KR100513644B1 - 개선된 냉각채널을 갖는 ｄｐｃ형 고온초전도 변압기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도체에 존재하는 퀀치 현상을 고려하여 기존의 고온초전도 변압기보다 더 우수한 냉각 및 절연 특성을 지니도록 냉각 채널 구조가 개량된 DPC형 고온초전도 변압기 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 보빈의 중심원통의 외주면상에 그 원통의 길이 방향으로 홈을 파서 만든 수직 냉각채널, 상기 수직 냉각채널이 있는 상기 중심원통의 표면에 접하도록 DPC형으로 권선된 고온초전도 도체, 상기 고온초전도 도체의 수직면에 접하도록 배열된 상원판, 하원판 및 절연 스페이서 표면에 홈을 파서 만든 수평 냉각채널을 포함하여 구성되어 있되, 상기 중심원통, 상원판, 하원판 및 절연 스페이서 표면에는 복수개의 냉각채널이 형성되어 도체와 접촉된 부분도 상기 냉각채널을 통하여 액체질소의 공급이 용이하도록 하고, 또 쉽게 냉각되어져 냉각효과를 높임과 아울러, 고온초전도 도체에서 퀀치가 발생될 경우 액체질소의 비등에 의해 방울 형상으로 존재하는 기포를 재 냉각시키거나 배출시켜 고온초전도 변압기의 절연내력 저하를 방지할 수 있다.

Description

개선된 냉각채널을 갖는 ＤＰＣ형 고온초전도 변압기 장치{Double pancake coil type high temperature superconducting transformer apparatus having improved cooling channels structure}

본 발명은 22.9 kV급 DPC형 고온초전도 변압기 (Double Pancake Coil Type High Temperature Superconducting Transformer) 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 고온초전도 변압기보다 더 우수한 절연 및 냉각 특성을 가지도록 냉각채널 구조가 개량된 고온초전도 변압기 장치에 관한 것이다.

고온초전도 변압기라 함은, 임계온도가 기존의 초전도체보다 향상된 약 100 K에서 전기저항이 영(零)인 초전도도체의 성질을 나타내는 고온초전도체를 이용하여 전압을 승압 또는 감압시키는 장치를 말하는 바, 이와 같은 고온초전도 변압기는 변압기로 동작하기 위해서 임계온도 이하의 저온으로 유지되어야 되기 때문에 액체질소 등의 냉매를 냉각원으로 이용하여 고온초전도체를 항상 임계온도 이하의 저온으로 냉각시켜야 한다.

종래의 일반적인 DPC형 고온초전도 변압기는 고온초전도체가 캡톤 데이프(Kapton Tape)와 같은 절연물에 의해 피복되어 DPC 형태로 보빈(Bobbin)에 권선되어 있고, 권선된 코일 각층 사이에는 막대형 스페이서(Spacer)가 일정 간격으로 고정 설치되어, 스페이서와 스페이서의 사이에 스페이서간의 간격 및 그 두께에 해당하는 크기의 냉각채널(냉매가 마그네트에 직접 접촉되도록 하기 위한 냉매의 통로를 냉각채널이라 함)을 만들어 줌으로써, 냉매가 상기 냉각채널을 통해 흐르면서 코일과 접촉하여 열교환을 하여 코일을 냉각하도록 되어 있다.

이와 같이 스페이서로 냉각채널을 만든 종래의 DPC형 고온초전도 변압기는 냉각채널이 없는 구조에 비해서는 열교환 효율이 좋아지나 상기와 같은 종래 DPS형 고온초전도 변압기의 냉각채널 구조로는, 상기 냉각채널에서는 코일 표면으로 냉매의 흐름이 거의 없게 됨은 물론, 퀀치에 의해 발생되는 기포 또한 흐름이 거의 없게되어 냉각 효율이 저하되고 절연내력이 낮아져 고성능의 DPS형 고온초전도 변압기 장치를 만들지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, DPC형 고온초전도 변압기의 냉각 효율을 높이고 퀀치시 발생되는 기포 배출을 용이하게 하여 절연 특성을 기존보다 향상시킬 수 있도록 개선된 냉각채널구조를 갖는 DPC형 고온초전도 변압기 장치를 제공하고자 하는 것으로서, 특히 DPC의 상, 하부를 스페이서판으로 격리하면서 냉매의 흐름경로를 확보함으로써 기포의 배출경로를 제공하여 냉각 전이가 용이하도록 하고 퀀치 발생시 절연내력을 향상시키고자하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온초전도 변압기 장치는 보빈상에 초전도 도체를 DPC형으로 권선하여 구성된 고온초전도 변압기 장치에 있어서, 상기 보빈의 중심원통 외주면상에 그 보빈의 길이 방향으로 홈 형태의 일정한 비율의 폭과 간격을 가지는 수직 냉각채널이 복수개가 형성되어 있는 보빈의 중심원통;

상기 수직 냉각채널이 형성된 상기 보빈의 중심원통 외주면을 따라 DPC형으로 권선되는 고온초전도 도체의 상부와 하부도체 사이에 위치하며, 홈 형태의 일정한 비율의 폭과 간격을 가지는 수평 냉각채널이 복수개가 형성되어 있는 절연 스페이서;

상기 중심원통의 양단에 설치되어 있으면서 상기 고온초전도 도체와 접촉되어지는 표면에 홈 형태의 일정한 비율의 폭과 간격을 가지는 복수개의 수평 냉각채널이 형성되어 있는 상원판과 하원판; 및

상기 보빈의 중심원통의 외주면상에 접하도록 상기 보빈의 수직방향으로 DPC형으로 권선되어지는 고온초전도 도체로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 복수개의 수직 및 수평 냉각채널을 갖는 보빈의 중심원통, 절연 스페이서, 상원판 및 하원판의 결합구성을 단위 구성층으로 하여, 상기 단위 구성층이 수직방향으로 복수의 층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 DPC형 고온초전도 변압기 장치는, 보빈의 중심원통상에 길이 방향으로 일정간격으로 형성된 수직 냉각채널과 상원판, 하원판 및 절연 스페이서에 형성된 수평 냉각채널은 상기 고온초전도 도체를 냉각하기 위한 냉매통로가 되고, 상기 절연 스페이서가 상기 DPC형 상부와 하부도체간을 절연해 주고 퀀치시 상기 고온초전도 도체에서 발생되는 기포가 차단되어 냉매와 초전도 도체간의 열교환 효율 및 절연내력이 향상된다.

또한, 상기 보빈의 중심원통 원주 표면에 홈을 파서 수직 냉각채널을 형성시킴으로서 상기 고온초전도체와 냉매의 전이가 용이하도록 하고, 특히 굽힘이나 외부 압력에 의해 열화가 쉽게 발생하는 상기 고온초전도 도체의 기계적 열화를 감소시켜 고온초전도 변압기의 성능을 향상시킨다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DPC형 고온초전도 변압기 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 DPC형 고온초전도 변압기 장치의 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 변압기 보빈의 전체 단면도이고, 도 2는 상기 보빈의 중심원통 상에 초전도 도체인 상부 도체와 하부 도체가 권선되고 있는 장면을 사진으로 촬영한 것이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도를 나타낸 것이다.

도 1에서, 상기 보빈(10)은 초전도 도체를 권선하기 위한 일반적인 절연체로서, 중심원통(13)에는 보빈(10)의 길이 방향으로 일정한 폭과 간격을 가지는 복수개의 수직 냉각채널(20)들이 형성되어 있고, 상기 중심원통(13) 양단에는 상원판(11)과 하원판(12)이 각각 형성되어 있다. 그리고 상기 상원판(11)과 하원판(12)에는 일정한 폭과 길이를 갖는 복수개의 수평 냉각채널(21)이 형성되어 있다.

도 2를 보면, 상기 보빈(10)의 중심원통(13) 상에 도체가 DPC형으로 아래쪽에만 권선되어 있고 위쪽에는 권선중에 있다.

도 2와 관련하여, 초전도 도체의 권선 장면을 정면에서 찍은 사진으로 보이는 부분에 대한 구조 설명만 한 것으로서, 상기 수평 냉각채널(21)의 구조 및 권선 구조는 잘 나타나 있으나, 그 밖의 도 2로부터 명확히 알 수 없는 주요 구성 및 구조에 대해서는 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 도 2의 A-A선 단면도로서, 보빈(10)의 중심원통(13)이 있고, 보빈(10)의 중심원통(13)의 외주면상에 홈 형태의 일정한 폭과 길이를 갖는 수직 냉각채널(20)이 일정간격으로 배열설치되어 있으며, 상기 하부 도체(31) 부분은 상기 하원판(11)의 상면과 상기 절연 스페이서(14)의 하면에 접하도록 상기 보빈(10)의 중심원통(13)의 외주면을 따라 권선되어 있고, 상기 상부 도체(30) 부분은 상기 상원판(12)의 하면과 상기 절연 스페이서(14)의 상면에 접하도록 상기 보빈(10)의 중심원통(13) 외주면을 따라 권선되어 있다. 그리고, 냉매와의 전이가 쉽고 기포의 배출을 용이하게 하기 위해 상기 수직 냉각채널(20)과 상기 수평 냉각채널(21)은 서로 연결이 되어 있다.

도 4는 기존의 냉각채널과 본 발명에서 제시한 냉각채널(폭은 5mm, 두께는 1mm) 구조에서 기포를 발생시켰을 경우 절연파괴전압의 변화를 나타낸 그래프이다. ＊는 본 발명에 따른 수직 냉각채널이 설치된 경우이고, ●는 수직 냉각채널이 설치되지 않은 종래의 고온초전도 변압기 장치의 경우이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 DPC형 고온초전도 변압기 장치는, 수직 및 수평 냉각채널을 만들어 DPC와 액체질소의 전이가 쉽게 되어져 냉각효과를 높임과 아울러, 위쪽 고온초전도 도체와 아래쪽 고온초전도 도체를 격리하는 절연 스페이서로 인해 퀀치시 발생하는 기포를 상부와 하부로 연결하는 경로를 차단하여 기기의 절연성능을 높일 수 있다.

이와 같은 본 발명의 특성에 대한 실험결과로서, 도 4에서와 같이 수직 냉각채널을 없앤 구조인 종래의 고온초전도 변압기 장치는 본 발명에 따른 냉각구조에 비해 약 65% 전압에서 절연파괴가 일어남을 알 수 있으며, 이 결과는 본 발명이 종래의 냉각채널을 가진 고온초전도 장치에 비해 냉각 효율과 절연내력 특성이 향상됨을 알 수 있는 것이다.

도 1 내지 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 DPC형 고온초전도 변압기 장치의 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 보빈의 정면도이고, 도 2는 상기 보빈상에 초전도 도체를 권선하는 장면을 촬영한 사진이고, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DPC(Double Pancake Coil)형 고온초전도 변압기 장치와 수직 냉각채널 구조가 없는 종래의 고온초전도 변압기 장치의 절연파괴 특성을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보빈 11 : 보빈의 상원판

12 : 보빈의 하원판 13 : 보빈의 중심원통

14 : 절연 스페이서 20 : 수직 냉각채널

21 : 수평 냉각채널 30 : 위쪽 도체

31 : 아래쪽 도체

Claims (2)

1. 보빈(10) 상에 초전도 도체(30,31)를 DPC형으로 권선하여 구성된 고온초전도 변압기 장치에 있어서,

   상기 보빈(10)의 중심원통(13) 외주면상에 그 보빈(10)의 길이 방향으로 홈 형태의 수직 냉각채널(20)이 일정간격으로 복수개 배열되어 있는 보빈(10)의 중심원통(13);

   상기 수직 냉각채널(20)이 형성된 상기 보빈(10)의 중심원통(13) 외주면을 따라 DPC형으로 권선되는 고온초전도 도체의 상부 도체(30)와 하부 도체(31) 사이에 위치하며, 홈 형태의 수평 냉각채널(21)이 복수개가 형성되어 있는 절연 스페이서(14);

   상기 중심원통(13)의 양단에 설치되어 있으면서 상기 고온초전도 도체와 접촉되어지는 표면에 홈 형태의 수평 냉각채널(21)이 복수개 형성되어 있는 상원판(11)과 하원판(12); 및

   상기 보빈의 중심원통(13)의 외주면상에 접하도록 상기 보빈과 수직방향으로 DPC형으로 권선되어지는 고온초전도 도체(30,31)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각채널을 갖는 DPC형 고온초전도 변압기 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 수직 냉각채널(20) 및 수평 냉각채널(21)을 갖는 보빈(10)의 중심원통(13), 절연 스페이서(14), 상원판(11) 및 하원판(12)의 결합구성을 단위 구성층으로 하고, 상기 단위 구성층이 수직방향으로 복수의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각채널을 갖는 DPC형 고온초전도 변압기 장치.