WO2015102311A1 - 고전압 ｄｃ 차단기 - Google Patents

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WO2015102311A1
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voltage
circuit
capacitor
line
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PCT/KR2014/012866
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박정수
한세희
황휘동
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주식회사 효성
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Definitions

  • the present invention relates to a high voltage direct current (DC) circuit breaker, and more particularly, to a high voltage DC circuit breaker that blocks a fault current flowing in a DC line when a fault occurs on one side of a DC line for transmission or distribution.
  • DC direct current
  • a high voltage DC circuit breaker is a switching device capable of blocking a current flowing through a high voltage transmission line of about 50 mA or more, such as a high voltage direct current (HVDC) transmission system.
  • This high voltage DC circuit breaker serves to block the fault current in the event of a fault in the DC line.
  • the present invention can also be applied to a medium voltage DC power distribution system having a DC voltage level of about 1 to 50 mA.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1984-068128 shown in Fig. 1 shows an arc generated during the switch operation of the main switch CB in a high voltage DC circuit breaker so as to cut off the fault current Ic.
  • the negative resonance current -Ip becomes larger than I DC so that the fault current Ic becomes a zero current and the arc of the main switch CB is extinguished.
  • the circuit rating should be more than twice the rated current, and in order to generate such a large resonant current Ip, There is a problem that the breaking speed is slowed because the resonance of the burn should be made.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. Even in the high voltage DC circuit breaker, even if the resonant current is not applied to the main switch, a current pulse is generated using the voltage stored in the capacitor of the LC resonant circuit to generate a fault current generated in the main switch. It is to provide a high voltage DC circuit breaker that can be completely disconnected.
  • Still another object of the present invention is to provide a high voltage DC circuit breaker implemented to perform a reclosing operation through a main switch.
  • the high voltage DC circuit breaker of the present invention is a high voltage DC circuit breaker for blocking a current flowing in a DC line, and is connected to the DC line and is opened when a failure occurs on one side or the other side of the DC line to provide a current of the DC line.
  • a main switch for shutting off An LC circuit connected to the main switch and including a capacitor and an inductor connected in series to generate LC resonance; A first switching element connected in parallel to the LC circuit and switching to change the polarity of the positive voltage (+ Vc) or the negative (NEGATIVE) voltage (-Vc) charged to the capacitor due to the resonance of the LC circuit; ; A second switching element connected in series with the LC circuit and connected between the LC circuit and the DC line to switch a current pulse generated by a + Vc voltage or a -Vc voltage charged in the capacitor to the main switch; It includes.
  • the first switching element and the second switching element are connected to each other in a forward direction, and are disposed in a forward or reverse direction with a current flowing from one side of the DC line to one side, respectively, to one or more power semiconductor switches. Is done.
  • the high voltage DC circuit breaker of the present invention further includes a charging resistor for charging a + Vc voltage to the capacitor at initial startup, wherein the charging resistor is connected between the capacitor and the ground of the LC circuit to be disposed in series with the LC circuit. do.
  • the second switching device when the main switch is opened due to a failure in one side of the DC line and an arc occurs when the main switch is opened, the second switching device is turned off.
  • the first switching device is turned on and after the -Vc voltage is charged to the capacitor by LC resonance between the inductor and the capacitor of the LC circuit, the first switching device is turned off, and the second switching is performed.
  • the device is turned on to supply a current pulse generated by the -Vc voltage charged to the capacitor in one direction of the main switch, and becomes a zero current in the main switch by the supplied current pulse. The arc generated in the main switch is extinguished.
  • the high voltage DC circuit breaker of the present invention further includes a nonlinear resistor connected in parallel to the main switch, and after the arc generated in the main switch is extinguished, the overvoltage of the other side that is relatively higher than one side of the DC line is increased in the nonlinear resistor.
  • the second switching element is turned off after the capacitor is recharged to + Vc by the current flowing through the LC circuit at the same time as it is consumed.
  • the first switching device when the main switch is opened due to a failure in the other side of the DC line and an arc occurs when the main switch is opened, the first switching device is turned off.
  • the second switching device is turned on to supply the current pulse generated by the + Vc voltage stored in the capacitor 131 of the LC circuit in the other direction of the main switch, and by the supplied current pulse A zero current is generated in the main switch to extinguish the arc generated in the main switch, and the capacitor is charged with a voltage of -Vc.
  • the high voltage DC circuit breaker of the present invention further includes a nonlinear resistor connected in parallel to the main switch, and after the arc generated in the main switch is extinguished, the overvoltage of one side that is relatively higher than the other side of the DC line is increased in the nonlinear resistor.
  • the -Vc voltage charged in the capacitor 131 is charged to + Vc by the resonance of the LC circuit due to the ON of the first switching element while the second switching element is turned off. 1 The switching element is turned off.
  • the present invention has the advantage that the high voltage DC circuit breaker completely cuts the fault current generated in the main switch by generating a current pulse using the voltage stored in the capacitor of the LC resonance circuit even if the high voltage DC circuit breaker does not apply the resonance current to the main switch. By using the current pulse, it is possible to completely block the fault current in the main switch, thereby improving the breaking speed.
  • the present invention has the advantage that the high voltage DC circuit breaker can also be implemented to perform reclosing operation through the main switch.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional high voltage DC circuit breaker
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of a high-voltage DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of first and second switching devices illustrating an operation process of a high voltage DC circuit breaker when a fault occurs at one side of the high voltage DC line shown in FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a high voltage DC circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of first and second switching devices illustrating an operation process of a high voltage DC circuit breaker when a fault occurs on the other side of the high voltage DC line shown in FIG. 4.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a high voltage DC circuit breaker according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 includes a main switch 110 connected to a DC line 10 connecting the A side and the B side, and as an example, the current Idc. A) flows from the A side to the B side, and the high voltage DC circuit breaker 100 of the present invention will be described. Of course, it may flow from B side to A side as another example.
  • the main switch 110 of the high voltage DC circuit breaker 100 cuts off the DC line 10 so that a fault current does not continuously flow into a circuit in which a fault occurs when a fault occurs on one side of the DC line 10, that is, the B side. It plays a role. To this end, the main switch 110 maintains a closed state in a normal state as shown in FIG. 2, and opens as shown in FIGS. The main switch 110 is controlled by the control signal of the control unit (not shown).
  • the nonlinear resistor 120 is connected to the main switch 110 in parallel to prevent excessive voltage above the rated voltage from being applied to both ends of the high voltage DC circuit breaker 100 when the main switch 110 is blocked. When the overvoltage caused by the fault is caught at both ends of the high voltage DC circuit breaker 100 above a predetermined reference value, it is automatically turned on to consume high voltage.
  • the nonlinear resistor 120 is implemented with, for example, a varistor.
  • the high-voltage DC circuit breaker 100 when a high voltage is applied to the DC line 10, a large current flows through the main switch 110. Therefore, when a failure occurs, an arc occurs between the switch terminals of the main switch 110 when the main switch 110 is opened, and through this arc, a DC fault current continues to flow in the DC line 10. Therefore, the high-voltage DC circuit breaker 100 according to the embodiment of the present invention includes an LC circuit 130 and a first switching device in the main switch 110 and the nonlinear resistor 120 to completely block a fault current by arc extinguishing. And a second switching element G2.
  • the LC circuit 130 includes a capacitor 131 and an inductor 132 connected in parallel to the main switch 110 and in series to generate LC resonance.
  • Lp of the inductor 132 shown in FIG. 2 represents an inductance value.
  • the first switching device G1 and the second switching device G2 are connected to each other in a forward direction, and a current Id is formed at the A side along the high voltage DC line 10, respectively.
  • an anode (not shown) or a cathode terminal (not shown) provided in each of the first switching element G1 and the second switching element G2 is disposed in the same forward direction as that of the current Id.
  • one or more power semiconductor switches may be implemented with a thyristor, a GTO, an IGCT, an IGBT, and the second switching device G2 may be implemented with a diode.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 may be initially operated or a normal current Id may be generated along the DC line 10. In the case of flowing from the A side to the B side, it means that the anode and the cathode terminals are arranged in the direction in which the current Id flows and in the forward direction.
  • the first switching device G1 disposed in the forward direction is connected in parallel with the LC circuit 130 to negatively charge the positive voltage (+ Vc) charged in the capacitor 131 by resonance of the LC circuit 130.
  • NEGATIVE switch to a voltage (-Vc) or a voltage of -Vc to + Vc. That is, the first switching device G1 allows the capacitor 131 to be charged by the voltage of the DC line 10 when it is OFF, and forms a closed circuit with the LC circuit 130 when it is ON.
  • the polarity of the positive voltage (+ Vc) or the negative (NEGATIVE) voltage (-Vc) charged in the capacitor 131 is changed by the resonance of the LC circuit 130 to be charged.
  • the second switching device G2 is connected to the inductor 132 of the LC circuit 130 and the DC line so as to be connected in series with the LC circuit 130 to a -Vc voltage or a + Vc voltage charged in the capacitor 131.
  • the current pulse generated by the switching to be supplied to the main switch (110).
  • the high voltage DC circuit breaker 100 further includes a charging resistor Rch for charging the capacitor 131 with a voltage of + Vc at initial startup.
  • the charging resistor Rch is connected between the capacitor 131 of the LC circuit 130 and the ground GND to be disposed in series with the LC circuit 130. That is, the charging resistor Rch is connected between the contact point between the LC circuit 130 and the second switching element G2 and the ground GND, and according to the high voltage DC circuit breaker 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the current Idc flows normally through the main switch 110 during initial startup, when a DC voltage is applied to the DC line 10, the + Vc voltage is charged in the capacitor 131.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of first and second switching devices illustrating an operation process of a high voltage DC circuit breaker when a fault occurs at one side of the high voltage DC line shown in FIG. 2.
  • the main switch 110 when the current Id normally flows along the DC line 10, the main switch 110 is closed. In addition, both the first switching element G1 and the second switching element G2 are turned off to maintain a blocked state. Accordingly, when a voltage is applied to the DC line 10, the steady current Id flows along the DC line 10 through the main switch 110, and also the capacitor 131 and the inductor of the LC circuit 130. The DC voltage (+ Vc) is charged to the capacitor 131 through 132 and the charging resistor Rch.
  • the controller detects a failure by using a known technique and then switches the main switch 110. Open. When the main switch 110 is opened, an arc occurs between switching terminals of the main switch 110 so that a fault current flows continuously from the A side to the B side.
  • the second switching is performed as shown in FIG.
  • the first switching element G1 is turned on.
  • the first switching device G1 and the LC circuit 130 form a closed path so that the LC resonance between the inductor 132 and the capacitor 131 of the LC circuit 130 is closed.
  • the first switching device G1 is turned off.
  • the second switching device G2 When the first switching device G1 is OFF, as shown in FIG. 3B, the second switching device G2 is turned on and a current pulse generated by the -Vc voltage charged in the capacitor 131. Is supplied to one side of the main switch 110, and a zero current is generated in the main switch 110 by the supplied current pulse to extinguish the arc generated in the main switch 110.
  • the overvoltage generated on the other side (A side) that is relatively higher than one side (B side) of the DC line 10 is the same as in FIG.
  • the capacitor 131 is recharged to + Vc voltage by the current flowing through the LC circuit 130 due to being turned off.
  • the switching element G2 is turned off.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 of the present invention performs a reclosing operation of the main switch 110. That is, when the main switch 110 is closed to form a closed, if the B-side fault is not removed, the above processes are repeated to cut off the fault current. This reclosing is because the capacitor 131 of the LC circuit 130 is maintained at + Vc voltage after the arc is extinguished in the main switch 110.
  • High voltage DC circuit breaker 200 according to another embodiment of the present invention is shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration of a high voltage DC circuit breaker according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the high voltage DC circuit breaker 200 according to another embodiment of the present invention has the same configuration as the high voltage DC circuit breaker 100 according to the embodiment of the present invention described above.
  • the first switching element G1 and the second switching element G2 are connected to each other in the forward direction, and are respectively opposite to the direction in which the current flows when the current flows from one side of the DC line, that is, from the A side to the B side, respectively.
  • an anode not provided with a member number
  • a cathode terminal not provided with a member number
  • the high voltage DC circuit breaker 200 is initially operated or the DC line 10
  • the anode and the cathode terminals are arranged in a direction opposite to the direction in which the current Id flows.
  • the high voltage DC circuit breaker 200 differs from the arc extinguishing operation of the high voltage DC circuit breaker 100. This will be described below with reference to FIG. 5.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of first and second switching devices illustrating an operation process of a high voltage DC circuit breaker when a fault occurs on the other side of the high voltage DC line shown in FIG. 4.
  • FIG. 5A when the main switch 110 is opened due to a failure in the other side (A side) of the DC line 10, an arc is generated.
  • the second switching device G2 When an arc occurs in the main switch 110, the second switching device G2 is turned on as shown in FIG. 5A while the first switching device G1 is turned off.
  • the second switching device G2 is ON, a current pulse, which is generated by the + Vc voltage stored in the capacitor 131 of the LC circuit 130 and is a DC component, is supplied to the other side of the main switch 110. .
  • the main switch 110 When a current pulse is supplied to the main switch 110, the main switch 110 becomes a zero current by the supplied current pulse, and the arc generated in the main switch 110 is extinguished.
  • the current pulse supplied to the A side is the opposite direction and the fault current that is sustained through the arc in the main switch 110 is preferably larger in size. To this end, the charging capacity of the capacitor can be determined.
  • the arc generated in the main switch 110 is extinguished and the capacitor 131 is charged with a voltage of -Vc.
  • the capacitor 131 is charged with a voltage of -Vc and the arc generated in the main switch 110 is extinguished, as shown in FIG. 5B, the one side (B side) that is relatively higher than the other side of the DC line is shown.
  • the overvoltage is consumed by the nonlinear resistor 120 and at the same time, due to the resonance of the LC circuit 130 caused by the ON of the first switching device G1 while the second switching device G2 is OFF.
  • FIG. 5B after the -Vc voltage charged in the capacitor 131 is charged to the + Vc voltage, the first switching device G1 is turned off.
  • the high voltage DC circuit breaker 200 of the present invention performs a reclosing operation of the main switch 110. That is, when the main switch 110 is closed to form a closed path, if the A side fault is not removed, the above steps are repeated to extinguish the arc. This reclosing is possible because the capacitor 131 of the LC circuit 130 remains charged at + Vc after the arc is extinguished in the main switch 110.
  • the arc generated in the main switch 110 is blocked by one LC resonance in the LC circuit 130 to block the fault current flowing through the arc.
  • the high-voltage DC circuit breakers 100 and 200 according to the present invention are characterized in that the current caused by LC resonance is made through the first switching element G1 rather than the main switch CB, as shown in FIG. 1.
  • the current oscillation by the LC resonance is not increased as in the prior art, but in the present invention, the LC resonance is performed only once so that the voltage polarity of the capacitor 131 of the LC circuit 130 is reversed by the LC resonance. This causes the blocking speed to increase compared to the prior art.
  • the current stored in the opposite direction to the fault current flowing in the main switch 110 is injected into the main switch 110 by the voltage stored in the capacitor 131 to make zero current so as to extinguish the arc. .

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Abstract

본 발명은 송전 또는 배전용 직류(DC) 선로에 고장발생시 그 DC 선로에 흐르는 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기는, DC 선로에 연결되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치; 상기 메인스위치에 병렬연결되어 과전압을 소모하는 비선형 저항기; 상기 메인스위치에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터 및 인덕터를 포함하는 LC 회로; 상기 LC 회로에 병렬연결되어 상기 LC 회로의 공진에 의해 커패시터에 충전된 포지티브(POSITIVE) 전압(+Vc)이나 네가티브(NEGATIVE) 전압(-Vc)의 극성이 변경되어 충전되도록 스위칭하는 제1 스위칭소자; 상기 LC 회로에 직렬연결되도록 상기 LC 회로과 상기 DC 선로 사이에 연결되어 커패시터에 충전된 -Vc 전압이나 +Vc 전압에 의해 발생된 전류 펄스가 상기 메인스위치로 공급되도록 스위칭하는 제2 스위칭소자를 포함한다.

Description

고전압 ＤＣ 차단기
본 발명은 고전압 직류(DC) 차단기에 관한 것으로서, 특히 송전 또는 배전용 직류(DC) 선로의 일측에 고장발생시 그 DC 선로에 흐르는 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기에 관한 것이다.
통상 고전압 DC 차단기(circuit breaker)는 고전압 직류(HVDC: High Voltage Direct Current) 송전 시스템 등과 같은 약 50㎸ 이상의 고전압 송전선로를 통해 흐르는 전류를 차단할 수 있는 스위칭 장치이다. 이러한 고전압 DC 차단기는 DC 선로에 고장발생시 고장전류를 차단하는 역할을 한다. 물론, 약 1~50㎸의 DC 전압레벨의 중간전압 DC 배전 시스템에도 적용이 가능하다.
이러한 고전압 DC 차단기의 경우 시스템에 고장전류가 발생하면 메인스위치를 개방시켜 고장이 발생한 회로를 분리하여 그 고장전류를 차단하도록 한다. 하지만, DC 선로에는 전류 0(zero)점이 존재하지 않기 때문에 메인스위치의 개방시 메인스위치의 단자간에 발생한 아크(arc)가 소호되지 않고 고장전류가 이러한 아크를 통해 지속적으로 흐르게 되어 고장전류를 차단하지 못하는 문제점이 있다.
도 1에 도시된 일본공개특허 제1984-068128호에는 고전압 DC 차단기에서 메인스위치(CB)의 스위치 동작시 발생된 아크(arc)를 소호하여 고장전류(Ic)를 차단하기 위해 메인스위치(CB)에 흐르는 전류(IDC)에 LC 회로에 의한 공진전류(Ip)를 중첩시켜서(Idc=IDC+Ip) 메인스위치(CB)에서 0(zero) 전류를 만들어 아크를 소호시키는 기술을 제공한다. 즉, 메인스위치(CB)가 닫히면 공진전류(Ip)가 DC전류(IDC)에 중첩되도록 주입되고, 이후 LC공진에 의해 공진전류(Ip)는 진동하는 전류가 되고 메인스위치(CB)를 따라 진동하면서 점점 크기가 커지게 된다. 이로써, 음(-)의 공진전류 -Ip가 IDC보다 커지게 되어 고장전류(Ic)가 zero 전류가 되고 메인스위치(CB)의 아크가 소호된다. 하지만, 이러한 종래기술은 DC 전류(IDC)보다 더 큰 공진전류(Ip)가 겹쳐져야 하기 때문에 회로정격이 정격전류의 2배 이상이어야 하며, 이와 같이 큰 공진전류(Ip)를 발생시키기 위해 여러 번의 공진이 이루어져야 하기 때문에 차단속도가 느려지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고전압 DC 차단기에서 메인스위치에 공진전류를 인가하지 않더라도 LC 공진회로의 커패시터에 저장된 전압을 이용해 전류 펄스를 발생시켜 메인스위치에서 발생된 고장전류를 완전히 차단할 수 있는 고전압 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전류 펄스를 이용하여 메인스위치에서 고장전류를 완전히 차단할 수 있도록 함으로써 차단속도를 개선시킬 수 있는 고전압 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 메인스위치를 통해 재폐로 동작을 수행할 수 있도록 구현된 고전압 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 직류(DC) 선로에 흐르는 전류를 차단하기 위한 고전압 DC 차단기에 있어서, 상기 DC 선로에 연결되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치; 상기 메인스위치에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터 및 인덕터를 포함하는 LC 회로; 상기 LC 회로에 병렬연결되어 상기 LC 회로의 공진에 의해 커패시터에 충전된 포지티브(POSITIVE) 전압(+Vc)이나 네가티브(NEGATIVE) 전압(-Vc)의 극성이 변경되어 충전되도록 스위칭하는 제1 스위칭소자; 상기 LC 회로에 직렬연결되며 상기 LC 회로와 상기 DC 선로 사이에 연결되어 상기 커패시터에 충전된 +Vc 전압이나 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류펄스가 상기 메인스위치로 공급되도록 스위칭하는 제2 스위칭소자; 를 포함한다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자는 서로 순방향으로 연결되고, 각각 DC 선로의 타측에서 일측으로 흐르는 전류와 순방향이나 역방향으로 배치되며, 하나 이상의 전력 반도체 스위치로 이루어진다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 초기 기동시 상기 커패시터에 +Vc 전압을 충전하기 위한 충전저항을 더 포함하고, 상기 충전저항은 상기 LC 회로와 직렬로 배치되도록 상기 LC 회로의 커패시터와 접지 사이에 연결된다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 상기 DC 선로의 상기 일측에 고장발생으로 상기 메인스위치가 개방되고 상기 메인스위치의 개방시 아크(arc)가 발생하면, 상기 제2 스위칭소자는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제1 스위칭소자가 온(ON)되어 상기 LC 회로의 인덕터와 커패시터 간 LC 공진에 의해 상기 커패시터에 -Vc 전압이 충전된 후 상기 제1 스위칭소자가 오프(OFF)되고, 상기 제2 스위칭소자가 온(ON)되어 상기 커패시터에 충전된 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치의 일측방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치에 발생된 아크가 소호되도록 한다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 상기 메인스위치에 병렬연결된 비선형 저항기를 더 포함하고, 상기 메인스위치에서 발생한 아크가 소호된 이후에, 상기 DC선로의 일측보다 상대적으로 높아진 타측의 과전압은 상기 비선형 저항기에서 소모됨과 동시에 상기 LC 회로를 통해 흐르는 전류에 의해 커패시터는 +Vc로 재충전된 후 상기 제2 스위칭소자가 오프(OFF)된다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 상기 DC 선로의 상기 타측에 고장발생으로 상기 메인스위치가 개방되고 상기 메인스위치의 개방시 아크(arc)가 발생하면, 상기 제1 스위칭소자는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2 스위칭소자가 온(ON)되어 상기 LC 회로의 커패시터(131)에 저장된 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치의 타측방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치에 발생된 아크를 소호하며, 커패시터에 -Vc 전압이 충전된다.
본 발명의 고전압 DC 차단기는, 상기 메인스위치에 병렬연결된 비선형 저항기를 더 포함하고, 상기 메인스위치에서 발생한 아크가 소호된 이후에, 상기 DC선로의 타측보다 상대적으로 높아진 일측의 과전압은 상기 비선형 저항기에서 소모됨과 동시에 제2 스위칭소자가 오프(OFF)된 상태에서 제1 스위칭소자의 온(ON)에 의한 LC 회로의 공진에 의해 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압이 +Vc로 충전된 후 제1 스위칭소자가 오프(OFF)된다.
본 발명은 고전압 DC 차단기는 고전압 DC 차단기에서 메인스위치에 공진전류를 인가하지 않더라도 LC 공진회로의 커패시터에 저장된 전압을 이용해 전류 펄스를 발생시켜 메인스위치에서 발생된 고장전류를 완전히 차단할 수 있는 이점이 있으며, 전류 펄스를 이용하여 메인스위치에서 고장전류를 완전히 차단할 수 있도록 함으로써 차단속도를 개선시킬 수 있는 이점이 있다. 본 발명은 고전압 DC 차단기는 또한, 메인스위치를 통해 재폐로 동작을 수행할 수 있도록 구현될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 고전압 DC 차단기의 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도,
도 3은 도 2에 도시된 고전압 DC 선로의 일측에 고장발생시 고전압 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 제1 및 제2 스위칭소자의 등가 회로도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도,
도 5는 도 4에 도시된 고전압 DC 선로의 타측에 고장발생시 고전압 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 제1 및 제2 스위칭소자의 등가회로도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 A측과 B측을 연결하는 DC 선로(10)에 연결된 메인스위치(110)를 포함하며, 일례로서 전류(Idc)가 A측에서 B측으로 흐르는 것으로 가정하고 본 발명의 고전압 DC 차단기(100)를 설명한다. 물론, 다른 예로서 B측에서 A측으로 흐를 수도 있다.
고전압 DC 차단기(100)의 메인스위치(110)는 DC 선로(10)의 일측 즉, B측에 고장발생시 고장이 발생한 회로로 고장전류가 지속적으로 흘러들어가지 않도록 하기 위해 DC 선로(10)를 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 메인스위치(110)는 도 2에서와 같이 정상상태에서는 닫혀 있는 상태를 유지하며, 고장발생시 도 3의 (a,b)에 도시된 것과 같이 개방된다. 이러한 메인스위치(110)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다.
본 실시 예에서 이러한 메인스위치(110)에 병렬로 비선형 저항기(120)가 연결되어 메인스위치(110)의 차단시 정격전압 이상의 과도한 전압이 고전압 DC 차단기(100)의 양단에 가해지지 못하도록 하기 위한 것으로서 고장에 의한 과전압이 기설정된 기준치 이상으로 고전압 DC 차단기(100)의 양단에 걸리면 자동으로 온(ON)되어 고전압을 소모하도록 한다. 본 실시 예에서 비선형 저항기(120)는 예컨대 바리스터(varistor)로 구현된다.
본 발명의 일 실시 예에서 DC 선로(10)에 고전압이 걸리는 경우에는 메인스위치(110)에 대전류가 흐르게 된다. 이 때문에 고장발생시 메인스위치(110)가 개방될 때 메인스위치(110)의 스위치 단자 간에 아크(arc)가 발생하게 되고, 이러한 아크를 통해 DC 고장전류가 DC 선로(10)에 계속해서 흐르게 된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 아크를 소호하여 고장전류를 완전히 차단하기 위해 메인스위치(110)와 비선형 저항기(120)에 LC 회로(130), 제1 스위칭소자(G1) 및 제2 스위칭소자(G2)를 포함하여 구성된다.
LC 회로(130)는 상기 메인스위치(110)에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터(131) 및 인덕터(132)를 포함한다. 도 2에 도시된 인덕터(132)의 Lp는 인덕턴스 값을 나타낸다. 이러한 상기 LC 회로(130)는 상기 제1 스위칭소자(G1)와 상기 제2 스위칭소자(G2)는 서로 순방향으로 연결되고, 각각 고전압 DC 선로(10)를 따라 전류(Id)가 A측에서 B측으로 흐르는 경우에 전류(Id)의 흐르는 방향과 동일한 순방향으로 제1 스위칭소자(G1)와 제2 스위칭소자(G2)에 각각 구비되는 애노드(부재번호 미기재)나 캐소드 단자(부재번호 미기재)가 배치되며, 하나 이상의 전력 반도체 스위치로 이루어진다. 하나의 전력 반도체 스위치는 싸이리스터(thyristor), GTO, IGCT, IGBT 등으로 구현될 수 있고, 제2 스위칭 소자(G2)는 다이오드(diode)로 구현된 수 있다.
제1 스위칭소자(G1)와 제2 스위칭소자(G2)의 순방향 배치는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(100)를 초기 가동하거나 DC 선로(10)를 따라 정상적인 전류(Id)가 A측에서 B측으로 흐르는 경우에 전류(Id)의 흐르는 방향과 순방향으로 애노드와 캐소드 단자가 배치됨을 의미한다.
순방향으로 배치되는 제1 스위칭소자(G1)는 상기 LC 회로(130)에 병렬연결되어 LC 회로(130)의 공진에 의해 커패시터(131)에 충전된 포지티브(POSITIVE) 전압(+Vc)을 네가티브(NEGATIVE) 전압(-Vc)이 되도록 하거나 -Vc 전압이 +Vc 전압이 되도록 스위칭한다. 즉, 제1 스위칭소자(G1)는 오프(OFF)시 DC 선로(10)의 전압에 의해 커패시터(131)에 전압이 충전되도록 하며, 온(ON) 시 상기 LC 회로(130)와 폐로를 형성하여 LC 회로(130)의 공진에 의해 커패시터(131)에 충전된 포지티브(POSITIVE) 전압(+Vc)이나 네가티브(NEGATIVE) 전압(-Vc)의 극성이 변경되어 충전되도록 스위칭한다.
제2 스위칭소자(G2)는 상기 LC 회로(130)에 직렬연결되도록 LC 회로(130)의 인덕터(132)와 상기 DC 선로에 연결되어 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압이나 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스가 상기 메인스위치(110)로 공급되도록 스위칭한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 초기 기동시 상기 커패시터(131)에 +Vc 전압을 충전하기 위한 충전저항(Rch)을 더 포함한다.
상기 충전저항(Rch)은 상기 LC 회로(130)와 직렬로 배치되도록 LC 회로(130)의 커패시터(131)와 접지(GND) 사이에 연결된다. 즉, 충전저항(Rch)은 상기 LC 회로(130) 및 상기 제2 스위칭소자(G2) 간의 접점과 접지(GND) 사이에 연결되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(100)의 초기 기동 시 메인스위치(110)를 통해 전류(Idc)가 정상적으로 흐르는 경우, DC 선로(10)에 DC 전압이 인가되면 커패시터(131)에 +Vc 전압이 충전되도록 한다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(100)의 동작을 첨부된 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 고전압 DC 선로의 일측에 고장발생시 고전압 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 제1 및 제2 스위칭소자의 등가 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 DC 선로(10)를 따라 전류(Id)가 정상적으로 흐르는 정상상태인 경우에는 메인스위치(110)가 닫혀 있다. 또한, 제1 스위칭소자(G1)와 제2 스위칭소자(G2)는 모두 오프(OFF)되어 차단된 상태를 유지한다. 이에 따라 DC 선로(10)에 전압이 인가되면 정상전류(Id)는 메인스위치(110)를 통해 DC 선로(10)를 따라 흐르게 되고, 또한, LC 회로(130)의 커패시터(131), 인덕터(132) 및 충전저항(Rch)을 통해 커패시터(131)에 DC 전압(+Vc)이 충전된다.
만약, DC 선로(10)의 일측(B측)에 고장이 발생한 경우는 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(도시 않음)에서 공지된 기술을 이용하여 고장발생을 감지하여 메인스위치(110)를 개방시킨다. 메인스위치(110)가 개방될 때 메인스위치(110)의 스위칭단자 간에 아크(arc)가 발생하여 A측에서 B측으로 고장전류가 지속적으로 흐르게 된다.
DC 선로(10)의 B측에 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방되고 상기 메인스위치(110)의 개방시 아크(arc)가 발생하면, 도 3의 (a)에서와 같이 제2 스위칭소자(G2)는 오프(OFF)된 상태에서 제1 스위칭소자(G1)가 온(ON)된다. 제1 스위칭소자(G1)가 온(ON)되면 제1 스위칭소자(G1)와 LC 회로(130)가 폐로를 형성하여 상기 LC 회로(130)의 인덕터(132)와 커패시터(131) 간 LC 공진에 의해 상기 커패시터(131)에 충전된 +Vc 전압이 -Vc 전압으로 충전된 후 상기 제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)된다.
제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)되면 도 3의 (b)에서와 같이 상기 제2 스위칭소자(G2)가 온되어 상기 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 일측방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호한다.
상기 메인스위치(110)에서 발생한 아크가 소호된 후에, 상기 DC 선로(10)의 일측(B측)보다 상대적으로 높아진 타측(A측)에서 발생된 과전압은 도 3의 (b)에서와 같이 상기 비선형 저항기(120)에서 소모됨과 동시에 제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)로 인해 상기 LC 회로(130)을 통해 흐르는 전류에 의해 커패시터(131)는 +Vc 전압으로 재충전된 후 상기 제2 스위칭소자(G2)가 오프(OFF)된다.
제2 스위칭소자(G2)가 오프(OFF)되면 본 발명의 고전압 DC 차단기(100)는 메인스위치(110)의 재폐로 동작을 수행한다. 즉, 메인스위치(110)를 닫아 폐로를 형성한 경우, 만약 B측 고장이 제거되지 않은 상태라면 상기한 과정들을 반복하여 고장전류를 차단한다. 이러한 재폐로는 메인스위치(110)에서 아크가 소호된 이후에 LC 회로(130)의 커패시터(131)가 +Vc 전압으로 충전상태를 유지하기 때문이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(200)는 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 4에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(200)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(100)와 동일한 구성을 가지며, 다만, 도 4에서와 같이 상기 제1 스위칭소자(G1)와 상기 제2 스위칭소자(G2)는 서로 순방향으로 연결되고, 각각 DC 선로의 타측에서 일측 즉, A측에서 B측으로 전류가 흐를 시 전류의 흐르는 방향과 반대 방향인 역방향으로 제1 스위칭소자(G1)와 상기 제2 스위칭소자(G2)에 각각 구비되는 애노드(부재번호 미기재)나 캐소드 단자(부재번호 미기재)가 배치되는 차이점이 있다.
*본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(200)에 따른 제1 스위칭소자(G1)와 제2 스위칭소자(G2)의 역방향 배치는 고전압 DC 차단기(200)를 초기 가동하거나 DC 선로(10)를 따라 정상적인 전류(Id)가 A측에서 B측으로 흐르는 경우에 전류(Id)의 흐르는 방향과 역방향으로 애노드와 캐소드 단자가 배치됨을 의미한다.
제1 스위칭소자(G1)와 제2 스위칭소자(G2)가 역방향으로 배치됨에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 DC 차단기(200)는 고전압 DC 차단기(100)와 아크를 소호하는 동작에서 차이점이 있으며, 이를 첨부된 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 도 4에 도시된 고전압 DC 선로의 타측에 고장발생시 고전압 DC 차단기의 동작 과정을 나타낸 제1 및 제2 스위칭소자의 등가회로도이다. 도 5의 (a)에서와 같이 DC 선로(10)의 타측(A측)에 고장발생으로 상기 메인스위치(110)를 개방하면 아크(arc)가 발생된다. 메인스위치(110)에 아크가 발생되면 상기 제1 스위칭소자(G1)는 오프(OFF)된 상태에서 도 5의 (a)에서와 같이 상기 제2 스위칭소자(G2)가 온(ON)된다. 제2 스위칭소자(G2)가 온(ON)되면 LC 회로(130)의 커패시터(131)에 저장된 +Vc 전압에 의해 발생되며 직류 성분인 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 타측방향으로 공급된다.
메인스위치(110)로 전류 펄스가 공급되면 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크가 소호된다. 이때, A측으로 공급되는 전류 펄스는 메인스위치(110)에서 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 큰 것이 바람직하다. 이를 위해 커패시터의 충전용량이 결정될 수 있다.
메인스위치(110)에 발생된 아크가 소호됨과 아울러 커패시터(131)는 -Vc 전압이 충전된다. 커패시터(131)에 -Vc 전압으로 충전되고 상기 메인스위치(110)에서 발생한 아크가 소호된 이후에, 도 5의 (b)에서와 같이 상기 DC선로의 타측보다 상대적으로 높아진 일측(B측)의 과전압은 상기 비선형 저항기(120)에서 소모됨과 동시에 제2 스위칭소자(G2)가 오프(OFF)된 상태에서 제1 스위칭소자(G1)의 온(ON)에 의한 LC 회로(130)의 공진에 의해 도 5의 (b)에서와 같이 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압이 +Vc 전압으로 충전된 후 제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)된다.
제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)되면 본 발명의 고전압 DC 차단기(200)는 메인스위치(110)의 재폐로 동작을 수행한다. 즉, 메인스위치(110)를 닫아 폐로를 형성한 경우, 만약 A측 고장이 제거되지 않은 상태라면 상기한 과정들을 반복하여 아크를 소호한다. 이러한 재폐로는 메인스위치(110)에서 아크가 소호된 이후에 LC 회로(130)의 커패시터(131)가 +Vc로 충전상태를 유지하기 때문에 가능한 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100,200)에서는 LC 회로(130)에서 한 번의 LC 공진을 통해 메인스위치(110)에 발생한 아크를 소호하여 아크를 통해 흐르는 고장전류를 차단하도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100,200)는 LC 공진에 의한 전류가 도 1에 도시된 종래기술과 같이 메인스위치(CB)가 아니라 제1 스위칭소자(G1)를 통해 이루어진다는 특징이 있다. 따라서, 종래기술과 같이 LC 공진에 의한 전류 진동이 커지는 것이 아니라, 본 발명에서는 LC 공진에 의해 LC 회로(130)의 커패시터(131)의 전압극성이 반대로 바뀌도록 LC 공진이 한 번만 이루어진다. 이는 종래기술에 비해 차단속도가 증가하는 원인이 된다. 또한, 본 발명에서는 종래기술과 달리 커패시터(131)에 저장된 전압에 의해 메인스위치(110)에 흐르는 고장전류와 반대방향의 전류가 메인스위치(110)에 주입하여 zero 전류를 만들어 아크를 소호하도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 직류(DC) 선로에 흐르는 전류를 차단하기 위한 고전압 DC 차단기에 있어서,
    상기 DC 선로에 연결되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치(110);
    상기 메인스위치(110)에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터(131) 및 인덕터(132)를 포함하는 LC 회로(130);
    상기 LC 회로(130)에 병렬연결되어 상기 LC 회로(130)의 공진에 의해 커패시터(131)에 충전된 포지티브(POSITIVE) 전압(+Vc)이나 네가티브(NEGATIVE) 전압(-Vc)의 극성이 변경되어 충전되도록 스위칭하는 제1 스위칭소자(G1);
    상기 LC 회로(130)에 직렬연결되며 상기 LC 회로(130)와 상기 DC 선로 사이에 연결되어 상기 커패시터(131)에 충전된 +Vc 전압이나 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류펄스가 상기 메인스위치(110)로 공급되도록 스위칭하는 제2 스위칭소자(G2); 를 포함하는 고전압 DC 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자(G1)와 상기 제2 스위칭소자(G2)는 서로 순방향으로 연결되고, 각각 DC 선로의 타측에서 일측으로 흐르는 전류와 순방향이나 역방향으로 배치되며, 하나 이상의 전력 반도체 스위치로 이루어지는 고전압 DC 차단기.
  3. 제1항에 있어서,
    초기 기동시 상기 커패시터(131)에 +Vc 전압을 충전하기 위한 충전저항(Rch)을 더 포함하고, 상기 충전저항(Rch)은 상기 LC 회로(130)와 직렬로 배치되도록 상기 LC 회로(130)의 커패시터(131)와 접지(GND) 사이에 연결되는 고전압 DC 차단기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC 선로의 상기 일측에 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방되고 상기 메인스위치(110)의 개방시 아크(arc)가 발생하면,
    상기 제2 스위칭소자(G2)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제1 스위칭소자(G1)가 온(ON)되어 상기 LC 회로(130)의 인덕터(132)와 커패시터(131) 간 LC 공진에 의해 상기 커패시터(131)에 -Vc 전압이 충전된 후 상기 제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)되고, 상기 제2 스위칭소자(G2)가 온(ON)되어 상기 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 일측방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크가 소호되도록 하는 고전압 DC 차단기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)에 병렬연결된 비선형 저항기(120)를 더 포함하고,
    상기 메인스위치(110)에서 발생한 아크가 소호된 이후에, 상기 DC선로의 일측보다 상대적으로 높아진 타측의 과전압은 상기 비선형 저항기(120)에서 소모됨과 동시에 상기 LC 회로(130)를 통해 흐르는 전류에 의해 커패시터(131)는 +Vc로 재충전된 후 상기 제2 스위칭소자(G2)가 오프(OFF)되는 고전압 DC 차단기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 DC 선로의 상기 타측에 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방되고 상기 메인스위치(110)의 개방시 아크(arc)가 발생하면,
    상기 제1 스위칭소자(G1)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2 스위칭소자(G2)가 온(ON)되어 상기 LC 회로(130)의 커패시터(131)에 저장된 +Vc 전압에 의해 발생되는 전류 펄스를 상기 메인스위치(110)의 타측방향으로 공급하고, 상기 공급된 전류 펄스에 의해 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호하며, 커패시터(131)에 -Vc 전압이 충전되는 고전압 DC 차단기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)에 병렬연결된 비선형 저항기(120)를 더 포함하고,
    상기 메인스위치(110)에서 발생한 아크가 소호된 이후에, 상기 DC선로의 타측보다 상대적으로 높아진 일측의 과전압은 상기 비선형 저항기(120)에서 소모됨과 동시에 제2 스위칭소자(G2)가 오프(OFF)된 상태에서 제1 스위칭소자(G1)의 온(ON)에 의한 LC 회로(130)의 공진에 의해 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압이 +Vc로 충전된 후 제1 스위칭소자(G1)가 오프(OFF)되는 고전압 DC 차단기.
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