KR100722367B1 - 초전도 전력 케이블 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

초전도 전력 케이블 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블은, 테이프 형상의 초전도 도체를 트위스트 피치로 감아 형성되는 초전도 전력 케이블에 있어서, 초전도 도체는 너비가 균일하고, 와인딩 각도가 일정하게 유지되며, 서로 이웃하는 초전도 도체 사이의 간격이 극소화되도록 서로 밀착되어 감기는 것을 특징으로 한다. 이로써, 임계전류를 저하시키는 수직성분의 자계를 완화시킬 수 있게 되어 송전 효율이 향상된다.

초전도 전력 케이블, 초전도 도체, 임계전류, 수직성분 자계

Description

초전도 전력 케이블 및 그 제조방법{Superconducting power cable and a manufacturing method thereof}

도 1은 일반적인 초전도 전력 케이블의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 도 1의 초전도 전력 케이블을 구성하는 각 통전 레이어의 구성을 예시한 도면,

도 3은 일반적인 초전도 전력 케이블에서의 고온 초전도 도체의 임계전류의 자계 의존성을 나타낸 도면,

도 4는 도 1의 포머와 통전 레이어에서의 자계분포를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블을 설명하기 위해 도시된 도면,

도 6은 초전도 도체 사이의 간격이 존재하지 않는 경우의 자계분포를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블에서의 고온 초전도 도체의 임계전류의 자계 의존성을 나타낸 도면,

도 8은 도 1의 초전도 도체 사이에 간격이 존재하는 경우의 초전도 전력 케이블의 통전시험 결과를 나타낸 도면, 그리고

도 9는 도 1의 초전도 도체 사이에 간격이 존재하지 않는 경우의 초전도 전력 케이블의 통전시험 결과를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 포머

20, 30, 40, 50 : 통전 레이어(초전도 도체)

55 : 중간 절연층

60 : 절연 레이어

본 발명은 고온 초전도 전력케이블에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 송전 용량을 증가시키거나 도체의 사용량을 절감시킬 수 있는 고온 초전도 전력케이블에 관한 것이다.

초전도란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0K : -273.16??) 가까이 냉각시켰을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 말한다.

초전도가 일어나는 온도는 금속의 종류에 따라 다르다. 예를 들어, 수은은 4.2K에서 초전도 현상을 일으키는데, 주석과 니오브의 어떤 종류의 합금에서는 18K에서 초전도 현상을 일으킨다. 현재는 납, 탈륨을 비롯하여 25종의 금속원소와 수천 종의 합금, 화합물에서 초전도 현상이 일어나는 것이 밝혀졌다. 이와 같은 초전도 현상을 일으키는 초전도 도체는, Nb₃Sn, NbTi, 및 Nb₃Al 등의 저온 초전도 도체 (10K 이하에서 전기저항 = 0)와 YBCO, Bi-2223, Ti-1223, 및 Hg 등의 고온 초전도 도체(108K 이하에서 전기저항 = 0)로 분류된다.

최근 활발하게 개발되고 있는 것이 초전도 전력케이블이다. 초전도 전력케이블은 70년대 말부터 80년대 중반까지는 저온 초전도 전력케이블(LTS : Low Temperature Superconductivity)에 대한 연구개발이 진행되었으나, 액체 헬륨을 사용하여야 하기 때문에 초전도 전력케이블 시스템의 경제성이 작아 실현되지 못하였다. 그러나 액체질소의 비등점보다 높은 임계온도를 가진 고온 초전도체(HTS : High Temperature Superconductivity)가 발견되고, 도체의 제조기술 및 성능이 향상되면서 고온 초전도 전력케이블의 실용화에 대한 기대가 높아지고 있다.

초전도 케이블은 케이블에 초전도체로 만든 전선을 넣고, 그 주변에 액체질소나 헬륨과 같은 냉매를 넣어 전기저항이 "0"이 되도록 한 케이블로서, 저손실, 대용량의 송전이 가능한 차세대 케이블이다.

도 1은 일반적인 초전도 전력 케이블 구성의 일예를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 초전도 전력 케이블은 포머(former)(10), 고온 초전도체로 이루어진 적어도 하나의 통전 레이어(20, 30, 40, 50), 층간 절연층(55), 및 절연 레이어(60)를 포함한다.

포머(10)는 복수의 금속선을 꼰 중실, 또는 금속 파이프를 사용한 중공의 형태이며, 여기서는 중공의 포머를 사용하여 그 내부를 냉매의 유로로 이용한다. 이 경우, 초전도 전력 케이블은 포머(10)의 내측으로 액체질소나 헬륨 등 냉매가 도통될 수 있도록 하여 각각의 통전 레이어(20, 30, 40, 50)에서 초전도 특성을 얻을 수 있도록 한다.

각각의 통전 레이어(20, 30, 40, 50)는 테이프 형태의 고온 초전도 도체로서, 초전도 전력 케이블의 주축 방향에 평행하게 되어 있지 않고, 마치 스프링이나 코일과 같이 소정의 트위스트 피치(twist pitch)로 내측 관부(10)에 감겨져 배치된다. 이때, 인접한 두 레이어를 구성하는 초전도 도체의 감김 방향은 서로 반대로 되어 있다. 즉, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 내측의 레이어가 오른나사 방향으로 감겨 있으면, 인접한 외측의 레이어는 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 왼 나사 방향으로 감김으로써, 각각의 레이어에서 발생되는 자기장이 서로 상쇄될 수 있도록 한다. 이것은 초전도 재료의 전도 특성이 자장의 영향을 많이 받기 때문에, 자장 발생을 최소화하여 초전도 도체의 전도 특성이 악화되는 일이 없도록 하기 위한 것이다. 또한 각 층별로 흐르는 전류의 양을 균일하게 하여 초전도케이블의 손실을 최소화하기 위함이다.

층간 절연층(55)은 포머(10)와 통전 레이어(20, 30, 40, 50)의 최 내층 초전도 도체(20) 사이, 통전 레이어(20, 30, 40, 50)의 각 초전도 도체(20, 30, 40, 50) 사이, 및 통전 레이어(20, 30, 40, 50)의 최 외층 초전도 도체(50)와 절연 레이어(60) 사이에 형성된다. 이와 같은 층간 절연층(55)은 크라프트지와 같은 절연지를 포머(10) 및 각각의 통전 레이어(20, 30, 40, 50)의 외주에 권취하여 구성되며, 층간 절연층(55)에 의해 각각의 통전 레이어(20, 30, 40, 50)는 전기적으로 독립된다.

절연 레이어(60)는 통전 레이어(50)를 싸고 있는 내측 튜브(도시하지 않음) 와 초전도 전력케이블의 최 외곽을 둘러쌓는 외측 튜브(도시하지 않음)로 구분되며, 내측 튜브와 외측 튜브 사이에는 단열층이 형성되어 있어 외부로부터의 열 침입을 차단한다.

도 3은 고온 초전도 도체의 임계전류의 자계 의존성을 나타낸 도면이다. 여기서, Ic는 셀프필드(self field)에서의 임계전류 즉, 외부자계가 존재하지 않고 순수한 도체만 존재할 경우의 임계전류를 나타낸다. 또한, Ic(B)는 외부자계가 존재할 경우의 임계전류를 나타낸다.

일반적으로 초전도 도체에 수직 또는 수평 성분의 자계가 인가되면 초전도 도체의 임계전류가 저하된다. 77K에서 고온 초전도 도체의 임계전류의 자계 의존성을 조사하여 보면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 100Gauss, 200Gauss, 300Gauss의 외부자계가 존재할 경우의 임계전류 Ic(B)는 수평자계 성분에 의해, 셀프필드에서의 임계전류 Ic의 95%, 91%, 87% 정도로 저하된다. 또한, 100Gauss, 200Gauss, 300Gauss의 외부자계가 존재할 경우의 임계전류 Ic(B)는 수직자계 성분에 의해, 셀프필드에서의 임계전류 Ic에 비해 65%, 56%, 48% 정도로 저하된다. 따라서 초전도 도체의 임계전류는, 수평자계 성분에 비하여 수직자계 성분의 영향을 크게 받는다는 것을 알 수 있다.

초전도 전력 케이블의 운전시의 초전도 도체에서의 자계분포를 조사해보면, 도 4에 나타난 바와 같이(도 4는 초전도 전력 케이블의 단면으로서, 포머(10)와 통전 레이어(20, 30)에서의 자계분포를 나타낸다), 수직자계 성분은 테이프 형태의 초전도 도체 각각의 모서리 부분에 집중되어 있음을 알 수 있다. 이와 같이 초전도 도체의 모서리 부분에 집중된 수직자계 성분은 고온 초전도 도체의 임계전류를 저하시키는 원인이 되며, 동일한 송전 용량을 확보하기 위해서는 더 많은 양의 초전도 도체를 사용하여야만 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 외부자계가 존재할 경우의 임계전류 Ic(B)는 수직 성분의 자계에 영향을 많이 받기 때문에, 초전도 도체의 수직성분의 자계를 제거하여 송전 효율을 높일 수 있는 초전도 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블은, 테이프 형상의 초전도 도체를 트위스트 피치로 감아 형성되는 초전도 전력 케이블에 있어서, 상기 초전도 도체는, 너비가 균일하고, 와인딩(winding) 각도가 일정하게 유지되며, 서로 이웃하는 초전도 도체 사이의 간격이 극소화되도록 서로 밀착되어 감기는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 초전도 도체는, 상기 초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선을 따라 둘러지는 상기 초전도 도체의 수와 상기 초전도 도체의 너비와 secθ를 곱한 값이 상기 초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선의 둘레 길이와 같아지도록, 서로 밀착되어 감기는 것이 바람직하다. 여기서, θ는 축에 대한 와인딩 각도를 말한다.

한편, 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블은, 테이프 형상의 너비가 균일한 초전도 도체를 트위스트 피치로 와인딩 각도가 일정하게 유지되도록 감는 단계; 및 상기 초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선을 따라 서로 이웃하는 초전도 도체 사이의 간격이 극소화되도록 서로 밀착시키는 단계를 포함하는 초전도 전력 케이블의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 밀착단계는, 상기 초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선을 따라 둘러지는 상기 초전도 도체의 수와 상기 초전도 도체의 너비와 secθ를 곱한 값이 상기 초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선의 둘레 길이와 같아지도록, 서로 밀착시키는 것이 바람직하다.

이로써, 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블은, 초전도 도체의 수직성분의 자계를 제거하여 송전 효율을 높일 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블을 설명하기 위해 도시된 도면이다. 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블의 기본적인 구조는 도 1과 동일하다. 다만, 트위스트 피치로 감기는 테이프 형상의 초전도 도체는 너비가 균일하게 제조되어야 하며, 또한 초전도 도체의 와인딩(winding) 각도도 일정하게 유지되어야 한다. 여기서, 와인딩 각도는 초전도 전력 케이블에 대하여 기울어진 초전도 도체의 각도를 말한다.

초전도 전력 케이블의 축에 수직인 선을 X, 초전도 전력 케이블의 축에 평행한 선을 Y, 테이프 형상의 초전도 도체의 너비를 x, 그리고 수직선 X에 대한 와인딩 각도를 θ라고 하면, 초전도 전력 케이블의 축 방향 Y에 대해 초전도 도체의 감겨진 길이 y는 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

x = ycosθ

y = x/cosθ = x·secθ

일반적인 초전도 전력 케이블은, 트러스트 피치로 감기는 초전도 도체와 초전도 도체 사이에 1 내지 2 mm의 간격이 존재한다. 그러나 본 발명에 따른 초전도 전력 케이블은, 초전도 전력 케이블의 축을 중심으로 테이프 형상의 초전도 도체가 감길 때, 서로 이웃하여 감기는 초전도 도체 사이의 간격이 극소화되도록 서로 밀착되어 감긴다.

즉, 초전도 전력 케이블에 감기는 초전도 도체의 수(초전도 도체의 감긴 횟수)를 n이라고 하면, 초전도 전력 케이블의 축 방향 Y에 대한 초전도 도체의 길이는

n × y = n × x × secθ

이 되며, 이때의 n × y의 값이 초전도 도체가 감기는 초전도 전력 케이블의 축 방향의 길이에 근접하도록, 서로 밀착되어 감겨져야 한다. n × y의 길이가 초전도 도체가 감기는 초전도 전력 케이블의 길이와 같아지면, 이웃하는 초전도 도체 사이의 간격은 "0"이 된다.

이때, 초전도 전력 케이블은, 초전도 도체를 감을 때 n × y의 길이가 초전도 전력 케이블의 길이와 같아지도록 즉, 초전도 도체를 감을 때 한 번의 단계로 밀착하여 감을 수도 있지만, 이에 한정된 것은 아니며, 초전도 도체를 일정한 각도로 감은 후, 감겨진 초전도 도체를 이웃하는 초전도 도체 사이의 간격이 극소화되도록 조임으로써 서로 밀착시키는 두 단계의 공정으로 구현될 수도 있다.

도 6은 초전도 도체 사이의 간격이 존재하지 않는 경우의 자계분포를 나타낸 도면이다.

이웃하는 초전도 도체를 서로 밀착시킨 후에 초전도 전력 케이블의 운전시의 초전도 도체에서의 자계분포를 조사해보면, 초전도 도체 각각의 모서리 부분에 집중되어 있던 수직성분의 자계는 초전도 도체 사이에 간격이 존재하는 경우(도 4 참조)에 비하여 상당히 완화됨을 알 수 있다. 또한, 이 경우의 77K에서 고온 초전도 도체의 임계전류의 자계 의존성을 조사해 보면, 도 7에 도시한 바와 같이 100Gauss, 200Gauss, 300Gauss의 외부자계가 존재할 경우에 저하되는 임계전류 Ic(B)의 비율은, 이웃하는 초전도 도체 사이에 간격이 존재하는 경우에 비하여 작아졌음을 알 수 있다. 또한, 이웃하는 초전도 도체를 서로 밀착시킴으로써, 수직자계 성분이 수평자계 성분에 비하여 더욱 많이 제거됨을 알 수 있다.

도 8은 도 1의 초전도 도체 사이에 간격이 존재하는 경우의 초전도 전력 케이블의 통전시험 결과를 나타낸 도면이며, 도 9는 도 1의 초전도 도체 사이에 간격이 존재하지 않는 경우의 초전도 전력 케이블의 통전시험 결과를 나타낸 도면이다. 여기서, Total inner는 내층과 외층에 모두 전류를 흘리면서 내층의 임계전류를 측정한 값이며, Total outer는 내층과 외층에 모두 전류를 흘리면서 외층의 임계전류를 측정한 값을 말한다. 또한, Inner only는 내층에만 전류를 흘리면서 내층의 임계전류를 측정한 값을 말하며, Outer only는 외층에만 전류를 흘리면서 외층의 임계전류를 측정한 값을 말한다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 내외층에 모두 전류를 흘리면(Total inner, Total outer), 초전도 도체 사이에 간격이 존재하는 경우에는 다른 층에서 발생하는 자계의 영향으로 임계전류가 저하되는데 반하여, 초전도 도체 사이에 간격이 존재하지 않는 경우에는 비록 다른 층이 있어도 초전도 도체 사이의 초전도 도체 사이의 간격이 없어 그 영향을 적게 받는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따르면, 초전도 전력 케이블은, 트러스트 피치로 감기는 테이프 형상의 초전도 도체의 너비를 균일하게 하고, 와인딩 각도를 일정하게 유지하며, 초전도 도체 사이의 간격을 극소화함으로써, 수직성분의 자계를 완화시킬 수 있게 되며, 결과적으로 임계전류의 저하를 줄일 수 있게 되어 송전 효율을 높일 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 테이프 형상의 초전도 도체를 트위스트 피치(twist pitch)로 감아 형성되는 초전도 전력 케이블에 있어서,

   상기 초전도 도체는, 너비가 균일하며, 상기 초전도 전력 케이블에 감긴 상기 초전도 도체의 감긴 횟수와 상기 초전도 도체의 너비와 secθ를 곱한 값이 상기 초전도 도체가 감긴 상기 초전도 전력 케이블의 길이와 같아지도록 감기는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블(여기서, θ는 와인딩 각도를 말한다).
2. 삭제
3. 테이프 형상의 초전도 도체를 트위스트 피치로 감아 초전도 전력 케이블을 제조하는 방법에 있어서,

   너비가 균일한 상기 초전도 도체를 와인딩 각도가 일정하게 감는 단계; 및

   상기 초전도 전력 케이블에 감긴 상기 초전도 도체의 감긴 횟수와 상기 초전도 도체의 너비와 secθ를 곱한 값이 상기 초전도 도체가 감긴 상기 초전도 전력 케이블의 길이와 같아지도록, 감긴 상기 초전도 도체들 사이의 간격을 서로 밀착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 케이블의 제조방법(여기서, θ는 와인딩 각도를 말한다).
4. 삭제

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