KR101948824B1 - 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 그와 관련된 트립 방법 및 높은 진류 전류를 차단하는데 있어서의 그의 이용 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)와 고 전압의 교류 전류 및 직류 전류를 차단하는 그의 관련 트리거링 방법에 관한 것이다.

Description

기계 전자 회로 차단기 디바이스와 그와 관련된 트립 방법 및 높은 진류 전류를 차단하는데 있어서의 그의 이용{MECHATRONIC CIRCUIT BREAKER DEVICE AND ASSOCIATED TRIPPING METHOD AND USE THEREOF IN INTERRUPTING A HIGH DIRECT CURRENT}
본 발명은 새로운 기계 전자 회로 차단기 디바이스(mechatronic circuit-breaker) 및 그의 관련 트리거링 방법에 관한 것이다.
본 발명의 주요한 목표 애플리케이션은, 전송 및/또는 분배 라인에 있어서 전형적으로 50kV를 초과하는, 최대 800kV(DC) 및 그 이상의 피크-투-피크 전압 레벨(peak-to-peak voltage level)의 높은 직류 전류(high direct current)를 차단하는 것이다. 용어, 고-전압 직류(high-voltage direct current: HVDC)는 본 애플리케이션 분야에서 통상적으로 이용되는 표현이다.
본 발명은 또한, 보다 낮은 피크-투-피크 전압, 전형적으로는 1kV 내지 50kV 범위의 전압의 직류 전류를 차단하거나 또는 교류 전류를 차단하는 것에 적용될 수 있다.
HVDC 전송 및/또는 분배 네트워크에 있어서 전류를 차단하는 것은 지극히 중요하게 되었는데, 그 이유는 그의 통제가 상기 네트워크의 확장에 영향을 미치기 때문이다.
오늘날, 모든 네트워크 플레이어들간에는 그러한 차단을 달성하기 위해 채택할 방식에 대한 여론이 떠오르고 있는 것 같다. 즉, 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 형성하는 디바이스를 생성하기 위해, 수밀리초 미만의 시간에 전류를 차단하는 것이 필요한데, 이것은 최소 삽입 손실로 폐쇄 위치에서 정상 전류(steady current)를 통과시키고 그에 따라 반도체 차단기 부품 또는 부품들에 있어서의 높은 손실을 피할 수 있으며, 개방 위치에서 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에서의 회복 전압(recovery voltage)을 견딜 수 있는 적어도 하나의 기계적 스위치-단로기(mechanical switch-disconnector) 및 에너지 흡수기(energy absorber)와 전기적으로 병렬로 적어도 하나의 반도체 부품 차단기 셀을 조합함에 의해 이루어진다.
특허출원 EP1538645호에는 기계 전자 회로 차단기 디바이스 원리가 설명되어 있다. 이상적으로는 차단기 반도체 부품으로서 IGTC 사이리스터(thyristor)를 이용하여 높은 직류 전류를 차단할 수 있을지라도, 실질적으로는 도 5a에 도시된 톰슨형 기계적 스위치(Thomson-type mechanical switch)를 이용할 수 없었던 것으로 보인다. 또한 상기한 문서를 읽어보면, 전형적으로 50kV를 초과하는, 매우 높은 피크-투-피크 전압 레벨에서 직류 전류를 차단할 수 있는지의 여부와, 그 방법에 대해서 불명확하다. 또한, 보조 브랜치(auxiliary branch)내의 사이리스터의 자동 턴 오프 모드(the mode of automatic turning off)는, 기계적 스위치가 완전 개방되는 시간이 주 브렌치에서 보조 브렌치로 스위칭하는데 이용된 진동 회로(oscillatory circuit)의 고유의 반주기(half-period)보다 짧다는 것을 전제로 한다. 이러한 종속성은 좋지 않은데, 그 이유는 기계적 스위치의 생성을 위해 이용할 수 있는 기술을 고려할 때, 이러한 진동 회로의 고유 주파수를 선택하는 기준이 너무 높은 고유 주파수를 야기할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 특허출원 EP1538645호는, IGCT 사이리스터가 그들 자신을 턴 오프시킬 수 있는 필요 조건인, 전류가 0을 교차하도록 1차 전류(primary current)의 진동이 저절로 생성될 수 있다고 간주한다. 실제에 있어서, 고장이 발생하는 시점에 네트워크 L에 존재하는 전자기 에너지로 인해, 진동 회로의 삽입이 1차 전류에 큰 영향을 주지는 못한다. 다시 말해, 이 원리는, 1kA의 전류 및 100kV의 전압을 초과하는 공칭 1차 크기(primary magnitude)의 경우, 직류 전류 에너지 전송 애플리케이션에 적용할 수 없다.
보다 최근에 특허출원 WO 2011/057675호는, IGBT 트랜지스터, 역병렬 다이오드 및 션트 배리스터(shunt varistor)로 이루어진 차단기 셀과 전기적으로 직렬인 기계적 스위치 단로기를 가지며, 공칭 상황(nominal regime)하에서 정상 전류를 운송하는 주 브렌치와; 각각이 IGBT 트랜지스터와 역병렬 다이오드로 구성된 다수의 차단기 셀을 가진 단일의 보조 브렌치를 구비하되, 보조 브렌치의 진성 저항이 주 브렌치의 진성 저항보다 훨씬 낮은, 이러한 유형의 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 생성하는 것을 제안하였다. 그러한 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 이하의 방식으로 기능할 것이다. 즉, 정상 조건하에서, IGBT 트랜지스터는 온(ON) 상태이고, 기계적 스위치 단로기는 폐쇄되며, 보조 브렌치의 차단기 셀의 모든 IGBT 트랜지스터들은 오프(OFF) 상태이다. 그러므로, 정상 조건하에서는 주 브렌치에 정상 전류가 흐른다. 적어도 전류 서지(current surge)로 반영되는 HDVC 전송 라인상에서의 고장의 경우, 보조 브렌치의 차단기 셀의 IGBT 트랜지스터들의 모두는 온 상태로 스위칭되고, 주 브렌치의 차단기 셀의 IGBT 트랜지스터는 오프 상태로 스위칭된다. 모든 전류는 보조 브렌치로 스위칭되며, 기계적 스위치 단로기는 개방된다. 보조 브렌치의 차단기 셀의 IGBT 트랜지스터는 비 도통 상태(non-conducting state)로 변경되며, 전류는 배리스터로 스위칭된다.
상술한 유형의 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 많은 단점을 가진다. 우선, 장래 개발 작업의 결과로서, 오늘날의 반도체(IGBT 트랜지스터) 회로 차단기와 동일한 기능을 달성할 수 있고, 1밀리초(ms) 미만에서 2kA의 전류를 차단할 수 있고, 2kV의 전압을 견딜 수 있는 전기 기계 회로 차단기가 생성되었다면, 그 유형의 회로 차단기는 직렬 접속된 기계적 스위치 단로기와 IGBT 트랜지스터를 대신하여 주 브렌치내에 자체적으로 포함될 수 있었음을 나타낸다(19페이지 7-18라인 참조). 그러한 전기 기계 회로 차단기를 생성하는 것은 먼저 매우 고가의 개발 작업을 요구하고, 두 번째로 아크(arc)의 생성 및 그에 따른 관련 마모(wear)의 생성에 의한 유지 보수의 증가를 필요로 한다. 더욱이, 상술한 출원 WO 2011/057675호에 제안된 실시 예 모두에서는, 먼저 공칭 상황에서 정상 전류를 운송하는 주 브렌치에 제공된 IGBT 트랜지스터의 보호를 가능하게 하고, 두 번째로 온 상태에서 오프 상태로 스위칭하는 동안에 보조 브렌치로의 전류의 스위칭을 도모하는 장치가 제공되지 않는다. 마지막으로, 제안된 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 주요 단점은, 주 브렌치의 IGBT 트랜지스터 모두의 순시적 스위칭을 달성하기 위해 그의 동작이 매우 높은 구동 전원을 취한다는 것이다. 특허출원 WO 2011/057675에 설명된 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 그 브렌치들에 있어서 전류를 수립하기 위한 시간이 무시되었기 때문에 작동하지 못할 수 있다. 그 시간은, 예를 들어, 100kV를 초과하는 전압에 대해 상기 청구된 애플리케이션에서 필요한 큰 치수를 고려하면, 극도로 길 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 IGBT 트랜지스터를 제어하는 것은 실질적으로 복잡하다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 단점, 특히 상술한 특허출원 EP1538645 및 WO 2011/057675의 단점의 일부 또는 전부를 완화시키는 새로운 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 제안하기 위한 것이다.
특정 목적은 매우 넓은 전압 범위, 전형적으로는 15kV 내지 145kV 범위내의 교류 전류를 차단하고, 전형적으로 40kV(DC) 내지 600kV 범위의 피크-투-피크 전압에서 및 전형적으로 1.5kA 내지 4.5kA 범위의 넓은 전류 범위에 대해, 직류 전류를 차단하는 데 적합한 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 제안하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 전력 전송 수단을 통해 흐르는 전류를 차단하기 위한 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 제공하는데, 그 기계 전자 회로 차단기 디바이스는,
ㆍ제어 듀티비(controlled duty ratio)을 가진 적어도 하나의 파워 반도체 소자로 구성되는 적어도 하나의 차단기 셀과 직렬로 접속된 적어도 하나의 기계적 스위치 단로기를 구비하는 적어도 하나의 서브-브렌치를 구비하는 적어도 하나의 주 모듈을 구비하는 주 브렌치와;
ㆍ주 브렌치와 전기적으로 병렬인 보조 브렌치; 및
ㆍ주 브렌치와 전기적으로 병렬인 적어도 하나의 주 전압 서지 리미터(surge limiter)를 포함하고,
상기 보조 브렌치는,
ㆍ 타이밍 서브-브렌치라고 하는 적어도 하나의 제 1 서브-브렌치 - 상기 제 1 서브-브렌치는 주 브렌치와 관련되는 타이밍 서브-브렌치의 누설 인덕턴스(leakage inductance)와 타이밍 서브-브렌치의 모든 부품의 분배 저항을 정의하고, 다수의 파워 사이리스터(power thyristor)가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 1 차단기 셀을 구비하며, 타이밍 서브-브렌치들 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 제 1 커패시터가 그의 방전 저항 및 전압 서지 리미터와 전기적으로 병렬인, 적어도 하나의 제 1 스위칭 지원 모듈을 구비함 - 와;
ㆍ 접극자-서브-브렌치(arming sub-branch)라고 하는 제 2 서브 브렌치 - 상기 제 2 서브-브렌치는 타이밍 서브-브렌치와 전기적으로 병렬이고, 타이밍 서브-브렌치와 관련되는 접극자-서브-브렌치의 누설 인덕턴스와 접극자-서브-브렌치의 모든 부품의 분배 저항을 정의하며, 다수의 파워 사이리스터가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 2 차단기 셀을 구비하며, 또한 방전 저항 및 전압 서지 리미터와 전기적으로 병렬인 적어도 하나의 제 2 커패시터를 구비하는 적어도 하나의 제 2 스위칭 지원 모듈을 구비함 - 를 구비한다.
"파워 사이리스터"는 통상적인 의미의 사이리스터, 즉, 그의 트리거(trigger)에 의해 턴 온되지만 턴 오프는 되지 않고, 0을 교차하는 그의 입력에서의 전류에 의해서 턴 오프가 트리거되는 반도체 전자 스위치를 의미한다. 따라서, 그것은 실리콘, 실리콘 카바이드(silicon carbide) 또는 갈륨 질화물 유형의 반도체상에 생성되거나 또는 고전압 파워 스위칭 애플리케이션에 적당한 임의 다른 반도체 소자상에 생성되건 간에, PPT(pulsed power thyristor) 또는 GTO(gate turn-off) 사이리스터라고 하는 그의 변형을 지칭한 것일 수 있다.
따라서, 이러한 방식으로 정의된 각 누설 인덕턴스는, 주 브렌치 또는 다른 서브-브렌치에 연관되는 경우 적어도 관련된 서브-브렌치의 자기-인덕턴스(self-inductance)를 구비할 수 있다. 이러한 자기-인덕턴스는 추가적인 시리즈 인덕턴스(series inductance)와 연관되며, 그의 역할은 전류가 다음 서브-브렌치에서 수립될 때, di/dt로 표시되는 시간에 대한 전류의 드리프트(drift)를 제한하는 것이다. 또한, 각 서브-브렌치의 파워 사이리스터는, 그것을 여러 개 사용함으로부터 결과하는 큰 치수를 고려해볼때, 누설 인덕턴스의 값에 기여한다.
유사하게, 각 분배 저항은 적어도 관련된 서브-브렌치를 구성하는 부품들 및 컨덕터(conductor)들의 저항을 구비하는데, 그 저항은 고주파수의 관점으로부터, 즉, 표피 효과(skin effect)를 감안하여 고려된다. 그 저항값은 주파수에 따라 증가한다. 이러한 고유 저항에 다수의 부품내에 분배되는 저항이 추가되며, 그의 역할은, 인덕턴스와 관련하여, 고속 스위칭을 위해 필요한 상황, 즉, 임계적 댐핑 상황(critical damped regime)으로 되는 경우보다 더 낮은 값을 채택하면서 전류의 di/dt 값을 제어하는 것이다.
변형에 있어서, 각 스위칭 지원 모듈은 다수의 사이리스터와 직렬 접속된 저항 및 인덕터를 구비할 수 있다.
본 발명의 기본적인 사상은, 먼저 주 브렌치가 정상 조건하에서 매우 낮은 손실로 정상 전류를 통과할 수 있게 하고, 적어도 하나의 기계적 스위치-단로기가 그의 개방 위치에서 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에서의 회복 전압을 견딜 수 있으며, 주 브렌치에서 전류 서지가 발생한 경우에 그와 동시에 주 전압 서지 리미터가,
ㆍ 전류의 전체 소멸(total extinction);
ㆍ 주 브렌치를 개방시키는 시점에 그 라인에 존재하는 전자기 에너지(electromagmetic energy)의 임시 저장; 및
ㆍ 필요한 경우 신속한 작업 사이클을 충분히 빠르게 보장하도록 및 유지 보수 개입의 경우에 담당자의 안전을 보장하기 위해 에너지를 배출할 수 있도록 하는,
멀티-브렌치 기계 전자 회로 차단기 디바이스 아키텍쳐를 제안하는 것이다.
물론 전압 서지 리미터의 레이팅(rating)은 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 삽입되는 전기 에너지 전송 수단의 전압 및 저장되고 소진될 에너지에 맞게 조정된다. 그것은 그 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에서의 과도 회복 전압의 최대값을 결정한다. 그것은, 또한, 고장의 최종적인 제거 속도를 결정하는데, 그 속도는 리미터의 임계 전압이 증가함에 따라 증가한다.
본 발명은 주 브렌치에 있어서의 전류 서지의 발생시 또는 특정 지시를 수신하면, 동시에,
ㆍ 주 브렌치로부터 주 전압 서지 리미터로 전류의 전달;
ㆍ 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에서의 전압이, 차단 단계 동안에 그의 모든 부품의 절연 세기 레이팅(dielectric strength rating) 아래로 유지되도록 제어; 및
ㆍ 과도 회복 전압의 전개, 특히, 그의 증가율을 제어할 수 있게 하는
보조 브렌치를 제공한다.
바람직한 실시 예에 있어서, 에너지 전송 수단을 통해 한 방향 또는 반대 방향으로 도달하는 전류를 차단하기 위해, 주 모듈의 각 서브 브렌치는 파워 반도체소자를 이용하고 서로 간에 역병렬로 접속된 2개의 차단기 셀 사이에 직렬 접속된 적어도 하나의 기계적 스위치-단로기를 구비한다.
본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 바람직한 변형은 주 모듈의 각 차단기 셀과 전기적으로 병렬인 전압 증가 레이트 리미터(a rate of voltage increase limiter)를 구비하고, 전압 증가 레이트 리미터는 커패시터와 전기적으로 직렬인 다이오드로 구성되며, 그 커패시터는 그의 방전 저항과 전기적으로 병렬이다. 주 모듈의 각 차단기 셀과 전기적으로 병렬인 전압 서지 리미터가 또한 바람직하게 제공된다.
바람직한 변형에 있어서, 주 모듈의 서브-브렌치의 각 차단기 셀은 제어 도통율(controlled rate of conduction)을 가진 적어도 하나의 파워 반도체 소자로 구성되며, 주 모듈의 각 서브-브렌치는 차단기 셀과 역병렬로 접속된 다이오드를 구비한다.
변형에 있어서, 주 모듈의 차단기 셀의 제어 듀티비를 가진 파워 반도체 소자는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)이다.
바람직한 변형에 있어서, 주 모듈의 서브-브렌치의 차단기 셀의 제어 듀티비 파워 반도체 소자는 적어도 하나의 필드 효과 트랜지스터와, IGBT로 구성되며, IGBT는 필드 효과 트랜지스터의 드레인을 IGBT의 에미터에 접속시킴에 의해 필드 효과 트랜지스터와 전기적으로 직렬 접속되고, 필드 효과 트랜지스터와 IGBT의 게이트 G는 캐스코드(cascode) 회로 유형의 스위칭 동작을 보장하는 제어 회로에 접속된다. 정상 전류의 값을 운반하는 기능으로서, 주 브렌치는 서로 간에 전기적으로 병렬인 다수의 주 모듈을 구비하며, 바람직하게, 각 주 모듈은 서로 간에 전기적으로 병렬인 다수의 서브-브렌치를 포함한다. 바람직한 실시 예에 있어서, 보조 브렌치는 서로 간에 전기적으로 병렬인 적어도 2개의 타이밍 서브-브렌치를 구비하며, 제 2 타이밍 서브-브렌치는 다수의 파워 사이리스터가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 3 차단기 셀과 적어도 하나의 제 3 스위칭 지원 모듈을 구비하며, 제 3 스위칭 지원 모듈은 적어도 하나의 제 3 커패시터, 적어도 하나의 제 3 인덕터 및 제 3 커패시터와 전기적으로 직렬인 적어도 하나의 제 3 저항을 구비하고, 제 3 커패시터는 그의 방전 저항 및 전압 서지 리미터와 전기적으로 병렬이고, 전압 서지 리미터는 저항과 직렬이다.
바람직한 변형에 있어서, 각 주 모듈의 각 서브-브렌치의 각 기계적 스위치-단로기는 전기적으로 직렬인 2개의 진공 인터럽터(vacuum interrupter)로 구성된다.
본 발명은 고전압 교류 전류 또는 직류 전류 전기적 에너지 전송 수단에 설치될 전기적 스위치기어 세트(a set of electrical switchgear)를 제공하는데, 그 스위치기어는 상술한 기계 전자 회로 차단기 디바이스와, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 두 단말의 각각과 직렬 접속된 적어도 하나의 전기적 접지 스위치를 구비한다.
이러한 스위치기어 세트는 바람직하게, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에 전기적으로 병렬 접속되어, 명령에 따라 및 특정 기간 동안에, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 차단 용량보다 큰 과도 전류가 그 자신을 통과하지 않고 회로 차단기 디바이스의 하나의 단말에서 다른 단말로 흐르도록 하는 브리징 스위치(bridging switch)를 구비한다.
그것은, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말의 어느 한 쪽상에는 접지 스위치의 전기적 접속 단자의 외부에서 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 전기적으로 직렬 접속된 단로기를 추가로 구비함이 바람직하다. 스위치기어 세트는, 바람직하게, 접지 스위치의 전기적 접속 단자와 단로기 사이에, 단로기와 전기적으로 직렬인 전기적 저항을 삽입하는 스위치 또는 디바이스를 더 포함한다. 삽입될 저항의 값은 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 전기적으로 직렬 접속되는 라인 또는 케이블의 특성 임피던스와 동일함이 바람직하다. 따라서, 전기적 저항은, 바람직하게, 100ohm(Ω) 내지 1000Ω 범위의 저항값을 가진다.
바람직한 변형에 있어서, 스위치기어 세트는 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 전기적으로 직렬인 추가적인 회로 차단기를 구비하며, 그 추가적인 회로 차단기는 낮은 전류를 차단한다. 차단된 낮은 전류는 전형적으로 100A 미만이다. 그러한 추가적인 회로 차단기는 MRTB(metallic return transfer breaker)일 수 있다. 그것은 또한 기계적 아크-소멸형 회로 차단기(mechanical arc-extinction type circuit-breaker)일 수 있다.
바람직하게, 스위치기어 및 추가적인 회로 차단기는 개별적으로 또는 조합하여 모듈로 고안(modular design)됨이 바람직하다.
본 발명은 상술한 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 트리거하는 방법을 제공하는데, 그 방법에서는, 주 브렌치에 정상 전류가 존재하는 경우에만 및 특정 지시가 없는 경우에, 각 스위치 단로기가 폐쇄 위치에 유지되고, 제어 듀티비 파워 반도체 소자가 온 상태로 세트되고, 보조 브렌치의 파워 사이리스터가 오프 상태로 세트되며, 특정 명령의 수신 또는 상기 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 주 브렌치에 있어서의 전류 서지의 경우에, 상기 방법은,
a) 각각의 기계적 스위치 단로기를 개방시키는데 필요한 기간 동안에 모든 전류를 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치로 우회시키기 위해 각 스위치 단로기를 폐쇄된 채로 유지시키면서, 제어 듀티비 파워 반도체 소자 또는 소자들을 온 상태에서 오프 상태로 스위칭하는 단계;
b) 단계 a)와 동시에, 주 브렌치 및 보조 브렌치의 단말에서의 전압 레벨이 주 브렌치, 접극자 브렌치 또는 전압 서지 리미터의 그 어디에서도 전류가 흐르지 못하게 하는 레벨로 되도록, 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 스위칭하고, 각 기계적 스위치 단로기의 개방 위치에서 접극자 브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 후속적으로 스위칭하고, 각 기계적 스위치 단로기의 개방 위치에서 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치의 파워 사이리스터를 온 상태에서 오프 상태로 후속적으로 스위칭하는 단계;
c) 단계 b)가 완료되면, 각 기계적 스위치 단로기를 개방시키는 단계;
d) 단계 c)가 완료되고, 각 기계적 스위치 단로기가 그의 개방 위치에 도착하면, 단말에서의 전압 레벨이 전압 서지 리미터 또는 리미터들로 모든 전류가 우회할 수 있도록 하는 레벨로 되도록 접극자-서브-브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 스위칭하는 단계; 및
e) 주 전압 서지 리미터 또는 리미터들에 의해 전류를 소멸시키는 단계를 포함한다.
바람직한 변형에 있어서, 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 직렬인 적어도 하나의 단로기를 개방시킴에 의해 임의의 잔류 누설 전류를 제거하는 단계 f)가 추가로 달성된다.
마지막으로, 본 발명은 상술한 방법을 채용한 모니터링 및 제어 시스템과 관련된다.
본 발명의 다른 장점 및 특징은 이하의 첨부된 도면을 참조하여 상세한 설명을 읽으면 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 전체적인 전기적 아키텍쳐를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 제 1 실시 예의 전기적 회로도,
도 2a 내지 도 2h는 고장 전류(fault current)의 발생에 응답하여 여러 트리거링 단계들의 기능으로서 도 2의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 전기적 등가 회로도
도 2i는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 제 1 실시 예의 전기적 회로도,
도 3은 도 2a 내지 도 2h의 여러 단계들과 상관되는 시간의 함수로서의 도 2의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 여러 브렌치들내의 전류 곡선을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 포함하는 전기적 스위치기어 세트의 전체적인 아키텍처를 나타낸 블럭도,
도 5는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 주 브렌치의 주 모듈의 일 실시 예의 전기적 회로도,
도 5a는 모듈이 모듈로 구조인 도 5에 도시된 주 모듈의 변형의 전기적 회로도,
도 6은 모듈로 구조인 도 5로부터의 주 모듈의 실시 예의 전기적 회로도,
도 6a는 도 6에 도시된 주 모듈의 변형의 전기적 회로도,
도 7은 본 발명의 차단기 셀의 변형의 전기적 회로도.
분배 및/또는 전송 라인에 있어서의 높은 직류 전류를 차단하는 애플리케이션을 참조하여 특정하게 설명되었지만, 본 발명의 다른 애플리케이션도 예상될 수 있을 것이다.
특히, 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 교류 전류를 차단하는데 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 가스-절연 라인(gas-insulate line: GIL)에 이용될 수 있다.
도 1에는 최대 320kV DC까지의 피크-투-피크 전압 범위내의 전송 네트워크 L에서의 고 직류 전류를 차단하기 위한 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)의 전체적인 전기적 아키텍처가 도시된다. 본 발명자들은 이러한 유형이 최대 500kV까지 또는 그 이상의 피크-투-피크 전압 범위내의 직류 전류를 차단할 수 있다고 믿는다.
그러한 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)는 먼저, 1차 전류가 정상 상태하에서 흐르는 주 브렌치(10)를 구비한다. 그것은, 서로 간에 전기적으로 병렬인 다수의 동일한 주 모듈(10.1, 10.2, 10.n)을 구비한다. 주 모듈(10.1, 10.2, 10.n)의 각각은 서로간에 전기적으로 병렬이고, 기능적으로 동일한 다수의 서브-브렌치로 구성된다. 각 브렌치 및 서브-브렌치와, 그들의 관련 전자 부품들의 기능은, 적어도 서지 전류로 반영되는, 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 집적화된 네트워크 L에서의 고장의 발생시의 전류 인터럽트 동작이다.
각 주 모듈은 2개의 전자 스위칭 지원 서브 모듈과 전기적으로 직렬인 적어도 하나의 기계적 스위치-단로기(100)를 구비한다. 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 집적화된 네트워크의 전압이 높아지면, 직렬 접속된 기계적 스위치 단로기의 개수가 증가된다. 기계적 스위치 단로기는, 전형적으로 수 kA의 교류 전류에 도달할 수 있는 차단 용량(capacity)을 가진 직렬로 된 2개의 진공 인터럽터로 구성됨이 바람직하다. 본 발명의 기계적 스위치 단로기를 동작시키기 위해 특정하게 개발된 전자기 액튜에이터는 본 출원과 동일자로 출원된 "영구 자석 액튜에이터 및 그러한 액튜에이터에 의해 구동되는 기계적 스위치"라는 제목의 특허출원에 설명되고 청구된다.
기계적 인터럽터 단로기의 어느 한 측면상의 각 전자 스위칭 지원 서브-모듈은 하나 이상의 제어 듀티비 파워 반도체 소자들을 구비한다. 거기에는 바람직하게 실리콘 기반 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)들이 있다. 그들은 JFET/BJT 하이브리드 트랜지스터 또는 GTO 사이리스터와 같이 현재 개발 단계에 있는 실리콘 카바이드에 기초한 부품일 수 있다. 각 서브-모듈은 이하의 기능을 제공한다:
ㆍ 다수의 기계적 스위치 단로기의 다수의 서브-브렌치를 병렬로 접속시키는 기능;
ㆍ 이들 서브-브렌치들의 각각에 흐르는 전류를 측정하는 기능;
ㆍ 서브-브렌치들의 여러 부품들의 발열을 제어하기 위해 이들 서브-브렌치들의 각각에 있어서의 전류를 동적으로 밸런싱(balancing)하는 기능.
제어 듀티비 파워 반도체 소자들은 이하의 기능들을 제공한다:
ㆍ 도통 상태에 있어서, 그들의 온 시간과 그들의 오프 시간의 합에 대한 그들의 온 시간의 비율로서 정의된 그들의 듀티비 또는 그들의 도통성을 제어함에 의해 동일 주 모듈(10.1, 10.2,..., 10.n)의 각 서브-브렌치에 있어서의 전류를 조정하여, 그 모듈의 서브-브렌치의 부품들의 열적 밸런싱을 보장하고, 주 모듈(10.1, 10.2,..., 10.n)의 각각에 있어서의 전류를 조정하여 그의 열적 밸런싱을 보장하는 기능;
ㆍ 이하에서 설명하겠지만, 주 브렌치(10)로부터 보조 브렌치(11)로 전류의 고속 스위칭을 인에이블하는 기능;
ㆍ 주 브렌치가 도통 상태로 복귀되도록 하는 기능; 및
ㆍ 서브 브렌치에 있어서의 전류가 다른 서브 브렌치에 있어서의 전류의 평균과 비정상적으로 다르면, 동일 주 모듈((10.1, 10.2,..., 10.n)의 하나 이상의 서브-브렌치를 불활성화시키는 기능 - 이 불활성화는 고장의 원격 시그널링을 유발하고 고장에 의해 영향을 받는 부품들이 안전 상태로 진행되도록 함 -.
온 상태에 있어서, 그들을 통해 흐르는 전류가 상대적으로 높고 그들의 단말에서 전압 드롭(voltage drop)이 있으면, 전자 스위칭 지원 서브-모듈의 전자 부품들의 각각은 상당량의 열을 소진시킨다. 그러므로, 이러한 부품들의 탑재는 이러한 열의 정확한 소진을 보장한다.
이러한 소진은 바람직하게 전자 스위칭-지원 서브-모듈 근처의 공기 또는 가스의 자연적 대류에 의해 수동적으로 이루어지고, 그러한 대류를 최적화하기 위한 상기 서브-모듈의 기하학적 배향에 의해 이루어진다.
바람직한 실시 예에 있어서, IGBT 트랜지스터는 역병렬로 접속된 다이오드들을 갖춘다.
주 브렌치(10)와 병렬인, 보조 브렌치(11)가 제공되는데, 보조 브렌치(11)는 3개의 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2, 11.3)와 하나의 접극자-서브-브렌치(11.4)를 가진다.
서브-브렌치(11.1, 11.2, 11.3, 11.4)의 각각은, 캐스케이드로 된 다수의 파워 사이리스터를 구비한다. 일부 애플리케이션의 경우, 1차 전류의 방향은 반전될 수 있다. 이것은 명백히 교류 전류에서 발생하지만, 직류 전류에서 발생할 수도 있는 데, 이는 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)를 통하는 파워의 흐름 방향이 반전되도록 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)가 위치한 경우에 그러하다. 이것은, 전형적으로, 상호 접속된 HDVC(high-voltage direct current) 네트워크에서 발생한다. 이러한 상황에서는, 다수의 파워 사이리스터들로 된 집합들의 각 집합이 하나의 전류 흐름 방향으로만 되고, 그에 따라 사이리스터 집합들이 역병렬로 상호 접속되도록 파워 사이리스터들의 집합이 각 서브-브렌치에서 중복된다.
다수 그룹의 직렬 접속에 의해 형성된 다수의 파워 사이리스터가 고안될 수 있는데, 그 그룹의 개수는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스에 걸리는 동작 전압에 좌우된다. 이것은 조작될 대상물에 대한 제한 하중, 적당한 최대 높이 - 그 이상에서는 사이리스터 집합의 각각의 정확한 압축을 보장할 수 없음 - 등과 같은 산업적 편리성 때문에 실행될 수 있다. 한 그룹은 캐스케이드로 된 10개의 동일한 파워 사이리스터로 구성됨이 바람직하다.
다수의 사이리스터를 캐스케이드로 형성하기 위해, 각각의 고전압 파워 사이리스터는 그의 게이트 제어 모듈, 그의 전달 커패시터 또는 커패시터들, 및 그의 제어, 그의 모니터링, 그의 안전한 측정에 기여하기 위한 다수의 다른 부품과 연관된다.
게이트 제어 모듈은 그것이 관련되는 파워 사이리스터를 제어한다. 그러므로, 그것은 이하의 기능을 제공한다:
ㆍ 관련된 서브-브렌치에 있어서의 위치에 의거하여, 모니터링 및 제어 시스템에 의해 또는 다른 선행 게이트 제어 모듈에 의해 전달되는 상태 보고 요청을 수신하는 기능;
ㆍ 관련된 서브-브렌치에 있어서의 위치에 의거하여, 모니터링 및 제어 시스템 또는 다음 게이트 제어 모듈로 이러한 시그널링을 복사하여 전송하는 기능 - 모니터링 및 제어 시스템에 의한 이러한 복사본의 수신은 수반된 모든 게이트 제어 모듈이 정확한 동작 상태임을 의미하고, 그의 비 수신은 수반되는 제어 모듈의 적어도 일부가 정확한 동작 상태가 아님을 의미하며, 이 정보는 필요한 경우에 모니터링 및 제어 시스템이 원격 고장 시그널링을 전송할 수 있게 하고, 기계 전자 회로 차단기 디바이스에 대한 안전 전략을 적용할 수 있게 하여, 예를 들어, 완료될 수 없었던 임의 동작을 방지함 - ;
ㆍ 관련된 서브-브렌치에 있어서의 위치에 의거하여 모니터링 및 제어 시스템 또는 다른 선행 게이트 제어 모듈에 의해 전달되는, 도통 명령을 수신하는 기능;
ㆍ 관련된 브렌치에 있어서의 위치에 의거하여 모니터링 및 제어 시스템 또는 다음 게이트 제어 모듈로 그 명령을 복사하여 전송하는 기능;
ㆍ 이러한 명령을 실행하고, 비 도통(오프) 상태에서 도통(온) 상태로 진행하기 위해 요구되는 제어 펄스를 파워 사이리스터에 전달하는 기능;
ㆍ 사이리스터가 도통을 시작하는데 필요한 에너지를 저장하는 기능;
ㆍ 트랜실(Transil) 다이오드로서 알려진 ZnO 또는 파워 제너 다이오드 유형의 하나 이상의 전압 서지 리미터를 통해 전압 서지로부터, 그와 관련된 파워 사이리스터를 보호하는 기능.
주어진 파워 사이리스터의 각 게이트 제어 모듈은 관련되는 전달 커패시터의 단말에 전압이 나타날 때 그를 통해 흐르는 전류로부터 그의 에너지를 도출한다. 그러므로, 이들 커패시터의 기능은 게이트 제어 모듈에 에너지를 전달하는 것이다. 그들은, 체인을 형성하며, 그의 각 링크는 전달 커패시터와 게이트 제어 모듈로 구성되며, 댐핑 저항과 같은 다른 부품에 의해 적절한 곳에 구성된다.
제 1 타이밍 서브-브렌치(11.1)의 기능은, 특히 그의 단말에 회복 전압의 출현시에 타이밍 브렌치의 절연 세기의 보다 큰 부분을 제공하는 것이다.
제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)는 이하의 기능을 제공한다:
ㆍ 각 기계적 스위치-단로기가 개방을 시작하고 제 1 전압 레벨을 견딜 수 있는 충분한 시간 동안에 전류를 우회시키는 기능;
ㆍ 주 브렌치(10)의 파워 반도체 소자와 병렬 접속된 전압 서지 리미터가 도통되지 않도록 충분히 작은 전압 드롭을 보장하는 기능;
ㆍ 적절한 시점에 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)로의 전류의 스위칭을 도모하기 위해 충분히 높은 전압 드롭을 보장하는 기능; 및
ㆍ 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)가 도통하기 시작할 때 그 자신의 파워 사이리스터를 턴 오프시키기에 충분한 전압을 저장하는 기능.
2개의 타이밍 서브-브렌치(11.2, 11.3)의 이용은 주로 파워 사이리스터의 di/dt 및 du/dt 제한에 의해 주로 필요하게 되지만, 또한 제어 듀티비 파워 반도체 소자(IGBT)의 내전압(withstand voltage), 전압 서지 리미터 및 네트워크의 전압값 및 전압 서지값에 의해서도 필요하게 된다. 접극자-서브-브렌치(11.4)에 있어서의 도통 시작시에, 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)는 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)의 단말에서의 회복 전압의 대략 10% 내지 20%의 전압을 전개함으로써, 하나의 브렌치에서 다음 브렌치로 스위칭하는데 필요한 전압 레벨을 증가시키는 직렬 인덕터들을 삽입함에 의해 파워 사이리스터에 대한 di/dt를 제한한다.
제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)는 이하의 기능들을 제공해야 한다:
ㆍ 기계적 스위치 단로기가 제 1 개방 레벨(a first level of open)에 도달했으면 및 각각의 기계적 스위치 단로기가 단말에서의 회복 전압을 견딜 수 있게 하는데 필요한 절연 세기를 획득하는데 필요한 시간 동안, 제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)로 부터의 전류를 그 자신으로 우회시키는 기능;
ㆍ 각 기계적 스위치 단로기의 절연 항복을 초래하지 않도록 하기에 충분히 낮은 전압 드롭을 보장하는 기능;
ㆍ 적절한 시점에 상기 제 3 서브-브렌치(11.3)에 존재하는 전류의 접극자-서브-브렌치(11.4)로의 스위칭을 도모하기에 충분히 높은 전압 드롭을 보장하는 기능; 및
ㆍ 접극자-서브-브렌치(11.4)에 있어서의 도통 시작시에 그 자신의 파워 사이리르터를 턴 오프시키기에 충분한 전압 및 에너지를 저장하는 기능.
접극자-서브-브렌치(11.4)의 필수적인 기능은 가변적인 순시 임피던스를 회로에 삽입하는 것이다. 순시 임피던스는 그 단말에서의 순시 전압과, 그것을 통해 흐르는 순시 전류의 비율로서 정의될 수 있다. 다시 말해, 접극자-서브 브렌치(11.4)는:
ㆍ 그의 도통이 시작되는 시점에는, 모든 1차 전류가 그것으로 우회하도록 매우 낮은 순시 임피던스를 가지며;
ㆍ 그것이 도통 중일 때에는, 그의 단말에서의 전압에 의해 주 전압 서지 리미터(12)에서 도통이 시작되도록 매우 높은 임피던스를 가지며;
ㆍ 그의 도통 기간 이후에는, 그것을 통해 흐르는 잔류 누설 전류가 무시해도 될 정도가 되도록 매우 높은 임피던스를 가져야만 한다.
제 2 및 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.2, 11.3)와 접극자-서브-브렌치(11.4)의 각각에 있어서, 그 자신의 서브-브렌치에서 이하의 기능을 제공하는 적어도 하나의 전자 스위칭 지원 모듈이 제공된다:
ㆍ di/dt로 표시된 시간 대비 전류의 드리프트를 제한하는 기능;
ㆍ 제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)의 모듈에 대해 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에서의 상수 전압을 유지시키는 기능;
ㆍ 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)의 모듈에 대해 접극자-서브-브렌치(11.4)로의 스위칭이 이루어질 수 있도록 증가 전압을 전개하는 기능;
ㆍ 접극자-서브-브렌치(11.4)의 모듈에 대해 주 전압 서지 리미터(12)로 스칭이 이루어질 수 있도록 충분히 높은 전압을 전개하는 기능.
전자 스위칭 지원 모듈은 적어도 하나의 커패시터, 그 커패시터를 방전시키는 저항, 2개의 타이밍 서브-브렌치(11.2, 11.3)에 대한 보조 전압 서지 리미터(서지 어레스터(surge arrester)의 병렬 접속으로 구성된다. 그것은 직렬로 된 하나 이상의 인덕터와 및 직렬로 된 하나 이상의 저항과 연관된다.
본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 이하의 기능을 제공하는 주 브렌치(10)와 전기적으로 병렬인 주 전압 서지 리미터(12)를 구비한다:
ㆍ 전류의 전체적인 소멸을 보장하는 기능;
ㆍ 주 브렌치(10)를 개방하는 시점에 그 라인에 존재하는 전자기 에너지를 임시 저장하는 기능;
ㆍ 필요한 경우, 동일한 고속 동작 사이클을 보장하도록 충분히 빠르게 이 에너지를 배출하는 기능.
바람직한 실시 예에 있어서, 전압 서지 리미터(12)는 ZnO-유형 서지 어레스터 세트로 구성된다.
본 발명의 일 실시 예의 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)는 도 2 내지 도 2h를 참조하여 이하에서 설명된다.
본 명세서에서, 인덱스 ℓ은 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 삽입되는 송전 라인 L과 관련되며, 따라서, Uℓ, Rℓ 및 Lℓ은 각각 라인 L의 고전압 레벨, 저항 및 인덕턴스를 나타냄을 알아야 한다.
본 명세서에서, 인덱스 a는 전류 흐름이 한 방향으로만 된(관련된 도면에서 우측에서 좌측으로) 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 전자 부품과 관련된다. 인덱스 b는 방향 a와 반대 방향으로만 전류가 흐르는 전자 부품과 관련된다. 명확성을 위해, 관련된 부품 a는 전류가 반대 방향으로만 흐르는 부품 b와 동일하되 전기적으로 역 병렬로 접속되기 때문에, 그 부품 a만을 설명하겠다. 명백히, 그 구조는, 트랜지스터 IGBT의 프리-휠 다이오드(free-wheel diode)를 제외하고는, 대칭적이며, 1101a로 표시된 하나는 역병렬로 되어 있지 않은 IBGT 트랜지스터(1010a)와 동작하고, 1011b로 표시된 다른 것은 역병렬로 되어 있지 않은 트랜지스터(1010b)와 동작한다. 또한, 도 2i에 있어서, 다이오드(1011a,1011b)는 각 차단기 셀(101b, 101a)과 역병렬인 것으로 도시되지만, 도 3에서 처럼 제어 듀티비 파워 반도체 소자(1010b, 1010a)와 역병렬이 아닌 것으로 도시됨을 알아야 한다. 다이오드(1011a 및 1011b)는 차단기 셀(101b, 101a)로부터 완전히 분리된 부품임이 바람직하다.
도 2 내지 도 2h에는 주 브렌치(10)내의 단지 하나의 주 모듈의 단지 하나의 서브-브렌치만이 도시되며, 그 모두는 본 명세서에서 설명될 것이다.
도 2 내지 도 2i는 단지 단일의 기계적 스위치 단로기(100)만을 도시하지만, 사실은 직렬 접속된 다수의 기계적 스위치 단로기가 존재하며, 각 서브 브렌치의 기계적 스위치-격리기의 단말로 전압의 분배 및 격리를 조정하기 위한 선형 및 비선형 부품은 도시되지 않았다. 직렬 접속된 스위치 단로기의 다수의 서브-브렌치와 관련 선형 및 비 선형 부품들을 가진 주 모듈(10.1)을 도 5 내지 도 6c를 참조하여 이하에서 설명하겠다.
도 2 내지 도 2h는 단지 관련 위치에서의 단일 파워 사이리스터만을 도시하고 있지만, 사실은 다수의 사이리스터가 캐스케이드로 존재한다. 단지 상술한 사이리스터들 중 하나만이 설명된다.
그러한 파워 트랜지스터는 도 2 내지 도 2h에 단지 상징적으로 도시되지만, 그와 관련된 전달 커패시터 및 게이트 제어 디바이스는 도시되지 않는다. 도 2i는 각 파워 사이리스터의 단말(111a,111b; 112a,112b; 113a,113b, 114a,114b)과 병렬인 각 전압 서지 리미터(서지 어레스터)(1116a, 1116b; 1126a,1126b; 1136a,1136b; 1146a,1146b)를 도시한다. 캐스케이드로 된 다수의 파워 사이리스터와 함께, 서로 전기적으로 직렬인 다수의 전압 서지 리미터가 제공되며, 다수의 전압 서지 리미터는 관련된 다수의 파워 사이리스터와 전기적으로 병렬이다. 그러므로 각 전압 서지 리미터(서지 어레스터)(1116a, 1116b; 1126a,1126b; 1136a,1136b; 1146a,1146b)는 각 파워 사이리스터에 회복 전압을 분배하는 기능을 가진다.
주 브렌치(10)는 차단기 셀(101a)과 전기적으로 직렬인 기계적 스위치 단로기(100)를 구비한다. 이러한 차단기 셀(101a)은 다이오드(1011b)와 역 병렬인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(1010a)로 구성된다. 차단기 셀(101a, 101b)은 기계적 스위치 단로기(100)의 어느 한 측면상의 주 브렌치(10)의 종단에 탑재됨이 바람직하다.
전압 증가 레이트 리미터(102a)는 차단기 셀(101a)과 전기적으로 병렬이다. 전압 증가 레이트 리미터는, 방전 저항(1022a)과 전기적으로 병렬인 커패시터(1021a)와 전기적으로 직렬인 다이오드(1020a)로 구성된다. 커패시터(1021a)는, IGBT 트랜지스터(101a)가 오프 상태로 스위칭되면, 그의 단말에서의 전압의 증가 레이트를 제어한다. 다이오드(1020a)는, IGBT 트랜지스터(101a)가 도통을 시작하면, 커패시터(1021a)의 급격한 방전을 방지한다. 마지막으로, 방전 저항(1022a)은 커패시터(1021a)의 방전이 느려지게 한다. 다시 말해, IGBT 트랜지스터(1010a)와 연관되는 이 전압 증가 레이트 리미터(102a)는, 도통(온) 상태에서 비도통(오프) 상태로 스위칭할 때, 그의 단말 양단의 전압이 증가하는 레이트를 제어함에 의해 IGBT를 보호한다. 주 브렌치로부터 보조 브렌치로 전류를 스위칭하기 위한 전압 증가 레이트의 이러한 제한은 그것이 상기 브렌치에 있어서의 전류의 di/dt를 제어하는데 기여한다는 점에서, 바람직한 효과를 가진다.
또한 전압 서지 리미터(103a)는 차단기 셀(101a)과 전기적으로 병렬이다. 그것은 그 전압을 IGBT 트랜지스터(101a)의 내 전압 미만의 값으로 제한하도록 고안된다. 3300V의 내 전압을 가진 IGBT 트랜지스터(101a)의 경우, 그것은 전형적으로 전압 서지 리미터(103a)에 의해 제한된 2800V의 최대 전압값으로 설정된다.
보조 브렌치(11)는 캐스케이드로 된 다수의 파워 사이리스터를 구비한 제 1 타이밍 서브-브렌치(11.1)를 구비한다.
제 1 타이밍 서브-브렌치(11.1)를 연장한, 제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)는 제 1 커패시터(1120), 제 1 인덕터(1121) 및 제 1 저항(1122)을 가진 제 1 스위칭 지원 모듈(M1)을 구비하며, 제 1 저항(1122)은 제 1 커패시터와 전기적으로 직렬이고, 제 1 커패시터는 그의 방전 저항(1125)과 전기적으로 병렬이다. 보조 전압 서지 리미터(1124)는 제 1 커패시터(1120)와 전기적으로 병렬이고, 동시에 그것과 그의 방전 저항(1125)을 보호하며, 1차 전류가 제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)를 통해 흐를 때 보조 브렌치의 단말에 나타나는 전압을 정의하고 제한한다.
본 명세서에서, 인덕터(1121)와 저항(1122)은 필수적인 것이 아니며, 그들의 값은 적어도 진성 저항 및 누설 인덕턴스에 의해 정의된 타이밍 서브-브렌치(11.2) 및 제 1 타이밍 서브 브렌치(11.1)의 분배 상수의 전체 값에 좌우된다는 것을 알아야 한다.
제 2 타이밍 서브-브렌치(11.2)와 전기적으로 병렬인 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)는, 제 2 타이밍 서브-브렌치와 유사한 방식으로, 제 2 커패시터(1130), 제 2 인덕터(1131) 및 제 2 저항(1132)을 가진 제 2 스위칭 지원 모듈(M2)을 구비하며, 제 2 저항(1132)은 제 2 커패시터와 전기적으로 직렬이고, 제 2 커패시터는 그의 방전 저항(1135)과 전기적으로 병렬이다. 보조 전압 서지 리미터(1134)는 커패시터(1130)와 전기적으로 병렬이고, 동시에 그것과 그의 방전 저항(1135)을 보호하며, 1차 전류가 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)를 통해 흐를 때 보조 브렌치의 단말에 나타나는 전압을 정의하고 제한한다. 또한, 제 2 보조 전압 서지 리미터(1134)와 전기적으로 직렬인 추가 저항(1136)이 제공되며, 이 저항은 1차 전류가 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)를 통해 흐를 때, 보조 브렌치의 단말에 나타나는 전압을, 보조 전압 서지 리미터(1134)의 특성의 함수로서 조정하고 전개할 수 있게 한다.
추가 저항(1136)은, 보조 전압 서지 리미터(1134)의 특성이 본질적으로 요구된 것에 적합하면, 생략될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 인덕터(1131)와 저항(1132)은 필수적인 것이 아니며, 그들의 값은 적어도 진성 저항 및 누설 인덕턴스에 의해 정의된 타이밍 서브-브렌치(11.3) 및 제 1 타이밍 서브 브렌치(11.1)의 분배 상수의 전체 값에 좌우된다는 것을 알아야 한다.
마지막으로, 보조 브렌치(11)는 두 개의 제 1 스위칭 지원 모듈(M1 및 M2)과 유사한 제 3 스위칭 지원 모듈(M3)과 캐스케이드로 된 다수의 파워 사이리스터(114A)를 구비한 접극자-서브-브렌치(11.4)를 구비한다. 보다 정밀하게, 이 제 3 스위칭 지원 모듈(M3)은 제 3 커패시터(1140), 제 3 인덕터(1141) 및 제 3 저항(1142)을 구비하며, 제 3 저항(1142)은 제 3 커패시터와 전기적으로 직렬이고, 제 3 커패시터는 그의 방전 저항(1145)과 전기적으로 병렬이다. 보조 전압 서지 리미터(1144)는 커패시터(1140)와 전기적으로 병렬이고, 동시에, 1차 전류가 주 전압 서지 리미터(12)를 통해 흐를 때 그것과 그의 방전 저항(1145)을 보호한다.
이 보조 전압 서지 리미터(1144)는 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 동작에 필수적인 것은 아니며, 그의 스트라이킹 전압(striking voltage)은 주 전압 서지 리미터(12)보다 더 크게 되도록 선택된다. 그러나, 큰 고전압의 경우에, 본 명세서의 주 전압 서지 리미터(12)에 의한 것과 같이, 그 시스템의 단말에서의 전압이 다른 수단에 의해 제한되는 경우에도, 전기적 스위치기어 국소 전압 서지(electrical switchgear local voltage surge)가 높은 주파수에서 발생하기 때문에, 그 스트라이킹 전압은 1을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 저항(1142)과 인덕터(1141)는 필수적인 것이 아니며, 그들의 값은 적어도 진성 저항 및 누설 인덕턴스에 의해 정의된 접극자-서브 브렌치(11.4)의 분배 상수의 전체 값에 좌우된다는 것을 알아야 한다.
마지막으로, 주 전압 서지 리미터(12)는 주 브렌치 및 보조 브렌치(10,11)에 전기적으로 병렬 접속된다. 이 전압 서지 리미터는 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)가 삽입되는 네트워크 L의 전압과, 이하에 설명된 고장시의 전류의 소멸의 경우에 흡수 및 소진에 필요한 에너지에 대해 레이팅된다. 물론, 격리 조정이 고려된다.
따라서, 고장 발생의 특정 상황에서 결과하는 등가 전기 회로도를 가진 여러 시퀀스를 나타내는 도 2a 내지 도 2h를 참조하여 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)의 동작을 설명하겠다. 특정 지시로부터 개방이 발생하면 동일 시퀀스가 연속하여 뒤따름을 알아야 한다. 도 3에는 시간의 함수로서 여러 서브-브렌치에 있어서의 전류값의 대표적인 곡선이 도시된다.
정상 조건하에서, 즉, 도 3에서 시간 t1전의, 네트워크 L의 정상 동작에 있어서, 주 브렌치의 모든 IGBT 트랜지스터(1010a)는 온(도통) 상태이며, 그에 따라 모든 전류가 그들을 통과한다(도 2a에서 전류 i10). 도 3의 시간 t1에 네트워크 L에 고장이 발생하여 전류 서지에 의해 반영되는 경우에(도 2에서 우측에서 좌측으로), 모니터링 및 제어 시스템은 IGBT 트랜지스터(1010a)를 온 상태에서 오프 상태로 스위칭한다. 그 전류는 IGBT 트랜지스터(1010a)로부터 그들의 전압 서지 리미터(103a)로 스위칭된다. 이러한 스위칭은 전압의 증가 레이트를 제한하는 전압 증가 레이트 리미터(102a)가 있기 때문에 점진적으로 이루어진다. 그 다음, 주 브렌치(10) 및 보조 브렌치(11)의 단말에서 전압의 고속 증가가 발생한다. 이와 동시에, 파워 사이리스터(111a, 112a 및 113a)의 게이트 제어 모듈에 구동 에너지가 자동으로 공급된다. 네트워크 L로부터 취득된 이러한 에너지에 의해, 시간이 되면, 파워 사이리스터(111a, 112a)에서 도통이 시작될 수 있게 된다. 또한, 이와 동시에 및 도 3에서의 t2보다 아주 약간 나중 시간에, 모니터링 및 제어 시스템은, 상태 보고 요청을 바람직하게 광섬유를 통해 파워 사이리스터(111a, 112a, 113a)의 게이트 제어 모듈 모두에 전송한다.
답장으로, 모니터링 및 제어 시스템이 바람직하게 광섬유를 통해, 파워 사이리스터(111a, 112a, 113a)의 모든 게이트 제어 모듈이 충분한 레벨의 에너지를 수신하였고, 그들의 기능을 실행할 위치에 있다는 확인을 수신하면, 그것은, 다시 바람직하게 광섬유를 통해, 파워 사이리스터(111a, 112a)에서 도통을 시작하라는 명령을 전송하고, 그와 동시에 바람직하게 광섬유를 통해, 기계 전자 스위치 단로기에 개방 명령을 전송한다. 개방은, 기계적 스위치 단로기(100)의 기계적 관성을 고려하여, 도 3에서 시간 차 t2-t1보다 훨씬 큰 지연 이후에만 시작된다. 이것이, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 전체 동작 시간을 감소시키기 위해, 모니터링 및 제어 시스템에 의해 미리 개방하도록 명령을 받은 이유이다.
만약, 특정된 대기 시간을 지나서, 파워 사이리스터(111a, 112a, 113a)의 모든 게이트 제어 모듈이 충분한 레벨의 에너지를 수신하였고, 그들의 기능을 실행할 위치에 있다는 확인을 모니터링 및 제어 시스템이 답신으로 수신하지 못하면, 그것은 원격 고장 시그널링을 전송하고, 파워 사이리스터 또는 기계적 스위치 단로기(100)에 도통 명령을 전송하지 않으며, 그 다음, 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)가 안전하게 되도록 하는 전략을 실행한다.
이러한 시간 t1 이후, 전류는 주 브렌치(10)로부터 우회하여, 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2)(도 2b)로 입력된다. 과도 기간동안, 즉, 도 3에서 t2 까지, 전류는 0의 값에서 네트워크 L에서의 전류의 값으로 증가한다. 주 브렌치(10)와 관련 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2)간의 진동 과도 상황을 갖도록 결정된 커패시터(1120), 저항(1122) 및 인덕터(1121)에 의해 구성된 RLC 시스템의 값에 의해 완전한 우회가 보장된다. 이러한 진동 과도 상황은, 먼저 주 브렌치(10)에서 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2)로의 전류의 고속 스위칭과, 두 번째 파워 사이리스터(111a, 112a)에 의해 수용될 수 있는 레벨보다 낮은 레벨로 전류의 di/dt를 제한하는 상황이다.
그러므로, 도 3의 시간 t2에서는, 모든 전류가 서브-브렌치(11.1, 11.2)로 우회되었다(도 2c 참조). 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2)의 전자 부품의 레이팅 때문에, 기계적 스위치 단로기를 개방하는데 필요한 특정 기간 td 동안에 그 단말에서의 제 1 전압 레벨을 견딜 수 있게 하는 이러한 토폴로지가 지속된다. 본 발명자는 액튜에이터가 전기적으로 직렬인 2개의 진공 인터럽터로 구성되는 기계적 스위치 단로기(100)를 충분히 개방시키기에 충분한 200㎲ 내지 2000㎲ 범위의 매우 짧은 기간 td을 설정하는 것을 선호하였으며, 이 액튜에이터는 본 출원인의 이름으로 본 출원과 동일자로 출원된 "영구 자석 액튜에이터 및 그러한 액튜에이터에 의해 구동되는 기계적 스위치"라는 제목의 특허출원에 설명되고 청구된 것이다.
1차 전류가 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.2)에서 잘 수립되도록, 즉, 기계적 스위치 단로기(100)의 진공 인터럽터가 전기적 아크의 사실상의 부재 때문에 상당한 전기적 쇠락없이 개방될 수 있도록 하기 위해, 도 3에서 t2보다 약간의 시간 뒤 및 t3 전에, 주 브렌치(10)에서의 잔류 전류의 크기가 실질적으로 0, 전형적으로는 1A보다 훨씬 낮게 되도록, 전압 서지 리미터(103a) 및 보조 전압 서지 리미터(1124)가 각각 레이팅된다.
t2와 기간 td의 합산과 동일한 시간 t3에서, 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)의 파워 사이리스터(113a)는 모니터링 및 제어 시스템에 의해 그들의 오프 상태에서 온 상태로 스위칭된다. 이 서브-브렌치에서 전류가 우회한다(도 2d 참조). 도 3의 시간 t4에서, 제 3 타이밍 서브-브렌치(11.3)에서의 전류 i2는 0값에서 이 서브-브렌치(도 2e)의 라인 L에서의 전류값으로 증가한다. 관련 타이밍 서브-브렌치(11.2)와 타이밍 서브-브렌치(11.3)간의 진동 상황으로 결과하도록 결정되는 커패시터(1130), 저항(1132,1135) 및 인덕터(1131)로 구성된 RLC 시스템의 값에 의해 전류의 완전한 우회가 보장된다. 이러한 진동 과도 상황은 타이밍 서브-브렌치(11.2)로부터 타이밍 서브-브렌치(11.3)로 전류의 고속 스위칭을 위한 및 파워 사이리스터(113a)에 의해 허용될 수 있는 레벨보다 낮은 레벨로 전류의 di/dt를 제한하기 위한 필요 조건이다. 이 시점 t4에서, 파워 사이리스터(112a)는 그 자신을 턴 오프(오프 상태로 스위칭)시키는데, 그 이유는 커패시터(1120)에 의해 적용된 과도 역 바이어스(reverse bias) 때문이며, 서브-브렌치(11.2)에는 더 이상 어떠한 전류도 없다.
이 역 바이어스는 단기간 유지되기 때문에, 파워 사이리스터(112a)는 매우 짧은 턴-오프 시간을 갖게 되고 수 마이크로초 내지 수십 마이크로초 범위의 시간에 그들의 전 순방향 회복 전압을 견딜 수 있도록 조정된다. 동일한 이유로 동일한 것이 파워 사이리스터(111a, 113a)에 적용된다.
도 3에서 시간 t4와 t5 사이의 기간 동안, 보조 브렌치(11)의 단말에서의 전압은 보조 전압 서지 리미터(1124)에 의해 정의된 초기값으로부터 보조 전압 서지 리미터(1134)와 그의 관련 추가 저항(1136)(있을 경우)에 의해 필수적으로 정의된 값으로 증가한다.
본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)가 설치되는 네트워크 L의 전압 레벨에 의거하여, 이들 최종 전압과 초기 전압간의 비율은 전형적으로 5 내지 20 범위에서 가변한다.
보조 브렌치(11)의 단말에서의 그러한 전압 증가 때문에, 기계적 스위치 단로기(100)의 개방이 이 전압을 충분히 견딜 수 있게 되도록 도 5의 시간 t3가 결정된다.
보조 브렌치(11)의 단말에서의 전압 증가는 접극자 브렌치(11.4)로의 전류의 장래의 스위칭을 가능하게 하는데, 그의 크기가 크면 매우 높은 전압에서 누설 인덕턴스가 매우 높음을 암시하고, 따라서 1차 고장 전류가 도달하는 높은 전압을 고려해 볼 때, 전형적으로는, 그의 증가률이 10A/㎲에 도달하거나 그를 초과할 경우, 높은 스위칭 전압을 필요로 한다.
또한, 그것은 접극자 브렌치(11.4)의 파워 사이리스터(114a)의 게이트 제어 모듈로 충분한 에너지의 자동 운반이 가능하게 한다. 이 에너지는 네트워크 L로부터 취득되어 적절한 시간에 파워 사이리스터(114a)에서 도통이 시작되도록 한다.
도 3에서 시간 t5보다 약간 전의 시간에, 모니터링 및 제어 시스템은 광 섬유를 통해 파워 사이리스터(114a)의 모든 게이트 제어 모듈로 상태 보고 요청을 전송한다.
모니터링 및 제어 시스템이, 답신으로, 다시 광 섬유를 통해, 파워 사이리스터(114a)의 모든 게이트 제어 모듈이 충분한 레벨의 에너지를 수신하였고 그들의 기능을 실행할 위치에 있다는 확인을 수신하면, 도 3의 시간 t5에서, 그것은 다시 광 섬유를 통해, 파워 사이리스터(114a)에서 도통을 시작하라는 명령을 전송한다.
특정된 대기 시간을 지나서, 파워 사이리스터(114a)의 모든 게이트 제어 모듈이 충분한 레벨의 에너지를 수신하였고, 그들의 기능을 실행할 위치에 있다는 확인을 모니터링 및 제어 시스템이 답신으로 수신하지 못하면, 그것은 고장 보고를 전송하고, 파워 사이리스터(114a)에 어떠한 도통 명령도 전송하지 않고서, 기계 전자 회로 차단기 디바이스가 안전하게 되도록 하는 전략을 실행한다.
시간 t4 이후, 즉, 도 3의 시간 t5에서, 모니터링 및 제어 시스템은 접극자-서브-브렌치(11.4)의 파워 사이리스터(114a)를 온 상태에서 오프 상태로 스위칭하고, 그에 따라 커패시터(1140)의 신속한 충전이 이루어진다. 전류는 이 서브-브렌치(11.4)로 우회한다(도 2f). 도 3의 시간 t6에서, 이 서브-브렌치(11.4)에서의 전류 i3은 0의 값으로부터 이 서브-브렌치내이 라인 L에서의 전류값으로 증가한다. 인덕터(1141), 저항(1142,1145) 및 커패시터(1140)에 의해 구성된 RLC 시스템의 값에 의해 전류의 완전한 우회가 보장되며, 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.3)의 RLC 시스템의 값은 관련된 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.3)와 접극자-서브-브렌치(11.4)간의 진동 과도 상황을 생성하도록 결정된다. 이러한 진동 과도 상황은, 먼저 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.3)에서 접극자-서브-브렌치(11.4)로의 전류의 고속 스위칭과, 두 번째 파워 사이리스터(114a)에 의해 수용될 수 있는 레벨보다 낮은 레벨로 전류의 di/dt를 제한하는 상황이다. 이 시간 t6에서, 파워 사이리스터(111a,113a)는 그 자신을 턴 오프(오프 상태로 스위칭)시키는데, 그 이유는 커패시터(1120)에 의해 적용된 과도 역 바이어스(reverse bias) 때문이며, 그들 각각의 타이밍 서브-브렌치(11.1, 11.3)에는 더 이상 어떠한 전류도 없다.
이 역 바이어스는 단기간 유지되기 때문에, 파워 사이리스터(111a, 113a)는 매우 짧은 턴-오프 시간을 갖게 되고 수 마이크로초 내지 수십 마이크로초 범위의 시간에 그들의 전 순방향 회복 전압을 견딜 수 있도록 조정된다.
이 시간 t6부터, 접극자-서브-브렌치(11.4)의 커패시터(1140)는 주 전압 서지 리미터(12)의 트리거링 전압(triggering voltage)에 도달할 때까지 충전을 계속한다. 네트워크(L)의 반응 에너지의 영향 때문에, 이 전압은 주 전압 서지 리미터(12)의 특정에 의해 결정된 법칙에 따라 계속적으로 약간씩 증가한다. 그와 동시에, 1차 전류는, 접극자-서브-브렌치(11.4)에서, 네트워크(L)의 반응 에너지를 흡수하는 주 전압 서지 리미터(12)로 전달된다.
고 전압 에너지 흡수 소자(12)의 네트워크(L)로의 이러한 직렬 삽입은 네트워크(L)의 공칭 전압 대비 주 전압 서지 리미터(12)의 스트라이킹 전류의 증가에 따라 증가하는 레이트로 1차 전류를 감소시킨다. 주 전압 서지 리미터(12)의 스트라이킹 전압과 네트워크(L)의 공칭 전압간의 비율은 네트워크(L)의 공칭 전압에 의거하여, 전형적으로 1 내지 4의 범위내, 예를 들어 2로 선택된다.
도 3의 시간 t6에서, 네트워크(L)의 반응 에너지는 주 전압 서지 리미터(12)에 의해 부과되는 높은 전압 서지 레벨을 유지하기에 충분하지 않으며, 그 단말에서의 전압은 신속하게 감소된다. 동시에, 주 전압 서지 리미터(12)의 전압에 가까운 최대 전압에 도달하였을 커패시터(1140)의 단말에서의 전압은 그의 방전 저항(1145)에 의해 부과된 레이트로 보다 느리게 감소될 것이며, 이들 2개의 감소 레이트는 서로 명백히 다른 것으로 특정하게 레이팅된다. 그 결과, 주어진 시간에, 커패시터(1140)의 단말에서의 전압은 주 전압 서지 리미터(12)의 단말에 존재하는 전압보다 더 높을 것이다. 커패시터(1140)는 사이리스터(114a)에 과도 역 바이어스를 인가할 것이다.
보조 전압 서지 리미터(1144)는 주 전압 서지 리미터(12)보다 높은 스트라이킹 전압을 가지며, 상기에서 설명한 시퀀스에 관여하지 않는다.
도 3의 시간 t7에서, 파워 사이리스터(114a)는 턴 오프(오프 상태로 스위칭)되는데, 그것은 커패시터(1140)에 인가된 과도 역 바이어스 때문이며, 접극자-서브-브렌치(11.4)에는 더 이상 어떠한 전류도 없다.
도 3의 시간 t7을 지나면, 고 전압 네트워크로 직렬 삽입된 모든 스위치기어에 존재하는 부품의 결함에 의해 유발된 잔류 누설 전류를 제외하고는, 주 브렌치(10) 또는 보조 브렌치(11)에 흐르는 전류는 없다. 이들 전류는, 필요할 경우, 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 전기적으로 직렬인 통상적인 격리 수단에 의해 제거되며, 이에 대해서는 도 4를 참조하여 이하에서 설명하겠다. 그 다음, 1차 전류는 주 전압 서지 리미터(12)로 완전히 우회하며, 시스템의 등가 회로가 도 2h에 도시된다. 주 리미터(12)의 스트라이킹 전압과 네트워크의 공칭 전압간의 비율이 증가함에 따라 감소하는 기간의 종료에서, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 누설 전류까지 1차 전류가 감소되어, 차단이 달성된다(도 2h).
이 부분에서, 고 전압 레벨로 초기에 충전된 커패시터(1140)는 그의 방전 저항(1145)으로 방전된다.
도 4는 높은 파워 및 고 전압 직류 전류 전기 전송 네트워크내로 집적화되고 상술한 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)를 포함하는 전기적 스위치기어 세트를 도시한다.
추가적인 전기적 스위치기어(2,3,4,5)는,
ㆍ 완전한 안전으로 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 유지할 수 있게 하고;
ㆍ 그것이 전류를 차단하였을 때 전기적 스트레스를 받지 않도록 함으로써 그의 동작을 보다 신뢰성있게 하고;
ㆍ 스위칭 전류를 제한하고;
ㆍ 낮은 전류의 차단이 가능하게 하고;
ㆍ 명령시에 그의 차단 용량보다 더 큰 전류의 통과를 보장하는
보조 기능 덕택에 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 성능을 보완한다.
따라서, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말 중 어느 하나에, 유지 동작을 위한 보조 브렌치(11) 및 주 브렌치의 접속 단말을 그의 폐쇄 위치에서 접지시키는 접지 스위치(2)가 제공된다. 정상 동작에 있어서, 명백히 접지 스위치(2)는 개방 상태이고, 단말과 접지 사이에 격리를 제공해야 한다.
기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말과 전기적으로 병렬인 브리징 스위치(3)가 제공되는데, 그것은 명령시에 특정 시간 동안에, 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)의 차단 용량보다 높은 과도 전류가 그 자신은 통과하지 않고 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)의 일 단말에서 다른 단말로 통과되도록 한다.
단로기(4)는 접지 스위치(2)의 전기적 접속 단말 외부에서 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)와 전기적으로 직렬이다. 그의 개방 위치에서의 그의 기능은 단말들 간에 및 단말과 접지간에 절연 세기를 제공하는 것이다. 그의 폐쇄 위치에서는, 주 브렌치(10)의 전기적 연속성을 제공한다. 접지 스위치(2)와 관련하여, 그것은 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)가 유지 보수 동작에 안전하게 되도록 할 수 있다. 따라서, 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)에 대한 인간의 개입은 단로기(4)와 접지의 개방을 요구한다.
저항 삽입 스위치(5)는 각 단로기(4)와 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1) 사이에 전기적으로 직렬 접속되며, 이 스위치(5)는, 폐쇄 시점에 단말에서 전위차가 존재하면, 폐쇄시에 스위칭 전류를 제한한다.
마지막으로, 추가적인 회로 차단기(6)는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스(1)와 전기적으로 직렬로 제공되어 낮은 전류를 차단한다. 교류 전류 또는 직류 전류 애플리케이션에 의거하여, 그러한 추가적인 회로 차단기를 생성하는데 다른 기술이 이용될 수 있다. 직류 전류 애플리케이션에 있어서, 회로 차단기(6)는 MRTB(Metal Return Transfer Breaker)에 필적하는 기술을 이용하여 생성될 수 있다. 이러한 회로 차단기는 현재 매우 높은 전압에서 동작하는 AC/DC 및 DC/AC 변환기 스테이션에서 이용된다. 교류 전류 애플리케이션에 있어서, 회로 차단기(6)는 매우 높은 전압 서브스테이션(substation)에서 이용된 교류 전류 회로 차단기에 필적하는 기술을 이용하여 생성할 수 있다. 따라서, 그것은, SF6과 같은 절연 가스에 의한 아크 소멸을 이용하는 회로 차단기일 수 있다.
도 5에는 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 주 브렌치(10)의 실시 예가 도시된다. 브렌치(10)는 서로 전기적으로 병렬인 다수의 동일한 서브-브렌치(10.11, 10.12, ..., 10.1n)로 구성된 단일 주 모듈(10.1)을 구비한다. 주 모듈들의 개수는 네트워크(L)에서의 과도 상태의 1차 전류의 함수이다. 본 발명자는, 전형적으로, 1500A의 정상 전류를 공급 또는 전송하기 위해 병렬로 된 12개의 서브-브렌치(10.11, 10.12, ..., 10.1n)를 포함하는 병렬 모듈(10.1)을 가진 기계 전자 회로 차단기 디바이스(10)를 채용한다. 2개 또는 3개의 그러한 주 모듈(10.1)의 병렬 접속은, 각각 3000A 또는 4500A의 정상 전류가 가능하게 한다.
각 서브-브렌치는 서로 전기적으로 직렬인 다수의 기계적 스위치 단로기(100)와, 스위치(100)와 전기적으로 직렬이지만, 그들 각각의 전류가 한 방향으로만 흐르도록 역 병렬로 접속된 2개의 동일한 차단기 셀(101a, 101b)을 구비한다. 다수의 서브-브렌치(10.11, 10.12, ..., 10.1n)들간의 이러한 유형의 병렬 접속은 많은 상당한 장점을 가진다.
서브-브렌치(10.11, 10.12)의 동일 측면상에 자리한 차단기 셀(101a, 101b)은 단일의 물리적 엔티티로 그룹화되어, 도 5a에서 파선으로 도시된 바와 같이 전자 스위칭 지원 서브 모듈(M4.1, M4.2)을 구성한다.
2개의 전자 스위칭 지원 서브 모듈(M4.1, M4.2)의 각각은 단일 도체상에서 여러 병렬 서브-브렌치의 전류들을 조합한다.
2개의 전자 스위칭 지원 서브 모듈(M4.1, M4.2)은 상술한 방법에 의해 병렬 서브-브렌치들의 각각의 전류를 밸런싱할 수 있으며, 단일 엔티티로 조합될 때 차단기 셀들의 근접성은 이들 전류의 원격 측정 및 비교를 용이하게 한다.
전자 스위칭 지원 서브 모듈(M4.1, M4.2)의 각각이 매우 제한된 방식의 동작에 대해서만 요청받기 쉽기 때문에, 그의 차단기 셀의 신속한 활성 및 불활성에 필요한 에너지를 저장하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 또한, 전자 스위칭 지원 서브 모듈(M4.1, M4.2)에 있어서의 장비는 저전력 전자 부품에 기초하여 고안되며, 따라서, 부하가 없을 경우에 그것이 동작하는데 필요한 전력이 최소화되어, 바람직하게, 접지에 자리하되 고 전압이 인가되지 않은 유닛(unit)으로부터의 전자기파의 전송에 의해 그들에게 파워를 공급할 수 있게 되며, 그 접속은 도파관(waveguide) 또는 빔을 통해 이루어진다. 이러한 파(wave)는 750nm 내지 1600nm의 파장 윈도우 내의 적외선 스펙트럼에 있어서의 광파 또는 마이크로파 스펙트럼에 있어서의 밀리미터파일 수 있다. 이러한 파는 바람직하게 절연 피복을 가진 도핑된 실리카 광섬유(doped silica optical fiber)에 의해 가이드된다.
유사한 방식으로, 여러 서브-브렌치의 기계적 스위치 단로기(100)는 도 5a, 6 및 6a의 파선으로 도시된 바와 같이, 모듈(M5.1, M5.2, M5.3, M5.4, M5.5)로 그룹화될 수 있다. 이것은, 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스에 모듈로 구조를 제공할 수 있는 장점을 가지며, 본 발명의 각 전자기 액튜에이터 모듈은 본 출원과 동일자로 출원된 "영구 자석 액튜에이터 및 그러한 액튜에이터에 의해 구동되는 기계적 스위치"라는 제목의 특허출원에 설명되고 청구되었다. 따라서, 기계 전자 회로 차단기 디바이스는 전기적으로 직렬인 모듈들의 개수에 의거하여 보다 높거나 낮은 전압 레벨에서 이용된다.
도 6에는 진공 인터럽터(도시되지 않음)에 의해 구성된 기계적 스위치 단로기(100)의 바람직한 실시 예가 도시되며, 각 진공 인터럽터는 개방 위치에 있을 때 동일한 서브-브렌치에 직렬 접속된 모든 인터럽터들간에 충분히 균일한 방식으로 전압을 분배하고/하거나 각 인터럽터에 제공되는 최대 전압을 제한하는 션트 전압 서지 리미터(1000)를 갖춘다. 하나 또는 두개의 인터럽터의 고장, 즉, 개방 위치에서 전압을 견디기 위한 그의 수용력 상실(incapacity)이 본 발명의 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 기능성에 대해 중요하게 작용하지 않도록 하는데 절대적으로 요구되는 개수보다 동일 서브-브렌치내의 직렬로 된 인터럽터의 전체 개수가 더 큰 것이 바람직하다. 다시 말해, 그것은 하나 이상의 진공 인터럽터가 전압을 견딜 수 없다는 위험을 고려한 조정 기능의 문제이다. 전압 서지 리미터(1000)가 구성하는 비 선형 시스템은 대략 수 mA 정도의 무시할만한 잔류 전류만이 통과할 수 있도록 높은 값의 저항으로 개별적으로 대체될 수 있다. 또한, 그것은 전압 서지 리미터(1000), 높은 값의 저항 및 적절하다면 커패시터의 조합 또는 커패시터의 문제일 수 있다.
도 6a에는 상술한 바람직한 실시 예의 바람직한 변형이 도시된다. 이 변형에 있어서, 동일 기계적 스위치 단로기 모듈(M5.1, M5.2, M5.3, M5.4, M5.5)의 각 서브-브렌치의 2개의 인터럽터(100)의 중간 지점은 동일 기계적 스위치 단로기 모듈의 이들 중간 지점들 간의 전위차를 제한하기 위한 선형 또는 비 선형 저항(1001)을 통해 그 모듈의 공통 지점에 접속된다.
도 7에는 차단기 셀(101a, 101b) 및 본 발명의 주 브렌치(10)의 서브-브렌치(10.11)로의 그들의 집적화의 바람직한 변형이 도시된다. 이 변형에 있어서, 차단기 셀(101a, 101b)의 제어 듀티비 파워 반도체 소자는 적어도 하나의 필드 효과 트랜지스터(1012a, 1012b)와, 그 필드 효과 트랜지스터와 전기적으로 직렬인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(1010a, 1010b)로 구성된다. 필드 효과 트랜지스터(1012a, 1012b)의 드레인 D는 IGBT 트랜지스터(1010a, 1010b)의 에미터 E에 접속되고, 그들의 게이트 G는 통상적으로 캐스코드 회로로서 알려진 회로의 동작과 유사한 전체적인 스위칭 동작을 보장하는 제어 회로에 접속된다. 또한, 그러한 캐스코드 회로에 있어서 IGBT의 스트레이 콜렉터-게이트 커패시턴스(stray collector-gate capacitance)에 의해 유발된 밀러 효과(Miller effect)를 상쇄시키는 장점은, 본 발명의 맥락에서, 1차 네트워크에 의해 주 브렌치로 주입될 수 있는 고 주파수 간섭의 영향을 받지 않게 함으로써 제어 회로가 신뢰성있게 되도록 하는 장점을 가진다.
본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 많은 개선이 이루어질 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이, 도 2에 도시된 본 발명의 아키텍쳐는 고 전압 라인(L)을 통해 한 방향 또는 반대 방향으로 도달할 수 있는 전류를 차단하도록 고안된다. 차단될 전류가 동일 방향으로 흐르는 애플리케이션에 있어서, 그 아키텍쳐는 도 2에서 이중으로 된 모든 전자 부품, 즉, 동일 인덱스 a 또는 b로 표시된 모든 부품을 제거함에 의해 간략화될 수 있다.

Claims (22)

  1. 전력 전송 수단(L)을 통해 흐르는 전류를 차단하기 위한 기계 전자 회로 차단기 디바이스로서,
    ㆍ제어 듀티비(controlled duty ratio)를 가진 적어도 하나의 파워 반도체 소자(1010a, 1010b)로 구성되는 적어도 하나의 차단기 셀(101a, 101b)과 직렬로 접속된 적어도 하나의 기계적 스위치 단로기(100)를 구비하는 적어도 하나의 서브-브렌치(10.11, 10.12, 10.1n)를 구비하는 적어도 하나의 주 모듈(10.1, 10.2, 10.n)을 구비하는 주 브렌치(10)와;
    ㆍ주 브렌치와 전기적으로 병렬인 보조 브렌치(11); 및
    ㆍ주 브렌치와 전기적으로 병렬인 적어도 하나의 주 전압 서지 리미터(surge limiter)(12)를 포함하고,
    상기 보조 브렌치는,
    ㆍ 타이밍 서브-브렌치라고 하는 적어도 하나의 제 1 서브-브렌치(11.1, 11.2, 11.3) - 상기 제 1 서브-브렌치는 다수의 파워 사이리스터(power thyristor)(111a, 112a, 113a; 111b, 112b 113b)가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 1 차단기 셀을 구비하며, 상기 타이밍 서브-브렌치들 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 제 1 커패시터(1120)를 가진 적어도 하나의 제 1 스위칭 지원 모듈(M1)을 구비하고, 상기 적어도 하나의 제 1 커패시터는 적어도 하나의 제 1 커패시터(1120)의 방전 저항(1125) 및 전압 서지 리미터(1124)와 전기적으로 병렬임 - 와;
    ㆍ 접극자-서브-브렌치(arming sub-branch)라고 하는 제 2 서브 브렌치(11.4) - 상기 제 2 서브-브렌치는 타이밍 서브-브렌치와 전기적으로 병렬이고, 캐스케이드로 구성된 다수의 파워 사이리스터(114a;114b)가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 2 차단기 셀과, 적어도 하나의 제 2 스위칭 지원 모듈(M3)을 구비하며, 제 2 스위칭 지원 모듈은 적어도 하나의 제 2 커패시터(1140)를 가지며, 상기 적어도 하나의 제 2 커패시터는 적어도 하나의 제 2 커패시터(1140)의 방전 저항(1145)과 전기적으로 병렬임 - 를 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    주 모듈의 각 서브 브렌치는 서로 간에 역병렬로 접속되고 파워 반도체 소자를 이용하는 2개의 차단기 셀(101a, 101b) 사이에 직렬 접속된 적어도 하나의 기계적 스위치-단로기(100)를 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 모듈의 각 차단기 셀과 전기적으로 병렬인 전압 증가 레이트 리미터(102a, 102b)를 더 구비하며, 상기 전압 증가 레이트 리미터는 커패시터(1021a, 1021b)와 전기적으로 직렬인 다이오드(1020a, 1020b)로 구성되며, 상기 커패시터는 상기 커패시터(1021a, 1021b)의 방전 저항(1022a, 1022b)과 전기적으로 병렬인
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 모듈의 각 차단기 셀과 전기적으로 병렬인 전압 서지 리미터(103a)를 더 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 모듈의 서브-브렌치의 각 차단기 셀은 제어 도통율을 가진 적어도 하나의 파워 반도체 소자(1010a, 1010b)를 구비하고, 주 모듈의 각 서브-브렌치는 차단기 셀과 역병렬로 접속된 다이오드(1011b, 1011a)를 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 모듈의 차단기 셀의 제어 듀티비를 가진 파워 반도체 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(1010a, 1010b)인
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 모듈(10.1, 10.2, 10.n)의 서브-브렌치(10.11, 10.12, 10.1n)의 차단기 셀(101a, 101b)의 제어 듀티비 파워 반도체 소자는 적어도 하나의 필드 효과 트랜지스터(1012a, 1012b)와, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(1010a, 1010b)로 구성되며, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 필드 효과 트랜지스터의 드레인을 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 에미터에 접속시킴에 의해 필드 효과 트랜지스터와 전기적으로 직렬 접속되고, 필드 효과 트랜지스터와 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 게이트 G는 캐스코드(cascode) 회로 유형의 스위칭 동작을 보장하는 제어 회로에 접속되는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주 브렌치는 서로 간에 전기적으로 병렬인 다수의 주 모듈(10.1, 10.2, ..., 10.n)을 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주 모듈(10.1, 10.2, ..., 10.n)의 각각은 서로 간에 전기적으로 병렬인 다수의 서브-브렌치(10.11, 10.12, ..., 10.1n)를 포함하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 브렌치(11)는 서로 간에 전기적으로 병렬인 적어도 2개의 타이밍 서브-브렌치(11.2, 11.3)를 구비하며, 상기 타이밍 서브-브렌치(11.3)는 다수의 파워 사이리스터(111a, 113a; 111b, 113b)가 캐스케이드로 구성된 적어도 하나의 제 3 차단기 셀과 적어도 하나의 제 3 스위칭 지원 모듈(M2)을 구비하며, 제 3 스위칭 지원 모듈은 적어도 하나의 제 3 커패시터(1130), 적어도 하나의 제 3 인덕터(1131) 및 적어도 하나의 제 3 커패시터(1130)와 전기적으로 직렬인 적어도 하나의 제 3 저항(1132,1136)을 구비하고, 적어도 하나의 제 3 커패시터(1130)는 적어도 하나의 제 3 커패시터(1130)의 방전 저항(1135) 및 보조 전압 서지 리미터(1134)와 전기적으로 병렬이고, 전압 서지 리미터는 제 3 저항(1136)과 직렬인
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각 주 모듈(10.1, 10.2, ..., 10.n)의 각 서브-브렌치(10.11, 10.12, ..., 10.n)의 각 기계적 스위치-단로기(100)는 전기적으로 직렬인 2개의 진공 인터럽터(vacuum interrupter)를 구비하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스.
  12. 고전압 교류 전류 또는 직류 전류 전기적 에너지 전송 수단에 설치될 전기적 스위치기어 세트(a set of electrical switchgear)로서,
    제 1 항에 따른 기계 전자 회로 차단기 디바이스와, 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 두 단말의 각각과 직렬 접속된 적어도 하나의 전기적 접지 스위치(2)를 구비하는
    전기적 스위치기어 세트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말에 전기적으로 병렬 접속되어, 사전 결정된 기간 동안에, 상기 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 차단 용량보다 큰 과도 전류가 상기 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 통과하지 않고 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 하나의 단말에서 다른 단말로 흐르도록 하는 브리징 스위치(bridging switch)를 구비하는
    전기적 스위치기어 세트.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    기계 전자 회로 차단기 디바이스의 단말의 어느 한 쪽상에, 접지 스위치의 전기적 접속 단자의 외부에서 기계 전자 회로 차단기 디바이스와 전기적으로 직렬 접속된 단로기(4)를 추가로 구비하는
    전기적 스위치기어 세트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    접지 스위치의 전기적 접속 단자와 단로기 사이에, 상기 단로기와 전기적으로 직렬로 전기적 저항을 삽입하는 스위치(5)를 구비하는
    전기적 스위치기어 세트.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    기계 전자 회로 차단기 디바이스와 전기적으로 직렬인 추가적인 회로 차단기를 구비하며, 그 추가적인 회로 차단기는 낮은 전류를 차단하는
    전기적 스위치기어 세트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 추가적인 회로 차단기는 MRTB(metallic return transfer breaker)인
    전기적 스위치기어 세트.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 추가적인 회로 차단기는 기계적 아크-소멸형 회로 차단기(mechanical arc-extinction type circuit-breaker)인
    전기적 스위치기어 세트.
  19. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 전기적 스위치기어 세트와 추가적인 회로 차단기는
    개별적으로 또는 조합하여 모듈로 고안(modular design)으로 되는
    전기적 스위치기어 세트.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 기계 전자 회로 차단기 디바이스를 트리거링하는 방법으로서,
    주 브렌치에 정상 전류가 존재하는 경우에만 및 특정 지시가 없는 경우에, 각 기계적 스위치 단로기는 폐쇄 위치에 유지되고, 제어 듀티비 파워 반도체 소자가 온 상태로 세트되고, 보조 브렌치의 파워 사이리스터가 오프 상태로 세트되며, 특정 명령의 수신 또는 상기 기계 전자 회로 차단기 디바이스의 주 브렌치에 있어서의 전류 서지의 경우에, 상기 방법은,
    a) 각각의 기계적 스위치 단로기를 개방시키는데 필요한 기간 동안에 모든 전류를 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치로 우회시키기 위해 각 기계적 스위치 단로기를 폐쇄된 채로 유지시키면서, 제어 듀티비 파워 반도체 소자 또는 소자들을 온 상태에서 오프 상태로 스위칭하는 단계;
    b) 단계 a)와 동시에, 주 브렌치 및 보조 브렌치의 단말에서의 전압 레벨이 주 브렌치, 접극자-서브 브렌치 또는 주 전압 서지 리미터(12)의 그 어디에서도 전류가 흐르지 못하게 하는 레벨로 되도록, 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 스위칭하고, 각 기계적 스위치 단로기의 개방 위치에서 접극자-서브 브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 후속적으로 스위칭하고, 각 기계적 스위치 단로기의 개방 위치에서 적어도 하나의 타이밍 서브-브렌치의 파워 사이리스터를 온 상태에서 오프 상태로 후속적으로 스위칭하는 단계;
    c) 단계 b)가 완료되면, 각 기계적 스위치 단로기를 개방시키는 단계;
    d) 단계 c)가 완료되고, 각 기계적 스위치 단로기가 각 기계적 스위치 단로기의 개방 위치에 도착하면, 접극자-서브 브렌치의 단말에서의 전압 레벨이 주 전압 서지 리미터 또는 리미터들(12)로 모든 전류가 우회할 수 있도록 하는 레벨로 되도록 접극자-서브-브렌치의 파워 사이리스터를 오프 상태에서 온 상태로 스위칭하는 단계; 및
    e) 주 전압 서지 리미터 또는 리미터들에 의해 전류를 소멸시키는 단계를 포함하는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스를 트리거링하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    적어도 하나의 단로기(4)를 개방시킴에 의해 임의의 잔류 누설 전류를 제거하는 단계 f)가 추가로 실행되는
    기계 전자 회로 차단기 디바이스를 트리거링하는 방법.
  22. 제 20 항에 따른 방법을 이용하는 모니터링 및 제어 시스템.
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