KR20230087225A - 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계완화 수단 - Google Patents

유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계완화 수단 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력의 안전한 운전 및 전송을 위해 사용되는 전력기기의 도체부에 집중되는 전계 집중을 완화하여 부분방전을 저감시킴으로써, 전기적 내전압 성능을 향상시키는, 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전계완화 수단을 구비한 전력기기에 관한 것이다.

Description

유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계완화 수단{MEANS FOR ELECTRIC FIELD REDUCTION OF ELECTRIC POWER EQUIPMENT USING SILICON INSULATOR WITH DIELECTRIC CONSTANT CHANGE}
본 발명은 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전계완화 수단을 구비한 전력 기기에 관한 것으로, 구체적으로 전력의 안전한 운전 및 전송을 위해 사용되는 전력기기의 도체부에 집중되는 전계 집중을 완화하여 부분방전을 저감시킴으로써, 전기적 절연 성능을 향상시키는, 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전계완화 수단을 구비한 전력기기에 관한 것이다.
일반적으로 가스절연개폐장치(GIS; Gas Insulated Switchgear)는 송전계통, 변전계통 및 배전계통과 같이 전기를 공급하는 전력계통에서 지락, 합선 등의 고장이 발생할 경우 고장구간을 신속하게 차단 및 분리함으로써 발전기, 변압기, 전선로 등과 같은 관련 전력기기의 파손을 방지하고 전기를 안정적으로 재공급하기 위한 전력 보호기기를 말한다.
일반적인 가스절연개폐장치(100) 중 특히 회로에 있어서 발생 가능한 단락, 지락 등의 큰 사고 전류로부터 부하기기 및 선로를 보호하기 위해 사용되는 가스절연개폐장치(100)의 차단기부(40)는 소호 매질에 따라 진공차단기, 가스차단기 등으로 대별되는데, 일반적으로 송전전압급(154kV급 이상)에서는 육불화황가스를 소호매질로 하는 가스차단기가 주로 이용되며, 그 이하 전압 정격을 갖는 배전전압급에서는 뛰어난 소호 및 절연 성능을 갖는 진공을 매질로 한 진공밸브가 주로 사용된다.
가스절연개폐장치의 외함 내부에 충진되는 절연가스로는 기존에 뛰어난 전기적 절연 내력과 소호 특성을 갖는 SF6 가스가 주로 사용되어 왔는데 최근에는 SF6 가스의 지구 온난화를 가중시키는 부작용 때문에 그 사용이 제한되고 있어 현재 절연가스로는 g3 가스, 질소가스, 압축 건조공기, CO2 또는 혼합절연가스와 같은 절연가스로 대부분 대체 적용되고 있으나, 질소 및 건조공기는 SF6 가스의 절연 능력의 1/3 정도 수준이고, g3 가스(Novec 4710)는 SF6 가스의 절연 능력의 90% 정도 수준에 불과하다.
가스절연개폐장치의 차단부에는 이전까지는 22.9 kV 급 배전용 개폐장치에만 진공 인터럽터 적용중이며, 최근 72.5kV 급에도 진공 인터럽터 개발 적용중이며, 170kV급 개폐장치에 대해서는 전류차단 및 절연의 어려움으로 인해 개발이 지연중이다.
환경 문제로 인해 IEC / 한국전력이 요구하는 절연 내력 수준, 대지간 및 극간의 절연 기준 레벨의 상향으로 인해, 개폐장치의 소형화에 어려움이 있으며, g3 가스, 질소가스, 압축 건조공기, CO2 또는 혼합절연가스등의 절연 능력을 증가시키기 위해 가스압력을 증가시키면 평상시의 운전에는 유용하지만, 사고로 인한 아크가 발생할 경우 아크 열에너지가 외함 내부 가스압력을 상승시켜 외함의 폭발, 비산 가능성이 증가하는 어려움도 있다.
지멘스사의 경우, 전계 집중부에 다단 세라믹 및 정전 분압을 적용하고, 쉴드 형상을 변경하여 전계를 최적화하고, 외부 노출 전극을 차폐하여 소형화함으로써 전계 집중부의 전계완화를 구현하였으나, 그 구조의 복잡성으로 인해 제조에 어려움이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-0952686호(2010년 4월 6일)
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 SF6 가스를 대체하는 절연가스의 적용시 가스절연개폐장치의 내부에 분포하는 전계집중을 완화하여 가스절연개폐장치의 절연 성능을 확보하는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르는 전계 완화 수단을 구비한 전력 기기는, 절연가스가 충전된 전력 기기의 외함 내에 구획형성되고 개폐기부와 케이블접속부 사이에 개재되어 사고전류로부터 부하기기 및 선로를 보호하는 차단부가,
내부가 진공상태로 밀폐된 원통형상의 세라믹 절연튜브;
세라믹 절연튜브의 개방 하단을 밀봉하며 그 하부에 고정인출전극이 형성되는 하단도전판;
세라믹 절연튜브의 개방 상단을 밀봉하며 그 상부에 가동인출전극이 형성되는 상단도전판;
세라믹 절연튜브 내에 설치되고 고정인출전극과 전기적으로 접속되는 고정접점;
세라믹 절연튜브 내에 고정접점과 동축 배열되고 금속성 벨로우즈에 의해 가동인출전극과 전기적으로 접속되는 가동접점;
세라믹 절연튜브의 상부에서 가동인출전극에 연결되는 가동도체;
가동도체에 연결되는 차단기 조작기; 및
세라믹 절연튜브의 내벽에 부착되는 금속성 아크 차폐판을 포함하고,
상기 아크 차폐판은 반도전성의 환형 형상으로 구성되어 세라믹 절연 튜브에 대한 전계 집중을 완화시키는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명은 SF6 가스를 대체하는 절연가스의 적용시 가스절연개폐장치의 내부에 분포하는 전계집중을 완화하여 가스 절연개폐장치의 절연 성능을 확보하는 수단을 제공할 수 있다.
도1은 일반적인 삼상일괄형 가스절연개폐장치의 구조도이다.
도2는 일반적인 가스절연개폐장치의 차단기부의 상세구조도이다.
도3은 일반적인 진공 인터럽터의 구조도이다.
도4a는 본 발명에 따르는 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계완화 수단을 기체절연 개폐장치에 적용한 예이다.
도4b는 본 발명에 따르는 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계완화 수단을 가스절연 개폐기에 적용한 예이다.
도5는 절연물의 유전율 변화시 전계 강도의 변화를 나타내는 도면이다.
도6은 본 발명에 따르는 적용시 유한요소 해석을 통해 얻어진 전위분포도, 전위 및 전계의 세기를 나타내는 결과이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하도록 한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 일반적인 가스절연개폐장치(100)는, 케이스를 형성하는 외함(10)과, 외함(10)의 내부 상단에 구비되고 대전류가 흐르는 인입선의 접속을 위한 주모선(21)과 이를 지지하는 지지애자(23)를 포함하여 이루어지는 모선부(20)와, 외함(10)의 내부 상측에 절연격벽스페이서(80)에 의해 구획형성되고 주모선(21)에 연결되는 고정전극(31)과 접지와 연결되는 접지전극(33)과 이들에 선택적으로 연결되는 가동전극(35)를 포함하여 이루어짐에 따라, 전압이 인가되지 않은 상태에서 선로의 분리 및 접속을 가능하게 하는 단로기(Disconnecting Switch, DS)의 역할과 유지 보수 및 점검을 위한 접지 스위칭 동작을 위해 사용되는 접지개폐기(Grounding Switch, GS)의 역할을 담당하는 3단 개폐기부(30)와, 외함(10)의 내부 중앙부에 구획형성되고 회로에 있어서 발생 가능한 단락, 지락 등의 큰 사고 전류로부터 부하기기 및 선로를 보호하는 차단기부(40)와, 외함(10)의 내부 하측에 구획형성되고 배전선로가 접속되는 케이블접속부(50)과, 외함(10)내에 설치되며 전체 작동을 제어하는 제어반(60)을 포함하여 이루어진다.
가스절연개폐장치(100)는 밀봉된 외함(10) 내에 위치한 모든 전기적 충전도체는 그 내부에 충진된 절연가스(70)에 의해 전기적으로 절연되며, 각 구성부들은 절연 격벽 스페이서(80)에 의해 가스구획이 구분되어 있어 임의의 구성부에서의 사고가 타 구성부로 전이되는 파급을 최소화할 수 있도록 형성된다. 또한 금속 재질의 외함(10)은 외부 접지와 연결되어 전기적으로 접지 상태로 유지됨에 따라 기기 점검 및 보수시 운전원의 안전을 확보할 수 있도록 구성된다.
가스절연개폐장치(100)의 차단기부(40)는 절연가스(70)가 충전된 가스절연개폐장치(100)의 외함(10) 내에 구획형성되고 3단 개폐기부(30)와 케이블접속부(50) 사이에 개재되어 사고 전류로부터 부하기기 및 선로를 보호하는 것으로, 소호 매질에 따라 진공차단기, 가스차단기 등으로 구별되는데, 일반적으로 송전전압급(154kV급 이상)에서는 육불화황(SF6)가스를 소호매질로 사용하는 가스차단기가 주로 이용되며, 그 이하 전압 정격을 갖는 배전전압급에서는 뛰어난 소호 및 절연 성능을 갖는 진공 인터럽터가 주로 사용된다.
도2 및 도3에 도시된 바와 같이, SF6, CO2, g3, 건조공기 등의 가스를 절연매질로 사용하는 단상별치 방식 또는 삼상일괄 방식 개폐장치에서 상용주파전압 인가 운전 상태에서 차단 요소로서 사용되는 진공 인터럽터(40)는 전력계통에서 고장전류를 차단하거나 또는 부하에 흐르는 전류를 개폐하는 역할을 담당하고 있으며, 진공 인터럽터(40)의 내부는 진공상태로 밀폐된 원통형상의 세라믹 절연튜브(41)와, 세라믹 절연튜브(41)의 개방 하단을 밀봉하며 그 하부에 고정인출전극(42a)이 형성되는 하단도전판(42)과, 세라믹 절연튜브(41)의 개방 상단을 밀봉하며 그 상부에 가동인출전극(43a)이 형성되는 상단도전판(43)과, 세라믹 절연튜브(41) 내에 설치되고 고정인출전극(42a)과 전기적으로 접속되는 고정접점(44)과, 세라믹 절연튜브(41) 내에 고정접점(44)과 동축 배열되고 금속성 벨로우즈(45a)에 의해 가동인출전극(43a)과 전기적으로 접속되는 가동접점(45)과, 세라믹 절연튜브(41)의 상부에서 가동인출전극(43a)에 연결되는 가동도체(46)를 포함하여 구성된다.
실시예에 따라서는, 진공 인터럽터(40)의 접점의 스위칭 동작에 의한 아크 발생에 의해 방출되는 금속성 이온이 세라믹 절연튜브(41)의 내벽에 부착됨으로써 진공 인터럽터(40)의 절연 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 아크차폐판(49)을 더 포함할 수 있다.
가동도체(46)는 도체에 의해 그 상부의 3단 개폐기부(30)에 연결되고, 하단도전판(42)의 고정인출전극(42a)은 도체에 의해 그 하부의 케이블접속부(50)와 연결된다.
진공 인터럽터(40)의 가동도체(46)에는 차단기 조작기(48)가 연결되는데, 이 차단기 조작기(48)는 가동접점(45)을 상하로 이동시켜 진공 인터럽터(40)의 고정접점(44)과 가동접점(45)의 접속여부를 결정하는 것으로, 전술한 진공 인터럽터(40)의 가동도체(46)에 연결되는 구동로드(47)를 포함하여 이루어진다. 차단기 조작기(48)의 작동은 수동으로도 이루어질 수 있고, 제어반(60)의 조작에 의해 자동으로 이루어질 수도 있다.
도3에 도시된 바와 같이, 가스절연개폐장치의 차단기로 진공 인터럽터(40)를 사용하는 경우, 진공 인터럽터(40)에는 금속성 아크 차폐판(arc shield, 49)이 존재하는데, 아크 차폐판(49)은 세라믹 절연튜브(41)의 내벽에 부착되어 고정 접점(44)와 가동 접점(45)의 스위칭 동작에 의한 아크 발생에 의해 방출되는 금속성 이온이 세라믹 절연튜브(41)의 내벽에 부착되어 진공 인터럽터(40) 내부의 절연성능이 저하되는 것을 방지하는 용도로 사용된다.
이 아크 차폐판(49)은 전기적으로 floating 상태이므로 전압이 유기되고, 결국 외측면의 형상에 의해 이 부분에 전계가 집중하는 현상이 발생한다. 즉, 진공 인터럽터(40)의 내부 절연에는 도움이 되나, 외부(절연가스 영역)에는 반대로 악영향을 미친다.
본 발명에 따르면, 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 이용한 전력기기의 전계를 완화하기 위해, 먼저 도3에 도시된 바와 같이 아크 차폐판(49) 외측의 각진 도체부를 도4a에 도시된 바와 같이 반도전성의 환형으로 형상을 개선하여 전계의 집중을 1차적으로 완화한다.
다음으로, 동축 실린더 형태의 전극 내부에 단일 유전율을 갖는 유전체가 있는 경우는 도5의 그래프의 점선과 같이 외곽으로 갈수록 감소하는 추이를 나타내는 점을 이용하여, 상이한 유전율(ε1 > ε2)을 갖는 2종의 실리콘 절연물을 세라믹 절연 튜브(41) 외부에 적층하는데, 도체, 즉, 전기적으로 floating 상태인 금속성 아크 차폐판(49)이 세라믹 절연 튜브에 연결되어 있는 부분을 유전율(ε1 )의 실리콘 절연물로 둘러싸고, 그 위에 유전율(ε2 )의 실리콘 절연물을 적층하여 둘러쌈으로써, 도5에 도시된 바와 같이 최대 전계의 값을 낮출수 있는 동시에, 한 종류의 유전율 재료를 사용하는 경우보다 변화폭이 작게되어 좀 더 전계의 크기가 균일하게 된다.
이 예에서는 상이한 유전율을 갖는 절연물을 2종류로 하고 있지만, 3종류 이상의 연속적으로 변화하는 유전율을 각각 갖는 절연물을 적용한다면 전계의 변화폭을 더욱 작게 할 수 있어서 보다 균일한 전계 분포를 얻을 수 있다.
도6은 본 발명에 따르는 적용시 유한요소 해석을 통해 얻어진 전위분포도, 전위 및 전계의 세기를 나타내는 결과로서, 실리콘이 없는 경우와 반도전층 및 연속 변화하는 실리콘이 있는 경우의 전위 및 전계 강도를 비교한 결과이다.
이처럼 유전상수 변화를 갖는 실리콘 절연물을 전계완화 수단은 가스절연개폐장치에 사용되는 진공 인터럽터 뿐만 아니라, 개폐기류(부하 개폐기(Load Break Switch, LBS), 자동 전환 개폐기(Auto Transfer Switch, ATS), 자동 부하 전환 개폐기(Automatic Load Transfer Switch, ALTS), 자동 고장 구분 개폐기(Automatic Section Switch, ASS) 등) 및 전력설비 모두에 적용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 절연가스가 충전된 전력 기기의 외함 내에 구획형성되고 개폐기부와 케이블접속부 사이에 개재되어 사고전류로부터 부하기기 및 선로를 보호하는 차단기부에 전계 완화 수단을 구비한 전력 기기에 있어서,
    상기 차단부는,
    내부가 진공상태로 밀폐된 원통형상의 세라믹 절연튜브;
    세라믹 절연튜브의 개방 하단을 밀봉하며 그 하부에 고정인출전극이 형성되는 하단도전판;
    세라믹 절연튜브의 개방 상단을 밀봉하며 그 상부에 가동인출전극이 형성되는 상단도전판;
    세라믹 절연튜브 내에 설치되고 고정인출전극과 전기적으로 접속되는 고정접점;
    세라믹 절연튜브 내에 고정접점과 동축 배열되고 금속성 벨로우즈에 의해 가동인출전극과 전기적으로 접속되는 가동접점;
    세라믹 절연튜브의 상부에서 가동인출전극에 연결되는 가동도체;
    가동도체에 연결되는 차단기 조작기; 및
    세라믹 절연튜브의 내벽에 부착되는 금속성 아크 차폐판을 포함하고,
    상기 아크 차폐판은 반도전성의 환형 형상으로 구성되어 세라믹 절연 튜브에 대한 전계 집중을 완화시키는 것을 특징으로 하는
    전계 완화 수단을 구비한 전력 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    전기적으로 floating 상태인 상기 금속성 아크 차폐판이 상기 세라믹 절연 튜브와 연결되어 있는 부분을 유전율(ε1 )의 제1 실리콘 절연물로 둘러싸고, 그 위에 유전율(ε2 )의 제2 실리콘 절연물을 적층하여 둘러쌈으로써, 세라믹 절연 튜브에 대한 전계 집중을 완화시키고,
    유전율(ε1 )은 유전율(ε2 )보다 큰 것을 특징으로 하는
    전계 완화 수단을 구비한 전력 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전계 완화 수단은 가스절연개폐장치의 진공 인터럽터, 부하 개폐기, 자동 전환 개폐기, 자동 부하 전환 개폐기 및 자동 고장 구분 개폐기에 적용되는 것을 특징으로 하는
    전계 완화 수단을 구비한 전력 기기.
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KR100952686B1 (ko) 2009-05-15 2010-04-13 주식회사 이앤엠테크 전계완화전극이 구비된 가스절연개폐장치의 차단기부

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KR100952686B1 (ko) 2009-05-15 2010-04-13 주식회사 이앤엠테크 전계완화전극이 구비된 가스절연개폐장치의 차단기부

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