다. 지지부재(5)는 전극(2, 3)의 사이에 복수 설치된다. 도 3에 도시하는 바와 같이 지지부재(5)의 단부에는 장력가설용 구멍(5a)이 형성되어 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이 지지부재(5)는 코어가 되는 판 형상의 코어부재(5b)와, 코어부재(5b)의 외주(즉, 코어부재(5b)의 상하·측면)에 형성되는 FW(필라멘트 와인딩)층(5c)을 갖는다.

코어부재(5b)는 예를 들어 유리섬유 강화 플라스틱(FRP) 등에 의해 형성된 판이고, FW층(5c)을 구성하는 FW재가 빈틈없이 감기도록 코어부재(5b)의 양단부의 모서리부에는 모따기 가공(R 가공)이 실시되어 있다. FW재란 예를 들어 에폭시 수지 등의 매트릭스(매트릭스 수지)를 함침시킨 로빙(roving)(유리섬유의 연사 등)이다.

FW층(5)은 FW재를 코어부재(5b)의 외주에 감아 형성되는 층이다. FW층(5c) 부분은 지지부재(5)에 있어서 가장 중요한 인장 강도(굽힘 강도)를 담당하는 부분이다. 따라서 소정의 강도를 얻기 위해서 필요한 횟수(FW층(5c)가 소정의 강도를 얻기 위해서 필요한 두께가 되도록) FW재가 감긴다. 도 4의 (b), (c)에 도시하는 바와 같이 FW재를 코어부재(5b)의 외주에 감은 후, 에폭시 수지가 경화된다. 그리고 최종적으로 완성된 판을 슬라이스 가공하고, 장력가설용 구멍(5a)을 뚫어 지지부재(5)가 제조된다. 또한, 구멍(5a)의 형성 방법은 본 발명을 전혀 한정하는 것은 아니다. 예를 들어 미리 코어부재(5b)에 구멍(5a)을 형성해 두고, 구멍(5a)이 형성된 코어부재(5b)에 FW층(5c)을 형성하는 양태로 할 수 있다.

또한, 구멍(5a)을 뚫음으로써, FW층(5)의 유리섬유의 일부가 끊어졌다 하더라도 구멍(5a)의 바깥에 위치하는 유리섬유는 끊어지지 않는다. 즉, 실제로 장력을 받는 부분에서는 유리섬유가 끊어져 있지 않은 점에서 소정의 강도를 갖는 지지부재(5)를 얻을 수 있다. 따라서 구멍(5a)은 FW층(5c)의 유리섬유를 절단하지 않도록 코어부재(5b) 부분에만 가공하거나 또는 FW층(5c) 잔존부가 소정의 치수가 되도록 가공하면 된다.

산화아연 소자 유닛(6)의 제작시에 산화아연 소자(4) 등의 내부 부품이 전극(2)과 전극(3)의 사이에 배치되고, 지지부재(5)가 전극(2)과 전극(3)의 사이에 현가(懸架:매달려 가설)된다. 지지부재(5)에는 장력이 가해지고, 지지부재(5)가 신장(伸長)한 상태에서 산화아연 소자 유닛(6)이 조립된다. 이에 의해 산화아연 소자(4) 등의 내부 부품에 압축력이 부가되고, 외피(7)의 몰딩 중에 산화아연 소자(4) 사이나 산화아연 소자(4)와 전극(2, 3)(길이 조정 전극(8)을 포함함) 사이에 폴리머 절연 재료가 들어가지 않게 된다.

여기서 산화아연 소자 유닛(6)의 조립 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 우선 산화아연 소자(4)와 양단의 전극(2, 3)을 나란히 배치하고, 전극(2, 3)의 피장력가설부(2b, 3b)에 지지부재(5)의 단부를 건다. 다음에 조립 장치로 양단의 전극(2, 3)을 잡아 당긴다. 지지부재(5)가 신장하기 때문에 내부 부품(산화아연 소자(4)나 길이 조정 전극(8))과 전극(2, 3)의 사이에 틈이 생기는데, 이 틈을 한 쪽 전극(2)(또는 전극(3))에 배치한 육각홀 붙이 고정나사를 돌려 나사와 내부 부품(구체적으로는 길이 조정 전극(8))이 부딪칠 때까지 메운다. 그 후, 장력을 제거하면 지지부재(5)가 신장한 상태로 되어 스프링의 기능을 갖게 된다. 즉, 지지부재(5)가 수축하려고 하는 힘이 압축력이 된다.

[지지부재(5)의 비틀림 강도에 대하여]

지지부재(5)와 특허문헌 1의 벨트 형상의 선륜에서는 부재 자체의 비틀림 강성을 나타내는 단면 2차 극 모멘트의 값이 상이하다. 이에 의해 산화아연 소자 유닛(6)의 비틀림 용이성도 변화하게 된다.

예를 들어 두께 5mm, 폭 25mm인 지지부재(5)의 단면 2차 극 모멘트가 약 6770mm⁴인 것에 대하여 선륜 두께 5mm, 선륜 폭 5mm 선륜 전체 폭 25mm(코어부재(5b)가 없는 경우)의 단면 2차 극 모멘트는 약 5210mm⁴가 된다. 즉, 지지부재(5)가 코어부재(5b)에 FW층(5c)을 형성한 구조를 가짐으로써 부재 자체의 비틀림 강성이 30% 정도 향상된다. 그 결과, 산화아연 소자 유닛(6) 및 피뢰기(1)의 비틀림 강성이 향상된다.

이상과 같은 본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기(1)에 의하면 굽힘 강도나 비틀림 강도가 우수한 피뢰기(1)를 저렴하게 제공할 수 있다.

즉, 전극(2, 3) 사이에 설치되는 지지부재(5)에 있어서 적어도 FW층(5c)은 유리섬유가 연속된 구조이고, FRP 본래의 강도를 기대할 수 있다. 또한, 통상 사용되는 나사에 의한 체결 방법을 이용하고 있지 않기 때문에 FRP 본래의 강도를 기대할 수 있을 뿐만 아니라 피뢰기(1)의 조립이 용이해진다.

또한, 지지부재(5)의 비틀림 강도를 높임으로써 지지부재(5)의 개수의 저감 및 지지부재(5)의 외주부에 설치되는 보강부재의 삭감이 가능해진다. 그 결과, 피뢰기(1)(및 산화아연 소자 유닛(6))를 보강하기 위한 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 지지부재(5)는 코어부재(5b)에 FW재를 감아 제작하기 때문에 금형이 불필요해져서 피뢰기(1)의 제조 비용을 줄일 수 있다. 금형이 불필요해짐으로써 금형의 이형 처리가 불필요해져서 피뢰기(1)의 제조의 수고가 감소한다. 또한, 코어부재(5b)로서 시판의 FRP판을 이용한 경우에도 굽힘 강도나 비틀림 강도가 FW층(5c)에 의해 확보되기 때문에 저렴하고 굽힘 강도나 비틀림 강도가 우수한 피뢰기(1)를 제공할 수 있다.

또한, 지지부재(5)의 길이 치수는 코어부재(5b)의 길이나 FW재의 감기 횟수를 바꿈으로써 자유롭게 변경할 수 있다(지지부재(5)의 길이방향의 제작 자유도가 큼). 즉, 지지부재(5)의 길이에 따라 금형을 제작하는 비용과 수고를 삭감할 수 있다.

또한, 강도의 사양에 따라 FW재의 감기 횟수, FW재의 배향 방향 등을 자유롭게 선정할 수 있기 때문에 지지부재의 강도를 용이하게 변경할 수 있다. 종래 피뢰기의 강도 사용에 따라 필요한 폭을 갖는 선륜에 대응한 금형을 제작했었지만, 본 발명의 실시 형태에 관한 피뢰기(1)에서는 FW재의 감기 횟수를 선정함으로써 지지부재(5)의 폭 및 강도를 자유롭게 변경할 수 있다. 그 결과, 지지부재(5)의 폭방향의 제작 자유도가 커져서 지지부재(5)의 폭에 따라 금형을 제작하는 비용과 수고를 삭감할 수 있다.

또한, 지지부재(5)는 적어도 FW층(5c)의 외주부의 유리섬유를 절단하지 않고 제작되기 때문에 벨트 형상의 지지부재와 동등 이상의 굽힘 강도가 얻어질 뿐만 아니라 지지부재(5)의 중앙부에 코어부재(5b)가 설치되어 있음으로써 지지부재(5) 자체의 비틀림 강성이 커져서 피뢰기(1)(및 산화아연 소자 유닛(6))의 비틀림 강도가 대폭 향상된다.

이상, 구체적인 실시 형태를 나타내며 본 발명의 피뢰기 및 지지부재에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 피뢰기 및 지지부재는 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 특징을 해치지 않는 범위에서 적절히 설계 변경이 가능하고, 설계 변경된 형태도 본 발명의 기술적 범위에 속한다.

예를 들어 실시 형태의 설명에서는 코어부재(5b)에 필라멘트 와인딩(FW)에 의해 FW층(5c)을 형성하고 있지만, 적어도 일부의 유리섬유가 일방향(코어부재(5b)의 외주방향을 따른 방향)으로 배열한 것이라면 FW층은 필라멘트 와인딩법에 의해 형성된 층에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 코어부재(5b)의 외주에 일방향으로 유리섬유의 일부가 배향되도록 유리섬유(글라스 클로스)를 감아 FW층(5c)과 마찬가지의 층을 형성할 수도 있다.

또한, 전극(2, 3)에 형성되는 피장력가설부(2b, 3b)는 전극(2)과 전극(3)의 사이에 지지부재(5)가 팽팽하게 가설될 수 있으면 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 전극(2, 3)에 암나사를 가공하고, 고정나사로 돌기의 기능을 갖게 하는 방법(탈락 방지는 별도의 방법이 됨)이나 전극(2, 3)에 형성된 암나사에 볼트를 통과시키는 방법 등으로 전극(2, 3) 사이에 지지부재(5)를 팽팽하게 가설시킬 수 있다.

또한, 피뢰기(1)에 설치되는 소자는 비선형성의 전압-전류 특성을 갖는 것이라면 산화아연 소자에 한정되는 것은 아니다.

1 : 피뢰기 2, 3 : 전극
2a, 3a : 전극 홈 2b, 3b : 피장력가설부
2c, 3c : 돌연부 4 : 산화아연 소자(소자)
5 : 지지부재 5a : 구멍
5b : 코어부재 5c : FW층(유리섬유 강화층)
6 : 산화아연 소자 유닛 7 : 외피
8 : 길이 조정 전극

Claims

적층된 비선형 전압-전류 특성을 갖는 소자와,
상기 적층된 소자의 양단에 설치되는 1쌍의 전극과,
상기 전극 간에 설치되고, 상기 소자의 주위에 복수 배치되는 지지부재와,
적어도 상기 소자, 상기 1쌍의 전극, 및 상기 복수의 지지부재를 일체적으로 몰딩하는 폴리머 절연 재료로 이루어지는 외피를 갖고,
상기 전극은 상기 지지부재의 단부가 걸리는 피장력가설부를 구비하고,
상기 지지부재는 판 형상의 코어부재와, 상기 지지부재의 단부에 형성된, 상기 피장력가설부에 걸리는 구멍과, 상기 코어부재의 상기 구멍이 형성된 면에 인접한 측면을 이루는 상기 코어부재의 외주부에 형성되고 상기 코어부재의 외주를 따른 방향으로 배향된 유리섬유를 포함하는 유리섬유 강화층을 구비하는 것을 특징으로 하는 피뢰기.
제1항에 있어서,
상기 피장력가설부의 단부에 상기 피장력가설부에 설치된 지지부재의 연신방향과 반대측으로 돌출하는 돌연부(突緣部)가 형성된 것을 특징으로 하는 피뢰기.