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KR101673956B1 - 전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기 및 이를 포함하는 차단기 시스템 - Google Patents

전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기 및 이를 포함하는 차단기 시스템 Download PDF

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KR101673956B1
KR101673956B1 KR1020140067675A KR20140067675A KR101673956B1 KR 101673956 B1 KR101673956 B1 KR 101673956B1 KR 1020140067675 A KR1020140067675 A KR 1020140067675A KR 20140067675 A KR20140067675 A KR 20140067675A KR 101673956 B1 KR101673956 B1 KR 101673956B1
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KR
South Korea
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current
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superconducting
power system
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김재철
임성훈
김진석
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기를 포함하는 전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기는, 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자; 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치; 초전도 소자 및 스위치에 병렬로 연결되고, 스위치가 턴-오프되는 경우 고장전류를 통전하는 한류 소자; 및 한류 소자에 병렬로 연결되어 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 커패시터를 포함한다. 이에 따라, 충분한 고장전류 제한효과를 갖는 동시에 안정적인 보호장치의 동작을 확보하여 전력계통을 보호할 수 있다.

Description

전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기 및 이를 포함하는 차단기 시스템{SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER FOR PROTRCTING POWER SYSTEM AND CIRCUIT BREAKER SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전력계통을 보호하기 위한 초전도 한류기 및 이를 포함하는 차단기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차단기의 과도특성을 고려한 복합형 초전도 한류기 및 이를 포함하는 차단기 시스템에 관한 것이다.
전력설비는 산업과 생활의 중심에 있으며 질적, 양적으로 개선된 고품질의 전력에너지 수요는 경제 발전 및 생활 복지의 향상과 더불어 지속적으로 증가하고 있다. 증가하는 전력수요에 대응하기 위하여 전력계통의 신뢰도를 유지하고 전력 품질을 향상시킬 수 있는 전력계통의 확장계획 및 운영방안이 필요하다.
전력수요에 효과적인 대응으로 송변전 설비의 확충이 필요하지만 설비 확장을 위한 공간적인 제약으로 계통의 상호연계 방안과 기존 설비의 다회선 및 대용량화 등의 방안을 이용하여 운영하고 있다. 이러한 계통의 운영변화는 전력계통의 결합력을 보강하여 높은 전력 공급 신뢰도와 안정도를 확보할 수 있으나 전력계통의 등가 임피던스를 더욱 작아지게 하여 단락 및 지락 고장발생시 고장전류가 크게 증가하는 문제를 발생시킨다. 고장전류는 지속적인 전력수요에 대한 계통의 구성방안에 따라 증가하여 전력계통을 보호하는 차단기의 정격 차단용량을 초과하는 문제를 초래할 수 있다.
최근에는, 기존 고장전류 대응 방안들이 갖는 문제점들을 해결하기 위해 초전도체의 영저항 특징을 이용하여 전력계통의 정상상태에서 전력손실 및 전압강하 등의 문제를 해결하고, 고장 발생시 순간적으로 저항을 발생시켜 차단기의 정격 차단용량을 초과하지 않도록 고장전류를 제한하는 초전도 한류기가 가장 적합한 대안으로 주목을 얻고 있다.
특히, 지속적인 전력수요의 증가를 위하여 지속적으로 증설되는 계통설비로 인하여 증가되는 단락전류가 기존 보호기기의 차단용량을 초과함에 따라 계통의 안정과 보호를 위한 방안으로 접점스위치를 이용한 초전도 한류기 적용 방안이 제안되어 연구되어 왔다.
그러나, 접점스위치를 이용한 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우 보호장치의 동작을 위한 고장전류 제한에는 효과적이나, 보호장치 양단의 전압에는 동작특성을 초과하여 정확한 동작을 확보하기 어려운 문제가 발생한다.
KR 10-2008-0032920 A KR 10-0780706 B1 KR 10-1044492 B1
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 전력계통의 고장전류 제한 효과와 차단기의 전압특성을 만족하는 복합형 초전도 한류기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 복합형 초전도 한류기를 포함하는 차단기 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기를 포함하는 전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기는, 상기 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자; 상기 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치; 상기 초전도 소자 및 상기 스위치에 병렬로 연결되고, 상기 스위치가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자; 및 상기 한류 소자에 병렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 커패시터를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 커패시터는 상기 차단기의 초기 과도전압 상승률을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 한류 소자는 리액터일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스위치는 접점 스위치일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기를 포함하는 전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기는, 상기 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 제1 초전도 소자; 상기 제1 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 제1 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제1 스위치; 상기 제1 초전도 소자 및 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고, 상기 제1 스위치가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자; 및 상기 한류 소자에 직렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 저항을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 저항에 병렬로 연결되는 제2 초전도 소자 및 상기 제2 초전도 소자와 직렬로 연결되고 상기 고장전류가 제2 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 저항은 상기 차단기의 초기 과도전압 상승률을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 한류 소자는 리액터일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치는 접점 스위치일 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 차단기 시스템은, 전력계통에서 전원과 부하 사이의 선로에 형성되어, 상기 전력계통에서 고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기; 및 상기 전력계통에서 고장 발생 시에 발생하는 고장 전류를 제한하기 위한 복합형 초전도 한류기를 포함하고, 상기 복합형 초전도 한류기는, 상기 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자; 상기 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치; 상기 초전도 소자 및 상기 스위치에 병렬로 연결되고, 상기 스위치가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자; 및 상기 한류 소자에 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 보호 소자를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 접점스위치를 이용한 초전도 한류기의 구조를 개선하여 전력계통에서 발생하는 고장전류의 제한효과를 충분히 확보하는 동시에 차단기의 동작 특성을 확보하여 전력계통을 보호할 수 있다.
도 1은 리액터형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 리액터형 초전도 한류기의 전류에 따른 동작특성을 나타내는 파형도이다.
도 3은 차단기의 차단 동작시 TRV 발생을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 차단기의 차단 동작시 TRV 파형도이다.
도 5는 차단기의 차단 동작시 TRV 특성에 따른 차단여부를 보여준다.
도 6은 도 1의 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우의 고장전류 및 차단기의 양단전압의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 8은 도 7의 복합형 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우의 고장전류 및 차단기의 양단전압의 파형도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다.
도 11은 도 9 또는 도 10의 복합형 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우의 고장전류 및 차단기의 양단전압의 파형도이다.
도 12는 본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기를 적용할 경우 차단기의 TRV 파형도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
전력계통에서, 차단기는 전기회로에 이상 상태의 과전류 즉 정격전류(단위: A) 이상의 전류가 흐를 때 이로 인한 사고를 예방하기 위해 전류의 흐름을 끊는 기계이다. 전력계통은 전력기기의 구조물이 외부에 노출되어 있고 계통 구성의 방대함과 복잡성 등에 의하여 고장이 발생하기 쉬우며, 전력계통의 증가하는 수요와 더불어 고장전류도 증가하고 있다. 이러한 전력계통에서 안정적인 부하 공급을 위하여 다양한 고장 원인으로부터 예방이 필요하며, 고장 발생시 고장전류로부터 악영향을 감소시킬 수 있는 보호방안이 필요하다. 이러한 보호방안 중 하나로서 초전도 한류기가 사용된다.
도 1은 리액터형 초전도 한류기의 구성도이다. 도 2는 도 1의 리액터형 초전도 한류기의 전류에 따른 동작특성을 나타내는 파형도이다.
도 1을 참조하면, 리액터를 한류 소자로 갖는 선로 변경식 저항형 초전도 한류기(10, 이하 초전도 한류기)는 고장 발생시 초전도체(13)의 분리를 위하여 직렬 연결된 한 개의 기계적 접점스위치(11)와 초전도체(13)를 대신하여 고장전류를 제한하는 병렬 연결된 한 개의 한류 임피던스(15)로 구성된다.
도 2를 참조하면, 초전도 한류기(10)의 동작 특성을 시간의 변화에 따라 표현할 수 있는데, 정상상태에서 부하전류(IL)가 흐르다 고장 발생시점(tf)에 고장발생으로 고장전류가 증가하고, 초전도체(13)의 임계전류(IC)를 초과하는 시점(tQ)부터 초전도체(13)에 저항이 발생된다. 이후, 초전도체(13)에서 발생되는 저항에 의하여 한류 임피던스(15) 측으로 전류가 분기되고 한류 임피던스(15)에서 흐르는 전류에 의하여 발생되는 에너지를 이용하여 접점스위치(11)가 개방동작을 수행한다. 이때, 초전도체(13) 측으로 영전류가 흐르게 되어 초전도체는 바로 초전도 상태로 회복되고, 한류 임피던스(15)에 의하여 초전도 한류기(10)에 임피던스가 발생된다. 일 시점(tRe)에 고장이 제거되면 초전도 상태인 초전도체(13)를 통하여 전력손실 없이 부하 전류의 공급으로 다시 전력을 공급한다.
초전도 한류기(10)는 접점스위치(11)를 사용하여 한류 임피던스(15)로 고장전류를 제한하며, 초전도체(13)에는 전류가 흐르지 않아 빠른 시간에 초전도 상태로 회복이 가능하다. 또한, 접점스위치(11)와 한류 임피던스(15)를 이용하여 초전도체(13)의 부담을 줄여 경제적 부담이 감소된다. 그러나, 초전도 한류기(10)를 전력계통에 적용할 때, 전력계통에서 나타나는 영향에 대한 분석이 필요하다.
특히, 차단기에서 고려할 차단 특성은 고장전류를 차단기의 정격 차단용량 이하로 제한하는 것과 함께 차단기의 개방 동작시 양단전압에 대한 특성 검토가 필요하다. 차단기의 양단전압 특성은 개방 동작시 과도상태에서 발생하는 과도회복전압(Transient Recovery Voltage, 이하 TRV) 및 초기 과도전압 상승률(Rate of Rise of Recovery Voltage, 이하 RRRV)과 같은 전압 특성이 있으며, 이는 전압계급, 고장형태, 선로정수 등에 따라 특성이 영향을 받는다.
그러나, 접점스위치(11)를 이용한 초전도 한류기(10)는 전력계통에서 고장 발생으로 접점스위치(11) 동작 이후 투입되는 한류 임피던스(15)의 구성에 따라 차단기의 개방 동작시 보호 설비의 양단 등가 임피던스가 변하며, 차단기의 양단 전압 특성인 TRV와 RRRV의 특성이 영향을 받게 된다. 따라서, 전력계통의 상황에 따라 정격 사양이 적당한 차단기의 규격을 선정하고 차단기의 개방 동작시 적합한 동작 특성을 갖도록 검토할 필요가 있다.
구체적으로, 차단기 동작시 TRV 및 RRRV 특성 전력계통에 적합한 정격사양을 갖는 차단기가 단락 및 지락 등 이상 상태의 고장전류에 대하여 차단동작을 성공적으로 수행할 때 차단기 양극 사이에서 발생하는 아크의 재점호 현상을 소호할 수 있어야 한다. 또한, 개방 동작시 양극 사이에 발생하는 전압에 대하여 충분한 절연내력을 유지하여야 계통으로부터 성공적인 분리가 가능하다. 차단기가 개방 동작시 개방 직후 양단자 사이에 발생하는 과도전압을 회복전압(Recovery Voltage)이라 하며, 개방 초기 과도상태에서 발생하는 특성을 반영한 회복전압을 과도회복전압(Transient Recovery Voltage, 이하 TRV)이라 한다.
도 3은 차단기의 차단 동작시 TRV 발생을 설명하기 위한 도면들이다. 도 4는 차단기의 차단 동작시 TRV 파형도이다.
도 3(a)를 참고하면, 간략한 전력계통(1)의 구성도로서, 전원(2), 변압기(3), 선로(4), 차단기(5), 부하(6)로 구성된 간략한 전력계통의 구성도이다. 이때, 부하(6)에 병렬로 연결된 접점스위치(7)를 투입하여 고장을 모의할 수 있으며, 이때 회로에서 발생된 고장전류(if)가 영(zero current)점을 지나는 시점에서 아크 발생 없이 차단기가 회로를 개방한다.
차단기(5) 양단을 기준으로 등가 회로를 구성하면, 도 3(b)와 같이 표현할 수 있다. 차단기(5)의 회복전압은 차단기(5)의 성질과 무관하게 이상 상태가 발생한 전력계통의 등가회로 특성에 의하여 결정된다. 차단기(5)가 개방되면 영전류의 특성이 나타나고 이는 고장회로에 발생하는 고장전류(if)의 크기가 영이 되어야 하므로, 도 3(c)와 같은 형태의 전류흐름으로 등가화 할 수 있다. 여기서 고장전류(if)와 반대방향으로 흐르는 동일한 크기의 전류(iCB)를 주입전류라 하고, 이 전류에 의하여 차단기 양단에 발생되는 TRV(VCB)를 발생한다.
차단기(5) 양단에 발생하는 TRV는 TRV의 파고치와 RRRV로 구분되어 해석되며, 전력계통의 특성에 따라 결정되므로, TRV와 RRRV는 고장 발생위치와 고장의 유형 등 다양한 전력계통 환경에 따라 달라진다. TRV는 차단기의 개방동작 직후 양단자 사이에 발생된 아크전압이 전원전압으로 복귀할 때 발생하는 과도 진동 전압으로 표현하고 있다. 이때 발생되는 주파수는 차단 동작시 전력계통의 L-C에 의해 결정되며
Figure 112014052647340-pat00001
[㎐]로 표현하고, TRV의 파고 값은 아래의 수학식 1과 같이 규정하고, 각 상수는 표 1 및 표 2와 같다.
[수학식 1]
과도회복전압파고값 = 차단기 정격전압 ×
Figure 112014052647340-pat00002
× 제1상차단계수 × 진폭률
제 1상 차단계수 (100 [kV]이상 170 [kV]이하)
계통 구조 값
접지 시스템 1.3
비접지 시스템 1.5
진폭률
정격 차단용량의 비율 값
100 [%]사용시 1.4
60 [%]사용시 1.5
10 [%]사용시 1.7× 0.9
도 4를 참조하면, TRV의 파고 값은 정현파의 최대값(Vf)이며, 이에 도달하는 시간은 영점과 TRV 정현파의 최대값(Vf)을 전압 파형이 벗어나지 않도록 직선을 연결한 경우 최대값에 도달하는 시간(Tf)으로 결정한다.
과도회복전압 상승률인 RRRV는 TRV의 정현파의 최대값을 이에 도달하는 시간으로 나눈 값으로 아래의 수학식 2와 같이 표현한다.
[수학식 2]
RRRV = (first TRV peak)/(time-to-first TRV peak) = Vf/Tf [kV/㎲]??
여기서, Vf는 TRV 파고 값이고, Tf는 TRV 파고 값이 발생하는 시간이다.
RRRV는 [kV/us]로 표현하고 정격전압이 100 [kV]이상인 전력계통에서 정격 차단용량의 허용 범위에 따라 달라진다. 수학식 1에 의한 정격 차단용량을 100 [%] 활용시 2.0 [kV/us] 이내로 하고, 정격 차단용량의 60 [%]는 3.0 [kV/us], 30 [%]는 5.0 [kV/us], 10 [%]는 7.0 [kV/us]로 규정한다.
차단기 동작 특성에 있어 고장전류의 차단동작이 발생하면 TRV에 대하여 충분한 차단내력을 유지하여야 고장제거가 완료된다. 도 5를 참조하면, 동일한 차단내력을 갖는 차단기가 개방동작을 수행하였을 경우, TRV 특성에 따라 차단여부를 보여준다. 차단기가 동작하여 양극 사이에 발생되는 TRV에 대하여 (a)와 같이 충분한 차단내력을 유지하면 성공적인 차단동작을 수행한다. 그러나, 차단기의 양단이 분리되어도 차단 공간에서 TRV에 의한 아크 영향을 충분히 소호시키지 못하면 (b)와 같이 차단내력을 초과하여 차단실패가 발생한다. 또한, (c)와 같이 TRV의 파고 값이 크지 않아 차단내력을 만족하는 경우라도 RRRV가 절연내력을 초과하면 차단동작을 실패한다. 다시 말해, 일반적인 결과로 TRV 상승률이 높을수록, 파고 값이 클수록 차단기는 고장전류를 차단하기 어렵게 된다.
차단기에서 차단 동작시 TRV나 RRRV에 영향을 미치는 특성은 전력계통의 조건에 따라 영향을 받는다. 100 [kV]이상의 전력계통에서 최대 정격 차단전류에 근접한 고장전류를 차단할 때 발생하는 TRV는 초기에 선로 및 기기의 고유 임피던스에 의하여 높은 상승률을 보이며 직선적으로 상승한다. 여기에 최대 상승률의 TRV를 이어서 낮은 기울기로 최대파고 값까지 상승하고 시간이 지나면서 파고 값의 제한을 갖는 직선으로 차단내역이 규정된다. 이와 같이 서로 다른 곡선으로 규정되는 것은 차단기의 차단성능에 있어 초기 빠른 상승률은 열파괴, 느린 상승률은 유전파괴에 의해 주로 영향을 받는 형태로 전압 스트레스를 표현한 것이며, 이를 4파라미터 법이라 규정한다.
100 [kV]이하 또는 100 [kV]이상에서 차단기의 정격 차단용량의 100 [%] 미만을 사용하는 전력계통이라도 고장전류가 최대 정격 차단전류에 비해서 작을 때 TRV는 감쇄진동 형태로 단일 주파수 특성을 갖는다. 이러한 파형은 2파라미터 법으로 표현하고, 4파라미터 법의 특수한 경우로 볼 수 있다.
TRV는 100 [kV]이하의 전력계통에서 수용가 급전용이 대부분으로 선로 길이가 짧고 변전소 변압기의 영향으로 단일주파 감쇄 파형을 갖는다. 100 [kV]이상의 전력계통에서는 선로의 길이에 따라 발생되는 영향이 다르며 전력계통의 전압 등급이 높을수록 파고 값에 이르는 시간이 증가하여 TRV의 상승률이 감소한다. 또한, RRRV는 정전용량에 영향을 받아 가공 전선에서는 선로의 정전용량이 작으므로 상승률이 크고, 케이블은 큰 정전 용량을 지니고 있어 상승률이 작다.
고장전류를 감소시키기 위하여 한류 리액터 또는 리액턴스를 한류 임피던스로 사용한 초전도 한류기를 전력계통에 적용하면 고장점에 인접하는 차단기의 개방 동작은 도 5에 도시된 바와 같이 차단내력에 적합한 RRRV가 증가하여 (a)에서 (b)로 변한다. 일반적으로, 고장전류 저감을 위하여 한류 리액터나 초전도 한류기를 적용하면 TRV의 파고 값은 감소하는 효과를 얻을 수 있으나, RRRV는 증가하여 경우에 따라 차단기의 정격 차단용량을 초과하여 차단실패가 발생할 수 있다.
구체적으로, 도 1과 같은 초전도 한류기(10)는 정상상태에서 초전도체(13)를 통하여 전류를 통전하여 전력손실 및 전압 강하 등 한류 임피던스(15)에서 발생하는 정상상태의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 고장 발생시 초전도체(13)의 ??치을 감지하여 접점스위치(11)를 개방하고, 한류 임피던스(15)로 고장전류를 통전하여 효과적으로 제한할 수 있다. 예를 들어, 초전도체(13)의 저항과 고장전류를 실질적으로 제한하는 한류 임피던스(15)를 각각 2, 2j [Ω]의 크기로 설정하고 리액터를 한류 임피던스로 갖는 리액터형 초전도 한류기 적용시 초전도체(13) ??치로 고장전류를 한류 임피던스(15)로 제한하여, 도 6(a)와 같이 정격 차단전류 용량을 확보할 수 있다. 그러나, 차단기 개방 동작시 양단전압 특성에서는 TRV 파고 값이 -117.68 [kV]로 최대 제한 값에 만족하지만, 도 6(b)와 같이 RRRV가 최대 제한 값을 벗어나 차단동작에 부적합한 결과를 얻었다.
결론적으로, 고장전류 제한효과를 위하여 리액터를 한류 임피던스로 갖는 리액터형 초전도 한류기 적용 시에 고장전류 제한에는 효과적이지만, 차단기 양단전압의 상승률이 부적합하여 이에 대한 해결방안이 필요하다.
이를 위해, 본 발명에서는 한류 임피던스를 포함하는 초전도 한류기를 적용할 경우 TRV의 파고 값과 상승률을 검토하여 차단기의 차단동작 특성을 유지하는 복합형 초전도 한류기를 제공한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다. 도 8은 도 7의 복합형 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우의 고장전류 및 차단기의 양단전압의 파형도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기(100)는 RRRV를 감소시키는 방안 중 하나로 한류 임피던스(150)에 보호 소자로서 커패시터(170)를 병렬로 설치한다.
구체적으로, 복합형 초전도 한류기(100)는 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자(130), 초전도 소자(130)와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치(110), 초전도 소자(130) 및 스위치(110)에 병렬로 연결되고, 스위치(110)가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자(150) 및 한류 소자(150)에 병렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 커패시터(170)를 포함한다.
상기 한류 소자(150)는 임피던스를 갖는 한류 리액터일 수 있고, 상기 스위치(110)는 접점 스위치일 수 있다.
이와 같이, 리액터형 초전도 한류기의 한류 임피던스(150)에 병렬로 커패시터(170)를 추가하면 고장전류 제한과 차단기 개방 동작시 RRRV의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 전류 및 리액터 값을 고정하였을 때, 커패시터의 크기가 증가할수록 RRRV가 감소하여 차단동작에 효과적이다.
복합형 초전도 한류기(100)의 기본적인 동작은 도 1의 리액터형 초전도 한류기 동작과 유사하다. 한류 임피던스(150)에 병렬 연결된 커패시터(170)의 효과를 분석하기 위하여 초전도체의 저항과 한류 임피던스의 값은 앞에 적용한 값과 동일하게 각각 2, j2 [Ω]을 적용하였으며, 병렬 커패시터(170)의 크기도 한류 리액터의 결과와 비교하기 위하여 동일한 값의 55 [㎌]을 적용하였다.
도 8(a)는 도 7의 복합형 초전도 한류기(100) 적용시 고장전류의 결과로서, 도 6에 나타난 고장전류와 유사하며, 차단기의 정격 차단전류 용량에 적합함을 보여준다. 도 8(b)는 도 7의 복합형 초전도 한류기(100) 적용시 차단기 양단전압을 보여준다. 병렬 커패시터(170) 설치로 전압의 파고 값은 크게 증가하였지만, 최대 제한 값 이내로 적합함을 보여준다. 또한, RRRV는 0.5 [kV/us]로 감소하여 TRV 및 RRRV에 대한 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기(100)는 정상상태에서 전력 손실 및 전압 강하 등 문제 해결과 동시에 차단기의 전류 및 전압특성에 적합한 결과를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기의 구성도이다. 도 11은 도 9 또는 도 10의 복합형 초전도 한류기를 전력계통에 적용할 경우의 고장전류 및 차단기의 양단전압의 파형도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기(300)는 RRRV를 감소시키는 방안 중 하나로 보호 소자로서 리액터(350)에 직렬 저항(370)을 추가로 구성한다.
구체적으로, 복합형 초전도 한류기(300)는 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자(330), 초전도 소자(330)와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치(310), 초전도 소자(330) 및 스위치(310)에 병렬로 연결되고, 스위치(310)가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자(350) 및 한류 소자(350)에 직렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 저항(370)을 포함한다.
마찬가지로, 상기 한류 소자(350)는 임피던스를 갖는 한류 리액터일 수 있고, 상기 스위치(310)는 접점 스위치일 수 있다.
이와 같이, 선로 변경시 저항형 초전도 한류기의 한류 임피던스(350)에 저항(370)을 직렬로 적용하면 RRRV 문제를 해결할 수 있다. 이 경우, 전류 및 리액터 값을 고정하였을 경우 저항의 크기가 증가할수록 저항과 리액터 사이의 전압 크기가 달라지며, 저항의 전압이 리액터의 전압보다 많이 크면 RRRV가 감소하여 차단동작에 효과적이다.
다만, 고장전류 제한을 위하여 저항이 한류 임피던스와 같이 적용되는 경우, 고장전류의 제한효과가 극대화되어 보호기기 동작에 어려움이 발생할 수 있다. 이에 대한 문제를 해결하고자 고장점이 모선에 근접하여 고장전류가 클수록 RRRV이 증가하는 특성을 이용하여 일정 고장전류에서 저항이 투입되도록 도 10과 같이 직렬 초전도체를 활용하여 구성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기(500)는 RRRV를 감소시키는 방안 중 하나로 보호 소자로서 저항(571)과 초전도 소자(573)를 병렬 연결하여 리액터(550)에 연결하여 구성한다.
구체적으로, 복합형 초전도 한류기(500)는 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 제1 초전도 소자(530), 제1 초전도 소자(530)와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 제1 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제1 스위치(510), 제1 초전도 소자(530) 및 제1 스위치(510)에 병렬로 연결되고, 제1 스위치(510)가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자(550), 한류 소자(550)자에 연결되어 차단기의 전압 특성을 안정화 시키는 제2 초전도 한류기(570)를 포함한다. 제2 초전도 한류기(570)는 제2 초전도 소자(573) 및 저항(571)을 포함하며, 초전도 소자(573) 및 저항(571)은 서로 병렬로 연결되어, 한류 소자(550)에 직렬로 연결된다.
제2 초전도 소자(573)는 제2 초전도 소자(573)와 직렬로 연결되고 고장전류가 제2 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제2 스위치(미도시)를 더 포함한다.
마찬가지로, 상기 한류 소자(550)는 임피던스를 갖는 한류 리액터일 수 있고, 상기 제1 스위치(510) 및 제2 스위치는 접점 스위치일 수 있다.
도 9의 복합형 초전도 한류기(300) 및 도 10의 복합형 초전도 한류기(500)는 직렬 저항을 추가하여 정상상태의 초전도 한류기 장점과 고장 발생시 차단기의 차단 과도상태의 조건을 동시에 해결 가능한 장점을 갖는다.
도 9의 복합형 초전도 한류기(300) 및 도 10의 복합형 초전도 한류기(500)의 동작특성은 도 1의 리액터형 초전도 한류기 동작과 유사하다. 도 10의 초전도 소자(573)는 고장전류의 크기에 따라 ??치 여부가 결정되어 RRRV의 문제 발생이 우려되는 고장전류에서 직렬 저항을 투입하므로, 복합형 초전도 한류기(500)는 도 9의 복합형 초전도 한류기(300)보다 효과적인 차단기의 동작특성 만족이 가능하다.
직렬 저항의 효과를 분석하기 위하여 도 9의 초전도 한류기를 구성하였으며, 적용된 저항은 앞의 구성과 비교하기 위하여 한류 리액터(350)는 j2 [Ω], 초전도체(330)는 2 [Ω], 직렬 저항(370)은 60 [Ω]을 적용하였다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 복합형 초전도 한류기(300, 500)의 고장전류와 차단기의 양단전압을 보여준다. 본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기(300, 500) 적용시 고장전류와 차단기의 양단전압 특성은 차단기의 정격 차단전류 용량과 개방 동작시 양단전압 특성의 최대 제한값에 적합한 결과를 얻을 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기를 적용할 경우 차단기의 TRV 파형도이다.
도 12를 참조하면, A는 차단 내력의 TRV 파형, B는 고장 발생시 TRV 파형, C는 도 1의 초전도 한류기 적용시 TRV 파형, D는 도 7의 복합형 초전도 한류기 적용시 TRV 파형, E는 도 9의 복합형 초전도 한류기 적용시 TRV 파형이다.
도 12에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기는 정상상태에서 전력 손실 및 전압 강하 등 문제 해결과 동시에 차단기의 전류 및 전압특성에 적합한 결과를 얻을 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 복합형 초전도 한류기는 전력계통에 적용되어, 고장전류를 차단할 뿐만 아니라, 차단기의 동작특성을 안정적으로 유지하게 하므로 전력 시스템을 보호하여, 시설 관리 및 복구에 드는 비용 및 노동력 등을 감소시키는 경제적 효과에 이바지 할 수 있다.
1: 전력계통 2: 전원
3: 변압기 4: 선로
5: 차단기 6: 부하
7: 접점스위치 10: 리액터형 초전도 한류기
11: 접점스위치 13: 초전도체
15: 한류 임피던스
100, 300, 500: 복합형 초전도 한류기
110, 310, 510: 스위치 130, 330, 530: 초전도 소자
150, 350, 550: 한류 임피던스 170: 커패시터
370: 저항 570: 초전도 한류기
571: 저항 573: 초전도 소자

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기를 포함하는 전력계통을 보호하기 위한 복합형 초전도 한류기에 있어서,
    상기 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 제1 초전도 소자;
    상기 제1 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 제1 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제1 스위치;
    상기 제1 초전도 소자 및 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고, 상기 제1 스위치가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자;
    상기 한류 소자에 직렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 저항;
    상기 저항에 병렬로 연결되는 제2 초전도 소자; 및
    상기 제2 초전도 소자와 직렬로 연결되고 상기 고장전류가 상기 제1 임계값보다 큰 값인 제2 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 저항은,
    상기 제2 초전도 소자 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결된 상태에서 상기 한류 소자와 직렬로 연결되어 상기 고장전류가 상기 제2 임계값 이상인 경우에만 상기 제2 스위치가 턴-오프되어 상기 고장전류가 통전되는, 복합형 초전도 한류기.


  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 저항은 상기 차단기의 초기 과도전압 상승률을 감소시키는, 복합형 초전도 한류기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 한류 소자는 리액터인, 복합형 초전도 한류기.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치 또는 제2 스위치는 접점 스위치인, 복합형 초전도 한류기.
  10. 전력계통에서 전원과 부하 사이의 선로에 형성되어, 상기 전력계통에서 고장 발생 시에 선로를 차단하는 차단기; 및
    상기 전력계통에서 고장 발생 시에 발생하는 고장 전류를 제한하기 위한 복합형 초전도 한류기를 포함하고, 상기 복합형 초전도 한류기는,
    상기 전력계통의 정상상태에서는 전기저항이 제로(zero)이고, 고장 발생 시에는 고장전류에 의한 저항이 발생하는 초전도 소자;
    상기 초전도 소자와 직렬로 연결되고, 상기 고장전류가 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 스위치;
    상기 초전도 소자 및 상기 스위치에 병렬로 연결되고, 상기 스위치가 턴-오프되는 경우 상기 고장전류를 통전하는 한류 소자;
    상기 한류 소자에 직렬로 연결되어 상기 차단기의 전압 특성을 안정화시키는 저항;
    상기 저항에 병렬로 연결되는 제2 초전도 소자; 및
    상기 제2 초전도 소자와 직렬로 연결되고 상기 고장전류가 제1 임계값보다 큰 값인 제2 임계값 이상인 경우 턴-오프되는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 저항은,
    상기 제2 초전도 소자 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결된 상태에서 상기 한류 소자와 직렬로 연결되어 상기 고장전류가 상기 제2 임계값 이상인 경우에만 상기 제2 스위치가 턴-오프되어 상기 고장전류가 통전되는, 차단기 시스템.
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