KR102281123B1 - 고체 상태 고장 전류 제한기 - Google Patents

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KR102281123B1
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찰스 엘. 스탠리
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

고체-상태 고장 전류 제한기는, 시스템 전류 입력부, 수동 전류 출력부 및 제어 전류 출력부를 포함하는 전류 분할 리액터를 포함한다. 전압 제어 리액터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하며, 제 1 단부는 제어 전류 출력부에 결합되고, 제 2 단부는 수동 전류 출력부에 결합된다. 고장 전류 트리거 회로는 전압 제어 리액터와 병렬로 결합되고, 미리 정의된 트리거 전류를 초과하는 고장 전류가 시스템 전류 입력부에 의해 수신될 때 개방되도록 구성된다. 과도 전압 제어 회로는 고장 전류를 수신하기 위하여 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된다.

Description

고체 상태 고장 전류 제한기{Solid State Fault Current Limiter}
본원에서 설명되는 실시예들은 전류 제어 디바이스들에 관한 것으로서, 더 구체적으로, 고장 전류 제한 디바이스들 및 시스템들에 관한 것이다.
고장 전류 제한기(Fault current limiter; FCL)들은, 예를 들어 전력 송신 및 분배 네트워크들에서 전류 서지(surge)들에 대한 보호를 제공하기 위해 사용된다. 지난 수십년간 다양한 유형들의 FCL들이 개발되었으며, 이들은 초전도 고장 전류 제한기(superconducting fault current limiter; SCFCL)들, 유도성 고장 전류 제한기들뿐만 아니라, 당업계에서 잘 알려진 다른 변형물들을 포함한다. FCL을 구현하는 파워 시스템은, 파워를 생성하고 이를 다양한 산업용, 상업용, 및/또는 주거용 전기 부하들에 전달하는 생성, 송신 및 분배 네트워크들을 포함할 수 있다.
고장 전류는, 단락 회로와 같은 시스템 내의 고장으로부터 기인할 수 있는 전기 시스템 내의 비정상 전류이다. 고장 전류는, 기상 악화(예를 들어, 낙뢰들)에 의해 손상되는 파워 라인들 또는 다른 시스템 컴포넌트들과 같은, 임의의 수의 이벤트들 또는 고장들에 기인하여 시스템 내에서 일어날 수 있다. 이러한 고장이 발생할 때, 회로 내에서 큰 부하가 순간적으로 나타날 수 있다. 이에 응답하여, 네트워크는 많은 양의 전류(즉, 고장 전류)를 부하로 전달한다. 이러한 전류의 서지는 원치 않는 것이며, 이는 전류의 서지가 부하, 예를 들어, 네트워크 자체 또는 네트워크에 연결된 장비를 손상시킬 수 있기 때문이다. FCL 디바이스들과 관련된 문제는 그들의 비용, 복잡도 및 크기이다. 이러한 그리고 다른 고려사항들에 관하여 본 개선들이 제공된다.
본 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 간략화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구되는 내용의 핵심 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 청구되는 내용의 범위를 결정하는데 도움을 주는 것으로서 의도되지도 않는다.
본 개시는 고체-상태 고장 전류 제한기를 제공하며, 이는 시스템 전류 입력부, 수동 전류 출력부 및 제어 전류 출력부를 포함하는 전류 분할 리액터(reactor)를 포함한다. 전압 제어 리액터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하며, 제 1 단부는 제어 전류 출력부에 결합되고, 제 2 단부는 수동 전류 출력부에 결합된다. 고장 전류 트리거(trigger) 회로는 전압 제어 리액터와 병렬로 결합되고, 미리 정의된 트리거 전류를 초과하는 고장 전류가 시스템 전류 입력부에 의해 수신될 때 개방되도록 구성된다. 과도 전압 제어 회로는 고장 전류를 수신하기 위하여 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된다.
일 실시예에 있어, 시스템 전류 입력부, 수동 전류 출력부 및 제어 전류 출력부를 갖는 고체-상태 고장 전류 제한기가 제공된다. 전압 제어 리액터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하며, 제 1 단부는 제어 전류 출력부에 결합되고, 제 2 단부는 수동 전류 출력부에 결합된다. 고장 전류 트리거 회로는 전압 제어 리액터와 병렬로 결합되고, 미리 정의된 트리거 전류를 초과하는 고장 전류가 시스템 전류 입력부에 의해 수신될 때 개방되도록 구성된다. 과도 전압 제어 회로는 고장 전류를 수신하기 위하여 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된다.
일 실시예에 있어, 코어 둘레로 감긴 제 1 및 제 2 전도성 권선들을 포함하는 전류 분할 디바이스로서, 제 1 전도성 권선은 고장 상태 동안 제 1 전도성 권선 및 제 2 전도성 권선 둘 모두를 통해 고장 전류를 전달하도록 구성된, 전류 분할 디바이스; 전류 분할 디바이스에 결합된 전압 제어 리액터; 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 과도 전압 제어 회로; 및 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 고체-상태 고장 트리거 회로를 갖는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템이 제공된다. 고체-상태 고장 트리거 회로는 제 2 전도성 권선을 통해 이동하는 고장 전류가 미리 정의된 문턱 전류보다 더 클 때 개방되도록 구성되며, 전압 제어 리액터 및 과도 과전압 제어부는 고체-상태 고장 트리거 회로가 개방될 때 제 2 전도성 권선으로부터 고장 전류를 수신하도록 구성된다.
일 실시예에 있어, 코어 둘레로 감긴 제 1 및 제 2 전도성 권선들을 포함하는 전류 분할 디바이스를 갖는 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템이 제공된다. 제 1 전도성 권선은 고장 상태 동안 제 1 전도성 권선 및 제 2 전도성 권선 둘 모두를 통해 고장 전류를 전달하도록 구성된다. 복수의 직렬로 연결된 전압 제어 리액터 및 고장 트리거 회로 모듈들이 전류 분할 디바이스에 결합될 수 있으며, 여기에서 복수의 직렬로 연결된 전압 제어 리액터 및 고장 트리거 회로 모듈들의 각각의 모듈은 고장 트리거 회로와 병렬로 연결된 전압 제어 리액터를 포함한다.
본 개시의 더 완전한 이해를 용이하게 하기 위하여, 이제 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 도면들 내에서 유사한 엘러먼트들은 유사한 번호들로 참조된다. 이러한 도면들은 본 개시를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 하며, 오로지 예시적인 것으로 의도된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 송신 또는 분배 시스템 내의 고장 전류 제한기(Fault Current Limiter; FCL)의 애플리케이션이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따른 송신 시스템에서 사용되는 FCL 회로이다.
도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따른 송신 시스템에서 사용되는 FCL 회로이다.
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따른 코어 둘레로 감긴 제 1 및 제 2 전도성 권선을 갖는 FCL 회로를 예시한다.
도 3a는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자기 스위치들 또는 퓨즈들을 사용하는 고장 전류 센싱 스위치(Fault Current Sensing Switch; FCSS)를 예시한다.
도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 다이오드들 및 IGBT를 사용하는 FCSS를 예시한다.
도 3c는 본 개시의 일 실시예에 따른 다이오드들 및 IGBT를 사용하는 FCSS를 예시한다.
도 3d는 본 개시의 일 실시예에 따른 다이오드들 및 IGBT를 사용하는 FCSS를 예시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 전압 제어 리액터(Voltage Control Reactor; VCR) 및 고장 트리거 회로(Fault Trigger Circuit; FTC) 모듈들을 사용하는 FCL을 예시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 FTC 모듈들을 사용하는 FCL을 예시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 FTC 모듈들을 사용하는 모듈식 FCL을 예시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른, 전류 분할 리액터를 포함하지 않는 FCL 회로를 예시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른, 아크 플래시 보호에서 사용되는, 전류 분할 리액터 또는 전압 제어 리액터를 포함하지 않는 FCL 회로를 예시한다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른, 상-대-접지 고장(phase-to-ground fault)들을 제한하기 위한 트랜스포머의 중성 대 접지에서 사용되는 전압 제어 리액터를 갖는 FCL 회로를 예시한다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른, 접지 고장 전류가 억제될 필요가 있는 상-대-접지 고장을 제한하기 위한 트랜스포머의 중성 대 접지에서 사용되는 전압 제어 리액터를 갖는 FCL 회로를 예시한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템의 동작의 방법을 예시한다.
이제 이하에서 본 실시예들이, 일부 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다. 본원은 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 철저해질 수 있도록 제공되며, 본원의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다. 도면들에서, 유사한 도면번호들이 전체에 걸쳐 유사한 엘러먼트를 지칭한다.
실시예들은, 전류-분할 상호 리액터 설계를 사용하는 고체 상태 고장 전류 제한기(Solid State Fault Current Limiter; "SSFCL")를 제공한다. SSFCL은 바람직하게는, 기계-동작식 고장 전류 제한기에 비하여, 단락-회로 고장을 빠르게 트립(trip)하고 분리(isolate)한다. SSFCL은 사인파 고장 전류의 제 1 사이클 피크(예를 들어, 60 Hz 전원 공급장치에 대하여 약 4 내지 10ms에서의 제 1 피크)를, 적어도 25% 내지 75%만큼 감소시킬 수 있다. 도 1 내지 도 12는, 송신, 분배 및 생성 네트워크들과 같은 임의의 전기 회로 내의 단락 회로 고장 전류들을 제한하는 SSFCL의 동작의 기본 원리들을 예시한다.
도 1은 파워 송신 및 분배 시스템에서 구현될 수 있는 고체 상태 고장 전류 제한기(Solid State Fault Current Limiter; SSFCL)(200)를 포함하는 예시적인 고장 전류 제한기 시스템(1000)을 예시한다. 전원(101)은, 실수 성분 Rs 및 허수 성분 Xs를 포함하는 복소 임피던스 Zs를 갖는 인터페이스 회로(103), 및 회로 차단기(105)를 통해 파워를 공급한다. 파워 송신 라인(106)은, 송신 라인 전압을 부하들(121, 123)과 호환가능한 전압으로 스테핑(step)하도록 구성된 트랜스포머(109)를 갖는 서브스테이션(substation)과의 인터페이스(107)로 이어진다. 트랜스포머(109)의 출력부는 회로 차단기(111) 및 SSFCL(200)에 결합될 수 있다. SSFCL(200)은 회로 차단기(115) 및 매칭 회로들(117, 119)을 통해 부하들(121, 123)에 결합될 수 있다. 추가적인 부하들 및 매칭 회로들이 제공될 수 있다. 단락 회로 고장(125)이 존재할 수 있으며, 존재하는 경우, 이는 본원에서 설명되는 다양한 실시예들의 동작에 의해 분리될 것이다.
도 2a 내지 도 10은, 도 1에 도시된 SSFCL(200)로서 사용가능한 고장 전류 제한기의 다양한 실시예들을 예시한다. 구체적으로, 도 2a는 고장 전류 트리거(Fault Current Trigger; FTC) 회로(210)와 병렬로 전류 분할 리액터(current splitting reactor; CSR)(202) 및 전압 제어 리액터(voltage control reactor; VCR)(208)를 포함하는 SSFCL(200)을 예시한다. 도 2a를 간략하게 참조하면, CSR(202)은 자기 코어(203) 둘레로 감긴 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 포함한다. 제 2 전도성 권선(206)은 반대로-감기거나(counter-wound) 또는 십자형 배열로 감길 수 있으며, 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)과 같은 각각의 전도성 권선들은 동일한 수의 권선수(turns)를 가질 수 있다. SSFCL(200) 내의 CSR(202)의 자기 코어(203)는 바람직하게는, CSR(202) 내의 증가된 플럭스(flux) 레벨들의 함수로서 예측가능한 자기 속성들을 갖는 고 투과성 재료에 대응할 수 있다(도 2a 참조). CSR(202)은, 정상 상태 동작 동안 최소 임피던스를 나타내며 고장 상태 동안 고장 전류를 효과적으로 제한하기 위하여 비교적 큰 임피던스를 나타내도록 구성될 수 있는 제 2 전도성 권선(206) 및 제 1 전도성 권선(204)을 포함한다.
도 2b는 고장 전류 트리거(FTC) 회로(210)와 병렬로 전류 분할 리액터(CSR)(202)를 포함하는 SSFCL(200)을 예시한다. 도 2b에서, 전류 분할 리액터(CSR)(202)는 VCR(208)(도 2a 참조)을 갖지 않고서 사용된다. 도 2b를 간략하게 참조하면, CSR(202)은 자기 코어(203) 둘레로 감긴 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 포함한다. 제 2 전도성 권선(206)은 반대로-감기거나 또는 십자형 배열로 감길 수 있으며, 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)과 같은 권선들의 각각은 동일한 수의 권선수를 가질 수 있다. SSFCL(200) 내의 CSR(202)의 자기 코어(203)는 바람직하게는, CSR(202) 내의 증가된 플럭스 레벨들의 함수로서 예측가능한 자기 속성들을 갖는 고 투과성 재료에 대응할 수 있다. CSR(202)은, 정상 상태 동작 동안 최소 임피던스를 나타내며 고장 상태 동안 고장 전류를 효과적으로 제한하기 위하여 비교적 큰 임피던스를 나타내도록 구성될 수 있는 제 2 전도성 권선(206) 및 제 1 전도성 권선(204)을 포함한다. 따라서, 일 실시예에 있어, CSR(202)은 FTC(210)에 결합되며, FTC(210)는 미리 정의된 트리거 전류를 초과하는 고장 전류가 시스템 전류 입력부에 의해 수신될 때 개방되도록 구성된다. 과도 전압 제어 회로가 CSR(202)에 결합될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, SSFCL(200)은 약 250 암페어 또는 그 이상의 시스템 전류들 IT로 사용 가능하다. 예를 들어, 4,000 암페어의 전류가 이용가능하고 적절한 크기의 컴포넌트들을 갖는 도 2a의 회로에 의해 보호될 수 있다. FTC(210)는 도 3a 내지 도 3c와 관련하여 이하에서 추가로 설명되는 바와 같은 과도 전압 제어 회로(transient overvoltage control circuit; TOCC) 및 스위치를 포함한다. 고장 상태들 하에서, 약 2000 볼트 또는 그 이상의 전압 강하가 FTC(210)에 걸쳐 수용(accommodate)될 수 있다.
CSR(202)은, 일반/정상 상태 및 고장 전류들의 더 작은 부분이 고체 상태 고장 전류 트리거 회로(210)를 통해 흐를 수 있도록 높은 시스템 전류들을 관리하기 위해 사용될 수 있다. IGCT들, IGBT들, 및 다이오드들, 및 이와 유사한 것과 같은 대부분의 고체 상태 디바이스들은, 파워 송신 라인(106)을 통해 공급되는 유틸리티 시스템 전류들에 비하여 더 낮은 전류들로 레이팅(rate)된다. CSR(202)은 SSFCL(200)이 고체 상태 디바이스들을 사용하여 설계되는 것을 가능하게 하며, 이는 시스템 전류 IT의 더 작은 부분이 FTC(210)를 통해 흐르기 때문이다. 유입 시스템 전류 IT는, 제 1 전도성 권선(204)을 통해 흐르는 제 1 성분 IW1, 및 제 2 전도성 권선(206)을 통해 흐르는 제 2 성분 IW2로 분할된다. 전류 IW2는 VCR(208)을 통해 흐르는 전류 IVCR 및 FTC(210)를 통해 흐르는 전류 IFTC로 추가로 분할된다.
일 실시예에 있어, 제 1 전도성 권선(204)은 제 2 전도성 권선(206)과 역-병렬 관계로 전기적으로 연결될 수 있다. CSR(202)에 진입하는 전류는 제 1 전도성 권선(204)을 통해 제 1 방향으로 보내지며, 제 2 전도성 권선(206)을 통해 반대되는 제 2 방향으로 보내진다. 따라서, 일 실시예에 있어, 제 1 전도성 권선(204)을 통해 흐르는 전류는 제 2 전도성 권선(206)을 통해 흐르는 전류와 동등할 수 있으며, 이는 제 1 전도성 권선(204)과 제 2 전도성 권선(206)이 이상에서 설명된 역-병렬 구성으로 배열되며, 전도성 권선들이 자기적으로 결합될 것이고 무시할 수 있는 순(net) 및/또는 동등한 임피던스를 나타낼 것이기 때문이다. 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)은, 예를 들어, 바이파일러(bifilar) 코일 배열로와 같이 코어(예를 들어, 도 2c에 도시된 자기 코어(203)) 둘레에 감길 수 있다. 다른 권선 배열들이 사용을 위해 이용가능하며, 선호 및/또는 기술적 설정에 의존하여 적용될 수 있다. 당업자들에 의해 이해될 바와 같이, 코어가, 특정 애플리케이션의 전류 제한 설정들에 의해 지시되는 치수들을 갖는 철 코어 또는 공기 코어일 수 있다는 것이 고려된다.
적절한 수의 권선수를 갖는 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 사용함으로써, SSFCL(200)의 정상 상태 동작은, 정상 상태 전류의 x%가 경로 IW1을 따라 흐르는 경우, 정상 상태 전류의 나머지 (100-x)%가 경로 IW2를 통해 흐를 수 있도록, 정상 상태 전류를 병렬 경로들 IW1 및 IW2를 따라 분배하도록 조정될 수 있다. 대안적으로, 정상 상태 전류의 x%가 경로 IW2를 따라 흐르는 경우, 정상 상태 전류의 나머지 (100-x)%가 경로 IW1을 따라 흐른다. 따라서, 정상 상태 동작(예를 들어, 정상 상태 조건) 동안, CSR(202)의 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)은 정상 상태 전류를 미리 정의된 방식으로 병렬 경로들 IW1 및 IW2를 따라 분배하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 있어, 예를 들어, 50%가 경로 IW2를 따라 흐르고 50%가 경로 IW1을 따라 흐르도록, SSFCL(200) 내의 전류를 경로들 IW1 및 IW2 사이에 균등하게 분배하기 위한 적절한 수의 권선수를 갖는 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)이 선택될 수 있다. 다른 실시예들에 있어, 비율은, 40%가 경로 IW2를 따라 흐르고 60%가 경로 IW1을 따라 흐르도록 설정될 수 있거나; 30%가 경로 IW2를 따라 흐르고 70%가 경로 IW1을 따라 흐르도록 설정될 수 있다. 다시 말해서, 비율은, 예를 들어, 개별적인 경로들 IW2 및 IW1을 따라, 40/60, 30/70, 20/80으로 설정될 수 있다. 전류 분배가 정확하게 설정되는 일부 경우들에 있어, 외부 튜닝(tuning) 권선(미도시)이 선택적인 디바이스로서 구현될 수 있다.
SSFCL(200)의 정상 상태 동작 동안, 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)과 같은 반대로 감긴 권선들을 갖는 CSR(202)은 전류 분할 리액터의 코어 내부의 자기장을 소거한다. 더 구체적으로, 전류 분할 디바이스는, 회로 내에 무시할 수 있는 균등한 또는 순 임피던스를 야기하는 순 제로(zero) 또는 무시할 수 있는 자기장을 생성하기 위하여, 정상 상태 전류(예를 들어, 시스템 전류 IT)를 반대되는 방향들로 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 통해 흐르는 2개의 브랜치(branch)들(IW1 및 IW2)로 분할한다. 따라서, 제 1 전도성 권선(204)의 리액턴스(reactance)는 제 2 전도성 권선(206)의 반대로 향해진 리액턴스에 의해 무효화된다. 따라서, 적절한 수의 권선수를 갖는 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 선택함으로써, 정상 상태 전류의 미리 결정된 부분이 CSR을 통해 라우팅될 수 있다. SSFCL(200) 상의 정상 상태 전류 부하가 종래의 FCL 시스템들에 비해 감소된다. 따라서 FCL의 비용 및 물리적 크기가 또한 감소될 수 있다.
고장 상태의 발생 시, SSFCL(200)을 통한 전류가 급격히 증가하며, 여기에서 증가된 고장 전류는, 예를 들어, 도 1에 도시된 전류 센서(150)와 같은 전류 센서에 의해 측정될 수 있다. 다시 말해서, 단락 회로 고장 상태 동안, 고장 전류는 일반적인 정상 상태 전류를 초과하며, 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206) 둘 모두에서 흐른다.
전류 센서(150)로부터 출력되는, 고정 전류가 미리 정의된 문턱 전류 레벨을 초과한다는 것을 나타내는 신호를 수신하면, 적어도 하나의 프로세서 디바이스 및 그 안에 저장된 적어도 하나의 메모리 디바이스를 갖는 (도 1에 도시된 바와 같은) 제어기(175)는 즉각적으로 CSR(202)을 "트립"한다. 다시 말해서, 제어기(175) 및 전류 센서(150)는 SSFCL(200)로 하여금 고장 상태에 진입하게끔 한다. 구체적으로, 제 2 전도성 권선(206)에서의 전류가 미리 정의된 트리거 전류(예를 들어, 미리 정의된 문턱 전류)를 초과할 때, FTC(210)가 개방되고 고장 전류가 VCR(208) 및 (도 3a 내지 도 3d에서 312, 322, 332, 또는 342로서 도시된) 과도 전압 제어 회로(transient overvoltage control circuit; TOCC)들로 전달된다. FTC(210)가 개방될 때, TOCC(312, 322, 332, 또는 342) 및 VCR(208)의 임피던스는 제 2 전도성 권선(206)을 통한 전류를 감소시키기에 충분히 커지고, 그에 따라 CSR(202)이 그것의 자기장 소거를 상실하게끔 하며, FTC(210)가 고장 전류 제한기 시스템(1000)을 통과하는 고장 전류가 미리 결정된 문턱 전류를 초과한다는 신호(예를 들어, 전류 센서로부터 검출된)를 수신할 때, 개방 회로를 생성하도록 동작할 수 있는 고 전류 제한 FTC(210)를 도입한다. FTC(210)가 개방될 때, FTC(210)를 통과했던 전류 IFTC는 VCR(208) 및 병렬 TOCC를 통과하는 IVCR로 전환(transfer)한다. CSR(202)은 부하들(121, 123)로의 고장 전류를 수용할만한 피크-투-피크(peak-to-peak) 진폭으로 제한하기에 충분히 큰 등가 임피던스를 나타낸다. 다시 말해서, FTC(210)를 개방하는 것이 제 2 전도성 권선(206)을 통한 전류를 감소시키기 위하여 VCR(208) 및 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)의 고 임피던스를 회로 내로 삽입하며(예를 들어, 고 임피던스는 어떠한 전류도 흐르도록 허용하지 않는 또는 전류의 일 부분을 허용하는 회로 내의 지점을 의미한다), 여기에서 VCR(208) 및 TOCC의 임피던스는 제 2 전도성 권선(206)의 임피던스보다 훨씬 더 크다. 고장이 해결된 후, 복구 동안, FTC(210)가 닫히고, 저 임피던스 회로를 갖는 정상 동작 상태가 수립된다.
대안적으로, CSR(202)을 갖지 않는 고장 전류 제한 회로는 고장 전류 제한기로 하여금 병렬의 고체 상태 스위치들을 트리거하게끔 강제할 것이다. 이러한 병렬 트리거링은 불균형한 전류 공유 및 연관된 고장들에 기인하여 대단한 난제가 될 것이며 덜 신뢰할 수 있게 될 것이다. 본 개시에 따른 실시예들은 병렬 능동 고장 전류 트리거 회로들을 갖는 회로 설계를 회피한다. 따라서, SSFCL(200)은 매우 낮은 임피던스 디바이스이며, 정상 상태 동작 동안 시스템 임피던스의 1% 미만을 삽입한다. 다시 말해서, SSFCL은 1% 미만의 전압 강하를 갖는다. VCR(208)은 이를 통해 흐르는 무시할 수 있는 전류를 갖는다. 예를 들어, CSR(202)이 제 1 전도성 권선(204)과 제 2 전도성 권선(206) 사이에 3:1의 전류 비율을 갖는 경우, 제 2 전도성 권선(206)을 통한 FTC 브랜치는 총 전류의 25%를 만날 것이다. 다른 비율들이, 비율에 대하여 각기 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)에서의 권선수 N1 및 N2를 수정함으로써 용이하게 달성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 각기, 도 2a 내지 도 2b에 도시된 FTC(210)의 부분으로서 포함될 수 있는 고장 전류 센싱 스위치(Fault Current Sensing Switch; FCSS) 회로들(310, 320, 330, 및 340)을 예시한다. FCSS 회로들(310, 320, 330, 및 340)은 다양한 유형들의 스위치들, 예컨대 전기기계식 스위치, 고속 응답 가변 저항기, 퓨즈, 통합 게이트 정류 사이리스터(integrated gate-commutated thyristor; IGCT), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT), 진공 튜브들, 및 등등을 포함할 수 있다. 각각의 FCSS는 "스너버(snubber)" 회로로서도 알려진 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)를 포함한다. 스너버 회로는 과도 과전압 억제 회로이다. TOCC 회로들(312, 322, 332, 또는 342)은, 하나 이상의 상이한 스너버링 기능들을 수행함으로써 FTC(210)의 부분으로서 효율적이고 신뢰할 수 있는 동작을 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 스너버 회로는, 그 출력부에서 유도성 필터 회로를 갖는 초퍼(chopper) 회로 또는 스위칭 인버터 내에서와 같이 전기 전류의 스위칭 오프의 결과로서 스위치에 걸쳐 생성되는 전압 스파이크(spike)들을 억제한다. 구체적으로, 스너버 회로는 스위칭 디바이스의 개방 시 스위칭 디바이스에 걸친 과도한 과도 전압 피크들의 전개 및 출력 필터의 유도성 엘러먼트를 통한 전류 흐름의 결과적인 중단을 방지한다. TOCC 회로들(312, 322, 332, 또는 342)은, 과도 전압이 스위칭 디바이스의 정격 전압 제한들을 초과할 때 발생할 수 있는 스위칭 디바이스에 대한 손상을 방지한다. TOCC 회로(312, 322, 332, 또는 342)는 스위칭 궤적(switching trajectory)을 조정하고, 스위칭 손실들을 감소시키며, 및/또는 회로 내의 기생 엘러먼트들의 효과들을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 3a에 도시된 FCSS 회로(310)는 전반적으로, 전기기계식 스위치인 IGCT 스위치(314) 및, (a) 직렬의 저항(R)(312a) 및 커패시턴스(C)(312b); (b) 저항(Rp)(312c); 및 (c) 금속 산화물 바리스터(metal oxide varistor; MOV)(312d)의 병렬 연결을 포함한다. TOCC 회로(312)는, 100 μs < 의 시간 상수(즉, R*C > 100 μs)가 전류 제한기 애플리케이션들에 대해 사용될 수 있도록 상대적으로 높은 커패시턴스 및 저항 값들을 포함한다. 낮은 트리거 전류를 갖는 일부 애플리케이션들이 100μs(마이크로초) 미만의 시간 상수(< 100μs)를 사용할 수 있다는 것을 주의해야 한다. 예를 들어, 브러쉬 파이어 보호(brush fire protection)에 대해 20 μs의 시간 상수가 사용될 수 있다. 일반적으로, 이상적인 시간 상수는 > 10 μs이다(10 μs보다 더 크다).
(도 3b에 도시된) IGBT들과 같은 대부분의 고체 상태 또는 전력 전자 스위치들은, 회로 내에 낮은 인덕턴스(inductance)들이 존재하는 애플리케이션들에 대해 사용된다. 파워 주파수들을 사용하는 고장 전류 제한기들은 일반적으로 높은 인덕턴스를 가지고 회로들 내에서 동작되며, 고장이 발생할 때,
Figure 112021022386266-pat00001
의 큰 결과(high product)가 상대적으로 큰 과도 과전압을 생성한다. 전기 파워 시스템의 생성, 송신 및 분배와 같은 고 인덕턴스 회로들은, 과도 과전압을 억제하기 위하여 커패시턴스들 및 저항들의 높은 값들을 사용하는 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)와 같은 과도 전압 제어 회로들을 사용한다.
도 3b에 도시된 FCSS 회로(320)는, IGBT1 및 IGBT2를 포함하는 IGBT 스위치(324)와 병렬로 TOCC(322)를 포함한다. TOCC(312)와 유사하게, TOCC(322)는, (a) 직렬의 저항(R)(322a) 및 커패시턴스(C)(322b); (b) 저항(Rp)(322c); 및 (c) 금속 산화물 바리스터(MOV)(322d)의 병렬 연결을 포함한다. IGBT1 및 IGBT2와 같은 대부분의 고체 상태 또는 전력 전자 스위치들은, 회로 내에 낮은 인덕턴스들이 존재하는 애플리케이션들에 대해 사용된다. 파워 주파수들에서 사용되는 고장 전류 제한기들은 일반적으로 높은 인덕턴스를 가지고 회로들 내에서 동작되며, 고장이 발생할 때,
Figure 112017030502406-pat00002
의 큰 결과가 상대적으로 큰 과도 과전압을 생성한다. SSFCL의 고 인덕턴스 회로는, 과도 과전압을 억제하기 위하여 커패시턴스들 및 저항들의 큰 값들을 갖는 예시적인 TOCC를 사용한다.
도 3c는 IGCT1 및 IGCT2를 갖는 IGCT 스위치(314)와 병렬로 TOCC(332)를 포함하는 FCSS 회로(330)를 예시한다. TOCC(312 및 322)와 유사하게, TOCC(332)는, (a) 직렬의 저항(R)(332a) 및 커패시턴스(C)(332b); (b) 저항(Rp)(332c); 및 (c) 금속 산화물 바리스터(MOV)(332d)의 병렬 연결을 포함한다. FCSS 회로들(310, 320, 330, 및 340)은 다른 유형의 스위치들, 예컨대 진공 튜브와 함께 사용될 수 있다.
도 3d는 IGBT1 및 IGBT2를 포함하는 IGBT 스위치(324)와 병렬로 TOCC(342)를 포함하는 FCSS 회로(340)를 예시한다. TOCC(312, 322, 및 332)와 유사하게, TOCC(342)는, (a) 직렬의 저항(R)(342a) 및 커패시턴스(C)(342b); 및 (c) 금속 산화물 바리스터(MOV)(342d)의 병렬 연결을 포함한다. IGBT 스위치(324)는 전기기계식 스위치일 수 있다. 도 3d는, IGBT 스위치(314)(IGBT1 및 IGBT2) 또는 다른 스위칭 디바이스가 커패시터(343C) 및 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)를 가질 수 있다는 것을 예시한다. 커패시터(343C) 및 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)는 공통 또는 개별적인 금속 산화물 바리스터(MOV)(332d)를 가질 수 있는 저항기 스너버 회로들일 수 있다.
도 4 내지 도 6은 더 높은 전압의 애플리케이션들에 대해 사용할 수 있는 고장 제어 회로(113)의 다양한 실시예들을 도시한다. FTC(210)에 걸친 전압 강하가 약 2 KV이기 때문에, 추가적인 FTC들이 더 높은 전압과 호환가능한 고장 전류 제한기 회로를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
구체적으로, 도 4에 예시된 SSFCL(200)은 (도 2a에 도시된 바와 같은) CSR(202) 및 직렬로 연결된 복수의 VCR 및 FTC 모듈들(M1...Mn)을 포함한다. 각각의 모듈(M1...Mn)은 (210-1, 210-2 및 210-n으로서 도시된) 고장 트리거 회로(FTC)와 병렬로 (208-1, 208-2 및 208-n으로 도시된) 전압 제어 리액터(VCR)(208)를 포함한다. 예를 들어, SSFCL 모듈 M1은 병렬로 연결된 208-1로서 도 4에 도시된 VCR(208) 및 고장 트리거 회로 FTC 1(210-1)을 포함한다. SSFCL 모듈 M2는 병렬로 연결된 전압 제어 리액터 VCR 2(208-2) 및 고장 트리거 회로 FTC 2(210-2)를 포함한다. SSFCL 모듈 Mn은 병렬로 연결된 전압 제어 리액터 VCRn(208-n) 및 고장 트리거 회로 FTCn(210-n)을 포함한다. 복수의 SSFCL 모듈들(M1...Mn)이 직렬로 연결되며, CSR(202)의 2차 전도성 권선(N2)과 직렬로 연결된다. 도 4의 SSFCL(200)은 또한, 동작 동안 모듈들(M1...Mn)의 개별적인 VCR 또는 FTC가 고장나는 경우 여분(redundancy)을 제공한다.
도 5는, 복수의 고장 트리거 회로들 FTC1(210-1), FTC2(210-2)...FTCn(210-n)과 병렬로 연결되며 상대적으로 큰 값의 인덕턴스를 갖는 VCR(208)을 포함하는 SSFCL(200)을 예시하며, 여기에서 FTC들(210-1...210-n)의 각각은 도 5에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되며 상호연결된다. 이러한 실시예에 있어, FTC의 각각이 모듈(M1...Mn)을 규정한다. 예를 들어, 모듈 M1은 FTC1(210-1)로서 규정된다. 유사하게, 모듈 M2는 FTC2(210-2)로서 규정되며, 모듈 Mn는 FTCn(210-n)으로서 규정된다. (도 5에 예시되지 않은) 다른 실시예에 있어, 복수의 VCR들이 직렬로 연결될 수 있으며, 각각의 VCR이 2개 이상의 FTC들과 병렬로 연결될 수 있다.
도 6은 직렬로 연결된 복수의 SSFCL 모듈들(601-1...601-n)을 포함하는 고장 전류 제한 회로의 SSFCL(200)을 예시한다. 도 6은 디바이스-레벨 모듈성을 예시하며, 그 결과 각각의 모듈(601-1...601-n)은 FTC(610-1...610-n)와 병렬로 CSR(602-1...602-n) 및 VCR(608-1...608-n)을 포함한다. 예를 들어, 모듈(601-1)은 FTC(610-1)와 병렬로 연결된, 권선(N11) 및 권선(N21)을 갖는 CSR(602-1) 및 VCR(608-1)을 포함한다. 유사하게, 모듈(601-2)은 FTC(610-2)와 병렬로 연결된, 권선(N12) 및 권선(N22)을 갖는 CSR(602-2) 및 VCR(608-2)을 포함한다. 모듈(601-n)은 FTC(610-n)와 병렬로 연결된, 권선(N1n) 및 권선(N2n)을 갖는 CSR(602-n) 및 VCR(608-n)을 포함한다. 도 4 및 도 5에 도시된 SSFCL(200)과 비교하면, 도 1의 SSFCL(200)은 SSFCL 모듈들(601-1...601-n)을 갖는 SSFCL(200) 사이에 더 큰 전압 분리 및 독립성을 제공하며, 이는 전체 전압 성능을 증가시킨다. 단락 회로 고장(125)(예를 들어, 도 1에 도시된 125)과 같은 고장 상태가 발생한 경우, SSFCL 모듈들(601-1...601-n)의 FTC들이 개방될 것이며, 고장 전류가, 예를 들어, 50%만큼과 같은 미리 결정된 양으로 또는 정상 상태 전류와 균등한 양으로 감소될 것이다.
도 7은, 전류 분할 리액터와 병렬로 하나 이상의 FTC(210) 컴포넌트들을 상호연결하지 않는 VCR(208) 및 FTC(210)로 처리된 부하 전류 IT를 갖는 SSFCL 회로의 실시예(700)를 예시한다. 실시예(700)는, 예를 들어, 약 250 암페어에 이르는 전류 IT와 함께 사용가능할 수 있다.
도 8은, VCR(208)(도 2a 참조) 또는 CSR(202)(도 2a 참조) 어디에도 상호연결하지 않는 FTC(210)로 처리된 부하 전류 IT를 갖는 SSFCL 회로의 실시예(800)를 예시한다. 도 8에 도시된 구성은, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같은 "스너버" 회로로서도 알려진 TOCC(312, 322, 332, 또는 342)와 조합되어 아크 플래시 보호를 위해 사용될 수 있다. 실시예(800)는, 약 250 암페어에 이르는 전류 IT를 이용하는 애플리케이션들에서 사용될 수 있다.
도 9는, 상-대-접지 고장(phase-to-ground fault)들을 제한하기 위한 트랜스포머의 중성-대-접지(neutral-to-ground)에서 사용되는 전압 제어 리액터를 갖는 FCL 회로의 블록도(900)를 예시한다. 본 개시의 실시예에 따른 이러한 애플리케이션은 아크 플래시 감소에 적합하다. 도 9는, VCR(208) 및 SSFCL(200)으로 구성된 FCL 회로와 조합되어 중성-대-접지("G"(925)로서 라벨링된 접지 및 "N"으로 라벨링된 중성)에서 사용되는 트랜스포머(109)(도 1 참조)를 예시한다. 이러한 구성은, CSR(202)(도 2 참조)과 FTC(예를 들어, FTC(210))를 상호연결하지 않으면서 충분히 낮은 SSFCL(200)로부터의 전류 Iss("Iss"는 고체 상태 전류임)를 갖는, 단락 회로 고장(125)과 같은 상-대-접지 고장 전류를 제한하기 위해 사용된다. 아크 플래시 감소 및 브러쉬 파이어 보호들이 SSFCL(200)을 사용하는 애플리케이션들 중 일부이며, 본원에서 설명된 예시된 실시예들이 임의의 고장 전류 제한을 위해 사용될 수 있다는 것을 주의해야만 한다.
도 10은 아크 플래시 감소를 포함하는 상 대 접지 고장들에 대한 일반적인 FCL 회로로서 사용되는 고장 전류 제한기 시스템(1000)을 예시한다. 구체적으로, 고장 전류 제한기 시스템(1000)은, 일 측 상에서 트랜스포머(109)(도 1 참조)의 중성-대-접지("G"(925)로서 라벨링된 접지 및 "N"으로 라벨링된 중성)에 연결되고, 다른 측 상에서 접지(925)에 연결되는 SSFCL(200) 회로를 포함한다. SSFCL(200)은, SSFCL(200)로 처리되기에 충분히 낮은 고체 상태 전류 Iss를 갖는 브러쉬 파이어 보호를 위한, 단락 회로 고장(125)과 같은 상-대-접지 고장 전류를 억제하기 위한 것이다. 트랜스포머(109)의 중성 대 접지에 구성된 SSFCL(200)은, 접지 고장 전류가, 예를 들어, 브러쉬 파이어 보호 애플리케이션들에서와 같이 매우 낮은 전류들로 억제되어야 할 필요가 있을 때 사용된다.
도 11은 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템의 동작의 방법에 대한 순서도(1100)를 예시한다. 단계 1110에서, 정상 상태 동작 동안, (반대로 감긴 권선들일 수 있는) 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)을 갖는 CSR(202)이 입력 전류를 수신한다. 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206)은 전류 분할 리액터(202)의 코어의 내부에 자기장을 갖는다. 단락 회로 고장 상태 동안, 고장 전류는 단계 1120에서 CSR(202)에 의해 검출된다. 단계 1120에서, CSR(202)은, 고장 전류가 제 1 전도성 권선(204) 및 제 2 전도성 권선(206) 둘 모두에서 흐르는 일반적인 전류(예를 들어, 정상 상태 전류)보다 더 크다는 것을 검출한다. 보다 구체적으로, 단계 1130에서, CSR(202)은 제 2 전도성 권선(206)이 미리 정의된 문턱/트리거 전류를 초과한다는 것을 검출한다. 단계 1140에서, FTC(210)이 개방되며, 단계 1150에서 고장 전류가 VCR(209) 및 과도 전압 제어 회로들(TOCC)로 전달된다. TOCC는 CSR(202)과 또는 VCR(208)과 병렬 연결될 수 있다(도 3a 내지 도 3c에 도시된 실시예들). FTC(210)가 개방될 때, 단계 1160에서, VCR(208) 및 TOCC의 임피던스가 제 2 전도성 권선(206)을 통한 전류를 감소시키기 위해 증가하며, 그에 따라 CSR(202)이 그것의 자기장 소거를 상실하게끔 하고 고 전류 제한 리액턴스를 도입한다. CSR 내의 자기장 소거 및 고 전류 제한 리액턴스의 도입은 고장 상태 동안 부하로 전달되는 전류의 양을 제한한다.
요약하면, 본 실시예들은 기계식 보호 디바이스를 사용하여 고장 보호를 제공하는 전류 보호 시스템을 제공하며, 이는 더 복잡하고 비쌀 수 있는 다른 전자식 보호 회로들을 뛰어 넘는 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 개시의 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템은, 회로 차단기들에 대한 아크 플래시 에너지의 감소, 및 더 낮은 아크 플래시 에너지로 동작하고 처리하는 것에 수반되는 대응하는 안전성 이점을 제공할 수 있다. 이는, 영구적으로 설치된 고장 보호 디바이스로서 또는 이동식 고장 보호 디바이스로서 유용할 수 있다. 예를 들어, 이동식 디바이스로서, 이는 이러한 디바이스의 사용이 잠재적인 전류를 감소시키는 스위치기어(switchgear) 영역들에서 작업하는 직원에 대한 안전 디바이스로서 사용될 수 있다. 또한, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템은 저 전류 및 고 전류 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 아크 에너지를 감소시키는 것은 또한 전기적인 단락 회로 고장들에 기인하는 화재 위험성을 감소시킬 수 있다. 이러한 애플리케이션은 전기적인 화재들에 기인하는 화재 위험성들을 겪는 전기 기구들에 유익하다. 또한, 전류 분할 리액터를 사용하는 것은 고체 상태 스위칭들을 통한 고 전류와 연관된 문제들을 해결하기 위하여 고체 상태 고장 전류 제한기를 사용하는 것을 가능하게 하며, 이는 더 복잡하고 비쌀 수 있는 다른 전자식 보호 회로들을 뛰어 넘는 이점을 제공한다.
따라서, 본원에서 설명된 바와 같은 다양한 실시예들이 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템을 제공한다. 고체-상태 고장 전류 제한기는, 시스템 전류 입력부, 수동 전류 출력부 및 제어 전류 출력부를 포함하는 전류 분할 리액터, 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 전압 제어 리액터로서, 제 1 단부가 제어 전류 출력부에 결합되며 제 2 단부가 수동 전류 출력부에 결합되는, 전압 제어 리액터, 및 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 고장 트리거 회로를 포함한다. 고장 전류 트리거 회로는, 시스템 전류 입력부에 의해 수신되는 고장 전류가 미리 정의된 트리거 전류를 초과할 때 개방되도록 구성된다. 고체-상태 고장 전류 제한기는 또한, 고장 전류를 수신하도록 구성된 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 과도 전압 제어 회로를 포함한다.
전류 분할 리액터는 제 1 회로 및 제 2 회로를 더 포함하며, 제 1 회로 및 제 2 회로는 정상 상태 동작 상태 동안 자기적으로 결합되며, 고장 상태 동안 부하로 전달되는 전류의 양을 제한하기 위하여 자기적으로 분리되고, 고장 전류 및 전류의 제한된 부분이 고장 트리거 회로를 통해 흐르는 것을 가능하게 하도록 구성된다. 제 1 회로는 코어 둘레로 감긴 제 1 전도성 권선을 포함하며, 제 2 회로는 코어 둘레로 감긴 제 2 전도성 권선을 포함하고, 제 2 전도성 권선은 제 1 전도성 권선에 대하여 반대로 감길 수 있다. 제 1 전도성 권선은 전류(즉, 정상 동작 전류)를 제 1 방향으로 전달하도록 구성되고, 제 2 전도성 권선은 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 전류를 전달하도록 구성되어, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템의 정상 상태 동작 동안 제 1 전도성 권선과 연관된 제 1 자기장이 제 2 전도성 권선의 제 2 자기장과 결합된다. 전류 분할 리액터는, 고장 상태 동안 제 1 전도성 권선 및 제 2 전도성 권선 둘 모두를 통해 고장 전류를 전달하도록 구성된다. 전류 분할 리액터는, 고장 트리거 회로 개방에 응답하여 고장 전류를 전압 제어 리액터 및 과도 전압 제어 회로로 전달하도록 구성된다.
전압 제어 리액터 및 과도 전압 제어 회로는 고장 트리거 회로 개방에 응답하여 임피던스를 증가시키도록 구성되며, 전류 분할 리액터는 임피던스의 증가에 응답하여 전류 제한 리액턴스를 제공하도록 구성된다. 과도 전압 제어 회로는, 직렬의 저항 및 커패시턴스(RC) 회로, 및 저항의 병렬 연결을 더 포함한다.
SSFCL(200)의 이상에서 설명된 구성의 관점에서, SSFCL(200) 내의 정상 상태 전류의 상당한 부분을 처리하는 본 CSR(202)을 이용하면, SSFCL(200)이 훨씬 더 적은 정상 상태 전류를 처리하도록 크기가 결정될 수 있다. 재료 및 노동 비용들이 따라서 감소될 수 있다. FCL의 물리적 크기가 또한 감소될 수 있으며, 비현실적이지 않은 경우, 이는 이것이 그렇지 않았다면 어려웠을 위치들에 설치되는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 전자기력들 및 그들의 영향들이 또한 더 적은 능동 SSFCL(200) 컴포넌트들에 기인하여 감소될 수 있다. SSFCL(200) 내에서 소산되는 에너지의 양이 또한 감소될 수 있다.
본원이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 설명된 실시예들에 대한 다수의 수정들, 변경들 및 변화들이 첨부된 청구항들에 정의되는 바와 같은 본원의 범위로부터 벗어나지 않고 가능하다. 따라서, 본 개시의 내용이 설명된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 개시가 다음의 청구항들 및 그 등가물들의 표현에 의해 정의되는 완전한 범위를 갖도록 의도된다.
본 개시의 특정 실시예들이 본원에서 설명되었지만, 본 개시가 이에 한정되도록 의도되지 않으며, 본 개시는 광범위한 것으로 의도되어 명세서가 마찬가지로 판독될 수 있는 것을 허용할 것이다. 따라서, 이상의 설명은 제한적이 아니라 단지 특정 실시예들의 예시들로서 해석되어야만 한다. 당업자들은 본원에 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내의 다른 수정예들을 구상할 것이다.

Claims (15)

  1. 고체-상태 고장 전류 제한기로서:
    제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 전압 제어 리액터로서, 상기 제 1 단부는 제어 전류 출력부에 결합되고 상기 제 2 단부는 수동 전류 출력부에 결합되는, 상기 전압 제어 리액터;
    상기 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 고장 트리거 회로로서, 상기 고장 트리거 회로는 미리 정의된 트리거 전류를 초과하는 고장 전류가 시스템 전류 입력부에 의해 수신될 때 개방되도록 구성되는, 상기 고장 트리거 회로; 및
    상기 고장 전류를 수신하도록 구성되며, 상기 전압 제어 리액터와 병렬로 결합되는 과도 전압 제어 회로를 포함하며,
    상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고장 트리거 회로와 병렬로 결합되고, 상기 고장 트리거 회로가 개방될 때 상기 고장 트리거 회로에 걸친 전압 스파이크들을 억제하도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체-상태 고장 전류 제한기는, 시스템 전류 입력부, 수동 전류 출력부 및 제어 전류 출력부를 포함하는 전류 분할 리액터(reactor)를 더 포함하며,
    상기 전류 분할 리액터는 제 1 회로 및 제 2 회로를 더 포함하고, 상기 제 1 회로 및 상기 제 2 회로는 정상 상태 동작 상태 동안 자기적으로 결합되며, 고장 상태 동안 부하로 전달되는 전류의 양을 제한하기 위하여 자기적으로 분리되고, 고장 전류 및 정상 상태 전류의 일 부분이 상기 고장 트리거 회로를 통해 흐르는 것을 가능하게 하도록 구성되며,
    상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고장 트리거 회로가 개방될 때 상기 고장 트리거 회로에 걸친 과도한 과도 전압 피크의 전개를 방지하도록 더 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 회로는 코어 둘레로 감긴 제 1 전도성 권선을 포함하며, 상기 제 2 회로는 상기 코어 둘레로 감긴 제 2 전도성 권선을 포함하고, 상기 제 2 전도성 권선은 상기 제 1 전도성 권선에 대하여 반대로 감기는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 전도성 권선은 전류를 제 1 방향으로 전달하도록 구성되고, 상기 제 2 전도성 권선은 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 전류를 전달하도록 구성되어, 상기 정상 상태 동작 상태 동안 상기 제 1 전도성 권선과 연관된 제 1 자기장이 상기 제 2 전도성 권선의 제 2 자기장과 결합되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 분할 리액터는, 고장 상태 동안 상기 제 1 전도성 권선 및 상기 제 2 전도성 권선 둘 모두를 통해 상기 고장 전류를 전달하도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류 분할 리액터는, 상기 고장 트리거 회로 개방에 응답하여 상기 고장 전류를 상기 전압 제어 리액터 및 상기 과도 전압 제어 회로로 전달하도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전압 제어 리액터 및 상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고장 트리거 회로 개방에 응답하여 임피던스를 증가시키도록 구성되며, 상기 전류 분할 리액터는 상기 임피던스의 증가에 응답하여 전류 제한 리액턴스(reactance)를 제공하도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 과도 전압 제어 회로는, 직렬의 저항 및 커패시턴스(RC) 회로, 및 저항의 병렬 연결을 더 포함하는, 고체-상태 고장 전류 제한기.
  9. 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템으로서:
    상기 전류 분할 디바이스에 결합된 전압 제어 리액터;
    상기 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 과도 전압 제어 회로; 및
    상기 전압 제어 리액터와 병렬로 결합된 고체-상태 고장 트리거 회로로서, 상기 고체-상태 고장 트리거 회로는 상기 제 2 전도성 권선을 통해 이동하는 상기 고장 전류가 미리 정의된 문턱 전류보다 더 클 때 개방되도록 구성되며, 상기 전압 제어 리액터 및 상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고체-상태 고장 트리거 회로가 개방될 때 상기 제 2 전도성 권선으로부터 상기 고장 전류를 수신하도록 구성되는, 상기 고체-상태 고장 트리거 회로를 포함하며,
    상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고체-상태 고장 트리거 회로와 병렬로 결합되고, 상기 고체-상태 고장 트리거 회로가 개방될 때 상기 고체-상태 고장 트리거 회로에 걸친 전압 스파이크들을 억제하도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템은, 코어 둘레로 감긴 제 1 및 제 2 전도성 권선들을 포함하는 전류 분할 디바이스로서, 상기 제 1 전도성 권선은 고장 상태 동안 상기 제 1 전도성 권선 및 상기 제 2 전도성 권선 둘 모두를 통해 고장 전류를 전달하는, 상기 전류 분할 디바이스를 더 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 전도성 권선들은 정상 상태 동작 상태 동안 자기적으로 결합되며, 상기 고장 전류 및 정상 상태 전류의 일 부분이 상기 고장 트리거 회로를 통해 흐르는 것을 가능하게 하도록 구성되며,
    상기 과도 전압 제어 회로는 상기 고체-상태 고장 트리거 회로가 개방될 때 상기 고체-상태 고장 트리거 회로에 걸친 과도한 과도 전압 피크의 전개를 방지하도록 더 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 전도성 권선은 전류를 제 1 방향으로 전달하도록 구성되고, 상기 제 2 전도성 권선은 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 전류를 전달하도록 구성되어, 상기 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템의 정상 상태 동작 동안 상기 제 1 전도성 권선과 연관된 제 1 자기장이 상기 제 2 전도성 권선의 제 2 자기장과 결합되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 고체-상태 고장 트리거 회로는, 상기 고장 전류가 상기 미리 정의된 문턱 전류를 초과한다는 신호를 수신하는 것에 응답하여 개방되도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 고체-상태 고장 트리거 회로가 개방되는 것에 응답하여, 상기 전압 제어 리액터 및 상기 과도 전압 제어 회로가 임피던스를 증가시키도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류 분할 디바이스의 상기 제 1 및 제 2 전도성 권선들은 상기 고장 상태 동안 부하로 전달되는 전류의 양을 제한하기 위하여 자기적으로 분리되도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전류 분할 디바이스의 상기 제 1 및 제 2 전도성 권선들은 상기 고장 상태 동안 상기 부하로 전달되는 상기 전류의 양을 제한하기 위하여 상기 전류 분할 디바이스의 등가 임피던스를 증가시키도록 구성되는, 고체-상태 고장 전류 제한기 시스템.
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