KR20190091922A - 자기결합된 직병렬 구동코일을 갖는 이중?치 초전도 전류 제한기 - Google Patents

자기결합된 직병렬 구동코일을 갖는 이중?치 초전도 전류 제한기 Download PDF

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Abstract

이중?치 초전도 전류 제한기가 개시된다. 이중?치 초전도 전류 제한기는 제1 구동코일, 상기 제1 구동코일과 병렬 연결되어 자기결합되는 제2 구동코일, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 스위치, 상기 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자 및 상기 제2 구동코일과 직렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함한다.

Description

이중?치 초전도 전류 제한기{DOUBLE QUENCH SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITER}
본 발명은 이중?치 초전도 전류 제한기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ?치 특성을 갖는 초전도 소자를 이용하여 과전류를 제한하는 이중?치 초전도 전류 제한기에 관한 것이다.
산업발전에 따른 전력공급설비의 증가는 전력계통의 복잡화와 송전용량의 증가를 야기시켜 왔다. 그로 인해 단락 발생 시 고장전류가 증가하면서 기존 차단기의 차단 내력을 초과하게 되어 전력계통 보호 기기들에 심각한 피해를 주게 되었다.
그러한 피해를 줄이기 위한 대책으로 단락 용량이 큰 차단기로 교체하거나 높은 임피던스 전력설비를 마련하는 등의 방안이 시도되고 있으나 여전히 경제적, 기술적, 계통 안정도면에서 해결해야 할 많은 문제를 안고 있다.
그에 따라, 보다 효과적으로 고장전류를 제어할 수 있는 초전도 고장전류 제한기가 개발되었다. 초전도 고장전류 제한기는 전력계통에서 발생하는 고장전류를 제한하기 위한 장치로, 초전도 고유의 특성인 급격한 저항 증가를 이용하여 고장전류의 크기를 제한하는 기능을 갖는다. 즉, 전력공급원에서 공급되는 전력을 손실 없이 계통으로 공급하고, 사고 시에 발생하는 고장전류를 제한하는 것이다.
초전도 소자는 전류나 온도에 따라 상태를 전이하는 특성을 갖는다. 초전도 소자는 임계치 이상의 전류나 온도에 의해 상전이 상태로 전이되고, 그에 따라 높은 저항을 발생하여 과전류를 제한한다. 이후에 초전도 소자가 냉각되면서 다시 초전도 상태로 복귀된다.
초전도 고장전류 제한기는 두 권선의 자기결합을 이용하는 방식이 있는데, 고장 시에 야기되는 전력 부담을 두 권선과 초전도 소자로 분산한다. 그러나, 고장전류가 초전도 소자에 직접 도통되기 때문에 초전도 소자에 부담이 가중되는 문제점이 있다. 또는, 고장 제거 후에 더딘 회복시간과 철심코어의 포화 등으로 인해 고장전류의 제한 효과가 저하된다는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 입력단에 연결되는 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자 및 자기결합된 구동코일과 직렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함하는 이중?치 초전도 전류 제한기를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 입력단에 연결되는 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자 및 자기결합된 구동코일과 병렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함하는 이중?치 초전도 전류 제한기를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기는 제1 구동코일, 상기 제1 구동코일과 병렬 연결되어 자기결합되는 제2 구동코일, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 스위치, 상기 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자 및 상기 제2 구동코일과 직렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함한다.
한편, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 가극성 결선 방식에 따라 자기결합될 수 있다.
또한, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 감극성 결선 방식에 따라 자기결합될 수 있다.
또한, 고장전류 발생 시 상기 제1 초전도 소자의 ?치 현상 발생 이후 상기 제2 초전도 소자의 ?치 현상이 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 고장전류 발생 시 역기전력이 발생하여 정방향 또는 역방향의 전류가 흐르게 되어 상기 스위치를 턴 오프 시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기는 제1 구동코일, 상기 제1 구동코일과 직렬 연결되어 자기결합되는 제2 구동코일, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 스위치, 상기 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함한다.
한편, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 가극성 결선 방식에 따라 자기결합될 수 있다.
또한, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 감극성 결선 방식에 따라 자기결합될 수 있다.
또한, 고장전류 발생 시 상기 제1 초전도 소자의 ?치 현상 발생 이후 반주기 이내에 상기 제2 초전도 소자의 ?치 현상이 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은, 고장전류 발생 시 역기전력이 발생하여 전류가 흐르게 되어 상기 스위치를 턴 오프 시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 고장전류 발생 시, 제1 초전도 소자에 의해 고장전류를 한 차례 제한하고, 추가로 제2 초전도 소자를 투입시켜 고장전류를 한 차례 더 제한할 수 있다. 따라서, 고장전류를 보다 안정적이고 신속하게 감소시켜 설비 손상을 방지할 수 있으며, 전력계통의 안정성, 신뢰도 등을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 고장전류 발생 시 도 1에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기의 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프의 일 예이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 고장전류 발생 시 도 4에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기의 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프의 일 예이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)는 제1 구동코일(10), 제2 구동코일(20), 스위치(50), 제1 초전도 소자(70) 및 제2 초전도 소자(80)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)는 전력계통에 마련되어 낙뢰나 단락 등의 사고로 고장전류 발생 시, 고장전류를 차단기에서 차단 가능한 용량으로 제한함으로써, 전력계통에 설치된 각종 전력기기의 손상을 방지할 수 있다. 또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)는 전동기와 같이 전류 값에 예민한 분야에 적용되어 양질의 전기 값을 공급할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)의 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 병렬 연결될 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 입력단에 병렬 연결되는 분류 경로 상에 각각 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 구동코일(10)은 일측이 입력단에 연결되고, 타측이 부하가 연결되는 출력단에 연결될 수 있다. 제2 구동코일(20)은 일측이 입력단에 연결되고 타측이 후술하는 제2 초전도 소자(80)에 연결될 수 있다.
제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 병렬 연결되어 자기결합될 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 가극성 결선 방식에 따라 자기결합되거나, 감극성 결선 방식에 따라 자기결합될 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 가극성 결선 방식에 따라 자기결합되면, 역기전력 발생 시 제1 구동코일(10)에는 제2 구동코일(20)에 흐르는 전류와 역방향의 전류가 흐를 수 있다. 또는, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 감극성 결선 방식에 따라 자기결합되면, 역기전력 발생 시 제1 구동코일(10)에는 제2 구동코일(20)에 흐르는 전류와 정방향의 전류가 흐를 수 있다.
스위치(50)는 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)과 병렬 연결될 수 있다. 스위치(50)는 입력단에 병렬 연결되는 분류 경로 상에 배치될 수 있다. 스위치(50)는 후술하는 제1 초전도 소자(70)와 직렬 연결될 수 있다. 구체적으로, 스위치(50)는 일측이 입력단과 연결되고, 타측이 후술하는 제1 초전도 소자(70)와 연결될 수 있다.
스위치(50)는 전자기력에 의해 기계적으로 고정 접점과 가동 접점이 접촉 또는 분리되는 기계식 접점 스위치일 수 있다. 스위치(50)는 예를 들어, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)에 정방향 또는 역방향의 전류가 흐르게 되어 발생하는 전자기력에 의해 턴 오프 될 수 있다.
제1 초전도 소자(70)는 스위치(50)에 직렬 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 초전도 소자(70)는 일측이 스위치(50)의 타측에 연결되고, 타측이 출력단에 연결될 수 있다.
제1 초전도 소자(70)는 임계값 이내의 정상전류가 흐르는 상태(전력계통의 정상상태)에서는 전기저항이 영(zero)인 초전도 상태이고, 임계값 이상의 고장전류가 흐르는 상태(전력계통의 고장상태)에서는 상전도 상태로 전이하면서 높은 저항값을 발생시키는 ?치(Quench) 현상을 발생시킬 수 있다.
제2 초전도 소자(80)는 제2 구동코일(20)에 직렬 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 초전도 소자(80)는 일측이 제2 구동코일(20)의 타측에 연결되고, 타측이 출력단에 연결될 수 있다.
제2 초전도 소자(80)는 임계값 이내의 정상전류가 흐르는 상태(전력계통의 정상상태)에서는 전기저항이 영(zero)인 초전도 상태이고, 임계값 이상의 고장전류가 흐르는 상태(전력계통의 고장상태)에서는 상전도 상태로 전이하면서 높은 저항값을 발생시키는 ?치(Quench) 현상을 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)는 두 개의 초전도 소자(70,80)를 포함하여, 고장전류를 두 번에 걸쳐 제한할 수 있다. 제1 초전도 소자(70)는 스위치(50)와 연결되고, 제2 초전도 소자(80)는 제2 구동코일(20), 즉, 리액터에 연결됨에 따라, 고장전류 발생 시 제1 초전도 소자(70)의 ?치 현상 발생 이후 제2 초전도 소자(80)의 ?치 현상이 발생되어 고장전류를 두 번에 걸쳐 제한할 수 있다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 도 1에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기(1)의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 고장전류 발생 시 도 1에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기의 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프의 일 예이다.
도 2는 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 감극성 결선 방식에 따라 자기결합되도록 설계한 경우, 고장전류 발생 시 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다.
고장전류 발생 시, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 감극성 결선에 의해 역기전력이 발생하는데, 제1 구동코일(10)에는 정방향의 전류가 흐르게 된다.
제1 초전도 소자(70) 및 제2 초전도 소자(80)는 ?치 현상이 발생되어 높은 저항값을 발생시킬 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)에 의해 인덕턴스가 감소함에 따라 제1 초전도 소자(70)의 ?치 현상 이후 반 주기 이내에 제2 초전도 소자(80)의 ?치 현상이 발생함을 확인할 수 있다.
도 3은 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 가극성 결선 방식에 따라 자기결합되도록 설계한 경우, 고장전류 발생 시 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다.
고장전류 발생 시, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 가극성 결선에 의해 역기전력이 발생하는데, 제1 구동코일(10)에는 제2 구동코일(20)과 역방향의 전류가 흐르게 된다.
제1 초전도 소자(70) 및 제2 초전도 소자(80)는 ?치 현상이 발생되어 높은 저항값을 발생시킬 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)에 의해 인덕턴스가 증가함에 따라 제1 초전도 소자(70)의 ?치 현상 이후 반 주기 이내에 제2 초전도 소자(80)의 ?치 현상이 발생함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1)는 고장전류 발생 시, 제1 초전도 소자(70)에 의해 고장전류를 한 차례 제한하고, 추가로 제2 초전도 소자(80)를 투입시켜 고장전류를 한 차례 더 제한할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1')는 도 1에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기(1)와 비교하였을 때, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 직렬 연결되어 자기결합되고, 제2 초전도 소자(80)는 제2 구동코일(20)에 병렬 연결된다는 점에서 차이가 있을 뿐, 다른 소자들 간의 연결 및 각 소자들의 특성은 동일하다.
구체적으로, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 직렬 연결될 수 있다. 제1 구동코일(10)은 일측이 입력단에 연결되고, 타측이 제2 구동코일(20)에 연결될 수 있다. 제2 구동코일(20)은 일측이 제1 구동코일(10)의 타측에 연결되고, 타측이 출력단에 연결될 수 있다.
스위치(50)는 직렬 연결된 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)과 병렬 연결될 수 있다. 스위치(50)는 일측이 입력단에 연결되고, 타측이 제1 초전도 소자(70)에 연결될 수 있다.
제1 초전도 소자(70)는 스위치(50)와 직렬 연결될 수 있다. 제1 초전도 소자(70)는 일측이 스위치(50)와 연결되고, 타측이 출력단에 연결될 수 있다.
제2 초전도 소자(80)는 제2 구동코일(20)과 병렬 연결될 수 있다. 제2 초전도 소자(80)는 일측이 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20) 사이에 연결되고, 타측이 출력단에 연결될 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 도 4에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기(1')의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6은 고장전류 발생 시 도 4에 도시된 이중?치 초전도 전류 제한기의 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프의 일 예이다.
도 5는 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 가극성 결선 방식에 따라 자기결합되도록 설계한 경우, 고장전류 발생 시 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다.
고장전류 발생 시, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 가극성 결선에 의해 역기전력이 발생하는데, 제1 구동코일(10)에는 제2 구동코일(20)과 반대 방향의 전류가 흐르게 된다. 따라서, 소자에 가해지는 절대량이 적음에도 고장전류의 제한이 가능하다.
제1 초전도 소자(70) 및 제2 초전도 소자(80)는 ?치 현상이 발생되어 높은 저항값을 발생시킬 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)에 의해 인덕턴스가 증가함에 따라 제1 초전도 소자(70)의 ?치 현상 이후 반 주기 이내에 제2 초전도 소자(80)의 ?치 현상이 발생함을 확인할 수 있다.
도 6은 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)이 감극성 결선 방식에 따라 자기결합되도록 설계한 경우, 고장전류 발생 시 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다.
고장전류 발생 시, 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)은 감극성 결선에 의해 역기전력이 발생하는데, 제1 구동코일(10)에는 제2 구동코일(20)과 동일한 방향의 전류가 흐르게 된다.
제1 초전도 소자(70) 및 제2 초전도 소자(80)는 ?치 현상이 발생되어 높은 저항값을 발생시킬 수 있다. 제1 구동코일(10) 및 제2 구동코일(20)에 의해 인덕턴스가 감소함에 따라 제1 초전도 소자(70)의 ?치 현상 이후 반 주기 이내에 제2 초전도 소자(80)의 ?치 현상이 발생함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중?치 초전도 전류 제한기(1')는 고장전류 발생 시, 제1 초전도 소자(70)에 의해 고장전류를 한 차례 제한하고, 추가로 제2 초전도 소자(80)를 투입시켜 고장전류를 한 차례 더 제한할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 이중?치 초전도 전류 제한기
10: 제1 구동코일
20: 제2 구동코일
50: 스위치
70: 제1 초전도 소자
80: 제2 초전도 소자

Claims (10)

  1. 제1 구동코일;
    상기 제1 구동코일과 병렬 연결되어 자기결합되는 제2 구동코일;
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 스위치;
    상기 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자; 및
    상기 제2 구동코일과 직렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함하는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    가극성 결선 방식에 따라 자기결합되는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    감극성 결선 방식에 따라 자기결합되는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  4. 제1항에 있어서,
    고장전류 발생 시 상기 제1 초전도 소자의 ?치 현상 발생 이후 상기 제2 초전도 소자의 ?치 현상이 발생하는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    고장전류 발생 시 역기전력이 발생하여 정방향 또는 역방향의 전류가 흐르게 되어 상기 스위치를 턴 오프 시키는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  6. 제1 구동코일;
    상기 제1 구동코일과 직렬 연결되어 자기결합되는 제2 구동코일;
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 스위치;
    상기 스위치와 직렬 연결되는 제1 초전도 소자; 및
    상기 제2 구동코일과 병렬 연결되는 제2 초전도 소자를 포함하는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    가극성 결선 방식에 따라 자기결합되는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    감극성 결선 방식에 따라 자기결합되는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  9. 제6항에 있어서,
    고장전류 발생 시 상기 제1 초전도 소자의 ?치 현상 발생 이후 반주기 이내에 상기 제2 초전도 소자의 ?치 현상이 발생하는 이중?치 초전도 전류 제한기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 구동코일 및 상기 제2 구동코일은,
    고장전류 발생 시 역기전력이 발생하여 전류가 흐르게 되어 상기 스위치를 턴 오프 시키는 이중?치 초전도 전류 제한기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001112166A (ja) * 1999-10-08 2001-04-20 Mitsubishi Electric Corp 限流装置
KR100763163B1 (ko) * 2005-12-02 2007-10-08 엘에스산전 주식회사 재폐로 동작이 가능한 초전도 한류 시스템
KR101785838B1 (ko) * 2016-04-12 2017-10-17 숭실대학교산학협력단 두 개의 동작전류 조절이 가능한 비절연 이차권선을 갖는 변압기형 초전도 한류기

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