신형 직류 회로 차단기의 단락 고장 보호 적용

I. 서론​
현대 정보 기술의 급속한 발전과 함께 지능화는 산업 장비 개발의 주요 추세가 되었습니다. 고압 스위칭 분야에서 지능형 회로 차단기는 전력 시스템의 핵심 제어 구성 요소로서 전력 시스템의 자동화와 지능화를 위한 기반이 됩니다. 본 연구는 단일 칩 마이크로컴퓨터(SCM) 기술을 기반으로 하는 지능형 직류 회로 차단기에 초점을 맞추고, 이 차단기의 실시간 전류 모니터링 및 선박용 직류 공급 시스템 내의 고장 중단에 대한 실제 적용을 강조합니다. 이 회로 차단기는 일반적인 소멸실 외에도 지능형 운영 시스템, 고장 전류 감지 유닛, 신호 처리 유닛을 포함하여 DC 시스템 고장 보호의 특수 요구 사항을 효과적으로 해결할 수 있습니다.

​II. DC 회로 차단기의 전류 전송 원리​
DC 시스템에서 회로 차단기의 핵심 과제는 아크 소멸입니다. 아크 이론에 따르면, 아크를 소멸시키려면 전류의 영점이 필요합니다. 그러나 DC 시스템은 자연적인 전류 영점이 없어 아크 소멸이 매우 어렵습니다.

​해결책 – 전류 전송 원리:​​
회로에 역방향 전류를 도입함으로써 인공적인 전류 영점을 생성하여 아크 소멸에 필요한 조건을 제공합니다. 구체적인 원리는 다음과 같습니다:

​III. 시스템 설계​

​​(1) 모니터링 모듈​
모니터링 모듈은 전자적 운영 시스템의 제어 신호 소스로, 회로 전류 변화의 실시간 모니터링을 가능하게 하며, 전류 이상에 대해 즉각적이고 정확한 응답을 제공합니다.

​신호 처리 흐름:​​

• ​신호 수집:​​ 샌트를 통해 전류 신호를 수집하며, 저전압 단자를 접지하여 고전압 펄스 간섭을 방지하고, 비감응 저항을 사용하여 전류 진폭과 파형을 유지합니다.
• ​신호 처리:​​ 획득된 전압 신호 (소진폭 고주파 잡음 포함) → 필터 회로 (잡음 제거) → 격리 증폭 회로 (고정밀 선형 광커플러 HCNR201, 일차측 오프셋 앰프 LM324, 이차측 오프셋 앰프 OP07, DC 변환기 역할) → 샘플링 및 홀딩 → A/D 변환 → SCM으로 전송.
• ​고장 응답:​​ 전류가 허용 한도를 초과하면 SCM이 트립 명령을 발행하고 부저 알람을 트리거합니다.

​​(2) SCM의 데이터 처리​
​고장 판단 기준:​​

• 정상 작동: 전류 상승률 Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, 전류 값 I ≤ Iₘₐₓ.
• 단락 고장: Kᵢ > Kₘₐₓ, I가 Iₘₐₓ를 빠르게 초과할 수 있음.

​수학적 모델 및 간략화된 계산:​​
ΔU = ΔI · Rբ (샌트 저항),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​장점:​​ Δt를 고정하면 두 시점 사이의 ΔU만으로 Kᵢ를 계산할 수 있어 부동소수점 연산을 피하고 응답 시간을 크게 줄입니다.
​고장 기준:​​ Uᵢₙ > Uₘₐₓ 또는 ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ일 때 SCM이 고장을 판단합니다.

​​(3) 간섭 방지 조치​
고전압, 고전류 환경에서 강한 전자자기 간섭이 발생하기 때문에 다차원 간섭 방지 설계를 채택합니다:

​​(4) 전체 구조 설계​
​운영 메커니즘 – 양안정 영구자석 메커니즘:​​

• ​구성:​​ 닫기/열기 코일, 영구자석, 이동 철심 (점선), 하우징.
• ​운영 회로:​​ 코일은 예비 충전된 캐패시터(에너지 소스)와 트라이아크와 직렬 연결되어 방전 회로를 형성합니다.
• ​작동 과정:​​ SCM 신호 → 트랜지스터에 의해 증폭 → 트라이아크 게이트 제어 → 고장 시 SMC가 열기 신호를 보내 → 트라이아크가 전도 → 캐패시터가 열기 코일을 통해 방전 → 철심 이동 → QF 열림. 닫기는 스위치를 통해 수동으로 제어됩니다.

​전류 전송 회로 (개선된 구조):​​

• ​개선:​​ 스파크 갭 스위치를 진공 스위치(QF₂)로 교체하여 시간 분산을 줄입니다.
• ​구조 매개변수:​​ QF₁과 QF₂가 중심 O로부터 등거리에 위치하며, 특정 매개변수에 따라 팔 길이가 결정됩니다.
• ​고장 작동:​​ 영구자석 메커니즘이 활성화 → 철심 이동 → QF₁ 열림, QF₂ 닫힘 → 캐패시터 C 방전 → QF₁의 아크 전류가 영점 교차 → 아크 소멸.

​IV. 시스템 실험​

• ​환경:​​ 대련 공과대학교 전력전자 연구소 합성 회로 실험실.
• ​방법:​​ 저주파 교류 전류를 사용하여 DC 단락 상승을 시뮬레이션하고, 최대 전류에서 역방향 전류를 도입합니다.
• ​결과:​​
• QF₁을 통과하는 전류 파형은 t₀에서 정확히 역방향 전류가 도입됨을 보여줍니다.
• 역방향 전류가 영점 교차를 강제로 수행하여 아크 소멸을 이루어내고, 성공적으로 단락 전류를 중단합니다.

​V. 결론​
실험 결과, 새로운 전자적 운영 시스템을 갖춘 DC 회로 차단기가 DC 공급 시스템의 단락 전류를 성공적으로 중단하였으며, 만족스러운 결과를 얻었습니다. 이 솔루션은 선박, 지하철, DC 전해, 전기로 등 DC 시스템의 단락 보호에 널리 적용될 수 있습니다.

​핵심 시스템 특징:​​

• ​실시간 성능:​​ SCM 기반 수집으로 실시간 모니터링이 가능하며, 강력한 제어 능력과 최소한의 시간 분산을 제공합니다.
• ​빠른 응답:​​ 간소화된 알고리즘을 통해 부동소수점 연산을 피하고, 고장 검출에 필요한 응답 시간을 줄입니다.
• ​신뢰성:​​ 양안정 영구자석 메커니즘으로 기계적 고장이 줄어들고, 열기 시간이 단축되며, 개선된 구조로 중단 및 전송 작업 간의 동기화가 보장됩니다.

본 연구에서 제시된 지능형 DC 회로 차단기 솔루션은 높은 실용 가치와 유망한 적용 전망을 가지고 있으며, 현대 DC 전력 시스템에서 지능형 보호 장비에 대한 급격한 수요를 충족합니다.