1.1 연구배경

과거 동시대에 활약한 전기공학자로서 니콜라 테슬라와 토머스 에디슨이 AC 전기와 DC 전기의 표준화로 논쟁을 했고, 테슬라의 승리로 현재까지 AC 전기를 표준으로 사용하고 있다. AC는 변압기를 통해 전압을 쉽게 바꿀 수 있는 장점이 있어, 높은 전압으로 먼 거리까지 전류를 이동시킬 수 있다. 하지만 최근에 신재생에너지, 데이터 센터, 디지털 부하 등의 DC 전력 이용 증가로 에너지 변환 효율을 높이기 위한 DC 배전의 관심이 높아지고 있다. 미국 EPRI에서는 미래 2020년까지 전체 부하의 절반이 디지털 부하와 같은 DC 부하가 될 것이라 예측하고 있으며, 미국 로렌스버클리 연구소(NBNL)에서는 380V 직류배전을 표준화하는 목표를 수립해 연구하고 있다. 또한 유럽에서는 신재생에너지의 연계로 DC 배전망에 대한 관심이 높아지고 있으며, 국내에서는 대기업 KT에서는 DC 배전망 구축 경험을 토대로 ETRI와 함께 DC 배전 표준전압 수립을 추진하고 있다. 또한, 태양광과 같은 DC 형태의 신재생에너지원이 분산전원으로써 증가하게 되면 DC 계통에서 주파수, 위상 등을 고려하지 않고, 단지 전압의 크기만 고려해도 되는 장점이 있다.
하지만, DC 배전은 사고 발생 시 AC 배전과 달리 전류를 차단하기 어렵다. AC 배전은 단락 사고 발생 시에도 1초에도 수 번 전류의 영점이 존재하는 것에 반해, DC 배전은 단락 사고 발생 시 지속적으로 전류가 상승하게 된다. 이때 차단기를 강제로 동작시켜 회로를 차단하게 되면 상승하던 단락 전류가 공기 중에서 아크(Arc)라는 불기둥 형태로 분리된 접촉면 사이에 형성되며, 신속한 전류 차단이 어렵게 되어 2차 피해를 불러올 수 있게 된다. 때문에 DC 배전에서는 빠른 차단 동작을 위해서 추가적인 회로 차단 기술이 필수적으로 존재해야 한다. 따라서 안정적이고 신뢰도 높은 DC 배전을 위해서 단락 사고 발생 시 수 미리 초 안에 회로를 완벽히 차단할 수 있는 DC 회로 차단기에 대한 연구가 요구되고 있다.


1.2 연구목적

DC 전력 수요의 증가로 현재 전력 변환 효율을 높이기 위한 DC 배전에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 DC 배전에서 단락 사고 발생 시 회로를 신속하게 차단할 수 있는 회로 차단 기법에 대한 연구를 진행하였다.

그림 1. DC 배전 등가 모델


그림 1.1은 등가화 된 DC 배전 회로 모습이다. 기본적으로 DC 배전은 DC 전압원(VDC)과 선로 임피던스 성분인 선로 인덕턴스(LDC)와 선로 저항(RDC)을 고려한다. 이러한 DC 배전 회로에서 단락 사고가 발생하게 되면 저항이 0에 가까워지면서 전류가 매우 크게 상승하게 되는데 이때, 회로를 차단하게 되면 차단기에서 아크가 발생하게 된다. 아크란 차단기 접촉면 사이에서 기체 중에 전류가 강한 빛을 발생하며 흐는 것을 말하며 전류가 흐르고 있기 때문에 차단기의 접촉면은 전도성을 유지하고 있게 된다. 그렇기 때문에 DC 배전용 차단기에서는 단락 사고 발생 시 2차 사고를 방지하기 위해 짧은 시간 단락 전류를 방전하여 아크를 소호하는 기술이 요구된다.
종래 DC 차단 기술을 보게 되면 단락 전류를 방전하여 아크를 소호하는데 기법은 LC 공진을 이용한 아크 소거법, 자계를 이용한 아크 소거법, 전류의 프리휠링을 이용한 아크 소거법으로 크게 3가지로 나뉜다.
또한, 대표적으로 회로를 차단하는 장비로는 기계식 차단기와 반도체 차단기가 있는데, 기계식 차단기는 도통 손실이 작은 장점이 있지만 아크가 발생하여 신속한 차단이 어려운 단점을 갖고, 반도체 차단기는 매우 빠른 차단 성능을 갖는 장점이 있는 반면에 도통 손실이 큰 단점을 갖는다. 그렇지만 기계식 차단기와 반도체 차단기를 모두 이용하는 하이브리드 형태의 DC 배전용 차단기는 두 종류 차단기의 장점을 모두 가지며 안정적인 차단을 수행할 수 있다.


1.3 논문개요

본 논문은 총 5장으로 구성된다. 1장에서는 DC 배전에 대한 내용과 DC 배전용 차단기 연구에 대한 배경 및 목적을 기술하였다. 2장에서는 DC 배전용 차단기의 특징 및 기술 동향에 대해 설명하였으며, 제안하고자 하는 DC 배전용 반도체 차단기와 DC 배전용 하이브리드 차단기에 대해서 기술하였다. DC 차단기의 경우 소자의 영향에 따라 차단 성능이 변하기 때문에 소자 의존도가 높은 기술이라 말할 수 있다. 3장에서는 본 논문에서 제안하는 DC 배전용 차단기에서 단락 전류를 소거하는 주 기능을 하는 소자인 바리스터를 ‘에너지 흡수 장치’로써 동작 특성을 소개하고, 수식 모델링과 DC 차단기에서 바리스터 선정 기준에 대해 설명하였다. 이어서 4장에서는 실험에 앞서 소자에 대한 특성과 차단기 목표 사양에서 이용 가능한 소자들을 선정하였고, 설계된 차단기 모델이 3kA 단락 전류 조건에서 동작 특성을 시뮬레이션 및 실험 결과를 기술하였다. 마지막으로 연구 결과를 종합하여 제안된 DC 배전용 차단기의 성능을 입증하였다.