KR20030067770A - 자속구속 모델을 적용한 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한장치 - Google Patents

자속구속 모델을 적용한 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치에 관한 것이다. 본 발명을 이용하여 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치에서 문제점으로 지적되고 있는 리액터로서 동작할 고온초전도 선재제작의 어려움을, 제작이 간편한 고온초전도 시편을 이용한 자속구속 모델을 이용함으로서 해결할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구성요소인 고온초전도 코일을 제작이 간편한 고온초전도 시편으로 구성된 자속구속 모델로 대체한 구조, 이때 사고와 동시에 자속구속 모델의 3차 권선에 흐르게 되는 전류의 크기를 제어함으로서 기존의 DC-리액터 타입에서는 구현할 수 없었던 한류임피던스크기, 즉 인덕턴스의 크기를 제어할 수 있는 장점, 한 개의 고온초전도 시편으로 구성된 자속구속 모델을 가지고 3상 계통 사고에 적용할 수 있는 유용성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기존의치를 발생시키지 않는 무

Description

자속구속 모델을 적용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치{High-Tc Superconducting Fault Current Limiter of DC-Reactor Type By the Flux-Lock Model}
본 발명은 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터타입 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 초전도코일의 인덕턴스를 이용하여 사고전류를 제한할 수 있어 반복동작에 따른 초전도체의 성능저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라 사고제거에 따른 초전도상태로의 복귀특성이 필요치 않은 장점으로 고온초전도선재를 이용한 응용분야에 큰 관심의 대상이 되고 있다. 그러나치를 발생시키지 않는 무치형의 DC 리액터 타입 전류제한기는 대전류 수용을 위한 큰 값의 인덕턴스를 갖는 고온초전도 선재제작이 선행되어야 하는데 이를 위해서는 고전압 및 대전류에 대한 대책과 이에 따른 높은 경비상승 문제 등이 해결해야 할 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치의 문제점해결을 위해서 구성요소인 고온초전도체의 제작이 간편하고 고온초전도 코일을 대체할 수 있는 방안이 모색되고 있다.
1, 2차권선과 동일코어에 결선된 3차권선에 연결된 자계인가 코일에, 사고와 동시에 시편으로 임계자계보다 큰 자계를 인가함으로서 상전도시의 저항값을 증가시킴으로서 사고전류를 제한할 수 있는 자속 구속 모델은 기존의 고온초전도소자단독으로 동작되는 저항형에 비해 한류용량을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 고온초전도 소자가 갖는 재료적인 취약으로 인해 실제의 계통에 적용하는데 장애가 되었던 문제점을 해결할 수 있는 구조를 갖는다. 또한 사고와 동시에 자계인가 코일에 도통되는 전류크기를 제어함으로서 고온초전도 시편에 인가되는 자계의 크기를 조절할 경우, 사고시 한류임피던스 크기를 제어함으로서 사고전류 크기를 조절할 수 있는 특징을 갖는다.
따라서 기존의 DC 리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일을 자속구속 모델로 대치할 경우, 큰 인덕턴스를 갖는 선재제작에 따른 어려움을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 자속구속 모델에 설치된 자계인가 코일에 흐르는 전류크기를 제어함에 따라 한류임피던스 조절이 가능한 DC 리액터 타입 고온초전도 전류제한기를 본 발명에서 제시하고자 한다.
[도 1]은 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조.
[도 2]는 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 사고발생과 사고제거에 따른 부하전압(Vload) 및 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil).
[도 3]은 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 부하변동(20[Ω] →10[Ω] → 20[Ω] )에 따른 부하전압(Vload) 및 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil).
[도 4]는 본 발명에서 제안한 기존의 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한기(도 1 참조)를 구성하고 있는 고온초전도 코일(HTSC Coil, High Temperature Superconducting Coil)을 자속구속 모델로 대체한, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조.
[도 5]는 본 발명에서 제안한 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온 초전도 전류제한기의 사고발생과 사고제거에 따른 전원전류(IIn), 브리지출력단 전류(Ib), 1차 권선과 2차, 3차 권선에 도통되는 전류(I1, I2, I3)파형.
[도 6]은 삼상 계통에 적용하기 위한, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조.
＜도면의 주요부분에 대한 간단한 설명＞
T1, T2 : 위상제어브리지회로를 구성하는 사이리스터
D1, D2 : 위상제어브리지회로를 구성하는 다이오드
Vs: 전원전압
IIn: 전원전류(=선로전류)
ICoil: 고온초전도코일에 도통되는 전류
LCoil: 고온초전도코일의 인덕턴스값
Vload: 부하전압
V1 : 자속구속 모델의 1차측 전압
V2 : 자속구속 모델의 2차측 전압
V3 : 자속구속 모델의 3차측 전압
Vsc: 고온초전도 시편의 양단전압
11 : 자속구속 모델의 1차 권선에 흐르는 전류
I2 : 자속구속 모델의 2차 권선에 흐르는 전류
I3 : 자속구속 모델의 3차 권선에 흐르는 전류
Ib: I1+ I2
Cr: 위상제어용 커패시터
R3 : 자계인가 코일저항
G1∼G6 : GTO 사이리스터
본 발명에 의한 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치의 구성은 다음과 같다. 즉 교류전원과 부하에 연결되는 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성되는 위상제어브리지와,
상기 위상제어브리지 출력단에 연결되며 철심코어와 이에 결선된 1차 권선과,
상기 철심코어에 공유되어 권선되며 1차 권선과 병렬로 가극성 또는 감극성으로 연결되는 2차 권선과,
상기 2차 권선과 직렬로 연결되는 고온초전도 시편과,
상기 1차 및 2차 권선이 권선된 동일코어에 설치되는 별도의 3차 권선과,
상기 3차 권선과 직렬연결되는 위상제어용 커패시터와,
상기 3차 권선에 삽입되며, 사고시 3차 권선에 도통되는 전류크기를 조절하기 위해 3차 권선에 삽입되는 직렬저항과,
이때, 사고시 2차 권선에 연결된 고온초전도 소자에 자계를 인가하기 위해, 상기 고온초전도 시편을 내부에 통과되도록 공심형으로 결선되며 상기 3차 권선에 직렬 연결되는 자계인가 코일과,
상기 자계인가 코일를 포함한 고온초전도 소자를 냉각시키기 위한 냉각장치와,
그 밖에, 사고발생동안 3권선에 도통되는 전류의 크기를 조절하기 위해, 3권선에 추가할 수 있는 사이리스터로 구성된 위상제어 정류회로, 또는 다이오드를 포함한 전력용 스위치로 구성된 컨버터를 포함하여 구성될 수 있는 구조를 갖는다.
첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.
[도 1]은 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기가 갖는 문제점인 DC바이어스 전원을 제거하기 위해 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성된 하이브리드 브리지형태를 갖는 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조로서, 평상시에 선로전류의 양의 반주기동안은 T1과 D1을 통해 흐르게 되고 음의 반주기동안은 T2와 D2를 통해 도통하게 된다. 사고가 발생할 경우 고온초전도 코일로 구성된 인덕터에 의해 전류제한이 이루어지게 되며 사고가 지속되어 설정된 전류이상을 넘게 될 경우 사이리스터의 게이트 트리거신호를 제거함으로서 사고로부터 전력공급을 중단시킬 수 있는 특징이 있다.
[도 2]는 기존의 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 동작특성을 조사하기 위해 0.533[s]시간에 사고가 발생한 후 8주기후인 0.666[s]시간에 사고가 제거된 경우의 부하전압(Vload) 및 전원전류(IIn) 및 코일전류(Icoil)파형으로서 사고기간동안에 전원전류는 코일에 도통되는 전류로 인해 급격히 증가되지 않고 서서히 증가되는 것을 볼 수 있다. 사고가 제거된 경우엔 고온초전도 코일에 도통되는 전류는 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) 및 코일전류(Icoil)파형으로서 부하가 증가된 경우 코일전류도 증가되어 선로전류도 증가함을 볼수 있다. 마찬가지로 부하가 감소된 경우, 선로전류는 감소되며 이때 코일전류는 [도 2]에서 언급한 사고 제거시와 마찬가지로 직렬저항을 삽입할 경우, 부하가 증가되기 전의 크기로 감소시킬 수 있다.
[도 4]는 본 발명에서 제안한 기존의 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한기(도 1 참조)를 구성하고 있는 고온초전도 코일(HTSC Coil, High Temperature Superconducting Coil)을 자속구속 모델로 대체한, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한기 구조로서 사고시 자속구속 모델의 한류임피던스로 인해 사고전류를 제한하게 되며 기존의 DC-리액터 타입 전류제한기를 구성하는 고온초전도 코일제작에 따른 비용상승 등의 문제점을, 실제계통에서 필요로 하는 것보다 작은치력을 가지고 제작이 용이한 고온초전도 소자를 이용함으로서 해결할 수 있는 특징이 있다.
[도 5]은 본 발명에서 제안한 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온 초전도 전류제한기의 사고발생과 사고제거에 따른 전원전류(IIn), 브리지 출력단 전류(Ib), 코일1과 코일2, 3에 도통되는 전류(I1, I2, I3)파형을 보여준다. 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기와 동일하게 사고전류가 제한되는 효과와 자속구속형 전류제한기의 특징인 사고와 동시에 3권선에 전류가 도통되는 것을 관찰할 수 있다. 또한 본 발명에서 제안한 사이리스터의 도통각을 제어할 수 있는 위상제어 정류회로나 스위치의 듀티비을 제어할 수 있는 컨버터회로를 3권선에 설치할 경우 사고시 한류임피던스를 조절할 수 있는 장점이 있다.
[도 6]은 삼상 계통에 적용하기 위한 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기 구조로서, 기존의 고온초전도 코일을 이용한 DC-리액터타입의 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 대전류에 대한 대책 및 이에 따른 높은 경비상승 등의 문제점을, 제작이 용이하고 임계전류가 실제 적용하고자 하는 계통의 한류용량보다 작은 고온초전도 시편을 이용할수 있는 장점을 가진 자속구속 모델을 적용함으로서 해결할 수 있음을 제안한다. 또한 사이리스터의 도통각을 제어할 수 있는 위상제어 정류회로나 스위치의 듀티비를 제어할 수 있는 컨버터를 동일코어에 결선된 3권선에 적용함으로서, 사고시 한 류임피던스 조절이 가능한 자속구속 모델과 DC-리액터 타입의 장점을 이용한 고온초전도 전류제한 장치로 동작할 수 있다.

Claims (7)

  1. 사이리스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)로 구성되는 위상제어브리지;
    상기 위상제어브리지 출력단에 연결되며 철심코어와 이에 결선된 1차 권선;
    상기 철심코어에 공유되어 결선되며 1차 권선과 병렬로 가극성 또는 감극성으로 연결되는 2차 권선;
    상기 2차 권선과 직렬로 연결되는 고온초전도 소자;
    상기 1차 및 2차 권선이 권선된 상기코어에 설치되는 별도의 3차 권선;
    상기 3차 권선과 직렬연결되는 위상제어용 커패시터;
    상기 3차 권선에 삽입되며, 사고시 3차 권선에 도통되는 전류크기를 조절하기 위해 3차 권선에 삽입되는 직렬저항;
    상기 고온초전도 소자를 내부에 통과되도록 공심형으로 결선되며 상기 3차권선에 직렬 연결되는 자계인가 코일;
    상기 자계인가 코일를 포함한 상기 고온초전도 소자를 냉각시키기 위한 냉각장치로 구성된, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 사고발생동안 3권선에 도통되는 전류의 크기를 조절하여 고온초전도 소자에 인가되는 자계크기를 조절하기 위해, 3권선에 사이리스터로 구성된 위상제어 정류회로, 또는 전력용 스위치로 구성된 컨버터회로를 추가함으로서 도통각 또는 듀티비를 조정하여 사고시 사고전류를 조절할 수 있는, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 평상시엔 누설인덕턴스 성분이 DC-리액터 타입의 구성요소인 리액터 역할을 하게 되고, 사고시 자속구속 모델의 한류임피던스로 인해 사고전류를 제한하게 되며 기존의 DC-리액터 타입 전류제한기를 구성하는 고온초전도 코일제작에 따른 비용상승 등의 문제점을 해결할 수 있을 뿐 아니라, 실제계통에서 필요로 하는 것보다 작은치력을 가지고 제작이 용이한 고온초전도 소자를 이용함으로서 기존의 DC-리액터 타입의 고온초전도 전류제한기와 동일한 동작을 수행할 수 있는, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 1차, 2차, 3차 권선의 턴수비, 각 권선간의 결합계수 그리고 고온초전도 소자의 임계전류 및 상전도저항과 같은 설계파라미터에 따라 저항성분과 인덕터성분으로 구성되는 한류임피던스의 크기를 설계함으로서 사고시 제한하고자 하는 사고전류의 크기와 위상을 설정할 수 있는, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 사고가 지속되어 사고전류가 설정된 선로전류 크기를 넘게 될 경우, 상기 위상제어 정류회로를 구성하고 있는 사이리스터의 게이트 트리거신호를 제거함으로서 부하로 전력공급을 중단시키는 차단기의 동작을 동시에 수행할 수 있는, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
  6. 기존의 벌크형태로 제작한 라드(Rod) 타입뿐 아니라 박막형태로 제작된 고온초전도 소자로 구성된 한 개의 자속구속 모델과 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터 및 한 개의 삼상 변압기를 이용하여 3상계통에 확장하여 적용할 수 있는, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 부하단 단락사고시, 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터를 전주기에 걸쳐 도통시킴으로서 사고전류 제한기능을 수행할수 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, 자속구속 모델을 이용한 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한장치.
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