KR20220033845A - 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법 - Google Patents

초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법 Download PDF

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Abstract

초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치는, 철심에 상전도체로 권선되는 1차측 코일 및 상기 철심에 초전도체로 권선되는 2차측 코일을 포함하는 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성을 추정하는 장치에 있어서, 상기 1차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제1측정부, 상기 2차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제2측정부, 상기 제1측정부 및 제2측정부의 측정값을 이용하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하고, 고장 발생시 상기 철심의 자기 특성을 기초로 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 연산하는 제어부를 포함한다.

Description

초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법{Device and Method for estimating magnetic properties of SFCL, and Nonlinear inductance estimation method using the same}
본 발명은 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법에 관한 것이다.
전력 수요의 급증에 따라, 고압 교류 송전(HVAC, High Voltage Alternating Current) 방식 대비 고압 직류 송전(HVDC, High Voltage Direct Current)방식은 대용량의 에너지원을 통한 장거리 송전에 유리하기 때문에 차세대 전력계통의 기술분야에서 각광받고 있다.
그 중 전압 소스 컨버터(VSC, Voltage source converter) 기반의 고압 직류 송전(HVDC, High Voltage Direct Current)은 자체적으로 턴-온/턴오프 기능이 있는 IGBT 소자를 사용하여 고속으로 교류를 직류로 변환할 수 있는 전송기술로, 유
Figure pat00001
무효 전력을 각각 제어할 수 있으며 멀티 터미널(multi terminal) 방식으로 연결할 수 있다.
그러나 VSC-HVDC 송전 방식의 DC 시스템에서 단락 고장이 발생되면, DC 링크 캐패시터의 방전으로 인해 매우 빠른 속도로 높은 서지 전류를 발생하게 되어 고장 발생의 문제점을 초래한다. 여기서 캐패시터의 전압이 모두 방전될 때, 전류의 연속성에 의해 프리휠 다이오드를 통해 고장전류가 흐르게 된다. 즉, VSC의 컨버터 장치가 손상될 수 있기 때문에 VSC-HVDC 시스템을 현실적으로 광범위하게 적용하기에는 어렵다.
근래에 이러한 VSC-HVDC 시스템의 고장 전류의 크기를 제한하기 위해 유도형(Inductive), 저항형(Resistivie), 포화 철심형(SI, Saturated Iron-core) 초전도 고장 전류 제한기(SFCL, Superconducting Fault Current Limiter)(초전도 한류기) 등 여러 종류의 초전도 고장 전류 제한기의 도입을 고려하고 있다. 그 중 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)는 고장 전류의 크기를 비교적 낮은 수준으로 제한할 수 있기 때문에 VSC-HVDC 시스템에서 적합하다.
이와 같은 상기 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)의 구조는 하나의 철심, DC 그리드(DC grid)와 직렬 연결된 상전도제의 1차측 코일, DC 전류원에 의해 공급되는 초전도체의 2차 초전도 코일을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에 따르면, 정상상태에서 DC 전류원을 통한 2차측 코일의 자기장은 1차측 코일의 자기장과 반대방향으로 형성되므로, 1차측 코일에서 철심이 포화되어 철심은 공심과 같이 낮은 투자율을 갖게 된다. 따라서 1차측 코일은 DC 전원에 미치는 영향이 미미하다는 것이다. 또한, DC 선로에서 고장이 발생할 경우, 1차측 코일로 흐르는 전류가 증가하며 철심은 비포화상태가 되어 투자율을 증가시킨다.
즉, SI-SFCL 구조의 1차측 코일은 정상상태에서는 철심의 포화로 인해 매우 낮은 인덕턴스를 가지며, 고장상태에서는 철심의 불포화상태로 돌입하여 높은 인덕턴스를 가지게 된다. 이로 인해, 1차측 코일의 인덕턴스는 정상상태에 비해 급격하게 증가하고, 증가된 인덕턴스에 의해 고장전류의 크기 및 증가율이 제한된다는 것이다.
또한, 이러한 SI-SFCL 구조는 수 밀리 초의 짧은 시간동안 DC 링크 커패시터를 방전하여 DC 고장 전류를 발생하거나, 1차측 코일이 고장 시 과도 인덕턴스가 비선형적으로 변하기 때문에 정확하게 계산하기 어렵다. 이는 과도 인덕턴스가 철심의 비선형 특성과 과도 고장 전류에 따라 달라기 때문이다.
따라서, DC 그리드(전원 시스템)에서 SI-SFCL의 동작 성능을 평가하기 위해 철심의 자기 특성을 확인하고, SI-SFCL의 과도 비선형 인덕턴스를 추정하는 장치 및 방법이 필요하다.
대한민국 등록특허 0886658호 (2009.02.25 등록) 대한민국 등록특허 1107809호 (2012.01.12 등록)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 SI-SFCL의 고장 전류 제한 성능을 평가하기 위한 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치, 방법 및 이를 이용한 비선형 인덕턴스 추정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 DC 그리드에서 SI-SFCL의 철심에 대한 자기 특성을 추정하고, 고장 전류 제한 성능을 평가하기 위한 과도 비선형 인덕턴스를 계산하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 철심에 상전도체로 권선되는 1차측 코일 및 상기 철심에 초전도체로 권선되는 2차측 코일을 포함하는 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성을 추정하는 장치에 있어서, 상기 1차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제1측정부, 상기 2차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제2측정부, 상기 제1측정부 및 제2측정부의 측정값을 이용하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하고, 고장 발생시 상기 철심의 자기 특성을 기초로 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 연산하는 제어부를 포함하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 제공한다.
상기 제어부는, 상기 제1측정부 및 제2측정부의 측정 값을 통해 상기 1차측 코일 및 2차측 코일의 자속 밀도 및 자기장 세기를 연산하여 상기 철심의 자기 특성을 추정한다.
상기 제어부는, 상기 자기 특성 및 상기 1차측 코일의 자기장 세기를 통해 상대 투자율을 결정하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 연산한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 1차측 코일을 개방시키고, 2차측 코일의 전류를 증가시키는 단계, 상기 2차측 코일의 시간에 따른 전압 및 전류를 측정하는 단계, 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 2차측 코일의 자속 밀도를 연산하는 단계, 상기 측정된 전류를 통해 상기 2차측 코일의 자기장 세기를 연산하는 단계 및 상기 자속 밀도 및 상기 자기장 세기를 통해 철심의 자기 특성을 추정하는 단계를 포함하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 제공한다.
상기 자속 밀도를 연산하는 단계는, 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 2차측 코일의 총 자속 쇄교수를 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 이용하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하는 단계, 상기 2차측 코일의 전압 및 전류를 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 자기장 세기를 연산하는 단계, 상기 과도 자기장 세기 및 상기 자기 특성을 이용하여 일시적인 상대 투자율을 결정하는 단계 및 상기 상대 투자율을 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 추정하는 단계를 포함하는, 비선형 인덕턴스 추정 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 1차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 단계 및 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 추정하는 단계를 포함하는, 비선형 인덕턴스 추정 방법을 제공한다.
상기 1차측 코일의 전류는, 고장 발생시, 고장 전류와 동일한 값을 가진다.
본 발명에 따르면, SI-SFCL에서 철심의 자기 특성(상대 투자율, 자화 특성 등)을 확인할 수 있고 철심과 함께 사용되는 코일의 비선형 과도 인덕턴스를 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 그리드에 대한 SI-SFCL의 동작 특성을 분석하고 고장 전류 제한 성능을 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시에 따른 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 따른 철심의 자기특성을 측정하기 위한 등가 회로도이다.
도 3은 도 2에서 2차측 코일의 자기 특성을 추정하기 위해 시간에 따른 전압/전류를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 일 실시에 따른 자기 특성 추정 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 일 실시에 따른 비선형 인덕턴스 추정 방법의 순서를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이와 같은 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본원이 이러한 실시 예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)(1)가 정상상태에서 1차측 코일(20)이 철심(10)의 포화로 인해 매우 낮은 인덕턴스를 가지고, 고장상태에서 철심(10)이 불포화 상태로 돌입하며 높은 인덕턴스를 가지게 된다. 즉, 본 발명의 초전도 고장 전류 제한기(SFCL)의 자기 특성 추정 장치(100)는 1차측 코일(10)의 과도 비선형 인덕턴스와 관련된 철심(10)의 자기 특성의 동적 변환에 대해 고장 전류 제한 성능을 결정할 수 있다. 1차측 코일(20)의 과도 전압 및 전류를 직접 계산하며, 1차측 비선형 상대 투자율과 1차측 코일의 비선형 인덕턴스를 추정하고자 한다.
본 발명의 초전도 고장 전류 제한기(SFCL)은 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL, Saturated Iron-core Superconducting Fault Current Limiter)(1) 구조 일 수 있으나, 반드시 이러한 구조에 국한되는 것은 않는다.
도 1은 본 발명에 일 실시에 따른 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)(1)의 자기 특성 추정 장치(100)를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)(1)의 자기 특성 추정 장치(100)는 철심(10), 1차측 코일(20), DC 그리드(DC grid)(22), 2차측 코일(30), DC 전류원(DC current soirce)(32), 금속 산화물 피뢰기(MOA, Metal oxide arrester)(40), 제1측정부(110), 제2측정부(120), 제어부(130)를 포함할 수 있다.
철심(10)은 밀폐형 철심으로 링형 또는 다변형일 수 있다.
철심(10)은 평행한 변에 복수의 코일이 권선될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 철심(10)은 "ㅁ" 자형 철심으로 구성될 수 있으며, 1차측 코일(20) 및 2차측 코일(30)이 "ㅁ" 자형 철심(10)의 평행하여 마주보는 양 변에 권선된다.
1차측 코일(20) 및 2차측 코일(30)은 기설정된 권선비에 의해 권선되는 회수가 달라질 수 있다.
1차측 코일(20)은 상온에서 일반적인 전기 전도를 가지는 상전도체의 도선이며, 2차측 코일(30)은 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 0[Ω]에 가까워지는 초전도 현상이 나타나는 초전도체의 도선에 해당된다.
1차측 코일(20)은 DC 그리드(DC grid)(22)와 직렬로 연결되고, 2차 코일(30)은 DC 전류원(32)와 연결된다.
DC 전류원(32)은 금속 산화물 피뢰기(MOA)(40)과 병렬로 연결된다. 상기 금속 산화물 피뢰기(40)는 전원 시스템의 과전압을 보호하기 위함이다. 즉, 금속 산화물 피뢰기(40)는 회로의 개폐 시 발생하는 서지전압을 일시적으로 방류시켜 DC 그리드(22)에 설치된 기기 및 선로를 보호할 수 있다.
DC 그리드(22)는 제1측정부(110)와 연결될 수 있다. 상기 제1측정부(110)는 1차측 코일(20)의 전압 및 전류, 고장 발생 시 고장전류를 측정할 수 있다. 그리고, DC 전류원(32)은 제2측정부(120)와 연결될 수 있으며, 2차측 코일(30)의 시간에 따른 전압 및 전류를 측정할 수 있다.
제1측정부(110) 및 제2측정부(120)는 제어부(130)와 연결되어 있다. 상기 제어부(130)은 제1측정부(110) 및 제2측정부(120)의 측정값을 이용하여 상기 철심(10)의 자기 특성 및 고장 발생시 과도 인덕턴스를 연산할 수 있다. 여기서, 제어부(130)은 SI-SFCL(1) 구조의 초전도 선재 저항이 '0'이라는 특성을 이용하여 제2측정부(120)에서 측정한 2차측 코일(30)의 전압 및 전류 측정값을 활용하여 연산할 수 있다.
도 2는 철심(10)의 자기 특성을 측정하기 위한 등가 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 1차측 코일(20)의 회로는 개방회로(Opened circuit) 이다. 이때, 금속 산화물 피뢰기(MOA)(40)는 회로의 개폐 시 발생하는 DC 그리드(22)에 설치된 기기 및 선로를 보호하기 위함이다.
또한, 1차측 코일(20)에서 DC 그리드(22)를 개방시킨 상태에서, DC 전류원(32)는 2차측 코일(30)에게 일정한 전류를 인가할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, DC 전류원(32)에는
Figure pat00002
의 일정한 전류 상승률로 전류를 증가시킬 수 있으며, 제2측정부(120)은 시간(t)에 따른 2차측 코일(30)의 전압 및 전류를 측정할 수 있다.
제어부(130)은 DC 전류원(32)의 전압 상승률을 제어할 수 있다. 또한, 제1측정부(110) 및 제2측정부(120)에서 측정된 전압 및 전류를 이용하여 자속 밀도(B), 총 자속 쇄교수(Φ), 자기장 세기(H), μ-H곡선, B-H곡선 또는 특성값의 자기 특성, 과도 비선형 인덕턴스를 구할 수 있다.
도 4는 본 발명에 일 실시에 따른 자기 특성 추정 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 철심형 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법(100)은, 1차측 코일(20)을 개방시키고 2차측 코일(30)의 전류를 증가시키며(S110), 상기 2차측 코일(30)의 시간에 따른 전압 및 전류를 측정하고(S120), 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 2차측 코일(30)의 자속 밀도를 연산하며(S130), 상기 측정된 전류를 통해 상기 2차측 코일(30)의 자기장 세기를 연산하고(S140), 상기 자속 밀도 및 상기 자기장 세기를 통해 철심의 자기 특성을 추정하는 것(S150)이다.
보다 구체적으로, S110단계에서 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(130)은 1차측 코일(20)의 회로를 개방(개방회로, Opened circuit)시키고, DC 전류원(32)에서 일정한 전류 상승률의 전류를 인가하여 2차측 코일(30)에 흐르는 전류를 증가시킨다.
그런 다음, S120단계에서 제2측정부(120)는 시간에 따른 2차측 코일(30)의 전압(
Figure pat00003
) 및 전류(
Figure pat00004
)를 측정한다. 여기서, 2차측 코일(30)의 초전도체 선재 저항값은 '0'이다.
즉, 제2측정부(120)의 전압(
Figure pat00005
) 및 전류(
Figure pat00006
) 측정값은 제어부(130)을 통해 2차측 코일(20)의 자속 밀도(B), 총 자속 쇄교수(Φ), 자기장 세기(H), 자기 특성(μ-H곡선, B-H곡선, 특성값)을 연산하기 위한 데이터에 해당된다.
S130단계에서, 제어부(130)는 2차측 코일(30)의 측정된 전압(
Figure pat00007
)을 이용하여 아래의 수학식1과 같이 2차측 코일(20)의 총 자속 쇄교수(Φ)를 계산하고, 이 결과로부터 2차측 코일(20)의 자속 밀도(B)를 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00008
여기서
Figure pat00009
는 2차측 코일의 전압,
Figure pat00010
는 2차측 코일의 총 자속 쇄교수를 나타낸다.
그리고, 제어부(130)는 계산된 자속 쇄교수(Φ)와 기설정된 정보로 자속과 수직으로 지나는 단면 넓이(S)를 통해 자속 밀도(B)를 연산할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 계산된 2차측 코일(30)의 자속 쇄교수(Φ)와 기설정된 정보의 철심(10)의 단면 넓이(S)을 이용하여 아래의 수학식2과 2차측 코일의 자속 밀도(B)를 연산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00011
여기서
Figure pat00012
는 2차측 코일의 총 자속 쇄교수,
Figure pat00013
는 자속과 수직으로 지나는 단면 넓이,
Figure pat00014
는 2차측 코일의 자속 밀도를 나타낸다.
S140단계에서, 제어부(130)는 2차측 코일(30)의 측정된 전류(
Figure pat00015
)를 이용하여 아래의 수학식 3와 같이 2차측 코일(30)의 자기장 세기(H)를 연산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00016
여기서
Figure pat00017
는 2차측 코일의 권선 수,
Figure pat00018
은 2차측 코일의 측정 전류,
Figure pat00019
은 철심의 자기 경로 길이,
Figure pat00020
는 2차측 코일의 자기장 세기를 나타낸다.
한편, 철심(10)의 자기 경로 길이(
Figure pat00021
) 는 기설정된 정보로 철심(10) 단면의 중심을 따라 철심(10)의 전체 길이가 결정될 수 있다.
그런 다음, S150단계에서 제어부(130)는 2차측 코일(30)의 자속 밀도(B) 및 자기장 세기(H)를 통해 철심(10)의 자기 특성을 추정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 특성은 B-H 곡선일 수 있으나, μ-H곡선 또는 투자율 등이 될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 자속 밀도(B)와 자기장 세기(H)를 통해 철심(10)의 자기특성 B-H 곡선을 추정할 수 있다. B-H 곡선은
Figure pat00022
의 관계를 통해 철심(10)의 투자율(μ)을 계산하기 위한 정보이다.
도 5는 본 발명에 일 실시에 따른 비선형 인덕턴스 추정 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 인덕턴스 추정 방법은, 1차측 코일(20)의 전류 및 2차측 코일(30)의 전류를 측정하고(S210), 상기 측정된 1차측 코일(20) 및 2차측 코일(30)의 전류를 이용하여 상기 1차측 코일(20)의 과도 자기장 세기를 연산하며(S220), 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항의 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 이용하여 자기 특성을 추정하고 상기 과도 자기장 세기 및 상기 자기 특성을 이용하여 일시적인 상대 투자율을 결정하며(S230) 상기 상대 투자율을 이용하여 상기 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스를 추정하는 것(S240)이다.
보다 구체적으로, S210단계에서 제1측정부(110)은 1차측 코일(20)의 전류(
Figure pat00023
)를 측정하고 제2측정부(120)은 2차측 코일(30)의 전류(
Figure pat00024
)를 측정한다.
S220단계에서 제어부(130)는 제1측정부(110) 및 제2측정부(120)의 측정 전류값을 이용하여 아래의 수학식4과 같이 1차측 코일(20)의 과도 자기장 세기를 연산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00025
여기서
Figure pat00026
는 2차측 코일의 권선 수,
Figure pat00027
은 2차측 코일의 측정 전류,
Figure pat00028
는 1차측 코일의 권선 수,
Figure pat00029
은 1차측 코일의 측정 전류,
Figure pat00030
는 철심의 자기 경로 길이,
Figure pat00031
는 1차측 코일(20)의 과도 자기장 세기를 나타낸다.
만약 초전도 고장 전류 제한기(SFCL)가 고장 발생 상태일 경우, 1차측 코일(20)의 전류(
Figure pat00032
)는 고장 전류(
Figure pat00033
) 값과 동일하게 된다.
한편, 자기장 세기(H)는 자속 밀도(B)에 비례하기 때문에 본 발명에 따른 철심형 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 이용하여 추정된 자기 특성의 B-H 곡선에서 투자율(μ) 값을 결정할 수 있다.
Figure pat00034
S230단계에서 제어부(130)는 상기 추정된 자기 특성의 B-H 곡선 즉, 1차측 코일(20)의 밀도(
Figure pat00035
)-과도 자기장 세기(
Figure pat00036
)를 통해 상대 투자율(
Figure pat00037
)을 연산하고, H-μr의 관계를 결정할 수 있다.
그런 다음, S240단계에서 제어부(130)는 연산된 상대 투자율(
Figure pat00038
)을 이용하여 아래의 수학식 5와 같이 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스(
Figure pat00039
)를 추정할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00040
여기서,
Figure pat00041
는 1차측 코일의 권선 수,
Figure pat00042
은 철심의 면적,
Figure pat00043
은 1차측 코일의 측정 전류,
Figure pat00044
는 철심의 자기 경로 길이,
Figure pat00045
는 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 비선형 인덕턴스 추정 방법은, 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00046
)을 측정하고(S212), 1차측 코일(20)의 전류(
Figure pat00047
)를 측정하며(S214), 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여 상기 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스를 추정하는 것(S250)이다.
보다 구체적으로, S212단계에서 제1측정부(110)는 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00048
) 및 전류(
Figure pat00049
)를 측정한다.
키르히호프 전압 법칙에 따라 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00050
) 값은
Figure pat00051
으로 표현될 수 있다.
여기서
Figure pat00052
는 1차측 코일의 전압,
Figure pat00053
은 1차측 코일의 전류,
Figure pat00054
은 1차측 코일의 저항,
Figure pat00055
는 1차측 코일의 총 자속 쇄교수,
Figure pat00056
는 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 나타낸다.
마찬가지로, 초전도 고장 전류 제한기(SFCL)의 고장 발생일 경우, 1차측 코일(20)의 전류(
Figure pat00057
)와 고장 전류(
Figure pat00058
) 는 동일한 전류 값을 가지게 되므로, 고장 발생 시 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00059
) 값은
Figure pat00060
으로 표현될 수 있다.
여기서
Figure pat00061
는 1차측 코일의 전압,
Figure pat00062
는 고장 전류,
Figure pat00063
은 1차측 코일의 저항,
Figure pat00064
는 고장 전류측의 총 자속 쇄교수,
Figure pat00065
는 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 나타낸다.
한편, 키르히호프 전압 법칙에 따른
Figure pat00066
의 식을
Figure pat00067
으로 정리하면,
Figure pat00068
으로 나타낼 수 있다.
즉, S250단계에서 제어부(130)는 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00069
) 및 전류(
Figure pat00070
)을 이용하여 아래의 수학식 6과 같이 상기 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스(
Figure pat00071
)를 추정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00072
여기서
Figure pat00073
는 1차측 코일의 전압,
Figure pat00074
은 1차측 코일의 전류,
Figure pat00075
는 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)(1) 의 자속 밀도(B) 및 상기 자기장 세기(H)를 통해 자기 특성을 추정할 수 있다. 그리고, 상기 SI-SFCL)(1)의 자기 특성 및 상대 투자율(
Figure pat00076
)을 이용하여 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스(
Figure pat00077
)를 추정하거나, 또는 1차측 코일(20)의 전압(
Figure pat00078
) 및 고장 전류(
Figure pat00079
=
Figure pat00080
)를 이용하여 1차측 코일(20)의 과도 인덕턴스(
Figure pat00081
)를 추정할 수 있도록 설계되었다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 포화 철심형 초전도 고장 전류 제한기(SI-SFCL)
10: 철심
20: 1차측 코일
22: DC 그리드
30: 2차측 코일
32: DC 전류원
40: 금속 산화물 피뢰기(MOA)
100: 자기 특성 추정 장치
110: 제1측정부
120: 제2측정부
130: 제어부

Claims (8)

  1. 철심에 상전도체로 권선되는 1차측 코일 및 상기 철심에 초전도체로 권선되는 2차측 코일을 포함하는 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성을 추정하는 장치에 있어서,
    상기 1차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제1측정부;
    상기 2차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 제2측정부;
    상기 제1측정부 및 제2측정부의 측정값을 이용하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하고, 고장 발생시 상기 철심의 자기 특성을 기초로 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 연산하는 제어부;를 포함하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1측정부 및 제2측정부의 측정 값을 통해 상기 1차측 코일 및 2차측 코일의 자속 밀도 및 자기장 세기를 연산하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 자기 특성 및 상기 1차측 코일의 자기장 세기를 통해 상대 투자율을 결정하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 연산하는 특징으로 하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 장치.
  4. 1차측 코일을 개방시키고, 2차측 코일의 전류를 증가시키는 단계;
    상기 2차측 코일의 시간에 따른 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압을 이용하여 상기 2차측 코일의 자속 밀도를 연산하는 단계;
    상기 측정된 전류를 통해 상기 2차측 코일의 자기장 세기를 연산하는 단계; 및
    상기 자속 밀도 및 상기 자기장 세기를 통해 철심의 자기 특성을 추정하는 단계를 포함하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자속 밀도를 연산하는 단계는,
    상기 측정된 전압을 이용하여 상기 2차측 코일의 총 자속 쇄교수를 계산하는 단계를 더 포함하는, 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항의 초전도 고장 전류 제한기의 자기 특성 추정 방법을 이용하여 상기 철심의 자기 특성을 추정하는 단계;
    상기 2차측 코일의 전압 및 전류를 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 자기장 세기를 연산하는 단계;
    상기 과도 자기장 세기 및 상기 자기 특성을 이용하여 일시적인 상대 투자율을 결정하는 단계; 및
    상기 상대 투자율을 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 추정하는 단계를 포함하는, 비선형 인덕턴스 추정 방법.
  7. 1차측 코일의 전압 및 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여 상기 1차측 코일의 과도 인덕턴스를 추정하는 단계를 포함하는, 비선형 인덕턴스 추정 방법.
  8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 1차측 코일의 전류는,
    고장 발생시, 고장 전류와 동일한 값을 가지는 특징으로 하는 비선형 인덕턴스 추정 방법.

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