KR102228587B1 - 복합형 직류 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합형 직류 차단기에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 주 회로와 전기적으로 절연되고, 역전류 생성 위치에서 발생하는 사고 파급을 최소화하고, 전류선로의 전압을 이용하지 않고 직류선로의 전압보다 낮은 별도의 전원을 이용해 차단 전류를 생성하여 차단하며, 공진회로를 이용해 전류를 생성함과 동시에 변압기를 통해 증폭하여 역전류 생성을 위해 구성되는 전력용 반도체 소자 등의 부품 사양에 대한 비용적인 부담을 절감하는데 있다.
일례로, 직류선로 상에 설치된 기계식 스위치인 주 차단용 스위치와 상기 직류선로와 연결된 루프 상에 설치된 보조 차단용 스위치를 포함하는 주 회로부; 상기 주 회로부와 병렬 연결되고, 사고 발생 시 전력용 반도체 스위칭 동작에 따라 역전류를 생성하여 상기 주 회로부에 삽입하기 위해 상호 직렬 연결된 공진회로와 전력변환회로부를 포함하는 역전류 생성부; 및 상기 역전류 생성부와 병렬 연결되어 상기 주 회로부에 축적된 에너지를 흡수하는 에너지 소호부를 포함하는 복합형 직류 차단기를 개시한다.

Description

복합형 직류 차단기{COMBINED TYPE DIRECT CURRENT BREAKER}

본 발명의 실시예는 복합형 직류 차단기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 기계식 차단기와 반도체 스위치 소자의 복합적 회로 구조의 직류 차단기에 관한 것이다.

전류 차단기는 전력망에 이상이 생겼을 때 특정 구간의 전력을 신속히 차단하여 고장 파급 확산을 방지하는 장치로 직류 배전 시스템에 중요한 장치 중 하나이다.

직류 배전 시스템은 전력 전자 소자로 구성된 컨버터와 인버터로 이루어져 있어 단시간 허용 전류량이 상대적으로 작아 이를 보호하기 위해서 사고 시 수 ms 이내라는 매우 신속한 차단이 필요하다.

기계식 차단기는 수십 ms 이내로 동작하기 때문에 신속 차단이 어려워 반도체 차단기를 이용한 제품이 개발되고 있으나, 전력손실이 많고 비용 부담이 높아 기계식 차단기와 전력용 반도체 소자를 결합한 방식의 복합형 차단 방식이 제시되고 있다.

직류 계통의 경우 교류 계통과 달리 전류의 영점이 생성되지 않기 때문에 차단기의 접점 개로 시 일정한 에너지가 유지되어 아크 차단이 어렵다.

직류 차단기가 전류를 차단하기 위해서는 인위적으로 기계식 차단기에 흐르는 전류에 영점이 발생되게 만들어 주어야 하는데, 그 방법으로는 사고 전류를 기계식 차단기에서 다른 회로로 전류(commutate)하거나 기계식 차단기에 역전류를 주입하는 방식이 있다.

역전류를 주입하는 방식 중에 커패시터의 극성반전을 통하여 주입하는 방식은 커패시터가 항시 주 회로의 전압과 동일한 전압의 크기로 충전된 상태여야 하기 때문에 전압에 대한 스트레스가 크고, 사고 발생 인지 시점에 극성반전 스위치를 동작한 후에 역전류를 주입해야 하는 정교한 제어가 필요하다.

다른 역전류 주입 방식은 공진회로와 전력용 반도체의 스위칭을 통하여 사고 전류의 크기에 해당하는 공진전류를 생성하여 주입한다. 이때, 커패시터가 항시 충전된 상태는 아니지만 별도의 직류 전원이 공급되어야 한다. 만약, 해당 역전류 주입 회로가 이상 동작을 하거나 고장이 발생했을 때 주 회로에 영향을 미친다는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2018-0072335호(공개일자: 2018년06월29일) 공개특허공보 제10-2018-0097616호(공개일자: 2018년08월31일)

본 발명의 실시예는, 주 회로와 전기적으로 절연되고, 역전류 생성 위치에서 발생하는 사고 파급을 최소화하고, 전류선로의 전압을 이용하지 않고 직류선로의 전압보다 낮은 별도의 전원을 이용해 차단 전류를 생성하여 차단하며, 공진회로를 이용해 전류를 생성함과 동시에 변압기를 통해 증폭하여 역전류 생성을 위해 구성되는 전력용 반도체 소자 등의 부품 사양에 대한 비용적인 부담을 절감할 수 있는 복합형 직류 차단기를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기는, 직류선로 상에 설치된 기계식 스위치인 주 차단용 스위치와 상기 직류선로와 연결된 루프 상에 설치된 보조 차단용 스위치를 포함하는 주 회로부; 상기 주 회로부와 병렬 연결되고, 사고 발생 시 전력용 반도체 스위칭 동작에 따라 역전류를 생성하여 상기 주 회로부에 삽입하기 위해 상호 직렬 연결된 공진회로와 전력변환회로부를 포함하는 역전류 생성부; 및 상기 역전류 생성부와 병렬 연결되어 상기 주 회로부에 축적된 에너지를 흡수하는 에너지 소호부를 포함한다.

또한, 상기 주 회로부는, 직류선로 상에 연결된 상기 주 차단용 스위치; 및 상기 주 차단용 스위치와 병렬 연결된 상기 보조 차단용 스위치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 역전류 생성부는, 1차측 코일 및 상기 루프 상에 설치되어 상기 보조 차단용 스위치와 직렬 연결된 2차측 코일을 갖는 고주파 변압부; 및 상기 1차측 코일과 병렬 연결되며, 상호 직렬 연결된 상기 전력변환회로부와 상기 LC 직렬공진회로부를 포함할 수 있다.

또한, 사고 미 발생 시 상기 고주파 변압부에 의해 상기 주 회로부와 상기 역전류 생성부가 전기적으로 절연되고, 사고 발생 시 상기 전력변환회로부가 동작하여 상기 LC 직렬공진회로부와 함께 역전류를 생성하고, 상기 고주파 변압부를 통해 상기 주 차단용 스위치에 역전류가 삽입되어 상기 주 차단용 스위치가 개방되면, 상기 주 회로부에 축적된 에너지가 상기 에너지 소호부로 흡수된 후 상기 보조 차단용 스위치가 개방되어 상기 주 회로부와 사고 지점 간의 차단이 완료될 수 있다.

또한, 상기 1차측 코일(N1)과 상기 2차측 코일(N2)의 권선비는 N1/N2≥1의 조건을 충족할 수 있다.

본 발명에 따르면, 주 회로와 전기적으로 절연되고, 역전류 생성 위치에서 발생하는 사고 파급을 최소화하고, 전류선로의 전압을 이용하지 않고 직류선로의 전압보다 낮은 별도의 전원을 이용해 차단 전류를 생성하여 차단하며, 공진회로를 이용해 전류를 생성함과 동시에 변압기를 통해 증폭하여 역전류 생성을 위해 구성되는 전력용 반도체 소자 등의 부품 사양에 대한 비용적인 부담을 절감할 수 있는 복합형 직류 차단기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 세부 구성을 나타낸 회로도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 사고 발생 시 동작 순서를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 전체 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 세부 구성을 나타낸 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기(100)는 주 회로부(110), 역전류 생성부(120) 및 에너지 소호부(130) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 주 회로부(110)는, 주 전류가 흐르는 직류선로(L) 상에 설치된 주 차단용 스위치(111)와 직류선로(L)와 연결된 루프(l) 상에 설치된 보조 차단용 스위치(112)를 포함할 수 있다. 이러한 주 차단용 스위치(111)와 보조 차단용 스위치(112)는 기계식 스위치로 구성될 수 있으며, 루프(l)는 양단이 직류선로(L)에 연결된 형태로 보조 차단용 스위치(112)뿐만 아니라, 고주파 변압부(121)의 2차측 코일(N2)이 보조 차단용 스위치(112)와 직렬 연결될 수 있다.

상기 역전류 생성부(120)는, 주 회로부(110)와 병렬 연결되고, 사고 발생 시 전력용 반도체 스위칭 동작에 따라 역전류를 생성하여 주 회로부(110)에 삽입하여 사고 전류를 '0'으로 만들기 위한 구성으로, 고주파 변압부(121), LC 직렬공진회로부(123) 및 전력변환회로부(122)를 포함할 수 있다.

상기 고주파 변압부(121)는, 1차측 코일(N1)과 2차측 코일(N2)로 구성되며, 1차측 코일(N1)은 후술하는 LC 직렬공진회로부(123) 및 전력변환회로부(122)과 병렬 연결되며, 2차측 코일(N2)은 루프(l) 상에 설치되며 보조 차단용 스위치(112)와 루프(l) 상에서 직렬 연결될 수 있다. 고주파 변합부(121)를 구성하는 1차측 코일(N1)과 2차측 코일(N2)의 권선비는 N1/N2≥1의 조건을 충족할 수 있다. 이러한 권선비(N1/N2≥1)에 의해 역전류 생성부(120)에서 생성하는 공진 전류의 크기가 생성 전류보다 큰 값으로 주 회로부(110)의 주 차단용 스위치(111)로 주입될 수 있으며, 이는 역전류 생성부(120)에서 생성하는 전류의 레벨이 낮더라도 주 회로부(110)에 흐르는 전류를 '0'으로 만들 수 있는 역전류가 삽입됨을 의미한다.

상기 LC 직렬공진회로부(123)와 전력변환회로부(122)는, 고주파 변압부(121)의 1차측 코일(N1)과 병렬 연결되며, LC 직렬공진회로부(122)와 전력변환회로부(123) 상호 간은 직렬 연결될 수 있다.

상기 전력변환부(122)는 직류전원부를 통해 공급된 직류를 교류로 변환시키는 인버터 회로로 구성될 수 있으며, LC 직렬공진회로부(123)는 상호 직렬로 연결된 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하고, 전력변환부(122)를 통해 생성된 교류를 역전류로 이용될 인덕터(L)와 커패시터(C)를 통해 공진 전류로 생성할 수 있다.

상기 에너지 소호부(130)는, 역전류 생성부(120)와 병렬 연결되어 주 회로부(110)에 축적된 에너지를 흡수할 수 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 직류 차단기의 사고 발생 시 동작 순서를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

사고가 발생하지 않은 정상 상태에서는 고주파 변압부(121)에 의해 주 회로부(110)와 역전류 생성부(120)가 전기적으로 절연될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 사고 발생 시 전력변환회로부(122)가 동작하여 LC 직렬공진회로부(123)와 함께 역전류를 생성할 수 있다. 이때, 생성된 역전류(공진 전류)는 고주파 변압부(121)에 의해 주 회로부(110)에 흐르는 사고 전류를 '0'으로 만들 수 있는 정도로 형성되어 주 회로부(110)로 투입될 수 있다.

이와 같이, 주 차단용 스위치(111)에 역전류가 삽입되어 사고 전류의 크기가 '0'이 되어 주 차단용 스위치(111)가 완전히 개방되면, 도 4에 도시된 바와 같이 주 회로부(100)에 축적된 에너지가 에너지 소호부(130)로 흡수되고, 이후 도 5에 도시된 바와 같이 보조 차단용 스위치(112)가 개방되어 주 회로부(110)와 사고 지점 간의 차단이 완료될 수 있다.

이와 같이, 기계식 차단기(또는 기계식 스위치)로 구성된 주 회로부(110)와 반도체 스위치를 포함하는 역전류 생성부(120) 사이에 고주파 변압부(121)가 설치됨으로써 역전류 생성부(120)가 주 회로부(110)와 전기적으로 절연될 수 있다.

이에 따라, 역전류 생성부(120)에서 발생하는 사고가 주 회로부(120)에 미치는 영향을 줄어들게 하여 역전류 생성부(120)의 고장에 대한 파급이 적어 주 회로부(110)와 연결된 각종 전기 장치에 영향을 주지 않는다.

한편, 고주파 변압기(121)의 권선비를 'N1/N2 ≥ 1' 적용하면, 역전류 생성부(120)로부터 생성되는 공진 전류의 크기가 원래 생성 전류보다 큰 값으로 주 회로부(110)의 기계식 차단기(기계식 스위치)로 주입될 수 있는데, 이는 역전류 생성부(120)에서 생성하는 전류가 낮더라도 주 회로부(110)에는 흐르는 전류를 '0'으로 만들 수 있는 역전류가 삽입됨을 의미한다. 이때, 역전류 생성부(120) 특히 전류변환회로부(122)에서 생성되는 전류의 크기가 작으면(단, 고주파 변환부(121)에 의해 사고 전류보다 큰 역전류가 생성되어 투입됨), 역전류 생성부(120)를 구성하는 전체적인 부품들의 전류 사양을 낮출 수 있어 장치의 가격적 하락에 기여하며, 이와 동시에 LC 직렬공진회로부(123)를 통해 공진 전류를 생성함에 있어 영향을 줄 수 있는 DC 전원부의 크기도 줄일 수 있어 대기 전력으로 인한 손실도 줄어들 수 있다.

본 실시예에 따르면, 주 회로부(110)와 역전류 생성부(120)가 사고 미 발생 상태에서는 전기적으로 절연되어 있어, 역전류 생성부(120)에서 발생하는 사고가 주 회로부(120)에 미치는 영향을 줄어들게 하여 역전류 생성부(120)의 고장에 대한 파급이 적어 주 회로부(110)와 연결된 각종 전기 장치에 주는 영향이 최소화될 수 있다.

또한, 직류선로의 전압을 이용하지 않으면서, 직류선로의 전압보다 낮은 별도의 전원으로 차단 전류(역전류)를 생성하여 사고 전류를 차단할 수 있으며, LC 직렬공진회로부(123)를 이용하여 공진 전류를 생성함과 동시에 고주파 변압부(121)를 통해 해당 공진 전류를 증폭함으로써 역전류 생성부(120)를 구성하는 전력용 반도체 소자 등의 부품 사양에 대한 부담이 줄어들어 비용 절감이 가능하다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 복합형 직류 차단기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100: 복합형 직류 차단기
110: 주 회로부
111: 주 차단용 스위치
112: 보조 차단용 스위치
120: 역전류 생성부
121: 고주파 변압부
122: 전력변환회로부
123: LC 직렬공진회로부
130: 에너지 소호부
L: 직류선로

Claims (5)

1. 직류선로 상에 설치된 기계식 스위치인 주 차단용 스위치와 상기 직류선로와 연결된 루프 상에 설치된 보조 차단용 스위치를 포함하는 주 회로부;
   상기 주 회로부와 병렬 연결되고, 사고 발생 시 전력용 반도체 스위칭 동작에 따라 역전류를 생성하여 상기 주 회로부에 삽입하기 위해 상호 직렬 연결된 공진회로와 전력변환회로부를 포함하는 역전류 생성부; 및
   상기 역전류 생성부와 병렬 연결되어 상기 주 회로부에 축적된 에너지를 흡수하는 에너지 소호부를 포함하고,
   상기 주 회로부는,
   직류선로 상에 연결된 상기 주 차단용 스위치; 및
   상기 주 차단용 스위치와 병렬 연결된 상기 보조 차단용 스위치를 포함하고,
   상기 역전류 생성부는,
   1차측 코일 및 상기 루프 상에 설치되어 상기 보조 차단용 스위치와 직렬 연결된 2차측 코일을 갖는 고주파 변압부; 및
   상기 1차측 코일과 병렬 연결되며, 상호 직렬 연결된 상기 전력변환회로부와 LC 직렬공진회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 직류 차단기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   사고 미 발생 시 상기 고주파 변압부에 의해 상기 주 회로부와 상기 역전류 생성부가 전기적으로 절연되고, 사고 발생 시 상기 전력변환회로부가 동작하여 상기 LC 직렬공진회로부와 함께 역전류를 생성하고, 상기 고주파 변압부를 통해 상기 주 차단용 스위치에 역전류가 삽입되어 상기 주 차단용 스위치가 개방되면, 상기 주 회로부에 축적된 에너지가 상기 에너지 소호부로 흡수된 후 상기 보조 차단용 스위치가 개방되어 상기 주 회로부와 사고 지점 간의 차단이 완료되는 것을 특징으로 하는 복합형 직류 차단기.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 1차측 코일(N1)과 상기 2차측 코일(N2)의 권선비는 N1/N2≥1의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 복합형 직류 차단기.

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