KR102264598B1 - 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기 - Google Patents

두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기 Download PDF

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Abstract

두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기가 개시된다. 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기는, 대향하는 1차 권선부 및 2차 권선부가 형성되는 철심(Iron core), 1차 권선부에 결선되는 1차 권선, 2차 권선부에 결선되는 2차 권선, 2차 권선에 연결되는 제1 초전도 소자, 제2 초전도 소자 및 저항 소자를 포함하되, 1차 권선과 2차 권선은 병렬로 연결되고, 병렬로 연결된 1차 권선과 2차 권선의 사이에 제1 초전도 소자, 제2 초전도 소자 및 저항 소자가 연결되며, 제2 초전도 소자와 저항 소자는 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 제2 초전도 소자와 저항 소자는 제1 초전도 소자와 병렬로 연결된다.

Description

두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기{Flux-Coupling type superconducting fault current limiter with two triggered current limiting levels}
본 발명은 초전도 고장전류 제한기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류 시스템에서 고장전류를 제한하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기에 관한 것이다.
산업발전으로 전력공급설비가 증가하여 전력계통이 복잡해지고 송전용량이 증가하였다. 이에 따라, 단락 발생 시, 고장전류가 증가하여 기존 차단기의 내력을 초과하게 되어 전력계통 보호기기들이 심각한 피해를 받게 되었다. 그래서, 이러한 피해를 줄이기 위하여, 단락 용량이 큰 차단기로 교체하거나 높은 임피던스를 가지는 전력설비를 마련하는 등의 방안이 시도되고 있다. 그러나, 여전히 경제적, 기술적, 계통 안정도면에서 해결해야 할 많은 문제가 남아 있다.
한편, 보다 효과적인 방안으로서, 고장전류를 제어할 수 있는 초전도 고장전류 제한기(SFCL: Superconducting Fault Current Limiter)가 개발되었다. 초전도 고장전류 제한기는 전력계통에서 발생하는 고장전류를 제한하는 장치로서, 초전도 소자(HTSC: High-Temperature superconducting)의 고유 특성인 급격한 저항 증가를 이용하여 고장전류의 크기를 제한하는 기능을 갖는다. 즉, 초전도 고장전류 제한기는 전력공급원에서 공급되는 전력을 손실 없이 계통으로 공급하고, 사고 시에 발생하는 고장전류를 제한할 수 있다.
초전도 고장전류 제한기에 사용되는 초전도 소자는 전류나 온도에 따라 상태를 전이하는 특성을 가지며, 이러한 소자 특성을 이용하여 과전류를 제한할 수 있다. 즉, 초전도 소자는 임계치 이상의 전류나 온도가 가해지면 상전도 상태로 전이되고, 이에 따라 높은 저항을 발생하여 과전류를 제한한다. 이후, 초전도 소자는 냉각되면, 다시 초전도 상태로 복귀한다.
일반적으로, 초전도 고장전류 제한기는 철심(Iron core)에 1차 및 2차 권선되고, 2차 권선에 초전도 소자가 연결되어 구성된다. 이와 같이 두 권선의 자기결합을 이용한 초전도 고장전류 제한기는, 고장 시에 전력 부담을 병렬 또는 직렬 연결된 두 권선과 초전도 소자로 분산함으로써, 초전도 소자의 개수를 줄일 수 있으면서도 퀀치(Quench) 현상을 유도할 수 있는 특징이 있다. 또한, 이러한 초전도 고장전류 제한기는, 권선의 권선비를 조절하여 임피던스의 크기를 조절함으로써, 전류제한 크기를 효과적으로 조절할 수 있는 특징이 있다.
그러나, 초전도 고장전류 제한기는 1차 및 2차 권선의 결선 구조, 권선과 초전도 소자의 결선 구조 등에 따라 초전도 소자의 부담 가중 문제, 고장전류의 제한효과의 저하 문제 등이 나타날 수 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2011-0002749호(2011.01.10)
본 발명은 직류 시스템에서 보다 신속하게 고장전류를 제한하며, 고장 제거 후에 보다 신속하게 초전도 상태로 복귀하게 할 수 있는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 직류 시스템에서 고장전류를 제한하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기는, 대향하는 1차 권선부 및 2차 권선부가 형성되는 철심(Iron core), 상기 1차 권선부에 결선되는 1차 권선, 상기 2차 권선부에 결선되는 2차 권선, 상기 2차 권선에 연결되는 제1 초전도 소자, 제2 초전도 소자 및 저항 소자를 포함하되, 상기 1차 권선과 상기 2차 권선은 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 1차 권선과 2차 권선의 사이에 상기 제1 초전도 소자, 상기 제2 초전도 소자 및 상기 저항 소자가 연결되며, 상기 제2 초전도 소자와 상기 저항 소자는 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 제2 초전도 소자와 저항 소자는 상기 제1 초전도 소자와 병렬로 연결된다.
상기 철심은 사각형의 중공이 형성된 사각통 형태를 가지며, 상기 사각형의 대향하는 변에 상응하는 부분에 상기 1차 권선부 및 상기 2차 권선부가 형성된다.
상기 제1 초전도 소자에 흐르는 제1 전류의 크기가 상기 제1 초전도 소자의 임계치를 초과함에 따라 상기 제1 초전도 소자에 발생하는 제1 저항에 의하여 제1 전압이 발생하여, 고장전류가 제한된다.
상기 제2 초전도 소자에 흐르는 제2 전류의 크기가 상기 제2 초전도 소자의 임계치를 초과함에 따라 상기 제2 초전도 소자에 발생하는 제2 저항에 의하여 제2 전압이 발생하여, 고장전류가 제한된다.
상기 제1 초전도 소자가 상기 제2 초전도 소자보다 낮은 임계치를 가지도록 설정된다.
본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기는, 직류 시스템에서 보다 신속하게 고장전류를 제한하며, 고장 제거 후에 보다 신속하게 초전도 상태로 복귀하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기가 적용된 직류 시스템을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기의 동작에 따른 전압 및 전류의 변화를 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기가 적용된 직류 시스템을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 직류 시스템은, 교류전원소스(Es)로부터 공급되는 교류전원이 정류기(10) 및 캐패시터(capacitor)를 통해 직류전원으로 변환되며, 변환된 직류전원이 부하저항(RLoad)으로 공급되도록 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기(100)가 부하저항(RLoad)의 후단에 연결되어, 발생하는 고장전류를 제한할 수 있다.
즉, 제1 스위치(SW1)가 온(ON)되면 교류전원이 Udc의 전압과 idc의 전류를 가지는 직류전원으로 변환된다. 이어, 제2 스위치(SW2)가 온(ON)되면 부하저항(RLoad)에 부하전류(iLoad)가 흐름으로써, 직류전원이 부하저항(RLoad)으로 인가될 수 있다. 이후, 제3 스위치(SW3)가 온(ON)되는 경우, 고장저항(RFire)에 고장전류(iFire)가 흐른다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기(100)가 동작하여, 발생한 고장전류(iFire)를 제한한다. 여기서, 초전도 고장전류 제한기(100)의 전류 제한 동작은 제3 스위치(SW3)가 오프(OFF)될 때까지 수행될 수 있다.
예를 들어, 고장저항(RFire)은 부하저항(RLoad)에 비하여 상대적으로 매우 작은 저항값을 가질 수 있으며, 이에 따라 부하저항(RLoad)에 비하여 상대적으로 매우 큰 고장전류(iFire)가 고장저항(RFire)에 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기(100)는, 철심(Iron core)(110), 1차 권선(N1), 2차 권선(N2), 제1 초전도 소자(120), 제2 초전도 소자(130) 및 저항 소자(131)를 포함하여 구성될 수 있다.
철심(110)은 사각형의 중공이 형성된 사각통 형태를 가지며, 사각형의 대향하는 변에 상응하는 부분에, 1차 권선(N1) 및 2차 권선(N2)이 각각 결선되는 1차 권선부(111) 및 2차 권선부(112)가 형성된다.
즉, 1차 권선부(111) 및 2차 권선부(112)는 철심(110)에서 대향하도록 형성될 수 있다.
이때, 1차 권선부(111)에는 1차 권선(N1)이 결선되고, 2차 권선부(112)에는 2차 권선(N2)이 결선된다.
그리고, 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)은 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)의 사이에는 제1 초전도 소자(120), 제2 초전도 소자(130) 및 저항 소자(131)가 연결된다. 여기서, 제2 초전도 소자(130)와 저항 소자(131)는 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 제2 초전도 소자(130)와 저항 소자(131)는 제1 초전도 소자(120)와 병렬로 연결된다.
즉, 1차 권선(N1)의 일측과 2차 권선(N2)의 일측이 연결되고, 1차 권선(N1)의 타측과 2차 권선(N2)의 타측이 연결된다. 이때, 1차 권선(N1)의 타측과 2차 권선(N2)의 타측 사이에는, 직렬로 연결된 제2 초전도 소자(130)와 저항 소자(131), 제2 초전도 소자(130) 및 저항 소자(131)와 병렬로 연결된 제1 초전도 소자(120)가 연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기(100)는, 1차 권선(N1) 및 2차 권선(N2)이 절연형 권선이다.
제1 초전도 소자(120) 및 제2 초전도 소자(130)는 고장전류를 제한하는 기능을 수행하며, 이 기능을 수행하기 위하여, 제한하고자 하는 전류 크기에 대응하는 임계치를 갖는다.
즉, 고장전류를 제한하는데 있어서, 제1 초전도 소자(120)의 임계치와 제2 초전도 소자(130)의 임계치가 서로 다르게 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 초전도 소자(120)가 제2 초전도 소자(130)보다 낮은 임계치를 가지도록 설정될 수 있다. 제1 초전도 소자(120)가 제2 초전도 소자(130)보다 낮은 임계치를 갖는 경우, 고장전류가 발생 시 제1 초전도 소자(120)가 제2 초전도 소자(130)보다 먼저 반응하여 저항을 발생시켜 고장전류를 제한한다. 이후, 고장전류의 크기가 증가하여 제2 초전도 소자(130)의 임계치를 초과하면 제2 초전도 소자(130)도 저항을 발생시켜 고장전류를 제한한다. 다만, 고장전류의 크기가 제2 초전도 소자(130)의 임계치를 초과하지 않는 경우, 제2 초전도 소자(130)에는 저항이 발생되지 않으며, 제1 초전도 소자(120)가 발생시킨 저항만으로, 고장전류가 제한될 수 있다.
한편, 제1 초전도 소자(120)와 제2 초전도 소자(130)는 2차 권선(N2)과 직렬로 연결된다. 여기서, 제1 초전도 소자(120) 및 제2 초전도 소자(130)에는 각각 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 권선(N1)에 흐르는 전류(i1)에 의하여 isc2 및 isc1의 전류가 흐른다.
예를 들어, 제1 초전도 소자(120)가 제2 초전도 소자(130)보다 낮은 임계치를 갖는 경우, 제1 초전도 소자(120)에 흐르는 전류(isc1)의 크기가 제1 초전도 소자(120)의 임계치를 초과함에 따라 제1 초전도 소자(120)에 저항(Rsc1)이 발생하여 이에 따른 전압(Vsc1)이 발생한다. 다음으로, 제2 초전도 소자(130)에 흐르는 전류(isc2)의 크기가 제2 초전도 소자(130)의 임계치를 초과함에 따라 제2 초전도 소자(130)에 저항(Rsc2)이 발생하여 이에 따른 전압(Vsc2)이 발생한다. 이에 따라 고장전류가 제한된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기의 동작에 따른 전압 및 전류의 변화를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 3은 가극 결선의 경우에 고장전류가 발생했을 때의 전압 및 전류의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 감극 결선의 경우에 고장전류가 발생했을 때의 전압 및 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 초전도 소자(120)에 흐르는 전류(isc1)의 크기가 제1 초전도 소자(120)의 임계치를 초과함에 따라 제1 초전도 소자(120)에 저항(Rsc1)이 발생하여 이에 따른 전압(Vsc1)이 발생하고, 제2 초전도 소자(130)에 흐르는 전류(isc2)의 크기가 제2 초전도 소자(130)의 임계치를 초과함에 따라 제2 초전도 소자(130)에 저항(Rsc2)이 발생하여 이에 따른 전압(Vsc2)이 발생함을 확인할 수 있다. 그 결과, 고장전류가 제한될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 초전도 고장전류 제한기
110: 철심(Iron core)
111: 1차 권선부
112: 2차 권선부
120: 제1 초전도 소자
130: 제2 초전도 소자
131: 저항 소자

Claims (5)

  1. 대향하는 1차 권선부 및 2차 권선부가 형성되는 철심(Iron core);
    상기 1차 권선부에 결선되는 1차 권선;
    상기 2차 권선부에 결선되는 2차 권선;
    상기 2차 권선에 연결되는 제1 초전도 소자, 제2 초전도 소자 및 저항 소자를 포함하되,
    상기 1차 권선과 상기 2차 권선은 병렬로 연결되고,
    상기 병렬로 연결된 1차 권선과 2차 권선의 사이에 상기 제1 초전도 소자, 상기 제2 초전도 소자 및 상기 저항 소자가 연결되며,
    상기 제2 초전도 소자와 상기 저항 소자는 직렬로 연결되고,
    상기 직렬로 연결된 제2 초전도 소자와 저항 소자는 상기 제1 초전도 소자와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철심은 사각형의 중공이 형성된 사각통 형태를 가지며, 상기 사각형의 대향하는 변에 상응하는 부분에 상기 1차 권선부 및 상기 2차 권선부가 형성되는 것을 특징으로 하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초전도 소자에 흐르는 제1 전류의 크기가 상기 제1 초전도 소자의 임계치를 초과함에 따라 상기 제1 초전도 소자에 발생하는 제1 저항에 의하여 제1 전압이 발생하여, 고장전류가 제한되는 것을 특징으로 하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 초전도 소자에 흐르는 제2 전류의 크기가 상기 제2 초전도 소자의 임계치를 초과함에 따라 상기 제2 초전도 소자에 발생하는 제2 저항에 의하여 제2 전압이 발생하여, 고장전류가 제한되는 것을 특징으로 하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초전도 소자가 상기 제2 초전도 소자보다 낮은 임계치를 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 두 트리거 전류제한 레벨을 갖는 자속결합형 초전도 고장전류 제한기.





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