KR20030062598A - 자기유도를 이용한 dc-리액터타입 고온초전도 전류제한장치 - Google Patents

자기유도를 이용한 dc-리액터타입 고온초전도 전류제한장치 Download PDF

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KR20030062598A
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임성훈
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한병성
이성룡
임성훈
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Abstract

본 발명은 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치에 관한 것이다. 리액터로서 이용할 고온초전도 코일이 차지하는 전체시스템의 부피증가와 제작에 따른 어려움이 있었던 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 문제점을, 본 발명에서는 링 또는 튜브형태로 제작된 고온초전도체로 구성되는 유도형 모델을 적용함으로서 해결할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구성요소인 고온초전도 코일을, 링 또는 튜브형태로 제작된 고온초전도체로 구성된 자기 유도형 모델로 대체한 구조, 이때 설계파라미터에 따라 한류임피던스의 크기조절이 가능한 구조, 철심코어의 포화를 방지하기 위해 공극을 도입한 구조, 한 개의 고온초전도링이나 튜브로 구성된 자기유도형 모델을 이용하여, 3상 계통에 적용할 수 있는 유용성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기존의치를 발생시키지 않는 무

Description

자기유도를 이용한 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한장치{High-Tc Superconducting Fault Current Limiter of DC-Reactor Type By the Magnetic Induction}
본 발명은 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치에 관한 것이다.
고온초전도 코일을 이용하는 기존의 DC 리액터 타입 사고전류제한기(FCL, Fault Current Limiter)는 초전도체의 상전이를 발생시키지 않는 무치형(Non_Quench Type)으로 초전도 코일의 인덕턴스를 이용하여 사고전류를 제한할 수 있어 반복동작에 따른 초전도체의 성능저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라 사고제거에 따른 초전도상태로의 복귀특성이 필요치 않은 장점으로 고온초전도 선재를 이용한 응용분야에 큰 관심의 대상이 되고 있다. 또한 DC리액터 타입의 전류제한기는 삼상에 적용시 단 하나의 리액터를 필요로 하기 때문에 단상에 적용할 경우보다 손실을 포함한 설치비용과 공간면에서 유리하기 때문에 기존의 고온초전도체의치를 이용한 유도형이나 저항형의 전류제한기보다 실제계통적용을 위한 연구가 빠르게 진행되었다. 그러나치를 발생시키지 않는 무치형의 DC 리액터 타입 전류제한기는 대전류수용을 위한 큰 값의 인덕턴스를 갖는 고온초전도 선재제작이 선행되어야 하는데, 이를 위해서는 고전압 및 대전류에 대한 대책과 이에 따른 높은 경비상승 등이 해결해야 할 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도전류제한 장치의 문제점 해결을 위한 고온초전도 코일을 대체할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명은 기존의 DC 리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일을 고온초전도 링 또는 튜브로 구성된 자기유도형 모델로 대치함으로서, 큰 인덕턴스를 갖는 선재제작 공정이 불필요하게 될 뿐만 아니라 자기유도형 모델의 설계에 따라 한류임피던스성분이 저항성분이나 리액턴스성분 또는 두가지성분의 조합에 의해 전류제한이 이루어질 수 있는 특징을 갖는 자기유도를 이용한 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한 장치를 제시하고자 한다.
또한 본 발명에서 제안한 장치는, 한 개의 고온초전도 링이나 튜브로 구성된 자기유도형 모델을 이용하여, 3상 계통에 적용할 수 있는 특징과 발전단 개방사고로 인해 전력공급이 중단되었을 경우, 연속적인 전력공급기능과 부하단 단락 사고시, 사고전류 제한기능을 수행하는 특징을 포함한다.
[도 1]은 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조.
[도 2]는 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 사고발생과 사고제거에 따른 부하전압(Vload), 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil).
[도 3]은 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 부하변동( 20[Ω]→ 10[Ω] → 20[Ω] )에 따른 부하전압(Vload), 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil).
[도 4]는 기존의 자기유도형 고온초전도 전류제한기 구조.
[도 5]는 자기유도형 고온초전도 전류제한기의 사고시 등가회로.
[도 6]은 자기유도형 고온초전도 전류제한기의 1차권선 턴수비와 철심코어 반지름에 따른 저항가지와 인덕턴스 가지의 임피던스변화를 보여주는 곡선. (a)는 저항가지의 임피던스변화를, (b)는 인덕턴스 가지의 임피던스변화를 보여주는 곡선.
[도 7]은 자기유도형 고온초전도 전류제한기의 설계파라미터에 따른 사고시 동작방식. (a)는 저항성분으로 전류제한이 이루어지는 경우, (b)는 리액터 성분으로 전류제한이 이루어지는 경우의 동작파형.
[도 8]은 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터타입 고온초전도전류제한장치의 구조.
[도 9]은 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터타입 고온초전도전류제한장치의 사고발생과 사고제거에 따른 브리지 양단전압(Vb)과 전원전류(IIn)및 브리지 출력전류(Ib).
[도 10]은 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터타입 고온초전도전류제한장치의 부하변동( 20[Ω] → 10[Ω] → 20[Ω] )에 따른 브리지 양단전압(Vb)과 전원전류(IIn) 및 브리지 출력전류(Ib).
[도 11]은 삼상 계통에 적용하기 위한 예로서, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치구조.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 >
T1, T2 : 위상제어 브리지회로를 구성하는 사이리스터
D1, D2 : 위상제어 브리지회로를 구성하는 다이오드
Vs: 전원전압
IIn: 전원전류(=선로전류)
I1 : (=IIn)
ICoil: 고온초전도 코일에 도통되는 전류
LCoil: 고온초전도 코일의 인덕턴스값
Vload: 부하전압
I1 : 자기유도형 전류제한기의 1차측 전류
SW1 : 사고발생을 위한 스위치
rp: 동선저항을 포함한 선로저항
Ls: 자기유도형 전류제한기의 누설인덕턴스
Lm: 자기유도형 전류제한기의 자화인덕턴스
Rn: 고온초전도 튜브의 상전이시 저항
m : 자기유도형 전류제한기의 턴수비
ZFCL: 사고시 자기유도형 전류제한기의 등가 한류임피던스
Rco: 철심코어의 반지름
X : 리액턴스값
Vsc: 자기유도형 전류제한기의 양단전압
Vb: 위상제어 브리지의 출력전압
Ib: 위상제어 브리지의 출력전류
본 발명에 의한 자기유도를 이용한 고온초전도 전류제한장치의 구성은 다음과 같다. 즉 교류전원과 부하사이에 연결되는 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성되는 위상제어 브리지와,
상기 위상제어 브리지 출력단에 연결될 권선이 결선되는 철심코어와,
상기 철심코어의 포화를 방지하기 위해 가운데 레그(leg)에 추가되는 공극(Air Gap)과,
상기 위상제어 브리지 출력단에 연결되며 철심코어에 결선된 1차 권선과,
상기 1차 권선과 분리되며 상기 철심코어에 공유되어 결합되는 고온초전도 링 또는 고온초전도 튜브를 포함한 구조를 갖는다.
첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.
[도 1]은 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기가 갖는 문제점인 DC 바이어스전원을 제거하기 위해 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성된 하이브리드 브리지형태를 갖는 변형된 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한기 구조로서, 평상시에 선로전류의 양의 반주기동안은 T1과 D1을 통해 흐르게 되고 음의 반주기동안은 T2와 D2를 통해 도통하게 된다. 사고가 발생할 경우 고온초전도 코일(HTSC Coil, High Temperature Superconducting Coil)로 구성된 인덕터에 의해 전류제한이 이루어지게 되며 사고가 지속되어 설정된 전류이상을 넘게 될 경우, 사이 리스터의 게이트 트리거신호를 제거함으로서 사고로부터 전력공급을 중단시킬 수 있는 특징이 있다.
[도 2]는 기존의 변형된 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한기의 동작특성을 조사하기 위해 0.533[s]시간에 사고가 발생한 후 8주기후인 0.666[s]시간에 사고가 제거된 경우의 부하전압(Vload), 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil)파형으로서 사고기간동안에 전원전류는 코일에 도통되는 전류로 인해 급격히 증가되지 않고 서서히 증가되는 것을 볼 수 있다. 사고가 제거된 후에는 고온초전도 코일에 도통되는 전류가 사고가 제거되기 전의 전류를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있는데 이는 [도 1]에는 나타내지 않았지만 고온초전도 코일에 직렬저항을 삽입함으로서 사고전의 크기로 감소시킬 수 있다.
[도 3]은 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 부하변동(20[Ω] → 10[Ω] → 20[Ω] )에 따른 부하전압(Vload), 전원전류(IIn) 및코일전류(Icoil)파형으로서, 부하가 증가된 경우 코일전류증가로 인해 선로전류도 증가함을 볼 수 있다. 마찬가지로 부하가 감소된 경우, 선로전류도 감소되며 이때 코일전류는 [도 2]에서 언급한 사고 제거시와 마찬가지 방법으로 직렬저항을 삽입함으로서 부하가 증가되기 전의 크기로 감소시킬 수 있다.
[도 4]는 기존의 고온초전도 링 또는 튜브를 이용한 자기유도형 전류제한기구조로서, EI변압기용 철심코어에 누설인덕턴스 크기를 감소시키기 위해 동선코일과 튜브형태의 고온초전도체를 가운데 레그(leg)에 공심으로 설치한 구조를 갖는다.
[도 5]는 자기유도형 고온초전도 전류제한기의 사고시 등가회로로서, Vs은 전원전압, rp은 동선저항을 포함한 선로저항, Ls은 자기유도형 전류제한기의 누설인덕턴스, Lm은 자기유도형 전류제한기의 자화인덕턴스를 나타내며, Rn은 고온초전도 링 또는 튜브의 상전도상태의 저항, m 은 차폐유도형 전류제한기의 턴수비를 나타낸다. 상기 누설인덕턴스(Ls)와 자화인덕턴스(Lm)는 고온초전도 튜브의 높이와 반지름, 철심코어의 단면적과 반지름의 함수로 유도되며, 이들 파라미터를 가지고 설계함으로서 사고시 제한하고자 하는 사고전류의 크기를 조절할 수 있고 사고전류를 제안하는 방식을 설정할 수 있다.
[도 6]은 상기 [도 5]에서 언급한 설계파라미터에 따른 저항가지와 인덕턴스가지의 임피던스변화를 보여주는 곡선으로, (a)는 저항가지의 임피던스변화를 보여주는 곡선이며 철심코어 반지름에는 무관하며 턴수비의 제곱에 비례하여 증가함을 볼 수 있다. (b)는 인덕턴스가지의 임피던스변화를 보여주는 곡선이며 철심코어 반지름과 턴수비가 증가함에 따라 지수적으로 증가함을 볼 수 있다.
[도 7]은 자기유도형 고온초전도 전류제한기의 설계파라미터 중 턴수비(m)가 12일때 철심코어 반지름(rco)에 따라 사고시 전류제한하는 방식이 저항형과 유도형으로 동작되는 것을 보여주는 전류제한기의 양단전압과 선로전류 파형으로, (a)는 rco= 9[mm]일 경우, (b)는 rco= 5 [mm]일 경우 전류제한이 이루어지는 예를 보여준다. 사고전에는 누설인덕턴스로 인해 제한기 양단에 전압강하가 발생되며, 이는 철심코어의 동일 레그에 고온초전도 튜브를 삽입한 다음 주위에 1차권선을 결선하고 가능한 철심코어와 고온초전도 튜브사이의 공극(Air Gap)이 최소화되도록 코어를 설계함으로서 감소시킬 수 있다.
[도 8]은 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구조로서, 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구성요소인 고온초전도 코일을, 링 또는 튜브형태로 제작된 고온초전도체로 구성되는 자기유도형 모델로 대체한 구조를 갖는다. 또한 공극을 도입함으로서, 사고시 철심 코어의 포화를 방지할 수 있다.
[도 9]는 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 사고발생과 사고제거에 따른 위상제어 브리지 양단전압(Vb)과 전원전류(IIn) 및 브리지 출력전류(Ib)파형으로, 기존의 고온초전도 코일을 이용한 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한장치의 동작([도 2] 참조)과 동일하게 선로전류가 급격히 증가하지 않고 브리지 출력전류(Ib)에 의해 제한되는 것을 확인할 수 있다.
[도 10]은 본 발명에서 제안한 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 부하변동( 20[Ω] → 10[Ω] → 20[Ω] )에 따른 위상제어 브리지 양단전압(Vb)과 전원전류(IIn) 및 브리지 출력전류(Ib)파형으로, 기존의 고온초전도 코일을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 동작([도 3] 참조)과 유사하게 동작됨을 확인할 수 있다.
[도 11]은 단상에 적용하였던 본 발명에서 제안한 장치를, 단지 한 개의 고온초전도 링 또는 튜브로 구성되는 자기유도형 모델을 가지고 삼상 계통에 적용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구조로서, 기존의 고온초전도 코일(HTSC Coil)을 이용한 DC-리액터 타입의 전류제한기와 마찬가지로 3상 계통에 확장하여 적용할 수 있음을 보여준다.
본 발명에 의하면, 기존의치를 발생시키지 않는 무치형의 DC-리액터 타입 전류제한기가 갖는 대전류 수용을 위한 고온초전도 선재제작과 고전압 및 대전 류에 대한 대책 및 이에 따른 높은 경비상승 등의 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 기존의 고온초전도 링이나 튜브를 이용한 차폐유도형 모델을 적용함으로서 해결할 수 있으며, 지금까지 고온초전도 코일로 제한되었던 DC-리액터타입의 구성요소를 링이나 튜브형태로 제작한 벌크형태의 고온초전도체로 대체할 수 있음으로서,제조와 공정방법이 다른 다양한 형태의 고온초전도체를 이용하여 DC-리액터타입의 전류제한장치로 동작할 수 있게 됨에 따라 적용대상의 확대라는 효과를 얻을 수 있다. 또한 자기유도형 모델의 설계파라미터에 따라 저항성분이나 리액턴스성분, 또는 저항성분과 리액턴스성분의 하이브리드성분에 의해 전류제한이 이루어질 수 있도록 설계할 수 있는 특징을 갖는 DC-리액터타입 전류제한장치로서 동작시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성되는 위상제어 정류기;
    상기 위상제어 정류기 출력단에 연결되는 1차 권선 및 1차 권선이 결선되는 철심코어;
    상기 철심코어의 포화를 방지하기 위해 가운데 레그(leg)에 추가되는 공극(Air Gap);
    상기 1차 권선과 분리되며 상기 철심코어에 공유되어 결합되는 고온초전도 링 또는 고온초전도 튜브로 구성되는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 철심코어에 공극(Air Gap)을 도입함으로서 평상시엔 누설인덕턴스 성분이 DC-리액터 타입의 구성요소인 리액터 역할을 하게 되고, 사고시엔 누설인덕턴스 성분과 자화인덕턴스 성분이 결합되어 기존의 DC-리액터 타입를 구성하고 있는 고온초전도선재로 제작된 리액터를 대신함으로서, 철심코어의 포화를 방지할 수 있을 뿐 아니라 기존의 DC-리액터 타입의 고온초전도 전류제한기와 동일한 동작을 수행할 수 있는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 1차 권선의 턴수비, 고온초전도 링 또는 튜브의 크기 그리고 철심코어의 단면적을 포함한 크기와 같은 설계파라미터에 따라 저항성분과 인덕터성분으로 구성되는 한류임피던스의 크기를 설계함으로서 사고시 제한하고자 하는 사고전류의 크기와 위상을 설정할 수 있는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입고온초전도 전류제한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 사고가 지속되어 설정된 선로전류 크기를 사고전류가 넘게 될 경우, 상기 위상제어 정류회로를 구성하고 있는 사이리스터의 게이트 트리거신호를 제거함으로서 부하로 전력공급을 중단시키는 차단기의 동작을 동시에 수행할 수 있는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  5. 고온초전도 링 또는 튜브를 이용한 한 개의 자기 유도모델과 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터 및 한 개의 삼상 변압기를 이용하여 3상계통에 확장하여 적용할 수 있는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 부하단 단락사고시, 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터를 전주기에 걸쳐 도통시킴으로서 사고전류 제한기능을 수행할 수 있을 뿐 아니라, 발전단 개방사고로 인해 전력공급이 중단되었을 경우, 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터를 인버터로 동작시킴으로서, 몇 주기에 걸쳐 연속적인 전력공급 기능이 가능한 기존의 고온초전도 선재를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기와 차별화된 기능을 갖는, 자기유도를 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
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