KR20120035647A - Superconducting fault current limiter using magnetic coupling with peak current limiting function - Google Patents

Superconducting fault current limiter using magnetic coupling with peak current limiting function Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A superconductive fault current limiter using magnetic coupling with a peak current limit function is provided to efficiently limit a peak current and a fault current by using a quench phenomenon of a superconductor and magnetic coupling between coils wound around a core. CONSTITUTION: A first coil(112), a second coil(114), a third coil(116) are wound around the same iron core. A first superconductive module(122) and a second superconductive module(124) are connected to selected points of the first coil, the second coil, and the third coil. The first superconductive module and the second superconductive module have different critical values. The first superconductive module and the second superconductive module comprise a preset number of superconductive devices to obtain a critical value.

Description

피크전류 제한 기능을 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기{Superconducting fault current limiter using magnetic coupling with peak current limiting function}Superconducting fault current limiter using magnetic coupling with peak current limiting function

본 발명은 피크전류 제한 기능을 가지는 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 코어에 결선된 코일 간의 자기결합 및 초전도체의 퀀치(quench) 현상을 이용하여 피크전류 및 고장전류를 제한하는 초전도 한류기 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting fault current limiter using magnetic coupling having a peak current limiting function, and more particularly, to limit peak current and fault current by using magnetic coupling between coils connected to a core and quenching of superconductors. It relates to a superconducting fault current limiter device.

현재까지 배전 계통에 있어서 전력 수요의 증가 및 분산전원 도입으로 인하여 대용량 변압기로의 교체가 불가피하게 되었다. 그에 따라 증가한 고장전류가 계통에 설치된 차단기의 용량을 초과하는 문제가 발생하여 계통의 안정도 향상 및 대용량 차단기로의 교체에 따른 경제적 비용 절감을 위한 현실적인 방안으로 초전도 한류기에 관한 연구가 이루어져 왔다.To date, replacement of high-capacity transformers is inevitable due to the increase in power demand and the introduction of distributed power sources in power distribution systems. As a result, an increase in the fault current exceeds the capacity of the circuit breaker installed in the system, and research on the superconducting fault current limiter has been conducted as a practical way to improve the stability of the system and to reduce the economic cost of replacing the circuit breaker with a large capacity.

도 1a 내지 도 1c는 기존의 초전도 한류기를 도시한 도면이다. 도 1a 내지 도 1c의 초전도 한류기는 모두 동일 코어에 결선된 두 개의 코일(1차 권선 및 2차 권선) 간의 자기결합을 이용한 것으로, 도 1a에서 두 개의 코일은 절연형으로 결선되어 있고, 도 1b에서는 비절연형 중 병렬연결, 그리고 도 1c에서는 비절연형 중 직렬연결의 형태로 결선되어 있다.1A to 1C illustrate a conventional superconducting fault current limiter. The superconducting fault current limiter of FIGS. 1A to 1C uses magnetic coupling between two coils (primary and secondary windings) all connected to the same core. In FIG. 1A, the two coils are insulated and connected to each other. In FIG. 1C, the non-isolated parallel connection is connected.

초전도체(High-temperature superconductivity : HTSC)는 고장이 발생하지 않을 때에는 초전도 상태로 영(0)의 저항을 유지하므로 두 개의 코일에서 발생하는 자속이 서로 상쇄됨으로써 각 코일에 유기되는 전압이 0으로 유지된다. 그러나 고장이 발생하여 초전도체에 흐르는 전류가 임계값보다 커지게 되면 초전도체에 저항이 발생하며, 이로 인하여 두 코일에서 발생하는 자속은 더 이상 상쇄되지 않으므로 각 코일에 전압이 유기되고, 결과적으로 초전도 한류기에 임피던스가 발생하여 고장전류가 제한된다.High-temperature superconductivity (HTSC) maintains zero resistance in superconducting state when a failure does not occur, so the magnetic fluxes generated by the two coils cancel each other so that the voltage induced in each coil is maintained at zero. . However, if a failure occurs and the current flowing in the superconductor becomes larger than the threshold value, resistance is generated in the superconductor. As a result, the magnetic flux generated in the two coils is no longer canceled, so that voltage is induced in each coil, resulting in a superconducting current limiter. Impedance occurs and the fault current is limited.

이와 같이 두 코일의 자기결합을 이용한 초전도 한류기는 고장 발생시 야기되는 전력 부담을 두 코일과 초전도체로 나누어 부담시킴에 따라 사용되는 초전도체의 개수를 줄일 수 있을 뿐 아니라 자기결합으로 인하여 직렬 연결된 초전도체들이 동시에 상전도체로 상전이되는 동시 퀀치(simultaneous quench)를 유도할 수 있는 특징이 있다. 또한 권선비를 조절하여 임피던스의 크기를 조절함으로써 전류제한 크기를 효과적으로 조절할 수 있다. 그런데 도 1a 내지 도 1c에 도시된 것과 같은 두 코일의 자기결합을 이용한 초전도 한류기는 하나의 임계값만으로 동작하므로, 고장 초기에 고장전류의 크기에 따라 동작하여 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있는 방법의 필요성이 제기된다.As such, the superconducting fault current limiter using magnetic coupling of two coils divides the power burden caused by failure into two coils and superconductors, thereby reducing the number of superconductors used, and the superconductors connected in series due to magnetic coupling simultaneously There is a characteristic that can induce simultaneous quench (phase) to the conductor. In addition, it is possible to effectively adjust the current limiting magnitude by adjusting the magnitude of the impedance by adjusting the winding ratio. However, since the superconducting fault current limiter using magnetic coupling of two coils as shown in FIGS. 1A to 1C operates with only one threshold value, the method can effectively limit the fault current by operating according to the magnitude of the fault current at the beginning of the fault. The need is raised.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고장 발생시 고장 초기에 고장전류의 피크치에 따라 단계적으로 고장전류를 제한할 수 있는 자기결합을 이용한 초전도 한류기를 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a superconducting fault current limiter using a magnetic coupling that can limit the fault current step by step according to the peak value of the fault current at the time of failure when the fault occurs.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 자기결합을 이용한 초전도 한류기는, 동일한 철심코어에 결선된 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선; 및 상기 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선에서 선택된 지점에 연결된 제1초전도모듈 및 제2초전도모듈;을 구비하며, 상기 제1초전도모듈 및 제2초전도모듈은 서로 상이한 임계치를 가지도록 설계되어 고장 발생시의 초기 고장전류의 크기에 따라 순차적으로 저항이 발생한다.In order to achieve the above technical problem, a superconducting fault current limiter using magnetic coupling according to the present invention includes: a primary winding, a secondary winding, and a tertiary winding connected to the same core core; And a first superconducting module and a second superconducting module connected to selected points in the primary, secondary, and tertiary windings, wherein the first superconducting module and the second superconducting module are designed to have different thresholds. Therefore, resistance is generated sequentially according to the magnitude of the initial failure current at the time of failure.

본 발명에 따른 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 의하면, 기존의 초전도 한류기에 비하여 임계치 이상의 고장전류에 대해 저항을 발생시키는 초전도모듈을 더 구비함으로써, 고장전류의 크기에 따라 두 번의 전류 제한 효과를 얻을 수 있으므로 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있다.According to the superconducting fault current limiter using magnetic coupling according to the present invention, by providing a superconducting module that generates resistance to a fault current higher than a threshold value compared to the conventional superconducting fault current limiter, two current limiting effects can be obtained according to the magnitude of the fault current. Therefore, the fault current can be effectively limited.

도 1a 내지 도 1c는 기존의 초전도 한류기를 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 가극결선시 0°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프,
도 4a 및 도 4b는 가극결선시 90°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프,
도 5a 및 도 5b는 감극결선시 0°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프, 그리고,
도 6a 및 도 6b는 감극결선시 90°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이다.1a to 1c is a view showing a conventional superconducting fault current limiter,
2a to 2c is a view showing the configuration of a preferred embodiment for a superconducting fault current limiter using magnetic coupling according to the present invention,
3A and 3B are graphs showing changes in voltage and current over time appearing in each part of the superconducting fault current limiter according to the present invention when a fault current of 0 ° occurs during a pole connection;
4A and 4B are graphs showing voltage and current changes over time appearing in each part of the superconducting fault current limiter according to the present invention when a fault current of 90 ° occurs during a pole connection;
5A and 5B are graphs showing voltage and current changes with time, which appear in each part of the superconducting fault current limiter according to the present invention when a fault current of 0 ° occurs during the polarization connection, and
6A and 6B are graphs showing changes in voltage and current with the passage of time appearing in each part of the superconducting fault current limiter according to the present invention when a fault current of 90 ° occurs during the polarization connection.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 자기결합을 이용한 초전도 한류기의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a superconducting fault current limiter using magnetic coupling according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 자기결합을 이용한 초전도 한류기에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면이다.2a to 2c is a view showing the configuration of a preferred embodiment for a superconducting fault current limiter using a magnetic coupling according to the present invention.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 한류기는, 동일 코어에 결선된 세 개의 코일, 즉 1차 권선(112), 2차 권선(114) 및 3차 권선(116)과 이 세 개의 코일(112, 114, 116)에서 선택된 지점에 연결된 제1초전도모듈(122) 및 제2초전도모듈(124)에 의해 고장전류 제한의 기능을 수행한다.2A to 2C, the superconducting fault current limiter according to the present invention includes three coils connected to the same core, that is, the primary winding 112, the secondary winding 114, and the tertiary winding 116 and the three coils. The first superconducting module 122 and the second superconducting module 124 connected to the selected points in the two coils 112, 114, and 116 perform the function of fault current limiting.

여기서 제1초전도모듈(122) 및 제2초전도모듈(124)은 복수의 초전도 소자로 이루어져 제한하고자 하는 고장전류의 크기에 대응하는 임계값을 가지도록 설계된다. 일 실시예로서, 제1초전도모듈(122)은 제2초전도모듈(124)보다 낮은 임계값을 가지도록 설계되어 고장전류의 크기에 따라 제1초전도모듈(122)에 먼저 저항이 발생하고, 고장전류의 크기가 커지면 제2초전도모듈(124)에도 저항이 발생하도록 할 수 있다. 이는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 것과 같이 하나의 초전도체만 구비된 기존의 초전도 한류기에 3차 권선(116) 및 제2초전도모듈(124)이 더 부가된 구성에 해당한다.Here, the first superconducting module 122 and the second superconducting module 124 are designed to have a threshold value corresponding to the magnitude of the fault current to be limited by consisting of a plurality of superconducting elements. In one embodiment, the first superconducting module 122 is designed to have a lower threshold value than the second superconducting module 124, so that resistance is first generated in the first superconducting module 122 according to the magnitude of the fault current. When the magnitude of the current increases, resistance may also occur in the second superconducting module 124. This corresponds to a configuration in which a tertiary winding 116 and a second superconducting module 124 are further added to the existing superconducting fault current limiter provided with only one superconductor as shown in FIGS. 1A to 1C.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시예는 2차 권선(114) 및 3차 권선(116)에 제1초전도모듈(122) 및 제2초전도모듈(124)이 연결되어 있는 경우이다. 1차 권선(112) 및 2차 권선은 도 2a에 도시된 것과 같이 절연 형태의 변압기형으로 결선될 수도 있고, 도 2b에 도시된 것과 같이 비절연 형태 중 병렬형으로 결선되거나 도 2c에 도시된 것과 같이 직렬형으로 결선될 수 있다. 본 발명에 따른 초전도 한류기는 세 코일(112, 114, 116)의 결선 형태에 무관하게 두 개의 임계값에 의해 고장 발생시 초기 고장전류의 크기에 따라 효과적으로 고장전류를 제한할 수 있다.2A to 2C illustrate a case where the first superconducting module 122 and the second superconducting module 124 are connected to the secondary winding 114 and the tertiary winding 116. The primary winding 112 and the secondary winding may be connected in an insulated transformer type as shown in FIG. 2A, or may be connected in parallel among non-insulated types as shown in FIG. 2B or as shown in FIG. 2C. Can be wired in series as The superconducting fault current limiter according to the present invention can effectively limit the fault current according to the magnitude of the initial fault current when a fault occurs by two threshold values regardless of the wiring form of the three coils 112, 114, and 116.

이하에서는 도 2b에 도시된 바와 같이 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)이 병렬로 결선되었을 때 고장 발생에 따른 전류 및 전압의 변화를 통하여 본 발명에 따른 초전도 한류기의 두 번에 걸친 고장전류 제한 성능을 확인하기로 한다.Hereinafter, as shown in FIG. 2B, when the primary winding 112 and the secondary winding 114 are connected in parallel, two times of the superconducting fault current limiter according to the present invention may be changed through a change in current and voltage according to a failure. Let's check the fault current limit performance.

도 3a 및 도 3b는 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)이 병렬로 연결된 본 발명에 따른 초전도 한류기가 적용되는 경우, 가극결선시 0°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 권선에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프로서, 도 3b의 그래프는 도 3a의 그래프 중에서 고장이 발생한 일부 구간(216~240ms)만을 확대하여 도시한 것이다. 도 3b에서 제1초전도모듈(122)의 전압인 vSC1 및 제2초전도모듈(124)의 전압인 vSC2의 변화를 살펴보면, 먼저 2차 권선(114)의 전류 i2의 크기가 임계값보다 커짐에 따라 제1초전도모듈(122)에 저항이 발생하여 vSC1에 전압이 나타나고, 다음으로 3차 권선(116)의 전류 i3에 의해 제2초전도모듈(124)에 저항이 발생하여 vSC2에 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그 결과 고장전류 iFCL의 크기는 제한된다.3A and 3B illustrate a case in which a superconducting fault current limiter according to the present invention, in which a primary winding 112 and a secondary winding 114 are connected in parallel, is applied when a fault current of 0 ° occurs during a pole connection. As a graph illustrating a change in voltage and current over time appearing in each winding of the superconducting current limiter, the graph of FIG. 3B is an enlarged view of only a portion of the graph of FIG. 3A (216 to 240 ms) in which a failure occurs. The magnitude of the current i 2 of the first superconductor module 122, a voltage of v SC1 and second superconductor module 124, a voltage of v SC2 look at the change, first the secondary winding 114 of the in Figure 3b than the threshold value As it increases, a resistance is generated in the first superconducting module 122 so that a voltage appears at v SC1 , and then, of the tertiary winding 116. It can be seen that a resistance is generated in the second superconducting module 124 by the current i 3 , and a change appears in v SC2 . As a result, the magnitude of the fault current i FCL is limited.

도 4a 및 도 4b는 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)이 병렬로 연결된 본 발명에 따른 초전도 한류기가 적용되는 경우, 가극결선시 90°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 권선에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 3a 및 도 3b와 마찬가지로 도 4b는 도 4a에서 고장이 발생한 일부 구간(216~240ms)을 확대하여 도시한 그래프이다. 도 4b를 참조하면, i2의 크기는 제1초전도모듈(122)에 의해 설정된 임계값보다 커지므로 제1초전도모듈(122)에 저항을 발생시키고, 그에 따라 vSC1에 전압이 발생하지만, i3의 크기는 제2초전도모듈(124)에 의해 설정된 임계값에 미치지 않으므로 vSC2에는 변화가 나타나지 않는다. 이로부터 고장 초기의 고장전류 최대치가 충분히 크지 않으므로 제1초전도모듈(122)에만 저항을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.4A and 4B illustrate that when the superconducting fault current limiter according to the present invention in which the primary winding 112 and the secondary winding 114 are connected in parallel is applied, when a fault current of 90 ° occurs during pole connection, It is a graph showing the change of voltage and current over time appearing in each winding of superconducting current limiter. Like FIG. 3A and FIG. 3B, FIG. 4B is an enlarged graph illustrating some sections 216 to 240 ms in which a failure occurs in FIG. 4A. Referring to FIG. 4B, since the size of i 2 is greater than the threshold set by the first superconducting module 122, a resistance is generated in the first superconducting module 122, and thus a voltage is generated in v SC1 . Since the magnitude of 3 does not reach the threshold set by the second superconducting module 124, no change occurs in v SC2 . From this, it can be seen that the resistance is generated only in the first superconducting module 122 because the maximum value of the failure current at the initial stage of failure is not large enough.

다음으로 도 5a 및 도 5b는 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)이 병렬로 연결된 본 발명에 따른 초전도 한류기가 적용되는 경우, 감극결선시 0°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 5a의 그래프 중에서 고장 구간에 해당하는 216~240ms 구간에서의 전류 및 전압 변화를 도시한 도 5b의 그래프를 참조하면, 도 3a와 마찬가지로 i1, i2 및 i3의 크기 변화에 따라 제1초전도모듈(122)에만 저항이 발생하거나 제1초전도모듈(122) 및 제2초전도모듈(124)에 모두 저항이 발생하여 그에 따라 전압이 발생하며, 고장전류의 크기가 제한되는 것을 확인할 수 있다.5A and 5B illustrate the present invention when a fault current of 0 ° occurs during polarization connection when the superconducting fault current limiter according to the present invention is connected to the primary winding 112 and the secondary winding 114 in parallel. It is a graph showing the change of voltage and current with the passage of time appearing in each part of the superconducting fault current limiter. If the current and the voltage change at 216 ~ 240ms interval corresponding to a fault section in a graph in Figure 5a, see the graph of showing Figure 5b, as in Fig. 3a i 1, i 2, and the first, depending on the size changes of i 3 Resistance may occur only in the superconducting module 122, or resistance may be generated in both the first superconducting module 122 and the second superconducting module 124, thereby generating a voltage, and the magnitude of the fault current may be limited.

도 6a 및 도 6b는 1차 권선(112) 및 2차 권선(114)이 병렬로 연결된 본 발명에 따른 초전도 한류기가 적용되는 경우, 감극결선시 90°의 고장전류가 발생하였을 때 본 발명에 따른 초전도 한류기의 각 부에서 나타나는 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 6b를 참조하면, i2의 크기 변화에 의해 제1초전도모듈(122)에만 저항이 발생하며, 그에 따라 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.6A and 6B illustrate that when a superconducting fault current limiter according to the present invention in which the primary winding 112 and the secondary winding 114 are connected in parallel is applied, when a fault current of 90 ° occurs during the polarization connection, It is a graph showing the change of voltage and current with the passage of time appearing in each part of the superconducting fault current limiter. Referring to FIG. 6B, resistance may be generated only in the first superconducting module 122 due to the change in size of i 2 , and accordingly, voltage may be generated.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

112 - 1차 권선
114 - 2차 권선
116 - 3차 권선
122 - 제1초전도모듈
124 - 제2초전도모듈112-primary winding
114-secondary winding
116-3rd winding
122-First Superconducting Module
124-Second Superconducting Module

Claims (3)

동일한 철심코어에 결선된 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선; 및
상기 1차 권선, 2차 권선 및 3차 권선에서 선택된 지점에 연결된 제1초전도모듈 및 제2초전도모듈;을 포함하며,
상기 제1초전도모듈 및 제2초전도모듈은 서로 상이한 임계치를 가지도록 설계되어 고장 발생시의 초기 고장전류의 크기에 따라 순차적으로 저항이 발생하는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.Primary, secondary and tertiary windings connected to the same core core; And
And a first superconducting module and a second superconducting module connected to selected points in the primary winding, the secondary winding, and the third winding.
The first superconducting module and the second superconducting module are designed to have a different threshold value, the superconducting fault current limiter, characterized in that the resistance is sequentially generated according to the magnitude of the initial failure current when the failure occurs. 제 1항에 있어서,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선은 변압기형 연결, 병렬 연결 및 직렬 연결 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 상기 철심코어에 결선된 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.The method of claim 1,
The primary winding and the secondary winding is a superconducting fault current limiter, characterized in that connected to the core core in any one form selected from transformer type connection, parallel connection and series connection. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1초전도모듈 및 상기 제2초전도모듈은 상기 임계치를 달성하기 위해 사전에 설정된 개수의 초전도소자로 구성된 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.3. The method according to claim 1 or 2,
The first superconducting module and the second superconducting module are superconducting fault current limiter, characterized in that composed of a predetermined number of superconducting elements to achieve the threshold.
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