HVDC 회로 차단기
HVDC 회로 차단기: 기능, 도전 과제, 그리고 해결책
HVDC (고압 직류) 회로 차단기는 전기 회로 내에서 비정상적인 직류 흐름을 중단하도록 설계된 특수한 스위칭 장치입니다. 시스템에 고장이 발생하면 회로 차단기의 기계 접점이 분리되어 회로를 효과적으로 열게 됩니다. 그러나 HVDC 시스템에서 회로를 끊는 것은 AC (교류) 대응물과 비교하여 더 어려운 작업입니다. 이는 주로 HVDC 회로의 전류가 단일 방향으로 흐르고 자연스럽게 제로 전류 값을 통과하지 않기 때문입니다. AC 회로 차단기에서는 이러한 제로 전류 값이 아크 소멸에 중요합니다.
HVDC 회로 차단기의 주요 기능은 전력 네트워크에서 고압 직류 흐름을 중단하는 것입니다. 반면에 AC 회로 차단기는 AC 파형의 자연스러운 제로 점에서 전류가 도달할 때 아크를 쉽게 중단할 수 있습니다. 이 제로-전류 순간에는 중단해야 하는 에너지가 0이며, 접점 간격이 유전 강도를 회복하고 자연스러운 일시적 복구 전압을 견딜 수 있게 됩니다.
HVDC 회로 차단기의 경우 상황은 훨씬 복잡합니다. DC 파형은 자연스러운 전류 제로가 없기 때문에 강제 아크 중단은 매우 높은 일시적 복구 전압을 생성할 수 있습니다. 적절한 아크 중단이 이루어지지 않으면 재점화 위험이 있으며, 이는 결국 차단기 접점의 파괴로 이어질 수 있습니다. HVDC 회로 차단기를 설계할 때 엔지니어들은 세 가지 주요 도전 과제를 해결해야 합니다:
인공적 전류 제로 생성: DC에는 자연스러운 전류 제로가 없기 때문에 아크 소멸을 위해 필수적입니다.
재점화 아크 방지: 아크가 중단된 후 재점화를 방지하기 위한 조치가 필요하며, 이는 차단기와 시스템의 손상을 초래할 수 있습니다.
저장된 에너지 해소: 시스템 구성 요소에 저장된 에너지를 안전하게 해소하여 잠재적인 위험을 피해야 합니다.
자연스러운 전류 제로 부족을 극복하기 위해 HVDC 회로 차단기는 아크 소멸을 위해 인공적 전류 제로를 생성하는 원칙을 사용합니다. 일반적인 접근 방식은 병렬 L-C (인덕터-콘덴서) 회로를 도입하는 것입니다. 이 회로가 활성화되면 아크 전류가 진동합니다. 이러한 진동은 강렬하며 여러 인공적 전류 제로를 생성합니다. 회로 차단기는 이러한 인공 제로-전류 지점 중 하나에서 아크를 소멸시킵니다. 이 방법이 효과적이기 위해서는 진동의 최대 전류가 중단해야 하는 직류를 초과해야 합니다.
더 자세한 구현 방법은 전통적인 DC 회로 차단기의 주 접점(M)을 통해 보조 접점(S1)을 통해 인덕터(L)와 콘덴서(C)로 구성된 시리즈 공진 회로를 연결하는 것입니다. 또한 저항(R)은 접점(S2)을 통해 연결됩니다. 정상 작동 상태에서는 주 접점(M)과 충전 접점(S2)이 닫힌 상태로 유지됩니다. 콘덴서(C)는 고저항(R)을 통해 선전압까지 충전됩니다. 한편, 접점(S1)은 열린 상태로 유지되며, 선전압이 걸립니다. 이 설정은 고장 상황에서 인공적 전류 제로를 생성하고 관련 전기 프로세스를 관리함으로써 DC 전류를 중단하기 위한 필요한 조건을 마련합니다.
주 회로 전류 Id를 중단할 때, 작동 메커니즘은 일련의 동작을 시작합니다. 먼저 접점 S2를 열고 동시에 접점 S1을 닫습니다. 이 구성은 콘덴서 C가 인덕터 L, 주 접점 M, 보조 접점 S1을 통해 방전되는 것을 유발합니다. 그 결과 아래 그림에 표시된 것과 같이 진동 전류가 생성됩니다. 이 진동 전류는 아크 소멸에 중요한 인공적 전류 제로를 생성합니다. 회로 차단기의 주 접점 M은 이러한 인공적 전류 제로 지점 중 하나에서 정확히 열립니다. 주 접점 M이 성공적으로 전류를 중단한 후, 접점 S1이 열리고 접점 S2가 닫혀, 향후 작업을 위한 시스템을 재설정하고 HVDC 회로 차단 과정의 무결성을 보장합니다.
주 직류 중단을 위한 대안적 방법
고압 직류(HVDC) 시스템에서 주 직류를 중단하는 대안적인 방법은 전류를 콘덴서로 분산시키는 것으로, 이는 회로 차단기가 중단해야 하는 전류 크기를 효과적으로 줄입니다. 이 방법은 아래 그림에 도시되어 있으며, 초기에 콘덴서 C가 충전되지 않은 상태로 시작됩니다.
회로 차단기의 주 접점 M이 열리기 시작하면 중요한 이벤트가 발생합니다: 이전에 주 접점 M을 통해 흐르던 주 회로 전류가 콘덴서 C로 리디렉션됩니다. 이 리디렉션으로 인해 중단 과정에서 주 접점 M이 처리해야 하는 전류 부하가 크게 감소합니다. 이 전류 크기의 감소는 회로 차단기의 부담을 줄이고 중단 과정을 더 관리하기 쉽고 손상이나 실패 가능성을 낮춥니다.
전류 분산에서 콘덴서의 역할 외에도 비선형 저항 R도 이 시스템의 필수 구성 요소입니다. 비선형 저항 R은 전류 흐름과 관련된 에너지를 흡수하면서 주 접점 M의 전압을 크게 증가시키지 않는 역할을 합니다. 에너지를 효율적으로 소산함으로써 비선형 저항은 회로 차단기와 전체 전기 시스템의 무결성을 유지하고, 전류 중단 과정 중 전압 수준이 허용 범위 내에 있도록 합니다. 콘덴서 C와 비선형 저항 R의 조정된 작동은 HVDC 시스템에서 주 직류를 중단하기 위한 효과적이고 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.
M의 복구 전압 상승률은 다음과 같이 표현됩니다
진동 전류를 이용하여 흐름을 중단하는 DC 회로 차단기의 경우, 재점화를 방지하는 것이 특히 어려운 도전 과제입니다. 이는 전류가 중단되거나 "절단"되는 시간이 매우 짧기 때문입니다. 전류가 이렇게 짧은 시간 내에 급격히 중단되면, 차단기 단자 사이에서 재점화 전압이 급격히 상승합니다. 이 고마그니튜드의 급격히 상승하는 전압은 회로 차단기의 무결성에 큰 위협을 가합니다. 안정적인 작동을 위해 회로 차단기는 이 강력한 재점화 전압을 견디면서 재점화에 굴복하지 않도록 충분한 유전 강도와 전압 견딜 능력을 갖추어야 합니다. 그렇지 않으면 손상, 전기 아크, 시스템 실패로 이어질 수 있습니다.
