KR910003656B1 - 진공방전장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

진공방전방치

제 1 도는 본원 발명의 일실시예를 나타내는 단면측면도.

제 2 도는 내지 제 4 도는 제 1의 다른 실시예를 나타내는 단면측면도.

제 5 도는 제 1의 발명의 특징부분인 절연용기의 형상을 나타내는 사시도.

제 6 도는 제 1 도의 일부분을 확대해서 나타낸 부분확대단면도.

제 7 도, 제 8 도, 제 9 도는 제 2의 발명의 다른 실시예에 의한 진공방전장치를 나타내는 종단면도.

제 10 도는 파형주름의 제상수와 연면길이 증배율과의 관계도.

제 11 도, 제1 2 도는 제 3의 발명의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.

제 13 도는 파형주름을 수평분리주름으로한 본원 발명의 진공방전장치를 나타내는 정면도.

제 14 도는 파형주름을 나선형으로 형성한 정면도,

제 15 도는 종래의 진공방전장치를 나타내는 종단면도.

제 16 도(a),(b)는 종래의 다른 진공방전장치를 나타내는 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 절연용기 1a, 1b : 절연용기의 끝부

1c : 파형주름의 골부 1d : 파형주름의 산부

2 : 파형주름 3a,3b: 메탈라이즈층

4a,4b : 봉착금구 8a,8b : 전극

9 : 중간실드통 10 : 부착금구

12a,12b : 제 2의 중간실드통 13a,13b : 제 3의 중간실드통

L : 봉착금구(4a),(4b)사이의 간격길이 ℓ: 연면길이

본원 발명은 진공차단기, 진공개폐기, 진공스위치관, 진공피뢰기, 진공휴즈, 진공트리가트론 등의 진공방전장치 특히 세라믹제 절연용기, 금속제의 중간실드(shield)통, 절연용기의 끝부에 한쌍의 메타라이즈층을 형성한 진공방전장치에 관한 것이다.

제 15 도는 예를들면 일본국 특공소 59(1984)-27050호 공보에 기재된 진공방전장치로서의 종래의 진공스위치관의 종단면도이며, 도면에 있어서, (1)은 알루미나세라믹제의 원통형의 절연용기, (22)는 절연용기(1)의 내벽면중앙부에 형성된 띠모양의 돌출부, (3),(3b)는 절연용기 (1)의 양끝부(1a),(1b) 에 형성된 메탈라이즈층, (4a),(4b)는 메탈라이즈층(3a),(3b)에 납땜된 봉착금구이고, 이 봉착금구(4a),(4b)는 절연용기 (1)내를 진공기밀하게 봉착한다. (5)는 봉착금구(4b)의 중심부에 부착된 금속성 벨로즈, (7a),(7b)는 봉착금구(4b) 및 벨로즈(5)에 관통지지된 전극봉, (8),(8b)는 전극봉(7a),(7b)의 앞끝에 설치된 전극이며, 전극(8b)는 벨로즈(5), 전극봉(7b)를 통해서 전극(8a)에 대해 접촉분리할 수 있게 구성되어 있다. (9)는 전극(8a), (8b)를 에워싸듯이 상기 띠모양의 돌출부(22)에 부착된 금속제의 중간실드통이다.

상기 절연용기(1)의 주된 기능은 (1)진공용기의 일부를 구성한다는 것, (2)전극의 개극(開極)시에는 양전극사이를 전기적으로 절연한다는 것, (3)금속제 중간실드통을 양 전극에서 전기적으로 접속하여 지지한다는 것에 있다. 또, (가)납땜, 배기등의 제작공정이나 단락(短絡) 전류차단시의 심한 열적충격에 견뎌낼 것, (나)배기중 또는 배기후에 실시되는 콘디셔닝 공정에서 연면섬락(沿面閃絡)이나 절연용기의 관통파괴가 발생하지 않을 것, (다)전류차단의 반복에 의해 전극물질이 절연용기내면에 부착되지만, 그것에 의해서 절연내력(耐力)이 소요의 정격(定格)내전압(耐電壓)보다도 열화되지 않을 것, (라)사용환경의 염분이나 먼지에 의한 외연면(外沿面)의 오손에 대하여 소요의 절연내력을 유지할 수 있을 것, (마)전극의 개폐동작에 수반되는 기계적충격이나 진동에 견뎌낼 것 등의 성능이 요구된다.

근년, 진공스위치관에 대한 소형화의 요구는 더욱 높아지고 있으며, 이 때문에 전극직경이나 절연용기의 내벽직경이 주어진 경우에, 상술한 기능, 성능을 유지하면서 어떻게해서 최소치수로 또한 가장 적합한 구조의 절연용기를 구성하는가라는 과제를 중요시하게 되었다.

종래의 세라믹제의 절연용기(1)는 다음의 순서로 제작되고 있었다. 일반적으로 알루미나분체(粉體)를 조합하여 러버프레스법에 의해 원통을 성형하고, 성형체를 절삭가공으로 마무리한후, 약 1650℃의 대기중에서 고온소결한다. 외면에 유약을 발라서 소부(燒付)하고, 다시 절연용기(1)의 끝부에 Mo와 Mn을 주체로 하는 페이스트를 도포하여 건조시켜, 1400-1500℃의 고온에서 소부한다. 이 소부에 의해서 절연물인 세라믹의 표면이 금속화되어서 이른바 메탈라이즈층(3a),(3b)가 형성된다. 그후 메탈라이즈층(3a),(3b)에는 Ni도금을 하고 이것을 소부한다.

이와같이 하여 제작된 절연용기(1)는 메탈라이즈층(3a),(3b)에(도시하지 않은) 납땜재를 배치하고, 봉착금구(4a),(4b)와 약 800℃의 고온에서 납땜된다. 상술한 부분을 적시에 조합해서 납땜이나 용접에 의해 진공스위치관을 조립한후 500℃이상의 고온에서 가열배기하여 진공밀봉한다.

배기중 또는 배기후에 있어서의 콘디셔닝이라고 하는 제작공정에서는 전극사이에 고전압을 인가하여 진공절연파괴를 반복하면서, 차례로 절연내력을 높여간다. 이때의 인가전압은 진공스위치관의 정격내전압 예를들면 303KV용에서는 AC(교류) 10KV, 7.2KV용에서는 AC 22KV, 36KV용에서는AC 70KV, 120KV용에서 AC 230KV보다도 훨씬 높은 값이다.

종래의 진공스위치관에서는 콘디셔닝중에 절연용기(1)의 관통파괴가 자주 발생하여, 제작수율을 저하시키고 있었다. 특히 메탈라니즈층(3a),(3b)의 근방이나 띠모양의 돌출부(22)의 근방을 전계가 집중되므로 관통파괴가 발생하기 쉽다.

진공수위치관은 고전압의 전로(電路)에 있어서, 20년 이상에 걸쳐서 사용되고, 그 동안에 사용환경의 먼지나 염분을 포함하는 분위기에 의해서 절연용기(1)의 외연면이 오손되고, 또 많은 회수의 전류차단에 의해서 절연용기(1)의 내연면이 전극물질로덮여진다.

따라서, 제작완성시에 보유하고 있던 절연용기(1)의 내전압 성능은 사용년수와 더불어 점차 열화되어가고, 마침내는 소요의 정격내전압에 견뎌낼수 없게 된다. 태풍이나 대설에 의한 염해나 습윤, 또는 습뢰나 전로에 개폐시에 발생하는 과도적 이상(異常)전압에 의해서, 절연용기(1)의 외부섬락 또는 내부섬락이 발생하고, 이것이 발단이 되어 상술한 메탈라이즈층 (3a),(3b) 또는 띠모양의 돌출부(22)의 근방에서 절연용기(1)에 관통파괴가 발생하는 일이 있었다. 이 관통파괴는 진공스위치관에 있어서 치명적인 결함이다.

이상 기술한 제작단계 및 사용단계에 있어서의 절연용기(1)의 관통파괴를 억제하기 위해서 종래에는 다음의 수단이 채용되어 왔다. (a)절연용기(1)의 전체길이를 길게하므로써 메탈라이즈층(3a),(3b)사이의 간격길이 L를 크게 한다. (b)러버프레스 성형후의 절삭가공으로 절연용기(1)의 외면에 파형주름을 형성하므로써 외연면길이를 길게한다. (c)절연용기(1)의 직경을 크게하므로써 전극(8a),(8b), 중간실드통(9), 절연용기(1)의 내벽의 서로의 간격을 넓혀서 진공내부의 섬락전압을 높인다. (d)콘디셔닝이나 사용환경에 있어서의 주위매체로서 절연유나 SF₆개스를 사용함으로써 외부섬락전압을 높인다.

그러나 상기의 관통파괴를 발생하시키는 원인을 상세하게 검토한결과, 섬락전압의 강화는 외연면뿐만 아니라, 내연면도 동시에 동등하게 강화할 필요가 있다는 것과, 그리고 건식성형법인 러버프레스에서는 알루미나분체의마찰력에 의해 분체의 유동성이 방해되어서 두께가 두꺼워질수록 절연용기내에 핀홀결함이 생기기 쉽고, 이것에 이상한 전계집중을 일으키므로 관통파괴를 발생시킨다는 것을 알았다.

또 중간실드통(9)을 가진 진공스위치관의 콘디셔닝공정에 있어서의 수율을 향상시키기 위해서는 (1)중간실드통(9)의 전계를 완화하는 방법과, (2)중간실드통(9)에 진공절연파괴를 야기시키지 않는 방법이 있다.

상술한 방법(1),(2)를 동시에 실시하는 방법으로서는 제 16 도(일본국 실공소 58(1982)-43152호 공보, 동58(1982)-43153호 공보)에 기재된 바와같이, 제 3의 중간실드통(13a),(13b)를 배설하는 (제16도(b) 방법이 있다.

그리고 중간실드통(9)은 제 1의 중간실드통에 상당한다.

그러나 이 방법으로는 절연용기(1)가 다층적재되어 진공스위치관의 전체길이가 너무 길어져서 취급성이 나쁘고 구조가 복잡하게 되므로, 진공스위치관의 조립공정이 증대되고, 각 중간실드통(9),(12a),(12b).(13a) 및 (13b)를 지지하기 l위해서 내표면이 증대되는 동시에, 절연용기(1)내에 별도의 절연통을 설치하므로, 가열배기 공정이 복잡해진다는 문제점이 있었다.

또한, 각 중간실드통(9),(12a),(12b).(13a) 및 (13b)에 전압을 인가하여 콘디셔닝을 행하지 않을 수 없기 때문에 콘디셔닝도 복잡해진다는 문제점이 있었다.

따라서 소형, 염가이고, 더욱이 콘디셔닝 공정중에 관통파괴가 발생하지 않는 세라믹제 절연용기의 개발이 매우 요망되어 왔다. 종래의 진공방전장치는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 용기벽의 관통파괴가 일어나기 쉬운 결점이 있었다.

종래의 절연용기는 러버프레스법으로 가압성형되는데 건식성형이기 때문에 알루미나분체의 마찰력에 의해 분말의 유동성이 나쁘며, 따라서 두께가 두꺼운 띠모양의 돌출부(22)에는 충분한 가압력이 얻어지므로 핀홀이 생기기 쉽다. 콘디셔닝에 있어서 이 핀홀에 이상한 전계집중이 야기되어 관통파괴에 이르는 원인이 되어 있었다.

또 종래의 진공스위치관은 봉착금구(4a),(4b)의 외경과 절연용기(1)의 외경과는 대략 같으므로 외연면을 향해서 부분방전이 일어나기 쉽고, 일단 봉착금구의 한쪽에서 침상(針狀)의 부분방전이 발생되면 이 부분방전로에 의해서 일직선형의 외연면이 한꺼번에 단락되어서 외부섬락에 이르는 원인이 되어 있었다.

또한 콘디셔닝중의 진공절연파괴에 의해서 중간실드통(9), 부착금구(10)의 전위가 급변하면 띠모양의 돌출부(22)의 핀홀에 이상한 전계집중이 일어나 절연용기(1)가 관통파괴에 이르는 원인이 되어 있었다.

또 봉착금구(4a),(4b)의 봉착부는 원래 전계가 집중하기 쉬운 부분이며, 절연용기(1)의 내면 및 외면을 향해서 높은 전위경사를 가지고 있으므로, 제 16 도에 나타내는 바와같이 각 중간실드통(9),(12a),(12b).(13a) 및 (13b)를 배설하여도 절연용기(1)의 외면의 전계와화효과는 충분하다고는 할수 없다. 그래서 관통파괴를 방지하기 위해서는 끝부(1a),(1b)의 외면에 전계완화링(도시생략)을 부착하여 콘디셔닝을 할 필요가 있어 작업이 복잡해지는 문제점이 있었다.

또한, 관통파괴를 억제하기 위해서는 절연용기의 전체길이나 직경을 크게하거나, 러버프레스성형후의 절삭가공에 의해서 외연면에 파형주름을 형성하기도 하고, 콘디셔닝이나 사용환경에 절연유나 SF₆개스를 사용하지 아낳으면 안되고, 진공스위치관을 소형, 경량화하여 경제적으로 제작, 사용하는데 있어 중대한 자아해가 된다고 하는 문제점이 있었다.

본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서 이루어진 것이며, 중간실드통의 지지부에 있어서도 핀홀이 생기지 않는 균질이고 살두께가 균일한 세라믹통을 얻는 동시에 콘디셔닝공정에 있어서 봉착금구에서 부분방전이 잘 발생하지 않게하는 것, 살두께가 균일한 세라믹통의 외연면로에 비직선형상부분을 형성하므로써, 콘디셔닝공정에 있어서 비록 봉착금구에서 부분방전이 일어났다고해도 외부섬락을 유효하게 저지하는 것, 그리고 외연면길이만이 아니고 진공측의 내연면 길이도 봉착금구사이의 간격길이보다도 길게하므로써 절연용기의 외연면 및 내연면의 표면누출전류를 억제하는 것을 제 1의 목적으로 한다.

본원 발명은 비록 콘디셔닝중에 중간실드통과 양 전극과의 사이에 진공절연파괴가 발생하더라도, 중간실드통을 지지하는 근방의 절연용기는 관통파괴되지 않고, 절연용기의 끝부에 있어서 외면으로 향하는 부분방전을 억제하여콘디셔닝공정에 있어서의 수율이 향상되는 진공방전창치를 얻는 것을 제 2의 목적으로 한다.

또한 본원 발명은 절연용기의 외연면 및 내연면에 있어서의 섬락전압을 동시에 동등하게 강화하는 동시에, 균질이며 균일이한 두께로 핀홀결함을 일으키지 않는 절연용기를 구비한 진공스위치만을 제공하는 것 및 전극직경이나 절연용기내벽의 최소직경이 주어진 경우에 진공스위치관의 제작단계에서 열충격이나 콘디셔닝, 전압에 견뎌내고, 더욱이 최소치수로 최경량의 절연용기로 구성된 경제적인 진공스위치관을 제공하는 것을 제 3의 목적으로 한다.

본원 발명에 관한 진공방전장치의 세라믹제 절연용기는 이장법(泥奬法)에 의해 통모양으로 성형하고, 통의 두께를 대략 균일하게 하는 동시에, 통의 연면길이를 봉착금구사이의 간격길이보다도 길게 한 것이다.

본원 발명에 관한 진공방전장치는 균일한 두께로 봉착금구사이의 간격길이보다도 긴 연면길이가 되도록 파형주름을 가진 형상으로절연용기를 세라믹으로 구성하는 동시에, 파형주름의 골부의 내벽에 중간실드통을 지지하는 구성으로 한 것이다.

또 본원 발명에 의한 진공방전장치는 절연용기를 내면 및 외면에 파형주름을 가진 살두께가 대략 균일한 세라믹통으로 구성하는 동시에, 내연면길이 및 외연면길이를 이 세라믹통의 양끝부에 배설한 한쌍의 메탈라이즈층의 간격길이 L보다도 길게한 것이다.

본원 발명의 진공방전장치에 있어서의 절연용기는 이장법에 의해서 성형되므로, 알루미나 분체의 마찰력이 작으며, 유동성이 양호하다. 따라서 핀홀등의 국부결함이 없는 균질이고, 더욱이 살두께가 대략 균일한 세라믹통을 얻을 수 있다.

또 주입성형법에 의해 균일한 살두께의 세라믹통이므로, 통의 외연면만이 아니고 내연면도 봉착금구사이의 간 길이 L보다도 연면길이 ℓ로 구성할 수 있고, 따라서 봉착금구 사이의 표면누출전류는 감소되고 부분방전의 발생을 억제할 수 있다.

본원 발명에 있어서의 진공방전장치는 균일한 살두께이고, 봉착금구 사이의 간격길이보다도 긴 연면길이가 되도록 파형주름을 가진 형상으로 절연용기를 세라믹으로 구성하였으므로, 봉착금구로부터 외연면을 향해서 발생하는 부분방전이 억제되는 동시에, 비록 부분방전이 발생하더라도 부분방전로는 파형주름의 산부(山部)에서 바깥쪽으러 향하게 되어 중간실드통을 지지하는 파형주름의 골부에 도달하지 않게 된다.

또한 본원 발명에 있어서의 진공방전장치는 절연용기의 내면 및 외면에 파형주름을 형성하므로써, 내외양연면의 연면길이를 세라믹통의 양끝부에 배설한 한쌍의 메탈라이즈층의 간극길이보다도 길게할 수 있고, 따라서 한쌍의 메탈라이즈층 사이의 표면누설전류를 감소시켜 내외양면에 있어서의 연면섬락전압을 향상시킬 수 있다. 또한 내외면의 파형주름을 살두께가 대략 균일하게 되도록 구성하므로써 핀홀결함이 없이 균질이며 열충격에 강한 절연용기를 얻을수 있고, 그 절연내력이 향상하는 동시에, 소요의 전극직경이나 절연용기의 내벽직경에 대하여 최소치수로 또한 최소중량으로 절연용기를 구성할 수 있게되고, 진공방전장치의 더 한층 소형화. 경량화를 가능하게 한다.

이하, 제 1의 발명의 실시예를 제 1도 내지 제 5 도에 따라 설명한다. 제 1 도에 있어서, (1)은 이장주입법으로 성형된 알루미나세라믹제의 절연용기이며, 그 용기벽의 살두께는 전길이에 걸쳐서 대략 균일하다. 파형주름의 골부(1c)의 최소내경은 절연용기의 끝부(1a),(1b)의 내경보다도 작은 지름으로, 파형주름의 산부(1d)는 끝부의 외경보다도 큰지름으로 구성되어 있다. 금속제중간실드(9), 부착금구(10)는 (1c)부에서 기계적으로 지지되고, (고정)전극(8a) 및 (가동)전극(8b)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. (4a),(4b)는 봉착금구이며, 각기(1a),(1b)에 봉착되고, 또한 (8a),(8b)와 전기적으로 가타은 전위를 가지고 있다.

제 1 도의 실시예에서는 알루미나분말의 이장(泥裝)을 제작하여 주입성형한후, 건조를 거쳐 약 1650℃의 대기중의 고온로에서 소성하였다. 이 절연용기의 평균 살두께는 4.5mm, 절연용기의 외경측에 있어서 산부에 대한 골부의 깊이(e)는 11-18mm이다. 이 구성에 의해서 절연용기의 양끝부의 봉착금구사이의 간격길이 L에 대한 외연면길이 ℓ의 비는 1.3배가 얻어졌다. 양끝부에는 MoMn법에 의해 메탈라이징을 실시하였다.

소요의 공정을 거쳐 7.2KV용 진공스위치관을 20개 제작하고, 배기한 후 AC 50KV를 인가하여 콘디셔닝을 실시하였다. 콘디셔닝에 있어서 전극과 중간실드통과의 사이에서 진공절연파괴가 발생하고 있었던 것은 다른 관측에 의해 명확하지만, 절연용기의 관통파괴가 발생되는 것은 하나도 없었다. 또한 다른 시험결과로부터 절연용기의 표면누설전류는 대폭 감소되는 동시에 봉착금구사이의 외부섬락전압은 종래보다 1.18-1.2배로 향상되어 있다는 것이 판명되었다.

그리고 이장주입재료로서 주구성재를 알루미나(Al₂O₃)이외의 것 예를들면 MgO, MnO, TiO₂, ZrO₂를 주구성재로 하는 것은 MoMn법에 의한 메탈라이징의 봉착강도가 불안정하여 진공방전장치에는 사용에 견뎌내지 못했다.

본원 발명에서는 콘디셔닝중에 비록 전극과 중간실드통 사이에서 진공절연 파괴가 발생되어도, 중간실드통의 지지부에서 절연용기의 관통파괴가 잘 발생하지 않는다. 또 봉착금구사이의 외부섬락전압이 높아지는 특징이 있다. 이들의 메카니즘은 다음과 같이 생각된다.

먼저, 러버프레스에 의한 건식성형법이 아니고, 알루미나분말의 이장주입법으로 성형되기 때문에, 분체상호간의 마찰력이 작고 분체의 유동성이 증가된다. 따라서 절연용기의 각 부의 재질이 균질화되는 동시에, 살두께도 균일화된다. 1650℃의 고온소성품에 대하여 절연용기의 각 부분 (1a),(1b),(1c),(1d)의 재료특성 즉, 밀도, 항석력(抗淅力), 핀홀의 잔존도 등을 비교검토한 결과, 이장주입성형품은 균질성이 우수하다는 것이 판명되었다.

다음에 제 1 도의 실시예에서는 절연용기의 외부섬락전압이 종래에 비하여 1.18-1.2배로 향상되었으나 연면길이 ℓ가 종래에 비하여 약 1.3배로 증대되어 있기 때문에, 외부섬락전압 V은 연면길이 ℓ에 대하여 약 Vαℓ2/3인 관계에 있다. 이 식은 절연애자에 있어서의 관계식과 유사하다. 외부섬락전압이 종래보다도 향상되었으므로, 제 1 도의 실시예에서는 콘디셔닝중에 외부부분방전도 발생하지 않으리라고 추측된다. 그러나 비록 봉착금구에서 부분방전이 발생했다고 해도 제 1 도의 실시예에서는 절연용기의 관통파괴가 일어나기 어럽다고 생각된다. 왜냐하면 부분방전로는 봉착금구의 한쪽에서 다른쪽을 향해서 1직선으로 형성되고 파형주름의 산부(1d)에서 내경측으로 향하는 일은 없다. 따라서 부분방전로는 중간실드통을 지지하고 있는 파형주름의 골부에는 도달할 수 없을 것이다. 그리하여 중간실드통의 지지부 근방에 있어서의 용기벽의 관통파괴를 방지할 수 있는 것이다.

그리고 제 1 도의 실시예에서는 진공내부의 연면길이가 종래의 1.3배로 되었으므로, 진공스위치관의 사용개시후의 전기적 수명이 대폭 개선된다는 것을 알았다. 즉 개폐에 의한 전극금속증기가 절연용기 내벽에 응결하여 내부연면절연파괴를 발생할 때까지의 개폐회수수명은 종래의 3배로 개선할 수 있다는 것이 판명되었다.

상기의 실시예에서는 알루미나세라믹통에 다수의 파형주름을 가지며, 파형주름의 골부에서 중간실드통을 지지하는 진공스위치관에 대하여 기술하였으며, 파형주름의 수는 다수에 한하지 않고, 또 중간실드통이 아니고 한쪽고정실드통의 진공수위치관으로 구성할 수도 있다. 그 실시예를 제2도-제4도에 나타냈다.

제 2 도는 중간실드통의 지지부(1d)가 내경측으로 오목하게 들어간 형상을 하고 있으며, 제 15 도의 구성에 가까우나, 이장주입성형 세라믹통이므로 균질이며 균일한 살두께의 특징을 가지고 있다. 절연용기의 연면길이나 외부섬락전압은 거의 증가되지 않으나, 콘디셔닝에 있어서의 절연용기의 관통파괴에 대해서는 명백한 개선효과가 확인되었다.

제 3 도는 금속제 한쪽고정실드통(11)을 구비한 진공스위치관의 단면측면도이며, 연면길이는 종래의 1.1배로 길게할 수 있고, 봉착금구(4a)의 외경을 종개의 1/2이하로 구성한 결과 외부섬락전압을 개선할 수 있었다.

제 4 도는 제 3 도와 마찬가지로 한쪽고정실드통(11)을 구비한 진공스위치관의 단면측면도이고, 이장주입법에 의해 절연용기의 최대외경을 끝부(1a)(1b)의 외경보다도 큰 지름으로하여 연면길이를 종래의 1.1배로 구성하였다. 제4도에서는 외부섬락전압 및 전기적 수명을 개선할수 있었다.

그리고 상기 실시예에서는 어느것이나 절연용기는 원통형세라믹의 경우에 대하여 기술하였으나, 제 5 도에 나타내는 바와같이, 통형세라믹의 입구단면은 원형에 한하지 않고 타원형, 8각형, 6각형, 4각형등 임의의 형상으로도 된다. 특히 타원형이나 장방형의 것은 3상지니공차단기용 진공스위치관에 있어서 절연용기공간을 유효하게 이용할 수 있는 특징이 있다.

다음의 제 2의 발명의 실시예를 제 1 도, 제 6 도 내지 제 9 도에 따라 설명한다.

제 1 도에 있어서, (1)은 알루미나분말의 이장의 제작, 주입성형, 건조를 거쳐 약 1650℃로 소결한 알루미나세라믹제의 절연용기를 나타내며, 살두께는 전길이에 걸쳐 대략 균일하게 되고, 파형주름의 중간실드통(9)을 지지하는 골부(1c)와 끝부(1a).(1b)의 내경과 같은 지름이든가 또는 작은 지름으로 되고, 끝부(1a), (1b)의 어느 한쪽에서 중간실드통(9)을 삽입할 수 있게 되어 있다. 그리고 다른 골부는 끝부(1a),(1b)의 내경과 같게 제작되어 있다. (1d)는 파형주름의 산부를 나타내며, 끝부(1a), (1b)의 외경보다도 큰 지름으로 구성되어 있다.

e는 파형주름의 깊이, L은 봉착금구(4a),(4b)사이의 간격길이, ℓ은 절연용기(1)의 연면길이를 나타낸다. 그리고 중간실드통(9)은 부착금구(10)의 작용에 의해서 골부(1c)에 기계적으로 지지되어 있다.

제 6 도는 제 1 도의 일부분을 확대하여 나타낸 부분확대단면도이며, 도면에 있어서 θ은 절연용기(1)의 축에 평행한 면과 파형주름의 면이 이루는 각을 나타내며, 60도이다. 그리고 제 1 도, 제 6 도의 실시예에서는 절연용기(1)의 평균살두께는 4.5mm, 절연용기(1)의 외경에 있어서의 산부(1d)에 대한 골부(1c)의 깊이 e는 11mm-18mm가 되고, 간격길이 L에 대한 연면길이 ℓ의 비는 1.3으로 되어 있다.

다음에 동작에 대하여 설명한다.

상기와 같이 7.2KV용 진공스위치관을 작성하여 배기한 후, AC 50KV를 인가하여 콘디셔닝을 실시한 결과, 시료 20개중에서 절연용기(1)에 관통파괴가 발생되는 것은 전혀 없었다.

이 실시예에서는 콘디셔닝중 비록 중간실드통(9)과 양 전극(8a),(8b)사이에서 진공절연파괴가 발생하여도, 중간실드통(9)의 지지부 근방 또는 봉착금구(4a),(4b)의 근방에서 용기벽에 관통파괴가 잘 발생하지 않는 특징을 가지고 있는데, 그 메커니즘은 다음과 같이 생각된다.

첫째로, 러버프레스에 의한 건식성형법이 아니고 알루미나분말의 이장에 의한 주입성형법으로 성형되기 때문에, 분체상호간의 마찰력이 작고, 분체의 유동성이 증가된다. 따라서 파형주름이 있는 절연용기(1)를 용이하게 성형할 수 있고, 용기벽의 재질이 균질화되고, 살두께도 균일화된다. 또 소성품에 대하여 중간실드통(9)의 지지부의 재료특성 즉 밀도, 항석력, 핀홀의 잔존도 등을 비교검토한 결과, 균질성에 대해서는 주입성형품쪽이 우수하다는 것을 알았다.

둘째로, 절연용기(1)의 형성을 파형주름이 있는 것으로 하였으므로, 연면길이 ℓ가 종래보다도 30%나 길기 때문에 봉착끝부로부터의 표면누설전류가 억제되어 절연용기(1)의 전위분포가 평균화되었다. 또한 파형주름의 산부(1d)의 외경이 끝부(1a),(1b)의 외경보다도 크므로, 차폐효과가 발생하여 봉착부에서 외연면에 발생하는 부분방전이 저지된다.

셋째로, 비록 끝부(1a),(1b)에서 외연면을 향해서 부분방전이 발생하여도 부분방전의 방전로는 산부(1d)에서 내경측을 향하는 일은 없고, 절연용기(1)의 축과 평행하는 방향으로 직진하는 성질을 가지고 있으므로, 부분방전의 방전로가 중간실드통(9)을 지지하고 있는 골부(1c)에는 도달하지 않게 된다. 따라서 중간실드통(9)과 양 전극(8a), (8b)사이에서 진공절연파괴가 발생되고, 동시에 끝부(1a),(1b)에서 부분방전이 발생하여도, 중간실드통(9)의 지지부근방에 있어서의 용기벽의 관통파괴는 방지된다.

그리고 각 θ가 60도의 경우에 대해 설명하였으나 각 θ는 90도라도 된다. 또한 골부(1c)의 내경을 모두 끝부(1a),(1b)의 내경보다도 작게 구성해도 된다.

제 7 도는 다른 실시예에 의한 고전압진공방전장치를 나타내는 종단면도이며, 각 θ를 90도로 한 것이다.

제 7 도와 같이 구성하면, 간격길이 L에 대한 연면길이 ℓ이 비는 1.4가 되고, 봉착금구(4a)(4b)로부터의 표면전류의 억제, 외연면으로 향하는 부분방전의 억제효과가 향상되는 결과, 절연용기(1)의 관통파괴를 방지하는 효과가 증대한다.

제 8 도는 또다는 실시예에 의한 고전압진공방전장치를 나타내는 종단면도이며, 중간실드통을 복수가진 정격전압 84KV의 진공스위치관에 적용한 것이다.

제 8 도에 있어서 (12a),(12b)는 한쌍의 금속제의 제 2 의 중간실드통을 나타내며, 양 전극(8a),(8b)의 외주에 동축적으로 배치되고, 또한 양 전극(8a),(8b)사이의 간격길이보다도 작은 간격길이로 절연용기(1)의 골부(1c)에서 지지되어 있다.

그리고 제 2의 중간실드통(12a),(12b)는 적절한 방법으로, 예를 들면 형상기억합금으로 구성하여 절연용기(1)내에 삽입한 후, 가열하므로써 도시한 바와같이 부착할 수 있다.

제 9 도는 또다른 실시예에 의한 고전압진공방전장치를 나타내는 종단면도이며, 정격전압 120KV 의 진공스위치관에 적용한 것이다.

제 9 도에 있어서 (13a),(13b)는 한쌍의 금속제의 제3의 중간실드통을 나타내며, 제 2 의 중간실드통의 외주에 동축적으로 배치되며, 또한 제 2 의 중간실드통(12a),(12b)사이의 간격길이보다도 작은 간격길이로 절연용기(1)의 골부(1c)로 지지되어 있다.

그리고, 제 2, 제 3의 중간실드통(12a),(12b),(13a) 및 (13b)는 제 8 도에서 설명한 바와 같이, 예를들면 형상기억합금으로 구성하므로써 도시한 바와같이 부착할 수 있다.

제 9 도의 실시예에서는 전극(8a),(8b)사이의 콘디셔닝전압은 AC 350KV이상을 요하며, 콘디셔닝이 진행됨에 따라 제 2, 제 3의 중간실드통(12a),(12b),(13a) 및 (13b)로 차례로 지니공절연파괴를 일으키게 되고, 최종적으로 AC 350KV이상의 내전압에 끊기게 되었다. 그동안 용기벽의 살두께가 대략 균일한 절연용기(1)에 관통파괴가 발생되는 일은 없다.

제 1 도, 제 6 도 내지 제 9 도의 실시예와 같이, 절연용기(1)의 골부(1c),로 각 중간실드통(12a),(12b),(13a) 및 (13b)를 지지하여도, 내표면은 증가되지 않으므로 배기공정을 간략화할 수 있다.

또한 양전극(8a),(8b)에 전압을 인가하여 콘디셔닝을 행하므로써 각 중간실드통(9), (12a),(12b),(13a) 및 (13b)의 콘디셔닝을 동시에 할수 있으므로 콘디셔닝도 간략화할 수 있다.

다음에 제 3의 발명의 실시예를 제 1 도, 제 6 도, 제 10 도 내지 제 14 도에 따라 설명한다. 제 1 도에 있어서, (1)은 이장주입법으로 성형되고, 내면 및 외면에 파형주름(2)를 형성한 알루미나세라믹제의 절연용기이며, 그 용기벽의 살두께는 전길이에 걸쳐 대략 균일하다.

(3a),(3b)는 절연용기(1)의 양끝부(1a),(1b)에 형성된 메탈라이즈층, (4a),(4b)는 메탈라이즈층(3a),(3b)에 납땜된 봉착금구이며, 이 봉착금구(4a),(4b)에 의해서 절연용기내를 진공기밀하게 봉착한다. (5)는 봉착금구(4b)의 내면중앙부에 설치된 스테인레스제의 벨로즈, (6)은 벨로즈(5)의 상단에 부착된 보호커버, (7a),(7b)는 봉착금구(4a) 및 벨로즈(5)에 관통지지된 전극봉, (8a), (8b)는 전극봉(7a), (7b)의 앞끝에 대향적으로 설치된 전극이며, 전극(8b)는 전극봉(7b) 및 벨로즈(5)를 통해서 전극(8a)에 대해 접촉분리할 수 있게 구성되어 있다. (9)는 전극(8a), (8b)를 에워싸듯이 절연용기(1)내에 설치된 금속제의 중간실드통이며, 이 중간실드통(9)은 한쪽끝부 외면에 설치된 금속부재(10)와 외면팽출부(9a)로 절연용기(1)의 내벽면의 주름부를 협지하여 부착되어 있다. 이 경우 협지되는 내벽면의 주름부는 다른 내벽면의 주름부보다 안쪽으로의 돌출량이 크게 형성되어 있다.

제 1 도의 실시예에서는 알루미나의 이장을 제작하고, 주입성형하여 건조한 후, 약 1650℃의 대기중에서 고온소성하여 절연용기(1)로 하였다. 이 절연용기(1)의 최대살두께는 예를들면 4.7mm, 외벽의 골부(1c)에 생기는 파형주름의 최소곡율반경 r은 예를들면 5mm, 산부(1d)의에 대한 골부(1c)의 깊이 즉 외벽의 주름의 깊이 e는 12-18mm, 파형주름의 직선부의 면과 절연용기(1)의 축에 평행한 면이 이루는 각도 θ는 60도이다.

이와같은 파형주름(2)의 구성에 의해서, 절연용기(1)의 끝부분의 한쌍의 메탈라이즈층(3a),(3b)사이의 간격길이 L=95mm, 내연면길이 ℓ₂및 외연면길이ℓ1는 어느것이나 ℓ₂=ℓ₁=125mm가 되고, 연면길이 증배율 α=ℓ₁/L=ℓ₂/L≒1.32를 얻었다.

소요의 공정을 거쳐 7.2KV용 진공스위치관을 20개 제작하고 배기한 후, AC 50KV를 인가하여 콘디셔닝을 실시하였다. 콘디셔닝에 있어서, 절연용기(1)의 관통파괴가 발생되는 것은 전혀 없었다. 메탈라이즈층(3a),(3b)사이의 외부섬락전압은 종래보다도 1.2배이상으로 향상되어 있는 것이 판명되었다. 또 등가무중법(等價霧中法)에 의한 염분오손시의 외부섬락 전압치는 종래의 간격길이 L=95mm의 경우에 비해서 1.2배로 향상되었다.

한편, 전류차단을 반복하므로써 전극물질이 내연면에 부착되는데, 종래에 비하여 특히 임펄스내전압의 열화가 거의 없고, 내부연면섬락을 발생시킬때까지의 전류차단회수 수명은 종래의 3배로 개선된다는 것이 판명되었다.

내외면에 파형주름(2)을 가진 살두께가 대략 균일한 세라믹통은 절연용기(1)의 양끝부, 산부, 골부, 주름의 직선부의 각 부분의 재료특성이 균질이며, 밀도, 항석력등의 불균일이 적고, 종래의 러버프레스법에 의한 세라믹통보다도 핀홀결함이 매우 적고, 균질성이 우수하다.

다음에 내외면에 파형주름을 갖지않은 종래의 절연용기(1)에서는 진공중에 금속제의 중간실드통이 존재하면, 그것이 없는 경우에 비하여 대기축의 외부연면섬락전압이 저하되는 현상 즉 배면전극효과가 발생된다.

그러나 제 1 도의 실시예에서는 외부섬락전압 V은 외연면길이 ℓ₁에 대하여 Vαℓ₁2/3의 관계에 있고, 이 식은 절연애자에 있어서의 관계식과 일치하고 있으며, 배면전극효과를 무시할 수 있기 때문에, 메탈라이즈층(3a),(3b)사이의 외부섬락이 발생했다고 해도 제 1 도의 실시예에서는 외부섬락의 방전통로는 3a→1d→1d→3b를 연이은 경로를 통과하고, 중간실드통의 지지부인 골부(1c)를 경유하지 않기 때문에 중간실드통의 지지부(1c)부근에서 절연용기(1)의 관통파괴가 일어나기 어렵다.

종래의 내외면에 파형주름을 갖지않은 절연용기(1)로구성된 진공스위치관에서는 절연용기의 내연면에 전극물질이 부착되면, AC 내전압의 저하보다도 특히 임펄스내전압의 저하가 현저하였다.

상기 실시예에서도 전류차단의 반복에 의해 절연용기의 내연면에 전극물질이 부착되는 것은 피할수 없으나, 그런데도 임펄스내전압의 저하가 거의 발생되지 않는다는 것이다.

이와같이 내연면의 전극물질이 부착되어도 임펄스내전압이 저하되지 않는 원인은 중간실드통의 앞끝부에서 내연면까지의 진공간격이 크기 때문이라고 생각된다. 따라서 중간실드통의 높이를 종래보다도 대폭 짧게 할 수 있는 이점이 있다.

상기의 실시예에서는 파형주름의 최소곡율반경 r이 약 5mm, 외벽에 있어서의 주름의 깊이 e가 12-18mm, 주름의 직선부의 면과 절연용기축에 평행한 면이 이루는 각 θ가 60도의 경우에 대하여 설명하였으나, 파형주름의 형상은 제 1 도의 실시예에 한하지 않고, 앞의 종래의 기술에서 설명한 절연용기의 구비해야할 성능조건을 만족시키는 범위에서 소형화경량화에 적합한 형상으로 구성할 수 있다.

제 6 도는 본원 발명의 특징부분인 파형주름의 골부(1c), 산부(1d)의 확대도를 나타낸다. 이 도면에서는 절연용기의 살두께 t와 파형주름의 최소반경 r과는 대략 같은 경우를 나타냈으나, t〉r가 되는 관계로 구성하면 상술한 성능조건 (가),(마)가 만족되지 않으며, 열충격이나 기계적충격에 의해 크랙이 생길 위험이 있으므로, t

r이 되는 관계를 만족시킬 필요가 있다.

제 6 도에 나타내는 파형주름의 직선부의 면과 절연용기의 축에 평행한 면이 이루는 각도 θ는 45°

θ

90°의 범위가 바람직하다. θ〈45°의 범위에서는 내외면길이 ℓ₂, ℓ₁과 메탈라이즈층의 간격 L와의 비, α=ℓ₂/L 또는 ℓ₁/L로 정의되는 연면길이 증배계수 α가 그다지 크게되지 않고, 상술한 배면전극효과를 무시할 수 없게 되기 때문이다. 또 θ〉90°로 되면 이장주입법이 곤란해지고, 상술한 성능조건 (가),(마)를 만족시킬 수 없다.

절연용기(1)의 외벽에 있어서의 파형주름의 길이 e는 파형주름의 최소곡율반경 r에 대하여 1.5배이상으로 하는 것이 바람직하다. e〈1.5r의 범위에서는 θ값이 적당하더라도 배면적극효과를 무시할 수 없기 때문이다.

마지막으로 용기살두께를 전길이에 결쳐서 대략 균일하게 구성하기 위해서는 내연면길이 ℓ₂와 외연면길이 ℓ₁는 대략 같지 않으면 안되며, 외연면섬락전압을 적어도 10% 향상하기 위해서는 ℓ₂≒ℓ₁

1.2L 가 되는 조건을 충족시킬 필요가 있다.

제 10 도는 상기 제 6 도에 기술한 주름의 최소곡율반경 r, 외벽에 있어서의 주름의 깊이 e, 내외연면길이 ℓ₂, ℓ₁, 메탈라이즈층의 간격길이 L 및 파형주름의 직선부의 면과 절연용기(1)의 축에 형행한 면이 이루는 각도 θ등의 상호관계도를 나타낸 것이다. 단, 외벽에 있어서의 파형주름의 깊이 e는 각 주름에 대해 균일 한 경우를 나타내고 있다. 제 10 도에 있어서 횡축의 값은 1.5이상, 종축의 값은 1.2이상인 것이 바람직하다.

제 11 도는 다른 실시예를 나타내는 것으로, 절연용기(1)의 끝면에 메탈라이즈층(3a), (3b)를 형성하고, 그 메탈라이즈층(3a), (3b)에 봉착금구(4a),(4b)를 평판형으로 납땜하고, 그 한쪽의 봉착금구(4a)에 금속제의 실드통(14)를 한쪽고정으로 부착한 진공스위치관의 단면측면도이다.

제 12 도는 별도의 실시예를 나타내는 것으로, 절연용기(1)의 끝부측면에 메탈라이즈층(3a),(3b)를 형성하고, 그 메탈라이즈층(3a),(3b)에 봉착금구(4a),(4b)를 납땜하고, 상기 절연용기(1)의 내부에 파형주름을 이용하여 금속제의 중간실드통(9)을 부착하는 동시에 금속제의 호퍼형 중간실드통(12a),(12b)의 한쌍을 그 가는지름의 끝부를 중간실드통(9)내에 위치시켜서 절연용기(1)내에 파형주름을 이용하여 부착한 진공스위치관의 단면측면도이다. 제 1 도의 실시예에서는 파형주름(2)은 제13도에 나타내는 바와같이 복수개의 산부와 골부로 분리되어 있으나, 제 14 도에 나타내는 바와같이 내외면공통의 하나의 산과 골 즉 나선형으로 구성해도 된다.

상기한 각 실시예에서는 진공스위치관의 경우에 대하여설명하였으나, 앞에 설명한 절연용기가 구비해야할 기능, 성능요건은 진공피뢰관, 진공휴즈, 진공트리가트론 등의 진공방전 장치에 있어서도 마찬가지이며, 이들에 적용하여 상기 실시예와 동일한 효과를 올리는 것이다.

그리고, 세라믹으로서 알루미나세라믹으로 설명하였으나, 봉착금구(4a),(4b)를 끝부에 봉착할 수 있으면 다른 세라믹이라도 좋다. 또 전극으로서 고정, 가동전극(8a),(8b)의 경우로 설명하였으나, 양 전극이 고정 전극이라도 된다.

이상과 같이 제 1의 발명에 의하면, 진공방전장치용의 세라믹제 절연용기를 이장주입법으로 성형하고, 통의 두께를 대략 균일하게 하는 동시에, 통의 연면길이를 봉착금구사이의 간격길이보다도 길게 구성하였으므로, 진공방전장치의 콘디셔닝에 있어서의 제조수율을 향상할 수 있고, 또 소형이고 염가의 것을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 제 2의 발명에 의하면, 균일한 살두께이고 봉착금구사이의 간극길이보다도 긴 연면길이로 되도록 파형주름을 가진 형상으로 절연용기를 세라믹으로 구성하는 동시에, 파형주름의 골부의 내벽으로 중간실드통을 지지하는 구성으로 하였으므로, 콘디셔닝중의 수율이 향상되고, 염가로된다는 효과가 있다.

또한 제 3의 발명에 의하면, 절연용기를 내면 및 외면에 파형주름을 가진 살두께가 대략 균일한 세라믹통으로 형성하는 동시에, 그 내연면길이 및 외연면길이를 어느것이나 이 세라믹통의 양끝부에 배설된 한쌍의 메탈라이즈층의 간극길이보다도 길게 구성하였으므로, 콘디셔닝에 있어서의 제조수율을 향상할 수 있고, 또 소형이고 염가의 진공방전장치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 전극과 같은 전위의 한쌍의 봉착금구를 세라믹제 절연용기의 끝부에 밀봉하여 이루어지는 진공방전장치에 있어서, 상기 세라믹제 절연용기를 통모양으로 성형하고, 통의 살두께를 대략 균일하게 하는 동시에, 통의 연면(沿面)길이를 상기 봉착금구 사이의 간격길이보다도 길게한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹제 절연용기는 알루미나를 주구성재료로 하고, 이장주입법(泥裝鑄入法)에 의해 형성한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹제 절연용기의 절단면의 형상이 원형, 타원형, 다각형, 정방형, 장방형의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 봉착금구의 외경보다도 상기 세라믹제 절연용기의 외경을 크게한 것을 특징으로하는 진공방전장치.
5. 절연용기내에 설치된 한쌍의 전극과 같은 전위의 봉착금구가 상기 절연용기의 끝부에 봉착되는 동시에, 상기 전극으로부터 절연된 상태에서 상기 절연용기내에 지지된 금속제 중간실드통을 구비한 진공방전장치에 있어서, 대략 균일한 살두께로 상기 봉착금구사이의 간극길이보다도 긴 연면길이가 되도록 파형주름을 가지 형상으로 상기 절연용기를 세라믹으로 구성하는 동시에, 상기 파형주름의 골부의 내벽에서 상기 중간실드통을 지지하는 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
6. 제 5 항에 있어서, 중간실드통을 지지하는 파형주름의 골부의 최소내경은 상기 절연용기의 끝부의 내경보다도 작은 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
7. 제 5 항에 있어서, 파형주름의 산부의 외경은 절연용기이 끝부의 외경보다도 큰 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
8. 제 5 항에 있어서, 중간실드통은 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
9. 절연용기의 양끝부에 형성된 한쌍의 메탈라이즈층과, 상기 메탈라이즈층을 통해서 상기 절연용기의 양 끝에 납땜되고, 이 절연용기내에 설치된 전극과 같은 전위의 봉착금구를 가진 진공방전장치에 있어서, 상기 절연용기를 내면 및 외면에 파형주름을 가진 살두께가 대략 균일한 세라믹통으로 형성하는 동시에 내연면(內沿面)길이 및 외연면길이를 상기 한쌍의 메탈라이즈층의 간격길이보다도 길게 구성한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
10. 제 9 항에 있어서, 절연용기의 파형주름의 최소곡율반경(r)을 용기벽의 최대살두께(t)이상으로 구성한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
11. 제 9 항에 있어서, 파형주름의 직선부의 면과 절연용기의 축에 평행한 면이 이루는 각도 θ를 45도

    

    θ

    

    90도의 범위로한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
12. 제 9 항에 있어서, 파형주름의 깊이 e를 이 파형주름의 최소곡율반경(r) 에 대하여 1.5배 이상으로 한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.
13. 제 9 항에 있어서, 내연면길이 (ℓ₂) 및 외연면길이(ℓ₁)를 ℓ₂≒ℓ₁로하고, 또한 한쌍의 메탈라이즈층의 간격길이(L)에 대하여 ℓ₂=ℓ₁

    

    1.2L로 한것을 특징으로 하는 진공방전장치.
14. 제 9 항에 있어서, 절연용기이 내면 및 외면의 파형주름을 나선형으로 구성한 것을 특징으로 하는 진공방전장치.

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