WO2016108524A1 - 고전압 ｄｃ 차단기 - Google Patents

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WO2016108524A1
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high voltage
vacuum interrupter
line
circuit
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정영환
황휘동
김남경
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Hyosung Corp
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    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H01H2009/544—Contacts shunted by static switch means the static switching means being an insulated gate bipolar transistor, e.g. IGBT, Darlington configuration of FET and bipolar transistor

Definitions

  • the present invention relates to a high voltage direct current (DC) circuit breaker, and more particularly, to a high voltage DC circuit breaker which connects a vacuum interrupter and a gas interrupter in series to block a fault current flowing in a high voltage DC line.
  • DC direct current
  • a high voltage DC circuit breaker is a switching device capable of blocking a current flowing through a high voltage transmission line of about 50 mA or more, such as a high voltage direct current (HVDC) transmission system.
  • This high voltage DC circuit breaker serves to block the fault current in the event of a fault in the DC line.
  • the present invention can also be applied to a medium voltage DC power distribution system having a DC voltage level of about 1 to 50 mA.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1984-068128 shown in Fig. 1 shows an arc generated during the switch operation of the main switch CB in a high voltage DC circuit breaker so as to cut off the fault current Ic.
  • the negative resonance current -Ip becomes larger than I DC so that the fault current Ic becomes a zero current and the arc of the main switch CB is extinguished.
  • the circuit rating should be more than twice the rated current, and in order to generate such a large resonant current Ip, There is a problem that the breaking speed is slowed because the resonance of the burn should be made.
  • the conventional DC circuit breaker has a problem that it is impossible to block the bidirectional fault current.
  • a vacuum interrupter (VI) has been developed to prevent the arc current from occurring when the main switch (CB) is shut off, but the vacuum interrupter (VI) developed so far has a low rated voltage. There is a limit to the high voltage DC circuit breaker due to the high insulation breakdown voltage.
  • the present invention connects the vacuum interrupter and the gas interrupter in series to cut off the fault current first in the vacuum interrupter having a low rated voltage and excellent current interruption performance when a DC line fault occurs, and then the gas interrupter operates to operate the insulation breakdown voltage.
  • the purpose is to provide a high voltage DC circuit breaker that is responsible for the bus breaker.
  • the present invention operates the gas shutoff part after a predetermined time elapses after the gas shutoff part operates, but operates the gas shutoff part before the operation time of the vacuum shutoff part 110 ends.
  • Another object is to provide a high voltage DC circuit breaker that allows some time overlap.
  • a vacuum interrupter installed on a direct current (DC) line to operate when a failure occurs on one side or the other side of the DC line to cut off the current of the DC line;
  • a gas blocking unit connected in series to one side of the vacuum interrupter;
  • An LC circuit connected to the vacuum circuit breaker 110 and including a capacitor and a reactor connected in series to generate LC resonance;
  • a first bidirectional switching element connected in series with the LC circuit to switch a bidirectional current flow;
  • a second bidirectional switching element connected to the LC circuit in parallel to switch the current flow to achieve LC resonance in both directions.
  • the capacitor 131 further includes a charging resistor for charging the voltage Vc, wherein the charging resistor 160 is provided between the contact point and the ground between the LC circuit and the first bidirectional switching element. .
  • the first and second bidirectional switching elements respectively, a pair of switches (G1-G2, G3-) capable of turn-on or turn-on / turn-off control G4) and each pair of switches are connected in parallel in opposite directions.
  • the vacuum interrupter when the one side of the DC line has a failure, the vacuum interrupter is operated so that the two contacts are separated, the switch (G1-G2) of the first bidirectional switching element in the OFF (OFF) state Among the two-way switching elements, the switch G4 is turned on, and after the -Vc voltage is charged to the capacitor by LC resonance between the reactor and the capacitor of the LC circuit, the switch G4 is turned off.
  • a switch G2 of one of the first bidirectional switching elements is turned on to supply the vacuum interrupter current by the -Vc voltage charged to the capacitor, and zero between two contacts of the vacuum interrupter by the supplied current. ) Current to cut off the current of the DC line.
  • the vacuum interrupter when the fault occurs on the other side of the DC line, the vacuum interrupter is operated so that the two contacts are separated, and the switch G3-G4 of the second bidirectional switching element is turned off.
  • the switch G1 of the bidirectional switching elements is turned on to supply current to the vacuum interrupter by the + Vc voltage precharged to the capacitor of the LC circuit, and between the two contacts of the vacuum interrupter by the supplied current. Zero current is formed to block the current of the DC line.
  • the gas cut-off part operates and the gas cut-off part operates before the operation time of the vacuum cut-off part ends. Let some overlap.
  • the vacuum interrupter and the gas interrupter are connected in series, it is possible to simultaneously utilize the excellent arc extruding ability of the vacuum medium and the excellent dielectric breakdown voltage of the gas.
  • the fault current is first interrupted by the vacuum interrupter, and the gas interrupter connected in series only serves to restore insulation strength, which is required for arc extinguishing in a conventional gas circuit breaker. All parts such as arc contact, gas blower nozzle, etc. inside the breaker can be removed, and since the nonlinear resistor is applied only to the vacuum interrupter and the gas interrupter does not need to be applied, the number of elements of the nonlinear resistor can be reduced. The size and cost of the breakers can be reduced.
  • the vacuum breaker of 145 kV or more which has the current technical limitation, is unnecessary, the possibility of realization of an ultra-high voltage DC circuit breaker of 320 kV or more can be further improved.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional high voltage DC circuit breaker.
  • FIG. 2 is a block diagram of a high-voltage DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a fault current blocking process in the high voltage DC circuit breaker when a fault occurs on one side of the high voltage DC line according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a fault current blocking process in a high voltage DC circuit breaker when a fault occurs on the other side of the high voltage DC line according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the operation time and the resulting dielectric strength of the vacuum cut-off part and the gas cut-off part according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a high voltage DC circuit breaker according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 includes a vacuum interrupter 110 installed at a DC line 10 connecting the A side and the B side.
  • the vacuum interrupter 110 basically blocks the DC line 10 in order to prevent the fault current from continuously flowing into the circuit in which the fault occurs when a fault occurs on one side (B side) or the other side (A side). Do it.
  • the vacuum interrupter 110 in the normal state, is in contact with two internal contacts, and when a failure occurs, they are separated from each other to block the flow of current.
  • the vacuum cut-off unit 110 is controlled by the control unit (not shown) contact / separation operation of the contact.
  • the vacuum interrupter 110 includes, for example, a vacuum interrupter (VI).
  • the gas blocker 120 includes a gas circuit breaker (GCB) having excellent insulation and extinguishing ability by using a gas such as SF6.
  • GCB gas circuit breaker
  • the vacuum interrupter 110 and the gas interrupter 120 are connected in series on a DC line.
  • the vacuum interrupter 110 operates first, and then after a predetermined time elapses, the gas interrupter 120 operates.
  • the vacuum interrupter 110 operates to separate two internal contacts.
  • the gas blocking unit 120 operates, but before the operation time of the vacuum blocking unit 110 ends.
  • the gas shutoff part 120 is operated so that the operation time of the two blocking parts 110 and 120 is partially overlapped. This is to allow the gas blocking unit 120 to handle the insulation strength due to the high voltage when the fault current is cut off in the vacuum blocking unit 110 when a high voltage is applied to the high voltage DC line. That is, the blocking of the fault current is performed in the vacuum interrupter 110 having a relatively low rated voltage and high current interruption performance, and insuring the insulation of the high voltage in the gas interrupter 120.
  • the gas blocking unit 120 does not perform the current blocking function, unlike the conventional gas circuit breaker, the parts such as an arc contact point for arc arcing and a nozzle for blowing gas for arc arcing are used. There is an advantage that it does not need to be provided.
  • a series connection of the LC circuit 130 and the first bidirectional switching device 140 is connected in parallel to the vacuum interrupter 110.
  • the second bidirectional switching device 150 is connected in parallel to the LC circuit 130.
  • the LC circuit 130 is configured by connecting the capacitor 131 and the reactor 132 in series.
  • Each of the bidirectional switching elements 140 and 150 has a structure in which two switches G1 to G4 are connected in parallel so that current flows in both directions, and they are arranged in opposite directions. Although not shown in the drawing, the switches G1 to G4 are controlled by a controller (not shown).
  • the switches G1 to G4 are turn-on controllable power semiconductor devices, for example, may be implemented as thyristors.
  • the turn-on / turn-off controllable power semiconductor device may be implemented by, for example, GTO, IGCT, IGBT, or the like.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 of the present embodiment preferably has a charging resistor 160 for charging the capacitor 131 between the LC circuit 130 and the contact of the first bidirectional switching element 140 and the ground GND. ) Is connected.
  • the charging resistor 160 allows the capacitor 131 of the LC circuit 130 to be initially charged by the DC voltage Vc.
  • the nonlinear resistor 170 may be connected in parallel to the vacuum interrupter 110, and when the fault current is blocked in the vacuum interrupter 110, an excessive voltage greater than or equal to the rated voltage of the high voltage DC breaker 100 may be applied. As it is to prevent from being applied at both ends, when a high voltage due to a fault is caught at both ends of the high voltage DC circuit breaker 100 above a predetermined reference value, it is automatically turned on to consume high voltage.
  • a nonlinear resistor 170 may be implemented with, for example, a varistor.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a fault current blocking process when a fault occurs in one side B of the high voltage DC breaker according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is the other side A of the high voltage DC breaker according to another embodiment of the present invention. Is a schematic diagram showing the fault current blocking process in case of fault.
  • the control unit detects the failure to operate the vacuum interrupter 110 to cut off the fault current to separate the two contacts. . While the two contacts of the vacuum cut-off unit 110 are separated, the parallel-connected switches G1 and G2 of the first bidirectional switching element 140 are both turned off and then the lower end of the second bidirectional switching element 150.
  • the switch G4 is turned on and LC resonance occurs between the reactor 132 and the capacitor 131 through the switch G4 at the bottom thereof, whereby the capacitor 131 is charged with a voltage of -Vc.
  • the lower switch G4 is turned off, and the switch G2 on the right side of the first bidirectional switching element 140 is turned on (OF) to allow the capacitor 131.
  • the current is supplied to the vacuum interrupter 110 through the switch G2 on the right side by the -Vc voltage charged in the). As a result, the current in the vacuum interrupter 110 becomes 0 (zero) by the supplied current to block the fault current.
  • the current supplied to the vacuum interrupter 110 is to block the fault current in the vacuum interrupter 110, the fault current and the direction is opposite and the size is preferably larger.
  • the magnitude of the reverse current input to block the fault current is determined by the charging capacity of the capacitor. Therefore, it is preferable that the charging capacity of the capacitor 131 is determined according to the design conditions of the high voltage DC line to which the high voltage DC circuit breaker 100 according to the present invention is applied.
  • the gas cut-off unit 120 operates so that the gas cut-off unit 120 is responsible for the insulation strength due to the voltage A increased. do. Specifically, since the vacuum blocking unit 110 and the gas blocking unit 120 are connected in series with each other, when a fault current occurs in the DC line, the vacuum blocking unit 110 operates first to isolate the fault current by disconnecting the two contacts. After the predetermined time has elapsed, the gas blocking unit 120 operates to block the DC line so that the gas blocking unit 120 insulates the high voltage of the A side.
  • the vacuum interrupter 110 is responsible for blocking the fault current and the gas interrupter 120 is responsible for insulation recovery.
  • the gas blocking unit 120 operates after a predetermined time elapses, and the operation time of the vacuum blocking unit 110 ends. It is important to operate the gas shutoff part 120 so that the operation time of the two shutoff parts 110 and 120 is partially overlapped. This is because the vacuum interrupter 110 has a high current blocking performance, but the rated voltage is low, so the insulation strength against the high voltage is low, thereby increasing the burden on the internal components or elements by the high voltage that is insulated during the initial interruption of the current.
  • the gas blocking unit 120 having excellent dielectric strength is operated before the circuit is completely blocked by the vacuum blocking unit 110. Therefore, since the gas shutoff part 120 first blocks the fault current in the vacuum cutout part 110, it is not necessary to include various parts for arc arcing, that is, parts such as an arc contact point and a nozzle, as in the prior art, so that the structure is simple. The manufacturing cost can be reduced.
  • the control unit detects the failure to operate the vacuum interrupter 110 to cut off the fault current to separate the two contacts. While the two contacts in the vacuum cut-off unit 110 are separated, the parallel-connected switches G3 and G4 of the second bidirectional switching device 150 are both turned OFF and are located on the left side of the first bidirectional switching device 140.
  • the switch G1 is turned on to supply current to the vacuum interrupter 110 by the voltage already stored in the capacitor 131 of the LC circuit 130. As a result of the current supplied in this way, the current in the vacuum interrupter 110 becomes zero, and the fault current is cut off.
  • the current supplied to the vacuum interrupter 110 is to block the fault current in the vacuum interrupter 110, the fault current and the direction is opposite and the size is preferably larger.
  • the magnitude of the reverse current input to block the fault current is determined by the charging capacity of the capacitor. Therefore, the charging capacity of the capacitor 131 is determined according to the conditions of the high voltage DC line to which the high voltage DC circuit breaker 100 is applied.
  • the gas shutoff unit 120 operates so that the gas breaking unit 120 is responsible for the insulation strength due to the increased B side voltage. Do it. That is, the vacuum interrupter 110 operates first to disconnect the two contacts to block the fault current, and after a certain time, the gas shutoff unit 120 operates to block the DC line, thereby preventing the high voltage of the B side.
  • the gas blocking unit 120 is responsible for the insulation.
  • the gas shutoff unit 120 it is preferable to operate the gas shutoff unit 120 before the operation time of the vacuum shutoff unit 110 ends so that the operation time of the two shutoff units 110 and 120 overlaps. This is because the vacuum interrupter 110 first cuts out the fault current, so the gas shutoff part 120 does not need to provide various components for arc arcing, that is, a structure such as an arc contact point, a nozzle, and the like. The manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 5 is a view showing the operating time and the insulation strength according to the operation of the vacuum interrupter and the gas shutoff according to an embodiment of the present invention.
  • the vacuum interrupter 110 when a failure occurs at one side or the other side of the DC line, the vacuum interrupter 110 operates first at a time point t1. The operation of the vacuum interrupter 110 ends at time t3. At this time, before the operation of the vacuum blocking unit 110 is completed, the gas blocking unit 120 is operated at a time t2 and is terminated at a time t4. As shown in the drawing, the operation time of the two blocking parts 110 and 120 is partially overlapped (t2 ⁇ t3).
  • an operation time t2 at which the two blocking units 110 and 120 overlap. t3) is preferably set to 1 dB or less.
  • the vacuum interrupter 110 since the vacuum interrupter 110 first cuts off the DC line, the burden applied by the high voltage to the vacuum interrupter 110 having a small insulation strength against high voltage increases. And damage to the device. Therefore, before this burden becomes greater, the gas shutoff part 120 having a relatively larger insulation content is operated at a predetermined time t2.
  • the vacuum interrupter 110 when the voltage of the system is 80 kV, the vacuum interrupter 110 is responsible for the insulation strength of 25.8 kV, and the gas shutoff part 120 is responsible for the insulation strength of 72 kV.
  • the present invention reduces the burden of having both the fault current blocking function due to the high voltage and the insulation strength against the high voltage of 80 kW in the existing breaker, and in the vacuum interrupter 110 and the gas shutoff unit 120.
  • the high voltage DC circuit breaker 100 is a switch of the second bidirectional switching element 150 instead of the main switch CB as shown in FIG. G3, G4) is characterized by. Therefore, the current oscillation due to the LC resonance is not increased as in the prior art.
  • the LC resonance is performed only once so that the voltage polarity of the capacitor 131 of the LC circuit 130 is reversed by the LC resonance. This causes the blocking speed to increase compared to the prior art.
  • the vacuum cut-off unit 110 and the gas cut-off unit 120 are connected in series, cut off the fault current in the vacuum cut-off unit 110, and insulate against the high voltage in the gas cut-off unit 120. By bearing the load, it is possible to provide a good DC circuit breaker in terms of performance and cost.

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Abstract

본 발명은 진공차단부와 가스차단부를 직렬로 연결하여 고전압 DC 선로에 흐르는 고장전류를 차단하도록 하는 고전압 DC 차단기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기는, 직류(DC) 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 동작하여 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 진공차단부; 상기 진공인터럽터의 일측에 직렬로 연결된 가스차단부; 상기 진공차단기(110)에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터 및 리액터를 포함하는 LC 회로; 상기 LC 회로에 직렬연결되어 양방향 전류흐름을 스위칭하는 제1 양방향 스위칭소자; 및 상기 LC 회로에 병렬연결되어 양방향으로 LC 공진이 이루어지도록 전류흐름을 스위칭하는 제2 양방향 스위칭소자를 포함한다.

Description

고전압 ＤＣ 차단기
본 발명은 고전압 직류(DC) 차단기에 관한 것으로서, 특히 진공차단부와 가스차단부를 직렬로 연결하여 고전압 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) 송전 시스템 등과 같은 약 50㎸ 이상의 고전압 송전선로를 통해 흐르는 전류를 차단할 수 있는 스위칭 장치이다. 이러한 고전압 DC 차단기는 DC 선로에 고장발생시 고장전류를 차단하는 역할을 한다. 물론, 약 1~50㎸의 DC 전압레벨의 중간전압 DC 배전 시스템에도 적용이 가능하다.
이러한 고전압 DC 차단기의 경우 시스템에 고장전류가 발생하면 메인스위치를 개방시켜 고장이 발생한 회로를 분리하여 그 고장전류를 차단하도록 한다. 하지만, DC 선로에는 전류 0(zero)점이 존재하지 않기 때문에 메인스위치의 개방시 메인스위치의 단자간에 발생한 아크(arc)가 소호되지 않고 고장전류가 이러한 아크를 통해 지속적으로 흐르게 되어 고장전류를 차단하지 못하는 문제점이 있다.
도 1에 도시된 일본공개특허 제1984-068128호에는 고전압 DC 차단기에서 메인스위치(CB)의 스위치 동작시 발생된 아크(arc)를 소호하여 고장전류(Ic)를 차단하기 위해 메인스위치(CB)에 흐르는 전류(IDC)에 LC 회로에 의한 공진전류(Ip)를 중첩시켜서(Idc=IDC+Ip) 메인스위치(CB)에서 0(zero) 전류를 만들어 아크를 소호시키는 기술을 제공한다. 즉 메인스위치(CB)가 닫히면 공진전류(Ip)가 DC전류(IDC)에 중첩되도록 주입되고, 이후 LC 공진에 의해 공진전류(Ip)는 진동하는 전류가 되고 메인스위치(CB)를 따라 진동하면서 점점 크기가 커지게 된다. 이로써, 음(-)의 공진전류 -Ip가 IDC보다 커지게 되어 고장전류(Ic)가 zero 전류가 되고 메인스위치(CB)의 아크가 소호된다. 하지만, 이러한 종래기술은 DC 전류(IDC)보다 더 큰 공진전류(Ip)가 겹쳐져야 하기 때문에 회로정격이 정격전류의 2배 이상이어야 하며, 이와 같이 큰 공진전류(Ip)를 발생시키기 위해 여러 번의 공진이 이루어져야 하기 때문에 차단속도가 느려지는 문제점이 있다. 또한 종래의 DC 차단기는 양방향 고장전류의 차단이 불가능하다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 진공인터럽터(VI:Vacuum Interrupter)가 개발되어 메인스위치(CB)의 차단시 아크전류가 발생하는 것을 방지하도록 하지만, 현재까지 개발된 진공인터럽터(VI)는 정격전압이 낮으므로 절연내압이 높지 않아 고전압 DC 차단기에 적용하기에는 한계가 있다.
이에, 본 발명은 진공차단부와 가스차단부를 직렬로 연결하여 DC 선로에 고장발생 시 정격전압이 낮고 전류차단 성능이 우수한 진공차단부에서 먼저 고장전류를 차단하고 이후에 가스차단부가 동작하여 절연내압은 차스차단부에서 담당하도록 하는 고전압 DC 차단기를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가스차단부가 동작한 후 기설정된 일정시간이 경과한 후 상기 가스차단부가 동작하되, 상기 진공차단부(110)의 동작시간이 종료되기 전에 상기 가스차단부를 동작시켜 두 차단부의 동작시간이 일부 오버랩되도록 하는 고전압 DC 차단기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기는,
직류(DC) 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 동작하여 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 진공차단부; 상기 진공인터럽터의 일측에 직렬로 연결된 가스차단부; 상기 진공차단기(110)에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터 및 리액터를 포함하는 LC 회로; 상기 LC 회로에 직렬연결되어 양방향 전류흐름을 스위칭하는 제1 양방향 스위칭소자; 및 상기 LC 회로에 병렬연결되어 양방향으로 LC 공진이 이루어지도록 전류흐름을 스위칭하는 제2 양방향 스위칭소자를 포함한다.
본 발명에서, 상기 커패시터(131)에 전압(Vc)을 충전하기 위한 충전저항을 더 포함하고, 상기 충전저항(160)은 상기 LC 회로 및 상기 제1 양방향 스위칭소자 간의 접점과 접지 사이에 설치된다.
본 발명에서, 상기 제1 및 제2 양방향 스위칭소자는, 각각 턴온(turn-on) 또는 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off) 제어가능한 한 쌍의 스위치(G1-G2,G3-G4)를 포함하고 상기 각 쌍의 스위치는 서로 반대방향으로 병렬연결된다.
본 발명에서, 상기 DC 선로의 상기 일측에 고장발생 시 상기 진공차단부가 동작하여 두 접점이 분리되는 동안, 상기 제1 양방향 스위칭소자의 스위치(G1-G2)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2 양방향 스위칭소자 중 스위치(G4)가 온(ON)되어 상기 LC 회로의 리액터와 커패시터 간의 LC 공진에 의해 상기 커패시터에 -Vc 전압이 충전된 후 상기 스위치(G4)가 오프(OFF)되고, 상기 제1 양방향 스위칭소자 중 하나의 스위치(G2)가 온되어 상기 커패시터에 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 진공차단부 전류를 공급하고, 상기 공급된 전류에 의해 상기 진공차단부의 두 접점 간에 0(zero) 전류가 되어 상기 DC 선로의 전류를 차단한다.
본 발명에서, 상기 DC 선로의 상기 타측에 고장발생시 상기 진공차단부가 동작하여 두 접점이 분리되는 동안, 상기 제2 양방향 스위칭소자의 스위치(G3-G4)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제1 양방향 스위칭소자 중 스위치(G1)가 온(ON)되어 상기 LC 회로의 커패시터에 기충전된 +Vc 전압에 의해 상기 진공차단부로 전류를 공급하고, 상기 공급된 전류에 의해 상기 진공차단부의 두 접점 간에 0(zero) 전류가 형성되어 상기 DC 선로의 전류를 차단한다.
본 발명에서, 상기 진공차단부가 동작하여 상기 접점이 분리되는 동안 기설정된 일정시간이 경과한 후 상기 가스차단부가 동작하고 상기 진공차단부의 동작시간이 종료되기 전에 상기 가스차단부를 동작하도록 하여 두 동작시간이 일부 오버랩되도록 한다.
본 발명에 따른 고전압 DC 차단기에서 진공차단부와 가스차단부가 직렬로 연결되기 때문에 진공매질의 우수한 아크소호 능력과 가스의 우수한 절연내압을 동시에 활용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기에서는 DC 선로에 고장발생 시 진공차단부에서 고장전류를 먼저 차단하고, 이에 직렬로 연결된 가스차단부는 절연내력 회복의 역할만 하므로 기존의 가스차단기에서 아크소호에 필요한 차단부 내부의 아크접점, 가스블로어 노즐 등과 같은 부품을 모두 제거할 수 있으며, 진공차단부에만 비선형 저항기를 적용하고 가스차단부에는 이를 적용할 필요가 없으므로 비선형 저항기의 소자 개수도 줄일 수 있기 때문에 DC 차단기의 크기 및 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 현재의 기술적 한계가 있는 145㎸ 이상의 진공차단기가 불필요하므로 320㎸ 이상의 초고압 DC 차단기의 실현 가능성도 더욱 높일 수 있다.
도 1은 종래의 고전압 DC 차단기의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 선로의 일측에 고장발생시 고전압 DC 차단기에서의 고장전류 차단과정을 보이는 개요도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 선로의 타측에 고장발생시 고전압 DC 차단기에서의 고장전류 차단과정을 보이는 개요도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진공차단부와 가스차단부의 동작시간 및 이에 따른 절연내력을 도시한 도면.
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 A측과 B측을 연결하는 DC 선로(10)에 설치된 진공차단부(110)를 포함한다. 이러한 진공차단부(110)는 기본적으로 일측(B측) 또는 타측(A측)에 고장발생시 그 고장이 발생한 회로로 고장전류가 지속적으로 흘러들어가지 않도록 하기 위해 DC 선로(10)를 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 진공차단부(110)는 정상상태에서는 내부의 두 접점이 접촉되어 있다가 고장발생시 서로 분리되어 전류의 흐름을 차단한다. 이러한 진공차단부(110)는 제어부(미도시)의 제어에 의해 접점의 접촉/분리 동작이 제어된다. 본 발명에서 진공차단부(110)는 예컨대 진공인터럽터(VI:Vacuum Interrupter)를 포함한다.
이러한 진공차단부(110)의 일측에는 가스차단부(120)가 직렬로 연결된다. 가스차단부(120)는 예컨대 SF6 등의 가스를 이용함으로써 절연능력과 소호능력이 우수한 가스차단기(GCB:Gas Circuit Breaker)를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(110)에서는 진공차단부(110)와 가스차단부(120)가 DC 선로 상에서 직렬로 연결된다. DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 DC 선로로 흐르는 고장전류를 차단하기 위핸 먼저 진공차단부(110)가 동작하고 이후 일정한 시간이 경과한 후 가스차단부(120)가 동작한다. 구체적으로, DC 선로의 고장전류를 차단하기 위해 진공차단부(110)가 동작하여 내부의 두 접점이 분리된다. 이때, 진공차단부(110)가 동작하여 내부의 두 접점이 분리되는 동안 기설정된 일정시간이 경과한 후 가스차단부(120)가 동작하되, 진공차단부(110)의 동작시간이 종료되기 전에 가스차단부(120)를 동작하도록 하여 두 차단부(110,120)의 동작시간이 일부 오버랩(overlap)되도록 한다. 이는 고전압 DC 선로에 고전압이 걸리는 경우 진공차단부(110)에서 고장전류가 차단될 때 고전압에 의한 절연내력을 가스차단부(120)가 감당하도록 하기 위한 것이다. 즉, 고장전류의 차단은 상대적으로 정격전압이 낮고 전류차단 성능이 높은 진공차단부(110)에서 수행하고 고전압에 대한 절연회복은 가스차단부(120)에서 담당하도록 하는 것이다. 이로써 본 발명에 따른 가스차단부(120)는 전류차단 기능을 수행하지 않으므로 기존의 가스차단기와는 달리 아크소호를 위한 아크접점, 아크소호를 위해 가스를 블로어(blow)하기 위한 노즐 등의 부품을 구비할 필요가 없다는 장점이 있다.
본 실시 예에서 DC 선로(10)에 고전압이 걸리기 때문에 진공차단부(110)에는 대전류가 흐르게 된다. 이 때문에 고장발생시 진공차단부(110)가 동작하여 두 접점이 분리된다. 이러한 접점의 분리에 의해 고장전류가 차단된다. 이때, 두 접점 간에는 고전압이 걸리기 때문에 큰 고장전류를 빨리 차단하기 위해 추가적인 소자가 필요하게 된다.
구체적으로, 본 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기(100)에는 LC 회로(130) 및 제1 양방향 스위칭소자(140)의 직렬연결이 진공차단부(110)에 병렬로 연결된다. 또한, LC 회로(130)에 제2 양방향 스위칭소자(150)가 병렬로 연결된다. LC 회로(130)는 커패시터(131)와 리액터(132)가 직렬로 연결되어 구성된다. 각각의 양방향 스위칭소자(140,150)는 양방향으로 전류가 흐르도록, 예컨대 2개의 스위치(G1~G4)가 각각 병렬로 연결되는 구조를 이루며, 이들은 서로 반대방향으로 배열된다. 도면에는 도시하지 않았으나 스위치(G1~G4)는 제어부(미도시)에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다. 본 실시 예에서 스위치(G1~G4)는 턴온(turn-on) 제어가능한 전력반도체소자로서, 예컨대 싸이리스터(thyristor)로 구현될 수 있다. 또는 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off) 제어가능한 전력반도체소자로서는 예컨대 GTO, IGCT, IGBT 등으로 구현될 수도 있다.
또한, 본 실시 예의 고전압 DC 차단기(100)는 바람직하게는 LC 회로(130)와 제1 양방향 스위칭소자(140)의 접점과 접지(GND) 사이에 커패시터(131)의 충전을 위한 충전저항(160)이 연결된다. 이러한 충전저항(160)를 통해 LC 회로(130)의 커패시터(131)가 DC 전압(Vc)만큼 초기 충전되도록 한다.
또한, 본 실시 예에서 진공차단부(110)에 병렬로 비선형 저항기(170)가 연결될 수 있으며, 진공차단부(110)에서의 고장전류 차단시 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. 이러한 비선형 저항기(170)는 예컨대 바리스터(varistor)로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 일측(B)에 고장발생시 고장전류 차단과정을 보이는 개요도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고전압 DC 차단기의 타측(A)에 고장발생시 고장전류 차단과정을 보이는 개요도이다.
먼저, 전류가 A측에서 B측으로 흐르는 경우, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 정상상태인 경우에는 진공차단부(110) 내의 두 접점이 접촉되어 있어 정상전류가 A->B로 흐르게 된다. 이때, 제1 양방향 스위칭소자(140) 및 제2 양방향 스위칭소자(150)는 모두 오프(OFF)되어 전류흐름이 차단되어 있다. 이에 따라 고전압 DC 선로(10)에 고전압이 인가되면 정상전류는 진공차단부(110) 내 접촉된 두 접점을 통해 DC 선로(10)를 따라 흐르게 되고, 이와 동시에 LC 회로(130)의 커패시터(131) 및 리액터(132), 그리고 충전저항(160)을 통해 커패시터(131)에 DC 전압 +Vc가 충전된다.
이때, 만약 B측에 고장이 발생한 경우는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제어부에서 고장발생을 감지하여 고장전류를 차단하기 위해 진공차단부(110)를 동작시켜 두 접점을 분리시킨다. 진공차단부(110)의 두 접점이 분리되는 동안 제1 양방향 스위칭소자(140)의 병렬연결된 스위치(G1,G2)는 모두 오프(OFF)된 상태에서 제2 양방향 스위칭소자(150)의 하단의 스위치(G4)가 온(ON)되어 그 하단의 스위치(G4)를 통해 리액터(132)와 커패시터(131) 간에 LC 공진이 발생하여 커패시터(131)에는 -Vc 전압이 충전된다.
이후, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 하단의 스위치(G4)는 오프(OFF)되고, 제1 양방향 스위칭소자(140)의 우측의 스위치(G2)가 온(OF)되어 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 전류가 우측의 스위치(G2)를 통해 진공차단부(110)로 공급된다. 이와 같이 공급된 전류에 의해 진공차단부(110)에서의 전류는 0(zero)가 되어 고장전류를 차단하도록 한다.
이때, 상기와 같이 진공차단부(110)로 공급되는 전류는 진공차단부(110) 내에서 고장전류를 차단하기 위한 것으로서 해당 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 큰 것이 바람직하다. 이와 같이 고장전류를 차단하기 위해 투입되는 역전류의 크기는 커패시터의 충전용량에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)가 적용되는 고전압 DC 선로의 설계조건에 따라 커패시터(131)의 충전용량이 결정됨이 바람직하다.
상기와 같이 진공차단부(110)에서 고장전류가 차단되면 상대적으로 B측에 비해 A측 전압이 급격히 상승하게 된다. 따라서, 진공차단부(110)가 동작된 이후에 기설정된 일정시간이 경과한 후에 가스차단부(120)가 동작하여 이와 같이 상승한 A측 전압에 의한 절연내력을 가스차단부(120)가 담당하도록 한다. 구체적으로, 진공차단부(110)와 가스차단부(120)가 서로 직렬로 연결되어 있으므로 DC 선로에 고장전류가 발생하면 진공차단부(110)가 먼저 동작하여 두 접점을 분리시킴으로써 고장전류를 차단하도록 하고, 일정시간이 경과 후 가스차단부(120)가 동작하여 DC 선로를 차단하도록 함으로써 A측의 고전압에 대한 절연을 가스차단부(120)가 담당하도록 하는 것이다. 이와 같이, 본 발명에서는 진공차단부(110)는 고장전류의 차단을 담당하고 가스차단부(120)는 절연회복을 담당하도록 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 진공차단부(110)가 동작하여 내부의 두 접점이 분리되는 동안 기설정된 일정시간이 경과 후 가스차단부(120)가 동작하되, 진공차단부(110)의 동작시간이 종료되기 전에 가스차단부(120)를 동작시켜 두 차단부(110,120)의 동작시간이 일부 오버랩(overlap)되도록 하는 것이 중요하다. 이는 진공차단부(110)는 전류차단 성능은 높지만 정격전압이 낮아 고전압에 대한 절연내력이 낮으므로 초기에 전류를 차단하는 동안 절연되는 고전압에 의해 내부의 부품이나 소자에 부담이 증가하기 때문에, 이러한 부담을 방지하고자 진공차단부(110)에서 완전히 회로를 차단하기 전에 절연내력이 우수한 가스차단부(120)를 동작시키도록 하는 것이다. 따라서, 가스차단부(120)는 진공차단부(110)에서 먼저 고장전류를 차단하기 때문에 종래와 같이 아크소호를 위한 여러 부품, 즉 아크접점, 노즐 등의 부품을 구비할 필요가 없으므로 구조가 간단하고 제조비용을 줄일 수 있다.
한편, 전류가 B측에서 A측으로 흐르는 경우, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 정상상태인 경우에는 진공차단부(110) 내의 두 접점이 접촉되어 있어 정상전류가 B->A로 흐르게 된다. 이때, 제1 양방향 스위칭소자(140) 및 제2 양방향 스위칭소자(150)는 모두 오프(OFF)되어 전류흐름이 차단되어 있다. 이에 따라 고전압 DC 선로(10)에 고전압이 인가되면 정상전류는 진공차단부(110) 내 접촉된 두 접점을 통해 DC 선로(10)를 따라 흐르게 되고, 이와 동시에 진공차단부(110)를 거친 정상전류는 LC 회로(130)의 커패시터(131) 및 리액터(132), 그리고 충전저항(160)을 통해 커패시터(131)에 DC 전압 +Vc가 충전된다.
이때, A측에 고장이 발생한 경우는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제어부에서 고장발생을 감지하여 고장전류를 차단하기 위해 진공차단부(110)를 동작시켜 두 접점을 분리시킨다. 진공차단부(110) 내의 두 접점이 분리되는 동안 제2 양방향 스위칭소자(150)의 병렬연결된 스위치(G3,G4)는 모두 오프(OFF)된 상태에서 제1 양방향 스위칭소자(140)의 좌측의 스위치(G1)가 온(ON)되어 LC 회로(130)의 커패시터(131)에 이미 저장되어 있던 전압에 의해 진공차단부(110)로 전류가 공급된다. 이와 같이 공급된 전류에 의해 진공차단부(110)에서의 전류는 0(zero)이 되어 고장전류가 차단된다.
이때, 상기와 같이 진공차단부(110)로 공급되는 전류는 진공차단부(110) 내에서 고장전류를 차단하기 위한 것으로서 해당 고장전류와 방향은 반대이고 크기는 더 큰 것이 바람직하다. 이와 같이 고장전류를 차단하기 위해 투입되는 역전류의 크기는 커패시터의 충전용량에 의해 결정된다. 따라서, 고전압 DC 차단기(100)가 적용되는 고전압 DC 선로의 조건에 따라 커패시터(131)의 충전용량이 결정된다.
상기와 같이 진공차단부(110)에서 고장전류가 차단되면 상대적으로 A측에 비해 B측 전압이 급격히 상승하게 된다. 이 경우에도 진공차단부(110)가 동작된 이후에 기설정된 일정시간이 경과한 후에 가스차단부(120)가 동작하여 이와 같이 상승한 B측 전압에 의한 절연내력을 가스차단부(120)가 담당하도록 한다. 즉, 진공차단부(110)가 먼저 동작하여 두 접점을 분리시켜 고장전류를 차단하도록 하고, 일정시간이 경과 후 가스차단부(120)가 동작하여 DC 선로를 차단하도록 함으로써 B측의 고전압에 대한 절연을 가스차단부(120)가 담당하도록 하는 것이다.
이 경우에도 진공차단부(110)의 동작시간이 종료되기 전에 가스차단부(120)를 동작시켜 두 차단부(110,120)의 동작시간이 일부 오버랩(overlap)되도록 함이 바람직하다. 이는 역시 진공차단부(110)에서 먼저 고장전류를 차단하기 때문에 가스차단부(120)에서는 종래와 같이 아크소호를 위한 여러 부품, 즉 아크접점, 노즐 등의 부품을 구비할 필요가 없으므로 구조가 간단하고 제조비용을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진공차단부와 가스차단부의 동작시간 및 이에 따른 절연내력을 도시한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)에서는 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생 시 진공차단부(110)가 t1 시점에 먼저 동작한다. 이러한 진공차단부(110)의 동작은 t3 시점에 종료된다. 이때, 진공차단부(110)의 동작이 완료되기 전에 t2 시점에 가스차단부(120)가 동작되어 t4 시점에 종료된다. 도면에서와 같이 두 차단부(110,120)의 동작시간은 일부(t2~t3)가 오버랩된다. 본 실시 예에서 진공차단부(110)가 동작하는 시점(t1)과 가스차단부(120)가 동작을 종료하는 시점이 2~5㎳인 경우 두 차단부(110,120)가 오버랩되는 동작시간(t2~t3)은 1㎳ 이하로 설정함이 바람직하다.
이는 도 5의 (b)에서와 같이 진공차단부(110)가 먼저 DC 선로를 차단함으로써 고전압에 대한 절연내력이 작은 진공차단부(110)에 고전압에 의해 가해지는 부담이 증가하기 때문에 내부의 부품과 소자에 손상을 줄 수가 있다. 따라서, 이러한 부담이 더 커지기 전에 일정한 시점(t2)에 상대적으로 더 큰 절연내역을 가진 가스차단부(120)를 동작시키는 것이다. 본 발명의 일례에서 시스템의 전압이 80㎸인 경우 진공차단부(110)에서는 25.8㎸의 절연내력을 담당하도록 하고, 가스차단부(120)는 72㎸의 절연내력을 담당하도록 한다.
이로써, 본 발명에서는 기존에 하나의 차단부에서 고전압에 의한 고장전류 차단기능과 80㎸의 고전압에 대한 절연내력을 모두 갖도록 하는 부담을 줄이고, 진공차단부(110)와 가스차단부(120)에서 고장전류 차단기능과 고전압에 대한 절연내력을 각각 분리하여 담당하도록 함으로써 적은 비용으로 효율적이고 차단속도가 빠른 고전압 DC 차단기를 구현할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 DC 차단기(100)는 LC 공진에 의한 전류가 도 1에 도시된 종래기술과 같이 메인스위치(CB)가 아니라 제2 양방향 스위칭소자(150)의 스위치(G3,G4)를 통해 이루어진다는 특징이 있다. 따라서, 종래기술과 같이 LC 공진에 의한 전류 진동이 커지는 것이 아니라, 본 발명에서는 LC 공진에 의해 LC 회로(130)의 커패시터(131)의 전압극성이 반대로 바뀌도록 LC 공진이 한번만 이루어진다. 이는 종래기술에 비해 차단속도가 증가하는 원인이 된다. 또한, 본 발명에서는 종래기술과 달리 진공차단부(110)와 가스차단부(120)를 직렬로 연결하고 진공차단부(110)에서 고장전류를 차단하고 가스차단부(120)에서 고전압에 대한 절연내력을 부담하도록 함으로써 성능과 비용 측면에서 우수한 DC 차단기를 제공할 수 있도록 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.

Claims (6)

  1. 직류(DC) 선로에 설치되고 상기 DC 선로의 일측 또는 타측에 고장발생시 동작하여 상기 DC 선로의 전류를 차단하기 위한 진공차단부(110);
    상기 진공차단부(110)에 직렬로 연결된 가스차단부(120);
    상기 진공차단부(110)에 병렬연결되고 LC 공진을 발생하기 위해 직렬연결된 커패시터(131) 및 리액터(132)를 포함하는 LC 회로(130);
    상기 LC 회로(130)에 직렬연결되어 양방향 전류흐름을 스위칭하는 제1 양방향 스위칭소자(140); 및
    상기 LC 회로(130)에 병렬연결되어 양방향으로 LC 공진이 이루어지도록 전류흐름을 스위칭하는 제2 양방향 스위칭소자(150); 를 포함하는 고전압 DC 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터(131)에 전압(Vc)을 충전하기 위한 충전저항(160)을 더 포함하고, 상기 충전저항(160)은 상기 LC 회로(130) 및 상기 제1 양방향 스위칭소자(140) 간의 접점과 접지(GND) 사이에 설치되는 고전압 DC 차단기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양방향 스위칭소자는,
    각각 턴온(turn-on) 또는 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off) 제어가능한 한 쌍의 스위치(G1-G2,G3-G4)를 포함하고 상기 각 쌍의 스위치는 서로 반대방향으로 병렬연결되는 고전압 DC 차단기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 DC 선로의 상기 일측에 고장발생 시 상기 진공차단부(110)가 동작하여 두 접점이 분리되는 동안, 상기 제1 양방향 스위칭소자(140)의 스위치(G1-G2)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제2 양방향 스위칭소자(150) 중 스위치(G4)가 온(ON)되어 상기 LC 회로(130)의 리액터(132)와 커패시터(131) 간의 LC 공진에 의해 상기 커패시터(131)에 -Vc 전압이 충전된 후 상기 스위치(G4)가 오프(OFF)되고, 상기 제1 양방향 스위칭소자(140) 중 하나의 스위치(G2)가 온되어 상기 커패시터(131)에 충전된 -Vc 전압에 의해 상기 진공차단부(110)로 전류를 공급하고, 상기 공급된 전류에 의해 상기 진공차단부(110)의 두 접점 간에 0(zero) 전류가 되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하는 고전압 DC 차단기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 DC 선로의 상기 타측에 고장발생시 상기 진공차단부(110)가 동작하여 두 접점이 분리되는 동안, 상기 제2 양방향 스위칭소자(150)의 스위치(G3-G4)는 오프(OFF)된 상태에서 상기 제1 양방향 스위칭소자(140) 중 스위치(G1)가 온(ON)되어 상기 LC 회로(130)의 커패시터(131)에 기충전된 +Vc 전압에 의해 상기 진공차단부(110)로 전류를 공급하고, 상기 공급된 전류에 의해 상기 진공차단부(110)의 두 접점 간에 0(zero) 전류가 형성되어 상기 DC 선로의 전류를 차단하는 고전압 DC 차단기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진공차단부(110)가 동작하여 상기 접점이 분리되는 동안 기설정된 일정시간이 경과한 후 상기 가스차단부(120)가 동작하고 상기 진공차단부(110)의 동작시간이 종료되기 전에 상기 가스차단부(120)를 동작하도록 하여 두 동작시간이 일부 오버랩되도록 하는 고전압 DC 차단기.
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