KR101044492B1 - 하이브리드 한류기 - Google Patents

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방승현
박권배
심정욱
최원준
이경호
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
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Abstract

본 발명은 전력 계통에 사고 전류가 유입되면, 선로상에 위치한 구동 접점을 개방시키고 트립 신호를 전송하는 스위칭부와, 스위칭부와 직렬 접속되고, 트립 신호가 전송되면, 턴 오프하여 사고 전류의 유입을 제한하는 반도체 스위칭부와, 스위칭부 및 반도체 스위칭부에 병렬 접속되고, 스위칭부 및 반도체 스위칭부에서 우회된 사고 전류를 차단하는 차단부를 포함하는 하이브리드 한류기로 사고 전류의 발생을 감지하는 알고리즘과 사고 전류를 제한하는 알고리즘을 동시에 적용함으로써 보다 신속하게 고장을 검출하여 사고 전류를 제한할 수 있다.

Description

하이브리드 한류기{Hybrid fault current limiter}
본 발명은 하이브리드 한류기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력 계통에서 발생하는 사고 전류를 감지하여 제한하는 하이브리드 한류기에 관한 것이다.
일반적으로 한류기란 사고 전류가 발생하면, 이를 감지하여 수초 이내에 정상 전류로 제한하는 수단으로서, 일정 전류 값까지는 통전 전류에 대한 저항이 거의 없다가 일정 전류 값 이상에서는 저항이 급격하게 상승하여 통전 전류를 제한하는 초전도체를 한류 소자로서 활용하고 있다.
그러나, 초전도체에 발생된 저항에 의해 한류기에는 다량의 에너지가 집중하게 되므로 초전도체를 운전하는 계통의 전압이 클수록 초전도체에 유입되는 에너지는 커지게 된다.
따라서, 초전도체의 에너지 부담을 줄이기 위해 초전도체의 제작 시 많은 양의 초전도체를 사용해야 하나, 초전도체의 가격이 고가이고 다량의 초전도체를 사용할 경우, 부피가 증가하기 때문에 설치 비용이나 초전도체의 냉각 비용이 증가하는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 적은 양의 초전도체와 기존의 차단 기술을 이용한 하이브리드 한류기가 제안되었으나, 적은 양의 초전도체를 사용하더라도 설치 및 냉각 비용이 발생하기 때문에 제조 비용을 절감하기는 어려웠고, 초전도체를 사용함에 따라 한류기의 동작에 크게 영향을 받을 수 있기 때문에 신뢰성이 감소되는 문제가 있었다.
본 발명의 사상은 초전도체를 사용하지 않고도 고속으로 사고 전류를 제한할 수 있는 하이브리드 한류기를 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기는 전력 계통에 사고 전류가 유입되면, 선로상에 위치한 구동 접점을 개방시키고 트립 신호를 전송하는 스위칭부와, 스위칭부와 직렬 접속되고, 트립 신호가 전송되면, 턴 오프하여 사고 전류의 유입을 제한하는 반도체 스위칭부와, 스위칭부 및 반도체 스위칭부에 병렬 접속되고, 스위칭부 및 반도체 스위칭부에서 우회된 사고 전류를 차단하는 차단부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기는 스위칭부 및 반도체 스위칭부에 병렬 접속되고, 사고 전류를 분류 경로를 제공하는 분담부를 더 포함한다.
여기서, 분담부는 사고 전류를 기설정된 용량만큼 흡수한다.
그리고, 전력 계통에 사고가 발생하여 사고 전류가 유입되면, 개방 트립 신호를 발생하여 전송하는 사고감지부를 더 포함하고, 스위칭부는 개방 트립 신호가 전달되면, 구동 접점을 개방시킨다.
한편, 스위칭부는 사고감지부에서 개방 트립 신호가 전달되면, 턴 온 동작하는 스위칭 소자와, 스위칭 소자의 턴 온 동작에 따라 자장을 발생시키는 구동 코일과, 구동 코일에서 발생된 자장에 의해 구동 코일에서 멀어지는 방향으로 이동하는 전자기 반발판과, 구동 접점이 개방되면, 트립 신호를 발생하여 반도체 스위칭부로 전송하는 제어기를 포함한다.
또한, 스위칭부는 스위칭 소자가 턴 온 동작하면, 전원 전류를 구동 코일로 전달하는 전원 공급 수단을 포함한다.
그리고, 구동 접점은 사고감지부 및 반도체 스위칭부 사이의 선로상에 직렬 접속되고, 전자기 반발판과 연결되어 전자기 반발판의 이동에 따라 선로가 통전되거나 통전 차단되도록 폐쇄 또는 개방 동작한다.
게다가, 스위칭 소자는 정상 상태에서는 턴 오프 동작한다.
또, 반도체 스위칭부는 정상 상태에서는 턴 온 동작한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기에 따르면, 초전도체를 사용하지 않기 때문에 초전도의 특성을 유지하기 위한 냉각 비용 및 유지 보수 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 사고 전류의 발생을 감지하는 알고리즘과 사고 전류를 제한하는 알고리즘을 동시에 적용함으로써 보다 신속하게 고장을 검출하여 사고 전류를 제한할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 사고 전류를 제한하는 동작이 사고 발생 후 1/4 주기 이내에 완료되기 때문에 고속으로 한류할 수 있는 장점이 있다.
게다가, 스위칭부 및 반도체 스위칭부의 조합 동작을 통해 한 소자에 전압이 집중되는 스트레스를 제거할 수 있다.
덧붙여, 분담부는 반도체 스위칭부의 턴 오프 동작이 완료될 때까지 저 임피던스를 발생하여 반도체 스위칭부를 고전압으로부터 보호하며, 반도체 스위칭부의 턴 오프 동작이 완료된 이후에는 구동 접점이 전전압을 모두 부담하기 때문에 반도체 스위칭부를 고전압으로부터 보호한다.
또한, 고전압으로부터 반도체 스위칭부를 보호하여 반도체 스위칭부의 수량을 줄일 수 있기 때문에 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 하이브리드 한류기의 실험 결과 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기의 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드 한류기(1)는 사고감지부(10), 스위칭부(20), 반도체 스위칭부(30), 분담부(40) 및 차단부(50)를 포함하여 구성된다.
그리고, 하이브리드 한류기(1)는 사고감지부(10), 스위칭부(20) 및 반도체 스위칭부(30)가 직렬로 접속된 주회로(Lm)와, 상기 주회로(Lm)와 병렬로 각각 접속된 분담부(40) 및 차단부(50)를 포함하는 제1 및 제2 보조회로(Ls1, Ls2)로 구성된다.
사고감지부(10)는 전력 계통에 사고가 발생하여 사고 전류가 유입되면, 개방 트립 신호를 발생하여 스위칭부(20)로 전송한다.
보다 구체적으로 설명하면, 사고감지부(10)는 전력 계통에 흐르는 전류 값(전류의 크기)을 감지하여 감지된 전류 값과 미리 설정된 기준 값을 비교한다. 그리고, 감지된 전류 값이 기준 값보다 크면, 사고감지부(10)는 전력 계통에 사고가 발생한 것으로 판단하여 개방 트립 신호를 발생시키고, 이를 스위칭부(20)로 전송한다.
스위칭부(20)는 스위칭 소자(21), 전원 공급 수단(22), 구동 코일(23), 전자기 반발판(24), 구동 접점(25) 및 제어기(26)를 포함한다.
스위칭 소자(21)는 정상 상태에서는 턴 오프(turn off) 동작하여 제3 보조회로(Ls3)상에서 전류가 흐르는 것을 차단시키다가 사고감지부(10)에서 개방 트립 신호가 전달되면, 턴 온(turn on) 동작하여 제3 보조회로(Ls3)에서 전류가 흐르게 한다.
전원 공급 수단(22)은 스위칭 소자(21)가 턴 온 동작하면, 전원 전류를 구동 코일(23)로 전달하는 수단으로서, 적어도 하나의 커패시터(capacitor)로 구성될 수 있다.
상기 커패시터(22)는 스위칭 소자(21)의 턴 온 동작에 따라 충전되어 있던 전원 전류를 방전하여 구동 코일(23)로 전달한다.
이처럼, 스위칭 소자(21)가 턴 온 동작하면, 스위칭 소자(21), 전원 공급 수단(22) 및 구동 코일(23)은 폐회로를 형성하여 전류가 제3 보조회로(Ls3)를 흐르게 된다.
구동 코일(23)은 전원 공급 수단(22)으로부터 전원 전류가 공급되면, 자장을 발생시키고, 자장은 전자기 반발판(24)에 반발력을 발생시킨다.
전자기 반발판(24)은 구동 코일(23)과 마주하는 방향에 위치하고, 구동 코일(23)에서 발생된 자장에 의해 와전류가 인가되면, 구동 코일(23)에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
여기서, 전자기 반발판(24)은 반자성 성분의 와전류가 유도되기 쉽도록 무게가 가볍고 전기 전도도가 좋은 금속재로 이루어진다.
구동 접점(25)은 사고감지부(10) 및 반도체 스위칭부(30) 사이에 있는 주회로(Lm)상에 직렬 접속되고, 전자기 반발판(24)과 기계적으로 연결되어 있다. 따라서, 구동 접점(25)은 전자기 반발판(24)이 구동 코일(23)에서 멀어지는 방향으로 이동하면, 주회로(Lm)상에서 흐르는 전류가 차단되도록 개방(open) 동작한다.
이와 반대로, 구동 코일(23)에 자장이 발생되지 않으면, 전자기 반발판(24)은 원래의 자리(구동 코일(23)과 마주하는 방향)로 복귀하고, 전자기 반발판(24)의 이동에 따라 구동 접점(25)은 폐쇄(close)되어 주회로(Lm)상에서는 전류가 흐르게 된다.
제어기(26)는 스위칭부(20)를 전반적으로 제어하는 마이컴으로서, 구동 접점(25)의 개방 여부를 검출하여 구동 접점(25)이 개방된 것으로 판단되면, 트립 신호를 발생하여 반도체 스위칭부(30)로 전송한다.
반도체 스위칭부(30)는 주회로(Lm)상에서 스위칭부(20)와 직렬 접속되고, 정상 상태에는 턴 온 동작을 유지하고 있다가 스위칭부(20)의 제어기(26)로부터 트립 신호가 전송되면, 턴 오프 동작하여 주회로(Lm)상에 흐르는 사고 전류를 차단한다.이러한 반도체 스위칭부(30)는 IGBT, GTO, IGCT 및 사이리스터(Thyristor) 등으로 이루어진다.
보다 상세하게 설명하면, 전력 계통에 사고가 발생하여 사고가 유입되면, 스위칭부(20)의 차단 동작에 의해 구동 접점(25)이 개방되고, 이와 동시에 트립 신호가 반도체 스위칭부(30)로 전송된다.
그리고, 구동 접점(25)이 개방되는 순간에 구동 접점(25)의 양단에는 아크 전류가 발생하는데, 이때 반도체 스위칭부(30)를 턴 오프 동작시켜 구동 접점(25)의 양단에 흐르던 아크 전류를 고속으로 차단시킨다.
구동 접점(25)이 닫혀 있다가 떨어지게 되면서 두 접점 사이에 아크 저항이 발생하게 되는데, 이 아크 저항에 의해 끊어지지 못하고 계속 흐르게 되는 전류를 아크 전류라고 한다.
이러한 아크 전류는 구동 접점(25)이 개방되더라도 전류가 0의 값을 통과하지 못하면 주회로(Lm)상의 선로가 완전히 개방되지 못하고 구동 접점(25)에 아크 전류가 흐르게 된다.
따라서, 하이브리드 한류기(1)는 반도체 스위칭부(30)를 턴 오프 동작시켜 전류를 0의 값으로 만들어 주기 때문에 구동 접점(25) 양단에 흐르는 아크 전류를 조기에 차단하여 사고 전류를 고속으로 차단할 수 있다.
분담부(40)는 스위칭부(20) 및 반도체 스위칭부(30)로 구성된 직렬 회로와 병렬 접속되어 사고 전류의 분류 경로를 제공하는 수단으로서, 콘덴서, 저항 등으로 이루어진다.
보다 상세하게 설명하면, 분담부(40)는 스위칭부(20) 및 반도체 스위칭부(30)의 차단 동작에 의해 사고 전류가 분담부(40)로 우회되면, 기 설정된 용량에 한해 사고 전류를 흡수하여 사고 전류의 크기를 차단한다.
즉, 분담부(40)는 반도체 스위칭부(30)의 턴 오프 동작이 완료될 때까지 저 임피던스를 발생하여 반도체 스위칭부(30)를 고전압으로부터 보호한다.
차단부(50)는 스위칭부(20) 및 고속 스위칭부(30)와 병렬 접속되고, 스위칭부(20) 및 고속 스위칭부(30)의 차단 동작으로 인해 우회된 사고 전류를 한류하기 위해 전력용 퓨즈, 저항, 리액터, 반도체 소자 등과 같이 사고 전류의 유입을 제한할 수 있도록 임피던스를 가지는 소자로 구성된다.
다시 말해, 분담부(40)에서 기 설정된 용량까지 사고 전류를 흡수하여 더 이상 사고 전류를 흡수하지 못하면, 사고 전류는 차단부(50)로 우회하게 되고, 차단부(50)의 차단 동작에 의해 사고 전류의 유입을 제한한다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 하이브리드 한류기의 동작 과정을 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 하이브리드 한류기의 실험 결과 그래프를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 한류기(1)가 정상 상태에서 동작할 때, 반도체 스위칭부(30)는 턴 온 동작하며, 전류는 스위칭부(20)의 폐쇄된 구동 접점(25) 및 반도체 스위칭부(30)가 접속된 주회로(Lm)를 통과하여 안정적인 상태를 유지한다.
그러나, 사고 전류가 유입되면, 사고감지부(10)에서는 사고의 발생을 감지하여 개방 트립 신호를 스위칭부(20)로 전달하고, 스위칭부(20)의 스위칭 소자(21)는 턴 온 동작한다.
스위칭 소자(21)의 턴 온 동작에 의해 구동 코일(23)에서는 전자기력을 발생시켜 전자기 반발판(24)을 구동 코일(23)에서 멀어지는 방향으로 이동시키고, 전자기 반발판(24)과 기계적으로 함께 연결된 구동 접점(25)도 개방 동작한다.
이러한 동작에 의해 구동 접점(25)이 개방(도 2의 2a는 구동 접점이 개방되었을 때의 전압임)되면, 주회로(Lm)에서 통전되던 사고 전류는 차단되고, 주회로(Lm)를 흐르던 사고 전류는 분담부(40) 및 차단부(50)로 우회되어 1차적으로 사고 전류를 차단한다.
한편, 구동 접점(25)이 개방(도 2의 2a)되는 순간에 구동 접점(25)의 양단에는 아크 전류가 발생하는데, 이때 고속 스위칭부(30)를 턴 오프 동작(도 2의 2b는 반도체 스위칭부(30)가 고속 스위칭 동작할 때의 전류로서, 고속 스위칭 동작에 의해 전류는 0의 값으로 급격히 떨어짐)시켜 구동 접점(25) 양단에 흐르는 아크 전류를 고속으로 제거함으로써 최종적으로 사고 전류의 크기를 제한한다.
그리고, 반도체 스위칭부(30)에서 고속으로 턴 오프 동작할 때, 반도체 스위칭부(30)는 높은 스위칭 주파수를 발생하기 때문에 분담부(40)의 임피던스는 급격하게 저감되어 사고 전류가 분담부(40)로 우회하도록 하고(이때, 분담부(40)에서는 사고 전류를 흡수함), 이와 같은 동작의 결과로 반도체 스위칭부(30)는 고속 스위칭 시(도 2의 2b)에 고전압에 노출되지 않게 된다(도 2의 2c는 반도체 스위칭부(30)의 양단에 걸리는 전압으로서, 반도체 스위칭부(30)의 고속 스위칭 동작 후, 고전압에 노출되지 않게 됨).
또한, 반도체 스위칭부(30)의 턴 오프 동작이 완료된 후(도 2의 2d), 즉, 주회로(Lm)상에 흐르던 사고 전류를 완전히 차단한 이후에 발생되는 전전압은 구동 접점(25)에 걸리므로(도 2의 2e는 구동 접점에 걸리는 전압으로서 시간이 지남에 따라 증가함) 반도체 스위칭부(30)의 턴 오프 동작이 완료된 이후에도 반도체 스위칭부(30)는 고전압에 노출되지 않게 된다.
여기서, 전전압이 구동 접점(25)에만 걸리는 이유는 구동 접점(25)과 반도체 스위칭부(30)가 모두 개방되었다 하더라도 구동 접점(25)의 저항 성분이 반도체 스위칭부(30)의 저항 성분보다 상대적으로 크기 때문에 구동 접점(25)에 모든 전압이 걸리게 된다.
이후, 분담부(40)에서 사고 전류를 어느 정도 흡수하면, 분담부(40)의 임피던스가 증가하게 되고, 임피던스의 증가로 인해 사고 전류는 차단부(50)로 통전하게 되어 차단부(50)에서 사고 전류를 제한하게 된다.
1...하이브리드 한류기 10...사고감지부
20...스위칭부 21...스위칭 소자
22...전원공급수단 23...구동 코일
24...전자기 반발판 25...구동 접점
30...반도체 스위칭부 40...분담부
50...차단부

Claims (9)

  1. 전력 계통에 사고 전류가 유입되면, 선로상에 위치한 구동 접점을 개방시키고 트립 신호를 전송하는 스위칭부;
    상기 스위칭부와 직렬 접속되고, 상기 트립 신호가 전송되면, 턴 오프하여 상기 사고 전류의 유입을 제한하는 반도체 스위칭부;
    상기 스위칭부 및 상기 반도체 스위칭부에 병렬 접속되고, 상기 스위칭부 및 상기 반도체 스위칭부에서 우회된 상기 사고 전류를 차단하는 차단부를 포함하는 하이브리드 한류기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부 및 상기 반도체 스위칭부와 병렬 접속되고,
    상기 사고 전류의 분류 경로를 제공하는 분담부를 더 포함하는 하이브리드 한류기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 계통에 사고가 발생하여 사고 전류가 유입되면, 개방 트립 신호를 발생하여 전송하는 사고감지부를 더 포함하고,
    상기 스위칭부는 상기 개방 트립 신호가 전달되면, 상기 구동 접점을 개방시키는 하이브리드 한류기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 분담부는,
    상기 사고 전류를 기설정된 용량만큼 흡수하는 하이브리드 한류기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 사고감지부에서 상기 개방 트립 신호가 전달되면, 턴 온 동작하는 스위칭 소자;
    상기 스위칭 소자의 턴 온 동작에 따라 자장을 발생시키는 구동 코일;
    상기 구동 코일에서 발생된 자장에 의해 상기 구동 코일에서 멀어지는 방향으로 이동하는 전자기 반발판;
    상기 구동 접점이 개방되면, 트립 신호를 발생하여 상기 반도체 스위칭부로 전송하는 제어기를 포함하는 하이브리드 한류기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 스위칭 소자가 턴 온 동작하면, 전원 전류를 상기 구동 코일로 전달하는 전원 공급 수단을 포함하는 하이브리드 한류기.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 구동 접점은,
    상기 사고감지부 및 상기 반도체 스위칭부 사이의 선로상에 직렬 접속되고, 상기 전자기 반발판과 연결되어 상기 전자기 반발판의 이동에 따라 상기 선로가 통전되거나 통전 차단되도록 폐쇄 또는 개방 동작하는 하이브리드 한류기.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
    정상 상태에서는 턴 오프 동작하는 하이브리드 한류기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 스위칭부는,
    정상 상태에서는 턴 온 동작하는 하이브리드 한류기.
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