KR20000057207A - 전기장 제어용 전극 - Google Patents

Abstract

기상 전기 절연 매체 내의 전극의 표면 및 전극 주변에서 전기장의 세기를 제어하기 위한 전극은, 내부 전극의 표면의 적어도 일부분 상에 전기 전도성 내부 전극 (1') 및 전기 비전도층 (8) 을 구비함에 있어서, 비전도층의 두께가 내부 전극의 평균 직경의 5 % 이상이고, 비전도층의 비유전율이 3 미만이다.

Description

전기장 제어용 전극 {Electrode for field control}

전기 전도체는 주위보다 상대적으로 고전위에서 그 주변보다 강한 전기장을 발생시킨다. 곡률 반경이 작은 도체들과, 도체로부터 주변 절연 매체 속으로 돌출된 부분들에서 특히 그러하다.

전기장의 세기가 매체의 절연 내력 (E₀) 을 초과하는 경우에, 전기장의 불균일 정도와 전압의 시간에 따른 변화에 따라서, 전극 표면으로부터의 부분적인 방전 및/또는 매체를 통한 다른 전기 전도체 또는 접지면으로의 전기절연파괴 현상을 나타내게 된다.

전기절연파괴는, 전극이 포함된 장치의 전기적 단락을 수반하기 때문에 반드시 방지해야 한다.

또한 부분적인 방전은, 전파 간섭 (radio interference), 에너지 손실들 및 재료의 화학적 열화를 발생시켜 부분적 방전이 오존 및 산화 질소 등과 같이 화학적으로 공격적이며 유독성 물질을 대기 중에 발생하게 하고, 공업용 절연 가스인 6 플루오르화 황 내에 다수의 불소화합물 및 황화합물을 발생하게 하며, 바람직하지 않다. 그 자체로는 무해한 부분적인 방전이 장치의 다른 부분의 부분적인 방전을 측정하지 못하게 할 수도 있다.

전기 전도체 근처에서 전기장의 세기를 감소시키는데 통상적으로 이용되는 방법이, 고전압용으로 고안된 장치의 크기 설정 및 전체 설계에서 전기 전도체들간 거리 및 그 표면 상의 곡률 반경을 선택하는 단계를 구비하여, 장치 내의 임의의 위치에서 매체의 절연 내력에 이르지 못한다.

상기 치수 결정으로 인해 종종 장치의 크기가 매우 커지기 때문에, 특히 가스 절연된 스위치기어 (GIS) 내의 부싱 또는 도체 굴곡부의 고전압측 등과 같이 국부적으로 전기장 세기가 매우 큰 영역에 스크리닝 전극이 설치되며, 이 스크리닝 전극은 전기장의 세기를 매체의 절연 내력보다 작게 유지하기에 충분한 곡률 반경을 갖는다. 전기 전도체 주변에서 전기장 세기 (E) 는 EU/R 정도의 크기를 갖고, 여기서 U 는 장치의 통상적인 전위이며, R 은 곡률 반경이다. 이것은 곡률 반경의 최소 허용치 (R₀) 가 약 U/E₀이라는 것을 의미한다. 그리고, 곡률 반경은 종종 전체 장치의 크기의 상당한 부분이 되는 스크리닝 전극의 크기를 결정한다.

대형 스크리닝 전극들은 스크리닝 부분의 용량을 증가시킨다. 다방면의 활용에 있어서, 용량이 증가하는 것은 전압/전류원에 불필요한 부하가 걸리는 것을 의미한다. 예를 들면, 전기절연파괴로 인한 단락 동안 장치 내에서 방출되는 정전 에너지는 용량이 증가하면 따라서 증가한다.

대형 스크리닝 전극은 그 주변에서 최대 전기장 세기를 감소시킨다. 그러나, 작은 전극보다는 큰 전극에서 더 큰 전기장 세기를 발생시킨다. 왜냐하면 장치 외부의 최대 전기장 세기가 자주 지정되지만, 초과되면 안되기 때문이다.

이러한 조건들이 도 1 에 따른 모델에 의해서 가장 간단한 방법으로 도시되며, 여기서 스크리닝 전극 (1) 은 반경 r₀을 갖는 구이고, 멀리 떨어진 접지면 (2) 에 대해 전위 U 를 갖는 것으로 가정한다. 이러한 가정 하에, 전극의 중심으로부터 거리 r 만큼 떨어진 위치에서 전기장의 세기는

E = U (r₀/r²) 이고, 전극의 반경 r₀에 비례하여 증가한다. 전극의 용량 C 는

C = 4πε_rε₀r₀이고, 여기서, ε_r은 매체의 비유전율이고, ε₀는 유전상수이다. 따라서 용량은 또한 전극의 반경 r₀에 비례하여 증가한다.

상기 기술에 따른 스크리닝 전극의 통상적인 실시예는 도 2 에 도시되며, 여기서 고전압 장치 (3), 예를 들면 커패시터는 토로이드형 스크리닝 전극 (1) 에서 경계를 이룬다. 고전압용으로는 콤포지트 스크리닝 전극들이 자주 사용되며, 유럽 특허 공보 EP 0 075 884 B1 으로부터의 통상적인 실시예가 도 3a, 3b 및 3c 에 도시되며, 여기서 도 3a 는 도 3b 에 따른 로드들 (6) 로 구성된 20 면체형 프레임 (5) 에, 전극 요소 내의 오목부 (4) 에 배치된 고정 요소들을 이용하여 전극들을 20 면체 모서리들 (7) 에 고정함으로써 고정된 12 개의 디스크 형태의 전극 부분들 (1a) 로 구성된 전극 (1) 을 도시한다. 오목부 (4) 를 갖는 전극 부분 (1a) 이 도 3c 에서 단면도로 도시된다. EP 0 075 884 에 따른 콤포지트 전극은 코히어런트 전극으로 이루어진 대응하는 전극보다 더 경량이며, 제조하기에 간편하지만, 크기를 줄이지는 못한다.

예를 들어, 내부 전도체가 전극으로 이용되는 GIS 라인들 등과 같은 2 차원 전극 장치를 예를 들면 라인 굴곡부 등과 같은 3 차원 구성들로 변경시킨 경우에, 전기장 세기가 증가한다. 왜냐하면 동일 반경을 갖는 원통보다 구의 경우에 표면의 곡률이 더 커지기 때문이다. 도 7 은 종래 기술 및 본 기술에 따른 GIS 를 위한 90°라인 굴곡부를 도시한다. 원통형 내부 전도체 (10) 는 반경 (r_c) 을 갖고, 관형 외부 전도체/스크린 (11) 은 반경 (R_c) 을 갖는다. 실제 라인 굴곡부에서, 스크린은 반경 (R_s) 을 갖는 구 (12) 의 형태를 가정하고, 내부 전도체인 전극은 반경 (r_s) 를 갖는 구 (1) 의 형태를 가정한다. 방전이 없는 라인 굴곡부에 대해서는, 다음과 같은 조건, 즉 r_s〉 r_c및 R_s〉 R_c이 적용되고, 통상적으로 라인 굴곡부에서 반경들은 일직선부에서보다 50 % 더 크다.

이 전극에, 예를 들어 전극 표면으로부터 광전자들의 방출을 어렵게 하거나, 부식 방지를 위해, 전기 비전도체 커버링이 제공되는 것이 또한 공지되어 있다. 그러나, 이러한 커버링들은 전극의 크기에 비해 얇으며, 전극 주위의 전기장에 대한 영향은 따라서 매우 작다. 이러한 방법으로는 전극의 크기를 감소시킬 수 없다.

발명의 요약

본 발명에 따른 전기장 제어용 전극은 절연파괴 또는 기상 절연 매체 내의 부분적 방전을 방지하는 것을 해결하며, 외부 크기를 감소시키고, 감소된 용량을 갖는다.

본 발명에 따른 전기장 제어용 전극은, 낮은 비유전율을 갖는 전기 절연 재료, 바람직하게는 가스 버블 또는 중공 가스 충전 마이크로스피어가 박혀 있는 매트릭스를 포함하는 중합체 거품으로 이루어진 두꺼운 층으로 둘러싸인 전기 전도면을 갖는 내부 전극을 구비한다. 여기서 두꺼운 층이 의미하는 것은, 내부 전극의 직경 2r 에 대한 이 층의 두께 d 의 비가 0.05 보다 크다는 것이며, 바람직하게는 0.15 보다 크다는 것이며, 더욱 바람직하게는 0.25 보다 크다는 것이다. 비구형 전극의 경우에는, 전극의 평균 직경을 내부 전극 직경 2r 로 간주한다. 여기서 평균 직경에 대한 충분히 좋은 근사는 서로 직교하는 2 가지 방향들에서의 직경의 평균값이다. 여기서 내부 전극은 또한 콤포지트 전극 내의 전극 소자를 의미한다. 본 발명의 효과를 달성하기 위해서, 내부 전극에서 전기장 세기가 현저하게 증가하는 이러한 부분들만을 비전도층으로 커버할 필요가 있다. 바람직하게는, 비전도층으로 커버되지 않은 경우에 가장 높은 전기장 세기를 나타내는, 내부 전극 표면의 1/3 이상이 비전도층으로 커버된다.

본 발명의 동작 모드는 도 4 에 따른 모델에 의해 가장 용이하게 설명될 수 있다. 도 4 에서, 내부 전극은 반경 (r₁) 을 갖고, 접지면 (2) 에 대해 전위 (U) 를 갖는 구 (1') 로 가정하고, 내부 전극은 두께 (r₂- r₁) 를 갖는 전기 절연 재료로 이루어진 동심층 (8) 에 의해 둘러싸이고, 여기서 r₂는 절연층의 외부 반경이고, 9 는 외부 에지이다. 간단하게 하기 위해, 절연 재료 내에 가스 버블 또는 중공 마이크로스피어들 등과 같은 내부 캐비티들이 많은 부분을 차지하고 있다고 가정하여, 기상 매체의 유전율과 마찬가지로 매체의 비유전율이 ε_r 1 이라고 가정한다. 내부 캐비티들의 직경이 매우 작게 선택되어, 파센의 법칙에 따라서 캐비티에 포함된 가스의 절연 내력이 동일 가스 내에 매크로스코픽 갭의 절연 내력보다 상당히 크기 때문에, 이러한 절연 매체는 전극을 둘러싼 가스보다 절연 내력이 상당히 크다. 통상적인 평균 직경들은 300 마이크로미터보다 더 작다. 중합체 거품 내에서의 절연 내력의 더 상세한 분석에 대한 참고 자료는, IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 24, No. 2, April 1989, pages 239-248 에 기재된 D. Koenig, B. Bayer 및 H.J. Heller 의 논문 "Breakdown of Polyurethane Hard-foam Insulation under Short-time HV Stress" 이다. ε_r 1 인 이러한 경우에, 전극의 중심으로부터 거리 r 만큼 떨어진 곳에서의 전기장의 세기, 및 반경 (r₁) 을 갖고 접지면에 대해 전위 (U) 를 갖는 전기 전도성 구에 대한 용량은 배경 기술에서 설명한 것과 동일한 관계식이 적용되며, 다음과 같이 나타낸다.

E = U (r₀/r²) C = 4πε_rε₀r₀

절연 내력 kE₀(E₀는 기상 매체의 절연 내력) 를 갖는 절연 매체에 대해서, 본 발명에 따른 전극은, 내부 전극의 표면에서의 전기장 세기가 절연 재료의 절연 내력 kE₀이하로 떨어지고, 절연층의 외부 표면에서의 전기장 세기는 다음의 조건이 만족되면 기상 매체의 절연 내력 (E₀) 이하로 떨어진다.

r₁〉 r₀/k 및 r₂〉 r₀/√k 여기서, r₀는 종래 기술에 따른 전극 (전기 전도성 구) 의 반경이고, 기상 매체의 절연 내력 (E₀) 이 전극의 표면에서 유지된다. 예를 들면, 내부 전극의 반경은 감소되고, 따라서 용량도 1/4 로 감소하고, 절연층의 외부 반경은 k = 4 인 경우에 1/2 로 감소한다.

절연 재료의 비유전율이 ε_r〉 1 인 경우에, 가능한 외부 반경 (r₂) 은 다소 더 커진다. 상기 예에서와 같이 비율 r₂/r₁= 2 를 유지한 경우, 하기의 관계가 대신에 적용된다.

r₂= r₀/ (1+ε_r ^-1)

ε_r= 1.3 인 경우에, 거품이 발생한 플라스틱의 통상적인 값은 따라서

r₂= 0.57 r₀이고, 이것은 여전히 전극의 크기를 상당히 감소시킨 것이다. 절연층이 본 발명에 따른 현저한 효과를 얻기 위해서는, 비유전율 (ε_r) 은 3 미만이어야 하며, 바람직하게는 2 미만, 더욱 바람직하게는 1.5 미만이어야 한다.

본 발명에 따른 전극은 바람직하게는 1kV 을 초과하는 전압을 위한 전기 장치에 이용된다.

본 발명은 기상 전기 절연 매체 내에서 전기장을 제어하기 위한 전극에 관한 것이다.

도 1 은 전기 전도성 구로서 종래 기술에 따른 스크리닝 전극을 설명하는 도이다.

도 2 는 종래 기술에 따른 토로이드형 스크리닝 전극을 도시한다.

도 3a 는 디스크형 전극 부분들로 구성된, 종래 기술에 따른 스크리닝 전극을 도시한다.

도 3b 는 도 3a 에 따른 전극 부분들이 부착되는 20 면체 프레임을 도시한다.

도 3c 는 도 3a 에 따른 스크리닝 전극의 디스크형 전극 부분을 도시한다.

도 4 는 전기 전도성 구 상의 동심 비전도층을 이용하여 본 발명에 따른 스크리닝 전극을 설명하는 스케치를 도시한다.

도 5 는 본 발명에 따른 비전도층을 갖는 토로이드형 전극을 도시한다.

도 6 은 본 발명에 따른 콤포지트 스크리닝 전극을 위한 비전도층을 갖는 전극 부분을 도시한다.

도 7a 는 종래 기술에 따른 GIS 라인 굴곡부를 도시한다.

도 7b 는 본 발명에 따른 비전도층을 구비한 GIS 라인 굴곡부를 도시한다.

본 발명의 한 실시예에서, 도 2 에서 도시된 토로이드형 스크리닝 전극은 도 5 에서 도시된 바와 같이, 그 표면의 주요 부분 상에 비전도층 (8) 을 갖는 내부 토로이드형 전극 (1') 을 제공함으로써 개선된다. 대칭축 (일점쇄선) 을 향하는 전극의 부분은 바로 그 토로이드형에 의해 높은 전기장 세기로부터 스크린될 수 있고, 따라서 커버될 필요가 없다. 본 발명에 따른 토로이드형 스크리닝 전극의 외부 직경은 종래 기술에 따른 토로이드형 스크리닝 전극의 외부 직경보다 상당히 더 작게 된다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 도 3a 내지 도 3c 에 도시된 전극 부분들로 구성된 스크리닝 전극은, 도 6 에서 도시된 바와 같이 내부 전극 (1') 의 표면의 주요한 부분 상에 하나 이상의 전극 부분들 (1a') 이 비전도층 (8) 을 구비한다는 점에서 개량되어 있다. 또한 이러한 경우에, 본 발명에 따른 콤포지트 스크리닝 전극의 외부 직경은 종래 기술에 따른 콤포지트 스크리닝 전극의 외부 직경보다 상당히 더 작다. 또한, 오목부 (4) 는 비도전성 재료로 채워질 수도 있다 (도시되지 않음).

비전도층이 스크리닝 전극의 기계적 지지부를 구성하도록 하는 것이 이점이 있으며, 여기서 이 층의 내측 상에 전기 전도 커버링 형태로 내부 전극을 형성한다. 이 커버링은, 예를 들면 페인팅, 금속의 증착, 또는 전기 전도체의 화학적 침전에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 부가적인 실시예에서, 도 7a 에서 도시된 GIS 라인 굴곡부는, 구형 내부 전도체 (1') 의 라인 굴곡부 및 외부 전도체/스크린 (12') 의 라인 굴곡부 사이에 비전도성 재료를 배치함으로써, 도 7b 에서 도시된 바와 같이 개량된다. 이 때, 반경 (R_s) 은 일직선 부분들의 반경 (R_c) 과 동일할 수 있고, 따라서 라인 굴곡부에 필요한 공간이 감소된다. 또한 내부 반경 (r_s) 이 감소될 수 있다. 라인 굴곡부 내의 내부 전도체는 또한 통상의 파이프 굴곡부와 동일한 형태를 가질 수도 있다 (도시되지 않음).

Claims (13)

1. 전기 전도성 내부 전극 (1') 및, 상기 내부 전극 표면의 적어도 일부분 상의 전기 비전도층 (8) 을 구비하는, 기상 전기 절연 매체 내의 전극의 표면 및 전극 주변에서 전기장의 세기를 제어하기 위한 전극에 있어서, 상기 비전도층의 두께가 상기 내부 전극의 평균 직경의 5 % 이상이고, 상기 비전도층의 비유전율이 3 미만인 것을 특징으로 하는 전극.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도층의 두께는 상기 내부 전극의 평균 직경의 15 % 이상인 것을 특징으로 하는 전극.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도층의 두께는 상기 내부 전극의 평균 직경의 25 % 이상인 것을 특징으로 하는 전극.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도층의 비유전율이 2 미만인 것을 특징으로 하는 전극.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도층의 비유전율이 1.5 미만인 것을 특징으로 하는 전극.
6. 제 1 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비전도층으로 커버되지 않으면 가장 높은 전기장 세기를 나타내는, 상기 내부 전극 표면의 1/3 이상이 상기 비전도층으로 커버되는 것을 특징으로 하는 전극.
7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비전도층이 중합체 거품으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전극.
8. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비전도층은 중공 가스 충전 마이크로스피어인 것을 특징으로 하는 전극.
9. 제 7 항 또는 8 항에 있어서, 상기 가스 충전 캐비티들의 평균 직경은 300 마이크로미터 미만인 것을 특징으로 하는 전극.
10. 제 1 항 내지 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비전도층 (8) 이 상기 전극의 지지부를 구성하고, 상기 내부 전극 (1') 은 상기 비전도층의 내측 상에 전기 전도성 커버링이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극.
11. 제 1 항 내지 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 전극 (1') 은 외부 전도체 (11, 12) 를 구비한 가스 절연 라인 내에서 내부 전도체 (10) 와 전기 접속되며, 상기 비전도층 (8) 이 상기 내부 전극 및 상기 외부 전도체 (12) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
12. 2 개 이상의 전극 요소들 (1a') 을 구비한 전극에 있어서, 하나 이상의 상기 전극 요소가 제 1 항 내지 10 항 중 어느 한 항에 따른 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전극.
13. 제 1 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 1 kV 를 초과하는 전압용 전기 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전극.