KR101034878B1

KR101034878B1 - 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱

Info

Publication number: KR101034878B1
Application number: KR1020090111834A
Authority: KR
Inventors: 조한구
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-17
Anticipated expiration: 2029-11-19

Abstract

본 발명은 고전압 부싱에 관한 것으로, 내부에 중심도체가 형성되며, 상기 중심도체와 FRP 튜브 사이에 동축방향으로 내부쉴드를 구비하는 고전압 부싱에 있어서, 상기 내부쉴드에 대응하여 상기 중심도체에는 직경이 다른 부분에 비해 감소된 감소부가 형성되어 상기 내부쉴드와 중심도체 간의 거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 기존 제품에서 발생되는 절연거리 문제를 안정적으로 확보할 수 있으며, FRP 튜브의 직경을 증가시키지 않더라도 내부 온도 증가율 또한 균형을 이룰 수 있으며, 이러한 내부쉴드 및 중심도체를 구비하는 부싱의 경우 집중되는 전계가 효과적으로 분배되어 쉴드 주변의 전계를 완화하고 절연성능을 개선시키는 이점이 있다.

고전압 폴리머 부싱, 절연 하우징, 내부쉴드, 전계완화

Description

전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱{high voltage bushings with improved insulating performance electric field relaxation}

본 발명은 고전압 부싱에 관한 것으로, 중심도체와 내부쉴드와의 거리를 확보하고, 내부쉴드의 형상 변경에 의해 부싱 내부의 전계집중을 완화하여 절연성능을 향상시키기 위한 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱에 관한 것이다.

일반적으로 전력기기(GIS, GCB, DS 등)에 사용되는 부싱(bushing)은 고전압이 인가되는 상부에서 접지(ground)와 연결되는 전력기기의 외함(outer casing) 사이의 절연을 수행하는 것이다.

종래의 부싱은 도 1에 도시된 바와 같이, 전력기기 예를 들어 가스차단기 등에 사용되는 것으로, 이는 비용적, 제조공정상 그리고 전기적, 기계적인 형상 등의 종합적인 평가를 거쳐 설계 제작되게 된다.

이러한 부싱(1)은 기본적으로 FRP 튜브(4)와, 그 표면을 덮고 있는 하우징 몸체(sheath)(5), 하우징 갓(shed)(6) 그리고 금속 플랜지(3a),(3b)로 구성된다. 먼저, 부싱에 사용되는 FRP 튜브는 FRP 재료에 의해 제조되어지며, 이는 할로우(hollow) 타입의 원통형 내부 구조를 가지고 있다. FRP 튜브 내부에는 전류가 흐 르는 금속재질의 중심도체(2)가 위치하고 있다. 그리고, 상기 금속 플랜지(3a),(3b)는 절연물의 양종단부에 각각 마주보는 형상을 가지며 상부 플랜지(3a)는 중심도체에 직접적으로 접촉이 되어 높은 전위를 띄고 있는 반면 하부 플랜지(3b)는 기기의 외함에 접촉되어 접지(ground)에 가까운 차폐부분으로 되어 있다. 상기 플랜지는 철, 알루미늄, 쿠퍼, 합금 등의 재료로 만들어지며 이는 절연물과 열압착(thermal fitting)에 의해 기계적으로 연결되어 있다. 그리고 FRP 튜브 외경에는 실리콘 러버, EPDM 등과 같은 폴리머 재료로 몸체를 구성하고 있으며 부싱의 내부에는 SF₆, N₂ 등의 절연가스가 기밀되어 형성된다.

이러한 부싱은 송전용량의 증대에 따른 고전압 기기에 사용되므로 요구되는 절연성능을 만족시키기 위해 그 길이를 증대시킬 수 밖에 없다. 따라서, 절연파괴의 근본적인 원인은 표면누설 거리(creepage distance)의 부족에서 발생하며, 부싱의 외부적 절연에 있어 누설거리가 길수록 절연성능이 우수하다고 할 수 있다. 이는 쉐드(shed)의 형상설계를 최적화하여 누설거리를 증가시킬 수 있으나 근본적으로 부싱의 길이를 증가시켜야 하므로 부싱의 대형화를 초래하게 된다.

한편, 내부적 절연 설계는 부싱 내부에서 발생되는 전계의 분포에 따라 절연성능은 크게 달라지게 된다. 즉, 부싱 외부의 전계가 균일하게 분포한다면 부싱의 안정성은 크게 향상되게 된다.

대부분의 고전압 부싱의 경우 하단부는 전력기기의 외함과 연결되며 부싱의 임계부위(metal-end-fitting)에서의 전계집중이 발생하게 된다. 따라서 부싱의 임 계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해 부싱 내부에 금속 내부쉴드(7)를 형성하는 것은 매우 현명한 선택이다.

이러한 내부쉴드(7)는 부싱 내의 동축 방향의 원통형 전극 형상을 가지고 있다. 이는 전계조절을 위해 부싱의 수직축에 따라 높은 길이를 가지고 있으며 결과적으로 부싱 내부의 대부분의 전위는 내부쉴드를 따라 수직축으로 증가하며 이로 인해 부싱의 취약지점인 임계부위에서의 전계집중은 억제할 수 있다.

하지만, 상기 내부쉴드의 존재는 부싱 내부의 전계를 내부쉴드 상단부로 집중시키는 결과를 발생시켜 부싱 내부에 또 다른 전계집중을 초래하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 부싱 내부의 중심도체와 내부쉴드의 간격을 가능한 멀리하여 전기장의 세기를 조절하는 동시에 내부쉴드의 상단부는 모서리 반경이 큰 형상으로 제작되어야 한다. 그러나, 부싱의 제조시 공정상 또는 제조비용을 절감에 의해 FRP 튜브 내의 공간은 한정적이며 필연적으로 내부쉴드와 중심도체의 간격은 가까워지게 된다. 이러한 구조는 고전압인가에 따른 내부쉴드 사이의 등전위면이 매우 밀집한 형상을 만들어 부싱의 절연성능 저하를 야기시키게 된다.

하지만, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 기본적으로 부싱의 직경을 증가시킬 수 밖에 없으며, 내부의 가압된 가스에 따른 큰 기계적 응력을 요구하게 되며, 다른 구조의 절연물 부착에 있어서도 많은 어려움이 따르게 되어, 상용화된 부싱의 가격 상승을 초래하고 있다.

또한, 부싱 내의 전계는 내부쉴드 상단부에 집중될 뿐만 아니라, 부싱의 하 우징이 실리콘 러버와 같은 유기체에 의해 제조되었을 경우 코로나 방전 등에 의해 절연성능의 저하와 부싱의 수명을 저하시키는 원인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중심도체와 내부쉴드와의 거리를 확보하고, 내부쉴드의 형상 변경에 의해 부싱 내부의 전계집중을 완화하여 절연성능을 향상시키기 위한 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내부에 중심도체가 형성되며, 상기 중심도체와 FRP 튜브 사이에 동축방향으로 내부쉴드를 구비하는 고전압 부싱에 있어서, 상기 내부쉴드에 대응하여 상기 중심도체에는 직경이 다른 부분에 비해 감소된 감소부가 형성되어 상기 내부쉴드와 중심도체 간의 거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 중심도체의 감소부는, 상기 내부쉴드의 상단부에 대응하여 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 중심도체의 다른 부분에 비해 상대적으로 도전율이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 내부쉴드와 중심도체 사이에 상기 내부쉴드 보다 상대적으로 더 높게 형성된 제2내부쉴드가 형성되어 2중 내부쉴드로 이루어지는 것이 바람직하며, 또한, 상기 제2내부쉴드는 상기 내부쉴드의 길이에 대응하여 갭(gap)이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 내부쉴드는, 단차를 가지는 2단 내부쉴드로 이루어진 것이 바람 직하고, 또한, 상기 2단 내부쉴드는, 단차 부위에 갭(gap)을 가지는 것이 바람직하며, 또한, 상기 2단 내부쉴드 상측에는 상기 2단 내부쉴드의 직경보다 상대적으로 큰 링 형상의 링쉴드가 더 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

여기에서, 상기 중심도체 및 내부쉴드의 표면에는, 절연층이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해 본 발명은, 기존 제품에서 발생되는 절연거리 문제를 안정적으로 확보할 수 있으며, FRP 튜브의 직경을 증가시키지 않더라도 내부 온도 증가율 또한 균형을 이룰 수 있으며, 이러한 내부쉴드 및 중심도체를 구비하는 부싱의 경우 집중되는 전계가 효과적으로 분배되어 쉴드 주변의 전계를 완화하고 절연성능을 개선시키는 효과가 있다.

본 발명은 초고압 전력기기용 컴포지트 부싱(composite bushing)에 관한 것으로서, FRP 튜브와, 상기 FRP 튜브 상,하단에 결합된 상,하부 플랜지와, 상기 FRP 튜브 외측에 형성되는 하우징으로 구성되며, 상기 FRP 튜브 중심에는 중심도체가 형성된다. 특히, 부싱의 하부 즉, 전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 상기 하부 플랜지에서 FRP 튜브 내부에 상측 축방향으로 금속으로 이루어진 내부쉴드가 형성된다.

이하에서는, 본 발명의 구성요소 중 FRP 튜브, 상,하부 플랜지 및 하우징에 대한 것은 종래의 제조방법 및 형태와 동일한 것으로, 상세한 설명을 생략하고자 하며, 전계완화 및 절연성능의 개선을 위한 상기 내부쉴드 및 중심도체를 중심으로 본 발명의 실시예에 대해 설명하고자 한다.

<제1실시예>

본 발명에 따른 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱(100)의 제1실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 중심도체(110)가 형성되고, 상기 중심도체(110)와 FRP 튜브(120) 사이에 동축방향으로 내부쉴드(130)가 구비되어 있으며, 상기 내부쉴드(130)에 대응하여 상기 중심도체(110)에는 직경이 다른 부분에 비해 감소되게 형성된 감소부(111)가 형성된다. 이는 고전압인가에 따른 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 사이의 등전위면이 매우 밀집한 형상을 만들어 부싱의 절연성능의 저하를 야기시키게 되는데, 상기 중심도체(110)의 감소부(111)에 의해 동일 직경의 FRP 튜브(120)에서도 상기 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 간의 거리를 증가시켜, 전계집중을 완화시키게 된다.

특히, 상기 내부쉴드(130)의 상단부(A,B 사이)에서 직경이 감소된 감소부(111)가 형성되는 것이 더욱 바람직하며, 이는 동일 직경에서도 내부쉴드(130)와의 거리를 증가시켜 내부쉴드(130) 상단부의 전계완화를 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 중심도체(110)의 감소부(111)의 경우 고전압 인가에 따른 열 발산이 다른 부분과 비교하여 다를 수 있으므로 이를 위해 상대적으로 도전율이 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 기존의 Al의 도전율보다 높은 재료, 예를 들어 쿠퍼(copper), 골드(gold), 실버(silver) 등으로 제작되며, 양 끝단은 테이퍼형으로 용접되어진다.

결과적으로 부싱의 이러한 구조는 FRP 튜브(120)의 직경을 증가시키지 않더라도 내부 전계완화에 효과적이며 내부 온도 증가율 또한 균형을 이룰 수 있게 된다.

또한, 상기 내부쉴드(130)와 중심도체(110)의 표면에는 기존의 금속 재질에 기계적 및 전기적 절연성이 우수한 에폭시 수지 등으로 절연층(140)을 형성한다. 상기 절연층(140)을 구성하는 방법은 에폭시 코팅을 통해 금속 표면에 3~5mm 정도의 코팅막을 형성하는 방법으로 진행되며 절연지 등을 말아서 에폭시 수지를 함침경화시켜도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

<제2실시예>

본 발명에 따른 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱(100)의 제2실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 사이에 기존의 상기 내부쉴드(130)보다 상대적으로 더 높게 형성된 제2내부쉴드(131)가 형성되어, FRP 튜브(120) 내부에 2중 내부쉴드(130) 형태를 이루어져 있다.

이는 부싱 내부에 동축방향으로 배열된 내부쉴드(130)를 구비하는 고전압 부싱에 있어서, 내부쉴드(130) 상단부의 전계집중을 억제하기 위해 내부쉴드(130) 안쪽 즉, 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 사이에 동일형상의 제2내부쉴드(131)를 설치함으로써 얻을 수 있다.

상기 제2내부쉴드(131)는 기존의 내부쉴드(130)의 상단부를 충분히 덮을 수 있는 길이로 제작되어야 하며, 만약 충분한 길이를 확보하지 못할 경우 내부쉴드(130) 주위의 높은 전계집중에 의해 내부절연이 원만히 이루어지지 못하게 된다.

도 4는 2중 내부쉴드(130)를 장착할 경우 부싱 내부의 전계분포를 나타낸 것으로, 제2내부쉴드(131)는 기존의 내부쉴드(130)에서 중심도체(110) 방향으로 앞쪽에 설치되어 있다. 제2내부쉴드(131)의 길이는 기존의 내부쉴드(130)보다 길게 제작되어지며 내부쉴드(130) 길이 정도의 갭(gap)(133)을 형성하여 부싱 내부의 등전위는 더 이상 밀집되지 않게 설계되게 된다. 반면, 내부쉴드(130)의 상단부는 금속의 내부쉴드(130) 형상에 의해 전기적 절연을 유지하고 있다.

따라서, 부싱 내부의 등전위는 내부쉴드(130)만 존재할 경우와 동일한 등전위 분포를 가지지만 내부쉴드(130) 상단부의 전계는 2중 내부쉴드(130)에 의해 분산되어 전계집중은 상당수 완화되는 것을 알 수 있다. 또한 내부쉴드(130)의 상단부에 상응하는 FRP 튜브(120) 표면에는 반도전층을 입힘으로써 부싱의 표면 전계집중을 완화하여 전기적으로 안정화시킬 수 있도록 제작한다.

<제3실시예>

본 발명에 따른 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱(100)의 제3실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2실시예의 형태에서 상기 중심도체(110)가 2중 내부쉴드(130) 부위(A, B 사이)에서 직경이 감소된 감소부(111)가 형성된 것이다.

상기 2중 내부쉴드(130)의 경우 중심도체(110) 간의 간격이 가까워 등전위면이 매우 밀집한 형상을 만들어 부싱의 절연성능 저하를 야기시킬 수 있다. 따라서, 내부쉴드(130)의 상단부(A, B 사이)의 경우 도전율이 높은 재료를 통해 중심도체(110)의 간격을 감소시켜 쉴드와의 이격거리를 증가시킨다.

또한 중심도체(110)와 내부쉴드(130)는 모두 제1실시예에서와 같은 절연층(140)을 코팅함으로써 향상된 절연내력 특성을 가져오도록 한다.

이러한 구조는 상부전극으로 집중되는 내부 등전위선을 2중 내부쉴드(130)에 의해 2단으로 분산시킬 수 있으며 대략 10% 이상의 전계완화 효과를 가져온다. 따라서 내부쉴드(130)에 집중되는 전계는 분배되어지며 결과적으로 내부쉴드(130) 주변의 표면전계는 완화될 수 있게 된다.

<제4실시예>

본 발명에 따른 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱(100)의 제4실시예는 도 6에 도시된 바와 같이, 내부쉴드(130)가 적어도 한번 이상 구부려져 단차를 가지는 2단 내부쉴드(133)로 이루어진 것이다. 상기 2단 내부쉴드(133)는 단차 부위에 갭(gap)(133)을 가지는 테이퍼(taper) 타입으로 형성되며, 상기 2단 내부쉴드(133) 상단부에는 상기 내부쉴드(130)의 직경보다 상대적으로 큰 링 형상의 링쉴드(134)를 가지는 구조로 형성된다.

이는 부싱 내부에 동축방향으로 배열된 내부쉴드(130)를 구비하는 고전압 부싱에 있어서, 단차 부위의 갭(133)을 통해 내부 등전위선이 2단으로 배출되는 구조 를 지니며 내부쉴드(130) 상단부에 집중되는 전계를 효과적으로 완화시킬 수 있다.

이러한 구조는 부싱 내부에 고전압이 인가되면 1차적으로 2단 내부쉴드(133)의 갭(133)을 통해 내부 등전위선이 2단으로 분리되며, 상기 2단 내부쉴드(133) 상단부의 경우 링쉴드(134)의 주변 둘레로 등전위선이 분포하여 몇몇의 등전위선은 쉴드 갭(133)에 의해 바깥으로 분포한다. 결과적으로 FRP 튜브(120) 내의 전계집중 형상은 감소하게 된다.

따라서, 링쉴드(134) 사이의 쉴드 갭(133)은 부싱 내부의 전위 분배가 바깥으로 원활히 분배될 수 있도록 설정되어지며 이러한 구조로 인해 내부쉴드(130) 주변의 표면 전위는 감소하게 된다.

한편, 테이퍼 타입의 내부쉴드(130)를 구성함에 있어 쉴드 상단부의 경우 중심도체(110)와의 간격이 가까울 경우 등전위면이 매우 밀집한 형상을 만들어 부싱의 절연성능 저하를 야기시킬 수 있으므로 내부 가스의 절연파괴전압을 고려한 전극간의 이격거리를 면밀히 조사한 후 설계를 가져야 한다.

또한, 제1실시예와 동일하게 중심도체(110)가 내부쉴드(130)의 길이만큼 감소된 직경을 가지는 감소부(111)를 구비하고 있으며, 부싱 내부의 파괴전압을 높이기 위해서 중심도체(110) 및 2단 내부쉴드(133) 그리고 링쉴드(134)에 절연층(140)을 형성한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 각 실시예에 의해, 기존 제품에서 발생되는 절연거리 문제를 안정적으로 확보할 수 있으며, FRP 튜브(120)의 직경을 증가시키 지 않더라도 내부 온도 증가율 또한 균형을 이룰 수 있게 된다. 결과적으로 이러한 내부쉴드(130) 및 중심도체(110)를 구비하는 부싱의 경우 집중되는 전계가 효과적으로 분배되어 쉴드 주변의 표면전계는 완화되게 된다.

도 1 - 종래의 고전압 폴리머 부싱에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명의 제1실시예에 따른 2중 내부쉴드를 가지는 2단 전극 형상구조에 대한 모식도.

도 3 - 본 발명의 제2실시예에 따른 2단 전극 형상구조의 등전위 분포 형상을 나타내는 도.

도 4 - 2중 내부쉴드를 장착할 경우 부싱 내부의 전계분포를 나타낸 것

도 5 - 본 발명의 제3실시예에 따른 중심도체와 쉴드의 간격을 증가시킨 형태로 2단 전극 형상구조에 대한 모식도.

도 6 - 본 발명의 제4실시예에 따른 쉴드 상단부에 링쉴드가 채용된 테이퍼 형의 내부쉴드를 가지는 부싱에 대한 모식도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 고전압 부싱 110 : 중심도체

111 : 감소부 120 : FRP 튜브

130 : 내부쉴드 131 : 제2내부쉴드

132 : 2단 내부쉴드 133 : 갭

134 : 링쉴드 140 : 절연층

Claims

내부에 중심도체(110)가 형성되며, 상기 중심도체(110)와 FRP 튜브(120) 사이에 동축방향으로 내부쉴드(130)를 구비하는 고전압 부싱에 있어서,

상기 내부쉴드(130)에 대응하여 상기 중심도체(110)에는 직경이 다른 부분에 비해 감소된 감소부(111)가 형성되어 상기 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 간의 거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 1항에 있어서, 상기 중심도체(110)의 감소부(111)는,

상기 내부쉴드(130)의 상단부에 대응하여 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 2항에 있어서, 상기 중심도체(110)의 감소부(111)는,

상기 중심도체(110)의 다른 부분에 비해 상대적으로 도전율이 높은 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 1항에 있어서, 상기 내부쉴드(130)와 중심도체(110) 사이에 상기 내부쉴드(130) 보다 상대적으로 더 높게 형성된 제2내부쉴드(131)가 형성되어 2중 내부쉴드(130)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 4항에 있어서, 상기 제2내부쉴드(131)는 상기 내부쉴드(130)의 길이에 대응하여 갭(gap)(133)이 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 1항에 있어서, 상기 내부쉴드(130)는,

단차를 가지는 2단 내부쉴드(133)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 6항에 있어서, 상기 2단 내부쉴드(133)는,

단차 부위에 갭(gap)(133)을 가지는 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 6항에 있어서, 상기 2단 내부쉴드(133) 상측에는 상기 2단 내부쉴드(133)의 직경보다 상대적으로 큰 링 형상의 링쉴드(134)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.
제 1항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 중심도체(110) 및 내부쉴드(130)의 표면에는, 절연층(140)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화 및 절연성능이 개선된 고전압 부싱.