KR102033678B1 - 직류전원 차단 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류전원 차단 제어장치에 관한 것으로서, 직류전원과 부하단 사이에 설치되어 직류전원으로부터 부하단으로의 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 된 기계적 스위치와, 제어신호에 따라 기계적 스위치를 온 또는 오프시키는 스위치 구동부와, 직류전원으로부터 부하단으로 공급되는 전류를 측정하는 전류센서와, 전류센서에서 검출된 측정전류가 기준전류 보다 큰지를 판단하고, 측정전류가 기준전류보다 크면서 설정된 차단조건에 해당하면 기계적 스위치가 오프되게 스위치 구동부를 제어하는 제어부와, 기계적 스위치가 오프될 때 부하단의 역전류 흐름을 허용하도록 기계적 스위치와 병렬상으로 접속된 프리휠 다이오드와, 프리휠 다이오드와 직렬 접속되며 기계적 스위치 오프시의 서지 전압을 흡수하는 서지 옵서버를 구비한다. 이러한 직류전원 차단 제어장치에 의하면, 기계적스위치의 오프시 아크발생을 억제할 수 있으면서 고장전류의 세기 및 지속시간을 고려하여 기계적 스위치의 오프 여부를 결정함으로써 운전 효율성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

직류전원 차단 제어장치{DC power source cutoff control apparatus}

본 발명은 직류전원 차단 제어장치에 관한 것으로서, 상세하게는 직류선로에 고장발생시 직류선로에 흐르는 고장전류를 기계식 스위치에 의해 차단할 수 있게 처리하는 직류전원 차단 제어장치에 관한 것이다.

DC 차단기(Direct Current circuit breaker)는 직류 송전선로에서 단락, 지락, 과전류 등 선로 고장 또는 과전류 발생시 고장전류를 차단하기 위해 사용된다.

저압 직류 차단기는 저압 전압 직류전송(LVDC: Low Voltage Direct Current) 시스템의 750V 이하의 저전압 송전선로 또는 배전선로에 주로 사용된다.

DC 차단기는 직류선로에 고장발생시 고장전류를 차단하기 위해 비교적 저렴한 기계식 스위치가 구비된다. 기계식 스위치는 저전압 직류송전(LVDC) 시스템 또는 직류 배전시스템에 고장전류가 발생되면 그 고장이 발생된 시스템이 정상적인 시스템에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 개방되어 고장전류를 차단한다.

하지만, 이러한 기계식 스위치는 고장전류의 차단을 위해 개방시 직류 전압으로 인해 단자에 아크(arc)가 발생될 수 있으며, 아크가 발생되면 아크를 통해 고장전류가 지속적으로 흐르게 되어 고장전류를 완전히 차단하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국등록특허 제1183508호에 공진전류를 이용하여 기계적 스위치에 발생하는 아크(arc)를 소호하는 DC 차단기가 제시되어 있다.

이러한 종래의 DC 차단기에서는 고장발생시 기계적 스위치가 스위칭될 때 발생하는 아크를 소호하여 고장전류를 차단하기 위해 기계적 스위치에서 아크를 통해 흐르는 고장전류에 반대방향의 공진전류를 중첩시켜서 기계적 스위치에서 0(zero) 전류를 만들어 아크를 소호시키는 기술을 제공한다.

직류 차단기는 효율적인 차단을 위해 초기에는 LC 공진회로를 이용하여 인위적으로 고장전류가 '0'점을 지나도록 차단하는 방식이 제안되었으나 차단속도가 느린 단점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 대용량 다이오드와 사이리스터(Thyristor)가 개발되면서 이를 LC 공진회로와 같이 고속 기계식 차단기와 결합하여 차단속도가 향상된 회로구성이 제안되었으나, 주로 지하철 급전선로를 차단하는 수준으로 직류 송전선로에 적용하기에는 차단 용량과 내압 그리고 차단속도에서 성능이 부족한 수준이다.

한편, 대한민국 공개특허 제10-2005-0083067호(LC공진을 활용한 전압구동형 전력 스위칭 소자의 게이트 차단회로)에는 스위칭 소자, 게이트에 인덕터, 트랜지스터 및 커패시터를 직렬로 연결하여 트랜지스터 동작시 LC 공진회로를 구성하는 기술이 개시되어 있으나, 정상동작시 도통손실이 너무 큰 단점이 있다.

아울러, 국내외에서 지하철 급전선로용으로 GTO(Gate Turn-Off Thyristor)를 사용한 반도체 차단기가 개발되어 고장전류가 일정 값에 도달하여 고장이 인식되는 즉시 고속 차단이 가능한 장점을 갖고 있으나, 정상동작시 도통손실이 너무 큰 단점 때문에 상용화되지 못한 바 있다.

최근 개발된 대용량 반도체 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 IGCT(Insulated Gate-Commutated Thyristor)를 사용한다 해도 도통손실이 너무 커 경제성이 없는 실정이다.

한편, 상기한 종래의 DC 차단기들은 공진전류를 발생시키기 위해 여러 번의 공진이 이루어져야 하기 때문에 차단속도가 느려지는 문제점이 있고, 또한 하나의 공진회로가 하나의 기계식 스위치와 연결됨으로써 기계식 스위치를 기준으로 어느 한 방향으로 유입되는 고장전류만을 차단하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 DC 차단기들은 고장전류를 차단한 직후 차단기의 두 접점 간에 인가되는 과도회복전압(TRV:Transient Recovery Voltage)이 높다는 문제점이 있다. 특히 고전압 DC 차단기에서는 고장전류를 차단한 직후 두 접점 간에 계통의 회로조건에 따라 큰 과도회복전압(TRV)이 걸리게 되는데, 고장전류가 완전히 차단되려면 과도회복전압(TRV)을 견디어 접점 간에 더 이상 전류가 흐르지 않아야 한다.

하지만, 종래의 DC 차단기들은 과도회복전압(TRV)이 높기 때문에 두 접점 간에 절연파괴가 발생할 수 있으며 이를 방지하기 위해 가스를 주입하는 등 별도의 장치가 마련되어야 하는 문제점이 있다.

한편, 과전류가 인가될 때마다 단순히 기계적 스위치를 오프시키게 하는 경우 전원 오프에 의한 운전 정지에 의해 운전 가동율이 저하되기 때문에 운전 시스템에 영향을 미치지 않는 서지전류인지를 판단하여 기계적 스위치를 오프시키는 빈도수를 최소화하는 것이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 기계적스위치의 오프시 아크발생을 억제하면서도 구조가 간단하고, 고장전류의 세기 및 지속시간을 고려하여 기계적 스위치의 오프 여부를 결정하는 직류전원 차단 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직류전원 차단 제어장치는 직류전원과 부하단 사이에 설치되어 상기 직류전원으로부터 상기 부하단으로의 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 된 기계적 스위치와; 제어신호에 따라 상기 기계적 스위치를 온 또는 오프시키는 스위치 구동부와; 상기 직류전원으로부터 상기 부하단으로 공급되는 전류를 측정하는 전류센서와; 상기 전류센서에서 검출된 측정전류가 기준전류 보다 큰지를 판단하고, 상기 측정전류가 기준전류보다 크면서 설정된 차단조건에 해당하면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하는 제어부와; 상기 기계적 스위치가 오프될 때 상기 부하단의 역전류 흐름을 허용하도록 상기 기계적 스위치와 병렬상으로 접속된 프리휠 다이오드와; 상기 프리휠 다이오드와 직렬 접속되며 상기 기계적 스위치 오프시의 서지 전압을 흡수하는 서지 옵서버;를 구비한다.

바람직하게는 상기 기계적 스위치와 병렬로 접속된 제너다이오드;를 더 구비한다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정전류가 상기 기준전류보다는 크고 상기 기준전류의 2배 이하인 경우 제1대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제1대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 이하이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리한다.

상기 제어부는 상기 측정전류가 상기 기준전류보다의 2배보다 크고 상기 기준전류의 10배 이하인 경우 상기 제1대기시간보다 짧게 설정된 제2대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제2대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 미만이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리한다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정전류가 상기 기준전류보다의 10배보다 크고 상기 기준전류의 100배 이하인 경우 상기 제2대기시간보다 짧게 설정된 제3대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제3대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 미만이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리한다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 100배를 초과하면 설정된 순시시간 이내에 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어한다.

바람직하게는 상기 제1대기시간은 500밀리초이고, 상기 제2대기시간은 100밀리초이고, 상기 제3대기시간은 10밀리초이고, 상기 순시시간은 1밀리초가 적용된다.

본 발명에 따른 직류전원 차단 제어장치에 의하면, 기계적스위치의 오프시 아크발생을 억제할 수 있으면서 고장전류의 세기 및 지속시간을 고려하여 기계적 스위치의 오프 여부를 결정함으로써 운전 효율성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 직류전원 차단 제어장치를 나타내 보인 회로도이고,
도 2는 도 1의 제어부의 기계적 스위치 오프 결정과정을 나타내 보인 플로우도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류전원 차단 제어장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 직류전원 차단 제어장치를 나타내 보인 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 직류전원 차단 제어장치(100)는 기계적 스위치(110), 스위치 구동부(120), 전류센서(130), 제어부(150), 프리휠 다이오드(161), 서지 옵서버(162), 제너다이오드(163)을 구비한다.

참조부호 60은 직류전원(10)으로부터 부하가 접속되는 부하단(20)으로 이어지는 전원공급경로(120)의 유효 임피던스를 등가적으로 표기한 것이다.

기계적 스위치(110)는 직류전원(10)과 부하단(20) 사이에 설치되어 직류전원(10)으로부터 부하단(20)으로의 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 되어 있다.

기계적 스위치(110)는 직류전원(10)의 양극(+)단자로부터 양극 부하단(20)으로 이어지는 전력공급경로(12)상에 직렬상으로 설치되어 접점(13)과 접속 또는 분리될 수 있게 되어 있다.

스위치 구동부(120)는 제어부(150)의 제어신호에 따라 기계적 스위치(110)가 접점(13)에 대해 접속 또는 분리되도록 기계적 스위치(110)를 온 또는 오프시킬 수 있도록 되어 있다.

스위치 구동부(120)는 제어부(150)로 인가된 구동전류에 의해 자력을 생성하여 자력에 감응하는 기계적 스위치(110)를 온 또는 오프 시킬 수 있도록 구축될 수 있다.

전류센서(130)는 직류전원(10)으로부터 부하단(20)으로 공급되는 전류를 측정하여 제어부(150)에 제공한다.

도시된 예에서 전류센서(130)는 직류전원(10)의 양극(+)단자로부터 양극 부하단(20)으로 이어지는 전력공급경로(12)상에서 직류전원(10)과 기계적 스위치(110) 사이에 설치된 전류검출용 션트 저항소자가 적용되었다.

이와는 다르게, 전류센서(130)는 직류전원(10)과 기계적 스위치(110) 사이의 전력공급경로(12) 상에 코일 형태로 권선되어 전류를 검출하는 방식 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.

프리휠 다이오드(161)는 기계적 스위치(110)와 부하단(20) 사이의 전력공급경로(12)에 대해 병렬상으로 접속되어 있다.

또한, 프리휠 다이오드(161)는 캐소드가 전력공급경로(12)에 접속되게 배치되어 기계적 스위치(110)가 오프될 때 후술되는 서지옵서버(162)와 함께 부하단(20)의 역전류 흐름을 허용한다.

즉, 프리휠 다이오드(161)는 서지옵서버(162)와 함께 전력공급경로(12)상에 존재하는 유효 임피던스(60) 또는 부하(20) 상에 존재하는 리액턴스 성분이 소호될 수 있는 프리휠 경로를 제공한다.

서지 옵서버(162)는 프리휠 다이오드(161)와 직렬 접속되며 기계적 스위치(110) 오프시의 서지전압을 흡수하여 소호시킨다.

제너다이오드(163)는 기계적 스위치(110)와 부하단(20) 사이의 전력공급경로(12)에 대해 병렬로 접속되어 있다.

이러한 제너다이오드(163)는 과전압을 흡수하여 전원공급회로를 안정화시킨다.

제어부(150)는 전류센서(130)에서 검출된 측정전류(Id)가 기준전류(Ir) 보다 큰지를 판단하고, 측정전류가 기준전류보다 크면서 설정된 차단조건에 해당하면 기계적 스위치(110)가 오프되게 스위치 구동부(120)를 제어한다.

이러한 제어부(150)의 제어과정을 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 제어부(150)는 전류센서(130)로부터 전원공급경로(12)를 통해 공급되는 측정전류(Id)를 검출한다(단계 210).

단계 210에서 검출된 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)보다는 큰지를 판단한다.(단계 220).

여기서 기준전류(Ir)는 부하단(20)에 접속된 부하 및 전원공급회로의 보호를 결정하기 위한 고장전류의 기준값으로 적절하게 설정하면 된다.

단계 220에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)보다는 큰 것으로 판단되면, 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 2배 이하인지를 판단한다(단계 230).

단계 230에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 2배 이하인 것으로 판단되면, 설정된 제1대기시간동안 기계적 스위치(110)의 온/오프에 대한 의사 결정을 지연시켜 대기한 후 현재 측정전류(Id)를 검출한다(단계 240).

단계 240을 거친 다음에 현재 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)보다 여전히 큰 지를 판단하고(단계 250), 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)보다 여전히 큰 것으로 판단되면, 기계적 스위치(110)가 오픈되게 스위치 구동부(120)를 제어하여 전원을 차단한다.

이와는 다르게 단계 250에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir) 이하인 것으로 판단되면 기계적 스위치(110)의 온 상태를 계속 유지하게 처리하고 단계 210으로 복귀한다.

이와는 다르게, 단계 230에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 2배를 초과한 것으로 판단되면, 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 10배 이하인 지를 판단한다(단계 270).

단계 270에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 10배 이하인 것으로 판단되면, 설정된 제2대기시간동안 기계적 스위치(110)의 온/오프에 대한 의사 결정을 지연시켜 대기한 후 현재 측정전류(Id)를 검출하고, 단계 250으로 복귀한다(단계 280).

또한, 단계 270에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 10배를 초과한 것으로 판단되면, 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 100배 이하인 지를 판단한다(단계 290).

단계 290에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 100배 이하인 것으로 판단되면, 설정된 제3대기시간동안 기계적 스위치(110)의 온/오프에 대한 의사 결정을 지연시켜 대기한 후 현재 측정전류(Id)를 검출하고, 단계 250으로 복귀한다(단계 280).

이와는 다르게, 단계 290에서 측정전류(Id)가 기준전류(Ir)의 100배를 초과한 것으로 판단되면, 단계 260으로 복귀하여 전원을 차단한다.

여기서, 제3대기시간은 제2대기시간보다 짧게 설정되고, 제2대기시간은 제1대기시간보다 짧게 설정된다.

바람직하게는 제1대기시간은 500밀리초이고, 제2대기시간은 100밀리초이고, 제3대기시간은 10밀리초를 적용한다.

단계 260의 전원차단은 순시시간 이내에 이루어지도록 처리하며 순시시간은 1밀리초가 적용된다.

이러한 제어부(150)의 고장 전류에 대한 기계적 스위치(110)의 제어과정에 의하면, 전류의 세기는 크나 실질적으로 전원공급회로 계통의 손상을 야기시키지 않을 수 있는 짧은 시간 동안만 과전류가 유지되는 경우에는 기계적 스위치(110)가 온 상태를 유지하도록 하는 차단조건을 적용함으로써 운전유지 효율을 향상시킬 수 있다.

110: 기계적 스위치 120: 스위치 구동부
130: 전류센서 150: 제어부
161: 프리휠 다이오드 162: 서지 옵서버
163: 제너다이오드

Claims (7)

1. 직류전원과 부하단 사이에 설치되어 상기 직류전원으로부터 상기 부하단으로의 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 된 기계적 스위치와;
   제어신호에 따라 상기 기계적 스위치를 온 또는 오프시키는 스위치 구동부와;
   상기 직류전원으로부터 상기 부하단으로 공급되는 전류를 측정하는 전류센서와;
   상기 전류센서에서 검출된 측정전류가 기준전류 보다 큰지를 판단하고, 상기 측정전류가 기준전류보다 크면서 설정된 차단조건에 해당하면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하는 제어부와;
   상기 기계적 스위치가 오프될 때 상기 부하단의 역전류 흐름을 허용하도록 상기 기계적 스위치와 병렬상으로 접속되게 일단이 상기 기계적 스위치와 상기 부하단 사이에 접속된 프리휠 다이오드와;
   상기 프리휠 다이오드의 타단과 일단이 직렬 접속되고 타단은 상기 직류전원의 음극단자와 접속되어 상기 기계적 스위치 오프시의 서지 전압을 흡수하는 서지 옵서버와;
   상기 기계적 스위치와 병렬로 접속된 제너다이오드;를 구비하고,
   상기 제어부는
   상기 측정전류가 상기 기준전류보다는 크고 상기 기준전류의 2배 이하인 경우 제1대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제1대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 이하이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리하며,
   상기 제어부는
   상기 측정전류가 상기 기준전류보다 2배보다 크고 상기 기준전류의 10배 이하인 경우 상기 제1대기시간보다 짧게 설정된 제2대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제2대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 미만이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리하고,
   상기 제어부는
   상기 측정전류가 상기 기준전류보다 10배보다 크고 상기 기준전류의 100배 이하인 경우 상기 제2대기시간보다 짧게 설정된 제3대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류보다 크면 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고, 상기 제3대기시간 동안 대기한 후 상기 측정전류가 상기 기준전류 미만이면 상기 기계적 스위치의 온 상태를 유지하게 처리하며,
   상기 제어부는
   상기 측정전류가 상기 기준전류보다 100배를 초과하면 설정된 순시시간 이내에 상기 기계적 스위치가 오프되게 상기 스위치 구동부를 제어하고,
   상기 제1대기시간은 500밀리초이고, 상기 제2대기시간은 100밀리초이고, 상기 제3대기시간은 10밀리초이고, 상기 순시시간은 1밀리초인 것을 특징으로 하는 직류전원 차단 제어장치.
   
   
   
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