KR0179365B1 - 직류고속도 진공차단기 및 직류고속도 차단기를 구비한 전기차 - Google Patents

Abstract

직류전류 구간을 주행하는 전기차에서는 종래 직류고속도 차단기에 의해 사고전류를 차단하고 있다.

그러나, 이 차단기에서는 급속한 사고전류에 대한 응답이 늦어서, 변전소의 차단기가 작동해버려 다른 전기차에도 영향을 미친다.

그래서 보다 고속인 직류고속도 진공차단기를 전기차에 탑재하였으나, 종래형태의 직류고속도 진공차단기로 1KHz 이상의 전류(轉流)주파수를 얻는 것은 불가능하게 되어 있고, 이 주파수에서는 전류(轉流)콘덴서등이 너무 커지게 되어 전기차에는 탑재할 수가 없다. 그래서, 각종의 인덕턴스를 고려하여 2KHz 이상의 차단을 가능하게 하는 것에 의해 소형화를 도모하고, 전기차에도 탑재하도록 하였다.

Description

직류고속도 진공차단기 및 직류고속도 차단기를 구비한 전기차

제1도는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면.

제2도는 전류(commutation)콘덴서 용량, 전류인덕턴스, 전류주파수 및 전류전류의 관계를 나타내는 도면.

제3도는 본 발명의 전류원리를 나타내는 도면.

제4도는 본 발명에 따른 직류고속도 진공차단기를 수납함에 수납한 도면.

제5도는 동작파형을 나타내는 도면.

제6도는 본 발명에 의한 직류고속도 진공차단기를 전기차에 적용한 도면.

제7도∼제10도는 다른 실시예를 나타내는 도면.

제11도는 실험장치를 나타내는 도면.

제12도는 다른 실시예를 나타내는 도면.

제13도는 가포화(可飽和)리액터의 특성을 나타내는 도면.

제14도는 제12도에 표시한 실시예의 효과를 표시하는 도면.

제15도는 제12도에 표시한 실시예의 다른 실시예를 표시하는 도면.

제16도는 종래의 기중차단기를 전기차에 실장(室裝)한 도면.

제17도∼제19도는 본 발명에 의한 직류고속도 진공차단기를 전기차에 실장한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

7 : 직류전원 2 : 진공밸브

16 : 라인브레이커 2b : 반발코일

8a : 과전류검출기 6 : 전류스위치

4 : 전류콘덴서 3 : 산화아연비직선저항

전차나 전기기관차(이하, 전기차라함)는 인버터나 초퍼(chopper)의 주회로에 사용되는 소자(사이리스터, 게이트 턴오프 사이리스터, 트랜지스터 등)의 파손에 의한 단락고장, 주회로의 일부배선의 절연 불량에 의한 지락고장, 제어계 고장에 의한 전류의 이상상승 등의 고장이 발생하는 가능성을 내재하고 있다.

이와 같은 고장을 그대로 방치하여 두면 기기의 소손을 초래할 염려가 있으며 이것을 미연에 방지하기 위하여 종래의 전기차에는 과대전류가 흘렀을때 그것을 차단하는 차단기가 설치되어 있다.

그렇지만, 종래에 사용되고 있는 기중(공기) 차단기에서는 그 구조상 사고전류가 흐르게 된때부터 이것을 차단할대까지의 차단속도가 늦고, 그 차단기가 동작하기 전에 그 전기차가 존재하는 급전구간의 지상변전소에 설치되어 있는 차단기가 먼저 동작해버리는 문제가 있었다. 지상변전소의 차단기가 동작하면, 그 변전소가 전력을 공급하는 급전구간내에 존재하는 전기차 전부가 전력의 공급을 받지못하고 정지해 버린다. 즉, 한 전기차의 사고가 다른 전기차에까지 영향을 미치게 되는 것이다.

만일, 과밀다이야를 가지는 노선에서 이와 같은 사고가 일어나면, 그 급전구간의 전기차뿐만이 아니라 다른구간의 전기차에도 영향을 미치는 것은 쉽게 알 수 있다.

이 원인은 상기 전기차 위에 탑재된 기중차단기의 차단속도가 느리기 때문이다.

그래서, 최근에 더욱 고속차단기로서 직류진공 차단기를 필요로 하게 되어 왔다.

직류의 차단은 특개소 54-132776호 공보에도 기재되어 있는 것과 같이 직류가 전류영점을 갖지 않음으로 교류의 차단에 비교하여 곤란하다.

이것을 해결하기 위하여 직류차단에서는 개폐밸브(이하, 밸브라 칭함)에 병렬로전류(轉流)콘덴서를 설치하여 회로의 인덕턴스분과 함께 발진회로(전류(轉流)회로)를 형성시켜서, 인공적으로 전류영점을 만들어 내고 있다.

이 방법은 예비충전 방식과 무충전 방식의 2방법으로 대별된다. 예비충전 방식은 미리 콘덴서를 충전하여 두고, 밸브 개방시 콘덴서에 축적된 전하를 방전시키는 것이므로, 콘덴서와 인덕턴스분으로 진동이 발생한다. 이 발진회로는 순저항분이 존재하므로 진동의 진폭은 지수함수적으로 감소한다. 이 진동의 초기무렵의 진폭이 전류영점을 통과하는 것에 의하여, 밸브내의 아크전류가 없어지며 차단을 완료한다.

무충전 방식은 음성아크 특성을 가지는 밸브를 사용하여 이 밸브에 콘덴서를 병렬로 접속하고 밸브 개방시에 발산진동전류를 얻는다. 이 발산방향에 있는 진동의 진폭이 영점을 통과하였을때에 차단하는 것이다.

그러나, 이 방식은 진동이 증가하여 전류영점을 통과할때까지 어느 정도의 시간이 필요하다.

따라서, 전류영점을 통과하는데 필요한 시간동안 지상변전소의 차단기를 동작시켜 버리는 문제가 있으므로, 전기차에 탑재하는 차단기는 예비충전식의 경우가 좋다.

특개소 54-132776호 공보에 기재된 예비충전방식의 직류차단기는 다음과 같은 것이다.

밸브에 콘덴서를 병렬로하여 표유(漂遊)인덕턴스와의 공진회로를 형성시킨 것만으로는 밸브를 흐르는 전류가 전류영점을 가로지를때의 시간 미분(di/dt)인 전류경사가 지나치게 크므로 차단하기가 어렵게 된다. 그래서, 전류경사를 작게하기 위하여, 표유 인덕턴스만이 아니고, 수밀리헨리(mH) 이상의 인덕턴스를 콘덴서에 직렬로 접속하고 있다.

상기 종래기술의 콘덴서와 인덕턴스의 크기를 변화시켜 볼 때, 인덕턴스를 수 mH로 하면, 콘덴서는 수천에서 수만 마이크로 패럿(μF)으로 되고 그 용적자체도 상당히 크게 된다.

전기차는 기기를 바닥밑이나 지붕에 설치하고 있고, 기기탑재 공간이 현저하게 제한되어 있어, 장치가 너무 크면 전기차에 탑재할 수가 없다.

본 발명의 목적은 전기차에도 탑재할 수 있는 예비충전 방식을 사용한 직류진공차단기를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 직류를 차단하는 진공밸브와, 그 진공밸브에 병렬로 접속된 콘덴서 및 개폐수단의 직렬체와, 그 콘덴서를 충전하는 수단과, 상기 진공밸브에 병렬로 접속되고, 직류가 흐르는 배선의 표유 인덕턴스에 축적되어 있는 에너지를 소비하는 소자를 구비한 것에 있어서, 상기 진공밸브, 콘덴서 및 개폐수단을 포함하는 폐회로의 진동주파수를 2KHz이상, 전류(轉流)전류를 5000A 이상 또한 상기 폐회로에 포함되는 전류(轉流)인덕턴스를 1μH이상으로 한 것이다.

상기 수단은 전류(轉流)회로의 진동주파수가 2KHz이상이므로 전류(轉流)리액터는 표유 인덕턴스로서도 적합하고, 전류(轉流)콘덴서를 상당히 작게 할 수 있다. 따라서, 좁은 전기차의 바닥밑에도 탑재할 수가 있다.

특개소 54-132776호 공보에 의하면, 예비충전방식에서는 밸브에 병렬로 접속된 전류(轉流) 콘덴서와 인덕턴스에 의한 진동전류의 주파수가 1KHz이상으로 되면 확실하게 차단할 수 없는 것으로 되어 있다. 그것은 전류 경사가 크게 되버린다고 하는 이유 때문이다.

다음에 직류차단기의 진동주파수와 인덕턴스와 콘덴서의 관계를 간단하게 설명한다.

차단기의 차단능력(어느정도의 주전류까지 차단할 수 있는가라고 하는 능력)은, 예비충전된 전류(轉流) 콘덴서로부터의 전류가 주전류와 역방향으로 흐르는 전류(轉流)전류의 크기에 의존한다. 즉, 밸브에 발생한 아크를 소멸시키기 위하여는 전류(轉流)전류의 피크치가 주전류보다 크게 되는 것이 조건으로 된다.

전류(轉流)전류(i)는 아래식으로 주어진다.

전류회로를 충분한 단면적의 전선으로 구성하면 저항분은 거의 영으로 볼 수 있다.

따라서 (1)식은

(2)식에서 전류(轉流)전류의 피크치는

전류(轉流)전류(I_P)를 크게 하기 위해서는 전류(轉流)콘덴서의 충전전압(V) 또는 콘덴서의 용량(C)을 크게 하든가, 인덕턴스(L)를 작게 하면 좋다.

한편, 전류(轉流)회로의 고유주파수(fo)는 아래식과 같이 된다.

그러므로 인덕턴스(L)나 전류(轉流)콘덴서(C)의 결정에는 주파수(fo), 최대전류(I_P)를 결정하면 아래식에 의하여 결정되게 된다.

따라서, 전류(轉流)능력을 변하지 않고, 전류(轉流)콘덴서용량(C)을 작게하는 방법으로서 전류(轉流)콘덴서 충전전압(V)을 크게 하는 것이 고려된다. 단, 이 경우 인덕턴스(L)가 크게 되버린다는 문제가 있고, 또 각 기기와의 절연내압설계상의 관점에서 콘덴서 충전전압(V)을 회로전압에 비하여, 극단적으로 상승시켜서 사용한다는 것은, 그것에 수반하여 회로기기가 크게 되버리므로 상책은 아니다.

이상의 식에 의거한, 콘덴서 용량(C), 인덕턴스(L), 전류(轉流)전류의 피크치(I_P)와의 관계를 제2도에 표시한다.

예를 들면, 주파수를 상술의 1KHz, 전류(轉流)전류를 10KA로 생각하면, 콘덴서용량은 1,000μF, 인덕턴스는 20μH로 되며, 이 용량의 콘덴서의 크기는 일반적으로 가로 800mm, 세로 500mm, 높이 500mm 정도라고 되어 있다. 이것으로는 전기차의 바닥밑에 탑재하기에는 지나치게 크다.

전류(轉流)콘덴서 용량(C)이나 전류(轉流) 인덕턴스(L)를 작게하기 위해서는 전류(轉流)회로의 주파수(fo)를 높게하면 바람직하게 되는 것이 제2도를 통해 용이하게 이해할 수 있다.

그러나, 상술의 특개소 54-132776호 공보 및 전기학회지 소화 53년 6월호 98권 6호 임계프라즈마 시험장치 JT-60용 직류차단기 제44페이지에 기재되어 있는 것과 같이, 전류(轉流)전류의 주파수는 1KHz정도가 한계인 것이 표시되어 있다. 이것은 전류영점근방의 전류감소율이 크면 밸브가 전류를 차단하기 어렵기 때문이다.

이대로는 전류(轉流)콘덴서(C)나 전류(轉流)인덕턴스(L)를 작게할 수가 없다.

여기서, 진공차단기에 관하여 간단하게 설명한다.

공기중에서 전류가 흐르고 있는 밸브를 개방하면 전극간에 존재하는 원자가 이온화된다. 이 이온의 흐름이 아크이다.

한편, 진공중에서는 전극간에 원자가 존재하지 않으므로, 원리적으로는 진공중에서의 밸브 개방시에는 아크가 발생하지 않게 된다. 이 원리를 응용한 것이 진공차단기이다.

이것이 진공차단기가 고속으로 동작하는 이유이다.

그러나, 완전한 진공상태를 만들어내는 것은 대단히 곤란하며, 또 밸브개방시에 용융(溶融)한 전극의 금속원자가 이온화되는 등의 이유에 의하여 실제로는 수십볼트의 아크전압에 의한 아크가 발생하고 전류가 계속하여 흐른다. 이 아크를 소호(消弧)하기 위해서는 전류(轉流)회로가 필요한 것이다.

그러면, 말을 원점으로 되돌려서 전류(轉流)주파수를 크게하면 콘덴서, 인덕턴스 모두 작게할 수가 있으나, 전류(轉流)주파수의 최대치에는 한도가 있고 그 실현은 불가능하다고 생각되어 왔었다. 그래서 본 발명의 발명자들은 아래와 같은 실험을 시도하였다.

제11도(a)가 측정회로이다.

직류전원(7)으로부터의 전류가 가변의 부하(9a,9b)를 통하여 사고전류로 된다. 처음에는 라인브레이커(Line breaker)(16)를 오프, 진공밸브(2)를 접속상태로 하여 놓는다. 주전류(I_L,I_C), 진공밸브(2)간의 전압(V_VCB)을 주로 관측하기로 하였다. 실험방법은 오프상태에 있는 라인브레이커(16)를 온으로 하고 사고전류를 발생시켜서, 과전류검출기(8a)의 검출치가 세트치를 넘으면, 제어부에서 트립지령이 내려져 반발코일(2b)이 여자되고, 진공밸브(2)가 개극(開極)하여 전류차단상태에 도달하도록 하여 둔다. 다음으로 라인브레이커(16)를 오프하고 리셋지령을 주어 진공밸브(2)를 개극시켜 다음의 실험으로 옮긴다.

이 실험은 종래 차단 불능으로 알려진 영역에서 행하므로 처음의 수회(다음표 1∼4)는 과전류검출기(8a)를 사용하지 않고, 제어부 내부에서 시간적으로 트립지령을 내리게 한 것이므로 후술의 세트치는 표시하지 않고 있다.

다음에, 제11도(b)에서 용어의 설명을 한다.

도면의 실선은 전류(I_L)이고, 일점쇄선은 사고전류를 차단하지 않고 계속하여 흐르게 한 경우의 전류곡선이다.

세트치라는 것은 과전류검출기(8a)의 검출치가 어느 만큼 되었을때에 차단기를 동작시킬 수 있는가라는 동작전류치인 것이고, 또 실차단전류라는 것은 실제의 차단기의 동작점이다. 또, 차단전류는 차단기의 차단능력을 표시하는 것이다.

다음에 실제로 차단이 성공한 실험결과를 표에 표시한다.

이 표에서 전원전압 1600(V), 세트치 2080(A), 전류(轉流)주파수 11.1(KHz)로서 차단할 수 있는 것이 입증되었다. 전류(轉流)주파수는 종래 일컬어진 값의 약 10배이다. 이 전류(轉流)주파수를 고주파로 할 수 있는 것에 의하여 전류(轉流)리액터를 생략하여, 인덕턴스 성분으로서는 배선에 있는 표유 인덕턴스만으로 할 수가 있고 또 전류(轉流)콘덴서도 50μF인 소용량으로 할 수가 있었다.

상기 표유 인덕턴스는 배선을 아무리 짧게 하여도 1(μF)정도는 남게 되므로, 전류(轉流)주파수는 대개 30(KHz)∼40(KHz)가 한도이다.

그것에 관련해서 이때의 전류(轉流)콘덴서의 값은 약 30(μF)이다. 다음에, 제1도를 사용하여 본 발명의 한 실시예를 설명한다.

직류전원(7)으로부터 주전류는 진공밸브(2a) 및 정지형 과전류인출장치(8,8a)를 통하여 부하(9)에 이른다. 그 진공밸브(2a)의 극간에 병렬로 전류(轉流)콘덴서(4) 및 개폐수단인 전류(轉流)스위치(6)의 직렬체가 접속되어 있다. 또, 전류(轉流)콘덴서(4)등과는 별도의 루프로 진공밸브(2)와 병렬로 산화아연 비직선저항(3)이 접속되어 있다.

이 폐회로의 표유 인덕턴스는 전류콘덴서(4)등으로부터 이루어지는 폐회로의 그것보다 작게 되어 있다.

즉, 산화아연 비직선저항(3)과 진공밸브(2a)로 구성되는 폐회로 쪽이 배선길이가 짧은 것이다.

또한, 도시하지 않았으나 전류(轉流)콘덴서(C)의 양끝단에는 충전용의 회로가 접속되어 있다.

정지형 과전류인출장치(8)가 이상전류를 검지하면 주반발(主反發)코일(2b)이 여자되어 쇼트링(2c)이 주반발코일(2b)로부터 멀어지도록 동작하여 진공밸브(2a)가 개극(開極)한다.

이하, 제3도를 사용하여 본 발명의 동작원리를 설명한다.

제3도(a)에는 폐극된 진공밸브(2a)를 통해서 주전류가 흐르고 있는 상태가 그려져 있다.

또, 전류(轉流)콘덴서(4)는 도시하는 방향으로 충전되어 있다. 고장조건에 의하여 열림지령이 내려지면 우선, (b)에 표시한 것과 같이 진공밸브(2a)가 개극된다. 개극후도 주전류는 진공중을 아크로 되어 계속하여 흐른다. 다음에 전류스위치(6)에 온 지령이 나와 (c)와 같이 닫는다.

그 순간 전류(轉流)콘덴서(C)에 충전된 전하는 전류(轉流)콘덴서(4)→표유 인덕턴스(5)→전류(轉流)스위치(6)→진공밸브(2a)→전류(轉流)콘덴서(4)의 폐회로가 형성되므로 주전류와 역방향의 진동전류로 되어 흐르기 시작한다. 마침내, 진공밸브(2a)의 전류가 영근방(수A)으로 되면 아크는 소호된다. 그러나, 통상 거기까지 존재하고 있던 잔류전류(아크로 되어 진공밸브(2a)중에 흐르고 있던 전류)가 아크가 소거되는 순간 소멸하고, 첨두적인 전압(dv/dt)으로 되어 진공밸브(2a)의 양끝단에 인가되어 재점호하고 만다. 본 실시예에서는 진공밸브(2a)에 병렬로 접속되어 있는 산화아연 직선저항(3)의 배선길이를 전류(轉流)회로의 배선길이 보다 짧게 하고 있으므로 산화아연 비직선저항(3)측의 인덕턴스가 작다.

따라서, 변화하는 전류에 대하여 인덕턴스가 큰 경우에 비하여, 전류가 산화아연 비직선저항(3)측에 흐르기 쉽다.

산화아연 비직선저항(3)은 용량분이 있고, 그것의 크기는 진공밸브(2a)의 개극시의 용량의 2000배 전후이다.

상술한 것을 근거로 하여 진공밸브(2a)의 아크재점호 방지의 현상을 설명한다.

아크가 소호된 순간의 잔존전류는 가장 흐르기 쉬운 용량분으로 향하여 흘러들어간다. 이 경우에는 산화아연 비직선저항(3)이다. 따라서, 첨두적 전압이 진공밸브(2a)에 인가되는 것을 방지하고, 아크의 재점호를 방지할 수 있는 것이다.

또한, 상기 실시예에는 산화아연 비직선저항을 대표적으로 들고 있으나, 정전압특성을 갖고 에너지소비형의 소자이고 약간의 용량분이 있는 것이면 다른 소자를 사용하여도 지장은 없다.

또, 전류(轉流)전류의 피크(I)는 실차단전류의 1.2배 이상이 좋다고 되어 있다. 실차단전류의 크기는 부하로 되는 전기차 등의 출력 및 전류전원전압에 의하여 결정된다. 전기차의 출력 500KW∼6000KW정도 및 직류전원전압 600V∼3000V 정도를 고려하면 그 전류(轉流)전류(I)의 크기는 5000(A)이상이 바람직하다.

이것에 의하여 아크는 완전하게 소호되고, 주전류는 전류(轉流)콘덴서(4)를 충전한다(제3도(d)).

산화아연 비직선저항(3)의 정전압은 전원전압(E)보다 큰 것을 선택하여, 전류(轉流)콘덴서(4)의 전압이 상승하고 (e)와 같이 전류(轉流)스위치(6)를 열면 주회로의 인덕턴스에 축적된 에너지를 소비한다. 이 경우 산화아연 비직선저항(3)은 저항으로서 동작한다.

다음에, 트립되었을때의 각부의 파형을 제5도를 사용하여 설명한다. 제5도에 있어서 가로축은 시간의 경과를 표시한 것이다.

사고에 의하여 주전류가 점증하고 (a)에 있어서 과전류 세트치를 넘었다고 한다. 과전류가 검지되어, 주극의 개극지령이 주어져, (b)에서 개극한다. 주전류는 진공중의 갭을 아크로되어 흐름이 계속된다. 다음에 (c)에 있어서 전류(轉流)스위치(6)를 닫고 전류(轉流)전류가 흐르기 시작한다.

진공밸브(2a)를 흐르게 되는 전류는 전류(轉流)전류와 상쇄되어 마침내 영으로 된다(d). 다음에 아크가 소호된 순간의 나머지의 주전류는 산화아연 비직선저항(3)으로 향하여 흐르고, 진공밸브(2a) 극간 첨두적인 전압의 상승을 방지한다.

그후, 전류(轉流)콘덴서(4)에 흐르는 양이 늘고, 마침내 산화아연 비직선저항(3)의 방전개시전압에 도달하여(e), 산화아연 비직선저항(3)에 전류가 흐르고 주회로의 인덕턴스에 축적되어 있던 에너지가 소비되어 주전류는 감쇠하여 전차단을 완료한다(f).

상기의 회로의 배치를 제4도를 사용하여 설명한다.

제4도는 직류고속도 진공차단기의 진공밸브 및 여자코일 등을 수납한 수납함(10), 전류(轉流)콘덴서(4), 전류(轉流)스위치(6) 산화아연 비직선저항(3), 다른기기 등을 수납하여 전기차의 바닥밑에 부착하는 수납함내의 배치도이다. 이 도면은 수납함(10)을 위에서 본 도면, 즉 전기차의 바닥측에서 본 도면이다. 본래의 전류(轉流)콘덴서(4)를 포함하는 폐루프의 배선길이를 극히 짧게 하고자 하였으나 도면에서도 알 수 있는 바와 같이 전류(轉流)콘덴서(4)는 크므로 그것은 어렵다. 따라서, 산화아연 비직선저항(3)의 배선을 짧게 하고 있다.

이를테면 이 수납함(10)의 크기는 가로 550mm, 세로 600mm, 높이 500mm이다. 높이가 500mm로 낮은 이유는 리니어모터식 지하철에도 사용할 수 있도록 배려한 때문이다.

이상의 실험결과 및 실시예를 다음에 간추린다. 상술의 공지예 2건에서 전류(轉流)전류의 주파수가 1KHz 이상에서는 차단할 수 없다는 것이었었다. 그것은 차단전류경사(di/dt)가 지나치게 커서 재점호하고 말기 때문이었었다. 그런데, 본 발명자들에 의한 실험에서는 1KHz이상의 주파수에서도 차단이 가능한 것을 알았다.

그 결과, 상술의 실시예에서는 전류(轉流)회로에 리액터를 삽입하고 있지 않다. 즉, 전류(轉流)회로의 인덕턴스는 배선에 의한 표유 인덕턴스 전류(轉流)리액터(5)가 표유 인덕턴스)뿐이다. 그 값을 5μH로 하고 전류(轉流)콘덴서(4), 전류(轉流)전류의 주파수를 계산한다.

로 표시되고, 충전전압(V)를 1500V, 최대전류(轉流)전류(I_P)를 6000A로 계산하면 C=80(μF)로 되고, 이때의 전류(轉流)주파수(f)는

로 된다.

본 실시예의 효과는 상기와 같이 전류(轉流)콘덴서(4)를 작게하고 전류(轉流)리액터(5)를 생략하는 것 뿐만 아니라, 어떠한 이유에 의하여 최초의 영점에서 차단을 실패하여도 주파수가 높으므로 다음의 영점까지의 시간이 짧아서 바로 차단되는 효과도 있다.

다음에 상기와 같은 직류고속도 진공차단기를 전기차에 사용한 경우에 관하여 제6도를 사용하여 설명한다.

통상 직류고속도 진공차단기(1)는 폐극상태로 되어 있다. 다음에 판타그래프(pantagraph)(15)를 가선(架線)(전차선)(14)에 접촉시키고, 라인브레이커(16,18)를 투입한다.

용량이 큰 필터콘덴서(21)는 충전저항(19)을 통하여 충전된다. 충전완료 후 라인브레이커(17)가 투입되어 운전가능상태로 된다.

도시하지 않은 주간(主Sc)제어기를 운전사가 조작하면 그 조작량에 따라서 주전동기 제어부가 도시하지 않은 전동기를 동작시킨다.

역행(力行)운전중에 운전사가 노치오프(notch off)하면, 주전동기제어부(특히 인버터의 경우)는 주전류를 감소시키고, 그후 라인브레이커(16,17)를 열어 차단한다. 이것을 감류(感流)차단이라고 한다.

다음에 사고시에 관하여 설명한다.

사고의 검출은 이 경우 2가지 방법이 있으며 제1방법은 과도전류검출기(8a)가 세트치 이상의 주전류를 검출한 경우, 제2방법은 주전동기 제어부내부에서 소자등의 고장이 검지되어, 외부트립지령을 송출한 경우이다.

이것들의 신호가 직류고속도 진공차단기(1)내부의 제어부(이하 제어부라함)에 입력되면, 그 제어부는 트립지령을 반발코일(2b)에 송출하고 그 반발력에 의하여 진공밸브(2a)가 개극하고 록(lock)기구에 의하여 그 상태로 록된다.

다음에 유효하게 전류(轉流)전류가 작용하는 지점까지 개극된 무렵(시간에서 동작한다)에 제어부는 전류(轉流)지령을 반발코일(6a)에 송출하여 전류(轉流)스위치(6)를 동작시킨다.

그러면 미리 충전된 전류(轉流)콘덴서(4)로부터 전류(轉流)전류가 흘러 상술과 같이 차단을 완료한다. 차단이 완료되면 주전류가 영으로 되므로 제어부는 LB 오프지령을 송출하여 라인브레이커(16,17)를 개극한다.

사고가 회복되면, 운전사가 운전대에 있는 리세트 단추스위치를 누르는 것에 의하여 리세트 동작이 개시된다.

제어부에 리세트지령이 입력되면 제어부는 리세트 지령을 리세트코일(13)에 송출하고 록기구가 해제되어 진공밸브(2a)가 폐극한다. 다음으로 충전전류를 흘려 전류콘덴서(4)를 소정치로 충전하고, 직류고속도 진공차단기(1)는 대기상태로 들어간다.

본 실시예에 의하면 전기차용에 특히 콤팩트화된 고성능인 직류고속도 진공차단기를 전기차에 탑재할 수가 있고, 사고시에도 지상변전소의 차단기보다 빨리 사고전류를 차단할 수가 있으므로 다른 전기차에 많은 영향을 주지 않는다.

본 발명의 다른 실시예를 제7도를 사용하여 설명한다.

본 도면에 있어서 제1도와 상이한 점은 산화아연 비직선저항(3)을 전류(轉流)회로(전류(轉流)콘덴서(4)와 전류(轉流)스위치(6)를 포함한 회로)측에 병렬로 접속하여, 서지흡수콘덴서(30)를 진공밸브(2a)의 근방(전류회로의 폐루프 보다도 배선길이가 짧게 되도록)에 병렬로 접속한 것이다.

이 회로에 있어서, 전류(轉流)전류가 진공밸브(2a)로 흘러들어가 아크가 소호되면 아크소호시의 잔존전류의 거의 반은 서지흡수콘덴서(30)로 흘러 전압상승율이 억제되어 재점호를 억제한다.

이 콘덴서(30)의 용량을 진공밸브의 개극시의 용량보다도 크게 선택하면 좋다. 단, 너무 큰 것으로 하면 형상이 지나치게 크게 되므로 전기차에는 적합하지 않게 된다.

이 실시예의 효과는 서지흡수콘덴서(30)의 용량을 목적에 따라서 선택할 수 있는 점에 있다.

예를 들면, 산화아연 비직선저항(3)이 큰 경우에는 표유 인덕턴스를 충분하게 작게할 수가 없다. 이때 서지흡수콘덴서(30)의 크기가 작은 것을 선택하면 좋다. 기타의 실시예를 제8도를 사용하여 설명한다.

제7도의 구성과 상이한 점은, 산화아연 비직선저항(3)에 병렬로 저항(31)을 접속한 것이다.

진공밸브(2a)를 개극하여 차단하고, 산화아연 비직선저항(3)이 동작할 때, 직류전원(7)으로부터의 표유 인덕턴스(5)에 축적된 에너지가 클 경우, 저항(31)도 소비한다. 따라서, 산화아연 비직선저항(3)의 부담이 경감된다. 단, 이 경우 주전류는 완전하게 소멸되지 않고 직류전원(7)→저항(31)→부하(9)의 순으로 계속 흐르므로 낮은 전류를 차단하는 스위치가 필요하게 될 것이다.

다른 실시예에 관하여 제9도를 사용하여 설명한다.

제8도와의 구성상의 차이는 산화아연 비직선저항(3)이 없어진 점이다. 저항(31)만으로 표유 인덕턴스에 축적된 에너지들을 소비시키는 것이다. 저항(31)에는 산화아연 비직선저항(3)과 같이, 정전압 특성이 없으므로 전류는 방류하게 된다. 이 경우에도 역시 다른 브레이커가 필요하게 될 것이다.

본 실시예에 의하면 구성이 간단한 것은 물론 또한 저가이므로 비교적 작은 전류를 차단할 경우에 적합하다.

다른 실시예에 관하여 제10도를 사용하여 설명한다.

제7도와 상이한 것은 산화아연 비직선저항(3)을 서지흡수콘덴서(30)에 병렬로 한 것이다.

산화아연 비직선저항(3)만으로는 용량이 부족하여 재점호의 가능성이 있는 경우 등에 유효하다.

다른 실시예를 제5도, 제12도, 제13도, 제14도 및 제15도를 사용하여 설명한다.

제5도중 (c)는 전류(轉流)스위치가 투입된 타이밍, (d)는 진공밸브의 전압이 제로로된 타이밍, (e)는 산화아연 비직선저항이 방전을 개시한 타이밍, (f)는 주전류가 완전하게 감쇠한 타이밍을 표시한다.

또, V₁은 진공밸브가 내압을 회복한 직후에 진공밸브 양끝단에 가해지는 전압(이 시점에 있어서의 전류(轉流) 콘덴서 전압도 거의 똑같다)이고, V₂는 산화아연 비직선저항의 방전개시전압이고, V₃는 전원전압이다.

진공밸브는 아크의 확산이 대단히 빠르고 전류가 제로로 된 순간에 내압이 회복하여 전류는 차단된다. 그러나, 밸브전류의 변화율(di/dt)이 너무크면 일단 전류가 제로로 되어도 재점호하여 재차 전류가 역방향으로 흐르기 시작하는 일이 있다(차단실패). 이것은 본래 진공밸브중의 전류가 제로로 된 순간에서 밸브의 내압이 회복하여, 이후 밸브전류가 제로로 유지되어야 할 것이, 밸브의 극간전압이 제로로 되어 주회로 전류에 진동전류가 중첩된 것이 흐른다.

그런데, 전기차에 탑재할 수 있도록 장치를 소형화하기 위해서는 상술과 같이 전류(轉流)콘덴서, 전류(轉流)리액터의 값을 작게하고, 기타 정수를 작게하여, 피크치가 일정한 진동전류의 주파수를 높게해 줄 필요가 있다.

이 결과 진공밸브의 전류가 제로로 되는 시점에서의 전류변화율이 크게 되버려 재점호 할 염려가 있다.

이점을 해결하는 종래예로서 전류(轉流)콘덴서에 직렬로 저항을 접속하는 특개소 59-163722호 공보가 있으나 전류(轉流) 에너지의 일부가 저항에 의하여 소비되고, 전류(轉流)전류의 피크치가 내려가서, 최대차단전류가 작게되고 만다.

그래서, 제12도에 표시하는 바와 같이 본 실시예에서는 진공밸브(2a)와 직렬로 전류(轉流)회로의 폐회로내에 가포화리액터(32)를 삽입하였다. 가포화리액터(32)는 이상적으로는 제13도에 표시하는 바와 같이 밸브에 흐르는 전류치가 작을때에는 대단히 큰 인덕턴스 값을 갖고, 어느 정도 이상전류가 크게되면 급격하게 인덕턴스 값이 작게되는 특성을 갖고 있다.

본 실시예에 있어서 전류가 차단되었을때의 파형을 제14도에 표시한다.

전체적으로는 종래와 마찬가지이지만, 타이밍(t₂)일 때 즉 진공밸브의 전류제로점의 직전에 있어서 전류변화율이 현저하게 작게되어 있는 것을 알 수 있다.

이것은, 제로점으로 접근하는 전류치가 작아졌기 때문에 인덕턴스값이 대단히 커져서, 전류의 변화가 방해받기 때문에 발생하는 현상이다.

본 실시예에 의하면 공진회로의 각 정수치를 변화시키는 일없이, 진동전류의 주파수를 높게하고 높은 전류 피크치가 얻어지도록 한 상태 그대로 전류제로점 근방에서의 전류변화율을 작게할 수 있고, 진공밸브의 내압 회복을 확실하게 할 수가 있다.

다음으로 다른 실시예를 제15도에 표시한다.

이전의 실시예에서는 진공밸브(2a)의 전류제로점 근방에서의 전류변화율을 억제하기 위해서는 가포화리액터(32)를 삽입하였으나, 진공밸브의 내압회복을 방해하는 요인으로서 전류변화율외에 내압을 회복하는 과정에 있어서의 전압변화율도 문제가 된다. 즉, 번압변화율이 크면 내압회복의 과정에서 절연파괴가 일어나, 재점호하고 다시 전류가 흐르게 되는 현상이 발생한다.

이것을 억제하기 위하여 진공밸브(2a)의 극간에 콘덴서(33)를 진공밸브(2a)와 병렬로 접속하면, 이 콘덴서(33)에 의하여 전압의 급격한 변화를 억제할 수가 있다.

본 실시예에 의하면 진공밸브를 사용한 차단회로의 재점호의 가능성을 저감할 수가 있다.

다음으로 이와 같은 진공차단기를 전기차에 실장하는 경우에 관하여 설명한다.

종래의 단류기는 실개소 61-65640호 공보 기재와 같이 단류기함 전체를 2중 절연용 애자를 절연상태로 하여 전기차에 탑재하는 구조로 되어 있다.

제16도를 사용하여 간단하게 설명한다.

주회로 전류는 가선(14), 집전기(集電器)(15)를 통하여 단류기 수납함(41)으로 들어간다. 단류기 수납함(41)에는 라인브레이커(16,17) 및 고속차단기(40)가 직렬로 배치되어 있고, 단류기 수납함(41)을 통과한 주회로 전류는 필터리액터(20)를 통하여 제어장치함(42)에 도달한다(이것들은 부착공구(45)에 의하여 차체(50)에 부착되어져 있다). 제어장치함(42)으로부터의 제어전류에 의하여 주전동기(43)가 구동되고, 다시 차체(50), 차륜(車輪)(23)을 통하여 레일(24)에 흘러, 도시하지 않은 변전소로 되돌아간다.

그런데, 라인브레이커(16,17) 및 고속도차단기(40)((주)상술의 직류고속도 진공차단기(1)는 아니다)는 똑같은 기중차단기이므로 전류차단시에 아크가 발생한다. 이 아크 차단기 수납함(41)에 지락하여도 절연애자(44)에 의하여 차체(50)와는 절연상태로 되어 있으므로 접지사고로는 되지 않고, 도시하지 않은 변전소의 차단기를 트립시키지 않는 구성으로 되어 있다.

이와 같은 구성으로서, 상기 고속도차단기(40)를 제6도에 표시하는 직류고속도 진공차단기(1)에 그대로 바꾸어 설치하면 다음과 같은 문제가 생긴다.

직류고속도 진공차단기(1) 자체는 외부로 아크를 내보내지 않으나, 라인브레이커(16,17)는 기중차단기이므로 아크를 내보내고, 그 아크는 전위가 낮은 곳으로 옮겨간다.

그런데, 제6도에 표시한 것과 같이 직류고속도 진공차단기(1)에는 각종의 지령을 송출하는 제어부(12)가 설치되어 있다. 이 제어부(12)는 주전동기 제어부(인버터전기차, 초퍼전기차이면 게이트 제어부, 캄축차이면 노치진단(進段) 제어부 및 운전대 등)와 도시하지 않은 단자를 통하여 접속되어 있다.

이 단자에 접속되는 제어용 전원은 주회로 전압보다 훨씬 낮은 전압인 직류 100V, 24V 혹은 15V등이 사용되고 있다.

라인브레이커(16,17)의 접촉자가 떨어져서 전류를 차단하였을 때의 아크중 일부는 단류기 수납함(41)으로 흘러 노출되어 있는 도시하지 않은 가동접점 용수철, 단자 및 고정접점 대장식으로 옮긴다. 이것은, 제어용 전압이 주회로 전압에 비하여 아주 낮기 때문이다.

또 아크가 옮기기 쉬운 개소에 커버를 설치하고 있으나 이온화된 공기는 간단하게 들어가 버려서 단류기 수납함(41)과의 전위차가 크게되면 절연파괴를 일으키고 노출되어 있던, 개소에 다시 아크가 되어 지락하고 만다.

단자에 접속되어 있는 제어용 전원선은 다른 복수의 제어용 인통선(straight line)과 함께 묶어져서 제어기기함에 접선된다. 이와 같은 상태이므로 아크전류가 흐르면 그 제어용 전원선에 접속된 기기는 물론 다른 제어용 인통선에도 큰 유도전류가 흘러 그것에 접속된 기기, 예를 들면 주간제어기, 인버터 제어장치등을 파괴해버린다.

이를테면 이것들 전원선은 수납함 피지락일때에 고저혼촉(高低混觸)하지 않도록 절연을 강화할 수가 있으나 노출부분에 절연강화를 시행하는 것은 곤란하다.

이점을 해결하는 실시예를 제17도, 제18도 및 제19도를 사용하여 아래에 설명한다.

제17도에 있어서 제16도와 달리하고 있는 개소는 단류기 수납함(41)에 라인브레이커(16,17)를 수납하고 새롭게 차단기함(51)을 별도의 상자로서 설치하여 그 차단기함(51)속에 직류고속도 진공차단기(1)를 수납한 점이다.

직류고속도 진공차단기(1)의 차단기함(51)은 부착장치(45)에 의하여 차체(50)에 직부된다. 이것은 직류고속도 진공차단기(1)는 기본적으로 아크를 방출하지 않으므로, 차체(50)로부터 띄울필요가 없기 때문이다. 이 경우 라인브레이커(16,17)는 2중 절연구조를 취하는 것이 바람직하며 또 차단기함(51)은 그렇게 할 필요가 없다.

본 실시예에 의하면 차단기함(51)으로의 아크방출이 없으므로 각종 제어 선을 절연강화 할 필요가 없다.

다음으로 제18도에 의하여 다른 실시예에 관하여 설명한다.

상술한 바와 같이 직류고속도 진공차단기의 외부 트립지령 등은 인버터 제어장치 등의 전동기 제어장치에 의하여 주어진다. 그래서 제18도와 같이 인버터 제어장치함(22)에 직류고속도 진공차단기(1)를 일체로 수납한다. 이 경우 인버터 제어장치로부터의 트립지령선의 배선길이가 짧게 되고, 인터페이스를 취하기가 쉽게 된다.

따라서, 본 실시예에 의하면 유도장애 등에 의한 직류고속도 진공차단기(1)의 제어부가 오동작하는 확률이 아주 작게 된다.

그런데, 이대로는 직류고속도 진공차단기(1)의 가선(14)측에 대한 보호 대상의 하나인 필터리액터(20)의 보호가 불완전한 것이 된다. 이것은 직류고속도 진공차단기(1)에서 전원측으로 필터리액터(20)가 위치하고 있기 때문이다.

과거의 경험에서 리액터의 접지사고는 전무하지만 만일을 대비하여 보호할 필요가 있다.

이 결점을 해결한 것이 제19도에 표시한 다른 실시예이다.

즉, 직류고속도 진공차단기(1)의 부하측에 필터리액터(20)를 배치하고, 인버터를 함께 수납함(53)에 수납한 것이다.

이 구성에 의하면 외관이 세련된 형태로 되는 것은 물론 보호범위가 증가한다.

Claims (7)

1. 직류를 차단하는 진공밸브와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 콘덴서 및 개폐수단의 직렬체와, 상기 콘덴서를 충전하는 수단과, 상기 진공밸브에 병렬로 접속되어 직류가 흐르는 배선의 표유 인덕턴스에 축적되어 있는 에너지를 소비하는 소자를 구비한 직류고속도 진공차단기에 있어서, 상기 진공밸브. 콘덴서 및 개폐수단을 포함하는 폐회로의 진동주파수를 2KHz이상, 전류(轉流)전류를 5000A 이상, 또한 상기 폐회로에 포함되는 전류인덕턴스를 1μH이상으로 한 것을 특징으로 하는 직류고속도 진공차단기.
2. 직류를 차단하는 진공밸브와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 콘덴서 및 개폐수단의 직렬체와, 상기 콘덴서를 충전하는 수단과, 상기 진공밸브에 병렬로 접속되고 직류가 흐르는 배선의 표유 인덕턴스에 축적되어 있는 에너지를 소비하는 소자와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 용량성 소자를 구비하고, 상기 진공밸브, 콘덴서 및 개폐수단을 포함하는 폐회로의 루프길이보다 상기 진공밸브 및 상기 용량성 소자를 포함하는 폐회로의 루프길이를 짧게한 것을 특징으로 하는 직류고속도 진공차단기.
3. 제2항에 있어서, 상기 용량성 소자는 상기 진공밸브 개방시의 용량보다 큰 용량을 갖는 소자인 것을 특징으로 하는 직류고속도 진공차단기.
4. 가선으로부터 직류가 공급되고, 주전동기 제어수단에 의해 주전동기를 동작시키는 전기차에 있어서, 상기 직류를 차단하는 진공밸브와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 콘덴서 및 개폐수단의 직렬체와, 상기 콘덴서를 충전하는 수단과, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 용량성 소자와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속되어, 직류가 흐르는 배선의 표유 인덕턴스에 축적되어 있는 에너지를 소비하는 소자를 구비하고, 상기 진공밸브, 콘덴서 및 개폐수단을 포함하는 폐회로의 루프의 길이보다 상기 진공밸브 및 상기 용량성 소자를 포함하는 폐회로의 루프길이를 짧게한 직류고속도 진공밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 전기차.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 에너지 소비소자는 비선형 저항소자 또는 저항소자중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류고속도 진공차단기.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 에너지 소비소자는 비선형 저항소자 및 저항소자의 병렬체인 것을 특징으로 하는 직류고속도 진공차단기.
7. 가선으로부터 직류가 공급되고, 주전동기 제어수단에 의해 주전동기를 동작시키는 전기차에 있어서, 상기 직류를 차단하는 진공밸브와, 상기 진공밸브에 병렬로 접속된 콘덴서 및 개폐수단의 직렬체와, 상기 콘덴서를 충전하는 수단과, 상기 진공밸브에 병렬로 접속되어, 직류가 흐르는 배선의 표유 인덕턴스에 축적되어 있는 에너지를 소비하는 소자를 구비하고, 상기 진공밸브, 콘덴서 및 개폐수단을 포함하는 폐회로의 진동주파수를 2KHz이상, 전류전류를 5000A이상, 또한 상기 폐회로에 포함된 전류인덕턴스를 1μH이상으로 한 직류고속도 진공차단기를 구비한 것을 특징으로 하는 전기차.

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