KR100742499B1 - 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도케이블 - Google Patents

자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도케이블 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 초전도 케이블 코아에 있어서, 포머; 상기 포머를 감싸는 초전도 도체층; 상기 초전도 도체층을 감싸는 자기 차폐 시트층; 상기 자기 차폐 시트층을 감싸는 전기 절연층; 및 상기 전기 절연층을 감싸는 상전도 금속 차폐층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블을 제공한다. 본 발명에 의하면 초전도 차폐층을 상전도 금속 차폐층으로 대체하되 초전도 도체층으로부터 발생하는 자기장을 별도의 자기 차폐층을 개재하여 차폐하도록 함으로써 초전도 케이블의 제조 원가를 현저히 절감하면서도 냉각 부하를 감소하여 냉각 시스템 비용을 절감할 수 있다.
초전도, 케이블, 코아, 자기차폐, 상전도금속, 초전도도체, 포머, 절연

Description

자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블{Core of magentic shield type superconducting cable and superconducting cable having the same}
도 1은 종래의 일반적인 초전도 케이블의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 초전도 케이블 코아의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 코아의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 비교예의 초전도 케이블(a) 및 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블(b)의 등가 회로이다.
도 5는 비교예의 초전도 케이블(a)의 자기장 분포 및 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블(b)의 자기장 분포를 나타내는 것이다.
*주요 도면 부호의 설명*
1, 110 : 포머 2, 120 : 초전도 도체층
3, 130 : 전기 절연층 4 : 초전도 차폐층
5 : 보호층 10, 100 : 코아
20 : 극저온 냉매 30 : 극저온 유지용 단열관
31 : 내부 금속관 32 : 단열층
33 : 진공층 34 : 외부 금속관
125 : 자기 차폐 시트층 150 : 상전도 금속 차폐층
본 발명은 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것으로, 상세하게는 초전도 차폐층을 상전도 금속 차폐층으로 대체하되 초전도 도체층으로부터 발생하는 자기장을 별도의 자기 차폐층을 개재하여 차폐하도록 함으로써 원가를 절감하고 냉각 부하 저감이 가능하도록 한 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것이다.
초전도 도체를 사용하는 전력 케이블인 이른바 초전도 케이블은 기존의 일반적인 전력 케이블과 비교하여 대용량의 전력을 송전할 수 있고 또한 전력 손실도 매우 적다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 초전도 케이블의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블에는 액체 질소와 같은 극저온 냉매(20)에 예를 들어 세 개의 중심 코아(10)가 함침되어 있다. 그리고, 상기 코아(10) 및 냉매(20)는 극저온 상태를 유지하기 위하여 극저온 유지용 단열관(cryostat)(30)에 의하여 둘러싸여 있다.
상기 극저온 유지용 단열관(30)은 내부 금속관(31)과 이를 둘러싸는 단열층(32) 및 외부 금속관(34)으로 구성되며, 상기 단열층(32) 및 외부 금속관(34)의 사이에는 진공층(33)이 개재된다.
도 2는 도 1의 초전도 케이블 코아의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코아(10)는 예를 들어 금속 파이프로 구성된 포머(1)를 초전도 도체층(2)이 둘러싸고 있고, 상기 초전도 도체층(2)을 전기 절연층(3)이 둘러싸고 있으며, 상기 전기 절연층(3)을 초전도 차폐층(4)이 둘러싸고 있고, 상기 초전도 차폐층(4)을 상전도 금속과 같은 보호층(5)이 둘러싸는 구조로 이루어져 있다.
그리고 상기 전기 절연층(3)은 내부 반도전층과 외부 반도전층을 포함할 수 있다. 도 2를 다시 참조하면, 내부 반도전층은 초전도 도체층(2)의 외측 원형선(2와 3 사이의 선)에 대응되며(물론 실제로는 선이 아니라 두께를 가진다), 도 2에서 외부 반도전층은 초전도 차폐층(4)의 내측 원형선(3과 4 사이의 선)에 대응된다(외부 반도전층 역시 실제로는 두께를 가진다).
한편, 상기 초전도 도체층(2) 및 초전도 차폐층(4)은 각각 상기 포머(1) 및 전기 절연층(3)의 외주면에서 테이프 형상의 고온 초전도 선재가 다수 배열되는 구조로 이루어진다.
상기와 같은 종래의 초전도 케이블 코아의 구조에 있어서, 초전도 도체층에 전류가 흐르면 초전도 도체층과 초전도 차폐층 사이의 상호 인덕턴스(M)에 의해 초전도 차폐층에 유기전압이 발생하게 되고, 이에 따라 초전도 차폐층에는 초전도 도체층과 유사한 양(95%이상)의 차폐 전류가 흐르게 된다. 그리고 이 경우 코아(10) 외부로 누설되는 자기장은 0이 된다.
이와 같이 상기 초전도 차폐층(4)은 전기적으로 0 전위이고 사고 시 사고 전 류의 귀로(접지) 도체가 되는 기능을 수행함과 동시에 상기 초전도 도체층(2)과 180°위상차를 가지는 차폐 전류가 흐르게 되므로 코아(10) 외부로의 자계 누설을 방지하게 된다.
요컨대, 상기 초전도 차폐층(4)은 자기장의 영향으로 인한 코아(10)의 성능 저하 및 손실 증가를 방지하기 위하여 필요하다.
그런데, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 초전도 차폐층(4)은 초전도 선재로 구성되고, 상기 초전도 선재의 가격은 초전도 케이블 제조 원가의 95% 이상을 차지하므로, 코아의 성능 저하 및 손실 증가를 방지하면서도 상기 초전도 차폐층의 사용을 가능한 배제하여 원가를 절감할 필요성이 존재한다.
한편, 상기 상전도 금속의 가격은 초전도 선재의 가격의 대략 1/10에 해당하므로 초전도 차폐층으로서 초전도 선재 보다 훨씬 경제적인 상전도 금속을 이용하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 상전도 금속을 초전도 차폐층으로 사용할 경우 초전도일 때와 같이 유기전압에 의하여 차폐 전류가 흐르게 되는데, 상전도 금속의 경우 저항(R)에 의해 i 2R 만큼의 주울 열이 발생하게 되므로 냉각 부하 증가가 초래되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 초전도 차폐층을 상전도 금속 차폐층으로 대체하되 초전도 도체층 으로부터 발생하는 자기장을 별도의 자기 차폐층을 개재하여 차폐하도록 함으로써 초전도 케이블의 제조 원가를 현저히 절감하면서도 냉각 부하를 감소하여 냉각 시스템 비용을 절감할 수 있는 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 초전도 케이블 코아에 있어서, 포머; 상기 포머를 감싸는 초전도 도체층; 상기 초전도 도체층을 감싸는 자기 차폐 시트층; 상기 자기 차폐 시트층을 감싸는 전기 절연층; 및 상기 전기 절연층을 감싸는 상전도 금속 차폐층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 차폐형 초전도 케이블 코아를 제공한다.
그리고 상기 자기 차폐 시트층은 산화철로 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 또한, 상기 코아를 구비하는 초전도 케이블을 제공한다.
이하, 본 발명의 자기 차폐형 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블을 첨부 도면을 참조하는 바람직한 실시예를 설명함으로써 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블 코아의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 코아(100)는 중심에 포머(110)가 배치되고, 상기 포머(110)의 주위를 초전도 도체층(120)이 감싸고 있으며, 상기 초전도 도체층(120)의 주위를 특히 자기 차폐 시트층(125)이 감싸고 있다. 그리고 상기 자기 차폐 시트층(125)의 주위를 전기 절연층(130)이 감싸고 있고, 상기 전기 절연층(130)의 주위를 상전도 금속 차폐층(150)이 감싸고 있다.
상기 포머(110)는 예를 들어 금속 파이프로 구성되며, 상기 초전도 도체층(120)은 상기 포머(110)의 외주면에서 테이프 형상의 고온 초전도 선재가 다수 배열되는 구조로 이루어진다.
그리고, 상기 전기 절연층(130)은 내부 및 외부 반도전층을 각각 포함할 수 있다. 즉, 도 3을 다시 참조하면 본 발명의 경우 자기 차폐 시트층(125) 자체가 내부 반도전층의 역할을 수행할 수 있으며, 도 3에서 외부 반도전층은 차폐층(150)의 내측 원형선(130 및 150 사이의 선)에 대응된다(물론 외부 반도전층은 실제로는 두께를 가진다).
상기 자기 차폐 시트층(125)은 초전도 도체층(120)으로부터의 발생하는 자기장을 차폐함으로써 상기 상전도 금속 차폐층(150)의 열 발생을 방지할 수 있다. 한편, 상기 자기 차폐 시트층(125)은 실제 전력 전송에 영향을 주지 않아야 한다. 이와 같은 자기 차폐 시트의 재료로는 산화철이 바람직하다.
상기 상전도 금속 차폐층(150)은 원형 또는 사각 형태의 상전도 도체를 상기 전기 절연층(130)의 외주면에 원주상으로 배열 및 연선하는 구조로 이루어져 있으며, 그 재료로서는 구리, 알루미늄, 구리합금 등을 사용한다. 본 발명에서 이와 같이 상전도 금속을 차폐층으로 사용할 경우 상시에는 전류가 통전되지 않으며, 사고 시에 사고전류의 귀로 도체 역할을 충분히 할 수 있다.
도 4는 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블(a) 및 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블(b)의 등가 회로를 각각 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블의 등가 회로(a)를 보면 상호 인덕턴스(M1) 가 0보다 크며 도체측 전류와 차폐측 전류의 절대값이 같다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블의 등가 회로(b)를 보면 상호 인덕턴스(M2)는 0을 나타내며 차폐측 전류(I) 값도 0을 나타낸다.
도 5는 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블(a)의 자기장 분포 및 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블(b)의 자기장 분포를 나타내는 것이다. 도 5의 (a)에서는 복수개의 사각형 선재 외부에 소정 두께의 내부 반도전층이 형성되는 것이 표시되어 있으며, 도 5의 (b)에서는 복수개의 사각형 선재 외부에 소정 두께의 자기 차폐 시트층이 형성되는 것이 표시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블의 자기장 분포(a)를 살펴보면, 초전도 도체층에서 발생하는 자기장이 외부(초전도 차폐층)로 영향을 주는 것을 확연히 볼 수 있다. 즉, 초전도 도체층의 최대 자기장은 340Gauss인데, 초전도 도체층에서 발생되는 자기장은 도체층의 외부 (내부 반도전층을 포함하는 절연층과 그 외부의 차폐층 등)로 누설되어 초전도 차폐층에도 100Gauss 이상의 자기장이 가해졌다. 이에 따라, 초전도 차폐층에 유기전압이 발생하여 초전도 차폐층에도 전류가 유도되었다.
그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블의 자기장 분포(b)를 살펴보면, 초전도 도체층에서 발생하는 자기장이 자기 차폐 시트층에 의하여 상전도 금속 차폐층에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 초전도 도체층의 최대 자기장은 상기 (a)의 경우와 같이 340Gauss이지만, 자기 차폐 시트층의 외부(절연층 및 차폐층)의 자기장은 0이었다. 따라서, 상전도 금속 차폐층의 유기전압 및 전류도 각각 0이 되며, 초전도 선재를 사용하는 경우보다 전체 초전도 케이블 가격을 절감(1/2 내지 2/3 수준으로)할 수 있는 구리 등의 상전도 금속의 차폐층을 사용하는 것이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 초전도 차폐층을 상전도 금속으로 대체하여 원가를 절감하고 초전도 차폐층에 기인한 교류 손실과 이에 따른 냉각 부하 증가를 방지하면서도 자기 차폐가 가능하므로 상전도 금속에 있어서의 주울 열 발생에 따른 냉각 부하 증가도 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면 초전도 차폐층을 상전도 금속 차폐층으로 대체하되 초전도 도체층으로부터 발생하는 자기장을 별도의 자기 차폐층을 개재하여 차폐하도록 함으로써 초전도 케이블의 제조 원가를 현저히 절감하면서도 냉각 부하를 감소하여 냉각 시스템 비용을 절감할 수 있다.
비록, 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 수정이나 변형을 포함한다.

Claims (3)

  1. 초전도 케이블 코아에 있어서,
    포머;
    상기 포머를 감싸는 초전도 도체층;
    상기 초전도 도체층을 감싸는 자기 차폐 시트층;
    상기 자기 차폐 시트층을 감싸는 전기 절연층; 및
    상기 전기 절연층을 감싸는 상전도 금속 차폐층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 차폐형 초전도 케이블 코아.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 차폐 시트층은 산화철로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 차폐형 초전도 케이블 코아.
  3. 초전도 케이블에 있어서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 코아를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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