Hot Tech - 전계완화용 폴리머 컷아웃 스위치 제작을 위한 설계 기술
Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
송기현 대표 에이치이솔루션
기술개발 배경
컷아웃 스위치는 변압기 1차측에 설치되어 변압기를 보호하고 선로의 점검시 단로기 역할을 하는 제품이다.
최초로 미국에서 1933년에 개발이 되었으나 지금까지 기본 구조에 큰 변화가 없이 사용되어 왔고 부가기능에 대한 연구개발이 진행되어 왔다.
폴리머 재질의 컷아웃 스위치에 대하여 한전이 2009년 구매규격을 제정하고 2011년에 개정되면서 신뢰성시험으로 수분침투시험과 복합열화시험을 추가하였다.
수분침투시험은 1,000㎸/usec를 인가하는 급준파시험을 포함하고 있고 설계 및 제작 과정에서의 결함을 찾아내는 가혹한 시험이기 때문에 개발에 참여한 여러 업체들이 어려움을 겪고 있었다.
이는 기존 제품이 비대칭 형태이며 제작과정에서 결함이 나타날 수 있는 구조이기 때문이다.
따라서 설계나 제작 과정에서의 결함을 없애기 위해 기존 제품의 구조를 바꾸어 전계완화 효과를 얻고 3D 전계해석을 통하여 최적화 설계를 하였다.
기술의 설명
급준파시험의 시험 실패 현상은 상부전극에서 중간 지지대가 있는 절연부로 절연파괴를 일으키며 섬락이 일어나고 절연체가 파괴된다.
금속 지지대가 핀과 같은 형상으로 삽입되어 불평등 전계를 만들고 급준파 시험의 인가전압이 1,000㎸로 높기 때문에 어느 곳이든 전계가 강한 곳으로 반드시 섬락이 일어나기 때문이다.
이를 해결하기 위해서 기존에는 일부분이 절연재로 감싸진 전극 부분을 개선했다. 폴리머 컷아웃 스위치의 중간 지지대는 금속 재질의 접지 전극이기 때문에 충전부로 여기지 않는다.
이를 절연 재질로 완전히 밀폐시킬 수도 없고, 전극의 일부가 감싸진 형태는 비대칭 형태가 되므로 제작 과정에서 결함 발생 위험이 커지기 때문에 완전히 노출시키는 것이 어느 측면에서나 유리하다.
이 중간 전극을 노출시키면서 형태를 바꾸면 전계완화 효과가 나타나지만 반면에 상하부 전극에 대하여 절연거리가 짧아진다.
따라서 짧아진 절연거리에 대하여 몸체(절연애자)와 금구류를 전계 최적화 형상으로 설계하여 절연 성능을 확보하는 것이 핵심 기술이다.
그림 1에서 기존 폴리머 컷아웃 스위치는 절연애자가 하나로 이루어져 있었으나, 개발제품에서는 고정 지지대를 기준으로 위아래로 나누어져 있다.
두 개의 몸체를 연결하게 함으로써 각 몸체의 부피를 줄여 성형시 불량률을 줄일 수 있으며 회전대칭형상으로 모든 면에서 유리하다. 또한 전계 최적화 설계를 통하여 제품의 전기적 안정성과 품질을 높였다.
기술의 차별성
한전의 구매규격이 개정됨에 따라 개발시험에서 급준파시험을 반드시 거쳐야 하고 가혹한 시험조건으로 인하여 여러 업체들이 제품개발에 어려움을 겪고 있다.
이는 기존 자기재질을 사용한 제품을 그대로 모방하여 폴리머 재질로 절연 매체만 바꾸어 사용했거나, 절연 성능을 높이기 위해 문제가 되는 부분의 절연재를 보강하거나 이격거리를 크게 하는 등의 방법만을 사용하는 등 급준파시험 실패에 대한 근본적인 해결책을 찾지 못했기 때문이다. 이를 해결하기 위해서 근본적인 구조변경이 있어야만 한다.
따라서 이론적 관점에서 구조를 변경하였다. 하나로 이루어진 절연애자를 두 부분으로 나누고 중간 지지대를 완전 노출시키면서 전계완화 효과를 얻으면서 이에 따라 짧아진 절연거리를 전계 최적화를 통하여 해결하였으며, 기존의 절연거리가 긴 제품에 비하여 보다 절연 성능이 뛰어난 제품을 설계하였다.
전계 해석 결과로 표 1에서 볼 수 있듯이 기존 제품의 전계 이용률은 0.19~0.42로 나타났으며 개발 제품의 전계 이용률은 0.38~0.51로 계산되어 기존 제품 대비 최대 21%의 절연 성능이 증가 될 것으로 기대된다.
개발 제품은 각각의 연면에서의 전계 이용률이 크게 차이 나지 않으며 이는 전체적으로 전계 완화 효과가 있다는 것을 보여준다. 표 1은 섬락전압 시험 결과 최대 약 24%의 절연 성능 증가를 나타내고 있다.
기술개발 파급효과
기술적 측면으로 3차원 전계 해석을 통한 전계완화 설계로 제품의 신뢰성을 이론적으로 미리 확보하여 개발 비용 및 시간을 줄였다.
또한 이론적 접근 설계로 기존의 형태를 탈피하였으며 제품의 신뢰성 및 활용도를 높였다.
경제·산업적 측면에서는 원가 절감형 및 생산성 향상형 부품 설계로 생산 비용 및 불량률 감소, 조립의 용이성 등을 가져왔다.
양산형으로 그림 1과 같이 코어와 몸체를 완전히 분리시키는 형태가 된다면 고장 및 파손시 그 부분의 몸체(애자)만을 교체할 수 있기 때문에 유지 비용이 절감된다. 또한 몸체(애자)를 단독으로 내오손 애자 등으로 활용할 수 있다.
이상의 수치해석 및 절연 설계기술을 응용하여 각종 절연 기기의 최적화 설계로 고신뢰성의 제품을 제작할 수 있다.
특히 지구온난화로 인한 SF6가스의 사용 제한으로 대체 가스를 이용한 친환경 전력기기의 개발이 절실한 지금 이와 같은 절연 설계기술을 응용하여 새로운 제품을 개발할 수 있다.
현재 절연 가스를 사용하지 않는 친환경 개폐기를 설계 중에 있으며 2018년 상반기에 볼 수 있을 것으로 예상된다.