KR101242128B1

KR101242128B1 - 낮은 인덕턴스를 가진 코일 형상의 소형 초전도 전류 제한부품

Info

Publication number: KR101242128B1
Application number: KR1020060003688A
Authority: KR
Inventors: 요하킴 복; 슈테펜 엘쉬너; 프랑크 브로이어
Original assignee: 넥쌍
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2013-03-11
Also published as: JP2006237578A; EP1681731A1; US20060217269A1; US7706110B2; KR20060082437A

Abstract

본 발명은 초전도 전류 제한 부품에 관한 것으로, 특히 자체 트리거되는 세라믹 고온 초전도체 전류 제한 부품에 관한 것이다. 이 부품은 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)을 포함하고, 상기 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)의 외면에 분로로서 제2 코일(3)이 적용되며, 바람직하게는 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)이 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 중공 원통형 본체(2) 위에 적용된다.

Description

낮은 인덕턴스를 가진 코일 형상의 소형 초전도 전류 제한 부품{COMPACT SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITING COMPONENT IN COIL CONFIGURATION WITH LOW INDUCTANCE}

도 1은 본 발명의 초전도 전류 제한 부품 바람직한 실시예의 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 실시예의 횡단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: htsc 제1 코일 2: htsc 중공 원통형 본체

3: 노말 전도 물질의 분로 코일(shunt coil)

4: 전기 접촉부 5:지지 요소

6: 공칭 전류의 흐름 방향(스냅샷)

본 발명은 초전도 전류 제한 부품, 특히 자체 트리거(self-triggering)되는 저항성 세라믹 고온 초전도 전류 제한 부품에 관한 것이다.

초전도체, 특히 세라믹 고온 초전도체는 정상 작동 중 신속하고 효과적인 전류 제한, 자동 회복, 무시할 수 있는 임피던스를 달성하고 고압에서 활용할 수 있는 고장(fault) 전류 제한기로서 상당한 가능성을 제공한다.

고온 초전도 물질에 기초한 전류 제한기는 그 임계온도(T_c), 임계 자기장(H_c) 또는 임계 전류(I_c)의 적어도 어느 하나가 초과될 때, 본질적으로 저항이 없는 초전도 상태에서 정상적인 전도 상태로 변하는 초전도 물질의 특성을 이용한다.

예를 들어, 전류 고장의 경우 초전도체 물질을 통한 전류 흐름은 큰 서지(surge) 전류 때문에 초전도체 물질의 임계 전류를 초과하고, 초전도 물질은 초전도 상태로부터 정상의 전도 상태로 전이한다. 이러한 전이를 또한 "초전도 깨짐(quenching)"이라 부른다. 양호한 작동을 위해서, 전류 제한 상황 후에 초전도체는 그 초전도 상태로 복귀하는 능력을 가져야 한다.

초전도 전류 제한기의 다른 실시 형태들이 알려져 있다.

소위 저항 제한기(resistive(ohmic) limiters)에서, 초전도 요소는 일반적으로 전도성이 있게 된다. 발생한 저항은 전류 고장의 경우 전류를 제한한다.

또한, 소위 유도 전류 제한기(inductive current limiters)가 알려져 있다. 고장 전류가 적용될 때, 유도 전류 제한기는 고장 전류를 한계값 아래로 제한하는 고(高) 임피던스를 제공한다. 예를 들어, US-A-5,140,290는 제한된 전류가 구리로 만들어진 유도 코일을 통해 흐르도록 하는 교류의 유도 전류 제한을 위한 장치를 개시한다. 고온 초전도 물질의 중공 실린더가 이 코일의 내부에 배열되고, 높은 투 자율(permeability)를 가진 연질의 자기 물질이 내부에 동심으로 배열된다. 정상 작동에서(정격 전류) 중공 실린더의 초전도성은 유도 코일의 자기장을 코어로부터 완전히 차단하고 유도 코일의 임피던스는 매우 낮은 정도로 유지된다. 고장 전류가 유도 코일을 흐를 때, 중공 실린더형 본체의 초전도성은 사라지고 유도 코일의 임피던스는 최대 전류-제한 값에 도달한다.

모든 다른 제한기 개념에서, 초전도 깨짐 동안 상승한 저항으로 인해 초전도 물질은 그 길이를 따라 가열된다.

그러나, 실질적으로 초전도 본체를 구성하는 초전도 물질은 초전도체 본체 전체를 통해 완전히 균질은 아니어서, 임계 전류 밀도와 같은 초전도체 특성은 초전도체 본체의 서로 다른 부위에서는 서로 다를 수 있다. 결과적으로, 고장 전류의 경우 일부 부위는 이미 저항성이 되고 반면 다른 부위는 여전히 초전도 상태로 존재한다. 여전한 초전도 상태 구역으로 인해 높은 전류가 초전도체 본체를 통해 흘러 이미 저항성을 띄는 구역에 고온을 유발하고 이러한 구역을 과열로 인해 파손한다. 따라서, 초전도 깨짐 동안에 초전도체 본체의 손상을 방지하기 위하여 초전도 깨짐 및 결과적으로 초전도체 본체의 가열은 가능한 한 균일하고 빠르게 발생하여 그 초전도체 본체는 국부적인 과열("과열점(hot spots)")로 인한 초전도체 본체의 열적 파괴를 방지하기 위해 충분히 짧은 시간 내에 전체적으로 저항성을 나타내는 것이 필요하다.

국부적인 과열 문제를 해결하기 위하여, 초전도체 본체에 그 저항이 정상 전도 상태에서 초전도성 물질의 저항보다 낮은 보통의 전도 물질의 분로(shunt)를 제 공하는 것이 알려져 있다. 고장 및 따라서 갑작스러운 온도 상승의 경우, 전류는 분로로 우회하고 열은 분산된다. 그 과정에서 분로 물질은 가열된다.

통상적으로, 분로를 위한 전기적인 전도 물질은 구리 또는 구리 합금과 같은 금속이다.

예를 들어, 원통관형 초전도체 본체로 구성되고, 상기 원통관형 본체의 일단에서 타단까지 도달하는 길이방향 축에 평행한 외부면이 코팅된 전기적 전도 금속의 띠(stripe)를 가진 저항성 전류 제한기가 제안된다. 이런 형상의 초전도체 구성요소는 WO 00/8657에 언급되어 있다.

DE 42 34 312에는 초전도체 구성요소가 두 가닥으로 감긴 나선 형태를 가지는 저항적 고온 초전도체 전류 제한기가 개시되어 있다. 그 전체 나선을 따라 초전도체 물질로 만들어진 두 가닥으로 감긴 나선의 한 면에, 금속 코팅이 분로에 대하여 적용된다.

이러한 모든 형상에서 분로는 초전도체 본체와 평행하게 배열되기 때문에 분로와 초전도체 본체는 거의 같은 길이를 가진다.

그러나, 정해진 전압에서 전류 제한기의 최소 길이는 단락(short circuit) 중 보통의 전도성 분로를 따른 최대 전기장에 의해 한정된다. 만약 단락 중 분로에 작용하는 전기장이 최대값을 초과한다면, 분로는 분로 물질의 녹는점을 초과하는 온도로 과열되어, 결과적으로 분로는 녹는다.

예를 들면, 통상적으로 사용되는 분로 물질에 적용할 수 있는 최대 전기장은 약 1 V/cm이다. 이는 10 kV의 전압이 전류 제한기에 적용된다면, 분로가 고장 상황 중 약 1 V/cm를 받도록 전기장을 제한하기 위하여 초전도체 본체의 길이는 약 100m 이어야 함을 의미한다.

그러나, 이는 예를 들어 고압 적용시에 고온 초전도체 본체는 상당한 비용의 많은 양의 물질을 필요로 하는 매우 긴 길이이어야 함을 의미한다.

또한, 초전도 깨짐을 보조하기 위하여 초전도 전류 제한 장치의 초전도체 본체에 외부 자기장을 적용하는 것이 알려져 있다. 상기 자기장에 의해 초전도체 물질의 임계 전류 밀도는 감소하고 대신에 초전도 깨짐을 촉진하다. 이러한 장치는 임계 전류 밀도가 증가하는 자기장에 따라 감소한다는 사실을 이용한다.

US 6,043,731에는 전류 밀도를 임계 전류 밀도 이하로 유지하기 위하여 초전도 상태에서 정상 작동 중에 자기장을 초전도체 부분에 발생시키고 적용하기 위한 자기장 발생 수단이 갖추어진 초전도 전류 제한 장치가 기술되어 있다. 고장의 경우에 자기장은 조절되는데, 즉 자기장은 초전도체 부분을 그 저항성 상태로 이르게 하기 위하여 임계 전류 밀도를 줄이도록 증가한다.

US 6,043,731의 다른 실시 형태에 따르면 초전도체 부분은 그 초전도체 부분과 평행하게 연결된 분로 코일 내에 위치한다. 고장의 경우에 과도한 전류는 분로 코일로 향하게 되고 분로 코일에서의 전류 흐름은 초전도체 부위에 작용하여 임계 전류 밀도를 낮추는 자기장을 발생시키며, 그리하여 초전도 깨짐을 보조한다.

초전도체 부분으로서 얇은 막 초전도체는 반전도성 기판 위에 개시된다. 도면에 따르면 초전도체 얇은 막 층들과 교대로 기판층들, 즉 초전도체 부분은 초전도체 얇은 막 및 기판 층들의 더미이다.

그러나, 이러한 실시 형태, 특히 결과적으로 얻어진 초전도체 부분의 형태의 특정 구조에 대한 더욱 더 세부적인 사항들은 제공되지 않았다.

또한, 최근의 관심 받는 구조가 J.Bock, F.Breuer, H.Walter, M.Noe, R.Kreutz, M.Kleimaier, K.H.Weck, S.Elschner, "10MVA 저항성 고장 전류 제한기를 위한 MCP-BSCCO 2212 부품의 개발 및 성공적인 시험(Development and successful testing of MCP-BSCCO 2212 components for a 10 MVA resistive fault current limiter)", Supercond. Sci. Technol.17, pp.S122-S126, 2004에 개시된다. 여기서 두 가닥으로 감긴 코일은 전류 제한기로 사용된다. 두 가닥으로 감긴 구조로 인해 내재된 유도 코일 형상은 작다. 그러나, 전류를 위한 두 가닥으로 감긴 코일 입력 및 출력이 서로 가깝기 때문에, 특히 고압 적용시에 절연이 문제이다.

이러한 관점에서, 본 발명의 목적은, 단락 중 짧은 시간 내에 초전도 물질을 따라 충분히 높은 전기장을 형성할 수 있고 간단하고 저렴한 방법으로 제조될 수 있으며 단락의 경우 초전도체 물질이 균일한 초전도 깨짐(quench)에 이르도록 하기에 충분히 높은 자기장을 형성할 수 있는 분로를 초전도 전류 제한 부품에 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 고압의 경우에도 용이하게 절연되는 낮은 유도 요소 구성을 위한 공간을 가진 초전도 전류 제한 부품을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성된 코일을 포함하는 초전도 전류 제한 부품에 의해 해결된다. 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성된 제1 코일의 외면 둘레에는 분로로서 작용하고 필요한 자기장을 발생시키는 제2 코일이 적용된다.

바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹 고온 초전도체 물질의 중공 원통형 본체가 상기 제1 초전도 코일 내에 삽입될 수 있다.

다른 실시 형태에 따르면, 안정화를 위한 지지 요소가 예를 들어 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성된 제1 코일과 중공 원통형 본체 사이에 제공될 수 있다.

이하에서는, 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성된 제1 코일을 "htsc 제1 코일"이라 하고, 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성된 중공 원통형 본체를 "htsc 중공 원통형 본체"라고 한다.

보통 작동 중 본 발명에 따른 전류 제한 부품에서 공칭 전류가 htsc 제1 코일을 통해 흐른다.

본 발명에 따르면, 같은 부품 높이를 가진 코일 형상 때문에 초전도체 길이는 튜브 형태를 가진 종래 전류 제한 장치의 초전도체 길이와 비교하여 상당히 증가할 수 있다.

예를 들어 본 발명에서 초전도체 길이는 같은 부품 높이의 10배로 증가할 수 있다.

디폴드(default)의 경우, 고장 전류로 인해 htsc 제1 코일에 발생한 저항은 전류의 일부가 htsc 제1 코일 외면 둘레에 제공되고 htsc 제1 코일과 전기적 및 물리적으로 평행하게 연결되는 분로 코일로 우회하도록 한다. 이러한 전류와 관련된 자기장은 단락 중 초전도체 물질이 균일한 초전도 깨짐에 이르게 하고, 예를 들어 과열점(hot spots) 형성으로 인한 물질 분해를 방지하는 역할을 한다.

예를 들어, 본 발명의 분로 구성에서는, 100ms, 또는 그 이상이나 이하의 원하는 단락 시간 내에 단락 중 초전도체 물질을 따라 예를 들어 1 내지 10 V/㎝ 또는 그보다 큰 높은 전기장을 형성하는 것이 가능하다.

특정 구성으로 인해, 본 발명의 초전도 전류 제한 부품은 자체 트리거(self-triggering)되며, 이는 전류 제한 부품이 활성 또는 외부 제어없이 고장 전류를 검출하고 제한하는 능력을 가짐을 의미한다.

바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹 고온 초전도체 물질의 중공 원통형 본체("htsc 중공 원통형 본체")는 htsc 제1 코일의 내부 동공으로 삽입될 수 있다.

정상 작동 중 htsc 제1 코일 및 htsc 중공 원통형 본체는 모두 초전도 상태이고 전류는 단지 htsc 제1 코일을 통해서만 흐른다. htsc 중공 원통형 본체 설비로 인해 그 코일 내부의 자기장의 발생으로 인해 코일 형태에 고유한 인덕턴스는 상당히 감소한다. 그 원리는 다음과 같다:

초전도 상태의 htsc 중공 원통형 본체에 의해 코일 내부에 발생한 자기장은 튜브에서 방위각 전류에 의해 차폐되고 따라서 인덕턴스는 정상 작동 중 거의 제로로 줄어든다.

다른 실시 형태에서, htsc 중공 원통형 본체는, 전류가 임계 전류를 초과할 때 디폴트의 경우 htsc 제1 코일의 초전도 깨짐과 동시에 또는 거의 동시에 저항성이 되도록 크기가 결정된다. 결과적으로 htsc 중공 원통형 본체의 초전도성 및 자기장의 차폐는 htsc 제1 코일 내에 유도성 임피던스가 발생하는 결과로 사라진다. htsc 제1 코일의 유도성 임피던스는 초전도 깨짐으로 인해 htsc 제1 코일에서 전기 저항에 기여하는 부가적인 저항으로 작용하고 단락 전류를 더 낮춘다.

원칙적으로, 본 발명은 어떤 바람직한 세라믹 초전도체를 포함할 수 있다. 전형적인 예로는 Bi-Ae-Cu-O, (Bi,Pb)-Ae-Cu-O, (Y,Re)-Ae-Cu-O 또는 MgB2에 기초한 산화 초전도체를 포함한다. 상기 식에서 Ae는 적어도 하나의 알칼리 토원소, 특히 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및/또는 스트론튬(Sr)을 의미한다.

Re는 적어도 하나의 희토류 원소, 특히 이트륨(Y), 또는 이트륨(Y), 란탄(La), 루테튬(Lu), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 네오디늄(Nd) 또는 이테르븀(Yb) 원소중 둘 또는 그 이상의 조합을 의미한다.

원칙적으로, 코일 및 튜브 모두의 초전도체는 세라믹 벌크 물질, 두꺼운 막 또는 얇은 막으로 만들어질 수 있다.

특히, 바람직한 예는 Bi₂(Sr,Ca)₂Cu₁O_x, (Bi,Pb)₂(Sr,Ca)₂Cu₁O_x, (Bi,Pb)₂(Sr,Ca)₃Cu₂O_x", (Bi,Pb)₂(Sr,Ca)₄Cu₃O_x' _", (Y,Re)₁Ba₂Cu₃O_y, (Y,Re)₂Ba₁Cu₁O_y 및 MgB2의 조성 또는 그와 유사한 조성을 가진다.

상기 식에서 x,y 및 z는 각 화합물이 초전도성을 나타내는 적절한 산소 함량을 나타낸다.

특히, 적절한 초전도체는 참조로 BSCCO-2212, BSCCO-2223로 알려진 것들로, 수의 조합 2212 및 2223은 원소 비스무트(Bi), 스트로튬(Sr), 칼슘(Ca) 및 구리(Cu)의 화학양론적인 비를 나타내며, 특히 비스무트(Bi) 부분은 납(Pb)으로 치환된다(또한 B(Pb)SCCO-2212 및 B(Pb)SCCO-2223으로 언급됨); 그리고 참조로 YBCO-123로 알려진 것들로, 수의 조합 123은 원소 이트륨(Y), 바륨(Ba) 및 구리(Cu)의 화학양론적인 비를 나타낸다.

본 발명에서는 가장 바람직하게는 BSCCO-2212, B(Pb)SCCO-2212 물질, 및 YBCO-123가 사용된다. BSCCO-2212 및 B(Pb)SCCO-2212는 특히 세라믹 제품에 적절한 반면, YBCO-123는 박막 제품에 적절하다.

필요한 경우 이 초전도체 물질에 다른 요소가 추가될 수 있다. 예컨대, BSCCO에 기초한 초전도체 물질은 SrSO₄ 및/또는 BaSO₄가 보조제로서 20 중량% 양까지 사용될 수 있으며, 또는 BaSO₄가 사용되는 경우에는 바람직하게는 약 10 중량%까지만 사용될 수도 있다.

그러한 화합물은 예컨대 EP-A-0 524 442 및 EP-A-0 573 798에 개시되어 있다.

일반적으로, 예를 들어 상기 참조된 바와 같이 세라믹 산화 고온 초전도체 및 그 제조 방법은 종래 기술에 잘 알려져 있다. 적절한 고온 초전도체 및 그 제조 방법의 개요가 WO 00/08657에 개시되어 있다.

YBCO에 기초한 초전도체 본체는, 예컨대, 금속 산화물 또는 가열하여 금속 산화물로 변환할 수 있는 화합물을 적절한 몰비로 혼합하고, 이 혼합물을 산소 존재 하에 약 800 내지 약 1100℃ 사이의 온도로 가열한 후, 이 혼합물을 산소 존재 하에 적어도 약 1시간 동안 천천히 냉각시킴으로써 제조될 수 있다.

BSCCO에 기초한 초전도체 본체는 산화물 또는 탄산염 또는 각 요소들의 적절한 혼합비의 혼합물을 혼합함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 약 700 내지 약 900℃에서 약 2 내지 20시간 동안 하소(calcining)가 실행되며, 하소된 혼합물은 갈아서 원하는 형태로 변환되고, 약 800 내지 약 1100℃의 온도에서 반- 또는 완전-용융 상태로 소결된다. BSCCO에 기초한 화합물과 그 제조 방법에 대한 적절한 예는 예컨대 EP-B-0 330 305 및 EP-A-0 327 044에서 찾아볼 수 있다.

용융 주조법, 특히 DE-A-38 30 092, EP-A-0 451 532, EP-A-0 462 409 및 EP-A-0 477 493에 개시된 원심 주조법에 의해 제조되는 초전도체 본체가 특히 바람직하다.

예를 들어, EP 0 462 409에는 원통형 초전도체 본체의 제조 방법이 개시되어 있으며, 여기서 출발 산화 혼합물은 900 내지 1100℃의 온도에서 바람직한 화학량론적으로 수평축 둘레를 회전하는 주조 영역으로 주입된다. 고형화된 성형 본체는 주조 영역에서 추출되어 산소를 포함하는 대기에서 700 내지 900℃에서 4 내지 150 시간동안 가열 처리된다. 이 방법은 특히 BSCCO에 기초한 초전도체 본체에 적절하다.

이하, 본 발명의 초전도 전류 제한 부품의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것을 아니다.

도 1에는 초전도 상태에서 htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2) 내의 일반적인 작동중 전류 흐름이 화살표 6으로 전류 흐름 방향이 나타나 있다. 도 1의 흐름 방향은 흐름 방향이 바뀌는 AC 전류에 의한 스냅샷을 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, htsc 제1 코일(1)은 htsc 중공 원통형 본체(2) 둘레에 일단에서 타단까지 타이트하게 제공된다.

또한, 노말 전도 분로(3)가 htsc 제1 코일(1)의 외면 둘레에 감긴다. 전류 제한기의 양단에는 전기 접촉부(4)가 제공되며, 노말 전도 분류(3)가 양단의 전기 접촉부(4)에 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 지지 요소(5)가 htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2) 사이에 배열되도록 제공된다.

이하에서는, 본 발명의 초전도 전류 제한 부품의 단일 요소, 그 제조 및 초전도 전류 제한 부품의 제조에 대하여 더 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는 바와 같이 htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2)을 제조하기 위하여, 바람직하게는 동일한 출발 물질, 특히 동일한 방법이 사용될 수 있다. 이는, 바람직하게는, htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2)가 동일한 화학 조성을 가진다는 것이다.

원칙적으로, htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2)는 유사하게 성형된 본체로부터 출발하여 얻어질 수 있다.

본 발명의 htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2)을 얻을 수 있는 성형된 본체를 위한 적절한 출발 물질은 전소성(pre-fired), 소결(sintered), 또는 후풀림(post-annealed) 초전도 물질로 만들어진 성형된 본체이다. 양질의 초전도 물질을 얻기 이하여, 원칙적으로 예컨대 하소(calcining), 소결(sintering), 선택적으로 후풀림(post-annealing)과 같은 전소성(pre-firing)의 공정 단계들을 실행할 필요가 있으며, 이는 단일 소성 작업 또는 복수의, 가능하다면 반복되는 부 단계들에서 실행될 수 있다.

그러나, 또한 하나 또는 그 이상의 초전도 페이즈들을 고비율로 포함하는 양질의 초전도 물질을 사용하는 것도 가능하다.

htsc 중공 원통형 본체(2)와 htsc 제1 코일(1)의 성형 본체를 위한 적절한 출발 형태는, 각각 거의 원통형 외관을 가지는 로드 또는 튜브이다. 고형품(solid article)은 기계 공정을 통해 대응하는 중공품(hollow article)으로 변경될 수 있다. 가능하다면, 성형 본체는 최대로 균일한 두께, 특히 외면과 동심의 원통형 동공(cavity)을 가져야 한다.

htsc 중공 원통형 본체(2)에 htsc 제1 코일(1)을 제공하기 위하여, 바람직하게는, htsc 중공 원통형 본체(2)를 위한 원통형 본체가 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체의 중공 내로 삽입된다.

이를 위하여, 원통형 본체의 크기는 원통 외부 및 내부 지름 및 길이 등이 적절하게 조절된다. 원통의 부피는 코일의 인덕턴스(inductance)가 최소가 되도록 가능한한 크게 형성되어야 한다. 즉, 코일(1)의 내부 동공은 가능한한 큰 범위까지 htsc 중공 원통형 본체로 채워져야 한다.

일반적으로, htsc 중공 원통형 본체(2)의 외경은 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체의 내경보다 약간 작아서, 전기적 절연 물질 및/또는 접착제 및/또는 기계적 안정성(이하에서 더 상세하게 언급됨)을 통합하기에 충분한 너비도 형성된다.

htsc 중공 원통형 본체(2)를 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체에 연결하는데 사용되는 접착성 물질은 동시에 절연 물질 또는 지지 요소로 작용한다.

접착제는 자체-경화 단일-또는 다중요소 접착 혼합물(예: 스티렌 수지, 에폭시 수지) 또는 유기 및/또는 무기 접착제 및 섬유 요소(예: 직물 섬유 및 석고 화합물)와 같은 저온 적용에 적절한 것으로 알려진 것이 사용될 수 있다.

본 발명의 htsc 제1 코일(1)은 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체의 재킷(jacket)을 원하는 코일 형태로 절단함으로써 얻어질 수 있다.

예들 들어, 절단은 쏘잉(sawing),밀링(milling), 보어링(boring), 터닝(turning) 등에 의해 실행될 수 있다.

고온 초전도 물질의 원통형 본체로부터 코일을 제조하기 위한 적절한 방법은 예컨대 WO 99/22386에 개시되어 있다.

htsc 제1 코일은 htsc 중공 원통형 본체(2)의 일단에서 타단까지 적어도 하나의 감김(winding)을 가지고 연장된다.

나선 형태는 특정하게 한정되지 아니하나, 최종 초전도 전류 제한 부품의 작동 조건을 고려하여 필요에 따라 선택될 수 있다. 예컨대, 최종 초전도 전류 제한 부품의 실제 작동 전류에 따라, 감김 수 및 피치(pitch)는 바람직한 단면 및/또는 공칭 전류를 얻을 수 있도록 변경될 수 있다.

htsc 제1 코일(1)의 외면 둘레에 감긴 분로 코일(shunt coil)(3)은 전형적으로 노말 전도 물질, 바람직하게는 금속으로 형성된다.

적절한 금속은 구리, 구리 합금, 스틸 등이며, 구리가 바람직하다.

또한, 적절한 초전도 물질이 사용될 수 있다. 적절한 초전도 물질의 예는, 예컨대 htsc 제1 코일(1) 및 htsc 중공 원통형 본체(2)를 위한 고온 초전도 물질과 관련하여 위에서 언급한 바와 같은 BSCCO-유형 물질 또는 YBCO 박막(선택적으로 하나 또는 그 이상의 추가 및/또는 대체 요소를 가짐)으로 형성된 테이프 또는 와이어를 들 수 있다.

특히 분로 코일(3)이 초전도 물질로 형성되는 경우에는, 분로 코일(3)에서 조기 전류 흐름(premature current flow)을 피하기 위해, 고접촉 저항 또는 그와 유사한 수단이 제공되어야 한다.

예를 들어, 분로 코일(3)은 래터 와이어(lacquered wire) 또는 니스 와이어(varnished wire)와 같은 구리 와이어로 형성될 수 있으며, 상기 와이어들은 변성기(transformer) 분야에서 일반적으로 사용되는 얇은 래커층으로 코팅된다. 바람직하게는 단락의 경우 반응시간을 최소화하기 위하여 분로 코일의 인덕턴스는 가능한한 작아야 한다.

분로 코일(3)의 제조를 위하여, 와이어가 htsc 제1 코일(1)의 외면에 직접 감길 수 있다.

또한, htsc 제1 코일(1)의 두 개의 인접한 감김 사이에서 절단된 갭(gap) 내에 와이어를 제공할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 분로 코일(3)은 htsc 제1 코일(1) 둘레에 거리를 두고 감길 수 있다. 이렇게 분로 코일(3)과 htsc 제1 코일(1) 사이에 형성된 갭(gap)은 예컨대 액체 질소에 의한 향상된 냉각을 위해 유용하게 사용될 수 있다.

이 경우, 분로 코일(3)을 지지하기 위하여, 스페이서가 제공될 수 있다. 적절한 스페이서로는, 전류 제한 부품의 일단에서 타단까지 전류 제한 부품 종축에 대하여 평행하게 또는 비스듬하게 연장되는 막대가 사용될 수 있다.

또한, 상기 스페이서는 적절한 전기 절연 물질로 형성된 원형체일 수 있다.

이 경우, 이 원형 스페이서에는 냉각제의 흐름을 위한 구멍이 제공되어야 한다.

그러나, 또 다른 실시예에 따르면, 분로 코일(3)을 위한 물질 층으로 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체를 코팅하고, 예컨대 동시에 상기 층과 htsc 물질을 코일 형상으로 절단함으로써, 분로 코일(3)이 제공될 수 있다. 상기 층은, 원통형 본체를 설치용 원통형 본체에 타이트하게 삽입하고 각각의 물질로 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체의 외부면을 둘러쌈으로써 htsc 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체의 면에 제공될 수 있다.

이 경우, htsc 제1 코일(1)의 나선 형태 및 분로 코일(3)의 나선 형태, 예컨대 감김 수 또는 피치 등은 본 발명의 최종적인 초전도 전류 제한기의 실제 작동 조건에 따라 변경될 수 있다. 일반적으로, 적절한 감김 수는 초전도 깨짐(quench) 중 달성되는 바람직한 자속에 의해 결정된다.

필요하다면, 전류 제한 장치에는 또한 이 부품의 안정화를 위한 하나 또는 그 이상의 지지 요소(5)가 제공될 수 있다.

지지 요소(5)로서, 예컨대 전기적 절연 물질로 형성된 원통형 본체가 도 2에 도시된 바와 같이 htsc 중공 원통형 본체(2)와 htsc 초전도 코일(1) 사이에 배치될 수 있다. 상기 지지 요소(5)는 적절한 플라스틱 물질, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFK) 또는 탄소 섬유 강화 플라스틱, 또는 임의의 다른 적절한 플라스틱 물질일 수 있다. 또한, 지지 요소로서 접착제 또는 절연 물질로 형성된 층을 사용하는 것도 가능하다.

바람직하게는, 지지 요소를 위한 물질 및 상기 언급한 접착제 물질은, 전류 제한기의 요소들의 서로 다른 크기 변화에 의해 냉각상 손상을 피하기 위하여 htsc 물질의 팽창 계수에 가능한한 가까운 열팽창 계수를 가져야 한다.

외부 지지 요소를 적용하는 것 또한 가능하다. 이 경우, 예를 들어 스페이서는 동시에 지지 요소로 작용할 수 있다.

htsc 중공 원통형 본체(2)의 임의 전류 밀도는 htsc 중공 원통형 본체(2)의 크기를 적절하게 조절함으로써, 예컨대 벽 두께를 조절함으로써 조절될 수 있다. 디폴트(default)의 경우, htsc 제1 코일(1)를 흐르는 서지 전류(surge current) 때문에 htsc 중공 원통형 본체(2) 내에서 유도되는 전류가 소정 J_C 값을 초과한다면, htsc 중공 원통형 본체(2)는 그 저항을 증가시킨다.

htsc 제1 코일이 초전도 깨짐(quench)일 때, 전형적으로 htsc 중공 원통형 본체(2)는 완전한 노말 전도가 되지 않는다. htsc 중공 원통형 본체(2)의 J_C를 htsc 제1 코일(1)의 J_C로 조절함으로써, htsc 중공 원통형 본체(2)의 저항 증가와 htsc 제1 코일(1)의 초전도 깨짐(quench)이 동시에 또는 거의 동시에 달성될 수 있다.

단락 발생(초전도 깨짐) 후에 htsc 중공 원통형 본체(2)는 여전히 낮은 저항을 가지기 때문에, htsc 중공 원통형 본체(2)를 통하여 접촉부들(4) 사이에 아크-오버(arc-over)가 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 문제는 htsc 중공 원통형 본체(2)를 하나 또는 그 이상의 링-섹션에서 축에 대해 수직으로 절단함으로써 해결될 수 있다. 이러한 절단은 htsc 중공 원통형 본체(2)에서 축방향의 컨덕턴스(conductance)를 방해하고, 따라서 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 환형 절단에 의해 차폐 거동이 전혀 또는 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있었다.

전류 제한 분야에서, 본 발명에 따른 초전도 전류 제한 부품 다수가 직렬로 또는 병렬로 연결되어 사용될 수 있다. 특정한 제한은 없다. 본 발명에 따른 초전도 전류 제한 부품의 수는 필요에 따라 선택될 수 있다.

본 발명의 초전도 전류 제한 부품의 제조를 위하여 박막이 또한 사용될 수 있다. 예컨대 소위 YBCO 박막에 기초한 코팅된 전도체가 사용될 수 있다. YBCO로 부터 박막을 제조하는 것과 YBCO 박막에 기초한 코팅된 전도체를 제조하는 것은 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 예컨대 D.Larbalstier 등의 "전력 적용을 위한 고-T_c 초전도 물질(High-T_c superconducting materials for electric power application", Nature, Vol.414, 2001년 11월 페이지 368.377 을 참조할 수 있다. 특히, 코팅된 전도체는 htsc 제1 코일(1)과 htsc 중공 원통형 본체(2)의 제조를 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 초전도 전류 제한기의 특정 구성은 특히 고압 및 중간 공칭 전류, 예컨대 1kA까지의 제품에 특히 유용하다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 초전도 전류 제한기는 AC-제품에 유리하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 특정 예시를 통하여 더 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

예

본 발명에 따른 초전도 전류 제한 부품이 다음 조건에서 작동되도록 구성되었다:

정격 전류: 600A, 3-상

공칭 전압: 10kV

제한 전류: 정격 전류의 3~4배

htsc 제1 코일 1:

25mm 외경, 30cm 길이, 40mm 접촉부를 가지고, 단락의 경우 5V/cm의 전기장, 65K에서 Jc=5000A/cm²을 가지는 용융 주조 BSCCO-2212 원통으로 부터 htsc 제1 코일이 제조된다.

상세 사항은 다음과 같다:

정격 전류 600A에 대해 필요한 임계 전류(DC) => 1000A.

초전도체의 단면(코일 1): 1000A / 5000A/cm² = 20mm²

원통의 벽두께: 2mm

코일의 피치: 10mm

절단 간격: 1mm

회전: 260mm/11mm = 23 회

hts 전도체 길이: 23 x 76mm = 175cm

전압/요소: 174cm x 5V/cm = 875Volts

htsc 중공 원통형 본체 2:

용융 주조 BSCCO-2212(htsc 제1 코일 1과 동일)

유도 전류: 23 x 600A = 13.8kA

임계 전류: 23kA

원통 길이: 260mm

단면: 23kA / 5000A/cm² = 460mm²

외경: 19mm

벽두께: 460mm² / 260mm = 1.8mm

분류 코일 3:

물질: 구리 합금 와이어, htsc 제1 코일(1)의 외면에 직접 감김

단면: 1.5mm²

회전: 100

자기장: 480 mT/kA

초전도 깨짐(quench) 후 임피던스 약 400mΩ

상기와 같은 작동 조건에 대하여, 페이즈 당 상기와 같이 구성된 초전도 전류 제한 부품 7개가 다음 식의 결과로 직렬로 연결되었다: 10kV/Sqrt 3 = 5770V.

이와 같이 구성되는 본 발명의 초전도 전류 제한 부품은, 단락 중 짧은 시간 내에 초전도 물질을 따라 충분히 높은 전기장을 형성할 수 있고 간단하고 저렴한 방법으로 제조될 수 있으며 단락의 경우 초전도체 물질이 균일한 초전도 깨짐(quench)에 이르도록 하기에 충분히 높은 자기장을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 초전도 전류 제한 부품은 고압의 경우에도 용이하게 절연이 가능하다.

Claims

세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)을 포함하고,

상기 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)의 외면에 평행 분로 및 동시에 트리거 코일로서 제2 코일(3)이 적용되고,

정상 작동 중 상기 제2 코일(3)에 전류가 흐르지 않는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제1항에 있어서,

상기 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1) 내부로 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 중공 원통형 본체(2)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제2항에 있어서,

상기 제1 코일(1)과 중공 원통형 본체(2)는 동일한 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제1항에 있어서,

상기 세라믹 고온 초전도체 물질은 Bi-Ae-Cu-O, (Bi,Pb)-Ae-Cu-O, 및 (Y,Re)-Ae-Cu-O에 기초한 세라믹 산화 초전도체로부터 선택되며,

여기서 Ae는 Ba,Ca 및 Sr 중 적어도 하나를 의미하고,

RE는 Y 또는 Y, La, Lu,Sc, Sm, Nd, Yb 원소 중 둘 또는 그 이상의 조합에서 선택되는 적어도 하나의 희토류 원소를 의미하는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제4항에 있어서,

상기 초전도체 물질은 BSCCO-2212 및 B(Pb)SCCO-2212로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제4항에 있어서,

상기 초전도체 물질은 YBCO-123인 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제2항에 있어서,

제1 코일(1) 및 중공 원통형 본체(2) 중 하나 이상은 용융 주조 성형 본체로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제2항에 있어서,

제1 코일(1) 및 중공 원통형 본체(2) 중 하나 이상은 YBCO-123에 기초한 박막(코팅된 전도체)으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제2항에 있어서,

상기 초전도 전류 제한 부품은 적어도 하나의 지지 요소(5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제9항에 있어서,

상기 적어도 하나의 지지 요소(5)는 제1 코일(1)과 중공 원통형 본체(2) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

제2 코일(3)은 래커 금속 와이어(lacquered metal wire)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

중공 원통형 본체(2)에 축에 대해 수직으로 적어도 하나의 환형 절단부가 제공되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 초전도 전류 제한 부품 다수가 직렬로 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 장치.
세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)에 분로로 작용하는 제2 코일(3)이 적용되는, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 초전도 전류 제한 부품의 제조 방법으로서,

세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체가, 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 중공 원통형 본체(2)에 설치되는 단계;

제1 코일(1)을 얻기 위하여, 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체가 나선 형태로 절단되는 단계; 및

제1 코일(1) 둘레에 분로로서 제2 코일(3)이 적용되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품의 제조 방법.
삭제
제14항에 있어서,

용융 주조 성형 본체들이, 중공 원통형 본체(2) 및 제1 코일(1)을 위한 원통형 본체 중 하나 이상에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,

BSCCO-2212 및 B(Pb)SCCO-2212로부터 선택된 세라믹 고온 초전도체 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,

초전도 전류 제한 부품의 제조를 위하여 YBCO-123에 기초한 박막(코팅된 전도체)가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 코일(3)은 세라믹 고온 초전도체 물질로 형성되는 제1 코일(1)과 평행하게 전기적 및 물리적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전류 제한 부품.