KR20110125666A - 컷오프 스파크 방전 경로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 임펄스 시험 시스템을 위한, 바람직하게는 전력 변압기(power transformer)의 품질 보장을 위한 제어형의 무선 연결의 차단에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 무선 연결의 차단은 병렬로 연결된 무선 연결을 가지는, 직렬의 댐핑 저항과 댐핑 인덕턴스로 이루어진 추가적인 댐핑 유닛에 의해 확장되어서, 단 하나의 보조 구성요소에 오버슈트 보상과 무선 연결 차단의 기능을 결합한다.

Description

무선 연결의 차단 {TRUNCATING RADIO CONNECTION}
본 발명은 고전압 임펄스 시험 시스템을 위한, 바람직하게는 전력 변압기(power transformer)의 품질 보장을 위한 컷오프 스파크 방전 경로(cut-off spark discharge path)에 관한 것이다.
고전압 시험은 인위적으로 생성된 펄스형 서지(pulse-shaped surge)를 이용하여 3상 교류 전원공급장치(three-phase alternating current main)에서의 일시적인 과전압(transient over-voltage)을 시뮬레이션하는 목적을 가진다. 그 경우에, 예를 들면 낙뢰(lightning strike)에 의해 생성된 외부 과전압과, 전원공급장치에서의 스위칭 프로세스(switching process)로 인해 발생하는 내부 회로 과전압 사이는 관행에 따라 구별이 이루어진다. 다양한 과전압 현상은 시험을 목적으로 표준화된 낙뢰 및 스위칭 서지 전압으로 축소된다. 이러한 시험 전압에 대해, 전압의 상승, 피크 값 및 특정 허용오차 내에서의 강하(drop back)을 설명하는 변수들이 정의된다. 매우 빠른 전압 변화의 효과를 시뮬레이션할 수 있는 컷오프 낙뢰 서지 전압의 경우에, 컷오프 시간은 추가적인 변수로서 추가된다. 요건, 전압의 형태 및 그 파라미터들에 대한 결정은 ICE 60060-1에 규정되어 있다. 수행되는 각각의 표준 시험에 따라, 고전압 임펄스 시험 시스템은 그 목적을 위한 펄스 생성기와, 컷오프 스파크 갭(spark gap), 분압기(voltage divider) 및 오버슈트 보상부(overshoot compensation)와 같은, 보조 구성요소를 포함한다.
마르크스(Marx) 발생기라고도 하는, 마르크스 곱셈기 회로(Marx multiplier circuit)는, 특히, 충분한 시간이 지나면 시장에서 확실히 인정받게 될 것이다. 동일한 이름의 발명자에 의해 1923년에 개발되어 특허번호 DE 455 933의 회로 유형은 몇 개의 회로 스테이지(circuit stage)로 구성되고, 각각의 스테이지는 직렬로 연결된 서지 커패시턴스(surge capacitance) 및 스위칭 소자(switching element), 특히 스위칭 스파크 갭(switching spark gap), 그리고 서지 커패시턴스 및 스위칭 소자에 병렬로 연결된 저항(resistance) 뿐 아니라 그것에 이어 직렬로 연결된 저항을 포함한다. 그 경우에, 두 개의 연속하는 스테이지는 병렬로 연결된 상태에서는 충전 가능하고 직렬로 연결된 상태에서는 방전 가능하도록 서로 연결된다.
서지 커패시터는 충전 직류 전압에 의해 충전된다. 포함되는 충전 저항은, 이와 관련하여 충전 전류를 제한할 뿐 아니라 스파크 갭에 의한 커패시터의 일시적인 직렬 연결을 허용한다. 스파크 갭의 스파킹 거리(sparking distance)는 최대 충전 전류에 도달될 때도 여전히 절연파괴(break down)되지 않도록 선택된다.
모든 서지 커패시터가 전압의 준 정적 종료 값(quasi static end value)까지 충전된 후, 최저 스파크 갭의 트리거가 발생하고, 그 직접적인 결과로 절연파괴된다. 이제 두 배의 충전 전압이 다음 스파크 갭에 존재하므로, 이것은 확실하게 트리거된다. 포함된 스테이지의 수에 관계없이, 방전 프로세스는 이전에 트리거된 스테이지의 충전 전압의 추가에 기초하여 최종 스테이지까지 진행한다.
이와 같이, 매우 짧은 지속기간(duration)인 동시에 큰 진폭의 서지 전압 펄스가 생성될 수 있으며, 이것은 전자기 양립성(electromagnetic compatibility)에 있어 유전 강도(dielectric strength)뿐만 아니라 간섭 전항(interference resistance)을 입증하기 위한 고전압 기술의 시험 목적 및 확인에 특히 적합하다.
또한 예를 들면 특허문헌 DE 196 39 023으로부터는, 오버슈트 동안에, 부하 커패시턴스에서, 즉, 시험편(test piece)에서 오버슈트의 감쇠(decay) 후에 다시 무시되는 전압 감소가 달성된다는 점에서 회로 추가에 의해 방금 설명한 Marx 발생기의 한계 부하 커패시턴스(limit load capacitance)를 증가시키는 것이 알려져 있다. 직렬 오버슈트 보상(serial overshoot compensation)이라고도 하는, 이 회로 추가는 따라서 오버슈트의 원인을 감소시키는 것이 아니라, 부하 커패시턴스에서, 즉, 특히 시험편에서의 오버슈트에 대한 보상을 제공하는 것이다. 오버슈트 보상부는 보상 커패시턴스와 하나 이상의 방전 저항 또는 그것에 병렬로 연결된 방전 스파크 갭으로 구성되며, 회로 추가는 시험 대상(test object)와 직렬 방식의 구성으로 Marx 곱셈기 회로에 연결될 수 있다. 시험 대상과 직렬로 연결된 오버슈트 보상부 외에, 이것을 시험 대상에 대해 병렬 연결 방식의 구성으로 것도 알려져 있다. 방금 설명한 형태의 구성과 다르게, 그런 방식으로 구성된 오버슈트 보상부의 경우에, 보상 커패시턴스와 하나 이상의 방전 저항 또는 방전 스파크 갭은 직렬로 배치된다.
또, 이미 언급한 바와 같이, 컷오프 서지 펄스 전압을 사용하여, 시험 대상에 작용하는 고전압 구성요소의 유전 강도의 입증 및 동작상의 과전압 부하의 시뮬레이션도 필요하다. 이런 종류의 표준 시험을 성공적으로 수행하기 위해서는, 인가된 전압은 전압 파동의 시작부터 바람직한 경과 시간(desired time elapsed)의 수 마이크로초의 허용오차 내에서 인터럽트될 필요가 있다. 기술 용어로, 이것은 종래기술, 예컨대 특허문헌 DD 143 130 또는 DE 1 255 192에서, 오랫동안 알려져 있던 바와 같이, 컷오프 스파크 갭에 의해 구현된다.
또, 고전압 임펄스 시험 시스템에서는, 시험 대상 외에, 스테이지들의 방전 중에 생성되는 낙뢰 서지 전압을 측정 및 기록 장치(measuring and recording instrument)에 의해 처리될 수 있는 값으로 감소시키는 용량적으로 댐핑된(capacitively damped) 펄스 분압기(pulse voltage divider)도 Marx 곱셈기 회로의 최종 스테이지와 연결되어 있다.
고전압 임펄스 시험 시스템의 이 모든 포함된 시스템 구성요소는 인지할 수 있을 정도(appreciable)의 물리적 크기를 가지고, 시험 필드(test field)에서는 전압 레벨에 따라 미리 정해진 최소 상호 간격(mutual spacing)으로 배치되어야 한다. 또, 전압 전달 요소(voltage carrying element)와 시험 필드 경계(test field boundary) 사이에는 유사하게 규정된 전압 의존 최소 간격을 고수할 필요가 있다. 따라서 간격에 대한 고전압 임펄스 시험 시스템 전체의 요건은 상당하다. 또, 많은 변압기 제조사에 의해, 시험 대상을 변경하기 위해서는 고전압 임펄스 시험 시스템 전체를 이동하여야 한다. 이 경우에, Marx 발생기 및 세 개의 추가적인 보조 구성요소가 시험소(test shop)에 의해 개별적으로 이동되어 고전압 임펄스 시험 시스템으로 재조립되어 설치되어야 한다. 이 과정은 실행에 시간이 걸리고 불편하다.
또, 무시될 수 없고 시험 표준의 불이행의 결과를 가질 수 있는, 추가적인 용량성의 부하는 또한 Marx 발생기 및 세 개의 추가적인 보조 구성요소로 구성되는 고전압 임펄스 시험 시스템의 알려진 배치에 기인한다.
본 발명의 목적은 보조 구성요소의, 특히 컷오프 갭 및 오버슈트 보상부의, 전압으로 인한, 물리적 크기를 감소시키고, 따라서 전체 고전압 임펄스 시험 시스템의 공간에 대한 요구를 감소시켜, 시험소를 더욱 효율적으로 운영할 수 있도록 하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 종래기술에서 알려진 고전압 임펄스 시험 시스템에 비해 시험 회로의 용량성 부하를 감소시키는 것이다.
이 목적은 청구범위 제1항의 특징을 갖는 제어형(controlled)의 컷오프 스파크 방전 경로에 의해 달성된다. 종속항들은 본 발명의 특히 유리한 새로운 사항(development)에 관한 것이다.
이 경우에, 전반적인 발명의 사상은 오직 단일 보조 구성요소에서의 제어형의 컷오프 스파크 방전 경로와 오버슈트 보상 기능의 결합으로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 제어형의 컷오프 스파크 방전 경로는, 그 목적으로 직렬로 연결된 댐핑 저항과 댐핑 인덕턴스, 및 이것에 병렬로 연결된 스파크 갭으로 이루어지는 추가적인 댐핑 유닛(damping unit)에 의해 확장된다. 이 경우에 상기 추가적인 댐핑 유닛은 상기 컷오프 스파크 방전 경로의 하나 이상의 스테이지의 상류 또는 하류에 연결되어 직렬 회로를 구성한다, 즉, 상기 컷오프 스파크 방전 경로의 스테이지 중 적어도 하나와 전기적으로 직렬 연결 상태이다. 상기 댐핑 유닛은 낙뢰 펄스의 최대 전압으로 진동(oscillation)하는 에너지를 흡수하고, 그것을 다시 그 후단(drop back)에 전달함으로써, 낙뢰 펄스의 최대 전압에서의 유효 진동(effective oscillation)을 감소시킨다. 상기 컷오프 스파크 방전 경로가 통호하면(arc through), 세로 행(column)을 따라 전위(voltage potential)를 영(zero)이 되게 한다. 따라서 상기 컷오프 스파크 방전 경로의 포함된 커패시터들은 의사준 교락된다(quasi bridged over). 또, 상기 댐핑 유닛에 의해 감쇠하는 상기 전위는 유사하게 영이 되어야 하며, 이것은 단락 회로에 의해 초래되어, 직렬 댐핑 저항 및 댐핑 인덕턴스에 병렬로 배치된 스파크 갭을 트리거한다. 각각의 애플리케이션에 관계없이, 추가적인 댐핑 유닛의 사용된 구성요소는 교체 가능하므로 큰 파라미터 범위를 다룬다.
개별 표준 시험에서는 추가적인 댐핑 유닛을 구비한 컷오프 스파크 방전 경로에 대해 아래의 기능상의 조합 가능성이 생긴다:
- 추가적인 댐핑 유닛은 충격 서지 펄스(shock surge pulse) 때문에 연결되고; 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로는 오버슈트 보상부 역할을 한다.
- 댐핑 유닛은 컷오프 낙뢰 서지 펄스 때문에 교락되고, 그 펄스 지속기간이 짧아서 오버슈트 보상부에 의한 댐핑이 불필요하기 때문에, 따라서 댐핑 유닛은 효과가 없다. 상기 펄스는 미리 정해진 기간 후에 컷오프 스파크 방전 경로에 의해 컷오프될 수 있다.
- 추가적인 댐핑 유닛을 구비한 컷오프 스파크 방전 경로의 기능은 표준 시험에 필요하지 않기 때문에, 스위칭 서지 펄스의 표준 시험을 위한 시험 회로에서 제거될 수 있다.
종래기술에 따르면, 과거에는, 컷오프 스파크 방전 경로와 오버슈트 보상부는개별 구성요소로서 동작되었고 시험 필드에서는 서로 정해진 간격으로 배치되어야 했다. 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로와 오버슈트 보상부를 단일의 보조 구성요소로 기능을 통합함으로써, 최초로 시험 필드 운영자가 필요한 보조 구성요소의 수를 줄일 수 있으므로, 시험 필드 전체의 공간 요건을 최적화할 수 있다. 따라서, 시험 필드를 더욱 효과적으로 운영할 수 있다. 또, 추가적인 댐핑 유닛을 구비한 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로는 종래 기술의 개별 보조 구성요소에 비해 시험 회로에 있어 용량성 부하 더 작은 결과를 가진다. 이제 설치의 운영자가 기능적으로 확장된 보조 구성요소를 취득할 수 있고 이 때문에 그렇지 않은 경우에 필요한 개별 오버슈트 보상부의 고가의 추가적인 커패시터를 없앨 수 있다는 사실로 인해, 본 발명에 따른 디바이스를 사용하면 제조 시에 실질적인 비용 절약을 기대할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 댐핑 저항과 댐핑 인덕턴스로 이루어지는 댐핑 유닛의 직렬 회로는 추가적인 댐핑 커패시턴스에 의해 확장되고, 이것은 컷오프 스파크 방전 경로의 커패시터와 함께 전압 분할을 균일화(homogenisation)하는 효과를 가진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 추가적인 댐핑 유닛 및 추가적인 보조 구성요소, 특히 분압기를 구비하는 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로는, 두 개의 보조 구성요소에 대해 단 하나의 헤드 전극(head electrode)만을 구비하는 공통의 베이스 프레임(common base frame)에 배치된다. 따라서, 본질적으로 개별 보조 구성요소를 물리적으로 합쳐서, 특히 간단하게 그들을 단 하나의 공통의 베이스 프레임으로 시험소(test shop)에 이동시키는 것이 가능하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 예로서 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에서 알려진 컷오프 스파크 방전 경로의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 따른 댐핑 유닛의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 댐핑 유닛의 바람직한 실시예의 회로도이다.
도 4는 추가적인 댐핑 유닛을 구비한 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로의 바람직한 실시예를 나타낸다.
도 1에는, DD 143 130를 통해 알려져 있는 제어형의 컷오프 스파크 방전 경로의 회로도가 도시되어 있다. 이 도면은 원칙적으로 용량성의 분압기(2)에 의한 컷오프 스파크 방전 회로(1)의 제어를 설명한다. 전체 배치는, 도 1에는 자세하게 나타나 있지 않은 시험편 부근에, 고전압 시험 발생기에 병렬로 배치된다. 컷오프될 시험 전압은 분압기(2)의 커패시터(3)에 대해, 따라서 컷오프 스파크 방전 경로(10)의 개별 스파크 갭(4) 각각에 대해서도 균일하게 - 같은 크기로 선택되는 커패시턴스에 상응하여 - 나눠진다. 용량성의 분압기(2)의 개별 커패시터 연결부(5)에서의 중간 전위(intermediate potential)는 전위의 제어를 위한 상호 연결부(cross connection)(7)에 의해 관련된 개별 스파크 갭(4)의 주 전극(6)과 연결된다. 동일한 개별 스파크 갭(4)에 대한 두 번째 연결은 개별 스파크 갭(4)을 트리거하기 위해 상기 주 전극에 삽입되는 회로 라인(circuit line)(8)에 의해, 보조 전극(9)과 이루어진다.
컷오프 스파크 방전 경로(1)의 트리거는, 접지에 가장 가까운 개별 스파크 갭(4a)이 보조 전극(9a)에 인가된 트리거 펄스의 도움으로 통상의 방식으로 외부에서 점화되어, 이 제1 스테이지의 커패시터(3a)가 개별 스파크 갭(4a)에 의해 방전하는 것에서 발생한다. 또한 이 경우에 방전 전류는 상호 연결부(7)를 통해 흐른다. 이것은 한편으로는 상호 연결부(7)에서 자기 유도(self-induction) 전압을 결과로 가지고 다른 한편으로는 충분히 넓은 공간에 뻗어 있는 회로 라인(8)에서 역 유도(counter-induction) 전압을 생성하는데, 이 역 유도 전압은 상호 연결부(7)에서의 전압보다는 작다. 상호 연결부(7)와 회로 라인(8) 모두는 커패시터 연결부(5)에서 공통의 연결점을 가지기 때문에, 그 전압 차는 보조 전극(7)과 주 전극(6) 사이의 관련된 개별 스파크 갭(4)에서의 절연파괴를 초래하고 따라서 이 개별 스파크 갭(4)의 트리거를 초래한다. 다른 스테이지들의, 따라서 전체 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 통호는 유사한 방식으로 발생한다.
도 2는 직결 보상 저항(21)과 보상 인덕턴스(22), 및 이들에 병렬로 연결되고 두 개의 대향 반구형부(opposite dpome)(24, 25)에 의해 형성되는 스파크 갭(23)으로 이루어진 댐핑 유닛(20)을 나타낸다. 이 경우에 추가적인 댐핑 유닛(20)이 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 하나 이상의 스테이지의 상류 또는 하류에 연결되어 직렬 회로를 형성한다, 즉 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 하나 이상의 스테이지와 직렬로 전기적으로 연결된다. 댐핑 유닛(20)이 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 제1 스테이지에 배치되는 경우, 그렇지 않다면 그곳에 있을 접지(26)는 추가적인 댐핑 유닛(20)에 배치되어야 한다. 또, 개별 구성요소의 전기적 치수는 간단한 교환에 의해 외부의 기본적 조건에 맞게 조정될 수 있다.
도 2와는 달리, 도 3에 나타낸 댐핑 유닛(20)은, 댐핑 저항(21) 및 댐핑 인덕턴스(22)에 추가로 직렬 연결되고 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 커패시터(3)와 함께 분압을 균일하게 하는 댐핑 커패시턴스(27)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예이며, 추가적인 댐핑 유닛(20)을 구비한 본 발명에 따른 컷오프 스파크 방전 경로(1)는, 두 개의 보조 구성요소에 대해 단 하나의 헤드 전극(35)을 구비한 공통의 베이스 프레임(30)에, 다른 보조 구성요소, 즉 분압기(32)와 함께 배치되어 있다. 명료함을 위해 도 4에는 두 개의 보조 구성요소를 개략적으로만 나타냈다. 이 경우에 베이스 프레임(30)은 예를 들면, 긴, 따라서 선형 구조체(liner construction)인 프레임 구조체(frame construction)로 형성되고, 횡으로(lateral1y) 고정된 암을 구비한다. 보조 구성요소는 이 베이스 프레임(30)에 부착되어 이 베이스 프레임(30)과 전기적으로 연결된다. 또, 대응하는 보조 구성요소들의 상단(upper end)은 도전성(electrically conductive)의 횡방향 지주(transverse strut)(33, 34)를 이용하여 기계적으로 고정된다. 결과적으로 횡방향 지주(33, 34)와 연결되는 것은, 예를 들면, 환상체(toroid)로 구성될 수 있는 헤드 전극(35)이다. 따라서 도전성의 횡방향 지주(33, 34)는 헤드 전극(35)을 기계적으로 유지할 뿐 아니라 보조 구성요소와 헤드 전극(35) 사이의 전위 평형(potential equalisation)을 만드는 일을 수행한다. 또, 보조 구성요소는 도전성의 횡방향 지주(33, 34)의 영역(region)에서 공통의 연결점에 의해 전기적으로 상호연결되고 따라서 이 영역에서 동일한 전압 레벨을 가진다.

Claims (3)

  1. 복수의 직렬로 연결된 개별 스파크 갭(4, 4a)로 구성되고, 전위의 제어를 위해 일련의 커패시터(3, 3a) 및/또는 저항성의 임피던스가 상기 개별 파크 갭(4, 4a)과 병렬로 연결되고, 외부 트리거를 위해 하나 이상의 개별 스파크 갭(4, 4a)에 보조 전극(9, 9a)이 배치되는 제어형의 컷오프 스파크 방전 경로(1)로서,
    보상 저항과 보상 인덕턴스에 병렬로 연결된 스파크 갭을 포함하여 직렬로 연결된 상기 보상 저항(21)과 상기 보상 인덕턴스(22)로 구성되는 추가적인 댐핑 유닛(20)이 상기 컷오프 스파크 방전 경로(1)의 하나 이상의 스테이지의 상류 또는 하류에 연결되어 직렬 회로를 형성하는, 컷오프 스파크 방전 경로(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상 저항(21)과 상기 보상 인덕턴스(22)로 구성되는 상기 댐핑 유닛(20)의 직렬 회로는 추가적인 댐핑 커패시턴스(27)에 의해 확장되는, 컷오프 스파크 방전 경로(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가적인 댐핑 유닛(20)을 구비한 상기 컷오프 스파크 방전 경로(1)는 이들 보조 구성요소를 위한 단일 헤드 전극(35)을 구비한 공통의 베이스 프레임(20)에 분압기(32)와 함께 부착되는, 컷오프 스파크 방전 경로(1).
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