KR102457645B1 - 진공 시험이 가능한 진공 절연 스위치, 스위치 조립체 및 시험 방법 - Google Patents

진공 시험이 가능한 진공 절연 스위치, 스위치 조립체 및 시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중간 전압 또는 고전압 스위치(10)에 관한 것으로서, 2 차 진공 챔버(111), 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들이 서로 연결되지 않는 개방 위치와 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들이 서로 전기적으로 접촉되는 폐쇄 위치 사이에서 챔버(111) 안에 서로에 대하여 움직일 수 있도록 장착된 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)를 포함한다. 스위치(10)는 또한 챔버(111) 안에 배치된 도전체(210,220,230)를 포함하는데, 적어도 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들이 폐쇄 위치에 있고 고전압 또는 중간 전압이 상기 스위치(10)에 인가될 때, 챔버(111) 안에서 압력 쓰레숄드를 넘으면 부분 방전이 상기 도전체에 의하여 발생되도록 되어 있다. 본 발명은 또한 스위치 조립체에 관한 것이기도 하며 그러한 스위치를 시험하기 위한 방법에 관한 것이기도 하다.

Description

진공 시험이 가능한 진공 절연 스위치, 스위치 조립체 및 시험 방법{VACUUM-INSULATED SWITCH ENABLING TESTING OF THE VACUUM, SWITCH ASSEMBLY, AND TESTING METHOD}
본 발명은 진공 병(vacuum bottle)과 같이 중간 전압 또는 고전압 진공 절연된 스위치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 회로 차단기와 같은 장비에서 회로를 구성하거나 회로를 차단하기 위한 수단으로서 사용되는 진공 병에 관한 것이다.
진공 병 안에서 진공의 손실이 있을 때, 다양한 활성 요소(live element)들 사이의 유전 강도(dielectric strength)가 감소된다. 다음에 회로를 구성하거나 차단하는 수단의 정확한 작동이 손상된다. 진공 병은, 진공 병 내부의 압력이 0.1 파스칼(Pa) 정도, 즉, 0.001 밀리바아(mbar) 정도의 임계 압력 쓰레숄드 아래에서 유지되는 것이 잘 수행되게 하는 장치이다. 만약 진공 병 내부의 압력이 그러한 압력 쓰레숄드를 넘으면, 성능이 감소되며, 심지어 작동 불가능해질 수 있거나 또는 폭발될 수 있다.
진공 병 내부의 압력이 임계 압력 쓰레숄드 아래에 유지되는 것을 점검하기 위하여, 예를 들어, 회로 차단기에 존재하는 전기 접촉부들을 함께 인접하게 가져와서, 다음에 전기 접촉부들에 인가된 저전압에서 유전 강도(dielectric strength)를 시험할 수 있다. 만약 유전 강도가 만족스럽지 않다면, 엔크로져 내부의 압력이 임계 압력보다 큰 것으로 가정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 유전 강도에서의 그러한 감소에는 다수의 원인들이 있을 수 있으며 특히 접촉부들의 전기적인 마모와 관련된 원인들이 있을 수 있으며, 이는 통상적인 현상이다. 따라서 진공 병 내부의 압력이 임계 압력 쓰레숄드에 도달했다는 상기 시험에만 기초하여 결정될 수는 없다.
프랑스 특허 FR 2 968 827 A1 은 진공을 시험할 수 있는 진공 병을 개시한다. 그러한 장치의 구현은 상대적으로 복잡한데, 왜냐하면 인젝션 몰딩에 의존하는 것을 필요로 하며, 이는 신뢰성의 문제를 일으킬 수 있으며 차후의 가열 문제의 결과로서 전류를 통과시키는 시스템의 용량을 감소시킬 수 있다. 또한 진공 병 케이싱에 도전성 재료를 배치할 필요도 있으며, 이는 진공 병 외부의 전압을 견디기 위하여 절연 거리를 증가시킬 필요성이 있게 한다.
상기 장치는 진공 손실의 함수로서 변화하는 캐패시턴스(capacitance)를 가지는 전압 디바이더(voltage divider)를 이용한다. 진공 병 내부의 접촉부들을 단순히 개폐하는 것은 상기 캐패시턴스가 변화하게 하는 것으로 보인다.
더욱이, 검출된 전류가 읽혀질 수 있도록, 상기 장치는 진공 병 외부에 있는 스크린으로의 와이어 연결을 통하여 정보가 출력될 것을 필요로 한다. 절연의 이유 때문에, 이것은 중간 전압 또는 고전압의 진공 병에 대하여 실시하기가 복잡하다.
진공 병에서의 진공 손실을 시험하기 위하여, 회로 차단기는 작동을 멈추어야 한다. 더욱이, 사전 개방 작동이 필요하다. 회로 차단기가 부하를 받을 때, 만약 진공이 손실되었다면, 그러한 개방 작동은 전류가 중단되지 않는(non-interruption of the current)것으로 이어질 수 있으며 진공 병의 파괴로 이어질 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 단점들을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목표는 스위치 엔크로져 안에 존재하는 압력을 시험하기 위하여 스위치가 개방 위치로 통과될 필요가 없는 중간 전압 또는 고전압 진공 절연 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목표는 종래 기술의 스위치보다 제조하기에 단순한 중간 전압 또는 고전압 진공 절연 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명은 중간 전압 또는 고전압 스위치를 제공하는데, 이것은:
고진공 엔크로져; 및
개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 엔크로져 내부에 서로에 대하여 병진으로 움직일 수 있도록 장착된 제 1 및 제 2 접촉부들;을 포함하며, 상기 개방 위치에서 제 1 및 제 2 접촉부들은 이격되고, 상기 폐쇄 위치에서 제 1 및 제 2 접촉부들은 전기적인 접촉 상태에 있다.
스위치는 엔크로져 내부에 배치된 도전체를 더 포함하는데, 적어도 제 1 및 제 2 접촉부들이 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치에 인가될 때, 상기 도전체에 의하여 부분 방전이 발생되는 엔크로져 내부의 압력 쓰레숄드가 존재하는 방식으로 도전체를 포함한다.
엔크로져 내부의 도전체의 상기와 같은 구성으로써, 단지 방전을 검출하는 것은 엔크로져 내부의 압력이 압력 쓰레숄드보다 큰지를 판단할 수 있게 한다. 종래 기술의 방법과는 다르게, 이러한 검출은 스위치가 개방 위치에 배치될 것을 필요로 하지 않는다. 따라서, 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 통과하는 동안 스위치가 폭발하는 그 어떤 위험성도 회피된다.
더욱이, 진공 시험을 수행하도록 엔크로져 내부에 위치된 도전체의 사용은 상기 도전체에 전위가 인가될 것을 필요로 하지 않으며, 부분 방전은 엔크로져 밖에서 검출될 수 있다. 따라서, 종래 기술의 스위치들과 다르게, 그러한 스위치는 와이어 연결을 통하여 정보를 출력하거나 또는 동일한 채널을 통하여 전압을 인가하여야 하는 그 어떤 필요성도 나타내지 않는다. 결과적으로, 그러한 스위치는 엔크로져 내부의 진공이 시험될 수 있게 하면서, 종래 기술 스위치의 제조상의 복잡성을 나타내지 않는다.
위에서, 그리고 본원의 다른 곳에서 "고진공" 이라는 용어는 10-3　Pa 내지 10-5　Pa 의 범위에 놓이는 압력을 지칭한다.
위에서, 그리고 본원의 다른 곳에서, "중간 전압 및 고전압" 이라는 용어는 1 킬로볼트(kV) 내지 50 kV 범위에 놓인 교류(AC) 전압 및 50 kV 보다 큰 교류 전압을 각각 지칭한다.
위에서, 그리고 본원의 다른 곳에서, "도전체에 의하여 발생된 부분 방전"이라는 용어는 도전체의 구성이 도전체와 스위치의 일부 사이에서 부분 방전이 발생될 수 있도록 도전체가 배치되는 사실을 지칭하며, 상기 스위치 부분은 고전압을 겪거나 또는 접지로 연결되기에 적절하다.
부분 방전은 현저한 전위 차이가 사이에 존재하는 스위치의 2 개 부분들 사이에서 전기 아크가 나타나는 것에 해당하며, 상기 아크는 스위치의 2 개 부분들 사이에서 부하의 전달(transfer of load)에 해당한다. 그러한 방전은 100 메가헤르츠(MHz) 내지 적어도 3 기가헤르츠(GHz) 의 범위에 놓인 주파수, 즉, 극초단파 범위에 놓인 주파수를 가지는 전자기 시그네쳐(electromagnetic signature)를 나타낸다. 상기 부분 방전의 시그네쳐인 전자기파는 극초단파 안테나에 의하여 검출될 수 있다.
위에서, 그리고 본원의 다른 곳에서, "부동 전위(floating potential)" 라는 용어는 도전체 또는 차폐부와 같은 도전성 재료로부터 만들어진 스위치의 일부가, 기준 전위가 고정되었든(예를 들어 접지) 또는 가변적이든(예를 들어, AC 전압) 그 어떤 기준 전위에도 물리적으로 연결되지 않음을 지칭하며, 따라서 스위치의 상기 부분이 겪는 정전기 조건들에 응답하여 변화될 수 있는 전위를 나타낸다.
도전체는, 적어도 제 1 및 제 2 접촉부들이 폐쇄 위치에 있을 때 중간 전압 또는 고전압이 스위치에 인가되면 중간 전압 또는 고전압을 겪는 스위치 요소로부터 미리 정해진 거리에서, 엔크로져 내부에 배치될 수 있다.
유전성 재료는 스위치 요소와 도전체 사이에 제공될 수 있고, 상기 재료는 진공의 유전율보다큰 유전율을 나타낸다.
그러한 재료는 캐패시턴스에 걸쳐 우수한 제어를 제공하며, 따라서 도전체와 스위치 요소 사이의 최대 전위 차이에 걸쳐서 우수한 제어를 제공한다. 그러므로, 도전체와 스위치 요소 사이의 최대 전위 차이에 걸친 제어로써, 부분 방전이 발생되는 엔크로져 내부의 쓰레숄드 압력을 정확하게 모니터할 수 있다.
스위치 요소는 제 1 접촉부 및 제 2 접촉부로부터 선택된 접촉부이다.
차폐부는 부동하는 전위를 가진 엔크로져 내부에 배치된 도전성 재료로 만들어질 수 있고, 차폐부는 스위치 요소일 수 있다.
도전체는 적어도 하나의 테이퍼진 부분을 포함할 수 있고, 바람직스럽게는 스위치 요소를 향하여 테이퍼질 수 있다.
그러한 테이퍼진 부분은, 부분 방전이 발생되는 쓰레숄드 압력에 걸쳐 우수한 제어를 달성하면서, 전기 방전이 그것을 통해 발생되는 도전체의 부분을 형성할 수 있게 한다.
본 발명은 또한 중간 전압 또는 고전압 진공 절연 스위치 조립체를 제공하기도 하며, 상기 조립체는 본 발명의 스위치 및, 엔크로져 내부에 발생된 부분 방전이 검출될 수 있게 하는 방식으로 배치된 극초단파 안테나를 포함한다.
그러한 조립체는 본 발명의 스위치를 완전히 가장 유리하게 만들 수 있는데, 왜냐하면 극초단파 안테나에 의하여 부분 방전이 검출될 수 있도록 구성되기 때문이다.
본 발명은 또한 본 발명의 중간 전압 또는 고전압 스위치를 시험하는 방법을 제공하기도 하며, 이 방법은:
스위치를 중간 전압 또는 고전압에 연결하는 단계; 및,
그 어떤 부분 방전이라도 검출하는 단계로서, 상기 부분 방전은 압력 쓰레숄드보다 큰, 엔크로져 내부의 압력의 특성인, 부분 방전 검출 단계;를 포함한다.
상기 방법은 본 발명의 스위치를 시험할 수 있게 한다.
상기 방법은, 엔크로져 내부에서 발생되는 부분 방전이 검출될 수 있게 하는 방식으로 배치된 극초단파 안테나를 제공하는 선행의 단계 및, 상기 극초단파 안테나에 의하여 수행되는 부분 방전의 존재를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 대안의 해법은 중간 전압 또는 고전압 스위치에 관한 것으로서, 이것은:
고전압 엔크로져; 및,
제 1 및 제 2 접촉부들이 이격된 개방 위치와, 제 1 및 제 2 접촉부들이 전기적으로 접촉된 폐쇄 위치 사이에서, 엔크로져 내부에 서로에 대하여 병진으로 움직일 수 있도록 장착된 제 1 및 제 2 접촉부들;을 포함한다.
스위치는 간극을 형성하는 방식으로 엔크로져 내부에 배치된 적어도 2 개의 전극들을 더 포함하는데, 제 1 전극은 제 1 및 제 2 접촉부들중 하나에 전기적으로 연결되고, 제 2 전극은 전위 차이가 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가될 수 있게 하는 방식으로 엔크로져를 통과하는 도전체에 연결된다.
전위 차이는 특정한 전력 공급부로부터 올 수 있거나, 또는 고려되고 있는 접촉부상의 중간 전압 또는 고전압의 존재 때문에 용량성 커플링(capacitive coupling)에 의해 자연스럽게 얻어질 수 있다.
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이는 작동중에 영구적인 방식으로 인가될 수 있다.
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이는 특정한 시험중에 가끔 인가될 수 있다.
진공 병 내부의 진공 손실을 검출하는데 전용되는 2 개 전극들의 이용은, 회로 차단기의 정상 작동을 중단시키지 않으면서 상기 검출이 수행될 수 있게 한다.
진공 병 내부의 진공 손실에 대한 그러한 검출은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이에 기초하며, 상기 전위 차이는 전기 회로가 개방되었을 때 진공 병의 제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이에 존재할 수 있는 전위 차이에 비하여 작다. 따라서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 발생될 수 있는 일시적인 현상은 제 1 및 제 2 접촉부들에서 전기 회로를 개방시키는 능력에 대하여, 또는 스위치의 외부 절연과 관련하여 영향을 미치지 않는다.
따라서, 그러한 스위치로써, 스위치가 작동하는 동안에도 진공의 손실이 검출될 수 있다. 따라서, 진공의 손실을 검출하기 위하여 전기 회로를 개방시킬 필요는 없다.
제 2 도전체는 밀폐 밀봉(hermetically sealed) 방식으로 엔크로져를 통과할 수 있다.
본 발명의 이러한 대안의 다른 가능성에서, 제 1 및 제 2 접촉부들중 하나는 제 1 전극을 형성할 수 있고, 제 2 전극은 상기 접촉부에 응답하여 엔크로져 내부에 배치되되, 동일한 접촉부에 대하여 간극을 형성하는 방식으로 배치된다.
본 발명의 대안의 해법은 상기 대안에 따라서 스위치에서 진공의 손실을 검출하기 위한 장치를 제공하는데, 상기 장치는:
본 발명의 대안에 따른 스위치;
제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이에 존재하는 전위 차이에 비하여 작은, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이를 확립하기 위한 수단; 및,
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전류를 측정하기 위한 수단;을 포함한다.
아래에서, 그리고 본원 발명의 나머지에서, "제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이에 존재하는 차이에 비하여 작은 전위 차이"는, 스위치가 개방 위치에 있을 때 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이가 제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이의 차이의 1/10 보다 작다는 사실을 지칭한다.
바람직한 특성에서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이를 확립하기 위한 수단은 외부 전압 소스(voltage source)를 포함한다.
바람직한 대안의 특성에서, 제 1 전극 및 제 2 전극중 하나는 제 1 접촉부 및 제 2 접촉부중 하나에 장착되며, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위 차이를 확립하기 위한 수단은 제 1 전극 및 제 2 전극중 상기 하나와 제 1 접촉부 및 제 2 접촉부중 상기 하나 사이의 용량성 커플링(capacitive coupling)이다.
바람직한 특성에서, 엔크로져 내부의 그 어떤 진공 손실의 검출이라도 자동적으로 관리하기 위하여 장치는 모니터링 모듈(monitoring module)을 더 포함한다.
따라서, 진공의 질은 연속적으로 모니터되고 진공이 불충분해지기 전에 개입할 수 있다.
또한 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 스위치 제조 방법을 제공하기도 한다.
- 압력 쓰레숄드를 한정하는 단계,
- 도전체를 제공하는 단계,
- 스위치의 엔크로져를 형성하도록 의도된 엔크로져의 적어도 일부를 제공하는 단계,
- 스위치가 형성되었을 때, 엔크로져 안으로의 압력이 압력 쓰레숄드에 도달하고, 제 1 및 제 2 접촉부들이 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치에 인가되면 부분 방전이 상기 도전체에 의하여 발생되는 방식으로, 도전체를 엔크로져 안에 배치하는 단계.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 순수하게 예시적이고 비제한적인 예로서 주어지는 실시예들에 대한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 3 개 도전체들을 가지는 진공 병을 개략적으로 도시하며, 본 발명의 도전체에 대한 3 가지 가능한 위치들을 도시한다.;
도 2 는 절연 재료에 의하여 진공 병의 접촉부들중 하나로부터 절연된 도전체를 가진 진공 병을 개략적으로 도시한다;
도 3 은 진공 병이 고전압에 연결되고 쓰레숄드 압력 보다 큰 압력을 나타낼 때 본 발명의 도전체에 의하여 부분 방전을 발생시키는 원리를 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 도전체에 대하여 가능한 형상들의 2 가지 예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b 는 도 1 에 도시된 스위치 및, 도전체에 의하여 발생된 부분 방전이 검출될 수 있게 하는 적어도 하나의 극초단파(UHF) 안테나를 포함하는 스위치 조립체의 2 가지 예를 도시한다.
도 6 은 본 발명에 대한 대안에서 진공이 측정될 수 있게 하기 위하여 2 개의 전극들이 제공된 진공 병을 도시한다.
도 7 은 도 6 에 도시된 바와 같은 진공 병이 설치된 회로 차단기를 개략적으로 도시한다.
다양한 도면들에서 동일하거나, 유사하거나, 또는 등가인 부분들에는 하나의 도면으로부터 다른 도면으로의 이전을 용이하게 하는 방식으로 동일한 참조 번호가 주어진다.
도면들에 도시된 다양한 부분들은 도면들이 용이하게 이해될 수 있도록 반드시 동일한 축척으로 도시되지는 않는다.
본 발명의 다양한 가능성들(변형예 및 실시예들)은 상호 배타적이지 않은 것으로 이해되어야 하며, 이들은 서로 조합될 수 있다.
도 1 은 진공 병(vacuum bottle)과 같은, 진공 절연 유형의 고전압 스위치(10)를 도시하며, 따라서 고진공의 엔크로져(enclosure)를 포함한다. 도 1 에 도시된 고전압 스위치는 엔크로져 내부의 압력이 임계 압력 아래에 있는지 여부를 판단하기 위하여 압력 시험이 이루어질 수 있게 구성된다.
도 1 에 도시된 진공된 병인, 중간 전압 또는 고전압 스위치(10)는:
고진공 엔크로져(111);
접촉부들이 이격되어 있는 개방 위치와 접촉부들이 전기적으로 접촉되어 있는 폐쇄 위치 사이에서 서로에 대하여 병진으로 움직일 수 있게 엔크로져(111) 내부에 장착된 제 1 및 제 2 접촉부(121,122);
엔크로져(111) 내부에서 도전성 재료로 제작되고 부동 전위(floating potential)에 있는 차폐부(shield, 130); 및,
적어도 제 1 및 제 2 접촉부들이 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치(10)에 인가될 때, 엔크로져(111) 내부에 개별적인 압력 쓰레숄드가 존재하여 그로부터 제 1, 제 2 및 제 3 도전체들 각각에 의해 부분적인 방전들이 발생되는, 제 1, 제 2 및 제 3 도전체(210, 220, 230)들을 포함한다.
통상적으로, 엔크로져(111)는 세라믹과 같은 절연 재료로 만들어진 엔크로져 동체로 형성되고, 이것은 실린더 형상이며, 폐쇄되고 밀봉된 간극(112)을 형성한다.
유전성 절연(dielectric insulation)을 제공하기 위하여, 간극(112) 안의 압력은 0.1Pa 보다 작고 바람직스럽게는 10-3　Pa 내지 10-5　Pa 의 범위에 놓이고, 즉, 10-5　mbar 내지 10-7　mbar 의 범위에 있다. 그러한 압력으로써, 엔크로져는 고진공하에 있게 된다.
위에서, "고진공" 이라는 용어는 10-3　Pa 내지 10-5　Pa 사이 범위에 놓인 압력을 지칭한다.
제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들은 중간 전압 회로 또는 고전압 회로에 접촉부들이 연결될 수 있도록 접촉부들 각각이 엔크로져(111)로부터 밖으로 돌출하는 하나의 단부를 가지는 방식으로 엔크로져(111) 내부에 배치된다.
제 1 접촉부(121)는 엔크로져(111) 내부에서 병진으로 움직일 수 있도록 장착되는데, 엔크로져(111)의 밀봉을 댐핑(damping)하지 않으면서 그러한 움직임을 허용하기 위하여 벨로우즈(bellows, 115)가 제공된다. 제 2 접촉부(122)는 엔크로져(111)에 고정되도록 장착된다. 제 1 접촉부(121)가 병진으로 움직일 수 있게 장착하는 것은 제 1 접촉부(121)가 제 2 접촉부(122)에 대하여 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 움직일 수 있게 구성하며, 상기 개방 위치에서 제 1 접촉부(121)는 제 2 접촉부(122)로부터 분리되고, 상기 폐쇄 위치에서 제 1 접촉부(121)는 제 2 접촉부(122)와 접촉된다.
차폐부(130)는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 통과될 때 아크(arc)에 의해 발생되는 금속 증기(metal vapor)의 응축에 대하여 엔크로져(111)를 보호하는 역할을 한다. 차폐부(130)는 도전성 재료로 만들어지고, 이것은 차폐부를 부동(floating)하는 전위(potential)에 두는 방식으로, 그 어떤 전압 소스(voltage source) 또는 전압 기준(voltage reference)에도 연결되지 않는다.
스위치(10)가 중간 전압 회로 또는 고전압 회로에 설치될 때, 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들중 하나는 전기 회로의 하류측 부분에 연결되는 반면에, 다른 하나는 동일한 전기 회로의 상류측 부분에 연결된다.
따라서, 스위치(10)가 폐쇄 위치에 있을 때, 즉, 제 1 접촉부(121)가 제 2 촉부(122)와 전기적으로 접촉된 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치(10)에 인가될 때, 제 1 및 제 2 접촉부들은 모두 고전압을 겪는다. 더욱이, 차폐부(130)는 플로팅 전위에 있기 때문에, 동일한 중간 전압 또는 고전압에 의하여 영향을 받는다. 결과적으로, 차폐부(130)의 전위는 제 1 및 제 2 접촉부(121, 122)들에 인가된 전압의 일부(fraction)와 같고, 상기 일부는 20 % 내지 70 % 범위에 놓인다. 따라서, 적어도 제 1 및 제 2 접촉부(121,122)들이 폐쇄 위치에 있을 때, 제 1 접촉부(121), 제 2 접촉부(122) 및 차폐부(130)는 중간 전압 또는 고전압이 스위치(10)에 인가시에 중간 전압 또는 고전압을 겪는 스위치(10)의 요소들이다.
엔크로져(111)에 의해 형성된 간극(112)내의 압력이 임계 압력보다 클 때, 그리고 폐쇄 위치에 있는 스위치(10)가 중간 전압 또는 고전압에 연결될 때, 부분적인 방전을 발생시키기 위하여 엔크로져(111) 내부에서 가능한 도전체의 구성들을 3 개의 도전체(210, 220, 230)들이 도시한다.
따라서, 제 1 도전체(210)는 제 1 접촉부와 관련되고, 폐쇄 위치에 있는 스위치(10)가 중간 전압 또는 고전압에 연결될 때 제 1 도전체와 상기 제 1 접촉부(121) 사이에서 부분적인 방전이 발생되는 방식으로 제 1 도전체(210)는 제 1 접촉부로부터 거리를 두고 위치된다. 이러한 구성은 제 1 접촉부(121)가 어떤 위치에 있든 간에 일정한 제 1 도전체(210)와 제 1 접촉부(121) 사이의 거리를 유지하는 방식으로 제 1 접촉부(121)를 따라서 바람직스럽게 이루어진다.
제 1 접촉부를 향하는 도전체 구성의 원리는 도 2 에 도시되어 있다. 제 1 도전체는 제 1 접촉부(121)로부터 거리(e)를 두고 배치됨으로써, 유전성 재료(211)로 채워진 간극을 두며, 따라서 제 1 접촉부(121)와 함께 작용하여 도 2 에 개략적으로 도시된 캐패시턴스(C1)를 가지는 캐패시터를 형성한다. 같은 도전체는 또한 만약 존재한다면 접지부와 함께 작용하거나, 또는 무한 전위(I)와 함께 작용하여, 도 2 에 개략적으로 도시된 캐패시턴스(C2)를 가진 캐패시터를 형성한다. 따라서, 제 1 도전체(V)의 전위(V)는 다음의 방정식을 충족시킨다.
Figure 112017013795209-pct00001
여기에서 U 는 제 1 접촉부(121)의 전위이고 C1 및 C2 는 캐패시터들의 캐패시턴스로서, 각각 제 1 도전체(210)가 제 1 접촉부(121)와 관련하여 형성되고, 또한 제 1 도전체가 접지 또는 전위(I)와 관련하여 형성된 것이다. 캐패시턴스(C1, C2)는 엔크로져 내부에서 변화하는 압력과 함께 현저한 변화를 나타내지 않기 때문에, 제 1 도전체(210)와 제 1 접촉부(121) 사이의 작동에서 최대 전위 차이를 판단하도록 스위치의 정격 AC 작동 전압을 이용할 수 있다.
작동에서의 상기 최대 전위 차이로부터, 제 1 도전체(210)의 구성으로부터, 그리고 엔크로져 내부 압력의 함수로서 진공의 브레이크다운 전압(breakdown voltage)에서의 변화로부터, 제 1 접촉부(121)와 제 1 도전체(210) 사이에서 부분적인 방전이 발생되는 쓰레숄드 압력(threshold pressure)을 정의할 수 있다.
부분적인 방전이 발생되는 전압(Vbd)은, 간극(e), 제 1 도전체(210)의 형상 및, 엔크로져 안에 존재하는 압력에 의존한다. 부분적인 방전이 발생되는 엔크로져(111) 내부의 쓰레숄드 값은, 작동시에 도전체(210)와 제 1 접촉부(121) 사이의 최대 전위 차이에 전압(Vbd)이 같아지게 되는 압력 값이다.
따라서 도 3 은 쓰레숄드 압력보다 훨씬 큰 엔크로져(111) 내부의 압력에 대한 부분적인 방전 발생의 원리를 도시한다. 도 3 은 어떤 기간에 걸쳐서, 이론적인 전위(VTh)(즉, 부분적인 방전이 부재(absence)함)와 병행하여 제 1 접촉부(121)에 인가된 AC 전압(U)에서의 변화를 나타내며, 상기 이론적인 전위는 수학식(1)에 기초하여 계산된 것이다. 도 3 에서, 부분적인 방전이 도전체에서 나타내는 전압(Vbd)은 2 개의 수평 대쉬 라인(dash line)으로 표시되어 있다. 전압 곡선(ΔV)는 제 1 도전체(210)와 제 1 접촉부(121) 사이의 전위 차이를 나타낸다. 상기 전압은 제 1 도전체(210)와 제 1 접촉부(121) 사이의 전위 차이가 이론적인 쓰레숄드(Vbd)에 도달하여 그곳에서 방전이 나타나고 부분적인 방전이 발생될 때마다 제로로 복귀한다.
일단 전압(Vbd)에 도달되면, 방전이 발생하여 제 1 접촉부(121)와 제 1 도전체(210) 사이에서 부하(load)의 전달이 발생됨으로써, 제 1 접촉부(121)의 전위와 제 1 도전체(210)의 전위 사이의 전위 차이(ΔV)를 감소시킨다. 다음에 제 1 접촉부에 인가되는 전압이 계속 증가하여, 새로운 부분 방전이 촉발될 때까지 전위 차이(ΔV)에서의 다른 증가로 이어진다.
도 3 에 도시된 실시예에서, 하나의 기간에 걸쳐서, 8 개의 부분 방전이 발생된다.
부분 방전들의 형상이 잘 형성되는 것을 보장하기 위하여 그리고 부분 방전들이 촉발되는 쓰레숄드 압력의 우수한 재생 가능성(reproducibility)을 얻기 위하여, 도전체(210,220,230)들 각각의 형상이 최적화될 수 있다. 도 4a 및 도 4b 는 본 발명에서 구현될 수 있는 단부 형상의 2 가지 예들을 도시한다. 따라서, 도전체의 단부(220a, 220b)는 상기 단부(220a, 220b)에서 전기장을 국부적으로 증가시키도록 그리고 상기 단부(220a, 220b)에서 부분적인 방전 발생을 증진시키는 방식으로 테이퍼질 수 있다. 이러한 방식으로 테이퍼지는 단부(220b)는 도 4b 에 도시된 바와 같이 바람직스럽게는 스위치 요소(10)를 향하여 테이퍼지며, 상기 스위치 요소 옆에는 도전체(210,220,230)들이 이격되어 있다.
당연히, 도전체(210,220,230)들중 하나는 그것의 단부들중 하나 이외의 테이퍼진 부분을 나타내도록 생각될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 하나의 예로서, 도전체(210,220,230)들중 하나는 도전체의 표면으로부터 스위치 요소(10)를 향하여 돌출된 테이퍼진 부분을 포함할 수 있으며, 상기 스위치 요소 옆에 같은 도전체(210,220,230)들이 이격되어 있다.
또한 주목될 바로서, (만약 전력 공급 회로에 연결된 것이 제 1 접촉부(121)라면) 엔크로져(111) 내부의 제 1 도전체(210)가 제 1 접촉부(121)를 향하는 상기의 구성으로써, 엔크로져(111) 내부의 압력을 시험할 수 있도록 하기 위하여 스위치(10)가 개방 위치에 있을 필요가 없다.
이러한 구성에서, 중간 전압 또는 고전압이 전력 공급 회로에 의하여 스위치(10)에 인가될 때, 상기 전압은 스위치(10)의 위치가 어느 곳이든 제 1 접촉부(121)에 인가된다. 따라서 도전체는 스위치(10)의 위치가 어느 곳이든 수학식(1)에 따라서 변화하는 전위를 나타낸다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 제 1 도전체를 위에 설명된 바와 같이 위치시키는 것에 대한 대안으로서 또는 그에 추가하여, 스위치(10)는 제 2 접촉부(122)로부터 이격된 제 2 도전체(220)를 포함할 수도 있다. 엔크로져(111) 내부의 압력이 쓰레숄드 압력보다 크거나 또는 쓰레숄드 압력과 같을 때의 부분 방전 발생의 원리는 제 1 도전체(210)에 대하여 설명된 원리와 동일하다.
더욱이, 도 1 에 도시된 바와 같이, 제 1 및/또는 제 2 도전체(210,220)에 대한 대안으로서, 또는 그에 추가하여, 스위치(10)는 차폐부(130)로부터 이격된 제 3 도전체(230)를 포함할 수도 있다. 상기 제 3 도전체(230)에 의한 부분 방전 발생의 원리는 제 1 도전체(210)에 대하여 설명된 것과 동일하게 유지된다.
따라서, 스위치(10)의 형상이 어떠하든, 제 1 도전체(210) 또는 제 2 도전체(220) 또는 제 3 도전체(230) 또는 이들 3 개의 도전체들의 그 어떤 다른 조합으로써, 스위치(10)를 개방 위치에 배치할 필요 없이 진공의 품질을 시험하기 위한 테스트를 수행할 수 있다.
위에서 도시된 바와 같이, 중간 전압 또는 고전압이 스위치(10)에 인가되고 엔크로져(111) 내부의 압력이 임계 압력보다 클 때, 제 1, 제 2 및 제 3 도전체(210,220,230)는 부분 방전을 발생시키도록 적합화된 구성을 나타낸다. 따라서, 스위치(10)의 도전체(들)(210,220,230)에 의해 발생된 부분 방전을 단순하게 검출함으로써 엔크로져 내부의 압력이 쓰레숄드 압력보다 큰지 여부를 판단할 수 있다.
그러한 검출은 다음의 단계들을 포함하는 방법에 의하여 수행될 수 있다:
엔크로져(111) 내부에서 발생되는 부분 방전들이 검출될 수 있는 방식으로 배치된 극초단파 안테나(ultra high frequency antenna)를 제공하는 단계;
스위치(10)를 중간 전압 또는 고전압에서 미리 연결하는 단계; 및,
그 어떤 부분 방전이라도 검출하는 단계로서, 부분 방전은 압력 쓰레숄드보다 큰 엔크로져 내부 압력의 특성인, 부분 방전 검출 단계.
스위치(10)의 엔크로져(111) 내부의 압력을 시험하는 상기 방법이 용이하게 수행될 수 있도록 하기 위하여, 스위치(10)는 극초단파 안테나(31,32)를 가지는 조립체 안에 포함될 수 있다.
도 5a 및 도 5b 는 그러한 조립체(1)의 2 가지 예를 도시하며, 그 각각은 스위치(10)의 개별 구성에 대응한다.
따라서, 조립체(1)의 제 1 예는 접지된 금속 엔크로져(21) 안에 스위치(10)가 배치된 구성에 대응한다. 이러한 구성에서, 부분 방전의 정확한 검출을 보장하기 위하여, 조립체(1)는 동일한 금속 탱크(21) 안에 배치된 제 1 극초단파 안테나(31)를 포함하는 것이 바람직스러울 수 있다. 제 2 극초단파 안테나(32)는 엔크로져(111) 내부에 발생되는 부분 방전의 전자기 시그내쳐(electromagnetic signature)와 주위 노이즈(surrounding noise) 사이를 구분할 수 있도록 하기 위하여 더 제공될 수 있다. 이러한 조립체는 프로세서 유닛(processor unit, 35)을 포함할 수 있으며, 이것은 제 1 극초단파 안테나(31)에 의해 수신된 전자기 신호를 프로세싱하고, 엔크로져(111) 내부에 발생된 부분 방전을 검출하도록 구성된다.
조립체의 제 2 예는, 예를 들어 세라믹으로 만들어진 절연 탱크 안에 스위치(10)가 배치된 구성에 대응한다. 이러한 제 2 구성에서, 극초단파 안테나(31)는 절연 탱크(22)의 밖에 배치될 수 있다. 위에 주어진 제 1 예와 유사한 방식으로, 제 2 예의 조립체는 프로세서 유닛(35)을 구비할 수 있으며, 이것은 제 1 극초단파 안테나(31)에 의해 수신된 전자기 신호를 프로세싱하고 엔크로져(111) 내부에 발생된 부분 방전을 검출하도록 구성된다.
도 6 및 도 7 은 본 발명의 대안의 해법을 도시한다.
도 6 은 상기 대안의 해법의 진공 병(5)을 도시한다. 진공 병(5)은 진공 병의 외부 절연을 제공하는 실질적으로 실린더 형상(500)의 세라믹 엔크로져를 포함한다. 엔크로져(500)의 2 개 단부들은 2 개의 금속 단부 덮개(501,502)에 의해 폐쇄된다.
본 발명의 상기 대안을 이해하는데 유용한 진공 병의 요소들만이 아래에 설명된다는 점이 이해되어야 한다.
엔크로져에 대하여 정지 상태인 제 1 접촉부(503)가 엔크로져(500) 내부에 배치된다. 제 1 접촉부(503)는 접촉 영역(5032)이 제공된 일 단부를 가진 로드(rod, 5031)을 포함한다.
제 2 접촉부(504)는 엔크로져(500) 내부에 배치된다. 제 2 접촉부(504)는 로드(5041)를 포함하며, 그것의 일 단부에는 접촉 영역(5042)이 제공된다. 제 1 및 제 2 접촉부(503,504)들은 전류 차단 기능을 수행하는 접촉부들이다.
로드(5031,5041)들의 축들은 실린더형 엔크로져(500)의 축과 실질적으로 일치하고, 접촉 영역(5032, 5042)들은 엔크로져(500)의 중심 영역에서 서로 향한다.
제 2 접촉부(504)는 엔크로져에 대하여 움직일 수 있다. 보다 정확하게는, 금속 벨로우즈(5043)가 로드(5041)를 엔크로져(500)에 대하여 병진으로 움직일 수 있게 한다. 이러한 움직임은 전기 회로를 폐쇄시키거나 또는 반대로 개방시키는 방식으로 접촉 영역(5042)을 접촉 영역(5032)에 인접하거나 또는 그로부터 더 멀어지게 움직인다.
로드(5031, 5041)들은 덮개(501,502)를 각각 통과한다. 금속 지지부(미도시)들은 다양한 요소들을 함께 유지하기 위하여 통상적으로 제공된다.
본 발명의 이러한 대안에서, 제 1 및 제 2 전극(505, 506)들은 진공 병(5)의 내부에 제공된다.
제 1 전극(505)은 정지 상태 로드(5031)에 고정된다. 제 2 전극(506)은 격벽 부싱(partition bushing, 507)의 누설 방지 절연체를 통하여, 덮개(501)를 통과하는 도전체에 연결된다.
제 1 및 제 2 전극(505,506)들은 그 사이에 간극을 형성하는 방식으로 서로에 대하여 배치된다.
바람직스럽게는, 제 1 및 제 2 전극(505, 506)들은 접촉 영역(5032, 5042)들 사이의 전기 아크 소멸 영역(electric arc extinction zone)에 영향을 미치지 않도록 배치된다. 더욱이, 제 1 및 제 2 전극(505, 506)들은 제 1 및 제 2 접촉부(503,504)들의 접촉 영역(5032, 5042)에서 발생된 용융 금속의 가능성 있는 돌출에 덜 노출된다.
선호되지 않는 변형예에서, 제 1 및 제 2 전극(505,506)들은 움직일 수 있는 주 전극(504)의 옆에 배치된다. 이러한 경우에, 전극(505)은 움직일 수 있는 로드(5041)에 고정된다.
도 7 은 상기 설명된 진공 병(5)이 설치된 회로 차단기 조립체(602)를 도시한다. 이것은 접지된 금속 엔크로져(21) 안에 스위치(10)가 배치된 구성에서의 조립체이다.
본 발명의 이러한 대안을 이해하는데 유용한 회로 차단기 조립체(602)의 요소들만이 아래에 설명된다는 점이 이해되어야 한다.
차폐부(501, 502)를 통하여 진공 병을 빠져나가는 로드(5031, 5041)들의 단부들은 각각 전기 회로(미도시)의 상류측 부분 및 하류측 부분에 연결된다.
터미널(505, 506)들에 인가된 전압의 예에서, 전극들 사이의 전위 차이를 발생시킬 수 있도록 하는 방식으로, 제 1 전극(505)과 제 2 전극(506) 사이에 전압 발생기(604)가 연결될 수 있다. 이러한 전위 차이는 제 1 접촉부와 제 2 접촉부 사이에 존재할 수 있는 것에 비하여 작다. 일 예로서, 그것은 수 킬로볼트일 수 있다. 따라서, 추가적인 전극(506)들로부터 차폐부(501) 및 로드(5031)를 절연시키는 절연체(507)는 제한되게 유지되는 절연 요건들과 부합되어야 한다.
같은 이유로, 추가적인 전극(506)에 연결된 연결 와이어는 고전압 전위에 대하여 제한된 절연을 가질 수 있으며, 도 7 에 도시된 바와 같이 부싱의 상부에서 빠져나가기 위하여 버스바 부싱(busbar bushing)의 내부를 통과할 수 있다.
본 발명의 이러한 대안의 변형 실시예에서, 전압 발생기(604)는 제 1 접촉부(503)의 전압의 일부를 회복시키는 회로에 의하여 대체되며, 제 1 전극(505)이 제 1 접촉부(503)상에 장착된다. 일 예로서, 상기 회로는 용량성 커플링(capacitive coupling)이다. 따라서, 장치는 외부 전압 소스(external voltage source)를 필요로 하지 않는다. 본 발명의 대안의 이러한 변형예는 스위치가 작동되는 동안 스위치 안의 진공 상태를 영구적으로 모니터하는데 바람직스러울 수 있다.
전류계(605)는 전기 방전의 전류를 측정하는 방식으로 제 1 전극(505)과 제 2 전극(506) 사이에 연결된다. 변형예에서, 전류계는 방전 카운터(discharge counter)에 의해 대체된다.
방전 전류는 진공 병 안의 진공의 질에 의존한다.
일 예로서, 방전 전류는 규칙적인 간격으로 측정되며, 이것은 진공 병(5) 안의 진공의 질이 시간에 걸쳐 어떻게 변화하는지를 한정할 수 있게 한다.
본 발명의 대안에 대한 다른 가능성에서, 모니터링 모듈(606)은 진공 병(5) 내부의 진공의 질을 자동적으로 점검한다. 모니터 모듈(606)은 진공 병 안의 진공 손실의 검출을 자동적으로 관리한다. 이것을 수행하도록, 누설 또는 방전 전류는 규칙적으로 측정되고 결과들이 저장된다. 이러한 측정은 회로 차단기 조립체의 정상 작동을 중단하지 않으면서 이루어진다.
따라서 진공의 질은 연속적으로 모니터되고 진공이 불충분하게 되기 전에 개입할 수 있는데, 왜냐하면 점진적인 동향(drift)이 검출될 수 있고 그에 따라서 판단이 이루어질 수 있기 때문이다. 일 예로서, 회로 차단기를 작동시킬 수 있거나, 또는 유지 관리 작동에 관하여 결정할 수 있거나, 또는 진공 회로 차단기를 대체할 수 있다. 회로 차단기의 정확한 작동을 위하여 진공이 불충분하게 되는 것을 나타내도록 경보 쓰레숄드(alarm threshold)가 제공될 수 있다.
본 발명의 대안과 관련하여, 간극을 형성하는 방식으로 로드(5031, 5043)중 어느 것으로부터 거리를 두고 제 2 전극(506)을 배치함으로써 제 1 전극(505)을 생략할 수 있으며, 따라서 상기 로드가 상기 제 1 전극을 형성한다는 점이 주목될 수 있다. 이러한 차이와는 별개로, 그러한 구성은 본 발명에 대한 상기 대안과 동일한 원리로 작동한다.
111. 엔크로져 121. 제 1 접촉부
122. 제 2 접촉부 210. 제 1 도전체
220. 제 2 도전체 230. 제 3 도전체

Claims (10)

  1. 고 진공 엔크로져(111); 및,
    제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122)가 이격되어 있는 개방 위치와 제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122)가 전기적으로 접촉되어 있는 폐쇄 위치 사이에서, 엔크로져(111) 내부에 서로에 대하여 병진으로 움직일 수 있도록 장착된 제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122); 및
    부동(floating)하는 전위를 가지고, 엔크로져(111) 내부에 배치되고 도전성 재료로 만들어진 차폐부(130);를 포함하는 중간 전압 또는 고전압 스위치(10)로서,
    적어도 제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122)가 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치(10)에 인가될 때, 부분 방전이 도전체에 의하여 발생되는 엔크로져(111) 내부의 압력 쓰레숄드(pressure threshold)가 존재하는 방식으로, 엔크로져(111) 내부에 배치되고 상기 차폐부로부터 소정의 거리에 이격되어 있는 도전체(210,220,230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위치(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    중간 전압 또는 고전압이 스위치(10)에 인가되는 때, 적어도 제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122)가 폐쇄 위치에 있을 때, 도전체(210,220,230)는 엔크로져(111) 내부에서 중간 전압 또는 고전압을 겪는 스위치 요소로부터 미리 정해진 거리에 배치되는, 스위치(10).
  3. 제 2 항에 있어서,
    유전체 재료(211)는 스위치 요소와 도전체 사이에 제공되고, 유전체 재료는 진공의 유전율보다 큰 유전율(permittivity)을 나타내는, 스위치(10).
  4. 제 2 항에 있어서,
    스위치 요소는 제 1 접촉부(121) 및 제 2 접촉부(122)로부터 선택된 접촉부인, 스위치(10).
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 차폐부(130)는 스위치 요소인, 스위치(10).
  6. 제 2 항에 있어서,
    도전체(210,220,230)는 적어도 하나의 테이퍼진 부분을 포함하고, 바람직스럽게는 상기 테이퍼진 부분이 스위치 요소를 향하여 테이퍼지는, 스위치(10).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 스위치(10) 및, 엔크로져(111) 내부에서 발생된 부분 방전(partial discharges)이 검출될 수 있게 하는 방식으로 배치된 극초단파 안테나(31)를 포함하는, 중간 전압 또는 고전압의 진공 절연 스위치 조립체(1).
  8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 중간 전압 또는 고전압 스위치(10)의 시험 방법으로서,
    스위치(10)를 중간 전압 또는 고전압에 연결시키는 단계; 및
    그 어떤 부분 방전이라도 검출하는 단계로서, 상기 부분 방전은 압력 쓰레숄드보다 큰 엔크로져(111) 내부의 압력의 특성인, 부분 방전 검출 단계;를 포함하는, 스위치 시험 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    엔크로져(111) 내부에서 발생된 부분 방전이 검출될 수 있게 하는 방식으로 배치된 극초단파 안테나(ultra high frequency antenna, 31)를 제공하는 선행 단계를 포함하고, 부분 방전의 존재를 검출하는 단계는 상기 극초단파 안테나(31)에 의해 수행되는, 스위치 시험 방법.
  10. 압력 쓰레숄드를 한정하는 단계;
    도전체(210,220,230)를 제공하는 단계;
    스위치의 엔크로져를 형성하도록 되어 있는 엔크로져(111)의 적어도 일부를 제공하는 단계;
    부동(floating)하는 전위를 가지고, 엔크로져(111) 내부에 배치되고 도전성 재료로 만들어진 차폐부(130)를 제공하는 단계; 및
    스위치가 형성되면, 엔크로져 안으로의 압력이 압력 쓰레숄드에 도달하여 제 1 접촉부 및 제 2 접촉부가 폐쇄 위치에 있고 중간 전압 또는 고전압이 상기 스위치에 인가될 때 부분 방전이 상기 도전체에 의하여 발생되는 방식으로, 상기 차폐부로부터 소정의 거리에 이격되어 있는 상기 도전체를 엔크로져 안에 배치하는 단계;를 포함하는, 스위치(10)의 제조 방법.

KR1020177003748A 2014-07-10 2015-07-09 진공 시험이 가능한 진공 절연 스위치, 스위치 조립체 및 시험 방법 KR102457645B1 (ko)

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