KR100952072B1 - 피뢰기용 단로기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피뢰기용 단로기에 관한 것으로서, 국제규격인 IEC 60099-4에서 규정하는 보다 넓은 범위의 피뢰기용 단로기를 적용할 수 있는 5kA급 피뢰기용 단로기를 포함한 10kA급 이상의 피뢰기용 단로기를 제공하는 것이다.

본 발명은 화약 외피의 상부에 갭을 포함하고 있는 방열체을 삽입하여 방열체 사이에 갭 단자가 형성되도록 구성함으로써, 갭 단자에서 방전이 일어나더라도 직접 화약 외피의 온도를 상승시키는 것이 아니라 1차적으로 화약이 점화할 수 있는 임계온도까지 방열체의 온도가 상승하고, 방열판의 온도가 다시 간접적으로 화약 외피의 온도를 상승시킴으로 IEC 60099-4의 규격에 따라 분류된 피뢰기의 특성별 단로기의 요건을 충족할 수 있는 성능을 갖는다는 장점이 있다.

단로기, 피뢰기

Description

피뢰기용 단로기{A Disconnector For Arrester}

본 발명은 배전계통 선로에 사용되는 피뢰기(Arrester)의 접지측 단자에 연결되는 피뢰기용 단로기(Disconnector)에 관한 것이다.

피뢰기는 일반적으로 비선형성 전압(V)-전류(I) 특성을 가지는 산화아연 바리스터(ZnO Varistor)가 내장되어, 각종 배전기자재와 전기전자기기 등의 피 보호기기와 병렬로 연결되어 선로의 정상 운전전압에서는 고 저항체(절연체)로 작용하여 대지에 대하여 누설전류를 차단하고, 뇌(Surge) 또는 회로 개폐에 의한 과전압과 같은 선로에 비정상적인 과도 전류 유입 시 저 저항체(도체)로 작용하여 피 보호기기가 절연 파괴에 이르지 않도록 대지로 과도전류를 흘려 보호할 뿐만 아니라 안정되고 품질 좋은 전력을 공급하기 위해 사용된다.

한편, 피뢰기는 항상 배전계통 선로의 운전 전압이 인가되어 수십 ㎂ ∼ 수 mA의 누설전류가 흐르게 되며, 이러한 지속적인 전기적 스트레스에 의해서 피뢰기의 산화아연 바리스터가 열화가 된다든지, 피뢰기에 용량 이상의 고장전압이 인가된다든지, 혹은 피뢰기 하우징 내로 수분이 침투하여 절연이 파괴가 된다든지 하는 피뢰기로서의 기능이 소멸될 경우, 지락전류 사고로서 배전계통 선로의 손상을 초 래하게 되는데, 피뢰기에 흐르는 누설전류가 고장전류로서 일정 값 이상이 되면 피뢰기를 계통에서 자동적으로 분리하여 피뢰기에 의한 전력계통사고(지락사고)를 미연에 방지할 수 있고 사고의 식별을 용이하게 할 수 있는 장치가 단로기이다.

피뢰기용 단로기의 일반적인 회로 구성은 피뢰기 본체의 아래측에 접속하는 단자와 접지측에 전기적으로 연결되는 단자 사이에 저항체와 스파크 갭이 병렬로 연결된 회로구성을 가진다. 피뢰기용 단로기의 동작특성은 누설전류가 정상적으로 흐를 경우에는 단자(5), 저항체(2), 화약조립체(4)를 통해서 전류가 흐르며, 피뢰기에 뇌, 서어지(Surge) 등의 뇌격 전류가 순간적으로 흐를 경우에는 저항체를 통하지 않고 플러그(5) 하부의 갭단자(6), 화약외피(3), 화약조립체(4)를 통해서 전류가 흐르게 된다. 한편, 피뢰기의 열화 등으로 누설전류가 증가하여 수 ms의 장시간동안 수 A 이상이 흐를 경우에는 저항의 단자 전압이 갭의 단자 방전전압보다 높게 지속되어 방전에너지에 의한 발열로 화약 외피의 온도를 상승시켜 화약이 폭발하도록 구성되어 있다.

피뢰기는 종류와 분류는 국제규격인 IEC 60099-4에 의하면 아래의 표와 같이 공칭방전전류(Nominal discharge current)의 크기와 선로방전등급(Line discharge class) 따라 분류가 된다.

이러한 분류는 각 피뢰기가 적용되는 송·배전 및 발·변전 계통에서 발생하는 뇌 또는 회로 개폐에 의한 과전압 등의 비정상적인 과도 전류의 크기가 달라짐에 의한 것이다.

보다 상세하게 설명하기 위하여 국제규격인 IEC 60099-4에서 규정된 각 피뢰기 등급별에 따른 장시간충격전류 및 대전류를 아래의 표와 같이 정리하였다.

상기의 표에 나타낸 바와 같이 장시간충격전류(Long-duration current impulse)의 경우 각 피뢰기의 등급에 따라 전류의 파형과 피뢰기가 흡수할 수 있는 전류의 크기가 다르며, 대전류(High current impluse) 특성 또한 다르다. 즉, 송·배전 및 발·변전 계통에 따라 발생되는 뇌, 서어지(Surge)의 에너지가 다르다는 것이다. 현재에 상용되고 있는 피뢰기용 단로기는 배전계통의 5kA급 피뢰기의 단로기이며, 이 단로기를 10kA급 이상의 피뢰기에 적용시 피보호기기를 보호하기 위한 피뢰기의 동작영역, 즉, 장시간충격전류내력(Long-duration current impulse withstand) 및 대전류충격내력(High current impulse withstand)에서 단로기가 동 작하는 문제점이 있다.

본 발명은 국제규격인 IEC 60099-4에서 규정하는 보다 넓은 범위의 피뢰기용 단로기를 적용할 수 있는 5kA급 피뢰기용 단로기를 포함한 10kA급 이상의 피뢰기용 단로기를 제공하는 것이다.

본 발명자는 상기에서 언급한 현재에 상용되고 있는 배전계통의 5kA급 피뢰기용 단로기의 특성을 보완하기 위해서, 즉, 장시간충격전류내력(Long-duration current impulse withstand)과 대전류충격내력(High current impulse withstand)을 향상시키기 위해서 화약이 내장된 화약 외피와 직접적으로 갭 단자가 형성되지 않고, 화약 외피의 상부에 상부갭과 일정한 갭을 유지하고 있는 방열체을 삽입하여 방열체 위에 갭 단자가 형성되도록 구성함으로써, 갭 단자에서 방전이 일어나더라도 직접 화약 외피의 온도를 상승시키는 것이 아니라 1차적으로 화약이 점화할 수 있는 임계온도까지 방열체의 온도가 상승하고, 방열판의 온도가 다시 간접적으로 화약 외피의 온도를 상승시킴으로 IEC 60099-4의 규격에 따른 각 피뢰기별 단로기의 요건을 충족하도록 구성한 것이다.

본 발명은 화약 외피의 상부에 갭을 포함하고 있는 방열체를 삽입하여 방열체 사이에 갭 단자가 형성되도록 구성함으로써, 갭 단자에서 방전이 일어나더라도 직접 화약 외피의 온도를 상승시키는 것이 아니라 1차적으로 화약이 점화할 수 있는 임계온도까지 방열체의 온도가 상승하고, 방열판의 온도가 다시 간접적으로 화약 외피의 온도를 상승시킴으로 IEC 60099-4의 규격에 따라 분류된 피뢰기의 특성별 단로기의 요건을 충족할 수 있는 성능을 갖는다는 장점이 있다.

본 발명의 피뢰기용 단로기는 피뢰기와 결합할 수 있는 상부단자가 삽입된 상부 몸체와 접지선을 결합할 수 있는 하부단자가 결합된 하부 몸체를 포함하는 부도체인 몸체, 상부단자와 전기적으로 결합되고 방열체(하부갭)와 일정한 갭 단자(A)를 유지할 수 있도록 발명된 상부갭, 상부갭과 일정한 갭 단자(A)를 유지할 수 있고 화약소자에 직접적으로 열을 전달하도록 발명된 방열체(하부갭), 상기의 방열체(하부갭)와 전기적으로 연결되는 화약이 내장된 화약외피가 내부에 삽입된 도체의 화약 조립체, 상기의 상부갭 및 방열체(하부갭), 그리고 화약 조립체의 배열을 유지할 수 있고 저항체를 삽입하여 상부갭과 방열체(하부갭)에 의해 유지되는 갭 단자(A)와 전기적으로 병렬로 연결할 수 있도록 발명된 절연체를 포함하는 데, 상기의 방열체(하부갭)는 상부갭과 갭 단자(A)를 유지시킬 뿐만 아니라 갭 단자에서 방전 시 화약소자의 온도를 상승을 제어할 수 있는 방열체 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 피뢰기용 단로기를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 피뢰기용 단로기의 분리 사시도이며, 도 3은 도 2의 피뢰기용 단로기의 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 피뢰기용 단로기는 크게, 피뢰기와 결합할 수 있는 상부단자(11)가 삽입된 상부 몸체(10a)와 접지선을 결합할 수 있는 하부단자(12)가 결합된 하부 몸체(10b)를 포함하는 부도체인 몸체(10), 상부갭(13) 및 방열체(하부갭)(14), 그리고 화약 조립체(16)의 배열을 유지할 수 있고 저항체(17)를 삽입하여 상부갭(13)과 방열체(하부갭)(14)에 의해 유지되는 갭 단자(A)와 전기적으로 병렬로 연결할 수 있도록 발명된 절연체(18)를 포함한다. 부도체인 몸체(10)와 절연체(18)는 바람직하게는 열경화성 수지인 페놀 수지를 사용되지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

절연체(18)의 상부에 결합되는 상부갭(13)은 상기 상부 몸체(10a)의 상부단자(11)와 전기적으로 결합되어 있다. 또한 방열체(하부갭)(14)는 절연체(18)의 내부에 삽입되어 상부갭(13)과 일정한 갭 단자(A)를 유지할 수 있도록 결합되어 있다.

한편, 상기 방열체(하부갭)(14)와 전기적으로 연결된 화약외피(15)는 그 내부에 화약이 내장되어 있다. 화약 외피(15)는 화약 조립체(16) 내에 삽입되어 있으며, 상기 화약 외피(15)와 화약 조립체(16)는 전기적으로 연결되어 있다. 상기의 화약 조립체(16)는 절연체(18)의 하부에 결합되어 있으며, 상기의 하부 몸체(10b)의 하부단자(12)와 전기적으로 결합되어 있다.

또한 저항체(17)는 절연체(18)의 내부에 삽입되어 있으며. 상부갭(13)의 상부와 화약 조립체(16)의 하부에 전기적으로 연결되어 상부갭(13)과 방열체(하부갭)(14)에 의해 유지되는 갭 단자(A)와 전기적으로 병렬로 연결하도록 되어 있다. 피뢰기의 정상 운전 상태의 경우에 피뢰기와 결합된 상부단자(11), 상부갭(13)과 저항체(17)를 통해서 흐른 누설전류는 하부단자(12) 통해서 대지로 흐르게 되어 있다.

상기 방열체(하부갭)(14)는 상부갭(13)의 일측과 갭 단자(A)를 이루며, 상기의 갭 단자(A)에서 방전 시 화약외피(15)의 온도를 상승을 제어할 수 있는 방열체로 되어 있다. 즉, 화약외피(15)와 접촉되어 있는 방열체(하부갭)(14)는 상부갭(13)과 직접적으로 스파크 갭 단자(A)를 이루고 있으며, 이에 따라 스파크 갭 단자(A)에서 방전이 일어나더라도 직접 화약 외피(15)의 온도를 상승시키는 것이 아니라 1차적으로 화약이 점화할 수 있는 임계온도까지 방열체의 온도가 상승하고, 방열판의 온도가 다시 간접적으로 화약 외피(15)의 온도를 상승시킴으로 IEC 60099-4의 규격에 따른 단로기의 요건을 충족하도록 구성한 것이다.

상기 상부 몸체(10a)와 하부 몸체(10b)는 초음파 용착(19)에 의해서 결합되는 데, 식별부호 19는 용착선을 나타낸다. 초음파 용착에 의해서 용착선(19)의 플라스틱이 용융됨으로써 외부로부터 습기로 인한 흡습을 방지하기 위해서 상부 몸체(10a) 및 하부 몸체(10b)가 틈이 없이 단단히 결합되는 것이다.

본 발명의 단로기의 동작 원리를 보다 상세히 설명하기로 한다.

피뢰기는 단로기를 통하여 접지로 연결된다. 단로기는 피뢰기의 성능이 비정상적이면, 즉 외부에 의한 요소 또는 장기적인 전기적 스트레스에 의해 피뢰기가 고장상태이면 단로기가 동작하여(disconnecting) 피뢰기는 선로에서 분리되어 전력계통사고(지락사고)를 방지한다.

본 발명의 단로기는 저항체(17)와 병렬로 연결된 스파크 갭 단자(A)는 상부갭(13)의 일측과 방열체(하부갭)(14) 사이에서 이루어진다. 단로기의 주요 동작 원리는 갭 단자(A)의 방전이 일어나지 않는 경우와 일어나는 경우를 분리하여 보다 상세하게 설명할 수 있다.

피뢰기의 정상 운전시(일상적인 동작 영역) 피뢰기 내부에 흐르는 수십∼수백㎂의 누설전류는 단로기 내부로 유입되어 저항체(17)를 통해 흐르게 된다. 이때 갭 단자에 병렬로 연결된 저항체(17)의 단자 전압이 스파크 갭 단자(A)의 방전 전압보다 적어 스파크 갭 단자(A)는 방전이 발생되지 않고 단지 저항체(17)를 통해서 피뢰기의 누설전류가 대지로 흐른다.

또한 피뢰기의 보호 동작 운전시(외부의 이상 전류 발생에 의한 동작 영역) 피뢰기의 내부에 흡수된 수백 A의 장시간충격전류(Long-duration current Impulse) 또는 수십∼수백 kA의 뇌, 서어지(Surge)가 단로기 내부로 유입되어 저항체(17)를 통해서 흐르게 될 때, 저항체(17)의 양단에 전압이 상승하게 되다. 이때 병렬로 연결된 스파크 갭 단자(A)의 양단에도 이러한 전압이 동일하게 인가되어 갭 단자(A) 사이에 방전(아크)이 발생되는데, 이때 발생되는 스파크의 방전에너지는 화약에 전달되는 에너지가 화약의 폭발 에너지보다 적은 경우이며, 피뢰기에 뇌, 서어지(Surge) 등의 뇌격 전류는 스파크 갭 단자(A)를 통과하여 대지로 스며드는 경우이다. 이때에는 정상적으로 동작하여야 함으로 단로기는 동작하지 않아야 한다. 즉, 폭발되지 않아야 한다. 여기서 주목할 점은 상기에서 설명된 바와 같이 각 피뢰기 등급에 따라 적용되는 장시간충격전류(Long-duration current Impulse) 및 뇌, 서어지(Surge) 전류는 크기와 파형이 다르며, 그에 따라 피뢰기의 갭 단자에 방전되는 에너지가 다르다는 것이다. 따라서 종래의 단로기는 5kA 피뢰기용의 서어지(Surge) 특성에 맞게 설계되어 있으며, 10kA급 이상의 피뢰기에 적용 시 피뢰기의 보호 동작 운전시(외부의 이상 전류 발생에 의한 동작 영역)에서도 동작하는, 즉 폭발하는 단점을 가지고 있으며, 정상적으로 적용할 수 없었다. 하지만 본 발명된 단로기의 특징은 갭 단자(A)와 화약 외피(15) 사이에 방열체(14)가 직렬로 연결되어 있다는 점이다. 따라서, IEC 60099-4에서 규정하는 각 피뢰기의 등급 따른 장시간충격전류(Long-duration current Impulse) 및 대전류(High current impulse)가 단로기에 인가되어 스파크 갭 단자(A)(상부갭(13)의 일측과 방열체(하부갭)(14) 사이)에서 방전이 일어나더라도 방열체에 온도가 상승하다가 냉각되어 화약에 전달된 온도는 점화에 필요한 에너지 보다 낮은 온도로서, 화약은 폭발하지 않게 된다.

한편, 피뢰기의 성능이 비정상적으로 동작함으로써 발생되는 수십 A에서 수백A의 고장전류는 단로기 내부로 유입되어 저항체(17)를 통해 흐르게 될 때는. 갭 단자(A) 사이에 방전(아크)이 발생에 의해 화약을 점화시킬 수 있는 온도(임계온도)까지 일정 시간 동안 발생하여 방열체(하부갭)(14)의 온도를 상승시킨다. 그와 동시에 방열체(하부갭)(14)에 발생된 온도는 화약 외피(15)를 통해서 내부에 삽입 되어 있는 화약을 점화시켜 폭발이 일어나게 된다. 이 경우에 화약 폭발에 따른 단로기 내부 압력의 상승으로 플라스틱 몸체가 폭발하게 되어 단로기를 통해서 접지로 연결된 피뢰기를 계통에서 분리하게 된다.

본 발명의 방열체(하부갭)(14)는 도 4와 같은 형상으로 IEC 60099-4에 규정된 피뢰기의 각 등급에 따라 체적의 크기가 다르게 적용되며, 그 특성을 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른, 피뢰기용 단로기의 회로 구성도이다.

양 끝단에는 피뢰기의 말단에 접속하는 단자(30)와 접지선과 연결되는 단자(31)가 전기적으로 연결되어 있다. 상기 단자(30, 31) 사이에는 갭 단자(A)와 방열체(하부갭)(33)는 직렬로 연결되었을 뿐만 아니라 화약소자(34)와도 직렬로 연결되어 있으며, 이 모두는 저항(82)과 병렬로 연결되어 있다.

상기와 같은 회로의 구성은 저항(82)과 스파크 갭 단자(A)가 병렬로 연결되어 있다는 점에서 종래와 동일하나, 방열체(하부갭)(33)와 화약소자(34)가 스파크 갭 단자(A)에 대해서도 직렬로 연결되어 있다는 점, 특히 피뢰기의 각 등급에 따라 방열체(하부갭)가 가변될 수 있다는 점에서는 종래의 단로기의 회로와는 다른 회로 구성을 가진다.

도 2에 도시된 형상을 가지는 피뢰기용 단로기를 제작하여 단로기의 특성 시험을 실시하였다. 우선적으로 IEC 60099-4에서 규정된 8.6항 피뢰기용 단로기 시험 중에 8.6.3항 시간-전류 곡선 시험을 20A에 한해서 실시하여 방열체(하부갭)의 체적 변화에 따른 단로기의 동작 특성을 파악하였다.

상기의 시험에 각 피뢰기의 등급별 방열체(하부갭)의 체적에 따른 단로기의 동작 특성을 아래와 같이 설정하였다.

상기의 설정된 방열체(하부갭)의 체적에 따라 IEC 60099-4에서 규정된 피뢰기의 각 등급별 피뢰기용 단로기를 제작하여 8.6항 피뢰기용 단로기 시험의 8.6.1항의 장시간충격전류 내력시험과 8.6.2항의 동작책무시험을 실시하였고, 그 결과 모두 IEC60099-4에서 규정하는 요건을 모두 충족하는 결과를 얻을 수 있었다.

도 1은 종래의 피뢰기용 단로기의 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 피뢰기용 단로기의 분리 사시도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 도 2의 피뢰기용 단로기의 단면도.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른, 방열체(하부갭)의 사시도.

도 5은 본 발명의 일실시예에 따른, 피뢰기용 단로기의 회로 구성도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 하우징 2: 저항

3: 화약외피 4: 화약조립체

5: 플러그 6: 갭 단자

10a:상부몸체(하우징) 10b:하부몸체(하우징)

11:상부단자 12:하부단자

13:상부갭 14:방열체(하부갭)

15:화약외피 16:화약조립체

17:저항체 18:절연체

19:융착선 A:갭 단자

Claims (6)

1. 상부단자(11)가 결합되는 상부몸체(10a) 및 하부단자(12)가 결합되는 하부몸체(10b)로 이루어지는 몸체(10), 상기 하부몸체(10b)에 삽입되는 절연체(18) 및 상기 절연체(18)의 상부에 결합되어 상기 상부단자(11)와 전기적으로 연결되는 상부갭(13)을 포함하는 피뢰기용 단로기에 있어서,

   상기 절연체(18)의 내부에 삽입되되, 상기 상부갭(13) 일측과 일정한 간격을 유지하는 갭 단자(A)를 이루도록 결합되는 방열체(14);

   상기 절연체(18)의 하부에 삽입 결합되고, 상기 하부몸체(10b)의 하부단자(12)와 전기적으로 연결되는 화약 조립체(16);

   상기 방열체(14)의 하부에 전기적으로 연결되며 상기 화약 조립체(14)의 내부에 삽입되는 화약내피(15); 및

   상기 절연체(18)의 내부에 삽입되며, 상기 상부갭(13)의 상부와 화약 조립체(16)의 하부에 전기적으로 연결되어 상기 상부갭(13)과 방열체(14)에 의해 유지되는 갭 단자(A)와 전기적으로 병렬 연결되는 저항체(17)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피뢰기용 단로기.
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