KR20170009904A - 센서식 전기 점퍼 - Google Patents

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KR20170009904A
KR20170009904A KR1020167034981A KR20167034981A KR20170009904A KR 20170009904 A KR20170009904 A KR 20170009904A KR 1020167034981 A KR1020167034981 A KR 1020167034981A KR 20167034981 A KR20167034981 A KR 20167034981A KR 20170009904 A KR20170009904 A KR 20170009904A
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칼 제이 벤첼
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

센서식 전기 점퍼는 제1 단부와 제2 단부를 갖춘 도전체 - 제1 단부는 제1 접속 인터페이스를 포함하고, 제2 단부는 제2 접속 인터페이스를 포함함 -; 제1 및 제2 단부 사이에서 도전체 위에 배치되는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 섹션 - 센서 섹션은 도전체의 전류 및 전압 중 적어도 하나를 감지함 -; 및 센서로부터 연장되고 적어도 하나의 센서 출력 와이어를 누설 전류 또는 다른 잠재적인 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관을 포함한다.

Description

센서식 전기 점퍼{SENSORED ELECTRICAL JUMPER}
본 발명은 중전압(medium voltage) 및 고전압(high voltage) 응용을 위한 센서식 전기 점퍼(sensored electrical jumper)에 관한 것이다.
전력 분배(electrical power distribution)가 재생가능 에너지, 분산 발전(distributed generation)의 출현 및 전기 차량(electric vehicle)의 채택을 통해 더욱 복잡해짐에 따라, 지능형 전기 분배(intelligent electrical distribution) 및 관련 전기적 감지가 더욱 유용해지고 심지어 필요해지고 있다. 유용한 감지는, 예를 들어 전력 분배 네트워크 내의 다양한 위치에서의 전압, 전류, 및 전압과 전류의 시간 관계를 포함할 수 있다.
전기 그리드(electrical grid)를 위한 그리드 자동화 구현시, 공간 제약은 아래쪽(below grade) 또는 위쪽(above grade) 위치를 위한 센서식 장치를 구현하는데 문제를 일으킨다.
일반적으로, 본 발명은 전력 케이블과 다른 중전압 및 고전압 응용을 위한 전기 점퍼에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 기술된 센서식 전기 점퍼는 지하, 실내, 또는 실외 응용, 예를 들어 스위치 위치에서, 커패시터 뱅크(capacitor bank) 응용, 미터링 캐비닛(metering cabinet) 응용, 모터, 스위치기어(switchgear), 및 오버헤드 단자/라이저 폴(overhead terminal/riser pole) 응용에서 기존 점퍼를 교체하는 것, 기존 케이블 설비 내의 단자 접속부와 초기 설비에 적합한 단자 접속부를 교체하는 것, 및 맨홀 및 직접 매설 응용을 위해 2개의 스플라이스(splice)들 사이에 삽입하는 것을 비롯한 많은 전기 그리드 응용에 사용될 수 있다.
일 태양에서, 센서식 전기 점퍼는 제1 단부와 제2 단부를 갖춘 도전체 - 제1 단부는 제1 접속 인터페이스를 포함하고, 제2 단부는 제2 접속 인터페이스를 포함함 -; 제1 단부와 제2 단부 사이에서 도전체 위에 배치되는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 섹션 - 센서 섹션은 도전체의 전류, 온도 및 전압 중 적어도 하나를 감지함 -; 및 센서로부터 연장되고 적어도 하나의 센서 출력 와이어를 누설 전류 또는 다른 잠재적인 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관을 포함한다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 하나 이상의 예들에 대한 상세 내용이 첨부 도면 및 이하의 설명에 기술되어 있다. 개시된 기술의 다른 특징, 목적, 및 이점이 설명 및 도면으로부터 그리고 청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 센서식 전기 점퍼의 등각도.
도 2는 본 발명의 다른 태양에 따른 센서 섹션의 부분 파단 도면을 도시한 센서식 전기 점퍼의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 태양에 따른 센서 섹션의 부분 파단 도면을 도시한 다른 센서식 전기 점퍼의 부분 파단도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 대안적인 태양에 따른 센서식 전기 점퍼의 대안적인 구현예를 도시한 도면.
하기의 상세한 설명에서, 상세한 설명의 일부를 형성하며 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예가 예로서 도시된 첨부 도면을 참조하기로 한다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전방", "후방", "선단", "전방으로", "후단" 등과 같은 방향 용어는 설명되는 도면(들)의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성요소들은 많은 상이한 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 예시의 목적으로 사용되며 결코 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다른 실시예가 이용될 수 있으며 구조적 또는 논리적 변경이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 아니되며 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.
본 명세서는 중전압 또는 고전압 전력 접속 응용에 사용하기 위한 센서식 전기 점퍼를 기술한다. 센서식 전기 점퍼는 집적 센서 기술을 활용한다. 본 명세서에 기술된 점퍼 구성은 전력 케이블 또는 전기 그리드 내의 위치의 실시간의 고 정확도 전압 및/또는 전류 특성을 제공하기 위한 콤팩트한 메커니즘을 제공한다. 장치의 콤팩트한 설계는 장치가 한정된 공간 내에 맞춰질 수 있도록 그리고 기존 시스템 내에 개장(retrofit)될 수 있도록 한다. 센서식 전기 점퍼는 지하, 실내, 또는 실외 응용, 예를 들어 스위치 위치에서, 커패시터 뱅크 응용, 미터링 캐비닛 응용, 모터, 스위치기어, 및 오버헤드 단자(overhead terminal)/라이저 폴(riser pole) 응용 - 여기서, 재폐로차단기(recloser), 구간개폐기(sectionalizer), 커패시터 뱅크, 및 일차(primary metering) 미터링이 사용됨 - 에 사용되도록 설계된다. 센서식 전기 점퍼는 장치가 지리적으로 서로 분리될 수 있는 분산 에너지 발전 시스템에 특히 유용하다. 따라서, 센서식 전기 점퍼는 공공 시설(utility), 태양 열 발전소(solar farm), 풍력 발전 지대(wind farm), 선박, 산업 플랜트(industrial plant), 또는 중전압 또는 고전압 장비를 사용하는 임의의 개인 또는 회사에게 많은 상이한 그리드 위치에 스마트 노드(smart node)를 생성하는 능력을 제공할 수 있다.
본 발명의 제1 태양에서, 센서식 전기 점퍼(200)가 도 1에 도시된다. 센서식 전기 점퍼(200)는 제1 단부와 제2 단부를 갖춘 도전체(예컨대 도 2에 도시된 케이블(12)과 도 3에 도시된 도전체(1) 참조)를 포함한다. 대안적인 태양에서, 도전체는 금속의 중실 조각(solid piece) 또는 동축 케이블, 예를 들어 종래의 중전압 또는 고전압 케이블로서 구성될 수 있다. 도전체의 제1 단부는 제1 접속 인터페이스(210)를 포함하고, 도전체의 제2 단부는 제2 접속 인터페이스(220)를 포함한다. 각각의 접속 인터페이스는 예컨대 (도 1에 도시된 것과 같은) 스템 커넥터(stem connector), (도 2에 도시된 것과 같은) 러그(lug), 분리가능 커넥터, 스플라이스, 임의의 개수의 브랜치(branch)를 포함하는 브랜치 스플라이스, 및/또는 모듈식 커넥터로서 구성될 수 있다. 대안적인 태양에서, 센서식 점퍼는 응용에 따라 제1 유형의 접속 인터페이스를 포함하는 제1 도전체 단부와 제2, 상이한 유형의 접속 인터페이스를 포함하는 제2 도전체 단부를 포함할 수 있다 (예컨대, 접속 인터페이스(210)는 스템 커넥터를 포함할 수 있고, 접속 인터페이스(220)는 러그를 포함할 수 있다). 본 발명의 다른 태양에서, 각각의 접속 인터페이스는 하나 이상의 분리가능 커넥터 또는 2개 이상의 단부를 갖춘 모듈식 커넥터를 포함할 수 있다.
센서 섹션(230)은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 도전체 위에 배치되는 센서를 포함한다. 도 2와 도 3의 예에 도시된 바와 같이, 센서는 전류, 온도 및 전압 중 적어도 하나를 감지하도록 구성될 수 있다. 상이한 센서 구성이 아래에 더욱 상세히 제공된다. 또한, 센서식 전기 점퍼(200)는, 센서로부터 연장되고 그리고 출력 와이어(242)와 같은 적어도 하나의 센서 출력 와이어를 누설 전류 및 다른 잠재적인 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관(240)을 추가로 포함한다. 추가적으로, 점퍼 접지 와이어(241)가 또한 센서 출력 도관(240)을 통해 라우팅되어(routed) 접지 전위를 유지시킬 수 있다. 점퍼 접지 와이어(241)는 플래시오버(flashover) 또는 고장이 있는 경우에 고장 전류(fault current)를 전달할 것이며, 따라서 센서식 점퍼에 급전하는 퓨즈(fuse) 또는 브레이커(breaker)가 트리핑(tripping)되어 전류의 흐름을 제거할 것이다. 몇몇 태양에서, 센서 출력 도관(240)은 가요성의 도전성 또는 비도전성 도관을 포함할 수 있다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 센서식 전기 점퍼(200)는 누설 전류 및 전기적 고장의 가능성을 완화시키기 위해 유전체 응력 제어 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응력 제어 특징부는 노출된 스템 커넥터(215a, 215b)로부터의 누설 전류를 감소시키는 역할을 하는 외향 돌출된 다수의 스커트(218; skirt)로서 구현될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 센서식 전기 점퍼는 지하, 실내, 또는 실외 응용, 예를 들어 스위치 위치에서, 커패시터 뱅크 응용, 미터링 캐비닛 응용, 및 오버헤드 단자/라이저 폴 응용 - 여기서, 재폐로차단기, 구간개폐기, 커패시터 뱅크, 및 일차 미터링이 사용됨 - 에 사용될 수 있다.
도 2와 도 3은 센서식 전기 점퍼에 사용되는 센서 구조체에 대한 대안적인 구성을 제공한다. 본 명세서를 제공받은 당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 다른 센서 구성이 또한 구현될 수 있다.
도 2는 센서식 전기 점퍼(300)를 도시한 대안적인 실시예이다. 센서식 전기 점퍼(300)는 케이블(12)로서 구성되는 도전체를 포함한다. 케이블(12)은 내측 도전체(14), 내측 도전체(14)를 둘러싸는 절연 층(16), 및 절연 층(16)을 둘러싸는 도전성 또는 반도체 층(18; 이하, 반도체 층으로 지칭됨)을 포함한다. 다른 태양에서, 케이블(12)의 추가의 층, 예를 들어 반도체 층(18)을 둘러싸는 금속성 케이블 스크린과 이 금속성 케이블 스크린을 둘러싸는 외측 케이블 재킷이 제거될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 이들 층이 케이블(12)의 일부 상에 남아 있을 수 있다. 내측 도전체(14)의 제1 단부는 제1 접속 인터페이스(310)를 포함하고, 내측 도전체(14)의 제2 단부는 제2 접속 인터페이스(320)를 포함한다. 이러한 태양에서, 각각의 접속 인터페이스는 러그(34)로서 구성될 수 있다.
이러한 실시예에서, 전압 및 전류 센서가 센서 섹션(330) 내에 통합된다. 도 2의 도시에서, 케이블(12)의 절연 층(16), 반도전성 층(18)과 센서 및 몇몇 관련 요소는 단면 형태로 도시되지 않는다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 응력 제어 관(36), 관형 슬리브(52), 및 절연 층(107)이 단면 형태로 도시된다. 이러한 태양에서, 내측 하이(High) K 층(38)과 외측 절연 층(40)을 포함하는 응력 제어 관(36)은 러그(34)에 인접한 케이블(12)의 단부 부분 상에 장착되고, 이는 케이블(12)의 반도전성 층(18)의 적어도 일부분과 중첩되도록 센서식 전기 점퍼(300)를 따라 연장된다. 응력 제어 관(36)은 수축성 재료, 예를 들어 실리콘 또는 EPDM으로 제조될 수 있다. 이는 열간 또는 냉간 수축성 재료일 수 있다. 도 2의 실시예에서, 센서식 전기 점퍼(300)는 센서 섹션(330)과 도전체 단부들의 적어도 일부분에 걸쳐 연장되는 관형 슬리브(52)를 추가로 포함한다. 관형 슬리브(52)는 수축성 재료, 전형적으로 실리콘 또는 EPDM의 절연 층을 포함한다. 이는 열간 또는 냉간 수축성 재료일 수 있다. 대안적으로, 슬리브(52)는 오버몰딩된(overmolded) 또는 푸시-온(push-on) 층일 수 있다. 선택적으로, 예시된 실시예에서, 관형 슬리브(52)는 점퍼(300)의 단부 부분 부근에서 스커트(56)를 포함한다. 스커트는 누설 전류를 감소시키는 역할을 하며, 이는 실외 응용에 특히 유용하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반도전성 층(18)의 환형 스트립은 반도체 층 내에 비도전성 축방향 섹션 또는 갭(100)을 형성하도록 제거되는데, 이 갭에서 하부 절연 층(16)이 노출된다. 갭(100)에 의해 분리된 반도전성 층(18)의 부분들은 명확히 하기 위해 도면 부호 18a, 18b, 및 18c로 표시된다. 대안적인 실시예에서, 반도전성 층(18)은 부분(18a)과 함께 종단될 수 있고 도전성 또는 반도전성 재료의 조각들이 케이블(12) 상에 위치되어 반도전성 층(18)의 부분(18b, 18c)과 동일한 기능을 수행할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 전압 센서(102)의 배면에 부착된 도전성 또는 반도전성 재료는, 인터페이스 케이블(12)에 부착되기 전에, 반도전성 층(18)의 부분(18b) 대신에 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전압 센서(102)는 케이블(12)의 절연 층에 직접 부착된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전압 센서(102)는 갭(100)에 의해 부분(18a, 18c)으로부터 전기적으로 절연된 반도전성 층 부분(18b) 상에 배치된다. 비록 본 명세서에서는 센서를 케이블(12)에 부착하는 것이 언급되어 있으나, 일부 실시예에서 케이블(12) 자체가 센서의 일부로서 기능을 한다. 그러한 예에서, 본 명세서에서의 전압 센서(102)에 대한 언급은 케이블(12)에 부착되는 센서의 부분, 예컨대 인쇄 회로 기판(PCB, 도시되지 않음)을 지칭한다. 본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 전압 센서는 제1 커패시터가 케이블 내측 도전체(14), 케이블 절연 층(16), 및 반도전성 부분(18b)으로 구성된 용량성 분압기(capacitive divider)이다. 제2 커패시터(들)는 반도전성 층 부분(18b)에 부착된 PCB 상에 배치된다. 반도전성 층 부분(18b)의 내부 전기 저항은 중요하지 않다.
몇몇 예에서, PCB는 다른 목적에 기여할 수 있는 복수의 전자 구성요소, 예컨대 접지 사고(ground fault)의 경우를 위한 안전 메커니즘과, 온도 보상 또는 온도, 습도, 자기장 등과 같은 추가의 감지를 위한 전자 회로를 형성하는 구성요소를 지지하도록 구성될 수 있다.
절연성 재료의 스트립(미도시)은 갭(100)을 덮어서, 전압 센서(102)를 제외하고는 임의의 다른 도전성 또는 반도전성 재료 또는 요소로부터 반도전성 부분(18b)을 분리하고, 부분적 전기 방전 및 전압 센서(102)의 고장을 야기할 수 있는 공기가 갭(100) 내에 존재하는 것을 방지한다. 절연성 재료는 갭(100)을 더 용이하게 충전하는 유향수지 및 이 유향수지 위에 배치되는 PVC 테이프의 조합과 같은 임의의 적합한 재료일 수 있다. PVC 테이프는 또한 전압 센서(102)를 케이블(12)에 부착하려는 목적에 맞을 수 있다. 전압 센서(102)는 케이블(12)의 내측 도전체(14)의 전압을 측정한다.
전압 센서(102)의 접지 판이 도전성 요소(104)에 의해 반도전성 층 부분(18a, 18b) 중 하나 또는 둘 모두에 전기적으로 접속된다 (예컨대, 도전성 요소(104a)에 접속되는 접지 와이어(341)를 통해). 도전성 요소(104, 104a)는 반도전성 층 부분(18a, 18b) 중 하나 또는 둘 모두의 주위에 권취될 수 있는 와이어 메시(wire mesh)를 포함할 수 있다. 도전성 요소(104)는 전압 센서(102) 상의 접속점(106)에 납땜될 수 있다. 반도전성 층 부분(18a, 18c)으로부터 전압 센서(102)까지 가교된 도전성 요소(104)의 일부가 절연되지 않은 경우, 갭(100) 위의 절연성 재료의 스트립(미도시)이 하부의 반도전성 부분(18b)과 전기적 접촉을 이루는 것을 방지할 것이다.
절연 층(107)은 갭(100)에 인접한 반도전성 층의 일부 및 전압 센서(102)를 덮는다. 도전성 또는 반도체 재료의 층(미도시)이 절연 층(107) 위에 배치된다. 적어도 하나의 실시예에서, 도전성 또는 반도전성 재료의 층은 절연 층(107)이 센서와 대면하는 절연 층 및 응력 제어 튜브(36)와 대면하는 도전성 또는 반도전성 재료의 층을 갖도록 절연 층(107)과 조합된다. 도전성 또는 반도전성 층은 센서를 외부 전기장으로부터 차폐한다. 응력 제어 관(36)은 절연 층(107)을 덮고, 러그(34)가 부착되는 케이블(12)의 단부까지 연장된다. 전류 센서(108)가 또한 포함될 수 있고, 이는 전압 센서(102)에 인접한 반도전성 층(18) 위에 위치될 수 있다. 신호 와이어(110)가 전압 센서(102)에 접속되고, 신호 와이어(112)가 로고스키 코일(Rogowski coil)일 수 있는 전류 센서(108)에 접속된다. 와이어(110, 112) 둘 모두는 어떠한 단락도 야기하지 않도록 절연된다. 전압 신호 와이어(110)와 전류 신호 와이어(112)는, 센서로부터 연장되고 그리고 센서 출력 와이어(들)를 누설 전류 및 다른 잠재적인 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축(예컨대, 내측 도전체(14)의 축)에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관(340)(전술된 것과 유사한 방식으로 구성됨)을 통해 센서식 전기 점퍼(300)의 센서 섹션(330)으로부터 빠져나간다. 이러한 태양에서, 접지 와이어(341)가 센서 출력 도관(340)과 별도로 빠져나갈 수 있다. 또한, 금속 스트랩과 같은 집전체(319; current collector)가 슬리브(52) 주위에 권취되고 접지 와이어(341)를 통해 접지에 접속되어 누설 전류를 집전하고 플래시오버에 대한 추가의 보호를 제공할 수 있다.
신호 와이어(110, 112) 둘 모두는 센서식 전기 점퍼(300)의 외부로 이어지며, 거기에서 이 와이어들은 예를 들어 센서 섹션으로부터의 전류 및/또는 전압 데이터를 처리하는 원격 단자 유닛, 또는 적분기(integrator), 측정 장치, 제어 장치, 또는 다른 적합한 유형의 장치에 접속될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 전압 센서(102)는 양면 가요성 인쇄 회로 기판을 포함한다. 이러한 태양에서, PCB의 상부 또는 전방은 절연 층(107)을 향하는 부분이다. PCB의 상부는 전형적으로 외부 장치에 전기적으로 접속되는 도전성 특징부를 포함한다. PCB의 저부 또는 후방은 케이블(12)을 향한다. 센서(102)와 반도전성 층 부분(18b) 사이에 적합한 전기 접촉을 이루기 위하여, 센서(102)의 배면 상에 접촉 면적을 최대로 하는 것이 바람직하다. 대안적인 태양에서, 구리 포일(foil) 또는 금-도금된 구리 포일이 사용될 수 있다.
다른 태양에서, 패턴화된 금-도금된 구리 층이 사용될 수 있다. 패턴은 임의의 적합한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 원하는 구리 패턴을 생성하도록 제거되는 구리 층의 영역을 노출시키는 패턴으로 회로 기판의 저부 구리 층 상에 (그리고 선택적으로는 센서가 기능을 하도록 회로화되는 부분의 외측의 상부 구리 층의 일부 상에) 포토레지스트 층을 도포 및 현상함으로써 패턴을 생성하도록 포토레지스트 공정이 사용될 수 있다. 이어서, 구리 층(들)의 노출된 부분은 구리의 노출된 영역을 제거하도록 구리 에칭제 용액에 노출될 수 있다. 이어서, 패턴화된 포토레지스트는 제거되어, 회로 기판의 저부 측 상에 구리의 패턴을 남긴다. 이어서, 니켈의 층이 구리 및 금 상에 도금되거나 또는 금 합금(때때로, 이하에서 단지 금이라고 함)이 이어서 니켈 층 상에 도금된다. PCB의 패턴화된 금-도금 구리 층은 PCB의 상부 표면 상의 전기 회로 요소에 접속하는 PCB의 도전성 비아와 반도전성 층 부분(18b) 사이에 우수한 전기 접속을 보장한다. 일 태양에서, 전압 센서로부터의 출력 신호는 낮은 전압이다. 예를 들어, 전압 센서로부터의 출력 신호는 마이크로암페어 정도의 전류를 갖는 약 1 내지 10 볼트 정도일 수 있다.
고체 층과 마찬가지로, 본 발명의 이러한 태양의 패턴화된 금-도금된 구리 층은 거의 무한한 양의 접점을 제공할 것이다. 하나의 접점에서 다른 하나의 접점까지의 거리는 근소한데, 이는 고체 층을 이용하는 것과 같다. 구리 층에 생성된 패턴은 직사각형 또는 다이아몬드 형상 패턴을 갖는 그리드를 포함하는, 그러나 그에 제한되지 않는, 임의의 적합한 패턴일 수 있다. 또한, 이러한 태양의 전압 센서 PCB는, 표준 PCB가 (전형적으로 납땜에 의한) 전기 접점이 제조될 도전성 영역을 제외하고는 PCB의 전방 및 후방 표면을 덮는 솔더 레지스트 층을 갖는다는 점에서, 표준 PCB와 상이할 수 있다.
전술한 것에 더하여, PCB에 가해지는 기계적 응력은 제한될 수 있다. PCB는 굴곡되어 케이블(12) 주변에 배치될 때 기계적 응력을 받는다. 비록 이러한 굴곡된 구성이 PCB 상에 어느 정도의 응력을 발생할 수 있지만, 일단 PCB가, 예를 들어, PVC 테이프를 이용하여 케이블(12)에 부착되면, 그리고 특히 응력 제어 관(36) 및 관형 슬리브(52)가 인터페이스 케이블(12) 주변에서 수축되어 전압 센서(102)의 PCB에 방사상 힘을 가한 후에는, 가요성 PCB는 비교적 정적 상태에 있게 된다. 대안적으로, 응력 제어 관(36)/슬리브(52)는 점퍼에 오버몰딩되거나 푸시-온될 수 있다.
도 3은 접속 인터페이스 부분이 도시되지 않고 센서 섹션(130)이 상세히 도시된 센서식 전기 점퍼(100)의 길이방향 단면의 개략적인 부분 파단 도면이다. 접속 인터페이스 부분은 전술된 바와 동일할 수 있다. 센서 섹션(130)은 고체 금속 도전체, 버스 바, 또는 종래의 전력 케이블 도전체일 수 있는 도전체(1) 위에 배치된다.
이러한 태양의 센서(30)는 조합된 전압 및 전류 센서이다. 이러한 방식으로, 전류 센서가 전압 센서와 반경방향으로 동심일 수 있기 때문에 공간 절약이 달성될 수 있다. 이러한 구성은 길이방향으로 공간을 절약하여, 점퍼(100)의 길이가 더 짧을 수 있게 하며, 이는 커패시터 뱅크 및 계량 캐비닛과 같은 몇몇 응용에 유리할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 태양에서, 전압 센서는 온도 안전성 재료를 사용하여 형성될 수 있다.
전압 센서 부분(29)은 도전체(1)를 둘러싸는 관형 형상을 갖는다. 관형 형상의 전압 감지 장치는 중공 실린더의 형상을 가질 수 있다. 이것은 링 또는 짧은 관의 형상을 가질 수 있다. 전압 센서 부분(29)은 굴곡되거나 또는 뒤틀린 관의 형상을 가질 수 있다. 전압 감지 장치는 직사각형 관의 형상을 가질 수 있으며, 즉 단면에 있어서, 그 외측 프로파일(profile)이 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 통로는 예를 들어 원형 단면, 타원형 또는 계란형 단면, 또는 직사각형 또는 삼각형 또는 임의의 다각형 또는 부정형(irregular) 단면을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 전압 감지 장치의 외부 형상은 실린더의 형상을 가지며, 통로는 원형 단면을 갖고 실린더를 통해 실린더의 대칭축을 따라 연장된다. 전압 센서는, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되고 2013년 12월 18일자로 출원된 유럽 특허 출원 제EP 13198139.1호에 기술된 것과 유사한 구성을 가질 수 있다.
전압 센서(29)는 도전체(1)와 접촉하는 내측 전극 또는 실드(shield) 층(2)을 포함한다. 내측 전극(2)은 캐리어 요소(3) 상에 배치된다. 캐리어 요소(3)는 내측 전극(2)이 그 상에 배열되는 반경방향-내측 (또는 내측) 표면과, 외측 전극 또는 외측 실드 층(4)이 그 상에 배열되는 반경방향-외측 (또는 외측) 표면을 포함한다. 이러한 태양에서, 캐리어 요소(3)는 고체이고, 전기 비도전성이며, 20℃에서 5 × 10-6 1/K 미만의 열 팽창 계수를 갖는 재료를 포함한다. 캐리어 요소(3)는 예컨대 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 많은 세라믹 재료는 20℃에서 5 × 10-6 1/K 미만의 열 팽창 계수를 갖는다. 낮은 열 팽창 계수는 캐리어 요소의 온도가 달라질 때 내측 전극과 외측 전극 사이의 거의 일정한 반경방향 거리를 제공할 수 있다. 이는 결과적으로 내측 전극, 외측 전극 및 캐리어 요소의 제1 부분에 의해 형성되는 감지 커패시터의 정전용량의 온도에 따른 보다 낮은 가변성을 가져올 수 있다. 이에 의해 전압 센서의 전체 정확도가 개선되고/되거나, 온도에 따른 센서 출력의 변화를 보상하기 위한 요건이 완화되거나 심지어 폐기된다. 일반적으로, 세라믹 재료는 기계적 안정성과 전기적 절연 특성에서 추가로 이점을 제공한다.
이러한 태양에서, 세라믹 재료는 질화규소 (Si3N4)를 포함할 수 있다. 이러한 세라믹 재료의 열 팽창 계수는 20℃의 온도에서 대략 2.5 × 10-6 1/K이다. 전압 감지 장치(29)와 캐리어 요소(3)가 가열될 때, 캐리어 요소(3)는 단지 매우 적은 양만큼 팽창되며, 이는 넓은 온도 범위 내에서 전극(2, 4)이 거의 동일한 반경방향 거리를 갖게 된다.
복수의 박판(lamella)(도시되지 않음)이 도전체(1)와 내측 전극(2) 사이의 전기 접촉을 제공한다. 복수의 박판 또는 리지(ridge)가 더 많은 접점을 제공할 수 있으며, 따라서 더 우수한 전기 접속을 제공할 수 있다. 또한, 복수의 박판이 소정 정도의 여분(redundancy)을 제공하며, 그 결과 하나의 박판이 파손되거나 고장나더라도, 도전체(1)와 내측 전극(2) 사이의 접촉이 여전히 존재하게 된다.
내측 전극(2)은 전기 도전성 금속, 예를 들어 구리, 은, 금, 니켈, 알루미늄, 또는 이들 재료 중 임의의 것을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 내측 전극은 전기 도전성 중합체를 포함할 수 있다. 다른 특징부와 관계없이, 내측 전극의 반경방향 두께는 1 마이크로미터 내지 1 밀리미터일 수 있다. 내측 전극은 예를 들어 송전(power-carrying) 도전체(1)에 의해 생성되는 전자기장을 전송하기 위해 비-강자성 재료를 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 니켈-인 또는 니켈-인을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
전압 센서(29)의 외측 전극(4)은 캐리어 요소(3)의 외측 표면 상에 배열되는 니켈-인 도금을 포함할 수 있다. 니켈-인은 충분한 경도를 제공하지만 빨리 부식되지 않는다. 이는 또한 납땜을 용이하게 하며, 그 결과 와이어가 외측 전극(30)에 쉽게 접속될 수 있다. 금의 추가의 층이 훨씬 더 우수한 전기 전도율을 위해 제공될 수 있다. 일반적으로, 외측 전극은 임의의 적합한 도전성 재료, 예를 들어 구리, 은, 또는 금을 포함할 수 있다. 도전체 축 방향으로, 외측 전극(4)은 전극(2, 4)들 사이의 전압 차이가 중-전압 또는 고-전압 범위 내에 있을 때, 즉 1 ㎸ 내지 110 ㎸일 때, 캐리어 요소(3)의 표면을 따른 내측 전극 에지와 외측 전극 에지 사이의 경로가 전극들 사이의 표면 항복(breakdown)의 위험을 상당히 감소시키기에 충분한 길이를 갖도록 외측 전극 에지까지 연장된다. 대안적인 태양에서, 외측 전극(4)의 프로파일은 직선일 수 있으며, 즉 외측 전극(4)의 모든 부분이 도전체 축에 반경방향으로 동일하게 근접하거나, 또는 외측 전극(4)은 도전체 축에 대해 만곡된 프로파일을 가질 수 있다.
내측 전극(2)과 외측 전극(4)은 감지 커패시터의 2개의 전극으로서 작동될 수 있다. 캐리어 요소(3)의 중간 부분이 내측 전극(2)과 외측 전극(4) 사이에 배열된다. 이러한 중간 부분은 이러한 감지 커패시터의 유전체로서 작동될 수 있다. 감지 커패시터는 도 2에 관하여 전술된 PCB와 유사한 이차 커패시터(secondary capacitor; PCB(5))와 직렬로 접속될 수 있으며, 그 결과 감지 커패시터와 이차 커패시터가 용량성 분압기를 형성한다. 이어서, 용량성 분압기는 내측 도전체(1)의 전압을 감지하기 위해 사용될 수 있다.
인쇄 회로 기판(5: PCB)이 전압 센서(29)의 외측 전극(4) 상에 배치된다. PCB(5)는 양면 연성 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다. 이러한 태양에서, PCB(5)의 상부 또는 전방은 반경방향으로 PCB(5) 위에 배치되는 절연 층(6)을 향한다. PCB의 상부는 출력 신호 와이어(41)를 통해 외부 장치에 전기적으로 접속되는 도전성 특징부를 전형적으로 포함한다. PCB(5)의 저부 또는 후방은 외측 전극(4) 상에 배치된다. 적합한 전기 접촉을 확립하기 위해, PCB(5)의 후방 상의 접촉 영역을 최대화시키는 것이 바람직하다. 대안적인 태양에서, 구리 포일 또는 금-도금된 구리 포일이 사용될 수 있다. 다른 태양에서, 패턴화된 금-도금된 구리 층이 사용될 수 있다.
절연 층(6)은 종래의 절연 재료를 포함할 수 있다. 절연성 재료는 갭을 보다 용이하게 충전하는 유향수지 및 유향수지 위에 배치되는 PVC 테이프의 조합과 같은 임의의 적합한 재료일 수 있다. PVC 테이프는 또한 PCB(5)를 외측 전극/캐리어 요소에 부착 고정시키는 목적을 충족시킬 수 있다.
선택적으로, 추가의 차폐(shielding) 층(7)이 절연 층(6) 주위에 동심으로 배열되고 절연 층 위에 배치될 수 있다. 차폐 층(7)은 종래의 도전성 또는 반도전성 재료를 포함할 수 있고, 절연 층(6)과 캐리어(3)의 몸체를 차폐시키기 위해 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 차폐 층(7)은 센서 섹션(30) 밖에서 내측 도전체(1)를 둘러싸는 절연 층(11)의 일부분을 둘러싸도록 도전체(1)의 축을 따라 축방향으로 연장될 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 이러한 태양의 센서(30)는 조합된 전압 및 전류 센서를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전류 센서(10)는 전압 센서(29)를 둘러싼다. 이러한 구성은 도전체의 축을 따라 공간을 보존하여, 몇몇 응용을 위해 점퍼(100)의 길이가 더 짧을 수 있게 한다. 전류 센서(10)는 전술된 센서(108)와 유사하게 구성될 수 있다.
이러한 태양에서, 전류 센서(10)는 로고스키 코일로서 구성될 수 있다. 로고스키 코일은 도전체(1)를 통한 전류를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 로고스키 코일은 가요성일 수 있고, 원주방향으로 전압 센서(29) 주위에 합치하도록 굴곡될 수 있다. 실제 코일의 도전성 권선(turn)은 비도전성 외피(envelope) 내에 수용되는데, 이 외피는 권선들을 외측 전극 전압 센서(29)로부터 전기적으로 절연시킨다. 외피는 바람직하게는 가요성 중합체 재료로 제조될 수 있다. 캐리어 요소(3)는 요홈(recess)을 포함할 수 있는데, 이는 전압 감지 장치(219)의 외경에 많은 것을 추가함이 없이 전류 감지 장치(10)를 수용할 수 있게 한다. 이는 전압 감지 장치(29)의 크기가 작게 될 수 있게 한다.
로고스키 코일은 센서 섹션(130)에서 도전체(1)를 통한 전류에 의해 생성되는 자기장을 검출한다. 유리하게는, 차폐 층은 전기 도전성의 비-강자성 재료를 포함할 수 있다. 그러한 재료는 자기장이 그 재료를 통해 로고스키 코일로 투과될 수 있게 한다. 예를 들어, 외측 전극을 비롯하여 차폐 층은 비-강자성인 니켈-인 도금을 포함할 수 있다.
전류 센서로부터의 출력 신호는 전류 출력 신호 와이어(42)에 의해 전달될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서식 전기 점퍼(100)는, 센서 섹션으로부터 트래킹-방지(anti-tracking) 절연 층(352)을 통해 연장되고 센서 출력 와이어(41, 42)를 누설 전류 및 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관(340)을 포함할 수 있다. 센서 출력 도관(340)은 전술된 바와 유사한 방식으로 구성될 수 있다.
이러한 태양에서, 점퍼 접지 와이어(45)가 센서 출력 도관(340) 외부에서 센서 섹션(130)을 빠져나간다.
센서식 전기 점퍼(100)는 센서 부분(130) 외부에서 도전체(1)를 둘러싸는 절연 층(11)을 추가로 포함한다. 센서식 전기 점퍼(100)는 하이 K 재료에 의해 형성되는 응력 제어 층(13)을 추가로 포함할 수 있다. 일 태양에서, 이러한 응력 제어 층은 응력 제어 요소인 내측 층과 예컨대 실리콘 또는 에틸렌 프로필렌 다이엔 단량체 고무(EPDM)의 외측 유전체 층(15)을 장착된 상태에서 포함하는 관으로서 형상화될 수 있다. 응력 제어 요소는 하이 K 재료와 같은 특정 재료의 사용에 의해 또는 기하학적 응력 제어 형상의 사용에 의해 응력 제어를 달성할 수 있다. 응력 제어 관은 성형 공정 또는 압출 공정에 의해 제조될 수 있다.
센서식 전기 점퍼(100)는 센서 섹션(130)과 도전체 단부의 적어도 일부분에 걸쳐 연장되는 관형 슬리브(352)를 추가로 포함한다. 관형 슬리브(352)는 열간 또는 냉간 수축성 재료, 오버몰딩된 재료 또는 푸시-온 재료일 수 있는 트래킹-방지 절연 재료를 포함한다. 선택적으로, 관형 슬리브(352)는 점퍼(100)의 단부 부분 근처에 스커트를 추가로 포함할 수 있다. 이 스커트는 트래킹 전류를 감소시키는 역할을 하며, 이는 실외 응용에 특히 유용하다.
추가적으로, 금속 스트랩과 같은 집전체(19)가 슬리브(16) 주위에 권취되고 접지 와이어(45)를 통해 접지에 접속되어 누설 전류를 집전하고 플래시오버에 대한 추가의 보호를 제공할 수 있다. 선택적으로, 고전압 응용에 대해, 외측 슬리브(16) 내에 형성되는 기하학적 스트레스 콘(stress cone)과 같은 편향기(22; deflector)가 또한 구현될 수 있다.
본 명세서에 기술된 센서식 전기 점퍼가 전류 센서와 용량성 전압 센서를 포함할 수 있기 때문에, 이들 장치는 위상각(역률(power factor)), 볼트 암페어(VA), 무효 전력(Volt Ampere reactive; VAr), 및 와트(W)의 계산을 용이하게 한다.
센서식 전기 점퍼는 크기가 소형일 수 있다. 예를 들어, 센서식 전기 점퍼(100, 200, 300)는 25 인치 이하의 축방향 길이를 가질 수 있다.
본 명세서에 기술된 센서식 전기 점퍼는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 변류기 및 변압기를 포함할 수 있는, 커패시터 뱅크 또는 패드 장착된 일차 미터링 캐비닛에서와 같은 지하 응용에 대해, 본 명세서에 기술된 것과 같은 대응하는 개수의 센서식 전기 점퍼는 캐비닛 제조자가 캐비닛 크기를 감소시키고 그리드 자동화를 위한 스마트 노드(smart node)를 확립할 수 있도록 사용될 수 있다. 오버헤드 응용에 대해, 본 명세서에 기술된 센서식 전기 점퍼는 종단부가 오버헤드 라인 상의 스위치 또는 퓨즈에 접속되는 단자/라이저 폴 응용에서 스위치와 같은 공중(in-the-air) 장비와 함께 배치될 수 있다. 추가적으로, 센서식 전기 점퍼는 재폐로차단기, 구간개폐기, 인-라인 탭 폴(in-line tap pole) 설비, 자동 절환 스위치(automatic transfer switch) 위치, 및 이중 데드엔드 폴(double deadend pole)을 갖춘 위치에 사용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 명세서에 기술된 센서식 전기 점퍼의 대안적인 구현예를 도시한다. 예를 들어, 센서식 전기 점퍼는 스플라이스, 브랜치 스플라이스, 분리가능 스플라이스, 또는 분리가능 브랜치형 스플라이스의 일부로서 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서, 센서식 전기 점퍼(460)(점퍼(100, 200, 300)에 관하여 전술된 바와 같이 구성될 수 있음)가 분리가능 센서식 스플라이스(480)의 일부로서 채용된다. 이러한 구현예에서, 센서식 전기 점퍼(460)는 반도전성 또는 도전성 외측 쉘 층을 포함한다. 추가적으로, 센서식 전기 점퍼는 2개 이상의 단부를 포함하는 센서 섹션을 포함할 수 있다. 도 4b, 도 4c, 및 도 4d는 그리드 내의 맨홀(manhole) 및 볼트(vault) 내에 채용될 수 있는 브랜치 스플라이스 또는 분리가능 브랜치 스플라이스의 일부로서 사용되는 센서식 전기 점퍼의 추가의 대안적인 태양을 도시한다. 예를 들어, 도 4b는 분리가능 센서식 브랜치 스플라이스의 일부로서 구현되는 4개의 센서식 전기 점퍼(461a 내지 461d)를 도시하는데, 이는 전압 및 전류 측정이 4개의 상이한 위치에서 이루어질 수 있게 한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 다른 대안적인 센서식 브랜치 스플라이스 구현예에서, 4개의 센서식 전기 점퍼(462a 내지 462d)가 4개의 접속부를 갖춘 센서식 노드로서 제공되며, 이때 전압 및/또는 전류가 4개의 위치에서 측정가능하다. 또 다른 태양에서, 도 4d는 5개의 센서식 전기 점퍼를 도시하며, 여기서 센서식 전기 점퍼(463a 내지 463d)는 4개의 상이한 위치에서 전류 데이터를 제공하고, 센서식 점퍼(463e)는 브랜치에 대한 전압 데이터를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예의 설명을 위한 목적으로 구체적인 실시예들이 본 명세서에서 예시되고 기술되었지만, 매우 다양한 대안의 또는 동등한 구현예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 도시되고 기술된 구체적인 실시예를 대체할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 당업자는 본 발명이 매우 다양한 실시예들로 구현될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 본 출원은 본 명세서에서 논의된 실시예들의 임의의 개작 또는 변형을 포함하고자 한다.

Claims (21)

  1. 제1 단부와 제2 단부를 갖춘 도전체 - 제1 단부는 제1 접속 인터페이스를 포함하고, 제2 단부는 제2 접속 인터페이스를 포함함 -;
    제1 단부와 제2 단부 사이에서 도전체 위에 배치되는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 섹션 - 센서는 도전체의 전류 및 전압 중 적어도 하나를 감지함 -; 및
    센서로부터 연장되고, 적어도 하나의 센서 출력 와이어를 누설 전류 또는 다른 잠재적인 전기적 손상으로부터 보호하기 위해 도전체 축에 실질적으로 수직하게 배향되는 센서 출력 도관
    을 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  2. 제1항에 있어서, 센서 출력 도관은 외측 절연 층을 갖춘 도전성의 가요성 도관을 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  3. 제2항에 있어서, 도전성의 가요성 도관은 금속성 재료를 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  4. 제1항에 있어서, 센서는 도전체와 접촉하는 내측 실드(shield) 층, 내측 실드 층 위에 배치되는 절연 층, 및 절연 층 위에 배치되는 전기적으로 절연된 외측 실드 층을 구비하는 용량성 전압 센서를 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  5. 제4항에 있어서, 전기적으로 절연된 외측 실드 층은 도전성 또는 반도전성 재료의 전기적으로 절연된 섹션을 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  6. 제5항에 있어서, 도전성 또는 반도전성 재료의 전기적으로 절연된 섹션은 용량성 전압 센서의 전극을 형성하는, 센서식 전기 점퍼.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 접속 인터페이스는 러그(lug), 스템 커넥터(stem connector), 분리가능 커넥터, 스플라이스(splice), 및 모듈식 커넥터 중 하나를 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  8. 제1항에 있어서, 센서 섹션은 전류 센서를 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  9. 제4항에 있어서, 센서 섹션은 전류 센서를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  10. 제9항에 있어서, 전류 센서는 용량성 전압 센서와 적어도 부분적으로 동심인, 센서식 전기 점퍼.
  11. 제1항에 있어서, 트래킹-방지 절연 재료로부터 형성되는 관형 몸체를 포함하는 외측 슬리브를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  12. 제11항에 있어서, 외측 슬리브는 복수의 스커트(skirt)를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  13. 제11항에 있어서, 누설 전류를 집전하도록 외측 슬리브 상에 배치되는 하나 이상의 집전체(current collector)를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  14. 제11항에 있어서, 센서 출력 도관에 근접하게 외측 슬리브 내에 형성되는 편향기(deflector) 부분을 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  15. 제1항에 있어서, 25 인치 미만의 길이를 갖는, 센서식 전기 점퍼.
  16. 제1항에 있어서, 각각의 접속 인터페이스는 하나 이상의 분리가능 커넥터 또는 2개 이상의 단부를 갖춘 모듈식 커넥터를 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  17. 제16항에 있어서, 센서 섹션은 2개 이상의 단부를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  18. 제16항에 있어서, 반도전성 또는 도전성 외측 쉘 층을 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  19. 제16항에 있어서, 스플라이스, 브랜치 스플라이스, 분리가능 스플라이스, 분리가능 커넥터, 또는 분리가능 브랜치형 스플라이스 내에 배치되는, 센서식 전기 점퍼.
  20. 제1항에 있어서, 센서 섹션은 온도 센서를 추가로 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
  21. 제1항에 있어서, 센서 출력 도관은 외측 절연 층을 갖춘 비도전성의 가요성 도관을 포함하는, 센서식 전기 점퍼.
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