KR20130011817A

KR20130011817A - 한류기

Info

Publication number: KR20130011817A
Application number: KR1020110073236A
Authority: KR
Inventors: 심정욱; 최원준; 이경호; 방승현; 김민지; 박해용
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-01-30
Also published as: US20130021705A1; JP2013027308A; EP2549611A3; US8760834B2; JP5592443B2; CN102891468A; CN102891468B; KR101233048B1; EP2549611A2

Abstract

한류기가 개시된다. 본 발명의 한류기는, 고장전류가 유입되었음을 결정하고, 고속 스위치에 개방신호를, 전력용 반도체에 턴오프신호를 전송하기 위한 고속 고장 검출부와, 상기 고속 고장 검출부로부터의 턴오프신호에 의해 오프상태로 전환하는 상기 전력용 반도체와, 상기 전력용 반도체에 직렬로 연결되며, 상기 고속 고장 검출부로부터의 개방신호에 의해 접점을 개방하여, 상기 전력용 반도체를 고장전류로부터 보호하는 상기 고속 스위치와, 상기 전력용 반도체와 상기 고속 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되며, 사고전류를 차단하는 전류제한 저항부를 포함한다.

Description

한류기{FAULT CURRENT LIMITER}

본 발명은 한류기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력기기 시스템 등에서 사용하는 한류기에 관한 것이다.

일반적으로, 한류기(fault current limiter)란, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시 발생하는 고장전류(fault current)를 정상전류로 변환하여 전력 계통상의 기기를 보호하는 장치를 말하며, 최근 초전도체를 이용한 한류기가 널리 사용되고 있다.

초전도체를 이용한 한류기는, 정상상태에서는 저항이 0인 상태에서 계통에 존재하다가 고장전류가 유입되는 경우 초전도체가 켄치(quench)되는 것에 의해 저항이 발생되어 고장전류를 제한하는 것이다. 그러나, 이 경우 초전도체에 발생된 저항에 의해 한류기에 다량의 에너지가 집중하게 된다. 즉, 초전도체를 운전하는 계통의 전압이 클수록, 초전도체에 유입되는 에너지가 커지게 된다.

따라서, 이러한 초전도체의 에너지 분담을 줄이기 위해 초전도체를 제작할 때 많은 양의 초전도체를 사용해야 한다. 그러나, 현재 초전도체의 가격이 고가이고, 다량의 초전도체를 사용할 경우 부피 증가로 인해 설치 비용, 초전도체의 냉각 비용 등의 부대비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 초전도체와 차단기로 구성되는 직렬회로에 전력용 반도체 소자를 도입한 하이브리드 초전도 한류기가 종래에 구현되어 있으나, 이 역시 고장전류 발생시 초전도체의 켄치 특성으로 한류기가 동작하기 때문에, 동작전류를 조절하기 위해서는 초전도체의 수를 조절해야 하므로 조작의 편이성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전력용 반도체를 채용하여, 한류기에 존재하는 고장전류를 손쉽게 제어할 수 있는 한류기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 한류기는, 고장전류가 유입되었음을 결정하고, 고속 스위치에 개방신호를, 전력용 반도체에 턴오프신호를 전송하기 위한 고속 고장 검출부; 상기 고속 고장 검출부로부터의 턴오프신호에 의해 오프상태로 전환하는 상기 전력용 반도체; 상기 전력용 반도체에 직렬로 연결되며, 상기 고속 고장 검출부로부터의 개방신호에 의해 접점을 개방하여, 상기 전력용 반도체를 고장전류로부터 보호하는 상기 고속 스위치; 상기 전력용 반도체와 상기 고속 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되며, 사고전류를 차단하는 전류제한 저항부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 전류를 측정하는 측정부를 더 포함하며, 상기 고속 고장 검출부는, 상기 측정부가 측정한 전류로부터 고장전류가 유입되었음을 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전력용 반도체와 상기 고속 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되며, 고장전류의 발생시 유입되는 고장전류를 차단하고, 이후 상기 전류제한 저항부로 우회하도록 하는 제1파워퓨즈를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1파워퓨즈는, 유입되는 고장전류에 의해 용단되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전류제한 저항부에 직렬로 연결되며, 상기 제1파워퓨즈의 용단에 의해 상기 전류제한 저항부를 통과하는 고장전류를 차단하는 제2파워퓨즈를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 측정부는, 변류기 및 로고스키 코일인 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 고속 고장 검출부는, 고장전류가 유입되는 경우, 상기 고속 스위치에 대한 개방신호를 상기 전력용 반도체에 대한 턴오프신호보다 먼저 전송하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전력용 반도체는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴오프 사이리스터(GTO) 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 초전도체를 제거하고 전력용 반도체만을 이용하여 한류기를 구성함으로써, 한류기에 대한 제어가 용이해지도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고속 고장 검출부를 사용하여, 신뢰성 있는 고장전류의 검출이 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 파워퓨즈를 사용하여 1차적으로 고장전류를 제한하고, 저항을 사용하여 2차적으로 고장전류를 제한하여, 보다 완벽하게 고장전류를 제한할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 하이브리드형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 2a는 도 1의 한류기의 전류그래프이다.
도 2b는 도 1의 한류기의 동작시점을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2c는 도 1의 한류기에서의 아크전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2d는 아크전류 차단 실패에 따른 한류기의 전류그래프이다.
도 3은 종래의 하이브리드형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 한류기의 일실시예 구성도이다.
도 5는 도 4의 한류기에 흐르는 전류를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 먼저 종래의 하이브리드형 초전도 한류기의 동작을 살펴본 후, 본 발명에 따른 한류기의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 하이브리드형 초전도 한류기의 구성도이고, 도 2a는 도 1의 한류기의 전류그래프이고, 도 2b는 도 1의 한류기의 동작시점을 설명하기 위한 그래프이고, 도 2c는 도 1의 한류기에서의 아크전류를 설명하기 위한 그래프이고, 도 2d는 아크전류 차단 실패에 따른 한류기의 전류그래프이다.

종래의 하이브리드형 초전도 한류기는, 사고가 없는 정상 통전중에는, 전류 Itot는 닫혀 있는 차단기(210)와 초전도체(100)를 통하여 통전하므로(Imain), 저항 발생에 의한 손실이 거의 발생하지 않는다. 그러나, 고장전류(Ifuse)가 유입되는 경우, 초전도체(100)는 매우 빠른 속도로 켄치가 되고(A), 초전도체(100)에서 발생된 저항에 의해 고장전류(Ifuse)는 구동코일(220)로 우회하게 된다.

이 순간 구동코일(220)로 유입되는 전류에 의해 자기장이 발생하게 되고, 구동코일(220)의 상부에 위치한 전자기 반발판(230)에 반자성 성분의 와전류가 유도된다. 이로 인해 전자기 반발판(230)이 매우 빠른 속도로 이동하여 전자기 반발판(230)과 기계적으로 연결된 차단기(210)의 접점을 분리시켜 초전도체(100) 측으로 통전되는 고장전류를 차단시킨다(B).

그러나, 이와 같은 종래의 한류기에서는, 분리된 순간 차단기(210)의 접점에서는 아크전류(arc-current)가 발생하여 초전도체(100) 측으로 통전을 유지하려고 한다. 이에 대비하여 차단기(210)의 접점이 분리되는 순간, 차단기(210) 접점에서 발생되는 아크를 소거하기 위해 전자기 반발판(230)과 기계적으로 연결된 단락접점(240)이 닫히도록 설계된다(C).

즉, 전체 고장전류는 단락접점(240)을 통하여 보조회로로 전달되어 차단기 양단의 아크는 소거되고(D), 직후 고장전류는 보조회로에 위치한 한류소자(300)를 통해 한류된다(E).

그런데, 위와 같은 고장전류 제한 과정에서, 초전도체(100)와 고속스위치로 구성된 주회로와, 한류소자(300)로 구성된 보조회로간의 임피던스 차이로 인하여, 초전도체(100)와 직렬로 결선되어 있는 차단기(210) 접점 양단의 아크가 보조회로의 한류소자(300)의 동작이 수행되기 전에 충분히 소호되지 않을 수 있고(F), 이로 인하여 주회로와 보조회로의 임피던스 차이에 의해 차단기 접점 양단의 아크전류가 재발호(G)되어, 아크 임피던스가 감소하므로, 고장전류는 주회로인 상전도로 전이된 초전도체(100)와, 아크로 인해 도통되고 있는 차단기(210) 쪽으로 다시 통전하게 된다.

이때 상전도체로 전이된 초전도체(100)에 전압이 집중되고, 이로 인하여 사고 에너지가 초전도체로 집중되어 초전도체(100)가 손상되는 문제점이 있다.

도 3은 종래의 하이브리드형 초전도 한류기의 구성도로서, 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제시된 것이며, 종래의 도 1과 같은 한류기에, 전력용 반도체(400)를 부가하여 구성된 것이다. 전력용 반도체(400)는 주회로 측에 추가되는 것으로서, 초전도체(100)가 켄치된후 발생하는 아크전류를 차단한다.

그러나, 위와 같은 종래의 한류기 역시, 초전도체를 사용하기 때문에, 동작전류를 조절하기 위해서는 초전도체의 수를 조절해야 하므로 비용이 많이 발생하고, 조작의 편이성이 저감되는 문제점은 해결하지 못하게 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초전도체 대신 전력용 반도체만을 사용하여, 제어가 용이한 한류기를 제공한다.

도 4는 본 발명에 따른 한류기의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한류기는, 측정부(10), 고속 고장 검출부(Fast Failure Detector; 이하, 'FFD'라 함)(20), 전력용 반도체(30), 고속 스위치(40), 파워퓨즈1, 2(50, 60) 및 전류제한 저항부(70)를 포함한다. 전력용 반도체(30) 및 고속 스위치(40)는 직렬로 연결되어 주회로를 구성한다. 파워퓨즈1(50)은 전력용 반도체(30)와 고속 스위치(40)의 직렬연결에 병렬로 연결되고, 전류제한 저항부(70)와 파워퓨즈2(60)의 직렬연결은 전력용 반도체(30)와 고속 스위치(40)의 직렬연결에 병렬로 연결되며, 이 두 병렬연결은 한류회로를 구성한다.

측정부(10)는 전류 및 전류상승분을 측정한다. 측정부(10)는 바람직하게는 변류기(Current Transformer; CT)와 로고스키 코일(Rogowski coil)이다. CT 및 로고스키 코일에 대해서는, 이미 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략한다.

FFD(20)는 측정부(10)가 전류상승을 측정하여 고장을 검출하면, 즉, 고장전류가 발생하면, 고속스위치(40)를 개방하는 개방신호를 고속스위치(40)로 전송하고, 전력용 반도체(30)를 턴오프(TURN-OFF)하는 턴오프신호를 전력용 반도체(30)로 전송한다. 이에 대해서는 추후 자세히 설명하기로 한다.

전력용 반도체(30)는 상시에는 온(ON) 상태를 유지하고 있다가, 고장전류가 유입되는 경우에는 FFD(20)로부터 턴오프신호를 수신하여, 오프(OFF) 상태로 전환된다. 여기서, 전력용 반도체(30)는 바람직하게는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor; 이하, 'IGBT'라 함)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 적절한 반도체가 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn-Off Thyristor; 이하 'GTO'라 함) 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(Integrated Gate Commutated Thyristor; 이하, 'IGCT'라 함) 등일 수 있다.

고속 스위치(40)는 고속으로 절연을 유지하기 위한 것으로서, 전력용 반도체(30)를 보호한다. 고속 스위치(40)의 상세한 구성 및 동작에 대해서는, 도 1을 참조로 설명한 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

전류제한 저항부(70)와 병렬로 연결되는 파워퓨즈1(50)는 한류회로로 유입되는 고장전류를 차단하여 전류제한 저항부(70)로 우회하게 하는 기능을 담당한다. 파워퓨즈1(50)은 큰 고장전류를 차단하도록 설계될 수 있다. 파워퓨즈1(50)은 한류회로로 유입되는 고장전류를 우선 차단하고, 용단되는 순간 전류제한 저항부(70)로 고장전류가 우회한다.

전류제한 저항부(70)와 직렬로 연결되는 파워퓨즈2(60)는 역시 한류회로로 유입되는 고장전류를 차단하며, 전류제한 저항부(70)를 통과하는 고장전류를 차단하는 기능을 담당한다. 파워퓨즈2(60)는 파워퓨즈1(50)에 비해 작은 고장전류를 차단하도록 설계될 수 있다. 파워퓨즈2(60)에 유입되는 고장전류는, 우선 파워퓨즈1(50)에 의해 차단되고, 파워퓨즈1(50)이 용단된 후, 전류제한 저항부(70)에 의해 발열되고 남은 고장전류이다.

파워퓨즈1(50) 및 파워퓨즈2(60)는 동일한 기능을 가지는 소자이지만, 파워퓨즈1(50)은 전류제한 저항부(70)로 고장전류를 우회시키며, 파워퓨즈2(60)는 고장전류를 완전히 차단하는 기능을 하는 것이다. 파워퓨즈의 구조는 이미 널리 알려진 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략한다.

전류제한 저항부(70)는, 유입되는 고장전류를 제한하는 저항으로서, 파워퓨즈2(60)와 협조하여 고장전류를 차단한다. 전류제한 저항부(70)의 저항은, 파워퓨즈2(60)와의 협조동작을 고려하여 결정된다.

이하에서는, 본 발명의 한류기의 상세한 동작을 도면을 참조로 설명하기로 한다. 도 5는 도 4의 한류기에 흐르는 전류를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

우선, 정상시에, 대부분의 전류는 전력용 반도체(30) 및 고속 스위치(40)로 이루어지는 주회로로 통전되며, 일부 한류회로로 흐르며, 측정부(10)는 지속적으로 전류를 측정하고 있다.

측정부(10)가 고장전류가 발생한 것을 감지하면, FFD(20)는 이를 토대로 고속으로 고장을 검출하여, 고속 스위치(40)의 접점을 우선 개방하는 개방신호를 전송하고, 고속 스위치(40)는 개방된다. 도 5의 'I'는 고속 스위치(40)를 개방한 순간을 나타낸 것이다. 고속 스위치(40)의 접점이 개방되는 순간, 접점 양단에는 아크전류가 흐르며 아크 임피던스에 의해 한류회로 측으로 고장전류가 증가하며, 주회로의 고장전류는 상승세가 둔화 또는 약화된다.

또한, FFD(20)는, 고속 스위치(40)를 개방한 후, 고속 스위치(40)의 접점 간격이 벌어지는 과정에서 전력용 반도체(30)의 턴오프신호를 전송하여, 전력용 반도체(30)는 턴오프된다. 도 5의 'J'는 전력용 반도체(30)가 턴오프된 순간을 나타낸 것이다. 이때, 주회로의 전류는 차단되므로, 고속스위치의 아크전류는 소거된다('M'). 턴오프 순간 전력용 반도체(30)의 양단에 전압이 발생하는데, 이는 도 5의 'K'이고, 턴오프 순간 고장전류는 한류회로로 완전히 분류되는데 'L'은 이를 설명하는 것이다.

이후, 고장전류는 한류회로 측으로 흐르게 되며, 일정 시간 이후 흐르게 되면, 파워퓨즈1(50)이 용단된다('N'). 파워퓨즈1(50)이 용단되는 동시에 고장전류는 전류제한 저항부(70)로 흘러, 전류제한 저항부(70)의 임피던스 크기에 따라 고장전류가 제한됨을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 측정부 20: 고속 고장 검출부(FFD)
30: 전력용 반도체 40: 고속 스위치
50, 60: 파워퓨즈 70: 전류제한 저항부

Claims

고장전류가 유입되었음을 결정하고, 고속 스위치에 개방신호를, 전력용 반도체에 턴오프신호를 전송하기 위한 고속 고장 검출부;
상기 고속 고장 검출부로부터의 턴오프신호에 의해 오프상태로 전환하는 상기 전력용 반도체;
상기 전력용 반도체에 직렬로 연결되며, 상기 고속 고장 검출부로부터의 개방신호에 의해 접점을 개방하여, 상기 전력용 반도체를 고장전류로부터 보호하는 상기 고속 스위치;
상기 전력용 반도체와 상기 고속 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되며, 사고전류를 차단하는 전류제한 저항부를 포함하는 한류기.
제1항에 있어서,
전류를 측정하는 측정부를 더 포함하며,
상기 고속 고장 검출부는, 상기 측정부가 측정한 전류로부터 고장전류가 유입되었음을 결정하는 한류기.
제1항에 있어서,
상기 전력용 반도체와 상기 고속 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되며, 고장전류의 발생시 유입되는 고장전류를 차단하고, 이후 상기 전류제한 저항부로 우회하도록 하는 제1파워퓨즈를 더 포함하는 한류기.
제3항에 있어서, 상기 제1파워퓨즈는,
유입되는 고장전류에 의해 용단되는 한류기.
제4항에 있어서,
상기 전류제한 저항부에 직렬로 연결되며, 상기 제1파워퓨즈의 용단에 의해 상기 전류제한 저항부를 통과하는 고장전류를 차단하는 제2파워퓨즈를 더 포함하는 한류기.
제1항에 있어서, 상기 측정부는,
변류기 및 로고스키 코일인 한류기.
제1항에 있어서, 상기 고속 고장 검출부는,
고장전류가 유입되는 경우, 상기 고속 스위치에 대한 개방신호를 상기 전력용 반도체에 대한 턴오프신호보다 먼저 전송하는 한류기.
제1항에 있어서, 상기 전력용 반도체는,
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴오프 사이리스터(GTO) 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 중 어느 하나인 한류기.