KR101758923B1

KR101758923B1 - 플라즈마 생성 장치

Info

Publication number: KR101758923B1
Application number: KR1020110026101A
Authority: KR
Inventors: 고바드한 가니레디; 아드난 쿠투부딘 보호리; 탱가벨루 아소칸
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2017-07-17
Also published as: EP2369902A2; US20110234099A1; KR20110107755A; JP2011204681A; JP5719202B2; EP2369902B1; CN102202455B; CN102202455A; EP2369902A3; US8492979B2

Abstract

제 1 플라즈마 생성 디바이스(136) 및 제 2 플라즈마 생성 디바이스(138)를 포함할 수 있는 아크 완화 디바이스(110)와 같은 장치가 제공된다. 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 한 쌍의 대향하는 이격된 전극(144a, 144b) 및 그 사이에 접속된 저전압, 고전류 에너지 소스(148)를 포함할 수 있다. 도관(194)이 제 1 및 제 2 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하도록 구성될 수 있어, 제 2 플라즈마 생성 디바이스가 제 1 플라즈마 생성 디바이스에 의해 생성된 플라즈마를 수용하게 된다. 제 1 플라즈마 생성 디바이스로부터의 플라즈마는 저전압, 고전류 에너지 소스에 기인하여 그 사이에 아크가 설정될 수 있도록 하기에 충분하게 대향하는 전극의 쌍 사이의 영역의 임피던스를 감소시키도록 작용할 수 있다.

Description

플라즈마 생성 장치{PLASMA GENERATION APPARATUS}

본 발명의 실시예는 일반적으로 플라즈마 건(plasma gun)에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 절제용 플라즈마 건에 관한 것이다.

전력 회로 및 개폐기는 통상적으로 절연체에 의해 분리된 전도체를 포함한다. 공기 공간이 종종 몇몇 영역에서 이 절연체의 일부 또는 전체로서 기능한다. 전도체가 서로 너무 가깝거나 전압차가 절연 특성을 초과하면, 아크가 전도체 사이에 발생할 수 있다. 전도체 사이의 공기 또는 임의의 절연체(가스 또는 고체 유전체)는 이온화될 수 있어, 절연체를 전도성이 되게 하고 이에 의해 아크 발생을 가능하게 한다. 아크 온도는 20,000℃만큼 높게 도달할 수 있어, 전도체 및 인접 재료를 증발시키고, 회로를 파괴할 수 있는 폭발 에너지를 방출한다.

아크 플래시는 위상간, 위상과 중성간 또는 위상과 접지간의 아크 고장에 기인하는 급속한 에너지 방출의 결과이다. 아크 플래시는 높은 열, 강렬한 광, 압력파 및 폭발과 유사한 음파/충격파를 생성할 수 있다. 그러나, 아크 고장 전류는 일반적으로 단락 회로와 비교하여 크기가 훨씬 작고, 따라서 차단기가 아크 고장 상태를 처리하도록 선택되지 않으면 회로 차단기의 지연된 트립핑이 예측되거나 어떠한 트립핑도 예측되지 않는다. 통상적으로, 아크 플래시 완화 기술은 표준 퓨즈 및 회로 차단기를 사용한다. 그러나, 이러한 기술은 느린 응답 시간을 갖고, 아크 플래시를 완화시키기 위해 충분히 빠르지 않을 수 있다.

아크 고장을 완화하는데 사용되고 있는 하나의 다른 기술은 전력 버스와 접지 사이, 또는 위상 사이에 배치된 단락(기계적 크로우바) 스위치를 이용하는 것이다. 아크 고장의 발생시에, 크로우바 스위치는 전력 버스 상의 라인 전압을 단락시키고, 아크 플래시로부터 이격하여 에너지를 전환시켜, 따라서 아크 블라스트에 기인하는 손상으로부터 장비를 보호한다. 전력 버스 상의 최종적인 단락은 상류측 회로 차단기가 단자 고장(bolted fault)을 제거하게 한다. 대형이고 고가인 이러한 스위치는 트리거링될 때 단자 고장 상태를 발생시키는 메인 전력 버스 상에 위치된다. 그 결과, 기계적 크로우바가 상류측 변압기에 극도의 응력을 발생시키는 것으로 알려져 있다.

향상된 응답 시간을 갖고 비용 효율적인 개량된 아크 플래시 방지 메커니즘에 대한 요구가 존재한다.

일 양태에서, 아크 완화 디바이스와 같은 장치가 제공된다. 아크 완화 디바이스는 제 1 및 제 2 플라즈마 생성 디바이스, 몇몇 경우에는 제 3 플라즈마 생성 디바이스를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 디바이스는 적어도 약 50 mm만큼 분리된 메인 전극 사이에 플라즈마 브리지를 제공하기 위해 그 내부에 생성된 플라즈마를 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 아크 완화 디바이스는 메인 전극을 포함할 수 있다.

제 2 플라즈마 생성 디바이스는 한 쌍의 대향하는 이격된 전극을 포함할 수 있다. 저전압, 고전류 에너지 소스가 대향 전극 사이에 접속될 수 있다. 도관이 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 다른 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하기 위해 구성될 수 있다. 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 예를 들어 제 2 플라즈마 생성 디바이스의 대향 전극 사이의 영역의 임피던스를 감소시키기 위해 제 1 플라즈마 생성 디바이스에 의해 생성된 플라즈마를 수용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 임피던스는 저전압, 고전류 에너지 소스에 기인하여 제 2 플라즈마 생성 디바이스의 대향 전극 사이에 아크가 설정되게 하는데 충분히 감소될 수 있다. 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 아크가 한 쌍의 대향 전극 사이에 존재할 때 절제되도록 구성된 절제 재료를 포함할 수 있다.

제 1 플라즈마 생성 디바이스는 제 1 전극, 제 1 전극으로부터 이격된 베이스 전극 및 제 1 전극과 베이스 전극 사이에 그 사이의 공기의 브레이크다운을 유발하는데 충분한 전위차(즉, 약 1 A 이하의 전류에서 적어도 약 8 kV)를 발생시키도록 구성된 고전압, 저전류 에너지 소스를 포함할 수 있다. 제 1 플라즈마 생성 디바이스는 베이스 전극에 대향하고 그로부터 이격된 제 2 전극을 또한 포함할 수 있다. 저전압, 고전류 에너지 소스(즉, 약 1 kV 이하의 전압 및 적어도 약 4 kA의 전류를 생성하도록 구성됨)가 제 2 전극과 베이스 전극 사이에 접속될 수 있고, 여기서 제 2 및 베이스 전극은 아크가 제 1 및 베이스 전극 사이에 존재할 때 그 사이의 공기의 브레이크다운을 유도하기 위해 배치된다. 제 1 플라즈마 생성 디바이스는 아크가 제 2 및 베이스 전극 사이에 존재할 때 절제되도록 구성된 절제 재료를 추가로 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 저전압, 고전류 에너지 소스는 고전압, 저전류 에너지 소스와 병렬로 제 1 및 베이스 전극 사이에 접속될 수 있다. 고전압, 저전류 에너지 소스는 제 1 및 베이스 전극을 가로지르는 고전압, 저전류 펄스를 제공하도록 구성될 수 있고, 저전압, 고전류 에너지 소스는 고전압, 저전류 펄스에 응답하여 제 1 및 베이스 전극 사이에 저전압, 고전류 펄스를 제공하도록 구성될 수 있다.

다른 양태에서, 아크 완화 디바이스와 같은 장치가 제공된다. 아크 완화 디바이스는 제 1 플라즈마 생성 디바이스 및 제 2 플라즈마 생성 디바이스를 포함할 수 있다. 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 한 쌍의 대향하는 이격된 전극과, 그 사이에 접속된 저전압 고전류 에너지 소스를 포함할 수 있다. 도관이 제 1 및 제 2 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하도록 구성될 수 있어, 제 2 플라즈마 생성 디바이스가 제 1 플라즈마 생성 디바이스에 의해 생성된 플라즈마를 수용하게 된다. 제 1 플라즈마 생성 디바이스로부터의 플라즈마는 저전압, 고전류 에너지 소스에 기인하여 그 사이에 아크가 설정될 수 있게 하는데 충분하게 한 쌍의 대향 전극 사이의 영역의 임피던스를 감소시키도록 작용할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 표현하고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명이 숙독될 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예에 따라 구성된 전력 시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 완화 디바이스의 사시도.
도 3은 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 사시도.
도 4는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 평면도.
도 5는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 단편 사시도.
도 6은 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 부분 분해 사시도.
도 7은 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 회로 다이어그램.
도 8은 일 플라즈마 건의 제 1 전극과 베이스 전극 사이의 아크의 형성을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 플라즈마 건의 개략 단면도.
도 9는 일 플라즈마 건의 제 1 전극과 베이스 전극 사이의 아크의 형성을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 회로 다이어그램.
도 10은 플라즈마 건의 제 2 전극과 베이스 전극 사이의 아크의 형성을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 플라즈마 건의 개략 단면도.
도 11은 플라즈마 건의 제 2 전극과 베이스 전극 사이의 아크의 형성을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 플라즈마의 회로 다이어그램.
도 12는 그를 통한 플라즈마의 이동을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 사시도.
도 13은 그를 통한 플라즈마의 이동을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 회로 다이어그램.
도 14는 나머지 플라즈마 건의 전극들 사이의 아크의 형성을 도시하는 도 2의 플라즈마 생성 시스템의 회로 다이어그램.
도 15는 도 2의 아크 완화 디바이스의 동작을 도시하는 개략 측면도.

본 발명의 예시적인 실시예가 동일한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이하에 더 상세히 설명된다. 이들 실시예의 몇몇은 상기 및 다른 요구를 처리할 수 있다.

도 1을 참조하면, 전력 시스템이 도시되고 도면 부호 100에 의해 일반적으로 나타낸다. 전력 시스템(100)은 회로 차단기(106)를 경유하여 로드(104)에 전력을 전달하도록 구성된 전원(102)을 포함한다. 예를 들어, 전원(102)은 도시된 바와 같이 3상 구성을 사용하여, 또는 예를 들어 단상 구성을 경유하여 공통 버스(108)에 교류(AC) 전력을 전달할 수 있다. 전원(102) 및 로드(104)는 또한 공통 버스(108)를 경유하여 아크 완화 디바이스(110)에 결합될 수 있다. 아크 완화 디바이스(110)는 아크 구속 디바이스(112) 내에 포위될 수 있다.

전기 신호 모니터링 시스템(114)은 아크 플래시 이벤트(116)에 기인하여 발생할 수 있는 전력 시스템(100) 내의 전류 변동을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 전기 신호 모니터링 시스템(114)은 변류기를 포함한다. 아크 플래시 판정 시스템(118)이 전기 신호 모니터링 시스템(114)으로부터 전기 파라미터(120)를, 아크 플래시 센서(124)로부터 파라미터(122)를 수신하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 '파라미터'는 예를 들어 아크 플래시 이벤트(116)로부터 기원하는 광학 광, 열 방사선, 음향, 압력 및/또는 무선 주파수 신호와 같은 아크 플래시 이벤트의 지표(indicia)로서 작용할 수 있는 양을 칭한다. 따라서, 센서(124)는 예를 들어, 광학 센서, 열 방사선 센서, 음향 센서, 압력 트랜스듀서 및/또는 무선 주파수 센서를 포함할 수 있다. 파라미터(120, 122)에 기초하여, 아크 플래시 판정 시스템(118)은 아크 플래시 이벤트(116)의 발생을 지시하는 아크 고장 신호(126)를 발생시킬 수 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 아크 고장 신호(126)는 아크 완화 디바이스(110)를 활성화하는 기능을 할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 아크 완화 디바이스(110)는 공통 버스(108)의 전도체(108a, 108b, 108c)(예를 들어, 상이한 위상, 중성 또는 접지에 대응하는 상이한 전도체)에 각각 접속된 메인 전극(128, 130, 132)을 포함할 수 있다. 이 실시예는 3개의 메인 전극을 나타내고 있지만, 다른 실시예는 전력 시스템에 의해 요구되는 바와 같이 더 많거나 더 적은 전극을 포함할 수 있다. 메인 전극(128, 130, 132) 사이의 갭은 시스템 전압에 따라 필수량의 갭을 갖고 전력 시스템(100)의 정상 동작을 위해 요구될 수 있다. 예를 들어, 약 600 V에서 동작하는 저전압 시스템은 메인 전극(128, 130, 132) 사이에 약 25 mm의 갭을 필요로 할 수 있고, 약 15 kV에서 동작하는 중간 전압 시스템은 메인 전극이 적어도 약 50 mm만큼, 몇몇 경우에 100 mm 초과 또는 심지어 150 mm만큼 분리되는 것을 요구할 수 있다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 아크 완화 디바이스(110)는 플라즈마 생성 시스템(134)을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 시스템(134)은 하우징(141)에 의해 지지되고 메인 전극(128, 130, 132) 사이에 배치된 플라즈마 건(136, 138, 140)과 같은 하나 이상의 플라즈마 생성 디바이스를 포함할 수 있다. 각각의 플라즈마 건(136, 138, 140)은 한 쌍의 대향하는 이격된 전극(142a, 142b; 144a, 144b; 146a, 146b)을 포함할 수 있다. 전극(142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b)은 예를 들어 구리 및/또는 스테인레스강으로 형성될 수 있고, 각각의 에너지 소스(148, 150)(이하에 설명됨)로의 전극의 접속을 용이하게 하는 단자를 포함할 수 있다.

각각의 플라즈마 건(136, 138, 140)은 또한 절제 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 플라즈마 건(136, 138, 140)은 대향 전극의 쌍(142a, 142b; 144a, 144b; 146a, 146b)에 근접하여 각각 배치된(예를 들어, 함께 층상화됨) 유전성 절제 재료부(152)를 포함할 수 있다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 절제 재료부(152)는 충분한 전류의 아크가 대응 쌍의 대향 전극(142a, 142b; 144a, 144b 및/또는 146a, 146b) 사이에 존재할 때 적어도 하나의 절제 재료부(152)가 절제될 수 있도록 구성될 수 있다. 후보 절제 재료는 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리옥시메틸렌 폴리아미드, 폴리-메틸 메타크릴레이트(PMMA) 및/또는 다른 절제 폴리머를 포함한다.

전극(142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b)의 일부 및 절제 재료부(152)는, 함께 조립될 때 전극과 절제 재료부가 함께 각각의 플라즈마 건(136, 138, 140)의 각각 내에 각각의 챔버 영역(154, 156, 158)을 형성하게 작용하도록 하는 슬롯(153)을 형성할 수 있다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 플라즈마 건(136, 138, 140)의 동작 중에, 절제 및 대응 플라즈마 생성은 챔버(154, 156, 158) 내에서 실시될 수 있고, 이 챔버는 메인 전극(128, 130, 132) 둘레의 영역을 향해 개방된 포트(160)를 형성한다.

도 2 내지 7을 참조하면, 각각의 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 각각의 쌍의 대향 전극(142a, 142b; 144a, 144b; 146a, 146b) 사이에 접속될 수 있다. 이와 관련하여, "저전압, 고전류" 펄스 에너지 소스는 약 1 kV 이하의 전압 및 적어도 약 4 kA의 펄스 전류를 생성하도록 구성된 에너지 소스를 칭한다. 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 아크가 대응 쌍의 대향 전극(142a, 142b; 144a, 144b; 146a, 146b) 사이에 존재할 때 아크와 관련된 전류가 적어도 하나의 절제 재료부(152)를 절제하는데 충분하도록 구성될 수 있다. 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)의 예가 이하에 제공된다.

일 플라즈마 건(즉, 플라즈마 건(136))은 다른 전극(162)을 포함할 수 있다. 플라즈마 건(136)과 관련된 전극(142a, 142b, 162)은 이하에 각각 "제 2" 전극(142a), "베이스" 전극(142b) 및 "제 1" 전극(162)이라 칭한다. 고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)는 제 1 전극(162)와 베이스 전극(142b) 사이에 접속될 수 있고, 그 사이에 공기의 브레이크다운을 발생시키는데 충분한 적어도 일시적인 전위차를 발생시키도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, "고전압, 저전류" 펄스 에너지 소스라는 것은 적어도 약 8 kV의 전압 및 약 1 A 이하의 펄스 전류를 생성하도록 구성된 에너지 소스를 칭한다. 고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)의 예가 이하에 제공된다.

고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)는 예를 들어 캐패시터 방전 회로 또는 펄스 변압기 기반일 수 있다. 고전압 펄스 에너지 소스(150)는 전원(미도시)과 전력 접속하는 정류기(163)와, 저항성 용량성 충전 회로(168)를 형성하는 저항기(164) 및 캐패시터(166)와, 캐패시터(166)와 직렬로 배치된 스위치(170)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)는 대략 120 내지 480 V AC(120 내지 480 VAC)의 전압을 수용할 수 있고, 캐패시터(166)는 대략 240 V의 사전 결정된 전압으로 충전될 수 있다. 고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)는 1차 권선(174) 및 2차 권선(176)을 갖는 고전압 펄스 변압기(172)를 추가로 포함할 수 있다. 1차 권선(174)은 스위치(170)를 통해 전원(미도시)과 전력 접속될 수 있고, 2차 권선(176)은 제 1 전극(162) 및 베이스 전극(142b)과 전력 접속될 수 있다.

저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 예를 들어 비교적 높은 전류 및 비교적 낮은 전압(예를 들어, 대략 1 kV보다 낮은 전압에서 대략 5 kA)을 발생시키는 마이크로패러드 범위 캐패시터를 사용하는 용량성 방전 회로일 수 있다. 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 전원(미도시)과 전력 접속하는 정류기(178) 및 저항성 용량성 충전 회로(184)로서 구성된 저항기(180) 및 캐패시터(182)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 전원(미도시)으로부터 대략 480 VAC의 전압을 수용할 수 있고, 캐패시터(182)는 최대 대략 600 V를 충전할 수 있다. 캐패시터(182)는 한 쌍의 전극(142a, 142b)과 병렬이고 저항기(180)와 직렬일 수 있다. 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 저항기(186), 정류기(178)와 제 2 전극(142a) 사이에 직렬로 접속된 인덕터(188)를 추가로 포함할 수 있다. 추가로, 스위치(190) 및 저항기(192)는 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)의 시험 중에 방전 경로를 제공하기 위해 정류기(178) 사이에 직렬로 접속될 수 있다.

플라즈마 생성 시스템(134)은 플라즈마 건(136, 138, 140) 사이의 유체 연통을 허용하도록 구성된 도관(194)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b, 162( 및 각각의 건(136, 138, 140)의 절제 재료부(152)는 하우징(141)에 의해 형성된 채널(196)과 일체화하는 챔버(154, 156, 158)를 형성하기 위해 구성될 수 있다.

도 1 및 도 7 내지 11을 참조하면, 동작시에, 아크 플래시 판정 시스템(118)은 아크 플래시 이벤트(116)의 발생을 판정할 수 있고(파라미터(120, 122)에 기초하여), 아크 고장 신호(126)를 발생시킬 수 있다. 고전압, 저전류 펄스 에너지 소스(150)는 아크 고장 신호(126)를 수신하고 이에 응답하여 제 1 전극(162)과 베이스 전극(142b) 사이의 공기(또는 더 일반적으로는 존재하는 어떠한 가스)의 브레이크다운을 유발하는 펄스를 발생시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 아크 고장 신호(126)는 펄스가 펄스 변압기(172)의 1차 권선(174)을 통해 송신되는 상태로 스위치(170)가 닫힐 수 있게 한다. 이에 응답하여, 제 2 전압 전위가 제 1 및 베이스 전극(162, 142b) 사이에 변압기(172)의 2차 권선(176)을 경유하여 설정될 수 있다. 따라서, 고전압(예를 들어, 캐패시터(166)가 대략 240 V로 충전될 때 대략 8 kV), 저전류 펄스가 생성될 수 있고, 이 펄스는 제 1 전극(162)과 베이스 전극(142b) 사이의 공기의 브레이크다운 전압을 극복하기에 충분히 높을 수 있다. 그 결과, 비교적 낮은 에너지의 아크(198a)가 제 1 전극(162)과 베이스 전극(142b) 사이의 거리에 미칠 수 있다.

제 2 전극(142a)은 제 1 전극(162)과 베이스 전극(142b) 사이의 아크(198a)가 제 2 전극과 베이스 전극 사이의 공간에 의해 제시된 임피던스의 감소를 발생시키도록 배치될 수 있다. 이 임피던스의 감소는 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)의 영향 하에서, 제 2 전극(142a)과 베이스 전극(142b) 사이의 공기의 브레이크다운을 유도하기에 충분할 수 있어, 이에 의해 아크(198a)가 제 2 및 베이스 전극 사이로 이동하여 유지되게 할 수 있다. 임피던스의 감소는 또한 낮은 전압에도 불구하고 제 2 전극(142a)과 베이스 전극(142b) 사이에 높은 전류 펄스가 흐를 수 있게 한다. 따라서, 아크(198a)의 에너지는 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)의 캐패시터(182)가 방전될 때 상당히 증가한다.

도 12 내지 14를 참조하면, 일단 아크(198a)가 제 2 및 베이스 전극(142, 142b)에 전달되면, 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 관련 절제 재료부(152)의 절제를 발생시키기 위해 충분한 아크 전류를 유지하도록 구성되고, 이는 챔버(154) 내의 플라즈마(200)의 생성을 초래한다. 다음, 챔버(154) 내에 생성된 플라즈마(200)의 일부는 플라즈마 건(136)과 관련된 포트(160)에 의해 방출될 수 있다. 그러나, 플라즈마(200)의 적어도 일부는 다른 플라즈마 건(138, 140)의 챔버(156, 158) 내에 도관(194)에 의해 안내될 수 있다.

플라즈마(200)가 플라즈마 건(138, 140)의 챔버(156, 158)에 진입함에 따라, 대응 전극쌍(144a, 144b; 146a, 146b) 사이의 공간과 관련된 각각의 임피던스가 감소된다. 전극(144a, 144b; 146a, 146b) 사이에 각각 접속된 저전압 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 이어서 각각의 쌍의 전극 사이에 아크(198b, 198c)를 개시할 수 있다. 저전압, 고전류 펄스 에너지 소스(148)는 관련된 절제 재료부(152)의 절제를 발생시키기 위해 충분한 아크 전류를 유지하도록 재차 구성되고, 이는 챔버(156, 158) 내의 플라즈마(200)의 생성을 초래한다.

도 2, 도 12 및 도 15를 참조하면, 일단 플라즈마 건(136, 138, 140)이 플라즈마(200)를 생성시키면, 플라즈마는 메인 전극(128, 130, 132) 사이의 공간을 점유하기 위해 각각의 포트(160)로부터 방출될 수 있다. 플라즈마(200)는 메인 전극(128, 130, 132) 사이에 전도성 플라즈마 브리지(202)를 생성하여, 이에 의해 메인 전극을 단락시키고 보호성 아크(204)가 그 사이에 형성되게 할 수 있다. 따라서, 플라즈마 브리지(202)는 아크 플래시 이벤트(116)를 완화하도록 작용할 수 있어, 보호성 디바이스 상류측(회로 차단기(106)와 같은)을 활성화하고 이에 의해 고장 전력 시스템에 전력이 공급되는 것을 차단할 수 있다. 이 고의적으로 생성된 고장은 아크 플래시 이벤트(116)와 관련된 에너지가 고장 위치로부터 이격하여 전환될 수 있는 제어된 방식으로 수행될 수 있다. 보호성 아크(204)는 강렬한 광, 소리, 압력파 및 충격파의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출할 수 있다. 보호성 아크(204)는 또한 메인 전극(128, 130, 132)의 증발을 발생시켜, 고압을 생성한다. 아크 완화 디바이스(110)는 보호성 아크(204)로부터 발생된 충격파 및 높은 압력을 포함하도록 구성된 포위체 또는 아크 구속 디바이스(112)를 포함할 수 있다는 것이 주목될 수 있다. 아크 수납 디바이스의 예는 그대로 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 2009년 5월 26일 출원된 미국 특허 출원 제 12/471,662호에 제공되어 있다.

속도, 이온 농도 및 확산과 같은 포트(160)를 나오는 플라즈마(200)의 제트의 특징 및 또한 플라즈마 브리지(202)의 특징은 무엇보다도, 플라즈마 건(136, 138, 140)의 치수 및 간격, 절제 재료의 유형 및 에너지가 에너지 소스(148)에 의해 공급되는 방식에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 아크 완화 디바이스(110)를 활성화할 때 메인 전극(128, 130, 132) 사이의 갭의 임피던스는 비교적 빠르고 강건한 포지티브 아크(204)를 생성하도록 설계될 수 있다.

상기 예에 따라 구성된 실시예는 다수의 플라즈마 건 중 단일의 하나에 접속된 단일의 고전압 저전류 에너지 소스에 의해 다수의 플라즈마 건의 활성화를 가능하게 할 수 있다. 이러한 구성은 다수의 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 고전압 저전류 에너지 소스는 고가인 경향이 있고, 따라서 요구되는 이러한 디바이스의 수를 최소화하는데 유용하다. 또한, 직렬로 접속된 다수의 플라즈마 건을 트리거하도록 작용하는 단일의 고전압, 저전류 에너지 소스를 포함하는 실시예에서, 하나 이상의 차단 다이오드, 상류측 건의 포지티브 전극 및 고전류 캐패시터에 의해 형성된 경로를 통해 흐름으로써 하류측 건 중 하나 이상에 고전압 펄스 바이패스를 회피하기 위해 요구될 수 있다. 이 다이오드는 트리거 시스템이 더 복잡하고 고가이게 할 수 있고, 또한 특정 전류 레벨(5 kA) 초과에서는 전도시에 그 높은 저항에 기인하여 높은 전류 펄스를 제한하는 경향이 있을 수 있다.

본 발명의 단지 특정 특징만이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 다수의 수정 및 변경이 당 기술 분야의 숙련자들에게 발생할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 모든 이러한 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다.

100: 전력 시스템 102: 전원
104: 로드 106: 회로 차단기
108: 공통 버스 110: 아크 완화 디바이스
112: 아크 구속 디바이스 114: 전기 신호 모니터링 시스템
116: 아크 플래시 이벤트 118: 판정 시스템
120: 전기 파라미터 122: 파라미터
124: 아크 플래시 센서 126: 아크 고장 신호
128, 130, 132: 메인 전극 134: 플라즈마 생성 시스템
136, 138, 140: 플라즈마 건
142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b: 전극
148, 150: 에너지 소스 152: 절제 재료부
156, 158: 챔버 160: 포트
162: 제1 전극 163: 정류기
164: 저항기 166: 캐패시터
168: 저항성 용량성 충전 회로 170: 스위치
172: 펄스 변압기 174: 1차 권선
176: 2차 권선 178: 정류기
180: 저항기 182: 캐패시터
184: 저항성 용량성 충전 회로 186: 저항기
188: 인덕터 190: 스위치
192: 저항기 194: 도관
198a, 198b, 198c: 아크 200: 플라즈마

Claims

제 1 플라즈마 생성 디바이스와,
제 2 플라즈마 생성 디바이스와,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하도록 구성된 도관을 포함하되,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스는,
제 1 전극과,
상기 제 1 전극으로부터 이격된 베이스 전극과,
상기 베이스 전극에 대향하여 그로부터 이격되는 제 2 전극과,
상기 제 1 전극과 상기 베이스 전극 사이의 아크(arc)를 유발하는 데 충분한 전위차를 상기 제 1 전극과 상기 베이스 전극 사이에서 발생시키도록 구성된 고전압, 저전류 에너지 소스 - 상기 제 1 전극과 상기 베이스 전극 사이의 상기 아크는 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이 영역의 임피던스를 감소시키도록 구성됨 - 와,
상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이에 접속된 저전압, 고전류 에너지 소스 - 상기 저전압, 고전류 에너지 소스는 상기 임피던스가 감소될 때 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이의 공기의 브레이크다운을 유발하며, 상기 제 1 전극과 상기 베이스 전극 사이의 상기 아크를 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이로 전달하고 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이에서 유지하도록 구성됨 - 를 포함하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 장치는 제 3 플라즈마 생성 디바이스를 더 포함하되,
상기 도관은 상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 3 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하도록 더 구성되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 그 내부에서 생성된 플라즈마를 방출하여 적어도 50 mm 만큼 분리된 메인 전극들 사이에 플라즈마 브리지를 제공하도록 구성되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 장치는 적어도 50 mm 만큼 분리된 메인 전극들을 더 포함하되,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스 각각은 그 내부에서 생성된 플라즈마를 방출하여 상기 메인 전극들 사이에 플라즈마 브리지를 제공하도록 구성되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스는
한 쌍의 대향하는 이격된 전극들과,
상기 한 쌍의 대향하는 이격된 전극들 사이에 접속된 저전압, 고전류 에너지 소스를 포함하는
장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스에 의해 생성된 플라즈마를 수신하도록 구성되고, 상기 플라즈마는 상기 한 쌍의 대향하는 이격된 전극들 사이에 접속된 저전압, 고전류 에너지 소스로 인하여 상기 한 쌍의 대향하는 이격된 전극들 사이에 아크가 생기는 것이 가능하게끔 상기 한 쌍의 대향하는 이격된 전극들 사이 영역의 임피던스를 충분히 감소시키도록 구성되는
장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스는 상기 한 쌍의 대향하는 이격된 전극들 사이에 아크가 존재할 때 절제되도록 구성되는 절제 재료(ablative material)를 포함하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스는 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이에 아크가 존재할 때 절제되도록 구성되는 절제 재료를 포함하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 고전압, 저전류 에너지 소스는 적어도 8 kV의 전압 및 1 A 이하의 전류를 생성하도록 구성되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 저전압, 고전류 에너지 소스는 1 kV 이하의 전압 및 적어도 4 kA의 전류를 생성하도록 구성되는
장치.
제 6 항에 있어서,
상기 장치는 제 3 플라즈마 생성 디바이스를 더 포함하되,
상기 도관은 상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 3 플라즈마 생성 디바이스 사이에 플라즈마를 안내하도록 더 구성되는
장치.
제 6 항에 있어서,
상기 장치는 적어도 50 mm 만큼 분리된 메인 전극들을 더 포함하되,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스와 상기 제 2 플라즈마 생성 디바이스 각각은 그 내부에서 생성된 플라즈마를 방출하여 상기 메인 전극들 사이에 플라즈마 브리지를 제공하도록 구성되는
장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 플라즈마 생성 디바이스는 상기 제 2 전극과 상기 베이스 전극 사이에 아크가 존재할 때 절제되도록 구성되는 절제 재료를 포함하는
장치.