KR20230070914A - 저압직류 검출 및 보호 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압직류 검출 및 보호 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 직류전원과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자를 이용하여 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 상기 아크 전류가 상기 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급하는 제1 스위칭부; 및 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 아크 소호부를 포함하되, 상기 아크 소호부는, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 포함하는 장치일 수 있다.

Description

저압직류 검출 및 보호 장치 및 그 방법{Device for low voltage direct current detection and protection and method thereof }

본 발명은 누설 전류를 검출하고, 가스 방전 튜브를 이용하여 효과적으로 직류 아크를 소호할 수 있는 저압직류 검출 및 보호 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

태양광발전 화재의 주요 원인으로는 PV셀 불량, 전선 절연 파괴, 인버터 과열, 접속함 결함 등의 전기 설비 및 부품에 기인한 사고가 78% 정도로 대다수를 차지하고 있다고 알려져 있다. 태양광발전의 접속함 결함 사고의 경우에는 내부의 전력소자를 포함한 아크 사고에 기인한다. 아크 사고 발생은 주로 전선 접속부의 접촉불량, 전선의 피복 손상, 강우(降雨)나 연안의 해무(海霧) 등 습도가 높은 환경에서 접속함 내외부에 응결 현상이 발생하면 접속함 내부기판에서 도전로가 형성되어 아크가 발생한다.

도 1은 태양광 발전에서의 아크 사고 유형을 설명하는 도면으로서, 태양광 발전에서 아크사고는 발생 형태에 따라 접지 아크 사고, 병렬 아크 사고 및 직렬 아크 사고로 분류된다.

먼저, 접지 아크 사고는 활선 도체가 접지와 접촉 또는 누설전류 형태로 발생되는 아크 사고로서, 일종의 누설전류 사고와 비슷한 형태의 사고이다. 접지 아크 사고로 인해 활선 도체가 누설 전류가 발생하고, 이렇게 발생된 누설전류로 인해 아크를 방출하게 된다. 이때, 아크 전류는 접촉저항이 높아 부하전류에 비해 매우 적은 200~300mA의 미소한 전류가 흐르게 되어 아크사고 검출이 비교적 어렵다.

다음, 병렬 아크 사고는 활선 도체가 음극(-, N)선 사이에서 발생되는 아크 사고로서 일종의 지락(또는 단락) 사고와 비슷한 형태의 사고이다. 병렬 아크 사고로 인해 활선도체가 부분 방전을 하게 되고 지속적인 아크를 방출한다. 아크 전류는 부하전류에 비해 큰 전류가 흐르게 되어 검출이 비교적 쉽다.

마지막으로, 직렬 아크 사고는 활선 도체가 직렬로 아크 사고가 발생하는 형태로서 이 사고로 인해 활선도체가 부분 방전을 하게 되고 지속적인 아크를 방출하게 된다. 이 사고는 직렬회로에 임피던스가 증가된 형태로 아크 전류는 부하전류에 비해 크게 적은 전류가 흐르게 되어 아크사고 검출이 비교적 어렵다.

이와 같이, 아크 사고에서 아크 전류의 크기는 아크사고 지점의 도체 임피던스 상태에 매우 다르지만, 일반적으로 병렬 아크 사고는 정격부하전류에 비해 큰 전류가 흘러서 검출이 용이하지만, 직렬 아크 사고와 접지 아크 사고는 미소한 전류가 흘러서 검출이 용이하지 않다. 따라서, 아크 사고발생시 전류 신호의 주파수 분석을 통하여 정상 전류와 아크 전류를 구분하여 아크 사고를 차단하는 기술이 필요하다.

기존에 교류 아크 전류는 CT(Current Transformer, 변류기)를 사용하여 비교적 용이하게 아크 전류를 검출할 수 있는 반면에, 직류 아크 전류는 직렬회로 도체에 션트(shunt) 저항을 삽입하여 저항 양단의 전압검출을 통해 아크 전류를 검출한다.

이렇게 발생한 아크 전류 소호(아크방전 소멸, Arc extinguishing, 消弧) 방법으로는 기존의 배선용차단기(MCCB)에서 채택되고 있는 기계식 접점 동작 방식은 차단기 개폐동작이 수십~수백ms 정도로 소요되어 짧은 시간 내에 사고전류를 차단하지 못하는 단점이 있다. 교류전류 배선용 차단기(MCCB)는 아크 소호를 위해 소호부 두 접점 간에 발생하는 아크는 플라즈마 상태를 유지하고 있어, 주위에서 강한 자계를 형성할 경우에 아크를 쉽게 소호할 수 있기 때문에 아크 챔버에 의한 차단성능을 확보하는데 크게 유리하지만, 직류 전류인 경우에 일정한 전류가 지속적으로 흐름에 따라 전자계의 자기포화현상으로 인하여 전자력이 더 이상 증가하지 않고 전류의 크기에 비례한 차단기 기계적인 접점을 구동하는데 필요한 충분한 자계를 형성하는데 어려움이 있다.

특히, 태양광(PV)발전에서 생산되는 전력은 기본적으로 직류전원으로 일정한 방향의 전류가 지속적으로 흐르기 때문에 발생된 아크가 지속적으로 흘러서 아크 챔버에 의한 소호방식은 아크 소호에 매우 취약하여 전류 차단을 위해 새로운 전류차단 방식과 아크 소호 소자가 고려되어야 한다. 즉, 중대형 PV 발전 시스템에서 안전보호용으로 널리 채택되어 사용되는 있는 저압 배선용차단기(MCCB)는 차단기 접점 양단에서 발생되는 아크전압의 크기가 교류의 경우에는 매 반주기마다 +, - 형태로 교번하여 흐르기 때문에 제로(0) 전압이 되는 교차점에서 스스로 소호하는 현상으로 발생된 아크가 소멸되는 특성이 있는 반면, 교번 전류가 발생하지 않는 직류의 경우에는 발생된 아크를 차단된 회로에서 강제적으로 소호해야 하고, 만일 사고 전류를 신속하게 차단하지 못하면 아크로 인하여 2차적인 사고로 이어져 대형 화재 또는 전력기기를 소손시킬 가능성이 매우 높아지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 전력용 반도체 소자를 이용한 전자식 스위칭 방식, 가스 방전 튜브를 이용한 아크 소호 방식 또는 기계식 접점 스위칭 방식을 적절히 적용하여 기존의 기계식 접점 스위칭 방식에 비해 차단 시간을 줄일 수 있는 저압직류 검출 및 보호 장치 및 그 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른, 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치는, 직류전원과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자를 이용하여 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 상기 아크 전류가 상기 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급하는 제1 스위칭부; 및 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 아크 소호부를 포함하되, 상기 아크 소호부는, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 스위칭부는, 제1 다이오드와 상기 제1 다이오드와 병렬 연결된 제1 전력용 반도체 소자를 포함하는 제1 스위칭 소자; 및 상기 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되고, 제2 다이오드와 상기 제2 다이오드와 병렬 연결된 제2 전력용 반도체 소자를 포함하는 제2 스위칭 소자로 구성되는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 스위칭부와 직류 전원 사이에서 부하단과 병렬상으로 접속되어 서지 전압 및 과전류에 의한 직류 아크를 소호하는 금속산화물 배리스터(MOV; Metal Oxide Varistor)를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 스위칭부는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)를 사용하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치는, 직류전원과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자를 이용하여 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 상기 아크 전류가 상기 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 포함하여, 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크 소호 동작을 수행하는 아크 소호부; 상기 직류 전원과 부하단 사이에 설치되어, 직류 전원과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 직류 전원과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위칭부; 및 상기 전류 검출부로부터 검출된 검출 전류가 상기 차단 기준값 이상인 경우에 상기 제2 스위칭부의 오프 동작을 제어하고, 상기 검출 전류에 기초하여 아크 사고, 단락 사고, 서지 보호를 포함한 사고 전류 상태를 판단한 후 회로 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 의해 수행되는 저압직류 검출 및 보호 방법은, a) 전력용 반도체 소자를 이용한 제1 스위칭부가 직류전원과 부하단 사이에 설치되어, 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하는 단계; 및 b) 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 이용하여 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 의해 수행되는 저압직류 검출 및 보호 방법은, a) 전력용 반도체 소자를 이용한 제1 스위칭부가 직류전원과 부하단 사이에 설치되어, 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하는 단계; b) 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 이용하여 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 단계; c) 상기 직류 전원과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하여 검출된 검출 전류가 상기 차단 기준값 이상인 경우, 상기 직류 전원과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위칭부를 오프 동작시키는 단계; 및 d) 상기 검출 전류에 기초하여 아크 사고, 단락 사고, 서지 보호를 포함한 사고 전류 상태를 판단한 후 회로 보호 기능를 수행하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 d) 단계는, d-1) 상기 검출 전류에서 기 설정된 개수의 샘플 데이터의 평균값을 계산하는 단계; d-2) 상기 평균값이 단락 전류의 설정값에 해당하면, 단락 사고가 발생하였음을 판단한 후 순시 트립을 수행하는 단계; d-3) 상기 평균값이 지락 전류의 설정값에 해당하면, 지락 사고가 발생하였음을 판단한 후 단한시 트립을 수행하는 단계; 및 d-4) 상기 평균값이 과전류 설정값에 해당하면, 과전류가 발생하였음을 판단한 후 한시 트립을 수행하는 단계를 포함하는 것이다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 아크 전류 검출시기존의 기계식 접점 스위칭 방식에 비해 훨씬 감축된 차단 시간에 신속하게 회로를 차단할 수 있고, 이로 인해 최고치 사고 전류 상태에 도달하기 이전에 회로가 차단됨으로써 사고 전류에 의한 아크 에너지를 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 태양광 발전에서의 아크 사고 유형을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 검출 및 보호 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압직류 검출 및 보호 장치를 설명하는 회로도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 가스 방전 튜브의 고유 파형을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 방전 튜브의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 가스 방전 튜브의 이온화 과정을 시각화하여 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 소호의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 발생 에너지 및 아크 차단 시간을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 저압직류 검출 및 보호 장치에 의한 저압직류 검출 및 보호 방법을 설명하는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 직류 검출 및 보호 장치의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 직류 검출 및 보호 장치를 설명하는 회로도이며, 도 4는 본 발명에 적용되는 가스 방전 튜브의 고유 파형을 설명하는 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 저압 직류 검출 및 보호 장치는 제1 스위칭부(110), 아크 소호부(120), 제2 스위칭부(130), 전류 검출부(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

제1 스위칭부(110)는 직류전원(101)과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자(T1, T2)를 이용하여 아크 전류가 기 설정된 차단 기준값 이상이면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 검출된 아크 전류가 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급한다. 이러한 제1 스위칭부(110)는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 MOSFET을 사용할 수 있다.

제1 스위칭부(110)는 제1 다이오드(D1)와 제1 다이오드(D1)와 병렬 연결된 제1 전력용 반도체 소자(T1)를 포함하는 제1 스위칭 소자(111), 및 제2 다이오드(D2)와 제2 다이오드(D2)와 병렬 연결된 제2 전력용 반도체 소자(T2)를 포함하는 제2 스위칭 소자(112)로 구성된다. 제1 스위칭 소자(111)와 제2 스위칭 소자(112)는 직렬 접속되어 있고, 제어부로부터 게이트 단자로 인가되는 제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되게 온오프 스위칭된다.

이때, 제1 다이오드(D1)는 제1 스위칭 소자(111)와 병렬 접속되어 부하단으로부터 직류전원(101)으로의 전류도통경로를 제공하고, 직류전원(101)으로부터 부하단으로의 전류도통은 차단한다. 제2 다이오드(D2)는 제2 스위칭 소자(112)와 병렬 접속되어 직류전원(101)으로부터 부하단으로의 전류도통경로를 제공하고, 부하단으로부터 직류전원(101)으로의 전류도통은 차단한다. 이와 구성되는 제1 스위칭부(110)는 양방향 전류 통전 및 회로 보호 기능을 갖도록 설계되어 있다.

아크 소호부(120)는 제1 스위칭부(110)의 전력 공급 차단 동작시, 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호한다. 아크 소호부(120)는 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브(120)를 사용한다. 가스 방전 튜브(120)는 직류 전원(101)의 양극(+) 단자에 애노드 단자가 연결되고, 음극(-) 단자에 캐소드 단자가 연결되며, 제1 스위칭부(110)와 병렬로 접속되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, GDT(120)는 낮은 임피던스로 접지하는 경로를 제공하여 고전압 과도현상으로부터 회로를 보호하는 역할을 수행한다. 과도전압이 GDT의 방전개시전압(spark-over voltage)에 도달하면 GDT는 높은 임피던스의 오프 상태에서 아크 모드로 전환한다. 아크 모드에서 GDT는 가상 단락(virtual short)이 되어 전류 접지 경로를 제공하여 과도 전류를 우회시킨다. GDT에 흐르는 전압이 증가하면 발생된 전하로 인해 가스방전튜브(120)의 가스가 이온화되기 시작한다. 이를 글로우 영역(glow region)이라 한다. 이 글로우 영역에서 늘어난 전류량은 GDT(120)를 가상 단락 상태로 변화시키는 애벌란시 효과를 일으켜 전류를 기기에 흘려보낸다. 단락이 생긴 동안 기기에 발생한 전압을 아크 전압(Arc voltage)이라 한다. 글로우와 아크 영역 간의 변화 시간은 기기의 물리적 특성에 크게 좌우된다.

전류 검출부는 직류 전원(101)과 부하단 사이에 설치되어 직류전원(101)과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하여 제어부에 제공한다. 이러한 전류 검출부는 직류전원의 양극(+) 단자로부터 양극 부하단으로 이어지는 양의 전력공급선상에서 직류전원(101)과 제1 스위칭부(110) 사이에 직렬상으로 설치된 션트 저항과, 션트 저항을 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류센서가 적용될 수 있다.

제2 스위칭부(130)는 직류 전원(101)과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 기계식 접점 스위칭 소자이다. 제2 스위칭부(130)는 다단계 보호 회로 구성시 선택적으로 사용할 수 있다.

제어부는 전류 검출부로부터 검출된 검출 전류가 차단 기준값 이상인 경우에 제2 스위칭부(130)의 오프 동작을 제어하고, 검출 전류에 기초하여 아크 사고, 단락 사고, 서지 보호를 포함한 사고 전류 상태를 판단한 후 회로 보호 기능을 수행한다.

본 발명의 저압 직류 검출 및 보호 장치는 아크 소호부(120)에 의해 직류 서지 아크를 효과적으로 소호할 수 있고, 제1 스위칭부(110)와 직류 전원(101) 사이에서 부하단과 병렬상으로 접속되어 단락 전류를 포함한 서지 전압 및 과전류에 의한 직류 아크를 소호하는 금속산화물 배리스터(MOV; Metal Oxide Varistor)(미도시)를 포함한 보호회로와 조합하여 사용할 수 있다. 이때, MOV는 가스 방전 튜브(120)와 직렬로 연결되어 가스 방전 튜브(120)가 파괴되는 것을 방지하는 보호소자로 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 전력용 반도체 소자를 이용한 전자식 스위칭 방식과, 전기 접점의 기계식 접점 스위칭 방식, 가스방전튜브(GDT)를 이용한 아크 소호 방식을 모두 사용함으로써, 전력 공급의 차단 시간을 기존의 기계식 접점 스위칭 방식만 사용하던 것과 비교해 볼 때 수 ms에서 수㎲ 단위로 이내로 대략 100 이상 시간 단축시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 저압직류 검출 및 보호 장치는 PCB에 적용하여 소형 제작이 가능할 뿐만 아니라, 최고치 사고 전류로 도달하기 이전에 전력 공급을 차단함으로써 아크 전류에 의한 아크 에너지를 크게 줄일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 방전 튜브의 구성을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명에 적용되는 가스 방전 튜브의 이온화 과정을 시각화하여 설명하는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 가스 방전 튜브(120)는 3극형 방전 소자로서, 퓨즈(121), 절연 바디(122), 가스 봉입실(123), 비방사성 물질(124), 페일-세이프 디바이스(125), 열가용성 절연 디스크(126), 라인 전극(L1, L2), 접지 전극(127)을 포함한다. 이러한 가스 방전 튜브(120)는 독립형 구성 요소로 사용하거나, 다른 구성요소와 결합하여 다단계 보호회로를 구성할 수 있다.

퓨즈(121)는 아크 전류에 의해 방전하면서 온도 상승으로 끊어지게 되고, 아크 형성을 방지하는 충진제가 포함된 세라믹 카트리지 퓨즈가 사용될 수 있다.

절연 바디(122)는 가스가 누출되지 않은 완전 밀폐형 구조를 갖으며, 세라믹 재질의 원통형으로 형성될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.

가스 봉입실(123)에는 He(헬륨), Ne(네온), Ar(아르곤), Kr(크립톤), Xe(크세논) 그리고 Rn(라돈) 등의 비휘발성 성질을 갖는 불활성 가스가 충진되어 완전 밀봉되어 있다.

비방사성 물질(Non-radioactive powder)(124)은 각 라인 전극(L1, L2)의 내측에 도포되어 있다.

페일-세이프 디바이스(fail-safe device)(125)는 내부 가스 이온화가 발생하여 고전압이 방전되는 경우에 고전압으로 인한 잔류 전류가 지속되면. 페일-세이프 디바이스(125)가 녹아(분리되어) 전류가 접지 전극(127)으로 드레인되도록 한다.

열 가용성 절연 디스크(126)는 페일 세이프 디바이스(125)와 절연 바디의 외측면 사이에 형성된다.

한 쌍의 라인 전극(L1, L2)은 절연 바디(122)의 양단에 형성되고, 한 쌍의 라인 전극(L1, L2)에 의해 내부에 스파크 갭이 형성되고, 스파크 갭 내부에는 가스가 봉입된 구조를 갖는다. 스파크 갭은 가스 봉입실(123)로서 방전을 일으키기 위하여 회로의 일부에 L1과 L2를 마주보게 배치한 폭이 좁은 방전공간으로서 한 쌍의 라인 전극 사이에 일정한 간격을 유지시킨다.

도 6에 도시된 바와 같이, 타운젠트 방전(townsend discharge)으로 알려진 전자 사태(avalanche)의 시각화 상태를 살펴보면, 타운젠트 방전은 두 전극 간 전위차로 형성된 전기장에서 전자가 양극 방향으로 진행하며 이온화 반응을 통한 전자사태를 발생시키므로 전극 간 전압 증가에 따라 전류가 지수 함수적으로 증가하는 특성을 갖고 있다. 전자 사태 효과는 두 전극 사이에서 발생하는 음전하의 확대로서, 원래의 이온화 이벤트(original ionisation event)는 하나의 전자를 방출하고, 각 후속 충돌은 추가 전자를 방출하므로 각 충돌에서 두 개의 전자, 즉 이온화 전자와 방출된 전자가 나오게 된다.

3극형 방전소자는 L1-L2, L1-접지전극(127), 또는 L2-접지 전극(127) 간에 고전압이 인가되면 내부에 봉입된 가스가 전리 현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 전극 간에 인가된 고전압이 순간적으로 방전되어 소멸되게 되는 것이다.

이러한 가스 방전 튜브(120)는 정상 전압과 전류 상태에서 스파크 갭은 매우 높은 절연 저항치(10G Ohm)를 유지하지만, 서지 전압이 유입될 경우에 스파크 갭은 단락상태로 되어 방전을 시작함으로써 대부분의 아크 에너지가 GDT 자체 내부에서 흡수되거나 외부로 방사된다. 즉, 전하 운반자(charge carrier)들은 방전구역 내에 어느 정도 항상 존재하고 있는데, 강한 전계(외부 서지)에 의해 전하를 향하여 빠르게 이동시킨다. 높은 속도로 가속된 전하와 전자들은 가스 분자와 충돌하여, 가스 분자로부터 전자들을 분리하게 하고, 급격히 증가된 전하 운반자들에 의해 전류가 빠르게 흐르게 된다. 일단 발생된 아크 전류가 소멸되고 나면 대전된 입자들은 원래의 가스 분자로 재결합하게 되고, 가스가 봉입된 절연 스파크 갭은 원래의 높은 절연 상태로 복귀되어, 보호기능의 한 주기가 끝나게 된다. 이러한 물리적 특성에 의해 임펄스 아크 에너지는 효과적으로 접지 전극(127)을 통하여 대지로 방전시켜 직류 아크를 효과적으로 소호하고 직류전력 기기 및 장비를 안전하게 보호하게 된다.

직류 전류인 경우에, 일정한 전류가 지속적으로 흐름에 따라 전자계의 자기포화현상으로 인하여 전자력이 더 이상 증가하지 않고 전류의 크기에 비례한 차단기 기계적인 접점을 구동하는데 필요한 충분한 자계를 형성하는데 어려움이 있다.

따라서, 본 발명에서는 기계식 접점 스위칭 방식을 이용한 제2 스위칭부(130)와 전자식 스위칭 방식을 이용한 제1 스위칭부(110)를 사용하고 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 소호의 등가 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 발생 에너지 및 아크 차단 시간을 비교한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 하기 수학식 1 내지 수학 3에 나타나 있듯이, 아크 발생 에너지(E)는 사고 전류의 크기(F), 차단 시간(t_A)에 비례하고, 전극 간의 길이(D_B)에 반비례한다. 아크 차단시간을 짧게 하여 아크 발생 에너지를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 전자식 트립 시간(a)과 기계식 트립 시간(b)을 비교해보면, 전력용 반도체 소자를 이용한 제1 스위칭부(110)의 동작 포인트가 기존의 기계식 접점 스위칭 방식의 동작 포인트에 비해 아크 차단 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있어, 발생된 아크 에너지를 크게 줄여 사고를 미연에 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 저압직류 검출 및 보호 장치에 의한 저압직류 검출 및 보호 방법을 설명하는 순서도이다.

도 9를 참조하면, 저압직류 검출 및 보호 장치에 의한 저압직류 검출 및 보호 방법은, 1차적으로 제1 스위칭부(110)에 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 1ms 이내의 단시간에 차단하고, 2차적으로 직류 전원(101)과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위칭부(130)를 오프 동작시켜 회로를 차단하게 된다.

이때, 제1 스위칭부(110)의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브(120)를 이용하여 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하게 된다.

한편, 전류 검출부는 직류 전원과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하여 제어부에 제공하고(S1), 제어부는 검출 전류를 아날로그/디지털 변환한 후 검출 전류를 교정하여 저장한다(S2, S3). 제어부는 저장된 검출 전류값을 읽어와 기 설정된 개수(예를 들어, 10개)의 샘플 데이터의 평균값을 계산한다(S4).

제어부는 평균값이 단락 전류의 설정값(예를 들면, 대략 정격 전류의 10배 )에 해당하면, 단락 전류에 의한 단락 사고가 발생하였음을 판단한 후 수 ㎲의 차단 시간 이내(예를 들면, 3㎲~10㎲), 즉 시간 지연없이 즉시 회로 차단을 수행하기 위한 순시 트립을 수행한다(S5, S8).

제어부는 평균값이 지락 전류의 설정값에 해당하면, 지락 전류에 의한 지락 사고가 발생하였음을 판단한 후 수 ms의 차단 시간 이내에 단한시 트립을 수행한다(S6, S9). 예를 들면, 제어부는 지락전류 300mA 이하에서 300ms 이내, 60mA 이하에서는 150ms 이내, 150mA 이하에서는 40ms 이내에 단한시 트립을 수행한다.

한편, 제어부는 평균값이 과전류 설정값(예를 들면, 정격 전류의 120%~140%)에 해당하면, 과전류가 발생하였음을 판단한 후 수 ms의 차단 시간(예를 들면 4~20ms) 이내에 한시 트립을 수행한다(S7, S10).

이때, 제어부는 병렬 아크 발생시 차단 시간의 조절없이 즉시 회로를 차단하고, 직렬 아크 발생시 직렬 아크의 발생 횟수를 카운팅하여 카운팅된 발생 횟수가 기 설정값 이상인 경우에 회로를 차단하며, 지락 아크 발생시 전류의 크기에 따라 즉시 또는 한시적으로 회로를 차단한다. 이때, 제어부는 순시 전력 피크값을 가지는 임펄스 형태의 아크 신호의 수를 카운팅하여, 소정 주기(250㎲)의 반주기의 설정 주기로 직렬 아크의 발생 횟수가 대략 32회(설정값) 이상인 경우에 회로를 차단한다.

이와 같이, 본 발명은 태양광(PV) 셀 불량, 전선 절연 파괴, 인버터 과열, 접속함 결함 등의 전기 설비 및 부품에 기인한 사고의 원인이 되는 지락, 직렬 및 병렬 아크 소호 기술로서, ESS 배터리 화재 방지를 위하여 외부 스위칭 서지의 효과적인 차단 뿐만 아니라 과전류, 단락 및 지락 사고시 발생되는 전류 또한 효과적으로 차단하여 회로 보호 기능을 수행할 수 있다.

한편, 도 9의 단계 S1 내지 S10은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.

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 실시예들은 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.

110 : 제1 스위칭부
111 : 제1 스위칭 소자
112 : 제2 스위칭 소자
120 : 아크 소호부 또는 가스 방전 튜브
121 : 퓨즈
122 : 절연 바디
123 : 가스 봉입실
124 : 비방사성 물질
125 : 페일-세이프 디바이스
126 : 열가용성 절연 디스크
L1, L2 : 라인 전극
127 : 접지전극
130 : 제2 스위칭부

Claims (11)

1. 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 있어서,
   직류전원과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자를 이용하여 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 상기 아크 전류가 상기 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급하는 제1 스위칭부; 및
   상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 아크 소호부를 포함하되,
   상기 아크 소호부는,
   기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는,
   제1 다이오드와 상기 제1 다이오드와 병렬 연결된 제1 전력용 반도체 소자를 포함하는 제1 스위칭 소자; 및
   상기 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되고, 제2 다이오드와 상기 제2 다이오드와 병렬 연결된 제2 전력용 반도체 소자를 포함하는 제2 스위칭 소자로 구성되는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부와 직류 전원 사이에서 부하단과 병렬상으로 접속되어 서지 전압 및 과전류에 의한 직류 아크를 소호하는 금속산화물 배리스터(MOV; Metal Oxide Varistor)를 더 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)를 사용하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
5. 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 있어서,
   직류전원과 부하단 사이에 설치되고, 전력용 반도체 소자를 이용하여 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하고, 상기 아크 전류가 상기 차단 기준값 미만이면 충방전을 위해 양방향으로 전력을 공급하는 제1 스위칭부;
   상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 포함하여, 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크 소호 동작을 수행하는 아크 소호부;
   상기 직류 전원과 부하단 사이에 설치되어, 직류 전원과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부;
   상기 직류 전원과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위칭부; 및
   상기 전류 검출부로부터 검출된 검출 전류가 상기 차단 기준값 이상인 경우에 상기 제2 스위칭부의 오프 동작을 제어하고, 상기 검출 전류에 기초하여 아크 사고, 단락 사고, 서지 보호를 포함한 사고 전류 상태를 판단한 후 회로 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는,
   제1 다이오드와 상기 제1 다이오드와 병렬 연결된 제1 전력용 반도체 소자를 포함하는 제1 스위칭 소자; 및
   상기 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되고, 제2 다이오드와 상기 제2 다이오드와 병렬 연결된 제2 전력용 반도체 소자를 포함하는 제2 스위칭 소자로 구성되는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부와 직류 전원 사이에서 부하단과 병렬상으로 접속되어 서지 전압 및 과전류에 의한 직류 아크를 소호하는 금속산화물 배리스터(MOV; Metal Oxide Varistor)를 더 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
8. 제5항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)를 사용하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 장치.
9. 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 의해 수행되는 저압직류 검출 및 보호 방법에 있어서,
   a) 전력용 반도체 소자를 이용한 제1 스위칭부가 직류전원과 부하단 사이에 설치되어, 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하는 단계; 및
   b) 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 이용하여 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 단계를 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 방법.
10. 직류 전원에서 발생되는 아크를 소호하기 위한 저압직류 검출 및 보호 장치에 의해 수행되는 저압직류 검출 및 보호 방법에 있어서,
    a) 전력용 반도체 소자를 이용한 제1 스위칭부가 직류전원과 부하단 사이에 설치되어, 기 설정된 차단 기준값 이상의 아크 전류가 감지되면 양방향으로 전력 공급을 차단하는 단계;
    b) 상기 제1 스위칭부의 전력 공급 차단 동작시, 기 설정된 크기 이상의 직류 서지 아크가 유입되면, 유입된 아크를 가스 형태로 방전시키는 스파크 갭을 갖는 가스 방전 튜브를 이용하여 상기 아크 전류에 의해 발생되는 아크를 소호하는 단계;
    c) 상기 직류 전원과 부하단 사이에 흐르는 전류를 검출하여 검출된 검출 전류가 상기 차단 기준값 이상인 경우, 상기 직류 전원과 부하단 사이에 연결된 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위칭부를 오프 동작시키는 단계; 및
    d) 상기 검출 전류에 기초하여 아크 사고, 단락 사고, 서지 보호를 포함한 사고 전류 상태를 판단한 후 회로 보호 기능을 수행하는 단계를 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    d-1) 상기 검출 전류에서 기 설정된 개수의 샘플 데이터의 평균값을 계산하는 단계;
    d-2) 상기 평균값이 단락 전류의 설정값에 해당하면, 단락 사고가 발생하였음을 판단한 후 순시 트립을 수행하는 단계;
    d-3) 상기 평균값이 지락 전류의 설정값에 해당하면, 지락 사고가 발생하였음을 판단한 후 단한시 트립을 수행하는 단계; 및
    d-4) 상기 평균값이 과전류 설정값에 해당하면, 과전류가 발생하였음을 판단한 후 한시 트립을 수행하는 단계를 포함하는 것인, 저압직류 검출 및 보호 방법.

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