WO2020101238A1 - 고장 전류 저감 장치 - Google Patents

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WO2020101238A1
WO2020101238A1 PCT/KR2019/014781 KR2019014781W WO2020101238A1 WO 2020101238 A1 WO2020101238 A1 WO 2020101238A1 KR 2019014781 W KR2019014781 W KR 2019014781W WO 2020101238 A1 WO2020101238 A1 WO 2020101238A1
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current
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Inventor
박상훈
이우영
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한국전기연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Definitions

  • the present invention relates to a power system, and more specifically, a high-voltage direct current that allows the system to be protected by a quick cut-off operation within a few ms when an accident occurs in a specific line in a multi-terminal DC network using a voltage-type converter. It relates to a blocking system.
  • HVDC transmission is a transmission method that has many advantages over HVAC transmission, and has recently received much attention with the development of power semiconductor technology. And recently, thanks to the technology development of DC circuit breaker for HVDC, the line protection problem, which has been regarded as a major obstacle to DC transmission, has been solved. As a result, the smooth transmission of electric power energy by renewable energy and DC transmission will be performed with AC transmission. In addition, it is expected to be an important area to increase efficiency in the transmission system.
  • the present invention has been devised to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fault current reduction device that can reduce the load on the DC circuit breaker by limiting the accident current when an accident occurs in the high-voltage DC system.
  • the apparatus for reducing fault current includes a main current path including a mechanical switch, and an auxiliary current path including impedance connected in parallel with the main current path, and the main current path generates a magnetic field.
  • a magnetic field generating portion for moving the position of the arc generated between the movable portion and the fixed portion of the mechanical switch in a predetermined direction and an arc deforming portion formed to divide the arc by the positional movement of the arc.
  • the magnetic field generating unit may apply the magnetic flux in the arc direction at a position spaced apart from the arc. According to this configuration, it is possible to easily limit the fault current by moving the position of the arc in a manner of applying a magnetic flux to the arc to cut off the arc or increase the arc voltage.
  • the arc deformable portion may be formed in a shape surrounding the arc. According to this configuration, even if the arc moves in a direction different from the intended direction due to various causes such as distortion in the magnetic field direction, it is possible to effectively block the arc or increase the arc voltage to limit the fault current.
  • the arc deformable portion may be formed in a network form. According to such a structure, the shape of an arc deformation part can be formed more easily.
  • the arc deformable portion may be formed of an insulating material or a conductive material. According to this configuration, it is possible to more effectively limit the fault current by blocking the arc or increasing the arc voltage.
  • the present invention it is possible to reduce the burden of the DC circuit breaker by limiting the accident current when an accident occurs in the high voltage DC system. Accordingly, by reducing the specification burden of the DC circuit breaker device, it is possible to implement a more efficient DC blocking system at a low cost.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a DC blocking system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows the overall structure of the DC blocking system of FIG. 1;
  • 3 and 4 are diagrams conceptually illustrating a case in which a magnetic flux generated using a coil is applied to an arc and a magnetic flux generated in a magnet is applied, respectively.
  • FIG. 5 is a view showing an example of an arc deforming unit formed to surround an arc.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a DC blocking system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall structure of the DC blocking system of FIG. 1.
  • the DC blocking system 1000 includes a fault current reducing device 100 and a DC blocking device 200
  • the fault current reducing device 100 is a main energizer including a mechanical switch 112. It includes a furnace 110, and an auxiliary conductive line 120 including an impedance 122 connected in parallel with the main conductive line 110.
  • the main electric path 110 generates a magnetic field to generate a magnetic field that moves the position of the arc generated between the movable part 112-1 and the fixed part 112-2 of the mechanical switch 112 in a predetermined direction.
  • An additional portion 114 and an arc deforming unit 116 formed to divide the arc by the positional movement of the arc are further included.
  • the magnetic field generating unit 114 may apply a magnetic flux generated using a coil, or may apply a magnetic flux generated by a magnet.
  • 3 and 4 are diagrams conceptually illustrating a case in which a magnetic flux generated using a coil is applied to an arc and a magnetic flux generated in a magnet is applied, respectively.
  • the magnetic field generating unit 114 may apply a magnetic flux in an arc direction at a position spaced apart from the arc. According to such a configuration, it is possible to easily limit the fault current by blocking the arc or increasing the arc voltage by moving the position of the arc by applying a magnetic flux to the arc.
  • the movement of the arc can be explained by the force generated when current and magnetic flux are present,
  • the force acts at right angles to the current and magnetic flux.
  • F is the force acting on the arc
  • I is the strength of the arc
  • B is the magnitude of the applied magnetic flux.
  • the timing of applying the magnetic flux and the strength of the magnetic flux may vary depending on the timing of the current flowing through the coil and the magnitude of the current.
  • the arc extinguishing ability or arc voltage may vary accordingly, and thus the fault current limiting performance may vary. Therefore, proper control is required to obtain optimal performance.
  • the arrangement form may be implemented in either a horizontal or vertical form.
  • a separate magnet is attached to the right end of the magnetic field generating unit 114 so that magnetic flux from the magnet is applied as an arc through the magnetic field generating unit 114.
  • a separate magnet may be used as in the case of the horizontal form, but it will be common to implement the magnetic field generating unit 114 arranged in the vertical form as a magnet.
  • the arc deforming part 116 may be formed in a shape surrounding the arc. According to this configuration, it is possible to effectively block the arc even when the arc moves in a direction different from the intended direction due to various causes such as distortion in the magnetic field direction.
  • FIG. 5 is a view showing an example of an arc deforming unit formed to surround an arc.
  • the magnetic field generating unit 114 is located on the right side of the mechanical switch 112, and the arc deforming unit encloses the arc formed between the movable unit 112-1 and the fixed unit 112-2 in a cylindrical shape. 116) is formed.
  • the arc deformable portion 116 may be formed in a network shape. According to such a structure, the shape of an arc deformation part can be formed more easily.
  • the arc deforming unit 116 may be implemented in any form as long as the arc, which is moved by a magnetic flux, can be physically divided, such as a plate shape, but more flexibly in response to the electrode structure by using a network shape The arc deforming portion 116 may be formed.
  • the arc deformable portion 116 may be formed of an insulating material or a conductive material. According to this configuration, it is possible to more effectively limit the fault current by blocking the arc current or increasing the arc resistance. Even if the arc deformed portion 116 is formed of a conductive material, the effect of increasing the arc resistance may be obtained, but in the case of an insulating material, the effect may be further increased.
  • the operation of the fault current reduction device 100 of FIG. 1 is as follows. At any time, current flows to the high-speed switch (F / S) 112, and when a fault current occurs and the high-speed switch 112 performs an open operation, an arc is generated between the electrodes of the high-speed switch. At this time, when the magnetic field is generated by the magnetic field generating device 114, the arc is extinguished or the arc voltage is increased. When the arc is extinguished or the arc voltage increases in the high-speed switch 112 of the energized path, the fault current decreases as the path moves to the impedance device 122 including the resistance.
  • the technique applied to block the alternating current uses a method of moving the current to the phase current current limiting device while blocking the fault current at the current zero point by simply opening the fast interrupter when a fault current occurs because the high-speed interrupter is located in the current path.
  • the present invention uses a method of moving a fault current from a high-speed switch of a current-carrying path to an impedance device by adding a magnetic field generating device and an arc extinguishing means to a conventional high-speed interrupter located on the current-carrying path.
  • the present invention can be applied not only to an AC system in which a current zero point exists, but also to a DC system in which no current zero point exists, and a rapid current limit is possible without experiencing a time delay to a current zero point or a fault current of a half wavelength.
  • the DC circuit breaker can alleviate the task of rapidly blocking the DC fault current, and when the present invention is applied to an existing circuit breaker, it is possible to develop a new type of circuit breaker with a Hallyu function.

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

Abstract

고장 전류 저감 장치는, 기계식 스위치를 포함하는 주 통전로, 및 주 통전로와 병렬 연결된 임피던스를 포함하는 보조 통전로를 포함하며, 주통전로는 자장을 발생하여 기계식 스위치의 가동부와 고정부에 사이에 발생하는 아크의 위치를 미리 설정된 방향으로 이동시키는 자장 발생부 및 아크의 위치 이동에 의해 상기 아크가 분할되도록 형성된 아크 변형부를 더 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 고압 직류 계통에서 사고 발생시 사고 전류를 제한함으로써, 직류 차단기의 부담을 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 직류 차단기 소자의 스펙 부담을 줄여 줌으로써, 저렴한 비용으로 보다 효율적인 직류 차단 시스템을 구현할 수 있게 된다.

Description

고장 전류 저감 장치
본 발명은 전력 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전압형 컨버터를 사용하는 multi-terminal DC network에서 특정 선로에 사고가 발생한 경우 수 ms 이내의 빠른 차단동작으로 계통을 보호할 수 있도록 해 주는 고압 직류 차단 시스템에 관한 것이다.
HVDC 송전은 HVAC 송전에 비해 많은 장점을 가지는 송전 방식으로 최근 전력반도체 기술발전과 함께 많은 관심을 받고 있다. 그리고 최근에 HVDC용 직류 차단기의 기술개발에 힘입어 이제껏 DC 송전에 큰 장애로 여겨져 온 선로보호문제가 해결되었고 이로 인해 앞으로 신재생 에너지에 의한 전력 에너지 전송의 원활함과 함께 DC 송전은 AC 송전과 더불어 송전 시스템에서의 효율성을 높여 갈 중요한 분야로 예상된다.
이러한 관점에서 기존 AC 차단기술과는 개념적 차이가 있어 지금까지 난제로 여겨져 오던 DC 차단기술은 최근 다양한 형태로 제시되고 있으며, 특히 차단기능이 필수적인 전압형 컨버터 스테이션으로 구성되는 DC 계통에서는 보다 빠른 사고전류 차단기능을 제공하기 위한 DC 차단 기술들이 제시되고 있다.
그런데, 일반적으로 고압 직류전력 계통에서 사고가 발생하는 경우 사고 전류가 매우 커지기 때문에 DC 차단기가 DC 전류를 차단하는 것이 용이하지 않다. 이러한 현상은 계통이 초고압화될수록 더욱 문제가 되며, 전류 크기가 커질수록 차단기의 부담이 늘어나기 때문에 차단기 디자인에 어려움이 커지게 된다. 또한, 차단기 소자들에 더욱 우수한 스펙이 요구되기 때문에 비용 부담도 증가하게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고압 직류 계통에서 사고 발생시 사고 전류를 제한함으로써, 직류 차단기의 부담을 줄일 수 있도록 해 주는 고장 전류 저감 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고장 전류 저감 장치는, 기계식 스위치를 포함하는 주 통전로, 및 주 통전로와 병렬 연결된 임피던스를 포함하는 보조 통전로를 포함하며, 주통전로는 자장을 발생하여 기계식 스위치의 가동부와 고정부에 사이에 발생하는 아크의 위치를 미리 설정된 방향으로 이동시키는 자장 발생부 및 아크의 위치 이동에 의해 상기 아크가 분할되도록 형성된 아크 변형부를 더 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 고압 직류 계통에서 사고 발생시 사고 전류를 제한함으로써, 직류 차단기의 부담을 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 직류 차단기 소자의 스펙 부담을 줄여 줌으로써, 저렴한 비용으로 보다 효율적인 직류 차단 시스템을 구현할 수 있게 된다.
이때, 자장 발생부는 아크와 이격된 위치에서 아크 방향으로 자속을 인가할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 아크에 자속을 인가하는 방식으로 아크의 위치를 이동시켜 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시킴으로써 용이하게 고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
또한, 아크 변형부는 아크를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 자장 방향의 왜곡 등 다양한 원인에 의해 아크가 의도된 방향과 다른 방향으로 이동하는 경우에도 효과적으로 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시켜 고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
또한, 아크 변형부는 망 형태로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 보다 용이하게 아크 변형부의 형태를 형성할 수 있다.
또한, 아크 변형부는 절연 물질 또는 도전 물질로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시켜 보다 효과적으로 고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 고압 직류 계통에서 사고 발생시 사고 전류를 제한함으로써, 직류 차단기의 부담을 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 직류 차단기 소자의 스펙 부담을 줄여 줌으로써, 저렴한 비용으로 보다 효율적인 직류 차단 시스템을 구현할 수 있게 된다.
또한, 아크에 자속을 인가하는 방식으로 아크의 위치를 이동시켜 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시켜 용이하게 고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
또한, 자장 방향의 왜곡 등 다양한 원인에 의해 아크가 의도된 방향과 다른 방향으로 이동하는 경우에도 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시켜 효과적으로고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 직류 차단 시스템의 전체 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 각각 아크에 코일을 이용해 발생된 자속을 인가하는 경우와 자석에서 발생된 자속을 인가하는 경우를 개념적으로 도시한 도면.
도 5는 아크를 둘러싸도록 형성된 아크 변형부의 예가 도시된 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 차단 시스템의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1의 직류 차단 시스템의 전체 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에서 직류 차단 시스템(1000)은 고장 전류 저감 장치(100)와 직류 차단 장치(200)를 포함하고 있으며, 고장 전류 저감 장치(100)는 기계식 스위치(112)를 포함하는 주 통전로(110), 및 주 통전로(110)와 병렬 연결된 임피던스(122)를 포함하는 보조 통전로(120)를 포함한다.
또한, 주통전로(110)는 자장을 발생하여 기계식 스위치(112)의 가동부(112-1)와 고정부(112-2)에 사이에 발생하는 아크의 위치를 미리 설정된 방향으로 이동시키는 자장 발생부(114) 및 아크의 위치 이동에 의해 상기 아크가 분할되도록 형성된 아크 변형부(116)를 더 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 고압 직류 계통에서 사고 발생시 사고 전류를 제한함으로써, 직류 차단기의 부담을 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 직류 차단기 소자의 스펙 부담을 줄여 줌으로써, 저렴한 비용으로 보다 효율적인 직류 차단 시스템을 구현할 수 있게 된다.
이를 위해, 자장 발생부(114)는 코일을 이용하여 발생된 자속을 인가할 수도 있으며, 자석에서 발생된 자속을 인가할 수도 있다. 도 3 및 도 4는 각각 아크에 코일을 이용해 발생된 자속을 인가하는 경우와 자석에서 발생된 자속을 인가하는 경우를 개념적으로 도시한 도면이다.
자장 발생부(114)는 아크와 이격된 위치에서 아크 방향으로 자속을 인가할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 아크에 자속을 인가하는 방식으로 아크의 위치를 이동시켜 아크를 차단하거나 아크 전압을 증가시켜 용이하게 고장 전류를 제한할 수 있게 된다.
아크의 이동은, 전류와 자속이 존재하는 경우 발생하는 힘에 의해 설명될 수 있으며,
F = I X B
의 수학식에서 확인할 수 있는 바와 같이, 전류와 자속에 대해 직각 방향으로 힘이 작용한다. 이때, F는 아크에 작용하는 힘이고, I는 아크의 세기이며, B는 인가된 자속의 크기이다.
도 3에서와 같이 코일을 이용하는 자장 발생부(114)의 경우, 코일에 전류를 흘려주어 자속을 인가시키기 때문에 코일에 전류를 흘려주는 시점 및 전류의 크기에 따라 자속 인가 시점 및 자속 세기가 달라질 수 있고, 그에 따라 아크 소호 능력이나 아크 전압이 달라져 고장 전류 제한 성능이 달라질 수 있다. 따라서, 최적의 성능을 얻기 위해서는 적절한 제어가 필요하게 된다.
또한, 도 4에서와 같이 자석을 이용하는 자장 발생부(114)의 경우, 그 배치 형태는 가로 또는 세로 어느 형태로도 구현 가능하다. 도 4에서와 같이 가로 형태인 경우, 자장 발생부(114)의 오른쪽 끝에 별도의 자석이 붙어 있어 자석에서 나오는 자속이 자장 발생부(114)를 통해 아크로 인가된다. 세로 형태인 경우 가로 형태의 경우와 마찬 가지로 별도의 자석을 이용할 수도 있지만, 세로 형태로 배치된 자장 발생부(114) 자체를 자석으로 구현하는 것이 일반적일 것이다.
아크 변형부(116)는 아크를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 자장 방향의 왜곡 등 다양한 원인에 의해 아크가 의도된 방향과 다른 방향으로 이동하는 경우에도 효과적으로 아크를 차단할 수 있게 된다.
도 5는 아크를 둘러싸도록 형성된 아크 변형부의 예가 도시된 도면이다. 도 5에는 자장 발생부(114)가 기계식 스위치(112)의 우측에 위치하며, 가동부(112-1)와 고정부(112-2) 사이에 형성되는 아크를 원기둥 형태로 둘러싸도록 아크 변형부(116)가 형성되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 아크 변형부(116)는 망 형태로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 보다 용이하게 아크 변형부의 형태를 형성할 수 있다. 아크 변형부(116)는 판 형태와 같이, 자속에 의해 위치 이동된 아크가 물리적으로 분할될 수 있는 구조이면 어떠한 형태로도 구현 가능하겠지만, 망형태를 이용함으로써 전극의 구조에 대응하여 보다 유연하게 아크 변형부(116)를 형성할 수 있을 것이다.
또한, 아크 변형부(116)는 절연 물질 또는 도전 물질로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 아크 전류를 차단하거나 아크 저항의 증가로 보다 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있게 된다. 아크 변형부(116)를 도전 물질로 형성하는 경우에도 아크 저항 증가의 효과를 얻을 수는 있겠지만, 절연 물질의 경우 그 효과가 더욱 커질 수 있다.
도 1의 고장 전류 저감 장치(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상시에는 전류가 고속스위치(F/S; 112)로 흐르며, 고장 전류가 발생하여 고속 스위치(112)가 개방동작을 수행하면 고속 스위치의 전극 사이에는 아크가 발생한다. 이때 자장 발생 장치(114)에서 자장을 발생시키면 아크가 소호되거나 아크 전압이 증가한다. 통전 경로의 고속 스위치(112)에서 아크가 소호되거나 아크 전압이 증가하면 고장 전류는 저항을 포함한 임피던스 장치(122)로 경로를 이동하며 감소하게 된다.
종래 교류 전류를 차단하기 위해 적용된 기술은 통전 경로에 고속 인터럽터가 위치하여 고장 전류 발생시 고속인터럽터의 단순 개방만으로 전류 영점에서 고장 전류를 차단하면서 상전류 한류 소자로 전류를 이동시키는 방식을 사용하는 반면, 본 발명은 통전 경로상에 위치한 종래의 고속 인터럽터에 자장 발생 장치와 아크 소호 수단을 추가함으로써 통전 경로의 고속 스위치에서 임피던스 장치로 고장전류를 이동시키는 방법을 사용한다.
따라서, 본 발명은 전류 영점이 존재하는 AC 계통은 물론, 전류 영점이 존재하지 않는 DC 계통에도 적용이 가능하며, 전류 영점까지의 시간 지연이나 반파장의 고장 전류를 경험하지 않고 빠른 한류가 가능하다.
본 발명이 계통에 적용되면 DC 차단기가 직류 고장 전류를 빠르게 차단해야 하는 책무를 완화시킬 수 있으며, 본 발명을 기존 차단기에 적용할 경우 한류기능을 갖춘 새로운 형태의 차단기를 개발할 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.

Claims (8)

  1. 기계식 스위치를 포함하는 주 통전로; 및
    상기 주 통전로와 병렬 연결되고 임피던스를 포함하는 보조 통전로를 포함하며,
    상기 주통전로는 자장을 발생하여 상기 기계식 스위치의 가동부와 고정부에 사이에 발생하는 아크의 위치를 미리 설정된 방향으로 이동시키는 자장 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주통전로는 상기 아크의 위치 이동에 의해 상기 아크가 분할되도록 형성된 아크 변형부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 자장 발생부는 상기 아크와 이격된 위치에서 상기 아크 방향으로 자속을 인가하는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 아크 변형부는 상기 아크를 둘러싸는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 아크 변형부는 망 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 아크 변형부는 절연 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 주통전로는 상기 아크의 위치 이동에 의해 상기 아크의 저항이 증가하도록 형성된 아크 변형부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 아크 변형부는 도전 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고장 전류 저감 장치.
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