KR20150040490A - 고압 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 측면에서보다 경쟁력이 있는 직류 전류 차단 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 사고 발생 시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서, 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 정상 통전시의 전력손실을 줄이기 위해 직렬로 연결되어 설치되는 세 개의 고속 기계식 스위치를 포함하는 주 통전부와 주 통전부의 전류 차단을 위해 주 통전부에 설치되는 고속 스위치 중 한 개의 고속 기계식 스위치에 병렬로 연결하여 설치되는 전력 반도체 스위치와 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 설치되는 커패시터와 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 커패시터와 병렬로 접속되도록 설치되는 서지 어레스터를 포함하는 직류 전류 차단 장치와 이를 이용한 직류 전류 차단 방법을 제공한다.

Description

고압 직류 전류 차단 장치 및 방법{Device and method to interrupt high voltage 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.
전압형 직류 그리드(DC grid)의 필요성이 예측됨에 따라 빠른 사고전류 차단시간이 요구되고 있다. 그리고, 이에 대한 대안으로 WO 2011/057675 A1에서 제시된 하이브리드 직류(hybrid dc) 차단기가 2011년 에이비비(ABB)에 의해 제시된 바 있다.
제시된 하이브리드 직류(hybrid dc) 차단기는 기계식 스위치와 전력반도체 스위치를 혼용하여 구성함으로 요구에 부응되는 신속한 차단시간과 비교적 작은 정상상태의 통전 손실을 확보할 수 있게 되었다.
이러한 하이브리드 직류(hybrid dc) 차단기 구조에는 주 통전로에서 전류(轉流) 되어진 전류의 주 차단 역할을 감당하는 부분이 전력 반도체 차단기로 구성되어 있어서 정상 통전상태에서는 전력손실을 유발하게 되지는 않는 긍정적인 점은 있지만, 적용 계통의 정격전압을 기준으로 이보다 높은 전압 정격을 가져야 하기 때문에 초고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current) 계통에 적용되는 경우에는 많은 수의 전력 반도체 소자가 필요하게 되고 이는 차단기 시스템의 구조가 복잡하게 됨과 아울러 이에 따른 비용 측면에서도 큰 부담이 되는 문제점이 있었다. 그리고 이 전력 반도체 차단기는 전류 통전의 방향성을 가지기 때문에 양방향 차단기를 구성하게 되는 경우 그 경제적 부담은 더욱 가중되게 된다. 또한, 주 통전부에 적용되는 보조 전력반도체 스위치 역시 소량의 전력 반도체로 구성되기는 하지만 정상상태의 정격전류를 통전시켜야 하는 역할을 수행해야하기 때문에 기계식 스위치의 경우에 비해 전력 손실을 감내해야하며, 이와 함께 전력반도체 스위치의 냉각 시스템에 대한 부담도 따르게 된다. 그리고, 투입 서지전류의 용량도 제한적일 수 밖에 없어서, 실 계통 적용에 있어 고려해야 할 요소가 많은 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 주 통전로를 3개의 고속 기계식 스위치로 구성한 간단한 구조를 가지는 직류 전류 차단 장치를 제공하고자 한다.
또한, 이러한 간단한 구조를 가지면서도 목적하는 차단동작 속도를 확보할 수 있는 직류 전류 차단 장치를 제공하고자 한다.
또한, 전력 손실이 적으며, 여러 계통에서도 융통성 있게 적용 가능한 직류 전류 차단 장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 사고 발생시 직류전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서, 정상동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 3개의 고속 기계식 스위치를 포함하는 주 통전부와; 상기 주 통전부에 소속된 고속 기계식 스위치 중 한 개의 기계식 스위치에 병렬로 연결된 1차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 전력 반도체 스위치와;상기 주 통전로 중 두 개의 직렬 연결된 고속 기계식 스위치와 병렬로 연결된 회로인 2차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 커패시터와; 상기 주 통전로 중 두 개의 직렬 연결된 기계식 스위치와 병렬로 연결된 회로 상의 커패시터와 병렬로 연결된 회로인 3차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 서지 어레스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 전력 반도체 스위치가 연결되는 1차 전류(轉流)회로와 병렬로 연결되는 주 통전회로의 기계식 스위치는 직렬 연결된 다른 두 개의 기계식 스위치 정격전압보다 낮은 정격 전압을 갖는 기계식 스위치를 설치하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 1차 전류(轉流)회로에 설치되는 전력 반도체 스위치는 상기 전력 반도체 스위치와 병렬로 연결된 기계식 스위치가 통전 상태에서 개극(Open) 시 아크전압보다 낮은 순방향 전압이 인가되게 함으로 주 통전부의 전류가 상기 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)가 용이하게 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 1차 전류(轉流)회로의 전력 반도체 스위치와 병렬로 연결되는 주 통전회로의 기계식 스위치는 단안정(monostable) 스위치로서 직류(dc) 차단기의 트립(trip) 신호를 받아 개극동작을 시작하고 주 통전부 전류가 2차 전류(轉流)회로로 완전히 전류(轉流)된 시점 이후에는 자동으로 폐극(close) 상태로 복귀되는 기능을 가지는 것으로 개극 응답특성이 직렬로 연결된 다른 두 고속 스위치보다 빨라 아크전압의 상승이 신속히 일어나는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 커패시터는 투입/분리 스위치의 후단에서 주 통전로로부터 분기된 회로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 커패시터는 전력 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 보호 스위치와 전류(轉流) 스위치에 분담될 때 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결되어 동일한 인가전압이 걸리는 전력 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않도록 하는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 투입/분리 스위치에 의해 최종적으로 직류 전류의 차단 동작이 종료된 후 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 방전부는 커패시터가 설치된 회로와 병렬로 연결된 방전로 상에 서로 직렬로 연결되어 설치되는 방전 스위치와 방전저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 전류회로의 전력용 반도체 스위치는 1개의 단방향 도통 스위치로 형성되거나 또는 2개의 단방향 도통 스위치를 서로 역방향으로 직렬로 연결하고, 각 단방향 도통 스위치에 병렬로 프리휠링 다이오드를 접속하여 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 방법에 있어서, 정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 세 개의 고속 기계식 스위치인 투입/분리 스위치, 보호 스위치 및 전류(轉流) 스위치를 포함하는 주 통전부와; 상기 주 통전로의 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결된 회로 상의 전력 반도체 스위치와; 상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 보호 스위치 및 전류(轉流) 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 통전로의 세 개의 기계식 스위치 만를 통해 정상 전류가 흐르는 정상 동작 상태에서 트립(trip) 신호를 받게 되면 세 개의 고속 기계식 스위치를 오픈시키고, 이어 전류(轉流) 스위치의 전극 간 아크 발생 직후 이를 통해 흐르던 선로 전류가 1차 전류(轉流)회로에 설치된 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)되도록 하고 보호 스위치의 극간 간격이 일정 이상 벌어지게 되면 전력 반도체 스위치를 턴 오프 시켜 주 통전로의 전류를 2차 전류(轉流) 회로로 변경되게 하여 커패시터를 충전시키며, 상기 커패시터의 충전 전압이 서지 어레스터의 방전 개시 전압까지 상승하면 3차 전류(轉流) 회로에 설치된 서지 어레스터가 방전을 시작하면서 선로 전류가 서지 어레스터를 통해 흐르게 되어 전류의 차단이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법을 제공한다.
또한, 상기 전력 반도체 스위치가 제어부의 제어신호에 따라 턴오프 되어 전력 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 차단되는 시점은 아크가 발생되던 보호 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 방법을 제공한다.
또한, 상기 투입/분리 스위치가 오픈된 후 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법을 제공한다.
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 폐극한 후 개극시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법을 제공한다.
또한, 상기 주 통전부의 보호 스위치를 먼저 폐극시킨 후 상기 투입/분리 스위치를 폐극시켜 직류전류(dc) 차단 장치의 투입하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법을 제공한다.
본 발명의 직류 전류 차단 장치와 방법에 의하면, 주 차단 기능이 전력 반도체 차단 방식에 의해 수행되는 기존 직류 전류 차단 장치에 비해 전력 반도체 차단부가 커패시터로 대체됨으로 구성이 간단해지므로, 이에 따른 신뢰성 제고와 비용 저감이 가능해지는 이점이 있게 된다.
그리고, 주 통전부가 기계식 스위치만으로 구성됨으로 정상상태의 전력손실이 기계식 스위치와 전력 반도체 스위치가 혼용되어 구성된 경우보다 현격히 낮아지게 되고, 이로 인해 소음저감과 장기 운전 시 신뢰성 저하의 원인이 되는 전력 반도체 스위치의 냉각 시스템 간소화 장점도 얻을 수 있게 된다.
또한, 주 통전부의 기계식 스위치 구성은 직류전류(dc) 차단기의 투입 서지전류 용량을 향상시킬 수 있는데 이는 기존의 기계식 스위치 및 전력 반도체 스위치의 혼용 방식에서 전력 반도체 스위치 소자의 턴온(turn-on) 특성에 제한적이던 것으로부터 자유로울 수 있게 되기 때문이다.
또한, 본 발명의 직류 전류 차단 장치는 고속 차단 특성을 가지는 하이브리드형 직류 전류 차단 장치로서, 전압형 컨버터로 운용되는 고압 직류전류(DC) 선로에 다양한 방식으로 유용하게 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전류 차단 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
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 선로에서 요구되는 고속 차단특성의 하이브리드 방식의 고압용 직류 전류 차단 장치 및 그 운용 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 정상상태의 통전손실을 저감시키며 구성이 비교적 간단하여 장치 비용을 낮출 수 있어 경제성 측면에서 경쟁력을 확보할 수 있는 직류 전류 차단 장치와 방법을 제시하고자 하는 것으로서, 주 차단부가 전력 반도체 스위치를 포함하지 않고 고속의 기계식 스위치들로만 구성되고, 주 차단 기능이 전력용 반도체 스위치에 의한 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 주 통전부에 전력 반도체 스위치가 포함됨으로 발생되던 정상상태에서의 전력손실을 감소시키기 위해 주 통전부를 고속의 기계식 스위치들로 구성하고, 비용과 복잡성의 원인이 되었던 전력용 반도체 소자 및 이에 의해 수행되는 솔리드-스테이트 차단 기능을 최소화하기위해 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 세 개의 고속 기계식 스위치(high-speed mechanical switch)를 서로 직렬로 연결하여 정상 전류를 통전시키는 주 통전부로 구성하되, 상기 전원공급부와 부하 사이에서 상기 주 통전부 상에 포함된 한 개의 고속 기계식 스위치에 대해 병렬로 전력 반도체 스위치를 연결하여 구성한다.
그리고 주 통전부에 설치된 세 개의 고속 기계식 스위치는 순서대로 첫 번째가 회로 분리 및 투입용의 기계식 스위치(이하 투입/분리 스위치로 칭함)이고 두 번째는 전류 차단 시 발생되는 과도전압으로부터 후단에 연결된 기계식 스위치와 이와 병렬로 연결된 전력 반도체 스위치를 보호하는 기능을 수행하는 기계식 스위치(이하 보호 스위치로 칭함)이며 마지막 세 번째 기계식 스위치(이하 전류(轉流) 스위치로 칭함)는 전류 차단 시 차단 전류를 이와 병렬로 연결되는 1차 전류(轉流) 회로에 전력 반도체 스위치를 설치하여 차단전류를 전류(轉流)시켜주는 역할을 감당하도록 구성된다.
사용되는 기계식 스위치로는 투입/분리 스위치와 보호 스위치는 고속으로 동작하는 쌍안정(bistable) 스위치로 온(on), 오프(off) 상태가 안정되게 존재하는 통상의 스위치와 동일한 형태를 가지는 것으로 하지만, 전류(轉流) 스위치는 고속의 단안정(monostable) 스위치로 트립(trip) 신호가 인가되는 순간의 일정 시간만 접점이 개극(open) 상태로 되었다가 자동으로 폐극(close) 상태로 복귀되는 스위치를 적용한다. 따라서 전류(轉流) 스위치의 개극(open) 상태는 차단 전류가 커패시터가 설치된 2차 전류 회로로 완전히 전류(轉流)된 이후 시점에서 close 상태로 복귀되어야하며 이때 dc 차단기에 인가되는 전압은 모두 보호 스위치에서 감당하도록 되어진다.
그리고 주 통전부에 직렬로 연결된 보호 스위치와 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결된 회로에 커패시터를 설치하여 주 통전로의 전류가 차단되면 2차 전류(轉流)회로로 기능하도록 구성하며 더불어 선로에 축적된 에너지를 방출시키기위해 커패시터와 병렬로 연결된 회로에 서지 어레스터(surge arrester)를 설치함으로 3차 전류회로로 구성한다.
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 고속 기계식 스위치 세 개를 서로 직렬로 연결되도록 설치하여 주 통전부(10)를 구성한다.
또한 주 통전로 상의 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결된 회로 상에 전력 반도체 스위치를 설치하고 전류 차단 시에 전류(轉流) 스위치로 흐르던 전류를 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)시킨 후 전력 반도체 스위치의 차단기능으로 주 통전부 전류를 차단하도록 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/분리 스위치(11)의 후단에서 주 통전로(1)로부터 분기된 회로(14) 상에 설치되어 주 통전부(10)의 보호 스위치(12) 및 전류(轉流) 스위치(13)와 병렬로 접속되도록 구비된다.
또한 커패시터(15)는 전력 반도체 스위치(2)에 의해 주 통전부(10)의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 주 통전부의 보호 스위치(12)와 전류 스위치(13)에 분담될 때 낮은 정격 전압으로 설계된 전류(轉流) 스위치와 이와 병렬로 연결된 전력 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않는 과도전압 기울기가 되도록 정전 용량을 설정한다.
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/분리 스위치(11), 보호 스위치(12), 전류(轉流) 스위치 및 반도체 스위치(13)는 미 도시된 제어부의 제어신호에 따라 클로즈(close) 및 오픈(open) 동작이 제어된다.
그리고 직류전류(dc) 차단기의 차단 동작은 제어부에 의한 트립(trip) 신호에 따라 투입/분리 스위치, 보호 스위치 그리고 전류 스위치가 동시에 개극(open) 동작을 시작하고 전류(轉流) 스위치가 개극 후 일정 아크전압이 발생되면 이와 병렬 연결된 전력 반도체 스위치가 온(on) 되어 전류(轉流) 스위치로 흐르던 전류는 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)되면서 극간의 아크는 소호된다.
또한 상기 전력 반도체 스위치(2)는 전류 차단 동작 시 제어부의 제어신호에 따라 턴오프(turn-off)되어 주 통전부(10)에 흐르는 전류를 수십 ㎲ 시간 이내로 고속 차단하는 기능을 수행하며, 전력 반도체 스위치(13)가 차단될 때 전류(電流)의 흐름은 커패시터(15)로 전류(轉流)된다.
상기 보호 스위치(12)는 전력 반도체 스위치(2)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, 보호 스위치(12)의 접점(전극)사이에서 전력 반도체 스위치(13)의 차단 시점부터 발생하는 과도 회복전압을 잘 유지될 수 있도록 전력 반도체 스위치의 차단 시점을 적절히 설정해주는 것이 중요하다.
즉, 제어부의 제어신호에 따라 전력 반도체 스위치(2)가 턴오프 되어 전력 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 완전히 차단되는 시점은, 아크가 발생되던 보호 스위치(12)의 전극 간 간격이 이후 발생되는 과도 전압에 대해 절연내압 특성을 충분히 가질 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 같은 전류 차단절차가 종료되는 시점에서 투입/분리 스위치의 접점 간에 발생하고 있던 아크도 소호되어 차단부의 입출력 단자가 전기적으로 완전히 분리된다.
상기 방전부(18)는 직류 전류의 차단 동작이 종료되고 난 뒤 차단 장치를 재투입할 때 커패시터(15)에 충전된 전압으로 인해 과도한 방전 전류가 흐르면서 발생할 수 있는 제반 현상을 방지하기 위한 회로부이다.
본 발명에서 주 통전부(10)의 전류 차단 작동 종료 후 투입/분리 스위치(11)가 개극(Open)된 상태에서 방전용 스위치를 폐극(close) 시키며, 차단 장치 투입 시 주 통전부(10)의 보호 스위치(12)를 폐극 시키기 전에 방전용 스위치(20)를 개극(open) 상태로 되게한다.
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 스위치인 투입/분리 스위치, 보호 스위치, 전류(轉流) 스위치가 개극(open) 되고 전력반도체 스위치가 on 되는 T2 시점에서 차단동작이 시작 되어(S3) 각 스위치 접점 간에 아크가 발생되기 시작하며 T2' 시점에서 전류(轉流) 스위치의 모든 전류가 1차 전류(轉流) 회로 상에 설치된 전력 반도체 스위치로 전류되어지고 이어 T3 시점에서 전력 반도체 스위치가 open 됨에 따라 사고 주 통전로의 전류 차단이 이루어지게 된다(S4).
즉, 보호 스위치(12)가 전극(접점) 간 간극이 발생하도록 오픈되고 난 뒤(개극), 보호 스위치(12)의 전극 간 아크 발생 직후에 전력 반도체 스위치(13)를 턴오프 시킴으로써, 직류 전류(DC) 차단 장치의 주 통전로 오픈("open") 동작이 이루어지도록 하는 것이다.
이때, 주 통전부(10)로 흐르던 선로 전류가 2차 전류(轉流) 회로 상에 설치된 커패시터(15)로 전류(轉流)되면서 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 3차 전류(轉流) 회로 상에 설치된 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 전류(轉流) 스위치의 아크 전압으로 전력 반도체 스위치로 전류를 전류(轉流) 시킨 후 보호 스위치(12)가 오픈되는 상태에서 1차 轉流 회로 상에 설치된 전력 반도체 스위치(2)를 턴오프시켜 1차로 전류를 차단하고, 이를 통해 2차 전류(轉流) 회로 상에 설치된 커패시터(15) 상으로 전류가 흐르도록 하여 커패시터(15)의 충전이 이루어지도록 한 뒤, 커패시터 충전 전압이 어느 정도 상승하고 나면 3차 전류(轉流) 회로 상에 설치된 서지 어레스터(17)로 전류가 흐르도록 하여 선로의 에너지가 모두 흡수되도록 하는바, 이로써 완전한 전류 차단이 이루어지도록 하는 것이다.
상기와 같이 사고 전류의 차단 작동이 이루어지는 과정에서 투입/분리 스위치가 전류가 영점을 만나게 되면 극간의 아크가 소호되면서 절연회복을 하게 되고 이로서 완전한 전기적 분리가 T3‘ 시점에서 이루어지게 된다(S4).
이어 투입/분리 스위치(11)가 오픈되고 나면, 이후의 차단 장치 투입 시에 커패시터(15)에 충전된 전압의 과도한 방전 전류가 흐르면서 발생할 수 있는 오동작의 위험을 방지하기 위하여, 방전로(19)에 설치된 방전 스위치(20)를 T4 시점에서 클로즈시킨 뒤 오픈시켜 커패시터(15)에 충전된 전압을 방전시킨다(S5).
이후 상기와 같이 전류가 차단되고 난 뒤 다시 직류 전류 차단 장치가 투입되는 과정에서는, T5 시점에서 주 통전부(10)에 설치된 보호 스위치(12)를 다시 닫아주고 (S6), 이어 T6 시점에서 투입/분리 스위치(11)를 닫아주면(S7), 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 고속 기계식 스위치 세 개가 모두 trip 신호로 인해 개극을 시작하며 그리고 전력 반도체 스위치가 on 상태로 전환되고 T2' 시점에서는 전류(轉流) 스위치로 흐르던 주 통전부의 전류가 모두 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)되어지게 된다. 이 때 두 시점 간에서 전류 스위치 극간 아크 전압과 전력 반도체 스위치 순방향 동작 전압 간의 상호 관계로 주 통전부의 전류가 전류(轉流) 스위치에서 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)가 시작된다.
T3 시점에서는 전력 반도체 스위치의 open 동작으로 주 통전부 전류가 커패시터(15)로 전류되기 시작하는 시점을 나타내며, i1은 주 통전로(1)를 통해 흐르는 전류를, i1'은 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)된 전류를 i2는 커패시터(15)로 흐르는 전류를, 그리고 i3는 서지 어레스터(17)로 흐르는 전류를 각각 나타낸다.
상기 T3 시점에서부터 발생되는 과도 회복전압이 주 통전부(10) 내에 직렬로 연결된 두 스위치 즉 보호 스위치와 전류 스위치(12,13)에 각각 인가되고, T3‘ 시점에서는 주 통전부(10)의 투입/분리 스위치가 오픈 됨으로 사고 전류의 차단이 완료된다.
또한 T4 시점에서는 방전 스위치(20)의 클로즈-오픈(close-open) 동작을 통해 커패시터(15)를 방전시키며, T5 시점에서는 직류 전류 차단 장치의 투입을 위해 주 통전부(10)의 보호 스위치(12)를 닫은 후, 마지막으로 T6 시점에서 투입/분리 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 보호 스위치(12)와 전력 반도체 스위치(13)에 분담되어지는 형태를 보여주고 있다.
전력 반도체 스위치(13)로 통전되던 전류가 완전히 차단되어 모든 전류가 커패시터(15)로 흐르게 되는 시점까지 보호 스위치(12)에는 접점 간의 아크 전압이 존재하고, 이때 나타나는 커패시터(15)의 초기 상승 전압(V1)이 대부분 전력 반도체 스위치(13)에 인가된다.
또한 전력 반도체 스위치(13)가 전류를 완전히 차단하게 되면 모든 전류가 커패시터(15)로 흘러 커패시터가 충전되면서 전압이 계속해서 상승하게 되고, 이때부터 보호 스위치(12)가 극간절연 회복을 시도하게 되어 대부분의 과도 회복전압을 보호 스위치가 담당해야 하는데, 이를 위해서는 일정 비율의 전압(V2)이 보호 스위치(12)에 인가되도록 보호 스위치의 스트레이(stray) 정전용량을 고려하여 전력 반도체 스위치와 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 전류 스위치와 병렬 연결된 전력 반도체 스위치(13)를 단방향 도통 스위치에서 양방향 도통 스위치의 구성으로 대체한 것으로서, 여기서 양방향 도통 스위치의 구성은 2개의 단방향 도통 스위치(22)를 서로 역방향으로 직렬로 연결한 구조를 가진다.
이러한 구성에서 도통 전류 방향에 있어 서로 역방향인 각 반도체 스위치(22)를 통해 흐르는 통전 전류는 상대 측의 역방향 스위치에 병렬로 연결된 프리휠링 다이오드(free-wheeling diode)(D1,D2)를 통해 흘러 통전된다.
이와 같이 전력 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 본 구성에서 사용되는 전력 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
2 : 단방향 전력반도체 스위치
3 : 1차 전류(轉流)회로
10 : 주 통전부
11 : 투입/분리 스위치
12 : 보호 스위치
13 : 전류(轉流) 스위치
14 : 2차 전류(轉流)회로
15 : 전류(轉流)용 커패시터
16 : 3차 전류(轉流)회로
17 : 서지 어레스터
18 : 방전부
19 : 방전로
20 : 방전 스위치
21 : 방전저항
22 : 양방향 전력반도체 스위치

Claims (14)

  1. 사고 발생시 직류전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 장치에 있어서,
    정상동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 3개의 고속 기계식 스위치를 포함하는 주 통전부와;
    상기 주 통전부에 소속된 고속 기계식 스위치 중 한 개의 기계식 스위치에 병렬로 연결된 1차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 전력 반도체 스위치와;
    상기 주 통전로 중 두 개의 직렬 연결된 고속 기계식 스위치와 병렬로 연결된 회로인 2차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 커패시터와;
    상기 주 통전로 중 두 개의 직렬 연결된 기계식 스위치와 병렬로 연결된 회로 상의 커패시터와 병렬로 연결된 회로인 3차 전류(轉流)회로 상에 설치되는 서지 어레스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전력 반도체 스위치가 연결되는 1차 전류(轉流)회로와 병렬로 연결되는 주 통전회로의 기계식 스위치는 직렬 연결된 다른 두 개의 기계식 스위치 정격전압보다 낮은 정격 전압을 갖는 기계식 스위치를 설치하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 전류(轉流)회로에 설치되는 전력 반도체 스위치는 상기 전력 반도체 스위치와 병렬로 연결된 기계식 스위치가 통전 상태에서 개극(Open) 시 아크전압보다 낮은 순방향 전압이 인가되게 함으로 주 통전부의 전류가 상기 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)가 용이하게 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 전류(轉流)회로의 전력 반도체 스위치와 병렬로 연결되는 주 통전회로의 기계식 스위치는 단안정(monostable) 스위치로서 직류전류(dc) 차단기의 트립(trip) 신호를 받아 개극동작을 시작하고 주 통전부 전류가 2차 전류(轉流)회로로 완전히 전류(轉流)된 시점 이후에는 자동으로 폐극(close) 상태로 복귀되는 기능을 가지는 것으로 개극 응답특성이 직렬로 연결된 다른 두 고속 스위치보다 빨라 아크전압의 상승이 신속히 일어나는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터는 투입/분리 스위치의 후단에서 주 통전로로부터 분기된 회로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 커패시터는 전력 반도체 스위치에 의해 주 통전로의 전류가 차단되는 시점에서 인가되는 과도 전압이 보호 스위치와 전류(轉流) 스위치에 분담될 때 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결되어 동일한 인가전압이 걸리는 전력 반도체 스위치의 내전압 한계치를 넘지 않도록 하는 정전 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    투입/분리 스위치에 의해 최종적으로 직류 전류의 차단 동작이 종료된 후 상기 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  8. 청구항 7에 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.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전류회로의 전력용 반도체 스위치는 1개의 단방향 도통 스위치로 형성되거나 또는 2개의 단방향 도통 스위치를 서로 역방향으로 직렬로 연결하고, 각 단방향 도통 스위치에 병렬로 프리휠링 다이오드를 접속하여 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 장치.
  10. 사고 발생시 직류 전류를 차단하기 위한 직류 전류 차단 방법에 있어서,
    정상 동작 상태의 전류를 통전시키기 위한 주 통전로 상에 직렬로 연결되어 설치되는 세 개의 고속 기계식 스위치인 투입/분리 스위치, 보호 스위치 및 전류(轉流) 스위치를 포함하는 주 통전부와;
    상기 주 통전로의 전류(轉流) 스위치와 병렬로 연결된 회로 상의 전력 반도체 스위치와;
    상기 주 통전로와 병렬로 연결된 회로 상에 보호 스위치 및 전류(轉流) 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 통전로의 세 개의 기계식 스위치 만를 통해 정상 전류가 흐르는 정상 동작 상태에서 트립(trip) 신호를 받게 되면 세 개의 고속 기계식 스위치를 오픈시키고, 이어 전류(轉流) 스위치의 전극 간 아크 발생 직후 이를 통해 흐르던 선로 전류가 1차 전류(轉流)회로에 설치된 전력 반도체 스위치로 전류(轉流)되도록 하고 보호 스위치의 극간 간격이 일정 이상 벌어지게 되면 전력 반도체 스위치를 턴 오프 시켜 주 통전로의 전류를 2차 전류(轉流) 회로로 변경되게 하여 커패시터를 충전시키며, 상기 커패시터의 충전 전압이 서지 어레스터의 방전 개시 전압까지 상승하면 3차 전류(轉流) 회로에 설치된 서지 어레스터가 방전을 시작하면서 선로 전류가 서지 어레스터를 통해 흐르게 되어 전류의 차단이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전력 반도체 스위치가 제어부의 제어신호에 따라 턴오프 되어 전력 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류가 차단되는 시점은 아크가 발생되던 보호 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.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 투입/분리 스위치가 오픈된 후 커패시터에 충전된 전압을 방전시키기 위한 방전부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  13. 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 폐극한 후 개극시키는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 주 통전부의 보호 스위치를 먼저 폐극시킨 후 상기 투입/분리 스위치를 폐극시켜 직류전류(dc) 차단 장치의 투입하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
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