KR102615108B1

KR102615108B1 - 진공 갭 스위치를 이용한 역전류 주입형 직류 전류 차단 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102615108B1
Application number: KR1020160175793A
Authority: KR
Inventors: 이우영; 박해용; 이경호; 박상훈; 배채윤; 심정욱; 장현재
Original assignee: 한국전기연구원; 엘에스일렉트릭(주)
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2023-12-15
Also published as: US11049677B2; JP2020502767A; US20190362916A1; EP3561843A2; WO2018117591A3; WO2018117591A2; KR20180072335A; EP3561843A4; EP3561843B1; JP6832433B2; ES2909078T3

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 {DEVICE AND METHOD FOR INTERRUPTING DC CURRENT BY INJECTION OF REVERSE CURRENT USING VACUUM GAP SWITCH}

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.

10 : 직류전류 차단장치
21, 22 : 전류 제한용 인덕터
100 : 주 통전부
111 : 주 차단용 고속 기계식 스위치
113 : 잔류전류 차단용 스위치
200 : 역전류 전원부
211 : 극성 반전용 가동 방전갭
212 : 극성 반전용 인덕터
213 : 사고전류 및 정상 부하전류 차단기능 선별용 스위치
221 : 정방향 전류 차단 시 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터
222 : 정방향 전류 차단 시 역 전류 제한 저항
223 : 정방향 전류 차단 시 방전 방지용 다이오드
224 : 정방향 전류 차단 시 극성 반전용 다이오드
231 : 역방향 전류 차단 시 역전류 및 과도전압 발생용 커패시터
232 : 역방향 전류 차단 시 역 전류 제한 저항
233 : 역방향 전류 차단 시 방전 방지용 다이오드
234 : 역방향 전류 차단 시 극성 반전용 다이오드
300 : 정방향 전류 차단 시 역전류 통전부
311 : 정방향 전류 차단 시 역전류 인가용 가변 방전 갭
312 : 정방향 전류 차단 시 역전류 인가용 다이오드
400 : 역방향 전류 차단 시 역전류 통전부
411 : 역방향 전류 차단 시 역전류 인가용 가변 방전 갭
412 : 역방향 전류 차단 시 역전류 인가용 다이오드
500 : 정방향 사고전류 차단 시 충전회로
511 : 정방향 사고전류 차단 시 충전용 다이오드
600 : 역방향 사고전류 차단 시 충전회로
611 : 역방향 사고전류 차단 시 충전용 다이오드

Claims

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 포함하며,
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 역전류 전원부 스위치의 분리 이후 상기 역전류가 상기 주 통전부의 출력단으로 공급되도록 회로 연결을 수행하는 제 1 통전부 스위치를 포함하고,
상기 역전류 통전부는 상기 극성 반전용 인덕터 및 상기 주 차단용 스위치에 대해 상기 제 1 통전부 스위치와 대칭되도록 연결되는 제 2 통전부 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 역전류는 반전 상태의 상기 제 1 역전류용 커패시터에서 방전되는 전류인 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 역전류 전원부 스위치와 상기 제 1 통전부 스위치는 진공 갭 스위치인 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
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.
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.
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.
청구항 7에 있어서,
상기 고정부와 상기 이동부는 적어도 한 접점에서 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
삭제
청구항 8에 있어서,
상기 제 1 역전류용 커패시터 또는 상기 제 2 역전류용 커패시터의 전압을 제한하는 서지 어레스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 주 통전부와 부하 입력단 사이에서 상기 주 차단용 스위치와 직렬 연결되는 전류 제한 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
청구항 11에 있어서,
두 단자 중 하나가 상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 커패시터 충전용 스위치; 및
상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 상기 커패시터 충전용 스위치의 단자와 상기 부하 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 커패시터 충전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 장치.
청구항 8의 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 직류 차단 방법으로서,
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.
청구항 13에 있어서,
상기 미리 설정된 시점은 상기 주 차단용 스위치의 극간이 상기 주 차단용 스위치를 통한 전류 차단 이후 상기 제 1 역전류용 커패시터에 충전되는 전압으로부터 상기 주 차단용 스위치가 절연이 유지할 수 있도록 설정된 시점인 것을 특징으로 하는 직류 차단 방법.
삭제
청구항 14에 있어서, 상기 직류 차단 장치는,
두 단자 중 하나가 상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 커패시터 충전용 스위치, 및 상기 역전류 전원부 및 상기 역전류 통전부와 각각 연결된 상기 커패시터 충전용 스위치의 단자와 부하 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 커패시터 충전 회로를 더 포함하며,
부하 전류 차단을 위해 상기 커패시터 충전용 스위치를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 차단 방법.