KR100501802B1 - High-Tc Superconducting Fault Current Limiter Controlling Amplitude of the Applied Magnetic Field Using Power Switch - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동일코어에 결선된 두 코일들간의 자기상쇄로 코일의 임피던스가 발생되지 않다가 사고발생시 고온초전도 소자의 저항발생으로 자기상쇄가 이루어지지 않게 됨으로서 임피던스가 발생되어 사고전류를 제한하게 되는 고온초전도 전류제한기에 관한 것이다. 창안된 장치는 자기적인 결합으로 부가적인 전원없이도 사고와 동시에 3차 권선에 전압이 유기되며 3차 권선에 자계인가 코일을 고온초전도 소자에 자계가 인가되도록 설치할 경우, 사고와 동시에 고온초전도 소자에 자계가 인가됨으로서 상전도 저항의 증가가 가능한 특징이 있다. 또한 자계인가 코일과 함께 3차 권선에 전력용 스위치의 듀티비를 조절함으로써 고온초전도 소자에 인가되는 자계의 크기와 제한되는 사고전류크기를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the magnetic impedance between two coils connected to the same core does not generate the impedance, but when the accident occurs, the high temperature superconducting element does not generate the magnetic offset due to the resistance of the high temperature. A superconducting current limiter. The device is magnetically coupled and voltage is induced in the tertiary winding at the same time without an additional power supply. When the magnetic field is applied to the tertiary winding so that a magnetic field is applied to the high temperature superconducting element, the magnetic field is applied to the high temperature superconducting element at the same time. It is possible to increase the phase conduction resistance by applying. In addition, by adjusting the duty ratio of the power switch to the tertiary winding together with the magnetic field applying coil, it is possible to control the magnitude of the magnetic field applied to the high-temperature superconducting element and the limited fault current size.
본 발명에 의하면 제작된 고온초전도 벌크나 박막소자의 임계특성에 따라 인가되는 자계크기를 조절하기 위해 3차 권선의 탭을 조정할 필요없이 전력용 반도체소자의 듀티비를 제어함으로서 인가자계의 크기를 조절할 수 있고, 이때 고주파 스위칭동작을 통해 자계인가 코일의 크기와 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있으며 듀티비를 조정해줌으로써, 사고시 상전도 저항 크기조절이 가능하며 이로 인해 사고전류 크기를 조절할 수 있다. 아울러, 벌크나 박막으로 제작된 고온초전도 소자 단독으로 동작하는 저항형 고온초전도 전류제한기보다 한류비가 감소되므로 차단용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, the size of the applied magnetic field is controlled by controlling the duty ratio of the power semiconductor device without the need to adjust the tap of the tertiary winding in order to adjust the applied magnetic field size according to the critical characteristics of the fabricated high-temperature superconducting bulk or thin film device. In this case, there is an advantage to reduce the size and volume of the magnetic field applied coil through the high frequency switching operation, and by adjusting the duty ratio, it is possible to adjust the size of the phase conduction resistance in the event of an accident, thereby adjusting the magnitude of the fault current. In addition, since the current-limit ratio is reduced than the resistance-type high-temperature superconducting current limiter operating alone as a high-temperature superconducting device made of bulk or thin film, there is an advantage in that the breaking capacity can be increased.
Description
본 발명은 전력용 스위치를 이용한 인가자계의 크기조절 기능을 갖는 고온초전도 전류제한기에 관한 것이다.The present invention relates to a high temperature superconducting current limiter having a size control function of an applied magnetic field using a power switch.
고온초전도체를 이용한 전류제한기는 매년 증가되고 있는 전력요구와 전력공급으로 인한 전력계통의 용량증가로 기존의 차단기 용량증가와 성능향상을 위해 발생되는 추가비용을 줄일 수 있는 장점으로 인해 다양한 모델이 개발되어 일부는 상용화를 위한 현장시험을 마친 상태이다. 그러나, 고온초전도 전류제한기와 같이 대전력에 적용하기 위해 해결해야 할 가장 중요한 과제중의 하나는 고임계 특성을 갖는 고온초전도체의 제조기술을 들 수 있다. 이러한 고온초전도체를 이용한 전류제한기에 적용시 고온초전도체 제작에 따른 재료적인 제약으로 인한 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 새로운 구조를 갖는 토폴로지 개발이 요구되고 있으며 사고와 동시에 고온초전도체의 상전도 저항을 높이기 위한 방안이 모색되고 있다.The current limiter using high temperature superconductor has been developed due to the increased power demand and increasing power system capacity due to power supply, which can reduce the additional cost incurred to increase existing circuit breaker capacity and improve performance. Some have been field tested for commercialization. However, one of the most important problems to be solved to apply to high power, such as high temperature superconducting current limiter is the manufacturing technology of high temperature superconductor having high critical characteristics. When applied to the current limiter using the high temperature superconductor, it is required to develop a topology with a new structure to solve the problems caused by material constraints due to the production of the high temperature superconductor, and to improve the phase conduction resistance of the high temperature superconductor at the same time. Is being sought.
본 발명은 사고시 고온초전도 소자에 자계인가를 위한 자계인가 코일이 설치된 3차 권선에 도통되는 전류를 제어함으로서 인가자계의 크기를 조정함으로서 사고시 고온초전도 소자의 상전도 저항을 조절함과 동시에 제한되는 사고전류의 크기를 제어하고자 함이다. 이와 같은 동작을 위해서 고주파로 동작되는 전력용 스위치소자로 구성된 컨버터 회로를 자계인가 코일이 설치된 3차 권선에 도입하여 듀티비를 제어함으로써 가능하다(도 1 참조).The present invention is to control the phase conduction resistance of the high-temperature superconducting element at the same time by adjusting the size of the applied magnetic field by controlling the current is conducted to the tertiary winding in which the magnetic field or coil is installed for applying the magnetic field to the high-temperature superconducting element at the time of accident To control the magnitude of the current. For this operation, a converter circuit composed of a power switching element operated at a high frequency can be introduced into a tertiary winding provided with a magnetic field applying coil to control the duty ratio (see FIG. 1).
본 발명에 의한 전력용 스위치을 이용하여 인가자계의 크기조절이 가능한 고온초전도 전류제한기의 구성은 다음과 같다. 즉, 교류전원과 부하에 연결될 철심코어에 결선된 1차 권선과,The configuration of the high temperature superconducting current limiter capable of adjusting the size of the applied magnetic field by using the power switch according to the present invention is as follows. That is, the primary winding connected to the iron core core to be connected to the AC power and the load,
상기 교류전원과 부하에 연결되며, 상기 1차 권선과 병렬로 가극성 또는 감극성으로 상기 철심코어에 연결되는 2차 권선과,A secondary winding connected to the AC power supply and a load, the secondary winding being connected to the iron core core in a circumferential or negative polarity in parallel with the primary winding;
상기 2차 권선과 직렬로 연결되는 고온초전도 소자와,A high temperature superconducting element connected in series with the secondary winding,
상기 1차 및 2차 권선이 권선된 상기 동일코어에 설치된 별도의 3차 권선과,A separate tertiary winding installed on the same core wound with the primary and secondary windings,
사고시 상기 3차 권선에 유기된 전압을 정류하기 위한 다이오드로 구성된 전파정류회로와,A full-wave rectifier circuit composed of a diode for rectifying the voltage induced in the tertiary winding in an accident;
사고시 상기 2차 권선에 연결된 상기 고온초전도 소자에 자계를 인가하기 위해 상기 고온초전도 소자를 내부에 통과되도록 공심형으로 결선되며(도 2 참조) 상기 정류회로와 직렬로 연결되는 자계인가 코일과,A magnetic field applying coil connected in series to the rectifying circuit in a concentric manner so as to pass the high temperature superconducting element therein in order to apply a magnetic field to the high temperature superconducting element connected to the secondary winding in case of an accident;
상기 전파정류회로와 연결되며, 상기 자계인가 코일과 직렬로 연결되는 다이오드와 저항과,A diode and a resistor connected to the full-wave rectifying circuit and connected in series with the magnetic field applying coil;
상기 자계인가 코일과 다이오드사이에서 분기되어 상기 전파정류회로와 병렬로 연결되는 역병렬 다이오드를 포함한 전력용 스위칭소자와,상기 전력용 스위칭 소자의 온타임을 조절하기 위한 신호발생기를 포함하여 구성된다.And a power switching element including an anti-parallel diode which is branched between the magnetic field applying coil and the diode and connected in parallel with the full-wave rectifying circuit, and a signal generator for adjusting the on-time of the power switching element.
이때, 신호발생기로부터 전력용 스위칭소자의 듀티(Duty)비를 제어함으로서 고온초전도 소자에 인가되는 자계의 크기를 제어할 수 있다.In this case, the magnitude of the magnetic field applied to the high temperature superconducting element may be controlled by controlling the duty ratio of the switching element for power from the signal generator.
본 발명에 의한 사고시 전력용 스위치를 이용한 인가자계의 크기조절 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the method of adjusting the size of the applied magnetic field using the power switch at the time of the accident according to the present invention.
사고발생 전에 2차 권선에 직렬 연결된 고온초전도 소자의 저항은 영이 되며, 이로 인해 1차 권선과 2차 권선에 쇄교되는 자속은 서로 상쇄되어 각 권선에 유기되는 전압의 크기는 영이 된다. 이때 자계인가 코일이 연결되며 동일코어에 결선된 3차 권선에는 자속이 쇄교되지 않으므로 3차 권선에 유기되는 전압도 영이 되어 자계인가 코일에는 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나, 사고가 발생되어 부하가 단락되면 1차 권선과 2차 권선에 흐르는 전류의 크기는 커지게 되며 이때 2차 권선에 연결된 고온초전도 소자의 임계전류값을 넘게 되어 고온초전도 소자의 저항이 발생되어 더 이상 1차 권선과 2차 권선의 양단전압이 같지 않게 된다. 이때 1차 권선과 2차 권선에 인가되는 전압크기 차만큼 동일코어에 권선된 3차 권선에 전압이 유기되며 3차 권선에 유기된 전압으로 인해 자계인가 코일에 전류가 흐르게 되어 고온초전도 소자에 자계를 인가하게 된다. 이때, 인가된 자계로 인해 고온초전도 소자의 상전도 저항값은 보다 큰 값으로 증가되며 이는 사고시 선로전류의 크기가 보다 감소되는 효과를 갖게 된다. 본 발명에 의한 대전력용 스위칭소자의 듀티비를 일정한 값으로 설정함으로서, 사고시 자계인가 코일에 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있게 되고 이는 2차 권선에 연결된 고온초전도 소자에 인가되는 자계의 크기를 제어하게 되므로, 인가 자계의 크기에 따른 고온초전도 소자의 상전도 저항값을 조절할 수 있게 되어 사고로 인해 선로에 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있게 된다.Before an accident occurs, the resistance of the high temperature superconducting element connected in series to the secondary winding becomes zero, which causes the magnetic fluxes connected to the primary winding and the secondary winding to cancel each other out so that the magnitude of the voltage induced in each winding becomes zero. At this time, the magnetic field is applied to the coil and the third winding connected to the same core does not have magnetic flux interlinked, so the voltage induced in the third winding is zero, so that no current flows through the magnetic field applying coil. However, if an accident occurs and the load is short-circuited, the magnitude of the current flowing in the primary and secondary windings increases, and the resistance of the high temperature superconducting element is generated by exceeding the threshold current value of the high temperature superconducting element connected to the secondary winding. The voltage between both ends of the primary and secondary windings will no longer be the same. At this time, the voltage is induced in the tertiary winding wound on the same core by the difference in voltage applied to the primary winding and the secondary winding, and the current flows in the magnetic field applying coil due to the voltage induced in the tertiary winding, and thus the magnetic field in the high temperature superconducting element. Will be applied. At this time, the phase conduction resistance value of the high temperature superconducting element is increased to a larger value due to the applied magnetic field, which has the effect of reducing the magnitude of the line current in case of an accident. By setting the duty ratio of the high power switching device according to the present invention to a constant value, it is possible to control the magnitude of the current flowing through the magnetic field or the coil in case of an accident, which is the magnitude of the magnetic field applied to the high temperature superconducting device connected to the secondary winding. Since the control is possible, it is possible to adjust the phase conduction resistance value of the high temperature superconducting element according to the magnitude of the applied magnetic field, thereby controlling the magnitude of the current flowing in the line due to an accident.
첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.Detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings is as follows.
[도 1]은 본 발명이 구현하고자 하는 전력용 스위치를 이용한 인가자계의 크기조절 기능을 갖는 고온초전도 전류제한기의 구조를 나타내는 대표도이다. 1차 권선과 2차 권선은 서로 병렬로 동일코어에 결선되며 사고발생시 3차 권선에 전압이 유기됨으로서 고온초전도 소자를 내부에 설치되도록 결선된 자계인가 코일에 전류가 흐르게 되어 고온초전도 소자에 자계를 인가하게 된다. 이때, 신호발생기로부터 전력용 스위치의 듀티비를 조절함으로서 인가자계의 크기를 제어할 수 있다.1 is a representative view showing a structure of a high temperature superconducting current limiter having a size control function of an applied magnetic field using a power switch to implement the present invention. The primary winding and the secondary winding are connected to the same core in parallel with each other. When an accident occurs, the voltage is induced in the tertiary winding, so that the current flows through the magnetic field applied coil installed to install the high temperature superconducting element inside. Will be authorized. In this case, the magnitude of the applied magnetic field may be controlled by adjusting the duty ratio of the power switch from the signal generator.
[도 2]는 3차 권선에 연결된 자계인가코일과 2차 권선에 연결된 고온초전도 소자의 실제 구성도를 나타내며, a, b는 2차 권선에, c, d는 3차 권선에 연결된다. 사고전에는 3차 권선에는 유기되는 전압이 영이므로 자계인가 코일에는 전류가 도통하지 않게 되어 고온초전도 소자에 자계인가가 이루어지지 않지만, 사고가 발생할 경우, 3차 권선에 전압이 유기되어 고온초전도 소자에 외부자계가 인가되는 구조이다.Figure 2 shows the actual configuration of the magnetic field applying coil connected to the tertiary winding and the high temperature superconducting element connected to the secondary winding, a, b is connected to the secondary winding, c, d is connected to the tertiary winding. Before the accident, because the voltage induced by the tertiary winding is zero, the magnetic field or the current does not conduct to the coil, so the magnetic field is not applied to the high-temperature superconducting element. External magnetic field is applied.
[도 3]은 고온초전도 소자에 인가되는 자계크기에 따른 상전도 상태의 저항관계를 개념적으로 보여주는 곡선이며, 사고시 기존의 저항형 고온초전도 전류제한기가 갖는 한류임피던스(저항)값을 제어할 수 있음을 보여준다.3 is a curve conceptually showing the resistance relationship of the phase conduction state according to the magnetic field size applied to the high temperature superconducting element, and can control the current impedance (resistance) value of the existing resistance type high temperature superconducting current limiter in case of an accident. Shows.
[도 4]는 상기 [도 3]에 나타낸 사고동안 자계인가 코일에 흐르는 전류크기에 따라 고온초전도 소자에서 발생되는 상전도 저항크기에 따라 제한되는 선로전류 파형을 지배방정식을 이용하여 수치해석을 통해 시뮬레이션한 결과를 비교한 것으로, 자계인가 코일에 흐르는 전류의 크기에 비례하여 상전도 저항이 5, 10, 20 [Ω]으로 증가됨에 따라 선로전류의 크기가 더욱 크게 감소되는 것을 확인할 수 있다.FIG. 4 is a numerical diagram using a governing equation for a line current waveform limited according to the magnitude of phase conduction resistance generated in a high temperature superconducting element according to the magnitude of current flowing through a magnetic field applying coil during the accident shown in FIG. Comparing the simulation results, it can be seen that the magnitude of the line current is further reduced as the phase conduction resistance increases to 5, 10, 20 [Ω] in proportion to the magnitude of the current flowing through the magnetic field applying coil.
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본 발명에 의하면 고온초전도 벌크 또는 박막소자 단독으로 동작되는 저항형 고온초전도 전류제한기의 차단용량을 증가시킬 수 있는 방안으로, 1, 2차 권선이 병렬로 결선된 동일코어에 3차 권선을 설치하여 사고와 동시에 고온초전도 소자에 자계를 인가시킬 수 있는 구조(도 1, 2 참조)를 갖으며 인가자계의 크기를 조절하기 위해 전력용 반도체스위치 소자로 구성된 자계 인가회로를 제안한다. 상술한 바와 같이, 사고시 고온초전도 소자의 임계특성에 따라 인가되는 자계크기를 조절하기 위해 동일코어에 설치된 3차 권선의 탭을 설치할 필요 없이 전력용 반도체소자로 구성된 자계 인가회로의 듀티비를 제어함으로서 인가자계의 크기를 조절할 수 있다. 본 발명이 갖는 큰 장점은 듀티비를 제어함으로서 사고시 고온초전도 소자에 인가되는 자계크기를 제어함과 동시에 사고시 상전도 저항크기 조절이 가능하게 됨으로써 사고전류크기를 조절할 수 있는 특징을 가진 고온초전도 전류제한기로, 사고와 동시에 별도의 전원없이 고온초전도 소자에 외부자계를 인가할 수 있을 뿐 아니라 기존에 개발된 저항형 고온초전도 전류제한기의 차단용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention as a way to increase the breaking capacity of the resistance type high temperature superconducting current limiter operating by the high temperature superconducting bulk or thin film element alone, a third winding is installed on the same core in which the primary and secondary windings are connected in parallel. Therefore, the present invention proposes a magnetic field application circuit having a structure capable of applying a magnetic field to a high temperature superconducting element at the same time as an accident (see FIGS. 1 and 2) and configured with a power semiconductor switch element to adjust the size of the applied magnetic field. As described above, by controlling the duty ratio of the magnetic field application circuit composed of the power semiconductor element without the need to install the tap of the tertiary winding installed in the same core in order to adjust the magnetic field size applied according to the critical characteristics of the high temperature superconducting element in the event of an accident The magnitude of the magnetic field can be adjusted. The great advantage of the present invention is that by controlling the duty ratio to control the magnetic field size applied to the high-temperature superconducting device in case of accident and at the same time, it is possible to control the magnitude of the phase conduction resistance in case of accident, thereby limiting the high-temperature superconducting current having the feature of controlling the fault current size. At the same time, it is possible to apply an external magnetic field to a high temperature superconducting element without a separate power supply at the same time as an accident, and to increase the breaking capacity of a conventional resistance type high temperature superconducting current limiter.
[도 1]은 본 발명에서 제안한 전력용 스위치를 이용한 인가자계의 크기조절기능을 갖는 고온초전도 전류제한기의 구조.1 is a structure of a high temperature superconducting current limiter having a size control function of an applied magnetic field using a power switch proposed in the present invention.
[도 2]는 자계인가 코일과 고온초전도 소자의 구성도.2 is a configuration diagram of a magnetic field applying coil and a high temperature superconducting element.
[도 3]은 고온초전도 소자에 인가되는 자계크기에 따른 상전도 상태의 저항관계를 개념적으로 보여주는 곡선.3 is a curve conceptually showing the resistance relationship of the phase conduction state according to the magnetic field size applied to the high temperature superconducting element.
[도 4]는 자계인가 코일에 흐르는 전류크기에 비례하여 발생되는 상전도 저항크기( Rsc = 5, 10, 20 [Ω] )에 따라 사고시 제한되는 선로전류 파형(IFCL).4 is a line current waveform (I FCL ) limited in case of an accident according to the phase conduction resistance magnitude (R sc = 5, 10, 20 [Ω]) generated in proportion to the magnitude of the current flowing through the magnetic field applying coil.
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〈 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 〉<Brief description of the main parts of the drawing>
RSC : 고온초전도 소자의 인가자계에 따른 상전도 저항R SC : Phase conduction resistance according to applied magnetic field of high temperature superconducting element
Rn1 : 자계인가 코일에서 Φ1 자속 인가시 고온초전도 소자에서 발생되는 상전도 저항R n1 : Phase conduction resistance generated in high temperature superconducting element when Φ 1 magnetic flux is applied in magnetic field applying coil
Rn2 : 자계인가 코일에서 Φ2 자속 인가시 고온초전도 소자에서 발생되는 상전도 저항R n2 : Phase conduction resistance generated in high temperature superconducting element when Φ 2 magnetic flux is applied in magnetic field applying coil
Rn3 : 자계인가 코일에서 Φ3 자속 인가시 고온초전도 소자에서 발생되는 상전도 저항R n3 : Phase conduction resistance generated in high temperature superconducting element when Φ 3 magnetic flux is applied in magnetic field applying coil
V1 : 1차 권선에 인가된 전압V 1 : Voltage applied to the primary winding
V2 : 2차 권선에 인가된 전압V 2 : Voltage applied to the secondary winding
V3 : 3차 권선에 유기된 전압V 3 : Voltage induced in the tertiary winding
I1 : 1차 권선에 도통되는 전류I 1 : Current conducted to the primary winding
I2 : 2차 권선에 도통되는 전류I 2 : Current conducted to the secondary winding
I3 : 3차 권선에 도통되는 전류I 3 : Current conducted to the tertiary winding
IS : 고온초전도 소자에 도통되는 전류(=I2)I S : Current conducted to the high temperature superconducting element (= I 2 )
IFCL : 사고시 선로전류(I1+I2)I FCL : Line current in case of accident (I 1 + I 2 )
IC : 고온초전도 소자의 임계전류I C : Critical current of high temperature superconducting element
Sm : 3차 권선의 전력용 메인 스위치S m : main switch for the power of the tertiary winding
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D0 : 환류용 보조다이오드D 0 : reflux auxiliary diode
R0 : 환류용 보조저항R 0 : Auxiliary resistance for reflux
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