단락 시스템을 갖는 저전압, 중간 전압 또는 고전압 개폐기 조립체

단락 시스템을 갖는 저전압, 중간 전압 또는 고전압 개폐기 조립체{LOW-VOLTAGE, MEDIUM-VOLTAGE OR HIGH-VOLTAGE SWITCHGEAR ASSEMBLY HAVING A SHORT-CIRCUITING SYSTEM}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 기재된 단락 시스템을 갖는 저전압, 중간 전압 및 고전압 개폐기(switchgear) 조립체에 관한 것이다.

저전압, 중간 전압 및 고전압 개폐기 조립체는 에너지 흐름을 분배하고 안전 동작을 보장하는 작업을 한다. 많이 일어날 것 같지 않은 내부 장애{장애 아크(fault arc)}의 경우에, 시설 안전 및 사람 안전도 또한 보장되어야 한다. 개폐기 조립체 내에서 발생하는 장애 아크는 그 온도로 인해 수 ms의 시간 기간 내에 가스의 급격한 압력 상승을 발생시키고, 이것은 개폐기 조립체가 폭발에 의해 파괴되는 것을 초래할 수 있다. 그러므로, 가능한 한 빨리 압력을 분산시키기 위한 조치가 채택된다. 더욱이, 아크 발생 장애(arcing fault)는 관련 영역에 제한되도록 의도되고, 조작자를 위험에 빠뜨리지 않아야 한다.

아크의 생성은 적합한 설계, 예를 들어 스위치 패널{구획(compartmentalization)}의 내부 세분화에 의해 매우 크게 제한될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 개폐기 조립체의 개별적인 스위치 패널은 압력-경감(pressure-relief) 개구부 또는 압력-경감 채널을 가지며, 이를 통해 가스는 주변 영역으로 흐를 수 있다. 그러므로, 장애 아크의 효과는 주로 아크 지속기간을 감소시킴으로써 한정될 수 있다.

이것은, 빛, 온도 또는 압력에 반응하고 상류 회로 차단기, 일반적으로 공급 스위치(feed switch)를 해제하는 적합한 센서를 통해 달성될 수 있다. 이것은 40ms 내지 80ms의 아크 발생 시간을 초래한다{가스 대기 공기에서 또는 세분화, 즉 구획(캡슐화(encapsulation)) 내의 몇몇 다른 절연 가스에서, 또는 고체(경계층)에서 연소하는 장애 아크}. 이것은, 가장 큰 기계적 부하가 대략 10ms 직후에 발생하고, 열적 부하만이 감소되는 단점을 갖는다. 이것은 일반적으로 개폐기 조립체, 캡슐화 또는 고체-절연 시스템의 튼튼하고 고가의 설계 구성을 필요로 한다.

압력이 상승될 때에도 내부 장애(장애 아크)를 해결하기 위해, 수 ms 내에 스위칭하는 스위칭 디바이스가 필요하며, 이것은 소위 단락 시스템이라 불린다. 공기 또는 SF ₆ 에서 스위칭하는 이와 같은 3-상 단락 디바이스는 알려져 있다. 임의의 경우에, 스위칭 등급(rating) 및 절연 능력은 감소하는데, 이는 반복된 스위칭 시의 높은 유입(inrush) 전류 때문이다. 이에 반해, 진공 인터럽터(interrupter) 챔버를 이용할 때, 이들 전기적 특성은 스위칭 동작 횟수가 증가함에 따라 사실상 불변 상태로 남아있다.

종래 기술에 이와 관련된 여러 해결책들이 있다.

DE 199 21 173 A1은, "스위칭된 진공 인터럽터 챔버" 및 "트리거링된 진공 갭"의 원리에 기초하여, 각 개별적인 위상에서 또는 위상들 사이에서 진공 인터럽터 챔버를 포함하는 단락 시스템을 개시한다.

DE 199 16 329 A1은, 컴팩트하고 우수한 피스톤 안내부를 갖고 가스 생성기의 이용에 적합하도록 의도된 하나의 연결 레일에 연결 레일들을 전기적 연결하기 위해, 가스 생성기 및 가스 생성기에 의해 직접 구동되는 단락 피스톤을 가지고 배전하기 위한 설비에서 사용하기 위한 장애 아크 보호 장치용 단락 디바이스를 개시한다. 이것은, 단락 피스톤이 안내되고 연결 레일에 고정된다는 점과, 가스 생성기가 초기 부피를 갖는 고정부에 내장되고, 절연 물질로 구성되고, 연결 레일에 직접 부착된다는 점에서 달성된다.

DE 197 468 15 A1은 가스 생성기를 가지고 배전하기 위한 설비에서 사용하기 위한 유사한 장애-아크 보호 장치를 개시하며, 여기서 가스 생성기에 의해 구동되는 단락 피스톤은 최적의 갑작스런 이동을 수행하고, 동시에 가스 생성기가 안전하게 장착되는 추가 목적을 위해 제조 허용오차와 상관없이 운송을 위해 고정된다. 이것은, 단락 피스톤이 밀봉부(seal)로서 적어도 하나의 O-링을 구비한다는 점과, 단락 피스톤의 상부 면이 해제되지 않은 상태에서 압력 막 상에 같은 높이로 놓여서, 해제되지 않은 상태에서 피스톤 이동의 경우에 진공이 생성되고, 단락 피스톤을 상부 면의 놓인 위치로 다시 이동시킨다는 점에서 달성된다.

두 번째 및 세 번째 종래 기술의 인용 문헌은 중간 전압 개폐기 조립체에 대한 다음의 단점을 갖는다. 상류 회로 차단기와 관련하여, 알려진 단락 디바이스는 너무 느리게 스위칭한다. 이러한 3-상 설계 때문에, 단락 디바이스는 또한 일반적으로 기술적으로 너무 복잡하고 비용이 많이 든다. 스위칭 프로세스 동안, 이들 단락 디바이스는 모든 3상에서 이전에 도통(live)되는 전류 경로를 접지, 또는 개별적인 위상들 사이에 연결한다. 이것은 다시 짧은 시간에 일반적으로 높은 장애 전류를 운반하기 위한 컴팩트하고 복잡한 접지 전류 경로를 필요로 한다. 더욱이, 전류는 수명에 걸쳐 스위칭 등급 및 절연 능력에서의 감소를 초래한다.

그러므로, 본 발명은 설명된 단점을 해결하고, 물리적으로 간단한 수단을 통해 빠른 스위칭을 허용하는 목적에 기초한다.

언급된 목적은 청구항 1항의 특징부에 의해 이러한 일반적인 유형의 중간 전압 개폐기 조립체에 대해 달성된다.

추가로 유리한 개선점은 종속항에 규정된다.

이 경우에 본 발명의 본질은, 단락 디바이스가 진공 인터럽터 챔버에 배치되고, 고정된 접점 부품이 위치되는 진공 영역이 약한 파손 라인을 갖는 막(membrane)을 통해 세분화된다는 것이다. 이동 접점 부품(플러그 또는 소켓의 형태로, 마찬가지로 스위칭 챔버의 진공에 배치됨) 위의 적절하게 설계된 피스톤은 스위칭 동안 약한 지점의 영역에서 막을 관통하여, 유닛을 고정된 접점 방향으로 이동시킨다. 그 결과, 이동 접점 상에서 통상적으로 다른 경우에 요구되는 벨로우즈(bellows)가 전혀 필요하지 않다. 이제 필요한 관통 이동은 더 우수한 역학 관계(dynamics)를 초래하므로, 그 목적에 따라 더 빠른 스위칭을 초래한다.

하나의 유리한 개선점에서, 스위칭 동안 이동하는 이동 접점은 동작되지 않는 상태에 있을 때 이동 접점 부품의 일 단부에 배치되어, 진공-밀폐(vacuum-tight) 밀봉을 형성하는 막을 통과한다.

추가로 유리한 개선점은 이동 접점 부품이 막에 나사로 고정(screwed)되고, 용접되거나 땜납된다는 것이다. 그러므로, 상부 실린더 영역은 진공 밀폐 방식으로 하부 진공 영역과 경계를 이룬다.

추가로 유리한 개선점에서, 이동 접점 부품은 피스톤-실린더 장치(arrangement)에 연결되는데, 이러한 피스톤-실린더 장치는 가스 생성기에 의해 작용될 수 있고, 이 장치에서, 동작 동안 약한 지점을 통과하는 절단 에지는 레벨에서 즉, 막의 약한 파손 라인 전면에서, 피스톤의 하부 면 상에 배치된다. 이것은 다른 경우 통상적인 벨로우즈에 의해 가스-밀폐 연결 해제보다 더 우수한 역학 관계를 초래한다.

추가로 유리한 개선점에서, 피스톤은 전기적 전도성 물질로 구성되고, 이동 접점과의 전기적 전도성 연결을 이루고, 고리형 슬라이딩 접점은 피스톤 가동(running) 표면상에 배치된다. 이것은 전기적 접점이 간단한 방식으로 이동 접점 부품을 통해 효과적으로 구동되는 것을 초래한다.

추가로 유리한 개선점에서, 가스 생성기는, 적절한 지점에서 스위칭 챔버의 하우징에 설치될 수 있는 나사 연결부를 통해 삽입되고 고정될 수 있는 화학적 추진용 탄약(chemical propellant charge)을 갖는 카트리지의 형태이다. 그러므로, 추진용 탄약은 후속적으로 사용될 수 있거나, 필요시, 특정 시간 이후에 교체될 수 있다. 나사 연결부는 또한 기계적 과부하 보호의 형태를 제공한다.

또한 피스톤-실린더 장치를 포함하는 단락 디바이스의 상부 부분은 금속 물질로 구성되고, 단락 디바이스의 하부 부분은 절연체로 구성된 진공 인터럽터 챔버를 포함하는 것이 유리하다.

더욱이, 진공 인터럽터 챔버 또는 그 유전 물질은 세라믹 물질로 구성된다.

추가로 유리한 개선점에서, 이동 접점 부품의 일 단부는 외부 원뿔을 구비하고, 고정된 접점은 외부 원뿔에 보완적인 내부 원뿔을 구비한다. 이것은 접점이 계획적인 단락 동안 신뢰성있게 이루어지게 한다.

마지막으로 유리한 개선점에서, 원뿔의 측면(flanks)은 각이 져서(angled), 일단 외부 원뿔이 스위칭 동안 내부 원뿔에 들어가면 기계적 자체-록킹(self-locking)이 발생하게 된다. 그러므로, 이러한 방식으로 생성된 단락은 후속적으로 남아있으므로, 가능하면, 바운싱(bouncing)을 회피하는데, 즉 접점 부품은 멀리 바운싱된다.

본 발명에 따른 단락 디바이스는 이 경우에 공급 전류 경로에 직접 하나 이상의 스위치 패널을 포함하는 저전압, 중간 전압 또는 고전압 개폐기 조립체 내에 배치된다. 스위칭 프로세스 동안, (장애의 경우에), 그러므로 위상을 "단락"시켜, 공급 스위치와 병렬에 있는 회로는 차단되고, 아웃고어(outgoer) 패널에서 생성된 임의의 아크는 지연 없이 억제된다.

단락 디바이스가 "하나의 3-상" 장치 또는 "복수의 개별적인" 진공 인터럽터 챔버를 포함할 수 있다는 것이 강조되어야 한다. "복수의"(예를 들어 이들 중 3개) 진공 인터럽터 챔버 각각이 별 모양으로 연결되면, 별 모양의 끝 지점은 접지될 수 있다. 접지될 때, 더 복잡한 접지 전류 경로는 개폐기 조립체 내에 요구된다. 진공 기술의 이용은 전체 수명에 걸쳐 전류와 상관없이 기능적으로 일정함을 보장한다.

아크 발생 시간에서의 과감한 감소, 즉 장애의 경우에 개폐기 조립체 내에서 기계적 및 열적 부하에서의 상당한 감소는 비용에 효과적이고 컴팩트한 스위치 패널 및 구성요소를 개발하고 제조할 수 있게 한다. 본 발명은 "1차 및 2차 배전"을 위해 공기-절연된 또는 가스-절연된 저전압, 중간 전압 또는 고전압 개폐기 조립체에 사용된다.

본 발명은 다음의 설명에서 더 구체적으로 기재되고, 하나의 예시적인 실시예를 참조하여 도면에 도시된다.

아크 발생 시간에서의 과감한 감소, 즉 장애의 경우에 개폐기 조립체 내에서 기계적 및 열적 부하에서의 상당한 감소는 비용에 효과적이고 컴팩트한 스위치 패널 및 구성요소를 개발하고 제조할 수 있게 한다.

도 1은 단락 디바이스의 하나의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 2는 3-상 배전 시스템에서의 다상 구성을 도시한 도면.
도 3은 각 경우에 3-상 배전 시스템에서 단상 구성을 도시한 도면.

도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다.

이 경우에, 장애 아크를 억제하기 위한 도시된 단락 디바이스는, 특히 "2개의" 진공 인터럽터 챔버에 의해 또는 "하나의" 진공 인터럽터 챔버에 의해 위상들(R, Y; Y, B) 사이에서의 위상 단락에 기초하여, 장애의 경우에 3개의 위상(R, Y 및 B)을 서로 단락시키는 닫히거나 개방된 개폐기 조립체에서 설명될 것이다. 장애, 본 경우에 장애 아크가 발생할 때, 예를 들어 도 1에 도시된 2개의 그러한 진공 인터럽터 챔버, 또는 전류가 그러므로 장애 아크로부터 정류되는 "3-상" 진공 인터럽터 챔버가 닫힌다. 이것은 가스 생성기(1)의 이용에 의해 달성되는데, 이러한 가스 생성기(1)는 진공 인터럽터 챔버의 일측부 상에 배치되고, 트리거링된 후에, 고정된 접점(8) 방향으로 피스톤(2)을 통해 이동 접점(7)을 가속시킨다. 유닛이 연결(단락)된 후에 2개의 전도체의 고정된 연결을 위해, 2개의 전도체 접점 부품(스위칭 접점 부품 및 고정된 접점 부품)은 한 편으로 원뿔형으로, 다른 한 편으로 튤립(tulip) 형태로 설계되어, 소위 "자체-록킹"은 연결 이후에 발생하고, 2개의 구성요소는 닫힌 상태로 남아있게 된다. 연결된 상태에서 임의의 접촉력을 영구적으로 가할 필요가 없다.

단락 디바이스가 "하나의" 진공 인터럽터 챔버만을 포함하면, 이러한 진공 인터럽터 챔버는 별 모양 구성에 대응하여 위상(R, Y 및 B)의 3가지 전도체를 포함한다. 그러나, 이러한 장치에서, 별 모양의 끝 지점은 접지될 수 없다. 디바이스는, 2개의 전도체가 진공 인터럽터 챔버에 영구적으로 설치되고, 하나의 전도체는 2개의 전도체에 "법선"(직각)에 있도록 설계되고, 이동할 수 있도록 설계된다. 이동 전도체는 2개의 다른 전도체의 방향으로 폭발 슬리브(explosive sleeve)(폭발한 후에)에 의해 가속되고, 디바이스에서 3-상 단락을 야기한다. 이러한 진공 인터럽터 챔버는 또한 단락 이후에 자체-록킹을 위해 연결된(단락된) 위치에 남아있는 접점 부품을 포함한다. 추가 선택 사양으로는, 3개 위상 사이에 2개의 진공 단락 디바이스를 배치하여, 단락이 스위칭시 전도체들 사이에서 발생되도록 한다는 것이다. 진공 단락 디바이스가 서로 연결되면, 중심 위상, 이 경우에 위상(Y)으로부터 2개의 피스톤은 위상(R 및 B)에 대해 개시될 수 있다. 이것은 단락 디바이스 외부의 임의의 반응력을 회피한다.

도 1은 이 경우에, 단락 디바이스에는 윗면에서 동작 동안 이동 접점 부품(7)을 이동시키는 피스톤-실린더 장치가 설치되고, 고정된 접점 부품(8)이 진공(6)에 위치되는 밑면에서, 진공 챔버는 세라믹 절연부(9), 즉 세라믹 벽을 구비한다는 것을 구체적으로 도시한다.

2개의 영역은 상기 막(15)에 의해 서로 분리된다. 이 경우에, 막은 진공 밀폐 방식으로 이동 접점 부품(7)에 용접되고, 나사로 고정되거나 땜납된다. 막(15)은 약한 파손 라인(약한 지점)(12)을 갖는데, 이러한 약한 파손 라인(12)은 동작시, 피스톤(2) 자체에 의해, 또는 피스톤(2)의 바닥에 배치된 절단 에지(13)에 의해 관통된다. 원통형 영역은 압력 영역, 이 경우에 압력-저항 커버(3)의 형태로 형성되며, 여기서 피스톤(2)은 진공 챔버(6)로의 이동 접점 부품(7)을 위한 이동 공급 라인(5)과 함께 이제 가속된다. 절연체(9)는 2개의 전도체 사이에 절연을 제공한다. 이러한 프로세스 동안, 7과 8 사이의 접점 지점은 매우 빠르게 닫힌다. 이동 접점(7)의 공급-라인 접점 부품은 적절한 원뿔형 형태를 가져서, 연결(접점 부품의 닫힘) 이후에, 접점 부품은 기계적 자체-록킹으로 인해 연결된 위치에 단단히 록킹된다. 전류는 피스톤 상의 고리형 슬라이딩 접점에 의해 이동 접점 부품 측 상에 전달된다.

단상 단락 디바이스-진공 인터럽터 챔버(VK)(9)는 3개의 전도체(R, Y; 및 Y; B) 사이에 스위칭될 수 있다. 또한 각 위상에 대해 진공 인터럽터 챔버(9)를 제공하는 것이 가능하다. 이 경우에, 결과적인 별 모양의 끝 지점은 개방 또는 접지로 스위칭하도록 설계될 수 있다. 진공 인터럽터 챔버(9)는 접점 영역(8)과의 고정된 땜납된 공급 라인 이외에 이동 공급 라인(5)을 갖는다. 세라믹 절연체(9)는 2개의 전도체 사이에 절연을 제공한다. 도시된 것으로 설계될 수 있는 피스톤(2)은 진공 외부 및, 원뿔형 접촉 영역(7)을 갖는 이동 공급 라인(5) 상의 막(15) 위에 위치된다. 예를 들어 폭발성 탄약의 형태인 가스 생성기(1)는 피스톤(2) 위에 위치하고, 동작되지 않는 한, 피스톤(2)을 상부 위치에서 록킹되게 유지하여, 접점 부품은 진공(6)에서 떨어져 유지된다. 피스톤을 이러한 위치에 고정시키는 추가로 가능한 방식은 피스톤과 커버(3) 사이의 와이어 또는 로드에 의해 제공될 수 있다. 장애의 경우에, 폭발성 탄약(1)은 검출(라인 센서+전자 증발 유닛+개시 -> 트리거 출력) 및 개시 이후에 폭발하도록 야기된다. 이 경우에 압력-저항 커버(3)의 형태인 압력 영역에서, 피스톤은 이동 공급 라인과 함께 진공 인터럽터 챔버로 가속된다. 프로세스 동안, 접점 지점은 매우 빠르게 닫혀진다. 공급-라인 접점 부품은 대응하는 원뿔형 형태를 가져서, 연결(접점 부품의 닫힘) 이후에, 접점 부품은 기계적 자체-록킹으로 인해 연결된 위치에서 단단히 록킹된다. 본 명세서에 예시된 바와 같이, 진공 밀봉은 벨로우즈에 의해 달성될 수 있다. 이동 측 상의 전류 전달은 다중접점 슬라이딩 시스템에 의해, 또는 전류 밴드 해결책을 통해 달성될 수 있다.

도 2는 3개의 위상(R; Y; B)을 갖는 주기 도면을 도시한다. 보호 목적을 위해, 이것은 단락 디바이스의 3상의 영역에 위치하는데, 이것은 또한 가능하고 "3개의 위상"을 갖고, 3개의 위상에 연결된다. 장애 아크(103)가 위상들 사이에 또는 접지에서 발생하면, 아크가 예를 들어 광학적으로 검출되고, 진공 인터럽터 챔버(100)에서의 폭발성 캡슐 또는 가스 생성기는 제어 유닛(102)을 통해 폭발하도록 야기된다. 일단 접점 부품이 닫히면, 전류는 진공 인터럽터 챔버(100)에 정류되고, 장애 아크(103)는 억제된다.

도 4는 3개의 위상(R; Y; B)을 갖는 회로도를 도시한다. 보호 목적을 위해, "단상" 단락 디바이스는 3개의 위상 사이에 위치되고, 도 1에 도시된 것으로 설계되고, 위상(R, Y; Y, B)에 연결된다. 장애 아크(103)가 위상들 사이에 또는 접지에 발생하면, 아크는 예를 들어 광학적으로 검출되고, 진공 인터럽터 챔버(100)에서의 폭발성 캡슐은 제어 유닛(102)을 통해 폭발하도록 야기된다. 일단 접점 부품이 닫히면, 전류는 진공 인터럽터 챔버(100)로 정류되고, 장애 아크(103)는 억제된다.