직류 고전압을 스위칭하기 위한 개폐기 {SWITCHGEAR UNIT FOR SWITCHING HIGH DC VOLTAGES}
본 발명은 직류 고전압을 스위칭하기 위한, 특히 직류원과 전기 장치 간 직류를 차단하기 위한 개폐기(switchgear unit)에 관한 것으로서, 상기 개폐기는 하우징으로부터 돌출되고 전도체 경로에 의하여 전기 전도적으로 결합되는 두 개의 연결부, 제1 및 제2 연결부의 사이에 배치되고, 서로에 대하여 상대적으로 움직일 수 있으며 닫힌 위치로부터 열린 위치로 옮겨질 수 있는 두 개의 접점을 가지는 기계적 접촉 시스템, 및 상기 접점들이 열릴 때 생성되는 아크(arc)를 소멸시키기 위해, 온도 퓨즈(thermal fuse)에 의해 작동될 수 있는 분리 장치를 가진다. 본 명세서에서, 직류원은 특히 광전지(PV) 발전기(태양광 설비)의 의미로서 사용되고, 전기 장치는 특히 인버터의 의미로서 사용된다.
1500 V (DC)에 이르는 비교적 높은 직류 전압이 스위칭될 때, (기체 이온화의 결과로서) 높은 필드 세기는 접촉 영역들 사이의 개폐기들 내에 전도성 채널들을 생성하는데, 상기 전도성 채널들은 전기적 아크 또는 아크 플라즈마로 알려져 있다. 스위칭 접점들을 분리할 때 생성된 아크는 가능한 한 빨리 소멸될 필요가 있는데, 이는 아크가 스위칭 접점들 및 주변의 심각한 가열을 초래하는 많은 양의 열(수천 캘빈의 가스 온도)을 방출하기 때문이다. 이 심한 가열은 개폐기가 타버리는 등의 개폐기에 대한 손상뿐만 아니라, 상위 설비의 손상으로 귀결될 수 있다.
DE 20 2008 010 312 U1은 발전 소자들을 형성하도록 결합된 그룹형태의 태양광 모듈들을 포함하는 소위 광전지(PV) 발전기를 갖는 광전지(PV) 설비 또는 태양광 설비를 개시한다. 태양광 모듈들은 직렬 또는 병렬 레인들로 연결된다. 발전 소자는 두 개의 단자를 경유하여 직류 전압을 출력하므로, 전체 광전지 발전기의 직류 전압은 인버터를 경유하여 교류(AC) 전압 시스템에 공급된다. 이 경우 발전기 소자들과 중앙 인버터 간 배선의 복잡함 및 동력 손실을 억제하기 위하여, 소위 발전 단자 박스들이 발전 소자들 가까이에 배치된다. 이런 식으로 축적된 직류 전압은 보통 공통 케이블에 의하여 중앙 인버터에 전송된다.
시스템에 따라서, 광전지 설비들은 구동 전류 및 180 V (DC) 내지 1500 V (DC) 범위의 구동 전압을 연속적으로 전달한다. 직류원으로서 작용하는 광전지 설비로부터 전기 부품들 또는 장치들을 신뢰성 있게 분리하는 것은, 예를 들어, 설치, 조립 또는 서비스 목적을 위하여, 그리고 또한 특히 사람들의 일반적인 보호를 위하여 바람직하다. 적당한 분리 장치는 부하가 걸린 상태에서, 즉 직류원의 사전 분리 없이 차단을 수행할 수 있을 필요가 있다.
부하의 분리를 위하여, 기계적인 스위치(스위칭 접촉)를 사용하는 것이 가능하다. 기계적인 스위치는 접점들이 개방될 때, 전기 장치 (인버터) 및 직류원 (광전지 설비) 사이에서 마찬가지로 DC 분리가 발생된다는 장점을 가진다.
이러한 개폐기들은 선행 기술에 일반적으로 알려져 있다. 부하가 걸린 상태에서 접점들이 개방될 때 생성되는 아크는 이러한 목적을 위하여 제공된 소멸 장치로 재빨리 이동되고, 여기에서 적절한 아크 소멸이 일어난다. 이에 필요한 힘은 전형적으로는 하나 이상의 영구자석에 의하여 생성되는 자기장(블로잉 필드(blowing fields)로 알려진)에 의하여 제공된다. 접촉 영역들의 특별한 설계 및 아크 도전 피스(piece)의 특별한 설계로 인하여 공지된 원리에 근거하여 아크 소멸이 일어나는 적절한 소멸 챔버들에 아크가 전송된다.
이러한 소멸 챔버들은, 예를 들어, 아크 스플리터 스택(arc splitter stacks)을 포함한다. 아크 스플리터에 사용되는 물질은 보통 강자성 물질인데, 이는 아크를 수반하는 자기장이 강자성 물질 부근에서 더 나은 자기 전도를 보이는 아크 스플리터를 통하여 앞다투어 퍼지려 하기 때문이다. 이는 아크 스플리터의 방향으로 흡수 효과를 생성하고, 이 효과는 아크 스플리터의 장치 쪽으로 아크가 이동하고 아크 스플리터들 사이에서 분할되는 결과를 낳는다.
간단한 기계적 개폐기들에서, 안전한 스위칭에 부작용을 일으키거나 심지어는 안전한 스위칭을 불가능하게 만드는 수 많은 결함의 근원들이 실제로 생긴다. 하나의 있음직한 결함은 아크 스플리터 또는 블로잉 자석과 같은 아크-소멸부가 없다는 것이다. 아울러, 예를 들어, 블로잉 자석이 잘못된 극성으로 삽입된 결과로서 잘못 조립된 부품들은 또한 마찬가지로 개폐기 결함으로 귀결될 수 있다. 특히, 하이브리드 스위치 시스템들의 경우, 분실되거나 결함 있는 전자 부품들 때문에 결함 발생가능성이 더 많다.
이러한 결함들이 발생하면 인간 및 설비를 위하여 안전한 상태로 광전기 설비를 두기 위하여, 사용자가 결함을 식별할 수 있고 개폐기를 교체할 수 있도록 회로가 영구적으로 분리될 필요가 있다. 설비가 이러한 상태로 스위칭되면, 장치의 스위칭 하우징은 손상되거나 파괴될 수가 없고, 그 결과 전류가 흐르는 부분들은 절연된 상태가 된다. 그러한 결함 예에서의 스위칭은 활성화 방안들, 예를 들어 사람의 직접 개입 등에 대한 필요 없이, 미리 조작될 개폐기의 소위 자동안전장치 소자에 의하여 이루어진다.
전형적인 자동안전장치 소자들은 인정될 수 있는 물질-의존성 전류 밀도(표면적 당 전류 밀도)가 초과하는 것에 의하여 작동된다. 이 경우, 전기 전도체는 용융되고 회로는 차단된다. 이는 예를 들어 안전 퓨즈에서 사용되듯이, 과전류를 식별하여 연결을 끊는 관례적인 방법이다. 그러나, 이 방법은 광전지 설비들에서 사용될 수 없는데, 그 이유는 이 경우 특정 전류 밀도 또는 전류 레벨을 추정하는 것이 가능하지 않기 때문이다. 그와는 반대로, 작동 또는 결함 검출은 전류 레벨과 무관하게 이루어질 필요가 있다.
DE 10 2008 049 472 A1은 적어도 하나의 소산 소자를 가지며, 또한 분리 장치를 갖는 서지 피뢰기(surge arrester)를 개시하는데, 첫째로 이 피뢰기에서 적어도 하나의 소산 소자는 열적 수단에 의하여 구현가능한 방식으로 분리되는 것이 가능하다. 두 번째로, 에너지-관련, 특히 열적 부하가 더 있는 경우, 단락을 야기하는 것이 가능하다. 이 경우, 전도부의 이동 경로 내 용융 위치 및 대립되는 접점을 형성하는 전도성 소자 사이의 분리 장치에 의하여 이동되는 열적 분리가능한 멈춤 장치가 있다. 작동의 경우와 과부하의 경우, 전도부의 이동은 말단 위치에 도달하기 전에 멈춤 장치에 의하여 중단된다. 분리 장치가 안전하게 전류를 중단시킬 수 없고 소산 소자의 고정된 연결부와 전도부 사이에 아크가 생성되거나 계속 존재하는 고장 발생 시, 즉 열의 추가 입력에 해당하는 경우, 멈춤 동작은 취소되고 이동 전도부는 말단 위치로 이동된다. 쇼트(short)가 제거되어 서지 피뢰기가 시스템으로부터 분리되는 것은 업스트림 과전류 보호 장치, 특히 퓨즈에 의하여 그 자체로 알려진 방식으로 착수된다.
마찬가지로, 이러한 종류의 자동안전장치 소자는 위에서 개요가 서술된 응용에 적합하지 않은데, 이 경우에도 또한 특별한 과전류에 도달되었을 때까지 결함 검출이 이루어지지 않기 때문이다. 존재하는 아크는 또한 고장 발생 시 비교적 높은 전압에서 개폐기의 전기 에너지 범위 내에서 발생할 것이다.
본 발명의 목적은 직류 고전압을 신뢰성 있고 안전하게 스위칭할 수 있는 처음에 언급된 유형의 개폐기를 구체화하는 데 있다. 특히, 개폐기가 직류원, 특히 광전지 발생기 및 전기 장치, 특히 인버터 사이에서 직류 전류 차단을 수행하기에 적합하도록 의도한다. 아울러, 개폐기가, 결함시 생성되고, 사전에 취해질 활성화 방안, 예를 들어, 사람의 개입 등의 필요 없이, 개폐기 내에서 자동적으로 소멸되지 않는 아크를 소멸하게 설정되도록 의도한다.
본 발명은 청구항 1의 특징들에 의하여 상기 목적을 달성한다. 유리한 개선 및 개발은 종속항들의 요지이다.
이 때문에, 개폐기는 하우징에서 돌출되고 전도체 경로에 의하여 전기 전도적으로 결합된 두 개의 연결부를 가진다. 서로에 대하여 상대적으로 움직일 수 있으며, 닫힌 위치로부터 열린 위치로 옮겨질 수 있는 두 개의 접점을 가진 기계적 접촉 시스템이 제1 연결부와 제2 연결부 사이에 배치된다. 또한 온도 퓨즈에 의하여 작동될 수 있는 분리 장치가 상기 접점들이 열릴 때 생성되는 아크(arc)를 소멸시키기 위하여 사용된다. 상기 온도 퓨즈는 상기 전도체 경로에 배치되고 상기 접촉 시스템에 1차 연결되고 2차로 이동 전도부를 경유하여 상기 제1 연결부에 연결되는 용융 위치를 포함한다.
상기 접촉 영역들 사이에 적용된 고전압 때문에 결함이 발생하는 경우, 자동적으로 소멸되지 않는 아크는 상기 접촉 시스템이 열릴 때 부하가 걸린 상태에서 형성될 수 있다. 상기 분리 장치는 작동되고, 상기 용융 위치에서 상기 전도부 및 상기 접촉 시스템 간 연결은 상기 아크로 인하여 상기 용융 위치가 용융 온도에 도달하거나 초과될 때 분리된다.
고장 발생 시 생성된 아크는 에너지가 매우 높다. 선행기술에 비하여, 상기 온도 퓨즈가 작동되거나 과전류 발생 시, 용융 위치는 전류밀도가 아니라 오히려 아크에 의하여 생성된 열 에너지를 이용하여 용융된다. 이는 작동되거나 전류 레벨과 무관하게 검출되는 결함을 가진 개폐기용 자동안전장치로 귀결된다.
그러므로, 개폐기의 온도 퓨즈는 특히 광전지 설비에서의 사용에 적합한 자동안전장치 소자로서 작용한다. 아울러, 개폐기에 대한 대체품은 저비용으로 제조되므로 경제적 제조조건의 요구들을 만족시킨다.
편리한 일 실시예에서, 용융 위치는 특히 반응 온도에 도달하거나 반응온도를 초과할 때 분리되는 솔더 지점(solder point)이다. 상기 접촉 시스템 및 상기 전도부 사이에 사용되는 솔더 물질은 알루미늄/실리콘/주석 합금 또는 기타 일반적으로 알려져 있는 저융점 합금들과 같은 가용 합금일 수 있다. 이러한 합금의 융점은 보통 150℃ 내지 250℃ 범위이다. 이는 정격 동작 동안, 전류가 온도 퓨즈의 작동 없이 안전하게 흐른다는 것을 의미한다. 대안적으로, 전기 전도성 플라스틱과 같이, 온도에 민감하고 전기 전도성의 기타 물질들이 용융 위치 물질로서 사용되는 것이 가능하다.
적용 분야에 따르면, 개폐기의 전도성 및/또는 절연성 물질들의 선택은 반응 온도 및/또는 작동 시간의 해당 변화가 달성되도록 한다. 또한, 사용되는 물질들의 적합한 치수화 및 편성은 이러한 개폐기가 더 낮은 전압에 대하여 사용되도록 하는 것도 가능하다.
하나의 유리한 개발에서, 상기 분리 장치는 미리 압축 응력을 받은(prestressed) 스프링 부재를 포함한다. 스프링 복원력은 분리 방향에서 이동 전도부에 직/간접적으로 작용한다. 고장 발생 시, 용융 위치가 인정할 수 없게 가열되면, 이 용융 위치는 용융되고 스프링 복원력 때문에 상기 개폐기는 결과적으로 시스템 차단을 유도한다. 따라서, 특히 미리 압축 응력을 받은 스프링 부재는, 고장 발생 시, 사람에 의하여 활성화 방안이 수행될 필요 없이 자동 시스템 차단이 이행되도록 한다.
용융 위치가 분리되면, 마찬가지로 일측에 있는 접촉 시스템과 타측에 있는 이동 전도부 사이에 아크가 형성된다. 스프링 복원력 때문에, 상기 전도부는 상기 접촉 시스템에서 멀리 이동하고, 따라서 상기 아크 또는 아크 플라즈마는 인위적으로 확장된다. 이 아크가 이런 방식으로 소멸되면, 상기 접촉 시스템의 접촉 영역들 사이의 아크 또한 소멸된다. 결과적으로 상기 직류원은 상기 전기 장치로부터 DC 분리된다.
적합한 일 실시예에서, 상기 분리 장치가 작동될 때, 상기 스프링 부재는 상기 용융 위치로부터 소정 거리에 있는 상기 전도부를 피봇 지점을 중심으로 휘게 한다. 본 경우에 포함되는 피봇 각은 특히 90° 이상이다. 상기 전도부의 피봇팅은 제 2 아크를 인위적으로 넓혀서 상기 전도부를 더 냉각한다. 이러한 추가적인 확장 또는 냉각은, 상기 전도부가 분리될 때 생성되는 상기 (제2) 아크 및 또한 상기 접촉 시스템 상에 존재하는 (제1) 아크를 소멸시키기 위하여, 상기 접촉 시스템 및 상기 전도부 간 거리가 반드시 가능한 빨리 그리고 넓게 개방되도록 한다. 이 경우, 스프링 복원력은 상기 전도부가 가능한 한 빨리 피봇되기에 대략 충분히 큰 크기로 이루어지도록 선택되고, 그 결과 아크에 의한 스위칭 하우징의 손상이 유리하게도 방지된다.
하나의 적합한 실시예에서, 개폐기의 하우징은 상기 용융 위치에 인접한 절연 챔버를 갖는다. 분리 장치가 작동될 때, 스프링 복원력의 결과로서 상기 전도부는 상기 절연 챔버 내로 밀쳐진다. 유리하게는 아크를 소멸하는 것을 돕는 상기 절연 챔버는 상기 전도부를 상기 접촉 시스템으로부터 물리적으로 분리하여 절연 분리하기 위하여 사용된다.
유사하게 적합한 실시예에서, 상기 분리 장치는 이동되도록 상기 하우징 내에 유지되고 상기 전도부를 향하는 분리 부재를 가진다. 상기 용융 위치는 이에 작용하는 외력에 당연히 민감하다. 상기 전도부 위의 상기 분리 장치의 전술한 스프링 복원력 때문에, 상기 용융 위치는 비교적 심한 하중을 받는다. 상기 분리 부재의 결과로서, 복원력은 상기 전도부 위의 비교적 큰 접촉 영역에서 효과적으로 시작될 수 있다. 바꾸어 말하면, 이는 상기 용융 위치에 작용하는 결과적인 토크가 유리하게도 감소된다는 것을 의미한다. 그 결과, 상기 용용 위치에 기계적 응력이 덜 적용된다.
본 발명의 적합한 일 실시예에서, 상기 분리 부재는 또한 상기 전도부 위의 상기 용융 위치 가까이에서 시작하고, 그 결과 파워 아암이어서 상기 용융 위치에서 유효 토크는 더 감소된다. 이 토크, 또는 파워 아암 길이 및/또는 분리 부재 치수기입(dimensioning)은 개폐기 또는 분리 장치에서 중퇴(dropout) 퓨즈에 대한 반응 온도 및/또는 작동 시간을 치수기입하기 위한 추가적인 변수로서 사용될 수 있다.
하나의 편리한 개발에서, 상기 분리 장치가 작동되었을 때, 상기 전도부는 상기 용융 위치로부터 적어도 부분적으로 절연되도록 상기 분리 부재로 덮이고, 그 결과 유리하게도 아크는 억제된다.
개폐기의 하나의 편리한 개선에서, 상기 분리 부재는 슬라이딩 방식으로 이동하도록 상기 하우징에서 제어되고, 상기 분리 장치가 작동될 때, 스프링 복원력에 의하여 상기 전도부와 함께 상기 절연 챔버 내로 이동된다. 그 결과, 상기 전도부는 작동 상태로 완전히 덮여진다. 상기 분리 장치가 작동될 때, 상기 전도부가 피봇되기 때문에, 추가 아크는 상기 절연 부재 및 상기 절연 챔버 사이의 내에 스퀴즈(squeeze)된다. 특히, 아크가 스퀴즈됨으므로써, 아크의 빠르고 안전한 소멸이 보장된다.
바람직한 일 실시예에서, 이 경우의 상기 스프링 부재는 분리 방향으로 상기 분리 부재를 상기 절연 챔버 내로 밀치는 압축 스프링이다. 이 때문에, 상기 분리 부재 및 상기 절연 챔버는 기하학적으로 상보적 구조로 이루어지고, 그 결과 아크는 챔버 내에 스퀴즈될 수 있고 상기 전도부는 상기 분리 부재에 의하여 상기 접촉 시스템으로부터 완전히 감추어질 수 있다. 이 경우, 스퀴징-인 길이는 편리하게는 상기 직류원의 성능 변수들과 일치될 수 있다.
마찬가지로, 개폐기의 대안적이고 유리한 개선에서, 상기 분리 부재는 회전 방식으로 이동하도록 하우징 내에 유지된다. 상기 분리 장치가 작동될 때, 상기 용융 위치로부터 소정 거리에 있는 상기 전도부는 피봇 지점을 중심으로 상기 분리 부재에 의하여 피봇 운동한다. 일 실시예에서, 상기 스프링 부재는, 고장 발생 시 피봇 레버가 상기 전도부를 피봇운동시키도록 하는 렉 스프링(leg spring)이다.
본 발명의 간단한 형태에서, 상기 접촉 시스템은 이동 접촉부 및 고정 접촉부를 포함한다. 상기 고정 접촉부와 상기 용융 위치 사이에는, 열을 전도하기 위하여 상기 고정 접촉부와 상기 용융 위치를 결합하는 전기 전도성의 접촉 캐리어가 배치된다. 이동 고정부와 접촉 고정부 대신에, 두 개의 이동 접촉부들이 제공될 수도 있다. 이 경우, 상기 접촉 캐리어의 열 용량 또는 융점은 상기 용융 위치의 열 용량 또는 융점보다 더 높다. 하나의 편리한 실시예에서, 상기 접촉 캐리어는 열 및 전기에 대해 양호한 전도체인, 구리와 같은 물질로부터 생성되어, 상기 분리 장치의 빠르고 신뢰성 있는 작동이 보장된다. 열 전도도(단면적 당 열 흐름 및 온도 기울기)를 지원하기 위하여, 상기 접촉 캐리어는, 예를 들어, 캐리어 상의 테이퍼(taper)에 의하여 형상화되어 치수를 가질 수 있다.
하나의 적합한 개발에서, 상기 이동 접촉부는 상기 접촉 시스템을 작동 기구에 의하여 수동으로 동작시키기 위한 로커 레버(rocker lever)에 결합된다. 전형적인 일 실시예에서, 상기 작동 기구, 상기 이동 접촉부 및 상기 고정 접촉부는 (기계적인) 스냅(snap) 접촉 시스템을 형성한다. 이러한 스냅 접촉의 경우, 동작 결과로서, 상기 접촉부들은 가능한 한 빨리, 전형적으로는 미리 압축 응력을 받은 렉 스프링에 의하여 수 밀리초 내에 서로 분리된다. 이는 생성된 (제1) 아크가 정상적으로 소멸되도록 하여, 상기 분리 장치는 작동되지 않는다.
개폐기의 전형적인 실시예에서, 상기 이동가능한 전도부는 유연성 연결 부재, 특히 스트랜드 타입(stranded) 전도체로서, 그의 고정 말단은 분리될 수 없게 상기 제1 연결부에 솔더 결합되고, 그의 느슨한 말단은 상기 용융 위치, 바람직하게는 상기 접촉 캐리어에 솔더 결합된다.
유사하게 전형적인 실시예에서, 상기 개폐기의 하우징은 상기 전도체 경로, 상기 기계적 접촉 시스템, 상기 분리 장치 및 상기 온도 퓨즈를 보유한다. 그 결과, 상기 개폐기의 전류가 흐르는 부분들은 주위로부터 절연된다. 특히, 이는 유리하게는 개폐기를 작동시키는 사람을 인가되는 고전압 및 전류로부터 보호한다.
하나의 유리한 개선에서, 상기 하우징 및 상기 분리 부재는 열적으로 안정한 플라스틱 물질, 특히 열경화성 물질로 이루어진다. 이는 아크 때문에 높은 열 발생 레벨이 개폐기 하우징을 손상시키지 않거나 파괴하지 않도록 한다. 그 결과, 전류가 흐르는 부분들은 고장 발생 시에 접촉해도 안전하도록 계속 절연된다. 아울러, 상기 분리 부재는 상기 용융 위치의 영역에서 제2 아크에 의하여 확실하게 손상되지 않거나 파괴되지 않는다. 그 결과, 상기 분리 부재는 고장 발생 시 상기 시스템으로부터 상기 개폐기를 신뢰성 있게 절연할 수 있다.
적합한 일 실시예에서, 상기 분리 부재 및/또는 상기 절연 챔버는 화재발생 시, 가스를 제거하는 플라스틱 물질, 특히 폴리아미드(polyamide)로 형성된다. 예로서, 폴리카보네이트(polycarbonate) 또는 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene)이 마찬가지로 적합하다. 플라스틱 탈가스 작용은 유리하게는 (제2) 아크의 빠른 소멸에 기여한다. 특히, 상기 가스들은 절단된 용융 위치의 영역에서 에어 갭의 이온화를 방해하거나, 상기 이온화가 더 빠르게 약해지도록 한다.
하우징, 절연 챔버 및 분리 부재를 위한 적합한 플라스틱의 선택과의 상호작용, 상기 접촉 캐리어의 형상 및 물질, 스퀴징-인의 치수화, 및 상기 용융 위치에 작용하는 토크는 고장 발생 시 상기 분리 장치의 정확한 작동 및 아크의 신뢰성 있는 소멸을 가능하게 한다.
직류원 및 전기장치 간, 특히 광전지 발생기 및 인버터 간 직류를 차단하기 위한 분리 장치에 대하여, 언급된 목적은 청구항 16의 특징들에 의하여 달성된다. 따라서, 이 장치는 본 발명에 따른 전류가 흐르는 개폐기를 포함한다.
개폐기의 하나의 편리한 실시예에서, 이 때문에, 상기 연결부들 및 상기 하우징은 인쇄회로기판 조립체에 적합하고 이를를 위하여 설치된다. 상기 개폐기가 바람직하게 사용되는 경우, 상기 분리 장치는 이에 따라 특히 광전지 설비 및 그와 관련된 인버터 사이에서뿐만 아니라, 예를 들어, 연료 전지 설비 또는 축전지(배터리)와 관련하여 직류전류의 신뢰성 있고 접촉시 안전한 차단에 특히 적합하다.
도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 하기에 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 광전지 발생기 및 인버터 간 자동안전장치 시스템을 갖는 본 발명에 따른 개폐기의 블록도이다.
도 2는 스위치 닫힘 상태에서 개폐기의 단면도이다.
도 3은 기계적 접촉 시스템이 열리고 아크가 형성될 때, 도 1에 도시된 개폐기의 단면도이다.
도 4는 자동안전장치 시스템이 작동된 후 도 1과 도 2에 도시된 개폐기의 단면도이다.
도 5는 개폐기의 분해도이다.
도 6은 분리 장치의 상세도이다.
도 7은 대안적 분리 장치를 갖는 개폐기의 상세 단면도이다.
도 8은 자동안전장치가 작동된 상태에서 도 6에 도시된 개폐기의 상세 단면도이다.
서로 대응하는 부분들과 크기들은 모든 도면들에서 항상 동일한 참조 부호를 이용하여 제시되었다.
도 1은, 예시적인 실시예에서, 광전지 발생기(2) 및 인버터(3) 사이에 연결된 개폐기(1)를 도식적으로 나타낸다. 광전지 발생기(2)는 다수의 태양광 모듈(4)을 포함하고, 이들 태양광 모듈은 서로 병렬 상황에서, 조립 지점으로서 효과적으로 작용하는 공통 발생기 단자 박스(5)로 향한다.
정(positive) 단자를 나타내는 메인 전류 경로(6)에서, 개폐기(1)는 인버터(3)로부터 광전지 발생기(2)의 DC 분리를 위한 두 개의 서브시스템을 본질적으로 포함한다. 제1 서브시스템은 수동조작 가능한 기계적 접촉 시스템(7)이고, 제2 서브시스템은 고장 발생 시 자동으로 작동하는 자동안전장치 시스템(8)이다. 개폐기(1)의 부(negative) 단자라서 전체 설비의 부 단자를 나타내는 리턴 라인(9)에, 더 상세하게 도시되지 않은 방식으로 연결되는 접촉 및 자동안전장치 시스템(7, 8)이 더 있을 수 있다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 개폐기(1)의 변형 예를 상세한 도면으로 나타낸다. 개폐기(1)는 두 개의 연결부(외부 연결부)(11, 12)가 돌출하는 하우징(10)을 포함한다. 개폐기(1)는 연결부(11, 12)에 의하여 광전지 발생기(2) 및 인버터(3) 사이의 메인 전류 경로(6)에 연결된다.
더욱이, 접촉 시스템(7)은 이동 접촉부로서 접촉 크로스바(15), 및 고정 접촉부로서 접촉 캐리어(16)를 포함하고, 상기 접촉 크로스바는 로커 레버(13) 및 커플링 레버(14)에 의하여 수동으로 동작될 수 있다. 접촉 크로스바(15) 및 접촉 캐리어(16) 간 접촉부 또는 접촉 영역(17a, 17b)은 플레이트렛과 같은(platelet-like) 접촉 부재들의 형상으로 되어 있다.
접촉 크로스바(15)는, 용접 지점의 형태로 되어 있는 접촉 크로스바(15) 및 스트랜드(stranded) 전도체(18) 간 연결 그리고 스트랜드 전도체(18) 및 연결부(11) 간 연결의 양 연결과 함께 고정 스트랜드 전도체(18)에 의하여 연결부(11)에 전기 전도적으로 결합된다. 접촉 크로스바(15)는 본질적으로 햄머(hammer) 형상이고 전기 전도성 금속으로 형성되며, 접촉 영역(17a)은 햄머 헤드 말단에 배치되어 개폐기(1)의 닫힌 위치에서 접촉 영역(17b) 위에 놓인다 (도 2).
접촉 캐리어(16)는 전기 및 열 전도도 레벨이 높은 구리로 형성된다. 접촉 캐리어(16)는 상부 계단 가장자리에 배치되는 접촉 영역(17b)을 갖고서 본질적으로 계단 형상을 가진다. 접촉 캐리어(15)의 계단 몸체는 그의 열 전도도를 높이기 위하여 테이퍼(tapered) 횡단면을 가진다. 이동 스트랜드 전도체(20)는 솔더(solder)(19)에 의하여 하부 계단 가장자리에 전기 전도적으로 결합된다.
스트랜드 전도체(20)는 상기 스트랜드 전도체의 양 말단에서 제거된 전기 절연성 쉴드(shield)(21)를 가질 수 있다. 스트랜드 전도체(20)의 전도체 말단들 중 하나(고정 말단)는 분리될 수 없게 용접에 의하여 연결부(12)에 연결되고, 그에 반하여 다른 하나의 전도체 말단(느슨한 말단)은 솔더(19)에 의하여 접촉 캐리어(15)에 솔더 결합된다.
그러므로, 개폐기(1)의 닫힌 위치에서, 회로는 두 개의 연결부(11, 12) 및 메인 전류 경로(6)에 의하여 닫힌다. 따라서, 연결부(11), 스트랜드 전도체(18), 접촉 크로스바(15), 접촉 영역(17a, 17b), 접촉 캐리어(16), 솔더(19), 스트랜드 전도체(20), 및 연결부(12)를 포함하여 형성되는 전도체 경로(22)를 통하여 전류가 흐른다. 전도체 경로(22)는 하우징(10) 내에서 대략 U-자 형상으로 이어진다.
하우징(10)은 전기 전도성 및 열-저항성 플라스틱을 포함하고, 도 5에서 볼 수 있듯이, 두 개의 상보적 하우징 하프-쉘(half-shell)(10a, 10b)로 형성된다. 하프-쉘(10a, 10b)은 스크류 또는 리벳(미도시)을 이용하여 네 개의 구멍(holes)(23)에 의하여 서로 연결될 수 있다. 구멍(23)은 가상 정사각형 모양의 대략 모서리 지점들에서 하우징(10) 위에 고른 간격 분포로 배열된다.
하우징(10)은 대략 사각형 모양의 횡단면을 가져서, 서로 나란히 배열된 다수의 개폐기들(1) 또는 공통된 인쇄회로기판의 간단한 조립이 가능하다. 하우징(10)은 수평부에 의하여 서로 연결되는 두 개의 U 림(limb)을 갖고서 대략 U-자 형상의 크기를 가진다. 이 수평부로부터 두 개의 연결부(11, 12)가 그리고 U 베이스(base)에서 적어도 부분적으로 로커 레버(13)가 돌출된다. 아울러, 하프-쉘(10a, 10b)은 개폐기(1)의 개별적인 부품들이 상호잠금 형상을 이용하거나 유극을 두고 삽입될 수 있는 대응하는 내부 프로파일 구조를 갖도록 설계된다.
로커 레버(13)는 접촉 시스템(7)을 여닫기 위하여 사용될 뿐만 아니라 도 4에서 알 수 있듯이, 로커 레버(13)가 열린 위치에 있는 개폐기(1)의 스위칭 상태의 외부 시각적 표시를 위해서도 사용된다. 로커 레버(13)가 수동으로 작동되면, 스위치를 켰다 껐다 하기 위한 외력은 관절 시스템(24)에 의하여 접촉 크로스바(15)에 대한 피봇 운동으로 변환된다.
자동안전장치 시스템(8)은 광전지 발생기(2) 및 인버터(3) 간 영구적인 DC 분리를 보장한다. 자동안전장치 시스템(8)은 접촉 캐리어(16), 솔더(19), 스트랜드 전도체(20), 나선형 압축 스프링(28) 및 슬라이더(29)를 갖는 분리 장치(27), 및 절연 챔버(30)를 포함한다. 분리 장치(27)의 변형 실시예는 도 6에 더 상세하게 도시된다.
압축 스프링(28)은, 적어도 부분적으로 압축 스프링(28)에 의하여 끼워 맞추어지는 안내 챔버(31)의 핀 같은 연장부(32)와 함께, 하우징(10)의 안내 챔버(31) 내에 위치된다. 압축 스프링(28)은 스프링 복원력(F) 때문에 스트랜드 전도체(20)에 대항하여 슬라이더(29)를 민다. 슬라이더(29)는 핑거(33) 형태를 가지며 스트랜드 전도체(20)를 직접적으로 밀어내는 연장부를 갖는다. 이 경우, 핑거(33)는 솔더(19) 가까이에서 시작하고, 그 결과 스프링 복원력(F) 때문에, 솔더링에 작용하는 토크가 가능한 낮다.
안내 챔버(31) 및 절연 챔버(30)는 분리 방향(A)에서 하나의 레벨에 있고, 거기에 수직하게 위치하는 스트랜드 전도체(20)에 의하여 서로 분리된다. 안내 챔버(31) 및 절연 챔버(30)는 또한 동일한 (슬라이더 같은) 횡단면을 가진다.
고장 발생 시, 생성된 아크(26)는 접촉 영역(17a, 17b)을 가열하여 불균형적으로 증가하는 열 발생 때문에 접촉 캐리어(16)를 또한 가열한다. 상기 접촉 캐리어의 높은 열 용량 때문에, 솔더(19)는 비슷한 정도로 가열되고 결국 용융된다. 그 결과, 압축 스프링(28)의 스프링 복원력(F)은 분리 방향(A)으로 슬라이더(29)를 절연 챔버(30) 내로 이동시킨다. 슬라이더(29) 및 절연 챔버(30)는 기하학적으로 상보적인 설계로 이루어지는데, 이는 슬라이더(29) 및 절연 챔버(30)가 어려움 없이 서로 밀쳐질 수 있다는 것을 의미한다. 절연 챔버(30)의 스퀴징-인 길이는 이 경우 편리하게는 광전지 발생기(2)의 성능 변수들과 일치한다.
슬라이더(29)가 절연 챔버(30) 내로 이동하는 동안, 스트랜드 전도체(20)는 회전 중심(34)을 주위로 피봇운동하여 궁극적으로는 약 90° 구부러진다 (도 4). 솔더(19)가 용융하여 분리되면, 분리 상태에서 대략 접촉 캐리어(16) 및 스트랜드 도전체(20)에 대한 연결 라인을 따라서 이어지는 제2 아크(미도시)가 접촉 캐리어(16) 및 스트랜드 도전체(20)의 느슨한 말단 사이에 형성된다. 제2 아크는 이동하는 슬라이더(29)에 의하여 1차로 확장되어 냉각되고, 슬라이더(29)와 절연 챔버(30) 간 일치하는 형태 때문에 이들 사이에서 2차로 스퀴즈되어서 소멸된다. 제2 아크가 소멸되자마자, 접촉 캐리어(16) 및 스트랜드 전도체(20)는 DC 분리되고, 그 결과 아크(26)도 동시에 소멸된다. 핑거(33)가 절연 챔버(30)의 바닥을 칠 때, 핑거는 솔더링의 분리를 촉진하여 제2 아크를 완전히 감싸거나 차단한다.
슬라이더(29) 및 절연 챔버(30)의 내벽 모두 탈가스 및 전기 절연성 플라스틱 물질로 제조될 수 있다. 제2 아크의 주변, 특히 분리 장치(27)의 영역에서 열 발생은 이들 플라스틱 물질로부터 가스를 방출한다. 가스는 분리된 솔더(19)의 영역에서 에어 갭의 이온화를 방해하거나, 이온화가 더 빠르게 약해지도록 한다. 그 결과, 분리 장치(27)는 제2 아크를 더 쉽게 소멸시킨다.
분리상태(도 4)에서, 개폐기(1)의 전도체 경로(22)는 따라서 두 개의 DC 분리 위치, 즉 1차로 접촉 영역들(17a, 17b) 사이 및 2차로 접촉 캐리어(16) 및 스트랜드 전도체(20)의 느슨한 말단 사이를 가진다. 개폐기(1) 및 그의 분리 장치(27)의 물질 및 치수는, 심지어 고장 발생 시 수 밀리초 내에 광전지 발생기(2) 및 인버터(3) 간 직류 전류의 차단을 보장하기 위하여, 적절하게 정해진다.
분리 장치(27')를 갖는 개폐기(1)의 제2 변형 실시예는 도 7과 도 8을 참조하여 아래에서 설명되고, 여기서 명료성에 대한 도움으로서, 자동안전장치 시스템(8)에 적절한 전도체 경로(22)(접촉 캐리어(16), 솔더(19), 스트랜드 전도체(20), 및 연결부(12))의 후반부만이 도시된다. 분리 장치(27')는 미리 압축 응력을 받은 렉 스프링(35), 대략 후크 같은(hook-like) 피봇 헤드 또는 레버(36), 및 절연 챔버(30')를 포함한다. 하우징(2)의 내부 프로파일이 분리 장치(27')에 대응하도록 준비되고 성형된다.
본 실시예에서, 절연 챔버(30')는 본질적으로 하우징(10)의 (상단 햇 레일(hat rail)(12)로부터 시작하는) 하반부이다. 피봇 헤드(피봇 레버)(36)는 대략 L-자 형상을 가지고, 피봇 헤드(36) 및 절연 챔버(30') 모두 탈가스 전기 절연성 플라스틱 물질로 제조된다. 피봇 헤드(36)의 수평 L-림(limb)의 상부 모서리(36a)는 앞서 설명된 변형 예에서 핑거(33)에 유사한 방식으로 리츠 와이어(litz wire)(20)에서 시작된다. 피봇 헤드(36)의 수직 L-림의 하부 말단에 미리 압축 응력을 받은 렉 스프링(35)이 배치된다. 렉 스프링(35)은 피봇 방식 또는 회전 방식으로 움직이도록 피봇 헤드(36)를 잡고 있다.
솔더(19)가 아크(26)에 의한 열 발생 때문에 용융되면, 렉 스프링(35)은 스프링 복원력(F') 때문에 피봇 헤드(36)를 피봇운동시킨다. 이 경우, 리츠 와이어(19)는 하우징(10) 또는 절연 챔버(30')의 하부 우측 모서리의 방향으로 약 90°의 각으로 회전 중심(34') 주위로 피봇 운동한다.
제1 예시적 실시예에 비하여, 아크는 스퀴즈되는 것이 아니라 오히려 인공적으로 확장되고, 그 결과 아크 플라즈마가 결과적인 냉각 때문에 소멸될 수 있다. 이 경우, 아크는 제1 예시적 실시예에 비하여 실질적으로 더 큰 정도로 확장되는데, 이는 스트랜드 전도체(20)가 오른쪽 측벽 방향으로 밀쳐지는 것이 아니라 오히려 하부 모서리로 피봇 운동하기 때문이다. 분리 장치(27')를 갖는 개폐기(1)가 준비되고, 정상 경우 및 결함 경우 모두 광전지 발생기(2) 및 인버터 간 직류 전류의 차단을 수 밀리초 이내에 보장하기에 적합하다.
하우징 크기가 적합한 방식으로 정해지면, 상단 햇 레일 측 상의 하우징(10)의 수평 접촉 영역은 대략 4 cm 폭이고, 하우징의 횡방향 가장자리는 대략 6 cm 길이이고, 하우징(10)은 대략 2 cm 깊이이다. 접촉 영역들(17a, 17b) 간 거리는 열린 위치에서 대략 1 cm이고, 분리 장치(27 또는 27')가 작동된 후, 접촉 캐리어(15) 및 스트랜드 전도체(20)의 느슨한 말단 간 거리는 적어도 1.5 cm이다. 하우징(10), 절연 챔버(30/30'), 및 슬라이더(29) 또는 피봇 헤드(35)를 위한 플라스틱, 접촉 캐리어(16)의 형상 및 물질, 그리고 솔더(19)에 작용하는 토크는 개폐기(1)가 약 1500 V (DC)의 정격 전압을 가지도록 선택된다.
본 발명은 위에서 설명된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다. 그와는 반대로, 이 기술에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 요지에서 벗어남이 없이 본 발명의 다른 변형 예들을 이끌어 낼 수 있다. 특히, 다른 예시적인 실시예들과 관련하여 설명된 개별적인 모든 특징들은 더욱이 본 발명의 요지에서 벗어남이 없이 다른 방식으로 서로 조합될 수 있다.
1 : 개폐기
2 : 광전지 발생기
3 : 인버터
4 : 태양광 모듈
5 : 단자 박스
6 : 메인 전류 경로
7 : 접촉 시스템
8 : 자동 안전장치 시스템
9 : 리턴 라인
10 : 스위칭 하우징
10a, 10b : 하프-쉘
11, 12 : 연결부
13 : 로커 레버
14 : 커플링 레버
15 : 접촉 크로스바
16 : 접촉 캐리어
17a, 17b : 접촉 영역
18 : 스트랜드 전도체
19 : 숄더
20 : 스트랜드 전도체
21 : 쉴드
22 : 전도체 경로
23 : 구멍
24 : 관절 시스템
26 : 아크
27, 27' : 분리 장치
28 : 압축 스프링
29 : 슬라이더
30, 30' : 절연 챔버
31 : 안내 챔버
32 : 안내 연장부
33 : 핑거 연장부
34 : 회전 중심
35 : 렉 스프링
36 : 피봇 헤드/레버
36a : 피봇 헤드 팁
A : 분리 방향
F, F' : 스프링 력 |
