진공 스위칭 장치의 고압 상태를 음파 탐지하기 위한 방법및 장치 document_id A220623107632

북 아메리카의 전력 배선망의 신뢰성은 지난 수년 동안 특히 소비자 및 산업에 의한 전기 전력 수요가 증가함에 따라 심각한 감시 하에 놓이게 되었다. 배선망 내의 한 부품의 고장은 비극적인 전력 정전을 야기할 수 있으며, 시스템 전체에 걸쳐 연쇄적으로 발생한다. 전력 배선망에 사용되는 필수적인 부품들 중 하나는 높은 전류, 높은 전압 AC 전력의 흐름을 턴온 및 턴오프하는 데 사용되는 기계 스위치이다. 반도체 장치가 이러한 응용 분야에서 소정의 발전을 이루고 있을지라도, 매우 높은 전압과 전류의 결합은 여전히 기계 스위치를 이러한 응용분야에서 바람직한 장치로 여기게 한다. 이러한 고전력 기계 스위치에 대해 기본적으로 2가지 구성이 있으며, 유입(oil filled) 방식과 진공 방식이다. 유입 스위치는 높은 절연 내력(dielectric strength)을 갖는 탄화수소계 액체에 침지된(immersed) 콘택들을 사용한다. 이렇게 높은 절연 내력은 이들이 회로를 차단하기 위해 개방될 때 스위칭 콘택들에서의 아킹 전위(arcing potential)를 견디는 것이 요구된다. 고전압 서비스 상태에 의해, 오일의 절연 파괴(breakdown) 동안 발생하는 폭발성 가스 형성을 피하기 위해서 오일의 주기적인 교체가 요구된다. 주기적인 서비스는 회로가 중단될 것을 요구하며, 이는 불편할 수 있으며, 비경제적이다. 탄화수소 오일은 독성일 수 있으며, 이들이 환경에 살포된다면 심각한 환경오염을 일으킬 수 있다. 다른 구성은 스위칭 콘택들 주위에 진공 환경을 사용한다. 스위칭 콘택들을 둘러싼 압력이 충분히 낮다면 스위칭 콘택들에 가해지는 아킹과 손상을 피할 수 있다. 이러한 타입의 차단기 내의 진공이 손실되면 이들이 부하를 스위칭 할 때 콘택들 사이에 심각한 아킹을 야기할 것이며 스위치를 파괴할 것이다. 일부 어플리케이션에서, 진공 차단기들은 오랜 시간동안 비상용으로 배치된다. 진공의 손실은 이들이 사용될 때까지 탐지되지 않을 수 있으며, 이는 최대량이 요구될 때 즉시 스위치의 고장을 야기한다. 따라서 콘택 아킹에 의한 스위치 고장이 발생하기 전에, 차단기 내의 진공이 감소되었는지를 사전에 아는 것은 중요할 것이다. 현재, 이러한 장치는 검사를 난해하고 비용이 많이 들게 하는 방식으로 패키징된다. 검사는 상기 장치와 연결된 회로로부터 전력을 제거하는 것을 필요로 할 수 있지만, 이것이 불가능할 수도 있다. 스위치 내의 압력 상태를 원격으로 측정하여 직접적인 검사가 필요하지 않는 것이 바람직할 것이다. 사용 중이고 동작중인 전위 하에 있는 스위치 내의 압력을 주기적으로 감시하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 차단 장치의 진공 덮개 내의 압력을 간단히 측정하는 것을 종래 기술의 장치가 적당히 포함하는 것으로 보일 수 있지만, 실제로는 다르다. 주요한 요인은 스위치가 그라운드에 대해 7 내지 100 kV의 전위를 갖는 높은 AC 전압을 스위칭하는데 사용된다는 것이다. 이것은 종래 기술의 압력 측정 장치의 적용을 매우 난해하고 비용이 많이 들게 한다. 비용과 안전성이라는 제한에 의해, 종래 기술의 복잡한 고전압 절연 기술은 적합하지 않다. 필요한 것은 고전압 차단기의 높은 압력 상태를 안전하고 저렴하게 측정하는 방법 및 장치이며, 바람직하게는 스위치로부터 원격이고, 스위치가 동작중인 전위 하에 있는 경우에도 동작할 수 있어야 한다. 추가적으로, 광범위한 재-동작(re-work) 또는 중단(de-commissioning) 없이 기존 스위칭 장치에 대해 개량될 수 있는 방법 및 장치를 갖는 것이 바람직하며, 이것은 진공 차단 모듈이 스위치 하우징의 절연체 및 패키징으로부터 제거되는 것을 필요로 하지 않는다. 도 1(종래 기술)은 종래 기술의 진공 차단기의 제 1 예시에 대한 단면도(100)이다. 이러한 특정 장치는 California, San Jose 소재의 Jennings Technology로부터 제조된다. 콘택들(102 및 104)은 스위칭 기능을 담당한다. 통상 10-4 torr 미만의 진공은 캡(108), 캡(110), 벨로우즈(bellows; 112) 및 절연 슬리브(insulator sleeve; 106)로 둘러싸인 덮개 내에, 그리고 영역(114) 내의 콘택들 주위에 존재한다. 벨로우즈(112)는 고정 콘택(102)에 대한 콘택(104)의 움직임이 전기 연결을 만들거나 이를 차단하도록 한다. 도 2(종래 기술)는 종래 기술의 진공 차단기의 제 2 예시에 대한 단면도(200)이다. 이러한 장치는 California, San Jose 소재의 Jennings Technology로부터 제조된다. 종래 기술의 본 실시예에서, 콘택들(202 및 204)은 스위칭 기능을 수행한다. 통상 10-4 torr 미만의 진공은 캡(208), 캡(210), 벨로우즈(212) 및 절연 슬리브(206)로 둘러싸인 덮개 내에, 그리고 영역(214) 내의 콘택들 주위에 존재한다. 벨로우즈(212)는 고정 콘택(204)에 대한 콘택(202)의 움직임이 전기 연결을 만들거나 이를 차단하도록 한다. 도 3(종래 기술)은 진공 차단기(302)를 포함하는 예시적인 VBM(진공 브레이커 모듈; vacuum breaker module)(300)에 대한 부분 단면도이다. VBM 모듈(300)은 진공 차단기(302)에 의해 스위칭되는 고전압을 절연시키기 위해 외부 절연 코팅(304) 및 내부 절연층(306)을 구비한다. 이러한 모듈들은 일반적으로 스위칭을 목적으로 한 전력 생성 및 분배 시스템의 도처에서 사용되며, 예컨대 Ohio, Cleveland 소재의 Joslyn High Voltage Company에서 제조된다. 도 4(종래 기술)는 진공 차단기(402)를 포함하는 예시적인 VSV(Versa-Vac) 커패시터 스위칭 모듈(400)에 대한 단면도이다. VSV 모듈(400)은 진공 차단기(402)에 의해 스위칭되는 고전압을 절연시키기 위해 외부 절연 코팅(406) 및 내부 절연층(404)을 구비한다. 이러한 모듈들도 일반적으로 스위칭을 목적으로 한 전력 생성 및 분배 시스템의 도처에서 사용되며, 예컨대 Ohio, Cleveland 소재의 Joslyn High Voltage Company에서 제조된다. 모듈들(300 및 400)의 구성으로부터 알 수 있다시피, 수정된 차단기(302 또는 402)를 수용하기 위해서는 절연층들 및 패키징에 대한 광범위한 설계 변경이 필요할 수 있다. 외부 절연체 및 패키징의 광범위한 변경 없이 차단기들(302 또는 402) 내부의 압력을 결정할 수 있는 압력 탐지 수단을 갖는 것이 바람직할 것이며, 이는 본 기술분야에서 현재 사용 중인 대다수의 스위치들의 개량을 가능하게 할 것이다. 이것은 현재 설치된 진공 차단기들의 값비싼 교체 없이 전력 생성 및 분배 시스템의 신뢰성을 향상시킬 것이다. 미국 특허 제3,983,345호는 고전압 진공 회로 브레이커의 진공-타입 회로 차단기들 중 임의의 하나에서의 누설을 탐지하는 방법을 개시하며, 이는 압축 가스를 포함한 회로 브레이커의 탱크 내에 위치한, 통상적으로 직렬-연결된 다수의 차단기들을 포함한다. 탱크 벽에 작은 개구들을 통해, 제 1 세트의 도전성 봉(rod)들은 차단기들의 미리 정해진 단자들과의 전기적 연결을 만들기 위해 삽입된다. 탱크 벽의 다른 작은 개구들을 통해, 탱크 벽과 절연된 제 2 세트의 도전성 봉들은 차단기들의 미리 정해진 다른 단자들과의 전기적 연결을 만들기 위해 삽입된다. 이러한 미리 정해진 단자들은 차단기들이 제 1 및 제 2 세트의 봉들 사이에 병렬로 전기 연결되도록 한다. 제 1 및 제 2 세트의 봉들 사이에서 테스트 전압이 병렬로 차단기들에 인가되며, 테스트 전압은 충분한 값을 가져서, 상기 전압에 의해 압박 받는, 내부 진공을 손실한 임의의 차단기 내에서 절연 파괴가 발생할 가능성이 높으며, 따라서 이러한 진공 손실에 대한 지시를 제공한다. 미국 특허 제4,103,291호는 진공 회로 차단기에 의해 제어되고 차단기가 사용 중인 경우에도 연속적으로 동작하는, 회로 전압에 의해 직접 전원 공급받는 누설 센서(leak sensor)를 개시한다. 지시 시스템(indicating system)은 누설 센서에 연결되며, 단상 또는 다상(multi-phase) 회로에서 취득되는 고장 및 정상 동작에 대한 지시를 제공한다. 미국 특허 제4,163,130호는 압력 감시 수단을 구비한 진공 차단기를 개시하며, 여기서 한 쌍의 분리 가능한 전극들은 높은 진공 덮개 내에 배열되고 진공 압력 탐지 요소가 구비된 고전압 회로에 연결되며, 상기 진공 압력 탐지 요소는 서로 절연된 한 쌍의 탐지 전극을 구비하여 진공 덮개 내의 진공 압력을 탐지하는 기능을 한다. 탐지 전극 중 하나는 고전압 회로가 연결되는 진공 덮개의 일 단부에 도전 연결되고, 다른 탐지 전극은 저항, 인덕턴스, 및 커패시터로부터 선택되고 전압 할당 비율이 주파수에 따라 변하는, 여러 종류의 전압 할당 요소들로 구성된 직렬 연결 부재를 통해 그라운드 전위에 연결되는 방식으로, 진공 압력 탐지 요소는 이에 인가되는 전압을 구비한다. 진공 압력 탐지 수단은 진공 압력 탐지 요소의 동작을 탐지한다. 미국 특허 제4,270,091호는 부분 압력 게이지(gauge)를 개시하며, 이는 잔류 가스들의 진정(de-excitation) 방사 특성을 생성하는 유효한 전자 충돌 여기 소스(efficient electron collision excitation source)를 사용한다. 주어진 스펙트럼선의 강도는 이러한 스펙트럼선을 갖는 가스의 부분 압력과 비례하며, 여기 소스로부터 유입된 전류는 전체 압력의 측정값을 제공한다. 여기 과정과 관련된 이온 전류와 방출된 광 세기의 비교를 기반으로 한 조정(calibration) 기술은 상대적인 부분 압력에 대한 정확한 측정값을 생성한다. 주변 가스 내의 알려진 비율의 알려진 성분으로부터의 방사를 선택적으로 통과시키는 필터의 사용은 테스트 가스로 검사할 필요 없이 누설의 존재에 대한 지시를 제공한다. 여기 영역을 통해 증기(evaporant) 스트림을 통과시키는 설비(provision)는 증기 플럭스의 정확한 감시를 가능하게 하며, 증기 플럭스로부터 증착 속도(deposition rate)가 결정된다. 선택된 스펙트럼선으로부터의 광 출력 변동에 대한 높은 차동 감도(differential sensitivity)를 달성한 기술과 결합하여, 신규한 누설 탐지기가 달성된다. 광학적 분산 요소(optically dispersive element)와 결합하여, 잔류 가스 분석기가 달성된다. 미국 특허 제4,402,224호는 진공 덮개를 사용하는 전기 장치의 진공 압력을 감시하기 위한 감시 장치를 개시한다. 본 특허는 구체적으로 압력 응답 감시 장치(pressure responsive monitoring device)를 개시하며, 이는 진공 타입의 전기장 생성 장치, 광 생성을 위한 광원을 포함한 전기장 탐지 수단, 덮개 내부의 진공 압력으로 인한 전기장 생성기의 전기장의 변화를 탐지하고 전기장의 변화에 따라 광을 제어하는 전기장 탐지기, 및 전기장 탐지기에 의해 제어되는 광을, 덮개의 진공 압력을 감시하는데 사용되는 전기 신호를 변환하는 광전 변환기를 포함한다. 미국 특허 제4,403,124호는 진공 회로 차단기를 개시하며, 이는 회로 차단기에 의해 제어되는 기존 고전압 소스 또는 네트워크에서 기상 증착 쉴드(vapor deposition shield)들을 사용하여, 진공 회로 차단기 내의 진공의 양과 질을 결정하기 위한 냉음극 이온 탐지기(cold cathode ion detector)를 생성한다. 회로 차단기의 절연 케이싱을 통해 돌출한 중앙 쉴드 지지링(central shield support ring)은 이온 전류를 주위의 절연 서지 저항(surge resistor)을 통해 전류 탐지 브릿지(current detecting bridge)로, 그리고 그로부터 상술된 전압 소스의 공통 단자로 공급하여, 이온 탐지 장치의 플레이트(plate)들 중 하나를 전압 소스에 리턴하는데 사용된다. 미국 특허 제4,440,995호는 진공 회로 차단기를 개시하며, 이는 회로 차단기에 의해 제어되는 기존 고전압 전기 소스 또는 네트워크 및 기상 증착 쉴드들을 사용하여, 진공 회로 차단기 내의 진공의 양과 질을 결정하기 위한 냉음극 탐지기를 생성한다. 회로 차단기의 절연 케이싱을 통해 돌출한 중앙 쉴드 지지링은 전기 전류를 전류 측정 장치에 공급하고 냉음극 탐지기의 쉴드들의 하나를 상술된 전압 소스의 공통 단자에 리턴하는데 이용된다. 미국 특허 제4,491,704호는 진공 회로 차단기에서 사용되는 진공 감시 장치를 개시하며, 이는 진공 병(bottle)의 내부 쉴드에 결합된 분압기(voltage divider)와 같은 다층 저항(stacked resistor), 및 비정상적인 압력 상태 하에서의 누설 전류를 감시하기 위한 저전압 탐지 회로를 포함한다. 미국 특허 제4,937,698호는 진공 차단기의 동작을 차단하는데 고장을 예견하는 시스템을 개시하며, 이는 진공 차단기의 고정된 그리고 이동가능한 전극들에 연결된 전선들의 전위들을 측정하기 위한 제 1 측정 컴포넌트; 아크 쉴드(arc shield)의 전위를 측정하기 위한 제 2 측정 컴포넌트; 제 1 및 제 2 측정 컴포넌트의 측정치들로부터 생성된 전위 신호들을 전송하기 위한 신호 전송부; 신호 전송부를 통해 전송된, 제 1 측정 컴포넌트로부터의 측정값 및 제 2 측정 컴포넌트로부터의 측정값을 비교하기 위한 비교부; 및 비교부에서 만들어진 비교의 결과를 기초로, 고정된 그리고 이동가능한 전극들이 차단 성능에 고장이었는지를 판단하기 위한 판단부를 포함한다. 미국 특허 제5,286,933호는, 각 상에 대해, 밀폐 외형 내에 하우징된 적어도 하나의 진공 병을 포함하는 진공 회로-브레이커를 개시하며, 여기서 회로-브레이커는 외형과 진공 병(들)의 외면 사이의 공간에 배치된 적어도 하나의 섬광 섬유(scintillation fiber)를 포함하며, 상기 섬유는 회로-브레이커 외부에서 광-전자(opto-electronic) 장치에 연결된다.