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KR102568806B1 - 진공 차단기 및 고전압 스위칭 조립체 - Google Patents

진공 차단기 및 고전압 스위칭 조립체 Download PDF

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KR102568806B1
KR102568806B1 KR1020217005519A KR20217005519A KR102568806B1 KR 102568806 B1 KR102568806 B1 KR 102568806B1 KR 1020217005519 A KR1020217005519 A KR 1020217005519A KR 20217005519 A KR20217005519 A KR 20217005519A KR 102568806 B1 KR102568806 B1 KR 102568806B1
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KR
South Korea
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electrodes
vacuum
insulating
circuit breaker
vacuum interrupter
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KR1020217005519A
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English (en)
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KR20210033525A (ko
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카트린 벤커르트
파울 그레고르 니콜리치
마르틴 콜레츠코
Original Assignee
지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 진공 챔버(6)를 형성하는 하나 이상의 환형 세라믹 절연 소자(4)를 갖는 하우징(3); 및 서로 상대 운동이 가능한 2개의 접점(9, 10)을 갖는 접점 시스템(8);을 포함하는 진공 차단기(2)에 관한 것이다. 본 발명은, 2개의 전극(14) 및 이들 전극(14) 사이에 배치된 유전 재료(16)를 갖는 용량성 소자(12)가 제공되고, 상기 용량성 소자(12)는 절연 소자(4) 상에 맞물림 방식으로 장착되고 400pF 내지 4000pF의 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 차단기 및 고전압 스위칭 조립체
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른 진공 차단기(vacuum interrupter) 및 청구항 14에 따른 고전압 스위칭 조립체(high-voltage switching assembly)에 관한 것이다.
고전압 또는 초고전압 전송 시스템에서는 동작 전류 및 고장 전류의 차단을 위해 가스 또는 진공 회로 차단기가 사용된다. 특히 380kV 초과의 정격 전압을 갖는 전송 시스템에서 전압 요구의 충족을 위해, 전력값에 대한 표준 사양의 준수를 보장하기 위해, 전력 차단기 챔버(power interrupter chambers)가 직렬로 접속된다. 이 직렬 접속에서 개별 전력 차단기 챔버의 과부하를 방지하기 위해, 전압 분배의 제어가 요구된다. 일반적으로, 전압은 전력 차단기 챔버의 개별 요소에 걸쳐 각각 50% 비율로 분배된다. 이를 위해, 종래 기술에 따르면, 개별 전력 차단기 챔버들에 제어 요소들이 병렬로 접속된다. 이러한 유형의 제어 요소는 일반적으로 하나의 커패시터이거나, 또는 직렬 접속된 커패시터와 저항이다. 이러한 유형의 제어 요소는 추가 설치 공간을 요구하고, 절연되어 설치되어야 하며, 이는 전체적으로 높은 기술적 및 비용 집약적 복잡성을 야기한다.
따라서, 본 발명의 과제는, 종래 기술에 비해 제어 요소의 제공을 위한 기술적 복잡성이 더 낮은 고전압 애플리케이션용 진공 차단기 및 고전압 스위칭 조립체를 제공하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 1의 특징을 갖는 진공 차단기 및 청구항 14의 특징을 갖는 고전압 스위칭 조립체에 의해 해결된다.
특허 청구항 1에 청구된 본원 진공 차단기는 진공 챔버를 형성하는 하나 이상의 환형 세라믹 절연 소자를 갖는 하우징을 포함한다. 또한, 진공 차단기는 서로 상대 운동이 가능한 2개의 접점(contacts)을 갖는 접점 시스템(contact system)을 더 포함한다. 진공 차단기는, 2개의 전극 및 이들 전극 사이에 배치된 유전 재료를 가진 용량성 소자가 제공되고, 상기 용량성 소자는 절연 소자 상에 맞물림 방식으로 장착되며 400pF 내지 4000pF의 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 진공 차단기는 종래 기술에 비해, 개별 전력 차단기 챔버 사이의 전압의 분배를 위한 필수 제어 요소가 진공 차단기 내에, 더 구체적으로는 절연 소자의 표면상에 통합된다는 장점이 있다. 이는 제조 비용의 절약, 진공 차단기의 제공 시 기술적 복잡성의 감소, 및 조립 비용의 회피를 야기한다.
본 발명의 일 구성에서, 용량성 소자, 즉, 커패시터에 추가하여 저항성 소자, 즉, 저항이 마찬가지로 하나 이상의 절연 소자 내에 통합되어 제공된다. 이는 특히, 저항성 소자와 용량성 소자의 직렬 접속 또는 이들 두 소자의 직렬 회로에 적용될 수 있다.
특히 용량성 소자의 유전 재료는 절연 소자의 일 표면에 층 형태로 적용된다. 이를 위해 기본적으로는 절연 소자의 내측 및 외측 표면 모두 적합하지만, 외측 표면에 저항성 소자가 적용되면, 에폭시 수지 매트릭스 내에 매립된 강유전성 재료와 같이, 더 높은 재료 선택도가 제공되는 장점이 있는데, 그 이유는 내부면의 경우 매우 특수한, 재료의 탈가스(outgassing) 거동의 요건이 제시되기 때문이다.
저항성 소자의 저항은 바람직하게 100옴 내지 1500옴, 또는 108 내지 1015옴의 값을 갖는다.
유전 재료는 바람직하게 층의 형태로 절연 소자의 표면에 적용되고, 상기 층은 5㎛ 내지 150㎛, 또는 1mm 내지 5mm 범위의 두께를 갖는다. 종속 전극들은 스위칭 축을 따르는 절연 소자의 연장부와 관련하여 상부 단부면 및 하부 단부면 상에 배치된다. 이때, 전극들이 절연 소자들 사이의 납땜부에 통합되는 것이 바람직하다. 이들 단부면에는 전극들이 용이하게 적용될 수 있고, 전극들 사이에서 유전 재료는 절연 소자의 외측 표면에 적용될 수 있고, 이로써 접촉될 수 있다. 납땜부 내로의 전극의 통합은 바람직하지만 필수적인 것은 아니다. 납땜부 자체가 전극의 역할도 할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 층 또는 권선 형태의 전극들이 절연 소자의 외측 표면상에 배치됨에 따라, 상기 절연 소자 상으로 다시 제2 층 또는 제2 권선 내에 유전 재료가 배치되며, 전극 및 유전 재료가 교대되는 층 시퀀스로 절연 재료의 외측 표면상에 용량성 소자가 생성되는 것도 적합하다.
유전 재료로서 기본적으로 높은 유전 상수를 갖는 재료, 특히 강유전성 재료가 적합하고, 특히 티타네이트가 적합하며, 특히 바륨 티타네이트가 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구성은, 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 따른 진공 차단기를 포함하고, 상기 진공 차단기에 직렬로 접속된 추가 차단기 유닛을 포함하는 고전압 스위칭 조립체이다. 이는, 기본적으로 종래 기술로부터 공지되어 있지만, 직렬 접속된 차단기 유닛으로서의, 본 발명에 따른 하나 이상의 진공 차단기를 포함함으로써, 기술된 고전압 스위칭 조립체에서 대응 제어 요소, 특히 용량성 작용 커패시터가 생략될 수 있게 하는 고전압 스위칭 조립체이다. 바람직하게는 상기 두 차단기 유닛 중 하나는 전술한 진공 차단기이고, 제2 차단기 유닛은 가스 절연 스위치이다. 가스 절연 스위치가 사용되면, 종래의 제어 요소와 가스 절연 스위치의 병렬 접속이 요구된다.
본 발명의 또 다른 실시예 및 특징은 이하의 도면 설명을 참조한다. 상이한 실시예에서 동일한 명칭을 갖는 특징들에 동일한 참조 부호를 부여하였다. 이들은 오직 예시적인 성질을 가지며 보호 범주의 제한을 나타내지 않는 개략적인 실시예일 뿐이다.
도 1은 병렬 접속된 제어 요소들을 갖는, 종래 기술에 따른 고전압 스위칭 조립체의 등가 회로도이다.
도 2는 통합된 제어 요소를 구비한, 2개의 직렬 접속된 차단기 유닛을 갖는 고전압 스위칭 조립체를 도시한 도이다.
도 3은 절연 소자의 표면상에 통합된 저항성 및 용량성 제어 요소를 갖는 진공 차단기의 단면도이다.
도 4는 도 3에 따른 진공 차단기를 위한 용량성 소자 및 저항성 소자의 조립체의 등가 회로도이다.
도 5는 진공 차단기의 상부 및 하부 영역에 제어 요소를 갖는, 도 1에 따른 진공 차단기의 단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 진공 차단기를 위한 제어 요소의 등가 회로도이다.
도 7은 도 8에 도시되어 있는 등가 회로도에 따른 제어 요소를 갖는, 도 1에 따른 진공 차단기를 도시한 도이다.
도 8은 도 7에 따른 진공 차단기를 위한 제어 요소의 등가 회로도이다.
도 9는 용량성 소자가 교대 층의 형태로 절연 소자상에 적용되어 있는, 도 1에 따른 진공 차단기를 도시한 도이다.
도 10은 도 9의 섹션 X의 층상 시퀀스의 확대도이다.
도 11은 도 9의 진공 차단기에 따른 제어 요소의 등가 회로도이다.
도 1은 종래 기술에 따른 2개의 차단기 유닛(32)의 직렬 접속을 도시하고 있다. 이들 차단기 유닛(32)은 가스 절연 스위치일 수도 있고, 진공 차단기일 수도 있다. 이 직렬 접속된 개별 차단기 유닛들(32)을 과부하로부터 보호하기 위해, 상기 직렬 접속된 차단기 유닛(32)에 에 병렬로 제어 요소들(34)이 접속된다. 이를 위해 저항 또는 커패시터가 병렬로 또는 직렬로도 접속될 수 있다. 이를 통해 전압이 개별 차단기 유닛들(32) 간에 분배되어 과부하가 방지된다.
도 2는 진공 차단기(2) 형태의 차단기 유닛(32)이 또 다른 차단기 유닛(32)과 직렬로 접속되어 있는 구성이 도시되어 있다. 여기서 진공 차단기(2)는, 도 3을 참조하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 용량성 소자(12)의 형태로 구성되고 진공 차단기(2)에 통합된 제어 요소(34)를 포함한다.
도 3은 하우징(3)을 갖는 진공 차단기(2)의 단면도를 도시하고 있으며, 여기서 하우징(3)은 복수의 절연 소자(4) 및 중앙에 장착된 금속 차폐부(5)를 포함한다. 금속 차폐부(5)는, 함께 접점 시스템(8)을 구성하는 접점들(9, 10)이 스위칭 축(24)을 따라 움직이도록 장착되어 있는 위치에 지지되도록, 하우징(3) 내에 배치된다.
절연 소자들(4)은 실질적으로 원통형으로 형성되고, 마찬가지로 스위칭 축(24)을 따라 상하 적층되며, 실린더 축도 형성하는 상기 스위칭 축(24)을 따라 하나의 실린더를 형성한다. 개별 절연 소자들(4)은 상호 맞물림 방식으로 연결되는데, 대부분의 경우 납땜 연결이 널리 사용된다. 접점 시스템(8)을 포위하는 하우징(3)은, 대기에 대해 완전히 진공 밀폐되어 있는 진공 챔버(8)를 형성한다.
대략적으로 볼 때, 종래 기술에 따라 종래의 진공 차단기(2)가 구성된다. 본원 진공 차단기(2)는, 절연 소자(4)의 표면(20, 21) 상에 제어 요소(34)가 배치되고, 이때 하나 이상의 용량성 소자(12)가 절연 소자(4)의 표면(20, 21)에 부착된다는 점에서 종래의 진공 차단기와 상이하다. 절연 소자의 내측 표면(21)과 외측 표면(20)이 서로 명백히 구별될 필요는 없으며, 많은 경우에 용량성 소자(12)가 절연 소자(4)의 외측 표면(20)에 부착되는 것이 적합하다.
바람직하게는 절연 소자들(4)의 단부면들(25, 26) 사이에 스위칭 축(24)을 따라 배치되는 전극들(14)이 제공된다. 전극들(14)은 개별 절연 소자들(4)의 연결을 위해 이용되는 납땜면(27)의 연장부일 수 있다. 축(24)에 대해 반경 방향으로 볼 때, 전극들(14)은 절연 소자(4)의 각각의 단부면(25, 26)을 약간 넘어서 돌출됨으로써, 전극(14)의 이들 돌출부 사이에서 전극(14)과 접촉되는 절연 소자(4)의 외측 표면(20) 상에 유전 재료(16)가 배치된다. 유전 재료(16)와 접촉되는 전극들(14)은 상기 유전 재료와 함께 용량성 소자(12)를 형성한다.
나아가, 기본적으로 동일한 구조의 전극들(14) 사이에 마찬가지로 저항성 재료(19)가 배치되어 상기 전극들과 접촉되는 것이 바람직하다. 그 결과, 전극들과 함께 저항성 소자(18)가 생성된다. 도 3에 따른 도면에서 최상부 절연 소자(4)의 외측 표면(20) 상에는, 절연 소자(4)의 내부면에 있는 저항성 소자와 동일한 전극(14)을 통해 연결되어 있는 용량성 소자가 배치되어 있다. 이로써 2개의 제어 요소(34)의 병렬 접속이 생성된다. 도 3에서 인접한 절연 소자들(4) 상의 또 다른 저항성 소자(18)와 함께, 도 4에 따른 등가 회로도가 생성된다.
용량성 소자(12)의 재료, 즉, 유전 재료(16)로서, 바람직하게는 원하는 커패시턴스의 설정을 위해, 높은 εr, 즉, 높은 유전 상수를 갖는 재료가 사용된다. 이를 위해 강유전성 재료, 특히 티타네이트가 적합하며, 바람직하게는 바륨 티타네이트(εr = 1000)가 사용된다. 400pF 내지 4000pF의 대응 커패시턴스를 달성하기 위해, 유전 재료는, 절연 소자(4) 상의 유전 재료(16)의 지정된 층 두께에서 원하는 커패시턴스를 야기하는 농도로 바륨 티타네이트를 함유할 수 있다. 특히, 바륨 티타네이트가 에폭시 수지 매트릭스에 매립되어 있는 유전 재료가 유리하다. 용량성 소자(12)의 유전 재료(16)의 층 두께는 일반적으로 5㎛ 내지 150㎛ 또는 1mm 내지 5mm이다.
도 5는 도 1에 따른 진공 차단기(2)를 도시하고 있고, 여기서 제어 요소들(32)의 배치는 하우징(3) 상에 또는 절연 소자(4) 상에 하우징(3)을 기준으로 대칭으로 분포되어 있다. 이는 하우징(3)을 따라 상이한 절연 소자들(4)로 타겟화된 전압 분배를 가능케 한다. 이는 도 6에 따른 등가 회로도로서 재현된 것과 같은, 용량성 소자(12)와 저항성 소자(18) 사이의 직렬 접속이다.
도 7은 또한 도 1에 따른 진공 차단기(2)를 도시하며, 여기서 용량성 소자(12)와 저항성 소자(18) 모두 절연 소자(4)의 외측 표면(20)에 부착된다. 반경방향으로 볼 때, 유전 작용 재료(16)는 내부를 향해 놓여 있고, 이어서 여기에 더 상세히 설명되지 않은 절연체가 이어지며, 그에 뒤이어 저항성 재료(19)가 이어진다. 유전 재료(16) 및 저항성 재료(19)는 모두 도 8의 등가 회로도에 상응하게 병렬 접속으로 전극(14)과 연결된다. 그에 후속하는 절연 소자(4) 상에는, 전술한 바와 같이, 또 다른 저항성 소자(18)가 부착됨으로써, 도 8에 등가 회로도로서 도시된 것처럼, 저항성 소자(18)와 용량성 소자(12)의 병렬 접속에 추가로 또 다른 저항성 소자(18)가 직렬로 접속된다. 이 회로도 도 5와 유사한 방식으로, 하우징(3)의 하부 영역에서 대칭으로 반복될 수 있다. 기본적으로, 저항성 소자 또는 용량성 소자(12, 18)의 도해 및 배열은 예시적인 구성 형태이다. 이들 소자는 다른 모든 절연 소자(4) 상에도 똑같이 배열될 수 있다. 따라서, 모든 제어 요소(34)가 절연 소자(4)의 내측 표면(21)뿐만 아니라 외측 표면(20)에도 부착될 수 있고, 이는 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9에도 똑같이 적용된다.
도 9는 용량성 소자(12)의 한 대안적 구성을 도시하고 있다. 전극(14)과 유전 재료(16)의 교대 층들이 절연 소자(4)의 외측 표면(20) 주위에 반경 방향으로 권취되어 있다. 도 9의 섹션 X의 확대도가 도 10에 도시되어 있다. 여기서는 외측 표면(20) 상에 배열된 전극(14) 및 유전 재료(16)의 층 시퀀스를 볼 수 있다. 따라서, 하나의 유전 재료(16)가 각각 전극(14) 형태의 전도성 전극 재료의 하나의 층에 의해 매립된다. 이러한 방식으로, 제어 요소(34)의 상응하는 희망 커패시턴스가 개별 층의 수에 의해 더 정확하게 설정될 수 있다. 대응 등가 회로도가 도 11에 도시되어 있다. 여기에는 단지 예시적으로 하나의 커패시턴스 또는 하나의 용량성 소자(12)가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 진공 차단기도, 도 3, 도 5 및 도 7과 관련하여 기술한 바와 같이, 수요에 따라 조합되어 내부뿐만 아니라 외부에도 또 다른 제어 요소를 구비할 수 있다.
2: 진공 차단기 3: 하우징
4: 절연 소자 5: 금속 차폐부
6: 진공 챔버 8: 접점 시스템
9: 가동 접점 10: 고정 접점
12: 용량성 소자 14: 전극
16: 유전 재료 18: 저항성 소자
19: 저항성 재료 20: 절연 소자의 외측 표면
21: 내측 표면 22: 유전 재료의 층
24: 스위칭 축 25: 상부 단부면
26: 하부 단부면 27: 납땜면
28: 스위칭 조립체 32: 차단기 유닛
34: 제어 요소 36: 전력 차단기 챔버들의 직렬 접속

Claims (15)

  1. 진공 챔버(6)를 형성하는 하나 이상의 환형 세라믹 절연 소자(4)를 갖는 하우징(3); 및 서로 상대 운동이 가능한 2개의 접점(9, 10)을 갖는 접점 시스템(8);을 포함하는 진공 차단기(2)에 있어서,
    2개의 전극(14) 및 이들 전극(14) 사이에 배치된 유전 재료(16)를 갖는 용량성 소자(12)가 제공되고, 상기 용량성 소자(12)는 절연 소자(4) 상에 맞물림 방식으로 장착되고 400pF 내지 4000pF의 커패시턴스를 갖고,
    용량성 소자(12) 외에도 저항성 소자(18)가 하나 이상의 절연 소자(4) 상에 제공되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 적어도 용량성 소자(12)의 유전 재료(16)는 절연 소자(4)의 일 표면(20)에 층 형태로 적용되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  4. 제1항에 있어서, 용량성 소자(12)는 절연 소자(4)의 외측 표면(20, 21) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  5. 제1항에 있어서, 용량성 소자(12)와 저항성 소자(18)는 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  6. 제1항에 있어서, 저항성 소자(18)는 맞물림 방식으로 절연 소자(4)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  7. 제1항에 있어서, 저항성 소자는 100옴 내지 1500옴, 또는 108옴 내지 1015옴의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  8. 제1항에 있어서, 유전 재료(16)는 층(22)의 형태로 절연 소자(4)의 표면(20, 21)에 적용되고, 상기 층(22)은 5㎛ 내지 150㎛ 또는 1mm 내지 5mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  9. 제1항에 있어서, 전극들(14)은, 스위칭 축(24)을 따르는 절연 소자의 연장부와 관련하여, 이들 전극이 상부 단부면 및 하부 단부면에 위치하도록 절연 소자(4) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  10. 제9항에 있어서, 전극들(14)은 절연 소자들 사이의 납땜부에 통합되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  11. 제1항에 있어서, 전극(14)은 층의 형태로 절연 소자(4)의 외측 표면(20, 21)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  12. 제11항에 있어서, 용량성 소자(12)는 전극(14), 유전 재료(16) 및 전극(14)이 교대되는 층 시퀀스로서 절연 소자(4)의 외측 표면(20, 21) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  13. 제1항에 있어서, 유전 재료(16)는 강유전성 재료, 티타네이트, 또는 바륨 티타네이트를 함유하는 것을 특징으로 하는, 진공 차단기.
  14. 제1항에 따른 진공 차단기(2) 및 그에 직렬로 접속된 추가 차단기 유닛(32)을 포함하는 고전압 스위칭 조립체(28).
  15. 제14항에 있어서, 차단기 유닛(32)은 진공 차단기(2) 또는 가스 절연 스위치인 것을 특징으로 하는, 고전압 스위칭 조립체.
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