KR20120010542A

KR20120010542A - 전계완화형 컴포지트 부싱

Info

Publication number: KR20120010542A
Application number: KR1020100072143A
Authority: KR
Inventors: 조한구
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-02-03
Also published as: KR101172795B1

Abstract

본 발명은 부싱 특히, 초고압 부싱에 관한 것으로, FRP 튜브와, 상기 FRP 튜브 상,하단에 결합된 상,하부 플랜지와, 상기 FRP 튜브 외측에 형성되는 하우징을 포함하여 구성된 부싱에 있어서, 전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 상기 FRP 튜브 내부에 금속으로 이루어진 내부쉴드가 형성되며, 상기 내부쉴드의 상단부에 대응되는 위치의 상기 FRP 튜브 내표면에는 반도전층이 형성되어, 임계부위 및 상기 내부쉴드 상단부에서의 전계집중을 완화하는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 전력기기의 외함과 연결된 임계부위나 각 구성요소들이 결합된 계면부에서의 전계집중을 완화시켜 FRP 튜브의 손상 및 외부 하우징 열화를 예방하여 높은 절연성능을 가지는 부싱 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

전계완화형 컴포지트 부싱{composite bushing for decreasing electric field intensity}

본 발명은 부싱 특히, 초고압 부싱에 관한 것으로, FRP 튜브 내부에 내부쉴드 및 FRP 튜브 제작에 있어 반도전성을 부여하여 전계집중을 완화함으로써, 초고압 부싱의 사용에 있어 전계가 집중되는 임계영역에서의 전기적 취약점을 개선시키기 위한 전계완화형 컴포지트 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.

도 1은 종래의 고전압 부싱의 구성을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 고전압 부싱은 기본적으로 FRP 튜브(10)와, 상기 FRP 튜브 표면에 폴리머로 이루어진 하우징(20) 그리고 금속 플랜지(40),(50)로 구성되며, 이를 일반적으로 자기재 부싱과는 다른 컴포지트 부싱(composite bushing)으로 부른다.

먼저, 부싱에 사용되는 FRP 튜브(10)는 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정에 의해 제조되어지며 원통형 내부 구조를 가지고 있다. 그리고, 하우징(20)은 상기 FRP 튜브(10) 표면에 형성되며 누설거리를 증가시키기 위해 다수개의 쉐드(shed)(21)가 돌출되어 형성된다. 그리고, 상기 FRP 튜브(10) 중심에는 중심도체(30)가 위치하며, 상기 하우징(20) 및 FRP 튜브(10)의 양 종단부에 금속재질의 상하부 플랜지(40),(50)가 위치한다.

일반적으로, 상부 플랜지(40)의 경우 중심도체(30)에 직접적으로 접촉이 되어 높은 전위를 띄고 있는 반면 하부 플랜지(50)는 전력기기의 외함에 접촉되어 접지(ground)에 가까운 차폐 부분으로 되어 있으며, FRP 튜브(10)와 열압착(thermal fitting)에 의해 기계적으로 연결되어 있다.

이러한 부싱의 하부 부분 즉, 전력기기의 외함의 접지와 연결되는 부분에 차폐부분이 발생함으로 하부쪽에서의 전계집중이 되게 된다. 따라서 부싱의 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 부싱 내부에 금속으로 이루어진 내부쉴드(60)를 형성하게 된다.

상기 내부쉴드(60)는 중심도체(20)와 FRP(10) 튜브 사이에 전계분포 완화를 위해 형성된 것으로, 부싱의 수직축을 따라 원통형으로 길게 형성되어, 부싱 내부의 대부분의 등전위는 상기 내부쉴드(60)를 따라 수직축으로 증가하여 이로 인해 부싱의 취약지점인 임계부위(Triple junction point)에서의 전계집중을 억제할 수 있는 구조를 가진다.

하지만 내부쉴드(60) 상단부에 대응하는 FRP 튜브(10) 표면은 전기적으로 취약한 임계부위로써 밀집된 전계에 의한 FRP 튜브(10)의 절연내력의 저하를 불러올 수 있는 등, 상기 내부쉴드(60) 상단부에 전계집중을 야기시켜 또 다른 전기적 취약점이 발생되어, 결과적으로 부싱의 장기간 사용 시 FRP 튜브(10)의 열화 및 외부 하우징(20)의 손상을 야기시켜 장기 신뢰성이 크게 저하되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, FRP 튜브 내부에 내부쉴드 및 FRP 튜브 제작에 있어 반도전성을 부여하여 전계집중을 완화함으로써, 초고압 부싱의 사용에 있어 전계가 집중되는 임계영역에서의 전기적 취약점을 개선시키는 전계완화형 컴포지트 부싱의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, FRP 튜브와, 상기 FRP 튜브 상,하단에 결합된 상,하부 플랜지와, 상기 FRP 튜브 외측에 형성되는 하우징을 포함하여 구성된 부싱에 있어서, 전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 상기 FRP 튜브 내부에 금속으로 이루어진 내부쉴드가 형성되며, 상기 내부쉴드의 상단부에 대응되는 위치의 상기 FRP 튜브 내표면에는 반도전층이 형성되어, 임계부위 및 상기 내부쉴드 상단부에서의 전계집중을 완화하는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 반도전층은, 상기 FRP 튜브 내표면에 테이퍼 형상으로 카본블랙(carbon black) 필름으로 형성된 것이 바람직하며, 폭은 5~200mm 범위, 두께는 상기 FRP 튜브의 글래스 로우빙(glass roving) 두께의 2~3배인 것이 바람직하다.

또한, 상기 FRP 튜브와, 하부 플랜지 그리고 상기 하우징이 결합되는 계면부위의 상기 하부 플랜지 외측에 외부쉴드가 더 형성되는 것이 바람직하며, 상기 외부쉴드는, 상기 하우징의 쉐드와는 이격되어 형성되고, 상기 하부 플랜지의 상단부보다는 높게 형성된 것이 바람직하다. 또한, 상기 외부쉴드는, 상기 하부 플랜지와 동일한 재료로 형성되며, 상단부가 환형으로 형성된 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 내부쉴드는 'L'자 형성으로 형성되어 하단부가 상기 하부 플랜지 바닥면에 형성된 수용부에 수용결합되어 상기 하부 플랜지와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해 본 발명은, 전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 FRP 튜브 내부에 내부쉴드가 형성되며, 상기 내부쉴드 상단부(A)에서의 전계집중을 완화시키기 위해 반도전성의 FRP 튜브를 구성함으로써, 초고압 부싱의 사용에 있어 전계가 집중되는 임계영역에서의 전기적 취약점을 개선시킬 수 있으며 절연튜브의 손상 및 외부 하우징 열화를 예방하여 높은 절연성능을 가지는 부싱 제작이 가능한 효과가 있다.

또한, FRP 튜브, 하우징, 금속 플랜지가 만나는 계면부와 같은 임계영역에서의 전계집중을 완화하기 위해 외부쉴드를 형성시킴으로써, 이 부위에 집중되는 전계를 상단부로 이동시켜 장시간 사용에 의한 열화를 방지하고 절연파괴성능을 향상시켜 부싱의 신뢰성을 향상시킨 효과가 있다.

또한, 부싱 내부의 내부쉴드는 금속 플랜지와 일체형으로 제작함으로써 전력기기와의 결합 시 발생하는 문제점 및 작업시간을 단축하여 효과적인 부싱 제조할 수 있다.

도 1 - 종래의 부싱에 대한 단면도.
도 2 - 본 발명에 따른 전계완화형 컴포지트 부싱의 주요부에 대한 단면도.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 초고압 전력기기용 컴포지트 부싱(composite bushing)에 관한 것으로서, 중심부에 중심도체(300)가 형성된 FRP 튜브(100)와, 상기 FRP 튜브(100) 상,하단에 결합된 상부 플랜지(미도시), 하부 플랜지(500)와, 상기 FRP 튜브(100) 외측에 형성되는 하우징(200)으로 구성된다.

특히, 부싱의 하부 즉, 전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 상기 하부 플랜지(500)에서 FRP 튜브(100) 내부에 상측 축방향으로 금속으로 이루어진 내부쉴드(600)가 형성되며, 상기 내부쉴드(600) 상단부(A)에서의 전계집중을 완화시키기 위해 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A)에 대응되는 위치의 상기 FRP 튜브(100) 내표면에는 반도전층(700)이 형성된다.

이하에서는, 본 발명의 구성요소 중 FRP 튜브(100), 상부 플랜지 및 하부 플랜지(500) 및 하우징(200)에 대한 것은 종래의 제조방법 및 형태와 동일한 것으로, 상세한 설명을 생략하고자 하며, 상기 내부쉴드(600) 및 반도전층(700)을 중심으로 설명하고자 한다.

먼저, 상기 내부쉴드(600)는 금속재질로 형성되고, 상단부(A)는 모서리 반경이 큰 형상으로 제작되며, 'L'자 형상으로 형성되어 하단부가 상기 하부 플랜지(500) 하측에 형성된 수용부(510)에 수용결합되어 상기 하부 플랜지(500)와 일체로 형성된다.

일반적으로 내부쉴드(600)의 경우 제조사별로 내부쉴드(600)의 길이 및 두께가 결정되어지며 요구되는 전기적 특성에 따라 각기 다른 형상을 가지고 있어 중복된 작업공정과 비용의 증가가 요구되는데, 상기 내부쉴드(600)를 금속 플랜지와 일체형으로 제작함으로써 전력기기와의 결합 시 발생하는 문제점 및 작업시간을 단축할 수 있도록 한 것이다.

상기 내부쉴드(600)는 그라운드되어진 하부 플랜지(500)의 바닥면에 형성된 수용부(510)에 수용결합되는 것으로, 상기 수용부(510)는 상기 내부쉴드(600)의 두께만큼 가공되어 있어 체결 후에도 하부 플랜지(500)의 높이는 변하지 않게 일체형으로 형성되게 된다. 상기 수용부(510)의 위치는 플랜지 간의 기밀성을 위한 오링부 앞쪽으로 형성되며, 두 개의 볼트 체결부를 통해 내부쉴드(600)와 연결된다.

그리고, 상기 반도전층(700)은 상술한 바와 같이 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A) 위치에 대응되는 상기 FRP 튜브(100) 내표면에 형성되는 것으로, 다음과 같은 방법으로 제작되게 된다.

상기 FRP 튜브(100)는 일반적인 단일 또는 멀티 와인딩 각도를 가지는 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법에 의해 제조되는데, 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정 전에 도전성 재료인 카본블랙 필름을 맨드릴(mandrel)에 도포하여 상기 반도전층(700)을 형성하게 된다. 상기 반도전층(700)은 상기 FRP 튜브(100) 내표면에 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A)와 갭을 가지는 테이퍼 형상으로 형성되어 반도전성이 내포된 FRP 튜브(100)를 제조하게 된다.

이를 상세히 설명하면, 필라멘트 와인딩 공정 시 최초 맨드릴(mandrel)에 폴리에스테르 라이너(polyester liner)를 도포한 후 반도전성 재료인 카본블랙 필름을 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A) 위치에 부분적으로 접착한다. 이후 기계적 및 내부 압력을 견딜 수 있도록 설계되어진 임의의 와인딩 각을 가지는 글래스 로빙(glass roving)을 통해 FRP 튜브(100)를 제작하게 된다. 상기 카본블랙 필름의 도포 폭은 상기 내부쉴드(600)의 전계집중도와 관계가 있으며 제조공정 및 비용을 고려하여 50~200mm 범위로 제작되며, 필름의 두께는 글래스 로빙의 두께의 2~3배 정도로 산정되어 설계되어진다.

즉, 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A)에 상응하는 FRP 튜브(100)의 내표면에 반도전층(700)이 형성되고, 그 안쪽에는 폴리에스테르 라이너층이 형성됨으로써, 부싱의 표면 전계집중을 완화하여 전기적으로 안정화시킬 수 있도록 제작한 것이다.

이러한 반도전성 FRP 튜브(100)의 사용은 초고압 부싱의 사용에 있어 전계가 집중되는 임계영역에서의 밀집된 등전위를 효과적으로 배출시켜, 전기적 취약점을 개선시킬 수 있으며, FRP 튜브(100)의 손상 및 외부 하우징(200)의 열화를 예방하여 높은 절연성능을 가지는 부싱 제작이 가능하게 한다.

또한, 상기 부싱의 하부 플랜지(500) 외측에 상기 FRP 튜브(100)와 하부 플랜지(500) 그리고 상기 하우징(200)이 결합되는 계면부(B)의 상기 하부 플랜지(500) 외측에는 외부쉴드(800)가 더 형성되는 것이 바람직하며, 이는 고전압 부싱에서의 부싱의 임계영역(stress zone)에서의 전계집중을 완화시키기 위한 것이다.

일반적으로 부싱에서 전기적으로 가장 취약한 부위는 FRP 튜브(100), 하우징(200), 금속 플랜지가 만나는 계면부(B)로 장시간 사용 시 이 부위의 장기 열화를 유발하여 절연파괴에 따른 신뢰성 문제가 발생된다. 따라서, 상기 외부쉴드(800)는 부싱의 이러한 부위에서의 전계집중을 억제하기 위한 것으로, 집중되는 전계를 외부쉴드(800)의 상단부로 이동시켜 계면에서의 전계완화를 목적으로 한다.

상기 외부쉴드(800)는 제조공정 등을 고려해 엔드-피팅(ending fitting) 및 하우징(200) 사출 시에는 제거된 상태로 유지하다 이 후 볼트를 통해 조립하여 형성되게 된다.

또한, 상기 외부쉴드(800)의 위치는 부싱의 차폐부분인 FRP 튜브(100), 하우징(200), 금속 플랜지가 만나는 계면부(B) 근처의 상기 하부 플랜지(500) 외측에 형성되되, 상기 외부쉴드(800)의 높이는 하우징(200)의 쉐드(210)와 간격을 고려해 최소 이격거리를 가지고 있으며 상기 하부 플랜지(500)의 상단부보다는 높게 설계되어진다. 또한, 상기 외부쉴드(800)의 재료는 상기 하부 플랜지(500)의 재료와 동일하며, 상단부의 형상이 환형의 전극형상으로 전계집중을 억제하는 구조로 설계된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 반도전성 FRP 튜브(100)의 사용으로 초고압 부싱의 사용에 있어 전계가 집중되는 임계영역에서의 전기적 취약점을 개선시킬 수 있으며 절연튜브의 손상 및 외부 하우징(200) 열화를 예방하여 높은 절연성능을 가지는 부싱 제작이 가능하게 한다. 또한 부싱 내부의 내부쉴드(600)는 금속 플랜지와 일체형으로 제작함으로써 전력기기와의 결합 시 발생하는 문제점 및 작업시간을 단축하여 효과적인 부싱 제조할 수 있게 되는 것이다.

100 : FRP 튜브 200 : 하우징
210 : 쉐드 300 : 중심도체
500 : 하부 플랜지 510 : 수용부
600 : 내부쉴드 700 : 반도전층
800 : 외부쉴드

Claims

FRP 튜브(100)와, 상기 FRP 튜브(100) 상,하단에 결합된 상,하부 플랜지(400),(500)와, 상기 FRP 튜브(100) 외측에 형성되는 하우징(200)을 포함하여 구성된 부싱에 있어서,
전력기기의 외함과 연결된 임계부위에서의 전계집중을 억제하기 위해서 상기 FRP 튜브(100) 내부에 금속으로 이루어진 내부쉴드(600)가 형성되며, 상기 내부쉴드(600)의 상단부(A)에 대응되는 위치의 상기 FRP(100) 튜브 내표면에는 반도전층(700)이 형성되어, 임계부위 및 상기 내부쉴드(600) 상단부(A)에서의 전계집중을 완화하는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 1항에 있어서, 상기 반도전층(700)은,
상기 FRP 튜브(100) 내표면에 테이퍼 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 2항에 있어서, 상기 반도전층(700)은,
카본블랙(carbon black) 필름으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 3항에 있어서, 상기 반도전층(700)은,
폭은 5~200mm 범위, 두께는 상기 FRP 튜브(100)의 글래스 로우빙(glass roving) 두께의 2~3배인 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 1항에 있어서, 상기 FRP 튜브(100)와, 하부 플랜지(500) 그리고 상기 하우징(200)이 결합되는 계면부위의 상기 하부 플랜지(500) 외측에 외부쉴드(800)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 5항에 있어서, 상기 외부쉴드(800)는,
상기 하우징(200)의 쉐드(210)와는 이격되어 형성되고, 상기 하부 플랜지(500)의 상단부보다는 높게 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 6항에 있어서, 상기 외부쉴드(800)는,
상기 하부 플랜지(500)와 동일한 재료로 형성되며, 상단부가 환형으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.
제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 내부쉴드(600)는 'L'자 형성으로 형성되어 하단부가 상기 하부 플랜지(500) 바닥면에 형성된 수용부(510)에 수용결합되어 상기 하부 플랜지(500)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계완화형 컴포지트 부싱.