KR20140095184A - 직류 전류 차단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류 전류 차단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전압형 컨버터에 적합한 고속 차단 기능을 가지는 직류 전류(DC) 차단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 또한 본 발명은 구성이 비교적 간단하여 장치 비용을 낮출 수 있고, 이에 경제성 측면에서 보다 경쟁력이 있는 직류 전류 차단 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서, 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 투입 스위치, 기계식 스위치 및 반도체 스위치를 포함하는 주 통전부와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 기계식 스위치 및 반도체 스위치와 병렬로 접속되도록 설치되는 커패시터와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터;를 포함하는 직류 전류 차단 장치와, 이를 이용한 직류 전류 차단 방법을 제공한다.

Description

직류 전류 차단 장치 및 방법{Device and method to interrupt direct current}
본 발명은 직류 전류 차단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 전류형 컨버터 방식에 비해 현격히 빠른 차단 시간이 요구되는 전압형 컨버터를 사용한 송변전선로에서 고압 직류 전류(DC)를 신속히 차단할 수 있는 전류 차단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 송, 배전급 전력계통에서 선로 상에 고장이 발생하는 경우 고장 전류를 신속히 차단하고 전력설비를 보호하기 위해 차단기가 사용되고 있다.
최근 신재생 에너지 분야가 부각됨에 따라 DC 전력 송배전 방식에 대한 관심이 점차 증가하고 있으며, DC 전력망의 활성화에 있어서 최대 걸림돌이 DC(직류 전류) 차단 기술로 알려지고 있다.
DC의 경우, 전류 영점에서 전류를 차단하게 되는 기존의 AC(교류 전류) 차단 기술과는 달리, 자연적 전류 영점이 발생하지 않기 때문에 차단을 위해 인위적으로 전류 영점을 만들어야 하고, 이에 DC 차단 기술은 AC 차단 기술과 근본적으로 상이하다.
이러한 이유로 인해 지금까지 제시된 여러 가지의 전류 영점 발생 방식을 바탕으로 하여 다양한 DC 차단 기술이 검토되어 왔다.
그리고, DC 전력 송전에 전류형 컨버터가 주로 사용되어 왔고, 포인트-투-포인트(point-to-point) 방식의 선로 구성을 가지는 대부분의 경우에는 전력변환을 위한 컨버터가 자체적으로 전류 차단 기능을 가지거나 컨버터 전단의 AC 선로 측에 위치한 AC 차단기로 사고 잔류를 차단하는 방식을 이용하므로 별도의 DC 차단기에 대한 필요성이 많지 않았다.
하지만, 전압형 컨버터 방식이 DC 전력망에 적용되기 시작하면서부터 기존의 차단 방식에 비해 훨씬 빠른 차단 속도가 요구되는 고속 DC 차단기가 필수적인 요소로 대두되었고, 이에 차단 시간이 수 ㎳ 이하인 고속 DC 차단 방식에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.
더불어 1990년도 중반부터 적용되기 시작한 전압형 컨버터 방식에 적합한 DC 차단 방식에서는 기존의 방식들에 비해 차단 속도가 현격히 빨라야 하는 기술적 어려움이 있기 때문에 새로운 개념의 차단 방식을 적용할 필요가 있다.
따라서, 기계식의 DC 차단 방식을 벗어나 기계식 차단기와 더불어 전력반도체 소자를 함께 응용하는 하이브리드(hybrid) 방식의 고속 DC 차단 기술이 제시되고 있다.
여기서, 직류 전류(DC) 차단과 관련된 선행특허의 주요 내용을 정리하면 다음과 같다.
미국특허 제3,777,179호에는 직렬로 연결된 두 개의 기계식 스위치, 그리고 이 중 한 개의 기계식 스위치와 병렬로 연결된 전자식 스위치를 구비하여, 상기 기계식 스위치의 아크 전압에 의해 전자식 스위치로 전류(電流, current)를 전류(轉流, commutation)시키고 전자식 스위치로 전류를 차단하는 방식이 제시되어 있다.
그러나, 상기 선행특허의 전류 차단 방식은 기계식 스위치의 긴 동작시간으로 인해 DC 차단 시간을 단축하는데 한계를 가지는 문제가 있으므로 고속 DC 차단 방식에는 적용하기가 어렵다.
또한 미국특허 제3,809,959호에 제시되어 있는 차단 방식은 위의 특허와 유사하게 직렬로 연결된 두 개의 기계식 스위치를 이용하는 것으로, 전류(轉流)용 스위치의 아크 전압을 이용하여 전류시키는 방식이기 때문에 차단 전류(電流)의 전류(轉流) 현상에 대한 안정적인 보장이 어렵고, 차단 속도에 있어서 전압형 컨버터 방식에 적합한 수 ㎳ 이내의 고속 동작이 어렵다.
유럽특허 제0660352호에 제시되어 있는 차단 방식에서도 정상 동작시의 주 통전로로 사용되는 회로에 직렬로 연결된 기계식 스위치를 설치하여 이용하는데, 전류(電流) 차단을 위한 전류(轉流)를 확실히 하기 위해 전류용 스위치에 병렬로 전력반도체 스위치를 연결하여 이용한다.
이 방식 역시 전류용 스위치의 동작 속도가 고속 차단에 있어서 걸림돌이 되고 있으며, 사용되는 전력반도체 스위치도 정격전압에 대한 내전압 특성을 가지고 있어야 하는 단점이 있다.
또한 국제공개특허 제2011-057675호에서는 두 개의 기계식 스위치가 직렬로 결선된 방식이 가지는 동작시간의 문제를 해결하기 위해 고속 기계식 스위치와 전력반도체 스위치를 직렬로 연결한 구조로 대체하고, 이에 더해 전력반도체 차단기를 병렬로 접속하여 전압형 컨버터 방식의 직류 전류(DC) 차단에 적용할 수 있도록 한 구성이 제시되어 있다.
그러나, 이 방식에서는 직류 전류 차단시 발생하는 과도 전압 전체에 대한 내전압 특성을 가지는 전력반도체 스위치가 필요하며, 또한 양방향 전류 차단을 위해 단방향 전력용 차단기의 구성에 비해 두 배 수량의 전력용 소자가 요구되는바, 이로 인해 시스템의 복잡성이 증대됨은 물론 경비 측면에서도 가격이 비싸지는 단점을 가진다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전압형 컨버터에 적합한 고속 차단 기능을 가지는 직류 전류(DC) 차단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한 본 발명은 구성이 비교적 간단하여 장치 비용을 낮출 수 있고, 이에 경제성 측면에서 보다 경쟁력이 있는 직류 전류 차단 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한 본 발명은 주 차단 기능이 전력용 반도체 소자로 구성된 솔리드-스테이트(solid-state) 차단 방식으로 수행되는 종래의 복잡하고 고가인 직류 전류 차단 방식과 비교하여 새롭고 차별성을 가지는 장치 구성 및 그 구성에 대한 운용 방법을 제시하는데 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서, 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 투입 스위치, 기계식 스위치 및 반도체 스위치를 포함하는 주 통전부와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 기계식 스위치 및 반도체 스위치와 병렬로 접속되도록 설치되는 커패시터와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
여기서, 상기 커패시터는 투입 스위치의 후단에서 주 통전로로부터 분기된 회로 상에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 커패시터는 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 상기 기계식 스위치와 반도체 스위치에 분담될 때 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 투입 스위치를 최종적으로 오픈하여 직류 전류의 차단 동작이 종료된 후 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 방전부는 커패시터가 설치된 회로와 병렬로 연결된 방전로 상에 서로 직렬로 연결되어 설치되는 방전 스위치와 방전저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 주 통전부는 반도체 스위치로서 1개의 단방향 도통 스위치를 가지거나, 2개의 단방향 도통 스위치를 서로 역방향으로 직렬로 연결하고 각 단방향 도통 스위치에 병렬로 프리휠링 다이오드를 접속한 양방향 도통 스위치의 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 방법에 있어서, 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 투입 스위치, 기계식 스위치 및 반도체 스위치를 포함하는 주 통전부와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 기계식 스위치 및 반도체 스위치와 병렬로 접속되도록 설치되는 커패시터와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터;를 포함하는 직류 전류 차단 장치를 이용하되, 상기 주 통전로를 통해 정상 전류가 흐르는 정상 동작 상태에서 기계식 스위치를 오픈시키고, 이어 기계식 스위치의 전극 간 아크 발생 직후 반도체 스위치를 턴오프시켜 주 통전로로 흐르던 선로 전류가 커패시터로 전류되도록 하여 커패시터를 충전시키며, 상기 커패시터의 충전 전압이 서지 어레스터의 방전 개시 전압까지 상승하면 서지 어레스터가 방전을 시작하면서 선로 전류가 서지 어레스터를 통해 흐르게 되어 전류의 차단이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법을 제공한다.
여기서, 상기 반도체 스위치가 제어부의 제어신호에 따라 턴오프되어 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 차단되는 시점은 아크가 발생되던 기계식 스위치의 전극 간이 이후 발생되는 과도 전압에 대해 절연 회복을 할 수 있는 전극 간 거리가 확보될 때로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한 커패시터는 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 기계식 스위치와 반도체 스위치에 분담될 때 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전류의 차단이 이루어지고 나면 완전한 전기적 분리를 위해 투입 스위치를 오픈시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 투입 스위치를 오픈한 후 커패시터의 전압을 방전시키기 위한 방전부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 방전부는 커패시터가 설치된 회로와 병렬로 연결된 방전로 상에 서로 직렬로 연결되어 설치되는 방전 스위치와 방전저항을 포함하여 구성되고, 방전로를 통해 커패시터에 충전된 전압이 방전되도록 방전 스위치를 클로즈한 후 오픈시키는 것을 특징으로 한다.
또한 차단 장치의 투입 과정에서 상기 주 통전부의 기계식 스위치와 반도체 스위치를 먼저 클로즈시킨 후 상기 투입 스위치를 클로즈시키는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 직류 전류 차단 장치와 방법에 의하면, 주 차단 기능이 솔리드-스테이트 차단 방식에 의해 수행되는 종래의 직류 전류 차단 장치에 비해 구성이 간단해지면서 신뢰성 제고와 비용의 저가화가 가능해지는 이점이 있게 된다.
특히, 직류 전류 차단 장치의 구성에서 직류 전류의 고속 차단을 대표적인 특성으로 가지게 되는 전력용 반도체 소자의 의존성을 최소화할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 직류 전류 차단 장치는 고속 차단 특성을 가지는 하이브리드형 직류 전류 차단 장치로서, 전압형 컨버터로 운용되는 고압 DC 선로에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전류 차단 장치의 구성을 나타내는 회로도로서, 단방향 전류 통전에 대한 차단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 전류 차단 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 직류 전류 차단 장치의 동작에서 시간적 과정에 따른 전류의 형태와 이에 대한 동작 소자들의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 T2 시점 이후부터의 전류 파형과 전력용 반도체 스위치 및 고속 기계식 스위치에 인가되는 전압 파형을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류 전원 차단 장치의 구성을 나타내는 회로도로서, 양방향 전류 통전에 대한 차단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 고속 차단 기능을 가지는 직류 전류(DC) 차단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 전압형 컨버터로 운용되는 고압 DC 선로에 적합한 하이브리드 방식의 고압용 직류 전류 차단 장치 및 그 운용 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 구성이 비교적 간단하여 장치 비용을 낮출 수 있고, 이에 경제성 측면에서 경쟁력이 있는 직류 전류 차단 장치와 방법을 제시하고자 하는 것으로서, 주 차단 기능이 전력용 반도체 소자로 구성된 솔리드-스테이트 차단 방식으로 수행되는 종래의 복잡하고 고가인 직류 전류 차단 방식과 비교하여 새롭고 차별성을 가지는 장치 구성 및 그 구성에 대한 운용 방법을 제시하고자 하는 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 종래기술에서 고 비용과 복잡성의 원인이 되었던 전력용 반도체 소자 및 이에 의해 수행되는 솔리드-스테이트 차단 기능을 최소화하고, 그 대신 이를 커패시터로 대체하는 장치 구성과 운용 방법을 제시한다.
먼저, 장치 구성을 살펴보면, 본 발명의 직류 전류 차단 장치에서는 전원공급부와 부하 사이에 신속한 직류 전류 차단 기능이 수행될 수 있도록 소수의 전력반도체 소자로 구성된 솔리드-스테이트 스위치(solid-state switch)와 고속의 기계식 스위치(high-speed mechanical switch)를 서로 직렬로 연결하여 정상 전류를 통전시키는 주 통전부를 구성하되, 상기 전원공급부와 부하 사이에서 상기 주 통전부의 솔리드-스테이트 스위치(반도체 스위치를 포함하는 구성임)와 기계식 스위치에 대해 병렬로 커패시터를 연결하고, 더불어 기계식 스위치(후술하는 방전 스위치임)와 방전저항이 서로 직렬로 연결되도록 설치된 방전로를 주 통전부와 커패시터에 대해 병렬로 결선하여 구성한다.
또한 차단기 투입을 위해서는 기존의 아크 차단기(후술하는 투입 스위치임)를 직렬로 연결하며, 더불어 선로에 축적된 에너지를 방출시키기 위해 서지 어레스터(surge arrester)를 상기 커패시터와 병렬로 접속되도록 연결한다.
이러한 본 발명의 직류 전류 차단 장치에 대해 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전류 차단 장치의 구성을 나타내는 회로도로서, 단방향 전류 통전에 대한 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 전원공급부와 부하 사이에서 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위해 사용되는 회로(1)(이하, 주 통전로라 칭함)에 통상의 투입 특성을 가지는 고압 스위치(11)(이하, 투입 스위치라 칭함), 고속 기계식 스위치(12) 및 전력반도체 스위치(13)(이하, 반도체 스위치라 칭함)를 서로 직렬로 연결되도록 설치하여 주 통전부(10)를 구성한다.
또한 전원공급부와 부하 사이에서 주 통전로(1)와 병렬로 연결된 회로(14) 상에 커패시터(15)를 설치하고, 상기 커패시터(15)가 설치된 회로(14)와 병렬로 연결된 회로(19)(이하, 방전로라 칭함) 상에 기계식 스위치(20)(이하, 방전 스위치라 칭함)와 방전저항(21)을 서로 직렬로 연결되도록 설치하여 방전부(18)를 구성한다.
여기서, 커패시터(15)는 투입 스위치(11)의 후단에서 주 통전로(1)로부터 분기된 회로(14) 상에 설치되어 주 통전부(10)의 기계식 스위치(12) 및 반도체 스위치(13)와 병렬로 접속되도록 구비된다.
또한 커패시터(15)는 반도체 스위치(13)에 의해 주 통전부(10)의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 주 통전부의 기계식 스위치(12)와 반도체 스위치(13)에 분담될 때 낮은 정격 전압으로 설계된 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 정전 용량을 가지는 것이 사용된다.
이와 더불어 주 통전로(1)와 방전로(19), 그리고 상기 커패시터(15)가 설치된 회로(14)와 병렬로 연결된 또 다른 회로(16) 상에 서지 어레스터(17)를 설치한다.
이러한 구성에서 투입 스위치(11), 기계식 스위치(12) 및 반도체 스위치(13)는 미도시된 제어부의 제어신호에 따라 클로즈(close) 및 오픈(open) 동작이 제어된다.
또한 상기 반도체 스위치(13)는 전류 차단 동작시 제어부의 제어신호에 따라 턴오프(turn-off)되어 주 통전부(10)에 흐르는 전류를 수십 ㎲ 시간 이내로 고속 차단하는 기능을 수행하며, 반도체 스위치(13)가 차단될 때 전류(電流)의 흐름은 커패시터(15)로 전류(轉流)된다.
상기 기계식 스위치(12)는 반도체 스위치(13)가 전류를 차단하는 직전 시점에서 접점 간의 일정 거리를 확보한 상태로 아크(arc)에 의해 통전을 유지하고 있다가 반도체 스위치가 전류를 차단하게 되면 아크가 소호되면서 극간 절연을 회복하게 된다.
이때, 기계식 스위치(12)의 접점(전극) 사이에서 반도체 스위치(13)의 차단 시점부터 발생하는 과도 회복전압의 크기가 잘 유지될 수 있도록 반도체 스위치의 차단 시점을 잘 설정해주는 것이 중요하다.
즉, 제어부의 제어신호에 따라 반도체 스위치(13)가 턴오프되어 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 완전히 차단되는 시점은 아크가 발생되던 기계식 스위치(12)의 전극 간이 이후 발생되는 과도 전압에 대해 절연 회복을 할 수 있는 전극 간 거리가 확보될 때로 설정된다.
또한 주 통전부(10)로부터 커패시터(15)로 전류된 전류는 커패시터를 충전시켜 전압을 상승시키게 되며, 이때 충전 전압의 크기가 서지 어레스터(17)의 방전 개시 전압보다 커지게 되면, 전류는 서지 어레스터(17)로 전류(轉流)되고, 이를 통해 DC 선로 상에 축적된 에너지가 방출됨으로써 전류 차단이 이루어지게 된다.
아울러, 상기와 같이 전류 차단 작동이 종료되더라도 차단부의 입출력 단자가 전기적으로 분리된 것은 아니기 때문에 완전한 전기적 분리를 위해 투입 스위치(11)를 오픈시키게 된다.
상기 방전부(18)는 직류 전류의 차단 동작이 종료되고 난 뒤 차단 장치를 재투입할 때 커패시터(15)에 충전된 전압의 과도한 방전 전류가 흐르면서 발생할 수 있는 반도체 스위치(13)의 파손 위험을 방지하기 위한 회로부이다.
본 발명에서 주 통전부(10)의 전류 차단 작동 종료 후 투입 스위치(11)를 오픈시키고 나면 방전부(18)를 작동시키거나, 차단 장치 투입시 주 통전부(10)의 기계식 스위치(12)와 반도체 스위치(13)를 클로즈시키기 전에 방전부(18)를 작동시킨다.
이때, 방전 스위치(20)를 먼저 클로즈 후 오픈시켜 커패시터(15)에 충전된 전압을 방전시키게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 전류 차단 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도로서, 이를 참조하여 도 1에 도시된 차단 장치에 의해 직류 전류가 차단되는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
주 통전부(10)를 통해 정상 전류가 흐르는 정상 동작 상태에서(S1), 본 발명의 직류 전류 차단 장치가 연결된 고전압 DC 선로에 T1 시점에서 사고가 발생하면(S2), 먼저 고속 기계식 스위치(12)와 반도체 스위치(13)가 T2 시점에서 오픈되어(S3) 주 통전부(10)에서의 오픈 동작이 수행되는바, 이로써 T3 시점에서 사고 전류의 차단이 이루어지게 된다(S4).
즉, 고속 기계식 스위치(12)가 전극(접점) 간 간극이 발생하도록 오픈되고 난 뒤(개극), 기계식 스위치(12)의 전극 간 아크 발생 직후에 반도체 스위치(13)를 턴오프시킴으로써, 직류 전류(DC) 차단 장치의 오픈("open") 동작이 이루어지도록 하는 것이다.
이때, 주 통전부(10)로 흐르던 선로 전류가 커패시터(15)로 전류되면서 커패시터가 충전되는데, 이때 커패시터(15)의 충전 전압이 상승되기 시작하여 서지 어레스터(17)의 방전 개시 전압까지 상승하게 된다.
이어 커패시터(15)의 전압 상승 후 서지 어레스터(17)가 방전을 시작하면서 선로 전류는 서지 어레스터를 통해 흐르게 되고, 선로에 충전된 에너지가 서지 어레스터(17)를 통해 흡수되면서 전류가 완전히 차단되는바, 이로써 직류 전류 차단 장치의 전류 차단 작동이 모두 완료된다.
요컨대, 사고시 주 통전부(10)의 기계식 스위치(12)를 오픈시키면서 반도체 스위치(13)를 턴오프시켜 1차로 전류를 차단하고, 이를 통해 커패시터(15)가 설치된 회로(14) 상으로 전류가 흐르도록 하여 커패시터(15)의 충전이 이루어지도록 한 뒤, 커패시터 충전 전압이 어느 정도 상승하고 나면 서지 어레스터(17)가 설치된 회로(16)로 전류가 흐르도록 하여 선로의 에너지가 모두 흡수되도록 하는바, 이로써 완전한 전류 차단이 이루어지도록 하는 것이다.
상기와 같이 사고 전류의 차단 작동이 완료되고 나면, 이어 회로의 완전한 전기적 분리를 위해 T4 시점에서 투입 스위치(11)가 오픈 동작을 하게 된다(S5).
이어 투입 스위치(11)가 오픈되고 나면, 이후의 차단 장치 투입시에 커패시터(15)에 충전된 전압의 과도한 방전 전류가 반도체 스위치(13)를 통해 흐르면서 발생할 수 있는 파손의 위험을 방지하기 위하여, 방전로(19)에 설치된 방전 스위치(20)를 T5 시점에서 클로즈시킨 뒤 오픈시켜 커패시터(15)에 충전된 전압을 방전시킨다(S6).
이후 상기와 같이 전류가 차단되고 난 뒤 다시 직류 전류 차단 장치가 투입되는 과정에서는, T6 시점에서 주 통전부(10)에 설치된 기계식 스위치(12)를 다시 닫아주고 반도체 스위치(13)를 턴온(turn-on)시키며(S7), 이어 T7 시점에서 투입 스위치(11)를 닫아주면(S8), 다시 주 통전부(10)를 통해 직류 전류가 흐르게 되는 정상 통전 상태가 된다(직류 전류 차단 장치의 클로즈("close") 완료).
한편, 도 3은 본 발명에 따른 직류 전류 차단 장치의 동작에서 시간적 과정에 따른 전류의 형태와 이에 대한 동작 소자들의 상관관계를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2에 나타낸 각 동작 시점에서 직류 전류 차단 장치를 통해 흐르는 통전 전류의 형상을 나타내고 있다.
도 3에서 T1은 사고 발생 시점을 나타내고, T2는 주 통전부(10)의 전류가 커패시터(15)로 전류되는 시점을 나타내며, i1은 주 통전로(1)를 통해 흐르는 전류를, i2는 커패시터(15)로 흐르는 전류를, 그리고 i3는 서지 어레스터(17)로 흐르는 전류를 각각 나타낸다.
상기 T2 시점에서부터 발생되는 과도 회복전압이 주 통전부(10) 내에 직렬로 연결된 두 스위치(12,13)에 각각 인가되고, T3 시점에서는 주 통전부(10)의 기계식 스위치(12)가 오픈됨과 더불어 반도체 스위치(13)가 턴오프되어 사고 전류의 차단이 완료되며, T4에서는 전기적 분리를 위해 투입 스위치(11)가 오픈된다.
또한 T5 시점에서는 방전 스위치(20)의 클로즈-오픈(close-open) 동작을 통해 커패시터(15)를 방전시키며, T6 시점에서는 직류 전류 차단 장치의 투입을 위해 주 통전부(10)의 기계식 스위치(12)를 닫아주고 반도체 스위치(13)를 턴온시킨 후, 마지막으로 T7 시점에서 투입 스위치(11)를 닫아주어 정상 동작 상태의 전류 통전이 이루어지도록 한다.
도 4는 도 3에 나타낸 T2 시점 이후부터의 전류 파형과 전력용 반도체 스위치 및 고속 기계식 스위치에 인가되는 전압 파형을 확대하여 나타낸 도면으로서, 사고 전류가 주 통전부(10)로부터 커패시터(15)로 전류되어질 때 커패시터의 상승 전압(충전 전압)이 주 통전부의 기계식 스위치(12)와 반도체 스위치(13)에 분담되어지는 형태를 보여주고 있다.
반도체 스위치(13)로 통전되던 전류가 완전히 차단되어 모든 전류가 커패시터(15)로 흐르게 되는 시점까지 기계식 스위치(12)에는 접점 간의 아크 전압이 존재하고, 커패시터(15)의 상승 전압(V1)이 대부분 반도체 스위치(13)에 인가된다.
또한 반도체 스위치(13)가 전류를 완전히 차단하게 되면 모든 전류가 커패시터(15)로 흘러 커패시터가 충전되면서 전압이 계속해서 상승하게 되고, 이때부터 기계식 스위치(12)가 절연 회복을 시도하게 되어 대부분의 과도 회복전압을 기계식 스위치가 담당해야 하는데, 이를 위해서는 반도체 스위치(13)에 병렬로 연결된 스너버(snubber) 회로의 커패시터 값을 기준으로 일정 비율의 전압(V2)이 기계식 스위치(12)에 인가되도록 기계식 스위치에 병렬로 전압 분담형 커패시터의 연결이 필요하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류 전원 차단 장치의 구성을 나타내는 회로도로서, 양방향 전류 통전에 대한 차단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 5의 실시예는 도 1의 실시예와 유사하게 커패시터(15) 및 서지 어레스터(17), 방전 스위치(20) 및 방전저항(21)을 주 통전부(10)와 병렬로 연결한 간단한 구성의 직류 전류 차단 장치이나, 도 1의 실시예와 비교하여 통전 전류가 양방향으로 모두 가능한 구조를 가지는 실시예이다.
즉, 도 5의 실시예는 도 1의 실시예와 비교하여 주 통전부(10)의 반도체 스위치(13)를 단방향 도통 스위치에서 양방향 도통 스위치의 구성으로 대체한 것으로서, 여기서 양방향 도통 스위치의 구성은 2개의 단방향 도통 스위치(13a,13b)를 서로 역방향으로 직렬로 연결한 구조를 가진다.
이러한 구성에서 도통 전류 방향에 있어 서로 역방향인 각 반도체 스위치(13a,13b)를 통해 흐르는 통전 전류는 상대 측의 역방향 스위치에 병렬로 연결된 프리휠링 다이오드(free-wheeling diode)(D1,D2)를 통해 흘러 통전된다.
이와 같이 반도체 스위치(13)만 단방향 통전 구조에서 양방향 통전 구조로 변경해주게 되면 차단 전류의 방향을 단방향에서 양방향으로 확장할 수 있게 된다(양방향 전류의 차단 기능 수행이 가능해짐).
또한 주 통전부(10)의 반도체 스위치(13)는 차단 장치의 정격 전압보다 훨씬 낮은 내전압 특성을 가지도록 구성되기 때문에 도 5의 실시예에서는 양방형 전류의 차단 성능 확보를 위해 기존 방향과 역방향의 통전 특성을 가지도록 하는 전력반도체 소자의 개수를 줄일 수 있어 결과적으로 비용 절감의 큰 장점이 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 주 통전로 10 : 주 통전부
11 : 투입 스위치 12 : 기계식 스위치
13 : 반도체 스위치 14 : 회로
15 : 커패시터 16 : 회로
17 : 서지 어레스터 18 : 방전부
19 : 방전로 20 : 방전 스위치
21 : 방전부

Claims (13)

  1. 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서,
    정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 투입 스위치, 기계식 스위치 및 반도체 스위치를 포함하는 주 통전부와;
    상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 기계식 스위치 및 반도체 스위치와 병렬로 접속되도록 설치되는 커패시터와;
    상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터는 투입 스위치의 후단에서 주 통전로로부터 분기된 회로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 커패시터는 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 상기 기계식 스위치와 반도체 스위치에 분담될 때 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 투입 스위치를 최종적으로 오픈하여 직류 전류의 차단 동작이 종료된 후 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방전부는 커패시터가 설치된 회로와 병렬로 연결된 방전로 상에 서로 직렬로 연결되어 설치되는 방전 스위치와 방전저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 통전부는 반도체 스위치로서 1개의 단방향 도통 스위치를 가지거나, 2개의 단방향 도통 스위치를 서로 역방향으로 직렬로 연결하고 각 단방향 도통 스위치에 병렬로 프리휠링 다이오드를 접속한 양방향 도통 스위치의 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  7. 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 방법에 있어서,
    정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 투입 스위치, 기계식 스위치 및 반도체 스위치를 포함하는 주 통전부와;
    상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 기계식 스위치 및 반도체 스위치와 병렬로 접속되도록 설치되는 커패시터와;
    상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터;
    를 포함하는 직류 전류 차단 장치를 이용하되,
    상기 주 통전로를 통해 정상 전류가 흐르는 정상 동작 상태에서 기계식 스위치를 오픈시키고, 이어 기계식 스위치의 전극 간 아크 발생 직후 반도체 스위치를 턴오프시켜 주 통전로로 흐르던 선로 전류가 커패시터로 전류되도록 하여 커패시터를 충전시키며, 상기 커패시터의 충전 전압이 서지 어레스터의 방전 개시 전압까지 상승하면 서지 어레스터가 방전을 시작하면서 선로 전류가 서지 어레스터를 통해 흐르게 되어 전류의 차단이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 반도체 스위치가 제어부의 제어신호에 따라 턴오프되어 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 차단되는 시점은 아크가 발생되던 기계식 스위치의 전극 간이 이후 발생되는 과도 전압에 대해 절연 회복을 할 수 있는 전극 간 거리가 확보될 때로 설정하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    커패시터는 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 기계식 스위치와 반도체 스위치에 분담될 때 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 전류의 차단이 이루어지고 나면 완전한 전기적 분리를 위해 투입 스위치를 오픈시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 투입 스위치를 오픈한 후 커패시터의 전압을 방전시키기 위한 방전부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 방전부는 커패시터가 설치된 회로와 병렬로 연결된 방전로 상에 서로 직렬로 연결되어 설치되는 방전 스위치와 방전저항을 포함하여 구성되고, 방전로를 통해 커패시터에 충전된 전압이 방전되도록 방전 스위치를 클로즈한 후 오픈시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    차단 장치의 투입 과정에서 상기 주 통전부의 기계식 스위치와 반도체 스위치를 먼저 클로즈시킨 후 상기 투입 스위치를 클로즈시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
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