KR101110340B1 - 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 ｃｉｃｃ 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변전소의 이중모선을 연결하면서 저항이 거의 없는 CICC(Cable-in Conduit-Conductor)초전도자석을 이용하여, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시 발생하는 고장전류(fault current)를 정상 전류로 변환하여 전력 계통에 연결되어있는 설비나 사람의 안전을 보호하는 모선연결 시스템에 관한 것이다.
보다 자세하게 설명하면, 다른 발전소로 각각 연결된 동일 변전소의 이중모선을 서로 연결하면서 단락 등이 발생된 경우 변전소의 보호 차단기가 작동되는 시간 전에 초전도 자석의 코일의 인턱턴스 변화를 통해 수 밀리초 이내에 고장전류를 제한함으로써 용량이 큰 차단기로의 교체에 따른 설비 및 비용증가방지, 선로 증설 감축, 전력 기기 기준 완화 등을 가능케 하여 전력 계통의 유연성, 안정도, 신뢰도를 획기적으로 개선하도록 구성된 모선연결 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 모선연결시스템에 있어서, 변전소에는 발전소들의 모선과 각각 연결되어 있는 이중모선이 구성되며, 상기 이중모선 사이에 차단기와, 상기 고장전류를 제한하기 위해 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸는 방식인 관내연선도체(CICC)를 이용하여 제작된 초전도코일을 포함하는 CICC 초전도 자석을 배치하면서 서로 연결된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템을 제시한다.
본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템에서 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우 변전소에 설비된 차단기가 작동되는 시간전에 상기 CICC 초전도자석의 임피던스 변화을 통해 고장전류를 제한하도록 구성하여 고장전류로 인한 피해를 방지할 수 있는 효과가 있으며, 정상전류가 공급되는 경우에는 전력계통에 영향을 주지 않으면서, 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우에만 CICC 초전도 자석의 임피던스가 커지면서 고장전류를 제한하는 방식이므로 높은 고장전류를 근원적으로 존재하지 않게 할 수 있으며, 또한 고장전류를 억제함에 따른 각종 기기의 수명연장과 안전사고방지효과를 갖게 된다.

Description

변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 ＣＩＣＣ 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템{The bus-connection system using the CICC superconduction magnet for protecting power system from fault current when connecting bus of the substation}

본 발명은 변전소의 이중모선을 전기저항이 거의 없는 CICC(Cable-in Conduit-Conductor)초전도자석을 이용하여, 낙뢰, 지락, 단락 등의 사고시 발생하는 고장전류(fault current)를 억제하여 전력 계통에 연결되어있는 설비나 사람의 안전을 보호하는 모선연결 시스템에 관한 것이다.

보다 자세하게 설명하면, 다른 발전소로 각각 연결된 동일 변전소의 이중모선을 서로 연결하면서 단락 등이 발생된 경우 변전소의 보호 차단기가 작동되는 시간 전에 초전도 자석의 코일의 인턱턴스를 통해 수 밀리초 이내에 고장전류를 제한함으로써 용량이 큰 차단기로의 교체에 따른 설비 및 비용증가방지, 선로 증설 감축, 전력 기기 기준 완화 등을 가능케 하여 전력 계통의 유연성, 안정도, 신뢰도를 획기적으로 개선하도록 구성된 모선연결 시스템에 관한 것이다.

전력계통의 전력선에서 고장이 나면 대단히 큰 전류인 고장전류가 발생한다. 고장전류는 정상전류(송전선에서 약 1000~3000암페어)의 수십 배에 달하며, 이 고장전류를 제대로 처리하지 못하면 설비에 정전이 일어나고 때로는 발전설비에도 피해를 준다.

한전의 송배전 계통에서 고장전류 현상은 어제오늘의 문제가 아니다. 이를 해소하기 위해 차단기 교체, 모선분리, 교류를 직류로 잠시 바꾸는 back-to-back 방식도 고려되고 있다. 이는 막대한 경제적 문제를 포함하고 있는 사안들이다.

우리나라의 전력계통은 송전선로가 짧은 대신 수요증가에 따른 지속적인 설비 증설로 인해 단락등의 사고시 고장전류가 높아지는 문제를 안고 있다. 이 때문에 한전은 단락등의 사고시의 발생되는 과전류에 대비해 차단기를 설치하고 있지만 설비가 늘어나면서 차단용량이 고장전류의 크기에 못 미치는 차단기가 증가하는 추세이다.

이에 따라, 기존 차단기의 용량을 높이거나 새 제품으로 교체하는 방안을 생각해 볼 수 있지만, 이는 기술적인 면이나 경제적인 면에서 상당한 부담을 주게 되는 문제점을 갖고 있다.

또 다른 대안으로, 모선분리 방식을 채택하여 154kV 계통에 적용하고 있지만 이마저도 인접계통에 대한 과부하, 전압변동심화, 전력계통 안정도 저하 등의 부작용을 낳고 있으며, 345kV 계통의 경우는 부분적으로 모선분리를 시행하면서 공심 리액터를 설치하고 있는 실정이다.

보다 자세하게는, 우리나라의 경우 한전의 주 전력계통은 345kV 선로로서 강력하게 네트워크화되어 있다. 여기에 수용가로 연결을 위해 154kV 송전선로를 설치하고 있다. 이 계통은 선로가 짧은데다 지속적 설비 증설로 고장전류가 증가하였으며, 고장전류를 줄이기 위해 154kV의 경우 다수의 변전소에서 모선을 분리하고 방사상 운전을 채택하고 있다.

이는 고장전류 억제를 위한 선택이지만 계통의 유연성 및 공급신뢰도 저하를 감수해야 한다.

또한, 최근에는 초전도 한류기를 전력계통에 응용하는 기술이 제안되고 있으나, 일반적인 초전도 한류기에 사용되는 초전도 자석은 초전도 케이블을 직접 구조물에 권선하고 절연공정을 통하여 제작하기 때문에 대전류 통전에 따른 구조적인 지지측면에서 매우 불안정하며, 이에 따라 초전도 자석의 상전도 전이 현상인 켄칭(Quenching) 발생 가능성이 매우 높고, 이로 인해 켄칭이 많아질수록 초전도 자석의 성능은 점차적으로 저하되는 문제점이 있다.

또한, 통상 사용되는 진공에폭시 함침법에 의한 초전도 케이블의 구조적인 지지는 냉매와의 접촉을 제한함으로써 운전과정시 발생하는 열의 효과적인 제거를 어렵게 하는 단점이 있다.

다시 말해, 전력계통에 응용되는 초전도 자석은 정상시 켄칭의 발생이 없는 충분한 안정성이 확보되어야 하며, 초전도 자석에 전류가 투입되는 시점인 계통사고나 사고복구시에 전류변화에 따른 AC 손실에 따른 열 발생에 대한 충분한 마진이 확보되어야만 하나, 사고전류의 억제효과 및 계통의 운영 유연성 확보를 동시에 충족시키기 위하여 제안되고 있는 종래의 초전도 한류기에는 구체적으로 전력계통에 적용할 수 있는 안정적인 초전도 자석의 설계 및 운영기술의 확보 측면에 대한 기술이 명확하게 제시되지 않는 실정이다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 발전소간의 모선을 동일변전소를 통해 서로 연결하면서 발전소간 전력을 서로 보충하여 공급하다가, 단락 등이 사고로 고장전류가 발생되는 경우에 고장전류를 제한하여 전력계통을 보호하기 위하여 기계적인 강도가 우수하고 대전류의 통전에 적합하도록 관내연선도체(CICC)를 이용한 초전도 자석을 통한 모선연결시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우 발전소에 설비된 차단기가 작동되는 시간전에 즉시 CICC 초전도자석의 인덕턴스를 통해 고장전류를 제한하도록 구성된 모선연결시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 정상전류가 공급되는 경우에는 전력계통에 영향을 주지 않으면서, 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우에만 고장전류를 제한하는 방식으로 높은 고장전류를 근원적으로 존재하지 않게 할 수 있으며, 또한 고장전류를 억제함에 따른 각종 기기의 수명연장과 안전사고방지를 위한 모선연결시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 정상전류로 복귀되면서 상기 초전도자석의 저항이 제로가 되면서 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 보호수단이 내장된 모선연결시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 모선연결시스템에 있어서, 변전소에는 발전소들의 모선과 각각 연결되어 있는 이중모선이 구성되며, 상기 이중모선 사이에 차단기와 상기 고장전류를 제한하기 위해 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싼 관내연선도체(CICC)를 이용하여 제작된 CICC 초전도 코일이 형성된 초전도 자석을 배치하면서 서로 연결된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템을 제시한다.

상기 초전도 코일은 상기 관내연선도체(CICC)로 초임계 액체헬륨을 5기압의 압력으로 흘려보내 극저온으로 냉각시켜 형성할 수 있다.

상기 CICC 초전도 자석은 단락이 발생된 경우 상기 차단기가 작동되기전에 상기 초전도코일의 인턱턴스 변화를 통해 고장전류를 제한하도록 구성될 수 있다.

상기 전력계통에는 상기 CICC 초전도 자석의 상기 초전도코일로 변전된 고장전류를 흐르도록 상기 전력계통과 연결된 변압기와, 상기 변압기를 통해 변전된 상기 고장전류를 직류로 정류하는 브릿지회로부를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 전력계통에는 상기 CICC 초전도 자석에 의해 정상전류로 복귀되면서 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 보호회로부가 구성될 수 있다.

상기 보호회로부에는 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 다이오드와 저항이 직렬연결되어 초전도코일과 연결될 수 있다.

또한, 상기 전력계통에는 전원을 단락상태로 구성하기 위한 테스트 스위치부가 구성될 수 있다.

본 발명인 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템에 대해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫 번째로, 본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템에서 관내연선도체(CICC)를 이용하여 제작된 CICC 초전도 자석은 다른 형태의 한류기와는 달리 초전도코일이 DC 리액터 형태로서 상전이를 발생하지 않고 초전도 코일의 인덕턴스를 이용하여 고장전류를 제한하는 구조로 되어 있기 때문에 상전도 전이에 따른 초전도체의 성능저하를 줄일 수 있어 전력계통에 응용되도록 충분한 안정성이 확보되는 장점이 있다.

두 번째로, 본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템에서 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우 변전소에 설비된 차단기가 작동되는 시간전에 상기 CICC 초전도자석의 임피던스 변화를 통해 고장전류를 제한하도록 구성하여 고장전류로 인한 피해를 방지할 수 있는 효과가 있다.

세 번째로, 본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템은 정상전류가 공급되는 경우에는 전력계통에 영향을 주지 않으면서, 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우에만 CICC 초전도 자석의 임피던스가 커지면서 고장전류를 제한하는 방식이므로 높은 고장전류를 근원적으로 존재하지 않게 할 수 있으며, 또한 고장전류를 억제함에 따른 각종 기기의 수명연장과 안전사고방지효과를 갖게 된다.

네 번째로, 본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템은 정상전류로 복귀되면서 상기 초전도코일의 저항이 제로에 가깝게 되면서 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 다이오드와 저항을 직렬연결한 보호회로부와 연결시켜 제거하여 초전도 자석의 안정성을 확보할 수 있는 효과를 갖게 된다.

다섯 번째로, 본 발명에 의한 변전소의 모선연결시스템에는 상기 전력계통의 전원을 단락상태로 임의로 구성하기 위한 테스트 스위치부가 구성되어 상기 CICC 초전도자석의 오작동여부를 미리 확인할 수 있도록 하여 CICC 초전도 자석의 동작의 신뢰성을 확인할 수 있는 효과를 갖게 된다.

여섯 번째로, 변전소의 모선연결시스템에서 고장이 생겨 고장전류가 발생되는 경우 본 발명의 CICC를 이용한 초전도 자석은 전기적 절연을 유지시켜 줄뿐 아니라 코일의 기계적 강도를 유지시켜 주는 구조로 제작되어 종래의 초전도 자석처럼 초전도 케이블을 직접 구조물에 권선하고 절연공정을 통하여 제작하여 대전류 통전에 따른 구조적인 지지측면에서 매우 불안정했던 문제를 해결할 수 있게 된다.

일곱 번째로, 변전소의 모선연결시스템에서 CICC 초전도자석은 CICC 내부의 냉매에 의해 내/외부에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있어 충분한 열수력 안정성을 확보할 수 있는 효과를 갖게 된다.

여덟 번째, 본 발명의 변전소의 모선연결시스템에 장착되는 초전도 자석은 전기저항이 영이기 때문에 정상상태시 계통에 부하로서 작용하지 않기 때문에 계통운영의 효율성을 기대할 수 있으며, 또한 사고시 자체 인덕턴스로 고장전류를 억제함으로써 고장전류로 인한 고가의 전력기기를 효과적으로 보호할 수 있는 효과가 있으며, 고장전류의 제한으로 전력계통의 용량 증가로 인한 기존의 차단기 성능을 향상시킬때 발생하는 추가비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

아홉번 째로, 본 발명의 변전소의 모선연결시스템에 장착되는 초전도 자석은 초전도선재 표면에 크롬 도금을 수행하여 도체 내부에서 발생하는 손실(AC loss)을 최소화할 수 있으며, 초임계 헬륨(He)을 관내연선도체(CICC)로 강제 순환시켜, 초전도자석의 운전시 초전도 선재의 냉매 접촉면을 운전과정에서 확보하여 운전 중에 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 실시예에 의한 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 모선연결시스템에 사용되는 CICC 초전도 자석의 제작공정을 나타낸 제품공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석의 장착구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석의 초전도코일에 직류전류를 공급하는 브릿지회로부내의 전류흐름을 나타내는 동작상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의하여 단락에 따라 고장전류가 발생시 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석에 따른 고장전류의 제한상태를 나타내는 동작상태도이다.

이하 본 발명에 의한 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 실시예에 의한 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템 구성도이다.

도시된 바를 참조할 때, 네트워크화 되어 있는 변전소(S1)의 전력계통에는 발전소들(G1, G2)의 모선(Bus1, Bus5)과 각각 연결되어 있는 모선(Bus2, Bus4)이 구성된다.

상기 모선(Bus2, Bus4)은 동일 변전소(S1)의 이중모선을 나타내고 있으며, 차단기 차단기 7의 개방에 의하여 모선분리 운전이 가능하게 된다. 모선 연결 차단기로서 차단기 7이 모선(Bus2)과 모선(Bus4) 사이에 존재하게 되는데, CICC(Cable-in Conduit-Conductor) 초전도 자석(100)은 이와 직렬로 배치되어 설치된다.

따라서, 초전도 자석의 저항이 0인 경우는 실질적으로 모선연결(Bus connection)을 의미하며 무한대인 경우는 모선분리(Bus split)를 의미한다.

상기 CICC 초전도 자석(100)은 고장전류를 제한하기 위해 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸는 방식으로 제조된 관내연선도체(CICC)를 이용하여 제작된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

이 때, 상기 이중모선 연결시에 모선(Bus1)에 3상 단락사고가 발생했을 경우의 모선의 임피던스 감소에 따라 고장용량은 일반적으로 45kA에 달한다.

보다 자세하게는, 변전소(S1)의 이중모선을 연결을 하는 경우의 단락사고 등에 모선의 내부 임피던스가 보통 154kV 일 경우는 0.1Ω에서 0.03Ω으로 작아지면서 고장전류가 15kA에서 45kA 로 커지며 최대 53kV까지 도달할 수 있다.

따라서 모선연결시에 단락사고 등이 발생하는 경우 이러한 고장용량을 갖는 고장전류가 그대로 각종설비로 흐르게 된다면 그에 따른 피해가 상당해지며, 인체감전 등의 안전성이 문제될 수 있다.

이를 위해, 상기 전력계통에는 차단기의 차단용량이 보통 50kA에 달하는 차단기가 설치되고 있으나, 단락 사고후 차단기가 동작하기까지의 기간인 약 5사이클 동안에는 고장전류의 강하 서지전압에 의한 피해가 불가피 하다.

또한, 발전소(Bus1, Bus5)의 모선을 변전소(S1)을 통해 이중모선으로 연결하는 경우에 차단기 5,6과 10,11 및 7은 어떤 사고에서도 고장전류가 차단기의 용량 50kV를 초과하지 못한다. 이는 차단기를 통과하는 전력이 발전소(G1, G2) 중 한개의 전원으로부터의 전류만 감당하기 때문이다. 이와는 달리, 수용가 방향으로 향하는 선로에 부착된 차단기 3,4 및 8,9는 해당선로 사고시 양 발전소(G1, G2)의 전력조류 전체를 흡수할 수 있어 최대 고장전류에 노출되게 되어 차단용량이 큰 차단기의 교체가 또한 요구되는 문제점이 있다.

이를 방지하기 위해, 본 발명에서는 CICC 초전도 자석(100)이 이중모선 사이에 설치되면서 고장전류에 따른 피해를 방지하도록 구성되며, 도 1의 경우라면 변전소(S1)에 설치된 9대의 차단기 중 4개는 고장용량을 초과하는 고장전류로부터의 위험에서 벗어나게 된다.

도 2는 본 발명의 모선연결시스템에 사용되는 CICC 초전도 자석의 제작공정을 나타낸 제품공정도이다.

도시된 바를 참조하면, CICC 초전도 자석을 제작하기 공정은 CICC 제작공정(S100)으로 시작하며, 상기 CICC 제작공정이란 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싼 관내연선도체(CICC)를 제작하기 위한 공정이다.

상기 CICC 제작공정(S100)에는 초전도 선재의 제작기술, 초전도 선재의 크롬도금기술 등이 필요하다.

초전도 선재는 봉재를 0.78mm 두께로 10km 이상 길이의 조장으로 인발하여 가공하게 되며, 초전도 물질을 형성하기 위해 초전도 선재는 최고온도 660도에서 600시간 정도 열처리 공정을 거치게 된다.

이 공정에서 초전도 선재간의 소결(고온에서 선재가 서로 붙는 현상) 억제와 도체 내부에서 발생하는 손실(AC loss)을 최소화하기 위해 초전도선재 표면에 크롬 도금을 수행하게 된다. 상기 크롬 도금은 표면 균일도가 0.1 미크론 이하의 정밀성이 요구될 뿐만 아니라 최대 15km까지 연속으로 도금작업을 수행하게 된다.

상기 초전도체인 CICC의 제작에는 초전도 선재를 금속관으로 감싸는 조관 성형기술과 감싸여진 금속관의 길이방향으로 용접하는 용접기술, 금속관에 감싸져 원형으로 용접된 선재를 정해진 치수에 맞도록 성형하는 기술, 원형의 CICC 초전도체를 사각으로 성형하는 기술이 포함된다.

상기 CICC의 jacket 재료인 상기 금속관의 재료는 초전도선재와 열적특성이 비슷한 특수금속(Incoloy 908)이 사용된다.

또한, 상기 CICC의 금속관 내부에는 헬륨(He)등의 냉매가 주입되도록 구성되어, 초전도 선재의 냉매 접촉면을 운전과정에서 확보하여 운전 중에 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

다시말해, 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로 초전도자석의 운전시 초전도 선재의 냉매 접촉면을 운전과정에서 확보하여 운전 중에 발생하는 열을 4.5K로 냉각하기 위해 약 5기압의 초임계 헬륨(He)을 관내연선도체(CICC)로 강제 순환시킨다.

상기 CICC 초전도 자석을 제작하기 위한 다음 단계로, 연속 권선공정(S200)이 구성되는데, 상기 연속 권선공정(S200)이란 앞서 제작된 초전도체인 CICC를 원하는 자석형상으로 성형하는 단계이다.

이에, CICC 도체의 잔류응력을 제거해 주는 그릿 블래스팅(Grit Blasting)공정, 연속적으로 도체를 이송하고 직선 및 곡선으로 성형해 주는 공정이 진행된다.

다시 말해, 상기 그릿 블래스팅 공정은 도체 표면에 미세한 입자를 충돌시켜 도체 표면에 묻어 있는 이물질을 제거하고, CICC에 존재하는 잔류응력을 제거하는 공정이다.

이러한 권선공정 중 CICC를 이송하는 공정은 정밀제어가 가능한 롤러를 통해 이루어지고, 초전도 자석의 형상은 3점 밴딩롤러를 거쳐 최대 1,700m 까지 연속적으로 이루어진다.

다음 단계로, 조인트 설치공정(S300) 및 열처리 공정(S400)이 구성되는데, 조인트 설치공정은 연속권선된 CICC에 조인트를 설치하여 초전도코일을 형성하는 공정으로, 다시말해 전원공급 장치로부터의 전류 공급을 위해 접속 저항이 수 nΩ이하를 유지해야 하는 조인트(Joint)를 설치하는 공정이다.

상기 열처리 공정에서는 초전도체를 만들기 위해 30일간의 진공 열처리가 진행된다. 열처리공정을 통하여 초전도 선재 내의 물질(Nb와 Sn)이 반응하여 초전도체(Nb₃Sn)을 형성하게 된다. 이 때 요구되는 온도 균일도는 공간적으로 ±1.5°C 이내이며, 시간적으로는 ±3°C이내이다.

또한 자켓(Jacket)인 금속관의 재료(Incoloy 908)의 특성상 내부 진공도는 산소분압을 기준으로 660℃ 고온상태에서 0.08 ppm 이하를 유지하여야 한다. 이러한 조건이 충족되지 않은 상태에서 진공 열처리 반응이 수행될 경우에 자켓에서 고온산화현상(SAGBO;Stress Acceleration caused by Grain Boundary Oxidation)이 발생될 가능성이 높아져 재료의 구조적인 결함이 발생되어 초전도자석을 안정적으로 운전 할 수 없게 된다. 이 때문에 진공 열처리 공정은 장치의 안정적 가동 보장과 온도와 산소량의 정밀하고 섬세한 제어가 요구되는 상태로 장시간 운전되는 대형 열처리 장치와 운전 기술이 필요하다.

다음 단계로, 절연 테이핑(S500)공정 및 에폭시 진공함침 공정(S600)이 구성되는데, 절연테이핑 공정은 초전도코일의 운전시 도체 사이의 절연을 위해서 특수 테이프(Kapton과 S-glass)을 사용하여 절연 테이핑하는 공정이다. 상기 특수 테이프에 2가지 특수재료를 사용하는 이유는 한쪽이 절연 파괴가 되더라도 다른 한쪽이 이를 보완하여 주기 위함이다.

상기 절연테이핑 공정이 완료되면 초전도 코일 외곽에 테이프를 여러 겹 감아주는 공정을 추가 진행한다. 이는 후속 공정인 진공함침을 수행했을 경우 초전도코일의 전기적 절연을 유지시켜 줄뿐 아니라 코일의 기계적 강도를 유지시켜 주는 역할을 한다.

진공함침(Vacuum Pressure Impregnation, VPI) 공정은 절연테이핑에 에폭시를 침투시킴으로서 4.5 K 극저온 상태에서 전기적 절연 및 구조적 강도를 유지시키는 공정이다. 이 공정은 몰딩금형 조립, 진공배기, 에폭시 주입, 3일간의 양생(Curing)을 거쳐 공정이 완료된다. 이 진공 함침 공정이 완료되어야 비로소 자석제작이 완성된다.

보다 자세하게 설명하면, 현재까지 개발된 상기 초전도 자석(100)은 지구자장의 26만배에 달하는 최대 13테슬라의 자장을 얻을 수 있으며, 이러한 자장은 핵융합 반응에서 요구되는 플라즈마를 만들고 가두기 위해 필요한 것이다.

따라서, 초전도자석의 핵심 기술은 관내연선도체(CICC)를 조인트를 통하여 초전도 코일을 형성하여 초전도 자석을 제조함에 있다.

상기의 CICC 초전도 자석(100)의 초전도코일에는 변전소(S1)의 전력계통에서 정상전류가 흐를 때는 저항이 없어서 전류를 마음껏 흐르게 하다가 단락 등의 원인으로 인해서 송전선로 등에 과전류가 발생했을 때에는 즉시 초전도 코일 내의 저항이 크게 증가하여 높아진 저항으로 과전류가 흐를 수 없게 하여 전력계통을 보호하도록 구성된다.

즉, 상기의 CICC 초전도 자석(100)의 초전도코일에는 단락등의 사고 후에 즉시 자동적인 임피던스를 발생하게 되고, 상전이를 이용하여 고장전류를 제한하는 것이 아니라, 초전도 코일의 인덕턴스의 변화를 이용하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석의 장착구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석의 초전도코일에 직류전류를 공급하는 브릿지회로부내의 전류흐름을 나타내는 동작상태도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 의하여 단락에 따라 고장전류가 발생시 전력계통에 장착되는 CICC 초전도 자석에 따른 고장전류의 제한상태를 나타내는 동작상태도이다.

도 3에 도시된 바는 참조하면 3상 전력계통에 설치된 CICC 초전도 자석(100)을 나타내고 있다.

상기 CICC 초전도 자석(100)은 단락이 발생된 경우 전력계통에 설치된 차단기가 작동되기 전에 상기 초전도코일의 인턱턴스 변화를 통해 고장전류를 제한하게 된다.

이를 위해 상기 전력계통에는 CICC 초전도 자석(100)의 초전도코일로 변전된 고장전류를 흐르도록 상기 전력계통과 연결된 변압기(200)와 상기 변압기를 통해 변전된 상기 고장전류를 직류로 정류하는 브릿지회로부(300)를 포함하여 구성된다. 또한, 도시되지는 않았지만 관내연선도체(CICC)를 초전도상태 유지를 위한 크라이오스태트가 구성된다.

이처럼, 3상용 전력계통의 변압기(S1)에 CICC 초전도 자석(100)을 설치하는 경우에는 단상과는 달리 초전도코일의 개수를 1개로 줄일 수 있어 제조비용을 크게 줄일 수 있으며, DC 전원은 초전도코일에 흐르는 전류의 리플이 클 때 이를 보상해주는 것으로 3상형의 경우 리플이 작아 사실상 DC의 필요성이 작아지는 장점이 있다.

상기 CICC 초전도 자석(100)의 기본동작원리는 브릿지 회로부(300)를 통해 교류를 정류하여 초전도코일에 직류전류를 흐르게 하는 것으로, 전력계통에 정상전원이 인가되는 경우 초전도코일에는 일정한 전류가 흐르게 된다.

도 4를 참조할 때, 브릿지 회로부(300) 내에서 전류의 흐름을 보여주고 있으며, 화살표의 크기와 방향은 전류의 크기와 방향을 도식화한 것이다.

상기 브릿지회로부(300)로 들어오는 전류들은 각각 고유의 3상 위상차를 가지지만 초전도 코일을 통과하는 전류는 항상 일정함을 보여주고 있다. 다시 말해서, di/dt가 0 이므로 정상상태전류에서는 초전도 코일에 의한 전압강하는 거의 없는 것이다.

따라서, 브릿지회로부(300)내에서의 전력 손실은 관내 연선도체(CICC)에 의한 손실, 변압기에 의한 손실, 다이오드에 의한 손실이다. 이중 관내 연선도체(CICC)는 초전도 선재를 사용하므로 손실이 거의 없고 리액터의 크기도 작아지게 된다.

만약, 변전소(S1)의 이중모선을 연결한 전력계통에 단락사고가 발생할 경우, 정상상태에서 임피던스가 0 이었던 di/dt가 사고 후에는 큰 임피던스를 발생하게 되고, 발생한 임피던스 di/dt는 결국 초전도코일에 의한 전압강하를 발생시키게 되는 것이다.

이 때, 각각의 브릿지회로부(300)의 다이오드에 걸리는 전압은 정상상태에 비해서 수십배 증가하게 되고, 고장전류가 초전도 코일을 통해서 흐르게 된다. 여기서, 고장전류는 초전도 코일을 통과하게 되고, 브릿지회로부(300)를 통과하는 고장전류의 양은 점차 증가하게 된다. 그러나, 초전도 코일의 인덕턴스로 인해 고정전류는 급격히 증가하지 못하고 서서히 증가하게 된다.

따라서, 변전소(S1)에서 이중모선을 연결한 상태에서 단락사고가 발생하여도 초기에는 전력계통에 큰 영향을 미치지 못하게 되며, 결과적으로 고장전류가 완전히 증가하지 않은 상태에서 차단기가 동작하여 전원을 차단할 경우 전력계통을 완벽하게 보호할 수 있게 되는 것이다.

결국, 본 발명의 CICC 초전도 자석(100)의 초전도 코일은 사고 후 차단기가 동작하기 까지의 기간인 5사이클동안 작동되는 데에 의미가 있는 것이다.

도 5를 참조하면, 정격 6.6kV/200A의 전력계통에서 단락이 발생하는 경우에 전력계통의 이중모선에 연결된 CICC 초전도 자석의 동작상태를 보여주고 있다.

이처럼, 단락이 발생하면, 200A에서 급격히 상승된 4kA(2사이클)전류가 발생되나, CICC 초전도 자석(100)의 초전도 코일의 인턱턴스 변화를 통해 2사이클이 지나면 정상전류로 복귀되는 것을 나타내고 있다.

보다 자세하게는, CICC 초전도 자석(100)의 초전도 코일의 동작은 일반적인 서지전압의 특성과는 달리 고장전류가 발생되는 경우에 최초 피크값이 낮고 점차적으로 피크값이 상승하다가 2사이클이 지나면서 완전히 제거되는 특성을 보이고 있다.

즉, 이렇게 모선연결시 단락사고에서 고장용량이 큰 고장전류가 발생되는 경우에 최초 피크값을 최소화할 수 있다는 점은 CICC 초전도 자석(100)의 초전도 코일의 중요한 특징이 될 수 있는 것이다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상기 전력계통에는 CICC 초전도 자석(100)에 동작함에 따라 정상전류로 복귀되면서 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 보호회로부(400)가 구성될 수 있다.

상기 초전도코일에는 고장전류가 증가하다가 다시 사고상태를 제거하면 계통에는 정상전류가 흐르게 되지만 CICC 초전도 자석(100)내에는 아직 고장 전류가 존재하게 되면서, 초전도코일의 저항이 0이기 때문에 계속적으로 초전도코일에 충전된 고장전류가 흐르게 되는 문제점을 갖게 된다.

이를 방지하기 위해 전력계통내에 보호회로부(400)를 구성할 수 있으며, 상기 보호회로부(400)에는 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 다이오드와 저항이 직렬연결되어 구성될 수 있다.

또한, 상기 전력계통에는 상기 전력계통의 전원을 단락상태로 구성하기 위한 별도의 테스트 스위치부(500)가 구성될 수 있다.

즉, 상기 전력계통의 전원을 단락상태로 임의로 구성하기 위한 테스트 스위치부(500)를 구성함으로써 CICC 초전도자석(100)의 오작동여부를 미리 확인할 수 있도록 하여 동작의 신뢰성을 미리 확인해 볼 수 있는 효과를 갖게 된다.

이상 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

100: CICC 초전도 자석 101: 토카막장치
103: PF 구조물 105: 연결구조물
107: TF 구조물 200: 변압기
300: 브릿지회로부 400: 보호회로부
500: 테스트스위치부

Claims (7)

1. 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 모선연결시스템에 있어서,
   변전소에는 발전소들의 모선과 각각 연결되어 있는 이중모선이 구성되며,
   상기 이중모선 사이에 차단기와 상기 고장전류를 제한하기 위해 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싼 관내연선도체(CICC)를 이용하여 제작된 CICC 초전도 코일이 형성된 초전도 자석을 배치하면서 서로 연결된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 초전도 코일은 상기 관내연선도체(CICC)로 초임계 액체헬륨을 5기압의 압력으로 흘려보내 극저온으로 냉각시켜 형성한 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 CICC 초전도 자석은 단락이 발생된 경우 상기 차단기가 작동되기전에 상기 초전도코일의 인턱턴스 변화를 통해 고장전류를 제한하도록 구성된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 전력계통에는 상기 CICC 초전도 자석의 상기 초전도코일로 변전된 고장전류를 흐르도록 상기 전력계통과 연결된 변압기와,
   상기 변압기를 통해 변전된 상기 고장전류를 직류로 정류하는 브릿지회로부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 전력계통에는 상기 CICC 초전도 자석에 의해 정상전류로 복귀되면서 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 보호회로부가 구성된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 보호회로부에는 상기 초전도코일에 잔류되어 있는 고장전류를 제거하기 위한 다이오드와 저항이 직렬연결되어 초전도코일과 연결된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.
7. 제 4항에 있어서,
   상기 전력계통에는 전원을 단락상태로 구성하기 위한 테스트 스위치부가 구성된 것을 특징으로 하는 변전소의 모선 연결시 발생되는 고장전류로부터 전력계통을 보호하기 위한 CICC 초전도 자석을 이용한 모선연결시스템.

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