KR102399565B1 - 절연성능이 개선된 무유도 저항기를 이용한 전압측정장치 - Google Patents

절연성능이 개선된 무유도 저항기를 이용한 전압측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 환경에서 이용가능한 전압측정장치에 관한 것으로서, 고전압할당부의 무유도 저항기의 몸체를 구성하는 베이스파이프 내부에 절연성능이 높은 절연충진재를 충진하고, 무유도 저항기를 절연하우징 내부에 매립함으로써 온실 가스인 SF6 가스를 사용하지 않으면서 절연성능을 확보하여 고전압 환경에서 안전하게 친환경적으로 전압을 측정할 수 있다.

Description

절연성능이 개선된 무유도 저항기를 이용한 전압측정장치 {VOLTAGE MEASUREMENT WITH NON-INDUCTIVE RESISTOR HAVING IMPROVED INSULATION}
절연성능이 개선된 무유도 저항기를 이용함으로써 초고압 환경에서도 전압을 측정할 수 있는 전압측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 각종 임펄스 전압 측정용 분압기, 제동 저항기나 시험용 변압기, 가스절연개폐장치(GIS)의 전압측정기 등의 고전압 환경에서는 고전압이 인가되는 주회로의 전압을 전압측정기를 이용하여 직접 전압을 측정하는 것이 매우 어렵고 위험하기 때문에, 계기용 변압기를 이용하여 고전압이 인가되는 1차측 전압을 일정 비율로 낮춘 2차 전압을 이용하여 주회로의 전압 상태를 감시하고 측정한다.
그러나, 종래 고압 환경에서 이용되는 대부분의 계기용 변압기는 코일 권선형 변압기로서, 철심 코어를 사용하기 때문에 체적이 크고 무게가 무거워 소형화 및 경량화에 대한 필요성이 지속적으로 대두되어 왔고, 이에 더해 1차 권선측과 2차 권선측 사이의 절연특성 불량으로 인한 절연 파괴 및 절연 파괴에 의한 계통 사고, 정전 또는 화재와 같은 2차 사고가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
이러한 계기용 변압기의 절연 성능을 확보하기 위해 절연 내력이 높으며, 절연 회복이 빠른 SF6(육불화황) 가스를 절연 매질로 이용하여 계기용 변압기의 절연성능을 확보한 계기용 변압기가 사용되고 있다. SF6 가스를 절연 매질로 이용한 종래 기술의 예로서 대한민국 등록특허공보 제10-1475930호 “절연 가스를 이용한 계기용 변성기”가 있다. 등록특허공보 제10-1475930호는 케이스 및 부싱에 절연가스를 충진, 우수한 절연상태를 확보하고 전계를 균일하게 완화시켜 부분방전의 원인을 제거할 수 있도록 한 절연가스를 이용한 계기용 변성기에 관한 것으로서, 회랑 구조를 갖는 변성기의 케이스 및 부싱의 내부에 동일한 압력의 절연 가스(SF6)를 동시에 충진하여, 우수한 절연상태를 확보하고 전계를 균일하게 완화시켜 부분방전의 원인을 제거할 수 있도록 한 절연가스를 이용한 계기용 변성기를 개시하고 있다.
그러나, 종래 기술에서 절연 가스로 이용되는 SF6 가스는 세계적으로 배출량을 규제하는 온실가스 가운데 가장 큰 파급력을 지니고 있는 가스로 지적되어 사용이 규제되고 있는 실정이다.
온실 가스인 SF6 가스를 사용하지 않으면서 절연성능을 확보하여 고전압 환경에서 안전하게 전압을 측정할 수 있고, 권선형 변압기에서 발생할 수 있는 1차 권선 및 2차 권선의 단락으로 인한 사고를 방지할 수 있으며, 보다 간단한 구조로 구현되어 축소 및 경량화로 인한 설치, 점검 및 보수의 이점을 갖는 전압측정장치를 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고전압 환경에서 이용가능한 전압측정장치는 전압 측정 대상 기기와 직렬연결되고, 상기 전압 측정 대상 기기의 전압의 일부가 걸리는 무유도 저항기를 포함하는 고전압할당부; 상기 무유도 저항기와 직렬연결되고, 상기 전압 측정 대상 기기의 전압의 나머지가 걸리는 저전압저항기를 포함하는 저전압할당부; 및 상기 저전압할당부에 걸린 전압을 측정하고, 상기 측정된 저전압할당부에 걸린 전압값에 기초하여 상기 전압 측정 대상 기기의 출력 전압을 산출하는 전압계측부를 포함하고, 상기 무유도 저항기는 상기 무유도 저항기의 몸체를 형성하는 베이스파이프의 내부에 충진되어 상기 베이스파이프의 강도 및 절연성능을 증가시키는 절연충진재를 포함한다.
상기 무유도 저항기는 내부가 비어있고 양단이 개방된 원기둥 형상으로 형성된 상기 베이스파이프; 도전성을 갖는 박막으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 외주면에 코팅됨으로써 상기 무유도 저항기의 저항값을 결정하는 저항패턴층; 캡 형상으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 길이방향 양단에 끼움결합하는 전극; 및 상기 베이스파이프 및 상기 저항패턴층 상에 코팅되어 상기 저항패턴층을 보호하는 패턴보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연충진재는 절연성을 갖는 액상재료가 상기 베이스파이프 내부에 충진된 후 경화된 것일 수 있다.
상기 절연성을 갖는 액상재료는 액상 실리콘 고무일 수 있다.
상기 무유도 저항기의 저항값은 상기 저전압저항기의 저항값 보다 클 수 있다.
상기 전압계측부는 상기 측정된 저전압할당부의 입력라인의 전압값과 상기 무유도 저항기의 저항값 및 상기 저전압저항기의 저항값의 비율에 기초하여 상기 전압 측정 대상 기기의 전압을 산출할 수 있다.
상기 고전압할당부는 링 형상으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 길이방향 양단의 전극에 끼움결합함으로써 전계를 완화하는 쉴드링을 더 포함할 수 있다.
상기 고전압할당부는 내부에 상기 무유도 저항기 및 상기 쉴드링이 매립되는 절연하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 절연하우징은 속이 찬 원기둥 형상을 가지고, 내부에 상기 무유도 저항기 및 상기 쉴드링이 매립되는 매립부; 및 상기 매립부의 지름보다 큰 지름을 갖는 원판 형상으로 형성되고, 상기 매립부의 단부에 고정되는 결합부를 포함하고, 상기 절연하우징은 에폭시 몰딩 기법을 이용하여 제조될 수 있다.
상기 매립부의 표면에는 상기 매립부의 둘레를 둘러싸는 복수 개의 돌출부가 서로 평행하게 형성됨으로써 상기 절연하우징에 의한 연면거리(creepage distance)가 증가될 수 있다.
내부가 빈 파이프 형태의 무유도 저항기의 몸체를 구성하는 베이스파이프 내부에 절연성능이 높은 절연충진재를 충진한 무유도 저항기를 이용하여 고전압을 분배함으로써 온실 가스인 SF6 가스를 사용하지 않으면서 절연성능을 확보하여 고전압 환경에서 안전하게 친환경적으로 전압을 측정할 수 있다.
또한, 고전압 환경에서 전압을 측정하는 데에 있어서 권선형 변압기를 이용하지 않아 1차 권선 및 2차 권선의 단락으로 인한 사고를 방지할 수 있으며, 보다 간단한 구조로 구현되어 축소 및 경량화로 인한 설치, 점검 및 보수에서 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 전압측정장치를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 고전압할당부를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 무유도 저항기를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 무유도 저항기에서 패턴보호층을 제거한 모습을 도시한 도면이다.
도 8은 도 5에 도시된 무유도 저항기의 내부 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 5의 무유도 저항기의 패턴보호층을 평면에 펼쳐서 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치가 가스절연개폐장치(GIS)에 적용되는 모습의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 절연성능이 개선된 무유도 저항기를 이용한 전압측정장치에 관한 것으로서, 간략하게 ‘전압측정장치’로 호칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 전압측정장치(100)를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)는 고전압할당부(110), 저전압할당부(120) 및 전압계측부(130)로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)는 전압 측정 대상기기의 출력단과 직렬연결되고, 전압측정장치(100)의 고전압할당부(110)의 무유도 저항기(210)와 저전압할당부(120)의 저전압저항기는 전압 측정 대상 기기의 출력단과 접지 사이에 직렬연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)는 복수 개의 저항이 직렬로 연결된 회로에서 회로에 입력된 전압이 각 저항의 크기에 비례하여 분배되는 전압분배법칙을 이용하여 입력 전압을 측정한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)는 전압측정장치(100)에 입력된 입력고전압을 보다 큰 저항값을 갖는 저항기를 포함하는 고전압할당부(110) 및 고전압할당부(110)에 직렬로 연결되고 보다 작은 저항값을 갖는 저항기를 포함하는 저전압할당부(120)에 각 저항값에 따라 분배한 후, 저전압할당부(120)의 양단에 걸린 전압을 전압계측부(130)를 이용하여 측정하고, 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120)의 저항값의 비율을 이용하여 입력고전압의 값을 산출한다. 이때, 고전압할당부(110)의 양단에는 고전압이 걸리므로 절연 파괴를 방지하기 위해 절연성능이 확보되어야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 고전압할당부(110)를 도시하는 도 2 내지 도 4를 참조하여 고전압할당부(110)의 구성을 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 고전압할당부(110)는 무유도 저항기(210), 고압측쉴드링(220), 저압측쉴드링(230), 고압측도체(240), 저압측도체(250) 및 절연하우징(260)으로 구성된다.
무유도 저항기(210)는 저전압할당부(120)의 저전압저항기보다 높은 저항값을 가짐으로써 전압측정장치(100)에 입력된 전압 중 더 많은 전압이 무유도 저항기(210)에 걸리도록 한다. 무유도 저항기(210)는 전자 유도 작용, 즉, 인덕턴스 값을 최소화한 저항으로서, 고주파 회로에 적용하는 경우 회로의 주파수 특성을 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 고주파 회로 및 이러한 고주파 회로를 장착하는 전자기기의 성능을 향상시킬 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 무유도 저항기(210)를 기준으로 무유도 저항기(210)에 전류가 입력되는 단부측을 고압측으로, 무유도 저항기(210)로부터 전류가 출력되는 단부측을 저압측으로 지칭하도록 한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무유도 저항기(210)를 도시한 도면이다. 도 5 내지 도 8을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 무유도 저항기(210)는 베이스파이프(510), 저항패턴층(520), 고압측전극(530), 저압측전극(540), 패턴보호층(550) 및 절연충진재(560)로 구성된다.
베이스파이프(510)는 무유도 저항기(210)의 기본 몸체를 구성하며 양단이 개방되어 있고 내부가 비어있는 원기둥 형상으로 형성된다. 베이스파이프(510)는 세라믹(ceramic) 소재로 이루어질 수 있다. 세라믹은 높은 열전도성을 가지므로, 무유도 저항기(210)에서 발생하는 열을 빠르게 배출하여 무유도 저항기(210)의 냉각에 유리하다. 본 발명의 일 실시예에서, 베이스파이프(510)는 내열성 및 전기절연성이 우수한 산화알루미늄(Al2O3) 소재로 이루어짐이 바람직하다.
저항패턴층(520)은 베이스파이프(510)의 외주면에 코팅되는 층으로서, 이것의 패턴 형상에 의해 본 발명의 실시예에 따른 무유도 저항기(210)의 저항값이 결정된다. 본 발명의 실시예에 따르는 저항패턴층(520)은 전기전도성을 갖는 박막이 저항패턴을 이루도록 형성된 패턴층이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르는 무유도 저항기(210)의 저항패턴층(520)은 박막의 저항패턴이 베이스파이프(510)의 외주면에 코팅됨으로써 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 저항패턴층(520)은 루테늄 소재으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 루테늄 페이스트를 이용하여 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 베이스파이프(510)에 저항패턴층(520)이 코팅된 모습을 도시하고, 도 9는 도 7에 도시된 베이스파이프(510)의 외주면을 둘러싸고 있는 저항패턴층(520)을 평면에 펼쳐놓은 모습을 도시한다. 도 7 및 도 9를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 저항패턴층(520)의 저항패턴은 베이스파이프(510)의 길이방향을 따라 베이스파이프(510)의 둘레의 적어도 일부를 감싸는 서로 평행한 복수 개의 메인라인(921), 서로 이웃하는 복수 개의 메인라인(921)을 연결하는 복수 개의 결합라인(922), 및 무유도 저항기(210)의 저항값을 정밀하게 조정하기 위한 적어도 하나의 조정라인(923)으로 구성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 복수 개의 메인라인(921)과 복수 개의 결합라인(922)만으로 원하는 저항값을 획득할 수 있는 경우, 조정라인(923)은 생략될 수 있다.
복수 개의 메인라인(921)은 베이스파이프(510)의 둘레를 둘러싸며 서로 평행하게 배치되는 복수 개의 직선 형상으로 형성된다. 복수 개의 메인라인(921) 중 베이스파이프(510)의 길이방향 양단 끝쪽에 형성된 두 개의 메인라인은 베이스파이프(510)을 완전히 둘러싸도록 형성되고, 나머지 메인라인은 베이스파이프(510)의 둘레의 일부를 둘러싸도록 형성된다.
복수 개의 결합라인(922)은 서로 이웃한 두 개의 메인라인(921)의 양단을 연결함으로써 복수 개의 메인라인(921)을 서로 연결시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 복수 개의 결합라인(922)은 U자형의 곡선 형상으로 형성될 수 있다. 각 결합라인(922)은 서로 이웃하는 두 개의 메인라인(921)의 상단끼리 또는 하단끼리 연결한다. 이때, 각 결합라인(922)은 복수 개의 결합라인(922)이 서로 연결되도록 서로 이웃하는 메인라인(921)의 상단과 하단을 번갈아가면서 연결한다.
좌우 방향으로 평행하게 배치된 제1 메인라인(921a), 제2 메인라인(921b), 제3 메인라인(921c), 제4 메인라인(921d)에서, 제1 메인라인(921a)과 제2 메인라인(921b)은 상단끼리, 제2 메인라인(921b)과 제3 메인라인(921c)은 하단끼리, 그리고 제3 메인라인(921c)과 제4 메인라인(921d)은 다시 상단끼리 각각 결합라인(922)을 통해 연결된다. 이에 따라, 저항패턴층(520) 상의 모든 임의의 두 지점은 복수 개의 메인라인(921) 및 복수 개의 결합라인(922)을 통해 서로 연결되고, 무유도 저항기(210)의 일단을 통해 유입된 전류는 저항패턴층(520)을 통해 무유도 저항기(210)의 타단으로 방출될 수 있다.
적어도 하나의 조정라인(923)은 복수 개의 메인라인(921) 또는 복수 개의 결합라인(922)을 서로 연결함으로써 저항패턴층(520)의 저항값을 정밀하게 조정하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 무유도 저항기(210)의 저항값은 복수 개의 메인라인(921), 복수 개의 결합라인(922) 및 하나 이상의 조정라인(923)의 폭에 의해 결정된다. 복수 개의 메인라인(921), 복수 개의 결합라인(922) 및 하나 이상의 조정라인(923)의 폭을 크게 설정하면 무유도 저항기(210)의 도전성이 증가하여 낮은 저항값을 갖는 무유도 저항기(210)를 구현할 수 있고, 복수 개의 메인라인(921), 복수 개의 결합라인(922) 및 하나 이상의 조정라인(923)의 폭을 작게 설정하면 무유도 저항기(210)의 도전성이 낮아져 높은 저항값을 갖는 무유도 저항기(210)를 구현할 수 있다. 복수 개의 메인라인(921), 복수 개의 결합라인(922) 및 하나 이상의 조정라인(923)의 폭에 따라 무유도 저항기(210)는 0.1에서 테라급(tera grade) 까지의 저항값을 구현할 수 있어 고전압이 사용되는 회로에 적용 가능하다.
이에 더해, 복수 개의 메인라인(921), 복수 개의 결합라인(922) 및 하나 이상의 조정라인(923)을 이용하여 나선형 저항패턴이 아닌 직선 및 곡선으로 이루어진 저항패턴을 형성함으로써 유도성분의 발생을 제거할 수 있게 되어 고정밀 회로나 RF(radio frequency) 회로에 사용되는 경우 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
전극(530, 540)은 베이스파이프(510)의 길이방향 양단에 결합된다. 전극(530, 540)은 원형바닥면과 원형바닥면을 둘러싸며 수직하게 형성된 측벽으로 이루어진 캡 형상을 가지며, 베이스파이프(510)의 길이방향 양단에 끼움 결합한다. 본 발명의 일 실시예에서, 전극(530, 540)의 원형바닥면에는 무유도 저항기(210)를 다른 소자와 연결하기 위한 리드선 등이 통과하기 위한 관통홀이 형성될 수 있다. 전극(530, 540)은 베이스파이프(510)의 고압측 단부에 결합되는 고압측전극(530) 및 저압측 단부에 결합되는 저압측전극(540)으로 구성된다.
전극(530, 540)은 금속 도체로 제작되며, 베이스파이프(510)에 끼움 결합 시 베이스파이프(510) 상에 코팅된 저항패턴층(520)의 저항패턴을 형성하는 복수 개의 메인라인(921) 중 베이스파이프(510)의 길이방향 양 끝에 위치한 메인라인(921)과 접촉되도록 끼움결합된다.
패턴보호층(550)은 저항패턴층(520)을 보호하기 위해 저항패턴층(520) 상에 코팅된다. 패턴보호층(550)은 저항패턴층(520)을 보호하면서 무유도 저항기(210)의 절연성능을 향상시키고, 무유도 저항기(210)의 발열에도 변형되지 않도록 내열성을 가지며, 외부 오염에 의해 변형되거나 손상이 쉽게 되지 않는 소재로 이루어짐이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서, 패턴보호층(550)은 에폭시 소재로 이루어질 수 있다.
절연충진재(560)는 베이스파이프(510)의 내부에 충진되어 무유도 저항기(210)의 절연성능을 향상시킨다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 무유도 저항기(210)의 단면을 도시한 도면이다. 도 8에서 절연충진재(560)의 충진 부분이 명확하게 드러나도록 하기 위해, 베이스파이프(510)에 코팅된 저항패턴층(520) 및 패턴보호층(550)의 도시가 생략되었다. 도 8a는 절연충진재(560)가 충진되지 않은 파이프형 저항기의 모습이고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따라 절연충진재(560)가 충진된 무유도 저항기의 모습이다. 절연충진재(560)는 도 8b에 도시된 바와 같이, 베이스파이프(510)의 내부에 충진되며, 충진 후 경화되어 굳은 상태를 유지한다.
본 발명의 실시예에 따른 절연충진재(560)는 무유도 저항기(210)의 절연성능 향상을 위해 높은 절연성능을 가져야 함은 물론, 경화 온도가 너무 높으면 충진재의 경화 시 저항패턴층(520)의 변형을 일으킬 수 있으므로 저항패턴층(520)의 변형을 유발하지 않는 경화온도를 가지는 것이 바람직하다. 예컨대, 절연충진재(560)의 경화온도는 무유도 저항기(210) 자체의 발열온도인 120℃ 이내로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 절연충진재(560)는 점도가 높으면 베이스파이프(510)의 내부에 충진 시 기포가 발생하기 쉽고, 이러한 베이스파이프(510) 내부의 기포 발생은 부분방전을 발생시키고 열화의 주요원인이 되므로, 절연충진재(560)의 점도는 낮은 것이 좋다. 이러한 조건들을 고려했을 때, 본 발명의 실시예에 따른 절연충진재(560)는 액상 실리콘 고무일 수 있다. 액상 실리콘 고무는 실리콘 고무의 주 사슬인 폴리실록산이 절연 성능이 우수하며, 주요 충진재인 실리카 역시 절연 성능이 우수하기 때문에, 뛰어난 절연성능을 갖는다. 절연충진재(560)로는 점도 63~67 Pa.s, 절연파괴강도 23~27 kV/mm를 갖는 액상 실리콘 고무가 바람직하다.
아래의 표 1은 베이스파이프(510) 내부에 충진된 절연충진재(560)의 절연 성능을 확인하기 위해, 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)로서 액상 실리콘 고무를 충진한 무유도 저항기(실시예)와, 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)를 충진하지 않고 비워둔 무유도 저항기(비교예)의 IEC 60060-1, IEC 60060-2 규격에 따른 상용 주파 내전압시험을 수행한 결과를 나타낸다. 실시예와 비교예의 무유도 저항기는 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)의 충진 여부를 제외하고는 모두 동일한 조건을 가지며, 본 시험은 외부 공기층으로부터의 절연파괴가 나타나는 것을 방지하기 위해 절연유 안에서 수행되었다.
시험 전압 80kVrms 140kVrms
실시예 정상 정상
비교예 정상 균열, 변색 관측
아래의 표 2는 실시예의 절연충진재(560)로 사용한 액상 실리콘 고무의 주요 물성 데이터이다.
물성 종류 시험방법 단위 물성 값
경화전 점도 ASTM D 4287 Pa.s 65
체적저항 ASTM D 257 Ω.cm 1*1015
절연파괴강도 ASTM D 149 kV/mm 25
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)로서 액상 실리콘 고무를 충진한 무유도 저항기는 80kVrms 및 140kVrms의 전압에서 모두 정상상태를 유지한 것에 비해, 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)를 충진하지 않은 비교예의 무유도 저항기는 비교적 낮은 80kVrms에서는 정상 상태를 유지하였으나, 140kVrms의 고전압에서는 절연파괴로 인한 저항 패턴 및 베이스파이프(510)의 균열 및 변색이 관측되었다. 본 실험을 통해, 베이스파이프(510) 내에 절연충진재(560)로 액상 실리콘 고무를 충진함으로써 무유도 저항기(210)의 절연성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
일반적으로, 고전압 환경에서 이용되는 저항기의 절연성능을 향상시키기 위해 APG(automatic pressure gelation)를 통한 에폭시 성형 방법이 이용된다. 그러나, 내부가 비어있는 파이프형의 저항기의 경우 에폭시를 파이프 내부에 주입 시 에폭시의 점도로 인해 기포가 발생하게 되고, 이러한 기포는 부분방전 및 열화의 원인이 된다. 또한, 내부가 비어있는 파이프의 특성상 강도가 낮아 외부 압력을 견디기 어려워 파이프의 외부를 에폭시 성형하는 것도 바람직하지 않다. 이러한 문제점 때문에, 파이프형 저항기는 고전압 환경에서 사용되기 위해 저항의 길이를 길게하는 방법이 택하여지고 있으며, 이는 저항의 크기 증가로 인한 활용성 및 제조원가에서의 불이익을 야기하게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예의 전압측정장치(100)의 무유도 저항기(210)와 같이, 베이스파이프(510)의 내부에 액상 실리콘 고무를 절연충진재(560)로서 충진하는 경우, 낮은 점도로 인해 베이스파이프(510) 내부에서의 기포발생을 최소화하면서, 높은 절연 성능을 획득할 수 있다. 또한, 비어있던 베이스파이프(510) 내부가 절연충진재(560)에 의해 채워지면서, 베이스파이프(510)의 강도가 증가하고, 베이스파이프(510)의 외부에 APG를 통한 에폭시 성형을 수행하는 것이 가능해진다. 따라서, 무유도 저항기(210)의 크기는 작아지면서 높은 절연성능 및 강도를 획득하여 활용성 및 제조원가에서의 이익을 획득할 수 있다. 또한, 베이스파이프(510)의 내부에 액상 실리콘 고무를 절연충진재(560)로서 충진함으로써 온실가스인 SF6를 절연가스로 사용하지 않고도 높은 절연성능을 확보할 수 있으므로 친환경적이다.
쉴드링(220, 230)은 알루미늄(A6061) 소재로 가공될 수 있으며, 링 형상으로 제작되어 무유도 저항기(210)의 전극(530, 540)에 끼워지는 형태 또는 저면이 막힌 링 형상으로 제작되어 무유도 저항기(210)의 전극(530, 540)을 감싸면서 전극 외면에 끼워지는 형태일 수 있다. 쉴드링(220, 230)은 링 형상으로 제작되어 고전압할당부(110)의 전기장의 급격한 변화를 완화시킬 수 있으므로, 무유도 저항기(210)의 양단에서 절연구조물과 도체 사이, 즉 서로 다른 물질의 접점에서 발생할 수 있는 전계 집중 현상을 완화시켜 절연내력을 증가시키며, 부분방전(partial discharge, PD)을 감소시킨다. 쉴드링(220, 230)은 무유도 저항기(210)의 고압측에 배치되는 고압측쉴드링(220) 및 무유도 저항기(210)의 저압측에 배치되는 저압측쉴드링(230)으로 구성된다.
고압측도체(240)는 봉형상으로 형성되어 일단은 전압측정장치(100)에 전압을 공급하는 전원과 연결되고, 타단은 무유도 저항기(210)의 고압측전극(530)과 연결되어 무유도 저항기(210)에 전류가 흐르도록 한다.
저압측도체(250)는 봉형상으로 형성되어 일단은 무유도 저항기(210)의 저압측전극(540)과 연결되고, 타단은 저전압할당부(120)와 연결되어 무유도 저항기(210)를 통과한 전류가 저전압할당부(120)에 입력되도록 한다.
절연하우징(260)의 내부에는 무유도 저항기(210), 고압측쉴드링(220) 및 저압측쉴드링(230)이 매립된다. 절연하우징(260)에 매립된 무유도 저항기(210), 고압측쉴드링(220) 및 저압측쉴드링(230)은 절연성을 갖는 절연하우징(260)에 의해 둘러싸여 외부의 물리적 충격으로부터 보호되고, 전기적으로 절연된다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 절연하우징(260)은 매립부(261) 및 결합부(262)로 구성된다. 매립부(261)는 속이 찬 원기둥 형상을 가지고, 그 내부에 무유도 저항기(210), 고압측쉴드링(220) 및 저압측쉴드링(230)이 매립된다. 결합부(262)는 매립부(261)의 지름보다 큰 지름을 갖는 원판 형상으로 형성되고, 매립부(261)의 저압측 단부에 결합된다.
절연하우징(260)은 절연 성능을 가지면서 성형이 용이한 에폭시 수지로 이루어짐이 바람직하며, 에폭시 몰딩 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 절연하우징(260)은 절연 성능 확보를 위해 고압측도체(240)의 하단 일부부터 저압측도체(250)의 상단 일부를 덮을 수 있는 길이 및 고압측쉴드링(220) 및 저압측쉴드링(230)을 완전히 덮을 수 있는 정도의 두께를 가지도록 형성된다.
절연하우징(260)의 매립부(261)의 표면에는 매립부(261)의 둘레를 둘러싸는 복수 개의 돌출부(263)가 형성된다. 복수 개의 돌출부(263)는 서로 평행하게 형성되며, 매립부(261)의 길이방향을 따라 배치된다. 매립부(261)의 표면에 형성된 복수 개의 돌출부(263)로 인해 절연하우징(260)을 따라 측정한 절연하우징(260) 양단의 고압측도체(240) 및 저압측도체(250) 사이의 거리인 연면거리(creepage distance)가 증가하게 되고, 이에 따라 절연하우징(260)의 절연성능이 증가되어 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치가 72.5kV 등의 고전압에서도 안정적으로 전압을 측정할 수 있다.
절연하우징(260)의 결합부(262)에는 오링홈(310) 및 복수 개의 취부홀(320) 형성된다. 복수 개의 취부홀(320)은 원판 형상으로 형성된 결합부(262)의 상면과 바닥면을 관통하는 홀로서 결합부(262) 상에 서로 이격되어 형성된다. 취부홀(320)을 통해 나사 등의 결합부재를 이용하여 고전압할당부(110)를 전압 측정의 대상이 되는 기기(예컨대, GIS)의 제조사 및 규격 등에 관계없이 안정적으로 고정시킬 수 있다. 취부홀의 개수 및 설치 간격은 특별히 한정되지 않으나, 보다 안정적인 결합을 위해서는 두 개 이상의 취부홀(320) 각각이 서로 동일한 거리로 이격되어 있는 것이 바람직하다.
오링홈(310)은 결합부(262)의 바닥면에 형성되며, 결합부(262)의 원점을 중심으로 원을 이루도록 파여짐으로써 형성된다. 오링홈(310)에는 실리콘, 고무 소재 등으로 제작된 오링이 끼워진다. 오링홈(310)에 오링이 끼워진채로 전압 측정의 대상이 되는 기기(예컨대, GIS)에 결합될 시, 보다 밀착력을 높일 수 있다.
저전압할당부(120)는 저전압저항기로 구성되며, 저전압저항기의 일단은 고전압할당부(110)의 무유도 저항기(210)와 연결되고, 타단은 접지된다. 저전압저항기의 저항값은 고전압할당부(110)의 무유도 저항기(210)의 저항값보다 작은 값을 갖는다. 예컨대, 저전압저항기는 무유도 저항기(210)의 저항값의 약 1/724 크기의 저항값을 가질 수 있다.
이와 같이, 저전압할당부(120)의 저전압저항기가 고전압할당부(110)의 무유도 저항기(210)에 비해 상당히 작은 크기의 저항값을 가지므로, 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)가 전압 측정 대상 기기에 연결될 시, 전압 분배 법칙에 의해 고전압할당부(110)에는 보다 큰 전압이 저전압할당부(120)에는 보다 작은 전압이 걸리게 된다. 예를 들어, 측정 대상 기기의 전압이 72.5kV이고, 무유도 저항기(210)의 저항값이 72.4kΩ, 저전압저항기의 저항값이 100Ω인 경우, 전압 분배 법칙에 의해 무유도 저항기(210)에는 72.4kV의 전압이, 저전압저항기에는 100V의 전압이 걸리게 된다.
전압계측부(130)는 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120) 사이의 전압을 측정하고, 측정된 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120) 사이의 전압에 기초하여 전압 측정 대상 기기의 전압을 산출한다. 보다 구체적으로, 전압계측부(130)는 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120) 사이, 즉 저전압할당부(120)의 입력라인의 전압을 입력받아 내부 ADC(analog digital converter)를 거쳐 디지털 신호로 변환한 후 DSP(digital signal processor)칩 내부의 알고리즘을 이용하여 전압 측정 대상 기기의 전압을 산출한다.
이때, 무유도 저항기(210)와 저전압저항기의 저항값의 크기 비율이 고려될 수 있다. 예컨대, 전압계측부(130)는 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120) 사이의 전압이 100V이고, 무유도 저항기(210)와 저전압저항기의 저항값의 크기 비율이 724:1 이므로, 전압 측정 대상 기기의 전압이 72.5kV임을 역산하여 산출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)의 사용 예로서, 전압측정장치(100)가 가스절연개폐장치(GIS, 1010)에 설치되어 사용되는 모습을 도시한 도면이다. 일반적으로 발전소에서 약 20,000V 정도의 전압으로 만들어진 전기는 송전에 적합한 초고압으로 승압되어 1차 변전소로 송전된다. 1차 변전소에서는 공급받은 전력을 22.9kV로 강하시켜 2차 변전소 또는 각 수용가로 공급하게 된다. 1차 변전소로부터 공급된 전력은 가공배전선과 지중배전선으로 구성된 배전계통을 통하여 각 수용가의 수전설비로 공급되어지며 특고압수용가, 고압수용가 및 각종 옥외설치 변압기를 통하여 저압수용가에까지 공급 된다. 이때 특고압수용가 수배전반(수전설비)의 선로 구분, 분기 및 변압기 1차측 보호를 목적으로 GIS(1010)가 이용된다. 본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)는 종래 배전계통의 고전압이 인가되는 주회로의 전압을 계측하기 위해 GIS(1010) 내부에 설치되는 계기용 변압기를 대체할 수 있다.
도 10을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따르는 전압측정장치(100)는 고전압할당부(110)가 GIS(1010) 내부에 설치되고, 저전압할당부(120) 및 전압계측부(130)는 GIS(1010) 외부에 설치된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 고전압할당부(110)는 베이스파이프(510) 내부에 절연충진재(560)가 충진되어 절연 성능이 확보된 무유도 저항기(210)가 절연하우징(260) 내부에 매립된 구조를 가지므로 GIS(1010) 내부에서 별도의 절연가스(SF6) 없이도 우수한 절연 성능을 갖는다.
배전계통의 고전압이 전압측정장치(100)로 인가되면, 전압은 고전압할당부(110)와 저전압할당부(120)로 각 저항값의 크기에 비례하여 분배되고, 전압계측부(130)는 저전압할당부(120)에 걸린 비교적 낮은 전압을 측정함으로써 배전계통의 고전압 값을 산출할 수 있다. 전압계측부(130)에 의해 측정된 저전압할당부(120)에 걸린 전압 및 전압계측부(130)에 의해 산출된 배전계통이 고전압 값 등의 정보는 유무선으로 연결된 작업자의 장치(1020)에 전송되어 작업자로 하여금 전압측정장치(100)에 의해 획득된 정보를 모니터링하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전압측정장치(100)에 의하면, 고전압할당부(110)의 무유도 저항기(210)의 몸체를 구성하는 베이스파이프(510) 내부에 절연성능이 높은 절연충진재를 충진하고, 무유도 저항기(210)를 절연하우징(260) 내부에 매립함으로써 온실 가스인 SF6 가스를 사용하지 않으면서 절연성능을 확보하여 고전압 환경에서 안전하게 친환경적으로 전압을 측정할 수 있다. 또한, 고전압 환경에서 전압을 측정하는 데에 있어서 권선형 변압기를 이용하지 않아 1차 권선 및 2차 권선의 단락으로 인한 사고를 방지할 수 있으며, 보다 간단한 구조로 구현되어 축소 및 경량화로 인한 설치, 점검 및 보수에서 이점을 갖는다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로해석되어야 할 것이다.
100: 전압측정장치
110: 고전압할당부
120: 저전압할당부
130: 전압계측부
210: 무유도저항기
220, 230: 고압측쉴드링, 저압측쉴드링
240, 250: 고압측도체, 저압측도체
260: 절연하우징

Claims (10)

  1. 고전압 환경에서 이용가능한 전압측정장치에 있어서,
    전압 측정 대상 기기와 직렬연결되고, 상기 전압 측정 대상 기기의 전압의 일부가 걸리는 무유도 저항기를 포함하는 고전압할당부;
    상기 무유도 저항기와 직렬연결되고, 상기 전압 측정 대상 기기의 전압의 나머지가 걸리는 저전압저항기를 포함하는 저전압할당부; 및
    상기 저전압할당부에 걸린 전압을 측정하고, 상기 측정된 저전압할당부에 걸린 전압값에 기초하여 상기 전압 측정 대상 기기의 출력 전압을 산출하는 전압계측부를 포함하고,
    상기 무유도 저항기는 상기 무유도 저항기의 몸체를 형성하는 베이스파이프의 내부에 충진되어 상기 베이스파이프의 강도 및 절연성능을 증가시키는 절연충진재를 포함하고,
    상기 절연충진재는 절연성을 갖는 액상재료가 상기 베이스파이프 내부에 충진된 후 경화된 것임을 특징으로 하는 전압측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무유도 저항기는
    내부가 비어있고 양단이 개방된 원기둥 형상으로 형성된 상기 베이스파이프;
    도전성을 갖는 박막으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 외주면에 코팅됨으로써 상기 무유도 저항기의 저항값을 결정하는 저항패턴층;
    캡 형상으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 길이방향 양단에 끼움결합하는 전극; 및
    상기 베이스파이프 및 상기 저항패턴층 상에 코팅되어 상기 저항패턴층을 보호하는 패턴보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연성을 갖는 액상재료는 액상 실리콘 고무인 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 무유도 저항기의 저항값은 상기 저전압저항기의 저항값 보다 큰 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전압계측부는 상기 측정된 저전압할당부의 입력라인의 전압값과 상기 무유도 저항기의 저항값 및 상기 저전압저항기의 저항값의 비율에 기초하여 상기 전압 측정 대상 기기의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 고전압할당부는 링 형상으로 형성되고, 상기 베이스파이프의 길이방향 양단의 전극에 끼움결합함으로써 전계를 완화하는 쉴드링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고전압할당부는 내부에 상기 무유도 저항기 및 상기 쉴드링이 매립되는 절연하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연하우징은
    속이 찬 원기둥 형상을 가지고, 내부에 상기 무유도 저항기 및 상기 쉴드링이 매립되는 매립부; 및
    상기 매립부의 지름보다 큰 지름을 갖는 원판 형상으로 형성되고, 상기 매립부의 단부에 고정되는 결합부를 포함하고,
    상기 절연하우징은 에폭시 몰딩 기법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 매립부의 표면에는 상기 매립부의 둘레를 둘러싸는 복수 개의 돌출부가 서로 평행하게 형성됨으로써 상기 절연하우징에 의한 연면거리(creepage distance)가 증가되는 것을 특징으로 하는 전압측정장치.
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