KR100627511B1 - 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는도체 슬리브 - Google Patents

초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는도체 슬리브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는 도체 슬리브에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결 시스템은, 다층의 초전도 도체층 및 포머가 노출된 서로 다른 두개의 초전도 전력 케이블과, 상기 초전도 전력 케이블을 연결하는 다수의 도체 슬리브를 포함하고, 상기 초전도 전력 케이블은, 상기 다수의 도체 슬리브에 의해 상기 다층의 초전도 도체층이 연결되되, 상기 포머에서 멀어지는 방향으로 제 1케이블의 N-i번째 도체층 (N:정수, i=0,1,2..N-1)과 제 2케이블의 1+i번째 도체층이 일대일로 대응되어 연결되고, 연결되는 상기 초전도 전력 케이블의 길이방향과 평행하도록 상기 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머가 서로 연접하여 결합된다.
본 발명에 따르면, 초전도 전력 케이블의 연결시에 별도의 냉매 유통로의 설치가 필요없어 냉각 시스템이 안정되고, 연결된 초전도 전력 케이블의 기계적 강도가 강화되어 케이블의 열 수축에 따른 외력에도 견딜수 있어 안정된 환경에서 전력을 원활하게 전송할 수 있다.

Description

초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는 도체 슬리브{Connecting system of superconducting power-cable and conducting sleeve used therein}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 초전도 전력 케이블을 도시한 사시도.
도 2는 초전도 전력 케이블을 연결하는 종래의 도체 슬리브를 도시하는 사시도.
도 3a 내지 3c는 종래의 도체 슬리브를 이용한 초전도 전력 케이블의 연결방법을 도시하는 공정도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 전력 케이블을 연결하는 도체 슬리브를 도시한 사시도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도체 슬리브를 이용한 초전도 전력 케이블의 연결 방법을 도시한 공정도.
본 발명은 다층 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는 도체 슬리브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매의 압력 손실을 줄이고 초전도 도체층의 특성 저하를 방지하는 다층 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는 도체 슬리브에 관한 것이다.
초전도체는 상온보다 매우 낮은 온도에서 전기저항이 완전히 사라져서 에너지 손실이 전혀 없는 완전 전도체로서, 다양한 분야에 응용되고 있으나 최근에는 대도시에서의 급증하는 전력수요를 충족시키기 위해 초전도 선재를 사용한 전력 케이블이 사용되고 있다.
초전도 선재를 사용한 전력 케이블은 구리보다 통전능력이 우수한 초전도체를 사용함으로써 기존에 구리를 사용한 전력 케이블보다 대용량의 전력을 전송할 수 있을 뿐만 아니라 송전 손실도 줄일수 있다. 따라서, 대용량의 전력을 전송하기 위해 케이블의 단면적을 증가시킬 필요가 없으므로 소형으로 제조하더라도 대용량의 전력을 효율적으로 전송할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 초전도 전력 케이블의 구조를 도시하고 있다. 상기 도면을 참조하면, 초전도 전력 케이블(10)은 초전도 선재(12a)가 초전도성을 유지하도록 임계온도 이하로 냉각시켜 주는 냉매의 통로인 포머(11), 상기 포머(11) 주위를 감싸며 대용량의 전력을 전송하기 위해 테이프 형상의 초전도 선재(12a)가 다수의 층으로 이루어진 도체층(12), 상기 도체층(12) 사이에 형성된 절연층(13), 및 전기적 차폐가 이루어지게 하는 쉴드층(14)을 구비한다.
장거리 전력 전송을 위해 상기와 같이 구성된 초전도 전력 케이블을 사용하는 경우에는 다수의 초전도 전력 케이블을 연결시켜야 한다. 도 2는 초전도 전력 케이블을 연결하는 종래의 도체 슬리브를 도시하고 있다. 도면을 참조하면, 상기 도체 슬리브(20)는 체결홈(21a)이 형성된 도체부(21)와 내주면에 중공부(22a)가 형성되고, 상기 중공부(22a)와 연통되는 땜납 주입구(22b)가 표면에 형성되어 상기 도체부(21)의 일측에 결합된 도체층 접속부(22)를 구비한다. 상기 도체 슬리브(20)를 이용하여 초전도 전력 케이블을 연결하는 종래의 방법이 도 3a 내지 3c에 도시되고 있다.
우선, 초전도 전력 케이블(10)의 피복을 제거하여 포머(11) 및 다층의 초전도 도체층(12a,12b,12c,12d)을 노출시킨다. 도 3a에는 절연층(13)이 개재되어 4층(포머(11)에서 멀어지는 방향으로 제 1도체층(12a), 제 2도체층(12b), 제 3도체층(12c), 및 제 4도체층(12d))으로 형성된 케이블(10)의 예를 도시하고 있다. 상기 케이블(10)을 도체 슬리브(20)의 도체층 접속부(22)에 삽입하여 도체층 접속부(22)가 케이블(10)의 도체층(12a,12b,12c,12d)을 감싸도록 한다. 그런 다음, 상기 도체층 접속부(22)의 표면에 형성된 땜납 주입구(22b)를 통해 땜납을 주입하고 도체층 접속부(22)를 가열함으로써 케이블(10)의 도체층(12a,12b,12c,12d)과 도체층 접속부(22)를 접합시킨다. 도 3b는 상기와 같은 방법으로 4층으로 이루어진 도체층(12a,12b,12c,12d)의 각각에 접합된 도체 슬리브(20a,20b,20c,20d)를 도시하고 있다. 그리고 나서, 제 1케이블(10)의 도체층(12a,12b,12c,12d)에 접합된 도체 슬리 브(20a,20b,20c,20d)와 제 2케이블(30)의 도체층(32a,32b,32c,32d)에 접합된 도체 슬리브(30a,30b,30c,30d)를 상호 결합시켜 케이블을 연결하는데, 상기 도체부(21)에 형성된 체결홈(21a)에 나사를 끼워 도체 슬리브(20a,20b,20c,20d,30a,30b,30c,30d)를 결합시킨다. 연결된 케이블(10,30)이 도 3c에 도시되어 있다.
한편, 도 3c를 참조하면, 제 1케이블(10)의 제 1 도체층(12a)에 접합된 도체 슬리브(20a)와 제 2케이블(30)의 제 4도체층(32d)에 접합된 도체 슬리브(30d)가 연결되고, 제 1케이블(10)의 제 2도체층(12b)에 접합된 도체 슬리브(20b)는 제 2케이블(30)의 제 3도체층(32c)에 접합된 도체 슬리브(30c)와 연결된다. 따라서, N층의 도체층이 형성된 제 1케이블 및 제 2 케이블을 연결할 때에는 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머에서 멀어지는 방향으로 제 1케이블의 N-i번째 도체층 (N:정수, i=0,1,2..N-1)과 제 2케이블의 1+i번째 도체층이 일대일로 대응되어 연결된다.
이와 같이 연결하는 방법을 크로스 본딩이라 하는데, 외경이 큰 순서인 N층, N-1,.. 1층을 각각 외경이 작은 순서인 1층, 2층,...N층과 연결함으로써 연결된 도체층간의 전류흐름을 균일하게 하여 도체층의 전류편류를 방지한다. 왜냐하면, 전류가 어느 한 도체층에 많이 흐른다면 많이 흐르는 도체층의 임계전류에 의해 케이블 전체의 임계전류가 결정되어 결과적으로 초전도 전력 케이블의 전송손실이 증가하기 때문이다.
그러나, 상기와 같은 방법으로 초전도 전력 케이블을 연결하는 경우에는 도 3c에 도시한 바와 같이 도체층(12a,12b,12c,12d,32a,32b,32c,32d)간 연결만 이루어 지고 포머(11,31)간 연결은 이루어지지 않게 된다. 따라서, 냉매의 유통을 위해서는 별개의 냉매 유통로를 설치해야 하는 부담이 있고, 비록 별개의 냉매 유통로를 설치하더라도 포머(11,31)가 단절되어 있기 때문에 케이블 연결부에서 압손이 발생하여 초전도 케이블의 냉각 시스템에 문제를 일으킬 우려가 있다. 즉, 케이블의 냉각 시스템이 온도를 초전도체의 임계온도 이하로 유지시킬 수 없어 초전도체가 초전도성을 상실할 염려가 있으며 특히, 장거리 선로에서는 그와 같은 우려는 증대된다.
또한, 도 3c에 도시한 바와 같이 케이블이 직선이 아닌 엇갈린 형태로 결합되어 있어 열 수축과 같은 외력에 의해 케이블이 힘을 받을 경우, 외력에 의해 영향을 받은 도체층의 임피던스가 변화하여 임계전류 특성이 저하됨으로써 결과적으로 초전도 도체층의 특성을 저하시키는 문제가 있다.
또한, 도체 슬리브의 결합수단은 나사이므로 조립상태에 따라 접촉저항이 커지므로 케이블의 전송손실이 증가하는 문제가 있으며, 도체 슬리브에 고전압이 인가되기 때문에 케이블 연결부에 절연파괴가 일어날 우려도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 초전도 전력 케이블의 연결시 별도의 냉매 유통로를 설치할 필요가 없는 다층 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이것에 사용되는 도체 슬리브를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 초전도 전력 케이블의 연결시 접촉저항을 줄이고 케이블의 연결부의 전계를 완화시키는 다층 초전도 전력 케이블의 연결 시스템 및 이 것에 사용되는 도체 슬리브를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결 시스템은, 다층의 초전도 도체층 및 포머가 노출된 서로 다른 두개의 초전도 전력 케이블과, 상기 초전도 전력 케이블을 연결하는 다수의 도체 슬리브를 포함하고, 상기 초전도 전력 케이블은, 상기 다수의 도체 슬리브에 의해 상기 다층의 초전도 도체층이 연결되되, 상기 포머에서 멀어지는 방향으로 제 1케이블의 N-i번째 도체층 (N:정수, i=0,1,2..N-1)과 제 2케이블의 1+i번째 도체층이 일대일로 대응되어 연결되고, 연결되는 상기 초전도 전력 케이블의 길이방향과 평행하도록 상기 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머가 서로 연접하여 결합된다.
본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결 시스템에 있어서, 상기 다수의 도체 슬리브로 연결되는 상기 초전도 전력 케이블의 연결부의 전계를 완화하도록 상기 다수의 도체 슬리브의 주위를 둘러싼 쉴드 커버;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결 시스템에 있어서, 상기 도체 슬리브는, 제 1도체부; 실질적으로 'ㄷ'자를 이루도록 상기 제 1도체부의 양단에서 연장되어 꺾여있는 제 2도체부; 및 연결되는 상기 케이블의 길이방향과 평행하며 서로 동일한 축상에 설치되도록 상기 제 2도체부의 선단에 고정되고, 상기 다층의 초전도 도체층 중 어느 하나의 도체층과 결합하도록 내주면에 중공부가 형성되며, 결합한 상기 도체층과의 접합을 위해 땜납이 주입되도록 땜납 주입구가 표면에 형 성된 도체층 접속부;를 포함한다.
본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결 시스템에 있어서, 상기 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머를 용접으로 결합시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초전도 전력 케이블을 연결하는 도체 슬리브는, 다층의 초전도 도체층 및 포머가 노출된 서로 다른 두개의 초전도 전력 케이블을 연결하는 장치로서, 제 1도체부; 실질적으로 'ㄷ'자를 이루도록 상기 제 1도체부의 양단에서 연장되어 꺾여있는 제 2도체부; 및 연결되는 상기 케이블의 길이방향과 평행하며 서로 동일한 축상에 설치되도록 상기 제 2도체부의 선단에 고정되고, 상기 다층의 초전도 도체층 중 어느 하나의 도체층과 결합하도록 내주면에 중공부가 형성되며, 결합한 상기 도체층과의 접합을 위해 땜납이 주입되도록 땜납 주입구가 표면에 형성된 도체층 접속부;를 포함한다.
본 발명에 따른 초전도 전력 케이블을 연결하는 도체 슬리브에 있어서, 상기 도체층 접속부의 내주면에 형성된 중공부의 내경이 서로 다르다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 전력 케이블의 도체 슬리브를 도시한 사시도이다. 도면을 참조하면, 도체 슬리브(40)는 제 1도체부(41), 실질적으로 'ㄷ'자를 이루도록 상기 제 1도체부(41)의 양단에서 연장되어 꺾여있는 제 2도체부(42), 및 상기 제 2도체부(42)의 선단에 고정되어 케이블의 다층의 초전도 도체층 중 어느 하나의 도체층과 결합하는 도체층 접속부(43,44)를 포함한다. 전술한 종래의 도체층 접속부(22)와 마찬가지로 상기 도체층 접속부(43,44)의 표면에 땜납 주입구(43b,44b)가 형성된 점에서는 동일하나 별개의 도체층 접속부(44)가 더 형성되어 있다는 점에서는 상이한 구조이다. 따라서, 두개의 상기 도체층 접속부(43,44)는 각각 초전도 도체층에 결합하여 케이블을 연결할 수 있으므로 종래의 초전도 전력 케이블의 연결방법에서와 같이 도체 슬리브를 결합할 필요가 없다. 즉, 제 1도체층 접속부(43)에는 제 1케이블의 도체층이 결합되고, 제 2도체층 접속부(44)에는 제 2케이블의 도체층이 결합된다. 또한, 두개의 상기 도체층 접속부(43,44)는 연결되는 케이블의 길이방향과 평행하도록 서로 동일한 축상에 설치되므로, 연결되는 상기 케이블의 포머를 서로 연접하여 결합시킬 수 있게 된다. 상기 도체 슬리브(40)를 이용하여 초전도 전력 케이블을 연결하는 방법이 도 5a 내지 도 5c에 도시되고 있다.
우선, 도 5a에 도시된 바와 같이 제 1케이블(50) 및 제 2케이블(60)의 연결부분의 피복을 제거하여 다층의 초전도 도체층(52a,52b,52c,52d,62a,62b,62c,62d) 및 포머(51,61)를 각각 노출시킨다. 도 5a에는 절연층(53,63)이 개재된 4층의 도체층(포머(51,61)에서 멀어지는 방향으로 제 1도체층(52a,62a), 제 2도체층(52b,62b), 제 3도체층(52c,62c), 및 제 4도체층(52d,62d))이 형성되는 예가 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되지 않음은 물론이다. 그런 다음, 미리 순서대로 배열된 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)의 양단에 제 1케이블 및 제 2케이블을 각각 끼워 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)의 도체층 접속부(43,44)가 도체층(52a,52b,52c,52d,62a,62b,62c,62d)을 감싸도록 한다. 따라서, 종전의 도체 슬리브(20)를 나사로 결합함으로써 발생하는 접촉저항을 없앨 수 있다.
여기서 미리 순서대로 배열한다는 뜻은 도 5b에 도시한 바와 같이 도체층이 크로스 본딩으로 연결되도록 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)를 배열하되, 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)간에 서로 겹쳐지지 않도록 연결되는 케이블(50,60)의 동축상에 좌우로 일정한 각도를 이루도록 배열된다. 도 5c에서는 90도의 각도를 이루며 배열된 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)를 도시하고 있다.
또한, 3c에 도시된 바와 같이, 종래의 도체 슬리브(20)가 초전도 전력 케이블을 서로 어긋나게 연결하는 것과 달리 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 연결방법에 따르면 케이블(50,60)을 직선으로 연결하므로 후술하는 바와 같이 포머(51,61)의 연결이 가능하게 된다.
한편, 제 1케이블(50)의 도체층(52a,52b,52c,52d)과 제 2케이블(60)의 도체층(62a,62b,62c,62d)은 크로스 본딩으로 연결되므로 도체 슬리브(40a,40b,40c,40d)의 두 도체층 접합부(43,44)는 도 4에 도시한 바와 같이 내경이 크기가 서로 달라 야 한다.
제 1케이블(50) 및 제 2케이블(60)을 연결시킨 후, 도 5b에 도시한 바와 같이 제 1케이블(50)의 포머(51)와 제 2케이블(60)의 포머(61)를 결합시키는데 용접으로 결합시키는 것이 바람직하다. 종전의 연결방법과 달리 도체층(52a,52b,52c,52d,62a,62b,62c,62d) 뿐만 아니라 포머(51,61)를 연결함으로써 별도의 냉매 유통로를 설치할 필요도 없고 압손의 우려도 없게 된다. 또한, 제 1케이블(50)의 포머(51)와 제 2케이블(60)의 포머(61)가 결합됨으로써 기계적 강도가 증가되어 열 수축과 같은 외력에도 영향을 받지 않게 된다.
포머(51,61)를 결합한 후에, 상기 도체층 접속부(43,44)의 표면에 형성된 땜납 주입구(43b,44b)를 통해 땜납을 주입하고 도체층 접속부(43,44)를 가열함으로써 도체층(52a,52b,52c,52d,62a,62b,62c,62d)과 도체층 접속부(43,44)를 접합시킨다.그런 다음, 도 5d에 도시한 바와 같이 도체 슬리브(40)에 의해 접속된 케이블(50,60)의 주위를 알루미늄과 같은 비철금속 재질의 쉴드 커버(70)로 감싸 도체부 접속부(43,44)에 인가되는 전압을 완화시켜 절연 파괴를 방지한다. 한편, 상기 쉴드 커버(70)는 분할 구조로 되어 있어 설치가 용이하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따라 연결된 초전도 전력 케이블은 케이블의 연결부에 별도의 냉매 유통로를 설치할 필요가 없으므로 냉매의 압력손실에 따른 케이블의 냉각 시스템이 불안정을 방지할 수 있고, 연결된 초전도 전력 케이블의 기계적 강도가 강화되어 케이블의 열 수축에 따른 외력에도 견딜수 있어 안정된 환경에서 전력을 원활하게 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 케이블 연결부의 접촉저항을 줄여 전력전송의 효율을 높일 수 있고, 케이블 연결부에 과전압이 인가되어 절연파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 다층의 초전도 도체층 및 포머가 노출된 서로 다른 두개의 초전도 전력 케이블과, 상기 초전도 전력 케이블을 연결하는 다수의 도체 슬리브를 포함하되,
    상기 도체 슬리브는, 제 1도체부; 실질적으로 'ㄷ'자를 이루도록 상기 제 1도체부의 양단에서 연장되어 꺾여있는 제 2도체부; 및 연결되는 상기 케이블의 길이방향과 평행하며 서로 동일한 축상에 설치되도록 상기 제 2도체부의 선단에 고정되고, 상기 다층의 초전도 도체층 중 어느 하나의 도체층과 결합하도록 내주면에 중공부가 형성되며, 결합한 상기 도체층과의 접합을 위해 땜납이 주입되도록 땜납 주입구가 표면에 형성된 도체층 접속부;를 포함하고,
    상기 초전도 전력 케이블은, 상기 다수의 도체 슬리브에 의해 상기 다층의 초전도 도체층이 연결되되, 상기 포머에서 멀어지는 방향으로 제 1케이블의 N-i번째 도체층 (N:정수, i=0,1,2..N-1)과 제 2케이블의 1+i번째 도체층이 일대일로 대응되어 연결되고, 연결되는 상기 초전도 전력 케이블의 길이방향과 평행하도록 상기 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머가 서로 연접하여 결합되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 연결 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 도체 슬리브로 연결되는 상기 초전도 전력 케이블의 연결부의 전계를 완화하도록 상기 다수의 도체 슬리브의 주위를 둘러싼 쉴드 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 연결 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1케이블 및 제 2케이블의 포머를 용접으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 연결 시스템.
  5. 다층의 초전도 도체층 및 포머가 노출된 서로 다른 두개의 초전도 전력 케이블을 연결하는 장치에 있어서,
    제 1도체부;
    실질적으로 'ㄷ'자를 이루도록 상기 제 1도체부의 양단에서 연장되어 꺾여있는 제 2도체부; 및
    연결되는 상기 케이블의 길이방향과 평행하며 서로 동일한 축상에 설치되도록 상기 제 2도체부의 선단에 고정되고, 상기 다층의 초전도 도체층 중 어느 하나 의 도체층과 결합하도록 내주면에 중공부가 형성되며, 결합한 상기 도체층과의 접합을 위해 땜납이 주입되도록 땜납 주입구가 표면에 형성된 도체층 접속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도체 슬리브.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 도체층 접속부의 내주면에 형성된 중공부의 내경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 도체 슬리브.
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