KR100744412B1 - 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 초전도 케이블 코아에 있어서, 포머; 상기 포머를 감싸는 초전도 선재로 구성된 초전도 도체층; 상기 초전도 도체층을 감싸는 전기 절연층; 상기 전기 절연층을 감싸는 초전도 선재로 구성된 초전도 차폐층; 및 상기 초전도 차폐층을 감싸는 보호층을 포함하고, 상기 초전도 도체층 또는 상기 초전도 차폐층의 하나 또는 둘 이상에 있어서, 상기 초전도 선재는 자기 차폐 도료로 코팅된 것을 특징으로 하는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블을 제공한다. 본 발명에 따르면 교류 손실을 방지함으로써 냉각 부하를 저감하고 이에 따라 냉각 시스템 설계 용량을 줄이며 결국 초전도 케이블 시스템의 비용을 낮출 수 있다.

초전도, 케이블, 코아, 초전도선재, 자기차폐도료, 코팅, 냉각부하저감

Description

자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블{Core of magentic shield type superconducting cable having superconducting wire coated with magentic shield paint 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 초전도 케이블 코아의 구조를 나타내는 개략도이다.

도 4는 도 3의 코아의 초전도 선재에 자기 차폐 도료의 코팅층이 형성되어 있는 것을 보여주는 개략도이다.

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, 140 : 초전도 차폐층

5, 150 : 보호층 6, 160 : 초전도 선재

10, 100 : 코아 20 : 극저온 냉매

30 : 극저온 유지용 단열관 31 : 내부 금속관

32 : 단열층 33 : 진공층

34 : 외부 금속관 161 : 자기 차폐 도료 코팅층

본 발명은 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것으로, 상세하게는 초전도 선재에 자기 차폐 도료 코팅을 하여 교류 손실을 방지함으로써 냉각 부하를 저감하고 이에 따라 냉각 시스템 설계 용량을 줄이며 결국 초전도 케이블 시스템의 비용을 낮출 수 있는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아 및 이를 구비하는 초전도 케이블에 관한 것이다.

초전도 도체를 사용하는 전력 케이블인 이른바 초전도 케이블은 기존의 일반적인 전력 케이블과 비교하여 대용량 전력을 송전할 수 있고 또한 전력 손실이 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 이루어진 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 선재(6)가 다수 배열되는 구조로 이루어진다.

상기와 같은 종래의 초전도 케이블 코아의 구조에 있어서, 초전도 도체층 및 초전도 차폐층에 수 kA의 정격 전류가 흐르면 자기장이 발생하게 된다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 초전도 선재들이 집합된 상태에서 전류가 흐를 경우 각각의 초전도 선재는 각각의 전류에 의한 자기장(self-magnetic field) 뿐만 아니라 인접한 선재로부터 발생하는 자기장에도 노출되며, 이에 따라 상기 초전도 선재는 인접한 선재 없이 개별적으로 전류를 흘리는 경우와 대비하여 케이블 상태에 있는 경우 훨씬 더 강한 자기장에 노출된다.

그런데, 초전도 케이블은 통상 교류 60 Hz로 운전되기 때문에 발생 자기장이 전류와 같이 교번자계이며, 상기 교번자계에 의하여 초전도 선재에서는 교류의 손실이 발생하게 된다.

이와 같은 교류 손실은 자기장이 증가할수록 비례적으로 증가하며, 교류 손실의 증가는 냉각 부하의 증가를 가져오고, 냉각 부하의 증가는 냉각 시스템 용량의 증대를 가져오며, 냉각 시스템의 용량의 증대는 결국 초전도 케이블 시스템 전체의 비용 증가를 가져오는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 교류 손실을 방지함으로써 냉각 부하를 저감하고 이에 따라 냉각 시스템 설계 용량을 줄이며 결국 초전도 케이블 시스템의 비용을 낮출 수 있는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 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 선재로 구성된 초전도 도체층; 상기 초 전도 도체층을 감싸는 전기 절연층; 상기 전기 절연층을 감싸는 초전도 선재로 구성된 초전도 차폐층; 및 상기 초전도 차폐층을 감싸는 보호층을 포함하고, 상기 초전도 도체층 또는 상기 초전도 차폐층의 하나 또는 둘 이상에 있어서, 상기 초전도 선재는 자기 차폐 도료로 코팅된 것을 특징으로 하는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아를 제공한다.

그리고 상기 자기 차폐 도료 코팅층의 두께는 0.2 mm 이하인 것이 바람직하고, 상기 자기 차폐 도료는 산화철인 것이 바람직하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 또한, 상기 초전도 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블을 제공한다.

이하, 본 발명의 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 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 전기 절연층(130)이 감싸고 있고, 상기 전기 절연층(130)의 주위를 초전도 차폐층(140)이 감싸고 있고, 상기 초전도 차폐층(140)의 주위를 보호층(150)이 감싸고 있다.

상기 포머(110)는 예를 들어 금속 파이프로 이루어지며, 상기 보호층(150)은 예를 들어 상전도 금속으로 이루어진다.

상기 전기 절연층(130)은 내부 반도전층과 외부 반도전층을 포함할 수 있다. 도 3을 다시 참조하면, 내부 반도전층은 초전도 도체층(120)의 외측 원형선(120과 130 사이의 선)에 대응되며(물론 실제로는 선이 아니라 두께를 가진다), 도 3에서 외부 반도전층은 초전도 차폐층(140)의 내측 원형선(130과 140 사이의 선)에 대응된다(외부 반도전층 역시 실제로는 두께를 가진다).

상기 초전도 도체층(120) 및 초전도 차폐층(140)은 각각 상기 포머(110) 및 전기 절연층(130)의 외주면에서 예를 들어 폭 3~7 mm, 두께 0.2~0.5 mm의 테이프 형상의 고온 초전도 선재(160)가 다수 배열되는 구조로 이루어진다.

도 4는 도 3의 코아의 초전도 선재에 자기 차폐 도료의 코팅층이 형성되어 있는 것을 보여주는 개략도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 초전도 선재(160) 상에는 특히 자기 차폐 도료의 코팅층(161)이 형성되어 있다.

상기 자기 차폐 도료의 코팅층(161)은 초전도 선재(160)에 전류가 흐를 때 발생되는 자기장의 차폐를 목적으로 하는 것이다. 즉, 초전도 선재(160)에 전류가 흐르는 경우 초전도 선재(160) 주변에는 자기장이 발생하며, 상기 자기장은 인접한 선재로부터 발생한 자기장과 합쳐져서 더 큰 자기장이 된다. 이에 따라, 초전도 선 재(160) 내부의 초전도체에서는 매우 큰 교류손실(자화손실)이 발생하게 된다. 상기 자기 차폐 도료의 코팅층(161)은 초전도 선재(160) 표면에 형성됨으로써 인접한 선재로부터 발생되는 상기한 바와 같은 자기장의 영향을 배제할 수 있으므로 교류 손실을 크게 저감할 수 있게 된다. 한편, 상기 자기 차폐 도료는 실제 전력 전송에는 영향을 주지 않아야 한다. 이와 같은 자기 차폐 도료로는 산화철이 바람직하다.

상기 자기 차폐 도료의 코팅층(161)의 두께는 대략 0.2mm 이하로 하는 것이 바람직한데, 그 두께가 0.2mm를 초과하여 두꺼워지면 초전도 선재(160)의 크기가 커지게 되고 결과적으로 초전도 케이블의 사이즈가 증대되며 이에 따라 단열관의 열손실이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.

상기 자기 차폐 도료의 코팅층(161)을 초전도 선재(160) 상에 형성하기 위하여 다음과 같은 공정을 수행한다.

먼저, 자기 차폐 도료인 산화철에 용매를 섞어서 산화철 용액을 제조한 후 통상의 공정에 의하여 완성된 초전도 선재를 상기 산화철 용액에 통과시킨다. 다음으로, 열처리를 수행하여 상기 용매를 휘발시킴으로써 초전도 선재 표면에 산화철을 코팅하도록 한다.

이와 같은 자기 차폐 도료의 코팅층(161)은 초전도 도체층(120) 뿐만 아니라 초전도 차폐층(140)의 초전도 선재(160)에도 형성되도록 한다. 즉, 초전도 케이블의 초전도 차폐층(140)에도 초전도 도체층(120)과 동일한 양의 전류가 흐르기 때문에 초전도 도체층(120)과 마찬가지로 교류손실이 발생하게 된다. 이와 같은 교류손실을 저감하기 위하여 초전도 도체층(120) 이외에 초전도 차폐층(140)의 초전도 선 재(160)에도 동일하게 자기 차페 도료의 코팅층(161)을 형성하는 것이 바람직하다.

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) 및 (b)에서는 복수개의 사각형 선재(도 5(b)에서는 자기 차폐 도료 코팅된 선재) 외부에 소정 두께의 내부 반도전층이 형성되는 것이 표시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블의 자기장 분포(a)를 살펴보면, 각각의 초전도 선재가 인접 선재들에 의하여 자기장의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블의 자기장 분포(b)를 살펴보면, 각각의 초전도 선재가 인접 선재들에 의하여 자기장의 영향을 적게 받는 것을 확인할 수 있다.

즉, 종래의 일반적인 초전도 케이블인 비교예의 초전도 케이블의 자기장 분포(a)의 계산 결과 초전도 선재에 가해지는 최대 자기장은 약 340Gauss였다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 케이블의 자기장 분포(b)의 계산 결과 초전도 선재에 가해지는 최대 자기장은 약 150Gauss로 감소됨을 알 수 있었다.

이와 같은 본 발명에 의하면 초전도 선재가 인접 선재들에 의하여 자기장의 영향을 적게 받으므로, 초전도 선재에 가해지는 평균 자기장의 세기가 감소한다. 따라서 초전도 케이블의 교류 손실이 감소하고, 냉각 부하가 감소한다. 이에 따라 냉각 시스템 설계 용량이 감소하여 냉각 시스템 비용의 약 50% 이상을 절감할 수 있고 결국 초전도 케이블 시스템 전체 비용에 있어서는 약 15% 이상을 절감할 수 있다.

본 발명에 따르면 교류 손실을 방지함으로써 냉각 부하를 저감하고 이에 따라 냉각 시스템 설계 용량을 줄이며 결국 초전도 케이블 시스템의 비용을 낮출 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 선재로 구성된 초전도 도체층; 상기 초전도 도체층을 감싸는 전기 절연층; 상기 전기 절연층을 감싸는 초전도 선재로 구성된 초전도 차폐층; 및 상기 초전도 차폐층을 감싸는 보호층을 포함하고,

   상기 초전도 도체층 또는 상기 초전도 차폐층 중 어느 하나 또는 둘에는, 상기 초전도 선재 상에 자기 차폐 도료 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기 차폐 도료 코팅층의 두께는 0.2mm 이하인 것을 특징으로 하는 자기 차폐 도료가 코팅된 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블 코아.
3. 초전도 케이블에 있어서,

   제 1 항 또는 제 2 항에 따른 초전도 케이블 코아를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.

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