KR101402746B1 - 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기 - Google Patents

접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기는, 일 단이 입력단과 연결되고, 코어에 권선되는 1차측 권선과, 일 단이 상기 입력단 및 상기 1차측 권선의 일 단과 연결되며, 상기 코어에 권선되는 2차측 권선과, 일 단이 상기 2차측 권선의 타 단과 연결되는 초전도체와, 일 단이 상기 초전도체의 타 단에 연결되고, 타 단이 상기 1차측 권선의 타 단 및 출력단에 연결되며, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 턴온 또는 턴오프되는 접점 스위치를 포함한다.
이에 따라, 초전도 한류기에 고장전류가 유입되는 경우, 접점 스위치를 이용하여 초전도체를 고장전류로부터 격리시켜 성능 열화를 방지할 수 있다.

Description

접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기{SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER HAVING CONTACT SWITCH AND USING MAGNETIC COUPLING}
본 발명은 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고장전류시 초전도체를 보호할 수 있는 기술이 개시된다.
초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)는 저항이 거의 없는 초전도체를 이용한 전력 기기로, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고 시 발생하는 고장전류(fault current)를 제한하여 전력 계통상의 기기를 보호하는 장치를 의미한다. 기존의 보호 차단기의 문제들을 해결하는 신개념의 보호 기기로, 수 밀리초 이내에 사고 전류를 제한함으로써 차단기의 용량 증대 효과와 선로 증설 감축, 전력 기기 기준 완화 등을 가능케 하여 전력 계통의 유연성, 안정도, 신뢰도를 획기적으로 개선할 수 있게 됨으로써 초전도 한류기에 대한 연구가 증가하고 있는 실정이다.
기존의 초전도 한류기 기술 중 병렬 또는 직렬 연결된 두 코일의 자기결합을 이용한 초전도 한류기가 제안되어 연구되고 있다. 도 1은 종래의 자기결합 초전도 한류기의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 자기결합 초전도 한류기(100)는 코어(110)에 1차측 권선(120) 및 2차측 권선(130)이 권선되고, 2차측 권선(130)은 초전도체(140)와 직렬로 연결된다. 또한, 직렬로 연결된 2차측 권선(130) 및 초전도체(140)는 1차측 권선(120)의 양 단과 병렬로 연결되는 구조를 가지게 된다.
입력단을 통해 정상전류가 유입되는 경우에는 1차측 권선(120) 및 2차측 권선(130)에 흐르는 전류(i1, i2)에 의해 발생되는 자속이 서로 상쇄되어, 전압이 유기되지 않는다. 그러나, 입력단을 통해 고장전류가 유입되는 경우에는 초전도체(140)가 quench되어 저항 성분이 증가하게 되며, 이로 인해 1차측 권선(120) 및 2차측 권선(130)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속이 서로 상쇄되지 않으며, 결국 1차측 권선(120) 및 2차측 권선(130)에 전압이 유기되어 초전도 한류기(100) 전체의 임피던스가 발생하게 된다. 따라서, 입력단을 통해 유입된 고장전류는 제한되어 출력단에 연결된 부하로 전달된다.
그러나, 종래의 자기결합을 이용한 초전도 한류기(100)는 입력단을 통해 고장전류가 유입되는 경우 임피던스가 증가하여 고장전류를 제한할 수는 있으나, 고장전류가 유입되는 동안 초전도체(140)는 계속적으로 고장전류에 노출되어 초전도체의 성능 열화를 가져올 수 있다. 또한, 1차측 권선(120)과 2차측 권선(130)의 결합 계수가 낮은 경우에는 누설 인덕턴스에 의한 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허 제10-0959661호(2010. 05. 17)에 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는, 초전도 한류기에 고장전류가 유입되는 경우, 접점 스위치를 이용하여 초전도체를 고장전류로부터 격리시켜 성능 열화를 방지하는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기를 제공하기 위함이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기는, 일 단이 입력단과 연결되고, 코어에 권선되는 1차측 권선과, 일 단이 상기 입력단 및 상기 1차측 권선의 일 단과 연결되며, 상기 코어에 권선되는 2차측 권선과, 일 단이 상기 2차측 권선의 타 단과 연결되는 초전도체와, 일 단이 상기 초전도체의 타 단에 연결되고, 타 단이 상기 1차측 권선의 타 단 및 출력단에 연결되며, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 턴온 또는 턴오프되는 접점 스위치를 포함한다.
또한, 상기 접점 스위치는, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 경우 턴온되고, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 턴오프될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기는, 일 단이 입력단과 연결되고, 코어에 권선되는 1차측 권선과, 일 단이 상기 입력단 및 상기 1차측 권선의 일 단과 연결되며, 상기 코어에 권선되는 2차측 권선과, 일 단이 상기 2차측 권선의 타 단과 연결되는 초전도체와, 일 단이 상기 1차측 권선의 타 단과 연결되는 저항과, 일 단이 상기 저항의 타 단과 연결되고, 타 단이 상기 2차측 권선의 타 단 및 상기 초전도체의 일 단과 연결되는 제1 접점 스위치와, 일 단이 상기 1차측 권선의 타 단, 상기 저항의 일 단 및 출력단과 연결되고, 타 단이 상기 초전도체의 타 단과 연결되는 제2 접점 스위치를 포함하며, 상기 제1 접점 스위치와 상기 제2 접점 스위치는 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 상반적으로 연동되어 턴온 또는 턴오프된다.
또한, 상기 제1 접점 스위치는, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 경우 턴오프되고, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 턴온될 수 있다.
또한, 상기 제2 접점 스위치는, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 경우 턴온되고, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 턴오프될 수 있다.
또한, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선은 상기 초전도체와 동일한 성분으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선은, 상기 코어에 가극 권선 또는 감극 권선 형태로 권선될 수 있다.
이에 따라, 초전도 한류기에 고장전류가 유입되는 경우, 접점 스위치를 이용하여 초전도체를 고장전류로부터 격리시켜 성능 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 자기결합 초전도 한류기의 회로도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 사시도,
도 3은 도 2에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 등가 회로도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 등가 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기(200)는 코어(210), 1차측 권선(220), 2차측 권선(230), 초전도체(240) 및 접점 스위치(250)를 포함한다.
1차측 권선(220)은 코어(210)에 권선되며, 일 단이 입력단과 연결되고 타 단이 접점 스위치(250)의 타 단 및 출력단과 연결된다. 이 경우, 코어(210)는 자성체 물질로써, E형 코어, I형 코어 또는 이들을 결합한 코일일 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 원형의 토로이덜(toroidal) 코어를 사용할 수도 있다. 1차측 권선(220)은 코어(210)에 솔레노이드 권선 방식 또는 트로이덜 권선 방식으로 권선될 수 있다. 또한, 1차측 권선(220)의 일 단과 연결되는 입력단은 계통전원과 연결될 수 있으며, 타 단과 연결되는 출력단은 부하와 연결될 수 있다.
2차측 권선(230)은 1차측 권선(220)이 권선되는 코어(210)에 권선되며, 일 단이 입력단 및 1차측 권선(220)의 일 단과 연결되며, 타 단이 초전도체(240)의 일 단과 연결된다. 예를 들어, I형 코어에 2차측 권선(230)이 형성되는 경우 1차측 권선(220)이 형성된 영역과 이격되어 형성될 수 있으며, 또는 1차측 권선(220)이 형성된 영역에 1차측 권선(220)을 둘러싸면서 2차측 권선(230)이 형성되는 것도 가능하다.
이 경우, 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)은 기 설정된 권선비(turn ratio)에 의해 권선되는 횟수가 달리 설정될 수 있다. 또한, 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)은 초전도체(240)와 동일한 성분으로 구성될 수 있다. 또한, 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)은 코어(110)에 가극(+) 권선 또는 감극(-) 권선 형태로 권선될 수 있다.
초전도체(240)는 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0[Ω]에 가까워지는 초전도현상이 나타나는 도체로서, 예를 들어 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등의 홑원소물질의 금속원소, 나이오븀과 저마늄의 합금인 나이오븀게르마늄(Nb3Ge), 네오디뮴(Nd), 란타넘(La) 등의 원소를 포함하는 금속화합물 또는 특수한 자기물질(세라믹스) 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 또한, 초전도체(240)는 일 단이 2차측 권선(230)의 타 단과 연결되며, 타 단이 접점 스위치(250)의 일 단과 연결된다.
접점 스위치(250)는 일 단이 초전도체(240)의 타 단에 연결되고, 타 단이 1차측 권선(220)의 타 단 및 출력단에 연결된다. 보다 구체적으로, 접점 스위치(250)는 전자기력에 의해 기계적으로 접촉 또는 분리되는 제1 접점(251) 및 제2 접점(252)으로 구성되며, 제1 접점(251)은 초전도체(240)의 타 단과 연결되며, 제2 접점(252)은 1차측 권선(220)의 타 단 및 출력단과 연결된다. 이 경우, 제1 접점(251) 또는 제2 접점(252) 중 어느 하는 고정 접점으로, 다른 하나는 가동 접점으로 동작할 수 있다.
또한, 접점 스위치(250)는 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 턴온 또는 턴오프된다. 입력단으로부터 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 정상전류가 유입되는 경우에는, 코어(210)에 권선된 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)에 의해 발생하는 자속이 상쇄되어 초전도체(240)의 저항은 0에 가까운 상태가 되며, 접점 스위치(250)는 제1 접점(251)과 제2 접점(252)이 접촉되어 턴온 상태가 된다.
그러나, 입력단으로부터 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 고장전류가 유입되는 경우에는, 코어(210)에 권선된 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)에 유입되는 전류가 증가하고, 초전도체(240)에 흐르는 전류 또한 커져 초전도체(240)의 임계치를 초과하게 되므로 quench 현상으로 인해 저항이 발생하게 된다. 이 경우, 1차측 권선(220) 및 2차측 권선(230)에서 발생되는 자속이 상쇄되지 못하고, 그에 따라 발생되는 전자기력에 의해 제1 접점(251) 및 제2 접점(252)은 분리되게 된다. 이는 고장전류 유입시 초전도체(240)를 보호하기 위해 접점 스위치(250)에서 초전도체(240)에 유입되는 전류성분을 차단하기 위함이다. 이 경우, 접점 스위치(250)를 사용함으로써 신속하게 전류성분을 차단할 수 있다.
도 3은 도 2에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 등가 회로도이다.
도 3을 참조하면, 초전도 한류기(300)는 서로 직렬로 연결된 2차측 권선(330) 및 초전도체(340)가 1차측 권선(320)에 병렬로 연결된다. 입력단으로부터 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 정상전류가 유입되는 경우에는, 입력 전류가 1차측 권선(320)과 2차측 권선(330)에 기 설정된 권선비에 따라 배분되고, 이때 발생되는 자속은 서로 상쇄되므로 접점 스위치(350)는 턴온 상태가 되며, 초전도체(340)는 저항 성분이 0[Ω]이 된다.
그러나, 입력단으로부터 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 고장전류가 유입되는 경우에는 초전도체(340)의 저항 성분이 급격히 증가하게 되어, 1차측 권선(320) 및 2차측 권선(330)에 의해 발생되는 자속은 서로 상쇄되지 못하고, 그에 따른 전자기력에 의해 접점 스위치(350)는 턴오프 상태가 된다. 따라서, 초전도체(340)에는 더 이상 전류가 흐르지 않게 되어 초전도체(340)를 보호할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 등가 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기(400)는, 1차측 권선(420), 2차측 권선(430), 초전도체(440), 저항(450), 제1 접점 스위치(460), 제2 접점 스위치(470)를 포함한다. 이 경우, 1차측 권선(420), 2차측 권선(430), 초전도체(440)의 기능 및 연결관계는 도 2 내지 도 3의 초전도 한류기(200, 300)와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
저항(450)은 일종의 도선 저항이며, 일 단이 1차측 권선(420)의 타 단과 연결되며 타 단이 제1 접점 스위치(460)의 일 단과 연결된다.
제1 접점 스위치(460)는 기계적 접점으로 구성된 접점 스위치로서, 일 단이 저항(450)의 타 단과 연결되고, 타 단이 2차측 권선(430)의 타 단 및 초전도체(440)의 일 단과 연결된다.
제2 접점 스위치(470)는 제1 접점 스위치(460)와 동종의 접점 스위치로서, 일 단이 1차측 권선(420)의 타 단, 저항(450)의 일 단 및 출력단과 연결되고, 타 단이 초전도체(440)의 타 단과 연결된다.
이 경우, 제1 접점 스위치(460)와 제2 접점 스위치(470)는 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 상반적으로 연동되어 턴온 또는 턴오프된다. 구체적으로, 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 정상전류의 경우, 제1 접점 스위치(460)는 턴오프되고, 제2 접점 스위치(470)는 턴온된다. 따라서, 전류의 흐름은 [입력단]-[1차측 권선(420)]-[출력단] 및 [입력단]-[2차측 권선(430)]-[초전도체(440)]-[제2 접점 스위치(470)]-[출력단]으로 형성되는 전류이동경로(①)를 가지게 된다.
한편, 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 고장전류인 경우, 제1 접점 스위치(460)는 턴온되고, 제2 접점 스위치(470)는 턴오프된다. 이는 고장전류에 의해 초전도체(440)가 quench되어 저항 성분이 급격히 증가하고, 1차측 권선(420) 및 2차측 권선(430)에서 자속이 상쇄되지 못해 발생하는 전자기력에 의해 오프 상태의 제1 접점 스위치(460)가 턴온되고, 이에 상반되는 동작을 하는 제2 접점 스위치(470)는 온 상태에서 턴오프된다. 따라서, 전류의 흐름은 [입력단]-[1차측 권선(420)]-[출력단] 및 [입력단]-[2차측 권선(430)]-[제1 접점 스위치(460)]-[저항(450)]-[출력단]으로 형성되는 전류이동경로(②)를 가지게 된다. 따라서, 계통전원에서 고장전류가 발생하는 동안에도 초전도체(440)에 고장전류가 인가되지 않으므로 초전도체(440)를 보호할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 한류기에 고장전류가 유입되는 경우, 접점 스위치를 이용하여 초전도체를 고장전류로부터 격리시켜 성능 열화를 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
100, 200, 300 : 초전도 한류기
110, 210 : 코어
120, 220, 320 : 1차측 권선
130, 230, 330 : 2차측 권선
140, 240, 340 : 초전도체
250, 350 : 접점 스위치
251 : 제1 접점
252 : 제2 접점
400 : 초전도 한류기
420 : 1차측 권선
430 : 2차측 권선
440 : 초전도체
450 : 저항
460 : 제1 접점 스위치
470 : 제2 접점 스위치

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 일 단이 입력단과 연결되고, 코어에 권선되는 1차측 권선;
    일 단이 상기 입력단 및 상기 1차측 권선의 일 단과 연결되며, 상기 코어에 권선되는 2차측 권선;
    일 단이 상기 2차측 권선의 타 단과 연결되는 초전도체;
    일 단이 상기 1차측 권선의 타 단과 연결되는 저항;
    일 단이 상기 저항의 타 단과 연결되고, 타 단이 상기 2차측 권선의 타 단 및 상기 초전도체의 일 단과 연결되는 제1 접점 스위치; 및
    일 단이 상기 1차측 권선의 타 단, 상기 저항의 일 단 및 출력단과 연결되고, 타 단이 상기 초전도체의 타 단과 연결되는 제2 접점 스위치를 포함하며,
    상기 제1 접점 스위치와 상기 제2 접점 스위치는 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기에 따라 상반적으로 연동되어 턴온 또는 턴오프되며,
    상기 제1 접점 스위치는,
    상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 경우 턴오프되고, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 턴온되고,
    상기 제2 접점 스위치는,
    상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 경우 턴온되고, 상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 턴오프되는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치 이하인 정상전류의 경우, 상기 입력단, 상기 1차측 권선 및 상기 출력단을 포함하는 전류이동경로와 상기 입력단 상기 2차측 권선, 상기 초전도체, 상기 제2 접점 스위치 및 상기 출력단을 포함하는 전류이동경로를 형성하는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 입력단으로부터 유입되는 전류의 크기가 기 설정된 임계치를 초과하는 고장전류인 경우, 상기 입력단, 상기 1차측 권선 및 출력단을 포함하는 전류이동경로와 상기 입력단 상기 2차측 권선, 상기 제1 접점 스위치, 상기 저항 및 상기 출력단을 포함하는 전류이동경로를 형성하는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선은 상기 초전도체와 동일한 성분으로 구성되는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선은,
    상기 코어에 가극 권선 또는 감극 권선 형태로 권선되는 접점 스위치를 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기.
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트리거형 초전도한류기의 접점구성에 따른 전류제한 및 회복특성 분석, 조명 전기설비학회논문지 논문, 제24권 제9호, 페이지159-164 (2010년 9월) *
트리거형 초전도한류기의 접점구성에 따른 전류제한 및 회복특성 분석, 조명 전기설비학회논문지 논문, 제24권 제9호, 페이지159-164 (2010년 9월)*

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