KR101872873B1 - 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 dc 차단기 - Google Patents

충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 dc 차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 새로운 DC 전력 환경에서 전력 계통을 사고로부터 보호하기 위한 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기를 제공하기 위한 것으로서, 일측(A)과 타측(B)을 연결하는 DC 선로에 연결된 메인스위치와, DC 선로의 일측에 고장이 발생하면 상기 메인스위치와 병렬로 연결된 제 1 ~ n(n은 자연수) 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 순차적으로 폐로를 형성하는 커패시터 회로와, 상기 메인스위치 및 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 각각 폐회로를 형성하도록 스위칭하는 1 ~ n개의 제 4 스위칭소자와, 상기 커패시터 회로와 직렬연결되고, 상기 메인스위치와 병렬연결되어 상기 폐회로를 통해서도 DC 선로의 사고전류 차단이 실패하면, 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)와 연결하여 LC 공진회로를 구성하여 LC 공진을 형성하는 인덕터와, 상기 메인스위치와 인덕터를 통해 LC 공진을 형성하도록 스위칭하는 제 5 스위칭소자와, 상기 메인스위치와 직렬연결되고, 상기 커패시터 회로에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 제 1 스위칭소자로 구성되는데 있다.

Description

충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기{High Speed DC Circuit Breaker using Charging Capacitor and Series Inductor}
본 발명은 DC 차단기에 관한 것으로, 특히 새로운 DC 전력 환경에서 전력 계통을 사고로부터 보호하기 위한 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기에 관한 것이다.
통상 고전압 DC 차단기(circuit breaker)는 고전압 직류(HVDC: High Voltage Direct Current) 송전시스템 등과 같은 약 50㎸ 이상의 고전압 송전선로를 통해 흐르는 전류를 차단할 수 있는 스위칭 장치이다. 즉, 고전압 DC 차단기는 DC 선로 상에 설치되어 일측 또는 타측에 고장발생시 사고전류가 고장이 발생한 측으로 제공되지 않도록 차단하는 역할을 한다. 물론, 약 1~50㎸의 DC 전압레벨의 중간전압 DC 배전 시스템에도 적용이 가능하다.
이처럼, 현재 전력 계통에서는 DC 송전 및 배전, 마이크로 그리드, 하이브리드 그리드 등, DC를 활용하여 효율적으로 송전, 배전하고자 하는 노력이 지속적으로 있다.
DC 차단기는 이러한 새로운 DC 전력 환경에서 전력 계통을 사고로부터 보호하기 위하여 반드시 필요하다. 이를 위하여 IGBT를 사용한 방식, LC 공진을 이용한 방식 등 다양한 형태의 DC 차단기가 개발되어 왔다.
그러나 상기 IGBT를 사용한 방식은 빠르지만 손실이 크며, IGBT를 사용하면서 손실을 적게 하기 위한 하이브리드 DC 차단기는 그 반응 속도가 여전히 느린 단점이 있다.
등록특허공보 제10-1522413호 (등록일자 2015.05.15) 등록특허공보 제10-1550374호 (등록일자 2015.08.31)
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 새로운 DC 전력 환경에서 전력 계통을 사고로부터 보호하기 위한 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기의 특징은 일측(A)과 타측(B)을 연결하는 DC 선로에 연결된 메인스위치와, DC 선로의 일측에 고장이 발생하면 상기 메인스위치와 병렬로 연결된 제 1 ~ n(n은 자연수) 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 순차적으로 폐로를 형성하는 커패시터 회로와, 상기 메인스위치 및 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 각각 폐회로를 형성하도록 스위칭하는 1 ~ n개의 제 4 스위칭소자와, 상기 커패시터 회로와 직렬연결되고, 상기 메인스위치와 병렬연결되어 상기 폐회로를 통해서도 DC 선로의 사고전류 차단이 실패하면, 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)와 연결하여 LC 공진회로를 구성하여 LC 공진을 형성하는 인덕터와, 상기 메인스위치와 인덕터를 통해 LC 공진을 형성하도록 스위칭하는 제 5 스위칭소자와, 상기 메인스위치와 직렬연결되고, 상기 커패시터 회로에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 제 1 스위칭소자로 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 메인스위치와 커패시터 회로의 양측 사이에 연결되어 상기 폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제 2 스위칭소자 및 제 3 스위칭소자를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 커패시터 회로는 사고의 종류 및 사고 전류의 크기에 따라 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)의 방전량을 각각 조절하여 초고속 DC 차단기가 동작하도록 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 커패시터 회로는 제 2 스위칭소자 및 상기 제 3 스위칭소자와 서로 순방향으로 연결되고, 각각 고전압 DC 선로를 따라 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 경우에 전류(Idc)의 흐르는 방향과 동일한 순방향으로 제 2 스위칭소자 및 제 3 스위칭소자에 각각 구비되는 애노드나 캐소드 단자가 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 3 스위칭소자는 상기 커패시터 회로와 직렬연결되도록 복수개의 커패시터와 상기 DC 선로에 연결되어 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 충전된 -Vc 전압이나 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스가 상기 메인스위치로 공급되도록 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 1 ~ n개의 제 4 스위칭소자는 순차적으로 스위칭되도록 제어하여 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 온(on)되어 첫 번째 위치하는 제 1 커패시터(C1)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하고, 상기 제로 크로싱을 통한 차단이 실패했을 경우, 상기 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 오프(off)되고 두 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150b)가 온(on)되어 상기 두 번째 위치하는 제 2 커패시터(C2)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하여 차단을 수행하며, 위와 같은 방법으로 사고전류의 차단이 성공될 때까지 순차적으로 복수의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 제로 크로싱(Zero-crossing)을 순차적으로 생성하여 사고전류 차단을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자는 하나 이상의 전력 반도체 스위치(G1,G2)를 통해 이루어지며, 이때, 상기 전력 반도체 스위치는 다이오드(diode), 사이리스터(thyristor), GTO, IGCT, IGBT 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기는 양방향 DC 차단기를 통해 초고속이며, IGBT가 아닌 사이리스터(Thyristor)를 사용함에 따라, 역방향 다이오드가 필요 없어 회로 구성이 용이하다.
또한, 저손실에 제어가 쉬우며, 충전된 커패시터 방식 실패 시 LC 공진 방식을 이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도
도 2 는 도 1에 도시된 초고속 DC 차단기에서 커패시터가 충전되는 과정을 나타낸 회로도
도 3 및 도 4 는 도 1에 도시된 초고속 DC 선로의 일측에 고장발생시 초고속 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 회로도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 초고속 DC 차단기는 일측(A)과 타측(B)을 연결하는 DC 선로(10)에 연결된 메인스위치(110)를 포함하며, 일예로서 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 것으로 가정하고 본 발명의 초고속 DC 차단기를 설명한다. 물론 다른 예로서 타측(B)에서 일측(A)으로 흐를 수도 있다.
상기 메인스위치(110)는 DC 선로(10)의 타측 즉, B측에서 고장발생시 고장이 발생한 회로로 사고전류(Ifault)가 지속적으로 흘러들어가지 않도록 하기 위해 DC 선로(10)를 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 메인스위치(110)는 정상상태에서는 닫혀 있는 상태를 유지하며, 고장발생시 메인스위치(110)는 개방되어 초고속 DC 차단기가 동작하도록 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성한다. 이러한 메인스위치(110)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다.
이때, 상기 메인스위치(100)에 제 1 스위칭소자(120)가 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 제 1 스위칭소자(120)는 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 LC 공진이 발생하도록 하여 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 한다.
본 실시예에서 DC 선로(10)에 고전압이 걸리기 때문에 메인스위치(110)에는 대전류가 흐르게 된다. 이 때문에 고장발생시 메인스위치(110)가 개방될 때 메인스위치(110)의 스위치 단자 간에 아크(arc)가 발생하게 되고, 이러한 아크를 통해 DC 사고전류가 DC 선로(10)에 계속해서 흐르게 된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 아크를 소호하여 사고전류를 완전히 차단하기 위해 직렬연결된 복수개의 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)와 하나의 인덕터(LDCCB)가 메인스위치(110)와 제 1 스위칭소자(120)에 병렬로 연결된다.
그리고 메인스위치(110)와 제 1 커패시터(C1) 및 인덕터(LDCCB)의 양측 사이에 제 2 스위칭소자(130), 제 3 스위칭소자(140) 및 제 5 스위칭소자(160)를 구성한다.
사고 발생 시 먼저 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 사고의 종류 및 사고전류의 크기에 따라 커패시터(C)의 방전량을 조절하여 초고속 DC 차단기가 동작하도록 제 1 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성한다. 이때, 커패시터에서 방전된 전류(Iprotect)가 사고전류(Ifault)를 경감하여 메인스위치(110)에 흐르는 전류(ISW)를 감소하게 된다. 이를 수식으로 나타내면, 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112016108595571-pat00001
그리고 상기 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)를 통한 차단이 실패했을 경우, 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)와 직렬로 연결된 인덕터(LDCCB)를 통한 LC 공진을 발생하여 2차적으로 초고속 DC 차단기가 동작하도록 제 2 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성한다. 이때, LC 공진을 통해 커패시터에서 방전된 전류(Iprotect)가 사고전류(Ifault)에 더해지며 메인스위치(110)에 흐르는 전류(ISW)를 증가하게 된다. 이를 수식으로 나타내면, 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112016108595571-pat00002
상기 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)는 제 2 스위칭소자(130) 및 제 3 스위칭소자(140)와 서로 순방향으로 연결되고, 각각 고전압 DC 선로(10)를 따라 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 경우에 전류(Idc)의 흐르는 방향과 동일한 순방향으로 제 2 스위칭소자(130) 및 제 3 스위칭소자(140)에 각각 구비되는 애노드(부재번호 미기재)나 캐소드 단자(부재번호 미기재)가 배치된다.
또한, 상기 인덕터(LDCCB)는 제 3 스위칭소자(140)와 제 5 스위칭소자(160)와 서로 순방향으로 연결되고, 각각 고전압 DC 선로(10)를 따라 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 경우에 전류(Idc)의 흐르는 방향과 동일한 순방향으로 제 3 스위칭소자(140) 및 제 5 스위칭소자(160)에 각각 구비되는 애노드(부재번호 미기재)나 캐소드 단자(부재번호 미기재)가 배치된다.
상기 제 2 스위칭소자(130), 제 3 스위칭소자(140) 및 제 5 스위칭소자(160)의 순방향 배치는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 DC 차단기를 초기 가동하거나, DC 선로(10)에 따라 정상적인 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 경우에 전류(Idc)의 흐르는 방향과 순방향으로 애노드와 캐소드 단자가 배치됨을 의미한다.
제 3 스위칭소자(140)는 상기 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)와 직렬연결되도록 상기 DC 선로(10)에 연결되어 복수의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 각각 충전된 -Vc 전압이나 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스가 상기 메인스위치(110)로 공급되도록 스위칭한다.
한편, 상기 제 3 스위칭소자(140)와 복수개의 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn) 사이에는 복수개의 제 4 스위칭소자(150)가 서로 순방향으로 각각 연결된다. 이때, 상기 각각의 제 4 스위칭소자(150)는 순차적으로 스위칭되도록 제어하여 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 온(on)되어 첫 번째 위치하는 제 1 커패시터(C1)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하고, 상기 제로 크로싱을 통한 사고전류 차단이 실패했을 경우, 상기 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 오프(off)되고 두 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150b)가 온(on)되어 상기 두 번째 위치하는 제 2 커패시터(C2)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하여 사고전류 차단을 수행한다. 이와 같은 방법으로 사고전류의 차단이 성공될 때까지 순차적으로 복수의 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 제 1 제로 크로싱(Zero-crossing)을 연속적으로 생성할 수 있도록 제 4 스위칭소자(150)는 순차적으로 스위칭한다.
제 6 스위칭소자(160)는 인덕터(LDCCB)와 직렬연결되도록 상기 DC 선로에 연결되어 제 1 제로 크로싱(Zero-crossing)을 통한 사고전류의 차단이 실패할 경우, 제 6 스위칭소자(160)를 통해 인덕터(LDCCB)와 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)와 연결하여 LC 공진회로를 구성하여 LC 공진을 통한 초고속 DC 차단기의 2차 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하여 사고전류 차단을 수행한다.
이때, 제 1, 2 제로 크로싱 생성 시에는 메인스위치(110)를 오픈하여 사고전류를 차단한다.
그리고 상기 제 1 내지 제 5 스위칭소자(120 내지 160)는 하나 이상의 전력 반도체 스위치(G1,G2)를 통해 이루어진다. 이때, 하나의 전력 반도체 스위치는 다이오드(diode), 사이리스터(thyristor), GTO, IGCT, IGBT 등으로 구현될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 충전된 커패시터를 사용한 초고속 DC 차단기의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다.
먼저, 초고속 DC 차단기는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 초기 기동시 복수개의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 연결되어 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 +Vc 전압을 충전한다. 이때, 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 +Vc 전압을 충전하기 위해 충전저항(R1)을 구성한다.
상기 충전저항(R1)은 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)와 직렬로 배치되도록 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)와 접지(GND) 사이에 연결된다. 즉, 충전저항(R1)은 상기 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn) 및 제 3 스위칭소자(140) 간의 접점과 접지(GND) 사이에 연결되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 DC 차단기의 초기 기동 시 메인스위치(110)를 통해 전류(Idc)가 정상적으로 흐르는 경우, DC 선로(10)에 DC 전압이 인가되면 모든 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 +Vc 전압이 충전되게 된다. 이때, 제 5 스위칭소자(160)는 오프되어 차단된 상태를 유지한다.
도 3 및 도 4 는 도 1에 도시된 고전압 DC 선로의 일측에 고장발생시 초고속 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 회로도이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 DC 차단기는 DC 선로(10)를 따라 전류(Idc)가 정상적으로 흐르는 정상 상태인 경우에는 메인스위치(110)가 닫혀 있다. 또한 제 2 스위칭소자(130)와 제 3 스위칭소자(140)는 모두 오프(off)되어 차단된 상태를 유지한다. 이에 따라 DC 선로(10)에 전압이 인가되면 정상전류(Idc)는 메인스위치(110)를 통해 DC 선로(10)를 따라 흐르게 되고, 또한 복수개의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)는 직렬로 배치된 충전저항(Rch)을 통해 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 DC 전압(+Vc)이 충전된다.
그리고 고전압 DC 선로의 타측(B)에 고장이 발생한 경우는 제어부(미도시)에서 공지된 기술을 이용하여 고장발생을 감지하여 메인스위치(110)를 개방시킨다. 상기 메인스위치(110)가 개방될 때 메인스위치(110)의 스위칭단자 간에 아크(arc)가 발생하여 일측(A)에서 타측(B)으로 사고전류(Ifault)가 지속적으로 흐르게 된다.
DC 선로(10)의 타측(B)에 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방되고, 상기 메인스위치(110)의 개방 시 아크(arc)가 발생하면, 제 3 스위칭소자(140)는 오프(off)된 상태에서 제 2 스위칭소자(130)가 온(on) 된다. 이때, 제 4 스위칭소자(150) 중 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)만 온 되고, 나머지 모든 제 4 스위칭소자(150b 내지 150n)는 오프 된다.
이처럼, 제 2 스위칭소자(130) 및 첫 번째 제 4 스위칭소자(150a)가 온(on)되면 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 제 2 스위칭소자(130)와 첫 번째 위치하는 제 1 커패시터(C1)가 폐로를 형성하여 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 +Vc 전압이 -Vc 전압으로 방전된 후 상기 제 2 스위칭소자(130)가 오프(off) 된다. 이때, 사고의 종류 및 사고 전류의 크기에 따라 방전량이 조절된다.
제 2 스위칭소자(130)가 오프(off)되면 제 3 스위칭소자(140)가 온 되어 상기 제 1 커패시터(C1)에서 방전된 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 타측(B) 방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 초고속 DC 차단기에 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성함으로써, 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호한다.
상기 제 2 스위치소자(G2)가 오프 되면, 본 발명의 초고속 DC 차단기는 메인스위치(110)의 개폐로 동작을 수행한다.
한편, 상기 제 1 커패시터(C1)를 통해 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성 후에도 타측(B) 고장이 제거되지 않게 되면, 상기 메인스위치(110)의 개방으로 아크(arc)가 다시 발생하게 된다. 그러면, 다시 제 3 스위칭소자(140)는 오프(off)된 상태에서 제 2 스위칭소자(130)가 온(on) 된다. 이때는, 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)는 오프 되고, 두 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150b)는 온 된다.
이처럼, 제 2 스위칭소자(130) 및 두 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150b)가 온(on)되면 제 2 스위칭소자(130)와 두 번째 위치하는 제 2 커패시터(C2)가 폐로를 형성하여 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 +Vc 전압이 -Vc 전압으로 방전된 후 상기 제 2 스위칭소자(130)가 오프(off) 된다. 이때도, 사고의 종류 및 사고 전류의 크기에 따라 방전량이 조절된다.
제 2 스위칭소자(130)가 오프(off)되면 제 3 스위칭소자(140)가 온 되어 상기 제 2 커패시터(C2)에서 방전된 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 타측(B) 방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 초고속 DC 차단기에 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성함으로써, 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호한다.
상기 제 2 스위치소자(G2)가 오프 되면, 본 발명의 초고속 DC 차단기는 메인스위치(110)의 개폐로 동작을 수행한다.
한편, 상기 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성 후에도 타측(B) 고장이 제거되지 않게 되면, 위에서 설명하고 있는 방법을 반복하여 복수개의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)의 순차적인 개폐로 동작을 통해 고장이 제거될 때까지 순차적으로 제 1 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성한다. 이때, 제 1 제로 크로싱 생성 시에는 메인스위치(110)를 오픈하여 사고전류를 차단한다.
한편, 상기 제 1 제로 크로싱(Zero-crossing)을 통한 사고전류의 차단이 실패할 경우, 제 6 스위칭소자(160)를 통해 인덕터(LDCCB)와 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)와 연결하여 LC 공진회로를 구성하여 LC 공진을 통한 초고속 DC 차단기의 2차 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하여 사고전류 차단을 수행한다. 이때, 제 2 제로 크로싱 생성 시에는 메인스위치(110)를 오픈하여 사고전류를 차단한다.
한편, 상기 LC 공진을 통해 커패시터에서 방전된 전류(Iprotect)는 사고전류(Ifault)에 더해지며 메인스위치(110)에 흐르는 전류(ISW)를 증가하게 된다.
이어 상기 메인스위치(110)에서 발생한 아크가 소호된 후에, 제 2 스위칭소자(130)가 오프(off)로 인해 상기 제 6 스위치(160)를 통해 흐르는 전류에 의해 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)는 다시 +Vc 전압으로 재충전된 후 상기 제 3 스위칭소자(130)가 오프 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고속 DC 차단기는 복수 번의 공진을 통해 메인스위치(110)에 발생한 아크를 n차에 걸쳐서 각각 소호하여 아크를 통해 흐르는 사고전류를 차단하도록 구성한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 일측(A)과 타측(B)을 연결하는 DC 선로에 연결된 메인스위치와,
    DC 선로의 일측에 고장이 발생하면 상기 메인스위치와 병렬로 연결된 제 1 ~ n(n은 자연수) 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 순차적으로 폐로를 형성하는 커패시터 회로와,
    상기 메인스위치 및 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 각각 폐회로를 형성하도록 스위칭하는 1 ~ n개의 제 4 스위칭소자와,
    상기 커패시터 회로와 직렬연결되고, 상기 메인스위치와 병렬연결되어 상기 폐회로를 통해서도 DC 선로의 사고전류 차단이 실패하면, 복수개의 커패시터(C1 내지 Cn)와 연결하여 LC 공진회로를 구성하여 LC 공진을 형성하는 인덕터와,
    상기 메인스위치와 인덕터를 통해 LC 공진을 형성하도록 스위칭하는 제 5 스위칭소자와,
    상기 메인스위치와 직렬연결되고, 상기 커패시터 회로에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 공진이 발생하도록 하여 상기 제 1 내지 n 커패시터(C1 내지 Cn)에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 제 1 스위칭소자와,
    상기 메인스위치와 커패시터 회로의 양측 사이에 연결되어 상기 폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제 2 스위칭소자 및 제 3 스위칭소자를 포함하고,
    상기 커패시터 회로는 사고의 종류 및 사고 전류의 크기에 따라 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)의 방전량을 각각 조절하여 초고속 DC 차단기가 동작하도록 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하는 것을 특징으로 하는 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터 회로는 제 2 스위칭소자 및 상기 제 3 스위칭소자와 서로 순방향으로 연결되고, 각각 고전압 DC 선로를 따라 전류(Idc)가 일측(A)에서 타측(B)으로 흐르는 경우에 전류(Idc)의 흐르는 방향과 동일한 순방향으로 제 2 스위칭소자 및 제 3 스위칭소자에 각각 구비되는 애노드나 캐소드 단자가 배치되는 것을 특징으로 하는 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 스위칭소자는 상기 커패시터 회로와 직렬연결되도록 복수개의 커패시터와 상기 DC 선로에 연결되어 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)에 충전된 -Vc 전압이나 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스가 상기 메인스위치로 공급되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1 ~ n개의 제 4 스위칭소자는 순차적으로 스위칭되도록 제어하여 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 온(on)되어 첫 번째 위치하는 제 1 커패시터(C1)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하고, 상기 제로 크로싱을 통한 차단이 실패했을 경우, 상기 첫 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150a)가 오프(off)되고 두 번째 위치하는 제 4 스위칭소자(150b)가 온(on)되어 상기 두 번째 위치하는 제 2 커패시터(C2)를 통한 초고속 DC 차단기의 제로 크로싱(Zero-crossing)을 생성하여 차단을 수행하며, 위와 같은 방법으로 사고전류의 차단이 성공될 때까지 순차적으로 복수의 제 1 ~ n 커패시터(C1 내지 Cn)를 통해 제로 크로싱(Zero-crossing)을 순차적으로 생성하여 사고전류 차단을 수행하는 것을 특징으로 하는 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자는 하나 이상의 전력 반도체 스위치(G1,G2)를 통해 이루어지며,
    이때, 상기 전력 반도체 스위치는 다이오드(diode), 사이리스터(thyristor), GTO, IGCT, IGBT 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 충전된 커패시터와 직렬 인덕터를 사용한 초고속 DC 차단기.
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