KR100753165B1 - 배전급 22.9ｋＶ ＧＩＳ용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시스페이서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배전급 22.9kV GIS용 전자식 변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자식 변성기인 ECT(Electronic current transformer)와 EVT(Electronic voltage transformer)를 탄성에폭시 스페이서에 일체형으로 내장하여 소형, 경량화시킨 스페이서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 스페이서는 설치면적의 최소화 및 친환경적이고, 고 신뢰성 및 안정성을 제공하며, 또한 전계집중을 방지할 수 있는 전계평활구조와 내열성 및 부분방전(PD)저감기술을 적용함으로써 내전압강도, 인장강도, 유리전이온도(Tg), 내전압시험, 부분방전(PD)특성이 우수하고, 또한 전자식 변성기 일체형 스페이서는 탄성 에폭시수지의 정밀한 성형기술, ECT/EVT 최적화 배치 기술을 적용하여 ECT, EVT정밀도에서도 우수하며, 스페이서와 별도로 설치 관리하고 있는 CT(current transformer) 및 VT(voltage transformer)를 일체형으로 형성함으로써 배전반의 설치면적의 축소 및 유지관리가 용이하여 매우 효율적이면서 경제적인 효과를 갖는다.

전자식 변성기, 로고스키코일, 저항분압방식, 스페이서

Description

배전급 22.9ｋＶ ＧＩＳ용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서 및 그 제조방법{EPOXY SPACER HAVING ELECTRONIC TRANSFORMER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

제 1도는 본 발명에 따른 스페이서의 단면을 도시한 개략단면도.

제 2도는 본 발명에 따른 실제 ECT, EVT몰딩 금형을 도시한 일실시예도.

제 3도는 본 발명에 따른 실제 ECT, EVT몰딩을 도시한 일실시예도.

제 4도는 본 발명에 따른 로고스키코일을 도시한 개략단면도.

제 5도는 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 최 외곽에 위치한 경우를 도시한 단면도.

제 6도는 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 내부에 위치할 경우를 도시한 단면도.

제 7도는 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 인서트 사이에 위치할 경우를 도시한 단면도.

제 8도는 본 발명의 실시 예에 따른 적분기의 회로도.

제 9도는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적분기의 회로도.

제 10도는 본 발명의 다른 실시 예 적분기 회로도에 따른 가상접지 회로도.

제 11도는 본 발명의 다른 실시 예 적분기 회로도에 따른 버퍼회로도.

제 12도는 본 발명에 따른 저항분압방식의 원리를 도시한 개략도.

제 13도는 본 발명의 실시 예 4에 따른 코로나 메쉬가 없는 경우를 나타낸 결과도.

제 14도는 본 발명의 실시 예 5에 따른 코로나 메쉬가 적용된 경우를 나타낸 결과도.

제 15도는 본 발명의 실시 예 6에 따른 고압부에 코로나 메쉬가 적용된 경우를 나타낸 결과도.

제 16도는 본 발명에 따른 스페이서내 EVT의 최종적인 형태를 나타낸 결과도.

제 17도는 본 발명에 따른 권선의 선형성 평가를 나타낸 다이어그램.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

1 : 스페이서 2 : 주회로 로드 3 : 인서트

4 : ECT(Electronic current transformer)

5 : EVT(Electronic voltage transformer)

21 : 리턴 코일 22 : 코어 23 : 코일

24 : 테프론 테잎 25 : 알루미늄 테잎 26 : 절연테잎

27 : 쉴드

본 발명은 배전급 22.9kV GIS용 전자식 변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자식 변성기인 ECT(Electronic current transformer)와 EVT(Electronic voltage transformer)를 탄성에폭시 스페이서에 일체형으로 내장하여 소형, 경량화시킨 스페이서에 관한 것이다.

전자식 변성기란 변성기 자체에 전자회로를 구비한다는 뜻과 마이크로프로세서 응용기기에 적합한 이란 두 가지 뜻을 내포하고 있다. 즉, 전자회로가 없는 로고스키코일도 전자회로는 없지만 마이크로프로세서 응용기기에 적합하므로 전자식 변성기로 분류할 수 있는 것으로, 한마디로 요약하면 기존의 변성기와 상대적인 변성기를 모두 통칭할 수 있으며, IEC규격에서는 Electronic voltage transformer(EVT), Electronic current transformer(ECT)라는 용어를 사용하고 있다.

전자식 변성기는 기존의 코어 타입의 변성기와 상대적인 개념으로 코어타입의 기존 변성기와 전자식 변성기의 큰 차이점은 부담과 출력신호 크기에 있으며,

코어타입 전류변성기의 출력은 보통 5[A] 또는 1[A]이며, 부담은 15[VA]부터 다양한 범위로 존재하고, 코어타입의 전압변성기의 출력전압은 대체적으로 110[V] 및 220[V]이며, 부담은 100[VA]부터 다양하다.

이와는 달리 전자식 전류변성기의 출력은 코어타입과는 다른 전압이며, 대표 적으로 22.5mV, 150mV, 220mV, 225mV 및 4V이며, 부담은 VA단위가 아니고 저항[Ω]단위로 표현되며, 전자식 전압변성기의 출력도 전압이지만 매우 작고 대표적으로 1.625V, 2V, 3.25V, 4V 및 6V이며, 코어타입에서 부담은 변성기가 출력할 수 있는 용량을 의미하지만 전자식 변류기에서 부담과 같은 개념인 저항은 연결할 전자기기의 최저 임피던스를 의미한다.

전자식 변성기의 출력은 크게 아날로그와 디지털이 있는데, 아날로그는 특별한 변환장치를 사용하지 않는 것으로, 이때 출력은 그대로 활용한 경우와 약간의 전자회로를 포함한 경우가 있으며, 디지털은 광케이블 등을 사용하여 통신으로 원격기기로 데이터를 송수신할 수 있다. 이와 같은 디지털 방식을 사용하기 위해서는 전자식 변성기 2차 측에 통신회로를 구성하는데, 특히 3상을 구성하여 전력을 측정하는 경우, 먼저 전압 및 전류 변성기에 각각에 대하여 3상을 구성하고, 그런 다음 IEC의 머지유닛(Merging unit)이나 IEEE의 중계장치(Intermediate Device)를 이용하여 한 개의 신호원으로 통일시킨 것을 사용하게 된다.

이와 같은 전자식 변성기의 특성은, 철심(Iron core)을 사용하지 않으므로 포화특성이 없고, 넓은 전류 및 전압 범위에서도 2차 특성이 선형적으로 나타나고, 소형, 경량이어서 배전반의 크기를 축소시킬 수 있고, 철공진을 발생시키지 않고, 2차 전류 및 전압에 대한 정확도가 높고, 전자식 계측기 및 계전기와 직접 연결이 가능하고, 한 개의 센서로 계측기 및 계전기 동시에 사용가능하고, 각종 장비들의 디지털화(digitalization)가 가능해지고, 설치가 용이하고, 기존의 제품과 비교해 권선이 잘못되어도 직접적인 피해를 입지 않으며, 2차 개로 및 단락시에도 높은 전 압이 유기가 되지 않아 감전 등의 위험이 감소되는 특성을 갖는다.

이와 관련된 송변전, 배전설비의 종합예술인 가스절연 개폐장치(GIS:Gas Insulated Switchgear)는 모든 주요기기의 설계 기술과 제조기술을 집대성한 시스템(System)으로서 이에 사용되는 스페이서는 SF₆ 가스(Gas)와 더불어 절연을 위한 핵심부품으로, 종래 GIS에 사용되는 CT, VT는 계전기의 동작 및 계측용으로 사용되고 있으며, 가스절연 개폐장치 자체에 내장되지 못하고 외부에 설치되어 설치면적을 확대시키는 문제점을 갖고 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 가스절연 개폐장치용 스페이서로 ECT 및 EVT를 스페이서 내부에 배치한 전자식변성기 내장형 스페이서를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서는,

가스절연 개폐장치 내부의 절연과 도체의 기계적인 지지 및 가스(gas)구획의 분리를 담당하는 것에 있어서,

중심부에 고정설치되어 GIS 케이스(case)의 밀폐공간에서 주회로 전류를 통전시키는 주회로 로드(Rod)(2)와,

그 주회로 로드(Rod)의 중심으로부터 원 형태로 일정간격 이격되어 설치된 다수의 스페이서 고정 인서트(insert)(3)와,

그 고정 인서트(insert)(3) 상부에 고정설치된 ECT(Electronic current transformer)(4)와,

고압저항(51)의 상부와 전계집중을 완화시키는 코로나메쉬(corona mesh)(53)상부가 조립되어 상기 주회로 로드(2)에 고정설치되고, 고압저항(51)의 하부와 코로나메쉬(corona mesh)(53)하부 및 저압저항(52)이 조립되어 출력단자(11)에 고정설치된 EVT(Electronic voltage transformer)(5)로써, ECT와 EVT를 일체로 내장되도록 구성됨으로써 달성된다.

그리고, 본 발명에 따른 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서의 제조방법은 에폭시 수지를 80 ~ 150℃로 예열한 후, 함침조에서 80℃ ~ 150℃의 온도와 0.1 ~ 5mbar의 진공상태에서 상기와 같이 구성된 스페이서의 베이스 금형에 주입하여 0.5kg/㎠ ~ 1.0kg/㎠의 압력을 가한 후 경화로로 이동시켜 80℃ ~ 150℃의 온도로 경화시켜 제조되는 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서의 제조방법을 통해 달성된다.

또한, 상기 주회로 로드(Rod)(2)는 GIS(Gas Insulated Switchgear) 케이스(Case)의 밀폐공간에서 상호 주회로 전류를 통전 시키는 기능을 하고,

상기 인서트(insert)(3)는 GIS 케이스에 조립시 고성시키며,

상기 ECT(Electronic current transformer)(4)는 로고스키 방식의 전자식 CT(current transformer)로서 GIS의 주회로 전류를 검출하여 배전반의 계측장치나 계전기 등에 검출된 1차 전류대비 2차 전압신호를 공급하고,

가장 안쪽부터 리턴 코일(Return coil), 코어(Core), 에나멜로 절연된 코일(Coil), 테프론 테잎, 알루미늄 테잎, 절연테잎, 쉴드(Shield)로 구성되며, 이와 같은 구성은 제작의 용이성을 위해 동축케이블의 내부도체를 리턴코일(Return coil)로, 절연체를 코어(Core)로 사용하였으며, 직경이 0.4mm인 에나멜선을 감고 알루미늄 테잎과 쉴드(Shield)로 구성된 로고스키코일로 이루어지고,

상기 코로나 메쉬(53)는 스페이서에서 고 전압을 검출하기위해 고압 측에 조립하여 연결한 고압저항의 고압 측에 전계가 집중되어 절연을 파괴하거나 코로나가 발생하여 부분방전에 의한 절연 파괴 등이 일어나는 것을 방지하기 위해 전계를 분산 분포시켜 전계 평활을 이루어 전계집중을 완화시키는 기능을 수행하고,

상기 EVT(Electronic voltage transformer)는 저항 분압방식의 전자식 VT(voltage transformer)로서 GIS의 주회로 전압을 검출하여 배전반의 계측장치나 계전장치 등에 검출된 주회로 전압신호를 공급하는 장치이고,

상기 출력단자(11)는 서로 간섭이 없도록 90°를 유지하도록 위치한 것을 특징으로 한다.

상기 스페이서 제조방법상의 예열 온도가 80℃이하인 경우에는 점도가 높아 베이스 금형에 수지가 침투하기 어렵고, 150℃ 이상인 경우에는 경화작용이 일어나 성형이 어려우므로 에폭시 수지를 80 ~ 150℃로 예열하는 것이 바람직하다.

이하, 상기한 구성을 더욱 구체적으로 살펴보기에 앞서, 본 발명의 도면을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 스페이서의 단면을 도시한 개략단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 실제 ECT, EVT몰딩 금형을 도시한 일실시예도이고, 도 3은 본 발명에 따른 실제 ECT, EVT몰딩을 도시한 일실시예도이고, 도 4는 본 발명에 따른 로고스키코일을 도시한 개략단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 최 외곽에 위치한 경우를 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 내부에 위치할 경우를 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 로고스키코일이 스페이서의 인서트 사이에 위치할 경우를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 적분기의 회로도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적분기의 회로도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시 예 적분기 회로도에 따른 가상접지 회로도이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시 예 적분기 회로도에 따른 버퍼회로도이고, 도 12는 본 발명에 따른 저항분압방식의 원리를 도시한 개략도이고, 도 13은 본 발명의 실시 예 4에 따른 코로나 메쉬가 없는 경우를 나타낸 결과도이고, 도 14는 본 발명의 실시 예 5에 따른 코로나 메쉬가 적용된 경우를 나타낸 결과도이고, 도 15는 본 발명의 실시 예 6에 따른 고압부에 코로나 메쉬가 적용된 경우를 나타낸 결과도이고, 도 16은 본 발명에 따른 스페이서내 EVT의 최종적인 형태를 나타낸 결과도이고, 도 17은 본 발명에 따른 권선의 선형성 평가를 나타낸 다이어그램이다.

ECT 설계 및 제작

ECT(electronic current transformer)는 비자기 코어(μ=μ₀)에 로고스키코일(RC)이 감겨있고, 여기에 적분기가 더해지게 되면 ECT로서의 기능을 갖게 되는 것이다. 물론 RC자체의 2차 특성만으로도 ECT로서 정의할 수는 있으나, 일반적으로는 적분기의 사용이 필수적이기 때문에 두 기기를 별도로 생각할 수는 없다.

로고스키코일의 출력전압은 다음과 같은 식 1, 2에 의해 구할 수 있다.

이와 같은 로고스키코일은 측정 정확도가 높고(1 ~ 3%), 넓은 전류 측정범위, 주파수범위(일반적으로 0.4Hz ~ 1MHz, 최대 200MHz까지 가능) 및 단락전류에 강하고, 구조가 단순하면서 소형이고, 1차 측 도체와 전기적으로 연결되어 있지 않고, 출력이 전압의 형태이므로 여러 측정장치와 디지털 보호 계전기를 구동할 수 있으며, 생산 가격이 저렴하다는 장점을 갖는다.

이와 같은 로고스키코일은 본 발명의 도 4에 도시된 바와 같이, 그 내부도체로 리턴 코일(Return coil)(21)이 사용되고, 그 외둘레로 절연체인 코어(Core)(22)를 형성하고, 그 코어 외둘레로 직경이 0.4mm인 에나멜로 절연된 코일(Coil)(23)을 형성하고, 그 외둘레로 테프론 테잎(24), 알루미늄 테잎(25), 절연테잎(26) 및 쉴드(Shield)(27)을 순차적으로 형성하여 이루진 것으로, 이와 같은 구성은 제작의 용이성을 위해 동축케이블의 내부도체를 리턴코일(Return coil)로, 절연체를 코어(Core)로 사용하였으며, 직경이 0.4mm인 에나멜선을 감고 알루미늄 테잎과 쉴드(Shield)를 사용하여 2중 차폐를 한 것이다.

본 발명에서 제시하고자 하는 ECT의 설계사양은 최대정격은 25.8kV 630A 60KV 60Hz 150kV BIL이고, 정격 1차 전류는 630A(continuous)이고, 정격 2차 전압은 180mV, Class 1, (150mV at 600A)이며, 이와 같은 출력특성은 IEC의 규격에서 정한 정격출력전압에서 국내 실정에 맞는 전압을 선택한 것이다.

이어서, 로고스키코일 위치에 따른 스페이서의 형상에 대해 살펴보도록 한다.

1. 로고스키코일이 스페이서의 최 외곽에 위치할 경우

도 5에 도시된 바와 같이, 로고스키코일(2)을 스페이서(1) 양 끝단(직경 296.6mm)에 맞춰 설계를 한 경우를 나타낸 것으로, 로고스키코일(2) 내경의 직경은 266.6mm이고, 외경의 직경은 296.6mm로 하여 EVT와 별도의 위치를 갖도록 하는 장 점이 있다.

2. 로고스키코일이 스페이서의 내부에 위치할 경우

도 6에 도시된 바와 같이, 로고스키코일(2)을 스페이서(1)의 인서트(3) 내부에 설계하였을 경우를 나타낸 것으로, 로고스키코일(2) 내경의 직경은 220mm이고, 외경의 직경은 250mm로 구성하는 것으로, 로고스키코일(2)이 내부에 위치함으로써 스페이서(1)의 두께변화 없이 로고스키코일(2)을 스페이서(1)에 내장가능하다는 장점을 갖는다.

3. 로고스키코일이 스페이서의 인서트(insert)사이에 위치할 경우

도 7에 도시된 바와 같이, 스페이서(1) 내부의 외함취부 인서트(3) 사이에 로고스키코일(2)이 내장되는 경우로, 로고스키코일(2) 내경의 직경은 255mm이고, 외경의 직경은 285mm로 구성하는 것으로,이며, 로고스키코일이 EVT와의 간섭이 전혀 없다는 장점을 갖는다.

이상에서 살펴본 로고스키코일 위치에 따른 ECT 출력특성 값은 다음과 같다.

표 2. ECT 출력특성 값

	1	2	3	상용제품
R0[mm]-코어내경	136.1	112.8	136.1/112.8	88.7
에나멜션 직경[mm]	0.4	0.4	0.13	0.31
코일소경,2r[mm]	9.4	9.4	9.4	6.7
n[turn/m]	2500	2500	7692	2900
L[mH]	0.45	0.37	4.26/3.51	0.35
R[Ω]	8.66	7.18	252/209	15.0
코일의 측정감도[mV/A]	0.082	0.082	0.252	0.048
정격전류에서의 출력[mV]	51.7	51.7	159	30.24

(*상용제품은 Chauvin Arnoux사 Amp Flex series A100이고, 표에 기재된 1은 로고스키코일이 스페이서의 최 외곽에 위치할 경우, 2는 로고스키코일이 스페이서의 내부에 위치할 경우, 3은 로고스키코일이 스페이서의 인서트(insert)사이에 위치할 경우를 의미한다.)

적분기 제작

적분기의 기본회로사양은 입력전압범위(Input Voltage Range)가 0.8mV ~ 2.0V이고, Operational Amplifiers Multiple이 20이며, 회로도는 도 8에 도시된 바와 같습니다.

도 8에 도시된 회로도는 하나의 실시 예에 따른 반전 증폭회로 두 개를 이용한 것으로, 처음 단에서 2배의 증폭, 두 번째 단에서 10배의 증폭을 하고 반전-반전이므로 출력은 비 반전 출력이 나오게 된다. R2나 R4의 저항을 가변저항으로 바꾸어 준다면 증폭배수를 조절해줄 수 있다.

도 9는 또 다른 실시 예에 따른 회로도로써, 비 반전 증폭회로로써 역시 처음 단에서 2배, 두 번째 단에서 10배의 증폭을 하게 된다. 일반적으로 적분기 및 증폭기 회로에서는 그라운드(ground)에 대한 문제가 중요시되고 있다. 이는 실험상으로는 접지가 가능하지만 실제 사용상에서는 접지를 하지 못하는 문제에서부터 시작된다. 이런 것을 극복하기 위해 가상접지(virtual ground)의 개념을 도입한다. 이는 용량이 큰 커패시터(capacitor)를 연결하여 일반 접지가 아닌 소자로 접지를 잡는 개념으로 이해하면 된다. 또한 접지를 하는 가장 큰 이유인 노이즈 문제에서도 능동적으로 대처를 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 발명에서 사용한 적분기 및 증폭기는 버퍼를 사용하여 안정적인 전원을 공급하고자 한다. 도 10 및 도 11은 가상접지 회로와 버퍼회로를 나타내었으며, 최종적으로는 가상접지회로, 버퍼회로, 적분기, 증폭기 회로(적분기)가 복합적으로 구성이 되도록 하였다.

EVT 설계 및 제작

본 발명에서는 EVT는 저항분압방식을 이용해서 설계하였으며, 그 설계의 원리는 도 12에 도시된 바와 같다.

저항분압방식을 이용하기 위한, 저항 분압기는 줄열에 대해 내성이 있어야 하고, 내전압특성(상용주파 내전압, 임펄스 내전압)에 대해서도 견디는 특성을 보여야 하기 때문에 일반저항이 아닌 박막(thin film)형태로 제작하였으며, 무-유도성(non-inductive)의 재질을 사용하여 열적으로도 안정하다. 하지만 저항자체적으로 고전압 및 열적으로 더 큰 문제점은 스페이서 내에 내장이 될 경우 도체와 외함간에 인가되는 전계에 대해 저항과 에폭시와의 계면에서 발생할 각종 절연적인 문제의 해결이다. 따라서 본 발명에서의 EVT설계는 기본적으로 도 12에 도시된 바와 같이 제작을 하여, 에폭시내에 주형이 될 경우 저항에게 미칠 전계를 최소화시킬 수 있도록 한다.

이에 따른 설계 사양으로는 최대정격이 25.8kV 630A 60KV 60Hz, 150kV BIL이고, 정격 1차 전압을 22900V/√3로 하고, 정격 2차 전압을 2.29/√3, Class 1로 하고, 2차측 내압을 AC 2kV/1min, 5kV(1.2/50㎲)로 한다.

저항의 크기는 고압저항일 때 9dia.[mm] × 45[mm] long, 저압저항일 때 5dia.[mm] × 15[mm] long로 한다.

전계해석은 우선 저항의 길이에 따른 코로나메쉬(corona mesh)의 사이즈(size)를 구하고, 고압저항 및 저압 저항에 코로나메쉬(corona mesh)의 취부 여부에 대한 전계해석과 코로나메쉬(corona mesh)의 끝단의 형태가 변할 경우에 저항에 미치는 전계의 효과를 보고, 최종 모델을 선정한다.

상기 코로나메쉬(corona mesh)에 따른 전계해석은 다음과 같다.

1. 코로나 메쉬가 없는 경우

도 13은 코로나메쉬(corona mesh)가 저항에 없는 경우의 전계해석 결과를 나타내고 있다. 도 13에 도시된 바를 살펴보면 전계가 집중되는 부분은 고압저항의 저압부에서 나타나고 있으며, 전계가 고압저항에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다. 이렇게 된다면 고압저항은 에폭시 사이에 전계가 집중이 되게 되어 미소한 크랙이 발생하게 되어 특성에 많은 문제점이 발생한다. 이때, 최대전계값은 0.64kV/mm로 나타났다.

2. 고압부에 코로나메쉬 ( Corona mesh ) 적용( edge :Φ1 mm )

도 14는 고압저항에 끝부분이 지름 1mm인 코로나메쉬(corona mesh)가 취부 되어있는 상태에서의 전계분포를 나타내고 있다. 최대전계 지점은 코로나메쉬(corona mesh) 끝단 사이에 집중이 되어 있으며, 최대 전계값은 3.3kV/mm였다. 이것은 코로나메쉬(corona mesh)가 없는 경우의 전계분포와 비교해 최대 전계값은 증가를 하였지만, 저항에 미치는 전계에 대해 그 일부를 코로나메쉬(corona mesh)가 보호해준다는 것을 확인할 수 있다. 이로써, 코로나메쉬(corona mesh)가 저항값에 미치는 전계의 효과를 저감시켜 내전압 특성을 높여주는 효과를 보인다고 할 수 있겠다.

3. 고압부에 코로나메쉬( corona mesh )( edge : round )

도 15는 끝단이 라운드(round)형태의 코로나메쉬(corona mesh)가 취부되어 있는 고압 저항의 전계 분포를 나타내고 있다. 끝단이 라운드(round)형상이므로 최대 전계값은 2.2kV/mm로 끝단이 1mm일 때 최대 전계 값보다 작게 나타났다. 따라서 최종적인 결론은 고압부 저항에는 코로나메쉬(corona mesh)를 취부를 하되, 끝단은 라운드(round)처리를 하여 전계를 완화시켜 주어야 한다는 것이다.

상기한 내용을 그 근거로 하여 2차 측에 쉴드(shield) 취부된 모델은 저항 분압기의 출력은 2차 저항에 의해 조절이 된다. 따라서 2차 저항이 노이즈 등에 민감하게 반응한다면 출력에 영향을 끼칠 수 있으므로, 이를 보호하기 위하여 2차측에 노이즈 대책을 쉴드(shield)를 취부 하였다. 그 형상 및 전계해석 결과는 도 16에 도시된 바와 같다. 또한 2차 측 쉴드(shield)는 주형시에 2차 저항을 고정시킬 수 있도록 설계가 되었으며, 출력단자에 대한 고정 기능도 병행을 하고 있다.

이와 같은 전계해석의 결과는 EVT의 최종적인 형태는 도 16에서와 같이 고압부에 코로나메쉬(corona mesh)를 취부하고 저압저항에 노이즈(noise) 대책용 쉴드(shield)를 취부한 형태이다. 전계 분포에서 알 수 있듯이 전계가 2차 저항에 영향을 끼치는 것을 쉴드(shield)가 차단을 해주고 있으며, 이와 같은 비교는 도 15과 도 16을 비교 확인함으로써 가능하다. 이런 효과로 외부에서 유입되는 노이즈(noise)에 대해서도 차단을 해줄 것으로 사료가 되며, 이것이 2차 출력의 정확도를 높여줄 것이다.

상기와 같은 과정을 거친 후 최종적인 스페이서 내장형 ECT 및 EVT 최종 선정 모델은 도 1에 도시된 바와 같다.

도 1은 본 발명에서 설계하고 제작한 ECT 및 EVT를 스페이서내에 내장한 최종적인 모습을 보여주고 있다. ECT 및 EVT의 스페이서 내장시에는 고려해야할 사항이 있는데, 그것은 우선적으로 ECT와 EVT가 서로 중복되거나 교차하지 말아야 하며, 주형시 고정이 용이하여야 하며, 서로 2차 특성에 방해가 되지 않아야 하며, 전기적으로 안정성을 유지해야 한다는 것이다. 따라서 현시점에서 가장 이상적인 모델로서 위와 같이 선정을 하였다. 하지만 ECT가 스페이서 고정 인서트(insert) 사이에 취부가 되어야 하므로 스페이서의 두께가 20mm 키워져 금형을 수정해야하는 단점이 있긴 하지만, 이 형태가 가장 이상적인 것으로 사료된다.

이와 같은 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서의 제조를 실시 예를 통해 보다 구체적으로 살펴보면,

실시 예 1

에폭시 수지를 80℃로 예열한 후, 함침조에서 80℃의 온도와 0.1 mbar의 진공상태에서, 중심부에 고정설치되어 GIS(Gas Insulated Switchgear) 케이스(case)의 밀폐공간에서 주회로 전류를 통전시키는 주회로 로드(Rod)(2)와, 그 주회로 로드(Rod)의 중심으로부터 원 형태로 일정간격 이격되어 설치된 다수의 스페이서 고정 인서트(insert)(3)와, 그 고정 인서트(insert)(3) 상부에 고정설치된 ECT(Electronic current transformer)(4)와, 고압저항(51)의 상부와 전계집중을 완화시키는 코로나메쉬(corona mesh)(53) 상부가 조립되어 상기 주회로 로드(2)에 고정설치되고, 고압저항(51)의 하부와 코로나메쉬(corona mesh)(53)하부 및 저압저항(52)이 조립되어 출력단자(11)에 고정설치된 EVT(Electronic voltage transformer)(5)로써, ECT와 EVT를 일체로 내장되어 구성된 스페이서의 베이스 금형에 주입하여 0.5kg/㎠의 압력을 가한 후 경화로로 이동시켜 80℃의 온도로 경화시켜 제조한다.

실시 예 2

에폭시 수지를 100℃로 예열한 후, 함침조에서 100℃의 온도와 3 mbar의 진공상태에서, 중심부에 고정설치되어 GIS(Gas Insulated Switchgear) 케이스(case)의 밀폐공간에서 주회로 전류를 통전시키는 주회로 로드(Rod)(2)와, 그 주회로 로드(Rod)의 중심으로부터 원 형태로 일정간격 이격되어 설치된 다수의 스페이서 고정 인서트(insert)(3)와, 그 고정 인서트(insert)(3) 상부에 고정설치된 ECT(Electronic current transformer)(4)와, 고압저항(51)의 상부와 전계집중을 완화시키는 코로나메쉬(corona mesh)(53) 상부가 조립되어 상기 주회로 로드(2)에 고정설치되고, 고압저항(51)의 하부와 코로나메쉬(corona mesh)(53)하부 및 저압저항(52)이 조립되어 출력단자(11)에 고정설치된 EVT(Electronic voltage transformer)(5)로써, ECT와 EVT를 일체로 내장되어 구성된 스페이서의 베이스 금형에 주입하여 0.8kg/㎠의 압력을 가한 후 경화로로 이동시켜 100℃의 온도로 경화시켜 제조한다.

실시 예 3

에폭시 수지를 150℃로 예열한 후, 함침조에서 150℃의 온도와 5 mbar의 진공상태에서, 중심부에 고정설치되어 GIS(Gas Insulated Switchgear) 케이스(case)의 밀폐공간에서 주회로 전류를 통전시키는 주회로 로드(Rod)(2)와, 그 주회로 로드(Rod)의 중심으로부터 원 형태로 일정간격 이격되어 설치된 다수의 스페이서 고정 인서트(insert)(3)와, 그 고정 인서트(insert)(3) 상부에 고정설치된 ECT(Electronic current transformer)(4)와, 고압저항(51)의 상부와 전계집중을 완화시키는 코로나메쉬(corona mesh)(53) 상부가 조립되어 상기 주회로 로드(2)에 고정설치되고, 고압저항(51)의 하부와 코로나메쉬(corona mesh)(53)하부 및 저압저항(52)이 조립되어 출력단자(11)에 고정설치된 EVT(Electronic voltage transformer)(5)로써, ECT와 EVT를 일체로 내장되어 구성된 스페이서의 베이스 금형에 주입하여 1.0kg/㎠의 압력을 가한 후 경화로로 이동시켜 150℃의 온도로 경화시켜 제조한다.

본 발명에 따라 제작된 ECT 및 EVT의 시험결과는 다음과 같다.

ECT 시험

ECT는 최종적인 모습이 인서트(insert)사이에 취부가 되어야 하기 때문에 총길이에 848mm이고 내경이 255mm이고, 외경이 285mm였다. 하지만 실제적으로 주형시에 사용된 로고스키코일(RC)의 크기는 외경이 280mm, 내경이 260mm로 제작이 되었다. 이는 주형시에 에폭시와의 계면을 절연적으로 안정화시키기 위해 간단한 코일 절연층을 제외를 하고 제작을 하여 코일의 전체 두께가 얇아진 결과이다. 이 조건을 토대로 본 발명에서 기 제작된 ECT의 출력결과를 아래와 같이 나타내었다.

1. 시험설비 및 규격

표 3. 시험장치 규격( Specification of test equipment )

품명	규격
전류 허부하 장치	입력:AC22V, 출력: 0 - 2000A
Multimeter	Portable multimeter
버니어 켈리퍼스	Digital type
Double Bridge	Analog meter
LCR 메터	Digital(PM 6304)

2. 기본 특성 측정

표 4. 로고스키코일 측정결과( Measurement result of designed RC)

구분	이론치	측정결과	비고
코아내경(㎜)	내측: 260	내측: 260	-1 ㎜
코일직경(㎜)	0.4	0.42	+2㎜
코아두께(㎜)	9.4	9.4	일치
턴수	2,100	2,110	+10 턴(turn)
L(mH)	0.42	0.41	-0.01
직류저항(Ω)	8.27	8.46	+0.19Ω
전류감도(mV/A)	0.082	0.084	+0.002
정격출력 전압(mV)	51.66/630A	53.30/630A	+1.64

상기 표4의 로고스키코일의 기본 특성의 측정결과를 나타낸 것으로, 코일의 측정감도 즉, mV/A는 0.0806으로서 이론치에 -0.0104의 값을 나타내었다. 이것은 코일의 인덕턴스의 변화 및 감은 턴수의 저하 등의 원인으로부터 비롯된 것이다. 하지만 적분기에서 충분한 보상이 가능한 값이므로, 로고스키코일의 출력의 정확도에는 큰 영향을 끼치지는 않는다.

3. 전류 특성 및 선형성 평가

표 5. 출력전압 측정결과( Output test result )

1차 전류 [A]	2차 전압 [mV]	1차 전류 [A]	2차 전압 [mV]	1차 전류 [A]	2차 전압 [mV]	1차 전류 [A]	2차 전압 [mV]
10	0.84	180	-	360	30.24	540	-
30	-	200	16.82	380	-	560	47.29
50	4.22	220	-	400	33.60	580	-
70	-	240	-	420	-	600	50.77
90	-	260	21.85	440	36.95	620	-
100	8.40	280	-	460	-	630	53.30
120	-	300	25.20	480	-	650	-
140	-	320	-	500	-	660	-
160	13.45	340	28.56	520	41.96	680	57.51

상기 표 5와 관련하여, 도 17에 도시된 바와 같이, 입력전류를 증가시키면서 로고스키코일(RC)의 출력전압을 측정한 결과로서, 입력전류의 증가에 따라 출력전압의 선형적으로 증가를 하는 것을 확인할 수 있다. 기존 계기용 변류기에서는 정격전류의 20배 전류에서 포화상태가 되어 오차가 나타나는 특성이 2000A 이상의 전류는 인가가 불가하므로 본 발명에서도 완전한 선형성을 파악하기는 부족한 면이 있다. 그러나 로고스키코일의 특성상 선형성에 대한 문제는 크게 고려 대상이 아닌 것이다.

EVT 시험

1. 치수 측정

치수 측정결과 설계치와 실측치는 다음과 같은 결과를 나타내었다. 이는 저항의 외부에 형성되어 있는 표면 절연층(에폭시)의 주형 때문에 발생하는 것이며, 오차는 스페이서내의 공간에서 허용되는 값에 해당한다.

표 6. 디멘젼 테스트(Dimension test)

저항	설계치[mm]	실측치[mm]	오차[mm]
고압저항	9 dia., 45 long	9.95 dia., 44.87 log	dia.: +0.95 length : -0.13
저압저항	5 dia., 15 long	5.51 dia., 15.63 long	dia.: +0.51 length : +0.63

2. 출력특성 측정

고압 및 저압 저항의 저항값과 실제 전압을 인가하였을 때 나타나는 출력전압은 다음과 같다.

표 7. 출력전압 측정결과( Result of output measurement test )

		저항특성			출력특성(10000:1)
		설계치 [Ω]	측정치 [Ω]	오차 [Ω]	입력전압 [V]	출력전압(V)
						정격	측정치	오차
시료 1	고압저항	600M	601.7M	1.7M	13,200	1.32 (±0.0132)	1.3205	+0.0005
	저압저항	60K	60.2K	0.2K
시료 2	고압저항	600M	599.9M	-0.1M	13,200	1.32 (±0.0132)	1.329	+0.009
	저압저항	60K	60.4K	0.4K

상기 표 7에서 보는 바와 같이, 시료 1 및 2에 대해 1.7MΩ과 -0.1MΩ의 오차를 보였으며, 저압저항은 0.2kΩ과 0.4kΩ의 오차를 나타내었다. 출력특성은 현 EVT의 정격 사용 전압인 13,200를 인가하였을 때 2차 출력이 +0.0005와 0.009로서 허용오차인 ±0.0132에 모두 만족하는 결과를 나타내었다.

스페이서 시험결과

최종적으로 ECT 및 EVT 내장 스페이서의 시험 결과는 다음과 같다.

표 8. ECT 및 EVT 내장 스페이서 시험 결과

항목	단위	시험결과	시험방법
내전압강도	kV/㎟	20	KSM3015 JISK6911
인장강도	kg/㎠	900
유리전이온도(Tg)	℃	115
내전압시험	kV	60
부분방전(PD) 시험	PC	21	IEEE 60044
ECT 정밀도 시험	CL	0.2
EVT 정밀도 시험	CL	0.2

이와 같이 본 발명에 따른 스페이서는 설치면적의 최소화 및 친 환경적이며, 고 신뢰성 및 안정성을 제공하고, 전계집중을 방지할 수 있는 전계평활구조와 내열성 및 부분방전(PD)저감기술을 적용함으로써 내전압강도, 인장강도, 유리전이온도(Tg), 내전압시험, 부분방전(PD)특성이 우수하고, 또한 전자식 변성기 일체형 스페이서는 ECT, EVT정밀도에서도 우수하며, 스페이서와 별도로 설치 관리하고 있는 CT(current transformer) 및 VT(voltage transformer)를 일체형으로 제조함으로써 배전반의 설치면적의 축소 및 유지관리가 용이하여 매우 효율적이면서 경제적인 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 가스절연 개폐장치 내부의 절연과 도체의 기계적인 지지 및 가스(gas)구획의 분리를 담당하는 것에 있어서,

   중심부에 고정설치되어 GIS(Gas Insulated Switchgear) 케이스(case)의 밀폐공간에서 주회로 전류를 통전시키는 주회로 로드(Rod)(2)와,

   그 주회로 로드(Rod)의 중심으로부터 원 형태로 일정간격 이격되어 설치된 다수의 스페이서 고정 인서트(insert)(3)와,

   그 고정 인서트(insert)(3) 상부에 고정설치된 ECT(Electronic current transformer)(4)와,

   고압저항(51)의 상부와 전계집중을 완화시키는 코로나메쉬(corona mesh)(53)상부가 조립되어 상기 주회로 로드(2)에 고정설치되고, 고압저항(51)의 하부와 코로나메쉬(corona mesh)(53)하부 및 저압저항(52)이 조립되어 출력단자(11)에 고정설치된 EVT(Electronic voltage transformer)(5)로써, ECT와 EVT를 일체로 내장한 것을 특징으로 하는 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 출력단자(11)는 서로 간섭이 없도록 90°를 유지하도록 위치한 것을 특징으로 하는 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서.
4. 에폭시 수지를 80 ~ 150℃로 예열한 후, 함침조에서 80℃ ~ 150℃의 온도와 0.1 ~ 5mbar의 진공상태에서 제 1항에서와 같이 구성된 스페이서의 베이스 금형에 주입하여 0.5kg/㎠ ~ 1.0kg/㎠의 압력을 가한 후 경화로로 이동시켜 80℃ ~ 150℃의 온도로 경화시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 배전급 22.9kV GIS용 전자식변성기 내장형 탄성에폭시 스페이서의 제조방법.

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