KR101118747B1 - 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전도 전력 케이블에 관한 것으로서, 초전도 도체를 포함하는 코아부와, 상기 코아부를 내부에 수용하는 단열관과, 상기 단열관 안쪽으로 상기 코아부의 냉각을 위한 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 포함되도록 공간부가 형성된 초전도 전력 케이블에 있어서, 상기 공간부 또는 상기 단열관 내부에 기체 헬륨 또는 액체 수소가 흐를 수 있도록 유로가 형성되어, 상기 액체 질소 또는 고체 질소와 복합적으로 초전도 도체의 냉매로 작용하도록 형성된 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 초전도 전력 케이블 내부에 기존의 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매와 함께 보다 낮은 온도의 기체 헬륨 또는 액체 수소를 냉매로 이용할 수 있도록 유로를 형성하여 초전도 운전 중 액체 질소 또는 고체 질소의 온도가 올라가거나, 다른 원인에 의한 부하의 변동, 전류 용량의 증가 필요시에 액체 질소 또는 고체 질소와 함께 기체 헬륨 또는 액체 수소가 복합적으로 냉매로 작용하도록 하여 초전도 전력 케이블의 안정적인 운전이 가능한 이점이 있다.
Description
본 발명은 초전도 전력 케이블에 관한 것으로서, 초전도 전력 케이블에 기존의 액체 질소 또는 고체 질소를 그대로 냉매로 사용하면서 기체 헬륨 또는 액체 수소 유로를 추가하여 부하 변동 및 용량 변동 시 냉매의 온도 제어가 용이하도록 한 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블에 관한 것이다.
최근 초전도 도체의 개발과 함께 이를 이용한 초전도 전력 케이블의 실계통 적용에 관련한 노력이 진행되고 있다. 초전도 전력 케이블은 같은 공간에 상전도 케이블에 비하여 최소 5배 이상의 전력을 송전할 수 있으며, 화재 위험 등이 거의 없는 친환경적인 장점을 갖고 있다.
이러한 초전도 케이블은 하나의 코어로 이루어진 단상 초전도 케이블, 다수개의 코어를 하나로 묶어 이루어진 다상 초전도 케이블 등이 있으며, 특히 3개의 코어가 일괄로 이루어진 삼상 일괄형의 삼상 초전도 케이블이 널리 연구되고 있다. 상기 삼상 케이블은, 2중으로 금속관 사이에 단열재가 구비된 진공 단열관과, 상기 단열관 내부에는 3개의 코아가 서로 꼬여 일괄로 형성된 코아부로 크게 이루어지며, 상기 진공 단열관과 코아 사이의 공간부에는 액체 질소와 같은 냉매가 포함되며, 이 공간부는 코아부를 냉매시키면서 액체 질소가 흐를 수 있도록 유로의 역할을 하게 된다.
상기 액체 질소에 의해 상기 코아부가 냉각되어 약 77K 이하의 극저온에서 초전도 전력 케이블의 원활한 운전이 가능하게 되는 것이다. 그러나, 이러한 극저온을 유지하기 위해서는 극저온 냉동기 및 냉각 시스템을 이용하여 액체 질소를 상기 공간부 내로 냉각 순환 및 냉각시켜야 한다. 이 경우 초전도 전력 케이블의 안정적인 운전을 위하여 냉각 시스템의 설계를 케이블의 최대 부하 시 발생하는 발열량을 기준으로 설계하게 된다. 따라서, 계통의 특성상 주/야간 부하 변동과 상관없이 초전도 전력 케이블 및 냉각 시스템은 최대 부하 기준에 맞추어 설계하게 되므로 평균부하를 고려하였을 경우보다 과설계(overdesign)되게 된다.
또한, 초전도 전력 케이블은 더욱 낮은 온도로 냉각할수록 냉각 비용은 증가하게 되지만, 송전 용량은 늘릴 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 초전도 전력 케이블은 용량 증가의 필요성에 따라 액체 질소 온도 이하에서 운전하기도 한다. 하지만, 액체질소로 냉각하는 시스템은 유체가 연속하여 흘러가면서 냉각을 수행해야 하므로, 질소 유동을 위한 별도의 시스템이 필요할 뿐만 아니라, 액체질소가 고화되는 온도(64K) 이하에서는 운전을 할 수 없게 된다.
따라서, 향후 냉각시스템의 성능 향상으로 인하여 냉각비용이 감소하게 되더라도 64K 이하에서는 액체 질소인 냉각재를 변경하지 않고서는 초전도 전력 케이블을 운전할 수 없게 된다. 한편, 64K 이하에서 운전하기 위해서 고체 질소를 사용하는 기술이 있으나, 이는 모두 고체 질소를 직접적으로 사용하여 냉각시키는 것으로서, 초전도 전력 케이블의 부하 변동 및 용량 변동에 따른 설계에 능동적으로 대응할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 초전도 전력 케이블에 기존의 액체 질소 또는 고체 질소를 그대로 냉매로 사용하면서 기체 헬륨 또는 액체 수소 유로를 추가하여 부하 변동 및 용량 변동에 따른 냉매의 온도 제어가 용이하도록 한 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 초전도 도체를 포함하는 코아부와, 상기 코아부를 내부에 수용하는 단열관과, 상기 단열관 안쪽으로 상기 코아부의 냉각을 위한 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 포함되도록 공간부가 형성된 초전도 전력 케이블에 있어서, 상기 공간부 또는 상기 단열관 내부에 기체 헬륨 또는 액체 수소가 흐를 수 있도록 유로가 형성되어, 상기 액체 질소 또는 고체 질소와 복합적으로 초전도 도체의 냉매로 작용하도록 형성된 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 유로는 상기 단열관과 동축형성되어 상기 코아부를 내부에 포함하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코아부가 하나로 이루어진 단상 초전도 전력 케이블인 경우에는, 상기 유로가 상기 코아부의 중공부가 되며, 또한, 상기 유로는, 상기 단열관과 동축형성되어 상기 코아부를 내부에 포함하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코아부가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에는, 상기 유로는 단열관과 동축형성되어 상기 세개의 코아부의 중심부에 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 코아부가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에는, 상기 유로는 인접하는 코아부 사이에 하나씩 형성되는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 초전도 전력 케이블 내부에 기존의 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매와 함께 보다 낮은 온도의 기체 헬륨 또는 액체 수소를 냉매로 이용할 수 있도록 유로를 형성하여 초전도 운전 중 액체 질소 또는 고체 질소의 온도가 올라가거나, 다른 원인에 의한 부하의 변동, 전류 용량의 증가 필요시에 액체 질소 또는 고체 질소와 함께 기체 헬륨 또는 액체 수소가 복합적으로 냉매로 작용하도록 하여 초전도 전력 케이블의 안정적인 운전이 가능한 효과가 있다.
도 1 - 본 발명의 실시예 1에 따른 모식도.
도 2 - 본 발명의 실시예 2에 따른 모식도.
도 3 - 본 발명의 실시예 3에 따른 모식도.
도 4 - 본 발명의 실시예 4에 따른 모식도.
도 5 - 본 발명의 실시예 5에 따른 모식도.
도 6 - 본 발명의 실시예 6에 따른 모식도.
도 2 - 본 발명의 실시예 2에 따른 모식도.
도 3 - 본 발명의 실시예 3에 따른 모식도.
도 4 - 본 발명의 실시예 4에 따른 모식도.
도 5 - 본 발명의 실시예 5에 따른 모식도.
도 6 - 본 발명의 실시예 6에 따른 모식도.
본 발명은 초전도 전력 케이블의 내부에 냉매로 기존의 액체 질소 또는 고체 질소를 그대로 사용하면서, 초전도 전력 케이블 내에 액체 질소 또는 고체 질소보다 온도가 더 낮은 기체 헬륨 또는 액체 수소가 통과할 수 있는 유로를 형성하여, 상기 기체 헬륨 또는 액체 수소에 의한 액체 질소 또는 고체 질소의 온도를 제어하여 부하 변동 및 용량 변동에 따른 대처가 용이한 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 전력 케이블은 초전도 도체를 포함하는 코아부와, 상기 코아부를 수용하는 진공 단열관과, 상기 단열관 안쪽으로는 상기 코아부의 냉각을 위한 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 포함되도록 공간부가 형성되어 있으며, 본 발명에 따른 기체 헬륨 또는 액체 수소가 통과할 수 있는 유로는 상기 공간부에 형성되거나, 상기 단열관 내부의 빈 공간이 되어 상기 액체 질소 또는 고체 질소와 복합적으로 초전도 도체의 냉매로 작용하도록 한다.
즉, 초전도 전력 케이블 내의 액체 질소 또는 고체 질소에 의해 코아부의 초전도 도체를 냉각시키게 되며, 액체 질소를 냉매로 사용하는 경우에는 77K까지 냉각시키고, 고체 질소를 냉매로 사용하는 경우에는 64K까지 냉각시키게 된다. 여기에서, 액체 질소 또는 고체 질소의 온도가 올라가거나 부하의 변동, 전류 용량을 증가시키고자 할 경우에는 액체 질소 또는 고체 질소보다 낮은 온도의 기체 헬륨 또는 액체 수소를 상기 단열관 안쪽의 공간부에 형성된 유로, 또는 단열관 내부로 흐르도록 하여 냉매의 온도를 더욱 낮출 수 있도록 하며, 아울러 기존의 액체 질소를 사용하는 경우에는 액체 질소의 냉각 및 순환 시스템이 필요치 않게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예 1은 상기 코아부(10)가 하나로 이루어진 단상 초전도 전력 케이블인 경우에 상기 유로(100)가 상기 코아부(10)의 중공부가 되는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 진공 단열관(20) 내부의 공간부(30)에 코아부(10)가 하나 포함된 단상 초전도 전력 케이블은 포머(11) 내부에 중공부를 형성시킬 수 있으며, 별도의 기체 헬륨 또는 액체 수소를 위한 유로(100)의 형성없이 이 부분이 기체 헬륨 또는 액체 수소의 유로(100)가 된다. 그리고, 액체 질소 또는 고체 질소는 단열관(20)과 코아부(10) 사이의 공간부(30)에 수용되게 되어, 코아부(10)의 초전도 도체의 안쪽으로는 기체 헬륨 또는 액체 수소가 냉매로 작용하게 되고, 바깥쪽으로는 액체 질소 또는 고체 질소가 냉매로 작용하여, 코아부(10)의 온도를 낮춤과 동시에 액체 질소 또는 고체 질소의 온도를 더욱 낮추게 되어, 온도가 상승하거나, 부하의 가변, 용량의 변동 등에 용이하게 대처할 수 있도록 한다.
<실시예 2>
본 발명의 실시예 2는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코아부(10)가 하나로 이루어진 단상 초전도 전력 케이블인 경우에 기체 헬륨 또는 액체 수소를 위한 유로(100)가 상기 단열관이 된다. 이 경우에 단열관의 바깥쪽은 단열을 위해 약간의 두께를 둘 수 있으며, 별도의 기체 헬륨 또는 액체 수소의 유로(100) 형성없이 단열관 내부를 유로(100)로 이용한 것이다.
<실시예 3>
본 발명의 실시예 3은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 코아부(10)가 하나로 이루어진 단상 초전도 전력 케이블인 경우에 상기 실시예 1과 실시예 2를 결합한 것으로서, 상기 코아부(10)의 포머(11)에 의한 중공부 및 상기 단열관(20) 내부에 기체 헬륨 또는 액체 수소의 유로(100)를 구성한 것이다.
<실시예 4>
본 발명의 실시예 4는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 코아부(10)가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에 상기 기체 헬륨 또는 액체 수소를 위한 유로(100)가 상기 단열관(20)과 동축형성되어 상기 코아부(10)를 내부에 포함하도록 형성된 것이다. 즉, 단열관(20) 안쪽으로 유로(100)를 위한 관을 더 형성하여 기체 헬륨 또는 액체 수소가 흐를 수 있도록 하며, 그 안쪽의 공간부(30)에는 액체 질소 또는 고체 질소가 존재하게 된다.
<실시예 5>
본 발명의 실시예 5는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 코아부(10)가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에 상기 기체 헬륨 또는 액체 수소를 위한 유로(100)가 상기 세개의 코아부(10) 중심에 형성된 것이다.
<실시예 6>
본 발명의 실시예 6은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 코아부(10)가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에 상기 기체 헬륨 또는 액체 수소를 위한 유로(100)는 인접하는 코아부(10) 사이에 하나씩 세개가 형성된 것이다.
이와 같이 본 발명은 초전도 전력 케이블 내부에 기존의 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매와 함께 보다 낮은 온도의 기체 헬륨 또는 액체 수소를 냉매로 이용할 수 있도록 유로를 형성한 것으로, 상기 유로는 단상 또는 삼상 초전도 전력 케이블의 경우, 또는 다상의 초전도 전력 케이블의 경우에 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 존재하는 공간부 상, 진공 단열관 내부 또는 초전도 전력 케이블 내부에 액체 질소 또는 고체 질소에 어떠한 열적 영향을 미칠 수 있는 공간에 적절하게 형성되어, 초전도 전력 케이블 운전 중 액체 질소 또는 고체 질소의 온도가 올라가거나 다른 원인에 의한 부하의 변동, 전류 용량의 증가 필요시에 액체 질소 또는 고체 질소와 함께 기체 헬륨 또는 액체 수소가 복합적으로 냉매로 작용하도록 하여 초전도 전력 케이블의 안정적인 운전이 가능하도록 한 것이다.
10 : 코아부 20 : 단열관
30 : 공간부 100 : 유로
30 : 공간부 100 : 유로
Claims (6)
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- 초전도 도체를 포함하는 코아부(10)와, 상기 코아부(10)를 내부에 수용하는 단열관(20)과, 상기 단열관(20) 안쪽으로 상기 코아부(10)의 냉각을 위한 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 포함되도록 공간부(30)가 형성된 초전도 전력 케이블에 있어서,
상기 공간부(30) 또는 상기 단열관(20) 내부에 기체 헬륨 또는 액체 수소가 흐를 수 있도록 유로(100)가 형성되되,
상기 코아부(10)가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에는, 상기 유로(100)는 단열관(20)과 동축형성되어 상기 세개의 코아부(10)의 중심부에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블. - 초전도 도체를 포함하는 코아부(10)와, 상기 코아부(10)를 내부에 수용하는 단열관(20)과, 상기 단열관(20) 안쪽으로 상기 코아부(10)의 냉각을 위한 액체 질소 또는 고체 질소와 같은 냉매가 포함되도록 공간부(30)가 형성된 초전도 전력 케이블에 있어서,
상기 공간부(30) 또는 상기 단열관(20) 내부에 기체 헬륨 또는 액체 수소가 흐를 수 있도록 유로(100)가 형성되되,
상기 코아부(10)가 세개로 이루어진 삼상 초전도 전력 케이블인 경우에는, 상기 유로(100)는 인접하는 코아부(10) 사이에 하나씩 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 냉매를 적용한 초전도 전력 케이블.
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