KR100382286B1 - 반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력계통으로부터 전류를 입력받는 초전도 한류기의 입력단자에 직, 병렬로 다이오우드 또는 싸이리스터와 같은 반도체 스위칭 소자를 삽입하여 한류기가 견딜수 있는 전압레벨을 상승시키고, 은발열막을 한류기 표면 소정 부위에 도포하여 전력계통 사고시 발생하는 열을 효과적으로 분산시키는 반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 전력계통상의 계통사고 발생시에 있어서 초전도체의 순간적인(0.1 ms이내) 상전도체화 현상에 의하여 필연적으로 발생되는 열을 일차적으로 은 박막에서 흡수하여 열분산 시키며, 다이오우드나 싸이리스터와 같은 반도체 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류를 단속함으로써 액체질소에 의한 열분산을 촉진시켜 결과적으로 √2 배만큼의 전압계급 상승효과를 가져올 수 있다.

Description

반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기{Superconducting faulting current limiter using thin films having semiconductor switch}

본 발명은 반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력계통으로부터 전류를 입력받는 초전도 한류기의 입력단자에 직, 병렬로 다이오우드 또는 싸이리스터와 같은 반도체 스위칭 소자를 삽입하여 한류기가 견딜수 있는 전압레벨을 상승시키고, 은발열막을 한류기 표면 소정 부위에 도포하여 전력계통 사고시 발생하는 열을 효과적으로 분산시키는 반도체 스위칭 소자를 갖는 박막형 초전도 한류기에 관한 것이다.

일반적으로, 전력계통의 어느 한 곳에 1선 지락사고와 같은 계통 사고가 발생하였을 때, 사고지점에서 가장 가까운 곳의 한류기가 동작하여 사고를 제거하게 되며, 이때 차단기의 동작시간은 3∼5 cycle (약 50∼80 msec) 이 소요되는데, 차단기의 전단에 설치하여 운용되는 박막형 초전도 한류기는 이 기간동안 열이 발생하게 된다.

이처럼, 초전도 한류소자는 일정전류에 대해서는 전기저항이 "zero"가 되고 설계치 이상의 과전류에 대해서는 상전도체화 되어 전기저항이 순간적으로 발생하는 초전도체 고유의 성질을 이용하는 기기로서, 박막형 초전도 한류기는 Al₂O₃혹은 LaAlO₃등의 기판위에 0.3∼0.4 ㎛의 YBa₂Cu₃O₇박막을 성장시킨 후 원하는 모양으로 패턴하여 제작된다.

이러한 박막형 초전도 한류기는 전류밀도가 높아 크기가 작을 뿐만 아니라 파형 변형이 적으며, 상대적으로 설치비가 낮을 것으로 기대되기 때문에 배전급에 적용될 것으로 예상하고 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 박막형 초전도 한류기는 사고발생시 두께에 비하여 높은 전류가 순간적으로 소자에 흐르기 때문에 많은 열이 발생하게 되어 오래지 않아 용단되는 단점이 있어, 실제로 현장에서 사용되기에는 그 신뢰성에 문제가 있었다.

종래에는 이와 같은 문제를 극복하기 위하여 상전도 상태의 YBa₂Cu₃O₇박막보다 비저항이 훨씬 작은 약 0.2∼0.3 ㎛ 두께의 금이나 은층을 박막위에 코팅하여 열분산을 꾀하였으나, 이는 그 열분산 효과에 비해 상대적으로 많은 제작비용이 요구되는 문제점이 있었다.

따라서 초전도 한류기를 실계통에 응용하기 위해서는 단위 초전도 한류기의 전압차단(quench) 시작 시점은 일정하게 유지하면서 전압 레벨을 높일 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전력계통 사고 발생시 초전도 한류기로 유입되는 전류를 소정 주기동안 단속하여 초전도 한류기에서 견딜수 있는 전압 레벨을 향상시킴에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전력계통 사고 발생시 초전도 한류기에서 열을 효율적으로 방출하도록 하는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기의 바람직한 실시예의 평면도.

도 2는 도 1의 초전류 한류기의 회로 구성을 나타내는 회로도.

도 3a은 도 2의 회로작동에 따라 전압 레벨이 √2배만큼 상승된 결과를 나타내는 그래프.

도 3b는 초전도 한류기 앞에 다이오우드를 연결하지 않은 경우의 전압 레벨을 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 열 발산부를 나타내기 위한 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 입력단자 2. 출력단자

3. 초전도 박막 4. 반도체 스위칭 소자

5. 기판 6. 열발산부

100. 초전도 한류기 41, 42. 다이오우드 또는 싸이리스터

본 발명에 따라 전력계통의 사고전류를 제한하는 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기는 소정 기판;과 상기 기판상에 소정 형태의 박막으로 형성되는 초전도 박막;과 상기 전력계통으로부터 인가되는 전류를 일단부를 통해 입력받는 입력단자;와 상기 입력단자의 타단부를 통해 상기 전류를 인가받아 소정 주기로 상기 전류를 단속하여 전압레벨이 상승된 전류를 출력하여 상기 초전도 박막에 인가하는 반도체 스위칭 소자; 및 상기 초전도 박막을 통과한 전류를 출력하기 위한 출력단자를 포함함을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 반도체 스위칭 소자는 다이오우드나 싸이리스터가 이용되며, 직렬로 연결하면 반 주기에 대하여 소정 크기만큼 상승된 전압을 출력하고, 적어도 2개 이상의 복수 개로 병렬로 연결하면 완전한 주기에 대하여 소정 크기만큼 상승된 전압을 출력가능하다.

그리고, 상기 초전도 박막으로는 바람직하게 YBa₂CuO₇박막이 이용되며, 이 초전도 박막상에는 발생한 열을 효율적으로 분산시키기 위한 열방출부가 형성된다.

이때, 열 방출부는 초전도 박막상의 여러 부위에 개별적으로 복수 개가 형성가능하며, 그 재질은 열전도성이 뛰어나며 가격이 저렴한 은 벌크가 바람직하게 이용된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기의 바람직한 실시예의 평면도이다.

도 1에 따르면 소정 기판(5)위에 미로형태로 형성된 초전도 박막(3)이 형성되어 있으며, 초전도 박막(3)의 일측과 타측에는 각각 전력계통으로부터 전류를 인가받는 입력단자(1)와 초전도 박막(3)을 거친 전류를 출력하기 위한 출력단자(2)가 연결되어 있다.

이때, 초전도 박막(3)과 입력단자(1)의 사이에는 본 발명에 따라 바람직하게 반도체 스위칭 소자(4)가 연결되어 있으며, 일례로 다이오우드가 직렬로 연결되어 있으나, 다이오우드 대신 싸이리스터나 GTO등의 전력용 반도체 스위칭 소자(4)들의 직렬, 또는 병렬연결에 의한 배치가 얼마든지 가능하다.

그리고, 초전도 박막(3)의 상면 소정 국부에는 열 발산부(6)가 형성되는데, 바람직하게 열전도성이 우수한 은 벌크로 된 열 발산부(6)가 초전도 박막(3)상에 군데군데 놓인 것으로 실현된다.

이때, 은 벌크에 의한 열 발산부(6)는 접촉되는 초전도 박막(3)의 전체 저항을 크게 떨어뜨리지 않는 범위내에서 배치된다.

도 2는 도 1과 같이 반도체 스위칭 소자(4)를 갖는 초전류 한류기(100)의 회로 구성을 나타내는 회로도이다.

도 2에 따르면 V₀은 전력계통으로부터 인가되는 시스템의 정격전압을 나타내며, R₀은 전류값 측정을 위한 표준저항으로써 1 Ω이다.

부하저항 R_L은 정상상태 전류와 가혹한 조건에 대한 실험을 위하여 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다.

반도체 스위칭 소자(4)는 스위치 3과 연결된 정방향 다이오우드(41)와, 스위치 4와 연결된 역방향 다이오우드(42)의 병렬구조로 형성되며, 스위치 3과 스위치 4의 사용선택에 따라 반주기에 대한 출력과 완전한 주기에 대한 출력이 결정되도록 구성되어 있다.

초전도 한류기(100)는 외부에 액체 질소가 둘러싸이도록 형성되며, 반도체 스위칭 소자(4)로부터 출력되는 전류를 인가받아 부하 R_L에 전달하도록 연결하며, 사고전류가 입력되면 부하 R_L로 전달되기 전에 차단하도록 연결된다.

이때 회로 소자값은 박막의 임계전류 및 전류제한 특성을 고려하고 최초 전압 차단(quench) 및 최종 전류제한 조건을 감안하여 필요한 값으로 결정된다.

도 3a은 반도체 스위칭 소자(4)를 연결한 도 2의 회로작동에 따라 전압 레벨이 √2배만큼 상승된 저항 및 소비 전력의 결과를 나타내는 그래프이며, 도 3b는 초전도 한류기 앞에 다이오우드를 연결하지 않은 경우의 전압레벨을 나타내는 저항 및 소비 전력의 결과를 나타내는 그래프로서 인가전압은 100 V_rms이다.

도 3a와 도 3b를 비교해 보면 사고발생 후 초전도 한류기(100)에 발생한 열을 나타내는 척도인 발생 저항값이 거의 동일함을 확인할 수 있다.

즉, 도 3a를 도 3b와 비교해 보면 다이오우드와 같은 반도체 스위칭 소자(4)를 거쳐 전류가 초전도 한류기(100)에 공급되면, 열은 효과적으로 분산되면서 √2배의 전압레벨 상승효과가 있음이 그래프를 통해 잘 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 열 발산부를 나타내기 위한 단면도이다.

도 4에 따르면 초전도 한류기(100)는 사파이어 재질의 기판(33)상에 초전도 박막(3)인 YBa₂CuO₇박막이 형성되어 있으며, YBa₂CuO₇박막(3)상에는 열을 발산하기 위한 통상의 은 박막(35)이 형성되어 있다.

그리고, 은 박막(35)상의 소정 국부에 은 벌크로 형성되는 열 발산부(6)가 돌출된 형태로 형성되는데, 이때 열 발산부(6)는 은 박막(35)을 통해 전기적으로 접촉되는 초전도 박막(3)의 전체 저항을 크게 떨어뜨리지 않는 범위내에서 배치된다.

이와 같이 배치되는 열발산부(6)는 일례로 덩어리 형태의 벌크로 형성되므로, 그 표면적에 비례하여 많은 열을 발산하게 되며, 초전도 한류기(100)의 켄치(quench)시 발생하는 열을 국부적으로 빠른 시간동안 분산시키는 작용을 하게 되어 초전도 한류기의 소자 파괴를 방지하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 본 발명을 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 계통사고 발생시에 있어서 초전도체의 순간적인(0.1 ms이내) 상전도체화 현상에 의하여 필연적으로 발생되는 열은 일차적으로 열발산부에서 흡수하고, 다이오우드를 통하여 흐르는 전류를 단속함으로써 액체질소에 의한 열분산을 촉진시켜 결과적으로 √2 배만큼의 전압계급 상승효과를 가져올 수 있다.

Claims (7)

1. 소정 기판과; 상기 기판상에 소정 형태의 박막으로 형성되는 초전도 박막;

   상기 전력계통으로부터 인가되는 전류를 일단부를 통해 입력받는 입력단자;

   상기 입력단자의 타단부를 통해 상기 전류를 인가받아 소정 주기로 상기 전류를 단속하여 전압레벨이 상승된 전류를 출력하여 상기 초전도 박막에 인가하는 반도체 스위칭 소자; 및 상기 초전도 박막을 통과한 전류를 출력하기 위한 출력단자를 포함하여, 전력계통의 사고전류를 제한하는 초전도 한류기에 있어서,

   상기 반도체 스위칭 소자는 서로 병렬로 연결되어 한 주기동안의 출력전압을 발생하는 2개의 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반도체 스위칭 소자는 서로 병렬로 연결되어 한 주기 동안의 출력 전압을 발생하는 2개의 싸이리스터인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 박막상의 소정 부위에 열발산을 위한 열발산부가 형성됨을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 갖는 초전도 한류기.