KR102164975B1

KR102164975B1 - 양방향 dc 차단기

Info

Publication number: KR102164975B1
Application number: KR1020190010914A
Authority: KR
Inventors: 이명진; 김건
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-10-13
Also published as: KR20200093776A

Abstract

본 발명은 종래의 DC 차단기와 비교하여 소자의 개수를 획기적으로 감소시키면서도 신뢰성을 담보할 수 있는 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 송신단(40)과 수신단(30) 사이에 연결되되, 상호간에는 병렬 구조로 연결되는 제1 선로 인덕터(60) 및 제2 선로 인덕터(70); 고장전류가 발생하였을 경우 고장전류가 발생한 위치에 따라서 전류가 흐르는 방향을 제어하는 병렬 스위치부(40); 및 고장전류를 받아 제거하는 고장전류 제거부(50)를 포함하되, 상기 병렬 스위치부(40)의 일단은 상기 제1 선로 인덕터(60)로부터 수신단(30)으로 이어지는 선로와 연결되며, 상기 병렬 스위치부(40)의 타단은 상기 고장전류 제거부(50)의 일단과 연결되고, 상기 고장전류 제거부(50)의 타단은 송신단(20)으로부터 제2 선로 인덕터(70)까지 이어지는 선로와 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 DC 차단기{Two-way DC Circuit Breaker}

본 발명은 양방향 DC 차단기에 관한 것으로써, 기존의 단방향 DC 차단기와 다르게 고장전류의 발생 위치와 상관 없이 고장전류의 차단이 가능하고, 사용되는 소자의 개수를 종래의 DC 차단기와 비교하여 획기적으로 줄이면서도 효율성과 신뢰성을 향상시킨 양방향 DC 차단기 기술에 관한 것이다.

전기자동차와 초고전압송전선 등의 기술이 발전함에 따라 HVDC(High Voltage Direct Current transmission system)가 전기전자산업분야의 큰 화제가 되고 있다. HVDC 송전은 기존의 AC송전에서 문제가 되었던 리액턴스에 의한 무효전력이 없어 송전거리에 구애받지 않고 높은 전력을 송전할 수 있다.

하지만, HVDC 송전의 특성상 큰 전력을 송전하므로 이에 따른 안전에 대한 문제가 대두되었는데, 그 중 하나가 선로에 문제가 생겼을 때 발생하는 고장전류이다. 고장전류는 송수신단의 소자에 막대한 영향을 미치며 화재와 같은 2차 피해를 발생시킨다.

이에, DC 차단기라는 기술이 제시되었고, DC 차단기는 선로에 고장전류가 생겼을 때 이를 없애고 송수신단에 미치는 영향을 최소로 하는 차단회로이다. 일반적으로 선로에 흐르는 고장전류를 LC공진전류 등을 이용해 전류영점을 만들어 차단하거나 서지어레스터 등을 지속적으로 통과시켜 처리하는 방법을 이용한다.

여기서 차단회로의 특성상, 선로 차단시간과 송수신단으로 빠지는 잔류전류의 영향이 회로의 성능을 판단하는 데 큰 지표가 된다. 그리고, 별도의 제어회로가 얼마나 많이 필요한지에 대한것과 소자의 개수가 얼마나 많은지에 대한 이슈는 DC 차단기의 소형화 및 신뢰성의 측면에서 떠오르는 주제이다.

한국등록특허 제 10-1794945호는 DC 차단기로 다이오드를 이용하여 전류의 방향을 제한하고, 서지어레스터를 이용하여 고장전류를 감소시키며 방향에 따라 선로에 2개의 스위치를 이용하여 차단한다. 기존의 단방향 DC 차단기에서 더 나아가 양방향 차단이 가능함으로써 선로 어디에서 고장전류가 발생하더라도 차단할 수 있다.

하지만 전술한 종래의 기술은 선로 차단시에 필요한 회로 내부의 차단 스위치가 많이 필요한데, 이는 제어회로의 증가로 이어진다. 제어회로가 많으면 차단시 속도와 신뢰성이 하락하고, 이 스위치가 기계식 스위치일 경우 오차에 의해 의도치 않은 아크가 발생할 수도 있다.

전술하였듯이, DC 차단기는 성능적인 측면도 중요하지만 소자의 개수에 따른 소형화 및 신뢰성의 측면이 강조되고 있으므로 되도록 소자의 개수를 적게 설계하는 것이 중요하다. 또한, 메인스위치는 일반적인 스위치보다 빠른 속도를 요하는 게이트 제어회로를 요구하므로, 가격적인 관점에서도 중요하다. 따라서, 선로의 스위치의 개수를 최소로 해야 DC 차단기의 최신기술 요구를 수용할 수 있다.

한국등록특허 제 10-1794945호(등록일: 2017. 11. 01)

본 발명은 종래의 DC 차단기와 비교하여 전자소자의 사용을 줄이면서도 신뢰성을 담보할 수 있는 양방향 DC 차단기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 종래의 DC 차단기와 비교하여, 소자의 개수를 획기적으로 줄이면서도 신뢰성을 담보할 수 있는 양방향 DC 차단기에 관한 것으로서, 송신단(20)과 수신단(30)의 사이에 연결되되, 상호간에 병렬 구조로 연결되는 제1 선로 인덕터(60) 및 제2 선로 인덕터(70); 고장전류가 발생하였을 경우 고장전류가 발생한 위치에 따라서 전류가 흐르는 방향을 제어하는 병렬 스위치부(40); 고장전류를 받아 제거하는 고장전류 제거부(50); 일단은 병렬 구조로 연결되는 상기 제1 선로 인덕터(60) 및 상기 제2 선로 인덕터(70)를 연결하는 선로에 연결되고, 타단은 상기 송신단(20) 또는 상기 수신단(30)에 연결되는 메인 스위치(10);를 포함하되, 상기 병렬 스위치부(40)의 일단은 상기 제1 선로 인덕터(60)로부터 수신단(30)으로 이어지는 선로와 연결되며, 상기 병렬 스위치부(40)의 타단은 상기 고장전류 제거부(50)의 일단과 연결되고, 상기 고장전류 제거부(50)의 타단은 송신단(20)으로부터 제2 선로 인덕터(70)까지 이어지는 선로에 연결되며, 상기 병렬 스위치부(40)는 스위치가 ON 상태일 때 전류를 일방으로만 흐르도록 하는 제1 일방향 스위치(41) 및 제2 일방향 스위치(42)를 포함하되, 상기 제1 일방향 스위치(41)와 상기 제2 일방향 스위치(42)는 병렬로 연결되며, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유입되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유출되는 부분과 연결되고, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유출되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유입되는 부분과 연결되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신단(20)과 상기 제1 선로 인덕터(60)의 사이, 또는 상기 수신단(30)과 상기 제 선로 인덕터(70의 사이에는 메인 스위치(10)가 연결되되, 상기 메인 스위치(10)는 고장전류가 고장전류 제거부(50)를 통해 제거가 되었을 때 개방하는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 스위치(10)는 기계식 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.

더 나아가, 상기 병렬 스위치부(40)는 스위치가 ON 상태일 때 전류를 일방으로만 흐르도록 하는 제1 일방향 스위치(41) 및 제2 일방향 스위치(42)를 포함하되, 상기 제1 일방향 스위치(41)와 상기 제2 일방향 스위치(42)는 병렬로 연결되며, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유입되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유출되는 부분과 연결되고, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유출되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유입되는 부분과 연결될 수 있다.

그리고 상기 제1 일방향 스위치(41)와 제2 일방향 스위치(42)는 기계식 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진다.

그리고 상기 고장전류 제거부(50)는 서지 어레스터(51)와 저항성 소자(52)가 병렬로 연결되어 형성될 수 있다. 더 나아가, 상기 고장전류 제거부(50)는 복수 개의 서지어레스터(51)를 포함하되, 상기 복수 개의 서지어레스터(51)는 상호 간에 직렬로 연결되고, 각각의 서지어레스터(51) 마다 저항성 소자들(52)이 병렬로 연결된다.

상기 저항성 소자(52)는 임피던스가 존재하는 소자인 저항, 인덕터, 커패시터, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 정상상태일 때 일정 시간이 지나면 DC에서 인덕터의 성질에 의하여 제1 및 2 선로 인덕터는 선로에 영향을 미치지 않지만, 고장전류가 발생하였을 때에는 반대 선로에 미치는 영향을 최소로 할 수 있다. 더욱이, 이 과정에서 별도의 제어동작을 필요로 하지 않고, 송수신단에 미치는 영향을 최소로 하여 화재와 같은 2차 피해를 방지한다.

또한, 본 발명에 의하면, 고장전류 감지시 병렬 스위치부의 게이트 단에 신호를 보내 알맞은 스위치를 활성화함으로써 패스를 고장전류 제거부로 유도한다. 이 과정에서 제어해야할 신호는 방향에 맞는 스위치 하나에 차단 후에도 선로에 비활성화하기 위한 메인스위치가 하나뿐이므로, 제어회로의 개수가 적어 신뢰성을 보장하고 회로의 소형화를 가능케하며 가격을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC 차단기의 회로도를 도시한 것이다.
도 2는 정상상태일 때 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 차단기 내에서의 전류의 흐름을 도시한 것이다.
도 3은 송신단쪽의 선로에서 고장전류가 발생하였을 때 고장전류의 흐름을 도시한 것이다.
도 4는 수신단쪽의 선로에서 고장전류가 발생하였을 때 고장전류의 흐름을 도시한 것이다.
도 5는 선로 차단 후 메인 스위치가 비활성화 된 상태를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 개수를 최소로한 양방향 DC 차단기의 회로도로서, 송신단(20), 수신단(30), 메인 스위치(10), 병렬 스위치부(40), 고장전류 제거부(50), 제1 선로 인덕터(60) 및 제2 선로 인덕터(70)를 포함한다.

우선 송신단(20)과 수신단(30) 사이에는 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)가 병렬구조로 연결된다.

병렬 스위치부(40)는 한 쌍의 일방향 스위치(41,42)가 병렬구조로 연결되어 형성되는데, 상기 일방향 스위치(41,42)는 OFF 상태일 때는 전류를 차단하고, ON 상태일 때는 전류를 일방으로만 흐르게 하는 요소이다(ON 상태일 때라도 반대방향으로는 전류가 흐르지 아니함). 상기 한 쌍의 일방향 스위치(41,42)를 각각 제1 일방향 스위치(41) 및 제2 일방향 스위치(42)로 칭했을 때, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유입되는 부분은 제2 일방향 스위치(41)에서 전류가 유출되는 부분에 연결되고, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유출되는 부분은 제2 일방향 스위치(41)에서 전류가 유입되는 부분에 연결되도록 제1 일방향 스위치(41)와 제2 일방향 스위치(42)의 방향이 결정된다.

병렬 스위치부(40)의 일단과 이어지는 선로는 제1 선로 인덕터(60)로부터 수신단(30)으로 이어지는 선로상에 연결되고, 병렬 스위치부(40)의 타단과 이어지는 선로는 이하에서 설명될 고장전류 제거부(50)에 연결된다.

고장전류 제거부(50)는 서지어레스터(51) 및 이와 병렬로 연결된 저항성 소자(52)를 포함하는데, 서지어레스터(51)는 하나만 사용될 수도 있으나, 필요에 따라서는 다수 개의 서지어레스터(51)가 직렬로 연결될 수도 있다. 이 때 다수 개의 서지어레스터(51)가 직렬로 연결될 때, 각각의 서지어레스터(51)마다 개별적으로 저항성 소자(52)가 병렬로 연결된다.

고장전류 제거부(50)의 일단은 병렬 스위치부(40)와 연결되며, 고장전류 제거부(50)의 타단과 이어지는 선로는 송신단(20)으로부터 제2 선로 인덕터(70)까지 이어지는 선로에 연결된다.

본 발명에 따른 실시예에서 메인 스위치(10)로는 기계식 스위치를, 그리고 제1 및 2 일방향 스위치(41,42)로는 사이리스터를 채용하였으나, 이외에도, 기계식 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT들이 이용될 수 있음은 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 저항성 소자(52)는 서지 어레스터(51)를 보호하는데에 목적이 있는 소자이므로 임피던스가 존재하는 소자인 저항, 인덕터, 커패시터를 이용하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT들도 저항성 소자(52)로 이용될 수 있을 것임을 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 양방향 DC 차단기의 동작을 첨부된 도 2 내지 도 5을 참조하여 살펴보도록 한다.

도 2는 양방향 DC 차단기에서 정상상태일 때의 전류흐름을 나타낸 것이다. 정상상태일 때, 메인 스위치(10)가 계속 활성화되어 있고, 송신단(20)에서 제1 선로 인덕터(60)를 거쳐 수신단(30)으로 이어지는 경로와, 송신단(20)에서 제2 선로 인덕터(70)를 거쳐 수신단(30)으로 이어지는 경로를 통해서 정상상태의 전류가 흐르게 된다. 이때, 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)는 전류가 흐르기 시작하는 초기에는 전류의 흐름을 방해하는 임피던스로 작용하게 되지만, 일정 시간 이상 DC 전류가 지속적으로 공급될 경우 제1 및 2 인덕터(60,70)는 더 이상 임피던스로 작용하지 않고 선로와 같이 작동하여 전력의 손실이 발생하지 않는다. 더욱 빠르게 DC전류를 안정시키기 위해서 설계시 조건은 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)의 인덕턴스 크기를 낮출수록 좋다. 한편 정상상태일 때 병렬 스위치부(40)의 제1 및 2 일방향 스위치(41,42)는 일반적으로 비활성화 상태이기때문에, 전류가 고장전류 제거부(50)로 흐르지 않아 추가적인 손실이 발생하지 않는다.

도 3은 양방향 DC 차단기에서 송신단(20) 쪽 선로에서 고장전류가 발생하였을 때의 전류흐름을 나타낸 것이다. 송신단(20) 쪽 선로에서 고장전류가 감지되면 제1 일방향 스위치(41)를 활성화 시켜 고장전류가 고장전류 제거부(50)를 통해 흐르도록 유도한다. 이 때, 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)는 임피던스로 작용하므로, 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)로 연결된 선로로는 전류가 많이 흐르지 못하고 대부분의 고장전류가 고장전류 제거부(50)로 흐르게 되어 고장전류를 제거한다. 고장 전류 제거부(50)로 유입된 고장전류는 서지어레스터(51)를 거치면서 소멸하게 된다.

위 과정에서, 고장전류가 발생하였을 때 고장전류가 반대편 선로, 즉 수신단(30) 쪽 선로에 도달하는 것을 늦추고 양을 급격하게 줄여, 송수신단에 미치는 영향을 최소로 한다. 설계시, 고장전류의 양을 더 많이 줄이길 원한다면 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)의 인덕턴스 크기를 높힐수록 좋다. 여기서, 도 2에서 전술한 인덕터에 크기에 대한 특징에서 trade-off 관계가 발생하게 되는데 설계시에 더 빠른 전류 안정화에 중점을 두는지, 더 많은 고장전류 감소에 중점을 두는지에 따라서 인덕턴스를 조절하여 설계하면 된다.

도 4는 본 발명에 따른 양방향 DC 차단기에서 수신단(30) 쪽 선로에서 고장전류가 발생하였을 때의 전류흐름을 나타낸 것이다. 수신단(30) 쪽 선로에서 고장전류가 감지되면 제2 일방향 스위치(42)를 활성화 시켜 고장전류를 고장전류 제거부(50)를 통해 흐르게 유도한다. 이 때, 제1 선로 인덕터(60)와 제2 선로 인덕터(70)가 임피던스로 작용하므로, 전류가 많이 흐르지 못하고 대부분의 고장전류가 고장전류 제거부(50)로 흐르게 되어 고장전류를 제거한다. 그 특성은 도 3에서 전술한 것과 같다

.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 소자의 개수를 최소로한 양방향 DC 차단기에서 차단 후 회로의 상태를 나타낸 것이다. 고장전류가 제거되었다고 판정하면 메인 스위치(10)의 게이트에 신호를 보내 비활성화하고, 선로가 완전히 차단되어 더 이상의 고장전류가 유입되는 것을 완전히 막는다.

따라서, 본 기술은 정상상태 일 때에 제1 선로 인덕터와 제1 선로 인덕터의 크기를 조절하고, 상향 스위치와 하향 스위치를 사용하여 고장전류 제거부에 흐르지 못하게 하여 전력손실을 최대한 줄인다. 또한, 선로 어디서든 고장전류가 발생하여도 이에 알맞게 상향, 하향 스위치의 게이트에 신호를 보내 활성화 하여 처리할 수 있다. 그리고, 차단이 되었다고 판정되면 메인 스위치의 게이트에 신호를 보내 비활성화 하여 선로를 완전히 차단한다. 이 과정에서 보내는 신호는 각각 1개씩이므로 제어회로가 많이 필요하지 않고, 그에 따라 회로의 신뢰성이 향상되며 소형화를 가능케하고 가격을 절감할 수 있는 DC 차단기이다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 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.

10 : 메인 스위치
20 : 송신단
30 : 수신단
40 : 병렬 스위치부
41 : 제1 일방향 스위치
42 : 제2 일방향 스위치
50 : 고장전류 제거부
51 : 서지 어레스터
52 : 저항성 소자
60 : 제1 선로 인덕터
70 : 제2 선로 인덕터

Claims

송신단(20)과 수신단(30)의 사이에 연결되되, 상호간에 병렬 구조로 연결되는 제1 선로 인덕터(60) 및 제2 선로 인덕터(70);
고장전류가 발생하였을 경우 고장전류가 발생한 위치에 따라서 전류가 흐르는 방향을 제어하는 병렬 스위치부(40);
고장전류를 받아 제거하는 고장전류 제거부(50); 및
일단은 병렬 구조로 연결되는 상기 제1 선로 인덕터(60) 및 상기 제2 선로 인덕터(70)를 연결하는 선로에 연결되고, 타단은 상기 송신단(20) 또는 상기 수신단(30)에 연결되는 메인 스위치(10)를 포함하되,
상기 병렬 스위치부(40)의 일단은 상기 제1 선로 인덕터(60)로부터 상기 수신단(30)으로 이어지는 선로와 연결되며, 상기 병렬 스위치부(40)의 타단은 상기 고장전류 제거부(50)의 일단과 연결되고,
상기 고장전류 제거부(50)의 타단은 상기 송신단(20)으로부터 상기 제2 선로 인덕터(70)까지 이어지는 선로에 연결되며,
상기 병렬 스위치부(40)는 스위치가 ON 상태일 때 전류를 일방으로만 흐르도록 하는 제1 일방향 스위치(41) 및 제2 일방향 스위치(42)를 포함하되, 상기 제1 일방향 스위치(41)와 상기 제2 일방향 스위치(42)는 병렬로 연결되며, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유입되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유출되는 부분과 연결되고, 제1 일방향 스위치(41)에서 전류가 유출되는 부분은 제2 일방향 스위치(42)에서 전류가 유입되는 부분과 연결되는 것을 특징으로 하는, 양방향 DC 차단기.
청구항 1에 있어서, 상기 메인 스위치(10)는 고장전류가 발생하고 이를 감지하여 고장전류 제거부(50)를 통해 제거가 되었을 때 개방하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
청구항 2에 있어서, 상기 메인 스위치(10)는 기계식 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 양방향 DC 차단기.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 제1 일방향 스위치(41)와 제2 일방향 스위치(42)는 기계식 스위치, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 스위치 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.
청구항 1에 있어서, 상기 고장전류 제거부(50)는 서지 어레스터(51)와 저항성 소자(52)가 병렬로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 양방향 DC 차단기.
청구항 6에 있어서, 상기 고장전류 제거부(50)는 복수 개의 서지어레스터(51)를 포함하되, 상기 복수 개의 서지어레스터(51)는 상호 간에 직렬로 연결되고, 각각의 서지어레스터(51) 마다 저항성 소자들(52)이 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는, 양방향 DC 차단기.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 저항성 소자(52)는 임피던스가 존재하는 소자인 저항, 인덕터, 커패시터, 사이리스터 스위치, IGBT, IGCT, MOSFET, BJT 중에서 선택된 하나 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 DC 차단기.