KR101522413B1 - 고전압 ｄｃ 차단기 - Google Patents

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KR101522413B1
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Abstract

본 발명은 송전 또는 배전용 직류(DC) 선로의 일측에 고장발생시 그 DC 선로에 흐르는 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고전압 DC 차단기는, 직류(DC) 선로에 흐르는 전류를 차단하기 위한 고전압 DC 차단기에 있어서, 상기 DC 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측(A) 또는 타측(B)에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치; 상기 DC 선로에 상기 메인스위치에 직렬연결된 제1리액터; LC 공진을 위해 서로 직렬연결된 커패시터 및 제2리액터를 포함하는 L/C 공진회로; 상기 메인스위치 및 L/C 공진회로를 통해 제1폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제1 스위치; 상기 메인스위치, 제1 리액터 및 L/C 공진회로를 통해 제2폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제2 스위치; 및 상기 L/C 공진회로에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 LC 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 양방향 스위칭소자를 포함한다.

Description

고전압 ＤＣ 차단기{High-voltage DC circuit breaker}
본 발명은 고전압 직류(DC) 차단기에 관한 것으로서, 특히 송전 또는 배전용 직류(DC) 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 그 DC 선로에 흐르는 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기에 관한 것이다.
통상 고전압 DC 차단기(circuit breaker)는 고전압 직류(HVDC: High Voltage Direct Current) 송전시스템 등과 같은 약 50㎸ 이상의 고전압 송전선로를 통해 흐르는 전류를 차단할 수 있는 스위칭 장치이다. 즉, 고전압 DC 차단기는 DC 선로 상에 설치되어 일측 또는 타측에 고장발생시 고장전류가 고장이 발생한 측으로 제공되지 않도록 차단하는 역할을 한다. 물론, 약 1~50㎸의 DC 전압레벨의 중간전압 DC 배전 시스템에도 적용이 가능하다.
이러한 고전압 DC 차단기의 경우 시스템에 고장전류가 발생하면 DC 선로에 설치된 메인스위치를 개방시켜 고장이 발생한 회로를 분리하여 그 고장전류를 차단하도록 한다. 하지만, DC 선로에는 전류 0(zero)점이 존재하지 않기 때문에 메인스위치의 개방 시 메인스위치의 단자간에 발생한 아크(arc)가 소호되지 않고 고장전류가 이러한 아크를 통해 지속적으로 흐르게 되어 고장전류를 차단하지 못하는 문제점이 있다.
도 1에 도시된 미국공개특허 제20120286589호에는 고전압 DC 선로(4)에 메인스위치(1)와 제1인덕턴스(2)가 직렬연결되고, L/C 공진회로(3)가 제1스위치(33)에 의해 제1인덕턴스(2) 없이 메인스위치(1)에 병렬로 연결되도록 하고 제2스위치(34)에 의해 메인스위치(1)와 제1인덕턴스(2)의 직렬연결에 병렬로 연결되도록 하는 DC 차단기가 개시되어 있다. 이러한 종래기술은 DC 수전단에 고장이 발생하면 메인스위치(1)가 개방되고 제2스위치(34)가 온(ON)되어 제1인덕턴스(2)에 유기된 양단의 전압이 L/C 공진회로(3)의 커패시터(32)에 충전되고, 제2스위치(34)가 오프(OFF)된 상태에서 제1스위치(33)이 온(ON)되면 그 커패시터(32)에 충전된 전압에 의해 전류가 메인스위치(10)를 통해 흐르게 되어 LC 공진이 발생한다.
구체적으로, 수전단에 고장 발생으로 메인스위치(1)가 개방되면 고전압으로 인해 메인스위치(1)에 아크(arc)가 발생되고 이러한 아크를 통해 고장전류(ISC)가 계속 수전단으로 흐르게 된다. 따라서, 아크를 소호하여 메인스위치(1)를 통해 흐르는 고장전류(ISC)를 차단해야 한다. 이를 위해 메인스위치(1)에 흐르는 고장전류(ISC)에 L/C 공진회로(3)에 의한 공진전류(Ip)를 중첩시켜, 메인스위치(1)에서의 전류를 0(zero)전류(=ISC+Ip)로 만들어 아크를 소호시키는 기술을 제공한다. 즉, 고장발생 시 메인스위치(CB)가 개방되고 아크를 통해 고장전류(ISC)가 계속 흐르는 중에 제1스위치(33)가 닫혀 공진전류(Ip)가 메인스위치(1)에 주입되어 고장전류(ISC)에 중첩되고, 이후 LC 공진에 의해 공진전류(Ip)는 진동하는 전류가 되고 메인스위치(1)를 따라 진동하면서 점점 크기가 커지게 된다. 이로써, 음(-)의 공진전류 -Ip가 ISC보다 커지게 되어 메인스위치(1)에 흐르는 전류(=ISC+Ip)가 0(zero) 전류가 되는 시점에서 메인스위치(1)의 아크가 소호된다.
하지만, 이러한 종래기술은 고장전류(ISC)보다 더 큰 공진전류(Ip)가 겹쳐져야 하기 때문에 회로 정격이 정격의 2배 이상이어야 하며, 이러한 큰 공진전류(Ip)를 발생시키기 위해 여러 번의 공진이 이루어져야 하기 때문에 차단속도가 느려지는 문제점이 있다. 또한, 종래의 이러한 DC 차단기는 양방향 고장전류의 차단이 불가능하다는 문제점이 있다.
미국공개특허 제20120286589호
본 발명은 고전압 DC 차단기에서 메인스위치에 공진전류를 인가하지 않더라도 메인스위치에서 고장전류를 완전히 차단할 수 있도록 하는 고전압 DC 차단기를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고전압 DC 차단기에서 메인스위치의 차단시 메인스위치에 발생한 아크를 제거하기 위해 인위적으로 전류영점을 만들어 아크를 통한 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 단일 회로로 양방향의 고장전류를 차단할 수 있도록 하는 고전압 DC 차단기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기는,
직류(DC) 선로에 흐르는 전류를 차단하기 위한 고전압 DC 차단기에 있어서, 상기 DC 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측(A) 또는 타측(B)에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치; 상기 DC 선로에 상기 메인스위치에 직렬연결된 제1리액터; LC 공진을 위해 서로 직렬연결된 커패시터 및 제2리액터를 포함하는 L/C 공진회로; 상기 메인스위치 및 L/C 공진회로를 통해 제1폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제1 스위치; 상기 메인스위치, 제1 리액터 및 L/C 공진회로를 통해 제2폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제2 스위치; 및 상기 L/C 공진회로에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 LC 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 양방향 스위칭소자; 를 포함한다.
본 발명에서, 상기 메인스위치의 개방시 상기 양방향 스위칭소자 및 상기 제1,2 스위치의 선택적인 동작에 의해 상기 커패시터에 충전된 전압에 의해 상기 메인스위치의 아크를 통해 흐르는 전류에 대하여 역방향 전류를 인가한다.
본 발명에서, 상기 양방향 스위칭소자는, 각각 턴온 또는 턴온/턴오프 제어가능한 2개의 전력 반도체 스위치를 포함하고 상기 각 전력 반도체 스위치는 서로 반대방향으로 전류를 도통시키도록 병렬연결된다.
본 발명에서, 상기 타측(B)의 고장발생으로 상기 메인스위치가 개방시에 상기 제2 스위치가 온(ON)되어 상기 제2 스위치를 통해 상기 커패시터로 전류를 도통시켜 상기 커패시터를 +Vc 전압으로 충전한다.
본 발명에서, 상기 메인스위치의 개방시 상기 제1 리액터에 걸리는 전압이 상기 L/C 공진회로의 커패시터에 충전된다.
본 발명에서, 상기 L/C 공진회로의 커패시터에 +Vc 전압이 인가되면, 상기 제1 및 제2 스위치는 오프(OFF)되고 상기 양방향 스위칭소자의 제1 전력 반도체 스위치는 온(ON)되어 상기 L/C 공진회로에서 LC 공진이 발생하여 상기 커패시터에 기충전된 +Vc 전압에서 극성반전된 -Vc 전압으로 재충전된 후, 상기 제1 전력 반도체 스위치(G1)가 오프(OFF)되고 상기 제1 스위치가 온(0N)되어 상기 커패시터에 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 제1 폐회로를 통해 상기 메인스위치의 타측으로 전류를 공급하여 상기 메인스위치에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치에 발생된 아크를 소호시킨다.
본 발명에서, 상기 커패시터에 의해 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 메인스위치로 공급되는 전류는 상기 메인스위치에서 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 크다.
본 발명에서, 상기 일측(A)의 고장발생으로 상기 메인스위치가 개방시에 상기 제2 스위치가 온(ON)되어 상기 제2 스위치를 통해 상기 커패시터로 전류를 도통시켜 상기 커패시터를 -Vc 전압으로 충전한다.
본 발명에서, 상기 메인스위치의 개방시 상기 제1 리액터에 걸리는 전압이 상기 L/C 공진회로의 커패시터에 충전된다.
본 발명에서, 상기 L/C 공진회로의 커패시터에 -Vc 전압이 인가되면, 상기 제1 및 제2 스위치는 오프되고 상기 양방향 스위칭소자의 제2 전력 반도체 스위치는 온(ON)되어 상기 L/C 공진회로에서 LC 공진이 발생하여 상기 커패시터에 기충전된 -Vc 전압에서 극성반전된 +Vc 전압으로 재충전된 후, 상기 제1 스위치가 온(0N)되어 상기 커패시터에 충전된 +Vc 전압에 의해 상기 제1 폐회로를 통해 상기 메인스위치의 일측으로 전류를 공급하여 상기 메인스위치에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치에 발생된 아크를 소호시킨다.
본 발명에서, 상기 커패시터에 의해 충전된 +Vc 전압에 의해 상기 메인스위치로 공급되는 전류는 상기 메인스위치에서 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 크다.
본 발명은 고전압 DC 차단기에서 메인스위치의 스위칭 동작시 아크가 발생하는 경우 메인스위치에 공진전류를 발생하지 않고도 빠르게 아크를 소호시킬 수 있도록 하여 고장전류를 완전히 차단할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 의한 고전압 DC 차단기에서는 단일회로로 양방향의 고장전류를 차단할 수 있다.
도 1은 종래의 고전압 DC 차단기의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 정상상태에서 고전압 DC 차단기에서의 전류흐름을 보이는 개요도.
도 4는 본 발명에 따른 고전압 DC 선로의 타측에 고장발생시 고전압 DC 차단기에서의 고장전류 차단과정을 보이는 개요도.
도 5는 본 발명에 따른 고전압 DC 선로의 일측에 고장발생시 고전압 DC 차단기에서의 고장전류 차단과정을 보이는 개요도.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 DC 선로(10)의 일측(A)과 타측(B) 사이에 설치된 메인스위치(110)를 포함한다. 이러한 메인스위치(110)는 기본적으로 일측(A) 또는 타측(B)에 고장발생시 고장이 발생한 회로로 고장전류가 흘러들어가지 않도록 하기 위해 DC 선로(10)를 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 메인스위치(110)는 정상상태에서는 닫혀(close) 있다가 고장발생시 개방(open)된다. 이러한 메인스위치(110)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다.
도면에는 도시하지 않았으나, 이러한 메인스위치(110)에 비선형 저항기(미도시)가 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 비선형 저항기는 고장발생으로 인해 메인스위치(110)가 개방될 때 정격전압 이상의 과도한 전압이 고전압 DC 차단기(100)의 양단에 가해지지 못하도록 하기 위한 것으로서, 고장에 의한 고전압이 기설정된 기준치 이상으로 고전압 DC 차단기(100)의 양단에 걸리면 자동으로 온(ON)되어 고전압을 소모하도록 한다. 일례로 비선형 저항기는 바리스터(varistor)로 구현될 수도 있다.
본 실시 예에서 DC 선로(10)에 고전압이 걸리기 때문에 메인스위치(110)에는 대전류가 흐르게 된다. 이 때문에 고장발생시 메인스위치(110)가 개방될 때 메인스위치(110)의 스위치 단자 간에 아크(arc)가 발생하게 되고, 이러한 아크를 통해 DC고장전류가 DC 선로(10)에 계속해서 흐르게 된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 아크를 소호하여 고장전류를 완전히 차단하기 위해 추가적인 장치 또는 회로가 필요하게 된다.
구체적으로, DC 선로(10)에 제1리액터(120)가 메인스위치(110)에 직렬연결된다. 또한, 메인스위치(110)에 LC 공진을 발생하는 L/C 공진회로(130)가 연결되는데 이러한 L/C 공진회로(130)는 제1스위치(140)에 의해 메인스위치(110)와 병렬로 연결되고, 제2스위치(150)에 의해 메인스위치(110)와 제1리액터(120)의 직렬연결에 병렬로 연결된다. 즉, 제1스위치(140)는 메인스위치(110) 및 L/C 공진회로(130)를 통해 제1폐회로를 형성하도록 스위칭하고, 제2스위치(150)는 메인스위치(110), 제1 리액터(120) 및 L/C 공진회로(130)를 통해 제2폐회로를 형성하도록 스위칭한다.
L/C 공진회로(130)는 커패시터(131)와 리액터(132)가 직렬연결되어 구성된다. 나아가 L/C 공진회로(130)에는 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 LC 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터(131)에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 양방향 스위칭소자(160)가 병렬연결된다. 이러한 양방향 스위칭소자(160)는 전류를 양방향으로 도통시킬 수 있다. 본 실시 예에서 양방향 스위칭소자(160)는 예컨대 2개의 전력 반도체 스위치(G1,G2)가 서로 병렬연결된 구조를 이루며 이들은 서로 반대방향으로 배열된다. 도면에는 도시하지 않았으나 이들 전력 반도체 스위치(G1,G2)도 역시 제어부(미도시)에 의해 그 동작이 제어된다. 이러한 전력 반도체 스위치(G1,G2)는 턴온(turn-on)제어가능한 소자로서 예컨대 싸이리스터(thyristor)로 구현될 수 있다. 또는 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)가 모드 제어 가능한 소자로서 예컨대 IGCT, IGBT, GTO 등으로 구현될 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 고전압 DC 차단기에서는 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 전압을 충전하고 그 충전된 전압에 의해 전류를 제1폐회로를 통해 메인스위치(110)로 흐르도록 제1스위치(140) 및/또는 제2스위치(150)를 선택적으로 스위칭한다. 이때, 이와 같이 커패시터(131)의 충전전압에 의해 메인스위치(110)로 흐르는 전류는 메인스위치(110)의 개방시 메인스위치(110)에 발생한 아크를 통해 흐르는 전류에 대하여 역방향 전류가 된다. 이는 아크를 통해 흐르는 전류에 대하여 역방향 전류를 공급하여 메인스위치(110)에서 0(zero)전류를 구현하여 아크를 소호하기 위한 것이다. 이러한 아크의 소호를 통해 메인스위치(110)에서 전류를 완전히 차단하는 과정을 하기에서 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 정상상태에서 고전압 DC 차단기에서의 전류흐름을 보이는 개요도이다.
도 3을 참조하면, 일례로 일측(A)에서 타측(B)으로 전류를 공급하는 경우를 도시하고 있다. 정상상태인 경우에는 메인스위치(110)가 닫혀(ON) 있고 제1 및 제2 스위치(140,150)는 개방(OFF)되어 있다. 이에 일측(A)에서 타측(B)으로 공급되는 전류는 제1리액터(120) 및 메인스위치(110)를 통해 흐르게 된다. 이때, DC 선로(10)를 따라 흐르는 전류를 DC전류이므로 제1리액터(120)에는 전압이 유기되지 않는다.
도면에는 도시하지 않았으나, 타측(B)에서 일측(A)으로 전류가 공급되는 경우도 전류의 방향만 반대일 뿐 동일하게 적용된다. 즉, B측에서 A측으로 공급되는 전류가 메인스위치(110) 및 제1리액터(120)를 거쳐 DC 선로(10)를 따라 전달된다. 이때, 제1 및 제2 스위치(140,150)는 개방(OFF)되어 있다. 따라서 DC 선로(10)를 따라 DC 전류가 흐르므로 제1 리액터(120)에는 전압이 유기되지 않는다.
도 3의 정상상태에서 A측 또는 B측에 고장이 발생하면, 메인스위치(110)는 개방되고 제2 스위치(150)는 닫히게 되어 커패시터(131)에 +Vc 또는 -Vc 전압이 충전된다. 이러한 충전전압 +Vc 또는 -Vc를 이용하여 LC 공진 이후에 메인스위치(110)로 고장전류에 대한 역방향 전류를 공급하도록 한다. 이러한 과정은 하기 도 4 및 도 5에서 구체적으로 설명된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 타측(B)에 고장발생시 고장전류 차단과정을 보이는 개요도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 일측(A)에 고장발생시 고장전류 차단과정을 보이는 개요도이다.
만약, B측에 고장이 발생한 경우는 도 4의 (a)에서와 같이, 제어부에서 고장발생을 감지하여 메인스위치(110)를 개방시킨다. 이때, 타측(B)의 고장발생으로 일측(A)의 전압이 순간적으로 타측(B)보다 훨씬 높아지므로 제1리액터(120)의 양단에 전압이 걸리게 된다. 한편 메인스위치(110)의 개방시 메인스위치(110)의 스위칭 단자 간에 아크(arc)가 발생하여 그 아크를 통해 A→B로 고장전류가 지속적으로 흐르게 된다. 이러한 고장전류를 완전히 차단하기 위해서는 아크를 소호시켜야 한다. 이를 위해 메인스위치(110)의 개방시 제2스위치(150)를 온(OFF)시켜 닫는다. 그러면 제1리액터(120)의 양단의 전압이 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 +Vc 전압으로 충전된다.
이에, 제2스위치(150)는 오프(OFF)되어 개방되고, L/C 공진회로(130)에 병렬연결된 양방향 스위칭소자(160)의 제1 전력 반도체 스위치(G1)이 온(ON)된다. 이로써 제1 전력 반도체 스위치(G1)를 통해 커패시터(131)에 기충전된 +Vc 전압에 의해 전류가 도통되고, 이후에 LC 공진이 발생하여 커패시터(131)의 전압은 극성반전된 -Vc 전압으로 충전된다.
이후에, 제1 전력 반도체 스위치(G1)이 오프(OFF)되고 제1스위치(140)가 온(ON)되어 닫히게 되면 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 전류가 제1폐회로를 통해 메인스위치(110)의 타측으로 공급된다. 이러한 전류에 의해 메인스위치(110)에서의 전류는 0(zero)가 되어 아크가 소호된다. 이때, 이처럼 메인스위치(110)에 공급된 전류에 의해 해당 아크를 소호하기 위해서는 그 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 최소한 동일하거나 더 큰 것이 바람직하다. 이를 위해 제1리액터(120), 커패시터(131) 및 리액터(132)의 용량이 결정될 수 있다. 또한, 이러한 메인스위치(110)에서 아크를 통해 고장전류가 지속됨에도 불구하고 커패시터(131)에 충전된 전압에 의해 그 고장전류에 대한 역방향 전류를 강제로 공급함으로써 메인스위치(110)에서 0(zero)전류를 만들어주도록 한다.
상기와 같이 메인스위치(110)에 발생한 아크(arc)가 완전히 소호되어 고장전류가 메인스위치(110)에 의해 차단되면 상대적으로 타측(B)에 비해 일측(A)의 전압이 급격히 상승하게 된다. 이와 같이 상승한 일측(A)의 전압은 메인스위치(110)에 병렬연결된 비선형 저항기(미도시)에서 소모될 수 있다.
여기서, 본 발명의 고전압 DC 차단기(100)는 메인스위치(110)의 재폐로 동작이 가능하다. 즉, 타측(B)의 고장이 제거되면 제어부는 메인스위치(110)을 닫아 DC 선로(10)에서 재폐로를 형성할 수 있다. 메인스위치(110)를 닫아 재폐로를 형성한 경우, 만약 타측(B)의 고장이 제거되지 않은 상태라면 상기한 과정들을 반복하도록 설정할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)에서는 L/C 공진회로(130)에서 한 번의 LC 공진을 통해 메인스위치(110)에 발생한 아크를 소호하여 아크를 통해 흐르는 고장전류를 차단하므로 종래기술에 비해 빠른 차단이 가능하다.
한편, 일측(A)에 고장이 발생한 경우는 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부에서 고장발생을 감지하여 메인스위치(110)를 개방시킨다. 이때, 일측(A)의 고장발생으로 타측(B)의 전압이 순간적으로 일측(A)보다 훨씬 높아지므로 제1리액터(120)의 양단에 전압이 유기된다. 한편 메인스위치(110)의 개방시 메인스위치(110)의 스위칭 단자 간에 아크(arc)가 발생하여 그 아크를 통해 B→A로 고장전류가 지속적으로 흐르게 된다. 이러한 아크를 소호시키기 위해 메인스위치(110)의 개방시 제2스위치(150)를 온(ON)시켜 닫는다. 그러면 제1리액터(120)의 양단 전압이 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 충전된다. 이때 커패시터(131)에 충전되는 전압은 -Vc가 된다. 이는 상술한 바와 같이 도 3 및 도 4에 표시된 전압의 충전방향을 기준으로 한 것이다.
이에, 제2스위치(150)는 오프(OFF)되어 개방되고, L/C 공진회로(130)에 병렬연결된 양방향 스위칭소자(160)의 제2 전력 반도체 스위치(G2)이 온(ON)된다. 이로써 제2 전력 반도체 스위치(G2)를 통해 커패시터(131)에 기충전된 전압(-Vc)에 의해 전류가 도통되고, 이후에 LC 공진이 발생하여 커패시터(131)의 전압은 극성반전된 +Vc 전압으로 재충전된다.
이후에, 제2 전력 반도체 스위치(G2)가 다시 오프(OFF)되고 제1스위치(140)가 온(ON)되어 닫히게 되면 커패시터(131)에 충전된 +Vc 전압에 의해 전류가 제1폐회로를 통해 메인스위치(110)의 일측으로 공급된다. 이로써 메인스위치(110)에서 전류는 0(zero)가 되어 아크가 소호된다. 이러한 아크의 소호를 위해서는 그 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 최소한 동일하거나 더 큰 전류를 공급함이 바람직하다. 이를 위해 제1리액터(120), 커패시터(131) 및 제2리액터(132)의 용량이 결정될 수 있다. 또한, 메인스위치(110)에서 아크를 통해 고장전류가 지속됨에도 불구하고 커패시터(131)에 충전된 전압에 의해 그 고장전류에 대한 역방향 전류를 강제로 공급함으로써 메인스위치(110)에서 0(zero)전류를 만들어주도록 한다.
상기와 같이 메인스위치(110)에 발생한 아크(arc)가 완전히 소호되어 고장전류가 메인스위치(110)에 의해 차단되면 상대적으로 일측(A)에 비해 타측(B)의 전압이 급격히 상승하게 된다. 이와 같이 상승한 타측(B)의 전압은 메인스위치(110)에 병렬연결된 비선형 저항기(미도시)에서 소모될 수 있다.
여기서, 본 발명의 고전압 DC 차단기(100)는 메인스위치(110)의 재폐로 동작이 가능하다. 즉, 일측(A)의 고장이 제거되면 제어부는 메인스위치(110)을 닫아 DC 선로(10)에서 재폐로를 형성할 수 있다. 메인스위치(110)를 닫아 재폐로를 형성한 경우, 만약 일측(A)의 고장이 제거되지 않은 상태라면 상기한 과정들을 반복하도록 설정할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 LC 공진에 의한 전류가 도 1에 도시된 종래기술과 같이 메인스위치(110)가 아니라 양방향 스위칭소자(160)의 두 전력 반도체 스위치(G1,G2)를 통해 이루어진다는 특징이 있다. 따라서, 종래기술과 같이 LC 공진에 의한 전류 진동이 커지는 것이 아니라, 본 발명에서는 LC 공진에 의해 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)의 전압극성이 반대로 바뀌도록 LC 공진이 한번만 이루어진다. 이는 종래기술에 비해 차단속도가 증가하는 원인이 된다. 또한, 종래기술에서는 LC 공진을 통해 공진전류의 크기를 계속 증가시켜 고장전류의 크기가 되는 시점에서 아크를 소호하지만, 본 발명에서는 종래기술과는 달리 커패시터(131)의 충전전압에 의해 메인스위치(110)에 흐르는 고장전류와 반대방향의 전류를 메인스위치(110)에 주입시켜 zero 전류를 만들어 아크를 소호하도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 메인스위치 120 : 제1 리액터
130 : L/C 공진회로 131 : 커패시터
132 : 제2 리액터 140 : 제1스위치
150 : 제2스위치 160 : 양방향 스위칭소자
G1,G2 : 전력 반도체 스위치

Claims (11)

  1. 직류(DC) 선로에 흐르는 전류를 차단하기 위한 고전압 DC 차단기에 있어서,
    상기 DC 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측(A) 또는 타측(B)에 고장발생시 개방되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 메인스위치(110);
    상기 DC 선로에 상기 메인스위치(110)에 직렬연결된 제1리액터(120);
    LC 공진을 위해 서로 직렬연결된 커패시터(131) 및 제2리액터(132)를 포함하는 L/C 공진회로(130);
    상기 메인스위치(110) 및 L/C 공진회로(130)를 통해 제1폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제1 스위치(140);
    상기 메인스위치(110), 제1 리액터(120) 및 L/C 공진회로(130)를 통해 제2폐회로를 형성하도록 스위칭하는 제2 스위치(150); 및
    상기 L/C 공진회로(130)에 병렬연결되어 양방향 전류 흐름을 스위칭하여 LC 공진이 발생하도록 하여 상기 커패시터(131)에서의 충전전압의 극성을 반전시키도록 하는 양방향 스위칭소자(160); 를 포함하는 고전압 DC 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)의 개방시 상기 양방향 스위칭소자(160) 및 상기 제1,2 스위치(140,150)의 선택적인 동작에 의해 상기 커패시터(131)에 충전된 전압에 의해 상기 메인스위치(110)의 아크를 통해 흐르는 전류에 대하여 역방향 전류를 인가하는 고전압 DC 차단기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 스위칭소자(160)는,
    각각 턴온 또는 턴온/턴오프 제어가능한 2개의 전력 반도체 스위치를 포함하고 상기 각 전력 반도체 스위치는 서로 반대방향으로 전류를 도통시키도록 영방향 병렬연결되는 고전압 DC 차단기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 타측(B)의 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방시에 상기 제1 스위치(140)가 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2 스위치(150)가 온(ON)되어 상기 제2 스위치(150)를 통해 상기 커패시터(131)로 전류를 도통시켜 상기 커패시터(131)를 +Vc 전압으로 충전하는 고전압 DC 차단기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)의 개방시 상기 제1 리액터(120)에 걸리는 전압이 상기 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 충전되는 고전압 DC 차단기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)의 개방시 아크(arc)가 발생하고 상기 L/C 공진회로(130)의 커패시커(131)에 +Vc 전압이 충전되면,
    상기 제2 스위치(150)는 오프(OFF)되고 상기 양방향 스위칭소자(160)의 제1 전력 반도체 스위치(G1)는 온(ON)되어 상기 L/C 공진회로(130)에서 LC 공진이 발생하여 상기 커패시터(131)에 기충전된 +Vc 전압에서 극성반전된 -Vc 전압으로 재충전된 후, 상기 제1 전력 반도체 스위치(G1)가 오프(OFF)되고 상기 제1 스위치(140)가 온(0N)되어 상기 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 제1 폐회로를 통해 상기 메인스위치(110)의 타측방향으로 전류를 공급하여 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호시키는 고전압 DC 차단기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커패시터(131)에 의해 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 메인스위치(110)로 공급되는 전류는 상기 메인스위치(110)에서 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 큰 고전압 DC 차단기.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 일측(A)의 고장발생으로 상기 메인스위치(110)가 개방시에 상기 제1스위치(140)가 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2스위치(150)가 온(ON)되어 상기 제2 스위치(150)를 통해 상기 커패시터(131)로 전류를 도통시켜 상기 커패시터(131)를 -Vc 전압으로 충전하는 고전압 DC 차단기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)의 개방시 상기 제1 리액터(120)에 걸리는 전압이 상기 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 충전되는 고전압 DC 차단기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메인스위치(110)의 개방시 아크(arc)가 발생하고 상기 L/C 공진회로(130)의 커패시터(131)에 -Vc 전압이 충전되면,
    상기 제2 스위치(150)는 오프(OFF)되고 상기 양방향 스위칭소자(160)의 제2 전력 반도체 스위치(G2)는 온(ON)되어 상기 L/C 공진회로(130)에서 LC 공진이 발생하여 상기 커패시터(131)에 기충전된 -Vc 전압에서 극성반전된 +Vc 전압으로 재충전된 후, 상기 제2 전력 반도체 스위치(G2)가 오프(OFF)되고 상기 제1 스위치(140)가 온(0N)되어 상기 커패시터(131)에 충전된 +Vc 전압에 의해 상기 제1 폐회로를 통해 상기 메인스위치(110)의 일측 방향으로 전류를 공급하여 상기 메인스위치(110)에서 0(zero) 전류가 되어 상기 메인스위치(110)에 발생된 아크를 소호시키는 고전압 DC 차단기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커패시터(131)에 의해 충전된 +Vc 전압에 의해 상기 메인스위치(110)로 공급되는 전류는 상기 메인스위치(110)에서 아크를 통해 지속되는 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 큰 고전압 DC 차단기.
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