KR102519246B1 - 개선된 메인 노즐을 갖는 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 - Google Patents

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마르쿠스 부요첵
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Abstract

축 (B) 을 따라 서로에 대해 이동가능한 제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 를 갖는 아크 접점 배열체 (5) 를 포함하는 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 가 제공된다. 보조 노즐 (40) 은 제 2 아크 접점 유닛 (21) 의 적어도 부분을 둘러싸고, 축방향 연장을 갖고 적어도 제 1 아크 접점 유닛 (31) 의 종단의 통과를 허용하는 보조 노즐 스로트 (42) 를 갖는다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 보조 노즐 스로트 (42) 의 옆으로 축방향 연장을 갖고, 적어도 제 1 아크 접점 유닛 (31) 의 종단의 통과를 허용한다. 메인 노즐 스로트 (52) 의 단면적은 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 도관을 형성하도록 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 방향으로 실질적으로 감소하고 있다.

Description

개선된 메인 노즐을 갖는 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스
본 개시는 고전압 (HV) 스위칭 기술의 분야에 관한 것이고, 가스 절연 고전압 회로 차단기와 같은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스에 관한 것이다. 구체적으로는, 실시형태들은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스의 아크 접점 어셈블리에서의 메인 노즐의 노즐 스로트 (throat) 의 형상, 및 그러한 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스들을 제조하고 동작시키는 방법들에 관한 것이다.
스위칭 디바이스들은 중간 및 고전압 스위칭 애플리케이션들의 분야에서 잘 알려져 있다. 그것들은 전기 고장이 발생할 때, 전류를 차단하기 위해 지배적으로 사용된다. 일 예로서, 회로 차단기들은 전기 고장 자체로부터 기원하는 높은 전기 전위의 경우에도 전류 흐름을 회피하기 위해 접점들을 개방하고 그것들을 서로 멀리 떨어지게 유지하는 임무를 갖는다. 상기 회로 차단기와 같은 전기 스위칭 디바이스들은 3 kA 내지 6.3 kA 의 높은 공칭 전류들을 반송할 필요가 있을 수도 있다. 그것들은 72 kV 내지 1200 kV 의 매우 높은 전압들에서 31.5 kA 내지 80 kA 의 매우 높은 단락 전류들을 스위칭할 수도 있다 (SLF90 듀티와 같은 높은 전류 듀티). 회로 차단기들은 또한, 예를 들어, 9 kA 로부터 15 kA 까지의 공칭 전류들의 약 3 배까지, T10, T30 및 이상 (out-of-phase) 듀티와 같은 낮은 단락 전류 듀티를 수행할 필요가 있을 수도 있다. 회로 차단기들의 동작 원리는 잘 알려져 있고 이하에 상세히 기술되지 않을 것이다.
회로 차단기들과 같은 그러한 전기 스위칭 디바이스들은 디바이스들의 동작을 개방 및 폐쇄하는 동안 공칭 접점(들) 로부터 전류를 넘겨 받기 위해 사용되는 아크 접점 배열체를 포함한다. 무엇보다도, 회로 차단기들 중 하나의 타입은 회로 차단기의 길이방향 축 주위로 동심원적으로 배열된 접점 핑거들을 포함하는 튤립-형상 아크 접점을 사용한다. 이러한 아크 구성은 접점 튤립이라고 불린다. 메이팅 (mating) 아크 접점은 스위칭 디바이스의 폐쇄 동작 동안 접점 튤립 내로 삽입되는 핀 또는 로드 (rod) 또는 튜브이다. 보조 노즐은 접점 튤립을 적어도 부분적으로 인클로징한다. 메인 노즐은 보조 노즐을 적어도 부분적으로 인클로징한다.
회로 차단기들은 절연 및 냉각 가스가 노즐 시스템에서 효과적으로 가속화되는 방식으로 설계된다. 높은 전류 듀티에서, 메인 노즐과 보조 노즐 사이의 흐름은 정체 포인트 (stagnation point) 로부터 비교적 짧은 거리에 있는 정체 포인트의 어느 측면상에서 음속 조건들에 도달하고, 그 후 초음속으로 가속화되어야 한다. 이러한 흐름 패턴은 아크의 효과적인 대류 냉각에 대응하고, 도전 경로의 차단을 촉진한다.
그러나, T10, T30 또는 이상 듀티와 같은 낮은 단락 전류 듀티들에서, 회로 차단기는 그러한 흐름 조건들이 도달되지 않을 수도 있기 때문에 낮은 절연내력을 나타낼 수도 있다. 따라서, 특히 낮은 단락 전류 듀티들에 대해, 가스 절연 고전압 회로 차단기들과 같은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스들의 절연내력을 개선할 필요가 있다.
DE 10 2011 007 103 A1 은 아크 가열된 가스들을 가열 볼륨으로 그리고 다시 아크 구역으로 역으로 안내하기 위한 가열 채널을 갖는 회로 차단기를 개시한다. 가열 채널은 노즐 스로트로 평활하게 병합한다. 노즐은 가열 채널 입구로부터 시작하고 아크 구역으로부터 축방향으로 멀리 이동할 때 발산적으로 개방된다. 게다가, 이러한 설계에서, 메인 노즐 스로트는 축방향에서 제로 길이를 갖는다.
실시형태에 따르면, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스가 제공된다. 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스는 아크 접점 배열체를 포함한다. 아크 접점 배열체는 제 1 아크 구역 부재 및 제 2 아크 구역 부재를 포함한다. 제 1 및 제 2 아크 구역 부재들은 축을 따라 서로에 대해 이동가능하다. 제 1 아크 구역 부재는 제 1 아크 접점 유닛을 포함한다. 제 2 아크 구역 부재는 제 1 아크 접점 유닛을 수용하도록 구성된 제 2 아크 접점 유닛, 및 제 2 아크 접점 유닛의 적어도 부분을 둘러싸는 보조 노즐을 포함한다. 보조 노즐은 보조 노즐 스로트를 갖는다. 보조 노즐 스로트는 축방향 연장을 갖고, 적어도 제 1 아크 접점 유닛의 종단의 통과를 허용한다. 제 2 아크 구역 부재는 보조 노즐의 적어도 부분을 둘러싸는 메인 노즐을 더 포함한다. 메인 노즐은 메인 노즐 스로트를 갖는다. 메인 노즐 스로트는 보조 노즐 스로트의 옆으로 (여기서 축 (B) 을 따라 오른쪽 측면으로) 축방향 연장을 갖고, 적어도 제 1 아크 접점 유닛의 종단의 통과를 허용한다. 메인 노즐 스로트의 단면적은 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 도관, 특히 수렴하거나 엄격히 수렴하는 도관을 형성하기 위해 보조 노즐 스로트로부터 먼 방향으로 실질적으로 감소하고 있다.
다른 실시형태는 여기에 기술된 바와 같은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 도관을 형성하기 위해 메인 노즐 스로트의 제어된 성형을 포함한다.
추가의 실시형태는 여기에 기술된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 제공하는 단계, 및 낮은 단락 전류 스위칭 동작을 수행하는 단계로서, 스위칭 전류는 정격 단락 전류의 0.3 배보다 작은, 상기 수행하는 단계를 포함한다.
여기에 기술된 실시형태들과 결합될 수 있는 추가의 이점들, 특징들, 양태들 및 상세들은 종속 청구항들, 청구항 조합들, 상세한 설명 및 도면들로부터 분명하게 된다.
도면들을 참조하여 다음에 더 많은 상세들이 기술될 것이다.
도 1 은 기지의 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스의 축 (B) 를 따른 섹션상의 개략 측면도를 도시한다.
도 2 는 일 실시형태에 따른 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스의 축 (B) 를 따른 섹션상의 개략 측면도를 도시한다.
도 3 내지 도 5 는 실시형태들에 따른 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스들의 메인 노즐의 메인 노즐 스로트가 소유할 수도 있는 특성들을 도시한다.
다음에, 본 발명의 실시형태들이 기술된다. 실시형태들 및 그들의 부분들은 임의의 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 여기에 기술된 실시형태의 임의의 양태는 추가의 실시형태들을 형성하기 위해 임의의 다른 실시형태의 임의의 다른 양태와 결합될 수 있다. 실시형태들의 상세한 설명은 예시로 제공된다.
간단성을 위해, 여기에 기술된 실시형태들은 종종, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스로 지칭하는 대신에, 회로 차단기로, 구체적으로 가스 절연 고전압 자기-블라스트 회로 차단기로 지칭한다. 이것은 제한으로서 의미되지 않는 것이 이해되어야 하고, 스위칭 디바이스는 송전 및 배전 시스템들에서의 접지 디바이스, 급속 작용 접지 디바이스, 회로 차단기, 발전기 회로 차단기, 단로기, 결합된 단로기 및 접지 스위치, 또는 부하 차단 스위치일 수도 있다.
용어 고전압은 1 kV 를 초과하는 전압들에 관련되고, 통상적으로 72 kV 로부터 550 kV 까지의 범위의 공칭 전압들, 예를 들어 약 145 kV, 약 245 kV 또는 약 420 kV 와 관련된다. 스위칭 디바이스의 공칭 전류들은 통상 3 kA 로부터 5 kA 까지의 범위, 예를 들어 약 3.15 kA 또는 약 4 kA 이다. 스위칭 디바이스가 그것의 임무를 수행하는 비정상 조건들 동안 흐르는 전류는 스위칭 전류, 차단 전류 또는 단락 전류로서 상호 교환가능하게 지칭될 수도 있다. 스위칭 전류는 높은 단락 전류 듀티로 지칭되는 31.5 kA 로부터 80 kA 의 범위에 있을 수도 있다. 낮은 단락 전류 듀티들에서, 스위칭 전류는 통상 공칭 전류보다 더 크고 정격 단락 전류의 0.3 배보다 더 작으며, 예를 들어 기껏해야 24 kA 이다. 스위칭/차단 동작 동안, 스위칭/차단 전압들은 예를 들어 110 kV 로부터 1200 kV 까지의 범위에서 매우 높을 수도 있다.
가스 절연 고전압 스위칭 디바이스들은 축을 따라 서로에 대해 이동가능한 부분들을 갖는 아크 접점 배열체를 갖는다. 이러한 축은 아크 접점 배열체의 대칭 축, 특히 n-폴드 (fold) 또는 연속 회전 대칭의 축일 수도 있다. 짧은 용어 "회전 대칭" 은 연속 회전 대칭을 의미할 것이다. n-폴드 회전 대칭은 360°/n 의 배수들인 각도들에 의한 회전들에 관한 이산 대칭을 의미하며, 여기서 n 은 1 보다 큰 정수이다. 용어 "축방향" 은 축의 방향에서의 연장, 거리 등을 지정한다. 부분들 사이의 축방향 분리는 이들 부분들이 축의 방향에서 보여지거나 측정될 때 서로로부터 분리되는 것을 의미한다. 용어 "옆으로" 는 축방향에 대한 것으로 이해되어야 한다. 용어 "반경 방향" 은 축에 수직인 방향으로의 연장, 거리 등을 지정한다. 용어 "단면" 은 축에 수직인 평면을 의미하고, 용어 "단면적" 은 그러한 평면에서의 면적을 의미한다.
다음에서, 동일한 참조 번호들은 구조적으로 또는 기능적으로 동일하거나 유사한 엘리먼트들을 표시한다. 그러한 엘리먼트들의 설명은 통상 반복되지 않을 것이다.
도 1 은 종래 기술로부터 알려진 가스 절연 고전압 자기-블라스트 회로 차단기 (1) 의 축 (B) 를 따른 섹션의 개략 측면도를 도시한다. 도 1 에 도시된 회로 차단기 (1) 는 축 (B) 주위로 회전 대칭이고, 축 (B) 을 따른 섹션의 하부 반절은, 그것이 축 (B) 에서 미러링되는 상부 반절에 대응하기 때문에, 도시되지 않는다. 회로 차단기 (1) 는 제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 을 갖는 아크 접점 배열체 (5) 를 포함한다. 제 1 아크 구역 부재 (30) 는 축 (B) 에 대해 동축적 배열로 접점 튤립 (21), 보조 노즐 (40) 및 메인 노즐 (50) 을 포함한다. 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 접점 핀 (31) 을 포함한다. 아크 접점 배열체를 통상적으로 둘러싸는 공칭 접점 배열체, 및 회로 차단기 (1) 의 하우징은 도시되지 않는다.
보조 노즐 (40) 은 적어도 통상적으로 접점 튤립 (21) 을 둘러싼다. 보조 노즐 (40) 은 소호 가스의 흐름을 위한 흐름 도관을 형성하기 위해 축방향 연장을 갖는 보조 노즐 스로트 (42) 를 포함한다. 메인 노즐 (50) 은 적어도 부분적으로 보조 노즐 (40) 을 둘러싼다. 메인 노즐 (50) 은 소호 가스의 흐름을 위한 흐름 도관을 형성하기 위해 축방향 연장을 갖는 메인 노즐 스로트 (51) 를 포함한다. 메인 노즐 스로트 (50) 는 보조 노즐 스로트 (42) 의 옆으로, 즉 여기서 축 (B) 을 따른 방향에서 오른쪽으로 배열된다. 가열 채널 (61) 은 보조 노즐 (40) 과 메인 노즐 (50) 사이에 형성되고, 보조 노즐 스로트 (42) 와 메인 노즐 스로트 (51) 사이의 축방향 분리를 제공한다. 가열 채널 (61) 은 제 1 단부에서 보조 노즐 스로트 (42) 및 메인 노즐 스로트 (51) 와 유체 연통하고, 제 2 단부에서 압력 볼륨 (미도시) 과 유체 연통한다. 압력 볼륨은 가열 볼륨 또는 퍼퍼 (puffer) 볼륨 또는 가열 볼륨 및 퍼퍼 볼륨의 조합일 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (51) 는 가열 채널 (61) 의 제 1 단부에 인접한, 보조 노즐 스로트 (42) 를 향한 제 1 단부 (511) 를 갖고, 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 떨어진 제 2 단부 (512) 를 갖는다. 메인 노즐 스로트 (51) 의 제 2 단부에서, 메인 노즐 (50) 은 디퓨저 부분 (55) 으로 넓어진다. 노즐 스로트들은 노즐들의 가장 좁은 부분들, 즉 축 (B) 을 따라 단위 길이당 가장 작은 보이드 (void) 볼륨을 인클로징하는 노즐의 부분들일 수도 있다.
제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 축 (B) 을 따라 서로에 상대적으로 이동가능하다. 상대적 이동은 제 1 아크 구역 부재 (30), 제 2 아크 구역 부재 (20) 또는 제 1 및 제 2 아크 구역 부재들 (20, 30) 양자 모두가 제 1 아크 구역 부재 (30) 와 제 2 아크 구역 부재 (20) 사이의 변위가 발생하도록 축 (B) 을 따라 이동할 수도 있다는 것을 의미한다. 구체적으로는, 상대적 운동은 접점 핀 (31) 및 접점 튤립 (21) 을 서로와 물리적 접촉시킬 수 있고, 물리적 접촉, 및 결국 또한 전기적 접촉을 차단하기 위해 그것들을 떼어놓을 수 있다. 제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 양자 모두가 이동가능한 회로 차단기는 이중-모션 회로 차단기로 지칭되고, 그렇지 않으면 그것은 단일-모션 접점 차단기로 지칭된다. 회로 차단기는 제 1 아크 구역 부재 (30), 제 2 아크 구역 부재 (20), 또는 양자 모두의 이동을 시행하기 위한 드라이브들 (미도시) 을 포함할 수도 있다. 접점 핀 (31) 은 그것이 접점 튤립 (21) 과 물리적으로 접촉하지 않는, 도 1 에서의 수축된 위치에서 도시된다. 접점 핀 (31), 또는 적어도 접점 튤립 (21) 에 가장 가까운 접점 핀 (31) 의 단부 (32) 는 메인 노즐 스로트 (51) 를 통해 및 보조 노즐 스로트 (42) 를 통해 통과할 수 있고, 이들은 그러한 통과를 허용하기 위해 이에 따라 성형된다.
메인 노즐 스로트 (51) 는 그의 전체 길이 (L) 에 따라 일정한 단면적 A1 = πR2 을 갖고, 여기서 R 은 도 1 에 도시된 바와 같은 (축 (B) 으로부터 측정된) 일정한 반경이다. 메인 노즐 스로트 (51) 는 소호 가스의 흐름을 위한 일정한 흐름 단면을 제공하지만, 디퓨저 부분 (55) 의 흐름 단면은 다운스트림 축방향(여기서 축 (B) 을 따라 오른쪽 방향) 에서 볼 때 증가한다. 종래 기술로부터, 소호 가스의 흐름의 방향으로, 즉 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 떨어져 축 (B) 을 따르는 방향으로 (즉 축의 다운스트림 방향으로) 단면적에서 또한 증가하는 메인 노즐 스로트들 (51) 이 알려져 있고, 그들의 디퓨저 부분들은 도 1 에 도시된 것보다 훨씬 더 많이 증가하는 단면을 가질 수도 있다.
회로 차단의 프로세스에서, 아크는 접점 핀 (31) 과 접점 튤립 (21) 사이의 물리적 접촉이 차단될 때 형성되고, 소호 가스는 궁극적으로 아크를 소멸시키기 위해 압력 볼륨으로부터 가열 채널 (61) 을 통해 및 그 후 보조 노즐 스로트 (42) 에 의해 형성된 흐름 도관을 통해 그리고 메인 노즐 스로트 (51) 에 의해 형성된 흐름 도관을 통해, 즉 반대 방향들로 흐른다. 접점 튤립 (21) 과 접점 핀 (31) 사이에 아크가 형성되는 영역은 아크 구역 (Z) 로 지칭된다.
그러한 회로 차단기 (1) 는 특히 낮은 단락 전류 듀티들에서 낮은 절연내력을 나타낼 수도 있다는 것이 발견되었다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 절연 고전압 자기-블라스트 회로 차단기 (1) 의 축 (B) 를 따른 섹션상의 개략 측면도를 도시한다. 도 1 에 도시된 종래 기술 회로 차단기와 대조적으로, 이러한 실시형태에 따른 회로 차단기는, 그의 단면적이 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 멀어지는 방향으로, 즉 소호 가스의 흐름의 방향으로 또는 보조 노즐 스로트 (42) 의 옆으로 감소하는 메인 노즐 스로트 (52) 를 갖는 메인 노즐 (50) 을 갖는다. 그것은 메인 노즐 스로트 (52) 의 더 큰 단면적이 가열 채널 (61) 에 인접한 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부 (521) 에 있고, 메인 노즐 스로트 (52) 의 더 좁은 단면적이 가열 채널 (61) 로부터 멀리 떨어지거나 메인 노즐 디퓨저 부분 (55) 에 인접한 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에 있다는 것을 의미한다. 따라서, 메인 노즐 스로트 (52) 는, 즉 다운스트림 방향으로 또는 여기서 오른쪽 측면을 향해 소호 가스의 흐름을 위한 수렴하는 흐름 도관을 형성한다.
도 2 에 도시된 실시형태에서, 메인 노즐 스로트 (52) 의 형상은 원뿔대형일 수 있다. 도 2 의 축 (B) 을 따른 섹션상의 측면도에서, 이것은 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부에서의 최대 반경 (Rmax) 으로부터 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부에서의 최소 반경 (Rmin) 까지의 직선으로 주행하는 메인 노즐 스로트 (52) 의 반경방향 내부 표면의 묘사된 섹션으로부터 알수 있다. 특히, 절연 노즐 스로트 (52) 의 애퍼쳐 각도 (α) 가 도 2 에 도시되며; 애퍼쳐 각도 (α) 는 α=arctan((Rmax-Rmin)/L) 로서 정의되며, 여기서 L 은 메인 노즐 스로트의 길이이다. 애퍼쳐 각도 (α) 는 제로보다 크고, 예를 들어 많아야 15°일 수도 있다.
도 2 는 특히 낮은 단락 전류 듀티들에서 회로 차단기의 절연내력을 증가시킬 수 있는 메인 노즐 스로트 (52) 의 형상의 예를 도시한다. 임의의 특정의 이론에 의해 속박되는 것을 원하지 않으면서, 이것이 그러한 이유는 다음과 같다고 믿어진다.
그러한 회로 차단기를 동작시키는 드라이브들은 전류 제로 이후에 아크 구역 밖으로 고온 가스를 플러싱하기에 충분한 압력 빌드 업 (build up) 을 생성하기에 충분히 강력하지 않을 수도 있다. 이것은 단일 모션 회로 차단기와 대조적으로, 퍼퍼 측면, 즉 제 1 아크 구역 부재 (30) 의 측면의 더 낮은 속도에 기인하여 더 낮은 기계적 압축을 산출하는 자기-블라스트 이중-모션 회로 차단기에 대해 특히 사실이다.
특히, 낮은 단락 전류 듀티 (T10, 이상, T30) 에서, 아크에 의해 볼륨에서 빌드업되는 압력은 작고 드라이브에 의해 기계적으로 발생된 것과 동일한 정도의 크기이다. 이러한 경우들에서의 전류 제로에서의 결과적인 정체 압력은 종래 기술 회로 차단기의 메인 노즐 (51) 내부의 초음파 흐름 조건들을 달성하기에 충분하지 않을 수도 있다. 결과적으로, 아크 접점들 사이의 고온 가스는 비교적 낮은 속도로 배기될 수도 있고, 접점 핀 (31) 의 단부 (32) 앞에 집중할 수도 있다. 이러한 흐름 그림은 가스가 흐름 역전 후에 아크 구역을 스위핑 (sweeping) 하는데 이용가능한 더 짧은 시간이 존재하기 때문에, 60 Hz 전류들의 경우에 더 악화된다.
성공적인 열 차단의 경우에, 차단기 접점들 사이에 적용되는 과도 회복 전압은 그 후 가스의 절연 파괴를 야기할 수 있다. 후자의 시작은 전기장 크기와 가스 밀도 사이의 비가 최대인, 가스의 포인트에서 발생하는 것으로 분석되었다. 그러한 약한 포인트는 통상, 가스 밀도의 낮은 값들이 전기장의 높은 값들과 결합되는 것으로 발견된, 상술된 접점 핀 (31) 앞에 있는 고온 가스의 영역에 위치된다. 방전의 선두는 그 후 종래 기술 회로 차단기의 절연 고장을 야기할 이벤트인, 퍼퍼 측면상의 금속 부분들에 도달하기를 시도하면서 최소 에너지의 경로를 따라 이동할 수도 있다.
자기-블라스트 회로 차단기의, 특히 이중-모션 자기-블라스트 회로 차단기의 노즐들 내부의 흐름 레짐 (regime) 은, 작은 기계적 압력 빌드업으로 인해, 특히 낮은 단락 전류 듀티 동작에서, 아음속일 수 있다. 고온 가스는 따라서 아크 구역으로부터 효율적으로 제거되지 않을 수도 있다. 높은 전류 듀티들의 경우들에서, 상황은 상이할 수도 있고, 가스는 아크 페이스에서 어블레이션 (ablation) 에 의해 발생된 높은 압력 구배에 기인하여 종래 기술 회로 차단기들의 아크 구역으로부터 초음파적으로 배출될 수도 있다. 낮은 밀도를 갖는 고온 가스의 영역이 접점 핀 앞의 메인 노즐 스로트의 제 2 단부를 향해 확립되는 경우, 이러한 영역은 과도 회복 전압이 회로 차단기에 인가될 때 더욱 발생하기 쉬운 장소이다.
도 2 에 도시된 회로 차단기 (1) 와 같은, 여기에 기술된 실시형태들에 따른 회로 차단기들 또는 스위칭 디바이스들은, 특히 낮은 단락 전류 듀티 동작들에서, 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부를 향해 아크 구역 내부의 가스 밀도를 증가시키는 메인 노즐 (50) 의 노즐 스로트 (52) 의 형태를 제공한다. 이것에 의해, 절연 파괴의 위험이 감소되며, 즉 그러한 파괴에 대한 절연내력이 증가된다.
일반적으로, 메인 노즐 스로트 (52) 의 단면적은 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 방향으로 실질적으로 감소하도록 형성된다. 메인 노즐 스로트 (52) 에 의해 형성된 흐름 도관은 따라서 소호 가스의 가스 흐름의 방향에서 실질적으로 수렴하고 있도록 제조된다. 아음속 가스 흐름들이 수렴하고 있는 도관들 내에서 가속화하기 때문에, 절연 노즐 스로트 (52) 에 대한 수렴 프로파일은 그것의 제 2 단부에서 더 높은 흐름 속도를 갖도록 돕는다. 더 높은 흐름 속도는 아크가 열적으로 소멸된 후에 접점 핀 (31) 의 단부에 인접한 영역에 상주하는 고온 가스의 더 효과적인 제거를 지원한다.
상술된 물리적 그림은 계산적 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션들에 의해 검증되었다. 가장 중요하게는, 수렴하는 메인 노즐 스로트 (52) 에 의해 달성된 절연 회복의 개선들은 종래 기술 회로 차단기에 대해서 그리고 수렴하는 메인 노즐 (52) (즉 다운스크림 방향으로 수렴하는 메인 노즐 (52)) 을 구현하는 회로 차단기에서와 동일한 조건들 하에서 수행된 풀 (full) 전력 테스트들의 결과들에 의해 확인되었다.
완전히 일반적인 실시형태들에서, 메인 노즐 (52) 의 (실질적으로) 수렴하는 흐름 도관은 소호 가스의 다운스트림 방향에서 수렴하고 있다.
다른 완전히 일반적인 실시형태들에서, 메인 노즐 (52) 의 (실질적으로) 수렴하는 흐름 도관은 (즉 가열 채널로부터 멀리 떨어진, 및 특히 메인 노즐 디퓨저 부분 (55) 에 인접한) 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 를 향해 다운스트림 방향으로 소호 가스의 정체 포인트 사이의 축방향 연장을 갖는다.
또는, 여전히 다른 완전히 일반적인 실시형태들에서, 메인 노즐 (52) 의 (실질적으로) 수렴하는 흐름 도관은 가열 채널 (61) 에 인접한 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부 (521) 와 가열 채널 (61) 로부터 멀리 떨어지고, 특히 메인 노즐 디퓨저 부분 (55) 에 인접한 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 사이의 축방향 연장을 갖는다. 특히, 소호 가스의 정체 포인트의 축방향 위치는 메인 노즐 (52) 의 (실질적으로) 수렴하는 흐름 도관의 축방향으로 외측에 또는 업스트림에 위치된다.
여기에 기술된 실시형태들에 따르면, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스가 제공된다. 스위칭 디바이스는 회로 차단기일 수도 있거나 이전에 언급된 다른 디바이스일 수도 있다. 가스 절연 고전압 회로 차단기는 단일 모션 또는 이중 모션을 특징으로 할 수도 있는 가스 절연 고전압 자기-블라스트 회로 차단기일 수도 있다. 회로 차단기는 특히 가스 절연 고전압 이중 모션 자기-블라스트 회로 차단기일 수도 있다. 후자의 경우, 아크 구역에서의 소호 가스의 가스 흐름이 그것의 부분들의 이동의 더 느린 절대 속도들에 기인하여 낮은 단락 전류 듀티들에서 아음속이기 더욱 쉽고, 이것은 더 작은 기계적 압력 빌드업을 야기하기 때문에, 절연 내력을 증가시키는 효과가 가장 현저해야 한다. 간단성을 위해, 예시적인 참조가 이하에 회로 차단기에 대해 행해질 것이다.
회로 차단기는 예를 들어 유럽에서와 같이 50 Hz 또는 다른 나라들에서와 같이 60 Hz 일 수도 있는 그리드 전류 주파수에서 동작가능할 수도 있다. 그리드 전류의 주파수가 더 높을 수록, 더 높은 그리드 전류 주파수가 아크 구역 밖으로 고온 가스들을 퍼징하는데 더 적은 시간을 남기며, 이것은 절연 고장을 야기할 수도 있기 때문에, 개선은 현재의 설계에 의해 더 현저해야 한다.
회로 차단기 (1) 는 아크 접점 배열체 (5) 를 포함한다. 아크 접점 배열체 (5) 는 제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 를 포함한다. 제 1 및 제 2 아크 구역 부재들 (30, 20) 은 축 (B) 을 따라 서로에 대해 이동가능하다. 회로 차단기 (1) 는 제 1 및 제 2 아크 구역 부재들 (30, 20) 이 배열되는 하우징을 포함할 수도 있다. 제 1 아크 구역 부재 (30) 는 제 1 드라이브에 의해 축 (B) 을 따라 하우징에 대해 이동가능할 수도 있거나 하우징에 대해 고정적으로 장착될 수도 있다. 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 제 2 드라이브에 의해 축을 따라 하우징에 대해 이동가능할 수도 있다. 하우징은 제 1 아크 구역 부재 (30) 에 전기적으로 연결된 제 1 금속 전류 단자 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 에 전기적으로 연결된 제 2 금속 전류 단자를 지지하는 절연체 부분을 포함할 수도 있다.
회로 차단기는 제 1 공칭 접점 유닛 및 제 2 공칭 접점 유닛을 포함하는 공칭 접점 배열체를 포함할 수도 있다. 아크 접점 배열체 (5) 및 공칭 접점 배열체는 회로 차단기 (1) 의 접점 배열체를 형성할 수도 있다. 제 1 공칭 접점 유닛은 제 1 금속 전류 단자에 전기적으로 연결될 수도 있고, 제 2 공칭 접점 유닛은 제 2 금속 전류 단자에 전기적으로 연결될 수도 있다. 제 1 및 제 2 공칭 접점 유닛들은 축 (B) 을 따라 서로에 대해 이동가능할 수도 있다. 제 1 공칭 접점 유닛은 제 1 아크 구역 부재 (30) 에 고정된 공간적 관계에 있을 수도 있고, 제 1 아크 구역 부재 (30) 와 함께 하우징에 대해 이동하거나 고정될 수도 있다. 제 2 공칭 접점 유닛은 제 2 아크 구역 부재 (20) 에 고정된 공간적 관계에 있을 수도 있고, 제 2 아크 구역 부재 (20) 와 함께 하우징에 대해 이동할 수도 있다. 금속 전류 단자들에 대한 전기적 연결들은, 금속 전류 단자들과 전기적으로 접촉하는 부분들이 금속 전류단자들에 대해 이동가능한 경우, 슬라이딩 접촉들일 수도 있다.
제 1 아크 구역 부재 (30) 는 제 1 아크 접점 유닛 (31) 을 포함한다. 제 1 아크 접점 유닛 (31) 은 아크 접점 핀 (31) 일 수도 있다. 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 제 1 아크 접점 유닛 (31) 을 수용하도록, 특히 그것의 자유 단부를 수용하도록 구성된 제 2 아크 접점 유닛 (21) 을 포함한다. 제 2 아크 접점 유닛 (21) 은 아크 접점 핀 (31), 특히 그것의 자유 단부 또는 선단을 수용하도록 구성된 아크 접점 튤립 (21) 일 수도 있다.
제 2 아크 구역 부재 (20) 는 제 2 아크 접점 유닛 (21) 의 적어도 부분을 둘러싸는 보조 노즐 (40) 을 포함한다. 보조 노즐 (40) 은 보조 노즐 스로트 (42) 를 갖는다. 보조 노즐 스로트 (42) 는 축방향 연장을 갖고, 아크 접점 핀 (31) 의 자유 단부 또는 선단과 같은, 적어도 제 1 아크 접점 유닛 (31) 의 단부의 통과를 허용한다. 보조 노즐 (40) 은 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE) 에 기초하여 할로겐화된 폴리머를 포함하거나 그것으로 커버되거나 그것으로 제조될 수도 있다. 보조 노즐 스로트 (42) 또는 보조 노즐 (40) 은 축 (B) 에 대해 n-폴드 이산 회전 대칭 또는 연속 회전 대칭을 가질 수도 있으며, 여기서 n 은 3 이상인, 예를 들어 4, 6, 8 또는 그 이상인 정수이다.
제 2 아크 구역 부재 (20) 는 보조 노즐 (40) 또는 적어도 그것의 부분을 둘러싸는 메인 노즐 (50) 을 더 포함한다. 메인 노즐 (50) 은 메인 노즐 스로트 (52) 를 갖는다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 보조 노즐 스로트 (42) 의 옆으로 축방향 연장을 갖고, 적어도 아크 접점 핀 (31) 의 단부의 통과를 허용한다. 즉, 메인 노즐 스로트 (52) 는 길이 (L) 의 축방향 연장을 갖고, 메인 노즐 스로트 (52) 는 보조 노즐 스로트 (42) 의 측면에 배열되며, 여기서 "~ 의 옆으로" 또는 "~ 의 측면에" 는 축 (B) 에 대해, 즉 축 (B) 의 방향으로 및 보조 노즐 (40) 로부터 떨어져 또는 (보조 노즐 (40) 에 대한) 아크 구역 (Z) 의 다른 측면상으로 이해되어야 한다. 보조 노즐 (40) 은 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE) 에 기초하여 할로겐화된 폴리머를 포함하거나 그것으로 커버되거나 그것으로 제조될 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 또는 메인 노즐 (50) 은 축 (B) 에 대해 n-폴드 이산 회전 대칭 또는 연속 회전 대칭을 가질 수도 있으며, 여기서 n 은 3 이상인, 예를 들어 4, 6, 8 또는 그 이상인 정수이다. 연속 회전 대칭을 갖는 부분은 또한 임의의 n 에 대해 n-폴드 이산 회전 대칭을 소유한다.
회로 차단기 (1), 특히 접점 배열체 (5) 는 제 2 아크 접점 유닛 (21), 제 2 공칭 접점 유닛, 보조 노즐 (40), 메인 노즐 (50), 또는 이들의 임의의 조합이 캐리어에 부착될 수도 있는 그 캐리어를 포함할 수도 있다. 캐리어는 그 파트들을 서로에 대해 고정된 공간적 관계로 그것에 부착된채로 유지하면서, 하우징에 대해 이동가능할 수도 있다.
회로 차단기 (1) 는 압력 볼륨 또는 압력 챔버를 포함할 수도 있다. 압력 볼륨 또는 압력 챔버는 가열 볼륨 및/또는 퍼퍼 볼륨일 수도 있다. 압력 볼륨 또는 압력 챔버는, 특히 제 2 아크 접점 유닛 (21), 제 2 공칭 접점 유닛 및/또는 캐리어에 의해 바운딩될 수도 있다. 제 2 아크 구역 배열체 (20) 는 보조 노즐 (40) 과 메인 노즐 (50) 사이에 형성된 가열 채널 (61) 을 포함할 수도 있다. 가열 채널 (61) 은 아크 구역 (Z) 의 부분인, 보조 노즐 스로트 (42) 와 메인 노즐 스로트 (52) 사이의 공간으로 제 1 단부 개구를 가질 수도 있고, 압력 챔버로 제 2 단부 개구를 가질 수도 있다. 가열 채널 (61) 은 따라서 제 2 단부에서 압력 챔버와, 그리고 제 1 단부에서 각각 보조 및 메인 노즐 (40, 50) 의 2 개의 노즐 스로트들 (42, 52) 사이에 놓인 아크 구역의 부분과 유체 연통할 수도 있다. 제 2 아크 구역 배열체 (20) 는 제 2 아크 접점 유닛 (21) 과 보조 노즐 (40) 사이에 형성된 보조 채널을 더 포함할 수도 있다. 보조 채널은 제 2 아크 접점 유닛 (21) 의 자유 단부와 보조 노즐 스로트 (42) 사이의 공간으로 제 1 단부 개구를 가질 수도 있고, 배기 볼륨으로 제 2 단부 개구를 가질 수도 있다.
아크 접점 배열체 (5), 공칭 접점 배열체 및/또는 접점 배열체 중 임의의 2 개 이상의 파트들은 축 (B) 에 대해 동축적으로 배열될 수도 있다. 특히, 제 1 아크 접점 유닛 (31), 제 2 아크 접점 유닛 (21), 보조 노즐 (40) 및 메인 노즐 (50) 은 축 (B) 에 대해 동축적 배열에 있을 수도 있다. 제 1 공칭 접점 유닛 및 제 2 공칭 접점 유닛 및 캐리어는 마찬가지로 축 (B) 에 대해 동축적 배열에 있을 수도 있다. 압력 챔버, 가열 채널 (61), 보조 채널 및/또는 캐리어는 또한 축 (B) 에 대해 동축적 배열에 있을 수도 있다. 아크 접점 배열체, 공칭 접점 배열체, 접점 배열체, 압력 챔버, 가열 채널, 보조 채널 및/또는 캐리어 중 임의의 파트 또는 전체는 축에 대해 n-폴드 이산 회전 대칭 또는 연속 회전 대칭을 가질 수도 있으며, 여기서 n 은 3 이상인, 예를 들어 4, 6, 8 또는 그 이상과 동일한 정수이다.
실시형태들에 따르면, 메인 노즐 스로트의 단면적은 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 실질적으로 감소하고 있다. 메인 노즐 스로트는 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 흐름 도관을 형성한다. 메인 노즐 스로트는 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 실질적으로 감소하는 단면을 갖고, 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 흐름 도관을 형성하여, 소호 가스가 특히 낮은 단락 전류 듀티 조건들에 통상적인 아음속 흐름 레짐에 대해, 메인 노즐 스로트에서 전체 가속도를 경험하도록 한다. 더욱 일반적으로, 실질적으로 수렴하는 흐름 도관은 가스 흐름의 가속도에서 네트 (net) 증가, 특히 단조 증가를 제공하는 변하는 형상의 도관으로서 정의될 수 있다. 이러한 방식으로, 수축된 제 1 아크 접점 유닛의 근처의 메인 노즐 스로트의 단부에서의 흐름 속도가 증가되어, 아크가 열적으로 소멸된 후 그 수축된 제 1 아크 접점 유닛의 근처로부터 고온 가스의 더 효과적인 제거를 지원한다. 메인 노즐 스로트는 바람직하게는 엄격하게 수렴하는 흐름 도관을 형성할 수도 있고, 그것의 단면은 따라서 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 엄격하게 단조롭게 감소할 수도 있지만, 대안적으로 소호 가스의 필요한 전체 가속도가 달성되는 한, 엄격하게 수렴하는 형상에 대한 제한된 정도의 일부 일탈들 또는 기복들을 나타낼 수도 있다.
메인 노즐 (50) 은 디퓨저 부분 (55) 을 포함할 수도 있다. 디퓨저 부분 (55) 은, 메인 노즐 스로트 (52) 에, 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 축방향으로 먼곳에서, 인접할 수도 있다. 디퓨저 부분 (55) 의 단면적은 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 멀리 축방향으로 증가할 수도 있다. 디퓨저 부분 (55) 은 (즉 다운스트림 방향으로) 소호 가스의 흐름을 위한 발산하는 도관을 형성할 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 디퓨저 부분 (55) 과 가열 채널 (61) 의 하나의 벽을 정의하는 메인 노즐 (50) 의 부분 사이에서 축방향으로 배열될 수도 있다 (가열 채널 (61) 의 다른 벽은 보조 노즐 (40) 에 의해 정의됨).
메인 노즐 스로트 (52), 즉 메인 노즐 스로트 (52) 의 (실질적으로) 수렴하는 흐름 도관은 보조 노즐 스로트 (42) 를 향하여 축방향으로의 제 1 단부, 및 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 멀리 축방향으로의 제 2 단부를 가질 수도 있다. 제 2 단부는 메인 노즐 (50) 의 디퓨저 부분 (55) 에 인접할 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 축방향으로 길이 (L) 를 가질 수도 있다. 길이 (L) 는 15 mm 내지 80 mm 의 범위에 있을 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부 (521) 에서 최대 단면적 Amax 를 가질 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 는 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에서 최소 단면적 Amin 를 가질 수도 있다. 메인 노즐 스로트가 n-폴드 이산 회전 대칭을 갖는 경우, 특히 메인 노즐 스로트의 임의의 단면적이 외접원의 반경 (R) 을 갖는 정 볼록 다각형이라면, 최대 단면적 Amax 는 Amax=1/2 n Rmax2 sin(2π/n) 에 의해 최대 외접원 반경 (Rmax) 와 관련되고, 마찬가지로 최소 단면적 Amin 는 Amin=1/2 n Rmin2 sin(2π/n) 에 의해 최소 외접원 반경 (Rmin) 와 관련된다. 메인 노즐 스로트 (52) 가 연속 회전 대칭을 가져서, 메인 노즐 스로트 (52) 의 임의의 단면적이 원인 경우, 최대 단면적 Amax 는 Amax=π Rmax2 에 의해 최대 반경 (Rmax) 와 관련되고, 최소 단면적 Amin 는 Amin=π Rmin2 에 의해 최소 반경과 관련된다. Amax > Amin 및 Rmax > Rmin 이 유지된다. 반경들은 반경 방향으로, 즉 축 (B) 에 수직으로 축 (B) 으로부터 측정된다. 연속 회전 대칭을 갖는 메인 노즐 스로트는, 특히 그것이 제조의 용이성 및 바람직한 흐름 조건들과 같은 이점들을 제공하기 때문에 바람직하다. 메인 노즐 스로트는 α=arctan((Rmax-Rmin)/L) 로서 정의되는 애퍼쳐 각도 (α) 를 가질 수도 있으며, 여기서 L 은 메인 노즐 스로트의, 특히 실질적으로 수렴하는 흐름 도관의 길이이다. 애퍼쳐 각도 (α) 는 제로보다 크다. 애퍼쳐 각도 (α) 는 최대 15°일 수도 있다. 애퍼쳐 각도 (α) 는 예를 들어 0.5° 내지 10° 의 범위에 있을 수도 있다. 메인 노즐 스로트의 Rmax, Rmin 또는 평균 반경의 길이는 5 mm 로부터 20 mm 까지의 범위에 있을 수도 있다.
메인 노즐 스로트의 단면적은 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 또는 메인 노즐의 디퓨저 부분을 향해 또는 메인 노즐 스로트를 통해 소호 가스의 흐름의 방향으로 엄격하게 단조롭게 감소하고 있을 수도 있다. 메인 노즐 스로트는 소호 가스의 흐름을 위한 엄격하게 수렴하는 흐름 도관을 형성할 수도 있다. 단면적은 메인 노즐 스로트의 길이를 따라 이차식으로 (quadratically) 감소할 수도 있다. 메인 노즐 스로트가 n-폴드 이산 회전 대칭 또는 연속 회전 대칭을 갖는 통상적인 경우에서, 메인 노즐 스로트의 길이를 따른 단면적들의 외접원 반경 또는 반경은 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 또는 메인 노즐의 디퓨저 부분을 향해 또는 메인 노즐 스로트를 통한 소호 가스의 흐름의 방향으로 선형으로 감소할 수도 있다. 메인 노즐 스로트 (52) 의 형상은 예를 들어 도 2 에 도시된 것과 같이 원뿔대형일 수도 있다.
메인 노즐 스로트의 단면적은 메인 노즐 스로트의 길이의 제 2 반절에서 실질적으로 감소하고 있거나 엄격하게 단조롭게 감소하고 있을 수도 있고, 메인 노즐 스로트의 길이의 제 2 반절은 보조 노즐 스로트로부터 멀리 축방향으로 또는 메인 노즐의 디퓨저 부분을 향해 또는 메인 노즐 스로트를 통한 소호 가스의 흐름의 방향으로 놓여 있다. 메인 노즐 스로트는 메인 노즐 스로트의 길이의 제 2 반절에서 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 또는 엄격하게 수렴하는 흐름 도관을 형성할 수도 있다.
메인 노즐 스로트의 단면적은 축상의 위치 (x) 의 함수 A(x) 로서 간주될 수도 있다. 유사하게, 단면적이 외접원 반경 또는 반경과 관련되는 이산 또는 연속 회전 대칭을 갖는 케이스들의 경우, 외접원 반경 또는 반경 R(x) 는 축상의 위치 (x)의 함수로서 간주될 수 있다. A(x) 는 그러면 R(x) 의 제곱에 비례한다. 일반성의 손실 없이, 보조 노즐 스로트를 향한 메인 노즐 스로트의 제 1 단부에서 x=0 이고, 보조 노즐 스로트로부터 먼 또는 디퓨저 부분을 향한 메인 노즐 스로트의 제 2 단부에서 x=L 이며, 여기서 L 은 메인 노즐 스로트의 길이이다. 포지티브 x-축은 따라서 보조 노즐 스로트로부터 먼 방향으로 그리고 메인 노즐의 디퓨저 부분을 향해, 즉 메인 노즐 스로트을 통한 소호 가스의 흐름의 방향으로 포인팅하도록 배향된다. 이들 함수들 또는 그들의 도함수들의 수학적 특성들은 메인 노즐 스로트의 형상의 기하학적 특성들로 변환된다.
다음에, 그러한 수학적 특성들이 특정되며, 이들 중 임의의 것이 단독으로 또는 조합으로 메인 노즐 스로트의 형상에 적용될 수도 있다. 그 특성들은 함수 A(x) 에 대해 주어지지만, 유사한 관계들이 대응하는 함수 R(x) 에 적용될 수도 있다.
A(x) 의 경우, 부등식 A(0) > A(L) 이 유지된다. 함수 값 A(0) 는 함수의 최대값일 수도 있으며, 따라서 A(0)=Amax 이다. 함수 값 A(L) 은 함수의 최소값일 수도 있으며, 따라서 A(L)=Amin 이다. A(x) 는 상한 (Cup) 및 하한 (Clow) 을 갖는 제한된 함수일 수도 있다. 상수 Cup 은 A(0) 로부터 A(0)+y 까지의 범위에 있을 수도 있고, 상수 Clow 은 A(L)-y 로부터 A(L) 까지의 범위에 있을 수도 있고, y 는 예를 들어 A(0)/d 또는 A(L)/d 또는 L/d 일 수도 있으며 d 는 10 이상, 50 이상, 또는 심지어 100 이상이다. 하한 Clow 은 제 1 아크 접점 유닛의 단부의 최대 반경방향 연장보다 클 필요가 있으며, 이는 그 단부가 메인 노즐 스로트를 통과할 수 있을 필요가 있기 때문이다. 이들 특성들 중 임의의 것이 마찬가지로 함수 R(x) 에 대해 유지될 수도 있다.
함수 A(x) 의 평균 도함수는
Figure 112019018160325-pct00001
이다. 함수 Aav(x) 는 A(0) 또는 A(L) 에서 앵커링된 기울기 Abar' 를 갖는 직선일 것이며, 즉 Aav(x)=A(0)+Abar'*x 이며, 여기서 Abar' 는 네거티브이고 Aav(L)=A(L) 이다. A(x) 는 직선 Aup(x)=A(0)+y+Abar'*x 에 의해 상위 경계지어질 수도 있고 직선 Alow(x)=A(0)-y+Abar'*x 에 의해 하위 경계지어질 수도 있으며, 여기서 y 는 상술한 바와 같을 수도 있다. 함수 A(x) 는 Aav(x) 및 ±y 에 의해 경계지어지고 u(0)=u(L)=0 인 기복 함수 u(x) 의 합으로서 간주될 수 있다. 함수 A(x) 는 대안적으로 엄격하게 단조적으로 감소하는 함수 Amon(x) 및 ±y 에 의해 경계지어지고 v(0)=v(L)=0 인 기복 함수 v(x) 의 합으로서 간주될 수 있다. 따라서, A(x) 는 비제로 v(x) 또는 u(x) 에 기인하여 아마도 국부적으로는 아니지만, 메인 노즐 스로트의 길이 (L) 를 따라 전체적으로 감소하고 있다. 여전히, 그러한 A(x) 의 일부 또는 전부는 실질적으로 감소하고 있는 것을 언급될 수도 있다. 이들 특성들의 일부가 도 3 에 도시된다. 이들 특성들의 임의의 것은 함수 R(x) 에 대해 유지될 수도 있다.
단며적 함수 A(x) 는 구간 [0, L] 의 서브 구간들에 대해 실질적으로 감소하고 있거나 엄격하게 단조적으로 감소하고 있을 수도 있다. 일부 또는 전부의 서브 구간들에 대해 취해진 A(x) 의 평균 도함수는 네거티브일 수도 있다. 특히, A(x) 는 구간 [L/2, L] 에서 실질적으로 감소하고 있거나 엄격하게 단조적으로 감소하고 있을 수도 있고, 그러한 서브 구간에 대해 취해진 평균 도함수는 네거티브일 수도 있다. p=(pi), i=0...m 을 구간 [0, L] 의 파티션이라고 하며, 여기서 m 은 정수 (예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 그 이상) 이고 p0=0 및 pm=L 이라 한다. 파티션은 동일한 길이의 서브 구간들을 정의할 수도 있다. 그러면, A(x) 는 파티션 (p) 에 의해 정의된 모든 서브 구간들의 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 심지어 100% 에서 실질적으로 감소하고 있거나 엄격하게 단조적으로 감소하고 있을 수도 있다. 이들 특성들은 예를 들어 1, 2, 3, 4, 5, 6 이상인 m1 을 갖는 인덱스들 {m1,...,m} 의 순서화된 서브세트에 대해 더 큰 인덱스들을 갖는 파티션 넘버들 pi 에 의해 정의된 서브 구간들에 대해 유지될 수도 있다. 파티션 (p) 에 의해 정의된 서브 구간들에 대해 취해진 A(x) 의 평균 도함수는 파티션 (p) 에 의해 정의된 모든 서브 구간들의 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 심지어 100% 에 대해 네거티브일 수도 있다. 이러한 특성은 예를 들어 1, 2, 3, 4, 5, 6 이상인 m1 을 갖는 인덱스들 {m1,...,m} 의 순서화된 서브세트에 대해 더 큰 인덱스들을 갖는 파티션 넘버들 pi 에 의해 정의된 서브 구간들에 대해 유지될 수도 있다. 이들 특성들 중 임의의 하나 또는 전부는 마찬가지로 파티션 (p) 의 정제에 대해 유지될 수도 있다. 이들 특성들 중 임의의 것은 마찬가지로 함수 R(x) 에 대해 유지될 수도 있다.
통상적인 실시형태들에서, A(x) 는 엄격하게 단조적으로 감소하고 있어서, x1 < x2 이면 A(x1) > A(x2) 이다. 도 4 에 개략적으로 도시된 바와 같이, A(x) 는 이차식으로 감소하고 있을 수도 있으며, 즉 A(x) 는 포물선의 형태를 갖는다. 대응하는 외접원 반경 또는 반경 R(x) 은 직선
Figure 112019018160325-pct00002
Figure 112019018160325-pct00003
이며, 여기서 평균 도함수
Figure 112019018160325-pct00004
Figure 112019018160325-pct00005
은 -tanα=Rbar' 에 의해 애퍼쳐 각도 (α) 와 관련되고, 마이너스 부호는 α 가 포지티브인 것으로 정의되었기 때문에 나타난다. 도 5 에서 개략적으로 도시된 바와 같이, A(x) 는 선형으로 감소하고 있을 수도 있으며, 즉 A(x)=Aav(x) 이며 여기서 Aav(x) 는 위에서 정의된 바와 같다. 대응하는 외접원 반경 또는 반경 R(x) 은 그러면 제곱근 함수와 같이 엄격하게 단조적으로 감소하고 있을 것이다.
다음 중 적어도 하나가 0 내지 L 에서의 모든 x 에 대해 유지될 수도 있다: 도함수 A'(x) 는 제로 이하일 수도 있고, 도함수 A'(x) 는 제로보다 작을 수도 있으며, 도함수 A'(x) 는 네거티브 상수 C1 보다 작을 수도 있고, 도함수 A'(x) 는 경계지어질 수도 있고, 도함수 A'(x) 는 네거티브 상수 C2 보다 클 수도 있고 C1>C2 이며, 도함수 A'(x) 는 선형으로 감소하고 있거나 네거티브 상수일 수도 있고, 도함수 R'(x) 는 제로 이하일 수도 있으며, 도함수 R'(x) 는 제로보다 작을 수도 있고, 도함수 R'(x) 는 네거티브 상수 C3 보다 작을 수도 있으며, 도함수 R'(x) 는 경계지어질 수도 있고, 도함수 R'(x) 는 네거티브 상수 C4 보다 클 수도 있고 C3>C4 이며, 도함수 R'(x) 는 네거티브 상수일 수도 있다. 또한, 다음 중 적어도 하나는 각각 2차 도함수들 A''(x) 또는 R''(x) 에 대해 0 내지 L 의 범위에서의 모든 x 에 대해 유지될 수도 있다: 그것은 제로 이하일 수도 있고, 그것은 제로보다 작을 수도 있으며, 그것은 제로 이상일 수도 있고, 그것은 제로보다 클 수도 있으며, 그것은 경계지어질 수도 있고, 그것은 대략 제로일 수도 있다.
아크가 회로 차단기의 회로 차단 동안 또는 스위칭 디바이스의 스위칭 동안 형성되는 경우, 그 아크는 특히 메인 노즐 내에서, 그리고 구체적으로 메인 노즐 스로트 내에서 재료를 제거할 수도 있다. 메인 노즐 스로트의 형상은 이로 인해 예측불가능하고 제어불가능한 방식으로 변화할 수도 있다. 아크의 소멸의 형성 및 시도는 스위칭 동작으로 지칭된다. 낮은 단락 전류 듀티에서, 스위칭 전류는 통상적으로 공칭 전류보다 크지만, 정격 단락 전류의 0.3 배보다 작으며, 예를 들어 최대 24 kA 이다. 메인 노즐 스로트의 표면은 일부 단락 스위칭 동작들 후에 거칠게 되며, 그것의 거칠기 (Rz) 는 예를 들어 40 ㎛ 보다 크거나 심지어 80 ㎛ 보다 크다.
통상의 기술자는 예를 들어 증가된 거칠기에 의해 가시적이게 되는, 회로 차단기 또는 스위칭 디바이스가 사용되었는지 여부, 즉 하나 이상의 스위칭 동작들이 발생했는지 여부를 알 수 있다. 실시형태들에 따르면, 메인 노즐은 제조된 상태 또는 생산된 상태 대로이며, 즉 제어된 제조 프로세스 후 및 사용되기 전의 상태에 있고, 즉 그것은 스위칭 동작을 경험하기 전이다. 메인 노즐의 내부 표면, 또는 적어도 메인 노즐 스로트 내의 표면은 30 ㎛ 보다 작은 또는 심지어 20 ㎛ 보다 작은, 예를 들어 1 ㎛ 내지 15 ㎛ 의 범위에 있는 표면 거칠기 (Rz) 를 가질 수도 있다. 처음부터 원하는 형상을 갖는 메인 노즐 스로트에 기인하여, 적어도 제 1 스위칭 동작, 그러나 아마도 또한 후속하는 스위칭 동작들은, 특히 낮은 단락 전류 듀티들에 대해, 제 1 아크 접점 유닛 (예를 들어 아크 접점 핀) 의 단부 앞의 아크 구역에서의 소호 가스의 더 높은 가스 밀도로부터 이익을 받을 것이다.
다른 실시형태들에 따르면, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스는 여기에 기술된 실시형태들 중 임의의 것에 따른 회로 차단기 또는 다른 스위칭 디바이스일 수도 있다. 그 방법은 소호 가스의 흐름을 위한 실질적으로 수렴하는 도관을 형성하기 위해 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스의 메인 노즐의 메인 노즐 스로트의 제어된 성형을 포함한다. 메인 노즐 스로트의 제어된 성형은 메인 노즐을 소결하는 단계, 특히 메인 노즐을 최종 (close-to-final) 상태에서 소결하는 단계, 및 메인 노즐 스로트를 머시닝하는 단계를 포함할 수도 있다.
다른 추가의 실시형태들에 따르면, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 동작시키는 방법이 제공된다. 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스는 여기에 기술된 실시형태들 중 임의의 것에 따른 회로 차단기 또는 다른 스위칭 디바이스일 수도 있다. 그 방법은 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 제공하는 단계, 및 낮은 단락 전류 스위칭 동작, 예를 들어 낮은 단락 전류 듀티에 대한 전류 차단을 수행하는 단계를 포함한다. 여기서, 낮은 단락 전류 스위칭 동작 또는 전류 차단의 스위칭 전류는 정격 단락 전류의 0.3 배보다 작을 수도 있다. 정격 단락 전류는 31.5 kA 와 80 kA 사이일 수도 있다. 낮은 단락 전류 동작은 T10, T30 또는 이상 듀티 중 하나일 수도 있다. 낮은 단락 전류 동작의 스위칭 전류는 T10 듀티에서와 같이 정격 단락 전류의 약 10% 일 수도 있거나, 이상 듀티에서와 같이 정격 단락 듀티의 약 25% 일 수도 있거나, T30 듀티에서와 같이 정격 단락 듀티의 약 30% 일 수도 있다. 예를 들어, 정격 단락 전류가 40 kA 이고 공칭 전류가 4 kA 이면, T10 듀티는 대략 공칭 전류인 4 kA 의 스위칭 전류를 갖지만, T30 듀티는 공칭 전류의 대략 3 배인 12 kA 의 스위칭 전류를 갖는다. 정격 단락 전류가 63 kA 이면, T30 듀티는 공칭 전류의 3 배보다 더 많은 18.9 kA 의 스위칭 전류를 다룰 필요가 있다. 스위칭 동작 또는 전류 차단은 적어도 메인 노즐에 대한 제 1 스위칭 동작일 수도 있다.
본 발명의 그리고 실시형태들에 따른 다른 양태는 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스를 위한 메인 노즐로 지향된다. 메인 노즐은 여기에 기술된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스들의 메인 노즐들의 특성들 중 임의의 것 또는 전부를 가질 수도 있다.
소호 가스는 SF6, N2, CO2, 공기 또는 그러한 가스들의 서로의 혼합물들과 같은, 소호 특성들을 갖는 절연 가스일 수도 있다. 통상적인 충전 압력들은 CO2 에 대해 약 10 바 및 SF6 에 대해 약 6 내지 7 바와 같이, 통상적으로 4 와 12 바 사이의 수 바 (bar) 이다. 다른 충전 가스들은 플루오로에테르, 옥시란, 플루오로아민, 플루오로케톤, 플루오로올레핀, 플루오로니트릴, 및 이들의 혼합물들 및/또는 분해 산물들로 이루어지는 그룹에서 선택되는 유기불소 화합물을 포함할 수도 있다. 여기서, 용어들 "플루오로에테르", "옥시란", "플루오로아민", 플루오로케톤", "플루오로올레핀" 및 "플루오로니트릴" 은 적어도 부분적으로 불소화된 화합물들을 지칭한다. 특히, 용어 "플루오로에테르" 는 플루오로폴리에테르들 (예를 들어, 갈덴) 및 플루오로모노에테르들 양자 모두 뿐아니라 하이드로플루오로에테르들 및 퍼플루오로에테르들 양자 모두를 포함하고, 용어 "옥시란" 은 하이드로플루오로옥시란들 및 퍼플루오로옥시란들 양자 모두를 포함하며, 용어 "플루오로아민" 은 하이드로플루오로아민들 및 퍼플루오로아민들 양자 모두를 포함하며, 용어 "플루오로케톤" 은 하이드로플루오로케톤들 및 퍼플루오로케톤들 양자 모두를 포함하며, 용어 "플루오로올레핀" 은 하이드로플루오로올레핀들 및 퍼플루오로올레핀들 양자 모두를 포함하며, 용어 "플루오로니트릴" 은 하이드로플루오로니트릴들 및 퍼플루오로니트릴들 양자 모두를 포함한다. 이로 인해 플루오로에테르, 옥시란, 플루오로아민, 플루오로케톤 및 플루오로니트릴은 완전히 불소화, 즉 과불소화되는 것이 바람직할 수 있다.

Claims (20)

  1. 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 로서,
    제 1 아크 구역 부재 (30) 및 제 2 아크 구역 부재 (20) 를 포함하는 아크 접점 배열체 (5) 로서, 상기 제 1 아크 구역 부재 (30) 및 상기 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 축 (B) 을 따라 서로에 대해 이동가능한, 상기 아크 접점 배열체 (5) 를 포함하고,
    상기 제 1 아크 구역 부재 (30) 는 제 1 아크 접점 유닛 (31) 을 포함하고; 및
    상기 제 2 아크 구역 부재 (20) 는,
    상기 제 1 아크 접점 유닛 (31) 을 수용하도록 구성된 제 2 아크 접점 유닛 (21),
    상기 제 2 아크 접점 유닛 (21) 의 적어도 부분을 둘러싸고, 축방향 연장을 갖고 적어도 상기 제 1 아크 접점 유닛 (31) 의 종단 (32) 의 통과를 허용하는 보조 노즐 스로트 (42) 를 갖는 보조 노즐 (40);
    상기 보조 노즐 (40) 의 적어도 부분을 둘러싸고, 상기 보조 노즐 스로트 (42) 의 옆으로 축방향 연장을 갖고 적어도 상기 제 1 아크 접점 유닛 (31) 의 종단 (32) 의 통과를 허용하는 메인 노즐 스로트 (52) 를 갖는 메인 노즐 (50)을 포함하고,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 단면적은 소호 가스의 흐름을 위한 수렴하는 흐름 도관을 형성하기 위해 상기 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 멀리 축방향으로 실질적으로 감소하고 있고,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 상기 수렴하는 흐름 도관은 15 mm 내지 80 mm 의 범위에서 축방향으로 길이 (L) 을 갖고,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 는 0°초과로부터 최대 15°까지의 범위에서 애퍼쳐 각도 (α) 를 가지고, 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 형상은 원뿔대형인 것을 특징으로 하는 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 더 큰 단면적은 가열 채널 (61) 에 인접한 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부 (521) 에 있고,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 더 좁은 단면적은 상기 가열 채널 (61) 로부터 멀리 떨어진, 특히 메인 노즐 디퓨저 부분 (55) 에 인접한 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에 있는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 실질적으로 수렴하는 흐름 도관은 상기 소호 가스의 다운스트림 방향으로 수렴하고 있는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 는 상기 보조 노즐 스로트 (42) 를 향한 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부 (521) 에서 최대 단면적 Amax 를 갖고, 상기 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에서 최소 단면적 Amin, 특히 Rmin = 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 최소 반경인 Amin=πRmin2 을 갖는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트는 상기 축 (B) 에 대해 n-폴드 이산 회전 대칭 또는 연속 회전 대칭을 갖는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 소호 가스의 정체 포인트의 축방향 위치는 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 상기 실질적으로 수렴하는 흐름 도관의 업스트림에 위치되는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 는, 상기 축 (B) 에 대해 연속적으로 회전 대칭이고, 상기 보조 노즐 스로트 (42) 를 향한 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 1 단부에서, Rmax = 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 최대 반경인 최대 단면적 Amax=πRmax2 를 갖고, 상기 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에서 Rmin = 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 최소 반경인 최소 단면적 Amin=πRmin2 을 갖는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    α=arctan((Rmax-Rmin)/L) 이고, Rmin = 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 최소 반경이고 Rmax = 최대 반경이며, 상기 반경들은 상기 축 (B) 으로부터 측정되고, L 은 상기 축 (B) 을 따른 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 길이이며, 바람직하게는 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의, 또는 상기 실질적으로 수렴하는 흐름 도관의 Rmax, Rmin 또는 평균 반경은 5 mm 로부터 20 mm 까지의 범위에 있는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 는 엄격하게 단조롭게 수렴하고 있는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 단면적은 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 길이를 따라 이차식으로 (quadratically) 감소하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 (50) 은 상기 메인 노즐 스로트 (52) 에 인접하여 그리고 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 다운스트림에 디퓨저 부분 (55) 을 포함하고, 상기 디퓨저 부분 (55) 은 상기 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 방향으로 발산하여, 소호 가스의 흐름을 위한 발산하는 도관을 형성하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  12. 제 1 항에 있어서,
    압력 볼륨을 포함하며,
    상기 제 2 아크 구역 부재 (20) 는 상기 메인 노즐 (50) 과 상기 보조 노즐 (40) 사이에 형성된 가열 채널 (61) 을 포함하고,
    상기 가열 채널 (61) 은 하나의 단부에서 상기 압력 볼륨과, 및 다른 단부에서 상기 보조 노즐 스로트 (42) 와 상기 메인 노즐 스로트 (52) 사이에 놓인 아크 구역 (Z) 의 부분과 유체 연통하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아크 접점 유닛 (31) 은 아크 접점 핀 (31) 이고, 상기 제 2 아크 접점 유닛 (21) 은 아크 접점 튤립 (21) 인, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 (50) 의 내부 표면은 적어도 상기 메인 노즐 스로트 (52) 에서 20 ㎛ 보다 작은 표면 거칠기 (Rz) 를 갖는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 는 가스 절연 고전압 자기-블라스트 회로 차단기, 바람직하게는 이중 모션 자기-블라스트 회로 차단기인, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  16. 제 13 항에 있어서,
    절연 노즐 스로트 (52) 의 수렴 프로파일은 상기 보조 노즐 스로트 (42) 로부터 먼 상기 절연 노즐 스로트 (52) 의 제 2 단부 (522) 에서 더 높은 흐름 속도를 갖도록 돕고,
    상기 더 높은 흐름 속도는 아크가 열적으로 소멸된 후에 상기 아크 접점 핀 (31) 의 단부에 인접한 영역에 상주하는 고온 가스의 더 효과적인 제거를 지원하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1).
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 제조하는 방법으로서,
    상기 소호 가스의 흐름을 위한 상기 실질적으로 수렴하는 흐름 도관을 형성하기 위해 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 의 상기 메인 노즐 (50) 의 상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제어된 성형을 포함하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 제조하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 메인 노즐 스로트 (52) 의 제어된 성형은 상기 메인 노즐 (50) 을 소결하는 단계 및 상기 메인 노즐 (50) 을 머시닝하는 단계를 포함하는, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 제조하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 동작시키는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 제공하는 단계; 및
    낮은 단락 전류 스위칭 동작을 수행하는 단계로서, 스위칭 전류는 정격 단락 전류의 0.3 배보다 작고, 상기 정격 단락 전류는 31.5 kA 와 80 kA 사이이고, 상기 낮은 단락 전류 스위칭 동작은 T10, T30 또는 이상 듀티 중 하나인, 가스 절연 고전압 스위칭 디바이스 (1) 를 동작시키는 방법.
  20. 삭제
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