KR20210140761A - 전류 차단기 시스템 - Google Patents

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KR20210140761A
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파울 그레고르 니콜릭
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 차단기 유닛(4, 6)의 직렬 배열체를 가진 전류 차단기 시스템에 관한 것으로, 상기 차단기 유닛들 중 적어도 하나의 차단기 유닛(4, 6)은 진공관이고, 적어도 2개의 차단기 유닛(4, 6)은 구동 시스템(8)과 기계적으로 연결되며, 상기 구동 시스템(8)은 구동 어셈블리(9)를 포함한다. 본 발명은, 구동 시스템이 적어도 2개의 크랭크(12, 14)를 가진 크랭크샤프트(10)로서 장착된 구동 샤프트를 더 구비한 것을 특징으로 하며, 상기 적어도 2개의 크랭크(12, 14)는 높이가 상이한 2개의 크랭크 스트로크(16, 18)를 갖는다.

Description

전류 차단기 시스템
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 전류 차단기 시스템에 관한 것이다.
고전압 애플리케이션에 진공 차단기(Vacuum circuit breakers)를 사용할 경우, 필요한 절연 강도(dielectric strength)를 달성하기 위해 2개 이상의 진공 차단기를 직렬로 연결하는 것이 더 경제적인 경우가 많다. 구성상 이러한 직렬 연결에서는, 상이한 구조의 진공 차단기들이 동시에 스위칭되어야 한다. 이를 위해, 일반적으로 각각의 스위칭 관에 자체 구동부 또는 자체 구동 시스템이 구비되며, 이들 구동 시스템은 서로 동기화된다. 진공 차단기가 다른 애플리케이션을 위해 가스 라인과 병렬로 연결되는 경우, 유사한 문제가 야기된다. 이 경우에도, 2개의 차단기 유닛을 동시에 스위칭하기 위해 각각 상이한 구동부가 필요하다. 그러나 복수의 구동 어셈블리를 가진 복수의 구동 시스템을 사용하는 것은, 직렬 연결된 2개의 진공관의 사용 시 또는 진공관과 가스 라인의 직렬 연결 시 경제적 균형에 역시 부담이 된다.
본 발명의 과제는, 하나의 공통 구동 시스템에 의해 구동되는, 상이한 구조의 적어도 2개의 차단기 유닛을 가진 전류 차단기 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 가진 전류 차단기 시스템에 의해 해결된다.
청구항 제1항에 따른 전류 차단기 시스템은 적어도 2개의 차단기 유닛의 직렬 배열체를 갖는다. 그 중 적어도 하나의 차단기 유닛은 진공관이고, 이 경우 적어도 2개의 차단기 유닛이 구동 시스템과 기계적으로 연결된다. 구동 시스템은 구동 어셈블리를 가지며, 이 구동 어셈블리는, 적어도 2개의 크랭크를 가진 크랭크샤프트가 구동 샤프트로서 제공되고, 상기 적어도 2개의 크랭크는 높이가 상이한 2개의 크랭크 스트로크를 갖는 것을 특징으로 한다.
크랭크샤프트의 상이한 높이의 스트로크에 의해, 상이한 구조 및 그에 따라 상이한 스트로크를 가진 2개의 차단기 유닛이 단일 구동 샤프트를 통해 하나의 구동 유닛 및 하나의 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다. 이는 경제적 이점을 제공하는데, 그 이유는 2개의 차단기 유닛을 위해 하나의 구동 시스템, 특히 하나의 구동 어셈블리만 필요하기 때문이다.
크랭크라는 용어는, 크랭크샤프트에 장착되며 크랭크샤프트의 회전축을 기준으로 실질적으로 수직으로 연장되는 편심체를 의미한다. 가장 간단한 경우, 크랭크는 거의 막대형으로 형성될 수 있다. 실제로는 불균형을 피하기 위해 일반적으로 비대칭 편심 디스크의 형태로 크랭크가 형성된다. 크랭크라는 용어는, 크랭크샤프트를 따라 서로 이격되어 배치되며, 회전축을 기준으로 편심으로, 상기 회전축에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는 크랭크 핀을 통해 서로 연결된 크랭크 쌍을 의미하기도 한다.
크랭크 스트로크라는 용어는, 크랭크샤프트의 회전축에 대한 크랭크 핀의 편심을 의미하며, 상기 크랭크 핀은 크랭크샤프트의 회전 운동 시 크랭크샤프트의 회전축을 중심으로 하는 원운동을 설명한다. 따라서 크랭크 스트로크는 크랭크 핀의 상기 원운동의 반경에 상응하기도 한다.
차단기 유닛들의 직렬 배열체라는 용어는, 차단기 유닛이 전기적으로 직렬로 연결됨을 의미한다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에서, 크랭크샤프트는 차단기 유닛의 개방 과정 동안 단방향 운동을 수행한다. 이 경우, 구동부가 한 방향으로만 회전할 수 있으면 되기 때문에 종래 기술에 비해 기술적으로 더 간단하게 구성될 수 있다는 장점이 있다. 개방 과정, 특히 170 내지 170°, 바람직하게는 180° 회전의 개방 과정에서의 단방향 회전 운동 가능성은 본 발명에 따른 크랭크샤프트의 사용에 의해 가능해진다.
크랭크샤프트를 구동 시스템의 구동 샤프트로서의 사용하는 것은, 차단기 유닛의 한 번의 개방 과정 및 후속하는 한 번의 폐쇄 과정이 350°와 360° + 10° 사이의 단방향 운동을 수행할 때 추가 이점을 갖는다. 이 경우, 크랭크샤프트가 소정의 초과 크랭크 스트로크의 설정을 통해 바람직하게 360°인 완전 회전 시 개방 및 폐쇄 과정을 수행하면, 크랭크샤프트가 360°에서 약간, 즉 +/- 10°만큼 차이가 나는 회전 운동을 수행하는 것이 바람직할 수도 있다.
이 경우, 본 발명의 한 바람직한 실시예에서 각각 2개의 상이한 차단기 유닛이 상이한 크랭크 스트로크를 갖는 크랭크샤프트의 각각 상이한 크랭크에 기계적으로 연결되고, 상기 두 차단기 유닛은 정격 전압이 다르다는 점에서 차이가 있다. 여기서 차단기 유닛의 정격 전압은, 상기 차단기 유닛이 기술적으로 승인된 전류 흐름을 차단할 수 있는 전압이다. 이러한 방식으로 정격 전압이 상이한 차단기 유닛들을 서로 직렬로 연결할 수 있으므로, 그 다음으로 높은 정격 전압 등급이 도출된다. 이를 위해, 상이한 차단기 유닛을 사용하는 것이 바람직하다.
"기계적으로 연결된"이라는 용어는, 2개의 시스템 간에 힘, 충격 또는 작용을 전달하기 위해, 예컨대 베어링 또는 조인트와 같은 이동식 연결을 통해, 또는 재료결합식 또는 강제결합식 연결과 같은 고정식 연결을 통해, 또는 이동식 연결과 고정식 연결의 조합을 통해서도 수행될 수 있는 기계적 연결이 형성됨을 의미한다.
또한, 본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 직렬 연결된 세 쌍의 동일 유형의 차단기 유닛을 기계적으로 서로 연결하는 것이 바람직하다. 세 쌍의 차단기 유닛은 전력망의 3상을 매핑하므로, 본 실시예에 의해서는 3상이 각각 직렬 연결된 2개의 차단기 유닛에 의해 사전 설정된 정격 전압까지 단일 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다.
전류 차단기 시스템의 한 구조적 실시예에서, 크랭크샤프트와 각각 하나의 차단기 유닛 사이의 기계적 연결부는 크랭크 핀을 가지고, 이 크랭크 핀은 2개의 크랭크 사이에서 크랭크샤프트의 회전축으로부터 이격되어 연장되도록 배치되며, 이때 크랭크 핀은 미끄럼 베어링으로 둘러싸이고, 미끄럼 베어링은 다시 푸시 로드상에 배치된다. 이러한 유형의 구조적 실시예를 통해, 크랭크샤프트의 회전 운동을 차단기 시스템의 가동 접점(moving contact)의 병진 운동으로 변환할 수 있다. 이 경우, 푸시 로드는 나아가 접촉 볼트와 기계적으로 연결되고, 이는 다시 특히 푸시 로드상의 추가 미끄럼 베어링에 의해 수행될 수 있으며, 상기 미끄럼 베어링은 다시 접촉 볼트상의 핀에 부착된다. 양 단부에 미끄럼 베어링을 가진 전술한 푸시 로드를 커넥팅 로드라고도 한다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서, 크랭크샤프트는, 2개의 인접한 크랭크의 크랭크 스트로크의 반경방향 정렬이 크랭크샤프트를 따라 180°만큼 오프셋되어 배치되는 방식으로 구성된다. 이는 크랭크샤프트의 각 크랭크 핀과 기계적으로 연결되어 있는 개별 차단기 유닛이 크랭크샤프트를 따르는 한 라인을 기준으로 서로 오프셋되어 배치되게 하고, 설치 공간을 절약하는 결과를 가져온다. 따라서 이러한 차단기 유닛의 배열은 설치 공간이 덜 필요하고, 이는 차단기 유닛이 폐쇄된 공간에 배치될 때 특히 중요하다.
본 발명의 추가 실시예 및 추가 특징은 하기의 도면을 토대로 더 상세히 설명된다. 도면은 보호 범위를 한정하지 않는 순수 도식적인 표현이다. 상이한 실시예에서 동일한 명칭을 가리키는 특징부에는 동일한 참조부호가 부여되며, 경우에 따라 추가 프라임 기호(')로 식별된다.
도 1은 구동 유닛 및 진공 차단기 형태의 2개의 상이한 차단기 유닛을 가진 전류 차단기 시스템이다.
도 2는 도 1에 따른 전류 차단기 시스템의 개방 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 구동 시스템의 크랭크샤프트의 크랭크 핀 영역의 단면도이다.
도 4는 직렬 연결된 3상용 차단기 유닛을 각각 2개씩, 총 6개를 구비한 전류 차단기 시스템의 개략도이다.
도 5는 하나의 선을 기준으로 오프셋되어 배열된 차단기 유닛과 상이한 반경방향으로의 크랭크 스트로크를 포함하는, 도 4와 유사한 개략도이다.
도 1에는 한편으로 2개의 상이한 차단기 유닛(4, 6)을 함께 구동하는 구동 시스템(8)을 구비한 전류 차단기 시스템(2)이 도시되어 있다. 여기서 구동 시스템(8)은 구동 어셈블리(9) 및 크랭크샤프트(10)를 포함한다. 크랭크샤프트(10)는 본 실시예에서 예컨대 2개의 크랭크샤프트 베어링(34)에 지지되고, 화살표(20)를 따라 단방향 회전 운동을 수행한다. 여기서 크랭크샤프트(10)는, 각각 하나의 상이한 크랭크 스트로크(18 및 16)를 갖는 2개의 크랭크(12 및 14)를 구비한다. 이 경우, 크랭크(12)라는 용어는, 그 사이에 크랭크 핀(24)이 배치되는 한 쌍의 크랭크(12와 12' 또는 14와 14')를 의미하기도 한다. 크랭크 핀(24)은 크랭크샤프트(10)의 회전축(26)에 대해 평행하게 연장된다. 크랭크 핀(24)은 회전 운동(20) 시 회전축(26)을 중심으로 하는 원운동을 설명한다. 크랭크 핀(24)에는 다시 푸시 로드(30)와 연결되어 있는 미끄럼 베어링(28)이 장착된다. 푸시 로드(30)의 단부에는 다시 차단기 유닛의 접촉 볼트(32)와 연결되어 있는 추가 미끄럼 베어링(50)이 배치된다.
차단기 유닛(4, 6)은 2개의 접점, 즉 가동 접점(38)과 고정 접점(40)을 포함하는 접촉 시스템(36)을 구비한다. 접촉 시스템(36)은 하우징(42)에 둘러싸여서 진공 공간(44) 내에 배치된다. 도 1 및 2에 따른 도해는 단지 개략적인 것일 뿐, 진공 차단기의 형태로 구성된 차단기 유닛(4, 6)의 세부사항은 여기에 도시되어 있지 않다. 가동 접점(38)은 이미 설명한 접촉 볼트(32)와 연결되어 있으며, 도 2에서 확인되듯이, 상기 접촉 볼트(32)의 병진 운동 시 접촉 시스템(36)이 개방된다. 크랭크샤프트(10)의 회전 운동(20)은 커넥팅 로드의 형태로 구성된 푸시 로드(30)를 통해 전달되어 접촉 볼트(32)의 병진 운동 및 그에 따라 가동 접점(38)의 병진 운동으로 변환된다. 이러한 운동학적 시퀀스는 상기 두 차단기 유닛(4, 6)에 동일하게 적용된다. 본 도면에 따라, 접촉 시스템(36, 36')이 개방되어 있는 동안의 시퀀스 차이는 상대적으로 더 작은 차단기 유닛(6)의 크랭크 스트로크(18)가 더 큰 차단기 유닛(4)의 크랭크 스트로크(16)보다 더 작게 발생한다는 데 있다. 이러한 방식으로, 정격 전압이 상이하고 서로 직렬로 연결된 상이한 차단기 유닛(4, 6)이 하나의 구동 시스템(8)에 의해 구동될 수 있다.
상기 두 차단기 유닛(4, 6)의 직렬 연결은, 접촉 볼트(50)와 다시 접촉하는 가요성 도체 라인(46)과 전기적으로 연결된 도체 레일(48)을 통한 접촉을 통해 생성된다. 또한, 고정 접점(40)과 이에 할당된 볼트 및 차단기 유닛(6)의 가동 접점(32')을 통해 도체 레일(48) 및 도체 라인(46)을 통한 추가 연결이 수행된다. 이 경우, 170kV의 정격 전압(차단기 유닛 "4") 및 145kV의 정격 전압(차단기 유닛 "6")을 갖는 2개의 진공 차단기를 예로 들 수 있다. 정격 전압이 상이한 진공 차단기의 이러한 직렬 배열을 통해, 전체 전류 차단기 시스템의 정격 전압은 개별 차단기 유닛의 정격 전압의 합산으로 형성된다.
도 1에는 차단기 유닛(4 및 6)이 폐쇄된 상태에서의 전류 차단기 시스템(2)의 기본 위치가 명시되어 있으며, 크랭크샤프트(10)의 단방향 회전 운동(20)을 나타내는 화살표(20)는 도 1의 도해가 화살표(20)를 따라 180° 회전하면 도 2에 따른 전류 차단기 시스템(2)의 개방 위치가 도출되는 동적 도해임을 가리키기도 한다. 도 2에 따른 개방 위치 이후에 화살표(20)를 따라 추가의 단방향 회전이 수행되면 다시 폐쇄 운동이 야기되어 결국 도 1에 도시된 상태가 된다. 이로써, 크랭크샤프트(10)의 360° 회전의 결과, 차단기 유닛(4, 6)이 한 번 개방되었다가 다시 폐쇄된다. 추가로 180° 회전하면 다시 개방 운동이 수행될 것이다.
구동 어셈블리(9)에 의해 구동되는 크랭크샤프트(10)의 연속 단방향 운동의 이점은, 단일 구동 시스템(8)을 통한 간소화된 전동(transmission) 외에도 구동 어셈블리(9)와 관련하여 더 비용 효율적인 구동 변형이 선택될 수 있다는 것이다. 이 경우, 반드시 필요한 것은 아니지만, 기술적으로 복잡한 양방향 구동 운동이 생략될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 차단기 유닛(4, 6)의 개방 위치 및 폐쇄 위치로부터의 전환은 기본적으로 양방향 운동에 의해서도 수행될 수 있지만, 단방향 운동은 크랭크샤프트(10)를 사용해서만 가능하고, 기술적으로 덜 복잡한 구동 어셈블리(9), 예컨대 전동기 또는 나선 스프링을 가진 스프링 장치의 사용을 가능케 한다.
도 3에는 크랭크샤프트(10)의 단면도로서, 일 크랭크의 영역에서 크랭크 핀(24) 및 미끄럼 베어링(28)을 절단한 단면 프로파일이 도시되어 있다. 여기서 크랭크(12) 또는 크랭크(14)의 형태로 구성될 수 있는 크랭크는 예컨대 불균형의 방지를 위해 크랭크샤프트(10)의 회전축(26) 반대편에 균형추를 갖는 편심 디스크이다. 각각 가능한 크랭크 스트로크(16 또는 18)는 회전축(26)의 중심점과 크랭크 핀(24)의 중심점 사이에 연장되는 이중 화살표로 도시되어 있다. 크랭크(12, 14)가 회전축(26)을 중심으로 회전하면, 크랭크 핀(24)은 회전축(26)을 중심으로 하는 원운동을 수행한다. 이때, 크랭크 핀(24) 둘레에 배치된 미끄럼 베어링(28)이 함께 회전하는데, 이는 상기 미끄럼 베어링이 푸시 로드(30)와 연결되어 있기 때문이며, 이 푸시 로드에 단부에는, 도 1에 도시된 것처럼, 추가 미끄럼 베어링(50)이 배치되어, 여기에는 도시되지 않은 접촉 볼트로 전달할 병진 운동을 따라 각각 정렬된다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에서는, 크랭크샤프트(10)에 각각 직렬 연결된 차단기 유닛(4 및 6)의 3개의 쌍(22)이 배치된다. 한 쌍(22)의 차단기 유닛(4 및 6)은 각각 이미 도 1 및 도 2와 관련하여 기술한 기능을 충족한다. 이렇게 구조적으로 동일한 세 쌍의 차단기 유닛(4, 6)의 배치는, 각각 하나의 차단기 유닛 또는 여기서는 한 쌍(22)의 차단기 유닛(4, 6)에 의해 동시에 분리되어야 하는, 전력망의 3상을 나타낸다. 이 경우, 3상 모두 하나의 구동 유닛(8)에 의해 구동될 수 있으며, 이미 설명한 것처럼, 각각의 상은 2개의 상이한 차단기 유닛(4, 6)을 갖는다. 차단기 유닛(4, 6)의 각각의 쌍(22)은 각각 크랭크(14, 16)의 쌍과 연결되며, 상기 크랭크들 각각은 다시 서로 상이한 크랭크 스트로크(16, 18)를 갖는다. 그 외에는 상기 쌍들(22)은 도 1, 도 2 및 도 3과 관련하여 이미 설명한 기술적 특징을 갖는다.
도 4와 유사한 또 다른 한 실시예에서는, 도 5에 따른 개략도가 직렬 연결된 차단기 유닛(4, 6)의 3개의 쌍(22)의 배열체를 갖는다. 도 4와의 차이점은, 본 실시예에서는 각각 2개의 차단기 유닛(4 또는 6)이 서로 오프셋되어 배치된다는 점이며, 이로써 크랭크샤프트(10)를 따라 선형으로 설치 공간이 절약될 수 있고, 그 결과 설치 공간이 제한된 많은 용례에서 결정적인 비용 이점이 달성된다. 도 5에 따른 크랭크샤프트(10)는, 크랭크 "14"와 "12"가 회전축(26)을 기준으로 상이한 반경방향, 특히 180°만큼 오프셋된 방향을 가리키도록 구성된다. 그러나 이러한 구현에서 적어도 매 두 번째 크랭크(12 또는 14) 및 이와 연결된 푸시 로드(30)는, 도 5에 따른 상기 개략도에는 상세히 설명되지 않는 기계적 편향 메커니즘을 필요로 한다는 점에 유의해야 한다.
2 전류 차단기 시스템
4 차단기 유닛 UB1
6 차단기 유닛 UB2
8 구동 시스템
9 구동 어셈블리
10 크랭크샤프트
12 제1 크랭크
14 제2 크랭크
16 제1 크랭크 스트로크
18 제2 크랭크 스트로크
20 단방향 회전 운동
22 직렬 연결된 차단기 유닛의 쌍
24 크랭크 핀
26 회전축
28 미끄럼 베어링
30 푸시 로드
32 접촉 볼트
34 크랭크샤프트 베어링
36 접촉 시스템
38 가동 접점
40 고정 접점
42 하우징
44 진공 공간
46 도체 라인
48 도체 레일
50 추가 미끄럼 베어링

Claims (10)

  1. 적어도 2개의 차단기 유닛(4, 6)의 직렬 배열체를 가진 전류 차단기 시스템으로서, 상기 차단기 유닛들 중 적어도 하나의 차단기 유닛(4, 6)은 진공관이고, 적어도 2개의 차단기 유닛(4, 6)은 구동 시스템(8)과 기계적으로 연결되며, 상기 구동 시스템(8)은 구동 어셈블리(9)를 포함하는, 전류 차단기 시스템에 있어서,
    상기 구동 시스템이 적어도 2개의 크랭크(12, 14)를 가진 크랭크샤프트(10)로서 장착된 구동 샤프트를 더 구비하며, 상기 적어도 2개의 크랭크(12, 14)는 높이가 상이한 2개의 크랭크 스트로크(16, 18)를 갖는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 크랭크샤프트(10)는 차단기 유닛(4, 6)의 개방 과정 동안 단방향 회전 운동(20)을 수행하는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 크랭크샤프트(10)는 차단기 유닛(4, 6)의 개방 과정 동안 170° 내지 190°, 바람직하게는 180°의 단방향 회전 운동(20)을 수행하는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크랭크샤프트는 차단기 유닛(4, 6)의 한 번의 개방 과정 및 그에 후속하는 한 번의 폐쇄 과정 동안 350° 내지 360° + 10° 사이의 단방향 회전 운동(20)을 수행하는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 유닛.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적으로 서로 직렬 연결된 2개 이상의 차단기 유닛(4, 6)이 서로 상이한 크랭크 스트로크(16, 18)를 가진 각각 하나의 크랭크(12, 14)와 기계적으로 연결되고, 상기 두 차단기 유닛(4, 6)은 서로 상이한 정격 전압을 갖는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 직렬 연결된 차단기 유닛(4, 6)의 동일 유형의 3개의 쌍(22)이 크랭크샤프트(10)와 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크샤프트(10)와 각각 하나의 차단기 유닛(4, 6) 사이의 기계적 연결부는 크랭크 핀(24)을 포함하고, 이 크랭크 핀은 2개의 크랭크(12, 12', 14, 14') 사이에서 크랭크샤프트(10)의 회전축(26)으로부터 이격되어 연장되도록 배치되며, 상기 크랭크 핀(24)은 미끄럼 베어링(28)으로 둘러싸이고, 이 미끄럼 베어링은 다시 푸시 로드(30)상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 푸시 로드(30)는 접촉 볼트(32)와 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 푸시 로드(30)와 접촉 볼트(32) 사이의 기계적 연결부는 추가 미끄럼 베어링(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 크랭크(12, 14)의 크랭크 스트로크(16, 18)의 반경방향 정렬이 크랭크샤프트(10)를 따라 180°만큼 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 전류 차단기 시스템.
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