KR100819346B1 - 전력공급 안정화 장치 - Google Patents

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KR100819346B1
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Abstract

본 발명은 초전도체 고유의 무저항 특성을 이용하여 전류가 손실됨이 없이 계통으로 흐르게 하는 초전도 퓨즈와 전선로에 과전류가 발생하는 경우에 과전류를 제한하는 임피던스 소자를 병렬로 구성하여 과전류를 제한하고, 차단기를 이용하여 과전류를 차단하는 전원공급 안정화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전원공급 안정화 장치는 전력공급원과 계통의 사이에 직렬 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 1 과전류 제한부와, 상기 제 1 과전류 제한부와 병렬로 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 2 과전류 제한부와, 상기 제 2 과전류 제한부와 상기 계통의 사이에 직렬 연결되는 스위치와, 상기 제 1 과전류 제한부가 과전류를 제한하였을 경우에 상기 스위치를 접속시켜 상기 전력공급원이 공급하는 전력이 상기 제 2 과전류 제한부를 통해 상기 계통으로 전달되게 하는 감시부와, 상기 제 1 과전류 제한부와 계통 사이 또는 상기 제 2 과전류 제한부와 연결된 스위치와 계통 사이에는; 차단기가 직렬로 연결되어 구성된다.
초전도, 퓨즈, 한류기

Description

전력공급 안정화 장치{Electric Power Supply Stability Apparatus}
도 1은 일반적인 초전도 한류기를 이용한 전력공급 안정화 장치의 구성을 보인 도면.
도 2a 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 통상 운전상태의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도.
도 2b 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 첫 번째 사고 발생시의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도.
도 2c 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 두 번째 사고 발생시의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
200 : 전력공급원 201 :제 1 초전도 소자
202 : 제 1 임피던스 소자 203 : 제 2 초전도 소자
204 : 제 2 임피던스 소자 205 : 감시부
206 : 스위치 207 : 차단기
210 : 계통 220 : 제 1 과전류 제한부
230 : 제 2 과전류 제한부
본 발명은 전력계통에서의 전력공급 안정화 장치에 관한 것이다.
전력을 안정하게 계통으로 공급하기 위해 사용하는 장치들 중에 초전도 한류기가 있다.
전력계통에서의 한류기(Fault Current Limiters:FCLs)의 역할은 전력공급원에서 공급되는 전력을 손실이 발생됨이 없이 계통으로 공급하고, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시에 발생하는 과전류를 제한하는 것이다. 또한 과전류를 제한하여 과전류에 의해 부스바, 애자, 차단기 등에 가해지는 기계적, 열적, 전기적 스트레스를 제한하는 것이다.
초전도체를 사용한 초전도 한류기는 전기저항이 0Ω으로 되는 초전도 현상을 이용하여 전류가 손실 없이 계통으로 흐르게 하며, 낙뢰, 지락, 단락시에 발생하는 과전류를 순시에 제한하여 과전류로부터 전력계통상의 기기들이 손상되지 않도록 기기들을 보호한다.
초전도 한류기는 초전도 상태에서는 전기저항이 0Ω이지만 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시 발생하는 과전류에 의해 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이한다. 또한 이상전류에 의해 발생하는 열에 의해 온도가 변하게 되는 경우에도 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이하고, 전기저항을 발생시키는 초전도 특유의 켄치(Quench) 현상이 일어난다. 이 현상을 이용하여 발생한 전기저항에 의해 과전류를 제한하는 것이다. 초전도체는 3가지 임계값을 가지는데, 이는 임계전류밀도(Critical Current Density:Jc), 임계자기장(Critical Magnetic Field;Hc), 임계온도(Critical Temperature;Tc)로서 이 중 하나라도 범위를 넘어서게 되면 초전도 상태에서 상전도 상태로 전이한다. 그리고 상전도 상태로 전이한 초전도체는 초전도 상태가 되는 온도로 냉각시키는 경우에 다시 초전도 상태로 전이하게 된다.
초전도-상전도-초전도 상태로 전이되는 특성을 이용하는 일반적인 초전도 한류기는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시 발생하는 과전류와 과전류에 의한 열에 의해 초전도 상태가 깨지게 되는데, 다시 초전도체로 냉각하여 초전도 상태로 복귀하기 위해서는 수십 분에서 수시간이 걸려 좀더 빠르게 초전도 상태로 복귀하는 기술이 필요하다.
또한 실험실이나 소규모와 달리 송전선 같이 큰 규모에 냉각 시스템을 적용하기에는 적잖은 비용과 제작기술이 필요하다.
본 발명의 목적은 초전도체의 특성에서 초전도-상전도 상태로 전이되는 특성을 이용하여 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고 발생시 발생하는 과전류에 의해 융해되어 끊어지는 초전도 퓨즈와 과전류를 제한하는 임피던스 소자를 병렬로 사용하여 과전류를 제한하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 초전도 퓨즈와 임피던스 소자를 병렬로 연결한 과전류 제한부와 과전류 제한부를 병렬로 연결하여 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고 발생시 발생하는 과전류에 의해 사고난 과전류 제한부를 분리하고 병렬로 연결된 다른 과전류 제한부를 동작하게 하여 서로 독립적으로 회로가 동작하게 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 목적들을 이루어 전력계통에서 발생하는 과전류를 효과적으로 차단하여 전력계통상의 기기들이 손상을 입지 않게 하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원공급 안정화 장치는, 전력공급원과 계통의 사이에 직렬 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 1 과전류 제한부; 상기 제 1 과전류 제한부와 병렬로 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 2 과전류 제한부; 상기 제 2 과전류 제한부와 상기 계통과의 사이에 직렬 연결되는 스위치; 및 상기 제 1 과전류 제한부가 과전류를 제한하였을 경우에 상기 스위치를 접속시켜 상기 전력공급원이 공급하는 전력이 상기 제 2 과전류 제한부를 통해 상기 계통으로 전달되게 하는 감시부;를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 전원공급 안정화 장치를 설명한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음의 도 1은 전력공급선로에 일반적인 초전도 한류기를 이용한 전원공급회로를 보인 도면이다.
도 1과 같이, 전력 공급원(100)에서 전력이 공급되는 전력선에 3개의 초전도 한류기(101, 102, 103)가 직렬로 연결되고, 상기 초전도 한류기(102, 103)에는 각기 스위치 2개(106, 107)가 병렬로 접속된다.
그리고 상기 초전도 한류기(103)는 차단기(104)를 통해 계통(系統)에 접속된다.
상기 계통(110)은 상기 전력 공급원(100)이 공급하는 전력을 사용하는 적어도 하나 이상의 부하를 포함한다.
상기의 초전도 한류기(101, 102, 103)는 용기 내에 초전도 한류기를 냉각하는 액체 질소 또는 그 밖의 냉매로 둘러싸여 냉각된다. 또한 온도를 일정하게 하기 위해 상기 용기를 또 다른 용기에 수납하여 열 절연하고, 전력선에 연결하기 위한 도체와 연결되어 있다.
또한 상기의 초전도 한류기(101, 102, 103)는 임계치를 넘는 과전류에 의해 초전도 상태가 깨지는 경우에 액체 질소는 열에 의해 기화하여 증발하므로 증발한 냉매를 보충하는 탱크와, 냉매를 냉각하기 위한 냉각기를 포함하여 구성되어 있다.
상기 3개의 초전도 한류기(101, 102, 103)는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고에 의해 발생하는 과전류를 제한하기 위해 서로 임계전류 값이 다르다. 상기 3개의 초전도 한류기(101, 102, 103)는 각각 Ic1 > Ic2 > Ic3 의 조건을 만족하는 임계전류 값을 갖는다.
상기의 차단기(104)는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고에 의해 과전류가 흐르는 경우에 과전류를 감지하고 스위치를 제어하는 제어부와 제어부의 제어에 따라 스위칭할 수 있는 스위치를 포함하는 장치이다. 상기의 차단기(104)는 지락, 낙뢰, 단락 등의 사고시 발생하는 과전류를 감지하고, 제어부의 제어에 따라 스위치가 열려 계통(110)으로 과전류가 흐르지 못하게 하며, 설정 시간 내에 스위치를 다시 닫고, 과전류의 유무를 판단하는 역할을 한다.
상기의 스위치(106, 107)는 전기회로 내의 구성 부품 중에 해당하는 부품의 전기적인 변화에 의해 스위칭하는 장치이다. 상기의 스위치(106, 107)는 병렬로 연결된 각각의 초전도 한류기(102, 103)가 지락, 낙뢰, 단락 등의 사고시 발생하는 과전류에 의해 변화하는 전류, 전압 등의 값에 의해 열리고 닫힌다.
도 1에 도시된 바와 같이, 105는 전력공급선로에서 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고가 발생한 지점을 가리킨다.
예를 들어, 도 1과 같이 전력계통상의 105 지점에서 과전류가 Ic3 이상으로 흐르는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고가 발생하는 경우에 초전도 한류기(103)는 임계치를 넘는 과전류와 과전류에 의한 열에 의해 초전도 상태가 깨지고, 저항을 발생하는 켄치(Quench) 현상이 일어나 발생한 저항에 의해 과전류가 제한된다.
상기 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고가 발생하는 경우에 차단기(104)는 제어부를 통해 과전류를 감지하고 스위치를 열어 계통(110)으로 과전류가 흐르지 못하게 계통(110)과의 접속을 끊는다.
이와 같이 켄치 현상이 일어나는 경우에 초전도 한류기(103)와 병렬로 연결된 스위치(107)는 초전도 한류기(103)의 전기적인 변화에 의해 닫히고, 차단기(104)는 설정시간 내에 스위치를 닫아 계통(110)과 접속한다.
상기의 초전도 한류기(103)는 과전류에 의해 저항을 발생하면서 열을 발생하고, 상승한 온도에 의해 용기 내에 냉매가 기화되어 증발하고, 증발한 냉매를 초전도 한류기(103)에 보충하여 상승한 온도가 초전도 상태로 전이되는 온도로 떨어지는 경우에 다시 초전도 상태로 복귀하게 된다.
이때 스위치(107)는 상기 초전도 한류기(103)의 전기적인 변화에 따라 열리고, 회로는 원래의 상태로 복귀된다.
상기의 초전도 한류기(103)가 초전도 상태로 복귀하는 중에 또다시 사고가 발생하는 경우에는 초전도 한류기(102) 및 스위치(106)가 상기의 동작을 수행한다.
도 2a 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 통상 운전상태의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도이고, 도 2b 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 첫 번째 사고 발생시의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도이고, 도 2c 는 본 발명의 전원공급 안정화 장치에서 두 번째 사고 발생시의 전류 흐름을 보이는 회로 구성도이다.
도 2a 내지 도 2c 에 도시된 회로 구성과 같이, 전력 공급원(200)에서 전력이 공급되는 전력선에 2개의 과전류 제한부(220, 230)가 서로 병렬로 연결된다.
상기의 제 1 과전류 제한부(220)는 제 1 초전도 퓨즈(202)와 제 1 임피던스 소자(201)가 병렬로 접속되어 구성된다.
상기의 제 2 과전류 제한부(230)는 제 2 초전도 퓨즈(203)와 제 2 임피던스 소자(204)가 병렬로 접속되어 구성된다.
상기의 초전도 퓨즈(202, 203)는 초전도 현상을 유지하기 위해 냉매인 액체질소를 포함하여 용기에 밀폐되어 있다. 상기 냉매는 다른 종류의 냉매가 사용될 수도 있다.
상기 각각의 초전도 퓨즈(202, 203)와 병렬로 연결된 임피던스 소자(201, 204)는 전류의 변화에 대해 역으로 자기장을 발생하여 전류의 변화를 막는 인덕터로, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고에 의한 과전류를 제한하는 역할을 한다.
통상 개방상태인 스위치(206)는 상기 제 2 과전류 제한부(230)에 직렬로 접속되고, 상기 스위치(206)는 감시부(205)의 제어에 따라 개폐 동작을 한다.
상기 감시부(205)는 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)의 개폐 상태를 감시하고, 제 1 초전도 퓨즈(202)가 끊어지는 경우에 상기 스위치(206)가 닫히도록 제어하고, 상기 제 2 초전도 퓨즈(203)로 전류가 흐르게 한다.
차단기(207)는 상기 제 1 과전류 제한부(220) 및 상기 스위치(206)와 직렬로 접속되고, 사고의 유무에 따라 계통(210)과 접속하거나 접속을 끊는다.
상기의 차단기(207)는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고에 의해 과전류가 흐르는 경우에 과전류를 감지하고 스위치를 제어하는 제어부와 제어부의 제어에 따라 스위칭할 수 있는 스위치를 포함하는 장치이다. 상기의 차단기(207)는 제어부를 통해 지락, 낙뢰, 단락 등의 사고시 발생하는 과전류를 감지하고, 제어부의 제어에 따라 스위치가 열려 계통(210)으로 과전류가 흐르지 못하게 계통(210)과의 접속을 끊고, 설정 시간 내에 스위치를 다시 닫는다.
또한 상기의 차단기(207)는 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고 발생에 의해 상기 제 1 초전도 퓨즈(202) 및 제 2 초전도 퓨즈(203)도 끊어지는 경우에 상기 끊어진 초전도 퓨즈(202, 203)가 교체될 때까지 스위치를 열어 계통(210)으로 과전류가 흐르지 못하게 한다.
계통(210)은 상기 전력 공급원(200)이 공급하는 전력을 사용하는 적어도 하나 이상의 부하를 포함한다.
통상 운전상태인 정상 전류가 전력계통선로에 흐르는 경우에, 도 2a 와 같이, 제 1 초전도 퓨즈(202)를 통해 정상 전류가 흐르고, 차단기(207)를 지나 계통(210)에 흐른다.
초전도 퓨즈의 임계치를 넘는 과전류가 발생하는 경우에 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)는 과전류에 의해 상전도 상태로 전이되면서 전기저항이 순간적으로 발생하는 켄치 현상이 일어나고, 열이 발생하여 냉매인 액체질소는 기화되고 제 1 초전도 퓨즈(202)는 융해(melt)되어 끊어진다.
과전류에 의해 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)가 융해되어 끊어지는 경우에, 도 2b 와 같이, 과전류는 상기의 제 1 임피던스 소자(201)로 흐르고, 제 1 임피던스 소자(201)에 의해 과전류가 제한된다.
또한 감시부(205)는 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)의 개폐상태를 감시하다가 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)가 끊어지는 경우에 스위치(206)가 닫히도록 제어한다.
상기 스위치(206)는 상기 제 1 초전도 퓨즈(202)가 끊어지는 경우에 감시부(205)의 제어에 따라 닫혀 회로에 연결된다.
상기의 차단기(207)는 제어부를 통해 과전류를 감지하고, 스위치를 열어 계통(210)과의 접속을 끊고, 상기의 제 1 임피던스 소자(201)에 의해 제한된 과전류를 차단하며, 설정 시간 내에 다시 스위치를 닫는다.
전력계통에서 발생한 첫 번째 사고 후 상기의 제 1 초전도 퓨즈(202)는 끊어져서 무한대에 가까운 저항을 발생하고, 개방되어 있으므로 제 2 초전도 퓨즈(203)로 전류가 흐른다.
상기의 제 1 초전도 퓨즈(202)가 융해되어 끊어지고, 사고가 제거된 경우에는 정상 전류가 제 2 초전도 퓨즈(203)로 흐르고, 차단기(207)를 통과해 계통(210)으로 전류가 흐른다.
그리고 상기의 제 2 초전도 퓨즈(203)로 정상 전류가 흐르는 경우에 과전류에 의해 끊어진 상기의 제 1 초전도 퓨즈(202)는 다음의 사고에 대비하여 교체된다.
상기에서 끊어진 제 1 초전도 퓨즈(202)가 정상 초전도 퓨즈로 교체되는 경우에 감시부(205)는 제 1 초전도 퓨즈(202)의 교체에 의한 연결 상태를 감지하고, 스위치(206)가 열리도록 제어한다.
정상 전류는 상기에서 열린 스위치(206)로 인하여 제 2 초전도 퓨즈(203)로 흐르지 못하고 상기에서 교체된 제 1 초전도 퓨즈(202)로 흘러 차단기(207)를 통해 계통(210)으로 연결되고, 도 2a 와 같이 흐르게 된다.
한편, 상기의 사고가 제거되지 않은 경우에 초전도 퓨즈의 임계치를 넘는 과전류는 제 2 초전도 퓨즈(203)로 흐르게 되고, 그 과전류에 의해 열이 발생하여 냉매인 액체질소는 기화되고 제 2 초전도 퓨즈(203)는 융해(melt)되어 끊어진다.
상기의 제 2 초전도 퓨즈(203)가 끊어지는 경우에, 도 2c 와 같이, 과전류는 제 2 초전도 퓨즈(203)와 병렬로 연결된 제 2 임피던스 소자(204)로 흐르게 되고, 상기 과전류는 제 2 임피던스 소자(204)에 의해 제한된다.
과전류에 의해 상기와 같이 제 1 초전도 퓨즈(202)와 제 2 초전도 퓨즈(203)가 끊어지는 경우에 차단기(207)는 제어부를 통해 과전류를 감지하고, 스위치를 열어 계통(210)과의 접속을 끊는다. 상기 차단기(207)는 접속을 끊음으로써 계통(210)으로 과전류가 전달되는 것을 차단한다.
그리고 상기의 차단기(208)는 제어부를 통해 흐르는 전류를 감시하고, 상기에서 끊어진 초전도 퓨즈(202, 203)를 교체하여 정상 전류가 감지되는 경우에 스위치를 닫아 전력 공급원(200)에서 공급하는 전력을 계통(210)으로 전달한다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 한류기는 초전도-상전도 상태로 전이되는 특성을 이용하여 과전류가 발생하는 경우에 융해되어 끊어지는 초전도 퓨즈와 초전도 퓨즈가 끊어지는 경우에 과전류를 제한하는 임피던스 소자가 병렬로 구성되어 과전류를 효과적으로 제한하는 효과가 있다.
그리고 초전도 퓨즈와 임피던스 소자로 구성된 두 개의 과전류 제한부를 병렬로 연결함으로써 과전류에 의해 초전도 퓨즈가 융해되어 끊어지는 경우에 병렬로 연결된 다른 과전류 제한부가 동작하게 되어 서로 독립적으로 작동하고, 차단기에 의해 과전류가 완전히 차단되는 본 발명의 전원공급 안정화 장치는 과전류로부터 계통 및 계통 기기들이 손상 받지 않고 전력을 안정하게 공급하는 효과가 있다.
또한 초전도체의 특성 중에서 초전도-상전도 상태로 전이되는 특성을 이용하므로 제작하고 냉각하는 기술 및 비용면에서 용이한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 전력공급원과 계통의 사이에 직렬 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 1 과전류 제한부;
    상기 제 1 과전류 제한부와 병렬로 연결되고, 미리 설정된 전류 이상의 과전류가 흐를 경우에 그 과전류를 제한하는 제 2 과전류 제한부;
    상기 제 2 과전류 제한부와 상기 계통과의 사이에 직렬 연결되는 스위치; 및
    상기 제 1 과전류 제한부가 과전류를 제한하였을 경우에 상기 스위치를 접속시켜 상기 전력공급원이 공급하는 전력이 상기 제 2 과전류 제한부를 통해 상기 계통으로 전달되게 하는 감시부;를 포함하고,
    상기 제 1 과전류 제한부와 제 2 과전류 제한부 각각은;
    미리 설정된 레벨 이상의 과전류가 흐를 경우에 차단되는 퓨즈; 및
    상기 퓨즈와 병렬로 연결되는 임피던스 소자로 구성됨을 특징으로 하는 전력공급 안정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 과전류 제한부 또는 제 2 과전류 제한부를 통해 흐르는 전류가 미리 설정된 레벨 이상의 과전류인지 여부를 판단하여, 상기 판단 결과에 따라 상기 전력공급원이 상기 계통으로 공급하는 전력을 차단 또는 전달하는 차단기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력공급 안정화 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 퓨즈는;
    초전도 퓨즈인 것을 특징으로 하는 전력공급 안정화 장치.
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