KR101439976B1

KR101439976B1 - 초전도 전기 케이블

Info

Publication number: KR101439976B1
Application number: KR1020080053892A
Authority: KR
Inventors: 아르노 알레; 프랑크 슈미트
Original assignee: 넥쌍
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2014-09-12
Also published as: CN101354931A; CN101354931B; US20090069188A1; JP5459992B2; JP2009026755A; US8112135B2; AU2008202931A1; ES2524924T3; EP2017856A1; CA2637583A1; EP2017856B1; KR20090008120A

Abstract

본 발명은 초전도 전기 케이블에 관한 것으로, 상기 케이블은 초전도 와이어로 구성된 도체를 구비한다. 도체(L)는 연선 도체로서 형성되며, 상기 연선 도체에서 와이어들(1)은 미리 정해진 꼬임 길이로 서로 꼬여 있으며, 상기 꼬임 길이는 연선 도체의 지름(D)과 관련하여 약 5 x D와 약 20 x D 사이에 놓인다.

초전도 전기 케이블, 초전도 와이어, 도체, 연선 도체, 유전체

Description

초전도 전기 케이블{SUPERCONDUCTING ELECTRIC CABLE}

본 발명은 초전도 전기 케이블에 관한 것으로, 상기 케이블은 초전도 와이어로 구성된 도체를 구비한다(DE 197 19 738 B4).

초전도 케이블은 특별한 재료로 된 적어도 하나의 전기 도체를 가지며, 상기 재료는 충분히 낮은 온도에서 초전도 상태로 넘어간다. 이렇게 조립된 도체의 전기 저항은 이로 인해 영(zero)을 향해 간다. 적합한 재료는 예컨대 YBCO(이트륨-바륨-구리-산화물) 또는 BSCCO(비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물)이다. 초전도 상태에 도달하기 위해, 이와 같은 재료를 위해 충분히 낮은 온도는 예컨대 4 K와 110 K 사이이다. 적합한 냉각제는 예컨대 질소, 헬륨, 네온, 수소 또는 각각 기체 상태의 또는 액체 상태의 상기 재료들의 혼합물이다. 콜드 유전체(cold dielectric)를 가진 초전도 케이블 및 웜 유전체(warm dielectric)를 가진 초전도 케이블이 공지되어 있다.

콜드 유전체를 가진 초전도 케이블에서는, 도체는 절연 재료로 구성된 유전 체로 된 층들에 의해 둘러싸여 있으며, 액상 냉각제는 함침제로서 유전체에 존재한다. 이러한 케이블은, 고압 범위에서 매우 높은 전력이 전달될 수 있어 탁월함을 나타낸다. 상기 케이블은 예컨대 내부 도체로서의 도체 및 이에 대해 동심적으로 배치된 실드 또는 리턴 도체로 구성되며, 상기 실드 또는 리턴 도체는 유전체(절연체)에 의해 서로 분리되어 간격을 두고 있다. 이러한 케이블의 초전도 개별 요소들은 예컨대 YBCO 또는 BiSCCO와 같은 초전도 재료를 가진 스트립들로 구성되며, 상기 스트립들은 촘촘히 서로 나란히 놓여, 서로에 대해 절연된 동심 층들에서 긴 꼬임으로 캐리어 둘레에 감겨 있다(EP 0 830 694 B1). 이러한 케이블은 냉각제를 안내하는 크라이오스탯에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 크라이오스탯은 동심적이며 진공 절연부에 의해 서로에 대해 절연된 2 개의 금속성 관으로 구성된다.

웜 유전체를 가진 초전도 케이블은, 냉각제를 안내하는 이와 같은 크라이오스탯 내에 바로 배치되어 있는 도체를 갖는다. 유전체 및 실드 또는 리턴 도체는 여기에서 크라이오스탯 위에 설치되어 있다. 이러한 케이블에서도, 도체는 초전도 재료를 가지며 촘촘히 놓여 있는 스트립들의 서로에 대해 절연된 동심 층들로 구성된다.

도체의 이러한 구조는 상기 언급된 DE 197 19 738 B4에 따른 공지의 초전도 교류 케이블에도 적용된다. 이 케이블의 도체는 초전도 산화 재료들로 된 원형 와이어들로 구성된다. 이 와이어들은 여러 개의 동심 층들에서 관 둘레에 배치되어 있다. 상기 층들은 서로에 대해 절연되어 있다. 와이어들의 개별 층들 사이의 절연 중간층은 도체에서의 전류 분배를 개선해야만 한다. 그러나, 이러한 중간층들은 재 료의 추가적인 비용 및 도체 제조시의 추가 비용을 초래한다. 또한, 도체는 이로 인해 비교적 큰 지름을 가지게 되며, 전체적으로 케이블의 치수의 증가를 초래한다.

본 발명의 목적은, 보다 적은 치수를 가지고 단순화된 구조로 보다 간단하게 제조될 수 있는 상술된 초전도 케이블을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 초전도 와이어로 구성된 도체를 구비하는 초전도 전기 케이블에 있어서, 도체가 연선 도체로서 형성되고, 상기 연선 도체에서 와이어들(1)이 미리 정해진 꼬임 길이로 서로 꼬여 있으며, 상기 꼬임 길이(S)가 연선 도체의 지름(D)과 관련하여 약 5 x D와 약 20 x D 사이에 놓이는 초전도 전기 케이블에 의하여 달성된다.

이 케이블의 도체는 고압 케이블 또는 전력 케이블을 위한 일반적인 기술에서 통상적인 기계로 제조될 수 있다. 도체를 위해 중앙 코어요소가 필요치 않으며, 절연층도 필요치 않다. 이러한 도체는 기하학적으로 매우 간단하게 조립될 수 있으며, 작은 지름을 갖는다. 도체는 제시된 범위의 특정한 꼬임 길이를 유지하면서, 또한 절연 중간층 없이, 낮은 교류 손실 및 초전도 재료를 바람직하게 이용하는 우수한 전류 분배를 보장한다. 도체는 콜드 또는 웜 유전체를 가진 초전도 케이블을 위해, 상기 도체 위에 원칙적으로 공지되어 있는 상부 구조를 갖도록 이용될 수 있 다. 이때, 실드 또는 리턴 도체는 마찬가지로, 도체에 사용된 것과 같은 와이어들로 조립될 수 있다. 그러면, 여기에서도 통상적인 기계 및 제조기술이 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들이 도면에 도시되어 있다.

도 1에는 연선 도체로서 형성된 전기 도체(L)의 횡단면이 도시되어 있다. 상기 도체는 서로 꼬여 있는 복수의 초전도 와이어(1)로 구성된다. 와이어(1)는 도시된 바와 같이 원형 횡단면을 가질 수 있으며, 또한 다각형 횡단면을 가질 수도 있다. 상기 와이어들은 도 3에 도시된 바와 같이 미리 정해진 꼬임 길이(S)로 서로 꼬여져 있으며, 꼬임 길이는 도체(L)의 지름과 관련된 2 개의 경계값들 사이에 있다. 하부 경계값은 약 5 x D로 정해지고 상부 경계값은 약 20 x D로 정해진다. 이러한 도체(L)는 - 이미 언급한 바와 같이 - 케이블 기술에서 통상적인 기계 및 기술로 제조될 수 있다.

와이어(1)는 매우 얇은 ㎛ 범위의 니스층으로 추가로 덮일 수도 있다. 이러한 와이어들로 조립된 도체(L)에 의하여 전류 분배는 더욱 개선될 수 있고 교류 손실이 더욱 감소될 수 있다.

도체(L)는 도 2에 도시된 바와 같이 예컨대 3 개의 섹터(2, 3, 4)로 조립될 수 있으며, 각 섹터에서 초전도 와이어(1)는 미리 정해진 꼬임 길이(S)로 서로 꼬여 있다. 섹터(2, 3, 4)는 목적에 부합되도록 얇은 절연층에 의해 서로 분리되어 있으며, 상기 절연층은 예컨대 카본지로 구성된다. 상기 절연층들도 마찬가지로 서로 꼬여 있다. 도체(L)의 이러한 구조도 전류 분배를 개선하고 교류 손실을 감소시킨다. 도체(L)는 더 많은 섹터로 조립될 수도 있다. 또한, 2 개의 섹터만으로 구성될 수도 있다.

바람직하게는, 와이어(1)는 초전도 재료로서 YBCO를 구비한다. 이러한 와이어는, 예컨대 원형 또는 다각형의 횡단면을 가지고 길게 연장된 금속성 캐리어를 가지며, 캐리어 둘레에는 텍스처링된 금속성 기재로 된 층이 YBCO 층을 위한 밑층으로서 형성된다. YBCO 층을 가진 와이어(1)는 예컨대 다음과 같이 제조된다:

스트립(strip)으로 존재하며 예비처리에 의해 미리 텍스처링된 금속성 기재가 세로 방향으로 줄어들면서 캐리어 둘레에 슬롯관을 형성된다. 상기 스트립 또는 기재는 예컨대 니켈, 구리 또는 철 또는 합금으로 구성된다. 상기 기재는 예비처리 단계에서 예컨대 이축 조직을 엠보싱하여 얻을 수 있다. 그 후, 이 슬롯관의 세로 방향으로 뻗어있는 에지들은 용접 장치에서 용접되고, 이에 따라 용접 심에 의해 닫힌 관이 생긴다. 그 후, 상기 닫힌 관은 드로잉 장치에서 캐리어에 밀착될 때까지 그 치수가 감소 된다. 이어서, 이렇게 제조된 요소에는 빙 둘러 YBCO 재료로 된 층이 제공된다. 경우에 따라, 사전에 세라믹 재료, 예컨대 지르콘산염으로 된 층이 상기 관 상에, 즉 관을 아래로 드로잉하기 전 또는 후에 도포될 수 있다. 이러한 코팅 방법은 공지되어 있다. 최종적으로, 초전도 YBCO 재료로 코팅된 와이어(1)가 초전도성을 달성하기 위해 열처리를 거친다. 이때, 와이어는 바람직하게는 700℃ 내지 850℃의 온도에서 어닐링된다.

도 1 또는 도 2에 따른 도체(L)를 가진 케이블은 도 4에 따르면 콜드 유전체를 가진 예컨대 단상 초전도 케이블로 실시될 수 있다. 도체(L) 위에는, 예컨대 종이 또는 다른 적합한 절연 재료로 구성된 여러 개의 유전체(5)가 놓여 있다. 도체(L)와 유전체(5)는 함께 케이블의 심선을 형성한다. 이 심선은 실드 또는 리턴 도체(6)에 의해 둘러싸여 있다. 리턴 도체는 전기 전도성이 우수한 와이어들의 적어도 한 층으로 구성되며, 상기 와이어들은 또한 초전도이며 와이어(1)와 마찬가지로 조립될 수 있다. 이러한 케이블은 크라이오스탯(K)에 의해 둘러싸이며, 상기 크라이오스탯은 2 개의 동심 금속성 관(7, 8)으로 구성되고, 이 관들은 환형 공간(9)에 의해 서로 분리되어 있으며, 상기 환형 공간 내에는 진공 절연체가 위치한다. 크라이오스탯(K)을 통하여, 초전도 케이블을 냉각하기 위해 냉각제가 가이드되며, 이 냉각제는 함침제로서 유전체(5) 내로 침투한다. 크라이오스탯(K) 내에는 도체(L) 및 유전체(5)로 구성된 3 개의 심선이 배치될 수도 있으며, 상기 심선들은 3 상 교류 시스템을 위한 초전도 케이블의 3 상을 나타낸다.

도체(L)는 도 5에 도시된 바와 같이 바로 크라이오스탯(K) 내에 배치될 수 있으며, 크라이오스탯의 구조는 도 4에 따른 크라이오스탯(K)과 동일하다. 이러한 케이블의 실시예에서는, 크라이오스탯(K) 위에 유전체(10) 및 실드 또는 리턴 도체(11)가 놓인다. 실드 또는 리턴 도체의 구조는 도 4에 따른 실드 또는 리턴 도체(6)와 동일할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 케이블에 사용되는 도체의 두 개의 실시예를 도시한 횡단면도이다.

도 3은 도 1에 따른 도체의 측면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5는 도 1 에 따른 도체를 포함하는 케이블의 두 개의 실시예를 도시한 횡단면도이다.

Claims

초전도 와이어로 구성된 도체를 구비하는 초전도 전기 케이블에 있어서,

상기 도체는 냉각제를 가이드하는 크라이오스탯(K)에 의해 둘러싸여 있고, 상기 크라이오스탯은 환형 공간에 의해 서로 분리되어 있는 2 개의 동심 금속성 관으로 구성되어 있고, 상기 환형 공간 내에는 진공 절연체가 위치하고,

상기 도체(L)는 연선 도체로서 형성되고, 상기 연선 도체에서 와이어들(1)은 미리 정해진 꼬임 길이(S)로 서로 꼬여 있으며, 상기 꼬임 길이(S)는 연선 도체의 지름(D)과 관련하여 5 x D와 20 x D 사이에 놓이고,

상기 도체(L)는 섹터(2, 3, 4)로 분할되어 있고, 상기 도체(L)의 섹터(2, 3, 4)는 얇은 절연층에 의해 서로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전기 케이블.
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제 1 항에 있어서,

상기 도체(L)는 유전체(5)에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 유전체 위에는 초전도 와이어로 구성된 실드 또는 리턴 도체(6)가 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 전기 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 와이어(1)는 원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 전기 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 와이어(1)는 다각형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 전기 케이블.
제 1 항에 있어서,

상기 와이어(1)는 얇은 니스층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전기 케이블.