KR20220134636A - Hv 부싱 테스트 탭에 대한 과전압 보호 - Google Patents

Abstract

본 개시는 과도 과전압으로부터 부싱을 보호하기 위해 HV 부싱의 테스트 탭(9)에 전기적으로 연결되도록 구성된 보호 디바이스(7)에 관한 것이다. 보호 디바이스는 테스트 탭과 접지에 연결하도록 구성된 접지 커넥터(24) 사이에 연결된 적어도 2개의 병렬 접속된 보호 브랜치들(20)을 포함한다. 보호 브랜치들의 각각은 복수의 병렬 접속된 가스 방전 튜브들(21), 그 가스 방전 튜브들과 직렬 접속된 과도 전압 억제 (TVS) 다이오드(22), 및 가스 방전 튜브들과 직렬로 접속되고 TVS 다이오드 양단에 연결된 저항기(23)를 포함한다.

Description

HV 부싱 테스트 탭에 대한 과전압 보호

기술 분야

본 개시는 고전압(high-voltage; HV) 부싱의 테스트 탭에 대한 과전압 보호에 관한 것이다.

배경

테스트 탭은 부싱의 내부 특성들, 예를 들어, 절연에서의 전위, 부분 방전들 또는 손실들을 모니터링하기 위한 외부 장비를 연결하기 위해 고전압(HV) 부싱에 포함된다. HV 부싱 테스트 탭에 연결된 외부 장비는 테스트 탭과 부싱의 접지된 플랜지 사이의 추가된 인덕턴스로 인해, 빠른 과도 상태 동안 종종 높은 과전압을 야기한다. 이러한 과전압은 테스트 탭이 연결되는 필드-그레이딩 포일과 플랜지 사이의 부싱 내부의 절연을 파괴할 수도 있다. 이러한 고장은 부싱의 콘덴서 코어의 주 절연부로 확산되어 부싱의 고장을 야기할 수 있다. 일부 외부 장비는 외부 장비를 보호하기 위한 과전압 보호부들이 내장되어 있지만, 그것들은 부싱을 보호할 정도로 충분히 낮은 인덕턴스를 갖지는 않는다.

US 9,557,349 는 HV 부싱을 모니터링하는 측정 시스템을 위한 저역 통과 필터를 갖는 3-스테이지 보호 회로를 개시하며, 여기서 각각의 스테이지는 각각의 상이한 과전압들에서 활성화된다. US 6 226 166 B1 은 전력 선들 상의 과도상태로부터 전기 장비를 보호하기 위한 과전압 보호 회로에 관한 것이다. 고에너지 흡수 모듈들은 병렬로 연결된 복수의 금속 산화물 바리스터(metal oxide varistor; MOV)들을 포함하고, 가스 어레스터 형태의 스위칭 디바이스는 MOV들과 직렬로 연결된다. US 2004/070913 A1 은 과도 과전압에 대해 저전압 네트워크에 연결된 전기 회로를 보호하기 위한 피뢰기 디바이스에 관한 것으로, 그 피뢰기 디바이스는 병렬로 연결된 복수의 가스-타입 스파크 갭들을 포함한다. WO 2013/178168 A1 은 가스 방전 튜브의 보호 장치에 관한 것이다.

요약

본 발명의 목적은 과도 과전압 (transient overvoltage) ("과도상태(transient)"라고도 함) 동안 HV 부싱의 향상된 보호를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 과도 과전압으로부터 부싱을 보호하기 위해 HV 부싱의 테스트 탭(test tap)에 전기적으로 연결되도록 구성된 보호 디바이스가 제공된다. 보호 디바이스는 테스트 탭과 접지에 연결하도록 구성된 접지 커넥터 사이에 연결된 적어도 2개의 병렬 접속된 보호 브랜치들을 포함한다. 보호 브랜치들 각각은 복수의 병렬 연결된 가스 방전 튜브(gas discharge tube; GDT)들, 가스 방전 튜브들과 직렬로 연결된 과도 전압 억제(Transient-Voltage-Suppression; TVS) 다이오드, 및 가스 방전 튜브들과 직렬로 그리고 TVS 다이오드 양단에 연결된 저항기를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 테스트 탭을 포함하고 테스트 탭에 연결된 본 발명의 보호 디바이스의 일 실시양태를 포함하는 HV 부싱이 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 디바이스 및 그 전기 디바이스의 하우징의 벽을 통해서 배열되는 본 발명의 부싱의 일 실시양태를 포함하는 전기 시스템이 제공된다.

전압 클리핑 컴포넌트들의 여러 병렬 브랜치들을 사용함으로써, 전체 회로의 더 낮은 인덕턴스가 달성될 수 있다. TVS 다이오드와 직렬인 GDT들을 사용함으로써, 더 낮은 병렬 커패시턴스가 달성될 수 있으며, 이는 고주파수 신호들이 통과하도록 허용하고 커패시턴스를 증가시키지 않을 수도 있다. TVS 다이오드들은 바람직하게는 바리스터(varistor) 대신에 사용되는데, 그 이유는 TVS 다이오드들이 과도상태들의 수의 관점에서 덜 변하기 때문이다. 방전 저항기는 감쇠 효과를 보장하고 TVS가 더 이른 과도상태로부터 충전되는 경우 GDT들의 예측하지 못한 점화를 방지하기 위해 사용된다.

임의의 양태의 임의의 특징이 적절하다면 임의의 다른 양태에 적용될 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 마찬가지로, 임의의 양태의 임의의 이점이 임의의 다른 양태에 적용될 수도 있다. 첨부된 실시양태들의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 이하의 상세한 설명으로부터, 첨부된 종속 청구항들로부터 그리고 도면들로부터 명백할 것이다.

일반적으로, 청구항들에서 사용된 모든 용어들은 본 명세서에서 달리 명시적으로 정의되지 않는 한 당해 기술 분야에서의 그것들의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "단수/부정관사/정관사의 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단, 단계 등” 에 대한 모든 언급들은 달리 명시적으로 진술되지 않는 한, 그 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 인스턴스를 지칭하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 개시된 임의의 방법의 단계들은, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 개시된 정확한 순서로 수행될 필요는 없다. 본 발명의 상이한 특징들/컴포넌트들에 대한 "제 1", "제 2" 등의 사용은 단지 그 특징들/컴포넌트들을 다른 유사한 특징들/컴포넌트들과 구별하기 위한 것이며, 특징들/컴포넌트들에 임의의 순서 또는 계층을 부여하려는 것이 아니다.

도면들의 간단한 설명
첨부 도면을 참조하여 예로써 실시양태들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시양태들에 따른, 전기 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시양태들에 따른, 과전압 보호의 개략적인 회로도이다.

상세한 설명

실시양태들이 이제, 소정의 실시양태들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 보다 충분하게 설명될 것이다. 그러나, 많은 상이한 형태들의 다른 실시양태들이 본 개시의 범위 내에서 가능하다. 오히려, 다음의 실시양태들은 본 개시가 철저하고 완전해지도록 예로써 제공되며, 본 개시의 범위를 당업자에게 충분히 전달할 것이다. 동일한 참조부호들은 설명 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트들을 가리킨다.

도 1은 전기 디바이스(3) 및 그 전기 디바이스(3)의 하우징(4)의 벽(5)을 통해서 배열된 HV 부싱(2)을 포함하는 전기 시스템(1)을 나타낸다. 전기 디바이스(3)는 예를 들어 변압기, 예를 들어 액체 충전 변압기일 수도 있거나 이를 포함할 수도 있으며, 이 경우 하우징(4)은 변압기 탱크일 수도 있거나 이를 포함할 수도 있거나, 또는 전기 디바이스(3)는 전력 전자 전력 변환기일 수도 있거나 이를 포함할 수도 있으며, 이 경우 하우징(4)은 밸브 홀일 수도 있거나 이를 포함할 수도 있다.

부싱(2)은 HV 전도체(8)가 부싱을 통과하고 따라서 벽(5)을 통과하기 위한 종방향 관통 홀을 정의하는 절연체를 포함한다. 부싱(2)의 절연체는 예를 들어, 전기 전도성 포일, 예를 들어, 알루미늄 포일의 복수의 인터리빙된 필드 그레이딩 레이어들을 갖는 콘덴서 코어를 포함할 수도 있다. 부싱(2)은 예를 들어 적어도 1 kV, 예를 들어 적어도 3 또는 10 kV, 예를 들어 최대 100 kV 또는 최대 1000 kV의 전압의 HV 적용을 위해 구성된다.

테스트 탭(9)은 예를 들어, 부싱 내의 전위를 측정하기 위해 부싱(2)에 포함된다. 테스트 탭(9)은 예를 들어 부싱의 콘덴서 코어의 외부 (전형적으로 최외곽) 필드-그레이딩 레이어에 연결될 수도 있다. 부싱(2) 외부의 측정 장비(10)는 전기 전도체(6)를 통해 테스트 탭(9)에 연결될 수도 있다. 테스트 탭에 연결된 측정 장비는 용량성 전압 분배에 의해 전압을 측정하거나 고주파수를 측정할 때 저주파수에서부터 고주파수까지 그리고 때때로 추가된 커패시턴스에 민감한 다양한 신호들 중 임의의 신호를 측정할 수도 있다.

측정 장비(10)의 연결은 부싱을 손상시킬 수도 있는 과도상태의 경우 과전압을 증가시킬 인덕턴스의 위험을 증가시킬 수도 있다. 구체적으로, 테스트 탭(9)에 연결된 외부 측정 장비(10)는 종종, 테스트 탭과 부싱의 플랜지(접지) 사이의 추가된 인덕턴스로 인해, 측정 장비 내부의 가외의 임피던스로부터 빠른 과도상태들 동안 높은 과전압을 야기할 수도 있으며, 상기 플랜지는 부싱을 벽(5)에 장착하기 위해 배열된다. 이러한 과전압은 테스트 탭에 연결된 필드-그레이딩 레이어와 플랜지 사이의 부싱 절연체 내부의 절연을 파괴할 수도 있다. 이러한 결함들은 주 절연부로 확산되어 부싱에 결함을 야기할 수도 있다. 일부 외부 장비는 과전압 보호 기능이 내장되어 있지만, 부싱 자체를 보호하기에 충분히 낮은 내부 인덕턴스를 가지지 않을 수도 있다. 반면, 통상적으로 전기 전도체(6)를 통해 테스트 탭(9)에 연결된 본 발명에 따른 과전압 보호 디바이스(7)는 외부 측정 장비보다는 부싱을 보호하도록 구성된다.

바람직하게는, 보호 디바이스(7)는 인덕턴스를 감소시키기 위해, 테스트 탭(9)에 근접하게, 예를 들어 테스트 탭 바로 위에 배열된다.

도 2는 테스트 탭(9)에 연결된 보호 디바이스(7)의 일 실시양태를 나타낸다. 보호 디바이스는 예를 들어 접지 커넥터들(24)을 통해 테스트 탭과 접지 사이에 병렬로 연결된 복수의 보호 브랜치들(20)을 포함한다. 도면의 실시양태에서, 4개의 브랜치들(20)이 사용되며, 이는 일부 실시양태들에서 바람직할 수도 있다. 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 4개, 예를 들어 4개 또는 8개의 병렬 보호 브랜치들(20)을 사용함으로써, 인덕턴스가 감소될 수 있다. 또한, 복수의 병렬 브랜치들(20)은 리던던시(redundancy)를 제공한다. 브랜치들(20)의 수의 배가(doubling)는 일반적으로 인덕턴스의 반감(halving)을 초래한다.

각각의 브랜치(20)는 복수의 병렬 연결된 GDT들(21)을 포함한다. 복수의 병렬 GDT들의 사용은 리던던시를 제공하지만, 또한 몇 개의 GDT 중 하나가 단지 하나가 있는 경우보다 더 빠르게 점화할 확률이 통계적으로 더 높기 때문에, 브랜치가 과도상태를 활성화 및 차단하는 속도를 증가시킨다(감소된 턴온 시간). 복수의 병렬 GDT들은 또한 특히 빠른 과도상태들을 위해 인덕턴스를 감소시킬 수도 있다. GDT들은 통상적으로 희가스로 채워진 종래의 GDT들일 수도 있다. 도면에서, 3개의 병렬 GDT들(21)이 사용되며, 이는 일부 실시양태들에서 바람직할 수도 있지만, 다른 실시양태들에서 3개 초과의 병렬 GDT들이 사용될 수도 있다. 전형적으로, 보호 디바이스(7) 내의 모든 GDT들(21)은 동일한 특성들, 특히 동일한 공칭 점화 전압을 갖는다. 다른 컴포넌트들과 직렬로 GTD들을 사용함으로써, 매우 낮은 병렬 커패시턴스가 달성될 수도 있으며, 이는 고주파수 신호들이 통과하게 하고 소위 C2 커패시턴스, 즉 테스트 탭(9)에 연결된 필드-그레이딩 레이어와 부싱의 플랜지 사이에 형성된 커패시턴스를 증가시키지 않을 수도 있다.

각각의 브랜치(20)에서, TVS 다이오드(22)는 GDT들(21)과 직렬로 연결된다. 예를 들어, TVS 다이오드(22)는 (도면에서와 같이) GDT들(21)과 접지 커넥터(24) 사이에 또는 GDT들(21)과 테스트 탭(9) 사이에 직렬로 연결될 수도 있다. TVS 다이오드(22)는 충전된 전압을 이전의 과도상태로부터 유지할 수 있고 그러면 GDT의 턴-온 전압의 편차를 제공할 수 있을 커패시턴스를 가질 수도 있다. 이것은 TVS 다이오드에 걸쳐 연결된 저항기(23)에 의해 방지되며, 통상적으로 각각의 TVS 다이오드에 걸쳐 낮은 옴 병렬 저항을 제공한다. 저항기(23)는 또한 진동 진폭이 TVS 다이오드 전압 아래로 갈 수도 있기 때문에 진동을 감쇠시키는 것을 도울 수도 있다. 전형적으로, TVS 다이오드(22) 브레이크다운 전압은 GDT(21) 점화 전압보다 높으며, 이는 모든 브랜치들(20)이 그들의 GDT들(21) 중 적어도 하나를 점화하고 그들을 모두 병렬로 연결하여 낮은 인덕턴스를 달성하는 것을 보장할 것이다.

보호 디바이스(7)는 전형적으로 그것이 과도상태에 의해 활성화될 때까지 모든 주파수에 대해 투명하며, 따라서 임의의 측정 신호들과 간섭하지 않는다. 여전히, 보호 디바이스(7)는 빠르게, 예를 들어 1-10 또는 2-5 ns 의 범위 내와 같이 수 나노초 내에 작용할 수도 있다. 또한, 보호 디바이스는 예를 들어 적어도 40kA의 높은 과도 전류를 처리하도록 구성될 수도 있다. 낮은 인덕턴스는 고장 과도상태 동안 테스트 탭(9)에 더 높은 전압들이 추가되는 것을 방지할 수도 있다. 보호 디바이스(7)는 또한 에너지를 흡수함으로써 전압 클리핑(clipping) 동안 공진을 감쇠시킬 수도 있다. 보호 디바이스는 또 다른 과도 펄스를 생성할 수 있을, 플랜지에 과전압을 단락시킬 위험을 감소시킬 수도 있다. 이는 보호 디바이스가 전압을 특정 레벨, 예를 들어 약 수백 볼트 정도로 클리핑할 수도 있음을 의미한다. 전형적으로, 보호 디바이스는 온도에 따라 그 임피던스(커패시턴스 또는 저항)를 변화시키지 않고 있다. 일반적으로, 테스트 탭(9)에 테스트 장비가 연결될 때, 부싱 내의 과도상태들로 인한 부싱(2)의 고장 위험을 감소시킬 수도 있다.

본 발명의 일부 실시양태들에서, 각각의 브랜치(20)의 TVS 다이오드(22)는 TVS 다이오드와 직렬로 연결된 GDT들(21)의 점화 전압보다 높은 브레이크다운 전압을 가지며, 이는 각각의 브랜치의 적어도 하나의 GDT가 점화하는 것을 보장한다.

본 발명의 일부 실시양태들에서, 보호 디바이스(7)는 4개의 병렬 연결된 보호 브랜치들(20)을 포함한다.

본 발명의 일부 실시양태들에서, 각각의 브랜치(20)는 3개의 병렬 연결된 GDT들(21)을 포함한다.

본 개시는 주로 몇몇 실시양태들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 인식하는 바와 같이, 위에서 개시된 실시양태들 이외의 다른 실시양태들이 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같이 본 개시의 범위 내에서 동등하게 가능하다.

Claims (7)

1. 과도 과전압으로부터 부싱을 보호하기 위해 고전압 (HV) 부싱 (2) 의 테스트 탭 (9) 에 전기적으로 연결되도록 구성된 보호 디바이스 (7) 로서,
   상기 보호 디바이스는:
   접지에 연결하도록 구성된 접지 커넥터 (24) 와 상기 테스트 탭 (9) 사이에 연결된 적어도 2 개의 병렬 연결된 보호 브랜치들 (20)
   을 포함하고,
   적어도 2 개의 상기 보호 브랜치들 (20) 의 각각은:
   복수의 병렬 연결된 가스 방전 튜브 (GDT) 들 (21);
   상기 가스 방전 튜브들 (21) 과 직렬로 연결된 과도 전압 억제 (TVS) 다이오드 (22); 및
   상기 가스 방전 튜브들 (21) 과 직렬로 그리고 상기 TVS 다이오드 (22) 양단에 연결된 저항기 (23)
   를 포함하는, 보호 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 TVS 다이오드 (22) 는 상기 GDT들 (21) 의 점화 전압보다 높은 브레이크다운 전압을 갖는, 보호 디바이스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 적어도 2 개의 병렬 연결된 보호 브랜치들 (20) 은 4 개의 병렬 연결된 보호 브랜치들을 포함하는, 보호 디바이스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 병렬 연결된 GDT들 (21) 은 3 개의 병렬 연결된 GDT들을 포함하는, 보호 디바이스.
5. HV 부싱 (2) 으로서,
   테스트 탭 (9); 및
   상기 테스트 탭에 연결된, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 보호 디바이스를 포함하는, HV 부싱.
6. 전기 시스템 (1) 으로서,
   전기 디바이스 (3); 및
   상기 전기 디바이스의 하우징 (4) 의 벽 (5) 을 통해서 배열된, 제 5 항에 기재된 상기 부싱을 포함하는, 전기 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   전기 전도체 (6) 를 통해 상기 테스트 탭 (9) 에 연결된 측정 장비 (10) 를 더 포함하는, 전기 시스템.

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