超高圧直流送電のバイパススイッチ

本発明はバイパススイッチに関するものであり、特に超高圧直流送電の高速短絡バイパススイッチに関するものである。

超高圧直流送電(HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT,HVDC)は送電所が発電所から生産される交流電力を直流電力に変換して送電した後、受電所で交流に再変換して電力を供給する送電方式をいう。

HVDCシステムは海底ケーブル送電、大容量長距離送電、交流系統間連結などに適用される。また、HVDCシステムは互いに異なる周波数系統連携及び非同期(asynchronism)連携を可能にする。

送電所は交流電力を直流電力に変換する。即ち、交流電力を海底ケーブルなどを利用して伝送する状況は非常に危険であるため、送電所は交流電力を直流電力に変換して受電所に伝送する。

一方、超高圧直流送電の高速短絡バイパススイッチは多数のサブモジュールの組み合わせで形成されたシステムでサブモジュールの故障など異常が感知されると、異常が感知されたサブモジュールを短絡して隣接した他のサブモジュールに故障による影響が伝播されることを防止する。

高速短絡バイパススイッチは短い時間内に動作を完了すべきであるため、超高速に動作する構造に設計されるべきである。

特許文献1にはスイッチが開示されているが、スイッチが動作するために駆動方向に設置されたコイルに電流が流れるようにして電磁気力を発生して駆動しているが、このような構造ではコイルの大きさが大きくなるためスイッチの容積が増加し高速に動作することができない問題がある。

米国登録特許US8,390,968

本発明は、高速に動作する高速短絡バイパススイッチを提供することを目的とする。 本発明は、小さい容積で制作されるバイパススイッチを提供することを目的とする。

本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチは、ハウジングと、前記ハウジングに配置されて超高圧直流送電回路の第1部分と電気的に連結される固定コンタクタと、前記ハウジングに前記固定コンタクタと離隔された位置に移動可能に配置され、超高圧直流送電回路の第2部分と電気的に連結される稼動コンタクタと、前記稼動コンタクタに結合された絶縁部材と、電気的信号に応じて爆発する爆発型駆動器と、前記爆発型駆動器が爆発することで発生するガスの力によって移動されて前記絶縁部材が移動されるように力を加えて前記固定コンタクタと稼動コンタクタが電気的に連結されるようにするピストン器具と、を含む。

前記ピストン器具は前記ガスによって移動されるピストン部材と、前記絶縁部材とピストン部材との間で前記ピストン部材が加える力を前記絶縁部材に伝達する磁性部材を含む。

前記爆発型駆動器はガスを噴出するインフレータと、前記インフレータに結合されたインフレータカバーを含み、前記インフレータカバーには前記インフレータから噴出されたガスが前記ピストン部材に流動されて前記ピストン部材が移動可能に配置されるインナー空間が形成される。

前記爆発型駆動器が作動する前に、前記稼動コンタクタが固定コンタクタと離隔されるように前記磁性部材を維持するマグネットを更に含む。

前記磁性部材は円柱状に形成され、前記マグネットは前記磁性部材の内部に配置されるように円筒状に形成される。

前記ハウジングが収容される空間が形成されたフレームを更に含み、前記マグネットは前記フレームに設置される。

前記マグネットの周囲に配置されて前記絶縁部材に力を加えるばねを更に含む。

第1フレームと、第2フレームと、前記固定コンタクタと結合されて前記第1フレーム及び第2フレームによって支持される第3フレームと、前記爆発型駆動器と結合されて前記第1フレーム及び第2フレームによって支持される第4フレームを含む。

前記マグネットは前記第4フレームに結合されて支持され、前記ばねは前記絶縁部材と第4フレームとの間に配置される。

前記固定コンタクタと電気的に連結される第1バスバーと、前記稼動コンタクタと電気的に連結される第2バスバーを更に含む。

前記第2バスバーは前記稼動コンタクタと前記絶縁部材との間に配置されて前記稼動コンタクタ及び絶縁部材と接触する。

前記絶縁部材は突起が形成されて前記第2バスバーに形成された貫通孔を貫通し、前記稼動コンタクタに形成された挿入溝に結合される。

前記ハウジングは真空ハウジングであり、前記ハウジング内に前記稼動コンタクタとハウジングとの間に設置されるベローズを更に含む。

前記真空ハウジングは絶縁物質で形成される。

前記固定コンタクタ及び稼動コンタクタは前記ハウジングの内部に配置されるインナープレートと、前記インナープレートから突出されて前記ハウジングの外部に露出されるアウター連結部と、を含む。

前記ハウジングが収容される空間が形成されたフレームを更に含み、前記爆発型駆動器は前記フレームに設置される。

本発明は内部に空間が形成されたフレームと、前記空間に配置されたハウジングと、前記ハウジングに配置された固定コンタクタと、前記固定コンタクタに連結された第1バスバーと、前記ハウジングに前記固定コンタクタと離隔された位置に移動可能に配置された稼動コンタクタと、前記稼動コンタクタに連結された第2バスバーと、前記稼動コンタクタに結合された絶縁部材と、前記フレームに設置されて電気的信号に応じて爆発する爆発型駆動器と、前記爆発型駆動器が爆発することで発生する力によって移動されて前記絶縁部材が移動されるように力を加えて前記稼動コンタクタを固定コンタクタに接点するピストン器具と、前記絶縁部材とフレームとの間に配置されて前記絶縁部材に力を加えるばねと、を含む。

前記フレームは前記爆発型駆動器の一部が内挿される通孔が形成される。

前記ピストン器具は前記ガスによって移動されるピストン部材と、前記絶縁部材とピストン部材との間で前記ピストン部材が加える力を前記絶縁部材に伝達する磁性部材を更に含む。

前記フレームに設置され、前記爆発型駆動器が作動する前に、前記稼動コンタクタが固定コンタクタと離隔されるように磁性部材を維持するマグネットを更に含む。

前記ばねは前記マグネットの外周に位置する。

本発明は稼動コンタクタを駆動するためにコイル電機子を使用する場合より稼動コンタクタを迅速に作動することができ、迅速な回路の遮断が可能な利点がある。

また、磁性部材とマグネットとばねがコンパクトに設置され、全体の大きさが最小化される利点がある。

また、稼動コンタクタと固定コンタクタが安定的に接点維持される利点がある。

また、マグネットと磁性部材によって稼動コンタクタが誤作動することを防止し、信頼性が高い利点がある。

また、爆発型駆動器の交換や修理などのサービスが容易な利点がある。

本発明の実施例による高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。

本発明の実施例によるモノポーラ方式の高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。

本発明の実施例によるバイポーラ方式の高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。

本発明の実施例による変圧器と3相バルブブリッジの結線を説明するための図である。

本発明の実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータの構成ブロック図である。

本発明の他の実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータの構成ブロック図である。

本発明の実施例による複数のサブモジュールの連結を示す図である。

本発明の実施例によるサブモジュールの構成の例示図である。

本発明の実施例によるサブモジュールの等価モデルを示す図である。

本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチの斜視図である。

本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチの稼動コンタクタと固定コンタクタが分離された状態を示す断面図である。

本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチの稼動コンタクタが固定コンタクタに接触された状態を示す断面図である。

本発明による実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターン又は構造物が基板、各層(膜)、領域、パッド又はパターンの「上(on)」に又は「下(under)」に形成されると記載される場合において、「上(on)」と「下(under)」は「直接(directly)」又は「他の層を介在して(inirectly)」形成されることを全て含む。また、各層の上又は下に対する基準は図面を基準に説明する。

図面において、各層の厚さや大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張されているか省略されているか又は概略に示されている。また、各構成要素大きさが実際の大きさを全的に反映するとは限らない。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチについて詳細に説明する。

図1は、本発明の実施例による高電圧直流送電システムを示す。

図1に示したように、本発明の実施例によるHVDCシステム100は発電パート101、送電側交流パート110、送電側直流変電パート103、直流送電パート140、需要側直流変電パート105、需要側交流パート170、需要パート180及び制御パート190を含む。送電側直流変電パート103は送電側変圧器パート120、送電側交流−直流コンバータパート130を含む。需要側直流変電パート105は需要側直流−交流コンバータパート150、需要側変圧器パート160を含む。

発電パート101は3相交流電力を生成する。発電パート101は複数の発電所を含む。

送電側交流パート110は発電パート101が生成した3相交流電力を送電側変圧器パート120と送電側交流−直流コンバータパート130を含むDC変電所に伝達する。

送電側変圧器パート120は送電側交流パート110を送電側交流−直流コンバータパート130及び直流送電パート140から隔離する(isolate)。

送電側交流−直流コンバータパート130は送電側変圧器パート120の出力に当たる3相交流電力を直流電力に変換する。

直流送電パート140は送電側の直流電力を需要側に伝達する。

需要側直流−交流コンバータパート150は直流送電パート140によって伝達された直流電力を3相交流電力に変換する。

需要側変圧器パート160は需要側交流パート170を需要側直流−交流コンバータパート150と直流送電パート140から隔離する。

需要側交流パート170は需要側変圧器パート160の出力に当たる3相交流電力を需要パート180に提供する。

制御パート190は発電パート101、送電側交流パート110、送電側直流変電パート103、直流送電パート140、需要側直流変電パート105、需要側交流パート170、需要パート180、送電側交流−直流コンバータパート130、需要側直流−交流コンバータパート150のうち少なくとも一つを制御する。特に、制御パート190は送電側交流−直流コンバータパート130と需要側直流−交流コンバータパート150内の複数のバルブのターンオン及びターンオフのタイミングを制御する。この際、バルブはサイリスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar trasistor,IGBT)に当たる。

図2は、本発明の実施例によるモノポーラ方式の高電圧直流送電システムを示す図である。

特に、図2は単一極の直流電力を送電するシステムを示す。以下の説明では単一極は正極(positive pole)であると仮定して説明するが、それに限る必要はない。

送電側交流パート110は交流送電ライン111と交流フィルタ113を含む。

交流送電ライン111は発電パート101が生成した3相交流電力を送電側直流変電パート103に伝達する。

交流フィルタ113は直流変電パート103が利用する周波数成分以外の残りの周波数成分を伝達された3相交流電力から除去する。

送電側変圧器パート120は正極のために一つ以上の変圧器121を含む。正極のために送電側交流−直流コンバータパート130は正極直流電力を生成する交流−正極直流コンバータ131を含み、この交流−正極直流コンバータ131は一つ以上の変圧器121にそれぞれ対応する一つ以上の3相バルブブリッジ131aを含む。

一つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して6つのパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

2つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して12個のパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

3つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して18個のパルスを有する正極直流電力を生成する。正極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

直流送電パート140は送電側正極直流フィルタ141、正極直流送電ライン143、需要側正極直流フィルタ145を含む。

送電側正極直流フィルタ141はインダクタL1とキャパシタC1を含み、交流−正極直流コンバータ131が出力する正極直流電力を直流フィルタリングする。

正極直流送電ライン143は正極直流電力を伝送するための一つのDCラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このDCラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

需要側正極直流フィルタ145はインダクタL2とキャパシタC2を含み、正極直流送電ライン143を介して伝達された正極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側直流−交流コンバータパート150は正極直流−交流コンバータ151を含み、正極直流−交流コンバータ151は一つ以上の3相バルブブリッジ151aを含む。

需要側変圧器パート160は正極のために一つ以上の3相バルブブリッジ151aにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器161を含む。

一つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して6つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

2つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して12個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

3つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して18個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

需要側交流パート170は交流フィルタ171と交流送電ライン173を含む。

交流フィルタ171は需要パート180が利用する周波数成分(例えば、60Hz)以外の残りの周波数成分を需要側直流変電パート105が生成する交流電力から除去する。

交流送電ライン173はフィルタリングされた交流電力を需要パート180に伝達する。

図3は、本発明の実施例によるバイポーラ方式の高電圧直流送電システムを示す図である。

特に、図3は2つの極の直流電力を送電するシステムを示す。以下の説明では2つの極は正極と負極(negative pole)であると仮定して説明するが、それに限る必要はない。

送電側交流パート110は交流送電ライン111と交流フィルタ113を含む。

交流送電ライン111は発電パート101が生成した3相交流電力を送電側直流変電パート103に伝達する。

交流フィルタ113は変電パート103が利用する周波数成分以外の残りの周波数成分を伝達された3相交流電力から除去する。

送電側変圧器パート120は正極のための一つ以上の変圧器121を含み、負極のための一つ以上の変圧器122を含む。送電側交流−直流コンバータパート130は正極直流電力を生成する交流−正極直流コンバータ131と負極直流電力を生成する交流−負極直流コンバータ132を含み、交流−正極直流コンバータ131は正極のための一つ以上の変圧器121にそれぞれ対応する一つ以上の3相バルブブリッジ131aを含み、交流−負極直流コンバータ132は負極のための一つ以上の変圧器122にそれぞれ対応する一つ以上の3相バルブブリッジ132aを含む。

正極のために一つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して6つのパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために2つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して12個のパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器121の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために3つの3相バルブブリッジ131aが利用される場合、交流−正極直流コンバータ131は交流電力を利用して18個のパルスを有する正極直流電力を生成する。正極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

負極のために一つの3相バルブブリッジ132aが利用される場合、交流−負極直流コンバータ132は6つのパルスを有する負極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器122の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために2つの3相バルブブリッジ132aが利用される場合、交流−負極直流コンバータ132は12個のパルスを有する負極直流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器122の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器122の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために3つの3相バルブブリッジ132aが利用される場合、交流−負極直流コンバータ132は18個のパルスを有する負極直流電力を生成する。負極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

直流送電パート140は送電側正極直流フィルタ141、送電側負極直流フィルタ142、正極直流送電ライン143、負極直流送電ライン144、需要側正極直流フィルタ145、需要側負極直流フィルタ146を含む。

送電側正極直流フィルタ141はインダクタL1とキャパシタC1を含み、交流−正極直流コンバータ131が出力する正極直流電力を直流フィルタリングする。

送電側負極直流フィルタ142はインダクタL3とキャパシタC3を含み、交流−負極直流コンバータ132が出力する負極直流電力を直流フィルタリングする。

正極直流送電ライン143は正極直流電力を伝送するための一つのDCラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このDCラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

負極直流送電ライン144は負極直流電力を伝送するための一つのDCラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このDCラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

需要側正極直流フィルタ145はインダクタL2とキャパシタC2を含み、正極直流送電ライン143を介して伝達された正極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側負極直流フィルタ146はインダクタL4とキャパシタC4を含み、負極直流送電ライン144を介して伝達された負極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側直流−交流コンバータパート150は正極直流−交流コンバータ151と負極直流−交流コンバータ152を含み、正極直流−交流コンバータ151は一つ以上の3相バルブブリッジ151aを含み、負極直流−交流コンバータ152は一つ以上の3相バルブブリッジ152aを含む。

需要側変圧器パート160は正極のために一つ以上の3相バルブブリッジ151aにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器161を含み、負極のために一つ以上の3相バルブブリッジ152aにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器162を含む。

正極のために一つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して6つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために2つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して12個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器161の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために3つの3相バルブブリッジ151aが利用される場合、正極直流−交流コンバータ151は正極直流電力を利用して18個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

負極のために一つの3相バルブブリッジ152aが利用される場合、負極直流−交流コンバータ152は負極直流電力を利用して6つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器162の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、Y−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために2つの3相バルブブリッジ152aが利用される場合、負極直流−交流コンバータ152は負極直流電力を利用して12個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、2つのうち一つの変圧器162の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Y形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器162の1次側のコイルと2次側のコイルはY−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために3つの3相バルブブリッジ152aが利用される場合、負極直流−交流コンバータ152は負極直流電力を利用して18個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

需要側交流パート170は交流フィルタ171と交流送電ライン173を含む。

交流フィルタ171は需要パート180が利用する周波数成分(例えば、60Hz)以外の残りの周波数成分を需要側直流変電パート105が生成する交流電力から除去する。

交流送電ライン173はフィルタリングされた交流電力を需要パート180に伝達する。

図4は、本発明の実施例による変圧器と3相バルブブリッジの結線を示す図である。

特に、図4は正極のための2つの変圧器121と正極のための2つの3相バルブブリッジ131aの結線を示す。負極のための2つの変圧器122と負極のための2つの3相バルブブリッジ132aの結線、正極のための2つの変圧器161と正極のための2つの3相バルブブリッジ151aの結線、負極のための2つの変圧器162と負極のための2つの3相バルブブリッジ152aの結線、正極のための1つの変圧器121と正極のための1つの3相バルブブリッジ131a、正極のための1つの変圧器161と正極のための1つの3相バルブブリッジ151aの結線などは図4の実施例から容易に導出されるため、その図面と説明は省略する。

図4において、Y−Y形状の結線を有する変圧器121を上側変圧器、Y−Δ形状の結線を有する変圧器121を下側変圧器、上側変圧器に連結される3相バルブブリッジ131aを上側3相バルブブリッジ、下側変圧器に連結される3相バルブブリッジ131aを下側3相バルブブリッジと称する。

上側3相バルブブリッジと下側3相バルブブリッジは直流電力を出力する2つの出力端である第1出力端OUT1と第2出力端OUT2を有する。

上側3相バルブブリッジは6つのバルブD1−D6を含み、下側3相バルブブリッジは6つのバルブD7−D12を含む。

バルブD1は第1出力端OUT1に連結されるカソードと上側変圧器の2次側コイルの第1端子に連結されるアノードを有する。

バルブD2はバルブD5のアノードに連結されるカソードとバルブD6のアノードに連結されるアノードを有する。

バルブD3は第1出力端OUT1に連結されるカソードと上側変圧器の2次側コイルの第2端子に連結されるアノードを有する。

バルブD4はバルブD1のアノードに連結されるカソードとバルブD6のアノードに連結されるアノードを有する。

バルブD5は第1出力端OUT1に連結されるカソードと上側変圧器の2次側コイルの第3端子に連結されるアノードを有する。

バルブD6はバルブD3のアノードに連結されるカソードを有する。

バルブD7はバルブD6のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の2次側コイルの第1端子に連結されるアノードを有する。

バルブD8はバルブD11のアノードに連結されるカソードと第2出力端OUT2に連結されるアノードを有する。

バルブD9はバルブD6のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の2次側コイルの第2端子に連結されるアノードを有する。

バルブD10はバルブD7のアノードに連結されるカソードと第2出力端OUT2に連結されるアノードを有する。

バルブD11はバルブD6のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の2次側コイルの第3端子に連結されるアノードを有する。

バルブD12はバルブD9のアノードに連結されるカソードと第2出力端OUT2に連結されるアノードを有する。

一方、需要側直流−交流コンバータパート150はモジュール型マルチレベルコンバータ200で構成される。

モジュール型マルチレベルコンバータ200は複数のサブモジュール210を利用して直流電力を交流電力に変換する。

図5及び図6を参照してモジュール型マルチレベルコンバータ200の構成を説明する。

図5及び図6は、モジュール型マルチレベルコンバータ200の構成ブロック図である。

モジュール型マルチレベルコンバータ200は中央制御器250、複数のサブ制御器230、複数のサブモジュール210を含む。

中央制御器250は複数のサブ制御器230を制御し、それぞれのサブ制御器230は自らと連結されたそれぞれのサブモジュール210を制御する。

この際、図5でのように一つのサブ制御器230は一つのサブモジュール210と連結され、それによって中央制御器250を介して伝送される制御信号を基準に自らと連結された一つのサブモジュール210のスイッチング動作を制御する。

また、それとは異なって図6でのように一つのサブ制御器230は複数のサブモジュール210と連結され、それによって中央制御器250を介して伝送される複数の制御信号を利用して自らと連結された複数のサブモジュール210に対するそれぞれの制御信号を確認し、確認した制御信号を基準に複数のサブモジュール210をそれぞれ制御する。

図7を参照してモジュール型マルチレベルコンバータ200に含まれる複数のサブモジュール210の連結を説明する。

図7は、3相モジュール型マルチレベルコンバータ200に含まれる複数のサブモジュール210の連結を示す。

図7を参照すると複数のサブモジュール210は直列に連結され、一つの相(Phase)の正極又は負極に連結された複数のサブモジュール210を一つのアーム(Arm)として構成する。

3相モジュール型マルチレベルコンバータ200は一般的に6つのアームで構成され、A,B,Cの3相それぞれに対して正極と負極で構成されて6つのアームで構成される。

それによって、3相モジュール型マルチレベルコンバータ200はA相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第1アーム221、A相負極に対する複数のサブモジュール210で構成される第2アーム222、B相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第3アーム223、B相負極に対する複数のサブモジュール210で構成される第4アーム224、C相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第5アーム225、C相負極に対する複数のサブモジュール210で構成される第6アーム226で構成される。

そして、一つの相に対する複数のサブモジュール210はレッグ(Leg)を構成する。

それによって、3相モジュール型マルチレベルコンバータ200はA相に対する複数のサブモジュール210を含むA相レッグ227と、B相に対する複数のサブモジュール210を含むB相レッグ228と、C相に対する複数のサブモジュール210を含むC相レッグ229で構成される。

よって、第1アーム221乃至第6アーム226はそれぞれA,B,C相レッグ227,228,220に含まれる。

詳しくは、A相レッグ227にはA相の正極アームである第1アーム221と負極アームである第2アーム222が含まれ、B相レッグ228にはB相の正極アームである第3アーム223と負極アームである第4アーム224が含まれる。そして、C相レッグ229にはC相の正極アームである第5アーム225と負極アームである第6アーム226が含まれる。

また、複数のサブモジュール210は極性に応じて正極アーム227と負極アーム228を構成する。

詳しくは、図7を参照するとモジュール型マルチレベルコンバータ200に含まれる複数のサブモジュール210は中性線nを基準に正極に対応する複数のサブモジュール210と負極に対応する複数のサブモジュール210とで分類される。

よって、モジュール型マルチレベルコンバータ200は正極に対応する複数のサブモジュール210で構成される正極アーム227、負極に対応する複数のサブモジュール210で構成される負極アーム228で構成される。

よって、正極アーム227は第1アーム221、第3アーム223、第5アーム225で構成され、負極アーム228は第2アーム222、第4アーム224、第6アーム226で構成される。

次に、図8を参照してサブモジュール210の構成を説明する。

図8は、サブモジュール210の構成に関する例示図である。

図8を参照すると、サブモジュール210は2つのスイッチ、2つのダイオード、キャパシタを含む。このようなサブモジュール210の形態をハーフブリッジ(half−bridge)形態又はハーフブリッジインバータ(half bridge inverter)とも称する。

そして、スイッチング部217に含まれるスイッチは電力半導体を含む。

ここで電力半導体とは電力装置用半導体素子をいい、電力の変換や制御用に最適化されている。そして、電力半導体はバルブ装置とも称する。

それによってスイッチング部217に含まれるスイッチは電力半導体と構成されるが、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GTO(Gate Turn−off Thyristor)、IGCT(Insulated Gate Commutated Transistor)などで構成される。

貯蔵部219はキャパシタを含んでいるためエネルギーを充電又は放電する。一方、サブモジュール210の構成及び動作に基づいてサブモジュール210を等価モデルで示すことができる。

図9はサブモジュール210の等価モデルを示すが、図9を参照するとサブモジュール210はスイッチとキャパシタで構成されたエネルギーの充電及び放電装置として示される。

それによって、サブモジュール210は出力電圧がVsmであるエネルギーの充電及び放電装置と同じであることが分かる。

図10は本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチの斜視図であり、図11は本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチの断面図である。

図10と図11を参照すると、本発明による超高圧直流送電のバイパススイッチはサブモジュール210の故障が感知されると故障が感知されたサブモジュール210を短絡して隣接した他のサブモジュール210に故障による影響が伝播されることを防止する。

即ち、超高圧直流送電のバイパススイッチはサブモジュール210が正常に動作すれば開放された状態維持し、サブモジュール210に故障が感知されると故障が発生したサブモジュール210を短絡する。

本発明による超高圧直流送電のバイパススイッチはハウジング3と、ハウジングに配置された固定コンタクタ5a及び稼動コンタクタ5bを含む。

ハウジング3は内部に空間が形成され、固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5はハウジング3の空間で接点、接点解除される。ハウジング3の空間は稼動コンタクタ5の移動されるように形成される。

ハウジング3は真空ハウジングで形成されてもよい。ハウジング3は稼動コンタクタ5bの移動をガイドするガイドである。

超高圧直流送電のバイパススイッチハウジング3内に稼動コンタクタ5bとハウジング3との間に設置されるベローズ5cを更に含む。ハウジング3には固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bとの間で真空状態が維持されるように稼動コンタクタ5bとハウジング3との間にベローズ5cが設置される。

ハウジング3は絶縁物質で形成され、固定コンタクタ5a、稼動コンタクタ5b及びベローズ5cを含む真空インタラプタ5がその内部に配置される。

固定コンタクタ5aはハウジング3に位置が固定されるように配置される。固定コンタクタ5aはハウジング3の内部一側に配置される。固定コンタクタ5aは超高圧直流送電回路の第1部分(図示せず)と電気的に連結される。

固定コンタクタ5aはハウジング3の内部に配置されるインナープレートと、インナープレートから突出されてハウジング3の外部に露出されるアウター連結部を含む。固定コンタクタ5aのアウター連結部には後述する第1バスバー1を固定コンタクタ5aに電気的に連結する結合部材1aが連結される。

稼動コンタクタ5bはハウジング3に移動可能に配置される。稼動コンタクタ5bはハウジング3の内部の他側に配置される。稼動コンタクタ5bはハウジング3に固定コンタクタ5aを向かい合うように配置する。稼動コンタクタ5bは固定コンタクタ5aと接触された位置に移動可能に設置され、固定コンタクタ5aと離隔された位置に移動可能に設置される。稼動コンタクタ5bは超高圧直流送電回路の第2部分と電気的に連結される。

稼動コンタクタはハウジング3の内部に配置されるインナープレートと、インナープレートから突出されてハウジングを外部に露出するアウター連結部と、を含む。稼動コンタクタ5bのアウター連結部には後述する絶縁部材6が連結される。

固定コンダクタ5aはサブモジュール回路の一端に電気的に連結され、稼動コンタクタ5bはサブモジュール回路の他端に電気的に連結され、固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bの接触の際にサブモジュール回路は電気的に短絡状態になる。この場合、サブモジュール回路の故障のような問題が発生した際、他の回路や他の電気部品に伝播されることを遮断する。

超高圧直流送電のバイパススイッチは稼動コンタクタ5bに結合された絶縁部材6を含む。絶縁部材6は稼動コンタクタ5bの一側に結合される。絶縁部材6は稼動コンタクタ5bと一体に位置が移動され、絶縁部材6の移動の際に稼動コンタクタ5bは絶縁部材6によって移動される。

超高圧直流送電のバイパススイッチは電気的信号に応じて爆発する爆発型駆動器9を含む。爆発型駆動器9は稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aに向かって移動されるようにする駆動力を発生する駆動源である。爆発端駆動器9は絶縁部材6を移動することによって稼動コンタクタ5bと固定コンタクタ5aを接点する。

超高圧直流送電のバイパススイッチは爆発端駆動器9の爆発で発生するガスの力によって移動されて絶縁部材6が移動されるようにする力を加えるピストン器具7,8を含む。ピストン器具7,8は爆発型駆動器9が爆発する際に発生したガスの力を絶縁部材6に伝達して固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bが電気的に連結されるようにする。即ち、ピストン器具7,8は爆発型駆動器9の駆動力を絶縁部材6に伝達する少なくとも一つの動力伝達部材である。

超高圧直流送電システムのバイパススイッチは力の伝達方向に爆発型駆動器9、ピストン器具7,8、絶縁部材6及び稼動コンタクタ5bの順に順次に配置される。絶縁部材6は稼動コンタクタ5bとピストン器具7,8との間に配置される。そして、ピストン器具7,8は絶縁部材6と爆発型駆動器9との間に配置される。

ピストン器具7,9は爆発型駆動器9から発生したガスによって移動可能に配置され、絶縁部材6に連結されたピストン部材8を含む。この場合、爆発型駆動器9が爆発するとピストン部材8は絶縁部材6を直接移動することができる。

ピストン器具7,8は爆発型駆動器9から発生したガスによって移動されるピストン部材8と、ピストン部材8と絶縁部材6との間でピストン部材8が加える力を絶縁部材6に伝達する磁性部材7を含む。

爆発型駆動器9はガスを噴出するインフレータ9aと、インフレータ9aに結合されたインフレータカバー9bを含む。インフレータカバー9bにはインフレータ9aから噴出されたガスがピストン部材8に流動されてピストン部材8が移動可能に配置されるインナー空間9cが形成される。

インフレータ9aはサブモジュール120の故障が感知されるとオンされ、高圧ガスをインフレータカバー9bのインナー空間9cに噴出する。

インフレータカバー9bはピストン部材8が移動可能に収容され、高圧ガスが膨張するインフレータハウジングである。

ピストン部材8は一部が爆発型駆動器9の内部に位置する。ピストン部材8はインナー空間9cで移動される。ピストン部材8は爆発型駆動器9が爆発すると爆発型駆動器9から噴出されたガスに押されて磁性部材9を絶縁部材6が位置する方向に押し出す。

磁性部材7はピストン部材8と絶縁部材6の間に配置される。この場合、爆発型駆動器9が爆発するとピストン部材8は磁性部材7を移動し、磁性部材7は絶縁部材6を移動する。磁性部材7はピストン部材8と絶縁部材6のうち少なくとも一つと連結され、ピストン部材8が絶縁部材6に向かって移動される際、ピストン部材8と共に絶縁部材6に向かって移動されて絶縁部材6をスライド移動する。

超高圧直流送電のバイパススイッチは爆発型駆動器9が作動する前に、稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aと離隔されるように磁性部材7を維持するマグネット10を更に含む。マグネット10は後述するフレーム11,12,13,14に設置され、フレーム11,12,13,14に設置された状態で磁性部材7に磁力を作用する。

稼動コンタクタ5bは一側が絶縁部材6と結合され、絶縁部材6は磁性部材7と結合する。マグネット10は爆発型駆動器9が作動する前に、稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aと離れる方向に磁性部材7を引き寄せ、この場合、絶縁部材6は磁性部材7によって爆発型駆動器9が位置する方向に引き寄せられる。

磁性部材7は円柱状又は棒状に形成され、マグネット10は磁性部材7が内部に配置されるように円筒状に形成される。磁性部材7にはピストン部材8が連結される。磁性部材7は絶縁部材6に連結される。磁性部材7はマグネット10の内部に内挿され、爆発型駆動器9が駆動するとピストン部材8に押されて少なくとも一部がマグネット10の外部に引き出される。

超高圧直流送電のバイパススイッチは絶縁部材6に力を加えるばね4を更に含む。ばね4は絶縁部材6とピストン部材8との間に配置されるか、絶縁部材6と爆発型駆動器9との間に配置されるか、絶縁部材6とフレーム11,12,13,14との間に配置される。

ばね4は、マグネット10の周囲に位置するように配置される。ばね4はマグネット10の外周に位置する。ばね4は絶縁部材6に接触された状態を維持する。ばね4は絶縁部材6とフレーム11,12,13,14との間に配置されて絶縁部材6に力を加える。ばね4は稼動コンタクタ5b、絶縁部材6及び磁性部材7が固定コンタクタ5aが配置された方向に移動される方向に力を加える。ばね4が加える力はマグネット10が磁性部材7を引き寄せる力より小さく、爆発型駆動器9が駆動する前に、ばね4は圧縮された状態を維持する。

ピストン部材8は爆発型駆動器9が爆発すると爆発ガスの力によって磁性部材7を引き出し、絶縁部材6は磁性部材7によって押され、稼動コンタクタ5bは固定コンタクタ5aと接触する。磁性部材7がマグネット内10で固定コンタクタ5aが配置された方向に移動されたらばね4は膨張された状態を維持する。

このような磁性部材7及び絶縁部材6が移動する際、ばね4は圧縮された状態から解除されて稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aが位置する方向に力を作用し、稼動コンタクタ5bと固定コンタクタ5aが接触した状態を維持するようにする。即ち、ばね4は爆発型駆動器9が作動する際に磁性部材7がより迅速に稼動コンタクタ5bの方向に移動されるように助け、爆発型駆動器9が作動した後、稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aから接点解除されないように助ける。

超高圧直流送電のバイパススイッチはフレーム11,12,13,14を更に含む。フレーム11,12,13,14は内部に空間Sが形成される。ハウジング3は空間Sに配置される。ハウジング3は空間Sに収容される。稼動コンタクタ5b及び絶縁部材6は空間Sに位置が移動されるように位置される。ばね4は少なくとも一部が空間S位置される。マグネット10は少なくとも一部が空間Sに位置される。フレーム11,12,13,14はハウジング3、稼動コンタクタ5b、絶縁部材6、ばね4及びマグネット10を保護する。フレーム11,12,13,14は超高圧直流送電のバイパススイッチの外観を形成する。

フレーム11,12,13,14は第1フレーム11、第2フレーム12を含む。第1フレーム11及び第2フレーム12は超高圧直流送電のバイパススイッチの長さ方向に沿って互いに平行に配置される。

フレーム11,12,13,14は第3フレーム13及び第4フレーム14を更に含む。第3フレーム13及び第4フレーム14は第1フレーム11及び第2フレーム12の両端に互いに平行に配置される。第3フレーム13及び第4フレームは第1フレーム11及び第2フレーム12と結合され、第1フレーム11及び第2フレーム12に支持される。フレーム11,12,13,14は第1,2,3,4フレームによって空間Sが形成される。

固定コンタクタ5aはフレーム11,12,13,14に設置される。そして、爆発型駆動器9はフレーム11,12,13,14に設置される。フレーム11,12,13,14には爆発型駆動器9の一部が内挿される通孔15が形成される。

爆発型駆動器9のインフレータ9aはフレーム11,12,13,14の外部に位置されるように設置され、インフレータ9aに電源を印加する電線9dはフレーム11,12,13,14の外部でインフレータ9aに連結される。

爆発型駆動器9のインフレータカバー9bはフレーム11,12,13,14に形成された通孔15に位置されるように配置され、フレーム11,12,13,14によって保護される。

固定コンタクタ5aと爆発型駆動器9はフレーム11,12,13,14に互いに向かい合うように設置される。固定コンタクタ5aと爆発型駆動器9は第1フレーム11と第2フレーム12に分散されて設置されるか、第3フレーム13と第4フレーム14に分散されて設置される。以下、固定コンタクタ5aと爆発型駆動器9は第3フレーム13と第4フレーム14に設置されていると説明する。

固定コンタクタ5aと爆発型駆動器9は2つのうちいずれか一つが第3フレーム13に設置され、他の一つが第3フレーム13に向かい合う第4フレーム14に設置される。

固定コンタクタ5aが第3フレーム13に設置されれば爆発型駆動器9は第4フレーム14に設置され、逆に固定コンタクタ5aが第4フレーム14に設置されれば爆発型駆動器9は第3フレーム13に設置される。

ハウジング3は第1,2,3,4フレームのうち固定コンタクタ5aが設置されたフレームに一緒に設置される。

マグネット10は第1,2,3,4フレームのうち爆発型駆動器9が設置されたフレームに一緒に設置される。ばね4は爆発型駆動器9が設置されたフレームと絶縁部材6との間に配置される。

固定コンタクタ5aは第3フレーム13に設置されて支持され、ハウジング3は第3フレーム13に設置されて支持される。一方、爆発型駆動器9は第4フレーム14に設置されて支持され、マグネット10は第4フレーム14に設置されて支持され、ばね4は第4フレーム14と絶縁部材6との間に設置される。

超高圧直流送電のバイパススイッチは固定コンタクタ5aと連結される第1バスバー1と稼動コンタクタ5bと連結される第2バスバー2を含む。第1バスバー1はコテイコンタクタ5aと電気的に連結される。そして、第2バスバー2は稼動コンタクタ5bと電気的に連結される。固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bが接触すると第1バスバー1及び第2バスバー2と電気的に連結された回路が短絡される。

固定コンタクタ5aは第1バスバーを介して超高圧直流送電回路の第1部分(図示せず)と電気的に連結され、稼動コンタクタ5bは第2バスバー2を介して超高圧直流送電回路の第1部分(図示せず)と電気的に連結される。

第1バスバー1は結合部材1aを介して固定コンタクタ5aに電気的に連結されてもよく、固定コンタクタ5aと直接電気的に連結されてもよいことはもちろんである。

第2バスバー2は稼動コンタクタ5bと絶縁部材6との間に配置されて稼動コンタクタ5bと電気的に連結される。絶縁部材6は第2バスバー2と金属材質に形成される磁性部材7が電気的に絶縁されるようにする。絶縁部材6には突起6aが形成され、突起6aは第2バスバー2に形成された貫通孔2aを貫通し稼動コンタクタ5bに形成された挿入溝5dに挿入されて結合される。ばね4は第2バスバー2と第4フレーム14との間に配置される。ばね4は絶縁部材6が固定コンタクタ5aが配置された方向に移動されるようにする力を加える。

超高圧直流送電のバイパススイッチは回路の正常状況で図11に示したように固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bが互いに近くされて電気的に分離された状態を維持する。即ち、第1バスバー1と第2バスバー2は互いに電気的に分離される。

一方、回路に問題が発生したら電気的信号が爆発型駆動器9に印加されながら爆発型駆動器9が爆発し、爆発型駆動器9が爆発することで高圧のガスと放出されながらピストン部材8を押し出す。ピストン部材8は磁性部材7、絶縁部材6、稼動コンタクタ5bを押し出して 図12に示したように稼動コンタクタ5bが固定コンタクタ5aに接触するようにする。この際、ばね4は圧縮された状態が解除されながら絶縁部材6及び稼動コンタクタ5bを固定コンタクタ5aが配置された方向に押し出し、固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bが接触された状態を維持するようにする。よって、固定コンタクタ5aと稼動コンタクタ5bは電気的に連結される。即ち、第1バスバー1と第2バスバー2が互いに電気的に連結される。

このように、本発明の実施例による超高圧直流送電のバイパススイッチは爆発型駆動器9の動作によってピストン部材8が稼動コンタクタ5bを押し出すため高速動作が可能な長所がある。

また、本発明の実施例によるバイパススイッチはマグネット10が磁性部材7を初期状態に維持する機能を行い、ばね4が稼動コンタクタ4が固定コンタクタ5aと接触した後の状態を維持する機能を行う。よって、別途の軸を動かすためのコイルが要求されないため、小さい容積で製作することができる長所がある。

これまで実施例を中心に説明したが、これは単なる例示であって本発明を限定するものではなく、本発明の属する技術分野の通常の知識を有する者であれば本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲内で前記に例示されていない様々な変形と応用が可能であることを理解できるはずである。例えば、実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施してもよいものである。そして、このような変形と応用に関する差は添付した特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解析されるべきである。