KR101142124B1

KR101142124B1 - 병렬 연결된 ｈｔｓｆｃｌ 장비

Info

Publication number: KR101142124B1
Application number: KR1020097018863A
Authority: KR
Inventors: 더글라스 씨. 폴츠; 제임스 맥과이어; 지에 유안; 알렉시스 피. 말로제모프
Original assignee: 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2012-05-09
Also published as: WO2008121430A3; WO2008121430A2; US20080190646A1; KR20090115750A

Abstract

본 발명의 일 실시예에서, 초전도 전기 케이블 시스템은 기지 고장 전류(known fault current) 레벨을 가지는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함된다. 초전도 전기 케이블 시스템은 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드 사이에 상호 연결된 비-초전도 전기 통로를 포함한다. 초전도 전기 통로는 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드를 상호 연결한다. 초전도 전기 통로와 비-초전도 전기 통로는 전기적으로 병렬 연결되며, 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨 및 임계 온도 아래에서 동작하는 경우 초전도 전기 통로는 비-초전도 전기 통로보다 낮은 직렬 임피던스를 가진다. 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨과 초전도 임계 온도 중 하나 이상보다 높거나 같은 경우에 동작할 때, 초전도 전기 통로는 비-초전도 전기 통로의 직렬 임피던스의 적어도 N배의 직렬 임피던스를 가진다. N은 1보다 크며, 비-초전도 전기 통로의 임피던스와 결합되어, 기지 고장 전류를 적어도 10% 감소시키도록 선택된다.

Description

병렬 연결된 ＨＴＳＦＣＬ 장비{PARALLEL CONNECTED HTS FCL DEVICE}

본 출원은 미국 CIP 출원 제11/688,809호(2007.03.20), 미국 CIP 출원 제11/688,817호(2007.03.20), 미국 CIP 출원 제11/688,827호(2007.03.20), 미국 출원 번호 제11/673,281호(2007.02.09)의 우선권 주장 출원이며, 상기 출원들의 내용은 본 출원에 통합되어 원용된다.

본 발명은 HTS 장비에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고장 전류(fault current) 제한 장비로 동작하는 HTS 장비에 관한 것이다.

세계적으로 전력 수요가 지속적으로 상당히 증가함에 따라, 유틸리티(utility)는 전력 생산 관점 뿐만 아니라 전력 전송 관점에서 이러한 증가하는 수요를 충족시키기 위하여 노력하였다. 송전 및 배전 네트워크를 통하여 사용자로의 전력 전송은 기설치된 송전 및 배전 인프라스트럭처의 한정된 용량 뿐만 아니라, 추가적인 통상적 송전 및 배전 라인과 케이블을 추가하는 데 이용되는 제한된 공간 때문에, 유틸리티에게 중대한 과제로 남아있다. 이는 특히 용량을 확장하는데 이용 가능한 남아 있는 공간이 매우 제한된 혼잡한 도시 및 대도시와 관련이 높다.

설치가 용이하게 상대적으로 작은 풋프린트(footprint)를 유지하며 냉각용으로 환경적으로 깨끗한 액체 질소를 사용하는 한편, HTS(High Temperature Superconductor) 와이어를 사용하는 가요성 장형(long-length) 전력 케이블이 개발되어 유틸리티 전력 송전 및 배전 네트워크에서 전력 용량을 증가시켰다. 본 발명에서, HTS 물질은 30K(-243 ℃) 이상의 임계 온도를 가지는 초전도체로 정의되며, 이트륨(Yt) 또는 희토류-바륨-구리-산화물(rare-earth-barium-copper-oxide, 이하 YBCO); 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물(thallium-barium-calcium-copper-oxide); 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물(bismuth-strontium-calcium-copper-oxide, 이하 BSCCO); 수은-바륨-칼슘-구리-산화물(mercury-barium-calcium-copper-oxide); 및 붕화마그네슘(MgB2)을 포함한다. YBCO는 약 90K의 임계 온도를 가진다. BSCCO는 제1 조성물에서 약 90K의 임계 온도를 가지며, 제2 조성물에서 약 110K의 임계 온도를 가진다. 붕화마그네슘은 약 40K까지의 임계 온도를 가진다. 이러한 조성물 군은 치환물, 첨가물 및 불순물이 임계 온도를 30°K 밑으로 감소시키지 않는 한 가능한 치환물, 첨가물 및 불순물을 포함하는 것으로 이해된다. 이러한 HTS 케이블은 증가된 전력량이 유틸리티 전력 네트워크의 혼잡한 지역 내에 경제적이며 안정적으로 제공되는 것을 가능케 하며, 이에 의해 유틸리티가 그들의 송전 및 배전 용량의 문제를 처리하는 것을 가능하게 하며, 혼잡을 경감시킨다.

HTS 전력 케이블은 HTS 와이어를 전력 송전 및 배전에 케이블의 (예, 전통적인 구리 전도체 대신) 제1 전도체로서 사용한다. HTS 케이블의 디자인은 통상적인 가공 라인(overhead line) 및 지하 케이블과 비교할 때, 그들의 초전도 상태에서 직렬 임피턴스의 상당한 감소를 야기한다. 여기서 케이블 또는 라인의 직렬 임피던스는 전력을 전송하는 전도체의 저항성 임피던스와 케이블 아키텍처(architecture) 또는 가공 라인과 관련된 리액티브(유도성) 임피던스의 조합으로 지칭된다. 동일한 단면적의 케이블에서, HTS 와이어는 통상적인 교류 전류(AC) 케이블과 비교할 경우 전류 운반 용량에서 3 내지 5배 증가시킬 수 있으며, 통상적인 직류 전류(DC) 케이블과 비교할 경우 전류 운반 용량에서 열배까지 증가시킬 수 있다.

HTS 케이블은 가요성 코러게이트된 포머(corrugated former) 주위에 연속적이며 나선형으로 감긴 HTS 와이어를 가지도록 디자인되거나, 다양한 적층 및 꼬인 구성의 복수의 HTS 와이어를 가질 수 있다. 상기의 모든 경우, 케이블은 연속적이고 가요성이어서, 용이하게 드럼 상에 감겨서 운반되며 전선관(conduit) 또는 다른 전력 장비들 사이에 회전하거나 휘어서 장착될 수 있다. HTS 케이블은 HTS 와이어와 접촉하며 케이블의 길이 방향을 따라 흐르는 액체 한제(cryogen)를 가지도록 디자인될 수 있다. 액체 질소가 가장 일반적인 액체 한제이나, 붕화마그네슘과 같이 낮은 온도의 초전도 물체에는 액제 수소 또는 액체 네온이 사용될 수 있다.

용량 문제에 더불어, 증가하는 전력 수요(및 이에 의해 송전 및 배전 네트워크를 통하여 발생 및 전달되는 전력 레벨의 증가)에서 야기되는 유틸리티의 다른 중요한 문제는 "고장(fault)"에서 야기되는 증가된 고장 전류이다. 고장은 네트워크 장비의 오류(failure), 자연적 행위(예, 번개), 인위적 행위(예, 전주의 자동적 사고 발생) 또는 유틸리티 네트워크의 일 상(phase)에서 다른 상으로 또는 그라운드로 단락 회로를 야기하는 다른 네트워크 문제로부터 발생할 수 있다. 일반적으로, 상기의 고장은 유틸리티 네트워크에 즉시 구체화되는 극단적으로 큰 로드로 나타난다. 이러한 로드의 발현에 응답하여, 네트워크는 많은 양의 전류를 로드(예, 고장)로 전달하려고 시도한다. 전력 그리드(grid) 네트워크에서 어떤 주어진 링크는 고정 전류 제한 장비 없이 최대 고장 환경을 촉진 시키는 단락 회로에서 흐를 수 있는 최대 고장 전류에 의해 특정된다. 고장 전류 제한 수단이 없는 큰 전력 그리드에서 고장 전류는 매우 커서, 그리드 내의 다수의 전기 장비가 손상을 입거나 파괴될 수 있다. 고장 전류로부터 보호하는 통상적인 방법은 신속히 회로 차단기를 개방시키고 전류 및 전력의 흐름을 완전히 차단시키는 것이다.

회로 차단기에 연결된 검출 회로는 네트워크를 감시하여 고장(또는 과전류) 상태의 존재를 검출한다. 검출의 밀리세컨트 내에, 검출 회로에서의 활성화 신호는 회로 차단기의 개방을 시작하여 다양한 네트워크 구성 요소의 파괴를 방지할 수 있다. 일반적으로 현재 회로 차단 장비의 최대 용량은 약 80,000 암페어이며, 이는 전송 레벨 전압에만 적용된다. 이전 세기에 걸쳐 설치된 유틸리티 네트워크의 다수 섹션은 40,000-63,000 암페어의 고장 전류만을 견딜 수 있는 네트워크 장비로 설치되었다. 불행히도, 유틸리티 네트워크 상에 전력 생성 및 송전 레벨이 증가함에 따라, 고장 전류 레벨도 배선 및 전송 전압 레벨에서 현재 설치된 또는 최신식 회로 차단 장비의 용량(예, 80,000 암페어 이상)을 초과할 수 있는 점으로 증가하였다. 낮은 고장 전류 레벨에서조차, 전체 그리드에 걸쳐서 회로 차단기를 낮은 레벨에서 높은 레벨로 개량하는 비용은 매우 높을 수 있다. 다수의 경우, 고장 전류를 적어도 10% 감소시켜 그리드의 동작에 의미있는 개선을 하는 것은 바람직하다. 이에 의해, 유틸리티는 증가하는 고장 전류 레벨을 처리하는 새로운 해결책을 찾고 있다. 하나의 개발 해결책은 HTS FCL(Fault Current Limiter)로 지칭되는 장비이다.

HTS FCL은 유틸리티 네트워크에 상호 연결되어 고장 전류의 진폭을 통상적인 레벨로 감소시키는 전용 장비이며, 용이하게 이용 가능하거나 기설치된 회로 차단기가 조종될 수 있다. " High-Temperature Superconductor Fault Current Limiters " (Noe and M. Steurer, Supercond. Sci. Technol. 20 (2007) R15-R29)를 참고하면, 이러한 HTS FCL은 일반적으로 HTS 물질의 고체 바(bar) 또는 실리더로 만들어진 짧고 견고한 모듈로 형성된다. 그리고, 이는 저항 상태로 이들의 초전도 임계 전류가 드라이브되는 경우 매우 높은 저항을 가진다. 불행히도, 이러한 독립형 HTS FCL은 현재 매우 크며 비싸다. HTS 케이블이 가장 요구되는 밀집한 도시 환경의 변전소(substation)에서 공간은 특히 귀하다. 유틸리티는 또한 큰 인덕터를 사용하나, 이는 추가적인 손실, 전압 규제 및 그리드의 안정성 문제를 야기할 수 있다. 그리고, 불행히도 피로테크니컬(pyrotechnical) 전류 제한 장비(예, 퓨즈)는 매 고장 발생 후 교체를 요구한다. 나아가, 새로운 전력 전기 FCL은 개발 중에 있으며, 이들의 성패 여부 및 송전 전압 레벨까지 안정적으로 연장될 수 있는 지 여부는 의문이다.

HTS 케이블이 고장 전류의 흐름에서 견딜 수 있도록, 상당한 양의 구리가 HTS 와이어와의 결합에 도입되었으나, 이는 케이블의 무게 및 크기를 증가시켰다. " Development and Demonstration of a Long Length HTS Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid "(J. F. Maguire, F. Schmidt, S. Bratt, T. E. Welsh, J. Yuan, A. Allais, and F. Hamber, to be published in IEEE Transaction on Applied Superconductivity)를 참고하면, 구리는 종종 HTS 와 이어가 나선형으로 감긴 HTS 케이블의 코어에서 중심 포머를 채우며, 이는 코어가 액체 질소의 유동 통로로서 사용되는 것을 방지한다. 택일적으로 그리고 구체적으로 멀티-상 케이블에서, 구리 와이어는 케이블의 나선형으로 감긴 층에서 HTS 와이어와 혼합될 수 있다. 이러한 구리 와이어 또는 구조체는 HTS 와이어와 전기적으로 병렬일 수 있으며, HTS 케이블 내에서 "동선 분로(copper shunts)"로 지칭될 수 있다. 케이블의 HTS 와이어의 임계 전류를 초과하는 큰 고장 전류가 존재하는 경우, 이들은 I²R 저항성 손실(resistive loss)(여기서, I 및 R은 각각 케이블의 전류 및 저항)로부터 가열될 수 있는 저항성 상태로 휀치(quench)되거나 스위치된다. "동선 분로"는 고장 전류를 흡수하고 전송하도록 디자인되어 HTS 와이어가 가열되는 것을 방지할 수 있다. 구리의 양이 매우 커서 케이블의 총 저항은 상대적으로 작을 수 있으므로, 고장 전류 레벨의 감소 효과는 무시할 수 있다. 구리는 순수 구리 또는 불순물의 양이 적어서 77-90K 온도 범위에서 상대적으로 작은 저항(예, <0.5 μΩ-cm 또는 0.2 μΩ-cm 정도로 작은)을 가지는 구리로 정의될 수 있다.

유럽 SUPERPOLI 프로그램(" SUPERPOLI Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes "(A. Usoskin et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 1972-5); " Design Performance of a Superconducting Power Link "(Paasi et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1 , March 2001, pp. 1928-31); " HTS Materials of AC Current Transport and Fault Current Limitation "(Verhaege et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, March 2001, pp. 2503-6); 및 미국 특허번호 제5,859,386호 "Superconductive Electrical Transmission Line" 참고)에서, 전류를 또한 제한할 수 있는 초전도 전력 링크가 연구되었다.

초기의 독립형 FCL에 관한 전형적인 접근에 이어, 이 프로그램은 전력 링크의 모선(busbar) 또는 모듈을 형성하는 HTS 물질의 견고한 고체 로드(rod) 또는 실린더를 연구하였다. 모듈 또는 모선의 전형적인 길이는 50 센티미터 내지 2미터였다. 두번째 접근에서, 코팅된 전도체 와이어가 사용되었으며, 여기서 YBCO 물질이 고저항 스테인레스 스틸 기재 상에 코팅되었다. 골드 안정자(stabilizer) 층이 사용되었으나, 매우 얇아서 길이당 저항은 가능한 매우 높았다. 와이어는 전력 링크 모듈 또는 모선의 다른 옵션으로 형성된 견고한 실린더 코어 상에 나선형으로 감겼다. 고장 전류에 대응하여, 이러한 모듈들은 매우 높은 저항 상태로 스위칭하여 전류를 제한하였다. 장형 케이블을 형성하는 SUPERPOLI 프로그램에서 제안된 개념은 견고한 모듈을 가요성 편조(braided) 구리 인터커넥션과 상호 연결하는 것이다. 미국 특허 번호 제 5,859,386호 "Superconductive Electrical Transmission Line"를 참고하면, 저저항 및 고 열용량 와이어를 사용하여 고장 전류 제한 기능을 가진 그리고 이에 의해 부분 가열(local heating) 레벨이 낮은 연속적인 가요성 장형 케이블을 디자인하고 제조하는 가능성은 고려되지 않았다. 또한, 링크의 기능성을 최적화할 수 있는 그리드 구성요소의 추가 가능성도 고려되지 않았다.

HTS 케이블이 고장 전류를 제어하는 방법을 개선시키고, 독립형 FCL 또는 다 른 고장 전류 제한장비, 예를 들어 전력 링크를 형성하는 길이당 저항이 높은 고장 전류 제한 모듈의 사용에 개선된 대책을 제공하는 것은 바람직하다. 고장 전류 제한 기능이 통합된 실용적인 연속적인 가요성 장형 HTS 전력 케이블은 혼잡한 유틸리티 변전소에서 고가의 분리된 고장 전류 제한 장비의 요구를 피하는 동시에, 고용량, 낮은 풋프린트 및 환경적으로 깨끗한 전력 송전 및 배전에서 주요한 이점을 제공할 수 있다.

발명의 요약

하나 이상의 하기 특징을 더 포함할 수 있다. 비-초전도 전기 통로는 비-극저온 온도에서 유지될 수 있다. 비-극저온 온도는 적어도 273 K일 수 있다. 초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리 내에 포함될 수 있으며, 비-초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리의 외부에 있을 수 있다. 임피던스 조정 장비는 비-초전도 전기 통로의 임피던스를 조정할 수 있다. 임피던스 조정 장비는 리액터 어셈블리를 포함할 수 있다.

고속 스위치가 초전도 전기 통로와 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 초전도 전기 통로는 제1 초전도 케이블부 및 적어도 제2 초전도 케이블부를 포함할 수 있다. 제1 초전도 케이블부는 제1 HTS 초전도 물질을 포함할 수 있다. 적어도 제2 HTS 초전도 케이블부는 제2 HTS 초전도 물질을 포함할 수 있다. 제1 HTS 초전도 물질은 YBCO 물질을 포함할 수 있다. 제2 HTS 초전도 물질은 BSCCO 물질을 포함할 수 있다.

N은 3이상일 수 있다. N은 5이상일 수 있다. 비-초전도 전기 통로는 적어도 하나의 비-초전도 전기 케이블을 포함할 수 있다. 비-초전도 전기 통로는 적어도 하나의 비-초전도 전기 가공 라인을 포함할 수 있다. 초전도 전기 통로는 하나 이상의 초전도 전기 케이블; 및 하나 이상의 고속 스위치 어셈블리 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비-초전도 전기 통로는 하나 이상의 비-초전도 전기 케이블, 하나 이상의 모선, 하나 이상의 변전소 및 하나 이상의 리액터 어셈블리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

적어도 하나의 초전도 전기 케이블은 중앙에 배치된 축방향 냉각제 통로를 포함하되, 상기 중앙에 배치된 축방향 냉각제 통로를 통하여 냉각제의 축방향 분배가 가능할 수 있다. 초전도 전기 통로는 다수의 전기 도전 요소를 포함하되, 상기 도전 요소 각각은 90K의 온도에서 0.8 μΩ-cm보다 큰 범위의 저항률을 가질 수 있다.

적어도 하나의 초전도 전기 케이블은 하나 이상의 HTS 와이어를 포함할 수 있다. HTS 와이어 중 적어도 하나는 이트륨 또는 희토류-바륨-구리-산화물; 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물; 비스무스-스트론튬-칼슘 구리 산화물; 수은-바륨-칼슘-구리-산화물 및 붕화-마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다.

HTS 와이어의 적어도 하나는 인캡슐런트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 200-600 마이크론 범위 내의 총 두께, 90K에서 0.8-15.0 μΩ-cm 범위의 저항률을 가지는 하나 이상의 안정자층을 포함할 수 있다.

안정자층은 황동 물질로 적어도 일부 구성될 수 있다. 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 200-1000 마이크론 범위의 총 두께 및 90K에서 1-100 μΩ-cm 범위의 저항률을 가지는 하나 이상의 안정자층을 포함할 수 있다. 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 임계 전류 레벨 아래에서 초전도 모드로 동작할 수 있다. 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 임계 전류 레벨 이상에서 비-초전도 모드로 동작할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 초전도 전기 케이블 시스템은 기지 고장 전류 레벨을 가지는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함된다. 초전도 전기 케이블 시스템은 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드 사이에 상호 연결된 비-극저온, 비-초전도 전기 통로를 포함한다. 초전도 전기 통로는 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드 사이에 상호 연결된다. 초전도 전기 통로 및 비-초전도 전기 통로는 전기적으로 병렬 연결된다. 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨 아래에서 동작하는 경우 초전도 전기 통로는 비-초전도 전기 통로보다 낮은 직렬 임피던스를 가진다. 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨 이상에서 동작하는 경우 초전도 전기 통로는 비-초전도 전기 통로의 직렬 임피던스의 N 배인 직렬 임피던스를 가진다. N은 1보다 크다.

하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비-극저온, 비-초전도 전기 통로는 적어도 273K의 비-극저온 온도에서 유지될 수 있다. 초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리 내에 포함될 수 있으며, 비-극저온, 비-초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리의 외부에 있을 수 있다. 임피던스 조정 장비는 비-극저온, 비-초전도 전기 통로의 임피더스를 조정할 수 있다. 임피던스 조정 장비는 리액터 어셈블리를 포함할 수 있다.

초전도 전기 통로는 제1 초전도 케이블부 및 적어도 제2 초전도 케이블부를 포함할 수 있다. 제1 초전도 케이블부는 제1 HTS 초전도 물질을 포함할 수 있으며, 적어도 제2 초전도 케이블부는 제2 HTS 초전도 물질을 포함할 수 있다. 제1 HTS 초전도 물질은 YBCO 물질을 포함할 수 있으며, 제2 HTS 초전도 물질은 BSCCO 물질을 포함할 수 있다. N은 3 이상일 수 있다. N은 5 이상일 수 있다.

하나 이상의 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 다른 특징 및 이점들은 상세한 설명, 도면 및 청구항들로부터 명확해질 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 구리 코어(copper-cored) HTS 케이블의 개념도이다.

도 2는 도 1의 구리 코어 HTS 케이블의 등측도(isometric view)이다.

도 3은 공동-코어(hollow-core) HTS 케이블의 등측도이다.

도 4는 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 도 3의 공동 코어 HTS 케이블의 개념도이다.

도 5는 유틸리티 전력 그리드의 개념도이다.

도 6은 통상적인/초전도 케이블 페어(cable pair) 모델이다.

도 7A는 HTS 와이어의 단면도이다.

도 7B는 택일적 실시예의 HTS 와이어의 단면도이다.

도 8은 도 7의 HTS 와이어의 모델이다.

도 9는 도 6의 통상적인/초전도 케이블 페어의 택일적인 모델이다.

도 10은 초전도 모드 동안 도 9의 통상적인/초전도 케이블 페어의 모델이다.

도 11은 비초전도 모드 동안 도 9의 통상적인/초전도 케이블 페어의 모델이다.

도 12는 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 도 3의 중공 코어 HTS 케이블의 택일적 개념도이다.

도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

발명의 구체적인 설명

개관

도 1을 참고하며, 유틸리티 전력 그리드(10)의 일부는 HTS 케이블(12)을 포함할 수 있다. HTS 케이블(12)의 길이는 수백 또는 수천 미터일 수 있으며, 발전소(generation station, 미도시) 또는 멀리 떨어진 유틸리티(미도시)로부터 들어오는 전력을 전달하는 상대적으로 고전류/저저항 전기 통로를 제공할 수 있다.

HTS 케이블(12)의 단면적은 통상적인 구리 코어 케이블의 단면적의 단지 일부에 지나지 않으나, 동일한 양의 전류를 전송할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 동일한 단면적 내에서, HTS 케이블은 통상적인 AC 케이블의 전류 전송 용량의 3배 내지 5배를 제공할 수 있으며, 통상적인 DC 케이블의 전류 전송 용량의 10배까지 제공할 수 있다. HTS 기술이 성숙함에 따라, 이러한 비율은 증가할 수 있다.

하기에서 자세히 설명하는 바와 같이, HTS 케이블(12)은 HTS 와이어를 포함할 수 있다. 그리고, 이는 유사한 크기의 구리 와이어 전류의 150배 정도를 제어할 수 있다. 이에 의해, (통상적인 AC 케이블 내의 많은 양의 구리 전도체 스트랜드(strand)와 달리) 상대적으로 작은 양의 HTS 와이어를 사용하여, HTS 전력 케이블은 균등한 크기의 통상적인 구리 전도체 전력 케이블의 3배 내지 5배의 전력을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.

HTS 케이블(12)은 예를 들어, 138 kV 레벨의 전압을 전송하는 송전 그리드 세그먼트(segment)(14) 내에 연결되며, 그리드 세그멘트(14)에서 그리드 세그먼트(16)까지 연장될 수 있다. 여기서, 그리드 세그먼트(16)는 전압을 제공받아 이를 예를 들어, 69 kV의 낮은 레벨로 변환할 수 있다. 예를 들어, 송전 그리드 세그먼트(14)는 (가공 라인 또는 케이블(18)을 통해서) 765 kV에서 전력을 제공받을 수 있으며, 138 kV 변전소(20)를 포함할 수 있다. 138 kV 변전소(20)는 케이블(18) 상에 제공되는 765 kV 전력을 138 kV로 전압 강하하는 765 kV/138 kV 변압기(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 "전압 강하된(stepped-down)" 138 kV 전력은 예를 들어, HTS 케이블(12)을 통하여 송전 그리드 세그먼트(16)에 제공될 수 있다. 송전 그리드 세그먼트(16)는 69 kV 변전소(24)를 포함할 수 있다. 그리고, 이는 HTS 케이블(12)를 통하여 제공되는 138 kV 전력을 69 kV로 전압 강하하는 138 kV/69 kV 변압기(미도시)를 포함할 수 있으며, 69kV 전력은 예를 들어, 장비(26, 28, 30, 32)에 분배될 수 있다. 장비(26, 28, 30, 32)는 예를 들어, 34.5 kV 변전소를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

상기에서 언급한 전압 레벨은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 이에 의해, 본 발명은 송전 및 배전 시스템에서 다양한 전압 및 전류 레벨에 동일하게 적용될 수 있다. 유사하게, 본 발명은 공업용 전력 배전 또는 수송 수단(예, 기차, 비행기 및 우주선)의 전력 배전과 같은 비-유틸리티 응용에도 동일하게 적용될 수 있다.

하나 이상의 회로 차단기(34, 36)가 예를 들어, HTS 케이블(12)의 각 말단에 연결되며, HTS 케이블(12)이 유틸리티 전력 그리드(10)로부터 신속히 분리되도록 할 수 있다. 고장 관리 시스템(38)은 HTS 케이블(12)에 과전류 보호를 제공하여 HTS 케이블(12)이 손상될 수 있는 점보다 낮은 온도에서 HTS 케이블(12)이 유지되도록 할 수 있다.

고장 관리 시스템(38)은 HTS 케이블(12)이 연결된 유틸리티 그리드 세그먼트 내에 흐르는 전류를 감시하여 과전류 보호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 고장 관리 시스템(38)은 (예, 전류 센서(40)을 사용하여) 138 kV 변전소(20)를 통하여 흐르는 전류를 센싱할 수 있으며, 적어도 부분적으로, 전류 센서(40)에 의해 제공되는 신호에 근거하여 차단기(34, 36)의 동작을 제어할 수 있다.

이 예에서, HTS 케이블(12)은 200 ms(예, 60Hz 전력의 12 사이클) 동안 51 kA의 고장 전류를 견디도록 디자인될 수 있다. 고장 관리 시스템(38)의 구체적인 예는 동시 계류중인(co-pending) 미국 출원번호 제11/459,167호("Fault Management of HTS Power Cable", 2006년 7월 21일 출원)에 설명되어 있다. 일반적으로 이는 상당한 양의 구리를 포함하는 HTS 케이블을 요구하며, 이는 높은 고장 전류의 전송을 도와주어 이에 의해 HTS 와이어를 보호한다. 구리가 존재하여 HTS 케이블을 보호하나, 매우 낮은 저항 때문에 전류 제한 효과는 크지 않다.

도 2를 참고하면, 제1 HTS 층(102), 제2 HTS 층(104), 고전압 유전 절연층(106), 구리 차폐층(108), HTS 차폐층(110), 냉각제 통로(112), 내부 저온 유지벽(cryostat wall)(114), 단열재(116), 진공 공간(118), 외부 저온 유지벽(120) 및 외부 케이블 피복(sheath)(122)에 의해 반지름 방향으로 연속적으로 둘러싸인 스트랜드 구리 코어(100)를 포함하는 단일상 구리 코어 HTS 케이블(12)의 전형적인 예가 도시되어 있다. 구리 차폐층(108)은 택일적으로 HTS 차폐층(110)의 외부 상에 위치할 수도 있다. HTS 층(102) 및 HTS 층(104)은 또한 "상 전도체(phase conductor)"로 지칭될 수 있다. 동작 동안, 냉각제(예, 액체 질소, 미도시)는 외부 냉각제 소스(미도시)에서 제공될 수 있으며 냉각제 통로(112)의 길이 방향을 따라 냉각제 통로(112) 내에서 순환할 수 있다. 케이블의 모든 구성 요소는 HTS 케이블(12)이 가요성을 가질 수 있도록 디자인된다. 예를 들어, (제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS층(104)이 감긴) 스트랜드 구리 코어(100)는 가요성이다. 이에 의해, 가요성 스트랜드 구리 코어(100)를 사용하여 HTS 케이블(12)은 길이를 따라 연속적으로 휘어질 수 있다. 선택적으로, 코러게이트된 금속 포머를 사용하여 케이블의 길이를 따라 연속적으로 가용성을 제공하면서, 나선형으로 감긴 HTS 와이어를 지지할 수 있다.

부가/택일적으로, 추가적인 동축(coaxial) HTS 층들과 절연층들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 HTS 와이어가 단일 상에 사용될 수 있다. 또한, 절연층(미도시)에 의해 분리된 3 그룹의 HTS 층이 사용되어 삼-상 전력을 전송할 수 있다. 이러한 케이블 배선(cable arrangement)의 예시는 울트라(Ultera, 예, 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company of Carrollton, GA)와 엔케이티 케이블(nkt cables of Cologne, Germany)의 합작 회사)에 의해 제안된 삼축(Triax) HTS 케이블 배선이다. HTS 케이블(12)의 다른 예는 온 및/또는 냉 유전 구성; 단일-상 대 삼-상 구성; 및 다양한 차폐 구조(예, 무-차폐(no shielding) 및 냉각제에 근거한 차폐)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

구리 코어(100) 및 구리 차폐층(108)은 케이블(12) 내에 나타날 수 있는 고장 전류(예, 고장 전류 (124))를 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고장 전류(124)가 케이블(12) 내에 나타날 경우, HTS 층(102, 104) 내의 전류는 HTS 층(102, 104)의 임계 전류 레벨(예, Ic)을 초과하는 레벨까지 급격하게 증가할 수 있다. 그리고, 이는 HTS 층(102, 104)이 이들의 초전도 특성을 잃어버리도록 할 수 있다(예, HTS 층(102, 104)이 "노말(normal)"해질 수 있다). 임계 전류(Ic)의 전형적인 값은 3000 Arms 규격의 케이블에서 4242 Apeak이다(여기서, Arms는 전류 암페어의 제곱 평균이다).

HTS 물질의 임계 전류 레벨은 선택된 전기장 레벨에 의존할 수 있다. 낮은 값이 역시 사용될지라도, 통상적으로 임계 전류 레벨(Ic)은 1 μV/cm의 전기장 레벨로 정의된다. 그러나, 초전도체는 전형적으로 전류 레벨의 함수로서 제로-저항(예, 초전도) 상태와 완전-저항(예, 비-초전도) 상태 사이의 전이(transition) 영역을 나타낸다. 이 전이 영역에서의 동작에 기인한 와이어 손실은 완전-저항 상태의 그것보다 낮다. 그러므로, HTS 케이블(12)에서 와이어의 일부는 1 μV/cm 기준(criterion)에 의해 정의되는 통상적인 임계 전류 레벨(Ic)의 f -인자 배인 임계 전류 레벨(Ic)에서 완전 저항 상태로 스위치될 수 있다. YBCO 박막의 미앤더 라인(meander line)에서, 이러한 f -인자는 2로 결정되나, 이는 시간에 따라 다소 변화되어 관찰된다. " Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters (H. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 2044-7)"를 참고하면, 유사한 YBCO 박막의 HTS 와이어 f -인자는 동일한 범위에서 기대되며, 상기 범위는 1-4로 평가된다.

이에 의해, (이상에서 정의한 바와 같이) 임계 전류 레벨과 f -인자의 곱이 초과되는 경우, HTS 층(102, 104)의 저항은 상당히 증가할 수 있으며, (예를 들어, 구리 코어(100)에 비교할 경우) 상대적으로 매우 높아질 수 있다. 다수의 평행 와이어를 통과하는 전류가 개별 와이어의 저항에 관해 역으로 분배될 경우, 대부분의 고장 전류(124)는 HTS 층(102, 104)과 평행하게 연결된 구리 코어(100)로 전달될 수 있다. 구리 코어(100)를 통한 고장 전류의 송전은 고장 전류(124)가 진정되거나; 적절한 회로 차단기(예, 회로 차단기(34, 36))가 HTS 케이블(12)을 통한 고장 전류(124)의 전송을 차단할 때까지 계속될 수 있다.

HTS 케이블(12)에서 HTS 와이어의 과열은 구리 코어(100)에 의한 두가지 이점에 의해 피할 수 있다. 첫째, 고장 전류(124)(또는 적어도 그 일부)를 HTS 층(102, 104)에서 구리 코어(100)로 재지향(redirect)하여, HTS 케이블(12)에서 HTS 와이어의 과열을 피할 수 있다. 그리고 둘째, 부가된 구리 코어(100)의 열용량은 HTS 층(102, 104)에서 온도 상승을 감소시킨다. HTS 층(102, 104)에서 구리 코어(100)로 고장 전류(124)(또는 적어도 그 일부)가 재지향되지 않는 경우, 고장 전류(124)는 HTS 층(102, 104)의 고저항 때문에 HTS 케이블(12)에서 HTS 와이어를 상당히 가열할 수 있다. 그리고, 이는 (예를 들어, 냉각제 통로(112) 내에서 액체 질소를 액체 상태에서 기체 상태로 변화시켜) 액체 질소의 기체 "버블" 형성을 야기할 수 있다. 불행히도, 액체 질소의 기체 "버블" 형성은 절연층의 절연 내력을 감소시킬 수 있으며, HTS 케이블(12)의 파괴 및 전압 파괴(voltage breakdown)를 야기할 수 있다. 온 유전(warm dielectric) 케이블 구성(미도시)에서, HTS 층(102, 104)에서 재지향되지 않은 고장 전류는 HTS 층을 간단히 가열하고 파괴시킬 수 있다.

예시적인 HTS 케이블(12)은 넥산스(Nexans of Paris France), 스미토모 전기 공업(Sumitomo Electric Industries, Ltd., of Osaka, Japan) 및 울트라(예, 사우스와이어 컴퍼니와 엔케이티 케이블의 합작 회사)로부터 이용 가능한 HTS 케이블을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

구리 코어(100)는 HTS 층(102, 104) 주위의 고장 전류(또는 그 일부)를 재지향하는 반면, "내부(internal)" 구리 코어 등을 설치하는 단점이 있다. 예를 들어, 구리 코어(100)는 HTS 케이블(12)을 물리적으로 더 크고 무겁게 할 수 있으며, 이는 HTS 케이블(12) 내의 열유지(heat retention)를 더 크게 하고 가격 상승을 초래할 수 있다. 이에 의해, 추가적인 열유지를 보상하기 위해 더 많은 냉각이 요구되므로 전체 시스템 및 동작 비용을 상승시킬 수 있다. 게다가, 증가된 구리 코어(100)의 열용량 및 유전층에 의한 HTS 층(102, 104)과 냉각제 사이의 열적 저항은 회복 시간(recovery time)을 크게 증가시킬 수 있어 고장 전류의 에너지는 HTS 층(102, 104)에서 초전도를 유지할 수 있는 점 이상으로 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 고장 전류가 구리 코어(100)를 통하여 재지향되지 않는 경우, 냉각 시스템(미도시)이 HTS 케이블(12)을 적절한 동작 온도 범위(예, 65-77 K) 내로 냉각시키는데 수시간이 소요될 수 있다. HTS 케이블(12)을 케이블의 동작 범위 내로 냉각시키는데 소요되는 시간은 일반적으로 "회복 시간"으로 지칭된다. 그리고, 이는 유틸리티에 의해 송전 장비에서 수 초(또는 그 이하) 또는 배전 장비에서 수십 초(또는 그 이하)가 요구될 수 있다. 택일적으로 독립된 고장 전류 제한기가 HTS 케이블(12)에 사용되어 고장 전류를 제한할 수 있다. 그러나 이는 HTS 케이블(12)에 링크되는 변전소에 설치되는 다른 크고 값비싼 전기 장비를 요구하는 단점이 있다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 가요성, 공동 코어 HTS 케이블(150)이 도시되어 있다. HTS 케이블(150)은 종래의 구리 코어 HTS 케이블(12)의 다양한 요소를 포함할 수 있으나, 스트랜드 구리 코어(도 2의 100)는 포함하지 않는다. 그리고, 이는 가요성 공동 코어(예, 내부 냉각제 통로(152))로 대체되었다. 예시적인 내부 냉각제 통로(152)는 가요성 코러게이트 스테인레스 스틸 튜브를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 구리 차폐층 역시 모두 제거되었다. 냉각제(예를 들어, 액체 질소)는 내부 냉각제 통로(152)를 통하여 흐를 수 있다.

구리 코어 HTS 케이블(12)과 유사하게, 내부 냉각제 통로(152)는 반지름 방향으로 연속된 제1 HTS층(102), 제2 HTS 층(104)(대개 층(102)의 나선형과 반대 나선형으로 감김), 고전압 유전 절연층(106), 지지 구조체(108), HTS 차폐층(110), 냉각제 통로(112), 내부 저온 유지벽(114), 단열제(116), 진공 공간(118), 외부 저온 유지벽(120) 및 외부 케이블 피복(122)에 의해 둘러싸일 수 있다. 동작 동안, 냉각제(예, 액체 질소, 미도시)는 외부 냉각제 소스(미도시)로부터 제공될 수 있으며, 냉각제 통로(114) 및 내부 냉각제 통로(152)의 길이를 따라 냉각제 통로(114) 및 내부 냉각제 통로(152) 내에서 순환될 수 있다. 택일적인 냉각제(예, 액체 네온 또는 액체 수소)가 MgB₂와 같이 낮은 전이 온도 물질의 경우에 사용될 수 있다.

HTS 케이블(12)과 같이, HTS 케이블(150)의 모든 구성 요소는 케이블의 길이를 따라 연속적인 가요성이 가능하도록 디자인된다. 이상에서 언급한 바와 같이 예를 들어, (제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS 층(104)에 의해 감긴) 내부 냉각제 통로(152)는 가요성을 가진다. 이에 의해, 가요성 내부 냉각제 통로(152)를 설치하여, 가요성 HTS 케이블(150)이 실현된다.

도 4를 참고하면, 유틸리티 전력 그리드의 일부(10')는 가요성 장형 케이블(150)을 포함할 수 있다. 여기서, 장형은 200m보다 큰 것으로 정의된다. 또한, HTS 케이블(150)에 병렬로 연결된 통상적인 케이블(conventional cable, 예, 비-초전도 케이블)(200)을 포함할 수 있다. 예시적인 통상적인 케이블(200)은 케리트 컴퍼니(Kerite Company of Seymour, CT)로부터 이용가능한 500kcmil, 138kV TPS(Shielded Triple Permashield) 전력 케이블을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 통상적인 케이블(200)은 HTS 케이블(150)이 추가되어 하나 이상의 통상적인 케이블을 교체한, 예를 들어 전력 그리드의 전력 용량이 증가된 새로운 응용에서 현재 존재하는 케이블일 수 있다. 택일적으로, 통상적인 케이블(200)은 적절한 버스 워크(bus work) 및 회로 차단기에 상호에 상호연결되며 HTS 케이블(150)과 동시에 설치되는 새로운 통상적인 케이블일 수 있다.

HTS 케이블(150) 및/또는 추가적인 HTS 케이블(미도시)은 초전도 전기 통로(202)에 포함될 수 있다. 그리고, 이는 전력 유틸리티 그리드의 일부를 포함할 수 있다. 나아가, 초전도 전기 통로(202)는 버스(bus, 미도시), 변압기(미도시), 고장 전류 제한기(미도시) 및 변전소(미도시)와 같은 다른 초전도 전력 배전 장비를 포함할 수 있다.

고속 스위치 어셈블리(202)는 HTS 케이블(150)에 직렬로 연결될 수 있다. 예시적인 고속 스위치 어셈블리(202)는 에이비비(ABB Inc. of Greensburg, PA)에서 제조된 138kV 형 PM 전력 회로 차단기(PM Power Circuit Breaker)이다. 고속 스위치 어셈블리(202)(예, 4 사이클의 개방 제어가 가능한 스위치)는 고장 관리 시스템(38)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 고장 전류(도 3의 124)를 센싱함에 따라, 고장 관리 시스템(38)은 고속 스위치 어셈블리(202)를 개방하여, HTS 케이블(150)을 본질적으로 고장 전류(124)로부터 분리시킬 수 있다. 멀티상 전력의 경우, 다수의 고속 스위치 어셈블리(202)가 설치될 수 있다. 택일적으로, 일부 고속 스위치 어셈블리 또는 회로 차단기는 단일 삼-상 장비로서 설치된다. 고속 스위치 어셈블리(202)는 HTS 케이블(150)이 초전도 상태로 회복되는데 충분한 시간이 지난 후에 재폐로(reclose)될 수 있다. 만약 존재하는 유틸리티 회로 차단기(34, 36)가 하기에 설명된 가열 조건을 충족할 정도로 충분히 빨리 스위칭되면, 고속 스위치 어셈블리(202)는 필요하지 않을 수 있다.

통상적인 케이블(200) 및/또는 추가적인 통상적인 케이블(미도시)은 비-초전도 전기 통로(204)에 포함될 수 있다. 그리고, 이는 파워 유틸리티 그리드의 일부를 포함할 수 있다. 나아가, 비-초전도 전기 통로(204)는 버스(미도시), 변압기(미도시), 고장 전류 제한기(미도시) 및 변전소(미도시)와 같은 다른 전력 배전 장비를 포함할 수 있다. 비-초전도 전기 통로(204)는 비-극저온 온도(예, 0℃에 대응하는 273k)에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 비-초전도 전기 통로(204)는 냉각되지 않을 수 있으며, 이에 의해 외부 온도(ambient temperature)로 추정될 수 있다.

하기에서 보다 구체적으로 언급하는 바와 같이, 구리 코어(도 2의 100) 및 구리 차폐층(도 2의 108)을 장형 가요성 HTS 케이블(150)의 내부에서 제거하고 (예, HTS 케이블(250)에 대하여) 외부에 병렬로 연결된 통상적인 케이블(200)을 설치하여 고장 전류(124)를 전송함으로써, HTS 케이블(150)은 물리적으로 작아질 수 있다. 그리고, 이는 HTS 케이블(150)에서 열 손실(heat loss)을 낮추고, 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, HTS 케이블(150)은 (열유지가 큰 HTS 케이블(150)에 비교하는 경우) 더 적은 냉각을 요구할 수 있으며, 전체적인 시스템 및 동작 비용을 낮출 수 있다. 나아가, 구리 코어(100)를 HTS 케이블(12) 내부에서 (통상적인 케이블(200) 형태로) HTS 케이블(150) 외부로 이동시켜, HTS 케이블(150)의 열용량 및 HTS 층(102, 104)과 냉각제 사이의 열적 저항 모두 감소된다. 이에 의해, 고장 전류(124)가 HTS 케이블(150)의 온도를 HTS 층(102, 104)에서 초전도가 유지될 수 있는 점 이상으로 증가시키는 경우에도, 회복 시간이 더 빨라질 수 있다. 구리 코어(100)를 HTS 케이블(12) 내부에서 제거하고, 적절하게 최적화된 HTS 와이어를 사용하여, 고장 전류 제한 기능을 HTS 케이블(150)에 직접 통합시킬 수 있다. 이에 의해 HTS 케이블 또는 다운스트림(downstream) 유틸리티 장비를 고장 전류로부터 보호하기 원하는 경우, 별개의 독립된 고장 전류 제한기에 대한 필요가 없어질 수 있다.

HTS 케이블 및 고장 전류 제한기

도 1을 다시 참고하면, 그리드의 일부(10)에서 고장 전류가 HTS 케이블(12)을 통하여 흐르는 전류를 통상적인 회로 차단기(34, 36)의 한계를 넘도록 하는 경우, HTS FCL 장비(42)(팬텀(phantom)으로 도시) 또는 통상적인 리액터 기술(미도시)이 그리드 섹션(10) 내에 통합되어 HTS 케이블(12)을 통과하여 흐르는 고장 전류의 진폭을 통상적인 회로 차단기(34, 36)가 차단할 수 있는 레벨로 제한한다. 노말 상황에서, 공칭 전류(nominal current) 레벨이 그리드 섹션(10) 내에서 흐르는 경우, 전력의 흐름과 직렬로 연결된, HTS FCL 장비(42)는 그리드 내에 (다른 그리드 임피던스와 비교하여) 매우 작은 임피던스를 도입하도록 디자인될 수 있다. 그러나, 고장 전류가 그리드 섹션(10)에 나타나는 경우, 전류는 HTS FCL(42)의 초전도체를 즉시 "노말" 또는 비-초전도(예, 저항성)로 전환하며, 이는 그리드 섹션(10)에 매우 큰 임피던스를 부가한다. HTS FCL(42)은 고장 전류를 통상적인 회로 차단기(34, 36)의 차단 능력 내의 소정의 레벨로 제한하도록 디자인된다.

독립형 HTS CFL 장비(42)는 지멘스(Siemens, Germany)와 협력하는 아메리카 수퍼컨덕터 코퍼레이션(American Superconductor Corporation, Westborough, MA)를 포함하는 다양한 회사들에 의해 개발되었다. 불행히도, HTS FCL 장비(42)를 그리드 섹션(10)에 부가하는 것은 매우 비용이 많이 들며, 장비(42)가 설치되는 막대한 공간을 요구할 수 있다. 그리고 이는 특히, 도심 지역에서 설치를 어렵게 할 수 있다. 고장 전류 제한 능력을 가지는 짧은 모선 또는 모듈이 넥산스(Nexans, France) 및 이에이치티에스(EHTS, Germany)를 포함하는 다양한 회사들에 의해 개발되고 있다. 고장 전류 제한 모선은 어느 정도 실용성을 가질 수는 있으나, 수요가 있는 고성능, 낮은 풋프린트 및 송전 및 배전 응용의 연속적인 가요성 장형 케이블에 의해 제공되는 가요성을 제공하지 않는다.

본 발명에 따르면, HTS 장비, 예를 들어, 연속적인 가요성 장형 HTS 케이블(도 3의 150)은, 적절히 디자인되는 경우, HTS FCL(도 1의 42)와 같은 별도의 HTS FCL을 통합할 필요없이 그 자체가 고장 전류 제한기로서 사용될 수 있다. 예를 들어, HTS 케이블(150)의 노말-상태(저항성) 임피던스를 제어함으로써, HTS 케이블 그 자체가 설치되어 전형적인 독립형 HTS FCL의 바람직하지 않은 효과(예, 비용 및 크기)를 피하는 반면 전형적인 독립형 HTS FCL의 바람직한 효과(예, 고장 전류의 감쇠)를 얻을 수 있다. 고장 전류 제한 효과 및 장점을 한층 더 달성하기 위하여, HTS 케이블은 통상적인(예, 비-초전도) 케이블에 병렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 초전도 케이블(15)과 통상적인 케이블(200)이 병렬로 연결되는 경우, 이러한 조합은 하기에서 구체적으로 설명하는 고장 전류 제한 케이블 시스템으로서 디자인 및 동작할 수 있다.

본 발명은 다른 HTS 장비에 또한 적용될 수 있다. 예를 들어, 다른 형태의 초전도 장비(예, 초전도 변압기, 미도시)가 통상적인 변압기(미도시)에 병렬로 연결되는 경우, 이러한 장비의 조합은 고장 전류 제한 시스템으로서 디자인 및 동작될 수 있다. 이 경우, 고속 스위치가 회복 기간 동안 초전도 변압기를 통하여 흐르는 전력 흐름을 차단할 때, 고장 이벤트 동안만 활성화되기 때문에 통상적인 변압기는 정상 상태(steady state) 규격의 일부 크기로 형성될 수 있다. 택일적으로, 고장 전류 감쇠가 요구되지 않는 경우, 이러한 배열은 고장 전류가 모두 초전도 변압기를 통하여 흐르지 않고 통상적인 변압기를 통하여 흐르는 것을 대신 선호할 수 있기 때문에 초전도 변압기를 더 작게 할 수 있다. 이에 의해, 본 발명에 따라 통상적인 장비를 초전도 장비에 병렬로 배치하여 (통상적인 병렬 장비 및/또는 초전도 장비를 적절히 크기 조절하여), 그리드 상의 고장 전류 진폭은 바람직한 레벨로 제한될 수 있다. 이에 의해 용이하게 이용가능한 회로 차단기를 사용할 수 있다.

HTS 장비(예, 도 4의 HTS 케이블(150))의 노말 동작 동안, HTS 장비의 임피던스(예, 실효(real) 및 무효(reactive) 임피던스)는 통상적인 장비(예, 통상적인 케이블(200))의 임피던스보다 상당히 낮을 수 있다. 예를 들어, HTS 케이블(150)의 전형적인 임피던스는 본질적으로 0.00 + j0.007 Ω/km(초전도 경우) 및 1.46 + j0.007 Ω/km(완전 저항성 및 비-초전도 경우)이며, 전형적인 통상적인 케이블(200)의 임피던스는 0.095 +j0.171 Ω/km이다. HTS 케이블(150)은 초전도인 경우 본질적으로 제로-저항을 가짐에 주목하라. 이에 의해, HTS 케이블(150)이 초전도인 경우, 차단기(34, 36)를 통하여 흐르는 전류 대부분은 HTS 케이블(150)을 통하여 흐를 수 있다(매우 적은 또는 제로 전류가 통상적인 케이블(200)을 통하여 흐를 수 있다). 그러나 비-초전도인 경우, 전류의 대부분은 통상적인 케이블(200)을 통하여 흐를 수 있다(단지 적은 전류만이 HTS 케이블(150)을 통하여 흐를 수 있다).

임피던스 조정 장비(예, 과도 정격(transient-rated) 또는 완전 정격(fully-rated) 리액터 어셈블리(206))가 통상적인 케이블(200)에 직렬로 연결될 수 있다.

예시적인 리액터 어셈블리(206)는 트렌치(Trench Limited, Scarborough, Ontario, Canada)에서 제조된 에어 코어 건식 전력 리액터를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 리액터 어셈블리(206)는 임피던스(Z)의 허수부인 리액턴스(X)를 비-초전도 전기 통로(204)에 도입할 수 있다. 유도성 리액터 어셈블리에서, 리액턴스(X)는 2π(f)(L)로 정의될 수 있다. 여기서 (f)는 리액터 어셈블리(206)에 제공되는 신호의 주파수이며, (L)은 리액터 어셈블리(206)의 인덕턴스이다. 이에 의해, 리액터 어셈블리(206)에 인가되는 신호가 본질적으로 일정한 시스템(예, 60 Hz 전력 배전 시스템)에서, 리액터 어셈블리(206)의 리액턴스(X)는 리액터 어셈블리(206)의 인덕턴스가 변함에 따라 변할 수 있다.

나아가, 고속 스위치 어셈블리(208)는 HTS 케이블(150)에 직렬로 연결될 수 있다. 예시적인 고속 스위치 어셈블리는 에이비비(ABB Inc. of Greensburg, PA)에서 제조된 138kV 형 PM 전력 차단기(138kV Type PM Power Circuit Breaker)이다. 리액터 어셈블리(206) 및/또는 고속 스위치 어셈블리(208)(예, 4 사이클 개방 능력을 가진 스위치) 중 하나 또는 모두는 고장 관리 시스템(208)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 고장 전류(124)를 센싱하는 경우, 고장 관리 시스템(38)은 고속 스위치 어셈블리(208)를 개방하여, 리액터 어셈블리(206)가 통상적인 케이블(200)을 따라 고장 전류(124)의 전력 일부를 흡수하고, HTS 케이블(150)을 고장 전류(124)로부터 효과적으로 분리시킬 수 있다. 고속 스위치는 또한 전류 제한에 의해 신속한 HTS 케이블 스위칭으로부터 보호될 수 있다. 멀티상 전력에서, 다수의 리액터 어셈블리(206) 및/또는 고속 스위치 어셈블리(208)가 설치될 수 있다. 고속 스위치는 HTS 케이블이 초전도 상태로 회복한 경우 수분이 지난 후 재폐로될 수 있다.

도 5를 참고하면, 유틸리티 전력 그리드(250)의 콘텍스트(context) 내의 FCL로서 HTS 케이블(150)의 동작이 도시되어 있다. 이 특정예에서, 유틸리티 전력 그리드(250)는 765 kV 버스(252), 69 kV 버스(254) 및 34.5 kV 버스(256)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 나아가, 유틸리티 전력 그리드(250)는 3개의 69 kV 변전소(24, 262, 264)를 통하여 69 kV 버스(254)에 전력을 공급하는 3개의 변전소(20, 258, 260)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 3개의 34.5 kV 변전소(266, 268, 270)은 69 kV 버스에서 34.5 kV 버스(256)로 전력을 공급할 수 있다. HTS 케이블 및 FCL 시스템(150, 200)은 변전소들(20, 24) 사이에 도시되어 있다.

고장 전류(예, 고장 전류 124)가 유틸리티 전력 그리드(250) 내에 존재하는 경우, 전류는 모든 상호 연결된 변전소에서 모든 이용 가능한 통로를 통하여 흘러서 고장을 급전할 수 있다. 그리고 이는 유틸리터 전력 그리드(250) 상에 위치되는 매우 큰 로드로 나타날 수 있다. 고장 상황에서 실현될 수 있는 고장 전류를 계산할 경우, 고장은 그라운드(ground)에 대한 단락 회로로서 모델링될 수 있다.

도 6을 참고하면, 특정 변전소(예, 138kV 변전소(20)가 고장 전류(124)에 얼마나 기여하는지를 결정하는 경우, 개방 회로 생성 전압(generation voltage)은 이상적인 전압 소스(300)로 모델링될 수 있다. 나아가, 케이블(150, 200)의 임피던스는 그들의 저항 및 무효(reactive) 등가 회로 요소로 모델링될 수 있으며, 업스트림 임피던스는 변압기 임피던스와 결합되어 소스 임피던스(302)로 표시될 수 있다. 이 콘텍스트에서 임피던스는 실효 성분 및 무효 성분으로 구성된 복소 벡터량일 수 있다. 수학적으로, 임피던스 Z = R + jX에서, R은 실효(예, 저항성) 성분이며 X는 무효 성분이다. 이 예에서, 무효 성분은 유도성이며 jωL과 동일하다. 여기서, ω는 2πf이며, f는 전류 흐름의 주파수(예, 북미에서는 60Hz)이다.

유사하게 케이블은 복소 임피던스로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 이상에서 언급한 바와 같이, 고장은 그라운드에 단락 회로로서 모델링되므로, 케이블(150, 200)은 그라운드에 종단된 것으로 도시된다. 옴의 법칙은 138 kV 변전소(20)에 의해 제공되는 고장 전류의 예상 레벨을 결정하는 데 이용될 수 있다. 그리드(250) 내의 다른 변전소에도 이러한 접근법을 이용하여, 전체적인 고장 전류의 기여가 계산될 수 있으며, 케이블(150)을 따라 흐르는 예상 고장 전류가 결정될 수 있다. 그리고, HTS 케이블(150) 및 통상적인 케이블(200)은 이와는 달리 예상된 고장 전류(124)를 제한하여 통상적인 회로 차단기가 제어할 수 있는 소정의 레벨로 낮추도록 디자인될 수 있다.

FCL로서 적절히 동작하는 통상적인 장비 및 HTS 장비를 디자인하는 경우, 특정 기준이 고려될 수 있다. 예를 들어, 고장 상황 동안, HTS 케이블(150)은 그리드에 충분한 임피던스를 제공하여 고장 전류를 바람직한 레벨로 낮출 수 있는 충분한 저항을 달성하도록 구성될 수 있다. 이는 또한 다수의 고장 전류(124)가 통상적인 케이블(200)을 통하여 흐르는 통상적인 케이블(200)의 임피던스보다 충분히 높아야 될 수 있다. 예를 들어, 초전도 전기 통로(202)는 초전도 전기 통로(202)가 완전 저항 상태에서 동작하는 경우 비-초전도 전기 통로(204)의 직렬 임피던스의 적어도 N(예, 1 이상) 배의 직렬 임피던스를 가지도록 구성될 수 있다. N의 전형적인 값은 >1이며, 5보다 높을 수 있다. 통상적인 병렬 링크의 임피던스와 함께, N은 기지 고장 전류 레벨을 적어도 10% 감소시키도록 선택될 수 있다.

이 전압 분배기의 디자인은 고장이 케이블 온도를 냉각제(예, 액체 질소 또는 다른 액체 한제)가 액체 상태에서 기체 상태로 변하는 점으로 상승시키지 않는 동안 HTS 케이블(150)에 걸쳐 전압을 강하시킬 수 있어야 한다. 만약 이가 발생한다면, 고전압 케이블 코어(예, HTS 층(102, 104))와 차폐제(예, HTS 차폐층(108)) 사이의 액체 질소의 절연 내력은 유지되지 않을 수 있으며, HTS 케이블(150) 내의 전압 파괴는 잠재적으로 케이블에 손상을 야기할 수 있다.

HTS 장비가 대부분의 고장 전류가 통상적인 장비를 통하여 재지향되는 충분히 높은 저항을 달성하는 기준은 초전도 상태에서 노말(예, 비-초전도) 상태로 전이된 이후 안정자를 가지는 HTS 와이어의 적절한 고저항 때문에 달성될 수 있다. 모든 초전도체와 같이, 온도, 전류 밀도 및 자장의 강도가 특정 임계 값 아래로 유지되는한, 전류는 본질적으로 제로 저항의 초전도체에서 흐를 수 있다. 그러나, HTS 와이어의 저항성 상태에서 가열은 안정자의 저항률(resistivity)과 함께 증가한다. 따라서, 저항률은 하기에서 설명하는 바와 같이 중간 범위 내에 있어야만 한다.

HTS 케이블(150)이 138kV에서 2400A의 직류로 규격되는 2.60 km의 HTS 케이블인 것을 가정하자. HTS 케이블(150)의 HTS 와이어(예, HTS 층(102, 104))는 병렬인 28 스트랜드의 HTS 와이어를 포함할 수 있다. 나아가, 케이블(150)이 0.44cm 폭의 HTS 와이어를 사용하여 구성되고, 90K에서 5 μΩ-cm의 저항률을 가지는 300 마이크론의 황동(일측당 150 마이크론)으로 적층된 것을 가정하자. 그리고, HTS 와이어의 일 스트랜드는 90K에서 약 37.9 μΩ/km의 저항을 가진다. 아메리카 수퍼컨덕터 코퍼레이션은 HTS 와이어에 황동 안정자 적층을 설명하였다. 이에 의해, 상(phase) 당 케이블 저항은 37.9 Ω/km * 2.6 km * 1.08 / 28 스트랜드 = 3.80 Ω일 수 있다. 1.08 인자는 각 스트랜드가 HTS 케이블(150)의 길이보다 길기 위해 필요한 나선형 케이블링 과정에서 비롯된 것이다. 통상적인 케이블(200)의 경우 임피던스는 2.6 km * (0.095 + j0.17) Ω/km = 0.25 + j0.44 Ω이다. 이에 의해, HTS 케이블(150)은 초전도인 경우 통상적인 케이블(200)보다 실질적으로 낮은 임피던스 값(예, 0.00 + + j0.007 Ω/km)을 가지는 반면, HTS 케이블(150)이 초전도가 아닌 경우(예, 고온 상태가 발생하는 경우) HTS 케이블(150)은 통상적인 케이블(200)(예, 0.095 + j0.17 Ω/km의 유도성 임피던스)보다 실질적으로 높은 임피던스 값(1.46 + j0.007 Ω/km)을 가질 수 있다.

도 7A을 참고하면, HTS 층(102, 104)에 구성하는데 사용되는 HTS가 코팅된 전도 와이어(350)의 단면도가 도시되어 있다. 이 예에서, HTS 층(102, 104)에 사용되는 HTS 와이어(350)는 두개의 안정자층(352, 353) 및 기재(354)를 포함하는 것으로 도시하였다. 예시적인 안정자층(352, 353)은 황동 또는 다른 구리 또는 니켈 합금을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예시적인 기재(354)는 니켈-텅스텐, 스테인레스 스틸 및 하스텔로이(Hastelloy)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 버퍼층(356), HTS 층(358)(예, 이트륨-바륨-구리-산화물층) 및 예컨대 은으로 구성된 캡층(360)이 안정자층(352)과 기재(354) 사이에 배치될 수 있다. 예시적인 버퍼층(356)은 산화이트륨(yttria), YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 및 세륨 산화물(cerium oxide, CeO2)의 조합이며, 예시적인 캡층(360)은 은이다. 솔더 층(362)(예, SnPbAg 층)이 사용되어 안정자층(352, 353)을 캡층(360) 및 기재 층(354)에 접착시킬 수 있다. 추가적인 HTS 층, 기재 및 안정자 뿐만 아니라 가능한 인캡슐런트(encapsulant)의 다른 구성이 본 발명의 사상 내에서 또한 고려될 수 있다.

상기에서 언급한 와이어 구성에 추가하여, 다른 와이어 구성이 본 발명의 사상 내에서 고려될 수 있다. 예를 들어, 단일 안정자층이 사용될 수 있다. 택일적으로, 제2 HTS 층(버퍼 및 캡층을 포함, 미도시)은 제2 안정자층(353)과 기재(354)의 하부 사이에 배치될 수 있다. 선택적으로, HTS 와이어는 두 기재층 사이에 배치된 제3 안정자층에 의해 분리되는 두 개의 기재층(각각 버프 층, HTS 와이어 층 및 캡층을 포함)을 포함하는 HTS 와이어의 외측 상에 배치된 두개의 안정자층을 포함할 수 있다. 솔더 층을 사용하여 (기재층(354), 버퍼층(356), HTS 층(358) 및 캡층(360) 사이는 가능한 제외) 요구되는 어떤 결합을 용이하게 할 수 있다.

도 7B를 참고하면, HTS 와이어(350)의 대체적 실시예인 HTS 와이어(350')가 도시되어 있다. HTS 와이어(350')는 제2 안정자층(353)와 제3 안정자층(382) 사이에 배치된 제2 기재층(380)을 포함할 수 있다. 안정자층(353)(및/또는 안정자층(382))과 기재층(380) 사이에는 버퍼층, HTS 층(예, 이트륨-바륨-구리산화물-YBCO-층), 캡층 및 솔더층이 배치될 수 있다.

안정화된 HTS 와이어 주위를 감싸거나 증착된 전도성이 좋지 않은 절연층을 추가하여 이를 밀봉함으로써 추가적인 비열(specific heat)이 제공될 수 있다. 이러한 전도성이 좋지 않은 절연층은 인캡슐런트(encapsulant)(364)로 지칭될 수 있다. 인캡슐런트(364)는 일반적으로 열전달율(heat transfer coefficient)이 제한된 액체 불침투성 층을 형성하여 주변의 액체 냉각제(예, 액체 질소)로 열 유입(heat introduction)을 지연시킬 수 있다. 이에 의해 HTS 와이어의 온도를 열화(thermalize)하여, 예를 들어 단면에 걸쳐 더욱 균일해지고, 이에 의해 액체 냉각제에서 기체 버블 및 핫 스팟(hot spot)의 발생을 최소화할 수 있다. HTS 와이어의 표면은 또한 (예, 표면 특징 및 계면 화학으로) 최적화되어 액체 냉각제 버블링 또는 끊음 온셋(onset)을 방지할 수 있다.

인캡슐런트(364)는 일반적인 전기 절연 물질을 포함하는 폴리머(예, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 에폭시, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄)를 포함할 수 있다. 인캡슐런트(364)의 두께는 주변의 액체 냉각제로의 열 유입에 의한 HTS 와이어를 냉각시키는 요구와 주변의 액체 냉각제 내에서 기체 버블이 생기지 않고 HTS 와이어의 온도를 최대화하는 요구의 균형을 맞출 수 있도록 선택될 수 있다. 인캡슐런트(364)의 일반적인 두께 범위는 25-300 마이크로미터이며, 인캡슐런트(364)의 바람직한 두께 범위는 50-150 마이크로미터이다.

바람직한 형태에서, 인캡슐런트(364)는 아마도 금속, 그래파이트(graphite) 또는 카본 파우더와 같은 도전 입자 추가를 통하여, 약한 도전성을 가지거나, 부분적으로 도전성인 폴리머들 중 일부로부터 선택될 수 있다. 인캡슐런트(364)의 순전기 저항률은 0.0001-100 Ohm cm 범위 내일 수 있다. 이 적절한 전기 전도성은 저항성 또는 노말 상태에서 HTS 와이어의 고장 전류 제한 저항을 상당히 감소시키지 않으며, HTS 케이블의 HTS 와이어가 각 단면에서 등전위를 유지하며 HTS 케이블(150)의 서로 다른 HTS 와이어들 사이에 전류 공유가 가능하도록 할 수 있다. 등전위를 유지하는 것은 그렇지 않으면 HTS 와이어들 사이의 유도성으로 유도된(inductively-induced) 전위 차이를 야기하여, 유전체 파괴 및 HTS 와이어에 손상을 야기할 수 있는 전류가 증대(surge)하는 경우에 중요하다. 선택적으로, 인캡슐런트(364)는 이 범위에서 저항을 가지는 반도체 금속 또는 고저항률 금속, 또는 에나멜, 유리 또는 결정성 산화물일 수 있으며, 이는 또한 전기 전도성 강화 물질을 포함할 수 있다.

인캡슐런트(364)의 외부 표면에는 인캡슐런트(364)와 주변 액체 냉각제(예, 액체 질소) 사이의 열전도율을 감소시키는 물질로 코팅될 수 있다. 택일적으로 인캡슐런트(364)의 표면은 텍스쳐(texture)되어 인캡슐런트(364)와 주변의 액체 냉각제(예, 액체 질소) 사이의 열전도율을 강화시킬 수 있다. 나아가, 인캡슐런트(364)의 표면은 주변의 냉각제로의 신속한 열손실에 의해 결정핵생성(nucleation)을 방지하기 위하여 예를 들어, 고전도성 금속 입자 또는 돌출된 금속 피버가 코팅될 수 있다. 그러나, 이러한 어떤 표면 처리도 또한, 액체 상태에서 절연 내력을 감소키는 것을 피할 수 있어야 한다.

인캡슐런트(364)는 예를 들어, 단일 패스 기법(single pass approach)에 비해 퍼포레이션(perforation) 빈도를 실질적으로 감소시키는 멀티 패스 기법(multi-pass approach)을 포함하는 다양한 래핑(wrapping)/코팅 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 택일적으로, 인캡슐런트(364)는 디핑(dipping), 압출 성형(extrusion), 도금, 기상 증착 또는 분사(spraying)와 같은 코팅 방법에 의해 형성될 수 있다.

인캡슐런트(364)가 제공되어 HTS 와이어는 예를 들어 와이어의 0.3% 인장(tension) 스트레인(strain)(예, 100 메가파스칼 차수)까지 축방향 인장되는 반면, 이에 의해 어플리케이션 프로세스의 완성 단계에서 인캡슐런트(364)가 압축 상태에 놓이며, 인캡슐런트(364)에서 퍼포레이션 가능성을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 완료된 이후 (초기 상태와 비교하여) 인캡슐런트(364)는 축방향으로 압축되는 반면, 인캡슐런트(364)에서 HTS 와이어는 축방향으로 인장될 수 있다.

래핑 과정을 이용하여 인캡슐런트(364)를 형성하는 경우, 불침투성 물질이 래핑된 층으로 인캡슐런트(364)의 틈(opening)/갭에 침투할 수 있는 추가적인 불침투성 코팅(impregnating coating)(예, 폴리머, 페인트 또는 니스, 미도시)을 이용하여, 밀폐 인캡슐런트(364)를 형성할 수 있다. 택일적으로 래핑된 인캡슐런트는 상기의 갭/틈을 막는 롤링 또는 압축 과정(예, 정수압 성형(isostatic pressing))에 의해 밀폐될 수 있다. 갭 또는 틈을 피하는 것은 와이어의 금속 안정자층 쪽으로 침투하는 액체 한제가 고장 동안 가스 버블 결정핵생성 및 끊음을 시작할 수 있기 때문에 중요하다.

인캡슐런트 또는 안정자의 다른 종류는 융해 또는 결정 구조 상 전이와 같은 흡열 상 전이(endothermic phase transition)를 수행하는 물질이다. HTS 와이어의 동작 온도보다 높은 일부 온도(그러나, HTS 와이어의 최대 허용 가능한 온도 아래)에서 흡열 상 변화를 수행하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예시적인 흡열 상 변화는 유기 또는 무기 물질의 융해 예를 들어 저온 융해이다. 그리고, 이는 보강 물질(composite reinforcement material)에 이산적으로 임베드된 입자로서; 인캡슐런트(364)의 표면/계면에 제공될 수 있는 겔/페인트로서; 인캡슐런트(364) 또는 선택적으로 인캡슐런트(364)의 특정 영역(예, 가장자리, 필레(fillet) 또는 내부 도관(conduit) 영역)에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 인캡슐런트(364)로 선택된 물질은 액체 또는 혼합 상태(예, 페인트, 필름 코팅, 에멀젼 또는 겔)로 인캡슐런트(364)의 응용이 상대적으로 용이하고 경제적이도록, -160 내지 -70℃ 범위에서 융해될 수 있으며, 약 50 ℃ 이상에서 (바람직하게 주위 온도(ambient temperature) 이상에서) 끊을 수 있다.

도 8을 참고하면, HTS 와이어(350)의 등가 전기 모델(400)이 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 전기 등가 모델(400)은 HTS 와이어(350)를 모델(400)의 하부 절반 상에 초전도층(402)으로 도시하며, 다른 모든 와이어 구조체들은 결합되어 모델(400)의 상부 절반 상에 저항성 금속층(404)을 형성한다. HTS 와이어(350)가 초전도 모드인 경우, 모든 전류는 본질적으로 제로 저항 초전도층(402) 내에 흐른다. 비-초전도 모드인 경우, 전류는 주로 안정자로 형성된 저항성 금속층(404) 내에 흐른다.

도 9를 참고하면 이상에 설명한 바와 같이, 초전도 모드 또는 비-초전도 모드에서 HTS 와이어(350) 기능을 구별하는 것은 임계 전류 레벨을 초과하는 것이다. HTS 와이어(350)는 저전류(예, 임계 전류 레벨 아래)에서 폐쇄되어 금속층(404) 저항(408)에 분로를 형성하는 스위치를 포함하도록 모델링될 수 있다. 이에 의해, 스위치(406)가 패쇄된 경우 모든 전류는 초전도체(402)를 통하여 흐르며, 이는 제로 저항으로 모델링된다. 임계 전류 레벨이 초과되는 경우, 초전도층(402)은 고저항이 되고 스위치(406)가 개방되어 모든 전류가 저항성 금속층(404)을 통하여 흐를 수 있다.

도 10을 참고하면, 초전도 동작 모드 동안 HTS 케이블(150)과 통상적인 케이블(200)의 결합 모델이 도시되어 있다. 이 모델에서, 그라운드에 연결된 전형적인 79.7 kV의 소스 전압과 0.155 + j1.55 Ω의 소스 임피던스(도 6의 Vs, Ls 및 Rs)를 가정하면, 케이블(150, 200) 앞의 변전소(20)에서 고장시 51 kA의 고장 전류가 발생한다. 예를 들어, 2600 미터 케이블의 전형적인 실효 및 무효 임피던스 값을 삽입하면, 전류가 일 변전소에서 다른 변전소로 (예, 임계 전류 레벨 아래) 흐르는 노말 동작 동안, 스위치는 폐쇄되고 전류의 96 %가 HTS 케이블(150) 내에서 흐른다.

또한 도 11을 참고하면, 고장 상황 동안, 임계 전류 레벨을 만족하거나 초과하여 스위치(도 9의 410)가 개방된다. HTS 케이블(150)의 금속층(도 8의 402)의 추가적인 저항은 대부분의 고장 전류가 통상적인 케이블(200) 내에서 흐르도록 할 수 있다. 구체적으로, 도시된 값에서 HTS 케이블이 완전히 저항성으로 되는 경우, 고장 전류의 88%가 통상적인 케이블(200) 내에서 흐르며, 12%가 HTS 케이블(150) 내에서 흐를 수 있다. 케이블(150, 200)에 흐르는 총 고장 전류는 유효한 51 kA에서 상당히 감소된 40 kA이다. 유효 고장 전류에서 이 20% 감소는 고장 전류 제한기에서 요구될 수 있는 전형적인 것이다.

고장 동안 HTS 케이블(150)이 과열되는 것을 방지하기 위해, 몇몇 방법이 수행될 수 있다. 전형적으로, HTS 케이블(150)에 직렬로 연결된 고속 스위치 어셈블리(도 4의 208)가 예를 들어, 4 사이클 이후에 개방되고, HTS 케이블(150)이 용인가능한 스타팅 온도로 냉각된 이후에만 폐쇄될 수 있다. 택일적으로 회로 차단기(34) 및/또는 회로 차단기(36)가 개방될 수 있다.

온도 상승을 더욱 최소화하기 위하여, 안정자층(도 7의 352)은 매우 얇아서 열용량을 증가시킬 수 있다. 동시에, 안정자층(352)의 저항률은 저항 가열(resistive heating)에 의한 온도 상승을 최소화함과 동시에 스위치된 상태에서 HTS 케이블(150)이 대부분의 고장 전류(도 5의 124)가 통상적인 케이블(200)로 이동하는 것을 보장할 수 있는 충분히 높은 저항을 가지는 것을 보장하는 충분히 높은 값에서 선택될 수 있다. 전형적으로 90 K 주위에서 0.8-15 μΩ-cm 또는 바람직하게는 1-10 μΩ-cm 의 값이 전형적인 응용에서 이러한 요구를 충족시킨다. 상기 값을 달성하는 통상적인 물질 군은 황동(Cu-Zn 합금)이나 CuNi 및 CuMn과 같은 다른 합금 역시 이용할 수 있다. 이러한 값은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 예를 들어 상기에서 설명한 경우, 각각 총 300 마이크론의 안정자, 0.44 cm 폭, 5.0 μΩ-cm 저항률을 가지는 28개의 평행 HTS 와이어는 1.35 Ohm/km의 저항을 제공하며, 350 A/cm의 유효 임계 전류에서 고속 스위치의 개방 이전 4 사이클(0.067 sec)의 홀드 시간 동안 온도 상승은 약 5x10^-6 (350/0.03)² x 0.067/(2 x 2) = 11 K이다(2 J/cm³K의 열용량 및 1의 f -인자의 단열 온도 상승을 가정). 15-20 bar 범위의 압력을 가지는 가압된 케이블 시스템에서, 질소는 약 110K 이상에서 버블되므로, 이러한 온도 상승은 70-80 K 온도 범위에서 동작하는 경우 수용 가능하다. 약 250 A/cm- width의 낮은 임계 전류에서, 약 10 μΩ-cm 저항률의 와이어는 동일한 온도 상승을 야기할 수 있다. 2의 f -인자를 가지는 와이어에서 온도 상승은 약 44 K이며; 이 경우 3 μΩ-cm의 저항률은 약 26K의 온도 상승을 초래하며, 이는 77 K 아래의 케이블 동작에서 수용 가능할 수 있다. 3의 f -인자를 가지는 와이어에서, 1 μΩ-cm의 저항률은 약 20 K의 온도 상승을 야기할 수 있다.

그러므로, 1-10 μΩ cm 범위의 안정자 저항률 값이 선호된다. 다소 넓은 범위의 개시 파라미터에서, 0.8-15 μΩ cm의 넓은 저항률 범위 또한 가능하다. 이러한 값은 문헌에서 취한 HTS 케이블에 대한 이전 접근과는 상이하다. 반면에, 전류 제한보다 보호용으로 디자인된 대부분의 HTS 케이블은 77-90K 온도에서 0.5 μΩ-cm 아래의 저항률을 가지는 낮은 저항률의 구리 분로(shunt)와 함께 구성된다. 반면에, 전류 제한 케이블의 이전 디자인(" SUPERPOLI Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes (A. Usoskin et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 1972-5)" 참조)은, 노말 저항 상태에서 약 100 μΩ-cm의 저항률을 가지는 초전도체 또는 >50 μΩ-cm의 저항률을 가지며 스테인레스 스틸에 의해 안정화되는 HTS 와이어의 로드(rod) 또는 실린더 중 하나를 사용하였다. 중간 범위의 안정자 저항률을 사용하는 본 발명의 해결책에 대하여 이전에는 인식하지 못하였다.

예시적으로 600m 길이의 동일한 케이블(예, 138kV, 2400A 및 동일한 와이어 특성을 가지며 동일한 방법으로 구성됨)을 고려해보자. 도 9의 임피던스 값 및 소스 전압은 변하지 않고 유지된다. 그러나, 비-초전도 상태에서 통상적인 케이블(200)의 임피던스는 0.57 + j0.10 Ω이며, HTS 케이블의 임피던스(150)는 0.88 + j0.005 Ω이다. 이 시나리오에서 고장 전류는 단지 51 kV에서 48 kV로 감소된다. 고장 전류를 보다 낮추기 위해, 리액터(예, 리액터 206)가 통상적인 케이블(200)에 직렬로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 1.4 mH의 리액터는 0 + j0.53 Ω의 임피던스를 가지며 이 임피던스가 통상적인 케이블 임피던스에 추가되는 경우(이들이 직렬로 연결되어 있으므로), 케이블에 흐르는 총 고장 전류는 40 kA로 감소된다.

고장 전류 제한 케이블(150)의 총효과(net effect)는 케이블 시스템의 손상된 분지(impacted branch)의 전류를 f -인자와 임계 전류(Ic)의 곱보다 크지 않은 레벨로 제한하며; 고속 스위치 어셈블리(208)를 보호하고; 잔존하는 고장 전류를 비-초전도 케이블(200)과 리액터(206)로 전환하는 것이다. 상기 예시에서, 본 발명에 따른 고장 전류 제한 HTS 케이블 디자인을 이용하지 않는 경우, 케이블 시스템의 분지 내에 고장 전류는 상당히 높을 수 있다(예, 10까지(order of magnitude) 높을 수 있다). 그러나, 정밀 전류(precise current)는 전기 통로 내의 전압 레벨 및 임피던스에 의존한다. 고속 스위치 어셈블리(208)가 개방된 이후, 비-초전도 케이블(200)과 리액터(206)는 회로 차단기(34, 36)가 개방될 때까지 고장 전류를 통과시킨다. 비-초전도 케이블(200) 및 리액터(206)의 임피던스의 적절한 선택을 통해, 고장 전류는 바람직한 레벨로 제한될 수 있다. 수분 후 초전도 케이블(150)이 이들의 초전도 상태로 회복된 이후, 고속 스위치 어셈블리(208)는 폐쇄되어, 시스템이 원래의 동작으로 복귀하도록 할 수 있다.

초전도 케이블(150)은 이상에서 전체 케이블이 공통의 초전도 파라미터를 가지는 (예, 단일 초전도 물질로 형성된) 단일 초전도 케이블로 설명하였지만, 본 발명의 사상 내에서 다른 구성이 가능하며 고려될 수 있을 것이다. 예를 들어 도 12를 참고하면, 다수의 별개 초전도 케이블부(450, 452)를 포함하는 택일적 실시예의 초전도 케이블(150')이 도시되어 있다. 택일적 실시예의 초전도 케이블(150')은 두개의 초전도 케이블부(450, 452)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 초전도 케이블부의 실제 수는 응용에 따라 증가/감소될 수 있다.

다양한 초전도 물질의 다양한 전이(예, 초전도 상태에서 노말 상태로 전이) 특성 때문에, 일부 초전도 물질은 고장 전류 제한 응용에서 다른 것들보다 본질적으로 더 나을 수 있다. 예를 들어, YBCO 전도체는 YBCO 전도체의 높은 n 값 때문에 고장 전류 제한 응용에서 전형적으로 BSCCO 전도체보다 더 나은 것으로 고려된다. 여기서, 초전도체의 n 값은 초전도 상태에서 노말 상태로 전이 경사(abruptness of transition)를 반영하는 데 이용된다. 전형적인 n 값의 예는 10-100 범위이며, YBCO 와이어는 25-30의 n 값을 가지며 BSCCO 와이어는 15-20의 n 값을 가진다.

이에 의해, 초전도 케이블부는 다수의 초전도 케이블부(예, 케이블부 450, 452)로 구성될 수 있으며, 여기서 초전도 케이블부(450, 452) 각각은 다른 초전도 물질을 이용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 초전도 케이블부(450)는 BSCCO 와이어로 구성되는 반면, 초전도 케이블부(452)는 YBCO 와이어로 구성될 수 있다. 예시적인 BSCCO 케이블부(450)는 스미토모 전기 공업(Sumitomo Electric Industries, Ltd., of Osaka, Japan) 및 아메리카 슈퍼컨덕터 코퍼레이션(American Superconductor Corporation of Westborough, MA)에서 제조된 BSCCO 와이어를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예시적인 YBCO 케이블부(452)는 아메리카 수퍼컨덕터 코퍼레이션에서 제조된 YBCO 와이어를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

이에 의해, 전체적으로 BSCCO 와이어로 구성된 초전도 케이블은 (예, 낮은 n 값 때문에) 고장 전류 제한 장비로서 유효성이 제한되는 반면, 높은 n 값을 가지는 와이어를 사용하여 구성된 케이블부를 부가하는 것은 고장 전류 제한 장비로서 효과적인 전체 케이블(예, 케이블부(450, 452)의 결합)을 형성할 수 있다. 따라서, 높은 n 값의 케이블부(예, 본 발명에서 설명한 바와 같이 디자인된 YBCO 와이어를 사용하여 구성된 초전도 케이블부(452))를 기존의 낮은 n 값의 케이블부(예, BSCCO 와이어를 사용하여 구성된 초전도 케이블부(450))에 부가하여, 고장 전류 제한 초전도 케이블(150')가 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 케이블부(452)의 높은 n 값 전이 특성은 초전도 케이블(150')(예, 낮은 n 값의 케이블부(450)를 포함)에 바람직한 고장 전류 제한 효과를 달성하는데 사용될 수 있다.

다양한 실시예를 설명하였지만, 다양한 변형예들이 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 하기 청구항의 사상 내에 있을 수 있다.

Claims

기지 고장 전류(known fault current) 레벨을 가지는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함된 초전도 전기 케이블 시스템에 있어서,

상기 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드 사이에 상호 연결된 비-초전도 전기 통로;

상기 유틸리티 전력 그리드의 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상호 연결된 초전도 전기 통로; 및

하나 이상의 HTS 와이어를 포함하되,

상기 초전도 전기 통로와 상기 비-초전도 전기 통로는 전기적으로 병렬 연결되고,

상기 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨 및 임계 온도 아래에서 동작하는 경우 상기 초전도 전기 통로는 상기 비-초전도 전기 통로보다 낮은 직렬 임피던스를 가지며,

상기 초전도 전기 통로가 상기 임계 전류 레벨 또는 상기 임계 온도 이상에서 동작하는 경우 상기 초전도 전기 통로의 직렬 임피던스는 상기 비-초전도 전기 통로의 직렬 임피던스의 적어도 N 배이되,

상기 N은 1보다 큰 실수(real number)이고, 상기 초전도 전기 통로의 직렬 임피던스가 상기 비-초전도 전기 통로의 직렬 임피던스와 결합하여 상기 기지 고장 전류 레벨을 적어도 10% 감소시키도록 선택되고,

상기 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 200-600 마이크론 범위 내의 총 두께 및 90 K에서 0.8-15.0 μΩ-cm 범위 내의 저항률을 가지는 하나 이상의 안정자층과, 상기 안정자층의 적어도 일부에 열적으로 결합(thermally-coupled)된 제1 비-필라멘팅(non-filamentized) HTS 층을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 비-초전도 전기 통로는 비-극저온(non- cryogenic) 온도에서 유지되는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 비-극저온 온도는 적어도 273 K인 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리 내에 포함되며, 상기 비-초전도 전기 통로는 상기 케이블 어셈블리의 외부에 있는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 비-초전도 전기 통로의 상기 임피던스를 조정하는 임피던스 조정 장비를 더 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제5 항에 있어서,

상기 임피던스 조정 장비는 리액터 어셈블리를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로에 전기적으로 직렬 연결된 고속 스위치를 더 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 제1 초전도 케이블부와 적어도 제2 초전도 케이블부를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제8 항에 있어서,

상기 제1 초전도 케이블부는 제1 HTS 초전도 물질을 포함하며, 상기 적어도 제2 초전도 케이블부는 제2 HTS 초전도 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제9 항에 있어서,

상기 제1 HTS 초전도 물질은 YBCO 물질을 포함하며, 상기 제2 HTS 초전도 물질은 BSCCO 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 N은 3 이상인 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 N은 5 이상인 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 비-초전도 전기 통로는 적어도 하나의 비-초전도 전기 케이블을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 비-초전도 전기 통로는 적어도 하나의 비-초전도 전기 가공 라인을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 하나 이상의 전기 케이블; 및 하나 이상의 고속 스위치 어셈블리 중 하나 이상을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 비-초전도 전기 통로는 하나 이상의 비-초전도 전기 케이블, 하나 이상의 버스, 하나 이상의 변전소, 및 하나 이상의 리액터 어셈블리 중 적어도 하나를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 15항에 있어서,

상기 적어도 하나의 초전도 전기 케이블은 중앙에 위치한 축방향 냉각제 통로를 포함하며,

상기 중앙에 위치한 축방향 냉각제 통로를 통하여 냉각제가 축방향 분배되는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 복수의 전기 전도 요소(conducting component)를 포함하되, 상기 전기 전도 요소 각각은 90 K 온도에서 0.8 μΩ-cm보다 큰 범위의 저항률을 가지는 초전도 전기 케이블 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 HTS 와이어 중 적어도 하나는 이트륨(yttrium) 또는 희토류-바륨-구리-산화물(rare-earth-barium-copper-oxide); 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물(thallium-barium-calcium-copper-oxide); 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물(bismuth-strontium-calcium-copper-oxide); 수은-바륨-칼슘-구리-산화물(mercury-barium-calcium-copper-oxide); 및 붕화마그네슘(magnesium diboride)을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성된 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 HTS 와이어 중 적어도 하나는 인캡슐런트를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 안정자층은 황동 물질로 적어도 일부 구성되는 초전도 전기 케이블 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 임계 전류 레벨 아래에서 초전도 모드로 동작하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 상기 임계 전류 레벨 이상에서 비-초전도 모드로 동작하는 초전도 전기 케이블 시스템.
기지 고장 전류 레벨을 가지는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함된 초전도 전기 케이블 시스템에 있어서,

상기 유틸리티 전력 그리드의 제1 노드와 제2 노드 사이에 상호 연결된 비-극저온, 비-초전도 전기 통로;

상기 유틸리티 전력 그리드의 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상호 연결된 초전도 전기 통로; 및

하나 이상의 HTS 와이어를 포함하되,

상기 초전도 전기 통로와 상기 비-초전도 전기 통로는 전기적으로 병렬 연결되고,

상기 초전도 전기 통로가 임계 전류 레벨 아래에서 동작하는 경우 상기 초전도 전기 통로는 상기 비-초전도 전기 통로보다 낮은 직렬 임피던스를 가지며,

상기 초전도 전기 통로가 상기 임계 전류 레벨 이상에서 동작하는 경우 상기 초전도 전기 통로는 상기 비-초전도 전기 통로의 상기 직렬 임피던스의 적어도 N 배의 직렬 임피던스를 가지되, 상기 N은 1보다 큰 실수(real number)이고,

상기 하나 이상의 HTS 와이어 중 적어도 하나는 200-600 마이크론 범위 내의 총 두께 및 90 K에서 0.8-15.0 μΩ-cm 범위 내의 저항률을 가지는 하나 이상의 안정자층과, 상기 안정자층의 적어도 일부에 열적으로 결합(thermally-coupled)된 제1 비-필라멘팅(non-filamentized) HTS 층을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 비-극저온, 비-초전도 전기 통로는 적어도 273K의 비-극저온 온도에서 유지되는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 케이블 어셈블리 내에 포함되며, 상기 비-극저온, 비-초전도 전기 통로는 상기 케이블 어셈블리의 외부에 있는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 비-극저온, 비-초전도 전기 통로의 상기 임피던스를 조정하는 임피던스 조정 장비를 더 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 30항에 있어서,

상기 임피던스 조정 장비는 리액터 어셈블리를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 초전도 전기 통로는 제1 초전도 케이블부와 적어도 제2 초전도 케이블부를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 32항에 있어서,

상기 제1 초전도 케이블부는 제1 HTS 초전도 물질을 포함하며, 상기 적어도 제2 초전도 케이블부는 제2 HTS 초전도 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 33항에 있어서,

상기 제1 HTS 초전도 물질은 YBCO 물질을 포함하며, 상기 제2 HTS 초전도 물질은 BSCCO 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 N은 3 이상인 초전도 전기 케이블 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 N은 5 이상인 초전도 전기 케이블 시스템.