KR20110124201A - 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트(system component)를 위한 장치에 관한 것으로서, 바람직하게는 전력 변압기의 품질을 보증하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 시스템 컴포넨트를 공간적으로 모으기 위해 시스템 컴포넨트에 공통되는 오직 하나의 주 전극을 가진 베이스 프레임을 제안한다.

Description

고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치{DEVICE FOR A SYSTEM COMPONENTS OF A HIGH-VOLTAGE IMPULSE TEST SYSTEM}

본 발명은 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치에 관한 것으로서, 바람직하게는 전력 변압기의 품질을 보증하기 위한 장치에 관한 것이다.

고전압 시험은 인공적으로 발생시킨 펄스형태의 서지(surge)를 이용하여 삼상(three phase) 전류 메인(main)의 과도 과전압(transient over-voltage)을 시뮬레이션(simulation) 하는데 목적이 있다. 관례상, 이와 같은 고전압 시험은 예를 들면 낙뢰와 같은 것에 의해 발생하는 외부 과전압과 메인에서의 스위칭 프로세스 때문에 생기는 내부 회로 과전압으로 구별하여 시행한다. 다양한 과전압 현상은 시험의 목적상 표준화된 번개와 회로 서지 전압으로 축소하여 단순화한다. 이러한 시험 전압을 위해, 전압의 상승, 피크 값과 붕괴와 관련된 특성 크기가 구체적인 오차 범위 내에서 확립되어 있다. 매우 급격한 전압 변화에 관한 영향을 시뮬레이션하는 낙뢰 전압 차단의 경우, 상기의 특성 크기에 차단 시간이 더 포함된다. 전압의 형태나 그것의 파라미터의 결정 같은 자격요건은 ICE 60060-1에 정의되어 있다. 수행되는 각 표준 점검에 따라, 고전압 펄스 시험 시스템은 위와 같은 목적을 위해 펄스 발생기, 그리고 차단 스파크 점화기, 전압 분배기, 오버 슈트(overshoot) 보상기 같은 보조 컴포넨트를 포함한다.

필요로 하는 펄스 형태 서지 전압을 발생하기 위해 막스 멀티플리케이션 (Marx multiplication) 회로, 또는 다른 용어로 특히 막스발생기(Marx generator)가 오랜 시간을 걸쳐 시장에 자리 잡아 왔다. 1923년에 같은 이름의 발명가가 개발한 DE 455 933 번호로 허가된 특허의 회로 형태는 복수의 회로 스테이지(stage)로 구성되었으며, 각 스테이지는 서지 커패시턴스(surge capacitance)와 직렬로 연결된 스위칭 요소(switching element), 특히 스위칭 스파크 점화기(switching spark gap), 그리고 상기 서지 커패시턴스와 상기 스위칭 요소에 병렬로 연결된 저항 및 그것과 직렬로 연결된 저항을 포함한다. 이 경우 두 연속 스테이지는 병렬로 충전이 되고 직렬로 방전이 되는 방식으로 함께 연결되어 있다.

서지 커패시터는 직류 전압을 충전하는 방식으로 충전이 된다. 이와 관련하여 삽입된 충전 저항은 충전 전류를 제한할 뿐만 아니라 스파크 점화기에 의해 과도적인 커패시터의 직렬 연결이 가능하다. 스파크 점화기의 간격은 최대 충전 전압에 이르렀을 때, 이것이 상당히 고장 나지 않을 정도로 선택된다.

모든 서지 커패시터가 서지 커패시터의 최종 준정적(quasi-static) 값의 전압으로 충전된 후에, 맨 아래의 스파크 점화기의 점화가 일어나며 이 후 파괴가 된다. 다음의 스파크 점화기에는 두 배의 충전 전압이 존재하게 되어 이것을 안정적으로 점화시킨다. 포함된 스테이지의 수효에 관계없이, 방전 프로세스는 이전 점화 스테이지에서부터 마지막 점화된 스테이지까지의 충전전압의 첨가를 기반으로 지속한다.

이와 같은 방식으로 매우 짧은 기간과 큰 진폭을 동시에 갖는 서지 전압펄스를 얻을 수 있으며, 이러한 펄스는 고전압 공학의 점검 목적과 시험, 그리고 절연조정과 전자기적 호환에서의 간섭 저항을 입증하는데 특히 적합하다.

또한, 부하 커패시턴스 즉 시험 시편에서의 오버 슈트 동안에, 전압 감소가 이루어지며 그 후 오버 슈트가 감소하여 다시 증가 되는 경우에 있어서, 회로첨가(circuit addition)로 전술한 막스발생기의 부하 커패시턴스 한계를 증가시키는 것은 예를 들면 DE 196 39 023으로부터 알려진 것이다. 상기 회로첨가는 또한 직렬 오버 슈트 보상기로 불리며, 따라서, 오버 슈트의 원인을 축소하지 않고 부하 커패시턴스 특히 시험 시편의 오버 슈트에 대한 보상을 제공하는 것이다. 오버 슈트 보상기는 보상 커패시턴스와 거기에 병렬로 연결된 적어도 하나의 방전 저항 또는 방전 스파크 점화기로 이루어지며, 상기의 회로첨가는 시험 대상에 대해 직렬 방식의 구성으로 막스 멀티플리케이션 회로에 포함될 것이다. 또한, 시험 대상에 직렬로 연결된 오버 슈트 보상기 외에, 시험 시편에 이것을 병렬의 형태로 연결하여 설계하는 것도 알려져 있다. 바로 전에 설명한 형태와는 달리, 이런 방식으로 구성된 오버 슈트 보상기 경우에는 보상 커패시턴스와 적어도 하나의 방전 저항 또는 방전 스파크 점화기를 직렬로 배열한다.

또한, 동작에 따른 과전압 부하의 시뮬레이션과 고전압 컴포넨트의 절연의 무결함을 증명하기 위해 이미 언급한 차단 서지 펄스 전압으로 시험 대상에 부하를 걸어주는 것을 필요로 한다. 이와 같은 종류의 표준 점검을 성공적으로 양도하기 위해서는, 전압 파형의 시작에서부터 목표 시간 경과 후 수 마이크로 초의 허용오차 안에 인가 전압을 차단하는 것이 필수적이다. 기술적인 용어로, 이것은 종래기술, 예를 들면 DD 143 130에서 오래전부터 알려져 온 차단 스파크 점화기에 의해 실현된다.

더욱이, 고전압 펄스 시험 시스템에서, 시험 대상으로부터 분리되어 용량성으로 감쇠된(capacitively damped) 펄스 전압 분배기는 막스 멀티플리케이션 회로의 마지막 스테이지에 또한 연결되어, 스테이지에서 방전되어 만들어진 번개 펄스 전압을 측정과 기록 장비에 의해 처리될 수 있는 값까지 감소시킨다.

고전압 펄스 시험 시스템에 포함된 이 모든 시스템 컴포넨트는 물리적으로 상당히 큰 크기를 가지며 시험 장소에서 전압 수준에 따라 기설정된 상호 간의 최소 간격에 배치되어야 한다. 그것 외에, 유사하게 정의된 전압에 따른 전압 운반 요소와 시험 장소 경계선 사이의 최소 간격을 유지해야 한다. 이와 같이 전체 전압 펄스 시험 시스템의 간격에 대한 자격 조건은 상당히 큰 것이다. 또한, 많은 변압기 제조사의 경우 시험 대상을 바꿀 때 고전압 펄스 시험 시스템 전체를 이동시켜야 한다. 이 경우 막스 발생기와 세 개의 보조 컴포넨트를 시험 설비로 각각 이동하여, 고전압 펄스 시험 시스템으로 재조립하여 다시 세트업 해야 한다. 이 과정은 실행하기에 많은 시간이 소비되며 불편한 작업이다.

본 발명의 목적은, 보조 컴포넨트, 특히 차단 스파크 점화기, 오버 슈트 보상기와 전압 분배기의 전압에 의해 유도되는 물리적 크기를 축소함으로써, 고전압 펄스 시험 시스템 전체의 필요 공간을 축소하여, 시험 설비를 더욱 효율적으로 작동시킬 수 있게 하는 것이다. 또한, 실현해야 할 전도성 연결의 수효를 감소하여 고전압 펄스 시험 시스템의 세트업을 위한 설치에 부과된 시간을 절약하는 것이 본 발명의 목적이다.

상기의 목적은 본 발명의 청구항 제1항의 특징을 가진 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치로 성취된다. 종속 청구항은 본 발명의 세부적인 유리한 개발내용과 관련 있다.

본 발명의 전반적인 발명 구상은 예전의 분리된 베이스 프레임(base frame)과 개개의 보조 컴포넨트 각각의 헤드(head) 전극을 보조 컴포넨트에 공통되는 헤드 전극을 갖는 공통 베이스 프레임으로 교체하는 것이다.

또한, 공통 전도성 연결 지점은 모든 보조 컴포넨트를 위한 연결 영역의 역할을 하게 된다. 보조 컴포넨트의 연결 영역들이 하나의 공통 연결 지점으로 모인 결과로 점검 수행시에 그것들은 이 영역에서 같은 전압 수준을 갖게 된다. 따라서, 고전압 펄스 점검 시스템의 동작을 위해 상기 발생기와 시험 대상에 대한 연결만을 여전히 필요로 한다. 또한, 공통 베이스 프레임에 보조 컴포넨트를 구조적으로 조합하는 것을 통해, 작은 공간과 단순한 운반 능력 및 이와 동반된 짧은 설치 시간을 갖는 고전압 펄스 시험 시스템에 대한 지난 몇 년간의 설비 운영자 요구를 처음으로 만족시켰다. 예전의 고전압 펄스 시험 시스템이 차지하는 영역의 많은 부분은 각 보조 컴포넨트의 개개의 헤드 전극 사이의 전압에 따라 기설정된 간극이 컸던 것에 기인한 것이었다. 그러나 상기 베이스 프레임에 이러한 다수의 헤드 전극을 하나의 헤드 전극으로 교체하고 이와 더불어 상기 보조 컴포넨트를 상기 베이스 프레임에 물리적으로 조합시키기 위해 다음과 같은 기술적 문제를 창의적으로 해결해야 할 필요가 있었다.

상기 전압 분배기의 정확성에 부정적으로 영향을 미치는 부가적인 스트레이 커패시턴스(stray capacitance)는 상기 보조 컴포넨트를 단순히 물리적으로 조합함으로써 일어난다. 이러한 경우 전압 분배기는, 발생하는 커다란 스트레이 커패시턴스에도 불구하고, 높은 수준의 정확도로 측정이 시행되는 특징이 있도록 개조해야 한다. 본 발명에 따르면, 이는, 상기 분배기의 커패시턴스 상기 분배기의 저항을 적절히 선택하는 동시에, 한편으로는 기생 커패시턴스 효과가 작아지도록 상기의 보조 컴포넨트의 물리적 배열을 정의하고, 다른 한편으로는 결과적인 전체의 커패시턴스의 정확한 측정이 가능하도록 사용되는 상기의 보조 컴포넨트 내의 커패시턴스를 정의 결정함으로써 성취된다. 그러나 바로 언급된 조건을 만족하는 가능성을 가진 세팅 조합에서 선형적인 상관관계가 존재하지 않아 이러한 파라미터를 결정하기 위하여 단지 근사 모델을 문헌에서 찾아야 하므로, 기생 커패시턴스의 크기는 시뮬레이션에 의해 평가해야만 한다. 이러한 시뮬레이션은, 이후 개발 시험을 통해 입증이 되어야하며, 따라서 전체적으로 반복적인 프로세스이다.

또한, 상기 보조 컴포넨트의 물리적 조합을 통하여 발생하는 전자기장을 분산 시켜 전압 아크(voltage arcs)의 발생을 효과적으로 방지하도록 해야 한다.

구체적으로, 차단 스파크 점화기의 아크-쓰루(arc-through)는 복잡한 과도 프로세스와 관련되어 있다. 이 경우, 차단 스파크 점화기는 짧은 시간 동안 제로 포텐셜(zero potential)을 전달하고 반면에 나머지 보조 컴포넨트는 그것의 고유 커패시턴스에 의하여 여전히 고전압에 의해 동작한다. 따라서, 전자기장의 제어를, 상기 전압 분배기와 차단 스파크 점화기 사이 또는 상기의 오버 슈트 보상기와 차단 스파크 점화기 사이에 전압 아크를 방지하는 방식으로 최적화하여야 하며, 이 목적을 위해 포괄적인 전자기장의 계산을 요구한다. 그러나 대부분의 전자기장 계산 프로그램은, 정적인 전자기장만을 계산할 수 있고 시간에 따라 크게 변하는 과도의 전자기장을 계산할 수 없기 때문에, 이러한 목적을 위해서는 시뮬레이션과 실제 실현 사이의 반복적인 프로세스를 또한 필요로 하는 것으로 여겨진다. 이와 관련하여, 추가의 토로이드(toroid)로 상기의 오버 슈트 보상기와 전압 분배기를 서로 전기적으로 차단하는 것이 유리하다는 것이 입증되었다.

비록 낙뢰 스위칭 펄스를 위해 전압 분배기를 차단 스파크 점화기와 통합하는 것은 본 출원인의 회사 문서 3.62/4에서 처음부터 알려진 바이지만, 그 장치에서는 본 발명과는 달리 2개의 보조 컴포넨트 만이 동시에 사용될 수 있다. 종래 기술로부터 알려진 차단 스파크 점화기는, 여러 포함되는 것 중, 저항들과 커패시턴스의 조합으로 이루어진 칼럼(column)을 보통 포함하며, 따라서 용량적으로 감쇠 되는 전압 분배기들과 같은 컴포넨트를 갖는다. 만약 스파크 점화기가 아크 되지 않으면, 차단 스파크 점화기의 칼럼의 기능을 전압 분배기의 기능으로 바꾸는 것이 가능해진다. 그러나 이는 또한 반대로 만약 전압 원이 차단되고 따라서 스파크 점화기가 아크 되면, 시험을 위해 추가의 전압 분배기가 존재해야 한다는 것을 의미한다. 보조 컴포넨트를 물리적으로 함께 모으기 위한 해결안을 이 상기 회사 문서로부터 추론할 수는 없다.

또한, 본 발명의 범위 안에서 세 개의 가능한 보조 컴포넨트에서 단지 두 개만을 물리적으로 상기의 공통 베이스 프레임에 모으는 것을 생각할 수 있다. 왜냐하면, 예를 들면, 오버 슈트 보상기의 사용은 기능적으로 절대적으로 필요한 것으로 여겨지지 아니하며 다만 발생하는 낙뢰 전압의 품질만을 증가시키기 때문이다. 또한, 보조 컴포넨트의 조합에 대한 다른 가능성도 생각할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치의 개략도를 나타내며,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치의 바람직한 실시 예를 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 장치를, 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.

차단 스파크 점화기(2), 전압 분배기(3) 또는 오버 슈트 보상기(4)와 같은 보조 컴포넨트를 장착하기 위한, 본 발명에 따른 베이스 프레임(1)이 도 1에 나타나 있다. 상기의 보조 컴포넨트를 쉽게 알아보기 위하여, 도 1에서 개략적으로 나타냈다. 이 경우, 상기 베이스 프레임(1)은, 안전한 자세를 위하여 철강 튜브(5, 6, 7)가 상호 연결된 예를 들면 삼각형의 베이스 영역을 포함한다. 상기의 차단 스파크 점화기(2), 전압 분배기(3) 그리고 오버 슈트 보상기(4)는 베이스 프레임(1)의 각 모서리 지점에 연결되어 전도성을 갖게 배열된다. 또한, 해당 보조 컴포넌트의 상부의 단부는 전기 전도성을 갖는 가로 버팀목(8, 9, 10)에 의해 기계적으로 고정된다. 더욱이, 헤드 전극(11)은 예를 들면 토로이드(toroid)로 구성될 수 있으며 상기의 가로 버팀목(8, 9, 10)과 연결된다. 따라서, 전도성의 가로 버팀목(8, 9, 10)은 상기 헤드 전극(11)을 기계적으로 지지할 뿐만 아니라 상기 보조 컴포넨트와 상기 헤드 전극(11) 사이에 균등한 포텐셜을 갖는다. 예시된 실시 예에 나타난 상기 헤드 전극(11)의 크기는 모서리 지점에 각각 배열된 상기의 보조 컴포넨트의 바깥 둘레 너머로 돌출될 수 있게 정해진다. 그러나 이러한 크기는 실험실 벽 또는 실험실 천장으로부터의 간격이나 전압 수준 같은 각 이용 경우에 따라 변할 수 있으며, 따라서 단지 예시로서 간주할 수 있다. 가능한 세 개의 보조 컴포넨트 중에서 단지 두 개만을 상기 삼각형의 베이스 영역의 각 모서리 지점에 고정하는 것, 또는 다른 한편으로, 본 발명에 따른 베이스 프레임(1)을 상기 보조 컴포넨트를 위한 단지 두 개의 마운트(mount)를 갖게 건설적으로 개조하는 것은 본 발명의 범위 안에 속하는 것이다. 또한, 상기 보조 컴포넨트는 전도성 가로 버팀목(8, 9, 10)의 영역에 있는 하나의 공통 연결 지점에 의해 전도성을 가지게 상호연결되어 이 영역에서 같은 전압 수준을 갖게 된다.

도 2a와 도 2b는 베이스 프레임(1)의 베이스 영역이 도 1의 삼각형과 달리, 한 방향으로 길쭉하게 구성되어 선형인 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타낸다. 또한, 암(arms)(12, 13, 14, 15)은 베이스 프레임(1)에 측면으로 고정되어 개조된 프레임 구조의 안정된 자세를 보장한다.

이와 같은 형태의 실시 예로 또한 응용이 가능하여 단지 두 개의 보조 컴포넨트를 위한 마운트와도 동등하게 구성될 수 있다.

따라서, 본 출원서의 일반적 발명 사상에 의한 모든 베이스 프레임 실시 예들은 종래의 분리된 베이스 프레임과 개개의 보조 컴포넨트의 각 헤드 전극을 보조 컴포넨트에게 공통되는 헤드 전극을 가진 공통 베이스 프레임으로 교체할 수 있게 배치하는 것이다.

Claims (6)

1. 펄스 발생기, 그리고, 예를 들면, 차단 스파크 점화기(2), 전압 분배기(3)와 오버 슈트 보상기(4)와 같은 보조 컴포넨트를 포함하며 상기의 보조 컴포넨트 중 적어도 두 개는 상기의 보조 컴포넨트를 위한 하나의 헤드 전극을 갖는 공통 베이스 프레임(1)에 배열되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 프레임(1)은 삼각형으로 상호연결된 철강 튜브(5, 6, 7)의 베이스 영역에 의해 형성되고, 상기 보조 컴포넨트를 위한 마운트가 상기 베이스 프레임(1)의 상기 베이스 영역 각각의 모서리 지점에 구비되고, 상기 보조 컴포넨트와 상기 헤드 전극(11) 사이에 기계적인 연결뿐만 아니라 포텐셜의 균등을 이루게 하는 방식으로 상기 해당 보조 컴포넨트 상부의 단부가 전기 전도성의 가로 버팀목(8, 9, 10)에 의해 기계적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 프레임(1)의 베이스 영역은 선형 구조이고, 여러 암(arms) (12, 13, 14, 15)은 상기 베이스 프레임(1)에 측면으로 고정되고, 상기 선형 베이스 프레임은 상기 보조 컴포넨트를 위해 적어도 두 개의 마운트를 갖고, 상기 보조 컴포넨트와 상기 헤드 전극(11) 사이에 기계적인 연결뿐만 아니라 포텐셜의 균등을 이루게 하는 방식으로 상기 해당 보조 컴포넨트 상부의 단부가 전기 전도성의 가로 버팀목(8, 9, 10)에 의해 기계적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 하나의 헤드 전극(11)은 상기 전도성의 가로 버팀목(8, 9, 10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 헤드 전극(11)은 토로이드(toroid)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   공통 연결 지점이 전도성 가로 버팀목(8, 9, 10)의 영역에 상기의 모든 보조 컴포넨트의 전기적 연결 인터페이스로서 구비되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 시험 시스템의 시스템 컴포넨트를 위한 장치.

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