KR101037713B1

KR101037713B1 - 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기

Info

Publication number: KR101037713B1
Application number: KR1020100019061A
Authority: KR
Inventors: 임성훈; 김재철; 유일경; 김진석; 김명후
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-05-27
Also published as: JP5390030B2; JP2013521753A; US20120327538A1; WO2011108793A1; US8810978B2

Abstract

고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기가 개시된다. 동일한 철심코어에 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선이 결선되어 있고, 1차 권선 및 2차 권선 중 어느 하나에는 초전도체가 연결된다. 제1스위치는 1차 권선 및 2차 권선 중 어느 하나와 연결되어 고장전류가 발생하면 고장구간의 분리를 위해 개방되고, 고장전류가 제거되면 단락된다. 제2스위치는 3차 권선과 직렬연결되어 고장전류의 발생시 안정적인 전원 공급을 위해 단락되고, 고장전류가 제거되면 개방된다. 본 발명에 따르면, 병렬 또는 직렬 연결된 두 코일의 자기결합을 이용하여 고장전류를 제한하는 한편 스위치에 의해 고장구간을 분리하고 3차 권선 및 그에 연결된 스위치에 의해 고장전류가 발생하는 동안 정전구간에 안정적으로 전원을 공급함으로써 계통의 안정도를 향상시키고 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

Description

고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기{Superconducting fault current limiter(SFCL) for fault current limiting and uninterruptible power supplying}

본 발명은 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자기결합을 이용하여 신속한 저항발생을 통해 고장전류의 크기를 제한하고, 고장구간의 분리시에 발생하는 정전구간에 전원을 공급하는 장치에 관한 것이다.

현재까지 배전 계통에 대한 전력수요의 증가와 분산전원의 도입으로 인해 대용량 변압기로의 교체가 불가피하게 되었다. 그에 따라 증가한 고장전류가 계통에 설치된 차단기의 용량을 초과하게 되어 계통의 안정도 향상과 이들 차단기의 대용량 기기로의 교체에 따른 경제적 비용 발생을 절감하기 위한 현실적인 방안으로 초전도 전류제한기가 연구되어 왔다.

도 1a 및 도 1b는 기존의 초전도 전류제한기의 예를 도시한 도면이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 초전도 전류제한기는 각각 동일 코어에 결선되어 직렬 및 병렬 연결된 두 코일(1차 권선 및 2차 권선)의 자기결합을 이용한 것으로, 고장 전에는 초전도체(HTSC)가 초전도 상태로 영저항을 유지하여 두 코일에서 발생하는 자속이 서로 상쇄됨으로써 각 코일에 유기되는 전압은 0이 된다. 그러나 고장이 발생하여 초전도체에 흐르는 전류가 임계값을 넘게 되면 초전도체에 저항이 발생하며 이로 인해 두 코일에서 발생하는 자속은 더 이상 상쇄되지 않으므로 각 코일에 전압이 유기되고 초전도 전류제한기에 임피던스가 발생하여 고장전류가 제한된다.

이와 같이 두 코일의 자기결합을 이용한 초전도 전류제한기는 고장시 야기되는 전력부담을 병렬 또는 직렬 연결된 두 코일과 초전도체로 나누어 부담시킬 수 있어 초전도체의 개수를 줄일 수 있을 뿐 아니라 자기결합으로 인해 직렬 연결된 초전도체들이 동시에 상전도체로 상전이되는 현상(quench)을 유도할 수 있는 특징이 있다. 또한 권선비를 조절하여 임피던스의 크기를 조절함으로써 전류제한 크기를 효과적으로 조절할 수 있다. 그러나 고장 발생시 고장구간이 분리되어 정전이 되는 문제가 야기되므로 이를 해결할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고장 발생시 초전도체의 저항이 발생하도록 하여 고장전류를 제한하고, 고장구간을 분리하여 정전구간에 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기는, 동일한 철심코어에 결선된 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선; 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 중 어느 하나와 연결된 초전도체; 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 중 어느 하나와 연결되어 고장전류가 발생하면 고장구간의 분리를 위해 개방되고, 상기 고장전류가 제거되면 단락되는 제1스위치; 및 상기 3차 권선과 직렬연결되어 상기 고장전류의 발생시 안정적인 전원 공급을 위해 단락되고, 상기 고장전류가 제거되면 개방되는 제2스위치;를 구비한다.

본 발명에 따른 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기에 의하면, 병렬 또는 직렬 연결된 두 코일의 자기결합을 이용하여 고장전류를 제한하는 한편 스위치에 의해 고장구간을 분리하고 3차 권선 및 그에 연결된 스위치를 사용하여 고장전류에 의해 발생한 정전구간에 안정적으로 전원을 공급함으로써 계통의 안정도를 향상시키고 경제적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 단락에 의해 전압이 강하되는 구간이 발생하는 경우에도 안정적인 전원 공급이 가능하다.

도 1a 및 도 1b는 기존의 초전도 전류제한기의 예를 도시한 도면,
도 2는 동일 코어에 결선된 두 개의 코일을 가지는 기존의 초전도 전류제한기에 자계인가코일이 연결된 형태를 도시한 도면,
도 3은 자계인가코일에서 발생하는 자계의 크기에 따른 초전도체의 저항을 도시한 그래프,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기의 제1실시예 및 제2실시예를 도시한 도면,
도 5는 시간의 흐름에 따른 각 부분에서의 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프,
도 6은 고장 발생시 각 스위치의 동작을 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 초전도 전류제한기의 전류제한 및 무정전 전원공급 특성을 나타낸 그래프, 그리고,
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 초전도 전류제한기가 단락이 발생한 배전계통에 적용된 경우의 제1실시예 및 제2실시예를 도시한 도면이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

먼저 도 2는 동일 코어에 결선된 두 개의 코일을 가지는 기존의 초전도 전류제한기에 자계인가코일이 연결된 형태를 도시한 도면이다. 도 2의 초전도 전류제한기에는 병렬 연결된 1차 권선 및 2차 권선과 동일한 코어에 3차 권선이 더 결선되고, 3차 권선에는 자계인가코일(magnetic field coil)이 설치되어 있다. 고장시에는 초전도체의 quench로 인해 3차 권선에 전류가 흐르기 때문에 자계가 발생하여 초전도체의 저항에 영향을 미치게 된다.

도 3은 자계인가코일에서 발생하는 자계의 크기에 따른 초전도체의 저항을 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 3차 권선에 전류가 흘러 자계가 발생한 이후 초전도체의 저항이 느리게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 고장전류 제한 및 무정전 전원공급을 위한 초전도 전류제한기의 제1실시예 및 제2실시예를 도시한 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 전류제한기는 동일한 철심코어에 결선된 세 개의 코일(112, 114, 116)과, 초전도체(120), 두 개의 스위치(132, 134), 세 개의 전압센서(142, 144, 146) 및 세 개의 전류센서(152, 154, 156)를 구비한다.

코어에 연결된 세 개의 코일(112, 114, 116) 중에서 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)은 서로 직렬 연결되거나 병렬 연결될 수 있다. 도 4a에 도시된 본 발명에 따른 초전도 전류제한기의 제1실시예에서는 1차 권선(112)과 2차 권선(114)이 병렬 연결되어 있으며, 도 4b에 도시된 제2실시예에서는 직렬 연결되어 있다. 또한 초전도체(120)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이 1차 권선(112) 또는 2차 권선(114)과 직렬 연결 또는 병렬 연결되어 고장전류를 제한하는 기능을 수행한다. 여기까지는 도 1a 및 도 1b를 통해 설명한 기존의 초전도 전류제한기의 구성과 동일하다.

한편, 3차 권선(116)은 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)과 동일한 코어에 결선된다. 3차 권선(116)은 뒤에서 설명할 제2스위치(134)와 연결되어 고장전류의 발생시에 정전구간에 안정적으로 전원을 공급하기 위해 구비된다. 이때 제2스위치(134)의 개방 또는 단락은 3차 권선(116)에 연결된 제3전압센서(146) 또는 제3전류센서(156)에 의해 이루어질 수 있다.

고장전류가 발생하는 경우에 고장구간을 분리하기 위해 구비된 제1스위치(132)의 동작은 다음의 몇 가지 방법들 중 하나에 의해 제어될 수 있다. 먼저 초전도체(120)의 전압 또는 전류를 측정하는 제1전압센서(142) 및 제1전류센서(152)에 의해 초전도체의 전압 또는 전류가 일정한 값 이상으로 증가하면 제1스위치(132)를 개방시켜 고장구간을 분리할 수 있다. 또한 부하측의 전압 또는 전류를 측정하는 제2전압센서(144) 및 제2전류센서(154)에 의해 부하측의 전압 또는 전류가 일정한 값 이하로 감소하면 제1스위치(132)를 개방시킬 수 있다. 다른 방법으로는 통신을 통해 고장전류 발생시 차단기로서 동작시키는 방법이 가능하며, 제1스위치(132)로서 부족 전압 계전기(Under Voltage Relay : UVR)를 사용할 수도 있다. 제1스위치(132)가 UVR인 경우, 전압 강하를 감지하여 UVR이 동작하면 이러한 동작을 제어신호로 하여 제2스위치(134)가 동작하게 된다.

이상에서 설명한 방법에 의해 제1스위치(132)를 개방하여 고장구간을 분리한 후, 고장에 의해 발생한 정전구간에 전원을 공급하기 위해서는 제2스위치(134)가 단락되어야 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 제2스위치(134)의 단락은 제3전압센서(146) 또는 제3전류센서(156)에 의해 이루어지며, 일 예로 제3전압센서(146)에 의해 측정된 3차 권선(116)의 전압이 사전에 설정된 기준전압 이상이 되면 제3전압센서(146)는 제2스위치(134)를 단락시켜 전압이 강하된 모선에 전원이 공급되도록 한다.

제1스위치(132)와 제2스위치(134)의 동작 방법은 앞에서 설명한 것에 한정되지 않으며, 제1스위치(132)를 동작시키는 것과 동일한 방법에 의해 제2스위치(134)를 동작시킬 수도 있고, 제2스위치(134)를 동작시키는 것과 동일한 방법에 의해 제1스위치(132)를 동작시킬 수도 있다. 이때 각각의 전압센서(142, 144, 146) 및 전류센서(152, 154, 156)가 각 스위치(132, 134)를 동작시키기 위한 기준전압 또는 기준전류를 개별적으로 설정할 수 있다.

또한 고장이 제거되어 3차 권선(116)의 전압이 감소함에 따라 제3전압센서(146)에 의해 측정되는 전압이 기준전압보다 작아지게 되면 제3전압센서(146)는 제2스위치(134)를 다시 개방한다. 제1스위치(132)는 고장 제거에 의해 앞에서 설명한 방법들 중 한 가지의 방법을 통해 단락되므로 본 발명에 따른 초전도 전류제한기는 고장 전 상태로 회복된다.

본 발명에 따른 초전도 전류제한기를 모의계통에 적용하여 모의실험을 수행하였다. 도 5는 시간의 흐름에 따른 각 부분에서의 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프로, 전류 i₁ 내지 i₃는 도 4a 및 도 4b에 표시되어 있다. 도 5를 참조하면, 고장이 발생함에 따라 코일에 전압과 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 고장 발생시 각 스위치(132, 134)의 동작을 도시한 그래프로, SW₁은 제1스위치(132)의 동작을 나타낸 것이고, SW₂는 제2스위치(134)의 동작을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 고장전류가 발생하면 제1스위치(132)는 개방되고 제2스위치(134)는 단락되는 한편, 반대로 고장이 제거되면 곧바로 제1스위치(132)는 단락되고 제2스위치(134)는 개방되는 것을 확인할 수 있다.

또한 도 7은 본 발명에 따른 초전도 전류제한기의 전류제한 및 무정전 전원공급 특성을 나타낸 파형으로, 고장이 발생함에 따라 초전도체(120)가 고장전류를 빠르게 감지하여 전류를 제한해 주고 고장기간 동안 정전구간에 안정적으로 전원을 공급해주는 것을 확인할 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명에 따른 초전도 전류제한기가 단락이 발생한 배전계통에 적용된 경우의 제1실시예 및 제2실시예를 도시한 도면이다. 도 8a는 도 4a에 도시된 본 발명의 제1실시예가 적용된 경우를 나타낸 것이고, 도 8b는 도 4b에 도시된 본 발명의 제2실시예가 적용된 경우를 나타낸 것이다. 또한 도 8a 및 도 8b는 부하 1에 단락이 발생하여 전압이 강하되는 경우를 나타낸다. 이와 같이 본 발명에 따른 초전도 전류제한기는 실제 배전계통에 적용되어 단락이 발생하는 경우에 고장전류를 제한하고 고장구간을 분리하는 한편, 단락이 발생함에 따른 전압강하를 안정적인 전원 공급을 통해 보상할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

112 - 1차 권선
114 - 2차 권선
116 - 3차 권선
120 - 초전도체
132 - 제1스위치
134 - 제2스위치
142 - 제1전압센서
144 - 제2전압센서
146 - 제3전압센서
152 - 제1전류센서
154 - 제2전류센서
156 - 제3전류센서

Claims

동일한 철심코어에 결선된 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선;
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 중 어느 하나와 연결된 초전도체;
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 중 어느 하나와 연결되어 고장전류가 발생하면 고장구간의 분리를 위해 개방되고, 상기 고장전류가 제거되면 단락되는 제1스위치; 및
상기 3차 권선과 직렬연결되어 상기 고장전류의 발생시 안정적인 전원 공급을 위해 단락되고, 상기 고장전류가 제거되면 개방되는 제2스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전류제한기.
제 1항에 있어서,
상기 고장전류의 발생에 의해 상기 초전도체에서 측정된 전압 또는 전류의 값이 증가하면 상기 제1스위치가 개방되고 상기 제2스위치가 단락되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류제한기.
제 1항에 있어서,
상기 고장전류의 발생에 의해 부하에서 측정된 전압 또는 전류의 값이 감소하면 상기 제1스위치가 개방되고 상기 제2스위치가 단락되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류제한기.
제 1항에 있어서,
상기 고장전류의 발생에 의해 상기 3차 권선에서 측정된 전압 또는 전류의 값이 증가하면 상기 제1스위치가 개방되고 상기 제2스위치가 단락되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류제한기.
제 1항에 있어서,
상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 상기 고장전류의 발생 또는 제거가 차단기에 의해 감지되면 상기 차단기로부터 전송된 신호에 기초하여 통신에 의해 개방 또는 단락되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류제한기.
제 1항에 있어서,
상기 제1스위치는 부족 전압 계전기(Under Voltage Relay : UVR)이며, 상기 제2스위치는 상기 제1스위치의 동작에 따른 제어신호에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한기.