KR101569195B1 - 자계를 이용한 직류차단기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메인스위치에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시켜 아크전류에 대한 저항을 증가시키고 DC 선로로부터 환류전류를 계속 공급하여 자속을 더 증가시켜 아크전류에 대한 저항을 계속 커지도록 하여 아크를 소호하도록 하는 자계를 이용한 직류차단기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자계를 이용한 직류차단기는, 직류(DC)선로에 설치되는 메인스위치; 상기 메인스위치의 개방시에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시키도록 권선된 코일; 상기 코일에 전류인가를 스위칭하는 반도체스위치; 상기 반도체스위치에 직렬연결되는 커패시터; 상기 메인스위치의 일측에서 공급되는 상기 선로의 전류를 상기 커패시터로 도통시키는 제1다이오드; 를 포함하고, 상기 고장발생시 상기 커패시터에 충전된 전압에 의해 상기 코일에 전류를 인가하도록 상기 반도체스위치가 턴온된다.

Description

자계를 이용한 직류차단기{DC circuit breaker using magnetic field}
본 발명은 직류(DC)차단기에 관한 것으로서, 특히 메인스위치에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시켜 아크전류에 대한 저항을 증가시키고 DC 선로로부터 환류전류를 계속 공급하여 자속을 더 증가시켜 아크전류에 대한 저항을 계속 커지도록 하여 아크를 소호하도록 하는 자계를 이용한 직류차단기에 관한 것이다.
직류(DC) 선로에서 고장전류가 발생하는 경우 이를 즉시에 차단하기 위한 직류차단기에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 특히 고전압 HVDC 시스템에서의 직류차단기는 매우 빠른 매커니즘과 전력전자를 결합하여 1000분의 5초 안에 대규모 발전소의 전력 조류를 차단할 수 있도록 한다.
이러한 직류(DC) 전류는 교류(AC) 전류와는 달리 일정한 전류가 흐르므로 부하의 단락사고 발생시 사고전류가 스스로 영점이 되지 않아 직류차단기에서 높은 아크(arc)전류를 통한 사고전류의 흐름을 제어해야 하므로 교류의 사고전류에 비하여 상대적으로 차단하기가 어려운 단점이 있다.
종래에 자계스위칭을 이용하여 차단 직전의 사고전류를 순간적으로 감소시키는 직류차단기가 개시되어 있다. 직류전류가 갖는 유도 장해가 적고 회로의 안정도가 높으며 송전시 효율이 좋은 장점에도 불구하고 아크 전류를 충분히 제어하지 못하여 직류 전류의 사고 전류를 지속적으로 허용하게 되어 대형 화재 사고로 이루어질 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에 직류차단기에 아크 소호장치를 적용한 기술이 제시되어 있다. 이는 스위치를 사이에 두고 적어도 한 쌍의 자석이 배치되어 아크전류에 대한 저항을 증가시켜 아크전류를 차단하도록 한다. 하지만, 고전압 직류차단기의 경우 높은 전류에 의한 아크전류가 발생하므로 아크전류에 대한 저항을 증가시키기 위해서는 자석의 부피가 커져야하고, 또한 저항의 크기를 증가시키는데는 한계가 있어 아크전류를 차단하는 속도가 늦다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2009-0026900호 (공개일자 : 2009.03.16) 한국등록특허 제1214007호 (등록일자 : 2012.12.13)
이에, 본 발명은 스위치에서 발생한 전계에 수직한 방향으로 인가된 자계에 의해 아크저항을 발생시키고 고장전류를 이용하여 아크저항을 계속 증가시켜 충분한 아크저항을 확보함으로써 아크를 빠르게 소호하도록 하는 자계를 이용한 직류차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자계를 이용한 직류차단기는,
직류(DC)선로에 설치되는 메인스위치; 상기 메인스위치의 개방시에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시키도록 권선된 코일; 상기 코일에 전류인가를 스위칭하는 반도체스위치; 상기 반도체스위치에 직렬연결되는 커패시터; 상기 메인스위치의 일측에서 공급되는 상기 선로의 전류를 상기 커패시터로 도통시키는 제1다이오드; 를 포함하고, 상기 직류(DC)선로의 일측 또는 타측에 고장발생 시 상기 커패시터에 충전된 전압에 의해 상기 코일에 전류를 인가하도록 상기 반도체스위치가 턴온된다.
본 발명에서, 상기 커패시터에 전압을 충전하기 위한 충전저항을 더 포함한다.
본 발명에서, 정상상태인 경우 상기 제1다이오드를 통해 상기 커패시터에 상기 DC 선로의 전류가 공급되어 상기 커패시터가 충전된다.
본 발명에서, 상기 커패시터가 충전된 상태에서 고장발생시 상기 메인스위치가 개방되고 상기 반도체스위치가 턴온(turn-on)되어 상기 커패시터의 충전전압에 의해 전류가 상기 반도체스위치를 통해 상기 코일로 공급되고 상기 코일에 공급된 전류에 의해 상기 메인스위치에 발생한 아크전류에 수직방향으로 자속을 발생시켜 상기 아크전류에 의한 저항을 증가시킨다.
본 발명에서, 상기 반도체스위치가 턴온된 상태에서 상기 DC선로의 전류가 상기 제1다이오드 및 반도체스위치를 통해 상기 코일로 환류되어 상기 아크전류에 의한 저항을 계속 증가시킨다.
본 발명에서, 상기 아크전류에 대한 저항의 증가로 상기 메인스위치로 흐르는 아크전류는 감소하고, 상기 DC선로로부터 상기 제1다이오드를 통해 상기 코일로 환류되는 전류의 크기는 더 증가하여 상기 아크전류에 대한 저항이 계속 증가한다.
본 발명에서, 상기 아크전류에 대한 저항의 증가로 상기 메인스위치에서의 아크가 소호되면 상기 반도체스위치가 턴오프(turn-off)되어 상기 코일로 전류공급을 차단하고 상기 제1다이오드를 통해 상기 DC선로의 전류가 상기 커패시터로 공급되어 상기 커패시터가 재충전된다.
본 발명에서, 상기 메인스위치의 타측에서 공급되는 상기 선로의 전류를 상기 커패시터로 도통시키는 제2다이오드를 더 포함한다.
본 발명에 따른 직류차단기의 경우 정상상태에서는 메인스위치로만 직류 전류가 흐르므로 손실이 감소된다.
또한, 본 발명에 의하면 초기 commutation 속도 증가를 위해 커패시터를 사용하고, 이러한 커패시터는 주선로에 연결함으로써 정상상태에서 충전이 가능하므로 자계발생을 위한 별도의 충전회로가 필요가 없다.
또한, 본 발명에 의하면 고장전류를 이용하여 아크저항을 계속 증가시키기 때문에 아크저항을 빠르게 증가시켜 아크를 빠르게 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 하나의 온/오프(on/off) 가능한 반도체소자를 이용하여 양방향 차단이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류차단기에서의 자계의 영향에 따른 아크저항의 증가를 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 동작을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 구성도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기는 메인스위치(110), 코일(120), 반도체스위치(130), 저항(140), 커패시터(150) 및 제1다이오드(160)를 포함하여 구성된다. 바람직하게는 비선형저항기(180)을 더 포함할 수 있다.
메인스위치(110)는 일측(A측) 또는 타측(B)을 서로 연결하는 직류(DC:direct current) 선로(10)에 설치된다. 이러한 메인스위치(110)는 기본적으로 일측(A측) 또는 타측(B)에 고장발생 시 그 고장이 발생한 회로로 고장전류가 지속적으로 흘러들어가지 않도록 하기 위해 직류(DC) 선로(10)를 차단하는 역할을 한다. 본 실시 예에서 이러한 메인스위치(110)는 예컨대 기계식 스위치로 구현될 수 있다.
이를 위해 메인스위치(110)는 정상상태에서는 닫혀(close) 있다가 고장발생 시 개방(open)된다. 이러한 메인스위치(110)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다.
코일(120)은 메인스위치(110)의 주변에 일정한 방향 및 형태로 형성되어 이러한 메인스위치(110)의 주변에 자계를 형성함으로써 일정한 방향으로 자속을 발생시키도록 한다. 이를 구체적으로 설명하면, 본 실시 예에서 코일(120)은 바람직하게는 메인스위치(110)를 감싸도록 권선되는데, 고장발생으로 메인스위치(110)의 개방시 메인스위치(110)의 양단 전극(미도시)에 발생하는 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시키도록 권선된다. 여기서 아크전류는 메인스위치(110)의 양단 전극 사이에 발생하는 아크(arc)를 통해 흐르는 전류로서 고장발생 시 고장전류가 이러한 아크를 통해 흐르게 된다. 따라서 메인스위치(110)에서 고장전류를 완전히 차단하기 위해서는 이러한 아크를 소호시켜 아크전류를 차단해야 한다. 이에 본 실시 예에서는 아크전류를 완전히 차단하기 위하여 메인스위치(110)에 발생하는 아크전류 방향에 수직방향으로 자속을 발생시키도록 코일(120)을 구비한다. 이로써 코일(120)에 전류가 인가되면 아크전류에 수직방향으로 자속이 발생된다. 이러한 자속은 아크(arc)의 길이가 수직방향으로 길어지도록 하여 아크전류에 대한 저항이 커지도록 한다. 코일(120)에 인가되는 전류가 커질수록 아크전류에 대한 저항은 커지게 된다. 이와 같이 본 실시 예에서는 아크전류에 대한 저항을 커지게 하여 아크를 소호시키도록 한다.
반도체스위치(130)는 코일(120)에 연결되어 코일(120)로의 전류흐름을 스위칭한다. 즉, 반도체스위치(130)의 턴온/턴오프(turn-on/turn-off) 스위칭동작에 의해 코일(120)로 전류가 공급되거나 차단된다. 구체적으로, 메인스위치(110)의 개방시에 턴온(turn-on)되어 후술하는 커패시터(150)에 충전된 전압에 의해 코일(120)로 전류가 공급되도록 하고, 또한, DC 선로(10)의 전류도 코일(120)로 공급되도록 한다. 메인스위치(110)에 발생된 아크가 소호되면 턴오프(turn-off)되어 코일(120)로의 전류공급을 차단한다.
반도체스위치(130)에 직렬로 저항(140) 및 커패시터(150)가 연결된다. 이러한 커패시터(150)는 일정 조건에 따라 전압을 충전하거나 그 충전된 전압에 의해 코일(120)로 전류를 공급한다. 저항(140)은 DC 선로(10)에서 제공되는 직류전류에 의해 커패시터(150)에 전압을 충전하기 위해 사용된다.
제1다이오드(160)는 메인스위치(110)의 일측(A측)에서 공급되는 DC 선로(10)의 전류를 커패시터(150)로 도통시키는 역할을 한다. 또한, 제1다이오드(160)은 메인스위치(110)의 개방시 반도체스위치(130)를 통해 코일(120)로 고장전류가 흐르도록 도통시키는 역할을 한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에서는 비선형저항기(180)가 메인스위치(110)에 병렬로 연결될 수 있으며, 이러한 비선형저항기(180)는 메인스위치(110)의 개방시 정격전압 이상의 과도한 전압이 메인스위치(110)의 양단에 가해지지 못하도록 하기 위한 것으로서 고장전압이 기설정된 기준치 이상으로 메인스위치(110)의 양단에 걸리면 자동으로 온(ON)되어 그 고전압을 소모하도록 한다. 비선형저항기(180)는 예컨대 바리스터(varistor)로 구현될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 고전압 DC 차단기의 고장전류 차단과정을 살펴보면, 먼저 정상상태에서는 메인스위치(110)가 닫혀(close) 있어 일측(A측)에서 타측(B측)으로 DC 선로(10) 상의 전류가 공급된다. 이때 제1다이오드(160)가 도통되어 커패시터(150)로 선로(10)의 전류가 공급됨으로써 커패시터(150)는 일정한 전압(+Vc)으로 충전된다.
이후, 타측(B측)에 고장이 발생하면 선로(10)의 전류를 차단하기 위해 메인스위치(110)는 개방(open)되고 반도체스위치(130)는 턴온(turn-on)된다. 이때, 메인스위치(110)의 개방시 아크가 발생하여 아크전류가 양단 전극을 통해 흐르게 된다. 1차적으로 반도체스위치(130)이 턴온됨에 따라 커패시터(150)에 기충전된 전압(+Vc)에 의해 전류가 코일(120)로 공급되어 메인스위치(110)에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속이 발생되어 아크전류에 대한 저항이 커지게 된다. 이러한 아크전류에 대한 저항의 증가는 메인스위치(110)에서 아크전류의 크기를 감소시킨다.
특히, 반도체스위치(130)이 턴온(turn-on)으로 인해 선로(10)의 전류가 제1다이오드(160) 및 반도체스위치(130)를 통해 코일(120)로 공급됨으로써 더 큰 전류가 코일(120)로 공급되어 자속의 크기가 더 커져 아크전류에 대한 저항이 더 커지게 된다. 이러한 아크전류에 대한 저항이 더 커짐으로써 아크전류는 더욱 감소되고 선로(10)로부터 공급되는 전류는 더 커지게 되어 코일(120)에 공급되는 전류는 계속 증가하게 된다. 이와 같이 아크전류에 대한 저항이 증가하여 선로(10)에서 제1다이오드(160)를 통해 공급되는 전류가 증가하고, 이로써 아크전류에 대한 저항이 더욱 증가하는 과정을 계속 반복함으로써 최종적으로 아크전류는 0가 되어 아크가 소호되도록 한다. 이처럼 본 발명에서는 커패시터(150)에 저장된 전압을 이용하여 자속을 발생시키면서 선로(10)의 전류를 코일(120)에 환류시켜 자속을 더욱 크게하여 아크전류에 대한 저항을 계속 증가시킴으로써 아크를 소호하도록 한다.
아크가 소호되면 반도체스위치(130)는 턴오프(turn-off)되어 코일(120)로 전류의 공급이 차단되고, 선로(10)의 전류는 커패시터(150)로 공급되어 재충전된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류차단기에서의 자계의 영향에 따른 아크저항의 증가를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 직류차단기에서는 고장이 발생하는 경우 메인스위치(110)가 개방되는데 이는 메인스위치(110)의 양단 전극(110a,110b)이 서로 붙은 상태에서 물리적으로 분리되면서 개방된다. 이때, 양단 전극(110a,110b)이 분리되면서 절연파괴가 일어나 아크(arc)(111)가 발생되며, 아크전류는 이러한 아크(111)를 통해 지속적으로 흐르게 된다. 이에, 코일(120)은 아크전류 흐름의 방향에 수직으로 자속이 발생되도록 배치 및 권선된다. 즉, 메인스위치(110)의 양단 전극(110a,110b)이 도면의 일례와 같이 수평으로 배치된 경우 코일(120)은 수직으로 권선되도록 한다. 따라서, 자속은 수직방향으로 발생된다.
이와 같이 아크전류에 수직방향으로 자속이 발생되면 플레밍의 왼속법칙(Fleming's left hand rule)에 의해 로렌츠힘(Lorentz force)이 전계와 자계 둘 다에 수직인 방향으로 발생하고 아크가 그 수직방향으로 늘어나게 되어 아크의 길이가 길어진다. 이는 자속의 크기가 커질수록 아크의 길이는 더욱 길어지고, 아크의 길이가 길어지면 아크전류에 대한 저항이 더 증가하게 된다. 아크전류에 대한 저항의 증가는 선로(10)에서 코일(120)로 공급되는 환류전류의 크기를 증가시키게 되고 코일(120)에서의 자속은 더욱 커져 아크전류에 대한 저항이 계속 커지게 되어 결국 아크전류가 0(zero)이 되어 아크는 소호된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 정상상태인 경우 메인스위치(110)가 닫혀 있고, 반도체스위치(130)는 턴오프 상태가 된다. 이에 따라 DC 선로(10)의 정상전류가 메인스위치(110)를 통해 일측(A측)에서 타측(B측)으로 공급된다. 이때, DC 선로(10)의 정상전류는 제1다이오드(160) 및 저항(140)을 통해 흘러 커패시터(150)으로 공급되면서 커패시터(150)에 소정의 전압(+Vc)이 충전된다.
도 3의 (b)와 같이, B측에 고장이 발생하면 제어부(미도시)에서 고장발생을 감지하여 메인스위치(110)를 개방시킴과 동시에 반도체스위치(130)를 턴온(turn-on)시킨다. 상술한 바와 같이 메인스위치(110)의 개방시 메인스위치(110)의 양단 전극(110a,110b) 간에 아크(arc)가 발생하여 A측→B측로 아크전류가 지속적으로 흐르게 된다. 이때, 반도체스위치(130)가 턴온됨에 따라 순간적으로 커패시터(150)에 기충전된 전압(+Vc)에 의해 전류가 저항(140) 및 반도체스위치(130)을 통해 흘러 코일(120)로 공급된다. 이로써 코일(120)에는 아크전류의 흐름방향에 수직방향으로 자속이 발생되어 아크의 길이를 증가시켜 아크전류에 대한 저항이 증가한다.
여기서, 도 3의 (c)와 같이 DC 선로(10)에서의 환류전류가 제1다이오드(160) 및 반도체스위치(130)을 통해 코일(120)에 인가되어 자속은 더욱 커진다. 이는 아크전류에 대한 저항을 더욱 증가시킨다. 이러한 저항의 증가는 아크전류의 감소 및 선로(10)에서의 환류전류의 증가를 가져오고 이러한 과정을 반복함으로써 아크전류에 대한 저항은 계속 증가하여 최종적으로 아크전류는 0이 되어 아크는 소호되는 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자계를 이용한 직류차단기의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에서는 타측(B측)의 DC 선로(10)에 연결된 제2다이오드(170)를 더 포함하여 구성된다. 즉, 제2다이오드(170)는 도 1에 도시된 일 실시 예와 비교할 때 일측(A측)의 선로(10)에 연결된 제1다이오드(160)와 대칭되도록 타측(B측)의 선로(10)에 연결된다. 이러한 제2다이오드(170)는 제1다이오드(160)와 역할을 동일하다. 단지 타측(B측)에서 일측(A측)으로 DC 전류가 공급될 때 적용된다. 이로써 본 발명에서는 양방향 차단이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 메인스위치 120 : 코일
130 : 반도체스위치 140 : 저항
150 : 커패시터 160 : 제1다이오드
170 : 제2다이오드 180 : 비선형 저항기

Claims (8)

  1. 직류(DC)선로에 설치되는 메인스위치(110);
    상기 메인스위치(110)의 개방시에 발생된 아크전류의 방향에 수직방향으로 자속을 발생시키도록 권선된 코일(120);
    상기 코일에 전류인가를 스위칭하는 반도체스위치(130);
    상기 반도체스위치(130)에 직렬연결되는 커패시터(150);
    상기 메인스위치(110)의 일측에서 공급되는 상기 선로의 전류를 상기 커패시터(150)로 도통시키는 제1다이오드(160); 를 포함하고,
    상기 직류(DC)선로의 일측 또는 타측에 고장발생 시 상기 커패시터(150)에 충전된 전압에 의해 상기 코일(120)에 전류를 인가하도록 상기 반도체스위치(130)가 턴온되도록 하는 자계를 이용한 직류차단기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커패시터(150)에 전압(+Vc)을 충전하기 위한 충전저항(140)을 더 포함하는 자계를 이용한 직류차단기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 정상상태에서 상기 제1다이오드(160)를 통해 상기 커패시터(150)에 상기 DC선로의 전류가 공급되어 상기 커패시터(150)가 충전되는 자계를 이용한 직류차단기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 커패시터(150)가 충전된 상태에서 고장발생시 상기 메인스위치(110)가 개방되고 상기 반도체스위치(130)가 턴온(turn-on)되어 상기 커패시터(150)에 충전된 충전전압에 의해 전류가 상기 반도체스위치(130)를 통해 상기 코일(120)로 공급되고 상기 코일(130)에 공급된 전류에 의해 상기 메인스위치(110)에 발생한 아크전류에 수직방향으로 자속을 발생시켜 상기 아크전류에 의한 저항을 증가시키는 자계를 이용한 직류차단기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반도체스위치(130)가 턴온된 상태에서 상기 DC선로의 전류가 상기 제1다이오드(160) 및 반도체스위치(130)를 통해 상기 코일(120)로 환류되어 상기 아크전류에 의한 저항을 계속 증가시키는 자계를 이용한 직류차단기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 아크전류에 대한 저항의 증가로 상기 메인스위치(110)로 흐르는 아크전류는 감소되어 상기 DC선로(10)로부터 상기 제1다이오드(160)를 통해 상기 코일(120)로 환류되는 전류의 크기는 더욱 증가하여 상기 아크전류에 대한 저항이 계속 증가하는 과정을 반복하는 자계를 이용한 직류차단기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 아크전류에 대한 저항의 증가로 상기 메인스위치(110)에서의 아크가 소호되면 상기 반도체스위치(130)가 턴오프(turn-off)되어 상기 코일(120)로 전류공급을 차단하고 상기 제1다이오드(160)를 통해 상기 DC선로(110)의 전류가 상기 커패시터(150)로 공급되어 상기 커패시터(150)가 재충전되는 자계를 이용한 직류차단기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메인스위치(110)의 타측에서 공급되는 상기 선로의 전류를 상기 커패시터(150)로 도통시키는 제2다이오드(170)를 더 포함하는 자계를 이용한 직류차단기.
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