KR101845826B1 - 신뢰성 향상의 양방향 dc 차단기 - Google Patents

Abstract

본 기술은 신뢰성 향상의 양방 향 DC 차단기를 개시하고 있다. 본 기술의 구체적인 구현 예에 의하면, 양방향 DC 차단기에서 신뢰성이 향상 된 기술로써, LC공진 전류를 이용하여 고장전류를 제거하는 기존의 양방향 DC 차단기의 기술에서 나아가 인 덕터를 이용해 LC공진 전류가 도달하기 전 고장 전류를 차단하고, 커패시터 스위칭을 통해 고장 전류의 양을 급격하게 줄이고, 시간을 단축시킨다. 또한, 폐회로를 만들고 고장전류를 차단하고 남은 LC공진 전류를 고장 선로에 영향을 미치지 않도록 설계하여 신뢰성을 많이 향상시킬 수 있다.

Description

신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기{Improved reliability Two-way DC circuit breaker}

본 발명은 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양방향 DC 전류 차단기에서 나아가 회로 어느 부분에서 발생한 고장전류라도 회로 내의 소자에 미치는 영향을 거의 0으로 만들고 회로 밖으로 전류가 흐르지 않도록 하여 고장 선로 발생 시 고장 선로로 향하는 전류로 인한 화재 등 2차적인 피해를 줄일 수 있는 기술에 관한 것이다.

DC circuit breaker는 송전 시스템과 같은 직류 전류가 흐르는 선로에서 전류를 차단하는 스위칭 장치이다. 즉, 선로 상에 고장발생으로 인하여 고장 전류가 생겼을 때 고장전류가 고장이 발생한 측이나 고장이 일어난 반대편 부분으로 전류가 흘러가지 않도록 해결하는데 사용된다.

일반적으로 고장발생으로는 선로가 끊어지거나 갑자기 개방되는 상황을 말하는데 이 상황에서 큰 피크를 이용한 공진 전류를 방출하여 고장 전류의 양을 줄이는 방법이 있다. 이러한 방법은 인덕터 및 커패시터의 크기가 작더라도 큰 전류를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 회로를 구성하는 소자들을 적절히 배치하여 LC공진 전류를 발생시키고 이를 통해 전류가 어느 정도 0이 되었을 때 기계식 스위치 등을 개방시켜 안정적으로 회로를 보호한다.

DC circuit breaker의 회로 어디에서든 고장으로 인한 고장전류가 발생할 수 있으며 이는 회로에 악영향을 미칠 수 있으므로 이를 차단하기 위해 양방향 DC 전류 차단기의 기술 또한 제시되어있다. 이는 회로 중간에 공진 전류를 발생시키기 위한 커패시터와 인덕터를 이용하여 구성하고 사이리스터를 통해 공진 전류를 방출시켜 양방향에 모두 흘려보냄으로써 양쪽 어디에서 고장전류가 발생할지라도 줄일 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 기술로는 한국등록특허 제 1011835080000호와 제 2015-0078990호에 공개되어 있다.

한국등록특허 제 1183508호는 DC 전류 차단기로써, LC공진을 이용하기 위한 커패시터와 인덕터, 서지 어레스터 등으로 구성되어 있다. 직류 선로에서 흐르는 고전압 DC를 차단하고, 이 전류를 트랜스퍼한다. 폐쇠위치에서 개방위치로 콘택을 갖는 인터럽터를 설치한다. 이는 인터럽터를 통해 흐르는 전류를 차단하기 위해서이다. 그리고 이는 콘택이 분리될 때 LC 공진전류를 통해 0을 만들게 되고 이때 전류를 차단하여, 기계식 스위치를 개방한다. 서지 어레스터는 DC가 다른 경로로 흐를 때까지 전류가 통하도록 하기 위해 구성된다.

한국등록특허 제 2015-0078990호는 사이리스터(Thyristor)를 이용한 양방향 DC 전류차단기이다. 사이리스터를 통해 평상시에 흐르는 전류를 가지고 커패시터를 충전하여 부가적인 커패시터 충전장치가 필요가 없으며 기계식 스위치를 기준으로 양방향 어디에서 고장 전류가 발생하더라도 차단할 수 있게 구성되어 있다. 또한, LC공진 전류를 사이리스터로 제어하여 고장전류가 발생하였을 때 사이리스터를 개방하여 어느 방향에서 고장전류가 발생하였더라도 대처할 수 있다. 그리고 회로를 비교적 간단하게 제작함으로써 제품의 동작 신뢰성을 개선시켰다. 또한, 소자를 많이 사용하지 않아 제조 원가를 절감시켰으며, 고장전류가 LC공진 전류에 의해 한번에 제거되지 않을 경우 재차 동작을 실행하여 고장전류를 줄일 수 있다.

하지만 종래의 기술은 고장전류가 회로 외에 영향을 끼치고, LC공진의 방향성이 없기 때문에 전류를 감소시키는 양이 많지 않고, 때문에 재차 동작을 실행해야 한다. 이로 인해 차단 속도가 빠르지 않다는 단점이 있다. 이러한 단점들은 LC공진 전류에 의해 고장전류가 차단되기 전에 회로에 손상을 입히게 되는 것을 의미하여 이는 신뢰성에 심각한 문제를 초래한다.

또한, 전력 계통의 사고 중 전선의 접촉으로 인한 단락사고는 고장전류의 급격한 증가와 함께 스파크로 인한 전기 화재를 동반하게 된다. 그러므로 사고전류의 신속한 차단과 함께 사고 선로로 흐르는 전류가 흐르게 된다면 2차적인 피해가 생길 수 있다.

한국등록특허 제 1183508호(등록일: 2012. 09. 11) 한국등록특허 제 2015-0078990호(등록일: 2015. 07. 08)

본 발명의 목적은 LC공진에 방향성을 주어 빠르게 고장전류를 차단하고 고장전류를 회로 내에서 흐르게 함으로써 회로의 신뢰성을 높일 수 있는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기를 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 어느 곳에서 고장전류가 흐르더라도 메인스위치에 발생한 아크를 제거하기 위해 인위적인 LC공진을 주어 전류 0점을 만들어 고장전류를 차단할 수 있는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기를 제공하는데 있다.

이에 따라 반도체 스위치(대표적인 예로, 사이리스터 반도체)를 통한 전류패스는 전류의 방향성을 주어 전류를 감소시키는 양을 크게 하여 선행기술보다 재차 동작을 수행하지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 고장전류를 상쇄하고 남은 LC공진전류를 폐루프를 통하여 차단속도를 높이고 소자의 사용을 최대한 줄임으로써 논리설계를 명확히 할 수 있는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기를 제공함에 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기는,

제1 메인 스위치부(100); 상기 제1 메인 스위치부의 일단에 배치되는 제2 메인 스위치부(200); 상기 제1 및 제2 메인 스위칭부 사이에 연결된 고장전류 감소 인덕터(300); 및 상기 고장전류 감소 인덕터(300)의 좌우 양단에 각각 제1 단방향 및 제2 단방향 스위치들(460, 470)의 일단이 연결되며, 상기 제1 단방향 및 제2 단방향 스위치들(460,470)의 타단이 LC 공진 인덕터(410)의 일단과 연결되고, 상기 LC 공진 인덕터(410)의 타단이 LC 공진 커패시터(440) 및 커패시터 충전 스위치(510)와 연결되는 LC 공진 회로(400); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 LC 공진 회로(400, 400`)는

LC 공진 캐패시터(440)와 직렬 연결되는 LC 공진 스위치(420); 직렬 연결된 상기 LC 공진 스위치(420) 및 LC 공진 캐패시터(440)와 병렬로 연결하여 스위칭 제어하는 스위칭 커패시터(450)와 직렬 연결된 스위칭 캐패시터 스위치(430);를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 제1 메인 스위치부(100)는 고장전류가 0이 될 때, 상기 제1 메인 스위치부(100)의 연결을 해제하는 제1 메인 스위치(110); 및 제1 직류 선로에 제1 메인 스위치(110)과 병렬 연결하여 폐회로 구성 시 작동하는 제 1 다이오드(120); 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 메인 스위치부(200)는 고장 전류가 0이 될 때, 상기 제2 메인 스위치부(200)의 연결을 해제하는 제2 메인 스위치(210); 및 제2 직류 선로에 제2 메인 스위치(200)과 병렬 연결하여 폐회로 구성 시 작동하는 제 2 다이오드(220); 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 고장전류 감소 인덕터(300)는 상기 제1 직류 선로와 제 2 직류 선로의 가운데에 위치하고, 고장전류가 제 1 직류 선로에서 제 2 직류선로로 흐르거나 반대 방향으로 흐르는 경우 고장전류의 크기를 감소하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기는 전류패스 우회로부(500)를 더 포함하고, 상기 전류패스 우회로부(500)는, 일단이 상기 LC 공진 회로(400)와 접지사이에 연결되고, 상기 제1 메인 스위치부(100)의 스위치 전단에 연결 되는 스위칭 제1 전류 우회 스위치(520); 및 일단이 상기 LC 공진 회로(400)와 접지 사이에 연결되고, 상기 제2 메인 스위치부(200)의 스위치 후단에 연결되는 제2 전류 우회 스위치(530); 를 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 전류 패스 우회로부(500)는 정상상태일 때에는 제1 전류 우회 스위치(520) 를 오프시킨 상태로 유지하고, 고장전류(If1 이나 If2) 발생 시 제1 전류 우회 스위치(520)의 게이트 단에 신호를 전송하여 온상태로 활성화할 수 있다.

바람직하게 상기 전류 패스 우회로부(500)는 고장전류의 방향에 따라 제1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 단방향 스위치(470)을 함께 활성화 시키거나 제2 전류 우회 스위치(530)와 제 1 단방향 스위치(460)을 함께 활성화시키며, 상기 LC 공진 커패시터(440)의 연결상태를 해제하고, 스위칭 커패시터(450)을 연결할 수 있다.

바람직하게 상기 전류 패스 우회로부(500)는 제1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 단방향 스위치(470)을 함께 활성화 시킨 후에 제2 전류 우회 스위치(530)를 활성화시킬 수 있다.

바람하게 상기 전류 패스 우회로부(500)는 제2 전류 우회 스위치(530)와 제 1 단방향 스위치(460)을 함께 활성화 시킨 후에 제1 전류 우회 스위치(520)를 활성화시킬 수 있다.

바람직하게 상기 스위치 및 스위치부는 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중 적어도 하나의 조합으로 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, DC 차단기의 장점인 양방향 차단이 가능하고 평상시 커패시터를 충전할 수 있다는 장점을 가지면서 양방향으로 발생된 고장 전류를 사전에 제한하여 LC공진 전류의 요구치를 낮출 수 있고, 다이오드를 통하여 폐루프를 형성하여 메인 스위치가 비활성화 되더라도 폐루프를 형성시켜 메인 스위치를 비활성화 하고 남은 LC공진을 신속하게 제거함에 따라 차단 속도를 개선하고 차단기에 미치는 영향을 제거하여 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고장 전류 감소 인덕터(300)에 의해 고장전류가 먼저 감소하기 때문에, LC공진에 의한 필요 공진 전류의 요구치가 더 작아지게 되고 이는 공진전류가 전달되기 이전에 고장전류에 의한 피해를 감소시키며 회로를 구성하는 비용을 절감할 수 있다.

그리고 양방향으로 폐루프를 형성시켜 LC공진으로 인한 고장선로로 흐르는 전류를 감소시켜 전기적인 화재로 인한 2차적인 피해를 예방할 수 있는 효과를 가지고 있다.

도 1은 일반적인 양방향 DC 차단기의 회로도이다
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기의 구성을 보인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기의 구성을 보인 회로도이다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기의 구성을 보인 회로도이다.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기의 구성을 보인 회로도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 정상상태에서의 신뢰성 향상의 DC 차단기에서의 전류의 흐름을 보이는 개요도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 DC 선로의 일측에 고장 선로 발생시 고장전류를 차단하는 전류의 흐름을 보인 회로도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 고장전류를 차단하는 과정에서 스위치가 턴온 턴오프 되는 과정을 표시하는 개략도이다.
도 11은 일반적인 양방향 DC 차단기에서 공진전류가 도달하기 전에 다른 스위치에 흐르는 고장 전류와 스위치 개방 후 흐르는 고장전류의 예시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기에서 공진전류가 도달하기 전에 다른 스위치에 흐르는 고장 전류와 스위치 개방 후 흐르는 고장전류의 예시도이다.
도 13은 일반적인 양방향 DC 차단기에서 고장 선로로 흐르는 전류를 나타내는 예시도이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기에서 고장 선로로 흐르는 전류를 나타내는 예시도이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 DC 차단기의 고장 선로로 들어가는 전류량을 보인 예시도이다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기를 나타낸 회로도로서, 도 2를 참조하면, 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기는 제 1 메인 스위치(110)로 구성된 제 1 메인 스위치부(100), 제 2 메인 스위치(210)로 구성된 제 2 메인 스위치부(200), LC공진 회로(400), 전류 패스 우회로부(500)를 포함할 수 있다.

제 1 메인 스위치부(100)는 제 1 직류선로에 위치하고, 제 2 메인 스위치부(200)는 제 2 직류 선로에 위치할 수 있다.

고장전류 감소 인덕터(300)는 제1 메인 스위치부(100)와 제 2 메인 스위치부(200) 사이에 직렬로 위치할 수 있다.

도 2에서 제 1 메인 스위치부(100)는 직류 선로에 위치하고 스위치가 닫힌 정상상태에서는 정상전류가 제 1 메인 스위치(110)에서 고장전류 감소 인덕터(300), 그리고 제 2 메인 스위치부(200)로 흐르게 된다. 이때 정상상태일 때는 직류 전류이므로 변화량이 없어 고장전류 감소 인덕터(300)에 의한 임피던스가 거의 0이므로, 고장전류 감소 인덕터(300)에 의한 영향이 무시된다. 만약 고장 전류가 제 2 직류 선로에서 발생한 경우, 제 1 직류선로로 흐르는 고장전류를 고장전류 감소 인덕터(300)에서 고장전류를 감소시키고 LC공진 회로(400)에서 발생한 공진 전류가 흐름으로써, 제1 직류 선로에 유입되는 전류가 0이 될 때, 제 1 메인 스위치(110)의 연결을 해제하여 제 2 직류에서 발생한 고장 전류가 제 1 직류 선로에 유입되는 것을 차단할 수 있다.

제 2 메인 스위치부(200)는 제 2 메인 스위치(210)와 제 2 다이오드(220)를 포함 할 수 있다. 이러한 직류 선로에 위치하고 스위치가 닫힌 정상상태에서는 정상전류가 제 2 메인 스위치(210)에서 고장전류 감소 인덕터(300), 그리고 제 1 메인 스위치부(100)로 흐르게 된다. 이때 정상상태일 때는 직류 전류이므로 변화량이 없어 고장전류 감소 인덕터(300)에 의한 임피던스가 거의 0이므로, 고장전류 감소 인덕터(300)에 의한 영향이 무시된다. 만약 고장 전류가 제1 직류 선로에서 발생한 경우, 제 2 직류선로로 흐르는 고장전류를 고장전류 감소 인덕터(300)에서 고장전류를 감소시키고 LC공진 회로(400)에서 발생한 공진 전류가 흐름으로써, 제 2 직류 선로에 유입되는 전류가 0이 될 때, 제 2 메인 스위치(210)의 연결을 해제하여 제 1 직류에서 발생한 고장 전류가 제 2 직류 선로에 유입되는 것을 차단할 수 있다.

전류 패스 우회로부(500)는 제 1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 우회 스위치(530), 커패시터 충전 스위치(510)를 포함할 수 있다.

전류 패스 우회로부(500)는 제1 메인 스위치부(100), 제2 메인 스위치부(200)와 병렬로 연결되며, 이는 제 1 직류 선로와 제 2 직류 선로 사이에서 접지(GND) 사이에 연결됨을 의미한다.

제 1 메인 스위치(110) 이전에 제 1 전류 우회 스위치(520)와 커패시터 충전 스위치(510)가 병렬로 연결되어 있으며 제 2 메인 스위치(210)이전에 제 2 전류 우회 스위치(530)와 접지(GND)사이에 연결되며 커패시터 충전 스위치(510)는 제 1 메인 스위치(110)와 LC공진 회로(400)의 LC공진 인덕터(410)와 LC공진 스위치(420)와 연결됨을 의미한다.

제 2 메인 스위치(210) 이전에 제 2 전류 우회 스위치(530)와 커패시터 충전 스위치(510)가 병렬로 연결되어 있으며 제 2 전류 우회 스위치(520)는 제 1전류 우회 스위치(530)과 접지(GND)사이에 연결됨을 의미한다.

즉, 정상전류 상태일 때 전류 패스 우회로부(500)의 커패시터 충전 스위치(510)를 활성화시켜 LC공진 회로(400)의 LC 공진 커패시터(440)로 전류를 공급하여 제 1 LC 공진 커패시터(440)를 충전하도록 한다. 이 때, 제 1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 전류 우회 스위치(530)는 비활성화 시켜 전류가 통하지 않도록 한다.

부연하면, 본 기술에 사용되는 스위치 및 스위치부는 사이리스터 반도체 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT, 기계적 스위치 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성되며, 특별히 본 기술에 최적인 대전류 구동을 가능하게 하는 스위치로서 사이리스터 반도체 스위치를 대표적인 예로 사용하였으며 사이리스터 이외의 다른 IGBT, IGCT, MOSFET, BJT, 기계적 스위치들이 이용될 수 있다. 사이리스터는 P형과 N형을 번갈아 배치한 4개의 영역을 가진 반도체 소자로 전류를 제어하는 기능을 담당하며 일반적으로 SCR을 말한다. 사이리스터의 게이트에 전류를 가하게 되면 사이리스터가 동작하게 되고 이는 전류가 역방향으로 흐르기 전까지는 계속 전류가 흐르게 되는 역할을 한다.

정상상태일 때에는 커패시터 충전 스위치(510)를 단시간동안 열어 LC 공진 커패시터(440)가 완전히 충전될 때까지 전류가 흐르도록 유지하고 고장전류 발생 시 제 1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 전류 우회 스위치(530)에 게이트 전압을 주어 폐루프를 형성하도록 한다. 본 기술에 사용되는 스위치 중 실험에 사용된 최적의 스위치인 사이리스터에 대한 자세한 스위칭 시간은 도 10에 표현하였다.

LC 공진 회로(400)는 제 1 메인 스위치부(100)와 고장전류 감소 인덕터(300) 사이, 제 2 메인 스위치부(200)와 고장전류 감소 인덕터(300) 사이에 병렬로 위치하며 접지(GND)와 함께 연결됨을 의미한다. 또한, 제 1 메인 스위치부(100)와 고장전류 감소 인덕터(300) 사이에 제 1 단방향 스위치(460)가, 제 2 메인 스위치부(200)와 고장전류 감소 인덕터(300) 사이에 제 2 단방향 스위치(470)가 위치하며 이는 LC공진 회로(400)의 LC공진 인덕터(410)와 LC공진 커패시터(440)와 직렬로 연결됨을 의미한다.

LC 공진 회로(400)는 제 1 혹은 제 2 선로에서 발생한 고장전류를 공진 전류를 이용하여 제 1 혹은 제 2 메인 스위치(110, 210)에 흐르는 전류가 0이 되도록 한다. 전류를 전달하는 과정을 수행하기 위해 다양한 스위치가 사용될 수 있으며, 본 기술의 최적화 동작 및 구현을 위해 단방향 스위치 소자인 사이리스터가 사용될 수 있다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 DC 차단기의 동작을 첨부된 도 6 내지 도 10을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 6과 도 7은 본 발명의 향상된 양방향 DC 차단기에서 정상 상태일 때 전류의 흐름을 나타낸 것이다. 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 신뢰성 향상의 양방향 DC 전류 차단기에서 정상전류가 흐를 때 LC공진 커패시터(440)가 충전되는 상태를 나타낸다. 이때, LC공진 회로(400)는 접지로 정상 전류가 흘러 LC공진 커패시터(440)를 충전시키게 된다.

도 7는 LC 공진 커패시터(440)가 충전된 후 정상전류의 상태를 나타낸다. 도시된 바와 같이 제 1 메인 스위치(110)에서 고장전류 감소 인덕터(300)를 거쳐 제 2 메인 스위치(210)로 전류가 이동하게 된다. 이 때, 흐르는 전류의 수학식 1은 다음과 같이 표현될 수 있다.

.. 식 1

(이 때, L은 고장전류 감소 인덕터(300)의 인덕턴스를 나타내며 C는 LC공진 커패시터(440)의 커패시턴스)

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기에서 고장전류가 발생했을 때 LC공진회로(400)와 전류 패스 우회로부(500)에 의한 고장전류 차단 전류의 흐름을 나타낸 것이다. 제 1 직류 선로나 제 2 직류 선로에서 고장 전류가 발생했을 때, 우선적으로 고장전류 감소 인덕터(300)에 의해 고장전류의 크기를 감소시켜 준다. 이와 동시에 제 1 단방향 스위치(460)나 제 2 단 방향 스위치(470)의 게이트 신호를 보내 활성화 시키고, 공진전류를 제 1 직류 선로와 제 2 직류 선로에 공급하게 되고 제 1 메인 스위치(110)나 제 2 메인 스위치(210)에 흐르는 전류가 0이 되면 스위치를 닫아준 다. 이 때, 고장전류 감소 인덕터(300)에 의한 고장 전류가 감소하게 되고 기존의 DC 차단기에서 LC공진 전류의 요구치가 낮아지게 되고 이는 LC공진 인덕터(410)와 LC공진 커패시터(440)를 기존의 DC 차단기보다 낮은 사양으로 설계하는 것이 가능하게 된다.

.. 식 2

위의 수학식 2는 공진전류 감소 인덕터(300)에 의한 고장전류의 감소 양을 나타내며,

은 고장 전류가 발생한 시점부터 공진 전류가 도달하기 전까지의 임의의 시간 이다. 수식을 보면 공진전류 감소 인덕터(300)에 의해 고장전류가 낮아짐을 알 수 있으며, 이는 LC공진 전류 의 요구치가 낮아짐을 알 수 있다.

도 3은 도 2의 회로의 제 1 메인 스위치부(100)과 제 2 메인 스위치부(200)에 제 1 다이오드(120)와 제 2 다이오드(220)가 병렬로 연결된 회로이다. 제 1 다이오드(120)와 제 2 다이오드(220)가 연결됨으로서 제 1 메인 스위치(110)와 제 2 메인 스위치(210)가 고장 전류로 인해 스위치가 비활성화 될 때 일시적으로 크게 역전압이 걸리게 되는데 제 1 다이오드(120)와 제 2 다이오드(220)를 연결함으로써 제 1 메인 스위치(110)과 제 2 메인 스위치(210)에 걸리는 고장전류를 LC 공진 전류로 상쇄시키고 남은 전류를 다이오드를 통하여 전류 패스를 우회하여 큰 역전압이 걸리는 것을 막아준다. 또한, 다이오드를 통하여 흐르는 전류는 전류 패스 우회로부(500)을 통해 다시 LC 공진 커패시터(440)로 흐르게 되어 LC 공진 커패시터(440)를 더욱 빠르게 방전시켜주는 역할을 하게 되어 차단시간을 감소시키는 역할을 하게 된다.

도 4는 도 2의 회로에서 스위칭 커패시터 회로(400’)를 추가하고 LC공진 회로(400)에서 LC 공진 인덕터(410)와 LC 공진 커패시터(440)사이에 스위치를 추가한 회로이다. 스위칭 커패시터 회로(400’)를 추가하여 고장전류 발생 시 고장전류 방향에 따라 제 1 단방향 스위치(460)나 제 2 단방향 스위치(470)를 활성화 시키며 이로 인하여 제 1 메인 스위치(110)나 제 2 메인 스위치(210)로 흐르는 전류가 0이 되는 상태에서 LC공진 스위치(420)를 비활성화 그리고 스위칭 커패시터 스위치(430)를 활성화 시켜 남아있는 LC공진 전류를 없애는 시간을 단축시킨다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 신뢰도 개선의 양방향 DC 전류 차단기에서 공진 전류가 흐른 뒤의 동작 상태를 나타낸 것이다. 이 때, 제 1 직류 선로의 관점에서 살펴본 전류 흐름으로써 고장전류가 인식됨과 동시에 제 2 전류 우회 스위치(530)를 활성화시켜주고, 제 1 메인 스위치(110)에 흐르는 전류가 0이 됨과 동시에 제 1 전류 우회 스위치(520)와 스위칭 커패시터 스위치(430)를 활성화 시켜주고 LC공진 스위치(420)를 비활성화 시켜준다. 스위칭 커패시터(450)는 충전되지 않는 상태이며 충전되지 않는 스위칭 커패시터(450)에 의해 고장전류 크기가 감소하게 된다.

기존의 DC 차단기에서 고장전류의 크기는 다음의 수학식 3으로 표현되며,

.. 식 3

신뢰성 개선의 양방향 DC 차단기에서 고장전류크기의 수학식 4는 다음과 같이 표현될 수 있다.

.. 식 4

여기서,

,

,

,

,

,

는 각각 고장전류, 초기 전압값, LC공진 커패시터(440)의 커패시턴스, 스위칭 커패시터(450)의 커패시턴스, LC 공진 인덕터(410)에 흐르는 전류 값이 다. 여기서 LC 공진 인덕터(410)에 흐르는 전류값은 제 2 전류 우회 스위치(530)를 통해 흐르게 되며, 이는 접지(GND)로 대부분 흘러가게 되지만 다시 스위칭 커패시터(450)의 역 차지 전압에 영향을 주어 역 차 지 전압이 올라가는 속도를 빠르게 한다.

이로 인하여 스위칭 커패시터(450)의 역으로 충전되는 전압의 속도가 빨라지게 되고 이는 차단시간을 더욱 빠르게 한다. 또한, LC 공진 전류 역시 대부분 제 1 메인 스위치부(100)로 흐르게 되지만 전류의 상승효과로 인해 고장전류 감소 인덕터(300)에도 흐르게 된다. 이로 인해 고장 선로에 전류가 흐르게 되는데 제 2 전류 우회 스위치(530)가 활성화 되어 고장 선로로 전류가 흐르는 것을 방지하여 준다. 이에 따라 고장 선로에 LC공진 전류가 흘러 선로 화재 등 2차적인 피해를 막아 신뢰성을 향상할 수 있다.

도 5는 앞에서 설명한 고장전류 감소 인덕터(300)와 스위칭 커패시터 회로(400‘) 제 1 다이오드(120)와 제 2 다이오드(220)의 장점을 모두 포함한 회로로 위에서 설명한 회로의 장점을 모두 가지고 있는 회로이다. 회로의 동작은 도 10에 고장 전류를 차단하는 과정에서 스위치가 활성화 비활성화를 나타내며 이를 통해 차단시간을 감소시키고 신뢰성을 향상시키는 장점을 가지고 있다.

도 11은 기존의 양방향 DC 차단기에서 공진전류가 도달하기 전에 다른 스위치에 흐르는 고장 전류와 스위치 개방 후 흐르는 고장전류의 예시도로서, 도 8을 참조하면, 기존의 양방향 DC 전류 차단기에서 공진전류가 흐르고 차단되는 차단 시간은 발생한 공진전류가 어떠한 위치에서 고장이 일어나더라도 양방향으로 LC공진 전류가 흐르게 되고 이러한 LC공진 전류의 절반인 값이 반대편으로 흐르게 되므로 길어지는 것을 알 수 있다.

도 12는 신뢰성 향상의 DC 차단기에서 공진전류가 도달하기 전에 다른 스위치에 흐르는 고장 전류와 스위치 개방 후 흐르는 고장전류의 예시도로서, 도 12를 참조하면, 양방향 DC 전류 차단기에서 공진전류가 흐르고 차단되는 차단 시간이 도 11에 도시된 기존의 차단시간에 비해 더 짧음을 알 수 있으며 이때 차단시간은 기기존의 0.0066초인데 반해 본 발명의 차단시간은 0.0034초로 0 .0022초가 더 빨라지는 것을 알 수 있다.

도 13은 기존의 양방향 DC 전류 차단기에서 흐르는 전력량을 나타낸 것이고(230kV, 1000A), 도 14은 본 발명에 따른 DC 전류 차단기에서 흐르는 전력량을 나타낸 그래프로서, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 도선 전력량은 4366W에서 72W로 줄어든 것을 알 수가 있으며 이는 차단기 내부에 흐르는 전력량이 거의 없어져 신뢰성 부분에서 향상된 것을 알 수 있다.

도 15는 본 발명 의 실시 예에 따른 신뢰성 향상된 DC 차단기의 고장 선로로 들어가는 전류량을 보인 도면으로서, 도 15를 참 조하면, 도 11에 도시된 고장 선로로 들어가는 전류량과 본 발명의 실시 예에 의거 고장 선로로 들어가는 전류량을 비교하면, 고장 선로로 들어가는 전류량의 차이가 확연함을 확인할 수 있다.

시간에 따른 전류 량 값으로 환산하면, 고장 선로에 들어가는 전류량은 기존의 150A/s의 전류가 흐르고 본 발명에 따른 고장선 로로 흐르는 전류의 양은 4A/s로 고장선로로 들어가는 전류의 양이 확연하게 줄어드는 것을 알 수 있다. 이 는 고장 선로로 들어가는 전류량을 줄여 전류에 의한 화재 등 2차 피해를 막아주어 신뢰성을 향상시켜 주는 것을 알 수 있다.

이에 따라, 본 발명에서 DC 차단기의 장점인 양방향 차단이 가능하고 평상시 커패시터를 충전할 수 있다는 장점을 가지면서, 양방향으로 발생된 고장 전류를 사전에 제한하여 LC공진 전류의 요구 치를 낮추고, 다이오드를 통하여 폐루프를 형성하여 메인 스위치가 비활성화 되더라도 폐루프를 형성시켜 메인 스위치를 비활성화 하고 남은 LC공진을 신속하게 제거함에 따라, 차단 속도를 개선하고 차단기에 미치는 영향을 제거하여 신뢰성을 높일 수 있고, 고장 전류 감소 인덕터(300)에 의해 고장전류가 먼저 감소하기 때문에, LC공진에 의한 필요 공진 전류의 요구치가 더 작아지게 되고 이는 공진전류가 전달되기 이전에 고장전류에 의한 피해를 감소시키며 회로를 구성하는 비용을 절감할 수 있으며, 양방향으로 폐루프를 형성시켜 LC 공진으로 인한 고장선로로 흐르는 전류를 감소시켜 전기적인 화재로 인한 2차적인 피해를 예방할 수 있게 된다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분 야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다 양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서 는 안 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐만 아니라 특허 청구 범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

100 : 제 1 메인 스위치부
110 : 제 1 메인 스위치
120 : 제 1 다이오드
200 : 제 2 메인 스위치부
210 : 제 2 메인 스위치
220 : 제 2 다이오드
300 : 고장전류 감소 인덕터
400 : LC 공진 회로
400`: 스위칭 커패시터 회로
410 : LC 공진 인덕터
420 : LC공진 스위치
430 : 스위칭 커패시터 스위치
440 : LC 공진 커패시터
450 : 스위칭 커패 시터
460 : 제 1 단방향 스위치
470 : 제 2 단방향 스위치
500 : 전류 패스 우회로부
510 : 커패시터 충전 스위치
520 : 제 1 전류 우회 스위치
530 : 제 2 전류 우회 스위치

Claims (10)

1. 제1 메인 스위치부(100);
   상기 제1 메인 스위치부의 일단에 배치되는 제2 메인 스위치부(200);
   상기 제1 및 제2 메인 스위칭부 사이에 직렬로 연결된 고장전류 감소 인덕터(300); 및
   상기 고장전류 감소 인덕터(300)의 좌우 양단에 각각 제1 단방향 및 제2 단방향 스위치들(460, 470)의 일단이 연결되며, 상기 제1 단방향 및 제2 단방향 스위치들(460,470)의 타단이 LC 공진 인덕터(410)의 일단과 연결되고, 상기 LC 공진 인덕터(410)의 타단이 LC 공진 커패시터(440) 및 커패시터 충전 스위치(510)와 연결되는 LC 공진 회로(400);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 LC 공진 회로(400, 400`)는
   LC 공진 캐패시터(440)와 직렬 연결되는 LC 공진 스위치(420); 및
   직렬 연결된 상기 LC 공진 스위치(420) 및 LC 공진 캐패시터(440)와 병렬로 연결하여 스위칭 제어하는 스위칭 커패시터(450)와 직렬 연결된 스위칭 캐패시터 스위치(430);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제1 메인 스위치부(100)는
   고장전류가 0이 될 때, 상기 제1 메인 스위치부(100)의 연결을 해제하는 제1 메인 스위치(110); 및 제1 직류 선로에 제1 메인 스위치(110)와 병렬 연결하여 폐회로 구성 시 작동하는 제 1 다이오드(120) 중 적어도 하나를 포함하고,
   상기 제2 메인 스위치부(200)는
   고장 전류가 0이 될 때, 상기 제2 메인 스위치부(200)의 연결을 해제하는 제2 메인 스위치(210); 및 제2 직류 선로에 제2 메인 스위치(210)과 병렬 연결하여 폐회로 구성 시 작동하는 제 2 다이오드(220); 중 적어도 하나를 포함하며,
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 고장전류 감소 인덕터(300)는
   상기 제1 직류 선로와 상기 제 2 직류 선로의 가운데에 위치하고, 고장전류가 제 1 직류 선로에서 제 2 직류선로로 흐르거나 반대 방향으로 흐르는 경우 고장전류의 크기를 감소하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기는 전류 패스 우회로부(500)를 더 포함하고,
   상기 전류 패스 우회로부(500)는,
   일단이 상기 LC 공진 회로(400)와 접지사이에 연결되고, 상기 제1 메인 스위치부(100)의 제1 메인 스위치(110) 전단에 연결 되는 제1 전류 우회 스위치(520); 및
   일단이 상기 LC 공진 회로(400)와 접지 사이에 연결되고, 상기 제2 메인 스위치부(200)의 제2 메인 스위치(210) 후단에 연결되는 제2 전류 우회 스위치(530);를 포함 하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전류 패스 우회로부(500)는
   정상상태일 때에는 제1 전류 우회 스위치(520)를 오프시킨 상태로 유지하고,
   고장전류(If1 이나 If2) 발생 시 제1 전류 우회 스위치(520)의 게이트 단에 신호를 전송하여 온상태로 활성화하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전류 패스 우회로부(500)는
   고장전류의 방향에 따라 제1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 단방향 스위치(470)를 함께 활성화 시키거나 제2 전류 우회 스위치(530)와 제 1 단방향 스위치(460)을 함께 활성화시키며,
   LC 공진 커패시터(440)의 연결상태를 해제하고,
   스위칭 커패시터(450)을 연결하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
8. 제 6 항에 있어서, 상기 전류 패스 우회로부(500)는
   제1 전류 우회 스위치(520)와 제 2 단방향 스위치(470)를 함께 활성화 시킨 후에 제2 전류 우회 스위치(530)를 활성화 시키는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
9. 제 6 항에 있어서, 상기 전류 패스 우회로부(500)는
   제2 전류 우회 스위치(530)와 제 1 단방향 스위치(460)을 함께 활성화 시킨 후에 제1 전류 우회 스위치(520)를 활성화 시키는 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
   
10. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치는 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중 어느 하나 또는 복수의 조합으로 선택하여 구성된 것을 특징으로 하는 신뢰성 향상의 양방향 DC 차단기.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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