KR102313514B1 - 감소된 크기의 고장 차단기 - Google Patents

Abstract

폴 유닛은 진공 챔버의 하나의 단부로 연장되고 제1 단자에 전기적으로 연결되는 고정된 접촉부, 및 진공 챔버의 반대편의 단부로 연장되는 이동식 접촉부를 가진 진공 차단기 스위치를 포함한다. 슬라이딩 접촉부는 이동식 접촉부에 단단히 연결되고 제2 단자에 미끄러지기 쉽게 연결된다. 폴 유닛은 또한 코일, 슬라이딩 접촉부에 연결된 막대 및 막대에 대항하여 배치된 스프링을 포함하는 전자기 작동기를 포함한다. 폴 유닛은 전자기적으로 연결되는 전송기 코일과 수신기 코일을 더 포함하고, 수신기 코일은 작동기에 전기적으로 연결되고 전송기 코일로부터 전기적으로 절연된다. 이 구성에서, 차단기 스위치, 작동기 및 수신기 코일은 라인 전위에 있고 전송기 코일은 접지 전위에 있다.

Description

감소된 크기의 고장 차단기

본 개시내용은 일반적으로 개폐기용 폴 유닛(pole unit), 더 구체적으로, 폴 유닛이 라인 전위에서 함께 전기적으로 연결된 진공 차단기 스위치와 전자기 작동기 및 전력을 작동기에 제공하기 위한 무선 전력 전달 코일의 쌍을 포함하는, 개폐기용 폴 유닛에 관한 것이다.

종종 전기 그리드로서 지칭되는, 전력 분배 네트워크는 일반적으로 가스 터빈 엔진, 원자로, 석탄 화력 발전기, 수력 발전 댐 등과 같은, 복수의 발전기를 각각 가진 복수의 발전소를 포함한다. 발전소는 고전압 AC 신호를 일반적으로 지역 사회 내에 위치된 복수의 변전소에 전력을 전달하는 고전압 전송 라인에 제공하고, 여기서 전압이 중간 전압으로 내려간다. 변전소는 중간 전압 전력을 복수의 3상 피더 라인에 제공한다. 피더 라인은 중간 전압을 다양한 변압기에 제공하는 복수의 횡방향 라인에 연결되고, 여기서 전압이 저전압으로 내려가고 가정, 사업체 등과 같은 복수의 부하에 제공된다.

위에서 언급한 유형의 전력 분배 네트워크는 일반적으로 네트워크 전반에 걸친 전력 흐름을 제어하는 복수의 스위칭 디바이스, 브레이커, 리클로저, 차단기 등을 포함한다. 이 컴포넌트 중 일부는 예를 들어, 콘크리트 패드에 장착되고, 지하 또는 오버헤드에 장착되는 복수의 외부 하우징에 둘러싸여 있고, 일반적으로 본 명세서에서 개폐기로 지칭된다. 개폐기의 수 및 유형은 특정한 전력 네트워크에 특정한 적용이다.

일반적으로 개폐기는 복수의 폴 유닛, 예를 들어, 3상 네트워크를 위한 3개의 폴 유닛을 포함한다. 각각의 폴 유닛은 전력 라인을 분리시키기 위한 반대 접촉부, 스위치를 작동시키기 위한 전자기 작동기, 에너지 저장 소자, 제어 전자 장치 등을 포함한 고장 차단기 스위치를 포함하는 컴포넌트의 조립체이다. 보통 고장 차단기 스위치는 진공 인클로저 내에 배치된, 반대 접촉부, 하나의 고정된 접촉부 및 하나의 이동식 접촉부를 채용하는 진공 차단기 스위치이다. 차단기 스위치가 이동식 접촉부를 고정된 접촉부로부터 이격되게 이동시킴으로써 개방될 때, 접촉부 사이에 생성되는 아크가 진공에 의해 신속하게 소화된다. 증기 차폐가 접촉부 주위에 제공되어 아크를 포함한다. 특정한 적용에 대해, 진공 차단기 스위치는 접지된 외부면을 가진 고체 절연 하우징에 캡슐화된다.

작업자는 종종 개폐기의 설치 동안 접근, 부동산, 컴포넌트의 크기 및 무게에 의해 제한된다. 예를 들어, 공간은 다른 장비와 작은 해치가 있는 지하 금고에서 프리미엄이다. 패드-장착형 개폐기는 지역에 따라 임대료를 종종 지불해야 하는 지상 수준의 부동산을 사용한다. 오버헤드 설비는 트럭/크레인 접근이 제한적인 경우가 많고 따라서 개폐기가 조작하기 쉬울수록 더 많은 폴탑 사이트(pole-top site)를 이용할 수 있게 된다. 따라서, 업계에서는 개폐기의 크기를 감소시키려는 노력이 있다. 또한, 폴 유닛의 크기와 부품 수를 감소시킴으로써, 기계적 성능이 더 견고해질 수도 있고 조작이 더 쉬워지게 된다.

현대의 고장 차단기는 차단기가 에폭시에 캡슐화되는 솔리드 스테이트 유전체를 채용한다. 알려진 개폐기 설계에서, 특히, 3상 개폐기에 대해, 스위치를 개방하는 작동기가 스위치로부터 전기적으로 절연되고, 차단기 스위치가 일반적으로 중간 전압 라인 전위에 있고 작동기가 접지 전위에 있어서 또한 접지 전위에 있는 전자장치와 인터페이싱할 수 있다. 이 전기적 절연은 중간 전압 전력 레벨에 대해 약 5 내지 10인치일 수 있는, 스위치와 작동기 사이의 상당한 에어 갭을 필요로 한다. 이 에어 갭이 제거될 수 있다면, 폴 유닛의 크기 및 무게가 감소될 수 있다.

다음의 논의는 개폐기의 일부인 것으로 적용 가능한 폴 유닛을 개시하고 설명한다. 폴 유닛은 외부 하우징 및 하우징으로 연장되는 제1 단자 및 제2 단자를 포함한다. 폴 유닛은 또한 진공 챔버, 진공 챔버의 하나의 단부로 연장되고 제1 단자에 전기적으로 연결되는 고정된 접촉부, 및 진공 챔버의 반대편의 단부로 연장되는 이동식 접촉부를 가진 진공 차단기 스위치를 포함한다. 슬라이딩 접촉부가 이동식 접촉부에 단단히 연결되고 제2 단자에 미끄러지기 쉽게 연결되지만, 상이한 설계에서 제2 단자에 단단히 연결될 수 있다. 폴 유닛은 또한 환형 또는 직사각형 부재 상에 권취된 코일, 부재로 연장되고 슬라이딩 접촉부에 연결되는 막대, 및 막대에 대항하여 배치되고 스프링 바이어스를 적용하는 스프링을 가진 전자기 작동기를 포함하고, 작동기의 작동은 이동식 접촉부를 고정된 접촉부에 강제로 대항하게 하여 이동식 접촉부와 고정된 접촉부 간의 전기적 연결을 이루고, 환형 부재는 제2 단자에 전기적으로 연결된다. 폴 유닛은 전자기적으로 연결되는 전송기 코일과 수신기 코일을 가진 전력 조립체를 더 포함하고, 수신기 코일은 전송기 코일로부터 전기적으로 절연된다. 이 구성에서, 차단기 스위치, 작동기 및 수신기 코일은 라인 전위에 있고 전송기 코일은 접지 전위에 있다.

본 개시내용의 부가적인 특징은 첨부 도면과 함께 취해진, 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 분명해질 것이다.

도 1은 라인 전위에서 진공 차단기 스위치, 전자기 작동기 및 에너지 저장 소자 전부를 포함하는 내부 폴 유닛의 단면도;
도 2는 라인 전위에서 진공 차단기 스위치, 전자기 작동기 및 에너지 저장 소자 전부를 포함하는 외부 폴 유닛의 등각도; 및
도 3은 도 2에 도시된 폴 유닛의 단면도.

개폐기에 대한 폴 유닛(폴 유닛은 라인 전위에서 함께 전기적으로 연결된 진공 차단기 스위치와 전자기 작동기 및 전력을 작동기에 제공하기 위한 무선 전력 전달 코일의 쌍을 포함함)에 관한 본 개시내용의 실시형태의 다음의 논의는 사실상 단지 예시적이고, 본 발명 또는 본 발명의 적용 또는 용도를 제한하는 것으로 결코 의도되지 않는다. 예를 들어, 언급된 바와 같이, 폴 유닛은 중간 전압 개폐기에서 사용되는 특정한 적용을 갖는다. 그러나, 당업자라면 이해할 바와 같이, 폴 유닛은 다른 적용을 가질 수도 있다.

도 1은 예를 들어, 패드-장착형 개폐기, 지하 개폐기, 금속-밀폐형 개폐기, 금속-외장 개폐기, 공기 차단된 링 메인 유닛, 풍력 터빈 개폐기 등에서 사용되는 적용을 가진 폴 유닛(10)의 단면도이다. 폴 유닛(10)은 일반적으로 상단으로부터 하단으로 외부 하우징(24) 내에 전부 구성된 진공 차단기 스위치(12), 전자기 작동기(14), 전자 조립체(16), 및 수신기 코일(20)과 전송기 코일(22)을 포함하는 무선 전력 조립체(18)를 포함한다. 아래에서 상세히 논의될 바와 같이, 차단기 스위치(12), 작동기(14), 전자 조립체(16) 및 수신기 코일(20)은 전부 라인 전위에 있고 전송기 코일(22)은 접지 전위에 있다. 폴 유닛(10)을 도시되고 설명된 방식으로 구성함으로써, 종래의 폴 유닛에서 작동기(14)로부터 차단기 스위치(12)를 전기적으로 절연시키도록 보통 필요한 에어 갭은 스위치(12)가 라인 전위에 있고 작동기가 접지 전위에 있기 때문에 제거될 수 있고, 따라서 유닛(10)의 크기를 감소시킨다.

진공 차단기 스위치(12)는 절연성 인클로저(32)에 의해 획정된 원통형 진공 챔버(30)를 포함한다. 진공 차단기 스위치(12)는 챔버(30)의 상단 단부를 통해 연장되고 챔버(30) 내에 배치된 환형 접촉부(36)를 가진 고정된 접촉부(34) 및 벨로우즈(bellows)(42)를 통해 챔버(30)로 연장되고 챔버(30) 내에 배치된 환형 접촉부(44)를 가진 이동식 접촉부(40)를 더 포함하고, 벨로우즈(42)는 접촉부(40)가 이동될 때 챔버(30) 내 진공을 유지한다. 고정된 접촉부(34)가 상부 유닛 단자(50)에 전기적으로 연결되고 이동식 접촉부(40)가 하부 유닛 단자(54)에 전기적으로 그리고 미끄러지기 쉽게 연결되는 슬라이딩 접촉부(52)에 전기적으로 그리고 단단히 연결되고, 단자(50 및 54)가 전력 라인(미도시)에 연결될 하우징(24)으로부터 연장된다. 전자기 작동기(14)가 작동되고 스위치(12)가 폐쇄될 때, 접촉부(36 및 44)는 아래에서 더 상세히 논의된 바와 같이, 서로 접촉되게 유지되고, 스위치(12)가 스프링 바이어스하에서 개방될 때, 접촉부(44)가 접촉부(36)로부터 이격되게 이동되어 접촉부 사이에 갭을 획정한다. 당업자에게 알려진 로고스키 코일(Rogowski coil)(56)은 하부 단자(54)를 싸고 이를 통한 전류 흐름을 측정한다.

작동기(14)는 막대(64 및 66)에 의해 단자(54)에 단단히 장착되고 볼트(미도시)에 의해 단자에 고정되는 환형 또는 직사각형 부재(62) 상에 권취된 코일(60)을 포함한다. 작동기(14)는 슬리브(70) 내에 미끄러지기 쉽게 장착되고 부재(62) 내에 동심원으로 배치되는 미끄러질 수 있는 막대(68)를 더 포함하고, 막대(68)는 부재를 통해 연장되고 슬라이딩 접촉부(52)에 단단히 연결되고 접촉부(40)에 장착된다. 코일(60)이 활성화될 때, 막대(68)가 스프링(58)의 바이어스에 대항하여 상향으로 이동되고 스프링(72)의 도움으로 접촉부(44)를 접촉부(36)에 대항하여 이동시켜서 스위치(12)를 폐쇄한다. 코일(60)이 비활성화될 때, 스프링(58)은 스위치(12)를 개방하는 것을 돕고, 영구 자석은 막대(68)를 강제로 제자리에 유지한다.

작동기(14)가 라인 전위에 있기 때문에, 작동기가 접지 전위로부터 전기적으로 절연되어야 하지만, 여전히 접지 전위에서 전력원으로부터 활성화되어야 한다. 이 전기적 연결은 전기적으로 분리되는 코일(20 및 22) 간의 자기 결합을 통해 제공되고, 코일(20)은 라인 전위에 있고 코일(22)은 접지 전위에 있다. 코일(20 및 22)이 포팅 물질(46) 내에 포팅되어 이들 사이에 전기적 절연을 제공하고 하우징(24) 내에서 단단히 유지된다.

전자 조립체(16)는 전자기 작동기(14)와 전력 조립체(18) 사이의 챔버(74)에 구성되고, 조립체(16)는 플레이트(76)에 의해 작동기(14)로부터 분리된다. 조립체(16)는 에너지 저장 유닛(80), 예컨대, 커패시터, 슈퍼-커패시터, 배터리 등, 작동기 코일 구동 회로(82), 전력 수신기 코일 하베스팅 회로(84), 로고스키 코일 측정 획득 회로(86) 및 통신 회로(88)를 포함한다. 수신기 코일(20)이 전력 수신기 코일 하베스팅 회로(84)에 연결되고, 하베스팅 회로(84)가 작동기 구동 회로(82)에 연결되고 구동 회로(82)가 적합한 스위칭 네트워크(미도시)를 통해 작동기 코일(60)에 연결된다. 획득 회로(86)는 로고스키 코일(56)로부터 전류 측정 신호를 수신한다. 통신 회로(88)는 포팅 물질(46)에 걸쳐, 광학 시그널링, 예를 들어, 적외선을 통해서와 같이 신호를 메인 개폐기 제어기(미도시)로 제공하고 신호를 메인 개폐기 제어기로부터 수신한다.

폴 유닛(10)은 특정한 형상을 갖고 내부 용도를 위해 밀폐형 개폐기에 대해 사용될 적용을 가질 수도 있다. 다른 설계가 외부 용도를 위해 더 적용 가능할 수도 있다. 도 2는 이러한 용도를 가질 수도 있는 폴 유닛(90)의 등각도이고 도 3은 폴 유닛의 단면도이다. 이 설계에서, 폴 유닛(90)이 전류 저장소(94)를 가진 외부 하우징(92)을 포함하고, 하나의 단자(96)가 하우징(92)의 측면으로 연장되고 또 다른 단자(98)가 하우징(92)의 상단부를 통해 연장된다. 도 3은 진공 차단기 스위치(12), 작동기(14), 전자 조립체(16) 및 하우징(92) 내에 배치되고 동일한 참조 부호로 도시된 바와 같이 위에서 설명된 동일한 방식으로 구성되는 무선 전력 조립체(18)를 도시한다.

전술한 논의는 본 개시내용의 단지 예시적인 실시형태를 개시하고 설명한다. 당업자는 이러한 논의로부터 그리고 첨부 도면 및 청구범위로부터, 다양한 변화, 변경 및 변동이 다음의 청구범위에 규정된 바와 같이 본 개시내용의 정신 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수 있다는 것을 손쉽게 이해할 것이다.

Claims (20)

1. 폴 유닛(pole unit)으로서,
   외부 하우징;
   상기 하우징으로 연장되는 제1 단자 및 제2 단자;
   진공 챔버, 상기 진공 챔버의 하나의 단부로 연장되고 상기 제1 단자에 전기적으로 연결되는 고정된 접촉부, 및 상기 진공 챔버의 반대편의 단부로 연장되는 이동식 접촉부를 포함하는 진공 차단기 스위치;
   상기 이동식 접촉부에 단단히 연결되고 상기 제2 단자에 미끄러지기 쉽게 연결되는 슬라이딩 접촉부;
   부재 상에 권취된 코일, 상기 부재로 연장되고 상기 슬라이딩 접촉부에 연결되는 막대, 및 상기 막대에 대항하여 배치된 스프링을 포함하는 전자기 작동기로서, 상기 부재는 상기 제2 단자에 전기적으로 연결되는, 상기 전자기 작동기; 및
   전자기적으로 연결되는 전송기 코일과 수신기 코일을 포함하는 전력 조립체를 포함하되, 상기 수신기 코일은 상기 작동기에 전기적으로 연결되고 상기 전송기 코일로부터 전기적으로 절연되고, 상기 차단기 스위치, 상기 작동기 및 상기 수신기 코일은 라인 전위에 있고 상기 전송기 코일은 접지 전위에 있는, 폴 유닛.
2. 제1항에 있어서, 광통신 회로는 광정보 신호를 포팅 물질에 걸쳐 전송하는, 폴 유닛.
3. 제1항에 있어서, 상기 전자기 작동기와 상기 전력 조립체 사이의 챔버 내에 배치된 전자 조립체를 더 포함하는, 폴 유닛.
4. 제3항에 있어서, 상기 전자 조립체는 에너지 저장 유닛, 작동기 코일 구동 회로, 전력 수신기 코일 하베스팅 회로, 코일 측정 획득 회로, 및 통신 회로를 포함하는, 폴 유닛.
5. 개폐기용 폴 유닛으로서,
   외부 하우징;
   상기 하우징으로 연장되는 제1 단자 및 제2 단자;
   진공 챔버, 상기 진공 챔버의 하나의 단부로 연장되고 상기 제1 단자에 전기적으로 연결되는 고정된 접촉부, 및 상기 진공 챔버의 반대편의 단부로 연장되는 이동식 접촉부를 포함하는 진공 차단기 스위치;
   상기 이동식 접촉부에 단단히 연결되고 상기 제2 단자에 미끄러지기 쉽게 연결되는 슬라이딩 접촉부;
   부재 상에 권취된 코일, 상기 부재로 연장되고 상기 슬라이딩 접촉부에 연결되는 막대, 및 상기 막대에 대항하여 배치된 스프링을 포함하는 전자기 작동기로서, 상기 부재는 상기 제2 단자에 전기적으로 연결되는, 상기 전자기 작동기; 및
   전자기적으로 연결되는 전송기 코일과 수신기 코일을 포함하는 전력 조립체를 포함하되, 상기 수신기 코일은 상기 작동기에 전기적으로 연결되고 상기 전송기 코일로부터 전기적으로 절연되고, 상기 전송기 코일과 상기 수신기 코일은 전기적으로 절연성 포팅 물질에 내장되고, 상기 차단기 스위치, 상기 작동기 및 상기 수신기 코일은 라인 전위에 있고 상기 전송기 코일은 접지 전위에 있는, 개폐기용 폴 유닛.
6. 제5항에 있어서, 상기 부재는 상기 제2 단자에 볼트 결합되는, 개폐기용 폴 유닛.
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자는 상기 하우징 내 측면 포트를 통해 연장되는, 개폐기용 폴 유닛.
8. 제5항에 있어서, 상기 제1 단자는 상기 하우징 내 상단 포트로부터 연장되고 상기 제2 단자는 상기 하우징 내 측면 포트로부터 연장되는, 개폐기용 폴 유닛.
9. 제5항에 있어서, 상기 전자기 작동기와 상기 전력 조립체 사이의 챔버 내에 배치된 전자 조립체를 더 포함하는, 개폐기용 폴 유닛.
10. 제9항에 있어서, 상기 전자 조립체는 에너지 저장 유닛, 작동기 코일 구동 회로, 전력 수신기 코일 하베스팅 회로, 코일 측정 획득 회로, 및 통신 회로를 포함하는, 개폐기용 폴 유닛.
11. 제5항에 있어서, 상기 제2 단자를 둘러싸고 이를 통한 전류를 측정하는 로고스키 코일(Rogowski coil)을 더 포함하는, 개폐기용 폴 유닛.
12. 제5항에 있어서, 광정보 신호를 상기 포팅 물질에 걸쳐 전송하기 위한 광통신 회로를 더 포함하는, 개폐기용 폴 유닛.
13. 개폐기용 폴 유닛으로서,
    외부 하우징;
    상기 하우징으로 연장되는 제1 단자 및 제2 단자;
    진공 챔버, 상기 진공 챔버의 하나의 단부로 연장되고 상기 제1 단자에 전기적으로 연결되는 고정된 접촉부, 및 상기 진공 챔버의 반대편의 단부로 연장되는 이동식 접촉부를 포함하는 진공 차단기 스위치;
    상기 이동식 접촉부에 단단히 연결되고 상기 제2 단자에 미끄러지기 쉽게 연결되는 슬라이딩 접촉부;
    부재 상에 권취된 코일, 상기 부재로 연장되고 상기 슬라이딩 접촉부에 연결되는 막대, 및 상기 막대에 대항하여 배치되고 상기 이동식 접촉부를 상기 고정된 접촉부로부터 강제로 이격되게 하여 상기 이동식 접촉부와 상기 고정된 접촉부 간의 전기적 연결을 분리시키는 스프링 바이어스를 적용하는 스프링을 포함하는 전자기 작동기로서, 상기 부재는 상기 제2 단자에 전기적으로 연결되는, 상기 전자기 작동기;
    전자기적으로 연결되는 전송기 코일과 수신기 코일을 포함하는 전력 조립체로서, 상기 수신기 코일은 상기 작동기에 전기적으로 연결되고 상기 전송기 코일로부터 전기적으로 절연되고, 상기 전송기 코일과 상기 수신기 코일은 전기적으로 절연성 포팅 물질에 내장되는, 상기 전력 조립체; 및
    상기 전자기 작동기와 상기 전력 조립체 사이의 챔버 내에 배치된 전자 조립체를 포함하되, 상기 전자 조립체는 에너지 저장 유닛, 작동기 코일 구동 회로, 전력 수신기 코일 하베스팅 회로, 코일 측정 획득 회로, 및 통신 회로를 포함하고, 상기 차단기 스위치, 상기 작동기 및 상기 수신기 코일은 라인 전위에 있고 상기 전송기 코일은 접지 전위에 있는, 개폐기용 폴 유닛.
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