JP6360138B2 - 電流遮断器 - Google Patents

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Description

本発明は、電流遮断器に関するものである。
電流遮断器とは、送変電系統や電気回路で負荷を開閉したり、接地、短絡などの事故が起こる場合、電流を遮断する機器である。電流遮断器は、遮断部が絶縁物で絶縁されて組み立てられた場合、通常の使用状態の線路を受動で開閉することができる。また、電流遮断器は金属容器外部の電気操作装置などによって遠距離で開閉することができ、過負荷及び短絡時、自動的に線路を遮断して電力系統と負荷機器を保護することができる。
図１は従来の電流遮断器１０を図示した図面である。図１を参照して従来の電流遮断器１０ の動作過程を説明すれば、正常電流が流れる時はスイッチ１２が短絡され、正常電流は主回路の電力用半導体１１を通して流れる。また、正常電流が流れる時、半導体モジュール１３はターンオフ状態なので、半導体モジュール１３を通しては正常電流が流れない。このとき、半導体モジュール１３は多数の電力用半導体１１が結合した集合体である。
しかし、高圧直流の送電または配電線路で機器の補修、取り替え及び故障電流が発生すれば、電流を遮断するために半導体モジュール１３がターンオンされる。半導体モジュール１３がターンオンされると、主回路の電力用半導体１１はターンオフされてスイッチ１２が開放される。スイッチ１２が開放されると、故障電流は半導体モジュール１３を通して流れるようになるが、この時、半導体モジュール１３をターンオフして故障電流を遮断する。
図１を再度参照すれば、従来の電流遮断器１０は、電流を遮断するために多数の電力用半導体１１が必要である。よって、従来の電流遮断器１０によると、電流を遮断するために費用がかなりかかるという問題がある。また、従来の電流遮断器１０によると、多数の電力用半導体１１によって電流遮断器１０の体積が大きくなるという問題がある。また、従来の電流遮断器１０によると、電力用半導体１１で発熱して冷却装置が必要であるという問題がある。
本発明は、高速スイッチを用いて電流を遮断することで、半導体モジュールを保護するための電流遮断器を提供することを目的とする。
また、本発明は、迂回回路を利用して電流を遮断することで、電力用半導体の数を減らせる電流遮断器を提供することを目的とする。
また、本発明は、迂回回路を利用して電流を遮断することで、電流遮断器の体積を小さくし、製作費用を減少することができる電流遮断器を提供することを目的とする。
また、本発明は、迂回回路を利用して電流を遮断することで、発熱を減少させることができる電流遮断器を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明の一実施形態による電流遮断器は、故障電流が発生すれば開放される第１スイッチ、前記第１スイッチと連結されて前記第１スイッチが開放される時点から予め設定された時間の後に開放される第２スイッチ、一端は前記第１スイッチと連結され、他端は前記第２スイッチと連結される半導体モジュール、一端は前記第２スイッチと連結され、他端は前記半導体モジュールと連結されるキャパシター、及び前記キャパシターの両端と連結され、前記キャパシターの両端の電圧に応じて抵抗値を変更し、前記故障電流を遮断するアレスターを含むことを特徴とする。
前述したような本発明によると、高速スイッチを用いて電流を遮断することで、半導体モジュールを保護することができる効果がある。
また、本発明によると、迂回回路を利用して電流を遮断することで、電力用半導体の数を減らせる効果がある。
また、本発明は迂回回路を利用して電流を遮断することで、電流遮断器の体積を減らし、製作費用を減少することができる効果がある。
また、本発明は、迂回回路を利用して電流を遮断することで、発熱を減少することができる効果がある。
従来の電流遮断器を図示した図面。 本発明の一実施形態による電流遮断器を図示した図面。 本発明の一実施形態による第１スイッチ及びストロークを図示した図面。 第１スイッチが完全に開放されると、制御部が第２スイッチを開放する様子を図示した図面。 本発明の一実施形態による主回路に正常電流が流れる様子を図示した図面。 本発明の一実施形態による主回路に故障電流が流れる様子を図示した図面。 本発明の一実施形態による第２スイッチ及び半導体モジュールに故障電流が流れる様子を図示した図面。 本発明の一実施形態によるキャパシターに故障電流が流れる様子を図示した図面。 本発明の一実施形態によるアレスターに故障電流が流れる様子を図示した図面。 本発明の一実施形態による故障電流の大きさを図示したグラフ。
前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明と係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすることがあると判断される場合は、詳細な説明を省略する。以下、添付された図面を参照して、本発明による好ましい実施形態を詳しく説明する。図面において同一の参照符号は、同一または類似の構成要素を示すものとして使われる。
図２は本発明の一実施形態による電流遮断器１００を図示した図面である。図２を参照すれば、本発明の一実施形態による電流遮断器１００は、第１スイッチ１１０、第２スイッチ１２０、半導体モジュール１３０、キャパシター１４０、アレスター１５０及び制御部１６０を含んで構成されることができる。図２に図示された電流遮断器１００は一実施形態によるものであって、その構成要素が図２に図示された実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて一部の構成要素が付加、変更または削除されることがある。図３は本発明の一実施形態による第１スイッチ１１０及びストローク１１１を図示した図面で、図４は第１スイッチが完全に開放されれば制御部が第２スイッチを開放する様子を図示した図面である。以下、図２ないし図４を参照して本発明の一実施形態による電流遮断器１００を説明する。
第１スイッチ１１０は故障電流が発生すれば開放されることができる。このとき、第１スイッチ１１０は高速スイッチであることができ、故障電流または正常電流が流れるか否かによって主回路１７０の両端を開放または短絡することができる。つまり、第１スイッチ１１０は、主回路１７０に故障電流が流れると開放され、主回路１７０に正常電流が流れると短絡される。このとき、故障電流は高圧直流の送電または配電線路で機器の補修、取り替えの時に発生する電流であって、正常電流より大きい値を有することができる。
第２スイッチ１２０は第１スイッチ１１０と連結されることができ、第２スイッチ１２０は高速スイッチであることができる。第２スイッチ１２０と第１スイッチ１１０の種類は同一で、第２スイッチ１２０は第１スイッチ１１０が開放される時点から予め設定された時間の後で開放されることができる。予め設定された時間は使用者によって設定されることができるし、制御部で自動に設定することもできる。
一実施形態として、第２スイッチ１２０は半導体モジュール１３０がターンオンされると、開放されて故障電流を遮断することができる。つまり、故障電流が主回路１７０を通して流れるようになれば第１スイッチ１１０が開放され、半導体モジュール１３０がターンオンされる。半導体モジュール１３０がターンオンされると、故障電流が半導体モジュール１３０を通して流れるようになり、このとき、第２スイッチ１２０が開放されて迂回回路を通して流れる故障電流を遮断することができる。一方、第２スイッチ１２０が開放された後は半導体モジュール１３０がターンオフされるが、これに対しては後述する。
一方、予め設定された時間は、第１スイッチ１１０のストローク１１１に比例することがある。ストローク１１１とは、第１スイッチ１１０の一端から他端まで動く距離であって、図３における距離１１１である。例えば、第１スイッチ１１０のストローク１１１が長いほど、第２スイッチ１２０は第１スイッチ１１０が開放された時点からより長い時間の後で開放されることができる。また、第１スイッチ１１０のストローク１１１が短いほど、第２スイッチ１２０は第１スイッチ１１０が開放された時点からより短い時間内で開放されることができる。
半導体モジュール１３０は、一端が第１スイッチ１１０と連結され、他端が第２スイッチ１２０と連結されることができる。半導体モジュール１３０は、第１スイッチ１１０は開放され、第２スイッチ１２０は短絡された状態でターンされて、故障電流を流せることができるモジュールとして一つ以上のダイオード及び一つ以上のトランジスターを含むことができる。また、半導体モジュール１３０は、第２スイッチ１２０が開放された後でターンオフされ、故障電流をキャパシター１４０へ流れるようにすることができる。このとき、トランジスターはMOSFET、BJT、IGBTなどであり、トランジスターの種類は限定しない。
一実施形態として半導体モジュール１３０は、第１ダイオード１３１、第１ダイオード１３１と反対方向に配置される第２ダイオード１３３を含むことができる。また、半導体モジュール１３０は第１ダイオード１３１の反対方向に第１ダイオード１３１の両端と連結される第１トランジスター１３２、及び第２ダイオード１３３の反対方向に第２ダイオード１３３の両端と連結される第２トランジスター１３４を含むことができる。図２に図示された半導体モジュール１３０のように回路を構成する理由は、両方向から流れる故障電流を制御するためである。
例えば、故障電流が左側から右側へ流れる場合、故障電流は第２スイッチ１２０、第１トランジスター１３２及び第２ダイオード１３３を通して流れる。逆に、故障電流が右側から左側へ流れる場合、故障電流は第２トランジスター１３４、第１ダイオード１３１及び第２スイッチ１２０を通して流れるようになる。
一方、迂回回路は第２スイッチ１２０及び半導体モジュール１３０を含む回路であって、本発明によると、迂回回路を利用して電流を遮断することで電力用半導体の数を減らすことができる効果がある。また、本発明は迂回回路を利用して電流を遮断することで、電流遮断器１００の体積を減らし、製作費用を減少することができる効果がある。
キャパシター１４０の一端は第２スイッチ１２０と連結され、他端は半導体モジュール１３０と連結されることができる。一実施形態として、第２スイッチ１２０が開放され、半導体モジュール１３０がターンオフされれば、キャパシター１４０に故障電流が流れることがある。また、半導体モジュール１３０がターンオフされ、第２スイッチ１２０が開放されればキャパシター１４０には故障電流が流れることができる。キャパシター１４０に故障電流が流れると、キャパシター１４０は故障電流によって充電されることができるし、キャパシター１４０が充電されると、キャパシター１４０の両端電圧は一定値を有することができるし、その値は例えば１００Ｖである。
アレスター１５０はキャパシター１４０の両端と連結され、キャパシター１４０の両端電圧によって抵抗値を変更することで故障電流を遮断することができる。アレスター１５０は、両端に設定電圧以下の電圧値が印加されると抵抗が無限大(∞)となり、両端に設定電圧以上の電圧値が印加されると抵抗が０となる素子であって、このような特性を利用して故障電流を遮断することができる。
一実施形態として、アレスター１５０はキャパシター１４０の両端電圧が予め設定された値未満であれば、抵抗値を増加させてキャパシター１４０の両端を開放させることができる。また、アレスター１５０はキャパシター１４０の両端電圧が予め設定された値以上であれば、抵抗値を減少させてキャパシター１４０の両端を短絡することができる。このとき、予め設定された値は１００Ｖであり、キャパシター１４０の両端が開放されれば、故障電流はアレスター１５０を通して流れないし、キャパシター１４０の両端が短絡されれば、故障電流はアレスター１５０を通して流れるようになる。
制御部１６０は、故障電流が発生するか否かを判断し、故障電流が発生すれば第１スイッチまたは第２スイッチを開放する制御信号を生成することができる。制御部１６０は、主回路１７０に流れる電流の大きさに基づいて故障電流であるか、正常電流であるかを判断することができる。例えば、電流の大きさが一定すれば正常電流であり、電流の大きさが増加すれば故障電流と判断することができる。一方、制御部１６０は制御信号を生成して第１スイッチ１１０ 及び第２スイッチ１２０の開放または短絡状態を制御することができ、半導体モジュール１３０のターンオンまたはターンオフ状態を制御することができる。
本発明の一実施形態による電流遮断器１００は、第１スイッチ１１０の開放可否を感知するセンサー４１０をさらに含み、制御部１６０はセンサー４１０から第１スイッチ１１０の完全開放信号を受信した後、第２スイッチ１２０を開放する制御信号を生成することができる。ここで、完全開放信号は、第１スイッチ１１０が完全に開放されたことを知らせる信号で、図３を参照すれば、ストローク１１１が最大の時を意味する。一方、図４を参照すれば、制御部１６０は第１スイッチ１１０が完全に開放された後、制御信号を生成して第２スイッチ１２０を開放させることができ、これによって第１スイッチ１１０の開放時間及び第２スイッチ１２０の開放時間を制御することができる。
図５は本発明の一実施形態による主回路１７０に正常電流が流れる様子を図示した図面で、図６は本発明の一実施形態による主回路１７０に故障電流が流れる様子を図示した図面である。
図７は本発明の一実施形態による第２スイッチ１２０及び半導体モジュール１３０に故障電流が流れる様子を図示した図面で、図８は本発明の一実施形態によるキャパシター１４０に故障電流が流れる様子を図示した図面である。
図９は本発明の一実施形態によるアレスター１５０に故障電流が流れる様子を図示した図面で、図１０は本発明の一実施形態による故障電流の大きさを図示したグラフである。以下、図５ないし図１０を参照して本発明の一実施形態による電流遮断器１００が電流を遮断する過程を説明する。
図５、図６及び図１０を参照すると、先ず、第１スイッチ１１０は短絡されており、正常電流は第１スイッチ１１０を経て主回路１７０に沿って流れる。制御部１６０は主回路１７０に沿って流れる電流の大きさを持続的にモニタリングすることで、正常電流であるか故障電流であるかを判断することができ、故障電流と判断すれば第１スイッチ１１０を開放させることができる。正常電流であるか故障電流であるかは電流の大きさで判断し、一実施形態として、図１０においてt０までは正常電流で、t０以後は電流の大きさが増加するので故障電流と判断することができる。
故障電流と判断した後、第１スイッチ１１０が開放されれば、半導体モジュール１３０がターンオンされるし、半導体モジュール１３０がターンオンされれば、故障電流は迂回回路を経て流れることができる。ただし、故障電流と判断した後で第１スイッチ１１０が開放されても、迂回回路を通して全ての故障電流が流れるわけではなく、主回路１７０にはアーク電流が流れるようになり、迂回回路には故障電流のうち、アーク電流成分を除いた後の残りの電流が流れる。図１０を参照すれば、グラフ９３０は主回路１７０に流れるアーク電流の大きさを示し、グラフ９４０は迂回回路に流れる電流の大きさを示し、グラフ９５０は故障電流の大きさを示す。すなわち、t１からt２へ行くほど、主回路１７０のアーク電流は次第に減りつづけ、迂回回路に流れる電流は徐々に増加する。
次いで、第２スイッチ１２０が開放され、第２スイッチ１２０が開放された後で半導体モジュール１３０がターンオフされる。第２スイッチ１２０が開放され、半導体モジュール１３０がターンオフされれば、故障電流はキャパシター１４０を通して流れるようになる。キャパシター１４０を通して流れる故障電流はキャパシター１４０を充電させるし、充電されたキャパシター１４０の両端電圧は一定の電圧値を保つことができる。図８及び図１０を参照すれば、故障電流がキャパシター１４０を通して流れるし、この時の故障電流の大きさはグラフ９６０のとおりである。
キャパシター１４０が充電された後は、キャパシター１４０の両端電圧がアレスター１５０の両端に印加されるし、キャパシター１４０の両端電圧が印加されればアレスター１５０の抵抗値が０になることがある。アレスター１５０の抵抗値が０になると、アレスター１５０の両端は短絡されるので、すべての故障電流がアレストを通して流れるようになる。アレストを通して故障電流が一定量以上抜けていくと、アレストの両端電圧が減ることになり、これによってアレストの抵抗値が無限大(∞)になるので、故障電流はアレスター１５０を通して流れることができないので遮断される。
前述のような本発明によると、高速スイッチを利用して電流を遮断することで、半導体モジュールを保護することができる効果がある。また、本発明によると、迂回回路を利用して電流を遮断することで、電力用半導体の数を減らせる効果がある。
また、本発明は迂回回路を利用して電流を遮断することで、電流遮断器の体積を減らし、製作費用を減少することができる効果がある。また、本発明は迂回回路を利用して電流を遮断することで発熱を減少することができる効果がある。
前述した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって、本発明の技術的思想を脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更ができるので、前述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではない。

Claims (5)

  1. 電流を遮断する機器において、
    故障電流が発生すると開放される第１スイッチ；
    前記第１スイッチと連結され、前記第１スイッチが開放される時点から予め設定された時間の後で開放される第２スイッチ；
    前記第２スイッチに直列に接続される半導体モジュール；
    一端は前記第２スイッチと連結され、他端は前記半導体モジュールと連結されるキャパシター；及び
    前記キャパシターの両端と連結され、前記キャパシターの両端電圧によって抵抗値を変更することで前記故障電流を遮断するアレスターを含み、
    前記直列に接続された前記第２スイッチと前記半導体モジュールが前記第１スイッチに並列に接続され、前記第１スイッチは、正常電流が流れる主回路に配置され、前記半導体モジュールは、故障電流が流れる迂回回路に配置される、電流遮断器。
  2. 前記半導体モジュールは、
    前記第１スイッチが開放されればターンオンされ、
    前記第２スイッチは、
    前記半導体モジュールがターンオンされれば開放される請求項１に記載の電流遮断器。
  3. 前記予め設定された時間は、
    前記第１スイッチのストロークに比例する請求項１または請求項２に記載の電流遮断器。
  4. 前記故障電流が発生するか否かを判断し、前記故障電流が発生すると、前記第１スイッチまたは第２スイッチを開放する制御信号を生成する制御部をさらに含む請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電流遮断器。
  5. 前記第１スイッチの開放可否を感知するセンサーをさらに含み、
    前記制御部は、
    前記センサーから第１スイッチの完全開放信号を受信した後、前記第２スイッチを開放する制御信号を生成する請求項４に記載の電流遮断器。
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