KR101011004B1 - 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조에 관한 것이다.

이 같은 본 발명은, 전류도입선에 기체에 비해 절연 특성이 우수한 고체절연물을 코팅한 후 그 코팅된 고체 절연물 위에 다시 얇은 금속 재질의 접지판을 형성한 것으로, 이를 통해 전류도입선과 접지판 사이에 시스템의 전압이 모두 걸리도록 하여 전류도입선 외부의 금속 구조물의 형상이나 위치와 무관한 특성을 갖도록 하면서 전류도입선 외곽에서의 전계발생을 억제함은 물론, 전류도입선의 절연상태가 파괴되는 문제를 개선할 수 있도록 하는 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조를 제공한 것이다.

전류도입선, 고전압 초전도 전력기기, 고체절연물, 접지판

Description

고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조{Current Lead for High Voltage Superconducting Machine}

도 1은 종래 전류도입선이 적용된 서스펜디드 타입의 냉각시스템에 대한 구조도.

도 2는 종래 오픈 타입의 냉각시스템에 대한 구조도.

도 3은 종래 전류도입선이 적용되는 냉각시스템의 진공용기내 전체의 전계분포도.

도 4는 종래 진공용기내 특정경로(α)에서의 전계분포도.

도 5는 본 발명의 실시예로 시스형의 전류도입선 절연구조가 적용되는 고전압 초전도 전력기기용 냉각시스템의 구조도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전류도입선이 적용시 냉각시스템의 진공용기내 전체의 전계분포도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류도입선이 적용시 냉각시스템의 진공용기내 특정경로(β)에서의 전계분포도.

도 8은 본 발명의 전류도입선과 종래 전류도입선을 적용시 발생하는 전계분포의 비교 그래프.

도 9는 본 발명의 다른실시예로 나선형 구조를 가진 접지판이 적용된 전류도 입선의 절연 구조도.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시스형 구조의 접지판과 나선형 구조의 접지판을 전류도입선에 적용시 발생하는 전계 분포의 비교 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10; 전류도입선 11; 초전도 코일

12; 액체 질소 용기 13; 냉동기

14; 진공용기 20; 고체절연물

30; 시스형의 접지판 30'; 나선형의 접지판

본 발명은 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초전도 코일의 전류도입선에 대한 절연 특성을 개선한 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조에 관한 것이다.

일반적으로, 고온 초전도 전력기기는 크게 초전도 코일과 냉각시스템으로 구성되는데, 초전도 코일을 냉각시켜 주는 냉각방식에 따라 극저온 냉동기를 사용하는 전도냉각방식, 액체냉매를 사용하는 액체냉매 냉각방식, 그리고 고체 질소 등을 사용하는 고체 냉매 냉각방식 등으로 구분된다.

상기 액체 냉매 냉각방식에 주로 사용되는 냉매로는 액체 헬륨과 액체 질소 등이 있으며, 액체 질소(LN₂)를 사용하는 냉각방식으로는 포화액체질소 냉각방식과 과냉액체질소 냉각방식이 있다.

이때, 상기 과냉액체질소 냉각시스템은 비교적 간단한 구조와 용이한 유지 보수, 그리고 우수한 절연 특성 및 초전도 코일의 임계 전류 상승 등의 여러 장점으로 인해 초전도 전력기기용 냉각시스템의 연구 개발에 많이 응용되고 있다.

즉, 과냉액체질소 냉각시스템은 그 구조에 따라 크게 도 1의 서스펜디드 타입(suspended type)과, 도 2의 오픈 타입(open type)으로 구분된다.

상기 서스펜디드 타입은 도 1에서와 같이, 초전도 코일(Superconducting Coil)(1), 액체 질소 용기(LN₂ Vessel)(2), 냉동기(Cryocooler)(3), 전류도입선(4), 그리고 진공용기(Vacuum Vessel)(5)를 포함하는 것으로, 이는 상기 액체 질소 용기(2)를 진공용기(5)로 보호하여 외부 열침입량을 최소화하는 장점이 있다.

이때, 상기 전류도입선(4)은 기체헬륨(GHe)이 아닌 진공상태에 존재하게 되는데, 상기 전류도입선(4)은 진공용기(5)내의 진공도에 따라 그 절연특성이 달라짐지면서 그 신뢰성의 문제가 발생할 수 있다.

예를 들어 구대평판 전극은 10^-3 torr 이하의 고진공 상태에서는 높은 절연특성을 보이지만, 그 이상의 저진공 상태에서는 절연특성이 현저하게 저하되는 특성을 보인다.

따라서, 진공을 절연 매개체로 사용하는 경우에는 뜻하지 않은 진공누설 등에 의해 심각한 절연 특성의 저하를 초래할 수 있기 때문에 전력기기에서 진공을 절연매체로 사용하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 도 2에서와 같이 오픈타입의 냉각시스템은 진공 용기가 없이 액체질소 용기(2)만으로 구성되고, 상기 액체질소 용기(2)의 상측에 배플(baffle)(7)을 다단으로 적용한 것이며, 이는 상대적으로 외부의 열침입량은 크지만 구조가 간단해지는 장점이 있다.

이때, 상기 오픈타입의 냉각시스템은 전류도입선(4)이 기체헬륨(GHe) 상태에 존재하게 되는데, 이 경우 고전압이 인가되는 전류도입선(4)과 냉동기(3), 그리고 금속재질로 이루어진 냉동기(3)의 플랜지(3a)와 측벽 및, 각종 신호선과 같은 물질들 사이에서 절연 파괴 현상이 발생할 확률이 매우 높아지는 단점이 있다.

즉, 상기 과냉액체질소 냉각방식은 포화액체질소 상태의 냉각시스템에 일정 크기 이상의 압력을 가해 주어 전기적 절연 특성을 향상시키는 방식으로, 이는 64K, 0.12기압의 포화액체질소를 과냉액체질소로 만들어 주기 위해 폐냉각시스템에 1기압 이상의 압력을 가해 주는데, 이때 사용되는 가압용 기체로는 액체질소에 대해 비응축 특성을 가지는 기체 헬륨(GHe)이 주로 사용된다.

그러나, 상기 기체 헬륨(GHe)에서의 절연 파괴 특성은 기체 질소에 비해 1/10 정도로 낮기 때문에 전류도입선(4)에서의 절연 파괴 확률이 대단히 높아질 수 밖에 없으며, 따라서 고전압용 초전도 전력기기의 개발을 위해서는 반드시 액체질소 외부에 노출되는 전류도입선(4) 부분에서의 절연 특성이 해결되어야 하는 것이다.

이에, 과냉액체질소 냉각시스템을 이용한 고전압용 초전도전력기기를 개발하 기 위해서는 기체헬륨(GHe)으로 인해 발생하는 전류도입선(4) 부분에서의 절연내력 특성 저하를 향상시키는 보완책이 반드시 필요하고, 이를 개선하도록 종래에는 도 1에서와 같이 상기 전류도입선(4)의 외부를 고체절연물(6)로 코팅시켜, 상기 전류도입선(4)에 대한 절연특성을 보완하였다.

그러나, 상기와 같이 전류도입선(4)의 외부에 고체절연물(6)을 코팅하더라도, 상기 전류도입선(4)과 주변의 금속물 사이에 전위차가 발생하면서 그 전위차가 발생하는 위치의 전류도입선(4) 부분에서 절연파괴가 발생할 수 있으며, 이러한 구조에서 절연파괴 전압은 주변 금속물의 형상과 위치에 의한 의존성을 가지고 있기 때문에 전류도입선(4)과 가까운 곳에 날카로운 금속물이 존재한다면 시스템의 절연파괴 전압은 급격히 감소하는 단점이 있다.

다시말해, 과냉액체질소 냉각시스템은 77K의 포화액체질소 냉각시스템에 비해 낮은 운전온도로 초전도코일(1)의 임계전류값이 77K에서의 값보다 약 1.5~2배 가량 상승하며, 기포생성의 억제 효과로 인한 전기 절연특성이 향상되는 등 많은 장점으로 인해 초전도 전력기기용 냉각시스템으로 적합하다고 평가되고 있지만, 액체질소 외부에 위치하는 전류도입선(4) 부분에서 취약한 전기 절연 특성으로 인해 과냉액체질소 냉각시스템을 고전압용 초전도 전력기기로 응용하기 위해서는 많은 어려움이 따를 수 밖에 없었던 것이다.

즉, 해석을 통해 진공용기(5)내의 전계분포도를 살펴보면, 도 3에서와 같이 전계해석을 위해 전류도입선(4)에 1V의 전압을 입력하였으며, 13.2kV급 초전도한류기를 고려했을 때, 상기 진공용기(5)내의 최대전계 값은 10.77 kV/mm로 나타나고, 이는 전류도입선(4)과 액체 질소 용기(2) 혹은 진공용기(5)의 접속부에서 발생한다.

또한, 도 4에서와 같이 도 1의 α(전류도입선-냉동기)와 같은 경로 사이에서의 평균 전계는 0.07 kV/mm가 되며, 진공에서의 절연은 진공도에 의해 매우 크게 좌우되므로 이러한 전계 발생으로부터 전류도입선(4)의 절연 파괴가 이루어지는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전류류도입선에 기체에 비해 절연 특성이 우수한 고체절연물을 코팅한 후 그 코팅된 고체 절연물 위에 다시 얇은 금속 재질의 접지판을 형성함으로써, 전류도입선과 접지판 사이에 시스템의 전압이 모두 걸리도록 하여 전류도입선 외부의 금속 구조물의 형상이나 위치와 무관한 특성을 갖도록 하면서 전류도입선 외곽에서의 전계발생을 억제시키고, 이를 통해 전류도입선의 절연상태가 파괴되는 문제를 개선할 수 있도록 하는 고전압 초전도 전력기기용 전류 도입선의 절연구조를 제공하려는데 그 목적이 있는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 고전압 초전도 전력기기용 전류도입선의 절연구조는, 전류도입선; 상기 전류도입선의 외부면에 코팅되는 고체 절연물; 그리고 상기 고체 절연물 위에 결합되는 접지판; 으로 구성된다.

다른 일면에 따라, 상기 접지판은 시스(sheath)형의 구조인 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 접지판은 나선형의 구조인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 일실시예로 시스형의 전류도입선 절연구조가 적용되는 고전압 초전도 전력기기용 냉각시스템의 구조도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 초전도 전력기기용 냉각시스템은, 초전도 코일(11), 액체 질소 용기(12), 냉동기(13), 진공용기(14), 그리고 전류도입선(10)을 포함하는 서스펜디드 타입과, 초전도 코일(11), 액체 질소 용기(12), 냉동기(13), 그리고 전류도입선(10)을 포함하는 오픈 타입으로 구성되며, 상기 서스펜디드 타입과 오픈타입으로 이루어진 냉각시스템의 전류도입선(10)은 그 외부면에 1차로 고체절연물(20)이 코팅되고, 상기 코팅면 위로는 접지판(30)이 결합되는 절연 구조로 구성되는 것이다.

이때, 상기 전류도입선(10)은 구리(copper) 재질이고, 상기 고체절연물(20)은 기체에 비해 절연특성이 우수한 것이며, 상기 접지판(30)은 얇은 금속 재질인 시스형의 구조물로 구성된다.

따라서, 상기와 같이 전류도입선(10)의 외부면에 고체절연물(20)과 접지판(30)을 적층 구성하면, 상기 전류도입선(10)과 접지판(30)의 사이에는 냉각시스템의 전압이 모두 걸리게 되고, 이에따라 상기 전류도입선(10)의 외부면은 금속 구조물의 형상이나 위치에 전혀 영향을 받지 않으면서, 도 5의 특정경로(β)인 전류도입선(10)의 외곽에서는 도 6,7에서와 같이 전계 발생이 억제된다.

그러면, 상기 전류도입선(10)의 절연 특성은 코팅이 이루어진 고체절연물(20)에 의해 결정되므로, 상기 전류도입선(10)의 절연상태는 상기 고체절연물(20)의 절연특성으로부터 매우 안정적으로 유지될 수 있게 되는 것이다.

즉, 도 5의 특정경로(β)인 전류도입선(10)의 외곽에서 발생하는 전계해석을 위해, 상기 전류도입선(10)에는 1V의 전압을 입력하고, 13.2kV급 초전도한류기를 고려사용한다고 가정하면, 도 6에서와 같이 상기 진공용기(14)내의 최대전계 값은 11.35 kV/mm로 나타난다.

반면, 도 7에서와 같이 도 5의 특정경로(β)인 전류도입선(10)과 냉동기(13)의 플랜지(13a) 사이에서는 그 평균전계가 0.0 kV/mm로, 이는 도 8에서와 같이 종래의 전류도입선과 비교했을 때, 본 발명에서 전류도입선(10)의 외부에 존재하는 전계의 크기가 현저하게 감소되는 것을 해석을 통해 알 수 있었다.

즉, 접지판(30)을 이용한 새로운 전류도입선(10)의 경우는 금속도체와 접지판(30)의 사이에 존재하는 고체절연물(20)에 전계가 집중되어 분포하기 때문에 진공용기(14)내에 존재하는 금속물의 형상과 위치와 무관한 절연특성을 갖게 되는 것으로, 이는 종래 전류도입선을 사용하는 초전도전력기기에 비해서 전기절연적으로 안전할 뿐만 아니라 설계 측면에서도 진공용기(14)에 존재하는 금속물의 형상과 위치에 상관없이 설계가 가능하게 되면서 초전도 전력기기의 제작 측면에서 볼 때 매우 유리하게 작용하는 것이다.

한편, 도 9, 도 10은 본 발명의 다른실시예로, 이는 고체절연물(20)의 위에 적층 구성되는 접지판(30')을 나선형의 구조로 구성한 것이다.

즉, 도 5에서 시스형의 구조를 가지는 접지판(30)은 상대적으로 열침입 경로가 짧아지기 때문에 열전도에 의한 열침입량 값은 크게 되는 반면, 도 9의 접지판(30')은 좁은 간격을 두고 나선형으로 고체절연물(20) 위에 권선되어 과냉액체질소 냉각시스템의 열부하를 최소화시킨 것이며, 이에따라 상기 접지판(30') 외부에서의 전계분포를 보다 효과적으로 억제할 수 있게 됨은 물론, 전체적인 열침입 경로를 길게 하여 열저항의 값을 높여 주고, 이와 같이 높은 열저항값을 통해 냉각시스템의 열부하를 최소화하여 시스템의 효율적인 운전을 가능하게 한 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 전류류도입선에 기체에 비해 절연 특성이 우수한 고체절연물을 코팅한 후 그 코팅된 고체 절연물 위에 다시 얇은 금속 재질의 접지판을 형성한 것으로, 이를 통해 전류도입선과 접지판 사이에 시스템의 전압이 모두 걸리도록 하여 전류도입선 외부의 금속 구조물의 형상이나 위치와 무관한 특성을 갖도록 하면서 전류도입선 외곽에서의 전계발생을 억제함은 물론, 전류도입선의 절연상태가 파괴되는 문제를 개선하여 고전압 초전도 전력기기의 상용화를 앞당기는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 초전도 코일, 액체 질소 용기, 냉동기, 진공용기, 그리고 전류도입선을 선택적으로 포함하는 고전압 초전도 전력기기용의 과냉액체질소 냉각시스템을 구성함에 있어서,

   상기 전류도입선의 외부면에는 고체 절연물을 코팅하고,

   상기 고체 절연물의 위에는 접지판을 적층 구성하는 것을 특징으로 하는 고전압 초전도 전력기기용 전류도입선 절연구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접지판은 시스(sheath)형의 구조인 것을 특징으로 하는 고전압 초전도 전력기기용 전류도입선 절연구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 접지판은 나선형(helical)의 구조인 것을 특징으로 하는 고전압 초전도 전력기기용 전류도입선 절연구조.

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