KR101034893B1 - 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블과 그 접속대상체 사이를 연결시키기 위한 접속장치에 관한 것으로서, 초전도 케이블과 발전소 또는 부하의 단말 사이, 초전도 케이블과 초전도 케이블 사이를 전기적으로 접속시키는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 있어서, 양측이 개구된 원통형으로 형성되며, 중심부에는 결합공이 형성되고, 상기 결합공 바깥으로 수용셀이 형성된 본체와; 외주면에 절연체가 코팅되고, 상기 본체의 수용셀에 다수개가 삽입되어 고정되는 금속튜브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본체 내부에 금속튜브를 삽입함으로써, 전류밀도를 균일하게 하여 교류손실에 의한 발열을 최소화하고, 금속튜브 내부로 고압의 액체 질소를 통과시킬 수 있어 초전도 케이블 단자의 냉각효과를 높일 수 있으며, 이에 의해 그 크기를 최소화할 수 있어 재료비 절감 및 공간활용이 우수한 이점이 있다.
초전도 케이블 단자 금속튜브 전류밀도 발열 액체 질소

Description

전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자{superconducting cable terminals with cooling channel for uniform current}
본 발명은 초전도 케이블과 그 접속대상체 사이를 연결시키기 위한 접속장치에 관한 것으로서, 본체 내부에 가늘고 얇은 금속튜브를 삽입함으로써, 전류밀도를 균일하게 하여 교류손실에 의한 발열을 최소화하고, 금속튜브 내부로 고압의 액체 질소를 통과시킬 수 있어 접속장치 자체의 냉각효과를 높일 수 있는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 케이블은 대용량의 전력을 저손실로 장거리 전송이 가능하기 때문에 대도시의 전력공급 및 신규부지확보 등의 문제를 해결할 수 있는 환경 친화적 신개념의 전력케이블로서 최근 미국, 일본, 유럽 등의 선진기술국에서 경쟁적으로 상용화 개발을 추진하고 있다.
이러한 초전도 케이블을 이용하여 장거리 전력 전송을 하기 위해서는 발전소와 초전도 케이블 사이, 초전도 케이블과 초전도 케이블 사이 및 초전도 케이블과 부하 사이(이하에서는 초전도 케이블에 접속되는 대상을 "접속대상체"라고 함)에 전기적 접속장치가 반드시 요구되며, 장거리 전력 전송시 초전도 케이블의 가장 큰 장점 중의 하나인 저손실 전력 송전을 유지하기 위해서는 이들 전기적 접속장치에서의 접촉저항을 최소화하는 것이 중요하다.
종래의 이러한 고온 초전도 케이블의 전류도입을 위한 접속장치는 일반적으로 양측이 개구되어 초전도 케이블 및 접속대상체의 통전층이 각각 접속되며, 일체형 원통형 또는 도 1과 같은 상측부와 하측부가 분리가 가능한 형태의 원통형으로 일측부의 지름이 감소되는 형태로 형성된 것이다. 그 재질은 전체가 구리로 형성되어 있다.
그러나 초전도 케이블은 높은 교류 전류를 전송하기 때문에 표피효과(skin effect)에 의한 전류밀도의 불균일로 인해 초전도 케이블 단자에서 많은 열이 발생하여 냉각 손실이 증가하고, 많은 전류를 전송하는데 제한이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 구리 사용량을 늘려서 발열량을 허용치 이하로 제한하고자 하였으나, 이 또한 근본적으로 표피효과에 의한 열 발생을 줄이지 못할 뿐만 아니라 접속장치 자체의 크기가 증가하여 공간활용도가 떨어지며, 재료비 또한 증가하는 문제점을 발생시키고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내부가 빈 본체 내부에 가늘고 얇은 금속튜브를 삽입함으로써, 전류밀도를 균일하게 하여 교류손실에 의한 발열을 최소화하고, 금속튜브 내부로 고압의 액체 질소를 통과시킬 수 있어 초전도 케이블 단자의 냉각효과를 높일 수 있는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 초전도 케이블과 발전소 또는 부하의 단말 사이, 초전도 케이블과 초전도 케이블 사이를 전기적으로 접속시키는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 있어서, 양측이 개구된 원통형으로 형성되며, 중심부에는 결합공이 형성되고, 상기 결합공 바깥으로 수용셀이 형성된 본체와; 외주면에 절연체가 코팅되고, 상기 본체의 수용셀에 다수개가 삽입되어 고정되는 금속튜브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 본체는, 상기 결합공을 중심으로 상하로 분리결합되는 상측 수용셀과, 하측 수용셀로 이루어진 것이 바람직하며, 또한 상기 본체는 상기 수용셀의 일측부가 개방되어 개방부가 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 수용셀에 삽입되는 금속튜브는, 상기 결합공을 중심으로 동심원으로 배치되는 것이 바람직하며, 상기 수용셀의 최외곽에 삽입되는 금속튜브는 상 기 수용셀의 길이와 동일하고, 상기 수용셀의 내측으로 갈수록 길이가 길어져 최내측 금속튜브는 상기 본체의 길이와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속튜브는, 상기 수용셀에 삽입되어 에폭시 함침되어 고정되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 본체 및 금속튜브는 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 본체 내부에 금속튜브를 삽입함으로써, 전류밀도를 균일하게 하여 교류손실에 의한 발열을 최소화하고, 금속튜브 내부로 고압의 액체 질소를 통과시킬 수 있어 초전도 케이블 단자의 냉각효과를 높일 수 있으며, 이에 의해 그 크기를 최소화할 수 있어 재료비 절감 및 공간활용이 우수한 효과가 있다.
본 발명은 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 관한 것으로서, 초전도 케이블과 발전소 또는 부하의 단말 사이, 초전도 케이블과 초전도 케이블 사이(이하에서는 초전도 케이블에 접속되는 대상을 '접속대상체'라고 한다)를 전기적으로 접속시키기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 대한 사시도에 관한 것으로서, 도시된 바와 같이 본 발명은 본체(100)와 본체(100)에 삽입되는 금속튜브(200)로 크게 이루어진다.
먼저, 상기 본체(100)에 대해 설명하고자 한다.
상기 본체(100)는 구리 재질로 형성되며, 양측이 개구된 원통형으로 형성된다. 그리고 중심부에는 결합공(110)이 형성되고, 상기 결합공(110) 바깥으로 후술할 금속튜브(200)가 삽입될 수용셀(120)이 형성된다. 일반적으로 상기 결합공(110)에는 초전도 케이블의 포머 및 접속대상체의 포머가 삽입되며, 상기 본체(100)의 외주면에는 통전을 위한 초전도 케이블 및 접속대상체의 통전층이 접속되게 된다.
상기 본체(100)는 초전도 케이블 및 이에 접속되는 접속대상체의 형태에 따라 전체가 일체형의 원통형으로 형성되거나, 초전도 케이블 및 접속대상체 간의 접속 및 분리를 용이하게 하기 위해 상하로 분리결합이 가능하도록 상측 수용셀(121) 및 하측 수용셀(122)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 상측 수용셀(121) 및 하측 수용셀(122)의 결합고정은 납땜이나 나사결합 또는 별도의 결합구를 추가하여 구현가능하다.
상기 상측 수용셀(121) 및 하측 수용셀(122)은 단면이 반원형으로 형성되어 내부는 비어 있으며, 개방된 양측을 제외하고는 나머지는 닫혀져 내부에 금속튜브(200)가 삽입되어 안착될 수 있도록 형성된다. 즉, 단면이 반원형이고 양측으로 개방된 구리튜브인 것이다.
여기에서, 상기 본체(100)는 상기 수용셀(120)의 일측부가 개방되어 개방부(130)가 더 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 개방부(130)는 상기 본체(100)의 중간쯤 위치에서 상기 수용셀(120)의 바깥면을 절삭하여 개방시켜 형성한 것으로, 이에 의해 금속튜브(200)가 외부로 노출되게 된다.
다음으로, 상기 금속튜브(200)에 대해 설명하고자 한다.
상기 금속튜브(200)는 상기 본체(100)와 동일한 구리 재질로 형성되어 상기 본체(100)의 수용셀(120) 내부에 상기 결합공(110)을 중심으로 동심원으로 배치되어 고정형성된다. 상기 본체(100)에 비해 상기 금속튜브(200)의 지름이 매우 작으므로, 상기 본체(100)에 삽입되는 금속튜브(200)는 동관다발 형태라고 할 수 있다. 일반적으로 한개의 구리튜브는 외경 2mm, 내경 1mm이고, 3000Arms의 전류통전시 필요한 구리튜브의 수는 대략 382개로, 다수개의 금속튜브(200)가 다발형태로 상기 본체(100)의 수용셀(120) 내부로 삽입되게 되는 것이다. 여기에서 상기 금속튜브(200)는 각 금속튜브(200) 및 상기 본체(100)와의 절연을 위해 외주면에 절연체가 코팅되어야 하며, 일반적으로 얇게 에나멜 코팅된 것을 사용한다.
또한, 상기 수용셀(120)에 삽입되는 금속튜브(200)는 상기 결합공(110)을 중심으로 동심원으로 배치되되, 상기 수용셀(120)의 최외곽에 삽입되는 금속튜브(200)는 상기 수용셀(120)의 길이와 동일하고, 상기 수용셀(120)의 내측으로(중심으로) 갈수록 길이가 길어져 최내측 금속튜브(200)는 상기 본체(100)의 길이와 동일하게 형성되도록 한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 전체적인 초전도 케이블 단자의 형상은, 일측은 단순한 원통형으로 형성되고, 다른측은 지름이 점점 감소하는 형태를 갖게 되는 것으로, 이는 초전도 케이블 등의 통전층 접속을 용이하게 하기 위함이다. 여기에서 지름의 연속적인 감소를 위해 금속튜브(200)의 말단이 경사지게 절단형성된다.
상기 금속튜브(200)는 적당한 길이로 절단한 후 이들을 본체(100)의 수용셀(120) 내부에 삽입시킨 후 열전도성과 우수한 stycast 에폭시로 함침하여 수 용셀(120) 내부에 금속튜브(200)를 고정시킨다. 여기에서 금속튜브(200)의 에폭시 함침 전에 금속튜브(200)의 양단을 고무캡이나 금속캡으로 막아 금속튜브(200) 내부에 에폭시가 들어가 막히지 않도록 하고, 에폭시의 응고가 완료되면 상기 고무캡이나 금속캡을 벗겨 내어 금속튜브(200) 양단이 개방되도록 한다. 이에 의해 금속튜브 내부로 액체 질소와 같은 고압의 냉매가 통과할 수 있으므로 냉각용량의 증가로 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자의 온도 상승이 억제된다.
이하에서는 종래의 초전도 케이블용 접속장치와 본 발명에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 대한 특성을 비교하여 설명하고자 한다. 고압의 액체 질소 내에서 구리 접속장치에 대한 전류 통전시 그 특성을 비교한 것으로, 전송전류는 3750Arms, 주파수 60Hz, 주변온도 77K, 액체 질소 대류열 전달계수 100W/m2K이며, 종래의 접속장치의 경우에는 단자크기 40.4mm(내경), 82mm(외경), 단면적 4000mm2이고, 본 발명에 따른 접속장치의 경우에는 40mm(내경), 116mm(외경), 단면적 4000mm2이다.
도 3은 상기 실시예에 따라 종래의 초전도 케이블용 접속장치와 본 발명에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자의 전류밀도를 측정한 것이다. 종래의 접속장치는 전류밀도의 최대값이 6.37MA/m2, 본 발명에 따른 접속장치의 전류밀도는 최대값이 5.45MA/m2으로, 본 발명에 따른 초전도 케이블 단자가 표피효과의 감소로 최대 전류밀도가 14.4% 정도 감소함을 알 수 있었다.
도 4는 상기 실시예에 따라 종래의 초전도 케이블용 접속장치와 본 발명에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자의 발열량을 측정한 것이다. 종래의 접속장치의 최대 발열량은 80,187W/m, 본 발명에 따른 접속장치의 최대 발열량은 51,433W/m으로, 본 발명에 따른 초전도 케이블 단자가 전류밀도의 감소로 최대 발열량 또한 35.8% 정도 감소한 것으로 나타났다.
도 5는 상기 실시예에 따라 종래의 초전도 케이블용 접속장치와 본 발명에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자의 온도를 측정한 것이다. 종래의 접속장치의 최대 온도는 78.146K, 본 발명에 따른 초전도 케이블 단자의 최대 온도는 77.324K로, 본 발명에 따른 접속장치가 발열량 감소로 최대 온도가 1.8K 감소한 것으로 나타났다.
이와 같이 종래에는 전체가 구리 원통관으로 이루어져 열발생 및 전류 전송량에 제한이 많았으나, 본 발명에서와 같이 내부가 빈 본체(100) 내부에 가늘고 얇은 금속튜브(200)를 삽입함으로써, 전류밀도를 균일하게 하여 교류손실에 의한 발열을 최소화하고, 금속튜브(200) 내부로 고압의 액체 질소를 통과시킬 수 있어 초전도 케이블 단자의 냉각용량을 높일 수 있으며, 이에 의해 그 크기를 최소화할 수 있어 재료비 절감 및 공간활용이 우수할 것으로 기대된다.
도 1 - 종래 기술에 따른 초전도 케이블용 접속장치에 대한 사시도.
도 2 - 본 발명의 실시예에 따른 초전도 케이블용 접속장치에 대한 사시도.
도 3 - 종래의 초전도 케이블용 접속장치(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자(b)의 전류밀도를 측정한 데이타를 나타낸 도.
도 4 - 종래의 초전도 케이블용 접속장치(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자(b)의 발열량을 측정한 데이타를 나타낸 도.
도 5 - 종래의 초전도 케이블용 접속장치(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자(b)의 온도를 측정한 데이타를 나타낸 도.
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
100 : 본체 110 : 결합공
120 : 수용셀 121 : 상측 수용셀
122 : 하측 수용셀 130 : 개방부
200 : 금속튜브

Claims (7)

  1. 초전도 케이블과 발전소 또는 부하의 단말 사이, 초전도 케이블과 초전도 케이블 사이를 전기적으로 접속시키는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자에 있어서,
    양측이 개구된 원통형으로 형성되며, 중심부에는 결합공(110)이 형성되고, 상기 결합공(110) 바깥으로 수용셀(120)이 형성된 본체(100)와;
    외주면에 절연체가 코팅되고, 상기 본체(100)의 수용셀(120)에 다수개가 삽입되어 고정되는 금속튜브(200);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 본체(100)의 수용셀(120)은, 상기 결합공(110)을 중심으로 상하로 분리결합되는 상측 수용셀(121)과, 하측 수용셀(122)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 본체(100)는 상기 수용셀(120)의 일측부가 개방되어 개방부(130)가 형성된 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 수용셀(120)에 삽입되는 금속튜브(200)는, 상기 결합 공(110)을 중심으로 동심원으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자
  5. 제 4항에 있어서, 상기 수용셀(120)의 최외곽에 삽입되는 금속튜브(200)는 상기 수용셀(120)의 길이와 동일하고, 상기 수용셀(120)의 내측으로 갈수록 길이가 길어져 최내측 금속튜브(200)는 상기 본체(100)의 길이와 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 금속튜브(200)는, 상기 수용셀(120)에 삽입되어 에폭시 함침되어 고정되는 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 본체(100) 및 금속튜브(200)는 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 전류평활 냉각관을 갖는 초전도 케이블 단자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0740501B2 (ja) * 1987-12-28 1995-05-01 住友電気工業株式会社 超電導ケーブルの接続方法および装置
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