KR102081362B1 - 이중 스위치 구조의 한류 장치 - Google Patents

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Abstract

제 1 전류 흐름 경로 및 제 2 전류 흐름 경로를 제공하는 제 1 전류 제한부, 및 상기 제 1 전류 제한부에 병렬 접속되며, 제 3 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로를 제공하는 제 2 전류 제한부를 포함하며, 입력 전류가 제 1 임계값 이하인 경우 제 1 전류 흐름 경로와 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고, 입력 전류가 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하인 경우 병렬인 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 제 2 및 제4 전류 흐름 경로, 또는 병렬인 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 제 2 및 제 3 전류 흐름 경로로 전류가 분산되어 흐르도록 동작하며, 입력 전류가 제 2 임계값을 초과하는 경우 제 2 전류 흐름 경로와 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하는, 이중 스위치 구조의 한류 장치를 제공한다.

Description

이중 스위치 구조의 한류 장치{CURRENT LIMITING DEVICE USING DOUBLE SWITCHING}
본 발명은 트리거형 스위치를 사용하여 전류를 전향시키는 하이브리드 한류 장치에 관한 것이다.
전력계통 장치나 회로는 정상 상태의 경우 연속정격전류가 흐른다. 하지만, 전력계통 장치나 회로 상에 문제가 발생하거나 장치나 회로가 견딜 수 있는 범위 이상의 전류인 고장전류가 인가되면, 고장전류로 인해 전력계통 장치나 회로 내부의 주요 구성이 손상을 입게 된다.
이러한 고장전류를 제한하기 위해 한류 장치가 개발되었다. 한류 장치는 전력계통 장치나 회로에 접속하여 전류를 조절할 수 있다. 특히, 극저온 상태에서 전기 저항이 실질적으로 0 에 가깝고, 온도가 높아질수록 저항이 급격히 증가하는 특성을 갖는 초전도체를 이용한 초전도 한류 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만, 일정 수준 이상의 고장전류가 초전도 한류 장치에 인가되면 초전도 소자까지 손상될 위험이 있다. 또한, 일정 수준 이상의 고장전류가 인가되면 초전도 소자의 저항이 무한대에 가까워지거나, 초전도 소자의 금속이 갖는 최대 저항에 가까워지고, 정상 동작을 위해 전류가 지속적으로 인가될 필요성이 있는 소자들의 동작에 악영향을 미칠 수 있었다. 이에 따라, 초전도 소자의 배치 구조와 스위칭 소자를 이용하여 고장전류의 크기에 따라 가동되는 초전도 소자의 개수나 경로를 조절하여 고장전류를 제어하는 방법이 제안되었다.
전류의 방향을 스위치 동작을 통해 변경시키는 하이브리드형 한류기는, 평상시에 흐르는 회로에서는 저항이 아주 작도록 설계되어 손실이 거의 없다. 그러나 고장이 발생하여 과전류가 흐르면 스위치가 동작하여 전류의 방향을 저항이 큰 쪽의 회로로 전향시킨다. 이처럼 큰 저항으로서 한류 저항기를 사용하며, 한류저항기로 인해 큰 고장전류는 제한되고 차단기를 보호한다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제 10-1182968호(발명의 명칭: 하이브리드 초전도 한류기)에는, 전력 입력단으로 입력되는 전력을 전력 출력단으로 출력하면서 고장전류의 발생을 감지하는 초전도체와, 초전도체의 출력전력을 진공 인터럽터를 통해 전력 출력단으로 전달하고 초전도체가 고장전류를 감지하였을 경우에 진공 인터럽터를 개로시킴과 동시에 보호접점이 폐로되면서 전력 입력단의 전력을 우회시켜 진공 인터럽터로 출력하는 고속 스위치와, 진공 인터럽터와 전력 출력단의 사이에 구비되고 초전도체가 고장전류를 감지하였을 경우에 턴 오프되면서 진공 인터럽터가 개로될 때 발생되는 아크를 제거하는 전력용 반도체 스위칭 유닛과, 전력 입력단 및 전력 출력단의 사이에 접속되는 커패시터와, 커패시터와 병렬 접속되는 한류저항을 포함하는 초전도 한류기가 개시되어 있다.
그러나 위와 같은 종래의 하이브리드 한류기는, 스위칭 차단 후에 고장전류 크기에 따른 유동적인 전류 제한이 아닌 획일적 고장전류 제한을 한다. 이는 고장전류가 작은 경우 계통 차단기에서 고장의 유무를 확인할 수 없어 주 차단기의 동작을 방해한다는 문제점이 있다.
따라서, 초전도 소자의 배치 구조와 스위칭 소자를 이용하여, 고장전류의 크기에 따라 유동적으로 전류 경로 및 제한 임피던스를 조절하여 고장전류를 제한하는 방법이 필요하다.
본 발명의 일부 실시예는 초전도 모듈을 입력 전류 상태에 따라 유동적으로 전류 제한에 투입시키는 하이브리드 한류 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 다중 스위치 제어가 가능하여 전류 상황 별로 제한 임피던스가 상이하도록 전류를 전향하는 하이브리드 한류 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치는, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 2 전류 흐름 경로를 제공하는 제 1 전류 제한부; 및 상기 제 1 전류 제한부에 병렬 접속되며, 제 3 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로를 제공하는 제 2 전류 제한부를 포함하고, 상기 제 1 전류 흐름 경로의 저항은 상기 제 2 전류 흐름 경로의 저항보다 작고, 상기 제 3 전류 흐름 경로의 저항은 상기 제 4 전류 흐름 경로의 저항보다 작으며, 입력 전류가 제 1 임계값 이하인 경우 상기 제 1 전류 흐름 경로와 상기 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고, 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하인 경우, 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제4 전류 흐름 경로, 또는 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제 3 전류 흐름 경로로 전류가 분산되어 흐르도록 동작하며, 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 2 전류 흐름 경로와 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치는 초전도 모듈의 회로 차단기 영역에 바이패스 경로를 갖는 보조 스위치부를 추가하여, 주 스위치 및 보조 스위치의 온/오프 동작을 제어하여 전류의 흐름을 통제함으로써, 회로 상의 제한 임피던스를 조절할 수 있다. 이 특성을 이용하여 평상시에는 제한 임피던스를 0에 가깝게 하여 일반적인 도선의 역할을 하고 고장전류 발생 이후에는 제한 임피던스가 높은 회로로 스위칭되어 고장전류를 제한할 수 있다. 또한, 고장전류의 크기에 따라 전류가 흐르는 경로를 가변적으로 변경할 수 있어, 고장전류 크기에 따른 유동적 제한 임피던스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치는 주 스위치부의 초전도 소자를 이용하여 초기 과전류를 빠르게 제한할 수 있으며, 초전도 소자의 한류에 연이어 다중 스위치의 온/오프를 제어하여 전류 흐름 경로를 전류(轉流)시킴으로써 고장전류로부터 한류 장치 내부 구성을 효과적으로 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치의 구성도 이다.
도 2 a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치에서의 전류 흐름 경로의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치의 구성도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 스위치 구조 한류 장치에서의 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치의 구성도 이다.
그리고 도 2 a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치에서의 전류 흐름 경로의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이중 스위치 구조의 한류 장치(10)는 제 1 전류 제한부(100), 제 2 전류 제한부(200) 및 스위치 제어부(300)를 포함한다.
제 1 전류 제한부(100)는 주 스위치(즉, 제 1 스위치(120)) 및 초전도 모듈(즉, 초전도 소자(110))을 포함하며, 이러한 제 1 전류 제한부(100)에 트리거형 보조 스위치(즉, 제 2 스위치(210))를 포함하는 제 2 전류 제한부(200)가 병렬로 접속된다. 이처럼, 이중 스위치 구조를 갖는 트리거형 한류 장치(10)가 제공된다.
제 1 전류 제한부(100)는 입력단에 일단이 각각 병렬 접속된 초전도 소자(110) 및 제 1 한류 저항(130)과, 초전도 소자(110) 및 제 1 한류 저항(130)의 타단 사이에 접속된 제 1 스위치(120)를 포함한다.
제 2 전류 제한부(200)는 출력단에 일단이 각각 병렬 접속된 제 2 스위치(210) 및 제 2 한류 저항(220)을 포함한다. 이때, 제 1 스위치(120)는 제 2 스위치(210) 및 제 2 한류 저항(220)의 타단 사이에 접속된다. 즉, 제 2 전류 제한부(200)는 제 1 전류 제한부(100)의 제 1 스위치(120)에 병렬 연결된다.
구체적으로, 초전도 소자(110) 및 제 1 한류 저항(130)의 일단은 각각 입력단에 접속되고, 제 2 스위치(210) 및 제 2 한류 저항(220)의 일단은 각각 출력단에 접속된다. 그리고 초전도 소자(110)의 타단에는 제 1 스위치(120)의 일단 및 제 2 스위치(210)의 타단이 접속되고, 제 1 한류 저항(130)의 타단에는 제 1 스위치(120)의 타단 및 제 2 한류 저항(220)의 타단이 접속된다. 즉, 제 1 전류 제한부(100)의 제 1 스위치(120)에 제 2 전류 제한부(200)가 병렬 접속된다.
이때, 제 1 및 제 2 한류 저항(130, 220)은 각각 하나 이상의 저항(R), 코일(L), 커패시터(C) 중 적어도 하나의 조합으로 이루어질 수 있다. 그리고 제 1 및 제 2 한류 저항(130, 220) 각각의 임피던스 값은 설계자의 의도 또는 사용 용도에 따라 고정된 값으로 미리 설정되어 있을 수 있다.
제 1 전류 제한부(100)는 입력단으로부터 초전도 소자(110)를 경유하는 제 1 전류 흐름 경로 및 입력단으로부터 제 1 한류 저항(130)을 경유하는 제 2 전류 흐름 경로를 제공한다. 그리고, 제 2 전류 제한부(200)는 제 2 스위치(210)를 경유하여 출력단을 향하는 제 3 전류 흐름 경로 및 제 2 한류 저항(220)을 경유하여 출력단을 향하는 제 4 전류 흐름 경로를 제공한다.
스위치 제어부(300)는 제 1 내지 제 4 전류 흐름 경로 및 초전도 소자(110)의 전류 또는 전압을 측정하고, 측정된 전류 또는 전압에 기초하여 제 1 스위치(120) 및 제 2 스위치(210)의 온/오프(on/off) 구동을 제어한다. 이때, 스위치 제어부(300)는 계전기를 포함할 수 있다.
이하, 도 2a 내지 3c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치(10)에서의 전류 제한 방식에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
이중 스위치 구조의 한류 장치(10)의 스위치 제어부(300)는 고장 전류의 크기에 따라 제 1 및 제 2 스위치(120, 210)의 동작을 다르게 제어한다.
구체적으로, 제 1 전류 제한부(100)로 전류가 입력되면 스위치 제어부(300)는 입력 전류의 크기에 따라 제 1 스위치(110) 또는/및 제 2 스위치(210)의 온/오프 동작을 제어하여, 제 1 및 제 2 전류 제한부(100, 200) 상에서 상이한 제한 임피던스 경로로 전류(commutating)를 유도한다. 이때, 고장전류의 크기가 클수록 제 1 전류 제한부(100) 및 제 2 전류 제한부(200) 상에서 제한 임피던스가 더 큰 경로로 전류(commutating) 시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치(10)의 전류 제한 방식을 설명하도록 한다.
이하 설명할 이중 스위치 구조의 한류 장치(10)의 제 1 스위치(120) 및 제 2 스위치(210)의 스위칭 시퀀스는 다음과 같다.
먼저, 초기 상태에서 제 1 및 제 2 스위치(120, 210)가 둘 다 턴온되며, 1차 과전류가 입력되면 제 2 스위치(210)를 턴오프시킨다. 이러한 상태에서 2차 과전류가 입력되면 제 1 스위치(110)도 턴오프시켜 제 1 및 제 2 스위치(120, 210) 둘 다 턴오프된다. 이하에서 설명할 제 1 및 제 2 임계값은 입력 전류가 과도 전류인지를 검출하기 위해 사전에 설정된 값으로서, 각각 설계자의 의도 또는 사용 용도에 따라 변경 가능하다.
도 2a에서는 제 1 전류 제한부(100) 및 제 2 전류 제한부(200) 각각의 스위치들이 모두 턴온된 상태의 전류 흐름을 도시하였다.
입력 전류의 크기가 제 1 임계값 이하이면, 스위치 제어부(300)는 전류가 제 1 전류 제한부(100)를 통한 제 1 전류 흐름 경로와 제 2 전류 제한부(200)를 통한 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 제 1 및 제 2 스위치(120, 210)를 제어한다. 이때, 제 1 임계값 이하의 입력 전류는 고장 전류가 아닌 평시 전류이며, 제 1 임계값 이하에서 초전도 소자(110)는 0에 가까운 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 평시 전류가 입력될 경우, 제 1 전류 흐름 경로의 저항은 제 2 전류 흐름 경로의 저항보다 작고, 제 3 전류 흐름 경로의 저항은 제 4 전류 흐름 경로의 저항보다 작다.
구체적으로, 입력 전류가 제 1 임계값 이하이면, 스위치 제어부(300)는 제 1 스위치(120) 및 제 2 스위치(210)를 둘 다 턴온시킨다. 이때, 초전도 소자(110)의 초기 임피던스 값은 제 1 및 제 2 한류 저항(130, 220) 각각의 임피던스 값보다 작다. 따라서, 입력 전류는 초전도 소자(110) 및 제 2 스위치(210)를 경유하여 흐르게 된다. 즉, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 3 전류 흐름 경로는 도 2a의 ① 경로 및 ③ 경로(iSFCL→iSC→ iSW2)로 표현할 수 있다.
도 2b에서는 제 2 전류 제한부(200)의 스위치가 턴오프되고 제 1 전류 제한부(100)의 스위치는 턴온된 상태의 전류 흐름을 도시하였다.
입력 전류의 크기가 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하이면, 즉 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(300)는 제 1 스위치(120)를 턴온시키고 제 2 스위치(210)를 턴오프시킨다.
이때, 초기 과도 전류는 초전도 소자(110)에 의해 순간적으로 제한되며, 이에 연이은 제 2 스위치(210)의 턴오프 동작에 따라 입력 전류는 '제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로'와 '제 2 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로'로 분산되어 전류(commutating)된다. 즉, 입력 전류의 일부가 초전도 소자(110), 제 1 스위치(120) 및 제 2 한류 저항(220)을 통해 흐르게 되며, 입력 전류의 나머지는 제 1 한류 저항(130) 및 제 2 한류 저항(220)을 경유하여 흐르게 된다. 도 2b에서와 같이, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ① 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iSC→iSW1→iCLR2)로 표현할 수 있고, 제 2 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ② 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iCLR1→iCLR2)로 표현할 수 있다. 참고로, 이때의 과도 전류는 초전도 소자(110)의 저항이 상승되어 전류가 차단되도록 하는 제 1 임계값을 초과하는 전류로서, 1차 과도 전류이다.
다시 말해, 1차 과도 전류 발생 시 제 2 스위치(210)가 턴오프 됨에 따라, 입력 전류는 '병렬 연결된 초전도 소자(110)과 제 1 한류 저항(130)' 및 제 2 한류 저항(220)을 통과하는 경로로 분산되어 전류(commutating)된다. 이때, 초전도 소자(110) 및 제 2 한류 저항(220)을 통과하는 경로와 제 1 한류 저항(130) 및 제 2 한류 저항(220)을 통과하는 경로를 흐르는 각각의 전류량은 그 비율이 각 경로의 저항 크기에 반비례한다. 참고로, 초전도 소자(110)는 소자가 가진 특성 상 무한대의 저항을 갖도록 하는 조건에 도달할 때까지는 전류의 크기가 커질수록 저항 값이 비례하여 커질 수 있다.
이러한 전류(commutating) 이후에도 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(300)는 나머지 스위치(즉, 제 1 스위치(120))의 동작을 제어하여 입력 전류를 다시 전류 시킨다.
도 2c에서는 제 1 전류 제한부(100) 및 제 2 전류 제한부(200) 각각의 스위치들이 모두 턴오프된 상태에의 전류 흐름을 도시하였다.
입력 전류의 크기가 제 2 임계값을 초과하면, 즉 2차 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(300)는 전류가 제 1 전류 제한부(100)를 통한 제 2 전류 흐름 경로와 제 2 전류 제한부(200)를 통한 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 한다. 이를 통해 큰 제한 임피던스로 고장 전류를 제한할 수 있다.
입력 전류가 제 2 임계값을 초과하는 경우, 스위치 제어부(300)는 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(210)를 둘 다 턴오프시킨다. 즉, 도 2b에서와 같이 1차 과도 전류 발생 시 제 2 스위치(210)를 턴오프시킨 후 2차 과도 전류가 발생되면 제 1 스위치(120)를 턴오프시킨다. 따라서, 입력 전류는 제 1 한류 저항(130) 및 제 2 한류 저항(220)를 경유하여 흐르게 된다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 제 2 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ② 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iCLR1→ iCLR2)로 표현할 수 있으며, 상대적으로 매우 큰 제한 임피던스를 갖는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치의 구성도이다.
그리고 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 스위치 구조 한류 장치에서의 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 이중 스위치 구조의 한류 장치(20)는 제 1 전류 제한부(400), 제 2 전류 제한부(500) 및 스위치 제어부(600)를 포함한다.
제 1 전류 제한부(400)는 주 스위치(즉, 제 1 스위치(420)) 및 초전도 모듈(즉, 초전도 소자(410))을 포함하며, 이러한 제 1 전류 제한부(400)에 트리거형 보조 스위치(즉, 제 2 스위치(510))를 포함하는 제 2 전류 제한부(500)가 병렬로 접속된다. 이처럼, 이중 스위치 구조를 갖는 트리거형 한류 장치(20)가 제공된다.
제 1 전류 제한부(300)는 입력단에 일단이 각각 병렬 접속된 초전도 소자(410) 및 제 1 한류 저항(430)과, 초전도 소자(410) 및 제 1 한류 저항(430)의 타단 사이에 접속된 제 1 스위치(420)을 포함한다.
제 2 전류 제한부(400)는 출력단에 일단이 각각 병렬 접속된 제 2 스위치(510) 및 제 2 한류 저항(520)을 포함한다. 이때, 제 2 스위치(510) 및 제 2 한류 저항(520)의 타단 사이에 제 1 스위치(420)가 접속된다. 즉, 제 2 전류 제한부(500)는 제 1 전류 제한부(400)의 제 1 스위치(420)에 병렬 연결된다.
구체적으로, 초전도 소자(410) 및 제 1 한류 저항(430)의 일단은 각각 입력단에 접속되고, 제 2 스위치(510) 및 제 2 한류 저항(520)의 일단은 각각 출력단에 접속된다. 그리고 초전도 소자(410)의 타단에는 제 1 스위치(420)의 일단 및 제 2 한류 저항(520)의 타단이 접속되고, 제 1 한류 저항(430)의 타단에는 제 1 스위치(420)의 타단 및 제 2 스위치(510)의 타단이 접속된다. 즉, 제 1 전류 제한부(400)의 제 1 스위치(420)에 제 2 전류 제한부(500)가 병렬 접속된다.
이때, 제 1 및 제 2 한류 저항(430, 520)은 각각 하나 이상의 저항(R), 코일(L), 커패시터(C) 중 적어도 하나의 조합으로 이루어질 수 있다. 그리고 제 1 및 제 2 한류 저항(430, 520) 각각의 임피던스 값은 설계자의 의도 또는 사용 용도에 따라 고정된 값으로 미리 설정되어 있을 수 있다.
제 1 전류 제한부(400)는 입력단으로부터 초전도 소자(410)를 경유하는 제 1 전류 흐름 경로 및 입력단으로부터 제 1 한류 저항(430)을 경유하는 제 2 전류 흐름 경로를 제공한다. 그리고, 제 2 전류 제한부(500)는 제 2 스위치(510)를 경유하여 출력단을 향하는 제 3 전류 흐름 경로 및 제 2 한류 저항(520)을 경유하여 출력단을 향하는 제 4 전류 흐름 경로를 제공한다.
스위치 제어부(600)는 제 1 내지 제 4 전류 흐름 경로 및 초전도 소자(410)의 전류 또는 전압을 측정하고, 측정된 전류 또는 전압에 기초하여 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510)의 온/오프(on/off) 구동을 제어한다. 이때, 스위치 제어부(600)는 계전기를 포함할 수 있다.
이하, 도 4a 내지 4c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치(20)에서의 전류 제한 방식에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
이중 스위치 구조의 한류 장치(20)의 스위치 제어부(600)는 고장전류의 크기에 따라 제 1 및 제 2 스위치(420, 510)의 동작을 다르게 제어한다.
구체적으로, 제 1 전류 제한부(400)로 전류가 입력되면 스위치 제어부(600)는 입력 전류의 크기에 따라 제 1 스위치(420) 또는/및 제 2 스위치(510)의 온/오프 동작을 제어하여, 제 1 및 제 2 전류 제한부(400, 500) 상에서 상이한 제한 임피던스 경로로 전류(commutating)를 유도한다. 이때, 고장전류의 크기가 클수록 제 1 전류 제한부(400) 및 제 2 전류 제한부(500) 상에서 제한 임피던스가 더 큰 경로로 전류(commutating) 시킬 수 있다.
이하 설명할 이중 스위치 구조의 한류 장치(20)의 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510)의 스위칭 시퀀스는 다음과 같다.
먼저, 초기 상태에서 제 1 및 제 2 스위치(420, 510) 둘 다 턴온되며, 1차 과전류가 입력되면 제 1 스위치(420) 또는 제 2 스위치(510) 중 어느 하나를 턴오프시킨다. 이러한 상태에서 2차 과전류가 입력되면 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510) 중 나머지 하나도 턴오프시켜 제 1 및 제 2 스위치(420, 510)를 둘 다 턴오프된다. 이하에서 설명할 제 1 및 제 2 임계값은 입력 전류가 과도 전류인지를 검출하기 위해 사전에 설정된 값으로서, 각각 설계자의 의도 또는 사용 용도에 따라 변경 가능하다.
도 4a에서는 제 1 전류 제한부(400) 및 제 2 전류 제한부(500) 각각의 스위치들이 모두 턴온된 상태에서의 전류 흐름을 도시하였다.
입력 전류의 크기가 제 1 임계값 이하이면, 스위치 제어부(300)는 전류가 제 1 전류 제한부(400)를 통한 제 1 전류 흐름 경로와 제 2 전류 제한부(500)를 통한 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 한다. 이때, 제 1 임계값 이하의 입력 전류는 고장전류가 아닌 평시 전류이며, 제 1 임계값 이하에서 초전도 소자(310)는 0에 가까운 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 평시 전류가 입력될 경우, 제 1 전류 흐름 경로의 저항은 제 2 전류 흐름 경로의 저항보다 작고, 제 3 전류 흐름 경로의 저항은 제 4 전류 흐름 경로의 저항보다 작다.
구체적으로, 입력 전류가 제 1 임계값 이하인 평시에는, 스위치 제어부(600)는 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510)를 둘 다 턴온시킨다. 이때, 초전도 소자(410)의 초기 임피던스 값은 각각 제 1 및 제 2 한류 저항(430, 520)의 임피던스 값보다 작다. 따라서, 입력 전류는 초전도 소자(410), 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510)를 경유하여 흐르게 된다. 즉, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 3 전류 흐름 경로는 도 4a의 ① 경로 및 ③ 경로(iSFCL→iSC →iSW1→iSW2)로 표현할 수 있다.
도 4b에서는 제 1 전류 제한부(400) 및 제 2 전류 제한부(500) 각각의 스위치들 중 어느 하나가 턴온되고 다른 하나는 턴오프된 상태의 전류 흐름을 도시하였다.
먼저, 도 4b의 (a)를 참조하면, 제 1 스위치(420)를 우선적으로 동작시키도록 설정된 경우, 입력 전류가 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하일 때(즉, 과도 전류가 입력되면), 스위치 제어부(600)는 제 1 스위치(420)를 턴오프시키고 제 2 스위치(510)를 턴온시킨다. 여기서, 제 1 임계값을 초과하며 제 2 임계값 이하인 입력 전류는 1차 과전류로서, 이는 아래 설명할 2 차 과전류에 비해 제한 임피던스가 상대적으로 작은 전류 흐름 경로로 전향될 수 있다.
이때, 초기 과도 전류는 초전도 소자(410)에 의해 순간적으로 제한되며, 이에 연이어 제 1 스위치(420)의 턴오프 동작에 따라 입력 전류는 '제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로'와 '제 2 전류 흐름 경로 및 제 3 전류 흐름 경로'로 분산되어 전류(commutating)된다. 즉, 입력 전류의 일부가 초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)을 통해 흐르게 되며, 입력 전류의 나머지는 제 1 한류 저항(430) 및 제 2 스위치(510)를 경유하여 흐르게 된다. 도 4b의 (a)에서와 같이, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ① 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iSC→iCLR2)로 표현할 수 있고, 제 2 전류 흐름 경로 및 제 3 전류 흐름 경로는 ② 경로 및 ③ 경로(iSFCL→ iCLR1→iSW2)로 표현할 수 있다. 참고로, 이때의 과도 전류는 초전도 소자(410)의 저항이 상승되어 전류가 차단되도록 하는 제 1 임계값을 초과하는 전류로서, 1차 과도 전류이다.
다시 말해, 1차 과도 전류 발생 시 제 1 스위치(420)가 턴오프 됨에 따라, 입력 전류는 서로 병렬 연결된 '초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)'과 '제 1 한류 저항(430) 및 제 2 스위치(510)'를 통과하는 경로로 분산되어 전류(commutating)된다. 이때, 초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)을 통과하는 경로와 제 1 한류 저항(430) 및 제 2 스위치(510)을 통과하는 경로를 흐르는 각각의 전류량은 그 비율이 각 경로의 저항 크기에 반비례한다. 참고로, 초전도 소자(410)는 소자가 가진 특성 상 무한대의 저항을 갖도록 하는 조건에 도달할 때까지는 전류의 크기가 커질수록 저항 값이 비례하여 커질 수 있다.
이러한 전류(commutating) 이후에도 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(600)는 나머지 스위치(즉, 제 2 스위치(120))의 동작을 제어하여 입력 전류를 다시 전류 시킨다. 이에 대해서는 아래 도 4c에서 설명하도록 한다.
한편, 도 5b의 (b)를 참조하면, 제 2 스위치(410)를 우선적으로 동작시키도록 설정된 경우, 입력 전류가 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하일 때(즉, 과도 전류가 입력되면), 스위치 제어부(600)는 제 2 스위치(510)를 턴오프시키고 제 1 스위치(420)를 턴온시킨다.
이때, 초기 과도 전류는 초전도 소자(410)에 의해 순간적으로 제한되며, 이에 연이어 제 2 스위치(510)의 턴오프 동작에 따라 입력 전류는 '제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로'와 '제 2 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로'로 분산되어 전류(commutating)된다. 즉, 입력 전류의 일부가 초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)을 통해 흐르게 되며, 입력 전류의 나머지는 제 1 한류 저항(430) 및 제 2 한류 저항(520)을 경유하여 흐르게 된다. 도 4b의 (b)에서와 같이, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 흐름 경로는 ① 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iSC→ICLR2)로 표현할 수 있으며, 제 2 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ② 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iCLR1→iSW1→iCLR2)로 표현할 수 있다.
다시 말해, 1차 과도 전류 발생 시 제 2 스위치(510)가 턴오프 됨에 따라, 입력 전류는 '병렬 연결된 초전도 소자(410) 및 제 1 한류 저항(430)'과 제 2 한류 저항(520)을 통과하는 경로로 분산되어 전류(commutating)된다. 이때, 초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)을 통과하는 경로와 제 1 한류 저항(430) 및 제 2 한류 저항(520)을 통과하는 경로를 흐르는 각각의 전류량은 그 비율이 각 경로의 저항 크기에 반비례한다.
이러한 전류(commutating) 이후에도 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(600)는 나머지 스위치(즉, 제 1 스위치(120))의 동작을 제어하여 입력 전류를 다시 전류 시킨다.
도 4c에서는 제 1 전류 제한부(400) 및 제 2 전류 제한부(500) 각각의 스위치들이 모두 턴오프된 상태에서의 전류 흐름을 도시하였다.
입력 전류의 크기가 제 2 임계값을 초과하면, 즉 2차 과도 전류가 입력되면 스위치 제어부(600)는 전류가 제 1 전류 제한부(400)를 통한 제 1 전류 흐름 경로와 제 2 전류 제한부(500)를 통한 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 한다. 이를 통해 큰 제한 임피던스로 고장 전류를 제한할 수 있다.
입력 전류가 제 2 임계값을 초과하는 경우, 스위치 제어부(600)는 제 1 스위치(420) 및 제 2 스위치(510)를 둘 다 턴오프시킨다. 즉, 도 4b의 (a)에서와 같이 1차 과도 전류 발생 시 제 1 스위치(420)를 턴오프시킨 후 2차 과도 전류가 발생되면, 제 2 스위치(510)를 턴오프시킨다. 반면에 도 4b의 (b)에서와 같이 1차 과도 전류 발생 시 제 2 스위치(510)를 턴오프시킨 후 2차 과도 전류가 발생되면, 제 1 스위치(420)를 턴오프시킨다. 따라서, 입력 전류는 초전도 소자(410) 및 제 2 한류 저항(520)을 경유하여 흐르게된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 1 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로는 ① 경로 및 ④ 경로(iSFCL→ iSC→ICLR2)로 표현할 수 있으며, 상대적으로 매우 큰 제한 임피던스를 갖는다. 이는, 앞서 도 4b의 (a) 및 (b) 각각에서 1차 과도 전류 발생 시 전류를 전향시키는 경로의 제한 임피던스보다 도 4c에서 2차 과도 전류 발생 시 전류를 전향시키는 경로의 제한 임피던스가 더 높은 것을 의미한다.
전술한 것과 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이중 스위치 구조의 한류 장치는 고장전류의 크기에 따라 전류가 흐르는 경로를 가변적으로 변경할 수 있어 고장전류로부터 한류 장치 내부 구성을 효과적으로 보호하면서도, 한류 장치를 통해 보호하고자 하는 대상(예: 전력 계통)도 효과적으로 보호할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 20: 이중 스위치 구조 한류 장치 100, 400: 제 1 전류 제한부
200, 500: 제 2 전류 제한부 300, 600: 스위치 제어부
120, 420: 제 1스위치 110, 410: 초전도 소자
130, 430: 제 1 한류 저항 210, 510: 제 2 스위치
220, 520: 제 2 한류 저항

Claims (7)

  1. 이중 스위치 구조의 한류 장치에 있어서,
    제 1 전류 흐름 경로 및 제 2 전류 흐름 경로를 제공하는 제 1 전류 제한부; 및
    상기 제 1 전류 제한부에 병렬 접속되며, 제 3 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로를 제공하는 제 2 전류 제한부를 포함하고,
    이중 스위치 구조의 한류 장치에 인가되는 입력 전류가 제 1 임계값 이하인 경우 상기 제 1 전류 흐름 경로와 상기 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하인 경우, 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제4 전류 흐름 경로, 또는 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제 3 전류 흐름 경로로 전류가 분산되어 흐르도록 동작하며,
    상기 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 2 전류 흐름 경로와 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고,
    상기 제 1 전류 제한부는,
    입력단에 일단이 각각 병렬 접속된 초전도 소자 및 제 1 한류 저항과, 상기 초전도 소자 및 제 1 한류 저항의 타단 사이에 접속된 제 1 스위치를 포함하고,
    상기 제 2 전류 제한부는,
    출력단에 일단이 각각 병렬 접속된 제 2 스위치 및 제 2 한류 저항을 포함하며,
    상기 제 1 스위치는 상기 제 2 스위치 및 제 2 한류 저항의 타단 사이에도 접속된 것이고,
    상기 초전도 소자와 상기 제 1 스위치의 접속점에 상기 제 2 스위치의 일단이 접속되며,
    상기 제 1 한류 저항과 상기 제 1 스위치의 접속점에 상기 제 2 한류 저항의 일단이 접속된 것인,
    이중 스위치 구조의 한류 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 턴온시켜 상기 입력 전류가 상기 초전도 소자 및 제 2 스위치를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 스위치를 턴온시키고 상기 제 2 스위치를 턴오프시켜 상기 입력 전류의 일부는 상기 초전도 소자, 제 1 스위치 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 하고, 상기 입력 전류의 나머지는 상기 제 1 한류 저항 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 턴오프시켜 상기 입력 전류가 상기 제 1 한류 저항 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 동작하는, 이중 스위치 구조의 한류 장치.
  4. 이중 스위치 구조의 한류 장치에 있어서,
    제 1 전류 흐름 경로 및 제 2 전류 흐름 경로를 제공하는 제 1 전류 제한부; 및
    상기 제 1 전류 제한부에 병렬 접속되며, 제 3 전류 흐름 경로 및 제 4 전류 흐름 경로를 제공하는 제 2 전류 제한부를 포함하고,
    이중 스위치 구조의 한류 장치에 인가되는 입력 전류가 제 1 임계값 이하인 경우 상기 제 1 전류 흐름 경로와 상기 제 3 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 제 2 임계값 이하인 경우, 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제4 전류 흐름 경로, 또는 병렬인 상기 제 1 및 제 4 전류 흐름 경로와 상기 제 2 및 제 3 전류 흐름 경로로 전류가 분산되어 흐르도록 동작하며,
    상기 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 2 전류 흐름 경로와 제 4 전류 흐름 경로를 경유하도록 동작하고,
    상기 제 1 전류 제한부는,
    입력단에 일단이 각각 병렬 접속된 초전도 소자 및 제 1 한류 저항과, 상기 초전도 소자 및 제 1 한류 저항의 타단 사이에 접속된 제 1 스위치를 포함하고,
    상기 제 2 전류 제한부는,
    출력단에 일단이 각각 병렬 접속된 제 2 스위치 및 제 2 한류 저항을 포함하며,
    상기 제 1 스위치는 상기 제 2 스위치 및 제 2 한류 저항의 타단 사이에도 접속된 것이고,
    상기 초전도 소자와 상기 제 1 스위치의 접속점에 상기 제 2 한류 저항의 일단이 접속되며,
    상기 제 1 한류 저항과 상기 제 1 스위치의 접속점에 상기 제 2 스위치의 일단이 접속된 것인, 이중 스위치 구조의 한류 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 및 제 2 스위치를 턴온시켜 상기 입력 전류가 상기 초전도 소자, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 상기 제 2 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 스위치를 턴오프시키고 상기 제 2 스위치를 턴온시켜 상기 입력 전류의 일부는 상기 초전도 소자 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 하고, 상기 입력 전류의 나머지는 상기 제 1 한류 저항 및 제 2 스위치를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 1 및 제 2 스위치를 턴오프시켜 상기 입력 전류가 상기 초전도 소자 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 동작하는, 이중 스위치 구조의 한류 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 및 제 2 스위치를 턴온시켜 상기 입력 전류가 상기 초전도 소자, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 1 임계값을 초과하고 상기 제 2 임계값 이하인 경우, 상기 제 1 스위치를 턴온시키고 상기 제 2 스위치를 턴오프시켜 상기 입력 전류의 일부는 상기 초전도 소자 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 하고, 상기 입력 전류의 나머지는 상기 제 1 한류 저항 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 동작하고,
    상기 입력 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우, 상기 제 1 및 제 2 스위치를 턴오프시켜 상기 입력 전류가 상기 초전도 소자 및 제 2 한류 저항을 경유하도록 동작하는, 이중 스위치 구조의 한류 장치.
  7. 제 1항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제4전류 흐름 경로 및 상기 초전도 소자의 전류 또는 전압에 기초하여, 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치의 동작을 제어하는 스위치 제어부를 더 포함하는 이중 스위치 구조의 한류 장치.
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