WO2017034322A1 - Ｄｃ 차단기 - Google Patents

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WO2017034322A1
WO2017034322A1 PCT/KR2016/009392 KR2016009392W WO2017034322A1 WO 2017034322 A1 WO2017034322 A1 WO 2017034322A1 KR 2016009392 W KR2016009392 W KR 2016009392W WO 2017034322 A1 WO2017034322 A1 WO 2017034322A1
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line
switch
mechanical switch
diode
connecting member
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PCT/KR2016/009392
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Inventor
정영환
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주식회사 효성
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H01H2009/544—Contacts shunted by static switch means the static switching means being an insulated gate bipolar transistor, e.g. IGBT, Darlington configuration of FET and bipolar transistor

Definitions

  • the present invention relates to a DC circuit breaker, and more particularly, to a DC circuit breaker capable of blocking a fault current flowing in the DC line in both directions when a failure occurs in the DC line.
  • 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 over 50kV of high voltage direct current (HVDC) system or medium voltage distribution line below 50kV of medium voltage DC distribution system.
  • HVDC high voltage direct current
  • DC breakers are equipped with relatively inexpensive mechanical switches to cut off the fault current in the event of a fault in the DC line.
  • a mechanical switch is used to turn-on / turn-off the semiconductor switch connected in series or parallel when a fault current flows due to a failure in one side of a high voltage DC transmission system or an intermediate voltage DC distribution system. Therefore, the system is opened to block the fault current to prevent the faulted system from affecting the normal system.
  • US Patent No. 8,717,716 discloses a plurality of semiconductor switches as main circuit breakers in parallel to a mechanical switch and a semiconductor switch as a secondary circuit breaker in series.
  • a circuit breaker has a problem in that an on-state loss occurs because the semiconductor switch must be turned on during normal operation.
  • US 7,508,636 discloses a DC circuit breaker having an auxiliary circuit comprising a bridge in the form of a plurality of diodes in parallel to a mechanical switch.
  • a DC circuit breaker when the mechanical switch is opened, there is a problem in that the current is relatively slow and the overall breaking speed is slowed because the critical resistance that can cause commutation is high when the current is conducted to the bridge-type auxiliary circuit. .
  • the present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide a DC circuit breaker that employs a mechanical switch so that the on-state loss does not occur in a steady state even at a high breaking speed.
  • the first mechanical switch is connected to one side of the first direct current line and the first conductive connecting member is connected to the other side, the first conductive connecting member is connected to one side and the second to the other side
  • a second mechanical switch connected to a DC line, a first diode connected in parallel to the first mechanical switch on a first branch line branched from the first DC line, and the first diode through the second conductive connecting member.
  • a second diode connected in series and connected in parallel to the second mechanical switch on a second branch line branched from the second DC line, and installed on a line connected between the first conductive connecting member and the second conductive connecting member It includes a semiconductor switching circuit for switching the flow of the fault current in the event of a fault.
  • At least one semiconductor switch is connected in series in the same direction.
  • each of the semiconductor switch is connected to each of the non-linear resistor in parallel.
  • the number of the semiconductor switches is proportional to the magnitude of the voltage across the first and second DC lines.
  • the cathode of the first diode is connected to the first branch line
  • the anode is connected to the second conductive connecting member
  • the cathode of the second diode is connected to the second branch line
  • the anode is the second branch It is connected to the track.
  • the DC circuit breaker maintains the first and second mechanical switches in a closed state in a normal operation state, and the first mechanical switch is opened when a failure occurs on the side of the first DC line. And the semiconductor switch is turned on so that a fault current is conducted through the second mechanical switch, the semiconductor switch, and the first diode.
  • the semiconductor switch is turned off and the fault current is supplied to the nonlinear resistor.
  • the DC circuit breaker maintains the first and second mechanical switches in the normal operating state (close), the second mechanical switch is opened in the event of a failure on the second DC line side (open) And the semiconductor switch is turned on so that a fault current is conducted through the first mechanical switch, the semiconductor switch, and the second diode.
  • the semiconductor switch is turned off and the fault current is supplied to the nonlinear resistor.
  • the present invention implements a bridge type DC circuit breaker using a mechanical switch and a semiconductor switch to implement a fast breaking speed when a fault current occurs.
  • the present invention transmits only the mechanical switch in normal operation, no on-state loss occurs in the semiconductor switch.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a current flow diagram of a DC circuit breaker in a steady state according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a current flow diagram of a DC circuit breaker in a steady state according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a current flow diagram of the DC circuit breaker when a fault occurs on one side according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a current flow diagram of the DC circuit breaker when a failure occurs on the other side according to another embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only to distinguish the components from other components, and the nature, order, order, etc. of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there may be another component between each component. It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention.
  • the DC circuit breaker 100 includes a first mechanical switch 110, a second mechanical switch 120, a first diode 130, a second diode 140, and a semiconductor switching circuit ( 150).
  • the first mechanical switch 110 has a first DC line (DCL1) is connected to one side and the first conductive connecting member (SCL1) is connected to the other side, the second mechanical switch 120 is such a first conductive connecting member (SCL1). ) Is connected to one side and the second DC line (DCL2) is connected to the other side.
  • DCL1 first DC line
  • SCL1 first conductive connecting member
  • DCL2 second DC line
  • the first diode 130 is connected in parallel to the first mechanical switch 110 in the first branch line DL1 branched from the first DC line DCL1, and the second diode 140 is connected to the second conductive connection. It is connected in series to the first diode 130 through the member SCL2 and connected in parallel to the second mechanical switch 120 to the second branch line DL2 branched from the second DC line DCL2.
  • the semiconductor switching circuit 150 is installed on the line CL between the first conductive connecting member SCL1 and the second conductive connecting member SCL2 to switch the flow of the fault current when a failure occurs. That is, the semiconductor switching circuit 150 conducts a fault current supplied from the first mechanical switch 110 or the second mechanical switch 120 when a fault current occurs, so that the second diode 140 or the first diode 130 is connected. The fault current is interrupted through the switching operation after temporary provision.
  • the first mechanical switch 110 is composed of a contact terminal 11 and a switching contact terminal 12 as shown in FIG.
  • the contact terminal 11 is connected to the first DC line DCL1 at one side of the first mechanical switch 110, and when the normal rectification Idc is supplied through the first DC line DCL1, the first mechanical switch 110 is connected. Supplies a steady current Idc to the switching contact terminal 12 in the closed state.
  • the switching contact terminal 12 is connected to the first conductive connecting member SCL1 at the other side of the first mechanical switch 110 so that the normal current Idc supplied from the contact terminal 11 is connected to the first conductive connecting member SCL1. To pass.
  • the switching contact terminal 12 is supplied with the normal current Idc through the first conductive connecting member SCL1, the first mechanical switch 110 is closed and the normal current Idc is brought into the contact terminal 11.
  • the contact terminal 11 transmits the steady current Idc to the first DC line DCL1.
  • the first mechanical switch 110 is opened when a failure occurs on the first DC line DCL1 side. That is, when a failure occurs on the first DC line DCL1 side, the connection state between the contact terminal 11 and the switching contact terminal 12 is released and opened to block the inflow of the fault current into the first DC line DCL1. .
  • the second mechanical switch 120 includes a contact terminal 21 and a switching contact terminal 22.
  • the contact terminal 21 is connected to the second DC line DCL2 at one side of the second mechanical switch 120 so that the normal rectification Idc is supplied through the second DC line DCL2 to the second mechanical switch 120.
  • the switching contact terminal 22 is connected to the first conductive connecting member SCL1 at the other side of the second mechanical switch 120 to supply the normal current Idc supplied from the contact terminal 21 to the first conductive connecting member SCL1. To pass.
  • the switching contact terminal 22 gradually returns the steady state current Idc to the terminal 21 while the second mechanical switch 120 is closed.
  • the contact terminal 21 transmits the steady current Idc to the second DC line DCL2.
  • the second mechanical switch 120 is opened when a failure occurs on the second DC line DCL2 side. That is, when a failure occurs on the side of the second DC line DCL2, the connection state of the contact terminal 21 and the switching contact terminal 22 is released and opened to block the inflow of the fault current into the second DC line DCL2. .
  • the first diode 130 is connected in parallel to the first mechanical switch 110 in the direction of the first DC line DCL1 to the first branch line DL1 branched from the first DC line DCL1. That is, the cathode K of the first diode 130 is connected to the first branch line DL1 and the anode A is arranged to be connected to the second conductive connecting member SCL2.
  • the second diode 140 is connected to the first diode 130 in series through the second conductive connecting member SCL2 and is connected to the second branch line DL2 branched from the second DC line DCL2. It is connected in parallel to the second mechanical switch 120 in the direction of the DC line (DCL2).
  • the cathode K of the second diode 140 is connected to the second branch line DL2 and the anode A is disposed to be connected to the second conductive connecting member SCL2.
  • the first and second conductive connecting members SCL1 and SCL2 may use the same lines as the first and second DC lines DCL1 and DCL2, and may be implemented with metal wires, copper wires, or the like.
  • the semiconductor switching circuit 150 is installed on the line CL between the first conductive connecting member SCL1 and the second conductive connecting member SCL2 as shown in FIG. 1 and connects at least one semiconductor switch 151 connected in series with each other.
  • Each of the semiconductor switches 151 includes a nonlinear resistor 152 connected in parallel. At this time, each semiconductor switch 151 is connected in series in the same direction.
  • the semiconductor switch 151 is a turn-on / turn-off controllable element to switch the flow of a fault current when a fault occurs on one side.
  • these semiconductor switches 151 may implement, for example, an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), an Insulated Gate-Commutated Thyristor (IGCT), a Gate-Turn-off Thyristor (GTO), a Gate Commutated Turn-off (GCT), and the like. Can be.
  • switching operations of the first and second mechanical switches 110 and 120 and the semiconductor switch 151 may be implemented by a control operation of a controller (not shown) separately provided.
  • the controller controls the turn-on and turn-off of the semiconductor switch 151 according to the occurrence of the fault current, checks the turn-on and turn-off time, and switches the turn-on and turn-on at a predetermined time.
  • 2 is a current flow diagram of the DC circuit breaker in a steady state according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a current flow diagram of the DC circuit breaker in a steady state according to another embodiment of the present invention
  • Figure 4 is According to an embodiment of the present invention, there is a current flow diagram of a DC circuit breaker when a fault occurs
  • FIG. 5 is a flow chart of a DC circuit breaker when a fault occurs on the other side of the present invention.
  • FIG. 2 shows an example in which current is supplied from the first DC line DCL1 side to the second DC line DCL2 side.
  • the contact terminals 11 and 21 provided in the first mechanical switch 110 and the second mechanical switch 120 respectively.
  • the switching contact terminals 12 and 22 are connected to each other. That is, both the first mechanical switch 110 and the second mechanical switch 120 are closed and at least one semiconductor switch 151 of the semiconductor switching circuit 150 is turned off.
  • the steady current Idc is supplied from the first DC line DCL1 to the second DC line DCL2 through the first and second mechanical switches 110 and 120.
  • FIG. 3 illustrates an example in which a current is supplied from the second DC line DCL2 side to the first DC line DCL1 side.
  • the contact terminals 11 provided in the first mechanical switch 110 and the second mechanical switch 120, respectively. 21 and the switching contact terminals 12 and 22 are connected to each other so that the first mechanical switch 110 and the second mechanical switch 120 remain in a closed state and at least one of the semiconductor switching circuits 150.
  • the normal current Idc is transferred from the second DC line DCL2 through the second mechanical switch 120 and the first mechanical switch 110.
  • FIG. 4 illustrates an example in which a failure occurs in the second DC line DCL2 while supplying current from the first DC line DCL1 to the second DC line DCL2.
  • the first mechanical switch 110 remains closed and the second mechanical switch 120 opens at a high speed, and the semiconductor switch 151 is turned on. (turn-on) so that the fault current If supplied from the first DC line DCL1 is temporarily supplied through the first mechanical switch 110, the semiconductor switch 151, and the second diode 140. do.
  • the semiconductor switch 151 is switched back to turn-off to block the flow of the fault current If in the semiconductor switch 151.
  • the nonlinear resistor 152 is for preventing excessive voltage above the rated voltage from being applied to both ends of the semiconductor switch 151 when the fault current of the semiconductor switch 151 is cut off. When caught at both ends of the switch 151 is automatically turned on (ON) to consume a high voltage.
  • the nonlinear resistor 152 may be implemented as a varistor, for example.
  • FIG. 5 shows an example in which a failure occurs on the first DC line DCL1 side while supplying current from the second DC line DCL2 side to the first DC line DCL1 side.
  • the second mechanical switch 120 maintains a closed state
  • the first mechanical switch 110 opens at a high speed
  • the semiconductor switch 151 is turned on ( The fault current If is switched to turn-on and is supplied from the second DC line DCL2 temporarily through the second mechanical switch 120, the semiconductor switch 151, and the first diode 130. After the predetermined time, the semiconductor switch 151 is switched back to turn-off to block the flow of the fault current.
  • the fault current If is interrupted in the semiconductor switch 151
  • the voltage on the second DC line DCL2 side increases relatively rapidly compared to the first DC line DCL1 side. Accordingly, the fault current If is supplied to the nonlinear resistor 152 so that the voltage of the elevated second DC line DCL2 is consumed in the nonlinear resistor 152 connected in parallel to the semiconductor switch 151, thereby ensuring stable circuit protection. Enable blocking.
  • the semiconductor switch 151 when the fault current is blocked in the semiconductor switch 151 in FIGS. 4 and 5, the semiconductor switch 151 has an insulation breakdown voltage that can withstand the high voltage caused by the fault current. To this end, the semiconductor switch 151 preferably determines the number in proportion to the magnitude of the fault current in order to withstand the voltage caused by the fault current.
  • the DC circuit breaker of the present invention can reduce the manufacturing cost by allowing two-way blocking in the DC line with only two mechanical switches, two diodes, and at least one semiconductor switch and nonlinear resistor, and compared with the prior art. On-state loss of semiconductor switch does not occur in steady state.

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 직류선로에 고장발생시 그 직류선로에 흐르는 고장전류를 양방향으로 차단할 수 있는 DC 차단기를 제공한다. 이러한 DC 차단기는 제1직류선로가 일측에 연결되고 타측에 제1도전성 연결부재가 연결된 제1기계식스위치와, 상기 제1도전성 연결부재가 일측에 연결되고 타측에 제2직류선로가 연결된 제2기계식스위치와, 상기 제1직류선로에서 분기된 제1분기선로에 상기 제1기계식스위치에 병렬로 연결된 제1다이오드와, 상기 제2도전성 연결부재를 통해 상기 제1다이오드와 직렬로 연결되고 상기 제2직류선로에서 분기된 제2분기선로에 상기 제2기계식스위치에 병렬로 연결된 제2다이오드와, 상기 제1도전성 연결부재 및 제2도전성 연결부재 사이에 연결된 선로에 설치되어 고장발생시 고장전류의 흐름을 스위칭하는 반도체스위칭회로를 포함한다.

Description

ＤＣ 차단기
본 발명은 직류(DC) 차단기에 관한 것으로서, 특히 직류선로에 고장발생시 그 직류선로에 흐르는 고장전류를 양방향으로 차단할 수 있는 DC 차단기에 관한 것이다.
DC 차단기(Direct Current circuit breaker)는 고전압 송전선로로 사용되는 직류선로에 고장발생시 고장전류를 차단하기 위해 사용된다. 고전압에 사용되는 직류선로는 고전압 직류전송(HVDC: High Voltage Direct Current) 시스템의 50㎸ 이상의 고전압 송전선로나 중간전압 직류 배전시스템의 50㎸ 이하의 중간전압 배전선로로 사용된다.
DC 차단기는 직류선로에 고장발생시 고장전류를 차단하기 위해 비교적 저렴한 기계식스위치가 구비된다. 기계식스위치는 고전압 직류송전(HVDC) 시스템이나 중간전압 직류 배전시스템의 일측에 고장이 발생하여 고장전류가 흐르게 되면 직렬 또는 병렬로 연결된 반도체스위치의 턴온/턴오프(turn-on/turn-off)에 따라 그 고장이 발생된 시스템이 정상적인 시스템에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 개방되어 고장전류를 차단한다.
종래에 미국등록특허 US 8,717,716호에는 기계식 스위치에 병렬로 메인차단기로서 다수의 반도체스위치가 연결되고 직렬로 보조차단기로서 반도체스위치가 연결된다. 하지만 이러한 차단기에서는 정상 운전시 반도체스위치를 턴온(turn-on)상태를 유지해야 하므로 온상태 손실(On-state loss)가 발생하는 문제점이 있다.
최근에 다수의 다이오드와 반도체스위치를 DC 차단기가 제시되고 있다. 예컨대, 선행논문 "Solid-State Circuit Breakers and Current Limiters for Medium-Voltage Systems Having Distributed Power Systems"(IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 19, NO. 5, SEPTEMBER 2004.)에서는 4개의 다이오드와 2개의 반도체스위치를 브릿지 형태로 구성하는 DC 차단기가 개시되어 있다. 하지만, 이러한 DC 차단기는 정상상태에서 반도체스위치가 항상 턴온(turn-on) 상태를 유지해야 하므로 역시 On-state 손실이 발생한다는 문제점이 있다.
또한, US 7,508,636호에는 기계식스위치에 병렬로 다수의 다이오드가 브릿지 형태로 구성된 보조차단회로를 구비한 DC 차단기가 제시되어 있다. 이러한 DC 차단기에서는 기계식 스위치가 개방될 때 브릿지 형태의 보조차단회로로 전류가 도통할 때 전류(commutation)이 발생할 수 있는 임계저항이 높기 때문에 전류가 상대적으로 늦어져 전체 차단속도가 늦어지는 문제점이 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기계식스위치를 채용하여 차단속도가 빠르면서도 정상상태에서 On-state 손실이 발생하지 않도록 하는 DC 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 DC 차단기는, 제1직류선로가 일측에 연결되고 타측에 제1도전성 연결부재가 연결된 제1기계식스위치와, 상기 제1도전성 연결부재가 일측에 연결되고 타측에 제2직류선로가 연결된 제2기계식스위치와, 상기 제1직류선로에서 분기된 제1분기선로에 상기 제1기계식스위치에 병렬로 연결된 제1다이오드와, 상기 제2도전성 연결부재를 통해 상기 제1다이오드와 직렬로 연결되고 상기 제2직류선로에서 분기된 제2분기선로에 상기 제2기계식스위치에 병렬로 연결된 제2다이오드와, 상기 제1도전성 연결부재 및 제2도전성 연결부재 사이에 연결된 선로에 설치되어 고장발생시 고장전류의 흐름을 스위칭하는 반도체스위칭회로를 포함한다.
본 발명에서, 상기 반도체스위칭회로는 적어도 하나의 반도체스위치가 같은 방향으로 직렬연결된다.
본 발명에서, 상기 각각의 반도체스위치에는 비선형저항기가 병렬로 각각 연결된다.
본 발명에서, 상기 반도체스위치의 개수는 상기 제1직류선로 및 제2직류선로의 양단에 걸리는 전압의 크기에 비례한다.
본 발명에서, 상기 제1다이오드의 캐소드는 상기 제1분기선로에 연결되고 애노드는 상기 제2도전성 연결부재에 연결되며 상기 제2다이오드의 캐소드는 제2분기선로에 연결되고 애노드는 상기 제2분기선로에 연결된다.
본 발명에서, 상기 DC 차단기는 정상운전 상태에서는 상기 제1 및 제2 기계식스위치가 닫힌(close) 상태를 유지하며, 상기 제1직류선로 측에 고장이 발생한 경우 상기 제1기계식스위치가 개방(open)되고 상기 반도체스위치가 턴온(turn-on)되어 상기 제2기계식스위치, 반도체스위치 및 제1다이오드를 통해 고장전류가 도통된다.
이때, 상기 고장전류가 도통된 이후에 기설정된 시간이 경과되면 상기 반도체스위치가 턴오프(turn-off)되어 상기 고장전류는 비선형저항기로 공급된다.
본 발명에서, 상기 DC 차단기는 정상운전 상태에서는 상기 제1 및 제2 기계식스위치가 닫힌(close) 상태를 유지하며, 상기 제2직류선로 측에 고장이 발생한 경우 상기 제2기계식스위치가 개방(open)되고 상기 반도체스위치가 턴온(turn-on)되어 상기 제1기계식스위치, 반도체스위치 및 제2다이오드를 통해 고장전류가 도통된다.
이때, 상기 고장전류가 도통된 이후에 기설정된 시간이 경과되면 상기 반도체스위치가 턴오프(turn-off)되어 상기 고장전류는 비선형저항기로 공급된다.
본 발명은 기계식 스위치와 반도체스위치를 이용하여 브릿지 형태의 DC 차단기를 구현하여 고장전류 발생시 빠른 차단속도를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 정상운전시 기계식 스위치로만 송전하므로 반도체스위치에서의 On-state 손실이 전혀 발생하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 차단기의 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정상상태에서의 DC 차단기의 전류흐름도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정상상태에서의 DC 차단기의 전류흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 일측에 고장발생시 DC 차단기의 전류흐름도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 타측에 고장발생시 DC 차단기의 전류흐름도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 차단기의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 DC 차단기(100)는 제1기계식스위치(110), 제2기계식스위치(120), 제1다이오드(130), 제2다이오드(140) 및 반도체스위칭회로(150)를 포함하여 구성된다.
제1기계식스위치(110)는 제1직류선로(DCL1)가 일측에 연결되고 타측에 제1도전성 연결부재(SCL1)가 연결되며, 제2기계식스위치(120)는 이러한 제1도전성 연결부재(SCL1)가 일측에 연결되고 타측에 제2직류선로(DCL2)가 연결된다.
제1다이오드(130)는 제1직류선로(DCL1)에서 분기된 제1분기선로(DL1)에서 제1기계식스위치(110)에 병렬로 연결되고, 또한 제2다이오드(140)는 제2도전성 연결부재(SCL2)를 통해 제1다이오드(130)에 직렬로 연결되고 제2직류선로(DCL2)에서 분기된 제2분기선로(DL2)에 제2기계식스위치(120)에 병렬로 연결된다.
반도체스위칭회로(150)는 상기한 제1도전성 연결부재(SCL1)와 제2도전성 연결부재(SCL2) 사이의 선로(CL)에 설치되어 고장발생 시 고장전류의 흐름을 스위칭한다. 즉, 반도체스위칭회로(150)는 고장전류가 발생 시 제1기계식스위치(110) 또는 제2기계식스위치(120)로부터 공급되는 고장전류를 도통시켜 제2다이오드(140) 또는 제1다이오드(130)로 일시적으로 제공하도록 한 이후에 스위칭 동작을 통해 고장전류를 차단하도록 한다.
상기한 본 발명에 따른 DC 차단기(100)의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1기계식스위치(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 접점단자(11)와 스위칭 접점단자(12)로 이루어진다. 접점단자(11)는 제1기계식스위치(110)의 일측에서 제1직류선로(DCL1)가 연결되어 제1직류선로(DCL1)를 통해 정상정류(Idc)가 공급되면 제1기계식스위치(110)가 닫힌(close) 상태에서 정상전류(Idc)를 스위칭 접점단자(12)로 공급한다. 스위칭 접점단자(12)는 제1기계식스위치(110)의 타측에서 제1도전성 연결부재(SCL1)가 연결되어 접점단자(11)로부터 공급되는 정상전류(Idc)를 제1도전성 연결부재(SCL1)로 전달한다. 반대로, 스위칭 접접단자(12)는 제1도전성 연결부재(SCL1)를 통해 정상전류(Idc)가 공급되면 제1기계식스위치(110)는 닫힌 상태에서 정상전류(Idc)가 접점단자(11)로 공급되도록 하고, 접점단자(11)는 이러한 정상전류(Idc)를 제1직류선로(DCL1)로 전달하도록 한다. 이때, 제1기계식스위치(110)는 제1직류선로(DCL1)측에 고장이 발생하면 개방(open)된다. 즉, 제1직류선로(DCL1)측에 고장발생시 접점단자(11)와 스위칭 접점단자(12)의 연결상태를 해제하여 개방시킴으로써 제1직류선로(DCL1)로 고장전류가 유입되는 것을 차단하도록 한다.
제2기계식스위치(120)는 접점단자(21)와 스위칭 접점단자(22)로 이루어진다. 접점단자(21)는 제2기계식스위치(120)의 일측에서 제2직류선로(DCL2)가 연결되어 제2직류선로(DCL2)를 통해 정상정류(Idc)가 공급되면 제2기계식스위치(120)가 닫힌 상태에서 상기 정상전류(Idc)를 스위칭 접점단자(22)로 전달하도록 한다. 스위칭 접점단자(22)는 제2기계식스위치(120)의 타측에서 제1도전성 연결부재(SCL1)가 연결되어 접점단자(21)로부터 공급되는 정상전류(Idc)를 제1도전성 연결부재(SCL1)로 전달한다. 반대로, 스위칭 접접단자(22)는 제1도전성 연결부재(SCL1)를 통해 정상전류(Idc)가 공급되면 제2기계식스위치(120)가 닫힌 상태에서 정상전류(Idc)가 점점단자(21)로 공급되도록 하고 접점단자(21)는 정상전류(Idc)를 제2직류선로(DCL2)로 전달하도록 한다. 이때, 제2기계식스위치(120)는 제2직류선로(DCL2)측에 고장이 발생하면 개방(open)된다. 즉, 제2직류선로(DCL2)측에 고장발생시 접점단자(21)와 스위칭 접점단자(22)의 연결상태를 해제하여 개방시킴으로써 제2직류선로(DCL2)로 고장전류가 유입되는 것을 차단하도록 한다.
제1다이오드(130)는 제1직류선로(DCL1)에서 분기된 제1분기선로(DL1)에 제1직류선로(DCL1) 방향으로 제1기계식스위치(110)에 병렬로 연결된다. 즉, 제1다이오드(130)의 캐소드(K)는 제1분기선로(DL1)에 연결되고 애노드(A)는 제2도전성 연결부재(SCL2)에 연결되도록 배치된다. 또한, 제2다이오드(140)는 제2도전성 연결부재(SCL2)를 통해 제1다이오드(130)에 직렬로 연결되고 제2직류선로(DCL2)에서 분기된 제2분기선로(DL2)에 제2직류선로(DCL2)의 방향으로 제2기계식스위치(120)에 병렬로 연결된다. 즉, 이러한 제2다이오드(140)의 캐소드(K)는 제2분기선로(DL2)에 연결되고 애노드(A)는 제2도전성 연결부재(SCL2)에 연결되도록 배치된다. 본 발명에서, 제1,2도전성 연결부재(SCL1,SCL2)는 제1,2직류선로(DCL1,DCL2)와 동일한 선로가 사용될 수 있으며, 예컨대 금속선, 구리선 등으로 구현될 수 있다.
반도체스위칭회로(150)는 도 1과 같이 제1도전성 연결부재(SCL1)와 제2도전성 연결부재(SCL2) 사이의 선로(CL)에 설치되며 서로 직렬로 연결된 적어도 하나의 반도체스위치(151)를 포함하고, 각 반도체스위치(151)에는 비선형저항기(152)가 병렬로 연결된다. 이때, 각 반도체스위치(151)는 같은 방향으로 직렬로 연결된다. 이러한 반도체스위치(151)는 턴온/턴오프(turn-on/turn-off) 제어가능한 소자로서 일측에 고장발생 시 고장전류의 흐름을 스위칭하도록 한다. 본 발명에서 이들 반도체스위치(151)는 예컨대 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT(Insulated Gate-Commutated Thyristor), GTO(Gate-Turn-off thyristor), GCT(Gate Commutated Turn-off) 등을 구현될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 기계식스위치(110,120)와 반도체스위치(151)의 스위칭동작은 별도로 마련된 제어부(미도시)의 제어동작에 의해 구현된다. 또한, 이러한 제어부는 고장전류의 발생에 따라 반도체스위치(151)의 턴온 및 턴오프 제어하고, 턴온 및 턴오프되는 시간을 체크하여 기설정된 시간에 턴오프 및 턴온으로 전환하도록 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 DC 차단기(100)의 동작을 첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정상상태에서의 DC 차단기의 전류흐름도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정상상태에서의 DC 차단기의 전류흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 일측에 고장발생시 DC 차단기의 전류흐름도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 타측에 고장발생시 DC 차단기의 전류흐름도이다.
먼저, 도 2는 제1직류선로(DCL1)측에서 제2직류선로(DCL2)측으로 전류가 공급되는 예를 도시한다. 도면에서와 같이 정상상태에서는 제1직류선로(DCL1)를 통해 정상전류(Idc)가 공급되면 제1기계식스위치(110)와 제2기계식스위치(120)에 각각 구비되는 접점단자(11,21)와 스위칭 접점단자(12,22)는 서로 연결된 상태가 된다. 즉, 제1기계식스위치(110) 및 제2기계식스위치(120)가 모두 닫힌(close) 상태이고 반도체스위칭회로(150)의 적어도 하나의 반도체스위치(151)가 모두 턴오프(turn-off)된 상태에서 정상전류(Idc)가 제1 및 제2 기계식스위치(110,120)를 통해 제1직류선로(DCL1)에서 제2직류선로(DCL2)로 공급되도록 한다.
도 3의 다른 실시 예에서는 제2직류선로(DCL2)측에서 제1직류선로(DCL1)측으로 전류가 공급되는 예를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이 정상상태에서는 제2직류선로(DCL2)를 통해 정상전류(Idc)가 공급되면 제1기계식스위치(110)와 제2기계식스위치(120)에 각각 구비되는 접점단자(11,21)와 스위칭 접점단자(12,22)는 서로 연결된 상태가 되어 제1기계식스위치(110) 및 제2기계식스위치(120)는 닫힌(close) 상태를 유지하고 반도체스위칭회로(150)의 적어도 하나의 반도체스위치(151)가 모두 턴오프(turn-off)된 상태에서 정상전류(Idc)가 제2기계식스위치(120) 및 제1기계식스위치(110)를 통해 제2직류선로(DCL2)에서 제1직류선로(DCL1)로 공급되도록 한다.
도 4에서는 제1직류선로(DCL1)측에서 제2직류선로(DCL2)측으로 전류를 공급하는 도중에 제2직류선로(DCL2)측에 고장이 발생한 일례를 도시하고 있다. 정상상태에서 제2직류선로(DCL2)측에 고장발생시 제1기계식스위치(110)는 닫힌(close) 상태를 계속 유지하고 제2기계식스위치(120)는 고속으로 개방되며 반도체스위치(151)가 턴온(turn-on)으로 전환되어 제1직류선로(DCL1)로부터 공급되는 고장전류(If)가 제1기계식스위치(110), 반도체스위치(151) 및 제2다이오드(140)를 통해 일시적으로 공급되도록 한다. 이어, 기설정된 시간 이후에 반도체스위치(151)가 턴오프(turn-off)로 다시 전환되어 반도체스위치(151)에서 고장전류(If)의 흐름이 차단되도록 한다. 이때, 반도체스위치(151)에서 고장전류(If)가 차단되면 제2직류선로(DCL2)측에 비해 제1직류선로(DCL1)측의 전압이 상대적으로 급격히 상승하게 된다. 이에, 고장전류(If)는 비선형저항기(152)로 공급되어 상기 상승한 제1직류선로(DCL1)측의 전압은 반도체스위치(151)에 병렬연결된 비선형저항기(152)에서 소모되도록 함으로써 회로보호와 안정적인 차단이 가능하도록 한다. 이와 같이 이러한 비선형저항기(152)는 반도체스위치(151)의 고장전류 차단시 정격전압 이상의 과도한 전압이 반도체스위치(151)의 양단에 가해지지 못하도록 하기 위한 것으로서 고장에 의한 고전압이 기설정된 기준치 이상으로 반도체스위치(151)의 양단에 걸리면 자동으로 온(ON)되어 고전압을 소모하도록 한다. 본 실시 예에서 이러한 비선형 저항기(152)는 예컨대 바리스터(varistor)로 구현될 수 있다.
도 5에서는 제2직류선로(DCL2)측에서 제1직류선로(DCL1)측으로 전류를 공급하는 도중에 제1직류선로(DCL1)측에 고장이 발생한 일례를 도시하고 있다. 정상상태에서 제1직류선로(DCL1)측에 고장발생시 제2기계식스위치(120)는 닫힌(close) 상태를 유지하고 제1기계식스위치(110)는 고속으로 개방되며 반도체스위치(151)가 턴온(turn-on)으로 전환되어 제2직류선로(DCL2)로부터 공급되는 고장전류(If)가 제2기계식스위치(120), 반도체스위치(151) 및 제1다이오드(130)를 통해 일시적으로 공급된 후, 기설정된 시간 이후에 반도체스위치(151)가 턴오프(turn-off)로 다시 전환되어 고장전류의 흐름이 차단되도록 한다. 이때, 반도체스위치(151)에서 고장전류(If)가 차단되면 제1직류선로(DCL1)측에 비해 제2직류선로(DCL2)측의 전압이 상대적으로 급격히 상승하게 된다. 이에, 고장전류(If)는 비선형저항기(152)로 공급되어 상기 상승한 제2직류선로(DCL2)측의 전압은 반도체스위치(151)에 병렬연결된 비선형저항기(152)에서 소모되도록 함으로써 회로보호와 안정적인 차단이 가능하도록 한다.
이때, 도 4 및 도 5에서 반도체스위치(151)에서의 고장전류 차단시에는 반도체스위치(151)가 고장전류에 의한 고전압을 견딜 수 있는 절연내압을 갖도록 한다. 이를 위하여 반도체스위치(151)는 고장전류에 의한 전압을 견딜 수 있도록 하기 위해 고장전류의 크기에 비례하여 그 개수를 결정함이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 DC 차단기는 2개의 기계식스위치와 2개의 다이오드, 그리고 적어도 하나의 반도체스위치 및 비선형저항기만으로 직류선로에서 양방향 차단이 가능하도록 함으로써 제조비용을 줄일 수 있고, 종래기술에 비해 정상상태에서 반도체스위치의 On-state 손실이 발생하지 않는 장점이 있다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 제1직류선로(DCL1)가 일측에 연결되고 타측에 제1도전성 연결부재(SCL1)가 연결된 제1기계식스위치(110);
    상기 제1도전성 연결부재(SCL1)가 일측에 연결되고 타측에 제2직류선로(DCL2)가 연결된 제2기계식스위치(120);
    상기 제1직류선로(DCL1)에서 분기된 제1분기선로(DL1)에 상기 제1기계식스위치(110)에 병렬로 연결된 제1다이오드(130);
    상기 제2도전성 연결부재(SCL2)를 통해 상기 제1다이오드(130)와 직렬로 연결되고 상기 제2직류선로(SCL2)에서 분기된 제2분기선로(DL2)에 상기 제2기계식스위치(120)에 병렬로 연결된 제2다이오드(140); 및
    상기 제1도전성 연결부재(SCL1) 및 제2도전성 연결부재(SCL2) 사이에 연결된 선로(CL)에 설치되어 고장발생시 고장전류의 흐름을 스위칭하는 반도체스위칭회로(150); 를 포함하는 직류(DC) 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체스위칭회로(150)는 적어도 하나의 반도체스위치(151)가 같은 방향으로 직렬연결되는 직류(DC) 차단기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체스위칭회로(150)는 상기 각각의 반도체스위치(151)에 비선형저항기(152)가 병렬로 각각 연결되는 직류(DC) 차단기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반도체스위치(151)의 개수는 상기 제1직류선로(DCL1) 및 제2직류선로(DCL2)의 양단에 걸리는 전압의 크기에 비례하는 직류(DC) 차단기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1다이오드(130)의 캐소드(K)는 상기 제1분기선로(DL1)에 연결되고 애노드(A)는 상기 제2도전성 연결부재(SCL2)에 연결되며 상기 제2다이오드(140)의 캐소드(K)는 상기 제2분기선로(DL2)에 연결되고 애노드(A)는 상기 제2도전성 연결부재(SCL2)에 연결되는 직류(DC) 차단기.
  6. 제3항에 있어서,
    정상운전 상태에서는 상기 제1 및 제2 기계식스위치(110,120)가 닫힌(close) 상태를 유지하며 상기 제1직류선로(DCL1) 측에 고장이 발생한 경우 상기 제1기계식스위치(110)가 개방(open)되고 상기 반도체스위치(151)가 턴온(turn-on)되어 상기 제2기계식스위치(120), 반도체스위치(151) 및 제1다이오드(130)를 통해 고장전류가 도통되는 직류(DC) 차단기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고장전류가 도통된 이후에 기설정된 시간이 경과되면 상기 반도체스위치(151)가 턴오프(turn-off)되어 상기 고장전류는 비선형저항기(152)로 공급되는 직류(DC) 차단기.
  8. 제3항에 있어서,
    정상운전 상태에서는 상기 제1 및 제2 기계식스위치(110,120)가 닫힌(close) 상태를 유지하며 상기 제2직류선로(DCL1) 측에 고장이 발생한 경우 상기 제2기계식스위치(120)가 개방(open)되고 상기 반도체스위치(151)가 턴온(turn-on)되어 상기 제1기계식스위치(110), 반도체스위치(151) 및 제2다이오드(140)를 통해 고장전류가 도통되는 직류(DC) 차단기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고장전류가 도통된 이후에 기설정된 시간이 경과되면 상기 반도체스위치(151)가 턴오프(turn-off)되어 상기 고장전류는 비선형저항기(152)로 공급되는 직류(DC) 차단기.
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