KR100945195B1 - 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 러더퍼드 케이블을 이용한 상전도 전류리드에 관한 것으로서, 상세하게는 일측은 외부 전력공급장치와 연결되고, 타측은 극저온영역에서 작동하는 초전도 전력기기에 접속된 초전도 전류리드와 연결되어 상기 초전도 전력기기에 전류를 공급하는 상전도 전류리드에 있어서, 중심으로부터 방사상으로 다수개의 수용홈이 형성된 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체와, 단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 상기 수용홈에 삽입, 결합되어 방사상으로 배열되는 다수개의 러더퍼드 케이블로 이루어는 것을 특징으로 하며, 이에 의하여 전류리드의 단면을 통해 균일한 전류밀도를 가지면서 전류가 흐르기 때문에 종래에 비해 단면적 및 길이를 줄일 수 있어 상전도 전류리드의 소형화 및 경량화가 가능하고 이로 인해 전체적인 초전도 전력기기 시스템이 대용량인 동시에 소형화가 가능하다.

초전도, 러더퍼드, 전류리드, 절연체, 피복, 도선, FRP

Description

러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드{Current lead using rutherford cable}

본 발명은 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초전도 전력기기에 전류를 공급하기 위해 외부 전력공급장치와 초전도 전력기기를 접속하는 상전도 전류리드의 단면에 흐르는 전류가 균일하게 분포하도록 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 전력기기는 극저온에서 운전되는 특성을 갖고 있으므로 상온(300K)에서 극저온(77K)으로 대전류를 공급하는 전류리드 부분이 반드시 필요하게 된다.

이를 상세히 살펴보면, 도 1은 일반적인 초전도 전력기기의 구조를 나타내는 개념도로서, 도시된 바와 같이 극저온용기(1) 내부에 수용된 초전도 전력기기에 극저온 냉각을 위해 극저온 냉동기(3)가 연결되어 있으며, 외부에서 초전도 전력기기에 전류를 공급하기 위해 300K에서 77K 사이 온도 영역에서는 외부 전력공급장치와 연결되는 상전도 전류리드(4)가 형성되고, 77K 이하의 극저온 온도 영역에서는 초전도 전력기기(2)와 접속되는 초전도 전류리드(5)가 형성되어 있다.

여기서 상기 상전도 전류리드(4)는 어느 정도의 줄(joule)열이 발생하도록 하고 최소한의 열전도도를 가지도록 설계되어, 상기 초전도 전류리드(5)를 통해 상전도 전류리드(4)가 냉각되지 않도록 하고 외부에서의 열 침입이 최소화되도록 하여야 한다.

이를 위해 일반적으로 상전도 전류리드(4)는 최대 정격전류에서 가장 최적화된 줄열의 발생 및 열전도도의 최소화를 위해 그 형상이 결정된다.

즉, 최적화된 줄열 발생 및 열전도도의 최소화를 위해 전류리드의 재질이 결정되면 I×L / A = C(상수)의 관계식에 따라 통전전류(I), 전류리드 길이(L), 전류리드의 단면적(A)이 결정된다. 단, C는 재질에 따라 결정되는 값이다.

최근 초전도 전력기기의 대용량화에 따라 대전류의 통전에 대한 요구가 증가하는 추세이다. 이러한 요구에 대응하기 위해서 많은 전류를 통전할 수 있는 큰 단면을 가지는 전류리드가 요구된다.

위에서 언급한 관계식을 참조하면 일정한 길이(L)를 가정할 때 전류(I)가 커지면 단면적(A)이 증가하게 됨을 알 수 있다.

그러나 일반적으로 알려진 바와 같이 도체에 전류(교류)가 흐를 때 전류는 도체의 표면에 집중되어 흐른다. 즉 표면에 가까울수록 전류밀도가 높아지는 것이다.

이와 같은 현상을 설명하기 위한 도면이 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 종래 상전도 전류리드의 사시도 및 단면을 흐르는 전류분포를 나타내는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이 도체의 반지름이 커질수록 다시 말해 외각으로 갈수록 전류의 밀도가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다.

이러한 현상으로 인해 대전류를 송전하기 위해서는 전류리드의 단면적이 커야 하며 이로 인해 전류리드의 부피와 중량이 증가한다.

또한 앞에서 설명한 바와 같이 열 침입 최소화를 위해 전류리드의 길이도 일정길이 이상 확보되어야 하므로 전류리드의 중량을 줄이는 것이 용이하지 않다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전류리드의 형상을 튜브 형상으로 제작할 수 있는데 그렇더라도 중량은 줄일 수 있지만 직경은 그대로 유지해야 하므로 소형화가 불가능하다.

따라서 큰 단면적을 가지는 전류리드를 사용할 수밖에 없어서 제작시 어려움이 있고 전체적으로 초전도 전력기기가 커질 수밖에 없어 시스템의 소형화를 저해하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 전류리드의 단면적에 흐르는 전류가 균일하게 분포하도록 러더퍼드 케이블을 방사상으로 배열하여, 상대적으로 작은 단면적을 가지면서도 대용량의 전류를 통전할 수 있는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일측은 외부 전력공급장치와 연결되고, 타측은 극저온영역에서 작동하는 초전도 전력기기에 접속된 초전도 전류리드와 연결되어 상기 초전도 전력기기에 전류를 공급하는 상전도 전류리드에 있어서, 중심으로부터 방사상으로 다수개의 수용홈이 형성된 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체와, 단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 상기 수용홈에 삽입, 결합되어 방사상으로 배열되는 다수개의 러더퍼드 케이블로 이루어는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 러더퍼드 케이블은 절연 피복이 씌워진 다수 가닥의 도선을 각각 나선방향으로 감고 압축하여 바(bar) 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 도선은 구리인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 절연체는 섬유강화플라스틱(FRP)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 대용량 전류리드에 있어서, 중심으로부터 방사상으로 다수개의 수용홈이 형성된 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체와, 단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 상기 수용홈에 삽입, 결합되어 방사상으로 배열되는 다수개의 러더퍼드 케이블로 이루어는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 러더퍼드 케이블은 절연 피복이 씌워진 다수 가닥의 도선을 각각 나선방향으로 감고 압축하여 바(bar) 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 도선은 구리인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 절연체는 섬유강화플라스틱(FRP)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성에 의한 본 발명의 효과는 전류리드의 단면을 통해 균일한 전류밀도를 가지면서 전류가 흐르기 때문에 종래에 비해 단면적 및 길이를 줄일 수 있어 전류리드의 소형화 및 경량화가 가능하다.

또 이로 인해 전체적인 초전도 전력기기 시스템이 대용량인 동시에 소형화가 가능하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 러더퍼드 케이블을 이용한 전 류리드를 나타내는 사시도, 도 4는 도 3에 도시된 러더퍼드 케이블을 나타내는 사시도이다.

본 발명은 크게 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체(10)와 바(bar) 형상을 가진 다수개의 러더퍼드 케이블(20)로 구성되는데, 상기 절연체(10) 중심으로부터 외측으로 상기 러더퍼드 케이블(20)이 방사상으로 배열된 형상이다.

이하에서 상전도 전류리드는 전류리드로 칭한다.

먼저 상기 절연체(10)에 대해 설명한다.

상기 절연체(10)는 보통 원기둥 또는 다각형 기둥 형상이 가능한데, 구조적으로 원기둥 형상이 적절하다. 왜냐하면 전류리드는 원형 단면을 가지는 것이 일반적이며 후술할 러더퍼드 케이블(20)이 방사상으로 배열되기 때문에 단면이 원형인 것이 바람직하다.

또 재질은 절연 및 단열이 가능한 합성수지, 고무 등 어떠한 종류도 가능하나 단열 및 절연성이 뛰어난 FRP(fiberglass reinforced plastics)가 바람직하다.

그런데 상기 절연체(10)에는 후술할 바 형상의 러더퍼드 케이블(20)이 삽입, 결합되도록 수용홈(12)이 형성된다.

상기 수용홈(12)은 도시된 바와 같이 상기 절연체(10)의 중심으로부터 다수개가 방사상으로 형성되고 길이방향으로 배치되는데, 납작한 직육면체 형상을 가지며 상호 간에 일정간격 떨어져 있다. 다시 말해, 상기 수용홈(12)은 상기 절연체(10)의 중심에서 배열되는 것이 아니라 중심에서 일정 거리 이격된 곳에서부터 방사상으로 배열되고 각각의 수용홈(12)은 서로 이격되되 외측으로 나올수록 상호 간격이 비례적으로 멀어지는 구조이다.

종전에 전류리드는 도전성 금속으로 이루어져 중량이 상당히 큰 단점이 있었지만 본 발명에서와 같이 절연체를 사용하면 전체적인 중량을 줄일 수 있어 많은 장점이 있다.

다음은 도 5를 추가로 참고하여 상기 러더퍼드 케이블(20)에 대해 설명한다.

도 5는 도 4에 도시된 러더퍼드 케이블의 도선이 감기는 방식을 나타내는 사시도이다.

상기 러더퍼드 케이블(20)은 알려진 바와 같이 여러 가닥의 도선(22)을 꼬아서 가압하여 바 형상으로 만든 것으로 도 4와 도 5에 도시된 바를 참조하면 상기 각 도선(22)들은 나선형태로 꼬이되 동일한 방향으로 진행하고 있음을 알 수 있다.

부연하자면, 상기 러더퍼드 케이블(20)은 특수한 장치에 의해 제작되는데 다수 가닥의 도선(22)들이 각각 원의 가장자리를 따라 서로 이격 배치되고, 앞으로 진행하면서 전체 도선(22)들이 일 방향으로 회전하여 나선형으로 감긴다. 이때 각 도선(22) 사이가 점점 좁아지면서 밀착되면 서로 원을 이루며 접촉하는데, 이러한 상태에서 상하에서 롤러와 같은 것에 의해 압연하면 납작하게 압축되어 상기 도선(22)들이 서로 접합되면서 두 줄로 배열되어 결국 도 4에 도시된 바와 같이 납작한 바(bar) 또는 리본(ribbon) 형상이 된다.

여기서, 상기 도선(22)은 전도성이 좋은 구리로 이루어지며 외부에는 절연을 위한 절연 피복(24)이 입혀져 있으며 상기 절연 피복(24)으로는 합성수지 또는 고 무 등이 쓰인다.

그리고 상기 절연체(20)의 길이방향을 따라 형성된 상기 수용홈(12)에는 상기 러더퍼드 케이블(10)이 삽입, 수용되어 결합됨으로써 상기 절연체(20)의 중앙으로부터 외측을 향해 방사상(放射狀, radial shape)으로 배열된다.

이러한 구조로 이루어지기 때문에 전류리드의 단면을 통해 흐르는 전류의 밀도분포가 평균적으로 일정하여 단면 전체를 통해 균일하게 흐를 수 있게 된다. 따라서 종래와 달리 대용량의 전류를 통전할 때 상기 전류리드의 단면적이 커질 필요가 없이 상대적으로 작은 단면적을 가지는 전류리드로 대용량의 통전을 수행할 수 있게 된다.

또한 전류용량에 맞추어 상기 러더퍼드 케이블(20)의 개수를 조절하여 제작할 수 있다. 즉 전류리드의 단면적은 일정하게 유지한 상태에서 상기 러더퍼드 케이블(20)의 개수를 추가로 배열하여 제작함으로써 전류용량을 늘일 수 있는 것이다.

뿐만 아니라 상기 러더퍼드 케이블(20)은 각 도선(22)이 나선과 같이 지그재그 형태로 감겨있으므로 전류도 동일한 경로로 흐르는데, 이때 한 가닥의 도선(22) 상에서 발생하는 자기장이 서로 상쇄되는 효과가 있어 전체적으로 전자기적인 영향으로부터 안정한 효과가 부가된다.

더불어 상기 도선(22)이 일직선이 아니고 나선으로 꼬여 있는 구조이어서 열 침입이 최소화된다. 다시 말해, 종전에 전류리드의 경우 열 침입을 방지하기 위해 일정 이상의 길이를 가져야 했는데, 본 발명에서 상기 러더퍼드 케이블(20)을 사용 하기 때문에 종래보다 짧은 길이로도 열 침입을 최소화할 수 있다. 왜냐하면 상기 도선이 나선으로 감겨 있으므로 상기 도선(22)의 길이는 열 침입을 줄일 수 있는 정도의 일정길이를 가지게 되지만 실제 상기 러더퍼드 케이블(20)은 그보다 더 짧은 길이가 된다. 따라서 종전에 비해 전류리드의 길이를 월등히 줄이면서도 열 침입을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

결론적으로 본 발명에서 상기 러더퍼드 케이블(20)과 절연체(10)를 사용함으로써 대전류를 통전할 때 필요한 전류리드의 직경, 길이를 대폭 줄여 소형화가 가능하며, 중량의 감소로 경량화가 가능하게 되는 것이며 이로 인해 초전도 전력기기 시스템의 소형화가 가능하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 러더퍼드 케이블을 절연체에 방사상으로 배열하여 전류리드의 단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 하여 소형, 경량의 대전류 통전용 전류리드를 기본적인 기술적 사상으로 하고 있으며 도면에 도시된 것은 본 발명의 일 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 청구범위에 의해 결정되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 초전도 전력기기의 구조를 나타내는 개념도.

도 2는 종래 상전도 전류리드의 사시도 및 단면을 흐르는 전류분포를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 러더퍼드 케이블을 이용한 상전도 전류리드.

도 4는 도 3에 도시된 러더퍼드 케이블을 나타내는 사시도.

도 5는 도 4에 도시된 러더퍼드 케이블의 도선이 감기는 방식을 나타내는 사시도.

<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>

10 : 절연체

12 : 수용홈

20 : 러더퍼드 케이블

22 : 도선

24 : 절연 피복

Claims (8)

1. 일측은 외부 전력공급장치와 연결되고, 타측은 극저온영역에서 작동하는 초전도 전력기기에 접속된 초전도 전류리드와 연결되어 상기 초전도 전력기기에 전류를 공급하는 상전도 전류리드에 있어서,

   중심으로부터 방사상으로 다수개의 수용홈(12)이 형성된 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체(10)와,

   단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 상기 수용홈(12)에 삽입, 결합되어 방사상으로 배열되는 다수개의 러더퍼드 케이블(20)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 러더퍼드 케이블(20)은 절연 피복(24)이 씌워진 다수 가닥의 도선(22)을 각각 나선방향으로 감고 압축하여 바(bar) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 도선(22)은 구리인 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 절연체(10)는 섬유강화플라스틱(FRP)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
5. 대용량 전류리드에 있어서,

   중심으로부터 방사상으로 다수개의 수용홈(12)이 형성된 원형 또는 다각형 기둥 형상의 절연체(10)와,

   단면에 흐르는 전류의 밀도가 균일하게 분포되도록 상기 수용홈(12)에 삽입, 결합되어 방사상으로 배열되는 다수개의 러더퍼드 케이블(20)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 러더퍼드 케이블(20)은 절연 피복(24)이 씌워진 다수 가닥의 도선(22)을 각각 나선방향으로 감고 압축하여 바(bar) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 도선(22)은 구리인 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 절연체(10)는 섬유강화플라스틱(FRP)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 러더퍼드 케이블을 이용한 전류리드.

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