KR20170113836A - 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류전원과 전기디바이스 사이에 개재(介在)되어 직류전원을 스위칭하는 기계적 접점부의 개폐동작으로 전기디바이스에 공급되는 직류전원을 스위칭하는 래칭 릴레이(Latching Relay); 래칭 릴레이의 기계적 접점부와 병렬로 우회 연결되어 기계적 접점부보다 소정시간 동안 선행동작하여 아크 발생을 억제하는 반도체 스위칭 소자; 반도체 스위칭 소자를 소정시간 스위칭하는 게이트 제어신호를 절연 제어하는 포토커플러; 래칭 릴레이의 기계적 접점을 개폐 제어하는 릴레이 제어신호; 포토커플러를 제어하는 소자 제어신호; 릴레이 제어신호와 소자 제어신호를 미리 설정 설정된 순서에 의해 순차 발생하는 시퀸스 제어장치를 포함한다.

Description

직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치{ARC PROTECTION CIRCUIT FOR DC POWER DISCONNECT}

본 발명은 직류전원과 전기디바이스 사이에 개재(介在)되어 직류전원을 스위칭하는 직류전원 단로기의 기계적 접점 보호에 관한 것으로, 예를 들면, 태양광 발전시스템에 있어서, 인버터에 인입되는 솔라 어레이(Solar Array) 스트링(String)의 직류 (+)전원을 스위칭하는 단로기의 기계적 접점을 보호하는 우회회로(Bypass)에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템이나 전기차, 하이브리드 자동차 등의 전기 디바이스는 고압의 직류전원을 사용하고 있다. 이와 같이, 직류전원을 사용하는 전기 디바이스 사이에는 직류전원을 차단하는 통상 단로기(Disconnecting Switch)가 설치된다.

예를 들어, 태양광 발전 시스템은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지 모듈이 직렬로 연결되어 있고, 직렬 연결된 태양전지 모듈의 한쪽은 서로 연결되어 공동 접지(-)되어 있으며, 다른 한쪽은 직렬로 연결된 각각의 태양전지 모듈(SM)의 (+)측이 결속기로 공동 접속되어 있다. 결속기로 결속된 (+)직류전원 스트링은 단로기와 누설전류 차단기를 거쳐 전기디바이스인 인버터로 들어가 AC 전원으로 변환되어 사용된다.

일반적으로 각 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀로 구성되는 데, 예를 들면, 전형적인 태양전지 모듈이 24개의 태양전지 셀로 구성되어 있는 경우, 태양광 아래에서 양극(+) 단자와 음극(-) 단자 사이에 약 12V를 생산한다. 실제로 이와 같은, 태양전지 모듈이 복수개 직병렬로 연결된 태양광발전 어레이의 (+)전원 스트링과 접지(-) 사이에는 600~1000V의 고압과 수 암페어(A)의 전류가 흐른다.

이와 같은, 태양광 발전시스템은 고장 장애 또는 유지 보수를 위해 탱양광 발전 어레이의 스트링이 접속되어 있는 고압 스트링 직류전원을 차단하기 위해 스트링과 인버터 사이에는 단로기가 설치된다.

종래의 단로기에는 통상 기계적인 접점을 가진 릴레이나 서키트 브레이커(Circuit Breaker)를 이용되고 있다. 그러나, 수 백볼트 직류 전압과 수 암페어의 전류가 흐르고 있는 스트링 (+)직류전원을 단로기의 기계적인 접점을 이용하여 스위칭하는 경우, 직류전원에는 교류전원과 같이 전류 영점(零點)이 없기 때문에 단로기의 접점 사이에는 직류 아크(Arc)가 발생되기 쉬우며, 한번 발생된 아크는 접점 간극이 충분히 이격될 때까지 상당 시간 지속된다. 지속되는 아크는 단로기의 접점을 용손시켜 단로기의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 화재 사고의 위험도 있다.

그래서, 단로기의 수명을 연장시키고 화재사고 등을 방지하기 위해 흔히 단로기 용량을 설비용량 이상으로 크게 설계/사용하고 있다. 그러나, 단로기의 용량을 크게 해도 접점에서 발생하는 아크를 피할 수 없기 때문에, 수명이 크게 연장되지 않을 뿐만 아니라 설비비용을 크게 증가시킨다는 문제점이 있다.

이와 같이, 직류단로기의 기계적인 접점에서 발생하는 아크를 억누르기 위한 하이브리드 반도체 우회(Bypass Circuit)가 알려져 있다. 그 대표적인 예로서, 도 1에 나타낸 미국등록특허 8742828호(한국등록특허 10-1420831호)에는 직류 전류원(2) 및 전기 디바이스(3) 사이, 특히 광전지 발전기, 및 전류-전도 기계적 스위칭 접촉부(7a, 7b) 및 상기 스위칭 접촉부(7a, 7b)와 병렬로 접속된 반도체 전자장치(8)를 갖는 인버터 사이에서 직류 전류를 일시정지하기 위한 것으로, 반도체 전자장치(8)는 스위칭 접촉부(7a, 7b)가 폐쇄될 때 비-전도성이 되고, 반도체 전자장치(8)의 제어 입력부(15)는, 스위칭 접촉부(7a, 7b)가 개방될 때, 스위칭 접촉부(7a, 7b)를 통한 아크(LB)의 결과로서 생성된 아크 전압(ULB)이 반도체 전자장치(8)가 전도성이 되도록 스위칭하는 스위칭 접촉부(7a, 7b)와 배선되는 직류전류 일시정지를 위한 스위치 분리기(Disconnector Switch for Galvanic Direcr Current Interruption)가 개시되어 있다.

그러나, 상술한 미국등록특허 8742828호는 스위칭 접촉부(7a, 7b) 사이에 발생된 아크 전압(ULB)에 의해 반도체 스위치(11)가 작동되기 때문에, 이미 발생된 아크에 의해 스위칭 접촉부(7)가 점차적으로 용손되어 스위칭 접촉부(7)의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

1. 미국 등록특허 US 8742828 B2(2014년01월03일) 2. 미국 등록특허 US 8901603 B2(2014년12월02일) 3. 한국 등록특허 10-1337927(2013년12월02일)

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 디바이스의 직류전원을 차단하는 단로기 용량을 최소 용량으로 하면서, 단로기 기계적 접점부의 아크 발생을 원천적으로 일어나지 않게 하여 단로기의 수명을 대폭 연장시킬 수 있는 보호회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 정전이 되거나 전원장치가 고장이 발생해도 별도로 외부 구동전압 공급없이 신뢰성 있게 동작하는 단로기 기계적 접점부의 보호회로를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적은, 직류전원과 전기디바이스 사이에 개재(介在)되어 직류전원을 스위칭하는 기계적 접점부의 개폐동작으로 전기디바이스에 공급되는 직류전원을 스위칭하는 래칭 릴레이(Latching Relay); 래칭 릴레이의 기계적 접점부와 병렬로 우회 연결되어 기계적 접점부보다 소정시간 동안 선행동작하여 아크 발생을 억제하는 반도체 스위칭 소자; 반도체 스위칭 소자를 스위칭하는 게이트 제어신호를 절연 제어하는 포토커플러; 래칭 릴레이의 기계적 접점을 개폐 제어하는 릴레이 제어신호; 포토커플러를 소정시간 동안 제어하는 소자 제어신호; 릴레이 제어신호와 소자 제어신호를 미리 설정 설정된 순서에 의해 순차 발생하는 시퀸스 제어장치에 의해 달성된다.

또한, 래칭 릴레이는 이중코일(Dual Coil) 및 적어도 하나의 3로 스위칭의 기계적 접점을 가지며, 상기 3로 스위칭의 기계적 접점은 상기 이중코일의 어느 하나를 여자시키는 셋(SET)신호와 리셋(REST)의 릴레이신호로 개폐되는 것을 특징으로 한다.

또한, 반도체 스위칭 소자를 제어하는 게이트 드라이브 신호는 상기 포토커플러에 의해 절연 및 중개 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 포토커플러는 게이트 드라이브 신호를 외부 구동전원 공급없이 직류전원으로 동작시키는 광전지출력 포토커플러(Photovoltaic-Output Photocoupler)인 것을 특징으로 한다.

또한, 반도체 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET)이나 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 직류전원 단로기의 접점 보호회로는 직류전원 단로기에 과전류 보호퓨즈가 병렬로 바이패스된 직렬직류전원 단로기가 직렬로 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 직류전원과 전기디바이스 사이에 기계적인 래칭릴레이 접점과 병렬로 반도체 스위칭 소자를 우회 병렬 연결하고, 제어장치의 시퀀스 제어신호에 의해 래칭릴레이의 개폐 직전에 반도체 스위칭 소자를 턴온시켜 직류전원을 일정시간 병렬 우회시키고, 이때, 래칭릴레이의 기계접점 사이의 전압이 수 볼트까지 낮아진 상태에서, 래칭릴레이를 동작시킴으로써 기계접점 사이의 아크발생이 원천적으로 억제된다. 이로 인하여, 래칭 릴레이의 용량을 크게 하지 않아도 래칭릴레이의 수명이 대폭 연장되고, 화재사고도 예방된다.

또한, 래칭 릴레이를 사용함으로써 정전이 되거나 전원장치가 고장나 구동전압이 없어도 래칭 릴레이가 스스로 개폐되는 일이 없을 뿐만 아니라. 자체 직류전원으로 동작하는 광전지출력 포토커플러를 사용하여 반도체 스위칭 소자의 게이트를 소정시간 동안 선행 구동시킬 수 있다. 이로 인하여, 정전이 되거나 전원장치가 고장나 부가적인 구동전압이 없어도 반도체 스위칭 소자의 병렬 우회 보호회로가 신뢰성 높게 작동한다.

도 1은 종래의 태양광 발전 시스템을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직류전원 단로기의 병렬 우회 보호회로.
도 3은 도 2의 동작 타임챠트.
도 4는 본 발명의 직류전원 단로기의 병렬 우회 보호회로가 태양광발전 시스템에 적용된 실시예.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직류전원 단로기(100)의 병렬 우회 보호회로를 나타낸 것으로, 본 발명의 직류전원 단로기(100)의 병렬 우회 보호회로는 직류공급원(미도시)에 연결된 직류전원 입력단자(H/V DC-INPUT)와 전기디바이스(미도시)에 연결되는 직류전원 출력단자(H/V DC-OUTPUT) 사이에 개재(介在) 설치된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 직류전원 단로기(100)의 병렬 우회 보호회로는, 직류전원 입력단자(H/V 직류INPUT)의 직류공급원(미도시)과 전기디바이스(미도시) 사이에 개재(介在) 설치되어 기계적 접점부의 개폐동작으로 전기디바이스의 직류전원 출력단자(H/V 직류OUTPUT)의 직류전압을 스위칭하는 래칭 릴레이(RL1); 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부와 병렬로 우회 연결되어 기계적 접점부보다 소정시간 동안 선행동작하여 아크 발생을 억제하는 반도체 스위칭 소자(Q1); 반도체 스위칭 소자(Q1)를 소정시간 선행하여 게이트 제어신호를 절연 제어하는 포토커플러(OP1); 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점을 개폐 제어하는 릴레이 제어신호(SET/RESET); 포토커플러(OP1)를 소정시간 동안 제어하는 소자 제어신호(B/P1); 릴레이 제어신호(SET/RESET)와 소자 제어신호(B/P1)를 미리 설정 설정된 순서에 의해 순차 발생하는 시퀸스 제어장치(미도시)를 포함한다.

도 3은 직류전원 단로기(100)의 각 구성부의 동작 타임 챠트를 나타낸 것으로, 도 3(a)는 제어장치의 소자 제어신호(B/P1)에 의해 동작하는 반도체 스위칭 소자(Q1)의 동작시간 타임챠트, 도 (3b)는 반도체 스위칭 소자(Q1)가 소정시간 동작하는 동안 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점의 동작시간 타임챠트, 도 3(c)는 반도체 스위칭 소자(Q1)가 동작하고, 이때, 래칭 릴레이(RL1)가 동작할 때, 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부에 인가되는 직류전압을 도식적으로 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 제어장치로부터 소자 제어신호(B/P1)가 릴레이 제어신호(SET/RESET)보다 선행하여 제어장치로부터 포토커플러(PP1)의 입력측에 게이트 제어신호(B/P1)가 입력되면, 포토커플러(PP1)의 광다이오드가 발광하게 되고, 광다이오드 발광은 10~12V/40μA의 미세한 전력이 외부전원 공급없이 자체 생산된다. 이 10~12V와 40μA의 자체 생산된 전력은 반도체 스위칭 소자(Q1)의 게이트(G)에 입력되어 반도체 스위칭 소자(Q1)를 턴온(Turn On)상태, 즉, 도전상태를 만들고, 반도체 스위칭 소자(Q1)가 도전된 상태는 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부 사이를 0.5~1.0Ω 정도의 낮은 임피던스로 만든다. 이때, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부 사이는 선행하여 직류수 백V의 고압(HV)에서 대략 10V 이하의 저전압(LV) 상태가 된다. 도 3(c)는 이와 같이, 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부 사이가 10V 이하의 저전압 상태가 되었을 때, 릴레이 제어신호(SET/RESET)가 입력되어 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부를 후행 개방시켜 고압 직류전원 출력단자(H/V DC-OUTPUT)의 고압 직류전원을 차단한다.

따라서, 선행 동작하는 반도체 스위칭 소자(Q1)의 턴온으로 기계적 접점부 사이가 10V 이하의 저전압이 되고, 이 저전압 상태에서 래칭 릴레이(RL1)의 기계적 접점부를 후행 개폐하는 것으로 기계적 접점부의 아크 발생이 원천적으로 억제된다.

래칭 릴레이(RL1)는 이중코일(Dual Coil) 및 적어도 하나 이상의 3로 스위칭의 기계적 접점을 가지는 것이 접점을 병렬연결하여 접점용량을 증가시키는데에 바람직하며, 3로 스위칭의 기계적 접점은 이중코일의 어느 하나를 여자시키는 셋(SET)신호와 리셋(REST)의 릴레이신호에 의해 확실하게 개폐시킬 수 있다. 또한, 상시 구동전원 없이 개폐상태를 유지할 수 있는 이중코일의 래칭 릴레이(RL1)를 사용함으로써, 정전이 되거나 전원장치가 고장이 나도 래칭 릴레이가 스스로 개폐되는 일이 없어져 화재 등의 안전사고 예방된다.

또한, 포토커플러(OP1)는 게이트 드라이브 신호를 외부 구동전원 공급없이 직류전원(H/V INPUT & H/V OUTPUT)으로 동작시킬 수 있는 광전지출력 기능이 있는 포토커플러(OP1)인 것이 바람직하다. 일반적인 포토커플러와 달리, 광전지출력 포토커플러(OP1)는 절연된 출력측에서 반도체 스위칭 소자(Q1)를 턴온 시킬 수 있는 전압과 전류가 자체 생성되어, 반도체 스위칭 소자(Q1)를 외부 구동전원이 없이 구동시키게 된다. 따라서, 정전이 되거나 전원장치가 고장이 나도 반도체 스위칭 소자(Q1)를 제어할 수 있게 되고, 이에 따라, 반도체 스위칭 소자(Q1)의 병렬 우회 보호회로가 부가된 직류전원 단로기(100)를 신뢰성 높게 작동시킬 수 있다.

또한, 반도체 스위칭 소자(Q1)는 직류전원을 제어장치의 제어신호로 스위칭할 수 있는 반도체 스위칭소자라면 특별히 제한하지 않지만, 일반적으로 널리 사용되고 있는 모스펫(MOSFET)이나 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 직류전원 단로기(100)의 병렬 우회 보호회로를 태양광 발전시스템(PV)에 적용된 실시예로서, 도시된 바와 같이, 직류전원 단로기(100)에 과전류 보호퓨즈(F2)와 병렬로 바이패스된 직렬 직류전원 단로기(200)가 직렬로 더 포함되어 있는 점이 다르다.

일반적으로, 직류전원 단로기(100)의 전단에는 과전류 보호퓨즈(F2)가 직렬로 연결되어 전기 디바이스, 여기서는 인버터(INV)를 보호하고 있다. 그러나, 안전퓨즈(F1)가 용손되어도 인버터(INV)가 정상인 경우, 계속적인 인버터(INV)의 전력생산을 위해 직류전원 공급이 필요하다. 안전퓨즈(F1)가 용손되더라도 인버터(INV)에 안전하게 직류전원을 계속 공급하기 위해 안전퓨즈(F1)와 병렬로 바이패스된 직렬 직류전원 단로기(200)를 직렬로 연결한다. 이와 같은, 직렬 직류전원 단로기(200)는 래칭 릴레이(RL2)와 래칭 릴레이(RL2)의 기계적 접점부와 병렬 접속된 반도체 스위칭 소자(Q2), 반도체 스위칭 소자(Q2)의 게이트(G)를 제어하는 포토커플러(OP2), 포토커플러(OP2)를 제어하는 제어신호(B/P 2)의 구성되어 전술한 직류전원 단로기(100)와 동일한 작용을 한다. 단지 차이점은 직렬로 안전퓨즈(F2)가 안전퓨즈(F1)와 병렬로 이중 설치된다는 점이 다르다.

이와 같은 직렬 직류전원 단로기(200)는 안전퓨즈(F2)가 용손되어도, 전술한 직류전원 단로기(100)와 동일하게 작용하여 직류전원(H/V INPUT & H/V OUTPUT)을 안전하게 인버터(INV)에 계속 공급할 수 있다.

100: 직류전원 단로기 200: 직렬 직류전원 단로기
H/V DC-INPUT : 직류전원 입력단자 H/V DC-OUTPUT: 직류전원 출력단자
RL1, RL2: 래칭 릴레이 Q1, Q2: 반도체 스위칭 소자
OP1. OP2: 포토커플러 B/P1, B/P2: 소자 제어신호
SET1, SET2, RESET1. RESET2: 릴레이 제어신호
F1, F2: 안전퓨즈 PV: 태양광 발전시스템
INV: 인버터

Claims (6)

1. 직류전원과 전기디바이스 사이에 개재(介在)되어 상기 직류전원을 스위칭하는 단로기의 기계적 접점 보호에 있어서,
   상기 단로기의 기계적 접점부의 개폐동작으로 상기 전기디바이스에 공급되는 직류전원을 스위칭하는 래칭 릴레이(Latching Relay);
   상기 래칭 릴레이의 기계적 접점부와 병렬로 우회 연결되어 상기 기계적 접점부보다 소정시간 동안 선행 동작하여 아크 발생을 억제하는 반도체 스위칭 소자;
   상기 반도체 스위칭 소자를 스위칭하는 게이트 제어신호를 절연 제어하는 포토커플러;
   상기 래칭 릴레이의 기계적 접점을 개폐 제어하는 릴레이 제어신호;
   상기 포토커플러를 소정시간 동안 제어하는 소자 제어신호;
   상기 릴레이 제어신호와 상기 소자 제어신호를 미리 설정 설정된 순서에 의해 순차 발생하는 시퀸스 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 래칭 릴레이는 이중코일(Dual Coil) 및 적어도 하나의 3로 스위칭의 기계적 접점을 가지며, 상기 3로 스위칭의 기계적 접점은 상기 이중코일의 어느 하나를 여자시키는 셋(SET)신호와 리셋(REST)의 릴레이신호로 개폐되는 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   반도체 스위칭 소자를 제어하는 게이트 드라이브 신호는 상기 포토커플러에 의해 절연 및 중개 제어되는 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 3의 어는 한 항에 있어서,
   포토커플러는 상기 게이트 드라이브 신호를 외부 구동전원 공급없이 상기 직류전원으로 동작시키는 광전지출력 포토커플러(Photovoltaic-Output Photocoupler)인 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 3의 어느 한 항에 있어서,
   반도체 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET)이나 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5의 어느 한 항에 있어서,
   직류전원 단로기의 접점 보호회로는 상기 직류전원 단로기에 과전류 보호퓨즈가 병렬로 바이패스된 직렬직류전원 단로기가 직렬로 더 포함되는 것을 특징으로 하는 직류전원 단로기의 접점 보호와 차단 및 재투입장치.
   
   

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