KR100941488B1 - 비접촉식 신호결합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중간전압 이상의 가공선로에 적용 가능한 전력선 통신용 비접촉식 신호결합장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력선과 출력신호선 사이의 결합계수를 증가시켜 신호 전송특성을 증진시키기 위한 목적으로 자심재료의 외부표면을 감싸는 금속 띠나 금속 케이스를 신호 출력권선으로 이용하며, 신호 출력 권선은 가공 전력선 사이의 절연 파괴를 방지하기 위해 전기적으로 완전 절연되고, 방전 현상 및 유기전압에 의한 안전사고를 방지하도록 누설 경로를 가지는 쉐드를 포함하고, 쉐드의 가장 아래 부분에 출력 신호단자가 다양한 형태로 제공되는 비접촉식 신호 결합장치에 관한 것이다.

비접촉식, 신호결합장치, 자심재료, 전력선

Description

비접촉식 신호결합장치 {Contactless Inductive Coupler}

본 발명은 중간전압 이상의 가공선로에 적용 가능한 전력선 통신용 비접촉식 신호결합장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력선과 출력신호선 사이의 결합계수를 증가시켜 신호 전송특성을 증진시키기 위한 목적으로 자심재료의 외부표면을 감싸는 금속 띠나 금속 케이스를 신호 출력권선으로 이용하며, 신호 출력 권선은 가공 전력선 사이의 절연 파괴를 방지하기 위해 전기적으로 완전 절연되고, 방전 현상 및 유기전압에 의한 안전사고를 방지하도록 누설 경로를 가지는 쉐드를 포함하고, 쉐드의 가장 아래 부분에 출력 신호단가가 다양한 형태로 제공되는 비접촉식 신호 결합장치에 관한 것이다.

본 발명은 중간전압 이상의 가공선(Overhead Line)에서 이루어지는 전력선 통신(Powerline Communication)에서 전력선에 흐르는 통신신호를 모뎀으로 커플링하거나, 모뎀부의 통신신호를 전력선으로 커플링해 주는 역할을 하는 비접촉식 신호결합장치(Inductive Coupler)에 관한 것이다.

종래의 가공선용 비접촉식 신호결합장치는 고전압의 누설거리를 확보하도록 하는 쉐드를 갖추고 있는 라인포스트 애자와 결합되고, 가공 전력선이 설치되는 부분에 신호결합장치가 내장되어 있는데, 신호결합장치의 자심재료와 가공 전력선이 전기적으로 접촉되어 있는 것이 특징이다.

그리고 비접촉식 신호결합장치에 사용되는 자심재료를 고 유전율 재료를 사용하여 전압강하 효과를 극대화하고, 전력선과 자심재료를 전기적으로 접촉시켜 방전현상을 방지하고자 하였다.

그러나, 자심재료와 전력선의 전기적 접촉방식은 고전압에 장기간 접촉되어 노출될 경우, 자심재료에서 발생하는 발열현상에 의해 자심재료가 열화되어 자기적 특성도 열화되어 그 성능을 발휘할 수 없게 되는 문제가 있었다.

또한, 사용되는 고 유전율 재료에 의한 전압강하 효과로 전기적 안정성을 확보하는 것이 현실적으로는 어려운 문제가 있었다.

또한 출력 신호선은 자심재료 외부에 권선되어 출력단자로 연결되는데, 이와 같은 일반적인 권선구조는 낮은 결합계수로 인해 자기유도 효율이 떨어지므로, 결국 신호결합장치의 신호전송 특성도 떨어진다. 특히 1차 권선이 1회 미만의 권선인 전력선의 경우에는 자기유도 효율의 저하특성이 급격한 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써 본 발명의 목적은 저속 및 고속 그리고 광대역 전력선 통신을 위한 가공선용 비접촉식 신호결합장치에 있어서, 낮은 삽입손실 특성과 전기적 안정성을 확보할 수 있으며, 자심재료 또는 그 외의 부분이 가공 전력선과 전기적으로 완전 절연 처리되어 있으며, 그 절연성은 중간전압 이상의 내전압 특성을 가지고, 전력선이 위치하는 자심재료부 아래부터 출력단자까지 중간 전압 이상의 누설거리를 가지는 쉐드를 포함하는 비접촉식 신호결합장치를 제공하는 데 있다.

또한 자심재료의 2차권선인 출력 권선으로 일반적인 와이어(wire)가 아니라 자심재료의 외부를 감싸는 금속 판이나 금속 케이스를 제공하며, 이것은 전력선과 자심재료 그리고 2차 권선인 금속케이스 사이의 결합도(Coupling factor)를 향상시켜 삽입손실을 감소시키고 신호전송 특성을 향상시킬 수 있는 비접촉식 신호결합장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 비접촉식 신호결합장치는 자심재료; 상기 자심재료의 외부표면을 감싸는 금속 띠 또는 금속 케이스로 구성된 출력권선; 및 상기 출력권선의 외부를 감싸는 절연체를 포함하며, 전력선을 지지하는 신호 결합부; 및 상기 신호결합부 하부에 결합되며, 누설 경로를 갖는 쉐드를 포함하는 라인포스트 애자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출력권선과 연결되는 출력신호선은 절연파괴를 방지하기 위해 상기 쉐드 내부에 삽입되어 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자심재료는 전력손실과 삽입손실을 감소시키고 신호전송 능력을 향상시키기 위해 2개 이상으로 분할하여 적층되고, 상기 적층되는 접촉면에 절연체가 삽입된 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 절연에 사용된 재료는 에폭시 수지인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가공선용 비접촉식 신호결합장치는 현재 중간전압 이상의 가공선로에서 시행하는 전력선 통신 설비의 구축에서 여러 가지 측면에서 장점으로 작용하며 그 기대효과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 가공선로에서의 전력선 통신 설비의 구축에서 전력선을 절단하여 설치하는 접촉식에서 벗어난 비접촉식이므로 설치작업이 쉽고, 전기적 안정성이 뛰어나다.

둘째, 기존의 비접촉식 신호결합장치는 전력선과 지심재료가 전기적으로 접촉되도록 설치되므로, 접촉식 신호결합장치와 비교해서 설치상의 전기적 안정성 면 에서 장점을 나타내지만, 본 발명의 방법은 전력선과 신호결합장치가 완전하게 전기적으로 절연된 상태이므로 전기적 안정성을 확보할 수 있다.

셋째, 저속(9kHz ~ 450 kHz) 및 고속(1MHz ~ 30 MHz) 전력선 통신에 사용되는 가공선용 비접촉식 신호결합장치로 광범위하게 사용될 수 있다.

넷째, 자심재료의 2차 권선으로 결합도가 높은 금속 판이나 금속 케이스를 사용함으로써, 삽입손실의 감소와 신호전송 특성을 향상시킬 수 있게 되어 전력선 통신의 질적 향상을 이울 수 있고, 동일한 통신 성능을 기준으로 할 때, 신호결합장치 간의 거리를 증가시킬 수 있게 되므로 설치과정에서 상당한 비용 절감효과를 누릴 수 있다.

다섯째, 신호결합장치의 출력 단자를 인출선과 BNC 타입, SMA 타입, SCC 타입, SMA 타입 등으로 다양하게 제공하여 전력선 모뎀 또는 인터페이스의 단자 종류에 관계없이 사용할 수 있다.

본 발명에서 제시하는 기술은 중간전압 이상의 가공선로에 적용 가능한 전력선 통신용 비접촉식 신호결합장치에 관한 것으로서, 기존의 자심재료와 전력선의 전기적 접촉방식에서, 고전압에 장기간 접촉되어 발생하는 자심재료의 발열현상으로 자심재료의 자기적 특성의 일부 또는 전체를 잃어버리고 그 성능을 발휘할 수 없게 될 수 있으므로 자심재료의 열화현상을 방지할 수 있는 방법이 고안되어야 한다.

기존의 기술에서 전압강하가 커패시턴스에 반비례하고 커패시턴스는 유전율에 비례한다는 원리에 의해, 비접촉식 신호결합장치용 자심재료로 투자율(μ)과 포화자속밀도(B_s)를 배제한 고 유전율 재료를 사용하는 것은 신호결합장치의 삽입손실을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 안정성을 오히려 떨어뜨리는 결과를 나타낸다.

일반적인 변압기나 인덕터는 자심재료에 의한 자기적 성질을 극대화하기 위해 동일한 권선수 내에서 1차 코일과 2차 코일 그리고 자심재료 간의 결합도를 높이는 것을 최우선으로 한다. 이 결합도는 1차 코일과 2차코일 간의 접촉면적이 넓을수록, 자심재료와 코일 간의 접촉면적이 많을수록 증가한다.

한편, 기존의 기술은 신호출력용 권선(2차 코일)으로 일반적인 전선을 사용하는데, 1회 미만의 권선으로 작용하는 전력선에 채용되는 신호결합장치의 경우에는 결합도가 아주 낮아진 상태이므로 자기유도 능률은 극도로 떨어진다.

본 발명은 중간전압 이상의 가공선용 비접촉식 신호결합장치의 구성방법에 대한 것으로서, 전력선과의 전기적 접촉에 의해 발생하는 자심재료의 열화현상을 방지하고, 자심재료와 신호선 간의 결합도를 향상시켜 삽입손실을 감소시키고 신호전송특성을 향상시킬 수 있는 구성방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1(a)는 가공선용 비접촉식 신호결합장치의 외형을 도식화 한 것이다. 가 공선용 비접촉식 신호결합장치는 절연피복되지 않은 고전압 선로에서, 전력선을 안전하게 지지하는 신호결합부와, 방전현상을 방지하기 위한 목적으로 300 mm 이상의 누설거리를 가지는 쉐드를 포함하는 라인포스트 애자가 결합하는 구조를 가진다.

그리고 전력선은 10 mm이상의 내경을 가지는 자심재료부를 관통하며, 쉐드의 최하단에 출력 신호선 또는 신호단자가 위치하는 구조를 가진다. 이 출력신호 단자는 인출선과 BNC, SMA, SCC, SMA 타입 등으로 다양하게 제공되며 전력선 모뎀 또는 인터페이스 단자의 종류에 관계없이 사용할 수 있다는 특징이 있다.

도 1(b)는 가공선용 비접촉식 신호결합장치의 실시 예를 도식화한 것이다. 신호결합부(100)의 자심재료부(400)는 상부와 하부로 분리되며, 쉐드와 연결된 하부의 내부 홀에 전력선(300)을 관통시킨 후, 상부를 클램핑하여 결합시키는 구조를 가지는데, 가공선용 비접촉식 신호결합부(100)는 전력선 통신 을 위한 통신 신호의 커플링 역할과 동시에 전력선 지지대의 역할을 수행할 수 있다.

이때, 사용되는 자심재료는 고투자율이나 고 포화자속밀도 또는 고투자율-고자속밀도 재료를 사용하는데, 결합된 상태에서의 높은 투자율과 자속밀도는 높은 신호전송 특성을 발휘할 수 있게 하므로 재료특성에 따라 신호결합장치의 삽입손실 특성은 변할 수 있다.

그리고 30 MHz 이상까지의 통신신호를 사용하는 전력선통신에서 자심재료는 고주파 손실이 급격하게 증가하게 되어 삽입손실을 증가시키게 되는데, 이를 방지하기 위해 자시재료의 비저항을 증가시키기 위한 공정이나 투자율과 자속밀도가 떨어지더라도 비저항이 높은 재료를 선택할 수 있다.

그리고 가공선에는 고전압뿐만 아니라 고전류가 유입되므로 사용되는 자심재료는 가공선에 흐르는 전류에 의해 자기포화가 되지 않아야 한다. 이와 같은 고전류에 의한 자기포화를 방지하기 위한 목적으로 자심재료의 4개의 접합면 사이에 절연재료가 도입될 수 있다.

또한 기존의 기술에서 자심재료는 가공선과 전기적으로 접촉하여 방전현상을 방지하고자 하였는데, 본 발명에서는 가공선과 신호결합장치는 전기적으로 완전 절연 상태로 결합되는 것을 특징으로 한다.

전력선(300)과 신호결합부(100)의 전기적 접촉은 자심재료의 온도상승을 초래하여 자심재료의 자기적 특성을 열화시켜 신호결합장치의 신호 전송특성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있다는 단점을 가진다.

그러므로 신호결합부(100)와 전력선(300)은 전기적으로 절연되도록 하며, 신호결합부(100) 외부의 절연재료는 내전압 특성과 내구성 및 내후성이 우수한 폴리머 및 에폭시 수지 재료가 사용될 수 있다.

일반적인 라인포스트 애자 등의 가공선용 지지대 및 구성부품은 실리콘계 폴리머 재료가 외부에 도포되는데, 이것은 제조공정의 난이성과 요구되는 금형의 정밀도 및 접합 등에 의해 상당히 높은 비용이 소요된다.

한편, 에폭시 수지 재료는 높은 내전압특성과 내구성 및 내후성을 가지고, 폴리머 도포형 금형보다 설계 및 제조가 쉬우며 금형 제조비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가공선용 비접촉식 신호결합장치 의 구조를 도식화 한 것으로서, 자심재료 외부 절연재료는 가공선의 전압크기 이상의 내전압 특성을 나타내도록 몰딩 또는 도포되며, 쉐드부 전체는 섬락전압 이상의 고전압에 대한 내전압 특성을 발휘할 수 있도록 설계된다.

예를 들어, 25 kV의 가공배전선에 사용되는 수평형 라인포스터 애자와 결합된 신호결합장치의 경우에는 건조섬락전압과 뇌충격 섬락전압(부극성)이 각각 95 KV, 205 KV 이상이 되도록 설계한다.

신호결합장치의 신호 출력선은 전기적 안정성과 내구성을 확보하기 위해 도 2에서 나타낸 바와 같이 쉐드부 내부로 인출하여 가장 아래 부분에서 다양한 형태의 단자와 결합된다.

여기서, 전력선과 자심재료 그리고 신호출력 권선 사이의 결합도를 증가시켜 삽입손실을 최소화하고, 신호전송 특성을 향상시키기 위한 목적으로 신호출력 권선을 일반적인 와이어 대신 금속 띠 또는 금속 케이스를 제공한다.

즉, 자기유도 원리에서 2차 측으로 유도되는 자기력은 1차 코일과 2차 코일의 접촉 면적이 넓을수록 우수한데, 1차 코일로 작용하는 전력선은 변화시키기 불가능하므로 2차 코일인 신호 출력 권선의 면적을 증가시킴으로써 결합도의 상승효과를 누릴 수 있다.

이 금속 케이스의 적용은 기생 캐패시턴스를 증가시키고 이에 따른 전력선 통신 주파수 대역에서의 임피던스 매칭효과를 부수적으로 누릴 수 있는데, 금속 케이스 또는 금속 판의 면적을 조절하여 매칭점을 조절할 수 있다는 특징이 있다.

신호 출력 권선용 케이스 또는 판으로 사용되는 물질은 구리, 알루미늄, 철, 스테인리스 등의 전기전도성이 우수한 금속재료들 중에서 최소 1종류 이상 사용할 수 있다.

그리고, 가공선용 비접촉식 신호결합부(100)의 절단면으로 인한 가공 전력선(300)과 출력 신호선(211) 사이의 절연파괴가 발생할 수 있으므로 출력 권선용 금속 띠 또는 금속 케이스(210)를 자심재료(400)와 가공 전력선 사이에서 완전히 절연시킬 수 있는 절연체(220)를 포함할 수 있다.

도 3은 비접촉식 신호결합장치(100)에 사용되는 자심재료(400)의 형상과 적층방법을 도식화 한 것으로서, 자심재료는 토로이달(toroidal) 형태와 같이 자기회로가 폐회로가 형성되는 형상으로 설계되어 사용되며, 자심재료는 전력손실을 최소화하기 위한 목적으로 여러 개를 적층하여 목표로 하는 자심재료의 높이를 구성하도록 한다.

자심재료의 전력손실은 동일한 크기라도 하더라도 분할된 자심재료를 여러 개 사용하여 감소시킬 수 있는데, 자심재료를 적층함에 있어서 접합면에 절연재료(410)를 삽입하여 전기적으로 절연시켜주는 것이 전력손실의 감소효과를 극대화할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가공선용 비접촉식 신호결합장치의 외형과 실시 예를 도식화 한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 가공선용 비접촉식 신호결합장치의 구조를 도식화 한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 비접촉식 신호결합장치에 사용되는 자심재료의 형상과 적층방법을 도식화 한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 신호결합부

110 : 쉐드

200 : 출력 단자

210 : 출력 권선용 금속 띠(케이스)

211 : 출력 신호선

220 : 절연체

300 : 가공 전력선

400 : 자심재료

410 : 절연재료

500 : 에폭시 수지(폴리머 수지)

Claims (6)

1. 자심재료;

   상기 자심재료의 외부를 감싸는 금속 띠 또는 금속 케이스로 구성된 출력권선; 및

   상기 출력권선의 외부를 감싸는 절연체를 포함하며, 전력선을 지지하는 신호 결합부; 및

   상기 신호결합부 하부에 결합되며, 누설 경로를 갖는 쉐드를 포함하는 라인포스트 애자를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 신호결합장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 출력권선과 연결되는 출력신호선은 절연파괴를 방지하기 위해 상기 쉐드 내부에 삽입되어 설치된 것을 특징으로 하는 비접촉식 신호 결합장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 자심재료는

   전력손실과 삽입손실을 감소시키고 신호전송 능력을 향상시키기 위해 2개

   이상으로 분할하여 적층되고, 상기 적층되는 접촉면에 절연체가 삽입된 것을 특징으로 하는 비접촉식 신호 결합장치.
6. 제 1항 또는 4항에 있어서,

   상기 절연체에 사용된 재료는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 비접촉식 신호 결합장치.

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