KR101959616B1

KR101959616B1 - 양방향 dc 차단기

Info

Publication number: KR101959616B1
Application number: KR1020170022042A
Authority: KR
Inventors: 이명진; 이동빈; 김건
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2019-03-18
Also published as: KR20180095993A; WO2018151489A1

Abstract

본 발명은 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 메인 인덕터를 이용하여, 고장전류의 양을 일차적으로 급감시켜, 필요한 LC공진전류의 양을 감소시키고, 수신부나 송신부로 빠지는 잔류전류의 양을 줄인다. 또한, 정상전류 상태일 때의 전류와 역충전 스위치를 이용하여 커패시터를 충전시키므로 따로 충전이 필요하지 않다. 폐루프를 형성하여 고장전류가 수신부나 송신부로 빠지지 않게 구성하여 화재와 같은 2차 피해를 막을 수 있다.

Description

양방향 DC 차단기{Two-way DC Circuit Breaker}

본 발명은 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기존의 양방향 DC 차단기에 비하여 빠른 시간 내에 고장전류를 효과적으로 제거할 수 있는 양방향 DC 차단기에 관한 것이다.

DC 차단기는 직류송전을 위한 회로에 이상이 생겼을 때 발생하는 고장전류를 제거하는 장치로서, 고전압 직류송전(HVDC: High Voltage Direct Current) 시스템에서 많이 사용되고 있다. 기존의 기계식 스위치는 직류전송 시스템에서 고장전류가 발생하면, 고장이 발생된 시스템이 정상적인 시스템에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 개방되어 고장전류를 차단하게 된다.

하지만 이러한 기계식 스위치는 고장전류 차단을 위해 개방될 때, 고전압으로 인하여 단자에 아크(arc)가 발생될 수 있으며, 아크가 발생하게 되면 아크를 통하여 고장전류가 지속적으로 흐르게 되어, 기계식 스위치를 개방한다고 하더라도 고장전류를 완전히 차단하지 못하는 문제점이 발생한다.

DC 차단기는 전술한 상황을 공진전류 등을 이용하여 제거하는 목적으로 사용된다. 일반적으로 커패시터와 인덕터 등의 소자를 사용하여 공진전류를 발생시키고, 이를 이용하여 고장전류의 크기를 줄여 전류가 0이 되었을 때 기계식 스위치를 개방하는 방법을 사용한다. 이 상황에서, ‘소자의 성능에 따라 얼마큼 고장전류를 줄일 수 있는지, 고장전류를 줄일 수 있을 때까지의 시간’회로의 효율이 달라지게 된다.

직류송전 시스템 어디에서라도 사고는 발생할 수 있고, 이에 따라 고장전류는 어디에서든 발생할 수 있다. 이에 대처하기 위해 양방향 DC 차단기의 기술이 제시되어 왔고, 이는 고장전류가 어디에서 발생하더라도 위 고장전류를 차단할 수 있는 장점이 있다. 즉, 회로 중간에 공진 전류를 발생시켜, 회로 어디에서 고장전류가 발생하여도 이를 제거하고, 안정적으로 차단할 수 있다.

한국등록특허 제10-1679722호는 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 사이리스터(Thyristor)를 이용하여, LC공진전류를 제어하고 고장전류가 발생했을 때 개방하여, 직류선류 어디에서 고장전류가 발생하더라도 이를 대처할 수 있는 것을 특징으로 한다. 더 나아가, 정상전류를 이용하여 커패시터를 충전시키기에 별다른 충전장치 없이 작동하고, 회로를 간소화 시켜 동작 신뢰성을 높였다. 고장전류가 LC공진전류에 한번에 제거되지 않더라도 재차 동작을 실행하여 고장전류를 줄이는 방법을 사용한다.

한국등록특허 제10-1506581호는 고전압 DC 차단기에 관한 것으로서, LC공진전류를 사이리스터를 이용하여 제어하고, 소자의 수를 간소화 시켜 신뢰성을 향상시켰다. 또한, 고장전류를 이용하여 효율을 개선시켜 기존의 양방향 DC 차단기보다 더 빠르게 차단시키고, 수신부로 흘러가는 고장전류의 양을 줄였으며, 정상전류를 이용하여 커패시터를 충전시키므로 별다른 충전장치 없이 작동한다.

하지만 위 특허문헌들에서 제시된 종래의 DC 차단기는 수신부로 흘러나가는 고장전류의 양이 적지 않고, 차단시간 또한 더욱 개선할 여지가 많다. 한번에 많은 전류를 감소시킬 수 없는 상황에 재차 동작을 실행해야하므로 차단시간이 길어진다는 단점도 있다. 이러한 단점들은 수신부나 회로상에 큰 손상을 끼치게 되며, 이는 곧 위험성 증가, 신뢰성의 하락으로 이어진다.

신속한 차단과 수신부로 흘러가는 고장전류의 양을 감소시키는 것은 DC 차단기 성능에 있어 매우 중요한 지표들이며, 위 지표들을 충분히 만족시키는 성능을 보이지 못한다면, 아크전류에 의해 발생하는 화재 등의 2차 피해를 막을 수 없다. 이에 따라, DC 전류 수송의 신뢰성을 높이기 위해선 기존의 DC 차단기와 비교하여 DC 전류 차단율 및 짧은 차단 시간을 가지는 고효율 양방향 DC 차단기에 대한 요구가 있어왔다.

한국등록특허 제10-1679722호(등록공고일: 2016. 11.25.) 한국등록특허 제10-1506581호(등록공고일: 2015.03.27.)

본 발명의 목적은 방출 스위치로 LC공진전류가 흐르는 방향을 제어하여, LC공진전류가 효율적으로 고장전류를 제거할 수 있게 함으로써 회로의 신뢰성을 높이고 고장전류 차단률 및 차단시간에 있어서 향상된 효율의 DC 차단기를 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 직류선로의 어디에 사고가 생겨 고장전류가 발생하더라도 LC공진전류의 방향을 제어하여 고장전류의 흐름을 양방향으로 모두 차단하고, 수신부로 빠지는 고장전류의 양을 최소화하는 높은 신뢰성의 DC 차단기를 제공하고자 함에 있다.

더 나아가 방출 스위치를 이용하여 LC 공진전류의 방향을 제어함으로써, 종래의 DC 차단기가 가지는 재차 동작이라는 기술적 문제점을 해결할 수 있는 DC 차단기를 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 고장전류를 제거할 수 있는 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 송신부(501)와 수신부(502)를 연결하는 직류선로(110); 상기 직류선로(110) 상에 직렬로 배치되는 제1 메인 스위치(101) 및 제2 메인 스위치(201); 상기 직류선로(110) 상에 배치되되, 일단이 상기 제1 메인 스위치(101)와 연결되고, 타단이 상기 제2 메인 스위치(201)과 연결되는 메인 인덕터(400); 및 상기 고장전류를 제거하기 위하여 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 상기 제2 메인 스위치(201)에 공급될 공진전류를 발생시키는 공진회로부(310)를 포함한다.
더 나아가 상기 제1 메인 스위치(101)와 상기 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점과, 상기 제2 메인 스위치(201)와 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점은 제1 방출 스위치(302) 및 제2 방출 스위치(303)를 개재한 상태로 서로 연결되되, 상기 제1 방출 스위치(302)로부터 상기 제2 방출 스위치(303)까지 이어지는 선로의 일 지점에는 상기 공진회로부(310)의 일단과 연결되는 접속부(600)가 형성되며, 상기 제1 방출 스위치(302)는 상기 접속부(600)와 상기 제1 메인 스위치(101)의 사이에, 상기 제2 방출 스위치(303)은 상기 접속부(600)와 상기 제2 메인 스위치(201)의 사이에 배치된다.
더 나아가, 상기 공진회로부(310)의 타단은, 제1 우회 스위치(304)를 개재한 상태로 상기 송신부(501)와 상기 제1 메인 스위치(101)의 사이에 연결됨과 동시에, 제2 우회 스위치(305)를 개재한 상태로 상기 수신부(502)와 상기 제2 메인 스위치(201)의 사이에 연결된다.
그리고 상기 제1 우회스위치(304) 및 상기 제2 우회스위치(305)는 다이오드, 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET 및 BJT 스위치 중에서 선택된 하나이며, 상기 접속부(600)로부터 상기 공진회로부(310)의 일단까지 이어지는 선로는 접지임피던스 소자(301)를 개재한 상태로 접지와 연결되되, 상기 접지임피던스 소자(301)는, 인덕터 및 저항 중에서 선택된 적어도 하나이다.
또한 상기 공진회로부(310)는 직렬로 연결된 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)를 포함하되, 상기 직렬로 연결된 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)에 역충전 스위치(313)가 병렬로 연결되며, 상기 공진전류 중 고장전류를 제거하고 남은 잔류전류는 상기 공진커패시터(312), 상기 공진인덕터(311) 및 상기 접지임피던스 소자(301)를 거쳐 접지로 빠지게 되는 것을 특징으로 한다.

삭제

바람직하게는, 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 상기 제2 메인 스위치(201)는, 상기 공진회로부(310)부터 공급된 공진전류에 의하여 고장전류가 0이 될 때 개방되는 것을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 제2 메인 스위치(201) 각각에는 제1 보조 스위치(102) 또는 제2 보조 스위치(202)가 각각 병렬로 연결될 수 있다.

상기 제1 방출 스위치(302) 또는 상기 제2 방출 스위치(303)와, 상기 공진회로부(310)의 사이에는 접지임피던스 소자(301)가 배치되되, 상기 접지임피던스 소자(301)는, 인덕터 및 저항 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.

더 나아가, 상기 공진회로부(310)는 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)를 포함하되, 상기 공진인덕터(311)의 일단은 상기 제1 방출 스위치(302), 상기 제2 방출 스위치(303), 그리고 상기 접지임피던스소자(301)와 연결되되, 타단은 공진커패시터(312)의 일단과 연결되며, 상기 공진커패시터(312)의 타단은 상기 제1 우회 스위치(304) 및 제2 우회 스위치(305)에 연결될 수 있다.

그리고 상기 공진인덕터(311)의 일단과 공진커패시터(312)의 타단에 역충전 스위치(313)가 병렬로 연결될 수 있다. 또한 상기 제1 방출 스위치(302)와 제2 방출 스위치(303)는, 고장전류 발생 위치에 따라 역충전 스위치(313)와 함께 활성화 하여 공진전류를 고장전류 방향에 따라 선택적으로 보낼 수 있다.

상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치, 상기 제1 방출 스위치, 상기 제2 방출 스위치, 상기 제1 우회 스위치 및 상기 제2 우회 스위치각각은, 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 및 다이오드 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 양방향 DC차단기의 특성으로 제1 직류선로나 제2 직류선로 어디서 고장전류가 발생하더라도 차단할 수 있으며, LC공진전류를 낭비하지 않고 고장전류가 발생한 선로로 보내 효율적으로 차단할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 메인 인덕터에 의해 고장전류의 크기를 급감시켜 LC공진전류의 필요치를 크게 감소시켜 소자비용을 더 절약할 수 있고, 수신부나 송신부로 흘러들어가는 고장전류의 크기를 감소시키기 때문에 높은 신뢰성을 가진다.

또한, 본 발명에 의하면, 차단 후 폐회로를 만들어 접지로 고장전류를 빠지게 하므로 수신부나 송신부로 흘러들어가는 고장전류의 크기가 작고, 회로 내에서 고장전류를 모두 처리할 수 있어 잔류전류로 인한 전기적인 화재인 2차적인 피해를 예방할 수 있는 효과를 가지고 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 스위치의 제어가 비교적 복잡하지 않고 명확하여 시간지연으로 인한 문제점들이 생기지 않아 높은 신뢰성을 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 양방향 DC 차단기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 향상된 효율의 DC 차단기의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 회로가 정상인 상태일 때 DC 차단기에서의 전류흐름을 도시한 것이다.
도 4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 고장전류가 발생했을 때 DC 차단기의 이루어지는 역충전 과정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 고장전류가 제1직류선로에서 발생했을 때 제1방출 스위치(302)를 개방해 LC공진전류를 방출하는 과정을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 고장전류가 제1직류선로에서 발생했을 때 전류 0점을 만들어 제1 메인 스위치(101)를 개방하고 난 후 전류의 흐름을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 남은 고장전류를 처리하는 과정을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 고장전류가 제2직류선로에서 발생했을 때, 제2방출 스위치(303)를 개방해 LC공진전류를 방출하는 과정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 DC 차단기에서, 고장전류가 제2직류선로에서 발생했을 때 향상된 효율의 DC 차단기에서 전류 0점을 만들어 제2 메인 스위치(201)를 개방하고 난 후 전류의 흐름을 도시한 것이다.
도 10는 본 발명의 제2 실시예에 따른 DC 차단기에서, 제1 메인 스위치(101)과 제2 메인 스위치(201)에 각각 스위치를 추가로 병렬연결했을 때를 나타낸 형태를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 DC 차단기에서, 제1 직류 선로에서 고장전류가 발생하고 이를 차단한 후의 전류 흐름을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 DC 차단기에서, 제2 직류 선로에서 고장전류가 발생하고 이를 차단한 후의 전류 흐름을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 DC 차단기를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 DC 차단기를 도시한 것이다.

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 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기를 나타낸 회로도로서, 도 2를 참조하면, 양방향 DC 차단기는 제1 메인 스위치(101), 제2 메인 스위치(201), 메인차단회로(300), 메인 인덕터(400)를 포함할 수 있다.

직류선로(110)는 송신부(501)와 수신부(502) 사이를 연결하는데, 위 직류선로(110) 상에 상기 제1 메인 스위치(101)와 제2 메인 스위치(201)가 직렬로 연결되어 있다. 이하 설명의 편의를 위하여 직류선로(110) 중 제1 메인 스위치(101)이 설치된 직류선로(110)의 영역을 제1 직류선로라 칭하고, 제2 메인 스위치(101)이 설치된 진류선로(110)의 영역을 제2 직류선로라 칭하기로 한다.

메인 인덕터(400)는 제1 메인 스위치(101)와 제2 메인 스위치(201) 사이에 직렬로 직류선로(110) 상에 구비된다.

메인 차단회로(300)는 제1 메인 스위치(101)와 제2 메인 스위치(201), 메인 인덕터(400)와 병렬로 연결되되, 제1 메인 스위치(101)와 송신부(501)의 사이의 직류선로(110) 상에 제1 우회 스위치(304)를 통하여 연결되고, 제2 메인 스위치(201)과 수신부(502) 사이의 직류선로(110) 상에 제2 우회 스위치(305)를 통하여 연결된다. 그리고 상기 제1 우회 스위치(304)와 제2 우회 스위치(305) 각각의 타단에는 공진회로부(310)가 연결된다. 제1 메인 스위치(101)와 메인 인덕터(400)를 연결하는 직류선로(110) 상에는 제1 방출 스위치(302)의 일단이 연결되고, 다시 제2 메인 스위치(201)과 메인 인덕터(400)를 연결하는 직류선로(110) 상에는 제2 방출 스위치(303)의 일단이 연결되며, 상기 제1 방출 스위치(302)와 상기 제2 방출 스위치(303) 각각의 타단은 공진회로부(310)와 연결된다. 더 구체적으로는, 상기 제1 메인 스위치(101)와 상기 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점과, 상기 제2 메인 스위치(201)와 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점은 제1 방출 스위치(302) 및 제2 방출 스위치(303)를 개재한 상태로 서로 연결되되, 상기 제1 방출 스위치(302)로부터 상기 제2 방출 스위치(303)까지 이어지는 선로의 일 지점에는 상기 공진회로부(310)의 일단과 연결되는 접속부(600)가 형성되며, 상기 접속부(600)로부터 상기 공진회로부(310)의 일단까지 이어지는 선로는 접지임피던스 소자(301)를 개재한 상태로 접지와 연결되는 것이다.
상기 제1 방출 스위치(302)와 상기 제2 방출 스위치(303) 각각과 상기 공진회로부(310)의 사이에는 접지임피던스 소자(301)와 연결된다.

공진회로부(310)는 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)가 직렬로 연결되며 각각의 일단에 역충전 스위치(313)가 병렬로 연결된다.

본 발명에 따른 제1 실시예에서는 특별히 본 기술에 최적인 대전류 구동을 가능하게 하는 스위치로서 사이리스터 반도체 스위치(제1 및 2 방출 스위치, 역충전 스위치) 및 다이오드(우회 스위치)를 대표적인 예로 사용하였으나, 사이리스터 이외의 다른 IGBT, IGCT, MOSFET, BJT, 다이오드, 기계적 스위치들이 이용될 수 있음은 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.

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. 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 3 내지 도 9을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 다른 양방향 DC 차단기에서 정상상태일 때의 전류흐름을 나타낸 것이다. 스위치가 닫힌 정상상태에서는 정상전류가 직류선로(110)를 따라 제1 메인 스위치(101)에서 메인 인덕터(400), 그리고 제2 메인 스위치(201)로 흐르게 된다. 정상상태일 때는 직류선로(110)를 따라 흐르는 전류는 그 크기에 변화가 없으므로 메인 인덕터(400)에 의한 임피던스가 거의 0에 가깝게 되므로, 정상상태가 지속되면 메인 인덕터(400)에 의한 영향이 무시된다. 또한, 제1 우회 스위치(304)를 통해 메인 차단회로(400) 내부로 직류선로(110)를 흐르는 전류의 일부가 유입되어 공진커패시터(312), 공진인덕터(311), 접지임피던스소자(301)를 거쳐 접지로 흘러 공진커패시터(312)를 충전시키게 된다. 따라서 이후에 회로 작동시 추가 충전이 필요하지 않다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 고장전류가 발생했을 때 공진회로부(310)에서의 전류흐름을 도시한 것이다. 고장전류가 발생했을 때 역충전 스위치(313)의 게이트단에 신호를 보내고 개방시켜, 공진커패시터(312)를 역충전 시켜 LC공진전류를 고장전류가 발생한 방향으로 흐를 수 있게 한다. 참고로, 제1 실시예에 있어서 역충전 스위치(313)는 사이리스터임을 전제로 게이트단에 신호를 보내는 것에 의하여 스위치 동작의 개시 여부를 제어하는 것으로 설명하고 있지만(아래에서 설명할 방출 스위치 역시 마찬가지임), 스위치의 종류에 따라 스위치의 동작의 개시 여부를 제어할 수 있는 어떠한 방법도 이용될 수 있음을 있음을 통상의 기술자라면 자명하게 이해할 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 고장전류가 제1 직류선로에서 발생하였을 때 LC공진전류를 방출하는 전류흐름을 도시한 것이다. 제1 직류선로에서 고장전류가 발생하였을 때, 제1 방출 스위치(302)의 게이트단에 신호를 보내 개방시켜, 역충전된 커패시터에서 방출되는 LC공진전류를 제1 직류선로 방향으로 방출시킨다. 그리고 고장전류가 0점이 되었을 때 제1 메인 스위치(101)을 개방하여 고장전류에 의해 추가피해를 차단한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 제1 메인 스위치(101) 차단시의 전류흐름을 도시한 것이다. 차단하는 과정에서 고장전류는 메인 인덕터(400)를 통해 1차적으로 급감하게 되며 수신부(502)와 제2 우회 스위치(305)를 통해 흐르게 되는데, 이 때 수신부(502)와 인피던스비에 따라 대부분의 전류가 제2 우회 스위치(305)로 흐르게 된다. 이 때, 메인 인덕터(400)를 통해 감소된 고장전류의 양은

(

은 고장전류의 크기, E는 직류선로와 단선부 사이에 걸리는 전압,

는 고장전류가 도달하기 전까지의 시간, idc는 정상 상태의 직류 전류) 로 표현된다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서, 고장전류를 메인차단회로(300)로 유도한 후의 전류흐름을 나타낸 것이다. 잔류전류는 공진커패시터(312)와 공진인덕터(311), 접지임피던스소자(301)를 거쳐 접지로 빠지게 되고, 수신부로 잔류전류가 빠져나가므로, 잔류전류의 누설로 인한 고장이나 화재와 같은 2차적인 피해를 최소화시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 고장전류가 제2 직류선로에서 발생하였을 때 LC공진전류를 방출하는 전류흐름을 나타낸 것이다. 제2 직류선로에서 고장전류가 발생하였을 때, 제2 방출 스위치(303)의 게이트단에 신호를 보내 개방시켜, 역충전된 커패시터에서 방출되는 LC공진전류를 제2 직류선로 방향으로 방출시킨다. 그리고 고장전류가 0점이 되었을 때 제2 메인 스위치(201)을 개방시켜 고장전류에 의해 추가피해를 차단한다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 제2 메인 스위치(201) 차단시의 전류흐름을 나타낸 것이다. 차단하는 과정에서 고장전류는 메인 인덕터(400)를 통해 1차적으로 급감하게 되며 수신부와 제1 우회 스위치(304)를 통해 흐르게 되며 이 때 수신부와 인피던스비에 따라 대부분의 전류가 제1 우회 스위치(304)로 흐르게 된다. 이 때, 메인 인덕터(400)를 통해 감소된 고장전류의 양은

(

은 고장전류의 크기, E는 직류선로와 단선부 사이에 걸린 전압,

이후 잔류전류는 공진커패시터(312)와 공진인덕터(311), 접지임피던스소자(301)를 거쳐 접지로 빠지게되는 것은 도 7에 도시된 것과 같다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 양방향 DC 차단기로서, 제1 메인 스위치(101)와 제2 메인 스위치(201)에 각각 제1 보조 스위치(102) 및 제2 보조 스위치(202)를 추가로 병렬연결했다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다. 각각의 제1 보조 스위치(102)및 제2 보조 스위치(102)를 추가함으로 차단 후 잔류전류 흐름이 변하게 되고 이에 따라 수신부나 송신부로 빠져나가는 전류의 양을 개선시킬 수 있다. 참고로 도면들에는 제1 및 제2 보조 스위치로서 다이오드를 사용한 것으로 도시되어 있으나, 필요에 따라 다양한 종류의 스위치를 사용할 수 있음을 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 제1 메인 스위치(101) 차단시의 전류흐름을 나타낸 것이다. 차단하는 과정에서 고장전류는 메인 인덕터(400)를 통해 1차적으로 급감하게 되며 수신부와 제2 우회 스위치(305)를 통해 흐르게 되며 이 때 수신부와 인피던스비에 따라 대부분의 전류가 제2 우회 스위치(305)로 흐르게 된다. 한편, 남은 LC공진전류는 제1 보조 스위치(102)를 통해 제1 우회 스위치를(304)를 거쳐 메인차단회로(300) 안으로 흐르게 된다. 그 후 잔류전류를 처리하는 과정은 도 7의 과정과 동일하다.

도 12은 본 발명의 제2 실시예에 따른 양방향 DC 차단기에서 제2 메인 스위치(201) 차단시의 전류흐름을 도시한 것이다. 차단하는 과정에서 고장전류는 메인 인덕터(400)를 통해 1차적으로 급감하게 되며 수신부와 제1 우회 스위치(304)를 통해 흐르게 되며 이 때 수신부와 인피던스비에 따라 대부분의 전류가 제1 우회 스위치(304)로 흐르게 된다. 한편, 남은 LC공진전류는 제2 보조 스위치(202)를 통해 제2 우회 스위치를(305)를 거쳐 메인 차단회로(300) 안으로 흐르게 된다. 그 후 잔류전류를 처리하는 과정은 도 7의 과정과 동일하다.

도 13은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 것으로서, 양방향 DC 차단기에서 접지임피던스소자(301)를 저항으로 대체한 것이다. 접지임피던스소자(301)는 상황에 따라 인덕터 등과 같은 소자로도 교체가능하며 이때에 성능적인 측면에서 조금씩 변화를 보인다.

도 14는 본 발명의 제4 실시예를 도시한 것으로서, 양방향 DC 차단기에서 제1 메인 스위치(101)와 제2 메인 스위치(201)에 각각 스위치를 추가로 병렬연결하고 접지임피던스소자(301)를 저항으로 교체한 제 4형태의 회로이다. 접지임피던스소자(301)는 상황에 따라 인덕터 등과 같은 소자로 교체가능하며 이때에 성능적인 측면에서 조금씩 변화를 보이고, 스위치를 추가로 병렬연결 함에 따라 도 11에서 도 12의 작동 과정을 거쳐 그에 따른 효율을 보인다.

전술한 실시예들에 있어서, 제1 방출 스위치(302)와 제2 방출 스위치(303)는 일반적으로 사이리스터가 권장되며, 회로의 용용 타겟에 따라 앞서 언급한 종류의 다른 스위치를 사용하는 것도 가능하다.

따라서, 정상전류를 이용하여 공진커패시터(312)를 충전시키므로 추가적인 충전 과정 없이 작동할 수 있고, 역충전 스위치(313)를 이용하여 LC공진전류의 방향을 제어할 수 있다. 또한, 메인 인덕터(400)로 고장전류의 크기를 급감시키고, 이에 따라 필요한 LC공진전류의 양이 감소하여, 소자의 비용을 절감하고, 성능을 낮춰도 작동이 가능하다. 또한, 폐루프를 형성하고, 잔류전류를 메인차단회로(300)에 가둠으로써 수신부나 송신부에 잔류전류가 미치는 영향을 최소로 없애고, 효율적으로 처리할 수 있다. 또한, 작동 제어가 그렇게 복잡하지 않고, 소자의 수를 최소로 줄여 과정을 명확하게 하고 신뢰성을 높인 DC 차단기이다.

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 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐만 아니라 특허 청구 범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

101 : 제1 메인 스위치 201 : 제2 메인 스위치
300 : 메인차단회로 301 : 접지임피던스소자
302 : 제1 방출 스위치 303 : 제2 방출 스위치
304 : 제1 우회 스위치 305 : 제2 우회 스위치
310 : 공진회로부 311 : 공진인덕터
312 : 공진커패시터 313 : 역충전 스위치
400 : 메인 인덕터 501: 송신부
502: 수신부

Claims

고장전류를 제거할 수 있는 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서,
송신부(501)와 수신부(502)를 연결하는 직류선로(110);
상기 직류선로(110) 상에 직렬로 배치되는 제1 메인 스위치(101) 및 제2 메인 스위치(201);
상기 직류선로(110) 상에 배치되되, 일단이 상기 제1 메인 스위치(101)와 연결되고, 타단이 상기 제2 메인 스위치(201)과 연결되는 메인 인덕터(400); 및
상기 고장전류를 제거하기 위하여 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 상기 제2 메인 스위치(201)에 공급될 공진전류를 발생시키는 공진회로부(310)를 포함하되,
상기 제1 메인 스위치(101)와 상기 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점과, 상기 제2 메인 스위치(201)와 메인 인덕터(400)의 사이를 연결하는 선로의 일 지점은 제1 방출 스위치(302) 및 제2 방출 스위치(303)를 개재한 상태로 서로 연결되되, 상기 제1 방출 스위치(302)로부터 상기 제2 방출 스위치(303)까지 이어지는 선로의 일 지점에는 상기 공진회로부(310)의 일단과 연결되는 접속부(600)가 형성되며,
상기 제1 방출 스위치(302)는 상기 접속부(600)와 상기 제1 메인 스위치(101)의 사이에, 상기 제2 방출 스위치(303)은 상기 접속부(600)와 상기 제2 메인 스위치(201)의 사이에 배치되며,
상기 공진회로부(310)의 타단은, 제1 우회 스위치(304)를 개재한 상태로 상기 송신부(501)와 상기 제1 메인 스위치(101)의 사이에 연결됨과 동시에, 제2 우회 스위치(305)를 개재한 상태로 상기 수신부(502)와 상기 제2 메인 스위치(201)의 사이에 연결되되,
상기 제1 우회스위치(304) 및 상기 제2 우회스위치(305)는 다이오드, 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET 및 BJT 스위치 중에서 선택된 하나이며,
상기 접속부(600)로부터 상기 공진회로부(310)의 일단까지 이어지는 선로는 접지임피던스 소자(301)를 개재한 상태로 접지와 연결되되, 상기 접지임피던스 소자(301)는, 인덕터 및 저항 중에서 선택된 적어도 하나이며,
상기 공진회로부(310)는 직렬로 연결된 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)를 포함하되, 상기 직렬로 연결된 공진인덕터(311)와 공진커패시터(312)에 역충전 스위치(313)가 병렬로 연결되며,
상기 공진전류 중 고장전류를 제거하고 남은 잔류전류는 상기 공진커패시터(312), 상기 공진인덕터(311) 및 상기 접지임피던스 소자(301)를 거쳐 접지로 빠지게 되는 것을 특징으로 하는, 양방향 DC 차단기.
제1항에 있어서, 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 상기 제2 메인 스위치(201)는, 상기 공진회로부(310)부터 공급된 공진전류에 의하여 고장전류가 0이 될 때 개방되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
제1항에 있어서, 상기 제1 메인 스위치(101) 또는 제2 메인 스위치(201) 각각에는 제1 보조 스위치(102) 또는 제2 보조 스위치(202)가 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
제1항에 있어서, 상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치, 상기 제1 방출 스위치 및 상기 제2 방출 스위치 각각은, 기계적 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET 및 BJT 스위치 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 공진인덕터(311)의 일단은 상기 제1 방출 스위치(302), 상기 제2 방출 스위치(303), 그리고 상기 접지임피던스 소자(301)와 연결되되, 타단은 공진커패시터(312)의 일단과 연결되며;
상기 공진커패시터(312)의 타단은 상기 제1 우회 스위치(304) 및 제2 우회 스위치(305)에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 방출 스위치(302)와 제2 방출 스위치(303)는, 고장전류 발생 위치에 따라 역충전 스위치(313)와 함께 활성화 하여 공진전류를 고장전류 방향에 따라 선택적으로 보내는 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.