WO2015102385A1 - Ｄｃ 차단기 - Google Patents

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WO2015102385A1
WO2015102385A1 PCT/KR2014/013069 KR2014013069W WO2015102385A1 WO 2015102385 A1 WO2015102385 A1 WO 2015102385A1 KR 2014013069 W KR2014013069 W KR 2014013069W WO 2015102385 A1 WO2015102385 A1 WO 2015102385A1
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current
line
mechanical switch
switch
circuit breaker
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PCT/KR2014/013069
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English (en)
French (fr)
Inventor
김병철
정영환
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Hyosung Corp
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Hyosung Corp
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle for interrupting DC

Definitions

  • the present invention relates to a DC circuit breaker, and more particularly, to a DC circuit breaker capable of blocking fault currents generated in both directions based on a mechanical switch using a unidirectional semiconductor switch.
  • Direct current circuit breakers are used to cut off the fault current in the event of a fault in a DC line used as a high voltage transmission line.
  • DC line used for high voltage is used as high voltage transmission line of 50 kV or higher of high voltage direct current (HVDC) transmission system or medium voltage distribution line of 50 kV or lower of medium voltage DC distribution system.
  • HVDC high voltage direct current
  • the DC breaker is equipped with a mechanical switch to cut off the fault current in the event of a fault in the DC line.
  • the mechanical switch is opened to prevent the faulty system from affecting the normal system when the fault current is generated in the high voltage DC power distribution system or the medium voltage DC power distribution system.
  • the mechanical switch is opened to block the fault current, an arc may occur at the terminal due to the high voltage.
  • the fault current continuously flows through the arc, and thus the fault current cannot be blocked.
  • Korean Patent No. 1183508 relates to a current blocking device, and comprises one or more interrupters, surge arresters, and resonant circuits.
  • One or more interrupters are each used as mechanical switches, each arranged in a first current path to move contacts relative to each other from a closing position of the interrupter to an opening position to block current flowing through the interrupter.
  • Have The surge arrester is connected in parallel with the resonant circuit and starts to energize when the voltage across the interrupter reaches a predetermined value when the contacts are disconnected, and the direct current is discharged as a result of the presence of the voltage across the interrupter in the first current path. It is energized until it changes direction to another second current path connected to one current path.
  • the resonant circuit consists of a capacitor and an inductor connected in parallel with the interrupter, and a direct current to cut off the current flowing through the interrupter by zeroing the current flowing through the interrupter when the contacts are separated. Generate an oscillating current superimposed on the current.
  • Conventional DC circuit breakers such as Korean Patent No. 1183508 have a problem of blocking only a fault current flowing in one direction with respect to the mechanical switch by connecting one resonance circuit to one mechanical switch.
  • An object of the present invention is to solve the above problems, to provide a DC circuit breaker capable of blocking fault current generated in both directions based on the mechanical switch using a unidirectional semiconductor switch.
  • Another object of the present invention is to provide a DC circuit breaker which can improve the operational reliability of the product by simplifying the structure of the DC circuit breaker by blocking fault current generated in both directions using one unidirectional semiconductor switch.
  • Still another object of the present invention is to provide a DC circuit breaker that can reduce the manufacturing cost by simplifying the structure of the DC circuit breaker by blocking fault current generated in both directions using one unidirectional semiconductor switch.
  • the DC circuit breaker of the present invention includes a first mechanical switch having a first direct current line connected to one side and a conductive switch connecting member connected to the other side; A second mechanical switch having the conductive switch connecting member connected to one side and a second direct current line connected to the other side; Resonant current is connected to the first mechanical switch and the second mechanical switch between the conductive switch connecting member and the ground so as to be disposed in parallel with each of the first mechanical switch and the second mechanical switch, in which a normal current flows when a fault current occurs. Injecting so that the current is zero.
  • the present invention has the advantage that the DC circuit breaker can block the fault current generated in both directions based on the mechanical switch using a unidirectional semiconductor switch, and by using one unidirectional semiconductor switch to block the fault current generated in both directions It has the advantage of improving the operational reliability of the product by simplifying the structure of the DC circuit breaker, and reduces the manufacturing cost by simplifying the structure of the DC circuit breaker by blocking fault current generated in both directions by using one unidirectional semiconductor switch. There is an advantage to this. If the fault current is not eliminated during the operation, the shut-off operation can be performed again.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 and 3 are circuit diagrams showing an operating state of the DC circuit breaker shown in FIG. 1, respectively.
  • FIG. 4 is a waveform diagram illustrating an operating state of a DC circuit breaker according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a DC circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
  • the DC circuit breaker includes a first mechanical switch 10, a second mechanical switch 20, and a unidirectional power control switching circuit 30.
  • the first mechanical switch 10 has a first DC line (DCL1) is connected to one side, the conductive switch connecting member (SCL) is connected to the other side, the second mechanical switch 20 is a conductive switch connecting member (SCL) is one side It is connected to the second DC line (DCL2) is connected to the other side.
  • the unidirectional power control switching circuit 30 is connected between the conductive switch connecting member SCL and the ground GND so as to be disposed in parallel with the first mechanical switch 10 and the second mechanical switch 20, respectively. 2, the resonance current Ilc: FIGS. 3 and 4 to the first mechanical switch 10 or the second mechanical switch 10 into which a steady current (Id: shown in FIG. 2) is introduced. Is injected to make the current zero (Iz: shown in FIG. 4).
  • the unidirectional power control switching circuit 30 switches the conductive switch to the first direct current line DCL1 or the second direct current line DCL2 into which the steady current (Id: shown in FIG. 2) flows when a fault current occurs.
  • the normality is achieved by introducing a resonant current (Ilc: shown in FIGS. 3 and 4) in one direction (one direction) through the connecting member SCL so that the current is zero (Iz: shown in FIG. 4).
  • An arc is not generated during the opening operation of the first mechanical switch 10 or the second mechanical switch 20 into which the current Id flows.
  • the first mechanical switch 10 is composed of a contact terminal 11 and a switching contact terminal 12 as in the embodiment shown in FIG.
  • the first terminal line DCL1 is connected to the contact terminal 11 so as to be located at one side of the first mechanical switch 10, and the first rectifying line Id is supplied through the first DC line DCL1.
  • the normal rectification Id is supplied to the switching contact terminal 12 while the mechanical switch 10 is closed.
  • the switching contact terminal 12 is connected to the conductive switch connecting member (SCL) so that it is located on the other side of the first mechanical switch 10, the normal current (Id) supplied from the contact terminal 11, the conductive switch connecting member (SCL) To pass). That is, when the fault current Ifault is generated in the second DC line DCL2 and the current flowing into the first DC line DCL1 becomes zero Iz, the first mechanical switch 10 is connected to the contact terminal 11. By releasing and opening the connection state of the switching contact terminal 12, the fault current Ifault generated in the second DC line DCL2 is blocked from entering the first DC line DCL1.
  • the second mechanical switch 20 is composed of a contact terminal 21 and a switching contact terminal 22 as shown in FIG.
  • the contact terminal 21 is connected to the conductive switch connecting member (SCL) to be located on one side of the second mechanical switch 10, the normal rectification when the normal rectification (Id) is supplied through the first DC line (DCL1) (Id) is supplied and transferred to the switching contact terminal 22.
  • the second DC line DCL2 is connected to the switching contact terminal 22 so as to be positioned at the other side of the second mechanical switch 20, and the second DC line DCL2 receives the normal current Id supplied from the contact terminal 21. ) Or when the normal current Id is supplied, the normal current Id is transmitted to the contact terminal 21 to be supplied to the first mechanical switch 10.
  • the second mechanical switch 20 is connected to the contact terminal 21 and the switching contact terminal 22 like the first mechanical switch 10 described above when a fault current Ifault occurs in the first DC line DCL1. By releasing and opening the state, the fault current Ifault generated in the first DC line DCL1 is blocked from flowing into the second DC line DCL2.
  • the unidirectional power control switching circuit 30 includes a first unidirectional semiconductor switch element 31, an LC resonant circuit 32, and a second unidirectional semiconductor switch element 34.
  • the first unidirectional semiconductor switch element 31 is connected to the conductive switch connecting member SCL so as to be disposed in parallel with the first mechanical switch 10 and the second mechanical switch 20, respectively, and resonates when a fixed current (Ifault) occurs.
  • the current Ilc is transferred to the first direct current line DCL1 or the second direct current line DCL2 into which the steady current Id flows so that the current flowing in becomes zero Iz.
  • the first unidirectional semiconductor switch element 31 transmits the resonance current Ilc to the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2 into which the steady current Id flows when a fault current occurs.
  • a first thyristor (THR1) may be used as a semiconductor device capable of being turned on or off.
  • the first thyristor THR1 is connected to the first mechanical switch 10 or the second DC line DCL2 connected to the first DC line DCL1 to which the steady current Id flows when a fault current Ifault occurs.
  • Resonant current Ilc is injected into the second mechanical switch 20 so that the current flowing into the first direct current line DCL1 or the second direct current line DCL2 is set to zero Iz, and the cathode terminal K anode terminal. (A) and the gate terminal G are provided.
  • the anode terminal A of the first thyristor THR1 is connected to the LC resonant circuit 32, and the cathode terminal K is connected to the conductive switch connecting member SCL.
  • the gate terminal G is connected to a controller (not shown) and is activated when a trigger signal (not shown) is received from the controller to normalize the resonant current Ilc output from the LC resonant circuit 32 when a fault current occurs.
  • the current Id is transferred to the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2 into which the current Id flows to make the current Iz.
  • the LC resonant circuit 32 is connected in series with the first unidirectional semiconductor switch element 31 to charge and receive a steady current Id flowing into the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2,
  • a resonant current Ilc that is, an LC resonant current, is generated and output using the charged current when the first unidirectional semiconductor switch element 31 is triggered, and is composed of a capacitor C and an inductor L.
  • the capacitor C receives and charges the normal current Id supplied through the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2, and the inductor L is connected in series with the capacitor C to form a When the one-way semiconductor switch element 31 is activated, a resonance current Ilc is generated and output.
  • the resonant current Ilc output from the LC resonant circuit 32 having such a configuration is larger than the normal current Id flowing into the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2. That is, the resonant current Ilc is a current output from the LC resonant circuit 32 when resonance occurs due to a match between the capacitive reactance of the capacitor C and the inductive reactance of the inductor L, as shown in FIG. 4. The maximum current.
  • the LC resonant circuit 32 is connected to the ground GND so that the normal current Id flowing into the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2 is supplied to the LC resonant circuit 32.
  • the second unidirectional semiconductor switch device 34 is a semiconductor device that can be turned on / off.
  • a second thyristor THR2 may be used, and the second thyristor THRR2 may be used.
  • the cathode K of the first thyristor THR1 and the first direct current line DCL1 or as shown by the thick line in the drawing Is connected between.
  • the DC circuit breaker of the present invention shown in FIG. 2 represents a state in which the steady current Id is supplied from the first DC line DCL1 to the second DC line DCL2.
  • the first mechanical switch 10 and the second mechanical switch 20 are respectively provided.
  • the provided contact terminals 11 and 21 and the switching contact terminals 12 and 22 are connected to each other.
  • the normal current Id is the first direct current line DCL1, the first mechanical switch 10, the conductive switch connecting member SCL, and The first mechanical switch 10 is supplied to the second DC line DCL2.
  • the conductive switch connecting member SCL may use the same line as the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2 or a metal plate.
  • the normal current Id flows in the direction of the arrow shown by the thick line shown in FIG. In the capacitor (C).
  • the first thyristor THR1 used as the first unidirectional semiconductor switch element 31 is used. Is activated and turned on, and activation of the first thyristor THR1 is activated by receiving a trigger signal (not shown) output from the controller.
  • the resonant current Ilc is generated in the LC resonant circuit 32 by the voltage charged in the capacitor C, and the generated resonant current Ilc is the normal current Id.
  • Is injected into the first direct current line (DCL1) is introduced to make the current flowing into the first direct current line (DCL1) to zero (Iz).
  • the resonant current Ilc is transferred to the first DC line DCL1 through the conductive switch connecting member SCL and the first mechanical switch 10 connected between the first mechanical switch 10 and the second mechanical switch 20. Delivered.
  • the first mechanical switch 10 connected to the first DC line DCL1 is opened to cause a fault current Ifault to occur in the first DC line DCL1.
  • the current flowing into the first DC line DCL1 is zero (Iz), thereby disconnecting the connection state between the contact terminal 11 and the switching contact terminal 12 to open the arc (
  • the fault current Ifault is prevented from flowing into the first DC line DCL1 without generating an arc. That is, as shown in FIG. 4, when a fault current Ifault occurs in the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2, the first DC line DCL1 or the second DC in which the steady current Id is introduced.
  • the current flowing into the first DC line DCL1 or the second DC line DCL2 is made zero.
  • the vertical axis represents the amperage and the horizontal axis represents the time.
  • the normal current (Id) flows into the first direct current line (DCL1) or the second direct current line (DCL2) where the fault current (Ifault) is generated, the normal current as shown in FIG. (Id) charges the capacitor C of the LC resonant circuit 32 to generate a resonant current Ilc when the next fault current Id occurs, and through this repetitive operation, the first DC line DCL1 or It will be possible to safely and reliably manage two DC lines (DCL2).
  • the DC circuit breaker of the present invention can block fault current generated in both directions based on a mechanical switch using a semiconductor switch, and block fault current generated in both directions using a single unidirectional semiconductor switch. Simplify the structure of the DC circuit breaker to improve the operation reliability of the product, and by using one unidirectional semiconductor switch to cut off the fault current generated in both directions, it is possible to reduce the manufacturing cost by simplifying the structure of the DC circuit breaker .
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a DC circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of the present invention, in which a second unidirectional semiconductor switch element 33 ′ is connected in parallel to the first unidirectional semiconductor switch element 31 in comparison with the embodiment illustrated in FIG. 1.
  • the second unidirectional semiconductor switch element 33 ′ is connected to the first unidirectional semiconductor switch element 31 in a reverse direction.
  • the second unidirectional semiconductor switch element 33 ′ provides the current of the DC line to the capacitor C of the resonance circuit 32 in the same manner as the second unidirectional semiconductor switch element 33 shown in FIG. 1. Charge C).

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

본 발명은 단방향 반도체 스위치를 이용하여 기계식 스위치를 기준으로 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있는 DC 차단기에 관한 것으로, 제1직류 선로가 일측에 연결되며 타측에 도전성 스위치 연결부재가 연결되는 제1기계식 스위치와, 상기 도전성 스위치 연결부재가 일측에 연결되며 타측에 제2직류 선로가 연결되는 제2기계식 스위치와, 상기 제1기계식 스위치와 상기 제2기계식 스위치와 각각 병렬로 배치되도록 상기 도전성 스위치 연결부재와 접지 사이에 연결되며, 고장 전류 발생 시 정상 전류가 유입되는 제1기계식 스위치나 제2기계식 스위치로 공진전류를 주입하여 전류가 제로가 되도록 하는 단방향 전력제어 스위칭 회로를 포함한다.

Description

ＤＣ 차단기
본 발명은 DC 차단기에 관한 것으로서, 특히 단방향 반도체 스위치를 이용하여 기계식 스위치를 기준으로 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있는 DC 차단기에 관한 것이다.
DC 차단기(Direct Current circuit breaker)는 고전압 송전선로로 사용되는 직류 선로에 고장발생시 고장전류를 차단하기 위해 사용된다. 고전압에 사용되는 직류 선로는 고전압 직류(HVDC: High Voltage Direct Current) 송전 시스템의 50㎸ 이상의 고전압 송전선로나 중간전압 직류 배전 시스템의 50㎸ 이하의 중간전압 배전선로로 사용된다.
DC 차단기는 직류 선로에 고장발생시 고장전류를 차단하기 위해 기계식 스위치가 구비된다. 기계식 스위치는 고전압 직류 송전 시스템이나 중간전압 직류 배전 시스템에 고장전류가 발생되면 고장이 발생된 시스템이 정상적인 시스템에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 개방되어 고장전류를 차단한다. 기계식 스위치는 고장전류의 차단을 위해 개방 시 고전압으로 인해 단자에 아크(arc)가 발생될 수 있으며, 아크가 발생되면 아크를 통해 고장전류가 지속적으로 흐르게 되어 고장전류를 차단하지 못한다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 선행기술이 한국등록특허 제1183508호에 공개되어 있다. 한국등록특허 제1183508호는 전류 차단 디바이스에 관한 것으로, 하나 이상의 인터럽터, 서지 어레스터(surge arrester) 및 공진 회로로 이루어진다.
하나 이상의 인터럽터는 각각 기계식 스위치로 사용되며, 각각 제1전류 경로에 배열되어 인터럽터를 통해 유입되는 전류를 차단하기 위해 인터럽터의 폐쇄(closing) 위치로부터 개방(opening) 위치로 서로에 대해 이동 가능한 콘택들을 갖는다. 서지 어레스터는 공진 회로와 병렬로 접속되고, 콘택들의 분리시 인터럽터에 걸리는 전압이 소정 값에 도달할 때 통전하기 시작하며, 제1전류 경로의 인터럽터에 걸리는 전압의 존재의 결과로서 직류 전류가 제1전류 경로에 접속된 다른 제2전류 경로로 방향을 바꿀 때까지 통전되도록 한다. 공진 회로는 인터럽터와 병렬로 접속되고, 직렬로 접속된 캐패시터와 인덕터로 이루어지며, 콘택들이 분리될 때 인터럽터를 통해 유입되는 전류를 제로(zero)로 만들어 인터럽터를 통해 유입되는 전류를 차단할 수 있도록 직류 전류 상에 중첩되는 발진 전류를 생성한다.
한국등록특허 제1183508호와 같은 종래의 DC 차단기는 하나의 공진 회로가 하나의 기계식 스위치와 연결됨으로써 기계식 스위치를 기준으로 어느 한 방향으로 유입되는 고장 전류만을 차단하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단방향 반도체 스위치를 이용하여 기계식 스위치를 기준으로 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있는 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제품의 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있는 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제조 원가를 절감할 수 있는 DC 차단기를 제공함에 있다.
본 발명의 DC 차단기는 제1직류 선로가 일측에 연결되며 타측에 도전성 스위치 연결부재가 연결되는 제1기계식 스위치와; 상기 도전성 스위치 연결부재가 일측에 연결되며 타측에 제2직류 선로가 연결되는 제2기계식 스위치와; 상기 제1기계식 스위치와 상기 제2기계식 스위치와 각각 병렬로 배치되도록 상기 도전성 스위치 연결부재와 접지 사이에 연결되며, 고장 전류 발생 시 정상 전류가 유입되는 제1기계식 스위치나 제2기계식 스위치로 공진전류를 주입하여 전류가 제로가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 DC 차단기는 단방향 반도체 스위치를 이용하여 기계식 스위치를 기준으로 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있는 이점이 있고, 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제품의 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있는 이점이 있으며, 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제조 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다. 동작시 고장전류가 제거되지 않으면 재차 차단동작을 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC 차단기의 회로도,
도 2 및 도 3은 각각 도 1에 도시된 DC 차단기의 동작 상태를 나타낸 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC 차단기의 동작 상태를 나타낸 파형도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 DC 차단기의 회로도.
도 1에서와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC 차단기는 제1기계식 스위치(10), 제2기계식 스위치(20) 및 단방향 전력제어 스위칭 회로(30)로 구성된다.
제1기계식 스위치(10)는 제1직류 선로(DCL1)가 일측에 연결되며 타측에 도전성 스위치 연결부재(SCL)가 연결되며, 제2기계식 스위치(20)는 도전성 스위치 연결부재(SCL)가 일측에 연결되며 타측에 제2직류 선로(DCL2)가 연결된다. 단방향 전력제어 스위칭 회로(30)는 제1기계식 스위치(10)와 제2기계식 스위치(20)와 각각 병렬로 배치되도록 도전성 스위치 연결부재(SCL)와 접지(GND) 사이에 연결되며, 고장 전류(Ifault: 도 2에 도시됨) 발생 시 정상 전류(Id: 도 2에 도시됨)가 유입되는 제1기계식 스위치(10)나 제2기계식 스위치(10)로 공진전류(Ilc: 도 3 및 도 4에 도시됨)를 주입하여 전류가 제로(Iz: 도 4에 도시됨)가 되도록 한다. 즉, 단방향 전력제어 스위칭 회로(30)는 고장 전류(Ifault) 발생 시 정상 전류(Id: 도 2에 도시됨)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 도전성 스위치 연결부재(SCL)를 통해 단방향(한 방향)으로 공진전류(Ilc: 도 3 및 도 4에 도시됨)를 유입시켜 전류가 제로(zero)(Iz: 도 4에 도시됨)가 되도록 함에 의해 정상 전류(Id)가 유입되는 제1기계식 스위치(10)나 제2기계식 스위치(20)의 개방작동 시 아크가 발생되지 않도록 한다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 DC 차단기의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1기계식 스위치(10)는 도 1에 도시된 일 실시 예에서와 같이 접점단자(11)와 스위칭 접점단자(12)로 이루어진다.
접점단자(11)는 제1기계식 스위치(10)의 일측에 위치되도록 제1직류 선로(DCL1)가 연결되며, 제1직류 선로(DCL1)를 통해 정상 정류(Id)가 공급되는 경우에 제1기계식 스위치(10)가 닫힌 상태에서 정상 정류(Id)가 스위칭 접점단자(12)로 공급되도록 한다. 스위칭 접점단자(12)는 제1기계식 스위치(10)의 타측에 위치되도록 도전성 스위치 연결부재(SCL)가 연결되며, 접점단자(11)로부터 공급되는 정상 전류(Id)를 도전성 스위치 연결부재(SCL)로 전달한다. 즉, 제1기계식 스위치(10)는 제2직류 선로(DCL2)에 고장 전류(Ifault)가 발생되고 제1직류 선로(DCL1)로 유입되는 전류가 제로(Iz)가 되면 접점단자(11)와 스위칭 접점단자(12)의 연결 상태를 해제하여 개방시킴으로써 제1직류 선로(DCL1)로 제2직류 선로(DCL2)에서 발생된 고장 전류(Ifault)가 유입되는 것을 차단한다.
제2기계식 스위치(20)는 도 1에서와 같이 접점단자(21)와 스위칭 접점단자(22)로 이루어진다.
접점단자(21)는 제2기계식 스위치(10)의 일측에 위치되도록 도전성 스위치 연결부재(SCL)가 연결되며, 제1직류 선로(DCL1)를 통해 정상 정류(Id)가 공급되는 경우에 정상 정류(Id)를 공급받아 스위칭 접점단자(22)로 전달한다. 스위칭 접점단자(22)는 제2기계식 스위치(20)의 타측에 위치되도록 제2직류 선로(DCL2)가 연결되며, 접점단자(21)로부터 공급되는 정상 전류(Id)를 제2직류 선로(DCL2)로 전달하거나, 제2직류 선로(DCL2)를 정상 전류(Id)가 공급되는 경우에 정상 전류(Id)를 접점단자(21)로 전달하여 제1기계식 스위치(10)로 공급되도록 한다. 이러한 제2기계식 스위치(20)는 제1직류 선로(DCL1)로 고장 전류(Ifault)가 발생되면 전술한 제1기계식 스위치(10)와 같이 접점단자(21)와 스위칭 접점단자(22)의 연결 상태를 해제하여 개방시킴으로써 제2직류 선로(DCL2)로 제1직류 선로(DCL1)에서 발생된 고장 전류(Ifault)가 유입되는 것을 차단한다.
단방향 전력제어 스위칭 회로(30)는 도 1에서와 같이 제1 단방향 반도체 스위치소자(31), LC 공진회로(32), 제2 단방향 반도체 스위치소자(34)로 구성된다.
제1 단방향 반도체 스위치소자(31)는 제1기계식 스위치(10)와 제2기계식 스위치(20)와 각각 병렬로 배치되도록 도전성 스위치 연결부재(SCL)에 연결되며, 고정 전류(Ifault) 발생 시 공진전류(Ilc)를 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 전달하여 유입되는 전류가 제로(Iz)가 되도록 한다. 이러한 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)는 공진전류(Ilc)를 고장 전류(Ifault) 발생 시 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 전달하기 위해 온/오프(on/off)가 가능한 반도체 소자로서, 예컨대 제1 싸이리스터(THR1: thyristor)가 사용될 수 있다.
제1 싸이리스터(THR1)는 고장 전류(Ifault)가 발생 시 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)에 연결된 제1기계식 스위치(10)나 제2직류 선로(DCL2)에 연결된 제2기계식 스위치(20)로 공진전류(Ilc)를 주입하여 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 유입되는 전류를 제로(Iz)로 하며, 캐소드단자(K) 애노드단자(A) 및 게이트단자(G)가 구비된다.
제1 싸이리스터(THR1)의 애노드단자(A)는 LC 공진회로(32)와 연결되며, 캐소드단자(K)는 도전성 스위치 연결부재(SCL)와 연결된다. 게이트단자(G)는 제어기(도시 않음)와 연결되어 제어기로부터 트리거 신호(미도시)가 수신되면 활성화되어 고장 전류(Ifault) 발생 시 LC 공진회로(32)로부터 출력되는 공진전류(Ilc)를 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 전달하여 전류를 제로(Iz)로 만든다.
LC 공진회로(32)는 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)와 직렬로 연결되어 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)를 유입되는 정상 전류(Id)를 공급받아 충전하며, 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)의 트리거시 충전된 전류를 이용하여 공진전류(Ilc) 즉, LC 공진전류를 발생하여 출력하며, 커패시터(C)와 인덕터(L)로 이루어진다. 커패시터(C)는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)를 통해 공급되는 정상 전류(Id)를 수신받아 충전하며, 인덕터(L)는 커패시터(C)와 직렬로 연결되어 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)의 활성화시 공진전류(Ilc)를 발생하여 출력한다. 이러한 구성을 갖는 LC 공진회로(32)에서 출력되는 공진전류(Ilc)는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)에 유입되는 정상 전류(Id)보다 크다. 즉, 공진전류(Ilc)는 커패시터(C)의 용량성 리액턴스와 인덕터(L)의 유도성 리액턴스가 일치되어 공진이 발생될 때 LC 공진회로(32)에서 출력되는 전류이며, 도 4에서와 같이 최대 전류가 된다.
LC 공진회로(32)는 접지(GND)와 연결되어 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)를 유입되는 정상 전류(Id)가 LC 공진회로(32)로 공급되도록 한다.
제2 단방향 반도체 스위치소자(34)는 온/오프(on/off)가 가능한 반도체 소자로서, 일례로 제2 싸이리스터(thyristor)(THR2)가 사용될 수 있으며, 이러한 제2 싸이리스터(THRR2)는 제1 싸이리스터(THR1)의 캐소드(K)와 제1직류 선로(DCL1) 사이나 도면에 굵은 선으로 도시된 바와 같이 제1 싸이리스터(THR1)의 캐소드(K)와 제2직류 선로(DCL2) 사이에 연결된다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 DC 차단기의 동작을 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 본 발명의 DC 차단기는 정상 전류(Id)가 제1직류 선로(DCL1)에서 제2직류 선로(DCL2)로 공급되는 상태를 나타낸다. 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)에 고장 전류(Ifault)가 발생되지 않고 정상 전류(Id)가 공급되면 제1기계식 스위치(10)와 제2기계식 스위치(20)에 각각 구비되는 접점단자(11,21)와 스위칭 접점단자(12,22)는 서로 연결된 상태가 된다.
접점단자(11,21)와 스위칭 접점단자(12,22)가 서로 연결되면 정상 전류(Id)는 제1직류 선로(DCL1), 제1기계식 스위치(10), 도전성 스위치 연결부재(SCL) 및 제1기계식 스위치(10)를 통해 제2직류 선로(DCL2)로 공급된다. 여기서 도전성 스위치 연결부재(SCL)는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)와 동일한 선로가 사용되거나 금속 플레이트 등이 사용된다. 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)에 정상 전류(Id)가 공급되면 정상 전류(Id)는 도 2에 도시된 굵은 선으로 도시된 화살표방향으로 흘러 의해 LC 공진회로(32)의 커패시터(C)에 충전된다.
커패시터(C)의 충전이 완료된 상태에서 도 3에서와 같이 제2직류 선로(DCL2)에 고장 전류(Ifault)가 발생되면 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)로 사용되는 제1 싸이리스터(THR1)가 활성되어 턴온(turn on)되며, 제1 싸이리스터(THR1)의 활성화는 제어기로부터 출력되는 트리거 신호(미도시)를 수신받아 활성화된다. 제1 싸이리스터(THR1)가 활성화되어 턴온되면 커패시터(C)에 충전된 전압에 의해 LC 공진회로(32)에서 공진전류(Ilc)가 발생되고, 발생된 공진전류(Ilc)는 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)로 주입되어 제1직류 선로(DCL1)에 유입되는 전류를 제로(Iz)로 만든다. 이러한 공진전류(Ilc)는 제1기계식 스위치(10)와 제2기계식 스위치(20) 사이에 연결된 도전성 스위치 연결부재(SCL) 및 제1기계식 스위치(10)를 통해 제1직류 선로(DCL1)로 전달된다.
제1직류 선로(DCL1)로 유입되는 전류가 제로(Iz)가 되면 제1직류 선로(DCL1)에 연결된 제1기계식 스위치(10)를 개방시켜 고장 전류(Ifault)가 제1직류 선로(DCL1)로 유입되는 것을 차단한다. 제1기계식 스위치(10)의 개방 시 제1직류 선로(DCL1)로 유입되는 전류를 제로(Iz)로 함으로써 접점단자(11)와 스위칭 접점단자(12)의 연결상태를 해제시켜 개방 시 아크(arc) 발생 없이 고장 전류(Ifault)가 제1직류 선로(DCL1)로 유입되는 것을 차단하게 된다. 즉, 도 4에서와 같이 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)에 고장 전류(Ifault)가 발생되면 정상 전류(Id)가 유입되는 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 공진전류(Ilc)를 발생시켜 주입시킴으로써 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)에 유입되는 전류를 제로(Iz)로 만든다. 도 4에 도시된 그래프는 세로축이 전류량(Ampare)를 나타내며, 가로축은 시간을 나타낸다.
제1직류 선로(DCL1)에 고장 전류(Ifault)가 발생되면 전술한 방법과 동일한 방법을 통해 제2직류 선로(DCL2)에 유입되는 전류를 제로(Iz)로 만든 후 제2직류 선로(DCL2)에 연결된 제2기계식 스위치(20)를 개방시킴으로써 아크 발생을 제거한 상태에서 제2직류 선로(DCL2)로 고장 전류(Ifault)가 유입되는 것을 차단한다.
고장 전류(Ifault)가 차단된 후 고장 전류(Ifault)가 발생된 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)로 정상 전류(Id)가 유입되면 도 2 도시된 굵은 선과 같이 정상 전류(Id)는 LC 공진회로(32)의 커패시터(C)를 충전하여 다음 고장 전류(Id) 발생 시 공진 전류(Ilc)를 발생시키며, 이러한 반복적인 동작을 통해 제1직류 선로(DCL1)나 제2직류 선로(DCL2)를 안전하고 신뢰성 있게 관리할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 DC 차단기는 반도체 스위치를 이용하여 기계식 스위치를 기준으로 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있고, 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제품의 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있으며, 하나의 단방향 반도체 스위치를 이용하여 양방향으로 발생된 고장 전류를 차단할 수 있도록 함으로써 DC 차단기의 구조를 단순화하여 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 DC 차단기의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예로서, 도 1에 도시된 일 실시 예와 비교할 때 제2 단방향 반도체 스위치소자(33')가 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)에 병렬로 연결되어 있다. 이때, 제2 단방향 반도체 스위치소자(33')는 제1 단방향 반도체 스위치소자(31)와 역방향으로 연결된다. 이러한 제2 단방향 반도체 스위치소자(33')는 도 1에 도시된 제2 단방향 반도체 스위치소자(33)와 동일하게 DC 선로의 전류를 공진회로(32)의 커패시터(C)로 제공하도록 하여 커패시터(C)를 충전시키도록 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 (9)

  1. 제1직류 선로가 일측에 연결되며 타측에 도전성 스위치 연결부재가 연결되는 제1기계식 스위치와;
    상기 도전성 스위치 연결부재가 일측에 연결되며 타측에 제2직류 선로가 연결되는 제2기계식 스위치와;
    상기 제1기계식 스위치와 상기 제2기계식 스위치와 각각 병렬로 배치되도록 상기 도전성 스위치 연결부재와 접지 사이에 연결되며, 고장 전류 발생 시 정상 전류가 유입되는 제1기계식 스위치나 제2기계식 스위치로 공진전류를 주입하여 전류가 제로가 되도록 하는 단방향 전력제어 스위칭 회로; 를 포함하는 DC(Direct Current) 차단기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단방향 전력제어 스위칭 회로는,
    상기 제1기계식 스위치와 상기 제2기계식 스위치와 각각 병렬로 배치되도록 도전성 스위치 연결부재에 연결되어 고장 전류 발생 시 도전성 스위치 연결부재를 통해 정상 전류가 유입되는 제1직류 선로나 제2직류 선로로 전달하여 전류가 제로가 되도록 하는 제1 단방향 반도체 스위치소자와;
    상기 제1 단방향 반도체 스위치소자와 직렬로 연결되어 제1직류 선로나 제2직류 선로를 유입되는 정상 전류를 공급받아 충전하며, 상기 제1 단방향 반도체 스위치소자로 공진전류를 발생하여 출력하는 LC 공진회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 단방향 반도체 스위치소자는,
    제1 싸이리스터(THR1)를 포함하며, 상기 제1 싸이리스터(THR1)는 고장 전류가 발생 시 상기 정상 전류가 유입되는 제1직류 선로에 연결된 제1기계식 스위치나 제2직류 선로에 연결된 제2기계식 스위치로 공진전류를 주입하여 제1직류 선로나 제2직류 선로로 유입되는 전류를 제로로 하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 싸이리스터(THR1)는,
    애노드단자와 캐소드단자와 게이트 단자가 구비되며,
    상기 애노드단자는 LC 공진회로에 연결되고, 상기 캐소드단자는 도전성 스위치 연결부재와 연결되며, 상기 게이트단자는 트리거 신호를 수신받아 LC 공진회로로부터 출력되는 공진전류를 고장 전류가 발생 시 정상 전류가 유입되는 제1직류 선로나 제2직류 선로로 전달하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 싸이리스터(THR1)의 애노드단자와 제1직류 선로 사이나 상기 제1 싸이리스터(THR1)의 애노드단자와 제2직류 선로 사이에 제2 단방향 반도체 스위치소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 싸이리스터(THR1)에 병렬로 연결되며 상기 제1 싸이리스터(THR1)과 역방향으로 제2 단방향 반도체 스위치소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제2 단방향 반도체 스위치소자는 제2 싸이리스터(THR2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 LC 공진회로는 상기 전류충전 수동소자와 직렬로 연결되어 제1직류 선로나 제2직류 선로를 통해 공급되는 정상 전류를 수신받아 충전하는 커패시터와;
    상기 커패시터와 직렬로 연결되어 단반향 반도체 스위치소자의 활성화 시 공진전류를 발생하여 출력하는 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 LC 공진회로에서 출력되는 LC 공진전류는 제1직류 선로나 제2직류 선로에 유입되는 정상 전류보다 큰 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
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