KR20150046529A - New circuit configuration of high-voltage hybrid dc circuit breaker - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a large capacity high voltage hybrid DC circuit breaker and a drive method thereof to reverse the polarity of a capacitor (C) voltage with LC resonance by automatically turning off thyristor (T1) and turning on thyristor (T2) when the voltage at both ends of the capacitor (C) becomes equal to a supply voltage; and to prevent a fault current from flowing upward by making a circulating current flow through a path of the thyristor (T1) - the capacitor (C) - an inductor (L) - a surge arrester (Zn02) - a diode (D1) - a mechanical circuit breaker (CB) and a path of the thyristor (T1) - the capacitor (C) - the inductor (L) - the surge arrester (Zn02) - the diode (D1) - a diode (D2) when a fault occurred in a DC line. According to the present invention, provided is a hybrid DC circuit breaker to reduce an installation cost, to reduce a conduction loss during a normal operation, to reduce an interception loss during a fault, to have a strong transient voltage, and to be applicable to DC power transmission.

Description

대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 및 그 구동 방법{NEW CIRCUIT CONFIGURATION OF HIGH-VOLTAGE HYBRID DC CIRCUIT BREAKER}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker,

본 발명은 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 및 그 구동 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 기계식 차단기, Thyristor 스위치, 다이오드 및 LC 공진회로를 구성하여 정상동작시 도통손실이 적고, 고장시 차단손실이 적으며, 직류송전에 적용 가능한 하이브리드 DC 차단기의 새로운 회로구성에 관한 것이다.The present invention relates to a large-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker and a driving method thereof, and more particularly, to a large-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker which comprises a mechanical circuit breaker, a thyristor switch, a diode and an LC resonance circuit, To a new circuit configuration of a hybrid DC breaker applicable to direct current transmission.

대용량 고전압 직류차단기는, 지하철에서 직류배전이 급속히 증가하고 Thyristor 컨버터를 이용한 직류 송전이 증대하면서 그동안 많은 연구가 진행되어 왔다.The large capacity high voltage DC circuit breaker has been studied much since DC power distribution in the subway has been rapidly increasing and DC transmission using the Thyristor converter has been increasing.

대용량 고전압 직류 차단기는 효율적인 차단을 위해 초기에는 LC 공진회로를 이용하여 인위적으로 고장전류가 '0'점을 지나도록 차단하는 방식이 제안되었으나 차단속도가 느린 단점이 있다.In order to efficiently block large-capacity high-voltage DC breakers, a method of artificially interrupting the fault current passing through the '0' point using an LC resonant circuit is proposed initially, but there is a disadvantage that the breaking speed is slow.

이러한 문제점을 개선하기 위해 대용량 다이오드와 Thyristor가 개발되면서 이를 LC 공진회로와 같이 고속 기계식 차단기와 결합하여 차단속도가 향상된 회로구성이 제안되었으나, 주로 지하철 급전선로를 차단하는 수준으로 직류 송전선로에 적용하기에는 차단 용량과 내압 그리고 차단속도에서 성능이 부족한 수준이다.In order to solve these problems, a large diode and a thyristor have been developed and a circuit configuration with a cut-off speed improved by combining this with a high-speed mechanical circuit breaker like a LC resonance circuit has been proposed. However, it is mainly applied to a DC transmission line There is a lack of performance in breaking capacity, breakdown voltage and breaking speed.

한편, 대한민국 공개특허 제10-2005-0083067호(LC공진을 활용한 전압구동형 전력 스위칭 소자의 게이트 차단회로)에는, 스위칭 소자, 게이트에 인덕터, 트랜지스터 및 커패시터를 직렬로 연결하여 트랜지스터 동작시 LC 공진회로를 구성하는 기술이 개시되어 있으나, 정상동작시 도통손실이 너무 큰 단점이 있다.On the other hand, Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0083067 (gate cut-off circuit of voltage-driven power switching device utilizing LC resonance) includes a switching device, an inductor, a transistor and a capacitor connected in series to a gate, Although a technique for constructing a resonant circuit is disclosed, there is a disadvantage in that the conduction loss is too large in normal operation.

아울러, 국내외에서 지하철 급전선로용으로 GTO(Gate Turn-Off Thyristor)를 사용한 반도체 차단기가 개발되어 고장전류가 일정 값에 도달하여 고장이 인식되는 즉시 고속 차단이 가능한 장점을 갖고 있으나, 정상동작시 도통손실이 너무 큰 단점 때문에 상용화되지 못한바 있다.In addition, a semiconductor circuit breaker using a gate turn-off thyristor (GTO) for subway feeder lines has been developed at home and abroad, and has a merit that a breakdown current can reach a certain value, It has not been commercialized because of the drawbacks that the loss is too large.

최근 개발된 대용량 반도체 스위칭인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 IGCT(Insulated Gate-Commutated Thyristor)를 사용한다 해도 도통손실이 너무 커 경제성이 없는 실정이다.Even if an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or IGCT (Insulated Gate-Commutated Thyristor), which is a recently developed large-capacity semiconductor switching, is used, there is no economical efficiency because the conduction loss is too large.

이 때문에 최근에는 반도체 스위치와 기계식 차단기를 결합한 하이브리드 차단기가 제안되어 있다. 하이브리드 차단기는 정상시에는 기계식 차단기로 전류가 흐르고 고장시에는 기계식 차단기로 흐르는 고장전류를 병렬로 연결된 반도체 스위치로 전환시켜 차단한다.For this reason, a hybrid circuit breaker combining a semiconductor switch and a mechanical circuit breaker has recently been proposed. The hybrid circuit breaker is connected to the mechanical circuit breaker in normal operation and in case of failure, the fault current flowing to the mechanical circuit breaker is switched to the connected semiconductor switch in parallel.

최근 ABB사는 반도체 스위치로 IGBT를 사용하는 송전용 하이브리드 DC 차단기를 개발 중에 있은데 차단속도는 설계치인 4ms를 달성한 것으로 발표하고 있으나 손실과 비용에 대한 정보는 공개하고 있지 않다.Recently, ABB has been developing a transmission-type hybrid DC circuit breaker using IGBT as a semiconductor switch. It has announced that the cutoff speed is 4ms, which is the design value, but it does not disclose information about loss and cost.

Alstom사는 고속 기계식 차단기에 신속한 Arc 소호를 위해 Diode, Thyristor, LC 공진회로로 구성된 보조회로를 결합한 직류송전용 하이브리드 DC 차단기를 제안하고 있으나, 구체적인 개발현황은 공개되어 있지 않다.Alstom has proposed a DC DC hybrid circuit breaker that combines a high-speed mechanical circuit breaker with an auxiliary circuit consisting of diodes, thyristors, and LC resonance circuits for rapid arc extinguishing, but the specific development status is not disclosed.

Siemens사 역시 독일 Bundeswher대학의 Marquart 교수와 공동으로 고속 기계식 차단기에 Diode, Thyristor, LC 공진회로로 구성된 보조회로를 결합한 직류송전용 하이브리드 DC 차단기를 연구하고 있는 것으로 알려져 있으나 구체적인 개발현황은 공개되어 있지 않다.Siemens has also been working with Professor Marquart of Bundeswehr University in Germany to study a DC-breaker hybrid DC-breaker that combines a high-speed mechanical breaker with an auxiliary circuit consisting of diode, thyristor and LC resonance circuit, but the specific development status is not disclosed .

국내에서도 한국전기연구원과 효성(주)에서 고속 기계식 차단기에 Diode, Thyristor, LC 공진회로로 구성된 보조회로를 결합한 직류송전용 하이브리드 DC 차단기에 관한 기초연구를 수행하고 있는 것으로 알려져 있다.In Korea, it is known that Korea Electric Research Institute and Hyosung Co. are conducting basic research on dc, dc, dc, dc, dc, dc, dc, dc, dc, dc, dc,

정리하면, 현재까지 직류송전용 차단기로 다양한 회로구성이 제안되어 왔으나, 모두 차단용량, 차단속도, 도통손실, 경제성에 있어 만족할 만큼 타당성을 갖는 기술은 개시된 바 없는 실정이다.To summarize, various circuit configurations have been proposed so far as direct current transmission circuit breakers, but no technology has been disclosed that satisfies all of them in terms of breaking capacity, breaking speed, conduction loss, and economy.

본 발명의 목적은, 기계식 차단기, Thyristor 스위치, 다이오드 및 LC 공진회로를 구성하여 정상동작시 도통손실이 적고, 고장시 차단손실이 적으며, 직류송전에 적용 가능한 하이브리드 DC 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a hybrid DC circuit breaker which is constituted by a mechanical circuit breaker, a Thyristor switch, a diode and an LC resonance circuit, has less conduction loss in normal operation, have.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기는, Thyristor(T1)를 턴-온시켜 커패시터(C)를 충전하여 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프 되고 Thyristor(T2)를 턴-온 되어 L-C 공진에 의해 커패시터(C) 전압의 그 극성을 반전시키되, 직류선로에서 고장이 일어난 경우, Thyristor(T1)를 턴-온하여 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)를 도통시켜 Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류를 흐르도록 하여 고장전류가 더 이상 상승하지 못하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In order to accomplish the above object, a large capacity high voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention comprises a thyristor (T1) turned on to charge a capacitor (C), and when a voltage across a capacitor (C) (T1) is automatically turned off and the thyristor (T2) is turned on so that the polarity of the capacitor (C) voltage is reversed by the LC resonance. When a fault occurs in the DC line, the thyristor (T1) The surge arrester (ZnO2) is conducted by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction and the thyristor (T1), the capacitor (C), the inductor (L), the surge arrester The path of the mechanical circuit breaker CB and the path of the diode D1 are connected to the path of the diode D2 through the path of the thyristor T1, the capacitor C, the inductor L, the surge arrester Zn02, So that the fault current can not rise any more.

그리고, 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 구동 방법은, Thyristor(T1)가 턴-온되어 커패시터(C)를 충전하는 (a) 단계; 커패시터(C)의 충전이 완료되어 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프되는 (b) 단계; Thyristor(T2)가 턴-온되어 L-C 공진에 의해 커패시터(C) 전압의 극성이 반전되는 (c) 단계; 직류선로에서 고장이 일어났을 경우, Thyristor(T1)가 턴-온되어 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)가 도통되는 (d) 단계; 및 Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류가 흐르게 되어 고장전류가 더 이상 상승하지 못하도록 구동하는 (e) 단계;를 포함한다.The method for driving a high capacity high voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention includes the steps of: (a) charging a capacitor C by turning on a thyristor T1; (B) when the charging of the capacitor (C) is completed and the voltage across the capacitor (C) becomes equal to the supply voltage, the thyristor (T1) is automatically turned off; (C) the thyristor (T2) is turned on and the polarity of the voltage of the capacitor (C) is reversed by the L-C resonance; (D) when the failure occurs in the DC line, the surge arrester (ZnO2) is conducted by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction by turning on the thyristor (T1); And Thyristor (T1) → Capacitor (C) → Inductor (L) → Surge Arrester (Zn02) → Diode (D1) → Mechanical Circuit Breaker (CB) (E) so that a circulating current flows through the path of the inductor (L) -> the surge arrester (ZnO2) -> the diode (D1) -> the diode (D2) .

상기 본 발명에 따르면, 기계식 차단기, Thyristor 스위치, 다이오드 및 LC 공진회로를 구성함으로써, 저렴한 설치비용으로 정상동작시 도통손실이 적고, 고장시 차단손실이 적으며, 과도전압에 강인하고, 직류송전에 적용 가능한(4ms 이내의 차단) 하이브리드 DC 차단기를 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, by constituting the mechanical circuit breaker, the thyristor switch, the diode and the LC resonance circuit, it is possible to reduce the conduction loss in normal operation with low installation cost, It is effective to provide an applicable (less than 4 ms) hybrid DC circuit breaker.

구체적으로 본 발명에 따르면, 정상동작시 도통손실이 적고, Fault시 차단속도 또한 4ms 이내에서 가능한바, ABB사가 제안하는 차단기에 비해 규모가 작고 손실이 적으며, Alstom사 및 Siemens사가 고안한 차단기에 비해서도 그 성능과 효율성이 뛰어남에 따라, 현재 급속히 증가하고 있는 직류송전수요에 시기적절하게 적용 가능한 효과가 있다.Specifically, according to the present invention, it is possible to reduce the conduction loss in the normal operation and to set the cut-off speed in the fault within 4ms, which is smaller in size and less in loss than the circuit breaker proposed by ABB Co., and is manufactured by Alstom and Siemens As the performance and efficiency are excellent, it can be applied in a timely manner to the rapidly increasing demand for DC transmission.

도 1은 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기의 동작을 검증하기 위해 PSCAD/EMTDC 소프트웨어로 구성한 시뮬레이션 모델을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기가 Fault 발생시 Thyristor(T1)를 턴-온하고, 기계식 차단기(CB)가 완전히 개방되어 고장전류가 차단될 때까지의 전체 동작을 확인하기 위해 주요 부분의 전압과 전류의 파형을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기가 Fault 발생시 Thyristor(T1)를 ON하고 기계식 차단기(CB)가 완전히 개방되어 고장전류가 차단될 때까지의 응답속도를 확인하기 위해 주요 부분의 전압과 전류의 파형을 확대한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기의 양방향 회로구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 구동 방법을 도시한 순서도.
1 is a circuit diagram showing a high capacity high voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention;
BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker, and more particularly,
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the voltage of the main portion (high-voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker) and the voltage applied to the high-voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention Of the voltage and current.
4 is a graph showing the relationship between the voltage of the main part and the voltage of the main part of the high-voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention in order to confirm the response speed until the faulty current is generated by turning on the thyristor (T1) An enlarged view of the waveform of the current.
5 is a diagram showing a bi-directional circuit configuration of a large capacity high voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention.
6 is a flowchart showing a method of driving a large-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims are to be interpreted in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted in terms of meaning and concept. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기(10)의 회로를 살피면, 좌측의 직류전원에서 전원저항, 차단기, 송전선로를 거쳐 우측의 부하에 전력을 공급하는 구조이다.As shown in FIG. 1, when the circuit of the high capacity high voltage hybrid DC circuit breaker 10 according to the present invention is examined, power is supplied from the DC power source on the left side to the load on the right side through the power source resistance, the breaker, and the transmission line.

본 발명에 따른, 하이브리드 DC 차단기(10)는 기계식 차단기(CB), 기계식 차단기(CB)의 차단속도 향상을 위한 보조회로로 2개의 Thyristor(T1, T2)와, 2개의 다이오드(D1, D2)와, 2개의 Surge Arrester(Zn01, Zn02), 및 LC 공진회로에 사용되는 커패시터(C)와 인덕터(L)로 구성된다. 이때, 인덕터(L)와 직렬로 연결된 저항은 인덕터(L)의 코일 저항을 나타낸다.The hybrid DC circuit breaker 10 according to the present invention includes two thyristors T1 and T2 and two diodes D1 and D2 as auxiliary circuits for increasing the breaking speed of the mechanical circuit breaker CB and the mechanical circuit breaker CB. , Two surge arresters (Zn01 and Zn02), and a capacitor (C) and an inductor (L) used in the LC resonant circuit. At this time, the resistance connected in series with the inductor L represents the coil resistance of the inductor L.

기계식 차단기(CB)는 직류의 경우 교류와 달리 고장전류가 '0'점을 지나지 않아 직접차단이 불가능하여 종래에 차단시 발생하는 Arc를 신속하게 소호하고 차단속도를 향상시키는 연구가 다양하게 이루어지고 있다.
In the case of DC, the mechanical breaker (CB) can not be directly cut off because the fault current does not exceed '0', unlike AC, and various studies have been made to improve the cut-off speed have.

구체적으로, 전원에서 부하로 정격전력을 공급하기 위해 기계식 차단기(CB)가 닫혀있는 경우, 본 발명에 따른 하이브리드 DC 차단기(10)의 동작모드(MODE1 내지 MODE4)를 살피면 아래와 같다.
Specifically, when the mechanical circuit breaker CB is closed to supply the rated power from the power source to the load, the operation modes (MODE1 to MODE4) of the hybrid DC circuit breaker 10 according to the present invention are as follows.

MODE1MODE1

먼저, Thyristor(T1)를 턴-온 시켜 커패시터(C)를 충전하되, 충전 속도는 Rs-L-C 정수에 의해 정해지며, 커패시터(C)로의 전류 인가에 따라 충전이 완료되어 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프 된다.First, the capacitor C is charged by turning on the thyristor T1, the charging speed is determined by the Rs-LC constant, and charging is completed in accordance with the application of the current to the capacitor C, When the voltage becomes equal to the supply voltage, the thyristor (T1) is automatically turned off.

MODE2MODE2

이어서, Thyristor(T2)를 턴-온하면 L-C 공진에 의해 커패시터(C)의 전압은 극성이 반전된다. 이때, 공진주기는

Figure pat00001
가 되고, 공진시 피크전류는
Figure pat00002
가 된다. 또한, 피크전류가 고장전류의 최대치에 약 1.3 내지 1.5배 되도록 설정한다. 실제 반전된 커패시터(C)의 전압은 인덕터(L)의 저항에 의해 공급전압보다 낮아진다.Subsequently, when the thyristor (T2) is turned on, the voltage of the capacitor (C) is reversed by the LC resonance. At this time,
Figure pat00001
And the peak current at the resonance is
Figure pat00002
. Also, the peak current is set to be about 1.3 to 1.5 times the maximum value of the fault current. The voltage of the actually inverted capacitor C becomes lower than the supply voltage by the resistance of the inductor L. [

또한, 커패시터(C)의 전압극성이 반전되면서 Thyristor(T1)에는 공급전압과 반전된 커패시터(C)의 전압이 걸리게 되어 과전전압의 발생에 대비하여 Thyristor(T1) 양단에 Surge Arrester(Zn01)를 연결한다.
As the voltage polarity of the capacitor C is inverted, the supply voltage and the inverted voltage of the capacitor C are applied to the thyristor T1 and the surge arrester (Zn01) is applied across the thyristor T1 Connect.

MODE3MODE3

직류선로에서 고장이 일어났을 경우, 이를 감지하고 Thyristor(T1)을 턴-온하면, 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)가 도통됨에 따라, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류가 흐르게 되어 고장전류가 더 이상 상승하지 못하게 된다.When a failure occurs in the DC line, when the thyristor (T1) is turned on, the surge arrester (Zn02) is turned on by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction, (C) -> Inductor (L) -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) -> Mechanical Circuit Breaker (CB) path and Thyristor ) -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) -> Diode (D2), the fault current can no longer rise.

이때, 기계식 차단기(CB)를 여는 경우, 순환전류를 모두 다이오드(D2)가 분담하게 되어 Arc의 소호를 용이하게 한다.
At this time, when the mechanical circuit breaker CB is opened, all the circulating currents are shared by the diodes D2, which facilitates arc extinguishing.

MODE4MODE4

기계식 차단기(CB)가 열리면 송전선로의 인덕턴스에 저장된 자기에너지는 전류형태로 송전선로, Surge Arrester(Zn02) 및 다이오드(D1)를 통하여 free-wheeling 하면서 서서히 감소하게 되며, 이때 감쇄시간은 선로의 길이 즉 선로저항에 영향을 받는다.
When the mechanical circuit breaker (CB) is opened, the magnetic energy stored in the inductance of the transmission line is gradually reduced while free-wheeling through the transmission line, surge arrester (ZnO2) and diode (D1) in the form of current, That is, it is affected by the line resistance.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기(10)의 동작을 검증하기 위해 PSCAD/EMTDC 소프트웨어로 구성한 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.Meanwhile, FIG. 2 is a diagram showing a simulation model composed of PSCAD / EMTDC software for verifying the operation of the high-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker 10 according to the present invention.

입력전압은 200kV, 전원저항은 2.0Ω, 부하는 100Ω으로 용량은 400MW로 설정하였다. 선로는 200km로 가정하고 이를 4개로 등분하여 각 부분의 선로저항을 0.872Ω, 선로 인덕턴스를 31.5mH로 하였다. 또한, 선로고장을 다양하게 모의할 수 있도록 선로 각 부분 끝단에 병렬로 차단기(BRK1 내지 BRK5)를 연결하여 지락사고를 모의하였다.The input voltage is 200kV, the power resistance is 2.0Ω, the load is 100Ω, and the capacity is set to 400MW. The line is assumed to be 200 km, divided into four, and the line resistance of each part is set to 0.872 Ω and the line inductance to 31.5 mH. In addition, a ground fault was simulated by connecting breakers (BRK1 to BRK5) in parallel at the end of each line to simulate various line faults.

시뮬레이션 시나리오는 먼저, 0.1s에 Thyristor(T1)를 턴-온하여 커패시터(C)를 완전히 충전하면, Thyristor(T1)가 턴-오프된다.The simulation scenario first turns off the thyristor (T1) when the capacitor (C) is fully charged by turning on the thyristor (T1) at 0.1s.

이어서, 0.2s에 Thyristor(T2)를 턴-온하여 커패시터(C)의 극성을 반전시킨다.Then, the polarity of the capacitor C is inverted by turning on the thyristor (T2) at 0.2s.

뒤이어, 0.3S에 선로와 병렬로 연결된 차단기(BRK3)를 닫아 인위적으로 고장을 발생시킨다.Subsequently, the circuit breaker (BRK3) connected in parallel to the line at 0.3S is closed to artificially generate a fault.

이어서, 고장전류가 상승하여 10kA가 되면 Fault를 감지하여 Thyristor(T1)를 턴-온시킨다.Then, when the fault current rises to 10 kA, the fault is detected and the thyristor (T1) is turned on.

Thyristor(T1)에 흐르는 전류가 10kA에 도달하면 기계식 차단기(CB)에 흐르는 전류가 감소하고, 이 전류가 '0'에 도달하면 기계식 차단기(CB)가 열리게 된다.
When the current flowing through the thyristor (T1) reaches 10 kA, the current flowing through the mechanical circuit breaker (CB) decreases, and when this current reaches zero, the mechanical circuit breaker (CB) opens.

한편, 도 3은 Fault 발생시 Thyristor(T1)를 턴-온하고, 기계식 차단기(CB)가 완전히 개방되어 고장전류가 차단될 때까지의 전체 동작을 확인하기 위해 주요 부분의 전압과 전류의 파형을 나타낸 도면이다.3 shows the voltage and current waveforms of the main portion in order to confirm the overall operation until the fault transistor T1 is turned on and the mechanical breaker CB is fully opened to interrupt the fault current FIG.

도 3의 (a)는 Thyristor(T1)에 나타나는 전압파형으로, Thyristor(T1)가 ON되어 커패시터(C)가 완전히 충전되면 양단에 나타나는 전압은 '0'이 되고, Thyristor(T2)가 ON되어 커패시터(C)의 전압이 반대 극성이 되면 공급전압의 2배에 가까운 전압이 발생한다.3 (a) shows a voltage waveform appearing in the thyristor (T1). When the thyristor (T1) is turned on and the capacitor (C) is fully charged, the voltage appearing at both ends becomes '0' and the thyristor When the voltage of the capacitor C becomes the opposite polarity, a voltage nearly twice as high as the supply voltage is generated.

도 3의 (b)는 커패시터(C)에 충전되는 전압파형으로 0.1s에 Thyristor(T1)를 ON하면 양의 전압이 충전되고, 0.2s에 Thyristor(T2)를 ON하면 전압의 극성이 반전된다. 0.3s에 발생한 Fault를 차단하기 위해 고장전류가 10kA에 도달하여 Thyristor(T1)를 ON한다.3 (b) shows a voltage waveform to be charged in the capacitor C. When the thyristor T1 is turned on for 0.1 s, a positive voltage is charged. When the thyristor T2 is turned on for 0.2 s, the polarity of the voltage is reversed . The fault current reaches 10kA to turn off the thyristor (T1) in order to shut off the fault occurring at 0.3s.

이에 따라, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 전류가 흐르면 커패시터(C)가 완전히 방전되고, 인덕터(L)에 의해 다시 초기 극성으로 충전된다.Therefore, the path of the Thyristor (T1) -> Capacitor (C) -> Inductor (L) -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) (C) -> inductor (L) -> surge arrester (Zn02) -> diode (D1) -> diode (D2), the capacitor C is completely discharged and the inductor And is charged with an initial polarity.

도 3의 (c)는 기계식 차단기(CB)에 나타나는 전압파형으로, 정상시에는 전압이 '0'이고 Fault시에는 기계식 차단기(CB)가 개방되어 공급전압 200kV가 나타난다.FIG. 3C shows a voltage waveform appearing in the mechanical circuit breaker CB. In a normal state, the voltage is '0'. In the case of a fault, the mechanical circuit breaker CB is opened and a supply voltage of 200kV appears.

도 3의 (d)는 기계식 차단기(CB)에 흐르는 전류파형으로, 정상시에는 정격전류가 흐르며, Fault시에는 기계식 차단기(CB)가 개방되기 전에 고장전류가 흐르고 기계식 차단기(CB)가 개방된 후에는 흐르는 전류가 '0'이 된다.3 (d) shows the waveform of the current flowing through the mechanical circuit breaker CB. In the normal state, the rated current flows during the normal state. When the mechanical circuit breaker CB is open, After that, the current flowing becomes '0'.

도 3의 (e)는 다이오드(D1)와 Surge Arrester(Zn02)에 흐르는 전류파형으로, Fault시 Thyristor(T1)를 ON하면 커패시터(C)에 의한 순환전류가 흐르고, 기계식 차단기(CB)가 개방된 후에는 선로 인덕턴스에 의해 자기에너지로 저장된 전류가 free-wheeling하게 된다.3E shows a current waveform flowing in the diode D1 and the surge arrester (ZnO2). When the thyristor T1 is turned on at the time of fault, a circulating current by the capacitor C flows, and the mechanical circuit breaker CB is opened The current stored as magnetic energy is free-wheeled by the line inductance.

도 3의 (f)는 Fault시 선로를 통해 흐르는 고장전류의 파형으로, 기계식 차단기(CB)가 완전히 차단되면 선로의 인덕턴스에 의해 Surge Arrester(Zn02)와 다이오드(D1)를 통해 free-wheeling하여 감쇄함을 알 수 있다.
3F shows the waveform of the fault current flowing through the line at the time of fault. When the mechanical circuit breaker CB is completely cut off, it is free-wheeled through the surge arrester (ZnO 2) and the diode D 1 by the inductance of the line, .

한편, 도 4는 Fault 발생시 Thyristor(T1)를 ON하고 기계식 차단기(CB)가 완전히 개방되어 고장전류가 차단될 때까지의 응답속도를 확인하기 위해 주요 부분의 전압과 전류의 파형을 확대한 도면이다.Meanwhile, FIG. 4 is an enlarged view of voltage and current waveforms of a main part in order to check the response speed until the thyristor (T1) is turned on and the mechanical breaker (CB) is completely opened to break the fault current when a fault is generated .

시뮬레이션 결과에 의하면 현재 직류송전에서 요구하는 4ms 차단속도를 충분히 달성할 수 있다.The simulation results show that the 4ms cutoff speed required for current DC transmission can be sufficiently achieved.

구체적으로, 도 4의 (a)는 Thyristor(T1)에 흐르는 전류를 확대한 파형으로 0.3s에 Fault가 발생되어 고장전류가 10kA에 도달한 후, 0.3028s에서 고장이 검출되어 Thyristor(T1)가 동작하는 것을 알 수 있다.Specifically, FIG. 4A shows a waveform in which the current flowing through the thyristor (T1) is enlarged. After a fault occurs at 0.3s and a fault current reaches 10kA, a fault is detected at 0.3028s, It can be seen that it operates.

도 4의 (b)는 기계식 차단기(CB)에 걸리는 전압을 확대한 파형으로, 0..038s에서 기계식 차단기(CB)가 개방되어 양단에 나타나는 전압은 서서히 상승하여 공급전압과 같아진다.Fig. 4 (b) shows an enlarged waveform of the voltage applied to the mechanical circuit breaker CB. At 0. 038 s, the mechanical circuit breaker CB is opened and the voltage appearing at both ends gradually rises to become equal to the supply voltage.

도 4의 (c)는 기계식 차단기(CB)에 흐르는 전류를 확대한 파형으로 0.3s에 Fault가 발생되어 고장전류는 서서히 증가하는데, 고장판별 기준전류를 10kA로 설정하여 0.3028s에서 10kA에 도달한다.4C shows a waveform in which the current flowing through the mechanical circuit breaker CB is enlarged. A fault is generated in 0.3s and the fault current gradually increases. The fault reference current is set to 10kA to reach 10kA at 0.3028s .

이때, 고장을 인지하여 Thyristor(T1)가 ON되면 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)가 도통되면서 T1 - C - L - Zn02 - D1 - CB의 경로 0.3033s 까지 역전류가 서서히 증가하고, 이 전류가 고장전류와 동일한 값이 되는 0.3035s에서 기계식 차단기(CB) 전류는 감소하여 '0'까지 하강한다.When the thyristor (T1) turns on, the surge arrester (Zn02) is turned on by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction, and the path of T1 - C - L - Zn02 - D1 - CB reaches 0.3033s At 0.3035 s, when the reverse current gradually increases and this current becomes equal to the fault current, the mechanical breaker (CB) current decreases and falls to '0'.

또한, 인덕터(L)에 저장된 자기에너지에 의해 기계식 차단기(CB)에 흐르는 전류는 계속 흘러 0.3038s에서 차단이 된다. 이 전류에 의해 커패시터(C)는 다시 순방향으로 충전된다.In addition, the current flowing in the mechanical circuit breaker CB flows continuously by the magnetic energy stored in the inductor L, and is shut off at 0.3038 s. By this current, the capacitor C is again charged in the forward direction.

도 4의 (f)는 Surge Arrester(Zn02)에 걸리는 전압을 확대한 파형으로, 정상시에는 공급전압의 대부분이 다이오드(D1)에 걸리므로 낮은 전압이 나타나고, Thyristor(T1)가 ON되면 감소하여 '0'전압이 되며, 기계식 차단기(CB)의 전류가 감소하면서 10kA 역 전압이 걸리게 된다.
FIG. 4F shows an enlarged waveform of the voltage applied to the surge arrester (ZnO2). In a normal state, most of the supply voltage is applied to the diode D1, so a low voltage appears. When the thyristor T1 is turned ON, A voltage of '0' is applied, and a current of the mechanical circuit breaker CB is reduced, and a reverse voltage of 10 kA is applied.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기(10)의 양방향 회로구성을 도시한 도면이다.5 is a diagram showing a bi-directional circuit configuration of the high capacity high voltage hybrid DC circuit breaker 10 according to the present invention.

전원과 부하로 이루어진 송전선로에서는 단일 차단기로 Fault시 차단이 가능하다. 그러나, 2개의 직류전원이 선로로 연결된 일반적인 직류송전의 경우 선로에 Fault가 발생하면 양단에서 차단이 요구되어 송전단과 수전단 모두에 차단기를 설치한다.In the transmission line consisting of the power source and the load, it is possible to shut off when a fault occurs with a single circuit breaker. However, in the case of normal DC transmission in which two DC power sources are connected to the line, if a fault occurs in the line, it is required to cut off both ends, and a circuit breaker is installed in both the transmission and reception ends.

만일 선로 중앙에서 Fault가 발생하면 좌측과 우측의 하이브리드 DC 차단기는 전술한 바와 동일하게 동작하여 양방향에서 고장전류를 차단할 수 있다.
If a fault occurs at the center of the line, the left and right hybrid DC circuit breakers operate in the same manner as described above and can interrupt the fault current in both directions.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 구동 방법에 대해 살피면 아래와 같다.Hereinafter, a method of driving a large capacity high voltage hybrid DC circuit breaker according to the present invention will be described with reference to FIG.

먼저, Thyristor(T1)가 턴-온되어 커패시터(C)를 충전한다(S10).First, the thyristor (T1) is turned on to charge the capacitor (C) (S10).

이어서, 커패시터(C)의 충전이 완료되어 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프된다(S20).Subsequently, when the charging of the capacitor C is completed and the voltage across the capacitor C becomes equal to the supply voltage, the thyristor T1 is automatically turned off (S20).

뒤이어, Thyristor(T2)가 턴-온되어 L-C 공진에 의해 커패시터(C) 전압의 극성이 반전된다(S30). 이때, Thyristor(T1)에는 공급전압과 반전된 커패시터(C)의 전압이 걸리고, 과전전압의 발생에 대비하여 Thyristor(T1) 양단에 Surge Arrester(Zn01)가 연결된다.Subsequently, the thyristor (T2) is turned on, and the polarity of the voltage of the capacitor (C) is inverted by L-C resonance (S30). At this time, the supply voltage and the inverted voltage of the capacitor C are applied to the thyristor (T1), and a surge arrester (Zn01) is connected to both ends of the thyristor (T1) in order to generate an overvoltage.

이어서, 직류선로에서 고장이 일어났을 경우, Thyristor(T1)가 턴-온되어 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)가 도통된다(S40).Then, when a failure occurs in the DC line, the surge arrester (ZnO2) is turned on by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction by turning on the thyristor (T1) (S40).

그리고, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류가 흐르게 되어 고장전류가 더 이상 상승하지 못하도록 구동한다(S50).The path of Thyristor (T1) -> Capacitor (C) -> Inductor -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) -> Mechanical Circuit Breaker (CB) The loop current is caused to flow through the path of the inductor L-> the inductor L-> the surge arrester (ZnO 2) -> the diode D 1 -> the diode D 2 (S 50).

이때, 기계식 차단기(CB)를 여는 경우 송전선로의 인덕턴스에 저장된 자기에너지는 전류형태로 송전선로, Surge Arrester(Zn02) 및 다이오드(D1)를 경유하여 free-wheeling 하면서 서서히 감소된다.
In this case, when the mechanical breaker CB is opened, the magnetic energy stored in the inductance of the transmission line is gradually reduced while free-wheeling via the transmission line, the surge arrester (ZnO 2) and the diode D 1.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 충전된 커패시터를 이용하여 고장전류와 역방향으로 방전전류를 주입하여 고장전류를 감소시키고, 기계식 차단기가 열릴 때 고장선로의 인덕턴스에 저장된 전기에너지를 Zn0과 다이오드를 통해 free-wheeling으로 감쇄시켜 기계식 차단기의 차단속도를 대폭 향상되었다.As described above, according to the present invention, a charged capacitor is used to inject a discharge current in a direction opposite to a fault current to reduce a fault current. When the mechanical breaker is opened, the electric energy stored in the inductance of the faulty line is divided into ZnO and a diode By cutting through free-wheeling, the cut-off speed of the mechanical breaker has been greatly improved.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be appreciated by those skilled in the art that numerous changes and modifications may be made without departing from the invention. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

10: 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기
CB: 기계식 차단기 T1, T2: Thyristor
D1, D2: 다이오드 Zn01, Zn02: Surge Arrester
C: 커패시터 L: 인덕터
10: High capacity high voltage hybrid DC circuit breaker
CB: Mechanical breaker T1, T2: Thyristor
D1, D2: diode Zn01, Zn02: Surge Arrester
C: Capacitor L: Inductor

Claims (6)

Thyristor(T1)를 턴-온시켜 커패시터(C)를 충전하여 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프되고 Thyristor(T2)를 턴-온되어 L-C 공진에 의해 커패시터(C) 전압의 그 극성을 반전시키되,
직류선로에서 고장이 일어난 경우, Thyristor(T1)를 턴-온하여 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)를 도통시켜 Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류를 흐르도록 하여 고장전류가 더 이상 상승하지 못하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기.
When the voltage across the capacitor C becomes equal to the supply voltage by charging the capacitor C by turning on the thyristor T1, the thyristor T1 is automatically turned off and the thyristor T2 is turned on Thereby inverting the polarity of the voltage of the capacitor C by LC resonance,
If a failure occurs in the DC line, the surge arrester (ZnO2) is conducted by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction by turning on the thyristor (T1) Inductor (L) -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) -> Mechanical Circuit Breaker (CB) path and Thyristor (T1) -> Capacitor (C) -> Inductor (L) -> Surge Arrester ) -> diode (D1) -> diode (D2) so that the fault current can not rise any more. The high-capacity high-voltage hybrid DC circuit breaker according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 L-C 공진은,
그 주기가
Figure pat00003
이고, 공진시 피크전류는
Figure pat00004
이며, 피크전류는 고장전류의 최대치에 1.3 내지 1.5배가 되도록 구성되고, 반전된 커패시터(C)의 전압은 인덕터(L)의 저항에 의해 공급전압보다 낮아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기.
The method according to claim 1,
In the LC resonance,
That cycle
Figure pat00003
, And the resonance peak current is
Figure pat00004
, Wherein the peak current is configured to be 1.3 to 1.5 times the maximum value of the fault current and the voltage of the inverted capacitor (C) is configured to be lower than the supply voltage by the resistance of the inductor (L). breaker.
제1항에 있어서,
상기 커패시터(C)의 전압극성이 반전되어 Thyristor(T1)에는 공급전압과 반전된 커패시터(C)의 전압이 걸려 발생하는 과전전압을 방지하기 위해 Thyristor(T1) 양단에 Surge Arrester(Zn01)를 연결하는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기.
The method according to claim 1,
A surge arrester (Zn01) is connected to both ends of the thyristor (T1) in order to prevent an overvoltage generated by the voltage of the capacitor (C) being inverted and the voltage of the capacitor (C) Voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker.
제1항에 있어서,
상기 기계식 차단기(CB)가 열리면 송전선로의 인덕턴스에 저장된 자기에너지는 전류형태로 송전선로, Surge Arrester(Zn02) 및 다이오드(D1)를 통하여 free-wheeling 하면서 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기.
The method according to claim 1,
When the mechanical circuit breaker (CB) is opened, the magnetic energy stored in the inductance of the transmission line is reduced in a current form by free-wheeling through a transmission line, a surge arrester (ZnO 2) and a diode (D 1) DC breaker.
(a) Thyristor(T1)가 턴-온되어 커패시터(C)를 충전하는 단계;
(b) 커패시터(C)의 충전이 완료되어 커패시터(C) 양단의 전압이 공급전압과 동일해지는 경우, Thyristor(T1)가 자동으로 턴-오프되는 단계;
(c) Thyristor(T2)가 턴-온되어 L-C 공진에 의해 커패시터(C) 전압의 극성이 반전되는 단계;
(d) 직류선로에서 고장이 일어났을 경우, Thyristor(T1)가 턴-온되어 역방향으로 충전되어 있는 커패시터(C)의 전압에 의해 Surge Arrester(Zn02)가 도통되는 단계; 및
(e) Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 기계식 차단기(CB)의 경로와, Thyristor(T1) -> 커패시터(C) -> 인덕터(L) -> Surge Arrester(Zn02) -> 다이오드(D1) -> 다이오드(D2)의 경로로 순환전류가 흐르게 되어 고장전류가 더 이상 상승하지 못하도록 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 구동 방법.
(a) charging the capacitor (C) by turning on the thyristor (T1);
(b) when the charging of the capacitor C is completed and the voltage across the capacitor C becomes equal to the supply voltage, the step (a) of turning off the thyristor T1 is automatically turned off;
(c) the thyristor (T2) is turned on so that the polarity of the voltage of the capacitor (C) is reversed by LC resonance;
(d) conducting a surge arrester (ZnO2) by the voltage of the capacitor (C) charged in the reverse direction when the thyristor (T1) is turned on when a fault occurs in the DC line; And
(e) Thyristor (T1) -> Capacitor (C) -> Inductor (L) -> Surge Arrester (Zn02) -> Diode (D1) -> Path of mechanical breaker (CB) (C) -> inductor (L) -> surge arrester (Zn02) -> diode (D1) -> diode (D2) so that the fault current does not rise anymore Voltage high-voltage hybrid DC circuit breaker.
제5항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
(f) 기계식 차단기(CB)를 여는 경우, 송전선로의 인덕턴스에 저장된 자기에너지는 전류형태로 송전선로, Surge Arrester(Zn02) 및 다이오드(D1)를 경유하여 free-wheeling 하면서 서서히 감소하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 고전압 하이브리드 DC 차단기 구동 방법.
6. The method of claim 5,
After the step (e)
(f) When the mechanical circuit breaker (CB) is opened, the magnetic energy stored in the inductance of the transmission line is gradually reduced while free-wheeling via the transmission line, the surge arrester (ZnO2) and the diode Voltage hybrid hybrid DC circuit breaker.
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