KR102556452B1 - Sf6 가스를 대체한 절연 가스 및 이를 이용한 전기 장치 - Google Patents

Sf6 가스를 대체한 절연 가스 및 이를 이용한 전기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 장치를 절연시키기 위해 사용되는 절연 가스와 이를 이용하여 전기를 절연시키는 전기 장치에 관한 것이다. SF6 가스를 대체한 절연 가스는, C3F8과 C3F8O 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물과 CO2를 포함하는 혼합 가스이다. 이에 의해, SF6 가스를 절연 가스로 사용하는 것과 비교하여 절연 및 소호 능력을 유지하면서도 지구온난화지수가 낮아 온실 가스를 10배 이상 감축시킬 수 있다.

Description

SF6 가스를 대체한 절연 가스 및 이를 이용한 전기 장치{SUBSTITUTE INSULATION GAS OF SF6 GAS AND ELECTRICAL APPARATUS}
본 발명은 절연 가스 및 이를 이용한 전기 장치에 관한 것으로, 전기 장치를 절연시키기 위해 사용되는 절연 가스와 이를 이용하여 전기를 절연시키는 전기 장치에 관한 것이다.
전기 장치는 전기 차단을 위해 절연 가스를 사용하게 되는데, 일반적으로 SF6(육불화황) 가스가 널리 사용된다. SF6 가스는 절연 성능도 뛰어나고 아크를 소호시키는 특성도 우수하다. 그러나, SF6 가스는 지구온난화지수(GWP)가 23,900으로 CO2(이산화탄소)에 비하여 지구온난화지수가 23,900배 높으며, 대기 중에 방출될 경우 3,200년을 존재하면서 지구온난화에 유해한 영향을 미치게 되므로 1997년 교토 의정서에서 온실 가스로 지정되다. 따라서, SF6 가스의 사용을 줄이거나, 이를 대체할 가스가 필요하였다.
이로부터, ABB는 SF6 가스 대신 CO2 혼합 가스(CO2 와 O2 혼합)를 사용하는 차단기, C5PFK, CO2, O2 의 혼합 가스를 적용한 스위치 기어를 개발하였다. 여기서 C5PFK 가스는 지구온난화지수가 1 이하지만, 끓는점이 27℃이므로 단독으로 사용하기 어려워 끓는점이 낮은 CO2, O2, N2 와 혼합하여 사용하였고, 혼합비가 커질 경우 액화될 염려가 있어 혼합 비중을 10% 이하로 유지했으며, 초고압급에는 C5PFK, CO2 및 O2 혼합 가스를 사용하고, 배전급에는 C5PFK, N2 및 O2 혼합 가스를 사용하였다.
이와 비슷하게 ALSTOM에서는 fluoronitrile 가스와 CO2 가스를 혼합한 g3 가스를 사용한 스위치 기어를 개발하였다.
fluoronitrile 가스는 지구온난화지수가 2,210으로 높지만 CO2 가스와 혼합한 g3 가스는 지구온난화지수가 360으로 낮고, 끓는점이 -4.7℃이므로 운전조건이 -25℃인 스위치 기어에 사용 가능하였다.
상술한 바와 같이, C5PFK 의 혼합 가스 또는 g3 가스를 사용하는 경우에는 SF6 가스보다 절연 및 아크 소호 성능이 낮지만 설계기술과 조합하여 보다 친환경적인 기기의 제작을 가능하게 한다.
종래의 한국 등록실용신안공보 제20-0357843호에는, 가스절연 스위치 기어장치에서 사용되는 SF6 가스의 누출을 방지하기 위하여 SF6 가스를 밀봉하는 벨로우즈관의 플랜지에 O-링을 삽입하여 SF6 가스를 차단하고, 잔존 가스를 실링하는 SF6 절연 가스 차단밸브에 대하여 기재되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0118461호에는, SF6 가스 절연매질에 N2, CO2, 건조공기가 혼합된 하이브리드 절연 가스를 사용하여 기존의 SF6 가스 사용량을 50% 절감시킨 초고압 변압기에 대하여 기재되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0077747호에는, 가스절연 개폐장치 내부에 충전되는 SF6 가스 대신 드라이에어(Dry-air)를 사용한 가스절연 개폐장치에 대하여 기재되어 있다.
상술한 종래 기술은, SF6 가스의 누출 방지하여 손실되는 가스를 줄이고, SF6 가스와 다른 가스를 혼합하여 SF6 가스의 사용량을 줄이고자 하였으나, 여전히 SF6 가스를 사용하게 되므로, 온난화에 유해한 영향을 미침은 여전하였다.
한편, SF6 가스를 드라이에어로 대체하여 친환경을 이루고자 하였으나, 드라이에어의 절연 성능뿐만 아니라 아크 소호 성능이 SF6 가스에 비하여 훨씬 낮아 절연 기능을 제대로 수행하지 못하게 되는 문제가 있었다.
SF6 가스를 대체하기 위해서는, 1) 독성이 없어야 하고, 2) 지구온난화지수(GWP)가 낮아야 하며, 3) 오존을 파괴하지 않아야 하고, 4) 끓는점이 낮아야 하며, 5) 불활성을 가지고, 6) 화학적 안정성을 가지며, 7) 비용이 적절해야 한다.
상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 SF6 가스를 대체하여 절연 성능을 유지하면서도 지구온난화지수가 낮아 친환경적인 절연 가스를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 독성이 없고, 오존을 파괴하지 않으며, 끓는점이 낮고, 불활성하며, 화학적으로 안정하고, 비용이 적절한 절연 가스를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, 전기 장치의 절연에 사용되는 절연 가스에 있어서, C3F8과 C3F8O 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물과 CO2를 포함하는 혼합 가스이다.
바람직하게, 전기 장치의 절연에 사용되는 절연 가스에 있어서, C3F8O와 CO2를 포함하는 혼합 가스이다.
바람직하게, C3F8O는, C3F8와 O2를 화합하여 생성된다.
바람직하게, 상기 혼합 가스는, O2를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 혼합 가스는, C3F8과 C3F8O 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 1mol%~10mol%, CO2가 60mol%~70mol%이고, 잔부가 O2로 이루어진다.
상술한 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 SF6 가스를 대체한 절연 가스를 이용한 전기 장치는, 절연 가스에 의해 전기를 절연시키는 전기 장치에 있어서, 상술한 절연 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
본 발명의 SF6 가스를 대체한 절연 가스 및 이를 이용한 전기 장치는, SF6 가스와 비교하여 절연 및 소호 능력을 유지하면서도 지구온난화지수가 낮아 SF6와 비교하여 온실 가스를 10배 이상 감축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 C3F8의 분자 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 C3F8와 CO2의 혼합 가스에 대한 C3F8의 혼합 비율에 따른 지구온난화지수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 C3F8O의 분자 구조를 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, 제1, 제2 실시예로 구분할 수 있으며, 각 실시예의 구성요소는 기본적으로 동일하나, 일부 구성에 있어서 차이가 있다. 본 발명의 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, SF6 가스를 대체하여 절연 가스로 사용됨으로써, 아크를 효과적으로 소호시키며, 절연 성능이 높고, 지구온난화지수(GWP)가 낮아 친환경적이며 환경 파괴를 줄일 수 있다.
SF6 가스를 대체하기 위해서는 1) 독성이 없고, 2) 지구온난화지수(GWP)가 낮으며, 3) 오존을 파괴하지 않고, 4) 끓는점이 낮으며, 5) 불활성이고, 6) 화학적 안정성을 가지며, 7) 비용이 적절해야 하는 조건을 만족시켜야 한다.
각 조건을 자세히 살펴보면, 절연 가스에 독성이 있는 경우, 작업자에게 유해하며, 작업자 뿐 아니라 절연 가스가 사용되는 전기 장치를 오염시키게 된다.
다음의 표는 위 조건을 만족하는 가스를 개발하기 위해 여러 가지 가스의 특성을 비교한 것이다.
여러 가지 가스의 특성
화학식 SF6 C3F8 C2F6
화학명 Sulfur hexafluoride Octafluoropropane Hexafluoroethane
분자량 146.06 188.02 138.01
절연내력(vs.SF6) 1.0 0.97,
0.40 - 1.12
0.78,
0.67 - 0.90
끓는점(℃) -63.8 -36.7 -78.1
지구온난화지수 22,800 8,830 12,200
대기 존재 기간(년) 3,200 2,600 10,000
가격(1000yen/kg) 1.5-3 5.4 8
가스 내용물(%) 99.99 99.9 99.99
여러 가지 가스의 AC 절연 내력 특성
가스 AC 항복전압(kVrms) 표준편차(kVrms) 절연내력(vs.SF6)
C2F6 131 3.7(2.9%) 0.76
C3F8 174 4.5(2.9) 1.01
C3F8O
N2 76.3 4.7(6.6%) 0.44
CO2 64.2 3.1(4.6%) 0.37
SF6 172 4.3(2.8%) 1.00
표 1, 표 2로부터 지구온난화지수, 절연내력, 끓는점, 가격 등을 고려하여 C3F8(Octafluoropropane)와 C3F8O(Pentafluoro(Trifluoromethoxy)-Ethane)가 SF6(육불화황) 가스를 대체하기 위해 적절하다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, C3F8, CO2 및 O2 를 포함한 혼합 가스이다.
도 1은 C3F8 가스의 분자 구조를 나타낸 것으로, C3F8 가스는 SF6 가스와 비교하여, 끓는점이 약 30℃ 높고, 가격이 비싸나, 지구온난화지수가 3배 정도 낮고, 절연내력에 큰 차이가 없으며, 항복전압이 높다.
이러한 C3F8 가스를 단독으로 사용하는 경우, 액화되기 쉬우므로 CO2(이산화탄소)와 O2(산소)를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, CO2 및 O2를 혼합하는 경우, 지구온난화지수를 더욱 효과적으로 낮출 수 있다.
도 2에 도시한 그래프는 C3F8과 CO2가 혼합된 혼합 가스에 대한 C3F8의 혼합 비율에 따른 지구온난화지수를 나타낸 것으로, C3F8의 혼합 비율이 적을수록 지구온난화지수가 낮다.
구체적으로, 혼합 가스는, C3F8이 1mol% ~10mol%, CO2가 60mol%~70mol%이고, 잔부가 O2로 이루어진다.
전체 혼합 가스에 대한 C3F8의 혼합 비율이 20mol%를 초과하면 지구온난화지수가 높아지고, 액화될 염려가 있으므로 C3F8의 혼합 비율을 20mol% 이하로 설정하고, 더 바람직하게는 1mol%~10mol%로 설정한다. 이로써, 절연 가스의 지구온난화지수가 낮아 친환경적이며, 가스가 액화될 염려가 없어 안정적으로 사용할 수 있다.
C3F8의 혼합 비율이 20mol%라고 하면, CO2와 O2의 혼합 비율은 최대 80mol%이다. 이때, 혼합 가스는 CO2와 O2의 혼합비가 약 7 : 3 일때, 열적 차단 성능이 가장 우수하다는 연구결과가 있다. 따라서 CO2의 혼합 비율을 60mol%~70mol%로 설정하는 것이 열적 차단 성능이 가장 우수하다.
SF6 가스를 대체한 절연 가스로 C3F8과 CO2만을 혼합하여 사용할 수 있으나, 전기 장치에 발생하는 아크를 더욱 효과적으로 소호시키기 위해서, O2를 더 포함시킬 수 있다.
위와 같은 혼합 가스는 끓는점이 -50℃이하가 되므로 C3F8의 끓는점인 -36.7℃ 보다 낮아 사용 온도에 대한 제한이 저감된다.
또한, 지구온난화지수도 2,000 이하가 되므로 SF6 가스에 비하여 10배 이상의 온실 가스 감축 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 제1 실시예와 같이 전기 장치를 절연시키기 위해 SF6 가스 대신 C3F8, CO2 및 O2 를 포함한 혼합 가스를 사용함으로써, SF6 가스와 동등하거나 그 이상의 절연 효과를 가지면서도, 환경적 피해를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 대비하여 혼합 가스가 C3F8 대신 C3F8O를 포함한다는 점에서 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 차이를 가지는 제2 실시예의 구성요소를 중심으로 설명한다.
구체적으로, 제2 실시예에 의한 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, C3F8O, CO2 및 O2 를 포함한 혼합 가스이다.
도 3은 C3F6O 가스의 분자 구조를 나타낸 것으로, 아래의 화학식과 같이, C3F8O는 C3F8와 O2를 화합하여 생성시킬 수 있다.
Figure 112016072613538-pat00001
C3F8O는 C3F8와 비교하여, 끓는점이 거의 동일하고, 지구온난화지수는 더 낮다.
이렇게 생성된 C3F8O 가스를 단독으로 사용하는 경우, 액화되기 쉬우므로 CO2와 O2 를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, CO2 및 O2 를 혼합하는 경우, 지구온난화지수를 더욱 효과적으로 낮출 수 있다.
구체적으로, 혼합 가스는, C3F8O이 1mol%~10mol%, CO2 가 60mol%~70mol%이고, 잔부가 O2 로 이루어진다.
전체 혼합 가스에 대한 C3F8O의 혼합 비율이 20mol%를 초과하면 지구온난화지수가 높아지고, 액화될 염려가 있으므로 C3F8O의 혼합 비율을 20mol% 이하로 설정하고, 더 바람직하게는 1mol%~10mol%로 설정한다. 이로써, 절연 가스의 지구온난화지수가 낮아 친환경적이며, 가스가 액화될 염려가 없어 안정적으로 사용할 수 있다.
C3F8O의 혼합 비율이 20mol%라고 하면, CO2와 O2의 혼합 비율은 최대 80mol%이다. 이때, 혼합 가스는 CO2와 O2의 혼합비가 약 7 : 3 일때, 열적 차단 성능이 가장 우수하다는 연구결과가 있다. 따라서 CO2의 혼합 비율을 60mol%~70mol%로 설정하는 것이 열적 차단 성능이 가장 우수하다.
SF6 가스를 대체한 절연 가스로 C3F8O과 CO2만을 혼합하여 사용할 수 있으나, 전기 장치에 발생하는 아크를 더욱 효과적으로 소호시키기 위해서, O2를 더 포함시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예와 같이 전기 장치를 절연시키기 위해 SF6 가스 대신 C3F8O, CO2 및 O2 를 포함한 혼합 가스를 사용함으로써, SF6 가스와 동등하거나 그 이상의 절연 효과를 가지면서도, 환경적 피해를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는 제1, 제2 실시예와 대비하여 혼합 가스가 C3F8 와 C3F8O의 혼합물을 포함한다는 점에서 차이가 있다. 이하에서는 제1, 제2 실시예와 차이를 가지는 제3 실시예의 구성요소를 중심으로 설명한다.
구체적으로, 제2 실시예에 의한 SF6 가스를 대체한 절연 가스는, C3F8와 C3F8O의 혼합물과 CO2 및 O2를 포함한 혼합 가스이다.
구체적으로, 혼합 가스는, C3F8와 C3F8O의 혼합물이 1mol%~10mol%, CO2 가 60mol%~70mol%이고, 잔부가 O2 로 이루어진다.
전체 혼합 가스에 대한 C3F8와 C3F8O 혼합물의 혼합 비율이 20mol%를 초과하면 지구온난화지수가 높아지고, 액화될 염려가 있으므로 C3F8O의 혼합 비율을 20mol% 이하로 설정하고, 더 바람직하게는 1mol%~10mol%로 설정한다. 이로써, 절연 가스는 지구온난화지수가 낮아 친환경적이며, 가스가 액화될 염려가 없어 안정적으로 사용할 수 있다.
C3F8와 C3F8O 혼합물의 혼합 비율이 20mol%라고 하면, CO2와 O2의 혼합 비율은 최대 80mol%이다. 이때, 혼합 가스는 CO2와 O2의 혼합비가 약 7 : 3 일때, 열적 차단 성능이 가장 우수하다는 연구결과가 있다. 따라서 CO2의 혼합 비율을 60mol%~70mol%로 설정하는 것이 열적 차단 성능이 가장 우수하다.
SF6 가스를 대체한 절연 가스로 C3F8O과 CO2만을 혼합하여 사용할 수 있으나, 전기 장치에 발생하는 아크를 더욱 효과적으로 소호시키기 위해서, O2를 더 포함시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예와 같이, 전기 장치를 절연시키기 위해 SF6 가스 대신 C3F8 와 C3F8O의 혼합물, CO2 및 O2 를 포함한 혼합 가스를 사용함으로써, SF6 가스와 동등하거나 그 이상의 절연 효과를 가지면서도, 환경적 피해를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 해당하는 전기 장치는, 절연 가스에 의해 전기를 절연시키는 전기 장치로, 상술한 제1 내지 제3 실시예의 절연 가스를 이용하여 전기를 절연시킬 수 있다.
이는 전기 장치에 주로 사용되던 SF6 가스를 C3F8과 C3F8O 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물과 CO2 및 O2 를 포함하는 혼합 가스로 대체하여, SF6 가스를 절연 가스로 사용하는 것에 비하여 절연 성능을 유지시키면서도, 지구온난화지수가 낮아 환경에 유해한 영향을 저감시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 그 변형물 또는 균등물에까지 미침은 자명하다 할 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 전기 장치의 절연에 사용되는 절연 가스에 있어서,
    C3F8O와 CO2 및 O2를 포함하는 혼합 가스이며,
    상기 혼합 가스는, C3F8O이 1mol%~20mol%, CO2가 60mol%~70mol%이고, 잔부가 O2로 이루어진 것을 특징으로 하는 절연 가스.
  3. 청구항 2에 있어서,
    C3F8O는, C3F8와 O2를 화합하여 생성된 것을 특징으로 하는 절연 가스.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 절연 가스에 의해 전기를 절연시키는 전기 장치에 있어서,
    청구항 2의 절연 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
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