KR20210145009A - 다회로 직류 차단 시스템 - Google Patents

Abstract

본 기술은 다회로 직류 차단 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 기술의 구현 예에 따르면 한류기술과 다회로 차단기술을 결합하여 빠르게 고장을 감지 및 1차적으로 고장전류의 크기를 제한할 수 있고, 다양한 고장전류의 범위에서 고장전류를 병렬로 구성된 다 회로의 일부 회로에 분배하여 차단동작을 수행함으로써 용이하게 용량을 증대할 수 있는 이점이 있다.

Description

다회로 직류 차단 시스템{Multi-circuit DC blocking system}

본 발명은 다회로 직류 차단 시스템에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 직류 전력망의 고장전류를 차단하고 아크를 소호하는 다회로 직류 차단 시스템에 관한 것이다.

2017년 우리나라는 재생에너지 3020 이행 계획을 발표하고 재생에너지 보급량을 꾸준히 증가시키고 있다. 특히 재생에너지 3020정책과 3차 에너지기본계획에 명시된 재생에너지 발전비율 35% 보급을 충족시키기 위해서는 12 GW가 넘는 잠재량을 가지는 풍력산업의 발전이 시급하다. 풍력산업의 경우 발전효율을 높이고 단가를 낮추기 위해 점점 먼 바다에 설치되고 있으나 기존 교류송전(High Voltage Alternative Current, HVAC)방식으로는 효율이 급격이 낮아지고, 주파수로 인한 계통 붕괴 등으로 인해 발전에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 직류송전(High Voltage Direct Current, HVDC) 방식이 제안되어 미국, 유럽, 중국 등 전 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

HVDC 시스템을 적용 및 구축하기 위해서는 단시간 내 안정적으로 아크를 소호하는 직류 차단기술 확보가 필수이다. 직류는 교류와 다르게 에너지가 최소화되는 전류영점이 부재로 인해 접점이 개방될 때 발생하는 서지전압으로 인해 아크가 발생된다. 직류에서는 아크가 발생하면 소호시간이 매우 길며 이때 국부적으로 높은 열이 발생하고 이로 인하여 접촉 단자의 파손은 물론 화재의 위험성도 내재하고 있다. 도통 시에도 순간적인 돌입전류의 크기가 교류에 비해 매우 크다.

기존에 개발된 직류 차단기는 크게 반도체 차단기와 기계식 차단기 2가지로 분류할 수 있다. 반도체 차단의 경우 고장전류 제한이 매우 빠르고 안정적이나 경제적 부담이 매우 크고 발열현상에 대한 문제점이 존재한다. 기계식 차단기는 기계적 접점으로 이루어져 있기 때문에 아크에 의해 열화현상이 발생하여, 매우 낮은 전압, 전류 범위에서만 사용할 수 있는 단점이 있다. 이에 경제적이고 안정적이며, 다양한 고장전류 범위에서 차단동작을 수행할 수 있는 직류 차단기 개발이 시급한 상황이다. 게다가 국내에서는 기존 케이블보다 최소 약 5배 이상의 전력전송이 가능한 초전도 케이블이 적용된 HVDC 시스템 구축을 고려하고 있어 기존에 제안된 차단기들보다 용량도 증대시켜야 한다.

1. 한국 등록특허 제10-1658539호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서 한류기술과 다회로 차단기술을 결합하여 빠르게 직류전력망의 고장을 감지할 수 있고 다양한 고장전류 범위에서 차단동작을 수행할 수 있으며 용이하게 용량을 증대할 수 있는 다회로 직류 차단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 직류 전력망의 직류 차단 시스템에 있어서, 상전이를 통해 상기 직류 전력망의 고장을 감지하고 고장전류의 최대크기를 제한하는 초전도 한류모듈; 상기 초전도 한류모듈의 고장 감지에 따라 상기 직류 전력망의 고장전류를 검출하고 검출된 고장전류 크기에 따라 회로 제어신호를 송신하는 하이브리드 제어기; 및 다른 용량을 가지는 복수의 보조회로를 병렬연결로 구비하고 상기 하이브리드 제어기로부터 수신된 상기 회로 제어신호에 따라 상기 직류 전력망의 주회로를 차단 및 상기 보조회로의 일부를 상기 직류 전력망과 연결하여 아크를 소호시키는 다회로 차단모듈;을 포함한다.

바람직하게는, 상기 초전도 한류모듈은 냉각장치 및 온도 센서, 컨트롤러를 포함하여 임계조건을 유지하고 임계 값을 초과하는 고장 발생시 임피던스 발생에 따라 고장전류의 최대크기를 제한하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 제어기는 상기 초전도 한류모듈을 통해 상기 직류 전력망의 전류, 저항 및 전압의 크기 변화를 감지하고 션트 저항 및 프로브 컨트롤러를 이용하여 고장전류의 크기 분석을 통해 상기 다수의 보조회로 중 동작할 보호회로를 선별하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 다회로 차단모듈의 접점은 진공 인터럽터를 사용하여 개폐 동작시 발생하는 아크를 진공에 의해 소호하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 다회로 차단모듈은 상기 보조회로를 조작하는 영구자석 조작기를 포함하고, 상기 회로 제어신호를 통해 개방된 보조회로는 상기 영구자석 조작기의 코일이 여자됨으로써 차단 동작을 수행하는 것일 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 한류기술과 다회로 차단기술을 결합하여 빠르게 고장을 감지 및 1차적으로 고장전류의 크기를 제한할 수 있고, 다양한 고장전류의 범위에서 고장전류를 병렬로 구성된 다 회로의 일부 회로에 분배하여 차단동작을 수행함으로써 용이하게 용량을 증대할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 회로도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 정상 상태 회로도 및 전류 도통의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 과도 상태 회로도 및 전류 도통의 예를 도시한다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특징적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도 1은 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 회로도를 도시한다. 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 다회로 직류 전원 차단 시스템은 초전도 한류모듈(100), 하이브리드 제어기(200) 및 다회로 차단모듈(300)을 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 정상 상태 회로도 및 전류 도통의 예를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템의 과도 상태 회로도 및 전류 도통의 예를 도시한다.

초전도 한류모듈(100)은 상전이를 통해 직류 전력망(10)의 고장을 감지하고 고장전류의 최대크기를 제한한다. 또한, 초전도 한류모듈(100)은 초전도 한류모듈(100)은 냉각장치 및 온도 센서, 컨트롤러를 포함하여 임계조건을 유지하고 임계 값을 초과하는 고장 발생시 임피던스를 발생에 따라 고장전류의 최대크기를 제한하는 것일 수 있다.

초전도 한류모듈(100)은 초전도체를 이용하여 임계조건 이하에서 저항이 0인 초전도성을 유지하므로 전력 손실이 발생하지 않는다. 또한, 초전도 한류모듈(100)은 정상상태(Steady State)에서 전류는 주회로(3001)를 통해 안정적으로 도통되고, 주회로(3001)를 제외한 보조회로(3003)의 접점은 개방된 상태를 유지한다.

초전도 한류모듈(100)은 과도상태(Transient State)에서 수 ms 이내에 고장을 감지하고 임의의 고임피던스를 지니는 상전도체로 전이되어 고장 전류의 최대 크기를 1차적으로 제한할 수 있다. 또한, 초전도 한류모듈(100)이 상전이 되는 순간 도통되는 전류, 전압, 저항에 관한 정보가 하이브리드 제어기(200)로 전달될 수 있다.

하이브리드 제어기(200)는 초전도 한류모듈의 고장 감지에 따라 직류 전력망(10)의 고장전류를 검출하고 검출된 고장전류 크기에 따라 회로 제어신호를 송신한다. 하이브리드 제어기(200)는 초전도 한류모듈(100)의 고장신호를 다회로 차단모듈(300)에 전달하여 영구자석 조작기를 동작시켜 선로를 단시간 내 차단이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 하이브리드 제어기(200)는 초전도 한류모듈(100)을 통해 직류 전력망(10)의 전류, 저항 및 전압의 크기 변화를 감지하고 션트 저항 및 프로브 컨트롤러를 이용하여 고장전류의 크기 분석을 통해 다수의 보조회로(3003) 중 동작할 보호회로(3003)를 선별하는 것일 수 있다.

하이브리드 제어기(200)는 초전도 한류모듈(100)로부터 전달 받는 정보를 기반으로 고장전류의 크기를 분석하여 다회로 차단모듈(300)에 동작할 보조회로(3003)를 선별하여 보조회로(3003)에 차단 동작을 지령할 수 있다.

다회로 차단모듈(300)은 다른 용량을 가지는 다수의 보조회로(3003)를 병렬연결로 구비하고 하이브리드 제어기(200)로부터 수신된 회로 제어신호에 따라 직류 전력망(10)의 주회로(3001)를 차단 및 보조회로(3003)의 일부를 직류 전력망(10)과 연결하여 아크를 소호시킨다.

또한, 다회로 차단모듈(300)의 접점은 진공 인터럽터(3005)를 사용하여 개폐 동작시 발생하는 아크를 진공에 의해 소호하는 것일 수 있다.

또한, 다회로 차단모듈(300)은 보조회로(3003)를 조작하는 영구자석 조작기(3007)를 포함하고, 회로 제어신호를 통해 개방된 보조회로(3003)는 영구자석 조작기(3007의 코일이 여자됨으로써 차단 동작을 수행하는 것일 수 있다.

다회로 차단모듈(300)은 하이브리드 제어기(200)로부터 지령을 전달받아 다회로 차단모듈(300) 내 보조회로(3003)의 조작기인 영구자석 조작기(3007)의 C/O 코일이 여자되어 주회로(3001)를 분리하고 고장전류를 보조회로(3003)로 우회시켜 차단동작을 수행할 수 있다.

다회로 차단모듈(300)은 영구자석 조작기의 C/O 코일을 여자시켜 진공 인터럽터(3005)의 접점을 on, off 시켜 고장전류를 주회로(3001)에서 보조회로(3003)로 우회함으로써 주회로(3001)를 보호하는 것일 수 있다. 우회된 고장전류는 크기에 따라 회로별로 분배되어 차단동작을 수행하여 전력망에서 완전히 차단된다.

다회로 차단모듈(300)은 고장전류의 크기에 따라 연계된 보조회로(3003)로 분배되어 차단이 이루어지며 연계된 저항(3009)에 의해 최종 잔류 값이 소호되어 차단동작이 완료될 수 있다. 이러한 고장전류의 분배에 따라 전력부담이 완화하고, 진공 인터럽터(3005)의 접점 개방시 발생하는 아크 크기를 감소시킬 수 있다.

따라서, 초전도 한류모듈(100)에 의해 고장전류의 최대 크기가 1차적으로 제한되고, 하이브리드 제어기(200) 및 다회로 차단모듈(300)에 의해 고장전류가 크기에 따라 분산되어 소호되므로 아크 에너지가 매우 작아져 단시간내 안정적인 차단동작이 가능하다.

본 발명에 따르면 한류기술과 다회로 차단기술이 결합되어 초전도 한류모듈(100)은 수 ms 이내에 고장을 감지하고, 고장전류의 최대 크기를 1차적으로 제한하여 차단기 가해지는 전력을 분산하여 차단실패 가능성을 저감한다. 하이브리드 제어기(200)는 고장 검출 파라미터를 전달 받아 크기를 분석하여 다회로 차단모듈(300) 내 보조회로(3003) 중 동작 회로를 선별하여 동작을 지령한다. 하이브리드 제어기(200)에서 다회로 차단모듈(300) 내 용량별 보조회로(3003)의 개폐가 가능함에 따라 적용 계통이 유연하여 교체 주기 및 경제적 비용을 저감할 수 있다.

다회로 차단모듈(300)은 하이브리드 제어기(200)로부터 개폐 지령을 받아 주회로(3001)를 차단하고, 보조회로(3003)를 연결하여 아크를 소호시켜 고장전류를 차단한다. 다회로 차단모듈은 진공 인터럽터(3005)와 영구자석 조작기(3007)를 이용하여 안정성이 높고 빠른 동작속도를 가질 수 있다.

다회로 차단모듈(300)은 다수의 보조회로(3003)를 용량에 따라 설계 및 제작하여 병렬로 구성함으로써 간단한 구조로 용량증대를 용이하게 할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 다회로 직류 차단 시스템은 구조가 간단하고 용량증대가 용이하여 적용계통의 범위가 유연해진다. 한류기술과 차단기술이 결합하여 전력을 분배 및 차단동작을 수행함으로써 아크의 크기가 저감되어 차단속도 및 시간이 단축되어 차단실패 가능성이 저감됨에 따라 계통의 신뢰도 및 안정도를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 직류 송전에 적용할 수 있는 직류 차단기로써 해상풍력발전, 신재생에너지원, 분산전원, 스마트 그리드 등 직류를 기반으로 한 여러 분야에 적용될 수 있고 관련 시장이 발전하고 있음에 따라 그 이용가능성 높다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 직류 전력망
100 초전도 한류모듈
200 하이브리드 차단기
300 다회로 차단모듈
3001 주회로
3003 보조회로
3005 진공 인터럽터
3007 영구자석 조작기
3009 저항

Claims (5)

1. 직류 전력망의 직류 차단 시스템에 있어서,
   상전이를 통해 상기 직류 전력망의 고장을 감지하고 고장전류의 최대크기를 제한하는 초전도 한류모듈;
   상기 초전도 한류모듈의 고장 감지에 따라 상기 직류 전력망의 고장전류를 검출하고 검출된 고장전류 크기에 따라 회로 제어신호를 송신하는 하이브리드 제어기; 및
   다른 용량을 가지는 복수의 보조회로를 병렬연결로 구비하고 상기 하이브리드 제어기로부터 수신된 상기 회로 제어신호에 따라 상기 직류 전력망의 주회로를 차단 및 상기 보조회로의 일부를 상기 직류 전력망과 연결하여 아크를 소호시키는 다회로 차단모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다회로 직류 차단 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 초전도 한류모듈은 냉각장치 및 온도 센서, 컨트롤러를 포함하여 임계조건을 유지하고 임계 값을 초과하는 고장 발생시 임피던스 발생에 따라 고장전류의 최대크기를 제한하는 것을 특징으로 하는 다회로 직류 차단 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 하이브리드 제어기는 상기 초전도 한류모듈을 통해 상기 직류 전력망의 전류, 저항 및 전압의 크기 변화를 감지하고 션트 저항 및 프로브 컨트롤러를 이용하여 고장전류의 크기 분석을 통해 상기 다수의 보조회로 중 동작할 보호회로를 선별하는 것을 특징으로 하는 다회로 직류 차단 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 다회로 차단모듈의 접점은 진공 인터럽터를 사용하여 개폐 동작시 발생하는 아크를 진공에 의해 소호하는 것을 특징으로 하는 다회로 직류 차단 시스템.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 다회로 차단모듈은 상기 보조회로를 조작하는 영구자석 조작기를 포함하고, 상기 회로 제어신호를 통해 개방된 보조회로는 상기 영구자석 조작기의 코일이 여자됨으로써 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 다회로 직류 차단 시스템.
   
   

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