KR20200094474A - 아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 함유함에 따라 배전반 내에서 발생할 수 있는 아크로인한 물리적 내구성을 향상시킬 수 있는 아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자에 관한 것이다. 본 발명은 산화아연(ZnO) 9~10중량%, 탄소나노튜브 0.01~1중량% 및 잔부 은(Ag)으로 구성되는 수배전반용 단자를 제공한다.

Description

아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자{Terminal for switchgear with arc reduction function}

본 발명은 아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 함유함에 따라 배전반 내에서 발생할 수 있는 아크로인한 물리적 내구성을 향상시킬 수 있는 아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자에 관한 것이다.

수배전반, ESS 장치, 접속함 등과 같은 전력 제어 설비에는 수많은 배선과 개폐기, 차단기, 계전기 등의 부품이 밀집되어 있는데, 그 기능이 상시 동작하면서 열화와 노후화 그리고 화재 발생으로 까지 이어지는 사고가 빈번하게 발생하고 있다.

특히, 아크(arc) 방전은 주요 사고 원인이 되어 화재나 폭발 등으로 이어질 수 있다. 아크 화재의 경우, 지락이나 용량 초과, 타 물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 전력 제어 설비 내부의 부스바, 케이블, 전선간의 접촉부, 단자 접촉부 등이 과열된다. 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장 부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적인 반복적인 아크를 발생시키게 된다.

이와 같이 아크의 발생을 방지하는 것이 쉽지 않으므로, 아크의 발생을 최소화하는 것이 바람직하다. 특히 이러한 아크의 경우 대부분 단자의 접촉에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만 단자의 경우 수시로 접촉 및 분리가 일어날 수 밖에 없어 단자에서 발생하는 아크를 저감하기 위한 노력이 필요한 실정이다.

(0001) 대한민국 등록특허 제10-1771551호 (0002) 대한민국 등록특허 제10-1297551호

전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소나노튜브를 함유함에 따라 배전반 내에서 발생할 수 있는 아크로인한 물리적 내구성을 향상시킬 수 있는 아크 저감 기능이 있는 수배전반용 단자를 제공하고자 한다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 산화아연(ZnO) 9~10중량%, 탄소나노튜브 0.01~1중량% 및 잔부 은(Ag)으로 구성되는 수배전반용 단자를 제공한다.

상기 수배전반용 단자는 700~1000℃의 온도에서 소결되어 제작될 수 있다.

상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.

상기 단자는 수배전반 내부의 구리단자에 결합되어 사용될 수 있다.

상기 수배전반용 단자는 기존의 단자에 비하여 측정된 아크의 광파워를 20%이상 감소시키는 것일 수 있다.

상기 수배전반용 단자는 탄노나노튜브를 포함하는 필름으로 코팅되어 있는 것일 수 있다.

상기 필름은 다중벽 탄소나노튜브, 니켈 및 SiC를 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 수배전반용 단자는 탄소나노튜브를 일정 비율로 함유함에 따라 아크의 발생이 저감되며, 이에 따라 단자의 접촉 및 분리가 수시로 일어나는 수배전반의 아크에 의한 손상을 최소화 할 수 있어 높은 내구성을 가지는 수배전반의 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 볼밀에 사용되는 볼, 볼밀 머신 및 은, 산화아연, 탄소나노튜브 원료를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 볼밀에 의하여 분쇄된 원료로서 각각 은, 산화아연 및 탄소나노튜브의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 Spark Plasma Sintering 시스템의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-10wt% ZnO 소결결과를 나타낸 그래프와 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9wt% ZnO-1wt% MWCNT 소결결과를 나타낸 그래프와 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9.99wt%ZnO-0.01wt%MWCNT, Ag-9.97wt%ZnO-0.03wt%MWCNT, Ag-9.95wt%ZnO-0.05wt%MWCNT, Ag-9.93wt%ZnO-0.07wt%MWCNT 조성의 전극 소재를 각각 소결한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9.99wt%ZnO-0.01wt%MWCNT(실시예 1) 전극소재 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9.97wt%ZnO-0.03wt%MWCNT(실시예 2) 전극소재 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9.95wt%ZnO-0.05wt%MWCNT(실시예 3) 전극소재 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag-9.97wt%ZnO-0.07wt%MWCNT(실시예 4) 전극소재 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ag/ZnO/MWCNT 전극 소재의 아크 특성 및 접점소재 평가를 위하여 제조된 전극부의 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학적 아크측정 시스템의 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학적 아크측정 시스템의 전극부 작동을 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학적 아크 특성 측정 시스템의 전극부 on 작동 모습을 나타낸 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 인가 전압에 따른 아크 광파워 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 산화아연(ZnO) 9~10중량%, 탄소나노튜브 0.01~1중량% 및 잔부 은(Ag)으로 구성되는 수배전반용 단자에 관한 것이다.

본 발명의 수배전반은 배전반과 전력 사용량 계측부를 포함할 수 있다.

상기 배전반은 3상 4선식의 전력이 입력되는 다수의 전력 선로, 다수의 전력 선로 상에 설치되어 출력단으로의 전력 공급 여부를 결정하는 차단기, 다수의 전력 선로 상에 위치되어 각상의 전압을 계측하는 계기용 변압기, 다수의 전력 선로 상에 위치되어 각상의 전류를 계측하는 계기용 변류기를 포함할 수 있다.

본 발명의 배전반은 다수의 전력 선로와 접지 사이에 연결된 상에 위치되는 방전부를 추가 구비하고, 방전부를 통해 차단기에 의한 전력 공급 차단 후에도 다수의 전력 선로상에 잔존하던 전력이 즉각적으로 완전 방전되도록 할 수 있다.

이러한 방전부는 다수의 전력 선로에 연결된 일측을 가지며, 배전반 제어부에 의해 동작 제어되는 다수의 스위치, 다수의 스위치의 타측과 접지 사이에 연결된 다수의 커패시터를 포함하여 구성될 수 있다.

전력 사용량 계측부는 계기용 변압기 및 계기용 변류기를 통해 계측되는 전압 및 전류를 기반으로 전력 사용량을 계측할 수 있다.

이러한 수배전 반의 경우 내부에 다수의 전력 선로의 연결 및 차단을 수행하는 다수개의 단자가 존재하며, 기존의 단자의 경우 단순히 구리(Cu)를 이용하여 제작되어 각 단자의 접촉 또는 분리과정에서 아크가 발생하여 화재 및 단자의 마모를 가져왔다.

본 발명의 수배전반용 단자는 산화아연(ZnO) 9~10중량%, 탄소나노튜브 0.01~1중량% 및 잔부 은(Ag)으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 산화아연 9.93중량%, 탄소나노튜브 0.01~0.07중량% 및 잔부 은으로 구성될 수 있다. 탄소나노튜브가 1중량%를 초과하여 포함되는 경우 소결온도 1000℃이상에서도 소결되지 않아 단자의 제조가 불가능 하며, 0.01중량% 미만으로 포함되는 경우 아크발생 저감 효과가 낮아질 수 있다.

상기 수배전반용 단자는 700~1000℃의 온도에서 소결되어 제작될 수 있다. 상기에서 살펴본 바와 같이, 탄소나노튜브를 1중량%를 초과하여 포함하는 경어 1000℃이상의 온도에서도 소결되지 않아 제품의 제작이 불가능하며, 탄소나노튜브를 함유하지 않은 10중량% 산화아연(ZnO) 및 잔부 은으로 구성되는 전극의 경우 700℃의 온도에서 소결 가능하므로 본 발명에 의한 탄소나노튜브를 포함하는 단자는 700~1000℃의 온도에서 소결되어 제작될 수 있다.

상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 단일벽 탄소나노튜브의 경우 아크에 의한 손상 가능성이 있으며 이에 따라 아크 저감효과가 떨어질 뿐만 아니라, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 2~10층으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으며, 바람직하게는 2~5층으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 10층으 초과하는 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 경우 제조비용이 상승하게 되어 수배전반용 단자의 가격경쟁력이 떨어질 수 있다.

상기 단자는 수배전반 내부의 구리단자에 결합되어 사용될 수 있다. 상기 수배전반용 단자의 경우 은(Ag)을 주재료로 사용하는 만큼 기존의 구리단자에 비하여 높은 제조비용이 필요로 한다. 따라서 상기 수배전반 내부의 단자 전체를 교체하는 경우 수배전반의 제조비용이 상승하여 가격경쟁력이 떨어질 수 있다. 특히 수배전반 내부에서 일어나는 아크의 경우 각 단자의 접촉지점에서 발생하기 때문에 이러한 접촉지점을 본 발명에 의한 수배전반용 단자로 교체하는 것 만으로도 아크의 대부분을 저감할 수 있다.

상기 수배전반용 단자는 기존의 단자에 비하여 측정된 아크의 광파워를 20%이상 감소시키는 것일 수 있다. 수배전반 내부에서 일어나는 아크의 경우 광파워를 측정하는 것으로 그 크기를 확인할 수 있다. 따라서 본원 발명에 의한 수배전반용 단자를 사용하는 경우 기존의 단자를 사용한 수배전반에 비하여 아크의 광파워를 20% 이상 감소시킬 수 있다.

상기 수배전반용 단자는 탄노나노튜브를 포함하는 필름으로 코팅되어 있는 것일 수 있다. 상기와 같이 본원 발명에 의한 수배전반용 단자를 사용하더라도 소량의 아크가 발생할 수 있으며, 이에 의한 단자의 손상이 일어날 수 있다. 이러한 단자의 손상을 방지하기 위하여 상기 수배전반용 단자는 탄노나노튜브를 포함하는 필름으로 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 필름은 다중벽 탄소나노튜브, 니켈 및 SiC를 포함할 수 있다. 상기 필름은 다중벽 탄소 나노튜브를 사용함에 따라 낮은 면저항(20Ω/□ 미만)을 가질 수 있으며, 이에 따라 아크 발생시 아크를 접점부위의 외부로 유도하는 역할을 수행할 수 있어 아크에 의한 단자의 손상을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 단자의 접촉저항을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다. 아울러 상기 필름에 포함되는 니켈 및 SiC의 경우 상기 필름의 코팅 특성 향상을 위하여 사용되는 것으로 탄소나노튜브의 사용에 의한 면저항의 상승을 최소화 하면서도 단자에 코팅 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

실시예

은(Ag)분말, 산화아연(ZnO) 분말 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 혼합한 다음, 하기와 같은 볼밀(Ball Mill)조건에서 각각 분쇄를 실시하였다(도 1 참조)

-Solvent : 에탄올

-The weight ratio of ball to powder -> 10 : 1

-Al₂O₃ ball size : 3mm dia.

-Ball milling speed : 250 rpm

-Milling time : 10 hr

제조된 분말은 회수율 약 93%를 나타내었으며, 건조온도 80℃에서 24시간동안 건조하여 원료분말을 제조하였다(도 2 참조).

상기와 같이 제조된 각 분말을 하기의 표 1의 비율로 혼합하였다.

	ZnO(wt%)	MWCNT(wt%)	Ag(wt%)
실시예1	9.99	0.01	90.00
실시예2	9.97	0.03	90.00
실시예3	9.95	0.05	90.00
실시예4	9.93	0.07	90.00
비교예1	10.00	0.00	90.00
비교예2	9.00	1.00	90.00

상기와 같이 제조된 실시예 1~4 및 비교예 1~2를 Spark Plasma Sintering 시스템(한국탄소융합기술원, 도 3) 활용하여 전극을 제조하였다.

Spark Plasma Sintering 시스템의 Die에 상기 실시예 및 비교예의 분말을 장전 후 대전류를 흘려 분말을 줄열로 가열 및 소결하여 시편을 제조하였다.

실험예 1

Ag-10wt% ZnO(비교예 1)의 경우 MWCNT를 첨가하지 않고 소결을 실시하였다. 120 초간 소결을 소행하였으며, 이때 수축 길이는 0.25 mm로 측정되었다. 소결 온도 700℃에서 수축 길이의 변화가 없으므로 소결이 성공적으로 이루어 졌음을 확인할 수 있었다(도 4 참조)

Ag-9wt% ZnO-1wt% MWCNT(비교예2)의 경우 소결온도 1000℃에서도 소결체의 수축이 발생하지 않고 열에 의한 팽창이 발생하였다. MWCNT의 비율이 높기 때문에 소결이 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 분말의 necking 형성이 어려운 것으로 판단되며, 이 결과를 바탕으로 MWCNT 함량을 1 wt% 이하의 조성을 가지는 실시예를 시행하였다. 따라서 MWCNT 함량은 0.01 wt%~1 wt% 가 적절할 것으로 판단되었다. 소결은 300초 동안 이루어 졌으며 최종 팽창 길이는 0.15 mm로 측정되었다(도 5 참조).

실험예 2

상기 실시예 1~4의 혼합물을 이용하여 전극 소재를 제조하였다(도 6).

Spark Plasma Sintering 시스템 활용하여 제작한 Ag/ZnO/MWCNT 전극 소재(실시예 1~4)의 X-ray diffraction 측정하였다. 도 7~10에 나타난 바와 같이, 은(Ag), 산화아연(ZnO), 그라파이트(Graphite)의 신호가 검출되었으며, 이를 통하여 소결된 전극소재에 MWCNT가 분산되어 있음을 확인하였다.

실험예 4

상기 실시예 4의 조성으로 제조된 전극을 DC스위치 On/Off 전극부분 재료로 적용하여 아크를 인위적으로 발생시키고 아크의 특성 평가하였다(도 12).

상기 실시예 4의 조성으로 제조된 전극 소재를 wire cutting을 통해 5X5 mm로 절단한 후 설계 제작한 구리 전극에 용접하여 시험 전극부 제작하였다(도 11).

측정 시스템은 DC 전압 인가를 위한 DC power supply (800V)와 전극부의 on/off 동작을 위한 automatic liner stage와 전극 정렬을 위한 3축 광학 스테이지, 아크 광파워 측정을 위한 UV photo detector 로 구성되었다.

automatic linear stage 구동을 통해 전극부의 on/off 동작을 시행(도 13, 14)하였으며 구동 소프트웨어는 LabView로 제작하여 활용하였다. 전극부 동작을 높은 정밀도로 제어하기 위해 압전소자를 이용한 정밀 linear stage를 사용하였다. 전극부 아래에 UV photodetector를 위치시켜 아크 발생 시 아크의 광파워를 직접적으로 측정하였다. 아크 발생 전극부와 UV photodetetor 사이의 거리에 따라 측정값이 영향을 받으므로 정확한 거리(3 mm) 유지하였다. 상대습도가 아크 발생에 영향을 미치므로 항습 상태에서 실험을 수행하였다. 발생하는 아크의 광파워가 작으므로 주위 조명등에 영향을 최소화하기 위해 암실 조건에서 실험을 수행하였다. 전극부의 on/off 스위칭 속도(10mm/s)를 일정하게 유지하여 측정하였다. photodetector와 스위치 접점의 위치를 중앙에 위치하여 최대 측정값을 얻도록 정렬하여 실험을 실시하였다.

기존 스위치 접점 물질(구리)의 아크 광파워와 Ag -9.93 wt% ZnO-0.07wt% MWCNT(실시예 4) 스위치 전극 재료의 아크 광파워를 측정 하였다.

인가 전압이 커질수록 발생하는 아크 광파워가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 실시예 4의 Ag -9.93 wt% ZnO-0.07wt% MWCNT 스위치 전극 재료의 아크 광파워가 약 20 % 이상 감소하였음을 확인할 수 있었다(도 15 참조).

실시예 4의 스위치 전극 재료의 아크 광파워 측정을 통해 아크 발생 시간 및 강도가 현저히 감소하여 접점물질의 손상이 작아질 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 의한 전극 재료를 기존의 스위치에 적용할 경우 아크로 인한 손상 및 위험을 줄일 수 있을 것이라 판단된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 산화아연(ZnO) 9~10중량%, 탄소나노튜브 0.01~1중량% 및 잔부 은(Ag)으로 구성되는 수배전반용 단자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수배전반용 단자는 700~1000℃의 온도에서 소결되어 제작되는 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 단자는 수배전반 내부의 구리단자에 결합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 수배전반용 단자는 기존의 단자에 비하여 측정된 아크의 광파워를 20%이상 감소시키는 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 수배전반용 단자는 탄노나노튜브를 포함하는 필름으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 필름은 다중벽 탄소나노튜브, 니켈 및 SiC를 포함하는 것을 특징으로 하는 수배전반용 단자.

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