KR20180097616A - 전류를 차단하기 위한 장치, 시스템, 및 방법 - Google Patents

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Abstract

전력 시스템의 2개의 섹션(100, 200)을 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 및 제2 단자(11, 12)를 포함하는 전류 차단하기 위한 장치(10)가 제공된다. 전압 제어 수단(4)은 주 전류(I)를 차단하기 위해 개방하도록 제어되는 동안 기계식 주 회로 브레이커(1)를 포함하는 상기 분기부(15)를 통해 흐르는 교류 전류(Io)의 급격한 증가를 강제하기 위해 상기 루프에 에너지를 주입하도록 사용 시에 제어 가능하며, 이에 따라 교류 전류(Io)의 진폭(AIo)이 주 전류의 진폭(AI)을 초과할 때 기계식 주 회로 브레이커(1)를 거치는 전류(Isw)의 제로 크로스 오버가 실현된다. 에너지 흡수 디바이스(2)는 기계식 브레이커가 개방될 때 상기 커패시터(31) 양단과 상기 기계식 브레이커(1) 양단의 전압을 제한하도록 구성된다. 또한, 에너지 흡수 디바이스는 기계식 브레이커 양단의 전압이 개방 프로세스에서 또는 그 직후에 브레이크 다운되면 유도성 소자(32) 양단의 전압을 제한하고, 그렇게 함으로써 상기 루프를 거치는 전류의 상승률 및 피크를 제한하도록 구성된다. 그렇게 함으로써, 상기 공진 루프를 거치는 전류의 상승률 및 피크는 제한되고, 중단 될 전류의 유형에 관계없이 개선된 전류 차단 능력이 획득된다. 전류를 차단하기 위한 시스템 및 방법이 또한 제공된다.

Description

전류를 차단하기 위한 장치, 시스템, 및 방법
본 발명은 일반적으로 전력 시스템에서 전류를 차단하는 것에 관한 것이고, 특히 주 전류를 차단하기 위해 추가된 보조 진동 전류를 이용하는 회로 브레이커에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전류를 차단하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
회로 브레이커 또는 다른 전류 차단 수단의 사용은 일반적으로 전력 분배 또는 전송 시스템과 같은 전기 시스템 전반에, 특히 예를 들어 단락 회로 결함 또는 과전류 조건 등의 조건 하에서 전력 시스템의 상이한 구성 요소의 동작을 보호, 격리, 및/또는 제어하는 수단으로 잘 정립되어 있다. 회로 브레이커는 또한 전력 시스템의 특정 구성 요소 또는 섹션에 대한 수리 및/또는 유지 보수 중에 전력 시스템의 부품을 격리하는 데 사용된다. 또한, 회로 브레이커는 모터 또는 다른 산업 부하와 같은 다양한 부하를 네트워크에 연결하는 데 자주 사용된다.
전력 시스템의 전류 또는 전압 레벨에 따라 상이한 유형의 회로 브레이커가 전류 차단기로 사용되어 왔다. 접점(contact)을 분리하는 데 사용되는 액추에이터가 모터, 스프링, 공압 장치, 또는 일부 다른 수단을 사용할 수 있는 가장 일반적인 기계식 회로 브레이커가 사용된다. 대체 전류 차단기는 반도체 디바이스를 사용할 수 있다.
대부분의 응용은 안전상의 이유로, 전류 차단기가 회로 브레이커의 양측 사이의 물리적 분리를 실현할 것을 필요로 하고, 결과적으로 솔리드 스테이트 전류 차단기가 사용되더라도 기계식 스위치가 필요하다. 기계식 스위치는 도한 반도체 디바이스의 손실을 제거하기 위해 솔리드 스테이트 전류 차단기와 병렬로 사용될 수 있으며, 이는 필요한 전압 내성을 달성하기 위해 많은 디바이스의 직렬 연결을 필요로 하는 고전압 응용에 사용될 때 중요할 수 있다.
기계식 접점의 분리에 의해 전기 회로에서 전류 흐름을 차단할 때, 일반적으로 접점 사이에 아크(arc)가 발생된다. 고전압에서는 소멸을 위해 아크에 흐르는 전류가 자연적으로 또는 인위적 수단에 의해 제로 크로싱(zero-crossing)이 강제되어야 할 필요가 있다. ac 전력 시스템에서, 전류 제로는 시스템 주파수의 반주기마다 자연스럽게 일어나므로, ac 회로 브레이커에 대한 간단한 배열을 실현하는 것이 일반적이며 잘 정립되어 있다. 그러나, 일부 응용에서는 고장 전류가 높은 수준에 도달하는 것을 방지하거나 민감한 장비를 보호하기 위해 자연적으로 일어나는 전류의 제로 크로싱에 의해 제공되는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 ac 시스템의 전류를 차단하는 것이 바람직하다.
반면에 dc 시스템은 이러한 자연적 전류의 제로 크로싱이 부족하고, 결과적으로 dc 전력 시스템에서 고장 전류를 차단하기 위한 빠른 dc 브레이커를 실현하려는 많은 시도가 있었다. 이러한 문제점은 종래 기술에서, 제로 크로싱을 야기하기 위해 차단되어야 할 전류 상에 ac 전류를 중첩시키는 공진 회로를 도입함으로써 해결되었다. PCT 공보 WO 2014/166528 A1에서는, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 인덕터, 및 적어도 하나의 스위치 소자를 포함하는 공진 회로와 병렬로 기계식 전류 차단기를 사용하는 dc 회로 브레이커 장치가 개시된다. 공진 회로는 스위치 소자를 폐쇄함으로써, 전류 차단기에서 발생된 임의의 아크의 전류를 중첩하는 공진 전류를 발생시킨다. 이러한 장치는 진동 전류가 기본적으로 아크 전압에 의해 여기된다는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 개시된 장치에는 필요한 경우 커패시터를 충전하기 위한 전력을 전달할 수 있는 보조 전력 공급 유닛이 추가로 제공된다. 이 장치는 정교한 충전 프로세스를 필요로 하며, 각각의 응용에 대해 특별히 구성될 필요가 있다.
US 4,805,062는 충전된 커패시터를 사용하여 전류 제로를 강제함으로써 그 문제점에 대한 해결책을 개시한다. 이렇게 하기 위해, 이는 충전 저항기를 통해 dc 라인의 양의 버스에 연결된 일단 및 dc 라인의 음의 버스에 대한 타단을 갖는 정류(commutation) 커패시터를 포함하는 dc 회로 브레이커, 및 자기 반발 코일 및 제2 스위치를 포함하며, 정류 커패시터에 병렬로 연결된 직렬 회로를 개시하며, 여기서 정류 커패시터는 양의 직류 라인에서 직접 충전된다. 브레이커 유닛이 개방되기 시작할 때, 브레이커 유닛이 개방될 때 동시에 브레이커 유닛을 통해 역 방전 전류를 야기하도록 충전된 정류 커패시터의 극성을 반대로 하기 위해 제2 스위치가 턴온된다. 이 발명은 매우 제한된 제어성이라는 단점을 가지고, 따라서 최적의 스위칭 거동을 달성하기 어렵다. 또한, 이 해결책은 고전압 응용에 적합하지 않으며, 제안된 충전 메커니즘에 제약이 따른다.
직류 전송 라인을 위해 구성된 회로 브레이킹 장치가 WO2014/154260 A1에 개시되어 있다. 회로 브레이커 장치는, 작동될 때, 전송 라인에서 전류를 차단하도록 구성된 기계식 전류 차단기 유닛 및 2개의 공진 회로를 포함하고, 여기서 공진 회로의 각각은 전류 차단기 유닛의 작동 시에, 전류 차단기 유닛에서 발생된 임의의 아크의 공진 전류 중첩 전류를 발생시키도록 구성되고, 여기서 제1 공진 회로에 의해 발생된 공진 전류는 제2 공진 회로에 의해 발생된 공진 전류와 상이한 방향으로부터 전류 차단기 유닛으로 흐른다. 이 제안된 해결책은 공진 회로를 연결하는 2개의 스위치에 대한 제어의 복잡성이 추가된 2개의 공진 회로를 갖는다는 단점을 겪는다.
논문 <J.M. Anderson, J.J. Carroll, "Applicability of a Vacuum Interrupter as the Basic Switch Element in HVDC Breakers", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-97, No. 5, Sept/Oct 1972>에서, 저자는 진공 차단기를 통과하는 총 전류의 인위적인 제로 크로싱을 생성하기 위해 사전 충전된 커패시터가 부하 전류를 전달하는 진공 차단기를 통해 방전되는 실험을 설명한다. 진공 차단기는 이 응용에 있어서 빠른 소멸 및 유전체 격리 강도의 매우 빠른 형성과 같은 매력적인 특성을 갖는 것으로 나타났다. 방전은 제어된 트리거된 갭을 점화함으로써 개시되었고, 이에 따라 장치의 임무를 단일 샷 방전 동작으로 제한한다.
이는 논문, 예를 들어 <"Late Breakdown Phenomena in Vacuum Interrupters", 저자 M. Schlaug 외, XXIIIrd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Bucharest - 2008>에 잘 공지되어 있으며, 전류 제로 크로싱에서 전류를 끈 직후에 진공 차단기 양단의 전압이 증가하기 시작할 때, 진공 차단기의 전압 내성이 브레이크 다운될 수 있으며, 이는 소위 "늦은(late) 브레이크 다운"이라고 불린다. 이 현상은 브레이킹 챔버의 입자 오염으로 인해 가장 자주 야기된다. 전압 브레이크 다운은 진공 차단기 양단의 전압이 높은 값으로 상승할 때 전류를 끄고 수 밀리초 후에 일어날 수 있다. 진공 차단기에 기초하여 전류를 차단하기 위한 임의의 장치의 설계는 이러한 현상을 고려해야 하며 적절한 주의 사항을 적용해야 한다.
일반적으로, 브레이커를 거치는 전류를 구동하는 소스는 내부 인덕턴스를 갖는다. 이는 특히 전력 전송 응용에서 유효하다. 전류가 차단될 때, 소스 인덕턴스에 저장된 자기 에너지는 전류 차단 장치에 의해 흡수되어야 한다. 금속 산화물 배리스터(Metal Oxide Varistor, MOV)는 전압 제한 기능을 동시에 제공하기 때문에 종종 이러한 목적으로 사용된다. 이것은 언급된 PCT 공보 WO 2014/166528 A1에 나타낸 바와 같이 기계식 주 브레이커의 단자 양단에 직접 연결될 수 있다. 그러나, 이 회로 토폴로지는 전술한 바와 같이 늦은 전압 브레이크 다운 상황을 효과적으로 처리할 수 있는 전류 차단을 위한 장치에 덜 유용한 것으로 나타났다.
전류를 차단하기 위한 종래 기술의 장치의 예는 도 1-4에 도시되어 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점 및 단점을 극복하고 차단될 전류의 유형에 관계없이 개선된 전류 차단 기능을 개시하는 것이다. 특히, 본 발명은 안전한 전류 차단이 보장될 수 있도록, 늦은 전압 브레이크 다운 상황을 성공적으로 처리할 수 있도록 설계되었다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이 목적은 전력 시스템의 2개의 섹션을 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 및 제2 단자, 및 주 회로 브레이커가 폐쇄될 때 단자들 사이의 주 전류가 흐를 수 있는 기계식 브레이커를 포함하는 적어도 하나의 주 분기부, 및 상기 주 분기부와 병렬로 연결된 2극을 포함하는 전류를 차단하기 위한 장치에 의해 실현되며, 여기서 상기 장치는 상기 전압 제어 수단은 주 전류를 차단하기 위해 개방하도록 제어되는 동안 상기 주 분기부를 통해 흐르는 교류 전류의 급격한 증가를 강제하기 위해 상기 루프에 에너지를 주입하도록 사용 시에 제어 가능하며, 이에 따라 교류 전류의 진폭이 주 전류의 진폭을 초과할 때 기계식 주 회로 브레이커를 거치는 전류의 제로 크로스 오버가 실현되고, 상기 에너지 흡수 디바이스는 기계식 브레이커가 개방될 때 상기 커패시터 양단의 그리고 상기 기계식 브레이커 양단의 전압을 제한하도록 구성되고, 상기 에너지 흡수 디바이스는 기계식 브레이커 양단의 전압이 개방 프로세스에서 또는 그 직후에 브레이크 다운되면 상기 유도성 소자 양단의 전압을 제한하고, 그렇게 함으로써 상기 루프를 거치는 전류의 상승률 및 피크를 제한하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 2극은 적어도 2개의 2극 분기부의 병렬 연결을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 2극 분기부는 모두 직렬로 연결된, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 인덕터, 및 하나의 전압 제어 수단, 그리고 추가적으로 상기 커패시터와 병렬로 연결된 적어도 하나의 에너지 흡수 전압 제한 디바이스를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 2극 분기부는 모두 직렬로 연결된, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 인덕터, 및 하나의 전압 제어 수단, 그리고 추가적으로 상기 커패시터와 상기 전압 제어 수단의 직렬 연결과 병렬로 연결된 적어도 하나의 에너지 흡수 전압 제한 디바이스를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 단자는 주 브레이커의 양측에서 주 분기부와 2극이 결합되는 지점에 연결된다.
바람직한 실시예에서, 기계식 브레이커의 단자들 사이에 연결된 과전압 감소 회로가 제공된다. 과전압 감소 회로는 바람직하게는 적어도 하나의 저항기 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 직렬 연결이다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 연결해제 스위치는 제1 및 제2 단자 중 적어도 하나와 직렬 연결로 배열되고, 전력 시스템의 2개의 섹션의 물리적 분리를 제공하도록 사용 시에 제어 가능하다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 전압 제어 수단은 정전압원 변환기이다.
바람직한 실시예에서, 커패시터에는 방전 수단이 제공된다.
바람직한 실시예에서, 기계식 브레이커는 기계식 브레이커의 개방 프로세스 동안 이동하도록 구성된 접점을 포함하고, 여기서 기계식 브레이커는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 적어도 하나의 센서는 바람직하게는 사용 시에, 기계식 브레이커의 개방 프로세스 중에 접점의 위치, 가속도, 및 속도 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된다. 또한, 상기 적어도 하나의 센서는 바람직하게는 물리적 양, 바람직하게는 아킹(arcing) 전압 강하, 음향 현상, 및 광학, 열, 또는 X선 방사선과 같은 전자기 방사선 또는 노이즈의 출현 중 적어도 하나를 검출하도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 2극 분기부는 루프가 여러 개의 공진 주파수를 나타내도록 하는 추가적인 패시브 구성 요소를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 2극은 상이한 공진 주파수를 갖는 복수의 2극 분기부를 포함하고, 이에 따라 상기 루프는 여러 개의 공진 주파수를 나타낸다.
바람직한 실시예에서, 주 분기부는 기계식 브레이커를 거치는 전류의 제로 크로스 오버에 근접한 전류의 변화율을 감소시키는 것을 돕기 위해 기계식 브레이커와 직렬로 배열된 가포화 리액터를 더 포함한다.
바람직한 실시예에서, 추가 회로 분기부는 주 분기부 및 2극과 병렬로 배열되고, 상기 추가 회로 분기부에는 전류 차단 동안 기계식 브레이커로부터 떨어져 역전류를 위한 대안적인 경로를 제공하는 역전류 제어 수단이 제공된다. 역전류 제어 수단은 바람직하게는 반대 방향으로 상기 2개의 사이리스터를 거치는 전류 흐름을 제어하기 위해 역 병렬로 배열된 2개의 사이리스터를 포함한다. 또한, 주 분기부는 바람직하게는 기계식 브레이커와 직렬로 배열된 저전압 반도체 스위치를 포함하고, 저전압 반도체는 기계식 브레이커로부터 추가 회로 분기부로 전류를 전환하는 것을 돕도록 사용 시에 제어 가능하다.
바람직한 실시예에서, 전류를 차단하기 위한 장치는 dc 브레이커이다. 대안적으로, 전류를 차단하기 위한 장치는 전류 제한 ac 브레이커이다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명에 따른 전류 차단하기 위한 적어도 2개의 장치를 포함하는 전류를 차단하기 위한 시스템이 제공되고, 여기서 상기 전류를 차단하기 위한 적어도 2개의 장치는 직렬로 연결된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치를 사용하여 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법이 제공되며, 그 방법은 기계식 브레이커의 접점의 분리를 용이하게 하고 진폭을 갖는 주 전류를 차단하기 위해 기계식 브레이커를 개방하는 단계, 및 주 분기부에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해, 차단된 주 전류의 진폭보다 높은 최대 진폭을 갖는 총 진동 전류를 여기시키도록 2극 내의 전압 제어 수단을 제어하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 여기 전압 제어 수단의 파형은 루프의 필터 특성과 관련하여, 브레이커를 포함하는 분기부에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해 요망되는 파형을 갖는 진동 전류를 제공하도록 설계된다.
바람직한 실시예에서, 2극 분기부의 수, 이들의 공진 주파수 및 이들 각각의 시작 시간은 브레이커를 포함하는 분기부에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해 요망되는 파형으로 총 진동 전류를 제공하도록 선택된다.
바람직한 실시예에서, 기계식 회로 브레이커를 개방하는 단계 및 전압 제어 수단을 제어하는 단계는 동시에 그리고 조화롭게 수행된다.
바람직한 실시예에서, 단계들의 실행 순서는 접점이 서로 분리될 때, 기계식 브레이커를 통과하는 전류의 제로 크로싱이 브레이커에 구축된 유전체 격리 강도와 관련하여 적절한 시간 인스턴스에 일어나도록 미리 정의된다.
바람직한 실시예에서, 단계들의 순서는 연속적인 단계들 사이의 미리 정의된 시간 지연으로 실행되고, 여기서 시간 지연은 고정되거나 차단될 주 전류의 진폭에 따라 달라진다.
바람직한 실시예에서, 연속적인 단계들 사이의 미리 정의된 시간 지연은 기계식 브레이커의 접점 분리 거리가 최소 총 시간에 제2 병렬 분기부의 에너지 흡수 디바이스의 전압 한계를 견디기에 충분하도록 선택된다.
바람직한 실시예에서, 센서가 단계들 사이의 시간 지연을 결정하는 데 사용된다.
바람직한 실시예에서, 하나 또는 여러 단계의 실행은 기계식 차단기를 통해 흐르는 전류에서 제로 크로싱이 일어나는 진폭을 갖는 진동 전류가 주 전류를 차단하기 위해 완전한 단계 순서를 실행하거나, 진동 전류가 억제될 차단을 완료하지 않을지의 결정이 이루어질 때까지 여기되어 유지되도록 조건부이다.
본 발명은 이제 예로서 첨부 도면을 참조하여 설명되며, 여기서:
도 1-4는 전류를 차단하기 위한 종래 기술의 장치를 도시한다;
도 5는 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치의 일반적인 실시예의 다이어그램을 도시한다;
도 6-12는 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치의 다양한 실시예를 도시한다;
도 13은 전류 제한 브레이킹의 시간 다이어그램을 도시한다;
도 14는 도 5의 장치와 유사하나 직렬로 연결된 연결해제 스위치를 갖는 장치를 도시한다;
도 15a-e는 전력 전자 변환기의 상이한 구현예를 도시한다;
도 16a-b는 전력 전자 변환기에 대한 보호 장치의 예를 도시한다;
도 17은 커패시터, 인덕터, 전압 제어 수단, 및 에너지 흡수 디바이스를 포함하는 분기부를 도시하며, 여기서 커패시터는 방전 수단이 구비된다;
도 18a-c는 커패시터, 인덕터, 전압 제어 수단, 및 에너지 흡수 디바이스를 포함하는 분기부의 상이한 구성을 도시하며, 여기서 커패시터는 방전 수단이 구비된다;
도 19a-c는 커패시터를 방전하기 위한 상이한 수단을 도시한다;
도 20a-c는 전압 제한 에너지 흡수 디바이스의 구현예를 도시한다;
도 21a-b는 역전류를 위한 분기부를 갖는 전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 22a-c는 가포화 리액터를 갖는 전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 23은 저전압 정류 반도체 스위치를 포함하는 전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 24는 전류를 차단하기 위한 여러 개의 장치를 포함하는, 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 시스템을 도시한다;
도 25는 공진 회로에서 진동 전류 진폭을 구축하는 원리를 도시한다;
도 26은 전류 차단 시의 주요 파형을 도시한다;
도 27은 전류 제로 크로싱 대 전압 내성을 도시한다;
도 28 및 도 29는 신호 제어의 일부 예를 도시한다;
도 30 및 도 31a-b는 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치의 분기부의 대안적인 구성을 도시한다.
다음에서는, 본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치, 시스템, 및 방법의 상세한 설명이 주어질 것이다.
도 5는 본 발명과 관련된 회로의 개요를 도시한다. 전력 시스템에서 섹션들(100, 200) 사이의 전기 연결은 상기 섹션들 사이에서 전기 전력을 전달하는 목적을 제공하며, 이 경우 주 전류(I)는 기계식 브레이커(1)를 통해 흐른다. 섹션(100, 200)은 공통 전력 시스템의 서브 시스템 또는 dc 또는 ac를 사용하는 별도의 전기 전력 전송 시스템일 수 있다. 대안적으로, 섹션은 부하, 예를 들어 전원(100)에 연결된 모터(200)에 전력을 공급하는 전기 전력 시스템을 나타낼 수 있다.
기계식 브레이커(1)에서 접점이 분리되면 접점들 사이에 내부 아크가 확립될 것이고, 주 전류(I)는 아크를 통해 계속 흐를 것이다. 기계식 스위치가 고전압에서 동작한다면, 아크는 자연적으로 또는 인위적 수단에 의해 강제적으로 전류 제로 크로스 오버가 일어나는 경우에만 소멸될 것이다.
ac 시스템에서, 주 전류(I)는 자연적 제로 크로싱을 가지며, 접점 분리가 전류 소멸 이후에 나타나는 전압을 초과하는 전압 내성을 나타내기에 충분해지면 아크는 그러한 제로 크로싱에서 소멸될 것이다. 단락 회로에서, 전류는 통상적으로 임의의 제로 크로스 오버에 접근하기 전에 매우 높은 피크 값 쪽으로 먼저 증가한다. 그 다음에, 제로 크로싱을 기다리지 않고 전류가 피크 값에 도달하기 전에 순간 차단을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 주 전류의 전류 제한 브레이킹이라고 알려진 이러한 접근법은 도 13에서 설명된다.
전력 전송 시스템이 고전압 직류(high-voltage direct current, HVDC) 시스템에서와 같이 직류 전압을 이용할 때, 전류는 임의의 자연적 제로 크로싱을 나타내지 않는다. 전류는 상호 연결된 시스템들(100, 200) 중 어느 하나 또는 모두에서 결함 시에 매우 높은 값 쪽으로 오히려 상승한다. 그러면, 상호 연결된 전력 시스템의 전체 붕괴를 방지하기 위해서는 전류 차단 시스템의 빠른 개입이 필요하다.
브레이커 관점에서, ac 시스템의 순간 전류 제한 브레이킹은 dc 시스템에서 직류를 차단하는 것과 동일한데, 두 경우 모두, 임의의 자연적 제로 크로싱이 없을 시에 기계식 스위치(1)를 통해 전류를 차단하는 것이 바람직하기 때문이다.
본 발명의 목적은 전기 노드들(11, 12) 사이를 흐르는 주 전류(I)를 운반하는 기계식 브레이커에서 인위적 전류 제로 크로싱을 생성하여 기계식 브레이커가 전류를 차단할 수 있게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
제1항의 발명의 일반적인 형태가 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 전력 시스템의 2개의 전극 노드(11, 12)는 단자들(11, 12) 사이에서 전류가 흐를 수 있는 기계식 주 브레이커(1)를 포함하는 하나의 주 분기부(15), 및 적어도 하나의 커패시터(31) 및 적어도 하나의 에너지 흡수 디바이스(2)를 포함하는, 상기 분기부(15)와 병렬로 연결된 2극(3)을 포함하는 장치(10)를 통해 2개의 섹션(100, 200)을 전기적으로 연결하도록 구성되고, 여기서 분기부(15)와 2극(3)은 함께 적어도 하나의 인덕턴스(32) 및 적어도 하나의 전압 제어 수단(4)을 더 포함하는 루프를 형성하고, 여기서 주 분기부(15)와 2극은 함께 적어도 하나의 공진 주파수를 나타낸다. 바람직하게는, 2극(3)의 디바이스는 도면에 나타내어진 바와 같이 하나 또는 여러 개의 분기부(16)에 배열된다.
바람직한 실시예에서, 전압 제한 회로, 소위 "스너버(snubber)"(17)가 기계식인 주 브레이커의 단자 양단에 연결된다. 통상적으로, 전압 제한 회로는 저항기와 커패시터의 직렬 연결을 포함하지만, 다른 설계가 고려될 수 있고 전력 전자 분야에서 확립되어 있다.
도 6-10은 장치(10)를 구현하기 위한 상이한 실시예를 도시한다. 이들은 에너지 흡수 디바이스(2)의 배치의 관점에서 그리고 전력 시스템의 2개의 전기 노드(11, 12)가 장치(10)에 연결되는 방식의 관점에서 상이하다.
전압 제어 수단은 주 전류(I)를 차단하기 위해 개방하도록 제어되는 동안 기계식 주 회로 브레이커(1)를 포함하는 상기 분기부(15)를 통해 흐르는 교류 전류(Io)의 급격한 증가를 강제하기 위해 상기 루프에 에너지를 주입하도록 사용 시에 제어 가능하며, 이에 따라 교류 전류(Io)의 진폭(AIo)이 주 전류(I)의 진폭(AI)을 초과할 때 기계식 주 회로 브레이커(1)를 거치는 전류(Isw)의 제로 크로스 오버가 실현된다. 또한, 2극(3) 내의 에너지 흡수 디바이스(2)는 기계식 주 브레이커(1)가 개방될 때(비전도) 상기 커패시터 양단(31)의 그리고 기계식 주 브레이커(1) 양단의 전압을 제한하고, 상기 에너지 흡수 디바이스는 기계식 주 브레이커(1) 양단의 전압이 개방 프로세스에서 또는 그 직후에 브레이크 다운되면 분기부(15) 및 2극(3)에 의해 구성된 루프 내의 유도성 소자(32) 양단의 전압을 제한하고, 그렇게 함으로써 상기 루프를 거치는 전류의 상승률 및 피크를 제한하도록 구성된다.
기계식 스위치(1)를 거치는 전류(Isw)가 제로 크로스 오버에서 소멸되면, 주 전류(I)는 일시적으로 2극(3)으로 전달될 것이다. 먼저, 커패시터(32) 내로 흘러가고, 그 후에 에너지 흡수 디바이스(2) 내로 정류할 것이다. 디바이스(2)의 보호 전압은 주 전류(I)를 제거하기 위해 상호 연결된 섹션(100, 200)에서 최고 구동 전압을 초과해야 한다.
전압 제어 수단(4)은 기계식 브레이커를 거치는 전류(Isw)에 기여하는 교류 전류(Io)의 급격한 증가를 강제하기 위해 커패시터(들)(31) 및 인덕터(들)(32)를 포함하는 공진 회로(들)에 에너지를 주입하도록 제어된다. 전압 제어 수단(4)에 대한 제1 제어 접근법에서, 측정된 전류의 양의 피드백이 이용된다. 그 다음에, 전압 제어 수단(4)은 회로 내에 삽입된 인위적인 음저항과 같이 나타난다. 음저항의 값은 설계에 의해 의도적으로 선택될 수 있다. 에너지를 주입함으로써 상기 루프에서 전류를 여기시키는 제2 제어 접근법에서, 전압 제어 수단(4)은 공진 주파수에 가까운 주파수를 갖는 출력 전압을 생성하도록 제어된다. 진동 전류(Io)의 진폭(AIo)의 상승 속도를 제어하기 위해 주파수가 변경될 수 있다. 진동 전류(Io)에 대한 다른 제어 방법이 사용될 수 있다. 또한, 제어 가능한 전압 제어 수단(4)의 사용으로 인해, 브레이커(1)를 포함하는 분기부(15) 및 2극(3)에 의해 구성된 루프로의 에너지 주입은 브레이커(1)에서의 접점 분리가 일어나기 전에 개시될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 전류(Isw)가 차단기(1)에서 흐르는 것이 중단되었을 때 진동 전류의 추가 여기는 저해된다.
바람직한 실시예에서, 재점화가 일어나면 브레이커(1)의 전도 상태의 상황이 모니터링되고 진동 전류의 여기가 재개된다.
도 11에 도시된 다른 실시예에서, 2극(3)은 인덕터(32)와 직렬로 전압 제어 수단(4)을 구성하는 여러 개의 분기부의 병렬 연결과 직렬인 커패시터(31)를 포함한다. 인덕터는 커패시터와 함께 전압 제어 수단(4)에 의해 여기될 수 있는 공진 회로를 형성한다. 전압 제어 수단(4)이 동일한 전압을 제공할 때, 병렬 연결된 분기부 각각을 통해 흐르는 전류는 동 위상이 될 것이고, 따라서 함께 합쳐져 단일 전압 제어 수단으로 가능한 것보다 높은 진폭(AI)을 갖는 전류의 차단을 허용하는 높은 진폭(AIo)을 갖는 총 공진 전류(Io)를 형성할 것이다.
바람직한 실시예에서, 2극은 도 12에 도시된 바와 같이 동일하거나 상이한 주파수를 갖는 적어도 2개의 공진 회로를 포함한다. 이들의 공진 주파수, 임피던스, 및 각각의 시작 시간은 기계식 주 브레이커(1)를 포함하는 분기부에서 전류의 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해 요망되는 파형을 갖는 총 진동 전류를 제공하기 위해 선택된다.
전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예에서, 연결해제 스위치(5)가 도 5를 참조하여 설명된 차단 장치(10)와 직렬로 연결된다. 이 배열은 도 14에 도시되어 있다. 주 전류(I)가 장치(10)에 의해 차단되었을 때, 2극(3) 내의 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(2)는 단자(11, 12) 사이의 전압이 보호 전압보다 낮은 경우 어떠한 전류도 전도하지 않는다. 결과적으로, 섹션(100, 200)은 2극(3)을 통해서만 연결된 채로 유지된다. 후자는 작은 직렬 커패시터를 포함하고 있으므로, 연결해제 스위치(5)는 임의의 지속적인 아킹없이 개방될 수 있다. 개방될 때, 연결해제 스위치(5)는 전력 시스템의 섹션들(100, 200) 사이의 전기적 연결에서 물리적 분리를 제공한다.
전력 시스템의 섹션들(100, 200) 사이의 연결을 조작하기 위한 하나의 방식에서, 연결해제기(5)는 연결을 폐쇄하는 데 사용된다. 이 경우, 연결해제기(5)가 개방되면 2극(3) 내의 커패시터(들)(31)가 방전될 수 있고, 그 다음에 주 스위치(1)가 임의의 방전 펄스없이 폐쇄될 수 있다. 이에 따라 장치(10)는 연결해제기(5)의 재폐쇄 시에 즉시 전류 차단을 수행할 준비가 된다.
전력 시스템의 섹션들(100, 200) 사이의 연결을 조작하기 위한 다른 방식에서, 연결해제 스위치(5)는 기계식 주 차단기(1) 전에 폐쇄된다.
제어 가능한 전압 제어 수단(4)은 바람직하게는 정전압원 변환기이다. 이는 다양한 유형의 반도체를 사용하여 많은 방식으로 구현될 수 있다. 도 15a-e는 유용한 회로 토폴로지의 예로서 다수의 가능한 변환기 설계를 도시한다. 통상적으로, 이러한 변환기는 통상적으로 dc 커패시터 뱅크로 구성되는 적어도 하나의 dc 링크(41)(또는 41a, 41b)를 이용한다. dc 커패시터 뱅크는 배터리 또는 임의의 다른 dc 전원으로 보완될 수 있다. dc 링크는 임의의 격리된 보조 전원, 예를 들어 연료 전지, 광 전지와 같은 로컬 dc 발생 디바이스, 또는 임의의 종류의 에너지 저장부에 의해 전력이 공급될 수 있다. 변환기의 출력 전압의 주파수는 바람직하게는 5-25kHz 범위에서 나타난다. 변환기에서 반도체의 전압 정격을 결정하는 dc 링크 전압은 에너지 흡수 디바이스(2)의 보호 전압의 일부일 뿐이다. 별도의 dc 링크를 갖는 여러 브리지의 직렬 연결을 이용하여 반도체 디바이스의 직접 직렬 연결 갖는 스트링을 사용할 필요없이 높은 출력 전압을 달성할 수 있음에 유의한다. 반도체 및 dc 링크는 높은 피크 동작 전류 또는 과전압에 견딜 수 있도록 설계되거나 적절한 보호 수단을 구비해야 한다.
도 15a-f의 회로는 1 개 또는 2개 하프 브리지 위상 레그를 사용한다. 도 15a 및 도 15c에서는, 하나의 하프 브리지만이 사용된다. 위상 레그와 dc 링크의 중간점이 각각 도 15a에 도시된 바와 같이 출력 단자로 사용되면 (두 극성 모두를 갖는) 대칭 출력 전압이 획득될 수 있고, 한편 도 15c에서와 같이 위상 레그와 dc 링크 레일 중 하나의 중간점이 도 15c에서와 같이 출력 단자의 역할을 할 때에는 단극 전압 및 제로 전압이 이용 가능할 것이다. 변환기가 도 15b, 도 15d, 및 도 15e에서와 같이 2개의 위상 레그를 사용하는 H 브리지로 구성되면, 이는 극성 및 제로 전압 중 하나로 출력 전압을 생성할 수 있다. 도 15b-e에 도시된 토폴로지에서는, 출력 전압이 제로일 때 진동 전류(Io)가 dc 링크를 완전히 바이패스한다.
반도체 브리지가 블록킹되면, 즉 활성 반도체 디바이스가 턴온되지 않으면, 진동 전류(Io)는 변환기 아암 내의 다이오드를 통과하여 DC 링크를 충전할 것이다. 그 결과, 진동 전류는 반대 전압에 의해 억제되며, 그 진폭은 dc 링크(41)(또는 41a, 41b)에서의 전압에 의해 결정된다.
서지 전류 및 과전압에 대한 전력 전자 변환기(반도체 및 dc 링크)를 보호하기 위한 보호 장치의 예가 각각 도 16a 및 도 16b에 도시되어 있다.
도 15a-e에, MOSFET, IGBT, IGCT/GTO, 및 사이리스터 유형의 반도체가 나타내어져 있다. 처음 3개의 반도체 제품군은 고유한 전류 소멸 능력을 보유하고 있으며, 정전압원 변환기를 통해 진동 전류의 제로 크로싱에 가깝게 스위칭될 수 있다. 반면 사이리스터의 턴온은 위상 레그 동반 사이리스터가 턴오프 후에 회복되도록 하기 위해 진동 전류의 제로 크로싱 이후로 지연되어야 한다.
진동 전류(Io)는 과도 기간 동안에만 존재하고 한편 그 진폭(AIo)은 주 전류(I)의 크기(AI)를 초과하여 증가한다. 임의의 다른 시간에서의 커패시터 전압이 주 스위치(1) 및 전압 제어 수단(4) 양단의 전압에 의해 결정되는 그 평균 값에 적응하는 것이 적절하다. 이 조건은 커패시터(31)에 방전 수단, 예를 들어 병렬로 연결된 선형 또는 비선형 저항기(33)가 구비되면 자동적으로 달성될 것이다(도 17 참조). 방전 시간은 Io의 여기에 필요한 시간보다 실질적으로 더 길어야 하지만, 5밀리초 이하의 범위에서 상당히 짧을 수 있다. 이 배열은 전류 차단 장치가 연결해제 스위치(5)를 포함할 때 특히 유리하다. 이 경우에, 커패시터는 주 스위치(1)가 임의의 방전 전류 없이 완전히 방전되고, 이에 따라 연결해제 스위치(5)가 폐쇄될 때 전류 차단 장치(10)가 즉시 전류(I)를 차단할 준비가 되도록 할 것이다.
도 18a-c는 커패시터, 인덕터, 전압 제어 수단, 및 에너지 흡수 디바이스를 포함하는 분기부의 상이한 구성을 도시하며, 여기서 커패시터는 방전 수단이 구비된다.
커패시터 방전하기 위한 대안적인 수단의 구성이 도 19a-c에 도시되어 있다.
주 스위치(1)는 신속한 기계식 작동 시스템을 가져 밀리초 내에 접점 분리를 달성하는 것을 가능하게 할 것이다. 바람직하게는, 진공 스위치가 단일 스위치 또는 직렬 연결된 디바이스의 스트링으로 사용된다. 전도 메커니즘의 물리적 특성으로 인해, 전류 제로 크로싱 시에 또는 그 전에 매우 빠르게(1 마이크로초 미만) 소멸될 수 있다. 또한, 다른 유형의 기계식 차단기와 비교할 때 요구되는 기계식 스트로크가 짧고 이동하는 접점의 질량이 작다.
중간 전압 진공 스위치와 다른 유형의 고압 브레이커의 직렬 연결이 또한 이용될 수 있다. 주 스위치는 또한 저전압 전력 전자 스위치로 직렬 연결될 수 있다.
또한, 주 스위치(1)는 개개의 스위치의 접점 분리 순간이 시간에 따라 분배되도록 동작되는 여러 개의 직렬 연결된 기계식 스위치에 의해 구현될 수 있다. 이 절차는 스위치의 스트링을 거치는 전류(Isw)가 제로 크로싱할 때 적어도 하나의 개개의 기계식 스위치에서 충분한 전압 내성에 도달한 것을 보호하는 데 사용될 수 있다.
제어 가능한 전압 수단(4)은 진동 전류(Io)의 진폭을 제어하고 주 스위치(1)를 거치는 전류의 제로 크로싱이 적절한 시간 순간에, 즉 접점 분리가 충분한 전압 처리 능력을 제공하기에 충분할 때에 나타내도록 조작되어야 한다. 순간 위치, 가속도, 및/또는 속도에 대한 하나 이상의 센서가 제공되면 시간의 함수로서 접점 분리의 양호한 추정이 달성될 수 있다.
주 스위치(1)에서 접점 분리를 검출하는 센서는 제어 가능한 전압 제어 수단(4)을 위한 제어 및 모니터링 시스템에 적절한 정보를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 검출기는 접점 분리와 관련된 임의의 물리적 양의 관찰에 기초할 수 있다. 이러한 현상은 아킹 전압 강하, 음향 현상, 광학, 열, X선, 또는 임의의 다른 유형의 전자기 방사선 또는 노이즈의 출현이다.
기계식 주 회로 브레이커(1)의 전도 상황을 모니터링하는 센서는 진동 전류(Io)의 여기를 통제하는 제어 시스템에 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. 센서는 예를 들어 기계 주 브레이커(1)의 단자 양단의 전압 또는 에너지 흡수 디바이스(2) 양단의 전압을 직접 측정한다. 기계식 주 브레이커의 검출된 전도 상황에 따라, 기계식 주 브레이커가 비전도 상태에 있을 때에는 진동 전류(Io)의 여기가 저해될 수 있다.
기계식 주 브레이커의 상태가 전류 차단 동작 중에 비전도성에서 전도성으로 변하면, 진동 전류(Io)의 여기가 재개될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 흡수 디바이스(2)는 금속 산화물 배리스터(MOV)이지만, 대안적으로, 유사하게 강한 비선형 전압 의존성을 갖는 저항을 나타내는 다른 디바이스 또는 전압 제한 장치가 사용될 수 있다. 선택적으로, 다이오드를 통해 연결된 충전된 커패시터로 구성되는 클램핑 회로가 사용될 수 있다. 에너지 흡수 디바이스(2)의 다양한 구현예가 도 20a-c에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예에서, 추가 분기부(18)가 전류 차단 장치(10) 내에 기계식 브레이커(1)를 포함하는 분기부(15)와 병렬로 추가되었다(도 21a 참조). 추가된 분기부의 목적은 전류(I) 및 전류(Io)가 동일한 부호를 가지고 진동 전류(AIo)의 진폭이 주 전류(AI)의 진폭을 초과할 때 생기는 역전류에 대한 전도성 경로를 제공하는 것이다. 제어 시스템은 진동 전류(Io)가 여기될 때 주 전류(I)와 반대 방향으로 이 경로가 전도성이 되게 한다. 그 다음에, 역전류는 접점 분리가 존재할 때 분기부(18) 내로 정류하고, 이에 따라 제로 전류는 기계식 스위치(1)를 통과하여 유전체 전압 내성을 재확립한다. 진동 전류(Io)가 다시 스윙하고 분기부(18)를 통과한 전류가 다시 제로 크로싱할 때, 적어도 하나의 커패시터(31), 전압 제어 수단(4), 및 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(2)를 포함하는 2극(3) 주 전류(I)에 대해 개방된 채로 있는 유일한 경로일 것이다. 주 전류(I)는 전압이 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(2)가 전도하기 시작하는 레벨에 도달할 때까지 커패시터(31)를 충전한다. 전력 시스템의 섹션(100, 200)에서 소스 전압 진폭을 초과하는 디바이스(2)의 보호 전압은 그러면 주 전류(I)를 강제로 제로로 만든다.
분기부(18)는 반대 방향으로 연결된 단방향 밸브(61, 62)의 2개의 스트링으로 구성된 회로 장치(6)를 포함할 수 있다(도 21b 참조). 각각의 단방향 밸브는 적어도 하나의 사이리스터를 포함한다. 또는 동일한 기능을 가진 양방향 사이리스터의 스트링이 이용될 수 있다. 일부 응용에서, 전류 차단은 결정된 방향을 갖는 전류(I)에 대해서만 필요하다. 그러한 경우에, 주 전류(I)에 반대되는 전도 방향을 갖는 사이리스터 밸브만을 구현하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치의 대안적인 실시예에서, 주 스위치(1)를 포함하는 분기부는 도 22a-b에 도시된 바와 같이 직렬로 연결된 가포화 리액터(8)를 포함한다. 도 22a는 분기부(18)가 없는 장치(10)를 도시하고 도 22b는 분기부(18)가 포함된 장치를 도시한다. 목적은 제로 크로싱에서 전류 미분을 감소시키는 것인데, 이는 전류 차단 직후의 전압 처리 능력과 관련하여 특정 기계식 브레이커에 유리하다. 그 원리는 도면에서 분명해진다. 가포화 리액터(8)는 도 22c의 스케치에서 도시된 바와 같이 주 전도체를 둘러싸는 철 또는 페라이트로 제조된, 가능하게는 공기 갭이 있는 자기 코어의 형태를 취할 수 있다.
이전 섹션에서 언급된 역전류가 (제공되는 경우) 추가 분기부(18)로 실제로 정류되는 것을 보장하기 위해, 저전압 반도체 스위치(7)가 기계식 스위치(1)와 직렬로 연결될 수 있다(도 23 참조). 저전압 스위치(7)는 주 전류(I)로서 지향된 전류만이 흐르도록 허용하고, 역방향으로의 전류를 블록킹하도록 제어될 수 있다. 이는 분기부(18) 내의 밸브(61, 62)의 제어와 연계하여 제어되어야 한다.
전술한 여러 개의 전류 차단 장치(10)가 도 24에 도시된 바와 같이 전력 시스템 내의 섹션들(100, 200) 사이에 직렬로 배열될 수 있다. 장치(10) 내의 주 스위치(1)를 폐쇄/개방함으로써, 상호연결부를 통해 흐르는 공장 전류를 제한하기 위해, 다양한 수의 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(2)가 전력 시스템의 섹션들(100, 200) 사이의 연결부에 삽입될 수 있다. 이러한 디바이스에 많은 양의 에너지가 축적되므로, 단시간, 최대 수십 밀리초 동안 이러한 동작 조건을 유지하는 것만이 가능하다. 그러나, 이 시간은 특정 방해에서 동작할 시스템 내의 브레이커를 결정하는 데 필요한 시간 동안 계통에서의 단락 전류를 제한하기에 충분할 수 있다.
전술된 차단 장치(10)를 제어하는 방법이 이제 설명될 것이다. 이 방법을 실행하기 위해, 제어 시스템은 2극(3) 내의 전압 제어 수단(4)을 제어함으로써 기계식 스위치(1)의 개방 및 총 진동 전류(Io)의 여기를 조정할 필요가 있다.
기계식 스위치(1)의 개방은 기계식 액추에이터에 "OPEN" 명령을 내림으로써 간단히 시작되며, 기계식 액추에이터는 접점 분리가 일어나도록 이동하는 접점을 고정된 접점으로부터 멀리 이동시키기 시작한다. 기계적 지연 시간(tmech), 즉 "OPEN" 명령으로부터 경과된 시간은 접점 분리가 확립될 때까지 주어지며, 보통 양호한 정확도로 알려져 있고, 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 1-5ms 범위의 기계적 지연 시간이 기계식 관점에서 매우 짧은 것처럼 보이지만, 전력 전자 관점에서는 여전히 꽤 길다. 예를 들어, 10kHz에서 10개의 완전한 사이클은 1밀리초 동안 완료될 것임에 유의한다(고속 제어 가능한 전력 전자 전압 제어 수단(4)의 작용에 의해 분기부(15)와 2극(3)의 병렬 접속에 의해 구성된 공진 회로에서 진동 전류 진폭의 구축의 원리를 도시하는 도 25a-b 참조). 도 25a에 도시된 LC 회로를 고려하자. 회로는 공진 주파수
Figure pct00001
및(공진 주파수에서) 리액턴스
Figure pct00002
으로 특징지어진다. 회로는 양 극성의 전압을 생성한다고 가정될 수 있는 전압 제어 수단에 의해 여기된다. 인가된 전압의 진폭은 Uosc이며, 그 방향은 전류(Io)의 방향을 따르는 전력 전자 수단에 의해 제어된다. 인가된 전압 진폭(Uosc)과 특성 리액턴스(x0) 사이의 비율은 단위 전류를 정의하며, 이는 Iosc
Figure pct00003
으로 표시될 수 있다.
초기에, 전압 제어 수단은 일정한 출력 전압(Uosc)을 생성하며, 이는 직렬 커패시터(Cosc)에 의해 블록킹된다. 여기가 활성화될 때, 출력 전압 반전이 수행되고 이에 따라 진폭(2×Uosc)의 전압 스텝이 공진 회로에 적용된다. 출력 전압의 이러한 제1 반전 다음에, 손실이 무시된다면, 진폭(2×Iosc)을 갖는 사인 곡선(sinusoidal) 전류 하프 사이클이 생성될 것이다. 이 피크는 공진 주파수의 1/4 사이클 후에 일어난다. 전류가 전체 하프 사이클 후에 제로 크로싱할 때, 새로운 반전이 가해지고 진동 전류의 진폭이 4×Iosc로 증가한다. 유사하게, 진동 전류의 각각의 제로 크로싱에서, 그 진폭은 2×Iosc로 증가한다. 따라서, N 반전(하프 사이클) 후 1/4 사이클은 진동 전류의 진폭이 이상적으로 2×N×Iosc이다. 3/4 사이클 및 1/4 사이클 후에, 즉 7개의 반전 후에, 진동 전류의 진폭은 이상적으로 14×Iosc이다.
진동 전류 진폭의 상당한 증가가 매우 짧은 시간에 획득됨에 유의한다. 예를 들어, 10kA의 전류가 100kV의 보호 전압으로 차단되는 경우를 고려하자. 이 경우에 x0=8Ω의 특성 리액턴스를 갖는 LC 회로가 사용될 수 있다. 손실을 고려하면, 4 사이클 후의 진동 전류의 진폭은 약 14×Iosc이며, Iosc=1.1×10/14=0.79kA이면 10%로 10kA를 초과할 것이다. 필요한 dc 링크 전압은 Uosc=x0×Iosc=8×0.79=6.3kV이며, 이는 단지 보호 전압의 6.3%이다. 또한, 이 진폭에 도달하는 시간은 단지 4 사이클, 즉 10㎑에서 400㎲이며, 이는 기계적 지연 시간(tmech)보다 실질적으로 짧다. 풀 브리지를 사용하는 전력 전자 변환기에서의 각각의 반도체의 전압 정격은 Uosc, 즉 보호 전압의 6.3%가 된다. 풀 브리지에서, 모든 반도체의 총 전압 정격이 보호 전압의 25%가 되도록 4개의 아암이 필요하다.
이 예는 본 발명에 따른 전류 차단 장치(10)가 통상적으로 양 극성을 갖는 전체 보호 전압에 대해 정격된 반도체가 사용될 것을 요구하는 다른 공지된 장치와 비교할 때 반도체 디바이스의 양을 실질적으로 감소시킬 수 있음을 나타낸다.
도 26은 전술한 바와 같은 전류 차단 동작의 과정을 도시한다. 통상적으로, 총 진동 전류(Io)가 주 전류(I)와 동일한 방향을 가지고, 진동 전류(AIo)의 진폭이 주 전류(AI)의 진폭을 초과할 때, 전류 차단이 일어난다. 그 다음에, 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(들)(2) 양단의 전압이 전압 제한 에너지 흡수 디바이스(들)(2)의 보호 전압에 도달할 때까지 주 전류(I)가 2극(3) 내의 커패시터(들)(31)을 충전하고 주 전류를 인계받을 때, 주 스위치(1) 양단의 전압은 선형 전압 변화를 겪는다.
전류 차단 장치(10)가 추가 분기부(18)를 포함할 때, “역”전류, 즉 차단 동작 중에, 진동 전류(Io)와 주 전류(I)가 동일한 방향을 가지며 진동 전류(Io)의 진폭이 주 전류(I)의 증폭을 초과할 때 일어나는 초과 전류(Isw=Io-I)는 분기부(18)에 의해 운반될 것이다. 그러면, 진동 전류(Io)의 진폭이 감소할 때, 전류 차단이 일어난다. 2극(3) 내의 커패시터(들) 양단의 전압(들)의 선형 증가는 대응하는 에너지 흡수 디바이스(2)에서의 보호 전압에 도달한 때까지 일어난다.
바람직하게는, 주 전류(I)의 성공적인 전류 차단을 수행하기 위해 기계식 스위치(1)의 개방 및 진동 전류(Io)의 여기에 대한 조정된 제어가 제공된다.
연결해제 스위치(5)가 제공될 때, 역전도 수단(6), 또는 주 전류(I)의 역전도 수단(61, 62)으로의 정류를 보조하는 보조 저전압 스위치(7), 대응하는 스위치의 제어가 바람직하게는 조정된 제어 방식에 포함될 수 있다.
단계의 실행 순서는 바람직하게는 2극(3) 내의 에너지 흡수 디바이스(2)의 전압 제한을 견디는 충분한 유전체 격리 강도가 접점 분리 후에 브레이커에서 구축되었을 때 기계식 브레이커(1)를 통과하는 전류(Isw)에서의 제로 크로싱이 일어나도록 미리 정의된다.
제어의 단계의 조정은 도 27에 도시된 바와 같이, 기계식 스위치(1)를 통과하는 전류에서의 제로 크로싱이 진동 전류(Io)에 의해 생성될 때, 기계식 스위치(1)에 충분한 전압 내성을 제공하기 위한 충분한 접점 분리가 확립되는 것을 확실히 하는 것을 목표로 한다.
종종 기계적 지연 시간은 잘 정의되고 알려지며, 진동 전류의 여기 과정은 잘 제어된다. 이러한 경우라면, 스위치에 주어진 신호는 바람직하게는 도 28에 도시된 바와 같이 기계식 스위치(1)를 개방하기 위한 명령을 참조하여 시간 지연에 기초하여 정의된 시간 순서로 주어진다. 시간 지연은 주 전류(I)의 측정된 값에 따라 변경될 수 있다.
바람직하게는, 스위치에 주어진 신호는 접점 분리가 일어났음을 검출하거나 개방 동작 중에 이동하는 접점의 위치를 나타내는 임의의 센서로부터의 신호에 따라 결정된다. 임의적으로, 고정 시간 지연, 또는 주 전류(I) 및/또는 진동 전류(Io)의 측정된 값 또는 이동하는 접점 속도의 감지된 값에 의존하는 가변 시간 지연이 사용될 수 있다. 일부 예가 도 29에 도시되어 있다.
바람직하게는, 기계식 브레이커(1)의 전도 상태는 진동 전류의 여기를 통제하는 시스템에 정보를 보내는 센서에 의해 모니터링된다. 통상적으로, 기계식 브레이커가 비전도 상태에 있을 때 여기가 멈추지만, 전류 차단 동작 중에 전압 브레이크 다운이 일어나고 기계식 브레이커가 다시 전도 상태로 빠지면 재시작된다.
주 전류 레벨(AI)을 초과하도록 진동 전류 진폭(AIo)을 여기시키는 시간이 기계적 지연 시간(tmech)보다 길면, 주 전류(I)가 정상적인 트립 레벨보다 낮은 레벨을 초과하자마자 여기를 시작하여, 전류 차단을 실행하기 위한 최종 결정을 기다리는 주 전류(I)의 진폭에 가깝게 진동 전류의 진폭을 유지하는 것이 유리할 수 있으며, 이 경우 기계식 스위치는 동작하도록 명령되고, 진동 전류의 진폭은 주 전류 진폭(AI)을 초과하거나, 진동 전류의 여기가 저해될 전류 차단을 완료하지 않도록 제어된다. 진동 전류의 진폭은 전압 제어 수단(4)에서 선택된 정류를 저해함으로써 다소 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
상황은 여러 전류 차단 장치(10)가 전력 시스템 내의 섹션들(100, 200) 사이를 통과하는 주 전류(I)를 제한하기 위한 목적으로 직렬로 연결되는 곳에서 일어난다. 통상적으로, 그러한 설비는 여러 개의 HVDC 스테이션을 상호 연결하는 dc 그리드에서 유용할 수 있다. 그러한 dc 그리드는 다수의 직류 브레이커를 포함할 수 있으며, 그리드에서의 결함 시에, 관련 dc 브레어커만이 동작되는 것이 중요하다. 적절한 선택에는 몇 밀리초 정도의 일정 시간이 필요할 수 있다. 해당 시간 동안, 제어 가능한 다수의 전류 차단 장치(10)의 삽입은 주 전류(I)의 추가 증가를 방지하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 전류를 차단하는 장치는 상이한 전력 네트워크 구성에서 사용될 수 있으며, 이 중 3개가 ac 전력 네트워크를 도시하는 도 30, 및 dc 전력 네트워크를 도시하는 도 31a-b에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 전류를 차단하기 위한 장치, 시스템, 및 방법의 바람직한 실시예가 제시되었다. 이들은 본 발명의 아이디어를 벗어나지 않으면서 첨부된 청구항의 범위 내에서 변경될 수 있음을 이해될 것이다.

Claims (31)

  1. 전류를 차단하기 위한 장치(10)로서,
    전력 시스템의 2개의 섹션(100, 200)을 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 및 제2 단자(11, 12), 주 회로 브레이커가 폐쇄될 때 상기 단자들(11, 12) 사이의 주 전류(I)가 흐를 수 있는 기계식 브레이커(1)를 포함하는 적어도 하나의 주 분기부(15), 및 상기 주 분기부(15)와 병렬로 연결된 2극(3)을 포함하고,
    상기 2극은 커패시터(31) 및 에너지 흡수 디바이스(2)를 포함하는 적어도 하나의 2극 분기부(16)를 포함하고, 상기 주 분기부(15)와 상기 2극(3)은 함께 인덕턴스(32) 및 전압 제어 수단(4)을 포함하는 루프를 형성하고, 상기 루프는 적어도 하나의 공진 주파수를 나타내고,
    - 상기 전압 제어 수단(4)은 상기 주 전류(I)를 차단하기 위해 개방하도록 제어되는 동안 상기 주 분기부(15)를 통해 흐르는 교류 전류(Io)의 급격한 증가를 강제하기 위해 상기 루프에 에너지를 주입하도록 사용 시에 제어 가능하고, 이에 따라 상기 교류 전류(Io)의 진폭(AIo)이 상기 주 전류의 진폭(AI)을 초과할 때 기계식 주 회로 브레이커(1)를 거치는 전류(Isw)의 제로 크로스 오버가 실현되고,
    - 상기 에너지 흡수 디바이스(2)는 상기 기계식 브레이커가 개방될 때 상기 커패시터(31) 양단의 그리고 상기 기계식 브레이커(1) 양단의 전압을 제한하도록 구성되고,
    - 상기 에너지 흡수 디바이스(2)는 상기 기계식 브레이커(1) 양단의 전압이 개방 프로세스에서 또는 개방 프로세스 직후에 브레이크 다운되면 상기 유도성 소자(32) 양단의 전압을 제한하고, 그렇게 함으로써 상기 루프를 거치는 전류의 상승률 및 피크를 제한하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전류를 차단하기 위한 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2극(3)은 적어도 2개의 2극 분기부(16)의 병렬 연결을 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 2극 분기부(16)는 모두 직렬로 연결된, 적어도 하나의 커패시터(31), 적어도 하나의 인덕터(32), 및 하나의 전압 제어 수단, 그리고 추가적으로 상기 커패시터(31)와 병렬로 연결된 적어도 하나의 에너지 흡수 전압 제한 디바이스(2)를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 2극 분기부(16)는 모두 직렬로 연결된, 적어도 하나의 커패시터(31), 적어도 하나의 인덕터(32), 및 하나의 전압 제어 수단, 그리고 추가적으로 상기 커패시터(31)와 상기 전압 제어 수단(4)의 직렬 연결과 병렬로 연결된 적어도 하나의 에너지 흡수 전압 제한 디바이스(2)를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단자들(11, 12)은 상기 주 브레이커(1)의 양측에서 상기 주 분기부(15)와 상기 2극(3)이 결합되는 지점에 연결되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계식 브레이커(1)의 상기 단자들 사이에 연결된 과전압 감소 회로(17)를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과전압 감소 회로(17)는 적어도 하나의 저항기 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 직렬 연결인, 전류를 차단하기 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자(11, 12) 중 적어도 하나와 직렬 연결로 배열되고, 상기 전력 시스템의 2개의 섹션(100, 200)의 물리적 분리를 제공하도록 사용 시에 제어 가능한 적어도 하나의 연결해제 스위치(5)를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 제어 수단(4)은 정전압원 변환기인, 전류를 차단하기 위한 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(31)에는 방전 수단(33)이 제공되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계식 브레이커(1)는 상기 기계식 브레이커의 개방 프로세스 동안 이동하도록 구성된 접점을 포함하고, 상기 기계식 브레이커(1)는 적어도 하나의 센서를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 사용 시에, 상기 기계식 브레이커의 개방 프로세스 중에 상기 접점의 위치, 가속도, 및 속도 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 물리적 양, 바람직하게는 아킹(arcing) 전압 강하, 음향 현상, 및 광학, 열, 또는 X선 방사선과 같은 전자기 방사선 또는 노이즈의 출현 중 적어도 하나를 검출하도록 구성되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 2극 분기부(16)는 상기 루프가 여러 개의 공진 주파수를 나타내도록 하는 추가적인 패시브 구성 요소를 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2극(3)은 상이한 공진 주파수를 갖는 복수의 2극 분기부(16)를 포함하고, 상기 루프는 여러 개의 공진 주파수를 나타내는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 분기부(15)는 상기 기계식 브레이커를 거치는 전류의 제로 크로스 오버에 근접한 전류의 변화율을 감소시키는 것을 돕기 위해 상기 기계식 브레이커(1)와 직렬로 배열된 가포화 리액터(8)를 더 포함하는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 분기부(15) 및 상기 2극(3)과 병렬로 배열된 추가 회로 분기부(18)를 더 포함하고, 상기 추가 회로 분기부(18)에는 전류 차단 동안 상기 기계식 브레이커(1)로부터 떨어져 역전류(Io-I)를 위한 대안적인 경로를 제공하는 역전류 제어 수단(6)이 제공되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 역전류 제어 수단(6)은 2개의 사이리스터(61, 62)를 포함하고, 상기 2개의 사이리스터(61, 62)는 반대 방향으로 상기 2개의 사이리스터를 거치는 전류 흐름을 제어하기 위해 역 병렬로 배열되는, 전류를 차단하기 위한 장치.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 주 분기부(15)는 상기 기계식 브레이커(1)와 직렬로 배열된 저전압 반도체 스위치(7)를 더 포함하고, 상기 저전압 반도체는 상기 기계식 브레이커(1)로부터 상기 추가 회로 분기부(18)에 전류를 전환하는 것을 돕도록 사용 시에 제어 가능한, 전류를 차단하기 위한 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류를 차단하기 위한 장치는 dc 브레이커인, 전류를 차단하기 위한 장치.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류를 차단하기 위한 장치는 전류 제한 ac 브레이커인, 전류를 차단하기 위한 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전류 차단하기 위한 장치(10)를 적어도 2개 포함하는 전류를 차단하기 위한 시스템으로서,
    상기 적어도 2개의 전류를 차단하기 위한 장치(10)는 직렬로 연결되는, 전류를 차단하기 위한 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항의 전류를 차단하기 위한 장치(10)를 사용하여 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법으로서,
    - 기계식 브레이커의 접점의 분리를 용이하게 하고 진폭(AI)을 갖는 주 전류(I)를 차단하기 위해 기계식 브레이커(1)를 개방하는 단계, 및
    - 주 분기부(15)에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해, 차단된 주 전류(I)의 진폭(AI)보다 높은 최대 진폭(AIo)을 갖는 총 진동 전류(Io)를 여기시키도록 2극(3) 내의 전압 제어 수단(4)을 제어하는 단계를 포함하는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    여기 전압 제어 수단(4)의 파형은 루프의 필터 특성과 관련하여, 상기 브레이커(1)를 포함하는 분기부(15)에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해 요망되는 파형을 갖는 진동 전류를 제공하도록 설계되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    2극 분기부(16)의 수, 2극 분기부(16)의 공진 주파수, 및 2극 분기부(16) 각각의 시작 시간은 상기 브레이커(1)를 포함하는 분기부(15)에서 전류 제로 크로싱을 야기하기 위해 요망되는 파형으로 총 진동 전류를 제공하도록 선택되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    기계식 회로 브레이커를 개방하는 단계 및 전압 제어 수단을 제어하는 단계는 동시에 그리고 조화롭게 수행되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  27. 제23항 또는 제26항에 있어서,
    상기 단계들의 실행 순서는, 접점이 서로 분리될 때, 상기 기계식 브레이커를 통과하는 전류에서의 제로 크로싱이 상기 브레이커에 구축된 유전체 격리 강도와 관련하여 적절한 시간 인스턴스에 일어나도록 미리 정의되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계들의 순서는, 연속적인 단계들 사이의 미리 정의된 시간 지연으로 실행되고, 상기 시간 지연은 일정하거나 차단될 주 전류의 진폭에 따라 달라지는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 연속적인 단계들 사이의 미리 정의된 시간 지연은, 상기 기계식 브레이커의 접점 분리 거리가 최소 총 시간에 제2 병렬 분기부의 에너지 흡수 디바이스의 전압 한계를 견디기에 충분하도록 선택되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계들 사이의 시간 지연을 결정하는데 센서가 사용되는, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계들 중 하나의 단계 또는 여러 단계의 실행은, 기계식 차단기(1)를 통해 흐르는 전류(Isw)에서 제로 크로싱이 일어나는 진폭을 갖는 진동 전류가 상기 주 전류(I)를 차단하기 위해, 완전한 단계 순서를 실행할 것인지, 또는 상기 진동 전류가 억제될 차단을 완료하지 않을 것인지의 결정이 이루어질 때까지 여기되어 유지되도록 조건부인 것인, 전력 시스템에서 전류를 차단하는 방법.
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