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KR-20260061106-A - CURRENT-BYPASS TYPE CIRCUIT BREAKER

KR20260061106AKR 20260061106 AKR20260061106 AKR 20260061106AKR-20260061106-A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 회로 차단기는 차단 대상이 되는 전류 경로 상에서 전류의 흐름 방향을 기준으로 순차 배치되는 제1 및 제2 스위치와, 상기 제1 스위치와 병렬로 접속되는 하나 이상의 퓨즈 모듈을 포함하는 메인 브랜치(Main Branch); 제3 스위치를 포함하며, 상기 제3 스위치의 온 동작 시 상기 메인 브랜치로 역전류를 주입하도록 구성되는 역전류 주입 브랜치; 및 상기 제1 내지 제3 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전류 경로 상에 전류 영점(Current Zero)을 형성시켜 상기 전류 경로 상에 흐르는 전류를 차단하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 이원교

Assignees

  • 한국전력공사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20260407

Claims (1)

  1. 차단 대상이 되는 전류 경로 상에서 전류의 흐름 방향을 기준으로 순차 배치되는 제1 및 제2 스위치와, 상기 제1 스위치와 병렬로 접속되는 하나 이상의 퓨즈 모듈을 포함하는 메인 브랜치(Main Branch); 제3 스위치를 포함하며, 상기 제3 스위치의 온 동작 시 상기 메인 브랜치로 역전류를 주입하도록 구성되는 역전류 주입 브랜치; 및 상기 제1 내지 제3 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전류 경로 상에 전류 영점(Current Zero)을 형성시켜 상기 전류 경로 상에 흐르는 전류를 차단하는 제어기; 를 포함하고, 상기 전류 경로 상에서 정상 전류가 흐르는 노멀 상태(Normal State)에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 온 상태를 유지하고, 상기 제3 스위치는 오프 상태를 유지하도록 구성되고, 상기 제어기는, 전류 경로 상에 흐르는 차단 대상 전류의 크기 및 미리 설정된 기준치 간의 비교 결과에 따라 상기 제1 내지 제3 스위치의 온오프 동작을 차별적으로 제어하여 상기 전류 경로 상에 전류 영점(Current Zero)을 형성시키고, 상기 차단 대상 전류의 크기가 상기 기준치 이하인 경우, 상기 제어기는, 상기 제2 스위치를 오프시킨 후 상기 제3 스위치를 온 시키고, 상기 차단 대상 전류의 크기가 상기 기준치를 초과할 경우, 상기 제어기는, 상기 제1 스위치를 오프시켜 상기 차단 대상 전류가 상기 퓨즈 모듈을 통해 바이패스(bypass)되도록 하고, 이후 상기 제2 스위치를 오프시키며, 이후 상기 제3 스위치를 온 시키고, 상기 메인 브랜치 및 상기 역전류 주입 브랜치는 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 전류 바이패스형 회로 차단기.

Description

전류 바이패스형 회로 차단기{CURRENT-BYPASS TYPE CIRCUIT BREAKER} 본 발명은 회로 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 DC 회로 차단기에 관한 것이다. 신재생 에너지원과 분산전원 확대 및 직류부하의 증가에 따라 DC 전력망이 주목받고 있다. DC 전력망의 안전하고 신뢰성 있는 운용을 위해서는 단락 사고를 차단하고 사고를 정상 계통과 분리해 줄 수 있는 DC 회로 차단기가 필수적이다. 이를 위해 다양한 방식의 DC 회로 차단기들이 제안되었다. 기계식 차단기는 on state 일 때의 전력 손실이 적지만 차단 시간이 느리다는 단점이 있고, Solid state 차단기는 빠른 차단이 가능하지만 on state일때의 전력손실이 크다는 단점이 있다. Hybrid 차단기는 기계식 차단기와 solid state 차단기의 장점을 융합한 차단기로서, on state의 손실을 줄일 수 있으며, 기계식 스위치에 비해 차단시간을 개선할 수 있기 때문에 주목받고 있다. 이중 특히 반도체 소자를 활용한 solid state 차단기 또는 hybrid 차단기에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 반도체 소자들을 활용하기 위해서는 복잡한 제어가 필요하며 반도체 소자의 높은 손실과 가격으로 인해 경제적이지 않다는 단점이 있다. 한편, 현재 파워퓨즈는 배전 시스템에서 주로 이용되고 있다. 파워퓨즈는 평상시에는 nominal current를 정상적으로 흘려주는 역할을 하며, 송전선상에서 높은 크기의 과전류나 단락 전류가 발생할 경우 전류를 차단해주는 역할을 한다. 주로 이용되는 파워 퓨즈의 유형에는 Current Limiting 유형과 Expulsion 유형이 있다. Current limiting fuse는 한류형 퓨즈라고도 불리며, 그 특성상 차단 과정에서 전류 크기가 최대치에 도달하기 전에 제한해줄 수 있어 current limiting fuse라고 불리고 있다. 한류형 퓨즈는 내부를 규소 등의 물질로 채워두고, 고장전류 차단 시 퓨즈 내부에서 발생한 아크의 열을 주변 물질이 융해되며 흡수하여, 아크의 저항을 높여줌으로써 전류를 차단하는 퓨즈이다. 상대적으로 크기가 작고 차단 용량이 높으며 차단 속도가 빠르다는 장점이 있으나, 그 과정에서 과전압이 발생하기 쉬우며 '주변 물질이 융해되며 열을 흡수하여 저항을 높인다'는 특성상 작은 크기의 과전류를 차단하기 힘들다는 단점이 있다. 비한류형 퓨즈라고도 불리는 expulsion fuse는 고장 발생 시 가스를 분출시켜 전류 영점에서 아크를 소호하는 퓨즈이다. 차단 속도가 상대적으로 느리지만 그로 인해 과전압에 대한 우려가 상대적으로 적다는 장점이 있으며, 작은 크기의 과전류를 차단하는 데 용이하다는 점에서 한류형 퓨즈에 비해 이점이 있다. 하지만 가스 분출을 통해 아크를 소호하는 특성상 차단 과정에서 큰 소음이 발생하며, 크기가 크고 차단 용량 또한 작다는 단점이 있다. 도 1 및 도 2는 DC 회로 차단기에 대한 기존의 연구를 보인 예시도이다. 도 3은 본 실시예에 따른 회로 차단기의 회로 구성을 보인 회로도이다. 도 4 내지 도 10은 본 실시예에 따른 회로 차단기의 동작을 보인 예시도이다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 회로 차단기의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 도 3은 본 실시예에 따른 회로 차단기의 회로 구성을 보인 회로도이고, 도 4 내지 도 10은 본 실시예에 따른 회로 차단기의 동작을 보인 예시도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예의 회로 차단기는 메인 브랜치(Main Branch)(100), 역전류 주입 브랜치(200), 에너지 소산 브랜치(300), 그리고 각 브랜치(100, 200)에 포함되는 각 스위치(S1 - S4)를 제어하는 제어기(400)를 포함한다. 메인 브랜치(100)는 차단 대상이 되는 전류 경로(L)가 포함되는 브랜치에 해당하며, 상기 전류 경로 상에서 DC 전류의 흐름 방향(예: 도 3의 화살표 방향)을 기준으로 순차적으로 배치(접속)되는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)와, 제1 스위치(S1)와 병렬로 접속되는 하나 이상의 퓨즈 모듈(FM)을 포함하도록 구성된다. 도 3은 세 개의 퓨즈 모듈(FM)이 메인 브랜치(100)에 포함되는 예시를 보이고 있으며, 각 퓨즈 모듈(FM)은 전류 흐름 방향을 기준으로 상호 순차적으로 직렬 접속된 제4 스위치(S4) 및 퓨즈(F)로 구성된다. 제2 스위치(S2)는 제1 스위치(S1)와 각 퓨즈 모듈(FM)에 포함된 퓨즈(F)의 접속 노드에 연결되도록 배치된다. 제4 스위치(S4)는 상기 전류 경로 상에 흐르는 전류를 차단하기 위해 사용되는 퓨즈(F)를 선택하는 기능을 수행하며, 즉 차단 대상 전류를 바이패스시킬 대상 퓨즈 모듈(FM)에 포함되는 제4 스위치(S4)만이 온 되도록 구성된다. 오프 상태의 제4 스위치(S4)는 해당 퓨즈 모듈(FM)에 포함되는 퓨즈(F)에 재점화 등이 발생하지 않도록 해당 퓨즈(F)를 전류 경로로부터 완전히 분리하는 역할을 수행한다. 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 릴레이와 같은 기계식 스위치로 구성되고, 제2 스위치(S2)는 진공 부하 스위치(Vaccum Load Switch)로 구성될 수 있다. 진공 부하 스위치로 구성되는 제2 스위치(S2)는 전류 경로 상의 정격 전류(Nominal Current) 또는 과부하 전류(후술하는 기준치 이하의 크기를 갖는 차단 대상 전류에 해당한다), 그리고 퓨즈(F)에 의해 감소되는(제한되는, limited) 사고 전류(후술하는 기준치를 초과하는 크기를 갖는 차단 대상 전류에 해당한다)를 차단하는 기능을 수행한다. 전류 경로 상에서 정상 전류가 흐르는 노멀 상태(Normal State)에서, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 온 상태를 유지하고 제4 스위치(S4)는 오프 상태를 유지한다. 역전류 주입 브랜치(200)는 기계식 스위치로 구성되는 제3 스위치(S3)를 포함하며, 제3 스위치(S3)의 온 동작 시 메인 브랜치(100)로 역전류를 주입하도록 구성된다. 역전류를 주입하기 위해, 역전류 주입 브랜치(200)는 전류의 흐름 방향을 기준으로 역전압으로 프리차지(Pre-Charge)된 커패시터(C), 및 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 커패시터(C), 인덕터(L) 및 제3 스위치(S3)는 직렬 접속됨에 따라, 제3 스위치(S3)의 온 동작 시 프리차지된 커패시터(C)로부터 역전류가 인덕터(L) 및 스위치를 거쳐 메인 브랜치(100)로 주입되도록 구성된다. 역전류 주입 브랜치(200)는 제2 스위치(S2)(진공 부하 스위치)에서 생성되는 아크를 소호하기 위해 역전류를 주입하여 인공적으로 전류 영점(Current Zero)을 생성함으로써 전류 차단 신뢰성을 향상시키는 기능을 수행한다. 전류 경로 상에서 정상 전류가 흐르는 노멀 상태(Normal State)에서 제3 스위치(S3)는 오프 상태를 유지한다. 에너지 소산 브랜치(300)는 MOV(Metal Oxide Varistor)를 포함하여, 메인 브랜치(100) 및 역전류 주입 브랜치(200)를 통해 전류 차단 시 발생 가능한 서지를 흡수하여 전류 경로를 보호하는 기능을 수행한다. 도 3에 도시된 것과 같이 메인 브랜치(100), 역전류 주입 브랜치(200) 및 에너지 소산 브랜치(300)는 상호 병렬로 연결될 수 있다. 제어기(400)는 메인 브랜치(100) 및 역전류 주입 브랜치(200)에 포함되는 제1 내지 제4 스위치(S1 - S4)의 온오프 동작을 제어하여 전류 경로 상에 흐르는 전류를 차단하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 제어기(400)는 제1 내지 제4 스위치(S1 - S4)의 온오프 동작 제어를 통해 전류 경로 상의 제2 스위치(S2) 지점에 전류 영점을 형성시켜 전류 경로 상에 흐르는 전류를 차단하도록 구성된다. 이 경우, 제어기(400)는 제2 및 제3 스위치(S2, S3)의 온오프를 상보적으로 제어하여 전류 경로 상에 전류 영점을 형성킬 수 있다. 본 실시예에서 제2 및 제3 스위치(S2, S3)의 온오프에 대한 상보적 제어라 함은 제2 스위치(S2)를 오프시킨 후 제3 스위치(S3)를 온 시키는 동작을 의미할 수 있다. 이하에서는 전류 경로 상의 정격 전류, 과부하 전류 및 사고 전류를 차단하는 과정에 대하여 구체적으로 설명한다. 설명의 편의를 위해, 메인 브랜치(100)에 포함되는 각 퓨즈 모듈(FM) 중 최하위 퓨즈 모듈(FM)이 전류 차단에 사용되는 예시로서 설명한다. 제어기(400)는, 전류 경로 상에 흐르는 차단 대상 전류의 크기 및 미리 설정된 기준치 간의 비교 결과에 따라 제1 내지 제3 스위치(S1 - S3)의 온오프 동작을 차별적으로 제어하여 전류 경로 상에 전류 영점을 형성시킬 수 있다. 여기서, 기준치는 차단 대상 전류가 정격 전류 또는 과전류인지, 또는 사고 전류인지 여부를 결정하기 위한 전류값으로서, 예를 들어 1.7kA의 값으로 미리 설정되어 있을 수 있다. 먼저, 차단 대상 전류의 크기가 기준치 이하인 경우, 제어기(400)는 제2 스위치(S2)를 오프시킨 후 제3 스위치(S3)를 온 시킬 수 있다. 도 4는 전류 경로 상에서 정상 전류가 흐르는 노멀 상태를 보이고 있다. 도 4의 상태에서 전류 경로 상의 전류 흐름을 차단해야 하는 경우로서 차단 대상 전류의 크기가 기준치 이하인 경우, 도 5에 도시된 것과 같이 제어기(400)는 제2 스위치(S2)를 오프시킨다. 오프된 제2 스위치(S2)에 아크가 생성되는 동안, 제어기(400)는 후속하여 제3 스위치(S3)를 온 시키며, 이에 따라 도 6에 도시된 것과 같이 역전압으로 충전되었던 커패시터(C)로부터 역전류가 인덕터(L) 및 제3 스위치(S3)를 거쳐 제2 스위치(S2) 측으로 주입된다. 역전류가 주입됨에 따라, 제2 스위치(S2)에 전류 영점이 형성되어 제2 스위치(S