高速スイッチ

本発明は、限流器の構成部品である高速スイッチに関し、特に、外部コンデンサの放電電流を用いて主回路遮断動作を行うことにより、事故電流の大きさに関係なく主回路遮断動作の一貫性が保証されるようにした高速スイッチに関する。

一般に、限流器(Fault Current Limiter)は、電力系統に大きな故障電流が発生した場合に事故電流(Fault Current)を高速に抑制して系統を保護する電力機器である。すなわち、電力系統に大きな故障電流が発生した場合、短時間で事故電流を適正値以下に抑制することにより、電力機器の機械的、熱的ストレスを低減し、電力系統の信頼度を向上させる装置である。

このような限流器を一般的な遮断器と比較すると次の通りである。故障電流が発生した場合、限流器は故障を高速に検出して抵抗(インピーダンス)を投入するのに対し、遮断器は遮断動作により故障が発生した線路を電力系統から分離又は排除する。また、限流器の限流動作にかかる時間は通常16ms以内であるのに対し、遮断器の遮断動作にかかる時間は通常85ms〜120msである。さらに、限流器には故障時に発生する機械的、熱的ストレスを低減して低電圧を補償する回路が備えられているが、遮断器にはそのような機能がないのが普通である。

高品質の電力が求められて電源が大容量化するにつれて、前述したような利点を有する限流器が好まれている。

このような限流器の主要部品としては、高速故障検出装置(Fast Fault Detector; FFD)、高速スイッチ(Fast Switch; FS)及び限流抵抗器(Current Limiting Resistor; CLR)がある。

高速故障検出装置は、系統に発生する故障を高速に検出する装置であって、所定の電流値を超える電流が流入するとそれを検知して高速スイッチ制御装置に信号を送る装置である。

高速スイッチは、通電及び故障電流の迂回を担当する主回路接点と駆動部とから構成され、故障電流を当該高速スイッチに並列接続された限流抵抗器の回路に迂回させる装置である。

限流抵抗器は、正常状態では通電せず、限流器が故障を検知して高速スイッチを開放することによって故障電流が流入するとその故障電流の大きさを当該限流抵抗器自体の抵抗により制限する装置である。

図4A及び図4Bは限流器の原理を説明するための図であり、図4Aには限流器が設置される前の回路、すなわち遮断器のみ設置された回路を示し、図4Bには限流器と遮断器が共に設置された回路を示す。限流器が設置された場合、正常状態では、正常電流aが遮断器101を経て直ちに負荷機器102に流れるのに対し、故障が発生すると、限流器103により高速スイッチ104が開放され、事故電流bが限流抵抗器105に迂回して負荷機器102に流れる。

つまり、限流器の構成部品である高速スイッチは、電力系統に発生する事故電流を効果的に制御するために限流抵抗器に並列接続されており、事故電流発生時に短時間で事故電流を限流抵抗器に迂回させて電力系統を保護する開閉機構である。

図5は従来技術による限流器の構成図である。従来技術による限流器は、電力系統の電源供給線路に直列に接続される超電導素子1と、超電導素子1の後段に直列に接続される真空インタラプタ2と、真空インタラプタ2の後段に直列に接続されて電力系統の電源供給線路を負荷に接離して回路開閉を行う回路遮断器8と、電力系統の電源供給線路への正常電流通電時に真空インタラプタ2の可動接触子2bに接圧力を付与する永久磁石アクチュエータ3と、永久磁石アクチュエータ3の可動子3aと同期して移動可能に接続される可動接点5bを有する高速スイッチ5と、超電導素子1のクエンチ時に事故電流により磁化して高速スイッチ5を閉路(通電)位置に駆動すると共に永久磁石アクチュエータ3により真空インタラプタ2を開路(通電遮断)位置に駆動する駆動コイル4とを含む。

従来技術による限流器の動作について説明すると次の通りである。

まず、正常状態の場合、回路の通電電流は、電源側線路から流入し、無抵抗状態の超電導素子1、真空インタラプタ2及び回路遮断器8を介して負荷に流出する通電経路Aを流れる。

また、回路に短絡電流が発生した場合、超電導素子1の抵抗が急激に上昇し、電流は、クエンチ状態の超電導素子1より抵抗が小さく、超電導素子1に並列に接続された駆動コイル4、限流抵抗7及び回路遮断器8を介して負荷に流出する通電経路Bを流れる。このとき、駆動コイル4に発生する磁力により反発板4aが垂直移動することによって、真空インタラプタ2は可動接触子2bと固定接触子2aとが分離し、高速スイッチ5は可動接点5bと固定接点5aとが接触する。これにより、通電経路Bを流れていた短絡電流は、閉路された高速スイッチ5、限流抵抗7及び回路遮断器8を介して負荷に流出する通電経路Cを流れるようになる。

本発明の先行技術として、特許文献1(発明の名称:超電導素子を用いたハイブリッド限流器)及び2(発明の名称:永久磁石型アクチュエータ及びそれを備えた回路遮断器)が開示されている。

韓国登録特許第10−0955373号公報

韓国登録特許第10−0909424号公報

しかし、従来技術においては、開路動作時に故障電流(短絡電流)を用いるので、故障電流の大きさによって動作速度が異なり、動作の完了のために故障電流の適正範囲が存在するという限界があった。すなわち、故障電流が小さすぎると、電磁反発力が小さいので動作しなくなる可能性があり、故障電流が大きすぎると、機械的反発力により直ちに再閉路されてしまうという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、外部コンデンサの放電電流を用いて主回路遮断動作を行うことにより、事故電流の大きさに関係なく主回路遮断動作の一貫性が保証されるようにした高速スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態による高速スイッチは、ハウジングと、前記ハウジングの内部に設けられ、主回路に接続されて前記主回路を開閉する真空インタラプタと、前記真空インタラプタの可動部に結合されて接圧力を付与する接圧ばねと、前記接圧ばねに連結される絶縁ロッドと、前記絶縁ロッドの下端に連結されて開閉駆動力を付与する永久磁石アクチュエータと、前記永久磁石アクチュエータのコイル部に放電電流を供給する第1コンデンサと、前記永久磁石アクチュエータの下端に連結される駆動コイルと、前記駆動コイルに放電電流を供給する第2コンデンサとを含む。

前記コイル部は、前記真空インタラプタに開極動作を行わせるオープンコイル(open coil)と、前記真空インタラプタに閉極動作を行わせるクローズコイル(close coil)とを含むことを特徴とする。

前記高速スイッチは、前記永久磁石アクチュエータと前記第1コンデンサとの間に設けられる永久磁石アクチュエータコントローラをさらに含み、前記永久磁石アクチュエータコントローラは、信号伝達及び制御を行うことを特徴とする。

前記高速スイッチは、前記駆動コイルと前記第2コンデンサとの間に設けられる駆動コイルコントローラをさらに含み、前記駆動コイルコントローラは、信号伝達及び制御を行うことを特徴とする。

前記高速スイッチは、前記主回路と前記永久磁石アクチュエータコントローラ及び前記駆動コイルコントローラとの間に備えられるセンサ部をさらに含み、前記センサ部は、前記主回路から発生する信号を前記永久磁石アクチュエータコントローラ及び前記駆動コイルコントローラに伝達できることを特徴とする。

前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサは、前記ハウジングの内部又は外部に設けられることを特徴とする。

本発明の一実施形態による高速スイッチにおいては、ハウジングの内部又は外部に設けられる第1及び第2コンデンサから発生する放電電流により開極動作及び閉極動作を行うので、主回路を遮断する際に故障電流の大きさに関係なく一定の回路遮断動作を実現できるという効果がある。

また、第1及び第2コンデンサの容量や充電電圧などを調節できるので、ユーザ所望の動作速度で遮断動作を行えるという効果がある。

さらに、機械式メカニズムの高速スイッチに比べて駆動時間が短いので、1/2サイクル内に事故電流を迂回させることができるという効果がある。

本発明の一実施形態による高速スイッチの斜視図である。

本発明の一実施形態による(真空インタラプタが閉路状態の場合の)高速スイッチの構成図である。

本発明の一実施形態による(真空インタラプタが開路状態の場合の)高速スイッチの構成図である。

限流器の原理を説明するための図であり、限流器は設置されず、遮断器のみ設置された回路を示す。

限流器の原理を説明するための図であり、限流器と遮断器が共に設置された回路を示す。

従来技術による限流器の構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明するが、これらは本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように詳細に説明するためのものであり、本発明の技術的思想や範囲を限定するものではない。

図1は本発明の一実施形態による高速スイッチの斜視図である。図2は本発明の一実施形態による(真空インタラプタが閉路状態の場合の)高速スイッチの構成図である。図3は本発明の一実施形態による(真空インタラプタが開路状態の場合の)高速スイッチの構成図である。以下、同図を参照して本発明の一実施形態による高速スイッチについて詳細に説明する。

本発明の一実施形態による高速スイッチは、ハウジング10と、ハウジング10の内部に設けられ、主回路に接続されて主回路を開閉する真空インタラプタ20と、真空インタラプタ20の可動部に結合されて接圧力を付与する接圧ばね30と、接圧ばね30に連結される絶縁ロッド35と、絶縁ロッド35の下端に連結されて開閉駆動力を付与する永久磁石アクチュエータ40と、永久磁石アクチュエータ40のクローズコイル41に放電電流を供給する第1コンデンサ45と、永久磁石アクチュエータ40の下端に連結される駆動コイル50と、駆動コイル50に放電電流を供給する第2コンデンサ55とを含む。

ハウジング10は、前後面が開放された箱状に形成されてもよい。ハウジング10には、本発明の一実施形態による高速スイッチを構成する各種部品が収容される。

真空インタラプタ20は、固定接点21と、固定接点21に接離する可動接点22とを含む。正常電流通電時には、固定接点21と可動接点22が接触した状態で主回路の通電が行われる。一方、事故電流が発生した場合は、固定接点21と可動接点22が分離して事故電流を限流抵抗器(図示せず)に迂回させることにより事故を防止して電力系統を保護する。

接圧ばね30は、真空インタラプタ20の可動部に接圧力を付与することにより、通電性能を向上させ、開閉動作の繰り返しによる損傷を抑えて遮断動作の一貫性を維持する。

永久磁石アクチュエータ40は、フレーム44と、フレーム44の内部に設けられるコイル部と、永久磁石46と、クローズコイル41及びオープンコイル42に発生する磁力により移動する可動子43とを含む。コイル部は、真空インタラプタ20に閉極動作を行わせるクローズコイル41と、真空インタラプタ20に開極動作を行わせるオープンコイル42とを含む。永久磁石アクチュエータ40は、クローズコイル41及びオープンコイル42を含み、真空インタラプタ20の開閉動作を行うが、開極動作時にはラッチ機能を実行して再閉路を防止し、閉極動作時には駆動力を付与する。クローズコイル41及びオープンコイル42には後述する第1コンデンサ45から発生する放電電流が選択的に流れる。

第1コンデンサ45は、永久磁石アクチュエータ40のクローズコイル41及びオープンコイル42にそれぞれ接続されて放電電流を供給する。

永久磁石アクチュエータ40と第1コンデンサ45との間には、永久磁石アクチュエータコントローラ(Permanent Magnet Actuator Controller; PMAC)48が設けられる。永久磁石アクチュエータコントローラ48は、第1コンデンサ45への信号伝達及び制御を行うようにしてもよい。例えば、永久磁石アクチュエータコントローラ48は、第1コンデンサ45から放電される電流がクローズコイル41に流れるかオープンコイル42に流れるかを決定するようにしてもよい。

駆動コイル50は、反発板53と共に、真空インタラプタ20の開極動作に必要な駆動力を付与する。

第2コンデンサ55は、駆動コイル50に接続されて放電電流を供給する。

駆動コイル50と第2コンデンサ55との間には、駆動コイルコントローラ(Driving Coil Controller; DCC)58が設けられる。駆動コイルコントローラ58は、第2コンデンサ55への信号伝達及び制御を行うようにしてもよい。

反発板53は、下部可動ロッド37の下端に設けられ、駆動コイル50の磁力により発生する電磁反発力により垂直移動する。

真空インタラプタ20の可動接点22に結合された上部可動ロッド36、真空インタラプタ20と永久磁石アクチュエータ40との間に設けられた絶縁ロッド35、永久磁石アクチュエータ40の可動子43、及び永久磁石アクチュエータ40と反発板53との間に設けられた下部可動ロッド37は、直列に連結されて一体に移動するようになっている。

本発明の一実施形態による高速スイッチは、センサ部60をさらに含んでもよい。センサ部60は、一端が主回路に接続され、他端が駆動コイルコントローラ58及び永久磁石アクチュエータコントローラ48に接続されており、信号を伝達することができる。例えば、センサ部60は、主回路から発生した故障電流に関する信号を受信し、駆動コイルコントローラ58及び永久磁石アクチュエータコントローラ48に伝達することができる。また、本発明の一実施形態による高速スイッチは、外部からの手動入力信号を受信する外部入力部65を含んでもよい。

以下、本発明の一実施形態による高速スイッチの動作について説明する。

まず、正常状態での主回路の通電のための真空インタラプタの閉極動作(投入動作)について説明する。回路に設定された時間の経過又は手動入力により第1コンデンサ45から電流が放電される。第1コンデンサ45から放電される電流は、永久磁石アクチュエータ40のクローズコイル41を流れて磁力を発生させる。クローズコイル41から発生する磁力により可動子43が上方に移動する。可動子43の上方への移動により、可動子43に直列に連結された絶縁ロッド35及び上部可動ロッド36が連動して上方に移動し、それにより可動接点22が上方に移動して固定接点21に接触する。従って、主回路が通電される。

このとき、接圧ばね30は、可動接点22に接圧力を付与することにより、固定接点21に強く接触させると共に、繰り返し使用により可動接点22と固定接点21が摩耗したり圧縮された場合も安定して接触させる役割を果たす。

ここで、永久磁石アクチュエータ40と第1コンデンサ45との間に設けられた永久磁石アクチュエータコントローラ48は、これらの間で信号伝達及び制御を担当する。つまり、センサ部60から入力される主回路部の信号、外部入力部65から入力される手動信号、又は内部に設定された信号により第1コンデンサ45の電流を放出させ、第1コンデンサ45から放出される電流の放出時間や電流量などを設定することができる。

次に、事故電流が発生することによって主回路を遮断して事故電流を限流抵抗器(図示せず)が接続された補助回路(図示せず)に迂回させるための真空インタラプタの開極動作(トリップ動作)について説明する。回路への事故電流の流入又は手動入力により第2コンデンサ55から電流が放電される。第2コンデンサ55から放電される電流は、駆動コイル50を流れて磁力を発生させる。駆動コイル50から発生する磁力により電磁反発力を受ける反発板53が下方に移動する。反発板53の移動により、反発板53に直列に連結された下部可動ロッド37、可動子43、絶縁ロッド35及び上部可動ロッド36が連動して下方に移動し、それにより可動接点22が固定接点21から分離する。従って、主回路が遮断される。

ここで、駆動コイル50と第2コンデンサ55との間に設けられた駆動コイルコントローラ58は、これらの間で信号伝達及び制御を担当する。つまり、センサ部60から入力される主回路部の信号、又は外部入力部65から入力される手動信号により第2コンデンサ55の電流を放出させ、第2コンデンサ55から放出される電流の放出時間や電流量などを設定することができる。

一方、トリップ動作時、反発板53の反発力により再閉路されることを防止するために、永久磁石アクチュエータ40のオープンコイル42に第1コンデンサ45から放電電流を供給することにより、可動子43を下方に移動させる。

本発明の一実施形態による高速スイッチは、第1コンデンサ45及び第2コンデンサ55から発生する放電電流により開極動作及び閉極動作を行うので、主回路を遮断する際に故障電流の大きさに関係なく一定の回路遮断動作を実現できるという効果がある。

また、第1及び第2コンデンサの容量や充電電圧などを調節できるので、ユーザ所望の動作速度で遮断動作を行えるという効果がある。

さらに、機械式メカニズムの高速スイッチに比べて駆動時間が短いので、1/2サイクル内に事故電流を迂回させることができるという効果がある。

前述した実施形態は例示的なものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の基本的な特性を逸脱しない範囲で様々な修正や変形が可能であろう。つまり、前述した実施形態は本発明の技術思想を説明するためのものにすぎず、前述した実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の権利範囲は添付の特許請求の範囲により定められるべきであり、同等の範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

10 ハウジング 20 真空インタラプタ 21 固定接点 22 可動接点 30 接圧ばね 35 絶縁ロッド 36 上部可動ロッド 37 下部可動ロッド 40 永久磁石アクチュエータ 41 クローズコイル 42 オープンコイル 43 可動子 45 第1コンデンサ 48 永久磁石アクチュエータコントローラ(PMAC) 50 駆動コイル 53 反発板 55 第2コンデンサ 58 駆動コイルコントローラ(DCC) 60 センサ部 65 外部入力部