KR20080074095A - Voltage sensors and voltage sensing methods for gas insulated switchgear - Google Patents

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KR20080074095A
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제임스 엔. 블레이크
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엔엑스티페이즈 티 앤드 디 코포레이션
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Abstract

A gas insulated electrical switchgear with an optical voltage sensor (46) positioned across from a conductor (10) for sensing a second voltage related to a first voltage. At least one conductive element (40 or 42) encircles the one conductor and is disposed between the optical voltage sensor (46) and the one conductor (10).

Description

가스 절연 개폐장치를 위한 전압 감지기 및 전압 감지 방법{VOLTAGE SENSORS AND VOLTAGE SENSING METHODS FOR GAS INSULATED SWITCHGEAR}VOLTAGE SENSORS AND VOLTAGE SENSING METHODS FOR GAS INSULATED SWITCHGEAR}

본 발명은 전기 개폐장치(electrical switchgear)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 가스 절연 개폐장치에 적당한 감지기 및 감지 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrical switchgear, and more particularly, to a sensor and a sensing method suitable for a gas insulated switchgear.

전기 전력 전송/분배 시스템은 통상적으로 시스템의 변압기와 선로 사이에 개입될 스위치를 제공한다. (흔히 "개폐장치"라고 하는) 이 스위치는, 예를 들어, 전력 서지(power surge) 또는 다른 시스템 발생 유형에 응답하여 변압기가 나머지 시스템으로부터 차단될 수 있는 메커니즘을 제공한다. 최근에, 개폐장치는 절연 가스, 예를 들어, SF6를 사용해 절연되어 왔는데, 그러한 가스의 절연 특성이 개폐장치의 전반적 사이즈를 상당히 감소시킬 수 있기 때문이다. 처음에, 가스 절연 개폐장치는 단상 솔루션(single phase solution)으로서 제안되었는데, 다시 말해, 3상(three phases) 각각이 그것과 연관된 별도의 패키징된 스위치를 가졌다. 보다 최근에는, 개폐장치와 연관된 사이즈를 추가적으로 감소시키기 위해, 3상, 가스 절연 개폐장치가 제안되었는데, 그것의 일례는, 그 개시 내용이 본 명세서에서 참고로 인용되는, 미국 특허출원공개 제2003/0178891호에서 설명된다. 거기에서, 상이 한 상과 각각 연관된 3개 도체는 절연 가스로 충전된 그리고 스위칭 메커니즘을 포함하는 격납장치(enclosure)를 통해 연장한다. Electrical power transfer / distribution systems typically provide a switch to be interposed between the transformer and the line of the system. This switch (commonly referred to as a "switch") provides a mechanism by which the transformer can be disconnected from the rest of the system, for example in response to a power surge or other type of system occurrence. Recently, the switchgear has been insulated using an insulating gas, for example SF 6 , since the insulating properties of such gas can significantly reduce the overall size of the switchgear. Initially, a gas insulated switchgear was proposed as a single phase solution, that is, each of the three phases had a separate packaged switch associated with it. More recently, in order to further reduce the size associated with the switchgear, a three-phase, gas insulated switchgear has been proposed, one example of which is disclosed in US Patent Application Publication No. 2003 /, the disclosure of which is incorporated herein by reference. Explained in 0178891. There, three conductors, each associated with a different phase, extend through an enclosure filled with insulating gas and including a switching mechanism.

전기 개폐장치에서는, 개폐장치를 통과하는 전류 및 개폐장치에서의 2개의 전위, 예를 들어, 고전압 전위(high voltage potential)와 접지(ground) 사이의 전압을 측정하는 것이 유용할 수 있다. 감지기의 상이한 유형이 가스 절연 개폐장치에 사용되어 이 기능을 수행하여 왔다. 예를 들어, 전류 및 전압 변압기 또는 광 전류 및 전압 감지기가 각 도체에 인접하게 배치되어 그 상의 전류 및/또는 전압을 모니터링하여 왔다. 그러나, 광 전압 감지기와 관련하여, (1) 그 전압이 측정되고 있는 도체와 광 전압 감지기 사이의 거리 및 (2) 절연 가스 압력 중 어느 하나(또는 양자)가 측정 전압에 오차(error)들을 도입하는 것으로 발견되어 왔다. 전자의 상황은 GIS 디바이스의 제조와 연관된 기계적 허용 한계의 결과로서 발생할 수 있다. 후자의 상황은 온도 및 다른 요인에서의 변화로 인해 발생할 수 있다. In an electrical switchgear, it may be useful to measure the current through the switchgear and the voltage between the two potentials at the switchgear, for example, a high voltage potential and ground. Different types of detectors have been used in gas insulated switchgear to accomplish this function. For example, current and voltage transformers or photocurrent and voltage detectors have been placed adjacent to each conductor to monitor current and / or voltage thereon. However, with respect to an optical voltage sensor, either (1) the distance between the conductor and the optical voltage sensor on which the voltage is being measured and (2) the insulating gas pressure introduces errors in the measured voltage. It has been found to do. The former situation can arise as a result of mechanical tolerances associated with the manufacture of GIS devices. The latter situation may arise due to changes in temperature and other factors.

이러한 오차들을 해결하기 위한 한가지 방법은 프로세싱 유닛 및/또는 광 전압 감지기의 현장 교정(field calibration)을 수행하여 이들 요인의 보상을 시도하는 것이다. 그러나, 그러한 교정은 시간 소모적이고 동적 변동을 완벽하게 해결하지 못할 수도 있다. 이러한 오차들을 해결하기 위한 다른 방법은 특정 감지기를 사용해 가스 압력, 온도, 도체까지의 거리 등에서의 변화를 측정하고, 그러한 측정을 사용해 광 감지기의 전압 판독을 보상하는 것이다. 그러나, 그러한 솔루션은 GIS 디바이스에 상당한 비용을 더한다. One way to address these errors is to perform field calibration of the processing unit and / or the optical voltage detector to attempt to compensate for these factors. However, such calibration is time consuming and may not completely solve the dynamic fluctuations. Another way to address these errors is to use specific sensors to measure changes in gas pressure, temperature, distance to the conductor, etc., and use those measurements to compensate for the voltage readings in the light detector. However, such a solution adds significant cost to the GIS device.

따라서, GIS 디바이스에서의 전압을 정확하게 자동적으로 검출할 수 있으며, 상술된 문제점 중 일부 또는 전부를 해결하는 전압 감지기 및 감지 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다. Accordingly, it would be desirable to provide a voltage detector and sensing method that can automatically and accurately detect voltages in a GIS device and solve some or all of the problems described above.

본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 가스 절연 개폐장치 디바이스는 2개의 엔드캡(endcaps) 및 그것을 통해 연장하며 제1 전압을 전달하는 적어도 하나의 도체를 갖는 격납장치; 격납장치 내의 절연 가스; 제1 전압에 관련된 제2 전압을 감지하기 위해 적어도 하나의 도체 맞은편에 배치된 광 전압 감지기; 및 적어도 하나의 도체를 둘러싸며, 광 전압 감지기와 적어도 하나의 도체 사이에 배치되는 적어도 하나의 도전성 구성 요소(conductive element)를 포함하고, 적어도 하나의 도전성 구성 요소는 제1 전압의 용량성 분할(capacitive division)에 기초하여 제2 전압을 확립하도록 동작한다. According to one exemplary embodiment of the invention, a gas insulated switchgear device comprises: an enclosure having two endcaps and at least one conductor extending therethrough and carrying a first voltage; Insulating gas in the enclosure; An optical voltage detector disposed opposite the at least one conductor to sense a second voltage related to the first voltage; And at least one conductive element surrounding the at least one conductor and disposed between the optical voltage sensor and the at least one conductor, wherein the at least one conductive element comprises a capacitive division of the first voltage ( to establish a second voltage based on capacitive division).

본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 가스 절연 개폐장치에서 도체와 연관된 전압을 감지하기 위한 방법은 가스 절연 개폐장치를 통해 연장하는 도체와 연관된 제1 전압을 제공하는 단계, 제1 전압을 용량적으로 분할하여 도체와 연관된 제2 전압을 발생시키는 단계, 제2 전압을 광학적으로 감지하는 단계, 및 제2 전압에 기초하여 제1 전압을 판정하는 단계를 포함한다. According to another exemplary embodiment of the invention, a method for sensing a voltage associated with a conductor in a gas insulated switchgear comprises providing a first voltage associated with the conductor extending through the gas insulated switchgear, capacitive to the first voltage. Splitting to generate a second voltage associated with the conductor, optically sensing the second voltage, and determining the first voltage based on the second voltage.

본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따르면, 가스 절연 개폐장치에서 도체와 연관된 전압을 감지하기 위한 시스템은 가스 절연 개폐장치를 통해 연장하는 도체와 연관된 제1 전압을 제공하기 위한 수단, 제1 전압을 용량적으로 분할하여 도체와 연관된 제2 전압을 발생시키기 위한 수단, 제2 전압을 광학적으로 감지하기 위한 수단, 및 제2 전압에 기초하여 제1 전압을 판정하기 위한 수단을 포함한다. According to yet another exemplary embodiment of the present invention, a system for sensing a voltage associated with a conductor in a gas insulated switchgear comprises means for providing a first voltage associated with the conductor extending through the gas insulated switchgear, the first voltage. Means for capacitively dividing to generate a second voltage associated with the conductor, means for optically sensing the second voltage, and means for determining the first voltage based on the second voltage.

첨부 도면은 본 발명의 예시적 실시예를 예시한다. The accompanying drawings illustrate exemplary embodiments of the invention.

도 1은 단상, 가스 절연 스위치 디바이스를 도시한다.1 shows a single phase, gas insulated switch device.

도 2는 광 전압 감지기를 포함하는 링을 도시한다.2 shows a ring comprising an optical voltage detector.

도 3은 GIS 디바이스의 2개의 부분 사이에 연관 도체의 전압을 측정하기 위한 위치로 삽입된 도 2의 링을 도시한다.3 shows the ring of FIG. 2 inserted into a position for measuring the voltage of an associated conductor between two portions of a GIS device.

도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 광 전압 감지기를 도시한다.4 illustrates an optical voltage sensor in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 광 전압 감지의 방법을 도시하는 흐름도이다.5 is a flow chart illustrating a method of optical voltage sensing in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.

도 6A 내지 도 6C는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 광 전압 감지기를 도시한다.6A-6C illustrate an optical voltage sensor in accordance with another exemplary embodiment of the present invention.

본 발명에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면들에서의 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 식별한다. 또한, 다음의 상세한 설명이 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 대신, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings. Like reference numerals in different drawings identify the same or similar components. In addition, the following detailed description does not limit the invention. Instead, the scope of the invention is defined by the appended claims.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예가 구현될 수 있는 단상, 가스 절연 개폐장치(GIS) 디바이스(1)를 예시한다. 거기에서, GIS 디바이스는 각각의 폴(pole)을 위한 버스 바(2), 접속 차단 스위치(3), 접지 스위치(4, 5) 및 서킷 브레이 커(6;circuit breaker)를 포함한다. 3개의 격납장치(11) 각각은 GIS 디바이스(1)의 단상과 연관되고, 절연 가스, 예를 들어, SF6 가스로 충전되며, 그것을 통해 연장하는 (도 1에 도시되어 있지 않은) 전기 도체(10)를 포함한다. 격납장치는 GIS 디바이스(1) 및 그 각각의 상의 전류를 개폐장치(1)를 통해 전도하는 전기 도체(10)와 연관된 스위치의 기계적 부분, 예를 들어, 컨택트, 구동 메커니즘 등도 포함한다. 1 illustrates a single phase, gas insulated switchgear (GIS) device 1 in which an exemplary embodiment of the invention may be implemented. There, the GIS device includes a bus bar 2 for each pole, a disconnect switch 3, a ground switch 4, 5 and a circuit breaker 6. Each of the three enclosures 11 is associated with a single phase of the GIS device 1, filled with an insulating gas, for example SF 6 gas, and extending therethrough (not shown in FIG. 1) 10). The enclosure also includes the mechanical part of the switch associated with the electrical conductor 10 that conducts current through the switch 1 to the GIS device 1 and its respective phases, for example contacts, drive mechanisms and the like.

전기 도체(10)와 연관된 전압을 광학적으로 측정하기 위한 일 방법은 도체에 의해 발생된 전계에 포켈스 셀(Pockels cell)을 배치하고, 포켈스 셀을 통해 광을 통과시킨 다음, 광에서의 편광 변화를 모니터링하는 것이다. 이 기술의 일례가 도 2 및 도 3에서 예시된다. 거기에서는, 서킷 브레이커(6) 영역에 격납장치(11)를 형성하는 외부 도체의 2개의 부분(14 및 14') 사이에 링(13)이 삽입된다. 도 3은 도 2의 단면선 B-B를 따라 취해진 격납장치(11)의 링(13) 및 외부 도체의 단면이다. 링(13) 및 외부 도체 부분(14 및 14')은 플랜지(12;flanges) 및 볼트(27)를 통해 다같이 접속될 수 있다. 링(13)은 L-형 금속 부분(15;metallic L-shaped portion) 및 L-형 부분(15)의 공동(hollow)에 배치된 비금속 내부 링(16;non-metallic inner ring)을 포함한다. 비금속 내부 링(16)은 유전체 재료, 예를 들어, 수지로부터 제조될 수 있다. 포켈스 셀(25)은 내부 링(16)에 제조된 보어(17;bore)에 탑재된다. 광 섬유(24)는 제어 유닛(26)으로부터 보어(17) 및 포켈스 셀(25)을 통해 연장하는데, 제어 유닛(26)은 광원(optical source)과 (도시되어 있지 않은) 반사광(returned light)을 측정하기 위한 프로세싱 컴포넌트 및 회로를 포함한다. 이 구성은 GIS 디바이스에서 도체에 인접하게 광 전압 감지기를 배치하기 위한 일 배열의 예시일 뿐이라는 것과, 본 발명은 상이한 구성을 가진 GIS 디바이스에도 사용될 수 있다는 것에 주의해야 한다. One method for optically measuring the voltage associated with electrical conductor 10 involves placing a Pockels cell in an electric field generated by the conductor, passing light through the Pockels cell, and then polarizing the light. To monitor change. One example of this technique is illustrated in FIGS. 2 and 3. There, a ring 13 is inserted between the two portions 14 and 14 'of the outer conductor forming the enclosure 11 in the circuit breaker 6 region. FIG. 3 is a cross section of the ring 13 and the outer conductor of the enclosure 11 taken along section line B-B of FIG. 2. The ring 13 and the outer conductor portions 14 and 14 ′ can be connected together via flanges 12 and bolts 27. The ring 13 comprises a metallic L-shaped portion 15 and a non-metallic inner ring 16 disposed in the hollow of the L-shaped portion 15. . The nonmetal inner ring 16 can be made from a dielectric material, for example a resin. The Pockels cell 25 is mounted in a bore 17 made in the inner ring 16. The optical fiber 24 extends from the control unit 26 through the bore 17 and the Pockels cell 25, which control unit 26 returns an optical source and returned light (not shown). Processing components and circuitry for measuring; It should be noted that this configuration is merely an example of an arrangement for placing an optical voltage sensor adjacent to a conductor in a GIS device, and that the present invention can be used for GIS devices with different configurations.

포켈스 셀은, 광이 전기-광(electro-optic) 결정(포켈스 셀)을 통과함에 따라, 포켈스 셀이 배치된 전계의 세기에 기초하여, 광의 편광이, 예를 들어, 원형 편광에서 타원 편광으로 변화하는 원리에 따라 동작한다. 포켈스 셀 전압 감지기의 일례는, 그 개시 내용이 본 명세서에서 참고로 인용되는, 미국특허 제5,029,273호에서 발견된다. 따라서, 포켈스 셀(25)로부터 반사된 광은 그 각각의 편광 변화를 판정하기 위해 제어 유닛(26)에서 평가되는데, 각각의 편광 변화로부터, 전기 도체(10)와 연관된 전계의 크기(및 그에 따른 전압)이 판정될 수 있다. Pockels cells have a polarization of light based on the intensity of the electric field in which the Pockels cells are placed, as light passes through electro-optic crystals (Pockels cells). It operates on the principle of changing to elliptical polarization. One example of a Pockels cell voltage sensor is found in US Pat. No. 5,029,273, the disclosure of which is incorporated herein by reference. Thus, the light reflected from the Pockels cell 25 is evaluated in the control unit 26 to determine its respective polarization change, from which the magnitude of the electric field associated with the electrical conductor 10 (and the Voltage) can be determined.

그러나, 이 명세서의 배경 섹션에서 언급된 바와 같이, 도 2 및 도 3에 예시된 전압 감지 메커니즘 및 방법의 정확도는 몇 개의 변수에 의해 영향을 받을 수도 있다. 첫째, 포켈스 셀(25)에 의해 이루어지는 전계 측정은 포켈스 셀(25)과 전기 도체(10) 사이의 거리에 의존한다. 따라서, 이 거리가 변하면, 전압 측정도 변할 것인데, 이 거리는 (다른 것들 중에서도) 전기 도체(10)를 그 각각의 격납장치(11)내에 고정하는데 이용되는 기계적 제조 허용 한계(mechanical tolerances of manufacture)에 의존할 것이다. 둘째, 포켈스 셀(25)에 의해 이루어지는 전계 측정은 격납장치(11)내에 포함된 절연 가스(예를 들어, SF6)의 압력에도 의존한다. 이 압력 또한 온도 등의 변화로 인해 변할 수 있으므로, 이로 인해, 도 2 및 도 3에 도시된 전압 감지 배열에 대한 또 다른 잠재적 부정확성이 발생한다. However, as mentioned in the background section of this specification, the accuracy of the voltage sensing mechanism and method illustrated in FIGS. 2 and 3 may be affected by several variables. First, the electric field measurement made by Pockels cell 25 depends on the distance between Pockels cell 25 and electrical conductor 10. Thus, if this distance changes, the voltage measurement will also change, which, among other things, depends on the mechanical tolerances of manufacture used to secure the electrical conductor 10 in its respective enclosure 11. Will depend. Second, the electric field measurement made by the Pockels cell 25 also depends on the pressure of the insulating gas (eg SF 6 ) contained in the containment 11. This pressure may also change due to changes in temperature or the like, which results in another potential inaccuracy for the voltage sensing arrangements shown in FIGS. 2 and 3.

본 발명의 예시적 실시예는, (1) 그 전압이 측정되고 있는 GIS 디바이스내의 도체와 광 전압 감지기 사이의 거리 및/또는 (2) 그 전압이 측정되고 있는 도체의 격납장치 내의 절연 가스(예를 들어, SF6) 압력에서의 변화를 보상하는 전압 감지 배열 및 방법을 제공한다. 도 4에서는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 GIS 디바이스의 격납장치(11)에 대한 개념화된 세로 단면도 일례가 예시된다. Exemplary embodiments of the invention include (1) the distance between a conductor in a GIS device whose voltage is being measured and an optical voltage sensor and / or (2) an insulating gas in the enclosure of the conductor whose voltage is being measured (eg For example, SF 6 ) provides a voltage sensing arrangement and method to compensate for changes in pressure. In FIG. 4 an example conceptualized longitudinal cross-sectional view of an enclosure 11 of a GIS device in accordance with an exemplary embodiment of the present invention is illustrated.

거기에서는, 2개의 와이어 링(40 및 42)이 유전체 재료(44)에 매립되는데, 유전체 재료(44)에는 중앙 도체(10)와 연관된 전압 Vout을 검출하기 위한 광 전압 감지기(46)도 매립된다. 와이어 링(40 및 42)은 광 전압 감지기(46) 영역에서 와이어(43)에 의해 접속될 수 있고, 광 전압 감지기(46)의 어느 한쪽에 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 링(40 및 42)은 광 전압 감지기(46)로부터 동일한 거리를 유지할 수도 있는데, 이러한 대칭성이 요구되는 것은 아니다. 도 4에서, 참조 번호(10, 11, 12, 14, 14' 및 15)는 도 3에 대하여 상술된 것과 유사한 구성 요소를 의미하므로, 여기에서 부연되지 않는다. 추가적으로, 완전한 디바이스와 연관된 일부 구성 요소, 예를 들어, 광 섬유, 광원, 및 광 전압 감지기(46)와 연관된 디지털 프로세싱/제어 유닛은 도면을 간략화하기 위해 생략되었다. There, two wire rings 40 and 42 are embedded in the dielectric material 44, which is also embedded with an optical voltage detector 46 for detecting the voltage Vout associated with the central conductor 10. . Wire rings 40 and 42 may be connected by wire 43 in the region of optical voltage detector 46 and may be disposed on either side of optical voltage detector 46. As shown in FIG. 4, the rings 40 and 42 may maintain the same distance from the optical voltage detector 46, although this symmetry is not required. In FIG. 4, reference numerals 10, 11, 12, 14, 14 ′ and 15 refer to components similar to those described above with respect to FIG. 3 and are not elaborated herein. In addition, some components associated with the complete device, such as the optical fiber, the light source, and the digital processing / control unit associated with the optical voltage detector 46 have been omitted to simplify the figure.

와이어 링(40 및 42)과 연관된 용량(capacitance)은 광 전압 감지기(46)와 중앙 도체(10) 사이의 거리 및, 예를 들어, 온도 변화로 인한, 절연 가스 압력 변 화 중 어느 하나(또는 양자)에서의 차이를 자동적으로 보상하는데 사용된다. 예를 들어, 2개의 와이어 링(40 및 42)이 중앙 도체(10)를 둘러싸므로, 중앙 도체(10)와 2개의 와이어 링(40 및 42) 사이의 전체 용량 C1은 광 전압 감지기(46)에 대한 중앙 도체(10) 위치에서의 사소한 변화로 인해 크게 변하지 않을 것이다. 이것은, 특정 GIS 디바이스의 중앙 도체(10)가 기계적 허용 한계로 인해 외부(접지) 도체(14, 14')에 인접한 링(40 및 42)의 예시된 쪽에 좀더 가깝다면(또는 그로부터 좀더 멀다면), 그것이 링의 (도시되어 있지 않은) 반대쪽으로부터는 좀더 멀(또는 좀더 가까울) 것이기 때문이다. 용량 C1은 절연 가스의 압력에 의해서도 영향을 받을 것이다. The capacitance associated with the wiring rings 40 and 42 may be determined by either the distance between the photovoltage sensor 46 and the central conductor 10 and the change in insulation gas pressure due to, for example, a temperature change. Used to automatically compensate for differences in both. For example, since two wire rings 40 and 42 surround the center conductor 10, the total capacitance C1 between the center conductor 10 and the two wire rings 40 and 42 is the photovoltage detector 46. Minor changes in the position of the center conductor 10 with respect to will not change significantly. This is because if the central conductor 10 of a particular GIS device is closer to (or farther from) the illustrated side of the rings 40 and 42 adjacent to the outer (ground) conductors 14 and 14 'due to mechanical tolerances. For it will be farther away (or closer) from the other side of the ring (not shown). Capacity C1 will also be affected by the pressure of the insulating gas.

제2 용량 C2는 링(40, 42), L-형 금속 부분(15) 및 플랜지/외부 도체(12, 14) 각각의 사이에 존재할 것이다. 이러한 제2 용량 C2도, 커패시터의 외부 금속 표면들 사이에서 유전체로서 동작하는 절연 가스의 가스 압력에 기초하여 변할 것이다. 더욱이, 용량 C1 및 C2는 용량성 전압 분할기를 확립하고, 그에 따라, 광 감지기(46)에 의해 감지되는 전압은 용량 C1, C2 및 중앙 도체(10)와 연관된 전압 V의 함수일 것이다. 따라서, 광 감지기(46)는 전압 Vout을 다음의 수학식 1과 같이 검출할 것이다.The second dose C2 will be present between each of the rings 40, 42, the L-shaped metal part 15 and the flange / outer conductors 12, 14. This second capacitance C2 will also vary based on the gas pressure of the insulating gas operating as a dielectric between the outer metal surfaces of the capacitor. Moreover, the capacitors C1 and C2 establish a capacitive voltage divider, so that the voltage sensed by the light detector 46 will be a function of the voltage V associated with the capacitors C1, C2 and the center conductor 10. Therefore, the light detector 46 will detect the voltage Vout as shown in Equation 1 below.

Figure 112008022880833-PCT00001
Figure 112008022880833-PCT00001

용량 C1 및 C2 양자는 가스 압력(및 온도)의 함수이고, 따라서, 가스 압력이 변화할 때 서로 비례 관계를 유지하므로, 검출 전압 Vout은 사실상 그것에 관해 독립적인데, 다시 말해, 이러한 본 발명의 예시적인 실시예는 가스 압력 및 온도(뿐만 아니라, 앞서 설명된 바와 같이, 링(40, 42)으로 중앙 도체(10)를 둘러싸는 것으로 인해, 광 감지기(46)와 중앙 도체(10) 사이의 거리)를 자동적으로 보상한다. Both capacities C1 and C2 are functions of gas pressure (and temperature) and therefore maintain proportional relationship with each other as the gas pressure changes, so that the detection voltage Vout is virtually independent about it, that is to say, exemplary of this invention. Embodiments include the gas pressure and temperature (as well as the distance between the light detector 46 and the center conductor 10 due to surrounding the center conductor 10 with the rings 40, 42, as described above). Automatically compensate.

본 발명은 앞서 설명된 예시적인 실시예의 여러 가지 상이한 변형으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 광 전압 감지기(46)의 물리적 위치 또는 그것이 GIS 디바이스의 외부 도체에 기계적으로 통합되는 방식이 변할 수도 있다. 더욱이, 용량성 전압 분할기를 확립하는데 사용되는 도전성 구성 요소가 2개의 상호 접속된 링으로부터 형성될 필요없이, 임의의 원하는 형태를 취할 수도 있다. 보다 일반적으로, GIS 디바이스에서 도체와 연관된 전압을 광학적으로 감지하기 위한 방법이 도 5의 흐름도에서 설명된다. 거기에서는, 단계(500)에서, GIS 디바이스가 가스 절연 개폐장치를 통해 연장하는 도체와 연관된 제1 전압을 제공한다. 단계(502)에서, 제1 전압은 용량적으로 분할되어 도체와 연관된 제2 전압을 발생시킨다. 그 다음, 이러한 제2 전압은, 단계(504)에서, 예를 들어, 포켈스 셀에 의해, 광학적으로 감지된다. 다음으로는, 단계(506)에서, 예를 들어, 상기 수학식 1을 사용하는 것에 의해, 중앙 도체에 의해 전달되는 제1 전압이 제2 전압에 기초하여 판정될 수 있다. It will be appreciated that the present invention can be implemented in many different variations of the exemplary embodiments described above. For example, the physical location of the optical voltage detector 46 or the way it is mechanically integrated into the outer conductor of the GIS device may vary. Moreover, the conductive component used to establish the capacitive voltage divider may take any desired form, without having to be formed from two interconnected rings. More generally, a method for optically sensing a voltage associated with a conductor in a GIS device is described in the flowchart of FIG. 5. There, in step 500, the GIS device provides a first voltage associated with the conductor extending through the gas insulated switchgear. In step 502, the first voltage is divided capacitively to generate a second voltage associated with the conductor. This second voltage is then optically sensed at step 504, for example by a Pockels cell. Next, in step 506, for example, by using Equation 1 above, the first voltage delivered by the central conductor may be determined based on the second voltage.

상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전압 감지기는 일반적으로 도 6A에 도시된 바와 같이 모델링될 수 있다. 거기에서, 일반적으로 참조 번호(600)로서 레이블링된 전압 감지 배열은 상이한 전기 전위의 2개의 도체(예를 들어, 외부 접지 도체(602) 및 양의(positive) 전위의 내부 도체(604)) 및, 각각, 2개의 도체(602 및 604) 사이에 샌드위치된 상이한 실수 및/또는 허수 유전율 ε1, ε3을 가진 사실상 유전체 재료의 2개의 연속층(606 및 608)(예를 들어, 층(606)은 상술된 유전체층(44)일 수 있고, 층(608)은 절연 가스, 예를 들어, SF6일 수 있다)을 포함한다. 경계내 영역(610)은 주변층(608)의 유전율 ε1과는 상이할 수 있는 실수 및/또는 허수 유전체 유전율 ε2를 갖는 내부층(606)에 배치된 (이 도면에 도시되어 있지 않은) 광 전계 감지기를 포함한다. 영역(610)은 전계 감지기를 둘러싸는 겔을 포함할 수 있거나, 감지기가 상술된 바와 같이 접속되는 단순한 공기 포켓(pocket of air)일 수도 있다. 경계내 영역(610)의 치수는, 상기 경계내 영역 및 다른 상기 층의 유전율에 대한, 주변층의 실수 및/또는 허수 유전체 유전율에서의 변화에 의해 발생되는 감지기 위치에서의 전계 변화가 최소화되는 치수이다. As can be seen from the above description, the voltage sensor according to an exemplary embodiment of the present invention can be generally modeled as shown in FIG. 6A. Therein, the voltage sensing arrangement, generally labeled as reference number 600, consists of two conductors of different electrical potentials (e.g., external ground conductor 602 and positive conductor internal conductor 604) and Two continuous layers 606 and 608 (eg, layer 606) of substantially dielectric material having different real and / or imaginary dielectric constants ε 1, ε 3 sandwiched between two conductors 602 and 604, respectively. Dielectric layer 44 described above, and layer 608 may comprise an insulating gas, for example SF 6 ). In-border region 610 is a photoelectric field (not shown in this figure) disposed in inner layer 606 having a real and / or imaginary dielectric constant ε2 that may be different from the dielectric constant ε1 of peripheral layer 608. Includes a sensor. Region 610 may comprise a gel surrounding the field detector or may be a simple pocket of air to which the detector is connected as described above. The dimension of the boundary region 610 is such that the electric field change at the detector position caused by the change in real and / or imaginary dielectric constant of the peripheral layer relative to the dielectric constant of the region within the boundary and other layers is minimized. to be.

층(606)의 유전율 ε1이 변화하면, 층(608)에서의 전계 E3은 층(606, 608 및 610)을 지배하는 라플라스 방정식(Laplace equation)의 경계 조건을 충족시키는 것을 통해 변화할 것이다. 보다 구체적으로, 라플라스 방정식을 정의하는 것은, 정전계(electrostatic field) 이론에 기초하여, 경계를 가로지로는 접선 전계 Et가 연속적이라는 것과, 경계를 가로지르는 법선 전속(normal electric flux) Dn = εEn 또한 연속적이라는 것을 지시하는 경계 조건을 가진다. 이것은, 영역(610)에 배치된 전계 감지기가, 예를 들어, 온도 변화에 의해 발생되는 유전율 변화에 민감 할 수도 있다는 것을 의미한다. If the permittivity epsilon 1 of layer 606 changes, the electric field E3 in layer 608 will change through meeting the boundary conditions of the Laplace equation governing layers 606, 608 and 610. More specifically, defining the Laplace equation is based on the theory of electrostatic field, where the tangential field Et across the boundary is continuous, and the normal electric flux across the boundary, Dn = εEn, Has a boundary condition indicating that it is continuous. This means that the field detector disposed in the area 610 may be sensitive to changes in the dielectric constant caused by, for example, temperature changes.

경계내 영역(610)의 치수와 유전율 ε1의 변화에 대한 E2의 동작 사이의 관계를 보다 잘 이해하기 위해, 전압 감지기는 도 6B 및 도 6C에 도시된 2개의 기본적 구성 블록으로 분해될 수 있다. 먼저, 경계내 영역(610)의 높이가 외부 도체(602)와 층(608) 사이의 층(606)을 완전히 가로질러 연장되는 도 6B를 고려하면, ε1이 증가됨에 따라, E2는 감소할 것이다. 더욱이, 영역(610)의 폭을 감소시키는 것이 이 효과를 증폭할 것이다. 이제, 경계내 영역(610)의 폭이 최대로 연장되는 도 6C를 고려하면, ε1이 증가됨에 따라, E2는 증가할 것이다. 더욱이, 영역(610)의 높이를 감소시키는 것이 이 효과를 증폭할 것이다. To better understand the relationship between the dimensions of the intra-boundary region 610 and the behavior of E2 for the change in dielectric constant epsilon 1, the voltage sensor can be broken down into two basic building blocks shown in FIGS. 6B and 6C. First, considering FIG. 6B in which the height of the intra-boundary region 610 extends completely across the layer 606 between the outer conductor 602 and the layer 608, as ε 1 increases, E 2 will decrease. . Moreover, reducing the width of region 610 will amplify this effect. Now, considering FIG. 6C in which the width of the intra-boundary region 610 extends to the maximum, as ε1 increases, E2 will increase. Moreover, reducing the height of region 610 will amplify this effect.

도 6B 및 도 6C에 도시된 경우들에 대해 앞서 논의된 효과들은 상반된다. 도 6A의 전압 감지기 일례는 이러한 2가지 경우의 조합이므로, 경계내 영역(610)의 높이 및 폭은, 앞서 언급된 효과가, 층(606)의 유전율 변화에 대한 경계내 영역(610)에서의 전계 E2 민감도를 최소화하면서, 사실상 서로 상쇄되도록 선택될 수 있다. 그렇게 선택된 치수에 의해, 경계내 영역(610)에 배치된 전계 감지기(예를 들어, 포켈스 셀)는, 예를 들어, 온도 변화로 인한 층(606)의 유전율 변화에 사실상 둔감한 도체(602 및 604) 사이의 전압(전위) 측정을 제공한다. The effects discussed above for the cases shown in FIGS. 6B and 6C are contrary. Since the example of the voltage sensor of FIG. 6A is a combination of these two cases, the height and width of the intra-boundary region 610 may have the effect that the above-mentioned effect has on the intra-boundary region 610 for the change in permittivity of the layer 606. It can be chosen to virtually cancel each other out while minimizing the electric field E2 sensitivity. With the dimensions so selected, the field detector (eg, Pockels cell) disposed in the boundary region 610 is a conductor 602 that is substantially insensitive to changes in the dielectric constant of the layer 606 due to, for example, temperature changes. And voltage (potential) measurement between 604.

상술된 예시적 실시예는 모든 관점에서, 본 발명을 한정하기보다는 예시하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명은, 본 명세서에 포함되어 있는 설명으로부터 당업자에 의해 유도될 수 있는 상세한 구현에서의 다수 변형이 가능하다. 그러한 모든 변경 및 변형은 다음의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주내에 해당되는 것으로 생각된다. 본 출원의 설명서에 사용된 구성 요소, 동작, 또는 지시는, 명시적으로 그러한 것으로서 설명되지 않는 한, 본 발명을 위해 불가결하거나 본질적인 것으로서 생각되어서는 안된다. 또한, 관사 "어떤 하나(a)"는 하나 이상의 항목을 포함하기 위한 것이다. The illustrative embodiments described above are intended to illustrate rather than limit the invention in all respects. Accordingly, the present invention is capable of many variations in detailed implementation that can be derived by those skilled in the art from the description contained herein. All such changes and modifications are considered to be within the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. Components, operations, or instructions used in the descriptions of the present application should not be considered indispensable or essential for the present invention unless explicitly stated as such. Also, the article "any one (a)" is intended to include one or more items.

Claims (20)

가스 절연 개폐장치 디바이스(gas insulated switchgear device)로서,A gas insulated switchgear device, 상기 가스 절연 개폐장치 디바이스를 통해 연장하며 제1 전압을 전달하는 적어도 하나의 도체를 갖는 격납장치와, An enclosure having at least one conductor extending through said gas insulated switchgear device and carrying a first voltage; 상기 격납장치 내의 절연 가스와, Insulating gas in the containment device, 상기 제1 전압에 관련된 제2 전압을 감지하기 위해 상기 적어도 하나의 도체 맞은편에 배치된 광 전압 감지기와, An optical voltage detector disposed opposite said at least one conductor for sensing a second voltage related to said first voltage; 상기 적어도 하나의 도체를 둘러싸며, 상기 광 전압 감지기와 상기 적어도 하나의 도체 사이에 배치되는 적어도 하나의 도전성 구성 요소At least one conductive component surrounding the at least one conductor and disposed between the optical voltage sensor and the at least one conductor 를 포함하고, Including, 상기 적어도 하나의 도전성 구성 요소는 상기 제1 전압의 용량성 분할에 기초하여 상기 제2 전압을 확립하도록 동작하는 가스 절연 개폐장치 디바이스. And said at least one conductive component is operative to establish said second voltage based on capacitive division of said first voltage. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 적어도 하나의 도전성 구성 요소는 각각이 상기 적어도 하나의 도체를 둘러싸는 2개의 링을 포함하는 가스 절연 개폐장치 디바이스. And said at least one conductive component comprises two rings each surrounding said at least one conductor. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 와이어가 상기 2개의 링을 상기 광 전압 감지기에 인접한 영역에서 접속시키 는 가스 절연 개폐장치 디바이스.A gas insulated switchgear device in which a wire connects the two rings in an area adjacent the optical voltage sensor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제1 용량 C1이 상기 적어도 하나의 도체와 상기 적어도 하나의 도전성 구성 요소 사이에서 확립되고, 제2 용량 C2가 상기 적어도 하나의 도전성 구성 요소와 상기 격납장치를 형성하는 외부 도체 사이에서 확립되며, 상기 제2 전압 Vout은 다음의 수학식:A first capacitance C1 is established between the at least one conductor and the at least one conductive component, and a second capacitance C2 is established between the at least one conductive component and an outer conductor forming the enclosure, and The second voltage Vout is represented by the following equation: Vout = V*C1/(C1+C2)Vout = V * C1 / (C1 + C2) 에 의해 상기 제1 전압 V에 관련되는 가스 절연 개폐장치 디바이스.And the gas insulated switchgear device according to the first voltage V. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 제2 전압에 기초하여 상기 제1 전압을 판정하기 위한, 상기 광 전압 감지기에 접속된 프로세싱 유닛을 더 포함하는 가스 절연 개폐장치 디바이스.And a processing unit connected to the optical voltage detector for determining the first voltage based on the second voltage. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 판정된 제1 전압은 사실상 상기 절연 가스의 압력 변화에 영향을 받지 않는 가스 절연 개폐장치 디바이스.And said determined first voltage is substantially unaffected by a change in pressure of said insulating gas. 가스 절연 개폐장치에서 제1 도체와 연관된 전압을 감지하기 위한 방법으로서, A method for sensing a voltage associated with a first conductor in a gas insulated switchgear, 상기 가스 절연 개폐장치를 통해 연장하는 상기 제1 도체와 연관된 제1 전압을 제공하는 단계와,Providing a first voltage associated with the first conductor extending through the gas insulated switchgear; 상기 제1 도체를 둘러싸는 제2 도체를 사용해, 상기 제1 전압을 용량적으로 분할하여 상기 제1 도체와 연관된 제2 전압을 발생시키는 단계와, Generating a second voltage associated with the first conductor by capacitively dividing the first voltage using a second conductor surrounding the first conductor; 상기 제2 전압을 광학적으로 감지하는 단계와, Optically sensing the second voltage; 상기 제2 전압에 기초하여 상기 제1 전압을 판정하는 단계Determining the first voltage based on the second voltage 를 포함하는 전압 감지 방법. Voltage sensing method comprising a. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 용량적으로 분할하는 단계는, Partitioning the capacitively, 각각이 광 감지기에 인접한 상기 제1 도체를 둘러싸는 2개의 링을 상기 제2 도체로서 제공하는 단계를 더 포함하는 전압 감지 방법. Providing as the second conductor two rings each of which surrounds the first conductor adjacent a light detector. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 광 감지기는 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함하는 전압 감지 방법.The light detector includes a Pockels cell. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 2개의 링을 상기 광 전압 감지기에 인접한 영역에서 전기적으로 접속시키는 단계를 더 포함하는 전압 감지 방법. Electrically connecting the two rings in an area adjacent the optical voltage sensor. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에서 제1 용량 C1을 확립하는 단계와, Establishing a first capacitance C1 between the first conductor and the second conductor, 상기 제2 도체와 외부 도체 사이에서 제2 용량 C2를 확립하는 단계Establishing a second capacitance C2 between the second conductor and the outer conductor 를 더 포함하고, More, 상기 제2 전압 Vout은 다음의 수학식:The second voltage Vout is represented by the following equation: Vout = V*Cl/(Cl+C2)Vout = V * Cl / (Cl + C2) 에 의해 상기 제1 전압 V에 관련되는 전압 감지 방법.And a voltage sensing method associated with said first voltage V. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 판정된 제1 전압은 사실상 상기 절연 가스의 압력 변화에 영향을 받지 않는 전압 감지 방법. And the determined first voltage is substantially unaffected by a change in pressure of the insulating gas. 가스 절연 개폐장치에서 제1 도체와 연관된 전압을 감지하기 위한 시스템으로서, A system for sensing a voltage associated with a first conductor in a gas insulated switchgear, 상기 가스 절연 개폐장치를 통해 연장하는 상기 제1 도체와 연관된 제1 전압을 제공하기 위한 수단과, Means for providing a first voltage associated with the first conductor extending through the gas insulated switchgear; 상기 제1 도체를 둘러싸는 제2 도체를 사용해, 상기 제1 전압을 용량적으로 분할하여 상기 제1 도체와 연관된 제2 전압을 발생시키기 위한 수단과, Means for capacitively dividing the first voltage to generate a second voltage associated with the first conductor using a second conductor surrounding the first conductor; 상기 제2 전압을 광학적으로 감지하기 위한 수단과, Means for optically sensing the second voltage; 상기 제2 전압에 기초하여 상기 제1 전압을 판정하기 위한 수단Means for determining the first voltage based on the second voltage 을 포함하는 전압 감지 시스템. Voltage sensing system comprising a. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 용량적으로 분할하는 수단은, The means for partitioning capacitively, 각각이 광 감지기에 인접한 상기 제1 도체를 둘러싸는 상기 제2 도체로서 동작하는 2개의 링을 더 포함하는 전압 감지 시스템. And a two rings each operating as said second conductor surrounding said first conductor adjacent a light detector. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 광 감지기는 포켈스 셀을 포함하는 전압 감지 시스템.And the light detector comprises a Pockels cell. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 2개의 링을 상기 광 전압 감지기에 인접한 영역에서 전기적으로 접속시키기 위한 수단을 더 포함하는 전압 감지 시스템. And means for electrically connecting the two rings in an area adjacent the optical voltage sensor. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 제1 도체와 상기 제2 도체 사이에서 제1 용량 C1을 확립하기 위한 수단과, Means for establishing a first capacitance C1 between the first conductor and the second conductor, 상기 제2 도체와 외부 도체 사이에서 제2 용량 C2를 확립하기 위한 수단Means for establishing a second capacitance C2 between the second conductor and the outer conductor 을 더 포함하고, More, 상기 제2 전압 Vout은 다음의 수학식:The second voltage Vout is represented by the following equation: Vout = V*Cl/(C1+C2)Vout = V * Cl / (C1 + C2) 에 의해 상기 제1 전압 V에 관련되는 전압 감지 시스템. And a voltage sensing system associated with said first voltage V. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 판정된 제1 전압은 사실상 상기 절연 가스의 압력 변화에 영향을 받지 않는 전압 감지 시스템. The determined first voltage is substantially unaffected by a change in pressure of the insulating gas. 가스 절연 개폐장치 디바이스로서, A gas insulated switchgear device, 상기 가스 절연 개폐장치 디바이스를 통해 연장하며 제1 전압을 전달하는 적어도 하나의 도체를 갖는 격납장치와, An enclosure having at least one conductor extending through said gas insulated switchgear device and carrying a first voltage; 상기 격납장치 내의 절연 가스와, Insulating gas in the containment device, 포켓(pocket)이 형성되어 있는 유전체 구성 요소―상기 포켓은 연관된 전압을 감지하기 위해 상기 적어도 하나의 도체 맞은편에 배치된 광 전압 감지기를 포함함―A dielectric component in which a pocket is formed, the pocket comprising an optical voltage detector disposed opposite the at least one conductor to sense an associated voltage 를 포함하고, Including, 상기 포켓의 높이 및 폭은 상기 유전체 구성 요소의 유전율 변화에 대한 상기 광 전압 감지기의 민감도를 감소시키도록 선택되는 가스 절연 개폐장치 디바이스. Wherein the height and width of the pocket are selected to reduce the sensitivity of the optical voltage sensor to changes in dielectric constant of the dielectric component. 제19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 광 전압 감지기는 전계 감지기인 가스 절연 개폐장치 디바이스.And said optical voltage detector is an electric field detector.
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