KR20000069520A

KR20000069520A - 전력 스위칭용 스파크 갭을 포함한 스위칭 장치

Info

Publication number: KR20000069520A
Application number: KR1019997005416A
Authority: KR
Inventors: 베르그크비스트미카엘; 베른호프한스; 에크베르크마츠; 포겔베르크토마스; 이스베르크얀; 라이욘마츠; 밍리; 수네쏜안테르스; 빈트마르단; 루쓰베르크구나르
Original assignee: 에이비비 에이비
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2000-11-25
Also published as: WO1998029927A3; CN1246208A; NO992938D0; HUP0000399A2; NO992938L; EP1008214A2; PL334052A1; CN1246209A; WO1998029930A2; AU5504698A; WO1998029928A3; EP0951747A2; AU5503198A; SE9604631L; AP9901568A0; JP2001509303A; YU27899A; AU5504598A; WO1998029931A2; ZA9811567B

Abstract

전력 스위칭용 장치는 하나 이상의 전기 스위칭 장치 (5) 를 구비한다. 이러한 스위칭 장치는 전극 갭 (24) 을 구비한 하나 이상의 스위칭 소자 (10a) 를 구비한다. 이러한 갭은 실질적으로 전기 절연 상태 및 전기 전도 상태 사이에서 변환가능하다. 또한, 스위칭 소자는 상기 전극 갭 또는 적어도 그 일부를 전기 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 수단 (25) 을 구비한다. 전극 갭이 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 수단 (25) 은 방사 에너지 형태의 에너지를 상기 전극 갭에 공급하여, 이러한 방사 에너지를 이용하여 이 갭 또는 그 일부를 플라즈마 형태로 만들기에 적합하게 되어 있다.

Description

전력 스위칭용 스파크 갭을 포함한 스위칭 장치 {SWITCHING DEVICE INCLUDING SPARK GAP FOR SWITCHING ELECTRICAL POWER}

이러한 특성의 종래의 발전소에서는, 해당 대상체를 보호하기 위해 차단시에 갈바닉 절연을 제공하는 설계의 종래의 회로 차단기 (스위칭 장치) 에 의존한다. 이러한 차단기는 매우 높은 전류 및 전압들을 차단할 수 있도록 설계되야 하기 때문에, 매우 큰 관성을 갖는 큰 부피의 설계를 갖게 되고, 따라서 상당히 긴 차단 시간을 갖게 된다. 주로 의도된 과전류는, 예를 들어 보호 대상체의 전기 절연 시스템에서, 폴트의 결과로서 보호 대상체와 접속되어 발생하는 단락 전류이다. 이러한 폴트들은 외부 네트워크/장치의 폴트 전류 (단락 전류) 가 아크를 통해 흐르려고 하는 것을 의미한다. 결과는 매우 큰 절연파괴일 수 있다. 스웨덴 전력 네트워크에서는, 단락 전류/폴트 전류의 크기는 63 ㎄ 이다. 실제로, 단락 전류는 40 - 50 ㎄ 에 달할 수 있다.

상기 회로 차단기가 갖는 문제점은 긴 차단 시간이다. 차단이 완전히 이루어지는데 걸리는 차단 시간 (IEC 표준) 은 150 밀리초 (㎳) 이다. 문제는 실제 경우에 50-130 ㎳ 미만으로 이러한 차단 시간을 감소시키기가 어렵다는데 있다. 그 결과, 보호 대상체에 폴트가 있을 때 회로 차단기를 동작시켜 차단하는데 걸리는 전체 시간 동안, 이 보호 대상체를 통해 매우 높은 전류가 흐를 것이다. 이러한 시간 동안, 외부 전력 네트워크의 전체 폴트 전류는 보호 대상체에 상당한 부하를 수반하게 된다. 보호 대상체에 대해 손상 및 완전한 절연 파괴를 피하기 위해서, 종래 기술에 따르면, 회로 차단기의 차단 시간 동안 큰 손실없이 단락 전류/폴트 전류에 노출될 수 있는 대상체를 구성하여 왔다. 보호 대상체 내의 단락 전류 (폴트 전류) 는 이 대상체 자신의 기여분과 네트워크/장치로부터의 전류 추가분으로 구성될 수 있다. 폴트 전류에 대상체 자신의 기여분은 회로 차단기의 동작에 의해 영향을 받지 않고, 네트워크/장치로부터의 폴트 전류에 대한 기여분은 회로 차단기의 동작에 의존한다. 상당한 시간 주기 동안 높은 단락 전류/폴트 전류를 견딜 수 있도록 보호 대상체를 구성해야 하는 요구 조건은 더 값비싼 설계와 성능이 감소되는 형태의 실질적인 단점을 나타내게 된다.

이상에서 지적한 바와 같이, 본 발명은 그러나 보호 응용에만 제한되지는 않는다. 다른 스위칭 상황에서, 고전력이 수반된 경우에는, 예를 들어 반도체 부품의 뱅크가 목표한 스위칭 기능을 실행하기 위해서 다소 고가이며, 부피가 큰 스위칭 장치들을 이용해야만 하는 단점이 있다. 다른 재료들이 사용될 수도 있지만 바람직하게는 실리콘으로 제조되는 오늘날의 반도체 부품은 실용상의 이유 때문에 반도체 재료 내에 전기 절연 파괴가 일어나기 전에 부품이 견뎌야 하는 최대 전기장 세기에 대해 제한이 있다. 이것은 부품에 부과될 수 있는 대응하는 최대 전압의 제한과 직접 관계된다. 따라서 특히 고전압 접속에서, 스택 내에 포함된 부품은 부품용 안전 레벨보다 높은 전압이 인가되지 않도록 다수의 반도체 부품들이 직렬로 결합되도록 한다.

또한, 반도체 재료 자체가 예를 들어 대기에 비해 매우 높은 전기장 세기에 노출되는 것을 견딜 수 있어야 하는 점에서 반도체 부품의 설계가 복잡해질 수도 있다. 그러나, 고전압이 그 사이에 걸리는 반도체 재료의 외부에 이러한 전극들 사이에 반드시 존재해야만 하는 절연 재료에 대해서는 유효하지 않다. 이것은 또한 제한을 수반한다. 고전압 용도를 위한 반도체 부품 설계에서, 반도체 재료에서의 전기장의 세기 및 주변 절연 매체에서의 전기 저항 사이에 주의 깊은 밸런싱이 반드시 이루어져야만 한다.

전기 발전소의 수 개의 응용들에서, 그 속에 포함된 부품들은 고전압 뿐만 아니라 대전류에도 노출된다. 전류가 특정 저항을 갖는 부품을 통과할 때에, 해당하는 저항과 전류의 제곱에 비례하는 상당량의 열에너지 (소위 주울 열 에너지) 가 발생한다. 각 반도체 부품이 매우 작지만 무시할 수 있는 저항을 갖기 때문에, 부품 스택이 견딜 수 있는 최대 전류가 제한된다. 대전류들이 반도체 부품들에 의해 전달되는 경우에, 이 전류는 수 개의 동일한 병렬 전류 경로로 전달되게 된다. 따라서, 반도체 부품들의 개수가 배수적으로 증가한다.

고전압 및 대전류에서는, 다수의 반도체 부품들이 사용되어야 한다. 이것은, 예를 들어 HVDC 밸브가 동작하도록 전기 발전소를 만들기 위해서 모든 부품들이 동작을 해야하기 때문에, 더 낮은 신뢰도로 나타나게 된다.

다수의 반도체 부품들이 적층된다는 것은, 이것들이 시간적으로 매우 고정밀도로 제어되어야 하는 것을 의미한다. 잘못된 "타이밍" 은 예를 들면, 너무 큰 전압이 개개의 부품에 인가되어 전체 발전소의 동작으로부터 특정한 고장과 부가적인 제거를 발생시킨다. 다수의 병렬 전류 경로들이 제공되고 동기화되어 있다면, "타이밍" 문제가 물론 증가한다.

본 발명의 목적

본 발명의 제 1 목적은 오늘날 사용되는 스위칭 장치들보다 상당히 저렴하며, 신속한 방법으로 고전력을 스위칭하는데 더욱 적합한 스위칭 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 임의의 대상체를 더 잘 보호하고, 따라서 상기 대상체 상에 부하를 감소시키기 위한 방법 및 장치를 설계하는 방법을 고안하는 것으로서, 이는 대상체들 자체가 상당히 긴 시간 주기 동안 단락 전류/폴트 전류의 최대치를 견디도록 설계될 필요가 없게 되는 것을 의미한다.

본 발명의 요약

본 발명에 따르면, 스위칭 장치는 청구항 제 1 항의 특징부에 따라서 설계된다. 전극 갭 내에 이온화/플라즈마를 형성하기 위해서, 에너지를 방사 형태로 전극 갭에 직접 공급함으로써 스위칭 수단의 전극 갭이 전기 전도 상태가 되기 때문에, 이러한 상태는 본 발명에 따른 스위칭 장치의 급속한 동작을 위해 생성되었다. 전극 갭 내의 이온화/플라즈마는 매우 높은 전도성을 갖는 전기 전도 플라즈마 채널을 유발/발생시켜서, 특히 상대적으로 연장된 시간 주기 동안 부정적인 효과 없이 매우 큰 전류가 전달되며, 이것은 종래의 반도체 기술과 직접 대조를 이룬다.

본 발명에 따르면, 상기 제 2 목적은, 과전류 상태 검출 장치를 이용하여 과전류 감소를 위해 가동되는 전류 감소 장치 형태의 스위칭 장치를 대상체의 보호용 전력 발전소에 접속하여 달성된다. 바람직한 실시예에 따른 스위칭 장치는 과전류를 접지 또는 상대적으로 낮은 전위를 갖는 다른 유닛으로 절환시키기 위한 과전류 절환기를 형성할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 보호에 관한 한, 급속하게 동작하는 스위치 (이후 스위치 수단이라 부른다) 를 이용하는 원리에 기반을 두며, 이 스위치 수단은 과전류의 실제 차단에 영향을 미치지 않고도, 보호하는 대상체가 실질적으로 감소된 스트레인을 받게 되고, 따라서 더 적은 량의 손상을 받게 하는 정도까지 과전류를 감소시킬 수 있다. 따라서, 감소된 과전류/폴트 전류라는 것은 보호 대상체로의 전체 에너지 주입량이 본 발명에 따른 스위치 수단이 없을 때보다 실질적으로 더 적다는 것을 의미한다.

스위치 수단에 기반을 둔 본 발명에 따른 해법은 만족스러운 보호 기능을 얻기 위해 필요한 요구 사항들을 특히 유익하게 만족시키는 것을 의미한다. 따라서, 급속한 트리거링은 스위치 수단에 의해서 달성될 수 있어서, 매우 짧은 지연 시간을 갖는 폴트로 인한 과전류가 발생하면, 전극 갭이 전기 전도 상태를 채택할 때, 스위치 수단을 통하여 이러한 과전류가 절환될 것이다. 이러한 관계에서 "트리거링" 이라는 용어는 스위치 수단을 전기 전도 상태로 만드는 것을 의미한다. 스위치 수단의 장치에 의해서, 상기 스위치 수단은 매우 큰 전류를 전도시킬 수 있도록 용이하게 치수가 결정될 수 있다. 만족스러운 보호 기능을 얻기 위해서는, 스위치 수단을 통해 형성된 전류 전도 채널이 매우 작은 저항을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 폴트 전류로부터 보호될 대상체를 가능하면 가장 스트레인을 경감시킬 수 있도록 하는 것을 의미한다. 또한, 청구항 제 1 항에 따른 스위치 수단은 작은 노력으로 특히 높은 트리거링 안정성을 갖고 기능하도록 되어 있다. 따라서 발생하는 폴트 전류를 가능하면 절환시키기 위해서, 트리거링은 임계 상황에서 실패해서는 안된다. 다른 한편으로 본 발명에 따른 스위치 수단이 트리거되지 않은 상태에서는, 매우 높은 전기장 세기를 이룰 수 있도록 치수를 결정할 가능성을 발생시킬 수 있다. 자발적인 절연파괴에 대한 가능성은 따라서 최소가 된다. 그로 인해서 하나 이상의 트리거링용 레이저를 이용하는 것이 특히 바람직하다.

상기 전극 갭에 방사 에너지를 공급하는 다른 수단에 대한 바람직한 개선은 첨부된 청구항들에서 정의된다. 한 실시예에 따르면, 전극 갭이 전기 전도 상태를 나타내도록 하는 것에 대한 가능하면 높은 확실성을 얻기 위해서 전극 갭 내의 2 개 이상의 스폿들 또는 영역들 내에 방사 에너지가 공급된다. 하나의 대안적인 실시예에 따르면, 에너지 공급 수단은 전극들 사이의 목포한 전도 경로 내에 길게 연장된 영역을 따라서 방사 에너지를 공급하도록 설계될 수도 있다. 최적의 실시예에 따르면, 이렇게 길게 연장된 영역은 완전히 또는 실질적으로 완전히 전극들 사이의 갭에 브리지를 형성한다. 방사 에너지 공급을 위한 2 개 이상의 스폿들 또는 영역들을 갖는 경우에, 이러한 스폿들 또는 영역들이 시간 지연을 갖고 연속적으로 인가되는 방법으로, 이러한 스폿들 또는 영역들에 전극들 사이의 전기 전도 경로에 대한 전파에 대응하여 연속적으로 인가되는 것이 가능하다고 할지라도, 본 발명에 따르면, 전극 갭이 순간적으로 전도되게 하기 위해 통상적으로 이러한 스폿들 또는 영역들에 실질직으로 동시에 인가되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 트리거링 에너지를 공급하기 위한 수단은 관형을 갖는 부피 내에 방사 에너지를 공급하기에 적합하다. 이것은 특히, 전극들 중 하나가 개구를 구비하고, 이를 통해 방사 에너지가 공급될 때와, 관형 부피 내에 공급된 방사 에너지가, 개구가 제공된 전극에 상대적으로 근접하여 인가될 때에 특히 바람직하다.

대안적인 실시예에 따르면, 에너지 공급 수단은 전극들 사이에 길게 연장되며 실질적으로 평행한 다수의 영역들에 방사 에너지가 공급되도록 설계된다.

방사 에너지는 또한 전극들 사이에 배치된 1 개 이상의 전극들의 축에 대해 횡방향으로 전극 갭에 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 스위칭 장치는 반도체 기술에 의해서 통상적으로 얻을 수 있는 다양한 스위칭 기능을 구현하기 위한 장점들을 갖고 이용될 수 있다. 즉, 전기 부품들은 적합한 개수의 본 발명에 따른 스위칭 장치에 의해서 형성될 수 있으며, 그러한 전기 부품들은 그 자체로서 예를 들어 반도체 기술에서 공지된 것들과 유사한 특징을 갖는다.

본 발명의 더 이상의 장점들 및 특징들, 특히 본 발명에 따른 방법에 대해서는 하기의 설명 및 청구항들로부터 자명할 것이다.

개시된 도면들에 대해서, 본 발명의 실시예의 더욱 구체적인 설명이 하기에 주어진다.

본 발명은 청구항 제 1 항에 개시된 특징부에 따른 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 스위칭 목적의 임의의 접속에도 이용될 수 있다. 특히, 고전력이 스위치되는 응용에서 바람직하다. 실제로, 고전압 접속들 및 전력 전달 응용들이 포함되어 있다. 하나의 바람직하지만 제한적이지 않은 본 발명에 따른 장치의 응용은, 발전소에서 주로 전류가 관련되거나 전압이 관련된 폴트의 결과로부터 전기적 대상체를 보호하는 것이다. 또한, 본 발명은 이 대상체의 보호 방법을 구비한다.

전기적 대상체는 전력 네트워크에 포함되어 있기만 하면, 임의의 성질을 갖고 있어도, 폴트로 인한 과전류, 즉 실제의 단락 전류 등에 대한 보호를 필요로 한다. 예를 들면, 상기 대상체는 발전기, 변압기 또는 모터 등의 자기 회로 (magnetic circuit) 를 갖는 전기 장치에 의해 형성될 수도 있다. 또한 다른 대상체는 예를 들어 전력 라인들 및 케이블들, 스위치 기어 장치 등에 해당될 수 있다. 본 발명은 중간 및 고전압에 대하여 적용할 것이다. IEC 표준에 따르면, 중간 전압은 1 내지 72.5 kV 를 말하고, 고전압은 〉 72.5 kV 를 말한다. 따라서, 전달, 부전달 및 분포 레벨들이 포함된다.

도 1 은 본 발명에 따른 해법의 기본적인 태양을 도시한 블록도.

도 2a 내지 2d 는 본 발명에 따른 장치가 있는 경우와 없는 경우의 폴트 전류 추이 및 에너지 추이를 비교하여 도식적으로 도시한 도면.

도 3 은 본 발명에 따른 장치의 가능한 설계를 도시한 도면.

도 4 는 과전류 감소 장치의 가능한 설계를 도시한 상세한 도면.

도 5 내지 7 은 상이한 변형예로서 도 4 와 유사한 도면.

도 8 은 전극 갭에 에너지를 공급하기 위한 광학 시스템을 도시한 도면.

도 9 는 전극들 중 한 측면에 배치된 다른 광학 시스템을 도시한 도면.

도 10 은 전극들 중 하나 내의 개구가 있을 필요가 없이, 동축으로 전극들 중 하나 주위로 방사 에너지를 공급하도록 배치된 광학 시스템을 위한 또다른 대안.

도 11 은 광섬유들의 이용에 기초한 광학 시스템의 도면.

도 12 는 굴절 액시콘에 의해 점광원으로부터 발산되는 광의 굴절을 도시한 원리도.

도 13 은 도 16 과 유사하지만, 시준된 레이저빔 상의 액시콘의 작용을 도시한 도면.

도 14 는 전극들 사이에 길게 연장된 초점 영역 발생을 위한 굴절 액시콘의기능을 도시한 도면.

도 15 는 도 18 에서의 초점 영역을 따라서 전력 밀도를 도시한 도면.

도 16 은 회절 광학 부품의 용도를 도시하지만 도 18 과 유사한 도면.

도 17 은 반사 엑시콘에 의해 길게 연장된 영역 내에 초점을 맞추는 것을 도시한 도면.

도 18 은 상이한 기하학적 형태를 갖는 초점 영역을 발생시킬 수 있는 굴절 액시콘 (키노폼) 의 용도를 도시한 도면.

도 19 는 발전기, 변압기 및 그와 결합된 전력 네트워크를 구비한 발전소에서 응용되는 본 발명에 따른 장치를 도시한 블록도.

도 20 은 전극들에 공통인 축에 대해 횡방향으로 전극 갭에 에너지가 인가되는 방법을 도시한 도면으로서, 도 20a 는 단일 스폿 또는 영역 내에 방사 에너지가 공급되는 것을 도시하고, 도 20b 는 3 개의 스폿 또는 영역 내에 방사 에너지가 공급되는 것을 도시한 도면.

도 21a 및 21b 는 방사 에너지가 공급되어 수 개의 실질적으로 평행하며, 전기 전도성 채널이 전극들 사이에 형성되는 방법을 도시한 도면.

도 22 는 도 10 내의 하나와 다소 유사한 실시예를 도시한 측면도로서, 도 23 으로부터 명백해진다.

도 23 에는 다수의 키노폼들 (확산 광학 소자) 이 전극들 중 하나의 주변에 배치되어 있다.

도 24 는 본 발명에 따른 스위칭 장치가 쌍방향 트라이액 기능을 만족시키는 것을 도시한 도면.

도 25 는 단방향 트라이액 기능을 도시한 도면.

도 26 내지 28 에는 각각이 2 개의 스위칭 수단을 구비한 본 발명에 따른 스위칭 장치에 의해 쌍방향 트라이액 기능이 달성되는 방법에 대한 3 가지 상이한 예가 도시된다.

도 29a 내지 29d 는 본 발명에 따른 스위칭 장치가 하나 이상의 다이오드 기능들과 직렬 결합하여, 사이리스터와 같이 기능하도록 제공될 수 있는 것을 도시한 도면.

도 30 및 31 은 본 발명에 따른 스위칭 장치가 트라이액 기능 또는 사이리스터 기능을 갖고 이용될 수 있는 방법을 도시한 도면.

도 32 는 직렬 스위칭 기능을 갖는 본 발명에 따른 스위칭 장치를 도시한 도면.

보호 대상체 (1) 를 구비한 발전소는 도 1 에서 도시된다. 이 대상체는 예를 들어 발전기로 구성될 수 있다. 이 대상체는 라인 (2) 을 통하여 외부 분산 네트워크 (3) 에 접속된다. 상기 네트워크 대신, 3 으로 표시된 유닛은 전기 발전소에 포함된 다른 장치에 의해 형성될 수 있다. 네트워크/장치 (3) 로부터 대상체 (1) 를 향해 폴트 전류를 발생시키는 폴트가 대상체 (1) 내에 발생하여, 폴트 전류가 대상체를 통해 흐를 때, 관계된 전기 발전소는 네트워크/장치 (3) 로부터의 폴트 전류로부터 원래 보호하고자 하는 대상체 (1) 자체인 것으로 이해된다. 상기 폴트는 대상체 (1) 내에 형성되는 단락 전류에 있다. 단락 회로는 2 개 이상의 지점들 사이에 의도하지 않은 전도 경로이다. 단락 회로는 예를 들면 아크 (arc) 로 구성된다. 이러한 단락 회로 및 그 결과인 극단적인 전류 흐름은 상당한 손실과 심지어 대상체 (1) 의 완전한 절연파괴를 수반할 수도 있다. 적어도 일부 유형의 보호되는 전기적 대상체들 (1) 에 대해서, 대상 대상체에 매우 유해한 단락 전류/폴트 전류들은 보호 대상체로부터 네트워크/장치 (3) 를 향해 흐른다. 본 발명의 범위 내에서, 본 발명은 외부로부터 흘러나와서 대상체로 흐르는 폴트 전류들로부터 대상체를 보호하기 위한 목적 뿐만 아니라, 대상체 내의 내부 폴트 전류로부터 반대 방향으로 흐르는 전류로부터 대상체를 보호하기 위한 목적을 위해서 이용된다. 이것은 하기에 더 상세히 기술된다.

하기에서, 설명을 단순화시키기 위해서, 도면 부호 3 은 항상 외부 전력 네트워크로 구성된 것으로 언급된다. 그러나, 폴트가 있을 때, 다른 장치가 극단적인 전류를 대상체 (1) 를 통해 흐르게 한다면, 상기 네트워크 대신 상기 장치가 포함될 수도 있다.

종래의 회로 차단기 (4) 는 대상체 (1) 및 네트워크 (3) 사이의 라인 (2) 에 배치된다. 이러한 회로 차단기는 라인 (2) 으로 과전류가 흐르는지를 나타내는 상황을 감지하는 하나 이상의 자체 센서를 구비한다. 상기 상황은 폴트가 곧 일어날 것을 표시하는 전류/전압이나 다른 것일 수 있다. 예를 들면, 센서는 아크 센서 또는 단락음 등을 기록하는 센서일 수 있다. 과전류가 특정 레벨을 넘는 것을 센서가 표시할 때, 회로 차단기 (4) 는 대상체 (1) 및 네트워크 (3) 사이의 접속을 차단시키기 위해 동작된다. 그러나, 회로 차단기 (4) 는 전체 단락 전류/폴트 전류를 차단시킨다. 따라서, 회로 차단기는 높은 요구 사항들을 만족시키기 위해 설계되야 하며, 이것은 실제로 상대적으로 천천히 동작하게 되는 것을 의미한다. 대상체 (1) 내의 폴트, 예를 들어 단락 회로가 시간 t_fault에 발생할 때, 도 1 에서 2 로 표시된 라인에서 폴트 전류의 크기가 급속히 i₁으로 된다고 가정하여, 도 2a 에서 전류/시간 다이어그램이 도시된다. 이러한 폴트 전류 (i₁) 는 적어도 t_fault이후 150 ㎳ 이내인 t₁에서 회로 차단기 (4) 에 의해 차단된다. 도 2d 는 i²t 를 도시하며, 이것은 보호 대상체 (1) 내의 단락의 결과로서 상기 대상체 (1) 내에 생성된 에너지이다. 단락 전류의 결과로서 발생하는 대상체 내의 에너지 유입은 도 2d 에서의 외부 직사각형의 전체 면적으로 나타낸다.

도 2a-c 에서의 폴트 전류 및 도 2d 에서의 전류가 극치의 포락선을 나타내는 것이 이러한 관계에서 지적된다. 간단하게 하기 위해, 하나의 극성만이 다이어그램에 도시되었다.

회로 차단기 (4) 는 금속성 접속부의 절연에 의해 갈바닉 절연을 한 설계이다. 따라서, 회로 차단기 (4) 는 대개 아크 소멸 (arc extingushing) 을 위해 요구되는 보조 장치를 구비한다.

본 발명에 따르면, 대상체 (1) 및 스위칭 장치 (4) 사이의 라인 (2) 이 통상적으로 5 라고 표시된 장치에 접속된다. 이러한 장치 (5) 는 통상적으로 스위칭 장치로서 지정될 수 있다. 도시된 응용에서, 스위칭 장치는 장치를 향한 과전류를 감소시키는 장치의 기능을 한다. 이 장치 (5) 는 회로 차단기 (4) 의 차단 시간보다 실질적으로 작은 시간 주기 내에 과전류 상태 검출 장치의 도움으로 과전류 감소를 위해 동작가능하다. 따라서, 이러한 장치 (5) 는 갈바닉 절연을 할 필요가 없도록 설계된다. 따라서, 네트워크 (3) 로부터 보호 대상체 (1) 를 향해 흐르는 전류를 완전히 제거할 필요 없이 급속하게 전류를 감소시키는 상태가 생성된다. 도 2b 는 도 2a 에 따른 경우와 달리, 본 발명에 따른 과전류 감소 장치 (5) 가 시간 t₂에서 과전류를 레벨 i₂로 감소시키기 위해서, 시간 t_fault에서 단락 전류의 발생에 따라 동작되는 것을 도시한다. 따라서, 시간 간격 (t_fault- t₂) 은 과전류 감소 장치 (5) 의 감소 시간이다. 장치 (5) 의 작업은 폴트 전류를 차단시키는 것이 아니라 감소시키는 것이기 때문에, 장치는 매우 급속하게 반응하도록 되어 있으며, 하기에 더욱 상세히 설명될 것이다. 예를 들면, 레벨 i₁에서 레벨 i₂로의 전류 감소가, 용인할 수 없는 과전류 상태가 검출된 후 1 또는 수 ㎳ 이내에 이루어지도록 장치 (5) 가 고안될 수 있다. 전류 감소는 1 ㎳ 보다 짧은 시간, 바람직하게는 1 ㎲ 보다 급속하게 이루어지는 것을 목표로 한다.

도 1 에서 나타난 바와 같이, 장치는 회로 차단기 (4) 및 대상체 (1) 사이의 라인 (2) 에 배치된 통상 6 으로 표시된 차단기를 더 구비한다. 이러한 추가된 차단기 (6) 는 회로 차단기 (4) 보다 낮은 전압 및 전류를 차단시키도록 설계되며, 그 결과 회로 차단기보다 더 짧은 차단 시간을 갖고 동작하도록 설계된다. 추가 차단기 (6) 는, 네트워크 (3) 로부터 대상체 (1) 를 향한 과전류가 과전류 감소 장치 (5) 에 의해 감소될 때까지 차단시키지 않지만, 회로 차단기 (4) 보다는 실질적으로 먼저 차단시키도록, 배치된다. 전술한 것으로부터 과전류 감소 장치 (5) 에 의해 감소된 전류가 추가된 차단기를 통해 흘러서 그에 의해 차단되도록, 추가된 차단기 (6) 는 라인 (2) 과 결합되어야 한다.

도 2b 는 추가된 차단기 (6) 의 작용을 도시한다. 이 차단기는 특히 시간 t₃에서 차단되도록 설계되어 과전류 감소 장치 (5) 에 의해 감소된 전류 i₂의 지속 시간은 실질적으로 범위가 시간 주기 t₂-t₃로 정해지는 것을 의미한다. 결과는 네트워크 (3) 로부터의 폴트 전류에 의해 유발된 보호 대상체 (1) 로의 에너지 주입이 도 2d 에서 사선으로 표시된 면에 의해 나타내진다. 에너지 주입의 급격한 감소가 이루어진다. 이러한 접속에서, 특정 모델에 따르면, 전류의 제곱에 비례하여 에너지가 증가하기 때문에, 전류가 1/2 로 감소하면, 에너지 주입은 1/4 로 감소한다. 이것이 도 2c 에서 도시되며, 폴트 전류는 장치 (5) 를 통해 흐르게 된다.

장치 (5) 및 추가된 차단기 (6) 의 치수 결정은 장치 (5) 가 폴트 전류 및 전압을 감소시키고, 추가된 차단기 (6) 에 의해 실질적으로 더 낮은 레벨로 차단되게 실행되도록 이루어진다. 추가된 차단기 (6) 에 대한 실질적인 차단 시간은 1 ㎳ 이다. 그러나, 장치 (5) 가 차단기 (6) 를 통해 흐르는 전류를 적어도 상당 정도로 감소시킨 후에 차단기 (6) 가 차단시키도록 치수 결정이 이루어져야 한다.

장치를 구현하는 방법은 도 3 에서 더욱 상세히 설명된다. 본 발명은 직류 전류 (또한 HVDC = 고전압 직류 전류) 및 교류 전류의 접속에서 응용할 수 있다. 후자의 경우에, 2 로 표시된 라인은 다상 교류 전류 시스템 (multiphase alternating-current system) 의 위상들 중 하나를 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 검출된 폴트의 경우에 모든 위상들이 본 발명에 따른 보호 기능에 따르거나, 폴트 전류가 발생하는 위상 또는 위상들이 전류 감소에 따르도록 본 발명에 따른 장치가 구현된다.

도 3 에서, 통상적으로 5 로 표시되는 과전류 감소 장치는 과전류를 접지 (8) 또는 네트워크 (3) 보다 낮은 전위를 갖는 다른 유닛으로 절환시키는 과전류 다이버터 (diverter) 를 구비한다. 따라서, 과전류 다이버터는 라인 (2) 에 흐르는 전류의 상당 부분 이상을 절환시키기 위해, 급속히 접지 또는 그렇지 않으면 저전위 (8) 로 단락 회로를 형성하는 분류기를 형성하여, 상기 전류가 보호될 대상체 (1) 에 도달하지 못하게 한다. 예를 들면, 과전류 다이버터 (7) 가 성립될 수 있는 단락 회로와 동일한 크기의 단락 회로 등과 같은 심각한 폴트가 대상체 (1) 내에 있을 때, 그것은 통상적으로 폴트가 상기 다이버터 (7) 에 가까운 경우에 과전류 다이버터 (7) 의 결과로서 네트워크 (3) 로부터 대상체 (1) 로 흐르는 전류의 1/2 로 감소하는 것으로 나타난다. 도 2b 와 비교하여, 도 2b 에 도시되고, i₁의 약 1/2 인 전류 레벨 (i₂) 은 최악의 발생 경우라고 나타낸다. 정상적인 상태에서, 과전류 다이버터 (7) 가 보호될 대상체 (1) 내의 단락 폴트에 해당하는 것보다 더 좋은 전도성을 갖는 단락 회로를 형성할 수 있어야 하며, 따라서 폴트 전류의 주요 부분은 과전류 다이버터 (7) 를 통하여 접지 또는 그렇지 않으면 저전위로 절환시키는 것이 목적이다. 따라서 이로부터, 정상적인 폴트의 경우에, 폴트의 경우 대상체 (1) 내로의 에너지 주입이 실질적으로 더 짧은 시간 기간 t₂-t₃와 마찬가지로 더 낮은 전류 레벨 i₂의 결과로서 도 2d 에 도시된 것보다 실질적으로 더 작게 되는 것은 명백하다. 형성된 단락 회로가 보호될 대상체 (1) 내에 단락 폴트에 해당하는 것보다 다소 더 낮은 전도성을 가질 때도 특정한 보호를 얻을 수 있다는 것이 명백하다.

8 로 표시된 것은 접지 뿐만 아니라 네트워크/장치 (3) 보다 낮은 전위를 갖는 다른 유닛도 포함된다. 따라서, 유닛 (8) 은 전기 발전소 내에 포함된 다른 장치 또는 다른 전력 네트워크에 의해 형성될 수 있으며, 상기 장치는 네트워크/장치 (3) 용 유효 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨을 가지며, 보호될 대상체 (1) 가 접속된다.

과전류 다이버터 (7) 는, 접지 (8) 또는 상기 낮은 전위와, 대상체 (1) 및 네트워크 (3) 사이의 라인 (2) 과의 사이에 결합된 스위치 수단을 구비한다. 이러한 스위치 수단은 제어 부재 (9) 및 스위치 부재 (10) 를 구비한다. 이러한 스위치 부재는 정상적인 상태 즉, 접지에 대해 절연되어 있는 상태에서 개방되도록 조정된다. 그러나, 스위치 부재 (10) 는 접지로 절환시켜 전류 감소를 이루기 위해서 매우 단시간에 제어 부재 (9) 를 통해 전도 상태로 만들어질 수 있다.

도 3 에서 과전류 상태 검출 장치는 하나 이상, 바람직하게는 수 개의 센서들 (11-13) 을 구비하며, 이러한 센서들은 보호 기능 동작을 요구하는 과전류 상태를 검출하기에 적합하다. 또한 도 3 에서 도시된 바와 같이, 이러한 센서들은 대상체 (1) 또는 그 주위에 배치된 13 으로 표시된 센서를 포함할 수도 있다. 또한, 검출기 장치는 과전류 감소 장치 (5) 및 라인 (2) 접속의 상방향의 라인 (2) 에서 과전류 상태를 감지하기에 적합한 센서 (11) 를 구비한다. 또한, 하기에 설명되는 바와 같이, 보호될 대상체 (1) 를 향해 라인 (2) 에 흐르는 전류 즉, 과전류 감소 장치 (5) 에 의해 감소된 전류를 감지하도록 추가된 센서 (12) 가 설치된다. 또한, 센서 (13) 뿐만 아니라 센서 (12) 는 예를 들면, 대상체 (1) 내에 축적된 자성 에너지가 대상체 (1) 로부터 멀어지는 방향으로 전류를 발생시키는 경우에, 대상체 (1) 로부터 멀어지는 방향으로 라인 (2) 에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.

센서들 (11-13) 은 반드시 전류 및/또는 전압 감지 센서들에 의해서 구성될 필요는 없다. 본 발명의 범위 내에서, 센서들은 통상적으로 보호 기능의 발생을 요구하는 성질의 폴트가 발생하는 것을 나타내는 임의의 상태를 감지하는 성질이 있다.

그러한 폴트가 발생하는 경우에, 폴트 전류는 대상체 (1) 로부터 멀어지는 방향으로 흐르고, 장치는 그 제어 유닛 (14) 이 추가 차단기 (6) 를 제어하여 폐쇄하게 하고, 추가 차단기 (6) 가 개방된 경우에는, 과전류 감소 장치 (5) 가 동작되어, 단락 전류가 그에 의해 절환되도록 설계된다. 예를 들어, 대상체 (1) 가 변압기로 구성되었을 때, 내부의 단락 회로 발생에 대한 기능은, 단락 회로가 먼저 변압기로 전류를 극단적으로 흐르게 하고, 이것이 검출되어 전류 절환을 위해 장치 (5) 를 동작시키는 것일 수 있다. 변압기 (1) 를 향해 흐르는 전류가 요구되는 정도로 감소했을 때, 차단기 (6) 가 차단시키지만, 제어 유닛 (14) 에 의해 제어되며, 에너지의 이탈 시간보다 더 신속하지 못하게 발생하는 경우에, 자기적으로 변압기 (1) 에 축적되어 변압기 (1) 로부터 멀리 흐르며, 장치 (5) 를 통해 절환된다.

또한, 장치는 통상 14 로 표시된 제어 유닛을 구비한다. 이것은 센서들 (11-13) 에 접속되고, 과전류 감소 장치 (5) 에 접속되며, 추가 차단기 (6) 로 접속된다. 제어 유닛 (14) 이 대상체 (1) 를 향한 용납할 수 없는 폴트 전류의 발생을 나타내는 신호를 하나 이상의 센서들 (11-13) 을 통해 수신했을 때, 과전류 감소 장치 (5) 는 즉시 제어되어, 요구되는 전류 감소 기능이 급속하게 제공된다. 전류 또는 전압이 충분히 감소된 것을 센서 (12) 가 감지했을 때, 차단기 (6) 를 제어하여, 과전류가 소정 레벨보다 낮을 때, 차단을 위해 동작하도록 제어 유닛 (14) 이 배치된다. 그러한 설계는, 실제로 차단기 (6) 에 그러한 고전류를 차단하는 작업이 주어지지 않을 정도로 전류가 감소할 때까지 차단 동작을 하지 않도록 하며, 상기 목적에 적합하도록 치수가 결정된다. 그러나, 실시예는 대안적으로 과전류 감소 장치가 전류 감소를 실행하도록 제어된 후 특정한 소정 시간 후에, 차단기 (6) 가 차단되도록 할 수도 있다.

회로 차단기 (4) 는 과전류 상태를 검출하기 위한 자신의 검출기 장치를 구비하거나, 그렇지 않으면 회로 차단기는 동일 센서들 (11-13) 로부터의 정보에 기초하여 제어 유닛 (14) 을 통해 제어되며, 과전류 감소 장치의 동작을 제어한다.

추가 차단기 (6) 가 금속성 접속부를 갖는 스위치 (15) 를 구비하는 것이 도 3 에 도시된다. 이러한 스위치 (15) 는 동작 부재 (16) 에 의해서 차단 및 폐쇄 위치 사이에서 동작가능하고, 차례로 제어 유닛 (14) 에 의해 제어된다. 분로 라인 (17) 은 이 스위치 (15) 상에 병렬로 접속되어, 분로 라인 (17) 이 접속부로부터 전류 전도를 인계하게 함으로써, 스위치 (15) 의 접속부가 절연되었을 때 아크를 피하기 위해 고안된 하나 이상의 부품 (18) 을 구비한다. 이러한 부품들이 설계되어, 전류를 차단시키거나, 제한시킬 수 있다. 따라서, 부품 (18) 은 통상적으로는 분로 라인 (17) 내의 전도 경로를 차단시켜 두고, 스위치 (15) 가 개방되었을 때, 분로 라인을 폐쇄시켜서 전류가 분로되어 스위치 (15) 를 통과하고, 따라서 아크가 발생하지 않거나, 효율적으로 소멸시키는 것이 목적이다. 부품 (18) 은 제어를 위한 제어 유닛 (14) 에 접속된 하나 이상의 관련된 제어 부재 (19) 를 구비한다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 부품 (18) 은 제어가능한 반도체 부품, 예컨대 필수적인 과전압 피뢰기 (30) 를 갖는 GTO 사이리스터이다.

보호될 대상체 (1) 로의 분로 라인 (17) 에 의해 생성된 전류 전도 경로에서 갈바닉 절연을 위한 단로기 (20) 가 상기 하나 이상의 부품 (18) 과 직렬로 배치된다. 이러한 단로기 (20) 는 동작 부재 (21) 를 경유하여 제어 유닛 (14) 에 의해 제어된다. 도 3 에서 도시된 바와 같이, 단로기 (20) 는 분로 라인 (17) 에 배치된다. 이것은 물론 반드시 그런 것은 아니다. 단로기 (20) 가 실제 갈바닉 절연을 보장한다면, 상기 하나 이상의 부품 (18) 과 직렬로 결합함으로써 상기 직렬 결합에 의해 형성된 전도 경로 내의 라인 (2) 에 배치될 수도 있으며, 따라서 부품 (18) 을 통해 전류가 흐를 가능성은 없다.

지금까지 설명한 바와 같은 장치는 하기의 방법으로 동작한다. 폴트가 없는 경우에, 회로 차단기 (4) 가 추가 차단기 (6) 의 스위치 (15) 와 같이 폐쇄된다. 분로 라인 (17) 내의 부품 (18) 은 비전도 상태에 있다. 단로기 (20) 는 폐쇄된다. 최종적으로, 과전류 감소 장치 (5) 의 스위치 수단 (10) 이 개방, 즉 비전도 상태가 된다. 이러한 상황에서, 스위치 수단 (10) 은 물론 적합한 전기적 세기를 갖고, 따라서 부주의로 전도 상태가 되지 않게 된다. 따라서, 대기 환경 (번개) 또는 결합 수단의 결과로서 라인 (2) 에 발생하는 과전압 상태는 비전도 상태에서의 스위치 수단 (10) 의 전압 세기를 초과하지 않는다. 이러한 목적을 위해서는 하나 이상의 과전압 피뢰기 (22) 를 스위치 수단 (10) 과 병렬로 결합하는 것이 적합하다. 이 예에서, 상기 과전압 피뢰기들은 스위치 수단 (10) 의 양측에 도시된다. 따라서 과전압 피뢰기는, 스위치 수단 (10) 내에 부주의한 절연파괴에 대한 위험을 포함할 수도 있는 상기 과전압을 절환시키는 목적을 갖고 있다.

도 3 에서 도시된 바와 같이, 과전압 다이버터 (22) 는 스위치 수단 (10) 이 라인에 접속된 지점의 양측에서 라인 (2) 에 접속되어 있다. 하나 이상의 과전압 다이버터가 스위치 수단 (10) 에 대해서 업스트림과 가능하면 인접하게 접속하는 것이 대체로 바람직하다. 과전류 다이버터 (22) 는, 도 3 에 점선 (26) 으로 도시된 것 대신에 스위치 수단 (10) 및 라인 (2) 사이에 전기 접속을 형성하는 분기 라인에 접속될 수 있다. 그러한 구성은 스위치 수단 (10) 및 하나 이상의 과전압 다이버터 (22) 를 하나의 단일 전기 장치로 집적화할 수 있고, 이러한 단일 전기 장치는 하나의 단일 접속을 통해 라인 (2) 과 전기 전도 접속을 할 수 있다. 과전류 상태가 센서들 (11-13) 중 일부 또는 회로 차단기 (4) 의 자체 센서 (이것은 차단기 (4) 의 자체 센서로부터의 정보가 본 발명에 따른 과전류 감소 장치 (5) 의 제어를 위한 기초로서 사용될 수 있도록 구현된다) 에 의해 감지되고, 이러한 과전류 상태가, 대상체 (1) 의 심각한 폴트가 곧 일어날 것으로 예상될 정도의 크기일 때, 회로 차단기 (4) 가 관계되어 있다면, 차단 동작이 발생된다. 또한, 제어 유닛 (14) 은 과전류 감소 장치 (5) 를 제어하여 상기 감소를 달성하고, 더욱 구체적으로는 제어 부재 (9), 스위치 수단 (10) 을 통해 전기적으로 전도 상태를 초래한다. 전술한 바와 같이, 이것은 급속하게, 즉 회로 차단기 (4) 에 의해 차단시키는데 필요한 시간의 일부가 경과하면 발생하기 때문에, 보호될 대상체 (1) 가 적어도 전류의 중요 부분 및 실제적인 주요 부분을 접지 또는 더 낮은 전위로 절환시키는 스위치 수단 (10) 의 결과로서 네트워크 (3) 로부터의 전체 단락 전류로부터 즉시 해방된다. 추가 차단기 (6) 를 통해 대상체 (1) 를 향해 흐르는 전류가 원하는 정도로 감소하고, 이것이 스위치 수단 (10) 의 동작 및 차단기 (6) 의 동작 사이의 시간차에 의해, 또는 예를 들어 센서 (12) 에 의해 라인 (2) 에 흐르는 전류의 감지에 의해 순시간 베이시스 (pure time basis) 상에서 형성될 수 있을 때, 스위치 (15) 의 동작 부재 (16) 는 제어 유닛 (14) 을 통해 스위치 (15) 가 개방되도록 제어된다. 아크를 소멸시키거나 피하기 위해서, 부품 (18), 예를 들면 GTO 사이리스터 또는 가스 스위치들이 제어 부재 (19) 를 통해 제어되어 분로 라인 (17) 의 전도성을 형성한다. 스위치 (15) 가 개방되어 갈바닉 절연이 제공되었을 때, 부품 (18) 은 다시 제어되어 분로 라인 (17) 을 비전도 상태로 만든다. 이러한 방법으로 네트워크 (3) 으로부터 대상체 (1) 를 향하는 전류는 효과적으로 컷오프된다. 분로 라인 (17) 을 비전도 상태로 만든 후에, 또한 단로기 (20) 에 의해서 제어 유닛 (14) 으로부터 그의 동작 부재 (21) 를 제어함으로써 갈바닉 절연이 이루어질 수 있다. 모든 이러한 일들이 발생했을 때, 회로 차단기 (4) 에 의한 차단이 마지막 순간에 발생한다. 제 1 실시예에 따른 추가 차단기 (6) 뿐만 아니라 과전류 감소 장치 (5) 는 반복적으로 동작될 수 있는 것을 주지해야 한다. 따라서, 센서 (11-13) 에 의해 회로 차단기 (4) 가 컷오프하게 될 때, 스위치 수단 (10) 이 비전도 상태로 리셋되고, 스위치 (15) 및 단로기 (20) 는 다시 폐쇄되고, 다음에 회로 차단기 (4) 가 폐쇄될 때 보호 장치는 완전히 동작가능하다. 그러나, 다른 실시예에 따르면, 과전류 감소 장치 (5) 는 다시 동작하기 위해 하나 이상의 부분들을 교환하는 것을 요구할 수도 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 부품 또는 부품 (18) 은 과전류 감소 장치 (5) 가 폐쇄 상태가 되며, 이는 스위치 (15) 가 그 후에 개방되지 않는지에 관계없다. 전술한 바와 같이, 부+품 (18) 의 제어는 제어 유닛 (14) 을 통하여 장치 (5) 의 종속적 폐쇄에 따른 제어 기능에 의해 교번적으로 발생한다.

도 4 는 과전류 감소 장치 (5) 의 제 1 실시예를 10a 라고 표시된 스위치 수단을 이용하여 도시한다. 스위치 수단 (10a) 은 이러한 전극들 사이에 있는 전극들 (23) 및 갭 (24) 을 갖는다. 전술한 스위치 수단은 전극 갭 (24) 을 트리거하여 전극들 사이에 전기적 전도 경로를 형성하기 위한 수단 (25a) 을 구비한다. 제어 부재 (9a) 는 제어 유닛 (14a) 을 통하여 부재 (25a) 의 동작을 제어하도록 배치된다. 예에서, 수단 (25a) 은 전극 갭 또는 그 일부가 플라즈마를 형성하도록 함으로써 전극 갭이 전기 전도성을 갖게 하도록 유발 또는 적어도 개시시킨다. 따라서, 수단 (25a) 은 전극 갭에 트리거링 에너지를 급속히 공급하는 것을 구현시킬 수 있는 것이 필수적이다. 따라서, 트리거링 에너지가 방사 에너지 형태로 공급되고, 차례로 전극 갭 내의 이온화/플라즈마 형성을 발생시킬 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 장치 (25a) 는 하나 이상의 레이저를구비하며, 상기 레이저는 전극 갭으로 에너지를 공급하여 적어도 전극 갭의 일부에 이온화/플라즈마 형성시킨다.

본 발명에 따르면, 전체 전극 갭이 이온화되어 각각이 플라즈마 형태가 되어, 거의 순간적으로 또한 전체 갭 (24) 이 즉시 전기 전도성을 나타내도록, 하나 또는 수 개의 레이저 또는 다른 수단 (25a) 을 이용하여 에너지를 전극 갭 (24) 으로 공급하는 것이 바람직하다. 통상 제한적으로 사용가능한 레이저 에너지/효과의 사용을 아끼고, 최적화시키기 위해서, 본 발명의 응용에서 장치 (25a) 는 갭 (24) 의 하나 이상의 부분 내에서 이온화/플라즈마 형성을 할 수 있도록 배치된다. 도 4 에 따른 실시예에서, 장치 (25a) 는 단일 스폿 또는 영역 (28) 에 방사 에너지를 공급하는 것이 도시되어 있다. 하기에 설명하는 바와 같이, 본 발명은 또한 전극들 중 하나 또는 양자 모두, 또는 전극들 사이에 실질적으로 연속적으로 또는 연속적으로 연장된 하나 이상의 라드형 영역을 포함하여 전극 갭 내의 다수의 스폿들 또는 영역들 내에 방사 에너지를 인가하는 것을 구비한다.

도 4 에서 도식적으로 나타낸 바와 같이, 즉, 전극들 중 하나를 라인 (2) 에 접속하고, 다른 전극을 접지 (8) 에 접속하여, 라인 (2) 및 접지 (8) (또는 낮은 전위를 갖는 다른 유닛) 사이에 스위치 수단 (10a) 을 접속함으로써, 전극들 사이에는 전기장을 발생시키는 전압차가 있을 것이다. 갭 (24) 내의 전기장은, 수단 (25a) 이 트리거링, 즉 전극 갭의 하나 이상의 부분 내에 이온화/플라즈마 형성했을 때, 전극들 사이의 절연파괴를 유발시키거나, 전달하기 위해 이용하고자 한다. 이러한 방법으로 저저항 전기 전도성 채널, 즉 전극들 (23) 사이의 아크를 발생시키기 위해서, 이온화/플라즈마 형성하는 것은 전극들 사이의 갭에 분로를 형성하는 전기장에 의해 구동될 것이다. 본 발명은 상기 전기장의 발생에 관한 이용에만 제한되지는 않는다. 따라서 본 발명에서 수단 (25a) 은 상기 전기장 없이도 전극들 사이에 전기 전도를 형성할 수 있어야 한다.

전류 절환을 위해, 스위치 수단 (10a) 을 급속히 폐쇄시키는 것에 대한 요구 때문에, 제한된 부분, 예를 들면 갭의 일부와 같은 스폿만 이온화되어, 갭 (24) 내의 전기장의 세기가 안전한 폐쇄를 하기에 충분히 크게 되도록, 스위치 수단의 치수가 결정된다. 그러나, 한편으로 스위치 수단 (10a) 은 그의 고립된 정지 위치에서 전극들 사이의 절연파괴에 대해서 매우 높은 전기장 세기를 가져야 바람직하다. 따라서, 갭 (24) 내의 전기장의 세기는 비례하여 낮다. 다른 한편 이것은 속도를 감소시키며, 이를 이용하여 스위치 수단은 전극들 사이의 전류 절환 아크를 형성시키게 한다. 스위치 수단의 안전한 트리깅에 대한 요구와 다른 한편 바람직하지 않은 트리깅에 대한 높은 전기장 세기 사이의 유익한 관계를 얻기 위해서, 본 발명에 따라 완전한 동작 환경을 고려하여 갭 (24) 내의 전기장이, 갭이 전기적으로 절연되고, 자발성 절연파괴가 통상적으로 발생했을 때의 전기장 세기의 30 % 이하의 전기장 세기를 갖도록 스위치 수단이 형성되는 것이 바람직하다. 이것은 비례적으로 자발적인 절연파괴의 낮은 확률을 갖게 한다.

전극 갭 (24) 내의 절연 상태에서, 전기장 세기는 자발적 절연파괴가 통상적으로 발생했을 때의 전기장 세기의 20 % 이하가 적합하며, 바람직하게는 10 % 이하가 적합하다. 다른 한편, 전극 갭 (24) 내에 전기장을 만들어서 상대적으로 급속하게 전극 갭의 일부 내에 이온화/플라즈마 형성의 발생시에 아크 형성을 촉진시키며, 전기장의 세기는 자발적 절연파괴가 통상적으로 발생할 때의 전기장 세기의 0.1 % 이상, 적합하게는 1 % 이상 (E₄), 바람직하게는 5 % 이상인 것이 바람직하다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 전극 갭 (24) 은 적합한 케이스 (32) 로 싸여 있다. 갭 (24) 내에는 가스 또는 유체 등의 형태의 적합한 매체가 존재하거나, 진공으로 되어 있을 수 있다. 갭 내의 가스/유체 매체의 경우에, 트리깅에 의해 플라즈마로 되거나, 이온화될 수 있도록 한다. 상기 경우에, 전극들 (23) 사이의 어떤 지점에서 갭 (24) 내에서의 이온화/플라즈마 형성을 발생시키는데 적합하게 된다. 그러나, 도 4 에서는 진공 또는 적합한 매체가 갭 (24) 내에 있는 가능한 경우가 도시되어 있다. 그런 후, 도 4 에 도시된 바와 같이 레이저는, 방출된 방사 에너지를 적합한 광학 시스템 (27) 을 통해, 하나 이상의 영역 (28) 또는 전극들 중 하나의 주변에 집중시킴으로써 폐쇄를 발생시키게 하는 것이 바람직하다. 이것은 전극이, 전극들 사이에 아크가 형성되는 방법으로 이온화된 환경/플라즈마를 전극 갭 (24) 내에 형성하기 위한 전자 및 이온 방출기로서 동작할 것이라는 것을 의미한다. 도 4 에 따른 전극들 (23) 중 하나는 개구 (29) 를 갖고, 이를 통해 레이저 (25a) 가 광학 시스템 (27) 을 이용하여 방사 에너지를 영역 (28) 으로 방출하도록 설치된다.

도 5 는 스위치 수단의 변형 (10b) 을 도시하며, 여기서는 대신에 시스템 레이저 25b / 광학 시스템 (27b) 이 방사 에너지를 이러한 전극들 사이의 매체 내에, 전극들 사이에 위치한 트리거링 영역 (28b) 에 집중시킨다. 따라서 플라즈마는 트리거링할 때, 이러한 영역으로부터 형성되어 전극들의 브리지를 형성하도록 한다.

도 6 의 스위치 수단의 변형 (10c) 은, 보조 전극들 (31) 이 전극들 (23c) 사이에 배치된 것이 도 4 에서 도시된 스위치 수단과 다르며, 이러한 경우에, 상기 보조 전극들은 레이저 (25c) 에 의해 방출된 빔이 보조 전극들 (31) 을 통과하도록 적합하게 환형이다. 이러한 전극들은 전극들 (23c) 사이에 전기장을 평활화 (smoothing) 하기 위해 동작하고, 서로로부터 절연되도록, 즉 서로 플로우팅 전위 (floating potential) 상에 있도록 고안된다. 보조 전극들은 자발적인 절연파괴에 대해 개선된 안정성을 나타내고, 스위치 수단의 치수가 감소하고, 외부 전기장의 영향에 대한 민감성도 감소된다. 보조 전극들은 레이저 빔/레이저 펄스에도 노출되어, 트리거링 능력을 더욱 촉진시킨다.

도 7 은 도 6 을 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 여기서도 전극들 (31d) 이 추가되는 변화를 갖는 스위치 수단의 변형 (10d) 을 도시한다.

스위치 수단이 절연된 상태에서 전극들 (23) 사이의 전기장 세기 상태를 고려하여 상술된 관계를 이루기 위해서, 스위치 수단의 특성은 고안된 용도, 즉 전극들 (23) 상에 발생하는 전압 상태에 적합하게 되어야 한다. 전극 형성 과정에 관련하여 사용할 수 있는 구성 단계에서, 전극 사이의 거리, 전극 사이의 매체와 가능한 추가 전기장의 존재는 전극들 사이의 부품에 영향을 미친다.

회절 광학 소자가 본 발명에서 이용될 수도 있다. 회절 광학 소자는 광의 전파를 결정하는 광의 파면이 굴절보다 회절에 의해 결정되는 소자이다. 특정 유형의 회절 광학 소자는 광의 위상을 변조시키고, 진폭은 변조시키지 않기 때문에, 이러한 유형의 부품은 매우 높은 투과율을 갖는다. 순수 위상 변조는 광학 부품의 표면에 릴리프 구조 (relief structure) 를 제공함으로써 이루어지며, 여기서 릴리프 높이는 부품의 최적 기능을 얻기 위해서 파장 정도의 길이이다. 위상 변조를 이루는 대안적인 방법은 광학 소자의 굴절율을 변조시키는 것이며, 이러한 변조는 다소 어렵다. 회절 광학 소자는 홀로그래픽 기법을 이용하여 제조될 수 있으며, 이는 임의의 기능이 구현되는 것을 허용하지 않는다. 더욱 유동적인 제조 모드는, 광학적 기능이 컴퓨터 내에서 계산될 수 있는 컴퓨터 생성 모드이다. 이 때, 완전히 임의의 광학적 기능이 대체로 구현될 수도 있으며, 상기 기능은 종종 종래의 굴절 및 반사 광학 장치에 의해서 얻을 수 없다. 그런 후 결과면은 예를 들어 전자빔 리소그래피 또는 광학적 리소그래피에 의해 릴리프로 전사되며, 양자 모두 반도체 분야에서 공지되어 있다. 그러한 데이터 (dator) 가 발생되면, 위상 제어 표면 릴리프 부품들을 종종 키노폼라고 부른다. 공지된 예는 프레넬 렌즈 (Fresnell lens) 이다. 모든 회절 광학 소자로서, 이러한 렌즈는 2 개의 릴리프 레벨 또는 실질적으로 개선된 회절 효율 (광학 소자의 기능적 효율) 을 제공하는 다중레벨 릴리프만으로 구성된 바이너리 구조로서 설계될 수도 있다.

도 8 에서는 렌즈 시스템 (35) 을 구비한 광학 시스템 (27e) 에 기초를 둔 실시예가 도시되며, 도달하는 레이저 펄스들이 이 렌즈 시스템을 통하여 회절 광학 위상 소자 (diffractive optical phase element) (36), 키노폼으로 전달된다. 이러한 소자는 다수의 초점들 또는 스폿들 (28e) 이 단일 입사 레이저 펄스로부터 시작하여 발생되도록 설계된다. 이러한 초점 스폿들 (28e) 은 전극들 (23e) 사이의 대칭축을 따라서 분포된다. 초점 스폿들 (28e) 이 전극들 (23e) 사이의 라인을 따라 분포된 결과로서, 전극들 사이에 더욱 안정적으로 전기 전도 경로가 형성되며, 트리거링에 대한 가능성이 높을 수록, 가능한 한 짧은 시간 지연으로 가능한 한 낮은 전압/전기장 세기에서 가능해진다는 것을 의미한다.

키노폼 (36) 은 낮게 흡수하며, 따라서 극히 높은 광학 에너지 밀도를 견뎌낸다. 따라서 키노폼은 유전재료로 형성되어, 전극 사이의 전기장을 심각한 정도로 교란시키지 않을 것이다.

도 8 에 따른 실시예에서, 방사 에너지는 전술한 것과 마찬가지로 전극들 중 하나 내의 개구 (29e) 를 통해 공급된다. 도 9 에는 통상적으로 도 8 에 따른 실시예와 비교하여 회절 광학 소자 (키노폼 35f) 가 전극들 (23f) 중 하나의 반경 방향으로 외부에 배치되는 점이 다른 변형이 도시된다. 광학 소자 (36f) 는 전술한 것과 마찬가지로 레이저광을 편향시켜, 전극들 사이의 의도한 전기 전도 경로를 따라 분포되는 다수의 스폿들 또는 지점들에 집중시키도록 설계된다. 스폿들 (28f) 을 형성하는 빔의 다발은 그 각각의 편향각을 갖는다. 따라서, 빔의 분기들은 각각의 스폿들 (28f) 까지 상이한 거리를 이동한다. 도 9 에 따라서 키노폼을 전극들 중 하나의 옆에 배치하는 것의 장점은 키노폼이 가장 강한 전기장의 옆으로 배치되어, 전기장의 교란이 최소화되는 것이다. 레이저광을 위한 개구가 필요하지 않기 때문에, 전극 설계도 단순화된다.

도 10 에는 레이저 (25g) 가 광학 시스템 (27g) 을 통해, 전극들 (23g) 내에 임의의 개구를 필요로 하지 않고, 전극 갭의 길이를 따라 분포된 다수의 초점 스폿들 또는 지점들 (28g) 내에 레이저 방사를 대칭적으로 공급하는 실시예가 도시된다. 광학 시스템 (27g) 은 프리즘 또는 빔 분할기 (37) 를 구비하며, 이 빔 분할기 (37) 는 인접한 전극 (23g) 주변으로 레이저 빔을 편향시키도록 배치된다. 이러한 전극 (23g) 주위에는 하나 또는 바람직하게는 그 이상의 키노폼들 (회절 광학 소자) (36g) 이 제공되며, 이러한 키노폼들은 레이저 빔들을 소정의 초점 스폿 (28g) 에 집중시켜서 (렌즈를 더 사용하는 것도 가능하다), 이러한 스폿들 내에 플라즈마를 형성시킨다.

도 11 에는 레이저 빔이 전극들 (23h) 사이의 다양한 위치에 배치된 초점 스폿들 (28h) 의 형성을 위해 광섬유 (38) 를 구비한 광학 시스템 (27h) 에 의해 레이저 빔이 전달되는 변형이 도시된다. 광섬유 (38) 는 렌즈들 (39) 을 통해 광을 방출하기 위해 배치될 수도 있다.

도 12 에는 소위 액시콘이라 부르는 코니컬 렌즈 (conical lens) 의 기본 원리가 도시된다. 상기 액시콘의 정의는, 회전에 대한 대칭성을 갖고 굴절, 반사, 소자의 대칭축 상의 점광원으로부터의 굴절 또는 이들의 결합에 의해 광이 이러한 대칭축을 종래의 구면 렌즈의 경우와 같이 한 지점이 아니라, 이 축의 실질적인 연장선을 따라서 지점들 또는 스폿들의 연속적인 라인을 따라서 교차하도록 광을 편향시킬 수 있는 모든 광학 소자를 말한다.

도 13 에 도시된 바와 같이, 시준된 (발산하지 않는) 광 빔이 액시콘에 의해 동일한 각도로 편향된다. 회전에 관한 한 대칭의 결과로서, 각 빔이 어떤 지점에서 대칭축을 교차할 것이다.

도 14 로부터, 액시콘 (36i) 에 의해 전극들 (23i) 사이에 배치된 길게 연장된 초점 영역 (28i) 내에 광이 집중된다. 상기 길게 연장된 초점 영역은 본 발명의 실시예에 따라서 전극들 사이에서 연속적으로 연장되지만, 그 사이의 갭의 일부만을 채택할 수도 있다. 도 15 에는 전극 사이의 거리에 대한 광의 세기의 관계가 도시된다. 실선은 원래 가우스 세기 분포 (Gaussic intensity distribution) 를 갖는 광 빔을 이용한 조도의 세기 분포를 나타내고, 점선은 일정한 세기 분포를 갖는 광 빔을 이용한 조도의 세기 분포를 도시한다. 그 밖의 것에 대하여, 본 발명은 완전히 선형으로 코니컬인 액시콘에 제한되지 않는다. 따라서, 액시콘의 맨틀 표면이 선형 콘으로부터 벗어나면, 초점 세기 분포에 영향을 미치게 되며, 이러한 액시콘은 본 발명의 범위 내에 포함된다.

도 16 에는 초점 영역 (28k) 에 관해서는 회절 광학 소자 (36k), 키노폼에 의해 도 14 와 동일한 결과를 얻게 되는 것이 도시된다.

도 17 에는 액시콘에 의해, 더 구체적으로는 반사 액시콘에 의해 전극들 (23m) 사이의 갭 내에 길게 연장된 초점 영역 (28m) 을 얻게 된다.

도 18 에는 특별히 설계된 회절 액시콘 (36n), 키노폼이 각각 상이한 형태를 갖는 초점 영역들 (28n 및 28n') 을 제공하기 위해 설계된 실시예가 도시된다. 이 예에서, 초점 영역 (28n) 은 길게 연장되어 있으며, 액시콘 (36n) 및 전극의 대칭축 상에 배치된다. 이와는 달리, 초점 영역 (28n') 은 도 18 에서 좌측에 표시된 바와 같이, 관형 단면도를 갖는다. 관형 초점 영역 (28n') 의 주변이 개구 (29n) 가 제공되는 전극에 상대적으로 인접하게 배치될 것이기 때문에, 이러한 관형은 개구 (29n) 가 제공되는 전극 (23n) 에 가장 인접하는 장점이 있다. 도 18 에서, 초점 영역들 (28n 및 28n') 양자 모두는 대칭축을 따라서 실질적으로 일정한 세기를 갖지만, 이 세기 분포 축에 수직으로는, 초점 영역 (28n) 이 관계되는 한, 실질적으로 가우스 형태 또는 베셀 함수에 따른 형태를 갖는다.

예를 들어 도 8, 9, 10, 14, 16, 18 에서 도시된 완전히 또는 실질적으로 코니컬 또는 회절성의, 동축으로 집중시키는 부품이 갖는 장점은, 방사 에너지가 공급되는 전극에 가장 인접하게, 방사 에너지 전파의 유효 방향을 따라서, 최초로 발생한 플라즈마 볼륨이 공급 전극으로부터 더 멀리 배치된 스폿/영역 내에 집중된 방사 에너지에 심각한 정도로 영향을 미치거나, 상기 방사 에너지를 차폐하거나, 반사시키지 않는다는 것이다. 최초로 형성된 플라즈마 볼륨으로부터의 이러한 "그림자 효과 (shadow effect)" 는 상기와 달리, 방사 에너지를 방해하여, 효과적으로 더 늦게 초점들에 도달하게 할 수도 있다. 이것은 방사 에너지를 반사 또는 흡수할 수 있는 능력을 갖는 플라즈마의 결과이다.

도 19 에는 발전기 (1b) 가 변압기 (1a) 를 통해 전력 네트워크 (3a) 에 접속되는 실시예가 도시된다. 따라서 보호될 대상체들을 변압기 (1a) 및 발전기 (1b) 를 이용하여 나타낸다. 도 1 의 대상체 (1) 가 도 19 에 따른 대상체 (1a) 를 형성한다고 생각한 경우에, 정규 회로 차단기 (4a) 뿐만 아니라 과전류 감소 장치 (5a) 및 추가 차단기 (6a) 는, 도 1 에서와 마찬가지로 배치된다. 따라서, 이에 관해서 도 1 에 관한 설명이 참고된다. 발전기 (1b) 와 관련하여 과전류 감소 장치 (5c) 및 추가 차단기 (6c) 의 보호 동작에 있어서도 동일하다. 따라서 이러한 경우에, 발전기 (1b) 는 도 1 의 대상체 (1) 에 대응하며, 변압기 (1a) 는 도 1 의 장치 (3) 에 대응한다. 따라서 과전류 감소 장치 (5c) 및 추가 차단기 (6c) 는 종래의 회로 차단기 (4b) 와 결합되어, 변압기 (1a) 로부터의 방향으로 흐르는 극단적인 전류로부터 발전기 (1b) 를 보호할 수 있을 것이다.

도 19 는 또한, 추가 차단기 (6b) 와 관련되는 추가 과전류 감소 장치 (5b) 를 도시한다. 따라서, 과전류 감소 장치들 (5a 및 5b) 은 변압기 (1a) 의 양측에 배치되는 것이 자명하다. 추가 차단기들 (6a 및 6b) 이 상기 과전류 감소 장치들 (5a 및 5b) 및 변압기 (1a) 사이에 각각 접속되어 배치되는 것을 주목한다. 추가 과전류 감소 장치 (5b) 는, 발전기 (1b) 로부터 변압기 (1a) 를 향한 극단적인 전류 흐름으로부터 변압기 (1a) 를 보호하기 위해, 고안되었다. 회로 차단기 (4b) 는 안전 기능이 요구되는 대상체들 (1a 및 1b) 사이의 방향에 관계없이 분명히 차단할 수 있다.

도 20 에는 방사 에너지가 전극들 (23o) 사이의 갭에 하나 이상의 레이저들 (25o) 을 이용하여, 전극들 (23o) 사이의 대칭축 (X) 에 대해 횡방향으로 하나 이상의 스폿들 또는 영역들 (28o) 에 공급되는 방법이 도시된다. 다수의 상이한 레이저들 (25o) 을 이용하여, 전극들 사이의 갭에 플라즈마를 형성하기 위해 고전력이 공급된다.

도 21b 에는 다수의 실질적으로 평행한 전기 전도 채널이 전극들 (23p) 사이에 형성될 수 있는 것이 도시된다. 도 21a 는, 측면에서 보는 전기 전도 채널이 하나의 단일 로우 (row) 인 경우에, 도 20a 의 수직단면도이다. 그러나, 다수의 전기 전도 플라즈마 채널은 전극들 사이의 로우 뿐만 아니라 칼럼에도 배치될 수 있다. 다수의 전기 전도 채널이 동시에 발생하는 것은 스위치 수단의 전도 능력을 증가시킨다.

도 22 에는, 광학 시스템 (27q) 이 레이저 등으로부터 도달하는 방사를 여러 부분으로 분할하여, 회절 소자들 (키노폼 36q) 로 향하게 하는 액시콘 (굴절성 또는 회절성) 을 구비하는 변형이 도시된다. 이러한 키노폼들은 도 22 에서 23q 로 표시된 전극들 중 하나 주변에 분포된다. 도 22 와 동일한 구조가 도 23 에서 사시도로서 도시된다. 도 23 에는, 예 4 에서 키노폼들 (36q) 이 전극 (23q) 주위에 배치되어, 방사 에너지를 전극들의 대칭축을 따라 존재하는 다수의 스폿들 또는 영역들 (28q) 내에 회절에 의해 집중시키게 하는 것이 나타난다. 수 개의 개별 키노폼들 (36q) 을 이용하면, 연속적인 환형 키노품이 불가능하지 않다고 하더라도 이러한 연속적인 환형 키노폼보다 구현하기에 더욱 단순하고, 저렴하다.

사이리스터, 트라이액, GTO, IGBT 및 그외 다수 등과 같은 반도체 부품은 오늘날의 전력 시스템에서는 통상적이며, 여기서 상기 부품들은 전류의 흐름을 제어, 즉 전달하거나 저지시키는 전자 밸브로서 주로 이용된다.

반도체 부품들이 고효율을 갖고, 우수한 성능을 나타내며, 현대적인 제조 방법에 의해 상대적으로 값이 싸게 되더라도, 원래 매우 고전압 레벨에서 복잡하고, 부피가 크고, 비용을 필요로 하는 기술적 해법을 요구하는 문제점들이 있다.

본 명세서에서 나타난 기술적 실시예들/해법들에 의해서, 반도체 부품들에 대한 대안들이 제시/설명되고, 상기 대안들은 상당히 적은 부품들과 더 낮은 비용이 사용되는 더욱 단순한 설계를 제공한다. 또한, 제시된 기술은 대응하는 반도체 부품들보다 상당히 더 높은 전압들을 견디는 밸브 부품들의 설계를 가능하게 한다. 또한 여기서 제시된 기술에 기반을 둔 부품들이 거의 무제한적인 전류 및 전류 밀도를 견디는 것이 기본적으로 중요하다.

전력 기술 내에서, 반도체 소자들은 대다수의 응용에서 이용된다. 전력 기술의 이러한 부분을 통상적으로 전력 전자 공학이라고 부른다. 이러한 응용은 통상 컨버터라고 부른다. 컨버터는 전력 시스템의 하나 이상의 특성 변수들 및 파라미터들을 변경시키는데 이용되는 필수 주변 장치 및 반도체 유닛 (전자 밸브) 으로 구성된 동작 유닛이다. 따라서, 컨버터는 전압 및 전류 레벨, 주파수 및 다수의 위상들을 변경시킬 수 있다. 또한 전자 스위치들은 컨버터들로 간주될 수 있다.

컨버터 (전류 리디렉터) 로서 또한 DC 시스템을 AC 시스템과 접속시키는 장치가 고려된다. 전력 흐름이 AC 측으로부터 DC 측으로의 방향인 경우에, 컨버터는 정류기로서 동작한다. 대신에 전력 흐름이 DC 측으로부터 AC 측으로의 방향인 경우에, 컨버터는 교류 발전기로서 동작한다. AC-AC 컨버터는 주파수 컨버터로 부르며, AC 신호를 다수의 전압 위상들 뿐만 아니라 주파수, 진폭, 위상 및 위상 위치 사이의 관계를 이용하여 다른 AC 신호로 변환시킨다. DC-DC 컨버터는 DC 전압을 다른 DC 전압으로 변환시킨다.

전자 스위치는 AC 또는 DC 용으로 설계된다. 장치의 접속 또는 단선용으로 또는 유효 또는 무효 전력을 체크 또는 제어하기 위해 이용될 수 있다.

전자 밸브가 고전압 및 저전류를 갖는 저지 상태 (blocking state) (오프 상태) 로부터 저전압 및 고전류를 갖는 전도 상태 (온 상태) 로 스위치/변경시킬 수 있는 경우, 제어가능하다. 전자 컨버터들의 큰 효율은 밸브의 이러한 쌍안정 기능에 의존한다. 밸브는 사이리스터 등과 같이 자체가 안정하거나, 트랜지스터 등과 같이 쌍안정적으로 동작하도록 제어할 수 있다.

불행히도 용어는 완전히 일관되지 못하다. IEC 편집의 "International Electrotechnical Dictionary" 및 60050-551 IEV 의 "Power Electronics" 에서 알수 있다. 완전히 또는 부분적으로 본 특허 출원의 주제인 기술에 의해 교체될 수도 있는 대다수의 상이한 반도체 부품들이 있다. 종래 기술에서 제시된 2 가지 예는 Bose et al. 에 의한 "Modern Power Electronics", IEEE Industrial Electronics Society, ISBN: 0-87942-283-3, 및 Thorborg, Chartwell-Bratt 의 "Power Electronics - in Theory and Practice", ISBN: 0-86238-341-2 에 제시된다. 이러한 문헌 참고 자료들에서 다루어진 사용가능한 반도체 부품들 중에서 다음의 것들은 언급되어야 한다.

-사이리스터, 다이오드, 트라이액, GTO (게이트 턴 오프 사이리스터), 바이폴라 트랜지스터 (BJT), PWM-트랜지스터, MOSFET, IGBT (절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터), SITH (정전 유도형 사이리스터), MCT (MOS-제어 사이리스터), 등.

사이리스터의 전류가 외부 수단에 의해 제로가 될 때, 사이리스터는 턴 오프된다 (저지 상태로 변환). 자기 정류식 교류 발전기 (self-commutating alternator) 에서, 밸브들은 콘덴서, 인덕터 및 저항으로 구성된 턴 오프 회로에 의해 턴 오프된다. 사이리스터는 높은 전압들 및 전력 레벨들을 위한 지배적인 반도체 부품이다.

사이리스터는 쌍안정 기능을 갖는 반도체 부품으로 규정된다. 사이리스터는 3 개의 pn 트랜지션 (transition) 으로 구성된다. 오프 상태로부터 온 상태로 및 그 반대로, 하나 또는 두 가지 방향으로 스위치될 수 있다. 가장 통상적으로 이용되는 사이리스터 유형은 소위 "역저지 3 극관 사이리스터 (reverse blocking triode thyristor)" 이다. 사이리스터는 3 개의 접속들 (애노드, 캐소드 및 게이트) 을 갖는다. 게이트 상에 제어 펄스가 없을 때, 사이리스터는 양방향의 전류 흐름을 저지한다. 애노드 상에서는 포지티브이고, 캐소드 상에서는 네거티브인 전압을 부과하면 사이리스터는 오프 상태가 되어, 전압을 저지한다. 부과된 전압이 반대 극성을 갖는 경우에, 사이리스터는 역방향 저지 상태가 되어, 전압을 역저지한다.

역저지 및 저지 상태에서 리크 전류는 온도 및 사이리스터의 크기에 따라 증가하며, 매우 대형 사이리스터들에 대해서는 수 백 ㎃ 까지 증가할 수 있다.

전류 또는 전압 펄스를 게이트 상에 부과함으로써 사이리스터가 적당한 진폭과 지속 시간을 갖고 트리거된 경우에, 사이리스터는 오프 상태로부터 온 상태로 스위치하고, 전류는 애노드로부터 캐소드로 순방향으로 흐른다.

온 상태 전압이라고 부르는 전압 강하 (사이리스터 상의 전압) 는 통상적으로 온 상태 전류에서의 정상치가 1-2 볼트이다.

저지 (애노드에서 캐소드로의 순방향) 전압이 사이리스터를 위해 특정된 전압 상의 브레이크를 초과하는 경우에, 오프 상태로부터 온 상태로 자발적으로 변경된다. 이러한 자체 트리거링 전압은 사이리스터에 심각하게 손상을 주며, 따라서 결코 초과되지 않는다.

시스템 전압이 개개의 사이리스터 소자가 견디는 최대 전압을 실질적으로 초과하는 고전압 인가에서, 수 개의 사이리스터들은 반드시 직렬로 또는 캐스캐이드로 결합되야만 한다. 직렬로 결합된 사이리스터들 사이에 적합한 전압 분할을 이루기 위해서, 그들 각각에는 개개의 RC 회로 및 저항성 분압기가 제공되어야만 한다. RC 회로는 일시적인 분압기로서 기능하고, 저항은 각각 저지 및 후방으로의 저지 전압들을 분할하여, 상이한 사이리스터들이 상이한 리크 전류를 갖는 것을 견디지 않고, 한 사이리스터 당 동일한 전압차를 갖게 한다. 또한, 저항들은 RC 회로 내의 축전기들 상의 전압을 동일하게 크게 한다. 직렬로 접속된 사이리스터에서, 모든 사이리스터들의 트리거링 펄스가 동시에 발생하며, 동일한 진폭을 갖는다. 동시적인 트리거링으로부터의 편차는, RC 회로를 통해 그리고 다른 사이리스터들을 통해 흐르는 전류의 결과로서 최근에 트리거된 사이리스터 상의 과전압으로 나타난다. 서로 매칭된, 즉 다른 사이리스터들에 적합한 성능을 나타내도록, 특히 구조를 복잡하게 하고, 값비싸게 하는 고주파수 응용들에서 적합한 성능을 나타내도록 선택된 사이리스터들만 이용되는 것이 종종 요구된다.

트라이액은 쌍방향 사이리스터로서, 2개의 저지 방향 또는 순방향을 가짐을 의미한다. 트라이액은, 역평행하게 접속되며 공통게이트를 가진 2 개의 사이리스터와 등가이다. 트라이액은 저지 상태에서 아웃셋 (outset) 에 있다. 그러나, 온상태로의 전환은 게이트상의 네거티브 펄스 내지 포지티브 펄스에 의해 제어할 수도 있으며, 이는 트라이액에 대해 양자의 극성으로 달성할 수도 있다. 대부분의 경우, 트라이액에 대한 기술적인 성능은 대응하는 크기와 성능을 가진 사이리스터의 성능에 대응한다. 제한적인 불량 (restricting exceptions) 은, 사이리스터와 동일하게 짧은 상승 및 하강 시간을 갖지 않거나 전압변화 (dU/dt) 에 대해 동일한 저항을 갖지 않는, 트라이액에 의해 유발된다. 그러므로, 대개 이들은, 급격한 전압 및 전류의 변동이 발생하지 않는, 저항성 부하와 순수 (net) 주파수를 갖는 전압 조정기에 사용된다. 쌍방향이면서 하나의 단일 냉각 부재뿐만 아니라 하나의 단일 트리거 펄스부만을 요구하는 트라이액의 특성은, 간단하면서도 비교적 저렴한 구조를, 특히 저전력용으로 설계할 수 있음을 암시한다. 자연히, 광 트리거형 사이리스터는, HVDC 시스템 및 사이티스터 스위칭형 위상 보상 시스템용 시스템에서와 같이, 고전압용으로 큰 관심이 집중되고 있다. 그 주된 이유는, 전기절연에 관한 높은 요구에 있다. 또한, 사이리스터가 그 게이트에 접속된 잡음의 결과, 자발적으로 화이어 (fire) / 개방되는 위험이 감소된다. 사이리스터로의 광 펄스는 접지전위에서 제어부로부터 광도체를 통하여 사이리스터로 전송된다. 이 광도체는 유전재료로 형성되며, 고전압 절연체를 얻을 수 있다.

그러나, 광도파체에 의해 전송될 수 있는 광 에너지는 한정되어 있으며, 사이리스터 시스템은, 사이리스터에 그의 게이트상에 최종 인가된 신호에 대한 증폭함수를 포함한 좀더 복잡한 제어 구조가 장착되지 않으면, 제어신호에 대한 긴 지연시간, 즉 관련된 낮은 사이리스터의 온상태 전류의 증가율을 얻을 위험이 있다. 그러나, 이러한 구조는 사이리스터가 게이트를 통해 결합될 수 있는 잡음에 좀더 민감하게 되어, 부적절한 스위칭을 야기할 수 있음을 의미한다. 레이저 트리거형 플라즈마 스위치는 다수의 파워 반도체와 동일한 기능을 행할 수 있으며, 그 결과, 일부의 경우에는 매우 기술적 및 경제적 이점이 있다. 본 특허출원에서는, 특히, 트라이액으로서, 레이저 트리거형 플라즈마 스위치의 기능을 취급한다. 레이저에 의해 발생된, 연장되고 이온화된 전기전도 채널에 의해, 가스충전된 전극 갭의 순간 단락에 기초하는, 레이저 트리거형 플라즈마 스위치는, 주로, 다음과 같은 주요 이점을 갖고 있다:

전극 시스템내에 수용된 전극들간의 거리는, 외부 전기절연 시스템의 설계 및 치수설정시에 더 큰 문제점이 발생되지 않도록, 크게 할 수도 있다. 구조는 그렇게 상당히 간단하게 되며, 저렴하게 제조할 수 있다.

실제로 좀더 우수한 또다른 이점은, 레이저 트리거에 의해 전도상태가 될 때, 원칙적으로, 플라즈마 스위치에 의해 수행될 수 있는 최대 전류에 대한 어떠한 제한이 없다. 전류의 전도는 레이저광에 의해 생성되며 이온화된 채널을 통하여, 일어나며, 갑자기 아크로 전개된다. 아크는 채널을 통하여 흐르는 최대 전류에 관한 한, 어떠한 기본적인 제한을 받지 않으며, 따라서, 반도체 부품의 경우와 같이, 전류밀도에 대해 어떠한 제한도 없게 된다. 전류가 증가하는 경우, 아크는 반경방향으로 확장시킴으로써 에너지적으로 바람직한 전류밀도를 유지한다. 이러한 자기 조절기능은 반도체 부품과도 어떠한 유사성 (correspondence) 을 갖고 있지 않다.

제 3 주요 이점은 플라즈마 스위치가 초고전압용으로 설계될 수 있으며 단지 하나의 단일 부품으로 구성할 수 있다는 점이다. 동일한 기능과 동일한 고전압을 갖는 스택형 반도체 구조와 비교하면, 이는 다수의 정확히 접속된 반도체 소자로 구성되지 않은 그 구조 자체 뿐만 아니라, 서로에 대한 이들 소자들의 타이밍에 관하여 급격히 감소된 요청에 있어서, 복잡성을 상당히 감소시킨다.

반도체 부품으로 이루어진 대응 응용품에 비해, 응용제품의 액티브 소자의 실제적으로 감소된 갯수는, 신뢰성을 증대시킨다. 또한, 감소된 전기손실, 감소된 장치 비용 및 더욱 단순화된 제어시스템이 얻어지게 된다.

또다른 주요 이점은, 트리거링을 수백 ㎲ 정도로, 매우 신속히 행할 수 있다는 점으로, 이러한 사실은 정확한 변조의 확률을 증대시키게 된다.

트라이액 기능

확장된 초점 영역에서의 레이저 트리거링은 임의의 시간점에서 오프상태로부터 온상태로 스위칭하는 것을 가능케 한다. 그 구성에 있어, 전극 거리, 가스압력, 가스 조성 및 부분 가스의 부분압, 및 캡슐 용기의 전체 구조의 적당한 결합에 의해, 본 발명에 따른 플라즈마 스위치는 트라이액의 성질과 동일한 성질을 나타낸다. 트리거링함이 없이, 플라즈마 스위치는 저지하고 비전도하는 오프상태에 존재한다. 이러한 저지 성질은 쌍방향이며, 즉, 부품은 플라즈마 스위치의 양 극성의 전압에 대해 전기절연시킨다. 트리거링시, 플라즈마 스위치는 전도하는 온상태로 거의 순간적으로 전환되어, 아크에서의 전류가 소정 설계 특정치 보다 크게 유지되는 동안과, 플라즈마 스위치의 전극 전압도 역시 소정 설계 특정치보다 크게 유지되는 동안에, 유지된다. 또한, 이 전도하는 온상태는 쌍방향이다; 플라즈마 스위치 소자는 레이저 트리거링에 의해 양 극성에 대해 전도하도록 이루어질 수 있다. 도 24 에 복사 에너지 트리거링을 갖는 스위치 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 예를들어, 레이저는 트리거용으로 사용될 수도 있다. 스위칭 구성 (5) 은 양 극성으로 트리거링할 수 있어, 쌍방향 기능을 제공한다.

턴오프 회로에 의한 트라이액 기능

응용시, 스위칭 구성의 기능은 스위치를 차단하는, 즉 오프 상태로 전환하는 가능성이 달성되어야 한다. 이는 (1) 전극 거리, 가스 압력, 가스 조성 및 부분 가스의 부분압의 적당한 결합을 갖는 그 구성을 통하여 자동적으로 자기 소멸 (self-extinguishing) 하게 되거나, 또는 (2) 외부 턴 오프를 가능케 하는 성질을 부여한, 스위치에 의해 달성된다. (1) 의 경우, 자기 턴 오프 (self turn-off) 가 발생된 후의 기간은 구조의 설계에 의해 체크 및 결정할 수도 있다. 이 자기 턴오프 기능은 DC 뿐만 아니라 AC 시스템에서 구현할 수 있다. AC 의 경우는 자기 턴오프 기능이 전도하는 아크가 변화하는 극성을 통과하는, 따라서, 전류 제로를 통과하는 전류에 의해 자동적으로 보조된다는 점에서 좀더 간단한 경우이다. 이상 설명한 바에 따르면, 조건들은, 사이리스터의 턴오프에 사용된 것과 전체적으로 등가가 되게, 플라즈마 스위치를 효율적으로 턴오프하도록, 설정된다. 따라서, AC 의 경우에는 플라즈마의 구조에 대해 덜 엄격히 요구된다. (2) 의 경우, 플라즈마 스위치에는, 온상태 전류를 제로 상태로 감소시켜 플라즈마 스위치를 개방시킴으로써 그 오프상태를 취하는 것을 보장하는, 외부 임피던스 소자가 제공된다. AC 시스템에서의 동작 환경을 이용하여, 동일한 효과를 달성할 수 있다, 즉, 전류 제로를 통과하는 전류 변화 극성 직전에, 플라즈마 스위치는, 방전 채널 사이의 가스의 불충분한 이온화의 결과, 스스로 턴 오프된다. 전류가 극성을 변화시키고, 새로운 극성이 전압에 도달하는 시간 동안, 전체적으로 이온화된 플라즈마 채널이 다시 전기적으로 전도시키기 위하여, 플라즈마 구성부분 중의 충분하게 큰 부분이, 채널 전도성이 너무 낮아 지게 되어 반복적인 아크의 턴온을 지원할 수 없도록, 높은 정도까지 재결합시킬 시간을 갖는다. 따라서, 리화이어링 (refiring) 이 방지되며, 플라즈마 스위치가 그 오프상태를 취하게 된다.

이와 반대로, DC 의 경우는 플라즈마의 구조에 대해 좀더 엄격히 요구한다. 그러나, 전극 거리, 주로, 총 가스압력, 함유된 가스 성분 및 그의 부분압과 같은, 설계 변수의 정확하게 균형잡힌 선택에 의해, 이들 요구사항들은 자기 턴오프가 달성될 수 있도록, 실현될 수 있다. 타당한 대안으로는, 전류를 또다른 라인 또는 컴포넌트에 소통시킴으로써, 플라즈마 내의 전류를 제로까지 감소시켜 플라즈마 스위치를 턴오프시키는 것을 가능케 하는 것이다. 그러나, 가장 간단한 기술적인 해결책은, 외부 전류를 제한하는 회로 소자를 갖는 DC 부품을 구비하는 것이다. 좀더 대략적이지만, 그럼에도 불구하고 효율적인 해결책은, 플라즈마 스위치 기계적인 차단기와 적당한 접속방법으로 결합하는 것으로, 이에 의해 플라즈마 스위치를 전압 네트워크로부터 전체적으로 절연시킬 수도 있다.

단방향 트라이액 기능

트라이액은 그 온상태에서 쌍방향을 전도할 수 있다. 여기서 설명한 바와 같은 플라즈마 스위치는, 어떠한 타입의 다이오드 기능도 갖지 않기 때문에, 기본적으로 쌍방향이다. 그러나, 만약, 레이저 트리거링이 AC 시스템의 2개의 극성중에서 한 극성 동안에만 행해지게 되고, 재결합후의 선행 트리거링 이후에 잔류할 수 있는 플라즈마의 잔류물이 레이저 트리거되지 않은 극성 (AC 전압의 반주기) 동안에 자발적인 트리거링을 보조하기에 충분히 낮은 전도성을 갖게 되면, 그 기능은 실제로 단방향이다.

도 25 는 단방향 트라이액 기능을 갖는 본 발명에 따른 플라즈마 스위치를 나타낸 것이다.

두 개의 플라즈마 스위치 소자를 갖는 양 방향 트라이액 기능

상기된 실시예에 대한 대안적인 실시예로는 턴-오프 기능(자체 턴-오프 혹은 외부 턴-오프 기능) 을 갖는 두 개의 플라즈마 스위치 소자에 의해서 형성되며, 상기 플라즈마 스위치 소자는 고전위 및 저전위 사이에 역병렬로 접속되어 있다. 상술된 것에 따라서 두 개의 단방향 유닛을 형성하도록 AC 시스템에 접속되어 구성된 상기 두 개의 플라즈마 스위치는, 두 개의 스위치의 전류 전도 방향이 반대가 되는 방법으로 서로 네트워크에 접속되어 있다. 플라즈마 스위치는 그 자체가 양방향성이기 때문에, 이것은 두 개의 소자가 AC 전압의 각각의 극성 중에, 즉 그의 반주기 동안에, 레이저 트리거되도록 설계되는 것을 의미한다. 두개의 플라즈마 스위치는 동일한 레이저에 의해서 트리거될 수도 있으데, 이것은 광 플럭스 제어 셔터가 제공된 광학 시스템이 요구된다. 상기 레이저는 주기당 2 회와 반주기당 1회 이상 트리거 되며, 상기 셔터는 상기 레이저의 전체 방출광량이 두 개의 플라즈마 스위치 소자 중 하나 혹은 다른 하나로 선택적으로 향해져 있도록 일실시예에서 설계될 수도 있다. 그런 광 플럭스 방향 셔터는 예를 들어 회전가능 고반사 미러에 의해서 구성될 수도 있으며, 이것은 그 두 개의 단부 위치로부터의 반사에 의해 각각의 플라즈마 스위치로 유도되는 두 개의 광채널의 각각으로 레이저 광을 향하게 한다. 또 다른 실시예는 상기 레이저 광을 동일한 양의 레이저 효율을 갖는 두 개의 채널로 분할한다. 각각의 채널은 두 개의 플라즈마 스위치 중 하나로 유도된다. 광플럭스 제어 셔터는 각각의 채널 내에서 설치되며, 상기 셔터는, 각각의 트리거 동작에서의 작용을 제어함으로써, 두 플라즈마 스위치 소자 중 단 하나만이 트리거 레이저 광에 의해 가해지는 것을 보증한다. 두 플라즈마 스위치 소자는 각각의 플라즈마 스위치 소자를 위한 레이저에 의해서 트리거되며, 레이저의 동작은 제어되고, 체크되고 외부 전자 유닛에 의해서 동기화된다. 도 26,27 및 28 은 양방향 트라이액 기능을 형성하기 위하여 표현되는 확률을 설명한다.

동일한 양 방향성은 물론 두 개의 플라즈마 스위치 소자의 대응결합으로 또한 얻을 수 있으며, 이것은 자기 턴 오프 기능이 존재하지 않거나 혹은 외부 턴 오프 외부 수단이 제공되지 않는다.

사이리스터 기능

이미 종래 기술에서 설명된 바와 같이, 사이리스터는 양방향에서 전압 및 전류에 대하여 오프 상태로 불리는 저지 상태를 갖는다. 사이리스터가 그의 게이트에서 트리거될 때, 이것은 온상태로 주도된 전도 상태를 가정하며, 이 경우, 사이리스터의 순반향으로 흐를수도 있다. 레이저 트리거 플라즈마 스위치에 의해 동일한 기능을 얻는 바람직한 방법은 레이저 트리거 플라즈마 스위치가 반도체 형일 수도 있는 하나 이상의 다이오드 기능과 직렬로 연결되어 있는 것을 의미한다. 다이오드의 수는 최대 전압에 의해서 전체적으로 결정되며, 이것은 희망하는 응용에 따라 그것 이상으로 배치될 수도 있다. 거기에는 플라즈마 스위치와 관련된 다이오드를 배향하는 두 개의 다른 확률이 있는데, 플라즈마 스위치를 향한 순방향과 플라즈마 스위치로부터 멀어지는 방향으로의 순방향을 갖는다. 따라서, 두 개의 상이한 사이리스터 기능은 실현될 수도 있으며, 여기서 다수의 다이오드와 직렬인 플라즈마 스위치를 구비하는 결과의 사이리스터 유닛은 상이한 방향성 혹은 극성을 얻는다. 그런 구성 내에 포함된 다이오드는, 균일한 분압을 얻기 위하여, 각각의 RC 네트워크 혹은 그 밖의 다른 임피던스 네트워크와 저항 분압기를 구비하는 것이 바람직하다. 따라서, 다이오드는 다른 전압레벨이 가해지지 않으며, 이것은 특정한 전압 레지스턴스를 초과할 수 있다. 도 29a-29d 는 본 발명에 따른 플라즈마 스위치가 하나 이상의 다이오드에 의해서 상이한 방향성 혹은 극성을 얻을 수도 있다는 것을 설명하고 있다.

상술된 플라즈마 스위치가 트라이액 기능 혹은 사이리스터 기능을 사용하는 방법에 대한 예로서, 도 30 과 31 을 참조할 수 있다. 상기 도면 상에 존재하는 회로는 절환 스위치로서 역할을 한다. 도 30 내의 기능은 다음과 같다. 상부 전도체 (L₁) 는 교류 전압에 접속되는 반면, 하부 전도체 (L₂) 는 접지 혹은 저전위에 접속된다. 임의의 플라즈마 스위치 (PS₁및 PS₂) 가 트리거되지 않는다면, 상부 전도체 (L₁) 내의 전압이 포지티브인한은, 회로를 통하여 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 만일 프라즈마 스위치 (PS₂) 가 트리거되어 폐쇄된다면, 전류는 다이오드 D₁과 PS₂를 통하여 상부 전도체 (L₁) 에서 접지로 흐르게 될 것이다. 이 전류는 전압이 포지티브 극성을 갖는 한은 흐르게된다. 극성이 상부 전도체 (L₁) 상에서 네가티브 극성으로 변환된 후, 전류는 반대 방향으로 흐르게된다. 그러나, 그런 전류는 PS₁이 트리거된 후에만 흐르게 되며, 이것은 다이오드 (D₂) 와 PS₁을 통하여 상부 전도체로부터 흐르며, 하부 전도체로부터 다이오드 (D₂) 와 PS₁을 통하여 상부 전도체로 흐른다. 다이오드 (D₂) 상의 전압 하강이 L₂에서 L₁의 방향에서 PS₂내의 아크 상의 전압 강하보다 작게 될 수도 있기 때문에, 상기 전류는 PS₂대신에 극성이 변한 후, D2 를 통하여 흐른다. PS₂는 잘못된 방향에서 자발적으로는 역화이어 (refiring) 되지 않으며, 따라서, 네가티브 극성을 갖는 현재의 반주기 동안에서 그대로 유지된다.

지금 설명된 회로에서, 플라즈마 스위치는 유니폴러 트라이액의 기능, 즉 일반적으로 사이리스터 내에서 사용된다. 도 31 내의 회로는 각각의 플라즈마 스위치와 직렬인 다이오드를 두 개 더 구비하고 있으며, 이것은 극성 변화 후의 전류가, 턴오프될 플라즈마 스위치를, 잘못하여 통과하지 않도록하는 것을 전체적으로 보증한다. 그러므로, 추가 다이오드는, 외부 수단의 예로서, 상기 스위치가 역화이어링(refiring)("백화이어링:back firing") 되는 것을 방지한다.

레이저 트리거 플라즈마 스위치를 시작지점으로서 사용할 때, 여기서 설명된 것보다 더 많은 기술적인 기능이 실현될 수 있다는 것은 상술된 설명으로부터 명백하게 된다고 생각된다.

도 32 는 스위치 장치 (5r) 가 네트워크 (3r) 및 대상체 (1r) 사이에서 이전에 토론되었던 라인 (2r) 에서 직렬로 결합된다. 스위칭 장치 (5r) 는 이전에 설명된 특성을 갖는 스위치 수단 (10r) 을 적절하게 구비하는데, 즉, 스위치 수단은 방사 에너지에 의해서 전기적인 전도 폐쇄를 가지고 오는데 적용되는 전극 갭을 갖는다. 그러나, 이것은 도 32 에서는 세밀하게 도시되지 않았다. 도 32 로부터 알 수 있는 것처럼, 스위치 장치 (5r) 는 순수한 스위칭 기능을 갖도록 되어 있는데, 즉 대상체 (1r) 의 공급 혹은 반대 방향으로의 가능한 공급이, 이것이 전도 상태일 때, 스위치 수단 (10r) 을 통하여 나타날 수도 있다. 거기에 필요하다면, 스위치 수단 (10r) 은, 예를 들어, 대상체 (1d) 로부터 흐르는 전류로부터 네트워크 (3r) 혹은 대상체 (1r) 을 보호하기 위하여, 통과 전류를 상대적으로 신속히 차단하게 할 수도 있다. 교류 접속에서 스위치 수단 (10r) 에 의해서 스위치-오프를 얻기 위하여, 전극 갭에 에너지를 공급하기 위한 수단은 그런 에너지 공급을 멈추도록 한다. 다음에 전류가 통과하지 않을 때, 스위치 수단 (10r) 내의 아크의 소멸이 발생되어 전류 공급이 멈추게된다. 직류의 경우에는, 스위치 수단 (10r) 상의 전압의 차를 감소 혹은 소거하기 위한 측정값을 얻음으로써, 턴-오프 기능을 지원할 필요가 있다. 그런 수단은 스위치 수단 (10r) 에 평행하게 결합된 스위치 (31) 내에 구성될 수도 있다. 스위치의 폐쇄는, 스위치 수단 (10r) 을 통과하는 전류를 차단하는 것을 의미하며, 이것은 스위치 수단 (10r) 내의 아크가 소멸되게 한다. 이러한 경우, 그런 측정은 충분하지 않지 않으며, 또한 스위치들은 보상체로서, 라인 (2r) 으로부터 스위치 수단 (10r) 을 전체적으로 접속하도록 라인 (2r) 내의 스위치 수단 (10d) 의 양면 상에 배치될 수 있다.

도 32 의 목적은, 본 발명에 따른 스위치 배치 (5r) 가 일반적인 스위칭 응용을 발견할 수도 있으며, 이것은 다양한 장비의 보호뿐만 아니라 좀 더 일반적인 영역에서의 다양한 부하 상태 내의 스위치의 전력의 문제일 수도 있다.

상술된 설명은 본 발명의 이상적인 경우만을 설명하는 것을 고려하고 있으며, 여기에 본 발명을 확립했다. 그러므로, 당업자에게는, 본 발명의 영역을 벗어나지 않는 경우의 변형은 자명한 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 갭 (24) 에 이온화/플라즈마 형성 에너지의 공급을 위하여 레이저를 사용할 필요가 없다. 또한 다른 방사 소오스로서, 예를들어, 전자총, 혹은 다른 에너지 공급 해결책은 가능한한 빠르게 공급될 수도 있으며, 본 발명에 따르는 신뢰성의 요구가 이행된다. 스위치 수단 (10) 은 본 발명에 따라서 도 1,3, 19 에서 설명된 것과는 다른 동작 경우에서 폴트와 관련된 과전류에 대하여 전기 대상체의 보호에 적용될 수도 있으며, 본 발명에 따른 디바이스는 회로 차단기 (4) 의 상대적으로 느린 차단 시간의 네가티브 효과를 감소하기 위하여 배치된다. 그러므로, 본 발명에 따르는 스위치 수단은 그런 회로 차단기 (4) 에 대한 동작 관계를 필연적으로 요구하지 않는다. 마지막으로 본 발명은 직류뿐만 아니라 교류에도 적절하다는 것이 명백하다. 따라서, 본 발명에 따른 스위치 수단이 반드시 상기 회로 차단기 (4) 와 동작 관련될 필요는 없다. 본 발명은 직류 전류 뿐만 아니라 교류 전류용으로 적합하다는 것이 최종적으로 관찰된다.

Claims

하나 이상의 전기 스위칭 장치 (5) 를 구비한 전력 스위칭용 장치에 있어서, 상기 스위칭 장치 (5) 는 실질적으로 전기적 절연 상태와 전기적 전도 상태 사이에서 변환가능하며, 전극 갭 (24) 을 구비한 하나 이상의 스위치 수단 (10) 과, 적어도 전극 갭 또는 적어도 그 일부가 전기 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 수단 (25) 을 구비하며, 상기 전극 갭이 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 상기 수단 (25) 이 방사 에너지 형태로 상기 전극 갭 내에 에너지를 공급하여, 상기 갭 또는 적어도 그 일부에 플라즈마를 형성하도록 하는 것을 특징으로 전력 스위칭용 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭 또는 그 일부가 전기 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 상기 스위치 수단 (10) 이 하나 이상의 레이저 (25) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 스위치 수단 (10) 은, 그 전극들 (23) 사이가 절연된 상태에서 전기장이 존재하여, 상기 전기장에 의해 상기 전극 갭이 전기 전도성을 나타내도록 유발 또는 개시할 때 상기 전극들 사이에 전기적 플래시오버를 촉진시키거나, 발생시키도록, 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 절연된 상태에서 상기 전기장은 자발적 절연파괴가 발생할 때의 전기장의 세기보다 실질적으로 더 작은 전기장 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항 또는 4 항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 절연된 상태에서 상기 전기장은 자발적 절연파괴가 발생할 때의 전기장 세기의 30 % 이하, 적합하게는 20 % 이하의, 바람직하게는 10 % 이하의 전기장 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 절연된 상태에서 상기 전기장은 자발적 절연파괴가 발생할 때의 전기장 세기의 0.1 % 이상의, 적합하게는 1 % 이상의, 바람직하게는 5 % 이상의 전기장 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 전기 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 상기 수단 (25) 은 상기 전극이 전기 전도성을 나타내도록 트리거되는 최저 전기장 세기가 최소화되도록 상기 방사 에너지를 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 상기 수단 (25) 은 상기 전극이 상기 도달하는 방사 에너지와 상기 전극 갭에 형성된 전도 능력 사이의 시간 지연이 최소화되도록 상기 전극 갭에 상기 방사 에너지를 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭 (24) 이 전도성을 나타내도록 유발 또는 적어도 개시시키기 위한 상기 수단 (25) 및 상기 스위치 수단 (10) 은, 상기 전극 갭 내에 전기 전도성을 형성하는 것이 상기 스위치 수단의 상기 전극들 사이가 절연된 상태에서 그 사이에 존재하는 상기 전기장과 실질적으로 무관하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (25) 은, 상기 전극들 (23) 중 적어도 하나 상에 또는 적어도 주변에 방사 에너지를 인가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (25) 은, 상기 전극들 (23) 사이의 상기 갭 (24) 내의 하나의 스폿 또는 영역에 방사 에너지가 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 부재 (25, 27) 는, 상기 방사 에너지를 상기 전극들 사이의 2 개 이상의 스폿들 또는 영역들 (28) 내에 인가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단은, 상기 방사 에너지의 2 개 이상의 스폿들 또는 영역들이 상기 전극들 사이에 연장된 라인을 따라서 위치하도록 배치되며, 상기 라인은 상기 전극들 사이에 원하는 전기 전도 경로의 연장에 해당하는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (25) 은, 상기 전극들 사이에 의도된 상기 전기 전도 경로의 방향을 따라서 실질적으로 연장된 상기 종축에서, 하나 이상의 길게 연장된 영역들 (28i, 28k, 28m, 28n) 내에 상기 방사 에너지를 인가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (27) 은, 상기 길게 연장된 초점 영역을 관형 형태로 형성하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단은, 상기 길게 연장된 영역이 완전히 또는 실질적으로 완전히 상기 전극들 사이의 공간을 연결하도록 상기 길게 연장된 영역을 형성하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (27) 은, 상기 전극 갭 내에 2 개 이상의 길게 연장된 초점 영역들 (28) 을 형성하기에 적합하며, 상기 초점 영역들은 상기 전극들 사이에 의도된 전기 전도 경로를 따라서 서로 종방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단은, 상기 전극들 사이 뿐만 아니라 상기 전극들 중 하나 이상 상에 상기 방사 에너지를 인가하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
제 10 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 갭에서 상기 전극들 중 하나 이상이 개구 (29) 를 갖고, 상기 개구를 통해 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (25) 이 상기 방사 에너지의 방향을 정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 15 항 및 제 19 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단 (27) 은, 개구 (29) 를 갖는 상기 전극의 주변에 상기 관형 방사 에너지 영역 (28) 이 위치하도록 하기에 적합하고, 상기 관형 방사 에너지 영역의 상기 축은 상기 전극 내의 상기 개구의 상기 축과 실질적으로 동축인 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 보조 전극들이 상기 방사 에너지에 노출되고, 그 결과로서 자유 전하들을 방출할 수 있게 함으로써 상기 트리거링 공정에서 능동적인 참여를 하기 위한, 및/또는 상기 전기장을 균등화시키기 위한, 상기 보조 전극들 (31, 31d) 이 상기 전극들 사이의 갭 (24) 에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10 항 내지 제 21 항에 있어서, 상기 전극 갭에 트리거링 에너지를 공급하기 위한 상기 수단은, 전자기파 에너지를 제어하기 위한 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 굴절, 반사 및/또는 회절 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 소자는 액시콘에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 24 항에 있어서, 상기 소자는 키노폼에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 소자들은 광섬유들 (38) 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템 (27f, 27h) 은 상기 전극들의 반경 방향으로 외부에 배치되고, 광선의 다발이 상기 전극들 사이의 상기 갭을 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템 (27g) 은 레이저 펄스들을 상기 전극들 중 하나 주위의 환형 형상으로 분할하는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 하나 이상의 과전압 다이버터 (22) 가 상기 스위치 수단 (10) 과 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 전기적 대상체 (1) 는 전력 네트워크 (3) 또는 상기 전력 발전소 내에 포함된 다른 장치에 접속되며, 상기 장치는 상기 대상체 및 상기 네트워크/장치 사이의 라인 (2) 에 스위칭 장치 (4) 를 구비함에 있어서, 상기 스위치 수단 (10) 이 상기 대상체 (1) 및 상기 스위칭 장치 (4) 사이의 라인 (2) 에 접속되고, 상기 스위치 수단 (10) 이 상기 스위칭 장치 (4) 의 차단 시간보다 실질적으로 더 짧은 시간 주기 내에 과전류 절환 (diversion) 을 위해 작용가능한 것을 특징으로 하는 장치.
제 30 항에 있어서, 상기 스위치 장치 (4) 가 회로 차단기에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 21 항 또는 제 31 항에 있어서, 상기 스위칭 장치 (4) 및 상기 대상체 사이의 라인에 배치된 추가 차단기 (6) 를 구비하며, 상기 추가 차단기는 상기 스위칭 수단 (10) 및 상기 대상체 (1) 사이에 배치되며, 상기 스위칭 장치 (4) 보다 더 낮은 전압들 및 전류들을 차단하는데 적합하여 상기 스위칭 장치보다 더 짧은 차단 시간에 실행할 수 있으며, 상기 추가 차단기는, 상기 대상체 (1) 를 향하거나, 상기 대상체 (1) 로부터 멀어지는 방향의 과전류가 상기 스위치 수단 (10) 에 의해 감소할 때 차단시키기에 적합하지만, 상기 스위칭 장치보다 실질적으로 더 빨리 차단시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 32 항에 있어서, 상기 대상체 (1) 를 향하거나, 상기 대상체 (1) 로부터 멀어지는 방향의 과전류가 검출 장치에 의해 소정 레벨 아래로 표시될 때 차단 목적을 위한 추가 차단기 (6) 의 동작을 달성하기 위해서, 상기 검출 장치 (11-13) 및 상기 추가 차단기 (6) 에 접속된 제어 유닛 (14) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 32 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 차단기 (6) 는 분로 라인 (17) 이 상기 스위치 (15) 의 접속부으로부터 전류 전도를 인계하도록 함으로써, 상기 접속부가 분리되었을 때 아크를 피하기 위한 하나 이상의 부품들 (18) 을 갖는 상기 분로 라인 (17) 이 위에 결합된 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 34 항에 있어서, 상기 분로 라인 (17) 내의 상기 하나 이상의 부품들 (18) 은 상기 제어 유닛 (14) 을 통한 제어에 의해서 전도 상태로 폐쇄가능한 것을 특징으로 하는 장치.
제 34 항 또는 제 35 항에 있어서, 상기 하나 이상의 부품들 (18) 은 제어가능한 반도체 부품들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 34 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 부품들 (18) 에는 하나 이상의 과전압 피뢰기 (30) 가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 34 항 내지 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 갈바닉 절연용 단로기 (20) 가 상기 하나 이상의 부품들 (18) 과 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 38 항에 있어서, 상기 단로기 (20) 는 상기 제어 유닛 (14) 에 결합되어, 상기 스위치 (15) 가 폐쇄되도록 제어되고 상기 하나 이상의 부품들 (18) 이 상기 분로 라인 (17) 을 차단시키기 위한 상태에서 배치된 후에, 개방하도록 제어되는 제어되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 상기 보호 대상체 (1) 는 자기 회로 (magnetic circuit) 를 갖는 전기 장치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 대상체가 발전기, 변압기 또는 모터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상체는 전력 라인, 예를 들면 케이블에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
임의의 전항에 있어서, 2 개의 스위치 수단 (10) 은, 상기 대상체를 양측에서 보호하기 위해서 상기 대상체의 어느 한 측 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 스위치 수단 (10) 에 접속되고 상기 과전류 상태 검출 장치 (11-13) 에 접속된 제어 유닛을 구비하며, 상기 제어 유닛 (14) 은 보호가 요구되는 경우에, 상기 과전류 상태 검출 장치로부터의 정보에 기초하여 상기 스위치 수단을 폐쇄시키도록 제어하기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 44 항과 제 34 항, 제 36 항 및 제 40 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 하나의 상기 동일한 제어 유닛 (14) 은 상기 과전류 상태 검출 장치 (11-13), 상기 스위치 수단 (10) 및 상기 추가 차단기 (6) 로부터의 정보에 기초하여 제어하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
폴트로 인한 과전류로부터 대상체를 보호하기 위한 임의의 전항에 따른 장치의 이용 방법.
임의의 전항에 있어서, 트리거링 에너지를 상기 전극 갭에 공급하기 위한 수단은, 상기 방사 에너지를 실질적으로 평행하고 길게 연장되어 있는 다수의 초점 영역들로 집중시키고 , 그 종축들이 상기 전극들 사이에 목표한 상기 전기 전도 경로 방향을 따라서 실질적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치 (도 21).
임의의 전항에 있어서, 가능하면 상보형 다이오드들 또는 다른 부품들에 추가하여 하나 이상의 스위치 수단 (10) 이 스위칭 또는 컨버터 기능을 실행하기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 48 항에 있어서, 상기 기능들이 트라이액 및 사이리스터의 기능들인 것을 특징으로 하는 장치.
전력 발전소에서 폴트로 인한 과전류로부터 전기 대상체 (1) 를 보호하기 위한 방법에 있어서, 과전류 상태가 과전류 검출 장치 (11-13) 에 의해 검출될 때, 스위치 수단 (10) 에 의해서 과전류 절환이 이루어질 수 있으며, 과전류를 접지 (8) 또는 상대적으로 저전위의 다른 유닛으로 절환시키기 위해 배치된 상기 스위치 수단 (10) 이, 상기 스위치 수단 내에 존재하는 전극 갭 (24) 에 트리거링 수단 (25) 을 이용하여 상기 전극 갭에 방사 에너지를 공급하여 전기 전도성을 부여함으로써 과전류 절환을 위해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 50 항에 있어서, 스위칭 장치 (4) 및 상기 대상체 (1) 사이와 상기 스위치 수단 (4) 및 상기 대상체 (1) 사이의 라인 (2) 에 배치된 추가 차단기 (6) 는, 상기 대상체 (1) 를 향하거나 상기 대상체 (1) 로부터 멀리 떨어지는 방향으로의 과전류가 상기 스위치 수단 (10) 에 의해 감소된 후에 차단하기 위해, 동작되는 것을 특징으로 하는 장치.