KR101074872B1 - 복합형 초전도 한류기 - Google Patents

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임성우
현옥배
유승덕
김우석
양성은
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Abstract

초전도체를 이용하는 복합형 초전도 한류기는 입력단과 일단이 연결되고, 초전도체와 자기적으로 연결되는 상전도 코일, 상전도 코일의 타단과 출력단을 연결하는 스위치, 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상전도 코일에서 발생하는 자기장에 의해 움직이는 반발판 및 상전도 코일의 양단과 병렬로 연결되는 접점을 포함하며, 반발판은 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에 스위치를 닫고, 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 스위치를 열고 접점을 닫아 전류를 한류시킨다.

Description

복합형 초전도 한류기{Hybrid superconducting fault current limiter}
본 발명은 복합형 초전도 한류기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 극저온 용기 내부에 있는 초전도체를 전류 인입선 없이 주회로와 연결하는 복합형 초전도 한류기에 관한 것이다.
종래의 복합형 초전도 한류기는 초전도체가 주회로에 연결되는 구조를 가진다.
도 1은 종래의 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참고하면, 초전도체(10)는 기계적 스위치(11)와 직렬로 연결되어 주 회로에 연결되고, 상전도 코일(20)과 접점(30)이 초전도체에 병렬로 연결되며, 저항 또는 리액터(40)가 기계적 스위치에 병렬로 연결된다. 즉, 초전도체(10)의 한쪽은 주회로와 다른 한쪽은 기계적 스위치(11)와 연결된 구조이다.
초전도체(10)에는 어떤 일정한 값(이하 "임계전류"라고 함)보다 작은 전류가 흐르는 경우 저항이 "0"이고, 임계전류보다 큰 전류가 흐르는 경우 초전도성을 잃어 저항이 발생한다. 이에 따라, 선로에 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에는 초전도체(10)의 저항이 "0"이므로, 전류가 초전도체(10) 및 기계적 스위치(11)로 흐르며, 초전도 한류기의 임피던스가 거의"0"에 가깝기 때문에 선로에 영향을 미치지 않는다. 반면, 선로에 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에는 초전도체가 초전도성을 잃게 되어 임피던스를 갖게 된다.
초전도체(10)의 임피던스가 초전도체와 병렬로 연결된 상전도 코일(20)의 임피던스보다 큰 경우에는 전류의 대부분이 상전도 코일(20)로 흐르게 된다. 이에 따라, 상전도 코일(20) 주변에는 자기장이 발생한다. 이때, 자기장은 반발판(25)을 움직여 접점을 닫히게 하고, 기계적 스위치(11)를 열리게 하여, 전류가 접점(30)을 거쳐 기계적 스위치(11)와 병렬로 연결된 저항 또는 리액터(40)를 통하여 흐르게 됨으로써 한류된다
초전도체(10)는 초전도체의 임계온도(예를 들어, 약 -180 도)이하로 냉각시켜야 초전도성을 유지할 수 있다. 때문에, 초전도체(10)를 밀폐된 극저온 냉작조 내부에 두고 액체질소와 냉동기를 사용하여 냉각시켜야한다.
밀폐된 극저온 용기 내부에 있는 초전도체(10)를 주 회로에 연결하는 방법은 극저온 용기에 전류인입선을 부착하여, 전류인입선의 한쪽에 초전도체를 연결하고, 다른 한쪽에 주회로를 연결한다.
전류인입선 중 극저온 용기 외부에 면한 부분의 온도는 실온이지만 용기 내 부에 면한 부분의 온도는 저온이 된다. 저온에서는 재료의 절연 및 기계적 특성 등이 실온에서와 다르므로 종래의 부싱을 초전도체 용 전류인입선으로 사용할 수 없어, 극저온에서도 절연 성능을 가지는 부싱을 개발해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제는 초전도 한류기의 성능에 있어 절연이 큰 비중을 차지하게 되는 송전급 전압 등급에서 두드러지게 나타난다. 한, 대용량 초전도 한류기의 경우에는 많은 전류가 전류인입선을 통하여 흐르게 되어 주울열이 발생하므로, 전류인입선의 온도 상승을 줄이려면 전류인입선의 직경이 커져야 한다. 하지만, 외부로부터 극저온 냉각조로의 열 침입이 많아져 초전도 한류기의 운전 시 냉각 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 밀폐된 극저온 용기 내부에 있는 초전도체를 전류 인입선 없이 주회로와 연결하는 복합형 초전도 한류기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른, 초전도체를 이용하는 복합형 초전도 한류기는
입력단과 일단이 연결되고, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 상전도 코일; 상기 상전도 코일의 타단과 출력단을 연결하는 스위치; 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 상전도 코일에서 발생하는 자기장에 의해 움직이는 반발판; 및 상기 상전도 코일의 양단과 병렬로 연결되는 접점을 포함하며,
상기 반발판은 상기 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 닫고, 상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 열고 상기 접점을 닫아, 상기 전류를 한류시킨다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른, 초전도체를 이용하는 복합형 초전도 한류기는
입력단과 일단이 연결되고, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 제1 상전도 코일; 상기 제1 상전도 코일의 타단과 출력단을 연결하는 스위치; 상기 제1 상전도 코일과 병렬로 연결되어 있는 제2 상전도 코일; 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우, 상기 제2 상전도 코일에서 발생하는 자기장에 의해 움직이는 반발판; 및 상기 제2 상전도 코일의 양단과 병렬로 연결되는 접점을 포함하며,
상기 반발판은 상기 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 닫고, 상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 열고 상기 접점을 닫아, 상기 전류를 한류시킨다.
본 발명의 복합형 초전도 한류기에 의하면, 초전도체가 다른 구성 요소와 자기적으로 결합되어 있고 전기적으로 분리되어 있으므로, 초전도체를 냉각시키는 극저온 냉각조에 전류인입선을 부착할 필요가 없다. 이에 따라, 초전도체가 전기적으로 회로에 연결된 경우에 발생하는 전류인입선과 극저온 냉각조와의 절연 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 복합형 초전도 한류기에 의하면, 전류 인입선을 통한 외부로부터의 열 침입과 전류 통전 시 전류 인입선에서 발생하는 주울 열을 방지할 수 있다. 또한, 극저온 냉각조의 열부하를 감소시키고, 극저온 냉각조의 운전에 있어 소형 냉동기를 사용할 수 있게 됨에 따라 냉동기 구입비용 및 냉동기 운전비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 상시 전류가 흐르는 경우의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도체의 내외부의 자기장 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 고장 전류가 흐르는 경우의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참고하면, 복합형 초전도 한류기는 상전도 코일(210)과 기계적 스위치(220)를 직렬로 연결하여 주 회로를 구성한다.
기계적 스위치(220)는 상시에는 닫혀있는 상태이다.
상전도 코일(210)과 초전도체(230)는 전기적으로 연결하지 않고, 자기적으로 결합시킨다. 여기서, 상전도 코일(210)과 초전도체(230)를 자기적으로 결합시키는 방법은 예를 들어, 상전도 코일(210)은 초전도체(230)를 권회하는 형태 일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 초전도체(230)를 권회하는 상전도 코일(210)의 수는 임피던스에 영향을 주지 않는 범위의 수이다.
또한, 상전도 코일(210)과 접점(240)은 병렬로 연결한다. 여기서, 접점(240)은 상시에는 열려있는 상태이다.
기계적 스위치(220)와 저항 또는 리액터(250)는 병렬로 연결한다.
상전도 코일(210)로부터 설정 범위 내에는 반발판(260)이 위치한다. 또한, 반발판(260)은 접점(240) 및 기계적 스위치(220)를 기계적으로 연결한다. 즉, 반발판(260)이 이동하는 경우, 기계적 스위치(220)와 접점(240)도 따라서 이동하도록 구성한다.
다음, 도 2의 복합형 초전도 한류기에 해당하는 회로도의 동작에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 상시 전류가 흐르는 경우의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 3을 참고하면, 복합형 초전도 한류기에 보통의 전류 예를 들어, 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에는 상전도 코일(210)과 기계적 스위치(220)를 포함하는 주회로를 통해 전류가 흐른다. 이때, 복합형 초전도 한류기의 임피던스는 "0"에 가깝기 때문에 기존의 선로에 거의 영향을 미치지 않는다.
상전도 코일(210)에 교류 전류가 흐르는 경우에는 시간에 따라 자기장이 발생하고, 패러데이의 법칙에 따라 상전도 코일(210)에 기전력이 인가된다.
하지만, 상전도 코일(210)이 초전도체(230)와 자기적으로 결합되어 있는 경우에는 초전도체(230)가 초전도 상태에 있을 때에 초전도체(230) 내부에 있는 자기장을 밀어내는 성질(도 4를 참고하면, 마이스너 효과)로 인하여, 상전도 코일(210)에 교류 전류가 흘러도 초전도체(230) 내부에 자기장이 없어 기전력이 인가되지 않아 임피던스가 "0"이 된다. 이때, 초전도체(230) 내부에는 자기장이 없으므로, 주변에 위치하는 반발판(260)이 동작하지 않는다. 즉, 반발판(260)에 연결된 접점(240)과 기계적 스위치(220)도 동작하지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 고장 전류가 흐르는 경우의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 5를 참고하면, 복합형 초전도 한류기에 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에는 상전도 코일(210)에도 임계전류 이상의 전류가 흐른다. 그러면, 상전도 코일(210)과 자기적으로 결합된 초전도체(230)는 초전도성을 잃게된다.
초전도체(230)가 초전도성을 잃는 경우, 상전도 코일(210)에 흐르는 전류에 의하여 자기장이 발생한다. 이때, 자기장은 상전도 코일(210)의 주변에 위치하는 반발판(260)에 반발력을 가하게 되어, 반발판(260)을 움직이게 한다.
반발판(260)은 접점(240)과 기계적 스위치(220)에 기계적으로 연결되어 있으므로, 접점(240)은 닫히고 기계적 스위치(220)는 열리게 된다. 여기서, 접점(240)이 닫힘에 따라 전류는 상전도 코일(210)을 우회하여 접점(240)으로 흐르고, 상전도 코일(210)에는 전류가 흐르지 않게 된다.
반발판(260)이 움직이면서 기계적 스위치(220)가 열린 직후에는 기계적 스위치(220) 내에 아크가 발생하여, 전류가 접점(240)을 거쳐 기계적 스위치(220)를 통해 흐른다. 전류가 0점을 통과하는 시점에 기계적 스위치(220) 내의 아크가 소호하여, 전류는 기계적 스위치(220)와 병렬로 연결된 저항 또는 리액터(250)로 우회하여, 저항 또는 리액터(250)에 의해 제한된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에는 선로에 거의 영향을 미치지 않으며, 임계전류 이상의 전류가 흐를 때에는 1/2 주기 동안에는 선로에 영향을 거의 미치지 않다가 전류가 0점을 지난 시점에서 전류를 제한한다.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기는 본 발명의 실시예에 따른 상전도 코일(210)과 기계적 스위치(220)만을 포함하는 주 회로와 다르게, 제1 상전도 코일(610)과 병렬로 제2 상전도 코일(620)을 전기적으로 연결하여, 기계적 스위치(630)와 함께 주 회로를 구성한다.
제1 상전도 코일(610)은 초전도체(640)와 전기적으로 연결되지 않고, 자기적으로 결합되어 있다.
반발판(650)은 제1 상전도 코일(610) 대신 제2 상전도 코일(620) 주변에 위치한다. 또한, 반발판(650)은 접점(660) 및 기계적 스위치(630)와 기계적으로 연결되어 있다.
반발판을 구동시키는 자기장은 본 발명의 실시예에서는 제1 상전도 코일(610)에 대응하는 상전도 코일(도 2의 210)에서 발생하는 반면에, 본 발명의 다른 실시예에서는 제2 상전도 코일(620)에 의해 발생한다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 초전도체(640) 및 제1 상전도 코일(610)과 제2 상전도 코일(620), 기계적 스위치(630) 및 접점(660)을 분리할 수 있으며, 이로 인하여 본 발명의 실시예에 비하여 부품의 배열에 있어 공간적인 제약을 덜 받을 수 있다.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 초전도 한류기에 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우, 전류는 제1 상전도 코일(610) 및 기계적 스위치(630)를 통해 흐른다. 이때, 복합형 초전도 한류기의 임피던스는 "0"에 가깝다.
복합형 초전도 한류기에 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우, 초전도체(640)는 초전도성을 잃게 되고, 제1 상전도 코일(610)이 임피던스를 갖게된다.
제1 상전도 코일(610)의 임피던스가 제2 상전도 코일(620)의 임피던스보다 큰 경우, 전류는 제2 상전도 코일(620)로 흐르게 되고, 이에 따라 제2 상전도 코일(620) 주변에 자기장이 발생한다. 이때, 자기장은 제2 상전도 코일(620) 의 주변에 위치하는 반발판(6500)에 반발력을 가하게 되어, 반발판(650)을 움직이게 한다. 그러면, 반발판(650)은 접점(660)을 닫고 기계적 스위치(630)를 열리게 하여, 전류를 한류한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
210; 상전도 코일 220; 기계적 스위치
230; 초전도체 240; 접점
610; 제1 상전도 코일 620; 제2 상전도 코일
630; 기계적 스위치 640; 초전도체
650; 반발판 660; 접점

Claims (9)

  1. 초전도체를 이용하는 복합형 초전도 한류기에 있어서,
    입력단과 일단이 연결되고, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 상전도 코일;
    상기 상전도 코일의 타단과 출력단을 연결하는 스위치;
    임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 상전도 코일에서 발생하는 자기장에 의해 움직이는 반발판; 및
    상기 상전도 코일의 양단과 병렬로 연결되는 접점을 포함하며,
    상기 반발판은
    상기 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 닫고, 상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 열고 상기 접점을 닫아, 상기 전류를 한류시키는 복합형 초전도 한류기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전도 코일은
    상기 초전도체를 권회하는 형태로 연결되어, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합형 초전도 한류기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치와 병렬로 연결되는 리액터 또는 저항을 더 포함하는 복합형 초전도 한류기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 접점은
    상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 전류를 상기 리액터 또는 저항을 거쳐 한류시키는 복합형 초전도 한류기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초전도체는
    상기 임계전류보다 작은 전류가 흐르는 경우 저항이 없고, 상기 임계전류보다 큰 전류가 흐르는 경우 저항이 발생하는 것을 특징으로 하는 복합형 초전도 한류기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반발판은
    상기 스위치와 상기 접점을 기계적으로 연결시키는 복합형 초전도 한류기.
  7. 초전도체를 이용하는 복합형 초전도 한류기에 있어서,
    입력단과 일단이 연결되고, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 제1 상전도 코일;
    상기 제1 상전도 코일의 타단과 출력단을 연결하는 스위치;
    상기 제1 상전도 코일과 병렬로 연결되어 있는 제2 상전도 코일;
    임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우, 상기 제2 상전도 코일에서 발생하는 자기장에 의해 움직이는 반발판; 및
    상기 제2 상전도 코일의 양단과 병렬로 연결되는 접점을 포함하며,
    상기 반발판은
    상기 임계전류 이하의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 닫고, 상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 스위치를 열고 상기 접점을 닫아, 상기 전류를 한류시키는 복합형 초전도 한류기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 상전도 코일은
    상기 초전도체를 권회하는 형태로 연결되어, 상기 초전도체와 자기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합형 초전도 한류기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 스위치와 병렬로 연결되는 리액터 또는 저항을 더 포함하며,
    상기 리액터 또는 저항은
    상기 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우에 상기 전류를 한류시키는 것을 특징으로 하는 복합형 초전도 한류기.
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