KR101489187B1 - 광 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 개폐기 장치 - Google Patents

광 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 개폐기 장치 Download PDF

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Abstract

가스로 절연된 개폐기 장치는 파티션 절연체(1)에 위치된 전류 센서와 전압 센서를 포함한다. 전류 센서는 플렉시블한 지지체 스트립(2) 위에 자기-광학 섬유(11)를 포함하고 조립된 개폐기 장치에 용이하게 장착되기 위해 별도로 제조될 수 있다. 전류 센서는 파티션 절연체(1) 내로 방사방향으로 연장하는 전기-광학 섬유를 포함하며, 전기-광학 섬유의 단부는 전압을 정밀하게 적분하기 위해 파티션 절연체(1)의 금속 케이스(3)에 뿐만 아니라 버스 바(5)에 있는 리세스(16)에 매립된다.

Description

광 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 개폐기 장치{GAS-INSULATED SWITCHGEAR DEVICE WITH OPTICAL CURRENT SENSOR}
본 발명은 광 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 고전압 개폐기 장치에 관한 것이다.
가스로 절연된 개폐기(GIS : Gas-Insulated Switchgear)를 위한 종래의 전류 및 전압 변환기는 일반적으로 전자기 유도(electro-magnetic induction) 원리에 기초하고 있다. 이들 변환기는 무거우며 부피가 큰 모듈이고, GIS 시스템과 일체형 부품들이다. 전류 변환기는 분리기/접지 스위치와 회로 차단기 사이에 장착될 수 있다. 전압 변환기는 부시(bushing) 부근에서 분리기/접지 스위치의 반대쪽에 장착될 수 있다. 이들 변환기의 상당한 크기는 GIS의 주된 목표, 즉 전체적으로 콤팩트한 것과 공간을 절감하는 것과는 상반되는 것이다.
최근에, 보다 콤팩트한 전자 및 광학 센서들이 개시되었다. DE 4025911 A1은 단일 단계로 캡슐화된 GIS를 위한 광학 전압 및 전류 센서들의 콤팩트한 배열을 기술한다. 전압은 금속 링의 내부에 위치된 디스크 형상의 수정 결정체에서 압전 효과(piezoelectric effect)를 통해 측정된다. 미리 조립된 센서 모듈은 2개의 GIS 구획들 사이에 장착되며, GIS 캡슐 부분을 형성한다. 버스 바 주위에서 전기장에 의해 야기된 수정의 압전 변형은 광 섬유를 가지고 검출된다. 이 모듈은 또한 자기-광학 전류 측정(패러데이 효과)을 위한 광 섬유 코일에 대한 기계적 지지체를 더 포함할 수 있다. 섬유 코일은 GIS 가스 구획(즉, 가스로 채워져 있는 챔버)의 내부나 외부에 위치될 수 있다. 이 배열의 단점은, GIS 챔버로부터 외부로 가스가 새지않는 섬유 피드쓰루(feed-through)들을 제공하는 것이 필요하다는 것과, 전기 아크에서 발생되는 SF6의 공격성 분해 생성물에 대해 섬유를 보호하는 것이 필요하다는 것이다.
참고문헌 1은 전자 전류 및 전압 센서들을 결합시킨 콤팩트한 모듈을 기술한다. 여기서 전류는 로고브스키(Rogowski) 코일로 측정되며, 전압은 용량성 디바이더로 측정된다. 이 모듈은 다시 2개의 GIS 구획들 사이에 장착된다.
EP 1710589 A1은 광학 전류 및 전압 센서들의 다른 배열을 기술한다. 여기서, 기계적인 지지 구조물은 2개의 링 형상의 부품(하나의 부품은 전기적으로 전도성이고, 다른 하나의 부품은 비전도성이다)으로 구성되며, 이들 링 형상의 부품은 또 2개의 GIS 구획들 사이에 장착되고 다시 GIS 캡슐 부분을 이룬다. 링 형상의 부품들 사이에는 전류를 센싱하기 위한 광 섬유를 수용하는 그루브가 존재한다. 비금속성 부분은 광학 전압 측정을 위한 포켈 셀(Pockels cell)을 수용하는 막힌 단부 보어(dead end bore)(외부쪽에서 접근 가능한)를 구비한다. 다시, 크기와 유전 상수가 온도에 따라 변하는 것이 전압 측정에 영향을 미칠 수 있다.
위 접근법은 일반적으로 라인으로부터 개폐기를 취해 이를 적어도 부분적으로 분해함이 없이는 교체나 모듈 교환이 가능하지 않다는 문제점을 가지고 있다.
WO 2005/111633는 예를 들어 알루미늄 용해로에서 높은 직류 전류를 정확하게 측정하기 위해 광 섬유 전류 센서의 센싱 섬유를 응력 없이 패키징하고 배향시키는 개념을 기술한다.
US 6,348,786과 US 5,936,395는 전기적으로 폴링된 섬유(poled fiber)에 기초하는 광학 전압 센서를 기술한다.
EP 522 303은 전압 측정을 위한 중공 원통형의 센싱 전극 뿐만 아니라 전류 측정을 위한 토로이드 형상으로 감긴 코일을 구비하는 전류 및 전압 센서를 기술한다.
본 발명에 의해 해결하고자 하는 과제는 조립이 용이하면서 정밀한 전류 측정을 할 수 있는 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 개폐기 장치를 제공하는 것이다.
본 과제는 특허청구범위 제1항의 장치에 의해 해결된다. 이에 따라, 자기-광학 섬유(magneto-optic fiber)가 이로부터 일정 거리에서 버스 바 주위에 적어도 한번 감긴다. 이 섬유는 플렉시블한 지지체 스트립에 의해 지지되며, 이 지지체 스트립과는 분리된 차폐 벽이 지지체 스트립과 챔버 사이에 배열된다.
본 발명의 설계는 챔버 외부에 섬유를 위치시키게 하여 가스가 새지 않는 섬유 피드 쓰루를 배치해야 하는 종래의 요구를 제거한다. 동시에, 섬유와 그 지지체 스트립으로 구성된 센싱 조립체는 개폐기의 나머지 부품과는 별도로 제조되고 교정될 수 있으며, 개폐기의 분해 없이 개폐기에 장착될 수 있다. 이것은 설치, 유지보수 또는 장비의 교체를 간단하게 한다.
본 발명의 다른 실시예, 장점 및 응용은 도면을 참조하여 이하 상세한 설명에서 뿐만 아니라 종속 청구항들에 기재되어 있다.
도 1은 전류 및 전압 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 1 실시예를 도시하는 단면도.
도 2는 전류 및 전압 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 2 실시예를 도시하는 단면도.
도 3은 매립된 섬유를 갖는 지지체 스트립을 도시하는 단면도.
도 4는 매립된 섬유를 갖는 지지체 스트립의 복수의 권선 배열을 도시하는 단면도.
도 5는 매립된 섬유의 수 개의 권선을 갖는 지지체 스트립을 도시하는 단면도.
도 6은 전류 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 3 실시예를 도시하는 단면도.
도 7은 전류 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 4 실시예를 도시하는 단면도.
도 8은 전류 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 5 실시예를 도시하는 단면도.
도 9는 전압 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 6 실시예를 도시하는 단면도.
도 10은 전압 센서를 갖는 GIS(상부 절반 부분만)의 제 7 실시예를 도시하는 면도.
도 11은 폴링된 섬유를 도시하는 단면도.
정의 :
이하의 정의들이 본 설명 및 청구범위에서 사용된다:
"축방향"(axial)이라는 것은 전압 및 전류 센서의 영역에서 버스 바의 길이방향 축을 나타낸다.
"방사방향"(radial)이라는 것은 축방향에 수직한 임의의 방향을 나타낸다.
"플렉시블한 지지체 스트립"이라는 것은 신장된 구성으로부터 GIS의 엔클로저(enclosure)의 일반적인 반경, 즉 약 20cm 이상의 반경에 대응하는 반경으로 파괴 없이 굴곡될 수 있는 지지체 스트립을 말한다.
전류 센서 배열 :
도 1은 가스로 절연된 개폐기의 제 1 실시예의 단면도를 도시한다. 이 가스로 절연된 개폐기는 SF6와 같은 절연 가스로 채워져 있거나 진공인 챔버(40)를 둘러싸는 엔클로저(6)를 포함한다. 일반적으로 엔클로저(6)는 개폐기를 통해 전류를 운반하는 버스 바(5) 주위에 원통형으로 그리고 동심으로 배열된다. 챔버(40)는 파티션 절연체(1)에 의해 축방향으로 분리된 복수의 파티션들로 분할된다. 각 파티션 절연체(1)는 엔클로저(6)로부터 버스 바(5)로 연장하는 파티션 벽(41)을 포함한다. 파티션 벽(41)은 금속 케이스(3)에 의해 둘러싸여 있다.
제 1 실시예에서, GIS의 적어도 하나의 파티션 절연체(1)는 광 전류 센서 및/또는 광 전압 센서를 수용하도록 변형된다. 전류 센서는 자기-광학 섬유(11)에서 자기-광학 효과(magneto-optic effect)(패러데이 효과)를 이용한다. 바람직한 센서 형태는 참고문헌 2, 3 및 WO 2005/111633에 기술된 것과 같은 간섭 센서이다. 전류의 자기장은 센싱을 위한 자기-광학 섬유(11)에서 전파하는 좌 원편광 및 우 원편광된 광(light waves)을 차등적으로 위상 이동시킨다. 이 위상 이동은 예를 들어 섬유 자이로스코프(fiber gyroscopes)로 알려져 있는 기술로 검출된다. 그러나, 본 발명은 간섭성 광 섬유 전류 센서로만 제한되는 것은 아니며 다른 센서, 특히 편광 센서(polarimetric sensor)에 대해서도 사용될 수 있다. 편광 센서에서, 자기-광학 효과는 선형 편광된 광파의 회전량으로 검출된다.
센싱을 위한 자기-광학 섬유(11)는 예를 들어 WO 2005/111633에 기술된 바와 같은 섬유 보강된 에폭시 수지로 된 예를 들어 거의 직사각형의 플렉시블한 지지체 스트립(2)에 패키징된다. 매립된 자기-광학 섬유(11)를 포함하는 지지체 스트립의 단면은 도 3에 도시되어 있다.
파티션 절연체(1)의 금속 케이스(3)는 지지체 스트립(2)과 챔버(40) 사이에 배열된, 지지체 스트립(2)과는 별도의 차폐 벽을 형성한다. 다시 말해, 지지체 스트립(2)은 예를 들어 통상 대기압 하에 있는 챔버(40) 외부에 배열된다. 금속 케이스(3)는 파티션 벽(41)의 방사방향 외측에 배열되며 이 파티션 벽(41)에 연결된다.
금속 케이스(3)는 플렉시블한 지지체 스트립의 하나 또는 수 개의 루프를 수용하기 위해 그 방사방향 외부를 향하는 면에 그루브나 리세스(4)를 구비한다(도 3 내지 도 5 참조).
여기서 중요한 것은, 전류 센서는 버스 바(5) 내 전류만을 측정하여야 하므로, GIS 엔클로저(6) 내 임의의 전류에 의해 영향을 받지 않아야 하기 때문에, 금속 케이스(3)를 통해 흐르는 전류는 없다는 것이다. 그러므로, 엔클로저(6)의 2개의 인접하는 튜브 부분들 사이에 축방향으로 배열된 금속 케이스(3)는 하나 이상의 비-전도성 시일(seal)(7)에 의하여 하나 또는 2개의 튜브 부분들과는 전기적으로 절연된다. 이 시일(7)은 또한 개폐기의 가스로 채워져 있는 챔버(40)로부터 가스(일반적으로 가압된 SF6 가스)가 누출되는 것을 방지한다.
엔클로저(6)의 인접한 튜브 부분들의 플랜지(8)들은 볼트와 나사(이 중 하나의 위치가 도 1에서 참조 번호 42로 점선으로 도시되어 있다)에 의해 서로 고정된다. 볼트는 바람직하게는 센싱을 위한 지지체 스트립(2)의 방사방향 외측에서 금속 케이스(3)를 관통한다. 볼트를 통한 임의의 전류는 전류 측정을 방해하지 않는다. 만약 볼트가 지지체 스트립(2)의 방사방향 내측에 금속 케이스(3)를 관통한다면, 이 볼트는 볼트를 통해 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 플랜지(8)들 중 적어도 하나와 전기적으로 절연되어야만 한다. 엔클로저(6)에서 흐르는 전류는 플랜지(8)들을 전기적으로 연결하는 전도성 부분(9)을 통해 지지체 스트립 주위로 가이드된다. 전도성 부분(9)은 다시 그 전류가 측정되는 것을 방지하기 위하여 지지체 스트립의 섬유 루프의 방사방향 외측에 배열된다. 금속 케이스(3)와 전도성 부분(9) 또는 GIS 엔클로저(6) 사이에 전도성 연결부(10)는, 금속 케이스(3)가 엔클로저(6)(접지 전위)와 동일한 전위에 있는 것을 보장한다.
센싱을 위한 자기-광학 섬유(11)는 바람직하게는 낮은 고유 복굴절률을 갖는 단일 모드의 융합된(fused) 실리카 섬유이다. 노출된 섬유(코팅이 없는 섬유)는 도 3에 도시되고 EP 1 512 981에 기술된 바와 같이 얇은 융합된 실리카로 만들어진 모세관(12)에 수용된다. 모세관(12)은 예를 들어 얇은 폴리이미드 코팅으로 보호하기 위해 코팅되며, 섬유와 모세관 벽들 사이에 마찰을 피하기 위해 윤활유로 채워진다. 모세관은 지지체 스트립(2)의 그루브(13)에 실리콘이나 수지로 매립된다. 그루브(13)는 예를 들어 직사각형이나 삼각형 형상일 수 있다. 바람직하게는 길이방향 모세관 축은 지지체 스트립의 중립 평면(neutral plane)(스트립의 두께의 절반 부분에 있는)에 있어, 지지체 스트립(2)을 굴곡하는 것이 모세관(12)을 변형시키지 않는다.
이런 방법의 섬유 패키징은 넓은 온도 범위에 걸쳐 섬유에 임의의 패키징으로 인해 응력이 야기되는 것을 회피하게 하며, 이는 센서의 높은 안정성과 측정 정밀도에 아주 중요하다. 지지체 스트립(2)은 모세관(12)을 강력하게 기계적으로 보호하는 역할을 하고 또한 섬유의 재현가능한 방위각, 높은 스케일 팩터 반복성을 위한 다른 필요조건을 보장한다(WO 2005/111633 참조).
자기-광학 섬유(11)는 버스 바(5) 주위에 정수 번의 루프를 형성하여, 센서가 자기장의 폐쇄된 경로의 적분(integral)을 측정하는 것을 보장한다. 따라서, 신호는 자기장 분포에 독립적이며 섬유 루프의 방사방향 외측에 흐르는 전류에 의해 영향을 받지 않는다. 그러므로, 센싱 섬유 길이는 파티션 절연체(1)의 원주길이(circumference)의 정수배에 대응한다. 지지체 스트립(2)을 적절히 폐쇄하기 위하여, 지지체 스트립(2)은 센싱 섬유의 길이만큼 분리된 표시자(markers)를 지지한다. 바람직하게는, 이 표시자는 섬유 단부에 또는 그 부근에 있다. 지지체 스트립(2)은 표시자가 일치하는 방식으로, 즉 표시자들이 동일한 접선 위치에 있는 방식으로 파티션 절연체(1)의 그루브나 리세스(4)에 장착된다. 클램프(미도시)는 중첩하는 스트립 부분들을 제 위치에 유지한다. 표시자 대신에 또는 표시자에 더하여, 루프 원주만큼 분리된, 지지체 스트립(2)을 통한 보어홀(미도시)이 존재할 수 있다(도 1에서 전기-광학 섬유(14)의 방사방향으로). 광 섬유 코일은 이후 보어 홀이 일치되게 함으로써 폐쇄된다. 이들 홀을 통과한 핀과 기계적 고정물이 이 배열을 제 위치에 유지하는데 사용될 수 있다.
고 정격 전류에서 하나의 섬유 루프가 이미 충분할 수 있다. 만약 더 많은 수의 루프들이 요구된다면, 지지체 스트립(2)이 도 4에 도시된 2개 이상의 중첩된 루프로 장착될 수 있다.
이 구조의 특정 잇점은, GIS와 센서가 서로 독립적으로 완전히 조립될 수 있다는 것이다. 이 센서는 조립된 GIS에 용이하게 더해지거나 이로부터 제거될 수 있다. GIS가 적절히 변형된 파티션 절연체와 조립된다면, 차후 센서를 교체하는 것이 개폐기를 전혀 해체함이 없이 가능하다. 센서를 교정하는 것도 파티션 절연체가 교정시에 이용가능하지 않아도 수행될 수 있다.
대안적으로, 센서는 도 5에 도시된 바와 같이 내부에 자기-광학 섬유(11)를 갖는 수 개의 모세관 루프를 포함하는 지지체 스트립의 단 하나의 루프만을 구비할 수 있다. 이 경우에, 지지체 스트립은 파티션 절연체(1)의 그루브나 리세스(4)에 먼저 장착된다. 이후 모세관 루프는 스트립의 그루브에 감겨진다. 여기서, 센싱 섬유 길이는 지지체 스트립의 주변(perimeter) 길이의 정수배라는 것이 보장되어야 한다. 실제적인 이유로, 센서는 파티션 절연체(1)가 GIS에 설치되기 전에 파티션 절연체(1)에 추가될 수 있다. 바람직하게는, 센서 교정이 절연체에 장착된 섬유로 수행될 수 있다. 대안적으로, 파티션 절연체는, 섬유 루프를 포함하는 지지체 스트립이 절연체와는 독립적으로 제조되고 교정될 수 있도록 디자인될 수 있다. 이를 위해, 파티션 절연체(1)의 금속 케이스는 2개의 부분으로 분할될 수 있으며, 이로 지지체 스트립은 이 측면으로부터 이 2개의 부분들 중 하나의 부분 상에서 슬라이딩될 수 있고, 제 2 부분은 이후 부착될 수 있다.
낮은 고유 복굴절률을 갖는 섬유 대신에, 섬유는 참고문헌 4에 알려져 있는 높은 복굴절률의 스펀 섬유(spun fiber)일 수 있다. 이런 유형의 섬유는 보다 더 응력에 내성이 있어, 모세관 없이 그리고 코팅을 제거함이 없이 에폭시 스트립이나 금속 케이스(도 1 내지 도 5)에 매립될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 전류 센서 배열을 위한 다른 대안적인 실시예를 도시한다. 도 6에서, 센싱 섬유를 갖는 모세관은 파티션 절연체의 금속 케이스의 리세스 내에 매립된다. 이 경우에, 지지체 스트립은 필요치 않다. 도 7은 지지체 스트립이 파티션 절연체 없이 금속 케이스에 장착된 배열을 도시한다. 도 8은 지지체 스트립 없는 그리고 파티션 절연체 없는 실시예를 도시한다. 모세관만이 금속 케이스의 리세스나 그루브(4)에 장착되며, 예를 들어 실리콘으로 매립된다. 리드(lid)(43)는 이 그루브나 리세스를 덮어 모세관을 보호한다.
여기에 기술된 센서는 파티션 절연체와는 분리된 위치에 장착될 수도 있다는 것, 즉 파티션 절연체 대신 절연체 없이 독립적인 마운트(mount)가 사용될 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 이것은 도 6 내지 도 8의 실시예에 도시되어 있다. 이 마운트는 본질적으로 파티션 절연체의 금속 케이스에 대응하며, 다시 2개의 GIS 모듈들 사이, 즉 엔클로저(6)의 2개의 튜브 형상의 부분들 사이에 설치된다.
전압 센서 배열들
도 1의 파티션 절연체는 전류 센서와는 별도로 버스 바(5)와 엔클로저(6) 사이에 전압을 측정하는 전압 센서를 포함한다. 이 전압 센서는 파티션 벽(41) 내에 배열된다.
도 1의 실시예에서, 전압은 전기장의 라인 적분을 수행하는 전기-광학 전압 센서에 의해 측정된다. 전기-광학 전압 센서는 전기장에 의해 유도된 굴절률의 변화의 측정에 기초한다. 물질에 가해지는 전기장은 물질에 복굴절율 유도하거나 고유 복굴절 물질의 복굴절을 변화시킨다. 도 1의 전압 센서는 금속 케이스(3)로부터 방사방향 내부로 연장하는 결정 섬유와 같은 광 가이드 부재를 포함한다.
유리하게는, 센서는 바람직하게는 Bi4Ge3O12(BGO)로 된 결정 라인의 전기-광학 섬유(14)에 선형 전기-광학 효과(포켈 효과)를 사용한다. 전기-광학 섬유를 사용하여 전압을 측정하는 적절한 기술은 예를 들어 US 4 269 483에 기술되어 있다.
이 섬유나 로드는 버스 바(5)와 금속 케이스(3) 사이에 절연성 파티션 벽(41)의 방사방향 보어(15)에 존재하며, 바람직하게는 반사적으로 동작된다. 전기-광학 섬유(14)의 방사방향 외부 단부는 차폐 벽이나 금속 케이스(3)의 방사방향 내부를 향하는 면에 있는 리세스(16) 내로 연장하며, 전기-광학 섬유(14)의 방사방향 내부 단부는 버스 바(5)의 방사방향 외부를 향하는 면에 있는 리세스(16) 내로 연장한다. 본 발명의 이러한 설계는, 섬유나 로드를 따라 전기장의 라인 적분하는 것이 버스 바와 금속 케이스 사이에 전체 전기 전위 차에 대응하는 것을 보장한다. 리세스(16)는 바람직하게는 깊이 대 직경의 비(depth-to-diameter-ratio)가 커서, 리세스 내에서 전기장의 세기는 작다. 그 결과, 전기-광학 섬유(14)의 작은 변위는, 섬유 단부가 버스 바(5)와 금속 케이스(3)와 직접 전기적으로 접촉하지 않는다 하더라도, 신호에 거의 영향을 미치지 않는다. 대안적으로 또는 이에 추가하여, 전기-광학 섬유(14)의 단부는 예를 들어 스프링 접점을 통해 각각 버스 바와 케이스에 전기적으로 연결된 금속 캡이나 전도성 층의 형태로 금속 차폐물을 지지할 수 있다. 전기-광학 섬유(14)는 금속 케이스(3) 내 소켓(17)에 고정될 수 있고, 하나 또는 수 개의 광학 피드 섬유(18)에 의하여 센서(미도시)의 광 소스/검출 모듈에 연결될 수 있다.
전기-광학 섬유(14)는 융합된 실리카와 같은 유전체 물질로 만들어진 모세관 튜브에 존재할 수도 있다. 모세관은 전기 절연을 위해 절연 유체, 예를 들어 실리콘 오일로 채워져 있다. 그 결과, 전기-광학 섬유(14)는 임의의 기계적 응력을 받지 않는다. 모세관은 수지나 오일(19)에 매립되어 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기-광학 섬유(14)는 모세관 없이 설치될 수 있다. 방사방향 보어(15)는 수지나 오일(19)로 다시 채워져 있다. 더 다른 실시예에서, 방사방향 보어(15)는 도 2에 도시된 바와 같이 인접한 GIS 모듈과 가스 교환 가능하게 연통한다. 가스 교환은 채널(29)을 통해 일어난다. 채널(29)은 SF6 분해 생성물, 즉 SF4 또는 HF와 같은 공격성 SF6 분해 생성물의 적어도 일부를 차단하는 필터를 포함하는 카트리지(30)로 채워질 수 있다. 필터는 예를 들어 분자 체(molecular sieve)나 흡수체(absorber)로 동작하는 물질을 포함할 수 있다. 이들 분해 생성물은 스위칭 동안 전기 아크에서 발생할 수 있다. 필터는 CaO, 예를 들어, 0.7 CaO·0.3 Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O (여기서 n = 자연수)와 결합된 알칼리-알루미늄-실리케이트로 만들어질 수 있다. 시일(31)은 외부에 가스가 누출되는 것을 방지한다.
반사적으로 동작되는 대신에, 결정 섬유나 로드는 투과적으로 동작될 수 있다. 그러나, 이것은 결정 섬유 또는 로드의 버스 바 단부에 추가로 섬유를 연결하는 것을 요구한다.
전기-광학 센서 대신에, 방사방향 보어(15)는 EP 0 316 635에 알려져 있는 압전 광학 센서의 센싱 부분을 포함할 수 있다. 여기서, 압전 트랜스듀서 부재의 압전 변형은 광 섬유로 전달된다. 유발된 섬유 변형은 전압에 비례하여 섬유에서 전파하는 광의 위상 이동을 야기한다.
도 9는 금속 케이스(3)의 방사방향 외부에 배열된 2개의 전극(44,45)들을 지지하는 광 센싱 부재(20)와 용량성 디바이더를 결합한 전압 센서를 도시한다. 디바이더는 적어도 하나의 유전체 스페이서 층(22)이나 수 개의 개개의 스페이서 부재들에 의해 분리된 동심의 링 형상의 내부 전극 링(21)과 이전의 실시예에서와 같은 금속 케이스(3)에 의해 형성된다. 전극 링(21)은 금속 케이스(3)의 방사방향 내부에 배열되며 버스 바(5)로부터 일정 거리에서 버스 바(5) 주위로 적어도 부분적으로 연장한다. 센싱 부재(20)의 하나의 전극(44)은 금속 케이스(3)(접지)에 연결되는 반면, 센싱 부재(20)의 다른 전극(45)은 전극 링(21)에 연결된다. 금속 케이스와 전극 링(21) 사이의 전압은 Vo[1-ln(Re/R1) / ln(R2/R1)] 으로 주어지며, 여기서 R1, R2, Re는 각각 GIS 버스 바의 반경, GIS 엔클로저 및 링 전극이다. V0는 버스 바와 엔클로저 사이에 측정된 전압이다. 전극 링(21)은 연결 와이어(23)를 통해 광 전압 센서(20)의 센싱 부분과 전기적으로 접촉해 있다. 와이어(23)는 절연 층(24)에 의해 금속 케이스(3)와는 절연된다. 접지 전위는 연결 와이어(25)를 통해 전압 센서에 제공된다. 전압 센서는 예를 들어, EP 0 682 261 또는 참고문헌 5에 알려진 전기-광학 센서 또는 EP 0 316 619에 알려진 압전 광학 센서일 수 있다. 전압 센서의 소스, 검출 및 신호 처리 부품은 바람직하게는 GIS와는 별도로 배치되며, 하나 또는 수 개의 섬유 케이블(26)에 의해 광 센싱 부재(20)에 연결된다.
도 9 및 도 10의 전압 센서는 다시 전술된 전류 센서와 결합될 수 있다.
전기적으로 폴링(poled)된 광 섬유를 사용하는 전압 센서 :
일반적인 유리 섬유는 선형 전기-광학 효과를 나타내지 않는다. 그러나, 섬유를 전기적으로 폴링하는 것에 의해 야기된 이방성은 선형 전기-광학 효과(포켈 효과)(예를 들어, 참고문헌 6)를 야기한다는 것이 알려져 있다. 일반적으로, 폴링 방향은 길이방향 섬유 축에 횡방향이다. 섬유는 이후 횡방향 전기장에 민감하다. 폴링된 섬유에 기초한 전압 센서는 US 특허 6,348,786과 US 특허 5,936,395에 기술되어 있다.
도 10의 실시예에서, 횡방향으로 폴링된 섬유(27)(또는 일부 다른 폴링된 광 가이드 부재)는 버스 바(5) 주위에 적어도 한번 유리하게는 두 번 이상 루프로 감긴다.
GIS에서, 전기장의 분포는 잘 한정되어 있고 안정되어 있어 전기장의 적분이 정밀한 전압 측정에 반드시 필요한 것은 아니다. 도 10은 GIS에서 전압 측정을 위해 횡방향으로 폴링된 섬유의 배열을 도시한다. 섬유(27)는 금속 케이스(3)의 방사방향 내부 면에 그리고 케이스에 동심으로 링 형상의 마운트(28) 상에 감긴다. 마운트(28)는 섬유로 보강된 에폭시와 같은 유전체 물질로 만들어지며, 마운트는 섬유 권선으로부터 전기장을 차단하지 않는다. 섬유 권선은 실리콘이나 에폭시 수지에 매립될 수 있다. 섬유 권선의 위치에서 전기장의 세기는 E(Rf)=Vo/[Rf ln(R2/R1)] 으로 주어지며, 여기서 Rf는 섬유 권선의 반경이다(전기장에 대한 유전체 마운트의 영향은 작으므로 무시한다). 따라서, 섬유 권선에서 전기장은 GIS 전압(VO)에 비례한다.
섬유는 바람직하게는 도 11에 도시된 타원 유형의 코어(33)를 갖는 편광 유지(pm : polarization maintaining) 섬유(27)이다. 이 섬유는 D 형상의 클래딩(32)을 가진다. D 형상은 타원 유형의 코어(33)와 폴링 방향(34)의 한정된 배향으로 마운트(28) 위에 섬유를 감는 것을 가능하게 한다. D 형상은 또한 효과적인 섬유 폴링을 가능하게 한다(참고문헌 6 및 US 특허 6,097,867 참조). 평평한 클래딩 면은 마운트(28)의 면과 접촉해 있다. 폴링 방향은 평평한 클래딩 면에 수직하며 따라서 전기장에 평행하다. 타원 유형의 코어(33)의 주축(x)과 부축(y)(복굴절의 느린 축과 빠른 축)은 평행하며 평평한 클래딩 면에 수직하다. 전기장을 측정하기 위하여, 직교하는 편광 방향을 갖는 2개의 광파(Ex, Ey)들이 섬유 내로 들어간다(도 11). 전기장이
Figure 112014066463543-pct00001
으로 주어진 2개의 광파들 사이에 차등적인 위상 이동을 야기한다. 여기서,
Figure 112014066463543-pct00002
는 광의 파장이며,
Figure 112014066463543-pct00003
,
Figure 112014066463543-pct00004
는
Figure 112014066463543-pct00005
및
Figure 112014066463543-pct00006
로 주어진 2개의 편광에 대한 굴절률(nx, ny)의 전기-광학 변화율이다. 전기-광학 계수(r13, r33)는 관계식 r33 = 3·r13 에 의해 서로 관련된다. Eeff 는 섬유 코어에서 유효 전기장의 세기이다. L 은 전기장에 노출된 섬유 길이이다. 적절한 기하학적 형상과 전기장의 분포에 대해, 광 위상 이동(
Figure 112014066463543-pct00007
)은 전압(Vo)에 대한 척도(measure)가 된다. 마운트와 섬유의 열 팽창과 그 유전 상수의 열적 변화의 결과로, 전기장의 세기(Eeff)에서의 작은 변화는 온도 측정에 의해 보상될 수 있다. 열 팽창의 영향은 카본 섬유를 포함하는 마운트(28)에 의해, 예를 들어 카본 섬유로 보강된 플라스틱으로 구성되거나 또는 카본 섬유로 보강된 플라스틱으로 만들어진 추가적으로 매립된 지지체를 구비하는 것에 의해 감소될 수 있다.
위상 이동(
Figure 112014066463543-pct00008
)은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 알려진 수단에 의해 측정될 수 있다. 이 위상 이동은 또한 섬유 자이로스코트로 알려진 기술을 적응하여 사용하는 것에 의해 측정될 수 있다. 이 기술은 위상 차이의 열적 변화와 2개의 직교하는 광파의 차등적인 그룹 지연을 보상하기 위해 추가적인 섬유를 요구한다. 이 추가적인 섬유는 적절히 선택된 길이를 갖는 비-폴링된 pm 섬유(바람직하게는 폴링된 섬유와 동일한 타입의) 부분일 수 있다. 폴링된 및 비폴링된 섬유 부분들은 코어 축의 방향으로 90°오프셋 되게 서로 접합될 수 있으며, 2개의 섬유에서 열적 위상 이동은 반대 부호를 가져 서로 상쇄될 수 있다. 비-폴링된 섬유는 폴링된 섬유와 동일한 마운트(28) 위에 감기거나 또는 전기장 외부에 추가적인 지지체 위에 감길 수 있다. 이 추가적 지지체는 2개의 섬유 부분들 사이의 온도 차를 작게 유지하기 위하여 GIS 엔클로저에 충분히 열적으로 접촉해야 한다. 보상하는 섬유가 전기장 밖에 위치되면, 이 섬유는 또한 폴링된 섬유 부분일 수 있다.
섬유 자이로스코프에 기반한 검출 기술 대신에, 예를 들어 참고문헌 7에 알려진 편광측정 개념(polarimetric concept)이 사용될 수 있다. 이 기술은 바이어스 위상 이동을 최대 감도에 대한 사분면에 유지하는 제어 루프의 부분으로서 바람직하게는 보상 섬유에 위상 변조기를 요구한다(참고문헌 8).
폴링된 섬유는, 요구된다면, 충분한 전체 길이를 구현하기 위하여 폴링된 섬유의 수 개의 개개 부분들로부터 서로 접합될 수 있다.
D 형상의 섬유 대신에, 예를 들어 US 특허 6,097,867 및 US 특허 6,134,356 에 기술된 바와 같은 섬유 배향을 간단하게 하는 다른 섬유 형상이 사용될 수 있다. 타원형 코어 섬유 대신에, 참고문헌 9에 알려진 다른 유형의 편광 유지 섬유, 예를 들어 판다 섬유(Panda fiber)가 사용될 수 있다. 타원형 코어 섬유의 잇점은 온도에 따라 위상 차가 상대적으로 작다는 것이다. 이 섬유는 또한 폴링된 측면 홀(2중 홀) 섬유(참고문헌 10)일 수 있으며, 또는 마이크로 구조화된 섬유(홀이나 광 결정 섬유)(참고문헌 11)일 수도 있다.
참고문헌
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3. "Highly accurate fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry", K. Bohnert, H. Brandle, M. Brunzel, P. Gabus, and P. Guggenbach, IEEE/IAS Transactions on Industry Applications 43(1), 180-187, 2007.
4. R. I. Laming and D. N. Payne, "Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers", J. Lightw. Technol., 7, no. 12, 2084-2094, 1989.
5. G. A. Massey, D. C. Erickson, and R. A. Kadlec, "Electromagnetic Field Components: Their Measurement Using Linear Electrooptic and Magnetooptic Effects," Appl. Opt. 14, 2712 (1975).
6. P. G. Kazansky, P. St. J. Russell, and H. Takebe, J. Lightw. Technol. 15(8), 1484-1493, 1997.
7. W. J. Bock and W. Urbanczyk, "Temperature-hydrostatic pressure cross-sensitivity effect in elliptical-core, highly birefringent fibers", Applied Optics 35(31), 62676270, 1996.
8. D. A. Jackson, R. Priest, A. Dandridge, and A. B. Tveten, "Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber", Appl. Opt., vol. 19, pp 2926-2929, 1980.
9. J. Noda, K. Okamoto, and Y. Sasaki, "Polarization-maintaining fibers and their applications", J. Lightw. Technol. 4, 1071-1089, 1986.
10. P. Blazkiewicz, W. Xu, D. Wong, S. Fleming, and T. Ryan, J. Lightw. Technol. 19(8), 1149-1154, 2001.
11. T. A. Birks, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, "Endlessly single-mode photonic crystal fiber", Optics Letters 22(13), 961-963, 1997.
1 : 파티션 절연체 2 : 지지체 스트립
3 : 금속 케이스 및 차폐 벽 4 : 리세스
5 : 버스 바 6 : 엔클로저
7 : 시일 8 : 플랜지
9 : 전도성 부분 10 : 전도성 연결부
11 : 자기-광학 섬유 12 : 모세관
13 : 그루브 14 : 전기-광학 섬유 또는 로드
15 : 방사방향 보어 16 : 리세스
17 : 소켓 18 : 광학 피드 섬유
19 : 수지나 오일 20 : 광학 전압 센싱 부재
21 : 내부 전극 링 22 : 유전체 스페이서 층
23 : 연결 와이어 24 : 절연 층
25 : 연결 와이어 26 : 섬유 케이블
27 : 횡방향으로 폴링된 섬유 28 : 마운트
29 : 채널 30 : 필터
31 : 시일 32 : 클래딩
33 : 코어 34 : 폴링 방향
40 : 챔버 41 : 파티션 벽
42 : 나사 또는 볼트 위치 43 : 리드
44 : 전극 45 : 전극

Claims (28)

  1. 가스로 절연된 개폐기 장치로서,
    엔클로저와;
    엔클로저 내에 배열되고 절연 가스로 채워져 있거나 진공인 챔버와,
    챔버 내에 배열되고 전류를 운반하는 적어도 하나의 버스 바와,
    적어도 하나의 버스 바로부터 일정 거리에서 적어도 하나의 버스 바 주위에 감겨있으며 상기 버스 바를 통해 흐르는 전류를 측정하는 자기-광학 섬유(magneto-optical fiber)의 적어도 하나의 섬유 루프
    를 포함하며,
    가스로 절연된 개폐기 장치는,
    자기-광학 섬유를 지지하는 루프 형상의 플렉시블한 지지체 스트립과,
    상기 지지체 스트립과는 분리되어 있고 상기 지지체 스트립과 챔버 사이에 배열된 차폐 벽
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 엔클로저는 축방향을 따라 연장하는 복수의 모세관의 튜브 부분들을 포함하며, 차폐 벽은 2개의 튜브 부분들 사이에 축방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 튜브 부분들과 차폐 벽은 금속이며, 상기 튜브 부분들 중 적어도 하나와 차폐 벽(3) 사이에는 비전도성 시일(seal)이 배열되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 2개의 튜브 부분들 사이에 전류를 운반하기 위해 상기 2개의 튜브 부분들 사이에 전도성 부분을 더 포함하며, 전도성 부분은 자기-광학 섬유 루프의 방사방향으로 외측에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지체 스트립은 차폐 벽의 방사방향 외부를 향하는 면에 형성된 리세스에 배열되며, 상기 지지체 스트립의 방사방향 외측에는 상기 리세스를 덮는 리드(lid)가 배열되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버는 적어도 하나의 파티션 절연체에 의해 파티션들로 분할되며, 상기 파티션 절연체는, 2개의 파티션을 축방향으로 분리하며 엔클로저로부터 상기 버스 바로 연장하는 전기적으로 절연성인 파티션 벽을 형성하며, 차폐 벽은 파티션 벽의 방사방향 외측에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 차폐 벽은 파티션 벽에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 차폐 벽에 배열된 전압 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 전압 센서는 전기-광학(electro-optical) 전압 센서인 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 전압 센서는 차폐 벽으로부터 방사방향 내부쪽으로 연장하는 광 가이드 부재 또는 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 광 가이드 부재 또는 로드는 전기장이 가해질 때 굴절률이나 복굴절률이 변하고 선형적으로 변하는 물질인 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 광 가이드 부재는 차폐 벽으로부터 상기 버스 바로 연장하며, 광 가이드 부재의 방사방향 외부 단부는 차폐 벽의 방사방향 내부로 향하는 면에 있는 리세스로 연장하며, 또는 상기 광 가이드 부재 또는 로드의 방사방향 내부 단부는 상기 버스 바의 방사방향 외부를 향하는 면에 있는 리세스로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 광 가이드 부재 또는 로드의 방사방향 외부 단부 또는 방사방향 내부 단부는 차폐 벽 또는 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 금속 차폐물을 지지하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 광 가이드 부재 또는 로드는 가스로 절연된 개폐기 장치의 절연성 파티션 벽에 있는 방사방향 보어를 통해 연장하며, 파티션 벽은 엔클로저로부터 상기 버스 바로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 광 가이드 부재 또는 로드는 방사방향 보어 내에 있는 수지 또는 오일에 매립되어 있거나,
    방사방향 보어는 챔버와 가스 교환 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 전압 센서는, 차폐 벽의 방사방향 내부 면에 배열되고 상기 버스 바 주위에 적어도 한번 루프로 감긴 광 가이드 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 광 가이드 부재는 횡방향으로 폴링된(poled) 전기-광학 섬유인 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 광 가이드 부재는 카본 섬유를 포함하는 마운트 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  19. 제 8 항에 있어서, 전극들을 구비하는 전기-광학 센싱 부재를 더 포함하며, 상기 전극들 중 하나의 전극은 차폐 벽의 방사방향 내부에 배열된 전극 링에 연결되고, 전극 링은 상기 버스 바로부터 일정 거리에서 상기 버스 바 주위에 부분적으로 또는 완전히 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 전기-광학 센싱 부재는 차폐 벽의 방사방향 외측에 배열되고 또는 상기 전극들 중 제 2 전극은 엔클로저에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  21. 제 5 항에 있어서, 차폐 벽에 배열된 전압 센서를 더 포함하고, 전압 센서는 차폐 벽으로부터 방사방향 내부쪽으로 연장하는 광 가이드 부재 또는 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  22. 제 12 항에 있어서, 광 가이드 부재 또는 로드의 방사방향 외부 단부 또는 방사방향 내부 단부는 차폐 벽 또는 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 금속 차폐물을 지지하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  23. 제 12 항에 있어서, 광 가이드 부재 또는 로드는 가스로 절연된 개폐기 장치의 절연성 파티션 벽에 있는 방사방향 보어를 통해 연장하며, 파티션 벽은 엔클로저로부터 상기 버스 바로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  24. 제 5 항에 있어서, 차폐 벽에 배열된 전압 센서를 더 포함하고, 상기 전압 센서는, 차폐 벽의 방사방향 내부 면에 배열되고 상기 버스 바 주위에 적어도 한번 루프로 감긴 광 가이드 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  25. 제 17 항에 있어서, 광 가이드 부재는 카본 섬유를 포함하는 마운트 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  26. 제 5 항에 있어서, 차폐 벽에 배열된 전압 센서를 더 포함하고, 전극들을 구비하는 전기-광학 센싱 부재를 더 포함하며, 상기 전극들 중 하나의 전극은 상기 차폐 벽의 방사방향 내부에 배열된 전극 링에 연결되고, 전극 링은 상기 버스 바로부터 일정 거리에서 상기 버스 바 주위에 부분적으로 또는 완전히 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  27. 제 12 항에 있어서, 차폐 벽에 배열된 전압 센서를 더 포함하고, 전극들을 구비하는 전기-광학 센싱 부재를 더 포함하며, 상기 전극들 중 하나의 전극은 차폐 벽의 방사방향 내부에 배열된 전극 링에 연결되고, 전극 링은 상기 버스 바로부터 일정 거리에서 상기 버스 바 주위에 부분적으로 또는 완전히 연장하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
  28. 제 15 항에 있어서, 상기 광 가이드 부재 또는 로드는 상기 방사방향 보어 내에 있는 수지 또는 오일에 매립되어 있거나,
    상기 방사방향 보어는 SF6 분해 생성물의 일부 또는 전부를 차단하는 필터를 통해 상기 챔버와 가스 교환 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 가스로 절연된 개폐기 장치.
KR1020107013722A 2007-12-21 2007-12-21 광 전류 센서를 갖는 가스로 절연된 개폐기 장치 KR101489187B1 (ko)

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