KR20180081806A - 전류가 진동되게 하는, 고압 ｄｃ 네트워크를 위한 회로 차단기 - Google Patents

전류가 진동되게 하는, 고압 ｄｃ 네트워크를 위한 회로 차단기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압 또는 중압 직류 네트워크를 위한 회로 차단기 장치에 관한 것으로서, 회로 차단기 장치는 네트워크 선에 삽입되는 기계적 회로 차단기(S1)를 갖는 분기(A-A'), 및 그것과 병렬로 연결되는, 첫번째로는 피뢰기(5) 분기, 그리고 두번째로는 제1 커패시터 뱅크(C), 개폐 스위치(S2) 및 인덕터의 직렬 연결을 포함한다. 본 발명에 따르면, 회로 차단기 장치는 네트워크 전압에 연결되고 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 연결되는 저압 스테이지(R1s)를 나타내 커패시터 뱅크를 충전시키는 적어도 하나의 저항성 전압 분배기(Rs)를 포함한다.

Description

전류가 진동되게 하는, 고압 ＤＣ 네트워크를 위한 회로 차단기
본 발명은 특히 부하시 그것이 개재되는 전기 회로를 개방하도록 설계된 회로 차단기 장치의 일반적인 기술 분야에 관한 것이고, 보다 정확하게 본 발명은 진동 전류가 주입되게 하는 고압 또는 중압 직류 네트워크를 위한 회로 차단기 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 다지점의 고압 직류(HVDC) 네트워크들 또는 다지점의 중압 직류(MVDC) 네트워크들을 보호하는 기술분야에서 바람직한 적용예들 찾는다. 본 발명의 회로 차단기 장치는 그러한 네트워크에 고장 발생시 관련 교류/직류(AC/DC) 컨버터들과 함께 그러한 네트워크를 보호하는 것을 가능하게 만든다.
DC 컨버터들에 기반하여 DC 네트워크들의 그리고 다지점의 DC 네트워크들이 개발됨에 따라, DC 회로 차단기 장치는 안정하고, 안전하며, 신뢰할 수 있는 동작이 보장될 수 있게 하는 주요 요소가 되었다.
AC 네트워크들에서, 전류는 각 사이클에서 두 번 부호가 변화하며, 그에 따라 AC 회로 차단기는 그것을 인터럽트하기 위해 자연 전류 부호 변화점을 활용하게 된다. DC 네트워크에서는, 직류에 대한 어떤 자연 부호 변화점도 없고, 그에 따라 전류를 인터럽트하는 것이 보다 복잡하다.
DC 네트워크 분야의 상태에서, 고장 DC 전류를 직접 인터럽트하기 위해 절연 게이트 양극성 트랜지스터들(IGBT들)에 기반한 전력 전자 시스템을 활용하는 것이 알려져 있다. 그러한 시스템들이 전류가 빠르게 인터럽트될 수 있게 하지만, 그러한 솔루션은 엄두도 못 낼 정도로 비싸고, 정상 동작시 대량 전도 손실로 이어진다.
다른 알려진 솔루션은 "하이브리드" 또는 "기계 전자 공학"이라 하는 것이고, 그것은 첫째로 초고속 기계적 단로기와 직렬로 연결되는 전자식 전력 디바이스를 갖는 일차 분기를, 그리고 둘째로, 전자식 전력 디바이스를 병렬로 포함한다. 고장 발생시, 일차 분기에서의 전자식 전력 디바이스가 전류를 인터럽트하고 기계적 단로기는 개방된다. 전류는 병렬 분기로 전환되며, 이는 고장을 제거한다. 그러한 솔루션은 전도 손실을 줄이고 매우 빠른 속도로 벗어나는 이점을 보인다. 그러나 그러한 솔루션은 복수의 디바이스가 직렬로 그리고 병렬로 연결될 것을 필요로 하고, 그에 따라 복잡한 제어를 필요로 한다.
또한 특허 출원 WO　2012/100831에 네트워크 선에 삽입되는 기계적 회로 차단기를 갖는 하나의 분기, 및 그것과 병렬로 연결되는, 피뢰기 및 개폐 스위치, 인덕터 및 음의 전압으로 미리 충전된 커패시터의 직렬 연결 양자를 포함하는 HVDC 네트워크를 위한 회로 차단기 장치가 알려져 있다. 고장 전류의 발생시, 개폐 스위치는 커패시터 분기로 전류를 전달하는 역할을 하여 기계적 회로 차단기에서의 전류의 흐름을 감소 및 중단시킨다.
그것이 부호 변화점들을 나타낸다면 고장 전류를 제거할 수 있는 기계적 회로 차단기를 사용하는 다른 솔루션이 또한 알려져 있다. 그러나, DC 네트워크에서는, 고장 전류가 부호 변화점들을 나타내지 않기 때문에, 그러한 기계적 회로 차단기는 고장 전류가 부호 변화점을 인위적으로 나타내도록 야기될 수 있도록 진동 전류를 주입하기 위한 회로와 연관된다. 통상적으로, 기계적 회로 차단기는 그것과 병렬로 연결되는 제1 커패시터 뱅크, 개폐 스위치 및 인덕터를 포함하는 직렬 연결을 갖는다. 고장 전류의 발생 시, 그 다음 개폐 스위치는 커패시터 뱅크가 인덕터를 통해 방전되게 하여 기계적 회로 차단기를 갖는 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래한다.
간행물 AORC Technical Meeting 2014, B4-1120, Mitsubishi, "HVDC breakers for HVDC grid applications"에 설명된 변형 실시예에서는, 커패시터 뱅크를 충전하기 위해 AC원이 사용된다. 그에 따라, 그러한 솔루션은 그것이 네트워크 전압에서 작동하는 보조원 및 개폐 스위치(사이리스터들 또는 절연 그리드 양극성 트랜지스터들 또는 플라즈마 제어 스파크 갭의 스택들)의 사용을 필요로 하기 때문에 값이 비싸다.
마찬가지로, 간행물 IEEE Transactions on Power Apparatus Systems, Hitachi, 1985 "Development and interrupting tests on 250　kV 8kA HVDC circuit breaker"는 개폐 스위치가 또한 네트워크 전압에서 작동하도록 커패시터 뱅크가 네트워크에 의해 네트워크 전압으로 충전되어야 한다는 것을 제안한다.
특허 출원 CN　10333785는 커패시터 뱅크를 충전하기 위한 회로를 설명하지 않고, 제어 모니터링으로 복수의 전자식 전력 디바이스를 사용하는 것을 제공하며, 이 디바이스들은 또한 네트워크 전압에서 작동하도록 사용된다.
본 발명은 고압 또는 중압 직류 네트워크를 위한 회로 차단기 장치를 제안함으로써 위에서 언급된 결점들을 해결하는 것을 추구하며, 이 장치는 진동 전류를 주입하기 위한 회로와 연관된 기계적 회로 차단기를 사용하며, 그러한 기계적 회로 차단기는 보조 전압원의 사용을 필요로 하는 것을 회피하면서, 다양한 전자 구성요소가 네트워크 전압에서 작동할 것을 필요로 하지 않도록 설계된다.
그러한 목적을 달성하기 위해, 상기 고압 또는 중압 직류 네트워크를 위한 회로 차단기 장치는 네트워크 선에 삽입되는 기계적 회로 차단기를 갖는 분기, 및 그것과 병렬로 연결되는, 첫번째로는 피뢰기 분기, 그리고 두번째로는 제1 커패시터 뱅크, 개폐 스위치 및 인덕터의 직렬 연결을 포함하고, 상기 개폐 스위치는 고장 전류의 발생 시 상기 인덕터를 통해 상기 커패시터 뱅크를 방전시켜 상기 기계적 회로 차단기의 분기에 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래하도록 작용한다.
본 발명에 따르면, 상기 회로 차단기 장치는 네트워크 전압에 연결되고 상기 커패시터 뱅크와 병렬로 연결되는 저압 스테이지를 나타내 상기 커패시터 뱅크를 충전시키는 적어도 하나의 저항성 전압 분배기를 포함한다.
본 발명의 상기 회로 차단기 장치는 다음 특성들 중 하나 및/또는 그 이상을 조합하여 더 포함한다:
·　상기 제1 저항성 전압 분배기는 상기 커패시터 뱅크와 함께 100 밀리초(ms)보다 짧은 충전 시간 상수를 보인다;
·　상기 제1 저항성 전압 분배기는 0.05 내지 0.25 범위 내에 놓이는 고압 스테이지와 저압 스테이지 비를 나타낸다;
·　제2 저항성 전압 분배기는 네트워크 전압에 연결되고 상기 커패시터 뱅크와 병렬로 연결되는 저압 스테이지를 나타내고, 상기 제1 저항성 전압 분배기의 저압 스테이지의 저항은 상기 제2 저항성 전압 분배기의 저압 스테이지의 저항보다 작으며, 상기 제1 저항성 전압 분배기의 분배비는 상기 제2 저항성 전압 분배기의 비와 동일하며, 상기 제1 저항성 전압 분배기의 상기 스테이지들은 첫번째로는 폐쇄되어 상기 커패시터 뱅크를 빠르게 충전하고, 충전 후 두번째로는 개방되어 상기 제2 저항성 전압 분배기가 상기 커패시터 뱅크의 전하를 유지할 수 있게 하는 제어 스위치들을 포함한다.
·　제2 커패시터 뱅크를 갖는 분기는 상기 제1 저항성 전압 분배기의 저압 스테이지와 병렬로 연결되고 상기 제1 커패시터 뱅크의 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 나타내고, 제1 및 제2 커패시터 뱅크들은 각각 각각의 제어 스위치와 직렬로 연결되며, 이 제어 스위치 중 하나는 고장 전류의 발생 시 폐쇄되어 관련 커패시터 뱅크를 방전시켜 상기 기계적 회로 차단기의 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래하고, 이 제어 스위치 중 다른 하나는 고장시 재폐로(re-closing)할 경우 폐쇄되어 관련 커패시터 뱅크를 방전시켜 상기 기계적 회로 차단기의 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래한다;
·　상기 고장 전류를 제거한 후, 상기 커패시터 뱅크를 방전시키기 위한 시스템;
·　상기 커패시터 뱅크를 방전시키기 위한 시스템으로서, 상기 제1 저항성 전압 분배기의 상기 제어 스위치들 및 상기 제1 저항성 전압 분배기의 상기 고압 스테이지를 포함하며, 상기 제어 스위치들은 폐쇄되어 상기 커패시터 뱅크를 방전시킨다; 그리고
·　첫째로, 상기 기계적 회로 차단기의 개방 이후, 상기 개폐 스위치를 빠르게 폐쇄하여 교류를 생성하고, 둘째로, 격리 스위치를 개방하여 상기 커패시터 뱅크의 충전을 다시 초기화하는 역할을 하여 후속 회로 차단 동작을 위한 준비를 하는 상기 개폐 스위치 및 상기 격리 스위치를 위한 제어 회로.
다양한 다른 특성이 본 발명의 실시예들을 비-제한적인 예들로서 제시하는 첨부 도면들을 참조하는 이하 설명에 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 차단기 장치의 회로도이다.
도 2는 두 개의 각각의 전압 분배기를 포함하는, 본 발명의 회로 차단기 장치의 제1 변형 실시예의 도해이다.
도 3a는 도 2에 도시된 회로 차단기 장치의 커패시터 뱅크를 충전하는 단계를 나타내는 도해이다.
도 3b는 도 3a의 단계에서 회로 차단기 장치의 커패시터 뱅크를 충전하는 전압의 파형, 및 네트워크 선에 흐르는 전류의 파형을 도시한다.
도 4a는 커패시터 뱅크의 전하를 유지시키는 단계를 도시하는 회로 차단기 장치의 도해이다.
도 4b는 도 4a의 단계에서 회로 차단기 장치의 커패시터 뱅크를 충전하기 위한 전압의 파형을 도시한다.
도 5a는 고장 전류의 발생시 회로 차단기 장치를 도시하는 도해이다.
도 5b는 고장 전류의 발생시 네트워크 전류의 파형 및 커패시터 뱅크를 충전하기 위한 전압의 파형을 도시한다.
도 6a는 회로 차단기 장치의 기계적 회로 차단기를 개방하는 단계를 도시하는 회로 차단기 장치의 도해이다.
도 6b는 고장 전류의 발생시 네트워크 전류의 파형 및 커패시터 뱅크를 충전하기 위한 전압의 파형을 도시한다.
도 7a는 진동 전류를 생성하기 위해 커패시터 뱅크를 방전시키는 단계를 도시하는 회로 차단기 장치의 도해이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 방전 단계에 대응하고 네트워크 전류의 파형 및 커패시터 뱅크를 충전하기 위한 전압의 파형을 도시한다.
도 8a는 커패시터 뱅크를 방전시켜 그것이 다시 초기화될 수 있게 하기 위한 제1 스테이지를 도시하는 회로 차단기 장치의 도해이다.
도 8a에 도시된 방전 단계에 대응하는 도 8b는 커패시터 뱅크의 전압의 파형을 도시한다.
도 9a는 커패시터 뱅크를 방전시켜 그것이 다시 초기화될 수 있게 하기 위한 제2 스테이지를 도시하는 회로 차단기 장치의 도해이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 방전 단계에 대응하고 커패시터 뱅크의 전압의 파형을 도시한다.
도 10은 두 개의 커패시터들의의 뱅크를 갖는, 본 발명의 회로 차단기 장치의 제2 변형 실시예의 도해이다.
도면들에서, 그리고 특히 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 주제는 진동 전류가 주입되게 하는 고압 또는 중압 DC 네트워크(2)를 위한 회로 차단기 장치(1)에 관한 것이다. 본 발명의 회로 차단기 장치(1)는 그러한 네트워크에 고장 발생시 그러한 네트워크 및 그것의 관련 AC/DC 컨버터들을 보호하는 것을 가능하게 만든다. 통상적으로, 그러한 회로 차단기 장치(1)는 그러한 컨버터의 DC 출력과 DC 네트워크 사이에 배치된다. 도면들에서, DC 네트워크(2)는 지점들(A와 A') 사이, 회로 차단기 장치(1)에 삽입된 선으로 표현되고, 그것은 일측 상에 부하 저항(Rc)을 그리고 타측 상에 DC원(Vd)을 포함한다.
본 발명에 따른 회로 차단기(1)는 DC 네트워크 선(2)에 삽입되는 기계적 회로 차단기(S1)를 갖는 분기(A-A')를 포함한다. 용어 "기계적 회로 차단기"(S1)는 능동 회로 차단 부재들이 절연 유체로 그렇지 않으면 10-5 밀리바(mbar) 미만의 고진공으로 채워진 밀폐 인클로저에 둘러싸이는 장치를 나타내기 위해 사용된다. 그러한 유체는 기체, 전적으로는 아니지만 통상적으로 육불화황(SF6)일 수 있으나, 액체 또는 오일도 또한 사용된다. 이러한 절연 및 전류 차단 매질은 그것의 절연성으로, 특히 동등한 압력의 건조 공기의 절연 내력보다 큰 절연 내력을 보이기 위해, 그리고 또한 전류를 인터럽트할 수 있는 그것의 능력으로 선택된다.
분기(A-A')와 병렬로, 제1 커패시터 뱅크(C), 개폐 스위치(make switch)(S2), 및 인덕터(L1)의 직렬 연결이 있다. 개폐 스위치(S2)는 고장 전류의 발생시, 그것이 인덕터를 통해 커패시터 뱅크(C)를 방전시켜 기계적 회로 차단기(S1)를 포함하는 분기에 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래하도록 제어 회로(미도시)의 제어를 받아 개폐된다.
본 발명에 따른 회로 차단기 장치(1)는 커패시터 뱅크(C)가 AC/DC 컨버터에 의해, 또는 도 1의 예에 도시된 바와 같이, 적어도 제1 저항성 전압 분배기(Rs)를 통해, 고압선에 의해, 충전될 수 있게 하도록 설계된다. 분배기는 커패시터 뱅크(C) 및 고압 스테이지(R2s)와 병렬로 연결되는 저압 스테이지(R1s)를 갖는다. 이러한 저항성 전압 분배기의 분배비를 적절하게 선택함으로써, (네트워크 전압, 즉 320　kVdc로 지속적으로 작동하는 것이 아니라) 수십 킬로볼트(kV)의 뱅크 충전 전압으로 작동하는 것이 가능하고, 그렇게 함으로써 그것의 수명을 증가시킨다. 이러한 회로에서, 개폐 스위치(S2)는 저압, 즉 커패시터 뱅크의 충전 전압으로 작동하고, 그렇게 함으로써 그것을 저비용으로 제어되는 스파크 갭에 대해 또는 사이리스터의 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터들(IGBT들)의 스택에 대해 액세스가능하게 만든다.
DC원과 지점(A) 사이, 회로 차단기 장치(1)로부터 상류로, 격리 스위치(S3)가 DC원과 연결되며, 이 격리 스위치는 이하 설명에서 설명될 바와 같이, 커패시터 뱅크(C)를 방전시키기에 적합하다.
바람직한 실시예 특성에 따라, 제1 저항성 전압 분배기(Rs)는 0.05 내지 0.25 범위 내에 놓이는 고압 스테이지(R2s)와 저압 스테이지(R1s) 간 분배비를 나타낸다. 통상적으로, 고압 스테이지(R2s)의 저항은 1.5 메가오옴(MΩ) 내지 10 MΩ 범위 내에 놓이고, 저압 스테이지(R1s)의 저항은 0.1 MΩ 내지 2.5 MΩ 범위 내에 놓인다.
마지막으로, 계속해서 분기(A-A')와 병렬로, 피뢰기 분기(5)가 있다. 이러한 분기는 피뢰기(5), 즉 임의의 알려진 유형의 서지 전압에 대비한 보호를 제공하기 위한 디바이스를 포함한다. 피뢰기(5)는 커패시터 뱅크(C) 및 기계적 회로 차단기(S1)의 단자들에 걸친 최대 서지 전압을 설정하기 위해 그리고 기계적 회로 차단기(S1)에 의한 회로 차단 이후 네트워크로부터 에너지를 흡수하기 위해 제공된다.
도 2는 네트워크 전압에 연결되는 제1 저항성 전압 분배기(Rs) 및 또한 네트워크 전압에 연결되는 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)를 갖는 본 발명에 따른 회로 차단기 장치(1)의 제1 변형 실시예를 도시한다. 제1 저항성 전압 분배기(Rs)는 커패시터 뱅크(C)를 빠르게 충전하기 위해 사용되는 한편 매우 짧은 지속 기간 동안 고손실을 보인다. 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)는 제1 저항성 전압 분배기로부터 인계받아 커패시터 뱅크(C)의 전하를 지속적으로 유지하면서 지속적인 낮은 손실을 보이기 위해 사용된다.
이와 함께, 제1 저항성 전압 분배기(Rs) 및 커패시터 뱅크(C)는 100 밀리초(ms) 미만의 충전 시간 상수를 보인다.
제1 저항성 전압 분배기(Rs)는 저압 스테이지(R1s) 및 고압 스테이지(R2s)를 갖는다. 저압 스테이지(R1s)는 커패시터 뱅크를 충전하기 위해 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 연결된다. 이러한 저압 스테이지(R1s)는 이하에서 상세하게 설명될 기능을 수행하는 제어 스위치(T1s)를 직렬로 포함한다. 고압 스테이지(R2s)는 전기적 접지에 연결되고 이하에서 상세하게 설명될 기능을 수행하는 제어 스위치(T2s)를 직렬로 포함한다. 제어 스위치(T1s 및 T2s)는 회로 차단기 장치(1)와 연관된 제어 회로의 제어를 받아 개폐된다.
제2 저항성 전압 분배기(Rλ)는 저압 스테이지(R1λ) 및 고압 스테이지(R2λ)를 갖는다. 저압 스테이지(R1λ)는 커패시터 뱅크를 충전하기 위해 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 연결된다. 고압 스테이지(R2λ)는 전기적 접지에 연결된다.
바람직한 실시예 특성에 따라, 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 저저항 스테이지(R1s)의 저항은 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)의 저압 스테이지(R1λ)의 저항 미만이다. 다른 바람직한 실시예 특성에 따르면, 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 분배비는 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)의 비와 동일하다. 위에서 언급된 바와 같이, 각 저항성 전압 분배기(Rs 및 Rλ)의 분배비는 0.05 to 0.25 범위 내에 놓인다. 통상적으로, 제1 저항성 전압 분배기(Rs), 저압 스테이지(R1s)의 전기적 저항은 1 킬로오옴(kΩ) 내지 100 kΩ 범위 내에 놓이고, 고압 스테이지(R2s)의 전기적 저항은 20 kΩ 내지 400 kΩ 범위 내에 놓인다.
도 3a 및 도 3b 내지 도 9a 및 도 9b는 도 2에 도시된 회로 차단기 장치(1)의 작동시 주요 단계들을 도시한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 제1 단계는 커패시터 뱅크(C)의 급격한 충전과 관련된다. 이를 위해, 기계적 회로 차단기(S1)는 폐쇄되고 개폐 스위치(S2)는 개방된다. 회로 차단기 장치(1)와 직렬로 연결되는 격리 스위치(S3)가 폐쇄되는 것이 주시되어야 한다. 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 제어 스위치들(T1s 및 T2s)은 폐쇄되어 제1 저항성 전압 분배기(Rs)를 통해 커패시터 뱅크(C)의 급격한 충전을 제공한다. 커패시터 뱅크(C)에 대한 충전 전압의 파형이 도 3b에서의 곡선(T1)에 도시되며, 이는 또한 네트워크 선에, 즉 기계적 회로 차단기(S1)를 통해 흐르는 전류의 파형을 도시한다(곡선(I1)).
도 4a 및 도 4b에 도시된 제2 단계는 커패시터 뱅크(C)의 전하를 영구적인 값으로 유지하면서 저손실을 보이는 것에 관한다. 이를 위해, 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 제어 스위치들(T1s 및 T2s)은 개방되는 한편, 기계적 회로 차단기(S1)는 폐쇄된 채로 유지되고 개폐 스위치(S2)는 개방된 채로 유지된다. 회로 차단기 장치(1)와 직렬로 연결되는 격리 스위치(S3)가 폐쇄되는 것이 주시되어야 한다.
제어 스위치들(T1s 및 T2s)은 개방되어 제1 저항성 전압 분배기(Rs)가 분리될 수 있게 그리고 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)가 커패시터 뱅크(C)의 단자들에 연결될 수 있게 한다. 제어 스위치들(T1s 및 T2s)은 커패시터 뱅크가 완충에 이르기 전에 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)를 사용함으로써 커패시터 뱅크(C)를 충전하는 것이 종료되도록 개방 위치에 자리잡도록 제어된다. 커패시터 뱅크(C)를 충전하는 전압의 파형은 도 4b에서의 곡선(T2)에 의해 도시되며, 이는 제1 저항성 전압 분배기(Rs)와 제2 저항성 전압 분배기(Rλ) 사이 지점(A)에서 충전 변화를 보인다. 그에 따라 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)는 커패시터 뱅크(C)의 전하를 유지하면서 지속적인 낮은 손실을 보이도록 지속적으로 작용한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 다음 단계는 네트워크 선 상의 고장 전류(Id)의 발생을 도시한다. 이러한 고장 전류의 발생은 커패시터 뱅크의 전하 곡선을 도시하는 도 5b에서의 곡선(T3)에서 볼 수 있는 바와 같이, 커패시터 뱅크의 커패시턴스의 감소를 초래한다. 높은 저항을 보이는 고압 스테이지(R2λ)가 이러한 고장 전류의 발생 동안 커패시터 뱅크의 방전을 제한하도록 구성된다는 점이 주시되어야 한다.
고장 전류의 발생 이후, 기계적 회로 차단기(S1)는 보호 회로로부터 오는 제어 명령에 의해, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 개방되도록 제어된다. 종래에는, 기계적 회로 차단기(S1) 내에 전기 불꽃이 나타난다. 이하에서 설명될 바와 같이, 커패시터 뱅크는 고압 스테이지(R2λ)의 높은 저항으로 인해, 고장 전류의 발생시 순간적으로 그것의 전하를 방전시키지 않는다.
다음 단계가 도 7a 및 도 7b에 도시되며, 이들은 커패시터 뱅크(C)가 기계적 회로 차단기(S1)로 방전하는 것을 도시한다. 이를 위해, 개폐 스위치(S2)가 폐쇄되어 커패시터 뱅크가 인덕터(L1) 및 기계적 회로 차단기(S1)에 의해 형성되는 회로로 방전하게 하여 기계적 회로 차단기(S1)를 통해 전달되는 고장 전류 상에 중첩되는 고주파수 진동 전류를 생성한다. 물론, 이러한 방식으로 생성된 바와 같은 진동 전류는 제거되어야 할 고장 전류보다 큰 제1 피크 값을 보여야 한다.
진동 전류(Ip)의 진폭은 다음과 같이 된다:
Figure pct00001
진동 전류의 주파수는 다음과 같이 된다:
Figure pct00002
분배기에 의해 소멸되는 전력은 다음과 같이 된다:
Figure pct00003
분배기당 전류는 다음과 같이 된다:
Figure pct00004
커패시터 뱅크의 단자들에 걸치는 전압은 다음과 같이 된다:
Figure pct00005
충전 시간 상수는 다음과 같이 된다:
Figure pct00006
그에 따라, 진동 전압 및 전류 크기들을 설정함으로써, 저항성 전압 분배기들(Rs, Rλ)의 저항들에 대한, 인덕턴스(L1)에 대한, 그리고 커패시터 뱅크의 커패시턴스에 대한 값들을 결정하는 것이 가능하다.
예를 들어, 고장 전류의 값이 16 킬로암페어(kA)와 동일한 경우라면, 회로 차단기 장치의 구성요소들은 진동 전류의 피크 값이 20 kA에 이르도록 선택된다.
그에 따라 기계적 회로 차단기(S1)를 통해 전달되는 전류는 기계적 회로 차단기(S1)가 그러한 고장 전류를 제거할 수 있도록 부호 변화점을 보인다는 것이 이해되어야 한다. 그 다음 기계적 회로 차단기(S1)는 네트워크의 분기(A-A')를 개방한다.
기계적 회로 차단기(S1)를 포함하는 분기의 이러한 개방을 고려해볼 때, 전류는 해당 분기 주위에 흐르고 인덕터(L1) 및 커패시터 뱅크(C)에 의해 형성되는 회로를 통과할 수 있다. 그에 따라 커패시터 뱅크는 도 7b에서의 곡선(T4)에 의해 도시된 바와 같이, 네트워크에 의해 충전되며 그에 따라 그것의 전압이 증가하게 된다.
그럼에도 불구하고, 피뢰기(5)가 커패시터 뱅크(C)의 단자들에 연결되는 것이 주시되어야 한다. 그에 따라 피뢰기(5)는 전류가 더 이상 피뢰기(5)를 포함하는 분기를 흐르는 대신 커패시터 뱅크(C)를 통해 흐르지 않도록 커패시터 뱅크의 전압 피크를 소정의 값으로 제한한다. 그에 따라 커패시터 뱅크의 전압은 실질적으로 네트워크 전압에서 안정된다. 그 다음 피뢰기(5)는 선에서의 전류가 제로가 되도록(도 7b에서의 전류 곡선(I4)) 전류를 전달하고 에너지를 흡수한다. 본 발명에 따른 회로 차단기 장치(1)는 고장 전류를 제거하는 차단 동작을 수행했다.
다음 동작은 목적하는 진동 방전 전류를 생산하기 위해 커패시터 뱅크가 다시 초기화되도록, 즉 네트워크의 전압 값으로 재충전되도록 전압이 그것의 값에 이른 커패시터 뱅크(C)를 방전시키는 것에 있다.
도 8a 및 도 8b 및 도 9a 및 도 9b는 이러한 커패시터 뱅크(C)를 방전시키는 동작을 도시하며, 이는 두 개의 스테이지에서 수행된다. 첫째로, 커패시터 뱅크(C)가 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)(도 8a)의 시간 상수로 방전되도록 격리 스위치(S3)가 개방되게 된다. 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)의 시간 상수는 상대적으로 길며, 그에 따라 커패시터 뱅크의 전압을 나타낸 도 8b에서의 곡선(T5)에서 볼 수 있는 바와 같이, 방전 속도가 상대적으로 느리게 된다는 것이 상기되어야 한다.
그 후에는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1 저항성 전압 분배기(Rs)를 커패시터 뱅크(C)의 단자들에 연결하기 위해 제어 스위치들(T1s 및 T2s)이 폐쇄되게 된다. 그에 따라, 커패시터 뱅크(C)는 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 시간 상수로 방전된다. 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 시간 상수는 상대적으로 짧으며, 그에 따라 커패시터 뱅크의 전압을 나타낸 도 9b에서의 곡선(T6)에서 볼 수 있는 바와 같이, 방전 속도가 상대적으로 빠르게 된다는 것이 상기되어야 한다. 곡선(T6)에서의 지점(P)은 제2 저항성 전압 분배기(Rλ)를 통한 방전 그리고 제1 저항성 전압 분배기(Rs)를 통한 방전으로부터의 전환에 대응한다.
고장 전류가 제거되고 커패시터 뱅크(C)가 방전되거나 방전되고 있으면, 개폐 스위치(S2)가 기계적 회로 차단기(S1) 및 상기 기계적 회로 차단기(S1)와 직렬로 연결되는 격리 스위치(S3)를 폐쇄하기 전에 개방된다. 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 바와 같이, 커패시터 뱅크(C)는 빠르게 충전되고 제어 스위치들(T1s 및 T2s)을 개방하는 것은 커패시터 뱅크(C)의 전하를 유지하는 것을 가능하게 만든다(도 4a 및 도 4b).
커패시터 뱅크를 충전한 후, 본 발명의 회로 차단기 장치(1)는 고장 전류가 발생하면 곧 다시 다른 회로 차단 동작을 수행할 준비가 된다. 위에서 설명된 다양한 단계가 반복된다.
상기 설명에서 본 발명의 회로 차단기 장치(1)가 보조 전압원을 필요로 하지 않음으로써, 그것의 신뢰성을 증가시키고 그것의 비용을 감소시킨다는 것을 볼 수 있다. 뿐만 아니라, 커패시터 뱅크의 충전 전압은 수십 kV의 값에 이르며, 이는 네트워크의 영구적인 값과 매우 먼 것으로써, 커패시터 뱅크의 노화를 개선한다. 마찬가지로, 개폐 스위치(S2)도 또한 회로 차단 스테이지 동안에도, 네트워크 전압이 아닌, 수십 kV의 전압으로 작동한다. 따라서 개폐 스위치(S2)는 예를 들어, "빠르게 트리거되는" 또는 "제어되는" 스파크 갭, 사이리스터들의 스택 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터들(IGBT들)의 스택에 의해 형성되어, 저비용이 들 수 있다.
도 10은 두 연속적인 회로 차단 동작이 통상적으로 100 ms보다 짧은, 매우 짧은 시간 간격으로 수행될 수 있게 하는 본 발명에 따른 회로 차단기 장치(1)의 제2 변형 실시예를 도시한다. 도면들에 도시된 변형 실시예에서, 회로 차단기 장치(1)는 도 1에 도시된 예에서와 같이 단지 하나의 저항성 전압 분배기(Rs)를 가지나, 그것은 제1 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 배열되는 제2 커패시터 뱅크(C1)를 갖는다. 그에 따라 제2 커패시터 뱅크(C1)는 저항성 전압 분배기(Rs)의 저압 스테이지(R1s)와 병렬로 연결되고 제1 커패시터 뱅크(C)의 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 나타낸다. 제1 및 제2 커패시터 뱅크들의 각각은 각각의 제어 스위치(Tc, Tc1)와 직렬로 연결된다.
이러한 제2 변형 실시예의 동작은 원칙적으로 도 3a 내지 도 9a를 참조하여 상세하게 설명된 제1 변형예의 동작과 동일하다. 차이는 두 개의 커패시터 뱅크를 충전하는 것에 관하며, 이러한 충전은 단일 저항성 전압 분배기(Rs)를 통해 또는 두 개의 병렬 저항성 전압 분배기(Rs 및 Rλ)를 통해 동시에 수행된다. 뿐만 아니라, 제1 고장 전류의 발생 시, 제1 커패시터 뱅크의 제어 스위치(Tc)는 폐쇄되어 제1 커패시터 뱅크를 방전시켜 기계적 회로 차단기의 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래한다. 회로 차단기 장치의 재연결시, 고장이 여전히 존재하는 경우, 기계적 회로 차단기(S1)가 재개방되고 제2 커패시터 뱅크(C1)와 직렬로 연결되는 제어 스위치(Tc1)는 폐쇄되게 되어 제2 커패시터 뱅크를 방전시켜 기계적 회로 차단기를 포함하는 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래한다.
그에 따라 본 발명의 회로 차단기 장치(1)는 적어도 하나의 커패시터 뱅크가 적어도 하나의 저항성 전압 분배기를 통해 고압 네트워크 또는 컨버터에 의해 단순하게 충전될 수 있게 한다. 이 점에 있어서, 도 1에 도시된 예에서, 개폐 스위치(S2) 및 고압 스테이지(R2s)는 네트워크 측 상에 위치되는 한편, 도시된 다른 실시예에서는, 개폐 스위치(S2) 및 고압 스테이지(R2s)가 컨버터 측 상에 위치된다는 것이 주시되어야 한다. 물론, 개폐 스위치(S2) 및 고압 스테이지(R2s)는 컨버터 측 또는 네트워크 측 상 어느 하나에 위치될 수 있다.
본 발명의 회로 차단기 장치(1)는 개폐 스위치(S2)를 위한 그리고 격리 스위치(S3)를 위한 제어 회로를 포함하며, 이 회로는 임의의 적합한 방식으로 만들어질 수 있다. 일반적인 방식으로, 제어 회로는 첫째로, 기계적 회로 차단기(S1)의 개방 이후, 개폐 스위치(S2)를 빠르게 폐쇄하여 진동 전류를 생성하고, 둘째로, 회로 차단기 장치(1)와 직렬로 연결된 격리 스위치(S3)를 개방하여 커패시터 뱅크의 충전을 다시 초기화하는 역할을 하여 후속 회로 차단 동작을 위한 준비를 한다. 이러한 제어 회로는 또한 고장 전류가 제거되고 커패시터 뱅크가 방전되면, 개폐 스위치(S2)를 개방하고 회로 차단기 장치(1)와 직렬로 연결된 격리 스위치(S3)를 폐쇄하는 역할을 한다.
본 발명은 그것의 범위는 넘지 않고 그것에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있기 때문에, 설명되고 제시된 예들로 제한되지 않는다.

Claims (8)

  1. 고압 또는 중압 직류 네트워크를 위한 회로 차단기 장치로서, 상기 회로 차단기 장치는 네트워크 선에 삽입되는 기계적 회로 차단기(S1)를 갖는 분기(A-A'), 및 그것과 병렬로 연결되는, 첫번째로는 피뢰기(5) 분기, 그리고 두번째로는 제1 커패시터 뱅크(C), 개폐 스위치(S2) 및 인덕터(L1)의 직렬 연결을 포함하고, 상기 개폐 스위치(S2)는 고장 전류의 발생시 상기 인덕터(L1)를 통해 상기 커패시터 뱅크를 방전시켜 진동 전류를 생성하고 상기 기계적 회로 차단기의 분기에 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래하도록 작용하며, 상기 회로 차단기 장치는 그것이 네트워크 전압에 연결되고 상기 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 연결되는 저압 스테이지(R1s)를 나타내 상기 커패시터 뱅크를 충전하는 적어도 하나의 저항성 전압 분배기(Rs)를 포함한다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 저항성 전압 분배기(Rs)가 상기 커패시터 뱅크와 함께 100 ms보다 짧은 충전 시간 상수를 나타낸다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 제1 저항성 전압 분배기(Rs)가 0.05 내지 0.25 범위 내에 놓이는 고압 스테이지(R2s)와 저압 스테이지(R1s) 간 분배비를 나타낸다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 그것이 상기 네트워크 전압에 연결되고 상기 커패시터 뱅크(C)와 병렬로 연결되는 저압 스테이지(R1ℓ)를 나타내는 제2 저항성 저항 분배기(Rℓ)를 포함하고, 상기 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 저압 스테이지(R1ℓ)의 저항은 상기 제2 저항성 전압 분배기(Rℓ)의 저압 스테이지(Rℓ)의 저항보다 작으며, 상기 제1 저항성 전압 분배기(Rs)의 분배비는 상기 제2 저항성 전압 분배기(Rℓ)의 비와 동일하고, 상기 제1 저항성 전압 분배기(Rℓ)의 상기 스테이지들은 첫번째로는 폐쇄되어 상기 커패시터 뱅크를 빠르게 충전하고, 충전 후 두번째로는 개방되어 상기 제2 저항성 전압 분배기(Rℓ)가 상기 커패시터 뱅크의 전하를 유지할 수 있게 하는 제어 스위치들(T1s, T2s)을 포함한다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 그것이 상기 제1 저항성 전압 분배기의 저압 스테이지(R1s)와 병렬로 연결되고 상기 제1 커패시터 뱅크(C)의 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 나타내는 제2 커패시터 뱅크(C1)를 갖는 분기를 포함하고, 상기 제1 커패시터 뱅크 및 상기 제2 커패시터 뱅크(C, C1) 각각은 각각의 제어 스위치(Tc, Tc1)와 직렬로 연결되며, 이 제어 스위치 중 하나는 고장 전류의 발생 시 폐쇄되어 관련 커패시터 뱅크를 방전시켜 상기 기계적 회로 차단기의 분기를 통해 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래하고, 이 제어 스위치 중 다른 하나는 고장시 재폐로(re-closing)할 경우 폐쇄되어 관련 커패시터 뱅크를 방전시켜 상기 기계적 회로 차단기의 분기에 흐르는 전류에 부호 변화점을 초래한다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 그것이 상기 고장 전류를 제거한 후, 상기 커패시터 뱅크를 방전시키기 위한 시스템을 포함한다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 커패시터 뱅크를 방전시키기 위한 시스템으로서, 그것이 상기 제1 저항성 전압 분배기의 상기 제어 스위치들(T1s, T2s) 및 상기 제1 저항성 전압 분배기의 고압 스테이지를 포함하며, 상기 제어 스위치들은 폐쇄되어 상기 커패시터 뱅크를 방전시킨다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 그것이 첫째로, 상기 기계적 회로 차단기(S1)의 개방 이후, 상기 개폐 스위치(S2)를 빠르게 폐쇄하여 진동 전류를 생성하고, 둘째로, 격리 스위치(S3)를 개방하여 상기 커패시터 뱅크의 충전을 다시 초기화하는 역할을 하여 후속 회로 차단 동작을 위한 준비를 하는 상기 개폐 스위치(S2) 및 상기 격리 스위치(S3)를 위한 제어 회로를 포함한다는 점에서 특징지어지는, 회로 차단기 장치.
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