WO2018117591A2 - 진공 갭 스위치를 이용한 역전류 주입형 직류 전류 차단 장치 및 방법 - Google Patents

진공 갭 스위치를 이용한 역전류 주입형 직류 전류 차단 장치 및 방법 Download PDF

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이경호
박상훈
배채윤
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Definitions

  • the present invention relates to a DC current interruption apparatus and method, and more particularly to a DC current interruption apparatus and method that allows to quickly cut off the accidental DC current in a DC transmission system using a voltage converter.
  • a method of using a semiconductor switching device instead of a conventional mechanical switch may be considered.
  • the semiconductor switching device has a lot of power loss and economical difficulties in accordance with the system configuration has been recently proposed a lot of hybrid type blocking method using a mechanical switch and a semiconductor switch together.
  • the development trend of DC blocking technology for high voltage direct current (HVDC) can be classified into two categories.
  • the DC current blocking is performed by the semiconductor switch and the transient voltage applied after the blocking is performed by the mechanical switch, which separates the current and voltage characteristics required as the DC circuit breaker.
  • a mechanical circuit breaker is used, but a reverse current is injected into the mechanical circuit breaker to generate the current zero required to cut off the DC current, and a semiconductor device is applied to reverse current generation.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and by not using an active power semiconductor device in the high voltage section, it has simpler and stronger characteristics in signal control and system insulation, and has a comparative advantage in terms of cost. It is an object of the present invention to provide a direct current interrupting device and a method.
  • the DC blocking device includes a main current carrying unit including a main breaking switch, which is a mechanical switch, a reverse current power supply unit connected to an input terminal of the main carrying unit and generating a predetermined reverse current, and generating And a reverse current conducting unit for supplying the reverse current to the output end of the main conducting unit.
  • a main breaking switch which is a mechanical switch
  • a reverse current power supply unit connected to an input terminal of the main carrying unit and generating a predetermined reverse current
  • generating And a reverse current conducting unit for supplying the reverse current to the output end of the main conducting unit.
  • the reverse current power supply unit again has a first reverse current capacitor charged by a voltage applied to an input terminal of the main conducting unit, a polarity inversion inductor for inverting the polarity of the first reverse current capacitor, and a polarity inductor. It includes a reverse current power supply switch for performing a circuit connection to reverse the polarity of the current capacitor.
  • the active power semiconductor device is not used in the high voltage section, it is possible to provide a DC blocking device that has simpler and stronger characteristics in signal control and system insulation, and can have a comparative advantage in terms of cost. do.
  • the reverse current may be a current discharged from the first reverse current capacitor in an inverted state
  • the reverse current power switch and the first current switch may be a vacuum gap switch, and the reverse current power switch and the first current switch may be a movable gap switch that controls the flow of current by a change in electrical distance between the electrodes. Can be.
  • connection time interval between the reverse current power supply switch and the first current supply switch may be set in the reverse current power supply switch and the first current supply switch according to a predetermined electrode moving speed and the distance between the electrodes.
  • the reverse current power supply switch and the first current supply switch includes a moving part for performing connection and disconnection between the fixed part and the electrode where the electrode is located, the reverse current power supply switch and the first current supply switch May be optionally connected.
  • the fixing part and the moving part may be connected at at least one contact point.
  • the reverse current power supply unit may further include a second reverse current capacitor connected to the polarity inverting inductor and the reverse current power supply switch to be symmetrical with the first reverse current capacitor, and the reverse current conducting unit may include a polarity inverting inductor and a main conducting path.
  • the switch may further include a second energization switch connected to be symmetrical with the first energization switch.
  • the surge arrester may further include a surge arrester for limiting a voltage of the first reverse current capacitor or the second reverse current capacitor.
  • the apparatus may further include a current limiting inductor connected in series with the main disconnect switch between the main conducting path and the load input terminal.
  • the capacitor charging circuit may further include a.
  • the main breaking switch when the current flowing through the main conducting unit corresponds to a first cutoff range set in advance, the main breaking switch is disconnected and a reverse current power supply unit switch is connected. 1, inverting the polarity of the reverse current capacitor, and connecting the first conducting unit switch at a preset time to generate a zero point in the current flowing through the main disconnect switch to block the current flowing through the main interrupt switch. do.
  • the preset time may be a time when the pole of the main disconnect switch is set such that the main interrupt switch may be insulated from the voltage charged in the first reverse current capacitor after the interruption of the current through the main interrupt switch.
  • the method may further include determining a direction of a current flowing in the main conducting unit before the main disconnecting switch is disconnected, determining a preset first blocking range or a second blocking range according to the current direction, and a second blocking range. If applicable, the method may further include connecting the second energization unit switch.
  • the method may further include connecting a switch for charging the capacitor to cut off the load current.
  • a diode and a vacuum gap switch in place of an active power semiconductor switching element such as IGBT, IGCT, or thyristor, which is conventionally used for blocking DC current or applying reverse current in a DC current blocking method, It is possible to provide a DC current breaker and a method which can simplify the insulation problem caused by power and control signal lines of devices located in a high voltage part and be competitive in terms of cost.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a DC blocking device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration and an operation process of a variable discharge gap switch.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a variable discharge gap operation and a breaking current in a DC current blocking process
  • variable discharge gap switch of FIG. 2 is installed in a DC current interrupt device.
  • 5 and 6 are diagrams showing voltages and waveforms at the time of breaking the DC current.
  • FIG. 7 is a diagram showing a current waveform at the time of breaking a DC current.
  • FIG. 8 is a diagram showing current waveforms and voltage of a capacitor according to a movable discharge gap operating state
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a DC blocking device of a method of charging a capacitor for generating a reverse current and a transient voltage only during operation.
  • FIG. 10 is a schematic flowchart for performing a DC current blocking method according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a DC blocking device according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a circuit diagram constituting a bidirectional DC current blocking device.
  • the DC blocking device 10 is a circuit through which current flows in a normal state, and includes a main conducting unit 100, a reverse current power supply unit 200, a reverse current conducting unit 300, and a surge.
  • the arrester 511 is included.
  • the inductor 212 and the vacuum gap switch 211 in the center are commonly used in the reverse current power supply 200 having a symmetrical shape with one of the two reverse current conducting units 300 and 400. Except for this, one of the circuits on both sides may be omitted.
  • the main conducting unit 100 is connected to a current limiting inductor 21 and 22 in series with a DC circuit breaker, and includes a high speed mechanical switch 111 for main breaking, and includes a reverse current power supply unit 200 and a reverse current conducting unit 300. , 400 respectively act on both ends of the main breaking high speed switch 111 according to the direction of the breaking current, and the surge arrester 511 operates the reverse current immediately after the main breaking high speed switch 111 cuts off the DC current.
  • the line absorbs energy stored in the line in parallel with the reverse current and transient voltage generation capacitors included in the power supply unit 200.
  • the reverse current power supply unit 200 includes reverse current and transient voltage generation capacitors 221 and 231 for reverse current generation, charge and discharge current limiting resistors 222 and 232 connected in series to respective capacitors, and a diode for preventing a discharge ( 223 and 233, and is configured to invert the charging voltage polarity of the reverse current and the transient voltage generating capacitors (221, 231).
  • Each capacitor has a polarity inverting diode 224, 234, an inductor 212, and a vacuum gap switch 211 in series.
  • the reverse current conducting unit 300 and 400 has a structure in which the diodes 312 and 412 and the vacuum gap switches 311 and 411 are connected in series, and the reverse current power supply unit 200 during the discharge operation of the vacuum gap switches 311 and 411.
  • the reverse current to be injected has a stable size.
  • the main breaker 100 which is responsible for energizing current in a steady state is composed of only one high-speed mechanical switch 111, and the current limiting inductor 21, 22) is configured to be connected.
  • the reverse current power supply unit 200 and the reverse current conducting unit 300, 400 which act on the DC current blocking according to the direction of the breaking current at both ends of the main breaking high-speed mechanical switch 111 have a symmetrical structure and are grounded. It is connected to the side.
  • the reverse current power supply unit 200 includes four diodes centered on a circuit in which the inductor 212 and the vacuum gap switch 211 are connected in series to invert the voltage polarity of the reverse current and transient voltage generating capacitors 221 and 231. 223, 224, 233, and 234 and reverse current limiting resistors 222 and 232 are connected to the voltage charging capacitors acting in the bidirectional current directions, respectively.
  • two circuits each of which acts according to the direction of current to be cut off, are connected to both ends of the high-speed mechanical switch for main breaking, and the diodes 312 and 412 and the vacuum gap switch 311 are connected to the reverse current-carrying parts 300 and 400. , 411).
  • the reverse current power supply 200 is a capacitor charging circuit consisting of diodes (223, 233), resistors (222, 232) capacitors (221, 231), (2 ) A polarity inversion circuit composed of capacitors 221 and 231, diodes 224 and 234, inductor 212, and gap switch 211, and (3) capacitors 221 and 231 and vacuum gap switches 311 and 411. ), Three types of circuits, such as a reverse current injection circuit composed of a diode 312 and 412, a main breaker switch 111, a diode 223 and 233, and a reverse current magnitude control resistor 222 and 232, respectively. Acting to provide a DC blocking operation.
  • the vacuum gap switch 211 of the polarity inversion circuit and the vacuum gap switches 311 and 411 of the reverse current injection circuit are operated by the same gap trigger controller, so that the difference in closing operation time between the two vacuum gap switches has a specific delay time Td. It can be kept constant so that a constant magnitude of reverse current is always generated.
  • an inductor may be installed on the load side of the DC blocking unit.
  • the active power semiconductor element and the nonlinear resistor elements are replaced by the diode and the vacuum gap switch, so that the counter voltage for the stable reverse current injection and the DC current blocking It is possible to provide a DC blocking device that is generated.
  • the DC blocking device may be implemented by using three separate vacuum gap switches, and when the current is interrupted, the blocking operation is performed by operating two vacuum gap switches according to the current direction.
  • the DC blocking device may be implemented using a variable discharge gap instead of the vacuum gap switch.
  • 2 is a diagram illustrating a configuration and an operation process of a variable discharge gap switch.
  • the vacuum gap switch used in the reverse current power supply unit 200 and the reverse current conducting unit 300, 400 may be operated as a movable gap switch, and the movable gap switch is operated by the same manipulator, and is operated at the stroke speed and distance. As a result, the time delay between the two switches may be determined.
  • the movable gap switch used is composed of three internal contacts C1, C21, C22, and C3 between the fixed and movable parts and three external connection terminals P1, P2 and P3 for external connection. At least one point of axial alignment between the fixed part and the movable part in the entire stroke area is provided in the connection state between the external contact terminals due to the mutual contact relationship between the internal contacts. You will have support points.
  • variable discharge gaps 211, 311, and 411 operating in the reverse current generation step for forming the current zero point when used, three connection terminals P1, P2, and P3 externally in the structure thereof are used. And internally, the movable parts of the movable discharge gap are moved downwards to show that there are movable gaps C1, C2, and C3 in contact and separation.
  • C2 has a structure in which the insulation recovery performance between the poles can be strengthened by forming a series connection of the movable gaps C21 and C22.
  • the contacts C1 and C3 are separated and C2 is in contact, so that the connection terminals P1, P2, and P3 are all separated, and the movable part of the movable discharge gap is activated.
  • the movable gap C1 is introduced while the movable gap C2 is still in contact with each other, so that the external connection terminals P1 and P2 are closed.
  • the movable gap C2 in which the gaps C21 and C22 are connected in series, is separated, so that the external connection terminals P1 and P2 are opened again.
  • the external gap between the terminals P1 and P3 is closed with the movable gap C1, which has been kept connected until this time as the movable gap C3 is introduced by the subsequent stroke, and the discharge gap C1 is separated according to the stroke.
  • P3 are left open and the stroke ends.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a variable discharge gap operation and a breaking current in a DC current blocking process.
  • Figure 3 shows the operation of the movable discharge gap in the relationship between the stroke characteristics and the breaking current flowing through the main breaker, and shows a state in which the state between the external terminals of the movable gap is sequentially re-opened after a predetermined time interval.
  • the point of time when the last injection marked 'C1 + C3' occurs is the time when the current of the main breaker is cut off by reverse current, and it should be shorter than the break time specification of the DC current breaker. For example, in a DC current breaker with a cutoff time of less than 2ms, this time shall be able to operate for less than 2ms.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which the variable discharge gap switch of FIG. 2 is installed in a DC current interrupt device. 4 illustrates an example in which the movable discharge gap is installed in the DC current breaker. In the case of the bidirectional breaker, two movable discharge gaps are used.
  • the movable discharge gap which is operated when the current direction of the main interrupter is to the right is composed of the movable contacts C11, C12 and C13, and the external connection terminals are designated as P11, P12 and P13.
  • the movable discharge gap that is operated is composed of the movable contacts C21, C22 and C23, and the external connection terminals are designated as P21, P22 and P23.
  • connection state made sequentially according to the progress of the stroke of the movable discharge gap is close to C11 and C12, and the connection line of P11 and P12 becomes 'on' soon after, C12 is 'off' and C13 is 'on'.
  • the connection line between P11 and P12 is 'off' and the line connecting P11 and P13 is 'on'.
  • the discharge gaps symmetrically arranged are sequentially made in the same manner as above.
  • FIG. 5 and 6 illustrate voltage waveforms at the time of blocking the DC current
  • FIG. 5 illustrates the main voltage signals at the time of blocking the DC current
  • FIG. 6 enlarges the polarity switching section of the voltage charging capacitor of FIG. 5. Is shown.
  • the polarity is reversed while being charged with the line voltage, and then restored to the original polarity, and the magnitude thereof is maintained at the residual voltage of the surge arrester.
  • the voltage Vcb applied to both ends of the main breaker high speed switch is a zero current generated by applying reverse current, and the direct current flows through the voltage charging capacitor while the direct current flows into the current circuit.
  • the voltage appearing in the process becomes a voltage generated by the current flowing back into the surge arrester.
  • FIG. 7 is a diagram showing current waveforms at the time of breaking a DC current
  • FIG. 8 is a diagram showing current waveforms and voltages of capacitors according to operating discharge gap operating states.
  • Ip is the current flowing through the polarity inversion circuit, and half-wave resonant current appears when C1 and C2 of the movable discharge gap are 'on', which causes the voltage charging capacitor to be inverted and ready to apply reverse current. It is done.
  • Td There is a delay time Td between the operation time of the polarity reverse switch and the operation time of the reverse current injection circuit. During this period, the charge voltage is lowered by discharge through the load side inductor of the DC circuit breaker. Make sure that the voltage charged on the capacitor is greater than a certain voltage.
  • the constant voltage at this time means that the current zero is generated in the high speed mechanical switch 111 for main interruption because the magnitude of the reverse current given from the residual voltage Vc of the capacitor and the reverse current limiting resistors 222 and 232 is greater than that of the interruption current.
  • the voltage magnitude that makes it possible.
  • the capacitor charging circuit (500, 600) in the event of an accident current is added to the structure of the DC current breaker, and the diodes (511, 611) to use the capacitor to operate by distinguishing the fault current blocking and the normal load current blocking
  • the charging switch 213 may be provided.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a DC blocking device of charging a capacitor for generating a reverse current and a transient voltage only during operation.
  • the capacitors 221 and 231 of the DC current interruption device are normally charged and then charged and used only at the time when the blocking operation is required.
  • charging diodes 511 and 611 are installed to charge the capacitor using voltage induced in the current limiting inductors 21 and 22 installed on both sides of the DC current breaker.
  • the capacitor charging switch 213 which is normally operated in an open state is put in and used so that the line voltage can be used for charging the capacitor.
  • the capacitors 221 and 231 for generating the reverse current and the transient voltage remain uncharged normally, and are charged by voltage generated on the line only when an accident current occurs or normally open when the normal load current is cut off.
  • the capacitor charging switch 214 is turned on to charge the capacitor and then cut off.
  • 10 is a schematic flowchart for performing a DC current blocking method according to the present invention. 10 is a flowchart illustrating the operation of the DC current blocking device, and a DC current blocking process of the DC current blocking device is schematically illustrated.
  • the vacuum gap switch (S102) is charged according to the polarity reversal command (S102) charged due to the line voltage in the reverse current and transient voltage generating capacitors 221 and 231 of the reverse current power supply unit 200 (S102).
  • the capacitor voltage whose polarity is reversed starts to discharge itself through the load side inductor of the DC circuit breaker (S104).
  • the vacuum gap switches 311 and 411 of the reverse current conducting units 300 and 400 are operated (S105) in the opposite direction to the breaking current to the main breaking high-speed switch 111.
  • the current of the main breaker 100 is cut off (S107).
  • the vacuum gap switches 311 and 411 which are operated are selectively operated. Only one of the two vacuum gap switches is operated according to the direction of the breaking current flowing through the main breaker 100. In other words, when the direction of the blocking current flows to the right side, the vacuum gap switch 311 on the right side is operated. On the contrary, when the current flows to the left side, the vacuum gap switch 411 on the left side is operated to cut off the DC current.
  • the time at which the high speed mechanical switch 111 cuts off the current should be adjusted to the time point at which the high speed mechanical switch 111 becomes an inter-pole distance capable of sufficiently maintaining insulation from the transient voltage generated after the current cutoff.
  • the blocking current is energized to a commutation circuit through the reverse current and the transient voltage generating capacitors 221 and 231, and the charging voltage of the capacitor is generated as the transient voltage (S108).
  • a) the magnitude and direction of the current flowing through the main conducting unit 100 are determined, and b) the opening of the high speed switch 111 for main interruption according to a given operation command. Inverts the charging voltage polarity of the capacitor for generating the reverse current and transient voltage through the operation and the input of the mechanical switch 211 for inverting the voltage polarity.
  • the current interrupted by the main breaker 100 flows through a commutation circuit formed by the reverse current and transient voltage generating capacitors 221 and 231 to the voltage charging capacitor above a predetermined voltage.
  • the voltage is high, the current is brought back to the surge arrester 510 used for the line energy absorption, and the current is cut off due to the reverse voltage generated at this time.
  • the vacuum gap switch 311 for the right reverse current energization is inputted to block the discharge current of the reverse current and transient voltage generating capacitor 221 on the left side.
  • the vacuum gap switch 411 for the left reverse current is inputted to block the discharge current of the reverse current and transient voltage generating capacitor 231 on the right.
  • the discharge operations of the vacuum gap switch 211 for inverting the polarity of the reverse current and transient voltage generating capacitors 221 and 231 and the vacuum gap switches 311 and 411 of the reverse current conducting portion are completely polarized by the polarity inversion circuit. After the inversion, the delay operation between the two vacuum gap switches is maintained in order to secure a constant time interval so that the vacuum gap switch input of the reverse current conducting unit can be made, and the vacuum gap switches 311 and 411 are inserted at the time of reverse current injection.
  • the load side inductor 22 of the DC blocking unit is used to have a proper discharge time constant in order to ensure the residual voltages of the reverse current and transient voltage generating capacitors 221 and 231 constantly.
  • the present invention relates to a DC current cut-off device and method, which provides an accidental DC current to maintain system stability in a DC transmission system using a voltage converter that requires a significantly faster accident current cut-off time than a conventional current converter.
  • the present invention relates to a DC current blocking device and a method for quickly breaking.
  • the present invention is characterized by implementing a more economical and concise configuration of the device by configuring only the high voltage portion of the DC current interruption device. That is, DC current blocking is performed by using a diode, which is a passive element, and a vacuum gap switch, so that the power supply unit and the signal lines are not used.
  • the configuration of the high voltage portion is simple and reliable. You can do it.
  • This effect becomes larger as the applied voltage increases, and may be usefully applied to the multi-terminal HVDC transmission system that will be ultra-high pressure in the future.

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Abstract

진공 갭 스위치를 이용한 역전류 주입형 직류 전류 차단 장치 및 방법이 개시된다. 직류 차단 장치는, 기계식 스위치인 주 차단용 스위치를 포함하는 주 통전부, 주 통전부의 입력단에 연결되고 미리 설정된 역전류를 생성하는 역전류 전원부, 및 역전류를 주 통전부의 출력단 측으로 공급하는 역전류 통전부를 포함한다. 역전류 전원부는 다시, 주 통전부의 입력단에 인가되는 전압에 의해 충전되는 제 1 역전류용 커패시터, 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키기 위한 극성 반전용 인덕터, 및 극성 반전용 인덕터가 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키도록 회로 연결을 수행하는 역전류 전원부 스위치를 포함한다.

Description

진공 갭 스위치를 이용한 역전류 주입형 직류 전류 차단 장치 및 방법
본 발명은 직류전류 차단장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전압형 컨버터가 사용되는 직류 송전계통에서 사고 직류전류를 신속히 차단할 수 있도록 해 주는 직류전류 차단장치 및 방법에 관한 것이다.
전압형 컨버터를 사용하는 직류전류(DC)계통은 계속해서 많은 관심의 대상이 되어가고 있다. 그런데 이러한 계통에서는 사고 발생 시 사고전류의 크기가 급격히 상승하는 특성을 지니고 있기 때문에 신속한 전류차단이 이루어지지 않으면 계통 신뢰도에 대해 심각한 문제가 된다.
신속한 전류차단을 수행하기 위해서는 종래 기계식 스위치 대신 반도체 스위칭 소자를 이용하는 방안이 고려될 수 있다. 하지만, 반도체 스위칭 소자는 전력손실이 많고 시스템 구성에 따른 경제성 측면에서 어려운 점이 많아 최근에는 기계식 스위치와 반도체 스위치를 함께 사용하는 하이브리드(hybrid)형 차단 방식이 많이 제기되고 있다.
한편, 고압직류(HVDC)용 DC 차단기술의 개발 경향은 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 첫째 방식은, 직류전류 차단은 반도체 스위치가 담당하고 차단 후 인가되는 과도전압은 기계식 스위치가 담당하는 방식으로서, 직류 차단기로서 요구되는 전류와 전압특성을 서로 분리하여 수행하게 하는 방식이다.
두 번째로는 기계식 차단기를 사용하되 직류전류 차단에 필요한 전류 영점 생성을 위해 기계식 차단기에 역전류를 주입하는 방식으로서, 역전류 발생에 반도체 소자가 적용되는 방식이다.
이를 위해, 지금까지는 역전류 인가를 위한 회로에서 싸이리스터와 같은 능동형 전력 반도체를 사용하여 왔다. 하지만, 고전압부에서의 이러한 능동형 전력반도체 소자의 사용은 게이트 신호 인가 필요에 따른 전원 및 신호선들의 설치가 직류 차단기 구성에 어려움을 주게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고전압부에서 능동형 전력 반도체 소자를 사용하지 않음으로써, 신호제어 및 시스템 절연성에 있어 보다 간편하면서도 강인한 특성을 가지며, 비용 측면에서도 비교 우위를 점할 수 있는 직류 차단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 직류 차단 장치는, 기계식 스위치인 주 차단용 스위치를 포함하는 주 통전부, 주 통전부의 입력단에 연결되고 미리 설정된 역전류를 생성하는 역전류 전원부, 및 생성된 역전류를 주 통전부의 출력단 측으로 공급하는 역전류 통전부를 포함한다.
역전류 전원부는 다시, 주 통전부의 입력단에 인가되는 전압에 의해 충전되는 제 1 역전류용 커패시터, 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키기 위한 극성 반전용 인덕터, 및 극성 반전용 인덕터가 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키도록 회로 연결을 수행하는 역전류 전원부 스위치를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 고전압부에서 능동형 전력 반도체 소자를 사용하지 않음으로써, 신호제어 및 시스템 절연성에 있어 보다 간편하며 강인한 특성을 가지며 비용 측면에서도 비교 우위를 점할 수 있는 직류 차단 장치를 제공할 수 있게 된다.
이때, 역전류는 반전 상태의 제 1 역전류용 커패시터에서 방전되는 전류일 수 있으며, 역전류 통 전부는 역전류 전원부 스위치의 분리 이후 역전류가 주 통전부의 출력단으로 공급되도록 회로 연결을 수행하는 제 1 통전부 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치는 진공 갭 스위치일 수 있으며, 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치는 전극 사이의 전기적 거리의 변화에 의해 전류의 흐름을 제어하는 가동 갭 스위치일 수 있다.
또한, 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치는 미리 설정된 전극 이동 속도 및 전극 사이의 거리에 따라 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치의 연결 시간 간격이 설정될 수 있다.
또한, 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치는 전극이 위치하는 고정부 및 전극 사이의 연결 및 분리를 수행하는 이동부를 포함하며, 이동부의 이동에 따라 역전류 전원부 스위치와 제 1 통전부 스위치가 선택적으로 연결될 수 있다. 이때, 고정부와 이동부는 적어도 한 접점에서 연결될 수 있다.
또한, 역전류 전원부는 극성 반전용 인덕터 및 역전류 전원부 스위치에 대해 제 1 역전류용 커패시터와 대칭되도록 연결되는 제 2 역전류용 커패시터를 더 포함하고, 역전류 통전부는 극성 반전용 인덕터 및 주 통전로 스위치에 대해 제 1 통전부 스위치와 대칭되도록 연결되는 제 2 통전부 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 1 역전류용 커패시터 또는 제 2 역전류용 커패시터의 전압을 제한하는 서지 어레스터를 더 포함할 수 있다.
또한, 주 통전로와 부하 입력단 사이에서 주 차단용 스위치와 직렬 연결되는 전류 제한 인덕터를 더 포함할 수 있다.
또한, 두 단자 중 하나가 역전류 전원부 및 역전류 통전부와 각각 연결된 커패시터 충전용 스위치, 및 역전류 전원부 및 역전류 통전부와 각각 연결된 상기 커패시터 충전용 스위치의 단자와 부하 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 커패시터 충전 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 차단 방법은, 상기 직류 차단 장치가, 주 통전부에 흐르는 전류가 미리 설정된 제 1 차단 범위에 해당하는 경우, 주 차단용 스위치를 분리하고 역전류 전원부 스위치를 연결하여 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키는 단계, 및 미리 설정된 시점에 제 1 통전부 스위치를 연결하여 주 차단용 스위치에 흐르는 전류에 영점을 발생시켜 주 차단용 스위치를 통해 흐르는 전류를 차단하는 단계를 포함한다.
또한, 미리 설정된 시점은 주 차단용 스위치의 극간이 주 차단용 스위치를 통한 전류 차단 이후 제 1 역전류용 커패시터에 충전되는 전압으로부터 주 차단용 스위치가 절연이 유지할 수 있도록 설정된 시점일 수 있다.
또한, 주 차단용 스위치의 분리 이전에 주 통전부에 흐르는 전류의 방향을 판단하는 단계, 전류의 방향에 따라 미리 설정된 제 1 차단 범위 또는 제 2 차단 범위를 판단하는 단계, 및 제 2 차단 범위에 해당하는 경우 제 2 통전부 스위치를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 부하 전류 차단을 위해 커패시터 충전용 스위치를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래 직류전류 차단방식에서 직류전류의 차단이나 역전류 인가를 위해 사용되던 IGBT나 IGCT 혹은 싸이리스터와 같은 능동형 전력반도체 스위칭 소자 대신에 다이오드(Diode)와 진공 갭 스위치를 적용함으로써, 고전압부에 위치하는 소자들의 전원 및 제어 신호선으로 인한 절연문제를 단순화하고 비용 측면에서 경쟁력을 가질 수 있는 직류전류 차단장치 및 방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단 장치의 개략적인 회로도.
도 2는 가변 방전 갭 스위치의 구성 및 동작과정을 도시한 도면.
도 3은 직류전류 차단과정에서의 가변 방전 갭 동작과 차단전류 관계를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 가변 방전 갭 스위치가 직류 전류 차단장치에 설치된 예가 도시된 도면.
도 5 및 도 6은 직류전류 차단시의 전압과 파형을 도시한 도면.
도 7은 직류전류 차단시의 전류 파형을 도시한 도면.
도 8은 가동 방전 갭 동작상태에 따라 나타나는 전류 파형들과 커패시터의 전압을 도시한 도면.
도 9는 동작 시에만 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터를 충전하는 방식의 직류 차단 장치의 회로도를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 직류 전류 차단 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단 장치의 개략적인 회로도이다. 도 1에는 양방향 직류전류 차단장치를 구성하는 회로도가 도시되어 있다. 도 1에서, 직류 차단 장치(10)는, 통상의 정상상태에서 전류가 흐르게 되는 회로로서, 주 통전부(100), 역전류 전원부(200), 역전류 통전부(300, 400), 및 서지 어레스터(511)를 포함한다.
단방향 직류전류 차단기의 경우 두 개의 역전류 통전부(300, 400) 중 한 회로와 대칭 형상을 가진 역전류 전원부(200)에서 공통으로 사용되는 중앙부의 인덕터(212)와 진공 갭 스위치(211)를 제외하고 이를 기준으로 한 양측의 회로 중 한 측을 생략하여 구성할 수 있다.
주 통전부(100)는 직류 차단기와 직렬로 전류 제한용 인덕터(21, 22)가 연결되며 주 차단용 고속 기계식 스위치(111)를 포함하고, 역전류 전원부(200)와 역전류 통전부(300, 400)는 주 차단용 고속 스위치(111)의 양단에 차단전류의 방향에 따라 각각 작용하며, 서지 어레스터(511)는 주 차단용 고속 스위치(111)가 직류전류를 차단한 직후 상기 역전류 전원부(200)에 포함된 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터와 병렬로 연결된 상태로 선로 축적 에너지를 흡수한다.
역전류 전원부(200)는 역전류 발생을 위한 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231), 각각의 커패시터에 직렬로 연결된 충방전 전류 제한용 저항(222, 232), 및 방전 방지용 다이오드(223, 233)를 포함하며, 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)의 충전전압 극성을 반전시키기 위한 구성이다. 각각의 커패시터에는 극성 반전용 다이오드(224, 234)와 인덕터(212) 그리고 진공 갭 스위치(211)가 직렬로 구성되어 연결된다.
역전류 통전부(300, 400)는 다이오드(312, 412)와 진공 갭 스위치(311, 411)가 직렬로 연결된 구조를 가지며, 진공 갭 스위치(311, 411) 방전 동작시 역전류 전원부(200)의 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)가 일정 전압 이상을 유지하도록 직류 차단부의 부하측 인덕터(22)를 연결함으로써 주입될 역전류가 안정된 크기를 가지게 만든다.
보다 상세하게 설명하자면, 정상상태에서 전류 통전을 담당하는 주 차단부(100)는 한 개의 고속 기계식 스위치(111)만으로 구성되며, 직류전류 차단장치의 입출력 단자에는 직렬로 전류 제한용 인덕터(21, 22)가 연결되도록 구성되어 있다.
또한, 주 차단용 고속 기계스위치(111)의 양단에 차단전류의 방향에 따라 직류전류 차단에 작용하게 되는 역전류 전원부(200)와 역전류 통전부(300, 400)가 대칭적 구조를 가지고 접지측으로 연결되어 있다.
역전류 전원부(200)는 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)의 전압 극성을 반전시키기 위한 인덕터(212)와 진공 갭 스위치(211)가 직렬로 연결된 회로를 중심으로 네 개의 다이오드(223, 224, 233, 234)와 역전류 제한용 저항(222, 232)이 양방향 전류방향에 각각 작용하는 전압 충전용 커패시터와 연결되어 구성되어 진다.
그리고 역전류 통전부(300, 400)로는 차단해야 할 전류 방향에 따라 각각 작용하게 되는 두 개의 회로가 주 차단용 고속 기계식 스위치의 양단에 연결되어 있는데 다이오드(312, 412)와 진공 갭 스위치(311, 411)로 구성되어 있다.
이러한 회로는, 적절한 시점에서의 순차적 동작을 통해, (1) 역전류 전원부(200)는 다이오드(223, 233), 저항(222, 232) 커패시터(221, 231)로 이루어지는 커패시터 충전회로, (2) 커패시터(221, 231), 다이오드(224, 234), 인덕터(212), 갭 스위치(211)로 구성되는 극성 반전회로, 및 (3) 커패시터(221, 231), 진공 갭 스위치(311, 411), 다이오드(312, 412), 주 차단부 스위치(111), 다이오드(223, 233), 역전류 크기 제어저항(222, 232)으로 구성되는 역전류 주입회로와 같이 세 가지 형태의 회로들로서 각각 작용함으로써 직류 차단 동작을 제공하게 된다.
이와 같이, 극성 반전회로의 다이오드(224, 234)와 진공 갭 스위치(211)를 사용하여 기존의 싸이리스터의 역할을 수행하게 함으로써, 고전압부에 능동형 전력반도체 소자의 적용에 따른 어려움을 해소할 수 있게 된다.
또한, 양방향 직류차단 장치의 구조에서 각 전류 방향에 대한 역전류용 커패시터를 별도로 사용하게 함으로 주 차단부 스위치(111)를 양방향 전류 모두에 대하여 공통으로 활용할 수 있게 하여 직류 차단장치를 간소화할 수 있게 된다.
이때, 극성 반전회로의 진공 갭 스위치(211)와 역전류 주입회로의 진공 갭 스위치(311, 411)는 동일 갭 트리거 제어기로 동작되도록 함으로써, 두 진공 갭 스위치 간의 투입 동작시점 차이가 특정 지연시간 Td 만큼 일정하게 유지되도록 하여 항상 일정한 크기의 역전류가 생성되도록 할 수 있다.
또한, 지연시간 Td 동안 극성이 반전된 커패시터(221, 231) 충전전압이 부하측 단락으로 인해 방전되는 것을 방지하기 위해 직류 차단부의 부하측에 인덕터를 설치하여 사용할 수 있다.
이러한 방식으로 역전류 생성을 위해 사용되던 기존의 방식에서, 능동형 전력반도체 소자와 비선형 저항소자들이 사용되던 것을 다이오드와 진공 갭 스위치로 대치함으로 안정된 역전류 주입과 직류전류 차단을 위한 상대전압(count voltage) 생성이 이루어지는 직류 차단장치를 제공할 수 있게 된다.
또한, 직류 차단 장치는 별도 세 개의 진공 갭 스위치를 이용하여 구현할 수 있으며, 전류 차단시 전류방향에 따라 이중 두 개의 진공 갭 스위치를 동작시킴으로써 차단동작을 수행하게 된다.
이와 달리, 진공 갭 스위치 대신에 가변 방전 갭을 사용하여 직류 차단 장치를 구현할 수도 있다. 도 2는 가변 방전 갭 스위치의 구성 및 동작과정을 도시한 도면이다.
다시 말해, 역전류 전원부(200)와 역전류 통전부(300, 400)에 사용되는 진공 갭 스위치 대신 가동 갭 스위치로 동작될 수 있으며, 가동 갭 스위치는 동일한 조작기로 가동되고, 스트로크 속도 및 거리에 따라 두 스위치 간의 투입 시점 시간지연이 결정될 수 있다.
도 2에서, 사용되는 가동 갭 스위치는 고정부와 가동부 간에 있는 세 개의 내부접점(C1, C21, C22, C3)과 외부와의 접속을 위한 세 개의 외부 접속단자(P1, P2, P3)로 구성되어 있으며, 이 내부접점들 간의 상호 접촉관계로 외부 접속단자 간의 접속 상태가 주어지게 되고, 가동부 동작 시 내부 접점들의 접촉 충격을 방지하기 위해 전 스트로크 영역에서 고정부와 가동부 간에 적어도 한 점의 축 정렬 지지점을 보유하게 된다.
도 2에서와 같이, 전류 영점을 형성시키기 위한 역전류 생성단계에서 동작하는 가변 방전 갭(211, 311, 411)을 사용하게 되는 경우, 이의 구조에서 외부적으로 세 개의 접속단자 P1, P2, P3와 내부적으로 가동 방전 갭의 가동부가 아래 방향으로 진행되면서 접촉과 분리가 이루어지는 가동 갭 C1, C2, C3가 있음을 보여준다. 그리고 C2는 가동 갭 C21과 C22의 직렬접속 형태로 이루어지게 하여 극간의 절연회복성능을 강화할 수 있는 구조로 되어있다.
초기의 가동 방전 갭 접속상태는 접점 C1과 C3는 분리되어있고 C2는 접촉된 상태로 되어있어 접속단자 P1, P2, P3는 모두 분리된 상태로 되어있게 되고 가동 방전 갭의 가동부가 동작하게 되면 가동부가 하부방향으로 스트로크가 진행되면서 가동 갭 C1이, 가동 갭 C2가 아직 접촉된 상태에서 투입되도록 되어 외부접속단자 P1과 P2가 close 상태로 된다.
그리고 스트로크가 계속 진행되면 갭 C21과 C22가 직렬연결로 구성된 가동 갭 C2가 분리되고 따라서 외부접속단자 P1과 P2는 다시 open 상태로 된다. 또 이어지는 스트로크의 진행으로 가동 갭 C3가 투입되면서 이 시점까지 접속상태를 유지해온 가동 갭 C1과 함께 외부접속 단자 P1과 P3가 close 상태로 되고 이후 스트로크에 따라 방전 갭 C1이 분리되면서 외부접속 단자 P1과 P3는 open 상태로 되면서 스트로크는 종료된다.
도 3은 직류전류 차단과정에서의 가변 방전 갭 동작과 차단전류 관계를 도시한 도면이다. 도 3은 가동 방전 갭의 동작을 스트로크 특성과 주 차단부를 통해 흐르는 차단전류의 관계 속에 표시한 것으로서, 가동 갭의 외부 단자 간 상태가 순차적으로 일정 시간 간격을 두고 투입 후 다시 개극되는 상태를 보여준다.
‘C1+C3’로 표시된 마지막 투입이 발생되는 시점이 역전류에 의해 주 차단부의 전류가 차단되는 시점으로 직류전류 차단장치의 차단시간 사양보다 짧아야 한다. 한 예로 차단시간이 2ms 이하로 규정된 직류전류 차단장치에서는 이 시간이 2ms 이하로 동작될 수 있어야 한다.
도 4는 도 2의 가변 방전 갭 스위치가 직류 전류 차단장치에 설치된 예가 도시된 도면이다. 도 4는 상기의 가동 방전 갭이 직류전류 차단장치에 설치된 일 예를 나타낸 것으로서, 양방향 차단기의 경우 두 개의 가동 방전갭이 사용된다.
주 차단부의 전류방향이 우측인 경우 작동되는 가동 방전갭은 가동접점 C11, C12 그리고 C13로 구성되고 외부접속 단자가 P11, P12, P13로 표기된 것이 된다. 반면 주 차단부의 전류 방향이 좌측인 경우 작동되는 가동 방전갭은 가동접점 C21, C22 그리고 C23로 구성되고 외부 접속 단자가 P21, P22, P23로 표기된 것이 된다.
앞서 기술한 바와 같이 가동 방전 갭의 스트로크 진행에 따라 순차적으로 이루어지는 접속상태는 C11과 C12의 close로 P11과 P12의 연결선로가 ‘on’이 된 후 곧이어 C12는 ‘off’되고 C13가 ‘on’되어 P11과 P12의 연결선로는 ‘off’되고 P11과 P13를 연결하는 선로가 ‘on’되는 과정으로 이어진다. 그리고 주 차단부의 전류 방향이 반대인 경우 대칭적으로 설치된 방전갭이 상기와 동일하게 순차적으로 이루어지게 된다.
도 5 및 도 6은 직류전류 차단시의 전압 파형을 도시한 도면으로서, 도 5는 직류전류 차단 시의 주요 전압 신호를 나타내고 있으며, 도 6은 도 5의 전압 충전용 커패시터의 극성 전환 구간을 확대하여 도시하고 있다.
전압 충전용 커패시터의 전압 Vc는 차단동작 과정을 지나면서 선로 전압으로 충전된 상태에서 극성이 반전되었다가 곧이어 원래 극성으로 복원되면서 그 크기는 서지 어레스터의 잔류전압 크기로 충전상태를 유지하게 된다.
그리고 주 차단용 고속 스위치의 양단에 인가되는 전압 Vcb는 역전류 인가로 발생된 전류 영점으로 직류전류가 전류(轉流)회로로 전류(轉流)되면서, 전압 충전용 커패시터를 통해 직류전류가 흐르는 과정에서 나타나는 전압이 서지 어레스터로 다시 전류되면서 발생되는 전압 형태로 되어지게 된다.
도 7은 직류전류 차단시의 전류 파형을 도시한 도면이고, 도 8은 가동 방전갭 동작상태에 따라 나타나는 전류파형들과 커패시터의 전압을 도시한 도면이다. 먼저, Ip는 극성 반전회로에 흐르는 전류로 가동 방전갭의 C1과 C2가 ‘on’된 시점에서 반파의 공진전류가 나타나고 이로 인해 전압 충전용 커패시터는 극성이 반전되어 역전류를 인가할 준비상태로 되어진다.
곧이어 나타나는 가동 방전갭의 C1과 C3가 ‘on’되는 시점에서 역전류 Ii가 발생되어 주 차단용 고속 스위치에 전류영점이 생성되어 전류가 차단되고 여기 통전되던 차단전류는 Ii로 되고 이 전류에 의해 커패시터 충전전압이 상승되어 서지 어레스터의 잔류 전압치까지 이르게 되면 이 전류는 다시 서지 어레스터 전류 Isa로 되어지면서 선로의 잔존 에너지를 모두 흡수하고 직류전류 차단에 이르게 된다.
극성반전용 스위치의 동작시점과 역전류 주입회로용 스위치 동작시점 간에는 지연시간 Td가 존재하는데 이 기간에 직류 차단부의 부하측 인덕터를 통한 방전으로 충전전압이 낮아지게 되므로 역전류 주입용 스위치 동작시점에서의 커패시터에 충전된 전압이 일정 전압보다는 커지게 될 수 있도록 해야 한다.
이때의 일정 전압이란 커패시터의 잔류전압(Vc)과 역전류 제한 저항(222, 232)으로부터 주어지는 역전류의 크기가 차단전류의 크기보다는 커서 주 차단용 고속 기계식 스위치(111)에 전류 영점이 발생될 수 있게 하는 전압 크기를 말한다.
또한, 직류전류 차단장치 구조에 사고전류 발생 시의 커패시터 충전회로(500, 600)를 추가하고 이에 다이오드(511, 611)를 사용하는 것과 사고전류 차단과 정상 부하전류 차단을 구분하여 동작하기 위한 커패시터 충전용 스위치(213)를 가질 수 있다.
도 9는 동작 시에만 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터를 충전하는 방식의 직류 차단 장치의 회로도를 도시한 도면이다. 도 9에서, 직류전류 차단장치의 커패시터(221, 231)는 평상시에는 충전되지 않은 상태로 있다가 차단동작이 필요한 시점에서만 충전하여 사용하게 한다.
사고전류 발생 시에는 직류전류 차단장치의 양측에 설치된 전류 제한용 인덕터(21, 22)에 유기되는 전압을 이용하여 커패시터를 충전할 수 있도록 충전용 다이오드(511, 611)가 설치되며, 정상 부하전류 차단 시에는 선로 전압이 커패시터 충전에 사용될 수 있도록 평상시에는 개방상태로 운영하던 커패시터 충전용 스위치(213)를 투입하여 사용한다.
다시 말해, 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)가 평상시에는 충전되지 않은 상태로 유지하다가 사고전류 발생 때만 선로 상 발생되는 전압에 의해 충전되거나 정상 부하전류 차단 시는 평소 개방되어 운용되던 커패시터 충전용 스위치(214)를 투입하여 커패시터를 충전한 후 차단하도록 구현한다.
도 10은 본 발명에 따른 직류 전류 차단 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도이다. 도 10에는 직류전류 차단장치의 작동 순서도가 도시되어 있으며, 직류 차단 장치의 직류전류 차단과정이 도식적으로 표현되어 있다.
직류전류 차단의 과정은 역전류 전원부(200)의 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)에 선로전압으로 인해 충전된 전압(S101)을 극성 반전 명령에 따라(S102) 진공 갭 스위치(211)의 동작으로 극성을 반전시키면(S103) 극성이 반전된 커패시터 전압은 직류 차단기의 부하측 인덕터를 통하여 자체적으로 방전이 시작되게 된다(S104).
이 커패시터 전압이 일정 전압 이하로 방전되기 전에 곧이어 역전류 통전부(300, 400)의 진공 갭 스위치(311, 411)를 동작시켜(S105) 주 차단용 고속 스위치(111)에 차단전류와 역방향으로 전류를 흘려주어 차단전류와 역전류의 합으로 이루어지는 전류 영점을 인위적으로 만들어 줌으로 주 차단부(100)의 전류가 차단(S107)되게 된다.
이때 동작하는 진공 갭 스위치(311, 411)는 선택적으로 동작하게 되는데 주 차단부(100)에 흐르는 차단전류의 방향에 따라 두 진공 갭 스위치 중 한 개만이 동작된다. 즉 주 차단부의 차단전류 방향이 오른쪽으로 흐르는 경우 우측의 진공 갭 스위치(311)가 동작되고 반대로 왼쪽으로 흐르는 경우 좌측의 진공 갭 스위치(411)가 동작되어 직류전류를 차단하게 된다.
이와 같이, 고속 기계식 스위치(111)에서 전류를 차단하게 되는 시점은 전류차단 후 발생되는 과도전압으로부터 고속 기계식 스위치(111)가 절연을 충분히 유지할 수 있는 극간 거리가 되는 시점으로 조정하여야 하고, 주 차단부의 고속 기계식 스위치(111)에서 전류가 차단되면 차단전류는 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)를 통하는 전류회로(commutation circuit)로 통전되면서 커패시터의 충전전압이 과도전압으로 발생(S108)되게 된다.
이때의 과도전압은 일정 전압 이상이 되면(S109) 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터와 병렬로 연결된 서지 어레스터(511)로 인해 제한되면서 2차 전류(commutation)가 발생되고(S110) 선로에 축적된 에너지는 서지 어레스터(511)를 통해 흡수(S111)되면서 전류는 감소되고, 이어서 발생되는 전류영점 시에 최종적으로 차단이 완료(S112)된다.
다시 한번 설명하자면, 도 1의 직류전류 차단장치에서, a) 주 통전부(100)에 흐르는 전류의 크기 및 방향을 판단하고, b) 주어지는 동작지령에 따라 주 차단용 고속 스위치(111)의 개극동작과 전압극성 반전용 기계식 스위치(211)의 투입을 통한 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터의 충전전압 극성을 반전시키고, c) 주 통전부(100)의 전류 방향에 따라 역전류 통전용 기계식 스위치(311, 411)를 선정하고 주 차단용 고속 스위치(111)의 극간이 전류 차단 후 발생되는 과도전압을 견딜 수 있는 거리가 되는 시점에서 이를 투입시켜 주 차단용 고속 스위치(111)에 흐르는 전류에 영점이 발생하도록 하여 이의 통전전류를 차단한다.
이에 따라, d) 주 차단부(100)에서 차단된 전류는 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)로 형성되는 전류(commutation)회로를 통하여 흐르다가 일정 전압이상으로 전압 충전용 커패시터에 전압이 높아지면 선로 에너지 흡수용으로 사용되는 서지 어레스터(510) 측으로 또다시 전류되어 이때 발생된 역전압으로 인해 전류가 차단된다.
이때, 주 통전부(100)에 흐르는 전류가 오른쪽 방향일 경우에는 우측 역전류 통전용 진공 갭 스위치(311)를 투입하여 왼쪽의 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221) 방전전류를 주 차단용 고속 스위치(111)로 통전시키게 되고 전류의 방향이 반대로 왼쪽 방향일 경우 좌측 역전류 통전용 진공 갭 스위치(411)를 투입하여 오른쪽의 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(231) 방전전류를 주 차단용 고속 스위치(111)로 통전시키게 함으로써 주 차단용 고속 스위치(111)에 전류 영점이 발생되도록 한다.
또한, 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)의 극성 반전용 진공 갭 스위치(211)와 역전류 통전부의 진공 갭 스위치(311, 411)의 방전동작은 극성반전 회로에 의해 완전히 극성이 반전된 후 역전류 통전부의 진공 갭 스위치 투입이 이루어질 수 있게 일정한 시간 간격을 확보하기 위해 두 진공 갭 스위치 간의 지연동작을 유지하며, 역전류 주입을 위한 진공 갭 스위치(311, 411) 투입 시점에서, 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터(221, 231)의 잔류전압을 일정하게 확보하기 위해 적절한 방전 시정수를 가지도록 직류 차단부의 부하측 인덕터(22)를 이용한다.
본 발명은 직류전류 차단장치 및 방법에 관한 것으로서, 종래의 전류형 컨버터 방식에 비해 현격히 빠른 사고 전류차단 시간이 요구되는 전압형 컨버터가 사용되는 직류 송전계통에서 계통 안정성을 유지할 수 있도록 사고 직류전류를 신속히 차단할 수 있는 직류전류 차단장치 및 방법에 관한 것이다.
역전류 주입방식으로서, 주 차단부에 전류 영점을 인위적으로 만들어 주어 직류 차단을 수행하기 위해, 동일한 개념의 이전의 방식들에서는 계통전압이 인가되는 고전압부에 싸이리스터와 같은 게이트 신호가 필요한 능동형 전력 반도체 소자들이 사용되어 신호 발생을 위한 전원 및 신호선들이 직류 차단기 시스템을 복잡하게 하였다.
본 발명은 직류전류 차단장치의 고전압 부분을 수동소자만으로 구성함으로써 보다 경제적이고 간결한 장치의 구성을 구현하는 것을 특징으로 한다. 즉, 전원부 및 신호선들이 사용되지 않게 고전압부에 수동소자인 다이오드와 진공 갭 스위치를 사용하는 방식으로 직류 전류 차단을 수행한다.
본 발명에 의하면, 고전압 부위에 위치되어 사용되던 능동형 전력 반도체 소자 대신에 게이트 제어신호와 이에 따른 전원장치가 필요하지 않은 수동소자 다이오드와 진공 갭 스위치를 사용함으로써, 고전압부의 구성을 간단하고 신뢰성 있게 구성할 수 있게 된다.
이와 같은 효과는 적용전압이 높아질수록 더욱 커지게 되며, 향후 초고압화될 Multi-terminal HVDC 송전계통에도 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 기계식 스위치인 주 차단용 스위치를 포함하는 주 통전부;
    상기 주 통전부의 입력단에 연결되고 미리 설정된 역전류를 생성하는 역전류 전원부; 및
    상기 역전류를 상기 주통전부의 출력단 측으로 공급하는 역전류 통전부를 포함하는 직류 차단 장치로서,
    상기 역전류 전원부는,
    상기 주 통전부의 입력단에 인가되는 전압에 의해 충전되는 제 1 역전류용 커패시터;
    상기 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키기 위한 극성 반전용 인덕터; 및
    상기 극성 반전용 인덕터가 상기 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키도록 회로 연결을 수행하는 역전류 전원부 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 역전류는 극성 반전 상태의 상기 제 1 역전류용 커패시터에서 방전되는 전류인 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 역전류 통전부는 상기 역전류 전원부 스위치의 분리 이후 상기 역전류가 상기 주 통전부의 출력단으로 공급되도록 회로 연결을 수행하는 제 1 통전부 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치는 진공 갭 스위치인 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치는 전극 사이의 전기적 거리의 변화에 의해 전류의 흐름을 제어하는 가동 갭 스위치인 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치는 미리 설정된 전극 이동 속도 및 전극 사이의 거리에 따라 상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치의 연결 시간 간격이 설정되는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치는 전극이 위치하는 고정부 및 상기 전극 사이의 연결 및 분리를 수행하는 이동부를 포함하며,
    상기 이동부의 이동에 따라 상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치가 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고정부와 상기 이동부는 적어도 한 접점에서 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 역전류 전원부는 상기 극성 반전용 인덕터 및 상기 역전류 전원부 스위치에 대해 상기 제 1 역전류용 커패시터와 대칭되도록 연결되는 제 2 역전류용 커패시터를 더 포함하고,
    상기 역전류 통전부는 상기 극성 반전용 인덕터 및 상기 주 통전로 스위치에 대해 상기 제 1 통전부 스위치와 대칭되도록 연결되는 제 2 통전부 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 역전류용 커패시터 또는 상기 제 2 역전류용 커패시터의 전압을 제한하는 서지 어레스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 주 통전로와 상기 부하 입력단 사이에서 상기 주 차단용 스위치와 직렬 연결되는 전류 제한 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    두 단자 중 하나가 상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 커패시터 충전용 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 상기 커패시터 충전용 스위치의 단자와 상기 부하 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
  14. 청구항 3의 직류 차단 장치가,
    상기 주 통전부에 흐르는 전류가 미리 설정된 제 1 차단 범위에 해당하는 경우, 상기 주 차단용 스위치를 분리하고 상기 역전류 전원부 스위치를 연결하여 상기 제 1 역전류용 커패시터의 극성을 반전시키는 단계; 및
    미리 설정된 시점에 상기 제 1 통전부 스위치를 연결하여 상기 주 차단용 스위치에 흐르는 전류에 영점을 발생시켜 상기 주 차단용 스위치를 통해 흐르는 전류를 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 미리 설정된 시점은 상기 주 차단용 스위치의 극간이 상기 주 차단용 스위치의 분리 이후 상기 제 1 역전류용 커패시터에 충전되는 전압으로부터 상기 주 차단용 스위치가 절연이 유지될 수 있도록 설정된 시점인 것을 특징으로 하는 직류 차단 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 역전류 전원부는 상기 극성 반전용 인덕터 및 상기 역전류 전원부 스위치에 대해 상기 제 1 역전류용 커패시터와 대칭되도록 연결되는 제 2 역전류용 커패시터를 더 포함하고, 상기 역전류 통전부는 상기 극성 반전용 인덕터 및 상기 주 통전로 스위치에 대해 상기 제 1 통전부 스위치와 대칭되도록 연결되는 제 2 통전부 스위치를 더 포함하며,
    상기 주 차단용 스위치의 분리 이전에 상기 주 통전부에 흐르는 전류의 방향을 판단하는 단계;
    상기 전류의 방향에 따라 미리 설정된 제 1 차단 범위 또는 제 2 차단 범위를 판단하는 단계; 및
    상기 제 2 차단 범위에 해당하는 경우 상기 제 2 통전부 스위치를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 직류 차단 장치는,
    두 단자 중 하나가 상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 커패시터 충전용 스위치를 더 포함하며,
    부하 전류 차단을 위해 상기 커패시터 충전용 스위치를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전류 차단 방법.
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