KR20060036446A - 액체 금속 전류 제한기에서 전류 제한을 위한 방법 및디바이스 - Google Patents

액체 금속 전류 제한기에서 전류 제한을 위한 방법 및디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전류 제한 방법, 전류 제한 디바이스(1), 그리고 이러한 디바이스를 포함하는 개폐 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 액체 금속(3)은, 본선-관련 누전 전류(i(t))에 대한 아크-없는 전류를 얻기 위해서 전류 제한 경로(31)를 위해 저항기 요소(5)를 따라서 방향 지어진다. 실시예의 예는, 많은 가운데, 매끄러운 전류 제한 특성을 위해 액체 금속(3)의 이동 방향(x)으로 비선형의 방식으로 증가하는 전기 저항(Rx), 액체 금속(3)을 위한 채널(3a)을 포함하는 유전체 매트릭스(5), 그리고 결합된 전류 제한기-회로 차단기(1)이다. 이점은, 많은 가운데, 아크-없고, 가역적 전류 제한 및 선택적 전력 중단, 또한 고 전압 및 전류에 적합하다는 것, 빠른 반응 시간, 감소된 마모, 그리고 관리에 친숙하다는 것이다.

Description

액체 금속 전류 제한기에서 전류 제한을 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR LIMITING THE CURRENT IN A LIQUID METAL CURRENT LIMITER}
본 발명은, 전기 개폐 장치 조립체를 위한, 특히 고-, 중- 및 저전압 개폐 장치 조립체에서 누전 전류 제한을 위한 주요한 기술의 분야에 관한 것이다. 본 발명은, 독립항의 전제부에서 청구된 바와 같이, 전류 제한을 위한 개폐 장치 및 방법, 그리고 이와 같은 장치를 가지는 개폐 장치 조립체에 기초한다.
DE 199 03 939 A1은, 액체 금속을 이용한 자기-회복 전류 제한 디바이스를 기재한다. 압력-저항 절연 하우징이 두 고체 금속 전극 사이에 배열되고, 이 하우징에서 액체 금속은 압축기 영역 및 접속 채널(connecting channel)에 배열되고, 접속 채널은 압축기 영역 사이에 위치하고 압축기 영역을 연결해서, 고체 전극간에 공칭 전류를 위한 전류 경로를 결과적으로 생기게 한다. 접속 채널에서 전류 경로는 압축기 영역에서보다 좁다. 단락(short-circuit) 전류가 발생할 때, 접속 채널은 심하게 가열되고, 기체를 방출한다. 접속 채널에서 애버란시-형(avalanche-like) 기체 기포 형성은 결론적으로 액체 금속이 압축기 영역으로 증발해서, 접속 채널에서 흐름-제한 아크(flow-limiting arc)가 점화되고, 접속 채널에 액체 금속이 존재하지 않는다. 일단 과전류가 감소하면, 액체 금속은 다시 응축할 수 있고, 전류 경로는 다시 작동한다.
WO 00/77811은 자기-회복 전류 제한 디바이스의 개선점을 기재한다.
접속 채널은 위를 향해 원뿔꼴로 확장해서, 액체 금속의 충전 수준이 변화될 수 있고, 정격 전류 운반 용량은 넓은 범위에 걸쳐서 변화될 수 있다. 추가로, 접속 채널의 오프셋 배열은 결론적으로 우회 전류 경로(meandering current path)의 형성을 야기해서, 과전류의 결과로 액체 금속이 증발할 때 일련의 전류-제한 아크가 점화된다. 이것과 같은 핀치 효과 전류 제한기(pinch effect current limiter)는, 압력과 온도의 관점에서 복잡한 설계를 수반하는 매우 안정된 설계를 필요로 한다. 전류 제한을 위한 아크의 사용은 전류 제한기의 내부에서 결론적으로 심한 마모를 야기하고, 부식 잔류물은 액체 금속을 오염시킬 수 있다. 단락 직후 액체 금속의 재응축은 다시 전도 상태(conductive state)를 야기해서, 연결 해제 상태(disconnected state)가 제공되지 않는다.
DE 40 12 385 A1은 전류-제어된 연결 해제 장치(current-controlled disconnection apparatus)를 기재하고, 이것의 작용 원리는 액체 금속을 이용한 핀치 효과에 기초한다. 액체 금속으로 충전된 단일의, 좁은 채널은 두 고체 금속 전극 사이에 배열된다. 과전류가 발생할 때, 액체 전도체(liquid conductor)는 전자기력의 결과로서 핀치 효과에 의해 함께 끌어 당겨져서, 전류 자체는 액체 전도체를 수축시키고, 그것을 연결 해제시킨다. 변위된 액체 금속은 공급 콘테이너에 모아지고, 과전류 사건(overcurrent event)후 다시 되돌아 흐르게 된다. 접점은 어떤 아크도 없이 연결 해제된다. 그러나, 디바이스는 단지 비교적 작은 전류, 저 전압 그리고 느린 연결 해제 시간에 적합하고, 영구적인 연결 해제 상태를 제공하지 않는다.
DE 26 52 506은 액체 금속을 이용한 전기 고-전류 스위치(electric heavy-current switch)를 기재한다. 한편으로는, 액체 금속 혼합물은 고체 금속 전극을 적시기 위해 그리고 접촉 저항을 줄이기 위해 사용된다. 이러한 경우에, 액체 금속은, 접점 갭(conatact gap)으로의 중력에 대항하여 기계적 변위, 예로 이동 접점(moving contact) 또는 공기압 구동 구동된 플런저-타입 피스톤에 의해서 구동된다. 액체 금속은, 추가적으로 핀칭 효과(pinching effect)에 의해 안정화되고 접점 갭에 고정되어 유지될 수 있다. 핀칭 효과에 기초하여, 전류-운반 전도체는 전도체를 통해서 흐르는 전류의 결과에 의해 방사상의 압축을 경험한다. 예로 전원으로부터 발생하는 외부 자계 및 포유 자계(stray magnetic flux)는 액체 금속에서 흐름 불안정을 야기할 수 있고 차폐되고, 액체 금속에서 아크의 소멸(quenching)을 돕기 위해 연결 해제 동안 허용될 수 있다. 이것은, 점진적인 전류 제한이 가능하지 않고, 고체 전극간에 아크는 액체 금속에서 산화를 야기한다는 단점을 갖는다. 고-전류 스위치의 설계는 액체 금속을 위한 밀봉부, 불활성 기체 또는 진공을 포함하고, 이와 대응해서 복잡하다.
GB 1 206 786은, 독립항의 전제부에 기재된 액체 금속을 주원료로 한 전기적 고-전류 스위치를 기재한다. 제 1 위치에서, 액체 금속은 동작 전류를 위한 제 1 전류 경로를 형성하고, 전류 스위칭(current switching) 동안 저항 요소를 따라서 통과되고, 저항 요소와 직렬로 연결된 제 2 위치로 이동되고, 전류를 작은 부분 (small fraction)으로 감소시킨다. 고-전류 스위치는 플라즈마 생성을 위한 메가암페어 및 1 ms 이하의 범위에서 고-밀도 전류 펄스를 생성하도록 설계된다.
본 발명의 목적은, 향상되고 간단한 전류 제한을 위한 방법, 장치 및 이와 같은 장치를 가지는 전기 개폐 장치 조립체를 상술하는 것이다. 이러한 목적은, 독립항의 특징부에 의해 본 발명에 따라서 성취된다.
제 1 양상에서, 본 발명은, 고체 전극 및 액체 금속을 위한 적어도 하나의 콘테이너를 가지는 전류 제한 장치에 의해서 전류 제한을 위한 방법을 포함하고, 여기에서 동작 전류는 고체 전극간에 전류 제한 장치를 통해 제 1 전류 경로를 따라 운반되고, 제 1 동작 상태에서, 제 1 전류 경로는 제 1 위치에 위치한 액체 금속을 통해 적어도 부분적으로 통과되고, 액체 금속은, 이동 방향을 따라서 제 2 동작 상태에 적어도 하나의 제 2 위치로 이동되고, 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 전이 동안 저항 요소를 따라서 통과되고, 적어도 하나의 제 2 위치에서 저항 요소와 직렬로 연결되고, 결과적으로 전류-제한 제 2 전류 경로는, 전류 제한 장치를 통해 형성되고 미리 정해질 수 있는 전기 저항을 가지고, 전기 저항은 제 2 위치의 함수로 선택되어지고, 이동 방향을 따라서 액체 금속의 거리/시간 특성이 선택되어져서, 액체 금속의 모든 제 2 위치에서, 전기 저항과 전류의 곱은 액체 금속과 고체 전극 및 중간 전극(intermediate electrode) 사이의 아크 점화 전압보다 작고, 네트워크-의존 단락 전류를 극복하기 위해 충분한 전류 제한 그레디언트가 얻어진다. 본 발명에 따른 전류 제한 방법은 네트워크-의존 단락을 제한하기 위해 적합하다. 본 발명에 따라서, 액체 금속은 액체 응집 상태로 남아 있고, 강제된 이동에 의해서 다른 위치간에 계획적으로 이동된다. 이러한 경우에 핀치 효과는 사용되지 않는다. 1 ms 미만으로 떨어지는 매우 빠른 전류 제한 반응 시간이 얻어질 수 있다. 이 방법은, 전류-제한 과정의 동력학의 최적 설계에 대한 설계 기준을 상술한다. 적절하게 설계된 전기 저항이 적시어 지고 절연체가 아닌 액체 금속에 의해서 접촉되어지기 때문에, 전류 제한이 발생할 때, 아크가 점화되지 않는다. 전류 제한 방법은 따라서 또한 매우 높은 전압 수준에 사용되어 질 수 있다. 이 과정에서, 액체 금속의 부식 또는 침식의 결과로 어떠한 마모도 거의 발생하지 않는다. 전류 제한 과정은 가역적으로 발생하고, 따라서 관리에 친숙하고 비용에 효과적이다.
제 1 예시적인 실시예에서, 제 2 전류 경로에 대해 액체 금속의 이동 방향을 따라서 비선형적으로 증가하는 전기 저항을 가진 저항 요소는 매끄러운 연결 해제 특성을 성취하기 위해 선택된다.
추가의 예시적인 실시예에서, 저항 요소는 순수 저항성이고, 전기 저항은 제 2 위치를 따라 연속적으로 증가하거나/증가하고 전기 저항은, 우선 무엇보다도 제 2 위치의 함수로서 제 2 위치를 따라 비례한 것보다 크게 증가하고 그 다음에 네트워크 인덕턴스에 저장되어진 에너지가 흡수되어야 하는 위상(phase)에서 제 2 위치를 따라 선형적으로 증가하고, 그 다음에, 단락 전류가 이미 제한되고 더 큰 전기 저항을 견딜 수 있는 영역에서, 다시 한번 더 제 2 위치의 더 급경사진, 즉 비례하는 것보다 크게 증가하는 함수로 변한다.
이것은 결과적으로 점진적인 전류 제한을 위한 매끄러운 전류 제한 특성을 낳는다.
청구항 제 4 항에서 청구된 예시적인 실시예는, 스위칭될 전류 경로에 관해서 액체 금속의 콤팩트한 배열(compact arrangement)의 이점을 가진다.
청구항 제 5항에서 청구된 예시적인 실시예는, 유전체에 액체 금속 칼럼의 교류 직렬 연결이, 심지어 고-전압과 고-전류하 효율적이고 안전하게 조종되어 질 수 있다는 것을 의미하는 이점을 갖는다.
청구항 제 6 항 및 제 8 항은, 전류-제한 스위치, 또는 액체 금속을 이용한 일체형 스위치를 가진 전류 제한기를 위한 특히 단순한 구성을 상술한다.
청구항 제 7항은, 전류 제한이 독립적이고 동시에 자기-회복성이기 때문에 유리한 전류 제한을 상술한다.
본 발명의 추가 양상은, 고체 전극 및 액체 금속을 위한 적어도 하나의 채널을 가진 콘테이너를 가진 전류 제한을 위한 장치, 특히 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이고, 여기에서 동작 전류를 위한 제 1 전류 경로는, 제 1 동작 상태에서 고체 전극간의 전류 제한 장치를 통해서 제공되고, 제 1 전류 경로는 제 1 위치에 위치한 액체 금속을 통해 적어도 부분적으로 통과하고, 미리 정해질 수 있는 전기 저항을 가진 전기 저항 수단이 제공되고, 적어도 하나의 제 2 위치로 저항 수단을 따라 이동 방향을 따라서 액체 금속의 이동과 공간에서 위치를 정하기 위해 위치를 정하는 수단이 제공되고, 액체 금속은, 제 2 동작 상태에서 저항 수단과 적어도 부분적으로 직렬로 연결되고, 저항 수단과 함께 제 2 전류 경로를 형성하고, 동작 전류는 제한될 전류로 제한되어 질 수 있고, 제 2 전류 경로에서 전기 저항은 제 2 위치의 함수로 설계되어지고 위치를 정하는 수단은 이동 방향을 따라서 액체 금속의 거리/시간 특성을 가져서, 액체 금속의 모든 제 2 위치에서 전기 저항과 전류의 곱은 액체 금속 및 고체 전극 및 중간 전극 사이의 아크 점화 전압보다 작고, 네트워크-의존 단락 전류를 극복하기 위해 충분한 전류 제한 그레디언트가 얻어진다.
본 발명의 추가 실시예, 이점 및 응용은 지금 다음에 오는 설명 및 도면으로부터 뿐만 아니라 종속항으로부터 야기된다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는, 전류가 제한되고 있는 때 정격 전류 동작을 위한 본 발명에 따른 액체 금속을 이용한 전류 제한 디바이스를 도시한 도면.
도 2는, 액체 금속 전류 제한기 형태의 전류-제한 스위치 및 직렬로 배열된 스위치를 도시한 도면.
도 3, 도 4는, 정격 전류 동작 동안 액체 금속을 위한 집수 메카니즘(catchment mechanism)을 이용한 전류-제한 스위치를 도시한 도면.
도 5는, 전류 제한기의 저항의 변화를 액체 금속 칼럼의 위치의 함수로서 설명하는 곡선을 도시한 도면.
도 6은, 액체 금속을 위해 기체 구동을 이용한 결합된 액체 금속 전류 제한기 및 액체 금속 회로 차단기를 도시한 도면.
동일한 부분은 도면에서 같은 참조 번호를 구비한다.
도 1의 (a) 및 1b는 액체 금속 전류 제한기(1)의 예를 보여준다. 전류 제한기(1)는 전류 원(20)을 위한 고체 금속 전극(2a,2b) 및 중간 전극(2c)을 가지고, 액체 금속(3)을 위한 콘테이너(4)를 가진다. 콘테이너(4)는 절연 물질로 구성된 베이스(6) 및 커버(6)를 가지고, 베이스와 커버 사이에 액체 금속(3)을 위한 적어도 하나의 채널(3a)을 가지는 전기 저항 수단(5)이 배열된다. 예로, 장벽 기체{barrier gas), 절연 액체(여기에 도시되지 않은 누출 부피(escape volume}를 가지는), 또는 진공이, 예로, 액체 금속 칼럼(3) 상부에 배열될 수 있다.
제 1 동작 상태(도 1의 (a))에서, 동작 전류 즉 정격 전류(I1)는 입력 전극(input electrode)(2a)으로부터 액체 금속(3) 그리고 가능하면 중간 전극(intermediate electrode)(2c)을 거쳐서 출력 전극(output electrode)(2b)으로의 정격 전류 경로(30) 상에서 흐른다. 이러한 경우에, 제 1 위치(x1)에서 액체 금속은, 고체 전극(2a,2b,2c)을 적어도 부분적으로 적시고, 전기적으로 전도성 있게 채널(3a)을 브리징(bridge)한다. 제 2 동작 상태(도 1의 (b))에서, 액체 금속(3)은, 이동 방향(x)을 따라서 채널(3a)에 대한 높이 정도에 의해 한정되는 제 2 위치로 이동했고, 제 2 위치에서 액체 금속은 전기 저항 수단(5)과 직렬이고 이러한 수단과 함께 제한되어질 전류(I2)를 위한 제 2 전류 및 전류 제한 경로(31)를 형성한다. 특히 콤팩트한 배열을 위해서, 정격 전류 경로(30) 및 전류-제한 제 2 전류 경로(31)는 서로 평행하게 배열되고, 그것은 둘 다 액체 금속(3)의 제 2 위치(x12,x2)에 의해 미리 정해질 수 있는 가변 높이에서, 채널(3a)의 높이 한계에 직각으로 배열 된다. 접촉 물질에 의존하는 10 V 내지 20 V의 전형적인 최소 아크 점화 전압은, 고체 전극(2a,2b,2c)으로부터 저항 요소(5)까지 전류(i(t))의 아크-없는 정류(arc-free commutation)를 위해 초과되어서는 안된다.
저항 수단(5)은, 바람직하게 액체 금속(3)을 위한 다수의 채널(3a)의 유전체 절연을 위한 벽-같은 웨브(5a)를 가지는 유전체 매트릭스(5)를 포함하며, 웨브(5a)는 이동 방향(x)에서 비선형적으로 증가하는 저항(Rx)을 갖는 유전체 물질을 갖는다. 웨브(5a)는, 채널(3a)의 전기적으로 전도성 있는 연결을 위해, 액체 금속(3)의 제 1 위치(x1)의 높이에 중간 전극(2c)을 가져야 한다. 채널(3a)은 사실상 서로 평행하게 배열된다. 벽-같은 웨브(5a)는 저항 요소(5)의 개개의 저항(5a)에 상당해서, 전류-제한 제 2 전류 경로(31)는 채널(3a)과 개개의 저항(5a)의 직렬 연결을 교대함으로써 형성되어진다.
이동 방향(x)을 따라서 적어도 하나의 제 2 위치(x12,x2)로 액체 금속(3)의 이동 및 공간적인 위치를 정하기 위한 위치를 정하는 수단(3a;20,B,12)은, 액체 금속(3)을 위한 채널(3a) 및 운송 또는 구동 수단(20,B,12), 그리고 특히 또한 구동 제어기(11)(도 6에 도시됨)를 포함한다. 전자기 구동(20,B) 또는 유전체 유체(12)를 이용한 기계적 구동은 바람직하게 제공되고, 이것에 의해서 액체 금속(3)은 정격 전류 경로(30) 및 전류 제한 경로(31) 사이에서 이동되어질 수 있다.
제 1 위치(x1)로부터 제 2 위치(x12,x2), 특히 말단 제 2 위치(x2)로 전이동안, 액체 금속(3)은 저항 요소(5)를 따라서 이동되어진다. 매끄러운 연결 해제 특 성을 얻기 위해서, 저항 요소(5)는, 전기 저항(Rx), 제 2 전류 경로(31)에 대해 액체 금속(3)의 이동 방향(x)을 따라서 비선형적으로 증가하는 전기 저항(Rx)을 가진다. 저항 요소(5)는 저항성 요소를 가져야 하고, 제 2 위치(x12,x2)를 따라 계속적으로 증가하는 전기 저항(Rx)을 갖는 바람직하게는 순수한 저항성이다.
제 2 동작 상태는 전형적으로 과전류에 의해 개시된다. 전류 제한은, 바람직하게는 독립적으로 작동되고 특히 전류가 흐르는 액체 금속(3)에 작용하는 전자기력(electromagnetic force)(Fmag)에 의해서 작동되며, 액체 금속(3)은 외부 자계(B) 또는 전류 전원(2a,2b;20)에 의해서 생성된 내부 자계(B)에 배열된다.
도 2는, 전기 스위치(7), 특히 회로 차단기(7)와 직렬로 연결된 본 발명에 따른 전류 제한기(1)를 보여준다. 이 배열에서 전류-제한 스위치(1,7)가 제공되고, 이 배열에서 전류 제한은, 주로 종래에 전류 연결 해제에 후속하는 액체 금속(3)을 이용한 본 발명에 따른 방법에 의해서 발생한다. 만약 액체 금속(3)이 전자기적으로 구동되면, 두 전극 제한기(1)는, 직렬로 연결되어질 수 있고, 액체 금속 이동은 각각의 전류 반주기(half-cycle)에서 전류 제한, 그리고 만일 필요하다면 전류 연결 해제를 얻기 위해서 반위상(antiphase)에서 효과적으로 개시되어 진다.
도 3은, 액체 금속(3)을 유지하기 위해 그리고 전류 연결 해제를 위한 절연 경로(32)를 제공하기 위해 집수 콘테이너(3b)가 제공된 전류 제한기(1)의 변형예를 보여준다. 더구나, 도시된 바와 같이, 액체 금속(3)을 위한 공급원(3c)은, 채널 (3a)을 액체 금속(3)으로 충전하기 위해 그리고 장치(1)의 재연결을 위해 구비되어질 수 있다. 더욱이, 정격 전압 경로(30)에 더하여 그리고 전류 제한 경로(31)에 더하여, 절연 경로가 제공되고, 절연 경로 상에서 전류 제한을 위한 웨브(5a)는 전류 절연을 위한 웨브(8a)에 병합된다. 절연 웨브(8a)는, 사실상 절연 물질로 구성되고, 집수 콘테이너(3c)의 영역에서 바람직하게 배열되고, 집수된 액체 금속(3)이 비어져있는 채널과 함께 절연 경로(32)를 형성한다.
도 4는, 절연 경로(32)가 집수 콘테이너(3b)를 가지지 않는 추가 변형예를 보여준다. 이러한 경우에, 액체 금속(3)을 위한 구동 메카니즘은 전류 제한기(1)를 위한 회전 구동(11')에 의해 제공되어진다. 제 2 동작 상태에서, 장치(1)는 미리 정할 수 있는 회전 속도로 회전되어져서, 마찰력과 한편으로는 모세관력 그리고 다른 한편으로는 원심력 사이의 평형은 결론적으로 액체 금속(3)이 저항 요소(5)의 영역에서 제 2 위치(x12)를 취하게 하고, 전류 제한 경로(31)를 형성하게 한다. 회전 속도를 증가시켜서 따라서 원심력을 증가시킴으로서, 액체 금속(3)은 절연 웨브(8a)의 영역으로 밀어 넣어지고, 절연 웨브와 함께, 절연 경로(32)를 형성한다. 액체 금속이 전도성이기 때문에, 절연 웨브(8a)는 더 엄중한 유전체 강도 필요조건을 받아야 하고, 이것은, 예로 더 넓은 절연 웨브(8a) 및/또는 물질의 적절한 선택에 의해 성취되어진다.
따라서, 양쪽 변형예에서, 액체 금속(3)은, 전류 연결 해제를 위해 정격 전류 경로(30), 전류 제한 경로(31) 및 절연 경로(32) 사이에서 이동할 수 있어서, 결론적으로 액체 금속을 주원료로 한 통합된 전류-제한 스위치(1)를 생성한다. 동작 전류(I1)를 위한 제 1 전류 경로(30), 전류 제한을 위한 제 2 전류 경로(31) 그리고, 특히, 절연 경로(32)는 이동 방향(x)에 대해 사실상 직각으로 배열되고/배열되거나 서로 사실상 평행하게 배열된다. 이것은, 오로지 액체 금속(3)만 이용해서 작동하는 통합된 전류 제한기 즉 전류 차단기(1)에 대한 특히 단순한 구성에 의해서 성취된다.
도 5는, 전류 제한기(1) 또는 전기-제한 스위치(1)를 위한 액체 금속(3)의 제 2 위치(x12)의 함수로서 전기 저항(Rx)의 설계를 보여준다. 저항(Rx)은, 말단 제 2 위치(x2)에서의 최대 값(Rx(x2))까지 비선형적으로 증가하도록 유리하게 선택된다. 저항(Rx)의 최대 값(Rx(x2))은, 동작 전류(I1)의 연결 해제를 위해 제한되어질 전류(I2)를 기초로 한 주어진 전압 수준에 대해서 유한한 값으로 또는 유전체 절연 값으로 또한 설계된다.
이동 방향(x)을 따른 액체 금속(3)의 거리/시간 특성(x12(t)) 및 제 2 위치(x12)의 함수(Rx(x12))로서 전기 저항(Rx)은, 액체 금속(3)의 모든 제 2 위치(x12,x2)에서 전기 저항(Rx)과 전류(I2)의 곱이 액체 금속(3)과 고체 전극(2a,2b) 및 중간 전극(2c) 사이의 아크 점화 전압(Ub)보다 작도록 및/또는 네트워크-의존 단락 전류(i(t))를 극복하기 위해 충분한 전류 제한 그레디언트를 얻기 위해 선택되어야 한 다.
전기적 네트워크 파라미터 및 연결 해제될 접점(2a,2b)의 항복 응답(breakdown response)에 의존하는 전류 제한 저항(Rx)은 단락을 극복하기 위해 필수적이다. 단락 전류(i(t))의 그레디언트가 더 커질수록, 더 작은 Rx가 선택되어져야 한다. 최악의 경우에, 최대 단락 전류 진폭 및 최대 단락 전류 인덕턴스가 가정되어야 한다. 이러한 경우에:
[수학식 1]
Rx(t)·i(t) ＜ Ub(t)
[수학식 2]
Rx(t)·i(t) + L·di/dt(t) = UN(t)
여기에서 t는 시간 변수이고, L은 단락의 경우에 네트워크 인덕턴스이고, UN은 동작 또는 정격 전압이고, d/dt는 제 1 도함수 그리고 d2/dt2은 제 2 시간 도함수이다. 수학식 2는 네트워크에서 저항은 RNetwork ≪ L이고 단락의 경우에 네트워크 전압(UN)이 유지된다는 가정에 기초한다. 더욱이, 수학식 3은, 질량(m), 편향(deflection)의 위치(x12(t)), 마찰계수(α) 그리고 구동력(F)으로 액체 금속(3)에 대해 적용된다.
[수학식 3]
m·d2x12/dt2 + α·dx12/dt(t) = F - Fr
여기에서 Fr 은 복원력이고, 특히, 중력 Fr=m·g와 같고 여기에서 g는 지구 상의 중력에 기인한 가속도이다. 예로서 도 5는, 액체 금속을 통해 흐르는 전류(i(t))의 자기-상호작용(self-interaction)의 결과로서 액체 금속(3)에 가해지는 전자기력이 F=Fmag라는 가정에 기초했다. 그 다음에, 이 외에도,
[수학식 4]
F = k·i2(t)
여기에서, k는 기하학적 형태에 의존하는 비례 상수이다. 외부 자계(B)에 대해서, F = k'·i(t)이고, 여기에서 k'는 추가 비례 상수이다. 기계적 구동의 경우에, F는 연결 해제될 전류(i(t)) 또는 과전류(i(t))의 함수로, 예로 개방-루프(open-loop) 또는 폐-루프(closed-loop) 제어 목적을 위해 선택될 수 있는 액체 금속(3)에 대해 기계적으로 생성된 압력(pressure force)이다. 도 5는, 예로, 다음의 가정에 기초한다: 전류 그레디언트 UN=1 kV, I1=1 kA, 단락에 의존하는 di/dt=15 kA/ms, 최대 단락 전류 I2=50 kA 그리고 k, m 및 α에 대한 가능한 파라미터 값. 그 다음에 저항(Rx(t))은 제약 조건(constraint) 수학식 1에 종속하는 수학식 2 내지 4를 풀어서 얻어지고, 그 다음에 액체 금속(3)의 거리/시간 특성(x12(t))이 얻어지고, 마지막으로, 저항(Rx(x12))은, 도 5에서 대수적으로 도시된 것과 같이, 제 2 위치(x12)의 함 수로서 시간 의존성을 제거함으로써 얻어진다. 제 1 위치(x1)에서 시작할 때, 즉 액체 금속(3)이 고체 전극(2a,2b,2c)으로부터 분리될 때, Rx는 처음에 제 2 위치(x12)를 따라 비례하는 것보다 크게 증가하고, 그 다음에 네트워크 인덕턴스(L)에 저장된 에너지가 흡수되어야 하는 위상에서 선형적으로 증가하고, 그 다음에 전류(i)가 이미 제한되고 더 큰 Rx를 견딜 수 있는 범위에서 다시 점차 더 급 경사진, 즉 비례하는 것보다 큰 증가(Rx(x12))에 병합된다.
이동된 거리(x)를 따라 비선형적으로 증가하는 이와 같은 저항(Rx)은, 예로, 다른 저항(resistivity)을 가진 물질에 의해서 얻어질 수 있다. 비선형적으로 증가하는 총 저항(Rx)은 또한 균일한 저항을 가진 저항 요소에서 전류 경로의 적절한 기하학적 유도에 의해서 얻어질 수 있다. 저항(Rx)의 비선형의 등급(graduation)은 또한 두 수단의 결합에 의해, 특히 가변 저항을 가진 저항 요소에서 적절한 기하학적 유도에 의해서 얻어질 수 있다.
도 6은, 액체 금속(3)을 위한 기체 구동(12)을 이용한 결합된 액체 금속 전류 제한기(1) 및 액체 금속 회로 차단기(1)를 보여준다. 액체 금속(3)이 양의 이동 방향(+x)으로 이동될 때, 전류(i)는, 전류 제한 경로(31)를 따라 운반되고 위에서 설명한 것과 같이 제한된다. 대안적으로, 액체 금속(3)은, 제 3 동작 상태에서 반대의 이동 방향(-x)을 따라서 적어도 하나의 제 3 위치(x13,x3)로 이동될 수 있으 며, 액체 금속(3)은 적어도 하나의 제 3 위치(x13,x3)에서 절연체(8)와 직렬로 연결되고 그리고 따라서 장치(1)에 의해서 전력 연결 해제를 위한 절연 경로(32)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 절연 경로(8)는, 연결 해제의 경우에 아래로 향해 이동되어져 있는 액체 금속 칼럼(3)과 교대로 직렬로 연결된 다수의 절연 웨브(8a)에 의해 형성된다. 특히, 제 3 상태는 연결 해제 명령에 의해 개시되면서, 액체 금속(3)은 스위치 가능한 외부 자계(B)를 이용한 전자기적 구동에 의해 또는 유전체 유체(12)를 이용한 기계적 구동에 의해 이동된다. 예로서, 도 6은, 압력(p1)에서 기체의 부피(V1)을 가진 제 1 기체 압력 콘테이너(121), 및 압력(p2)에서 기체의 부피(V2)를 가진 제 2 기체 압력 콘테이너(122)가, 작업 부피(working volume)(V3) 및 작업 압력(working pressure)(p3)을 가진 작업 압력 콘테이너(123)를 가진 제어 가능한 기체 압력 밸브(13)에 의해서 각각의 기체에서 통하는 기체 구동(12)을 보여준다. 두 개별의 밸브(13)대신에, 결합된 밸브, 즉 쓰리-웨이 밸브(three-way valve)를 제공하는 것이 또한 가능하다. 적절한 압력, 예로 p1＜p2, 그리고 밸브(13)의 활성화(activation)의 선택에 의해서, 제 1, 제 2 및 제 3 동작 상태사이에서 양 방향으로 계획적으로 스위치하는 것이 가능하다. 예로서, 전류 제한(31)을 위해, 기체는 압력 p1에서 121로부터 작업 부피(V3)로 흐르고, 액체 금속 칼럼(3)은 x12 또는 x2로 상승한다. 정격 전류 동작(30)에 대해서, 기체는 때때로 122로부터 흘러나오고, 액체 금속 수준은 x=0까지 떨어진다. 전력 연결 해제(32)에 대해서, 압력(p2)에서 콘테이너(122)는 개방되고, 액체 금속(3)은 제 3 위치(x13), 또는 극단 제 3 위치(x3)까지 하강한다. 밀폐 부피(enclosure volume)(124)에 수용된 기체는 복원 탄성력을 생성한다. 기체 구동(12)의 추가 상세예 및 변형예, 예로 각각의 경우에 세 동작 상태 중 하나에 대한 세 개의 다른 압력을 가진 세 압력 콘테이너, 및 특히 압력 콘테이너에 부피(124)의 연결이 가능하고, 이것에 의해서 또한 명백히 포함되는 것을 의도한다. 대안적으로 또는 압력 콘테이너(121,122)에 더하여, 액체 금속 구동은, 또한 외부 또는 내부 자계(B)를 이용해서 자기를 띠거나 피스톤(들)을 이용해서 기계적으로 작동되도록 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 기체에 더하여, 다른 유전체 작동 유체, 예로 기름을 사용하는 것이 또한 가능하다. 예로서, 수은, 갈륨, 세슘, GaInSn 등은 액체 금속(3)으로서 사용에 적합하다.
전류 연결 해제를 위한 절연 경로(32)는, 제 2 전류 경로(31) 상부 및/또는 제 1 전류 경로(30) 하부에 유리하게 배열된다. 이것은 결과적으로 스위치될 전류에 대해서, 특히 정격 전류 경로(30), 전류 제한 경로(31) 그리고, 적절하다면 전류 연결 해제 경로(32)에 대해서 액체 금속의 구동 메카니즘(12) 및 액체 금속(3)의 콤팩트한 배열을 생성한다. 도 6에서 전류 제한기(1)는, 설명된 바와 같이 또한 전류-제한 스위치(1)의 형태일 수 있다.
장치(1)의 응용은, 특히 전기 전원 네트워크에서 전류 제한기, 전류-제한 스위치 및/또는 회로 차단기(1)로, 자기-회복 보호 디바이스로 또는 모터 시동장치(motor starter)로 사용에 관한 것이다. 본 발명은, 위에서 설명된 바와 같은 장치 (1)에 의해 특징지어지는, 또한 전기 개폐 장치 조립체, 특히 고-전압 또는 중-전압 개폐 장치 조립체를 포함한다.
도면 참조 번호
1 액체 금속 전류 제한기
2a, 2b 고체 금속 전극, 금속 플레이트
2c 중간 전극
20 전류 공급부, 전류 전도체
3 액체 금속
3a 액체 금속을 위한 채널
3b 액체 금속을 위한 집수 콘테이너
3c 액체 금속을 위한 공급원
30 동작 전류를 위한 전류 통로, 제 1 전류 통로
31 전류 제한을 위한 전류 통로, 제 2 전류 통로
32 전류 방해 통로, 절연 통로
4 액체 금속 콘테이너
5 전류 제한을 위한 저항 요소, 액체 금속을 위한 저항 매트릭스
5a 개개의 저항
6 절연체, 콘테이너 커버, 하우징 벽
7 스위치, 회로 차단기
8 전류 방해를 위한 절연체
8a 개개의 절연체
9 구부러질 수 있는 멤브레인
10 액체 금속 공급을 위한 밸브
11 구동 제어부, 자계 제어부
11' 회전 운동
12 액체 금속을 위한 기체 구동
121-124 기체 압력 콘테이너
13 기체 압력 밸브
α 마찰 계수
B 자계
Fmag 자기력
Fr 복원력
I 전류
I1 동작 전류
I2 제한된 과전류
k 비례 상수
L 네트워크 인덕턴스
P1, P2, P3 기체 압력
Rx 전류 제한기를 위한 저항
t 시간 변수
Ub 아크 점화 전압
UN 네트워크 전압, 동작 전압
V1, V2, V3 기체 부피
x, x1, x2, x12, x3, x13 액체 금속 칼럼의 위치
본 발명에 따른 액체 금속 전류 제한기에서 전류 제한을 위한 방법 및 디바이스는 전기 개폐 장치 조립체에 산업상 이용 가능하다.

Claims (15)

  1. 전류 제한 장치(1)를 가지는, 특히 전기 전원 네트워크에서 전류 제한(1)을 위한 방법으로서,
    상기 전류 제한 장치(1)는 고체 전극(2a,2b), 및 액체 금속(3)을 위한 적어도 하나의 채널(3a)을 가진 콘테이너(4)를 가지고, 동작 전류(I1)는 상기 고체 전극(2a,2b)간에 상기 전류 제한 장치(1)를 통해 제 1 전류 경로(30)를 따라 운반되고, 상기 제 1 전류 경로(30)는 제 1 동작 상태에서, 제 1 위치(x1)에 위치한 상기 액체 금속(3)을 통해 적어도 부분적으로 통과되고, 상기 액체 금속(3)은, 이동 방향(x)을 따라서 제 2 동작 상태에서 적어도 하나의 제 2 위치(x12,x2)로 이동되고, 상기 제 1 위치(x1)로부터 상기 제 2 위치(x12,x2)로의 전이 동안 저항 요소(5)를 따라서 통과되고, 상기 적어도 하나의 제 2 위치(x12,x2)에서 상기 저항 요소(5)와 직렬로 연결되고, 결과적으로 전류-제한 제 2 전류 경로(31)는 상기 전류 제한 장치(1)를 통해 형성되고, 미리 정해질 수 있는 전기 저항(Rx)을 가지는, 전류 제한을 위한 방법에 있어서,
    상기 전기 저항(Rx)은 상기 제 2 위치(x12)의 함수(Rx(x12))로 선택되어지고,
    상기 이동 방향(x)을 따른 상기 액체 금속(3)의 거리/시간 특성(x12(t))은,
    a) 상기 액체 금속(3)의 모든 제 2 위치(x12,x2)에서, 상기 전기 저항(Rx)과 상기 전류(I2)의 곱은 상기 액체 금속(3)과 상기 고체 전극(2a,2b) 및 중간 전극(intermediate electrode)(2c) 사이의 아크 점화 전압(Ub)보다 작게 되도록,
    b) 네트워크-의존 단락 전류(i(t))를 극복하기 위해 적절한 전류 제한 그레디언트가 얻어지도록
    선택되는 것을 특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전류 경로(31)에 대해 상기 액체 금속(3)의 상기 이동 방향(x)을 따라서 비선형적으로 증가하는 전기 저항(Rx)을 가진 상기 저항 요소(5)는 매끄러운 연결 해제 특성을 성취하기 위해 선택되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    a) 상기 저항 요소(5)는 순수 저항성이고, 상기 전기 저항(Rx)은 상기 제 2 위치(x12,x2)를 따라 연속적으로 증가하거나/증가하고
    b) 상기 제 2 위치(x12)의 함수(Rx(x12))로 상기 전기 저항(Rx)은, 우선 무엇보다도 상기 제 2 위치(x12)를 따라 비례한 것보다 크게 증가하고, 그 다음에 네트워크 인덕턴스에 저장된 에너지가 흡수되어야 하는 위상(phase)에서 상기 제 2 위 치(x12)를 따라 선형적으로 증가하고, 그 다음에, 상기 단락 전류(i(t))가 이미 제한되고 더 큰 전기 저항(Rx)을 견딜 수 있는 영역에서, 다시 한번 더 상기 제 2 위치(x12)의 비례해서 증가하는 것보다 더 크게 증가하는 함수(Rx(x12))로 변하는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 액체 금속(3)의 상기 이동 방향(x)은 상기 적어도 하나의 채널(3a)의 높이 한계에 의해 미리 정해지고/지거나,
    b) 상기 전류-제한 제 2 전류 경로(31)는 상기 액체 금속(3)의 상기 제 2 위치(x12,x2)에 의해 미리 정해질 수 있는 가변 높이에서 그리고 상기 적어도 하나의 채널(3a)의 높이 한계에 대해 사실상 직각으로 지나가는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 다수의 채널(3a)은 서로 사실상 평행하게 배열되고, 벽-같은 웨브(5a)에 의해서 서로 분리되고,
    b) 상기 웨브(5a)는 상기 저항 요소(5)의 개개의 저항(5a)을 형성하고, 상기 전류-제한 제 2 전류 경로(31)는 상기 채널(3a)과 상기 개개의 저항(5a)의 직렬 연결을 교대로 함으로써 형성되고,
    c) 특히, 상기 웨브(5a)는 상기 고체 전극(2a,2b)과 동일한 높이로 통과하기 위해 상기 동작 전류(I1)를 위한 중간 전극(2c)을 가지는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 전기 저항(Rx)은 극단 제 2 위치(x2)에서의 최대 값(Rx(x2))까지 증가하고/증가하거나
    b) 주어진 전압 수준에 대해서, 상기 전기 저항(Rx)의 최대 값(Rx(x2))은, 제한되어질 전류(I2)를 기초로 한 유한한 값을 갖게 설계되거나, 상기 동작 전류(I1)의 연결 해제를 위한 유전체 절연 값을 갖게 설계되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 제 2 동작 상태는 과전류(I2)에 의해 개시되고/개시되거나,
    b) 상기 전류 제한은, 독립적으로, 특히 전류가 흐르는 상기 액체 금속(3)에 작용하는 전자기력(electromagnetic force)(Fmag)에 의해서 작동되어지고, 상기 액체 금속(3)은 외부 자계(B), 또는 전류 전원(2a,2b;20)에 의해서 생성된 내부 자계(B)에 배열되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 3 동작 상태에서
    a) 상기 액체 금속(3)은 반대의 이동 방향(-x)을 따라서 적어도 하나의 제 3 위치(x13,x3)로 이동되고,
    b) 상기 액체 금속(3)은, 상기 적어도 하나의 상기 제 3 위치(x13,x3)에 있을 때 절연체(8)와 직렬로 연결되어서, 상기 장치(1)에 의해서 전력 연결 해제를 위한 절연 경로(32)를 형성하고,
    c) 특히, 상기 제 3 동작 상태는 연결 해제 명령에 의해 개시되고, 상기 액체 금속(3)은 스위치 가능한 외부 자계(B)를 이용한 전자기적 구동에 의해, 또는 유전체 유체(12)를 이용한 기계적 구동, 특히 기체 구동(12)에 의해,에 의해 이동되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  9. 특히 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 것과 같은 상기 방법을 수행하기 위한, 전류 제한(1)을 위한 장치로서,
    상기 장치는, 고체 전극(2a,2b) 및 액체 금속(3)을 위한 적어도 하나의 채널(3a)을 가진 콘테이너(4)를 가지고, 동작 전류(I1)를 위한 제 1 전류 경로(30)는, 제 1 동작 상태에서 상기 고체 전극(2a,2b)간의 상기 전류 제한 장치(1)를 통해서 제공되고, 상기 제 1 전류 경로(3)는 제 1 위치(x1)에 위치한 상기 액체 금속(3)을 통해 적어도 부분적으로 통과하고, 미리 정해질 수 있는 전기 저항(Rx)을 가진 전기 저항 수단(5)이 제공되고, 적어도 하나의 제 2 위치(x12,x2)로 저항 수단(5)을 따라 이동 방향(x)을 따라서 상기 액체 금속(3)의 이동과 공간적으로 위치를 정하기 위해 위치를 정하는 수단(3a;20,B,12,11)이 제공되고, 상기 액체 금속(3)은, 제 2 동작 상태에서 상기 저항 수단(5)과 적어도 부분적으로 직렬로 연결되고, 상기 저항 수단(5)과 함께 제 2 전류 경로(31)를 형성하고, 상기 동작 전류(I1)는 제한될 전류(I2)로 제한되어 질 수 있는, 전류 제한을 위한 장치에 있어서,
    상기 전기 저항(Rx)은 상기 제 2 위치(x12)의 함수(Rx(x12))로 설계되어지고, 상기 위치를 정하는 수단(3a;20,B,12,11)은,
    a) 상기 액체 금속(3)의 모든 제 2 위치(x1,x2)에서, 상기 전기 저항(Rx)과 상기 전류(I2)의 곱은 상기 액체 금속(3)과 상기 고체 전극(2a,2b) 및 중간 전극(2c) 사이의 아크 점화 전압(Ub)보다 작게 되도록,
    b) 네트워크-의존 단락 전류(i(t))를 극복하기 위해 적절한 전류 제한 그레디언트가 얻어지도록
    상기 이동 방향(x)을 따라서 상기 액체 금속(3)의 거리/시간 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 전류 제한을 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 전류 경로(31)에 대해 매끄러운 연결 해제 특성을 달성하기 위해 상기 저항 수단(5)은, 상기 액체 금속(3)의 상기 이동 방향(x)을 따라서 비선형적으로 증가하는 저항인 전기 저항(Rx)을 갖는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 방법.
  11. 제 9 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 저항 요소(5)는 순수 저항성이고, 상기 전기 저항(Rx)은 상기 제 2 위치(x12,x2)를 따라 연속적으로 증가하거나/증가하고
    b) 상기 제 2 위치(x12)의 함수(Rx(x12))로 상기 전기 저항(Rx)은, 우선 무엇보다도 상기 제 2 위치(x12)를 따라 비례한 것보다 크게 증가하고 그 다음에 네트워크 인덕턴스에 저장된 에너지가 흡수되어야 하는 위상(phase)에서 상기 제 2 위치(x12)를 따라 선형적으로 증가하고, 그 다음에, 상기 단락 전류(i(t))가 이미 제한되고 더 큰 전기 저항(Rx)을 견딜 수 있는 영역에서, 다시 한번 더 상기 제 2 위치(x12)의 비례해서 증가하는 것보다 더 크게 증가하는 함수(Rx(x12))로 변하는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 저항 수단(5)은 상기 액체 금속(3)을 위한 상기 채널(3a)의 유전체 절연을 위한 벽-같은 웨브(5a)를 가지고, 상기 웨브(5a)는 상기 이동 방향(x)에서 비선형적으로 증가하는 저항(Rx)을 갖는 유전체 물질을 가지고, 상기 웨브(5a)는 상기 액체 금속(3)의 제 1 위치(x1)의 높이에 상기 채널(3a)의 전기적으로 전도성 있는 연결을 위한 중간 전극(2c)을 가지고/가지거나,
    b) 집수 콘테이너(catchment container)(3b)가 상기 액체 금속(3)을 유지하기 위해 그리고 전류 연결 해제에 대해 절연 경로(32)의 제공을 위해 구비되는 것을
    c) 액체 금속(3)을 위한 공급원(3c)은, 상기 채널(3a)을 상기 액체 금속(3)으로 충전하기 위해 그리고 상기 장치(1)의 재연결을 위해 구비되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치를 정하는 수단(3a;20,B,12,11)은 상기 액체 금속(3)을 위한 상기 채널(3a) 및 구동 수단(20,B,12,11), 특히 전자기 구동(20,B,12), 또는 유전체 유체(12,11)를 이용한 기계적 구동을 포함하고, 상기 구동 수단에 의해서 상기 액체 금속(3)은 상기 동작 전류(I1)를 위한 상기 제 1 전류 경로(30)와 전류 제한을 위한 상기 제 2 전류 경로(31), 및 특히 전류 연결 해제를 위한 절연 경로(32) 사이에서 이동되어질 수 있는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 동작 전류(I1)를 위한 상기 제 1 전류 경로(30), 및 전류 제한을 위한 상기 제 2 전류 경로(31), 및 특히 전류 연결 해제를 위한 절연 경로(32)는 이동 방향(x)에 대해 사실상 직각으로 배열되고/되거나 서로 사실상 평행하게 배열되고/배열되거나
    b) 전류 연결 해제를 위한 적어도 하나의 절연 경로(32)는 상기 제 2 전류 경로(31) 상부 및/또는 제 1 전류 경로(30) 하부에 배열되는 것을
    특징으로 하는, 전류 제한을 위한 장치.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 장치(1)에 의해서 특징지어 지는, 전기 개폐장치 조립체, 특히 고-전압 또는 중-전압 개폐장치 조립체.
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