KR101603339B1 - 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체에 관한 것으로, 본 발명에서는 온도구배부구간을 지나가는 도전봉에 새로운 코팅 타입이 적용됨으로써, 열 응력에 강하도록 하면서도 절연내력을 향상시키고, 아울러 초전도 시스템의 초기 운전속도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서는, 상온부구간과 극저온부구간 사이에 온도구배부구간을 가지는 초전도 케이블의 단말구조체로서, 상기 온도구배부구간의 관체를 통과하는 도전봉에 코팅부재가 코팅되는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체가 제공된다.

초전도, 케이블, 단말, 도체, 열응력, 절연내력

Description

코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체{Termination Structure of Superconducting Cable Having coated Current Lead}

본 발명은 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 온도구배부구간을 지나가는 도전봉에 새로운 코팅 타입이 적용됨으로써, 열 응력에 강하도록 하면서도 절연내력을 향상시키고, 아울러 초전도 시스템의 초기 운전속도를 향상시킬 수 있도록 한다.

일반적인 초전도 케이블용 종단접속함에서의 초전도 케이블 단말구조체를 도 1에 의거하여 개략적으로 살펴보면, 초전도 케이블(10)의 단말, 초전도 케이블(10)의 단말과 접속 연결되는 동도체(12)를 감싸는 부싱(14), 초전도 케이블(10)의 단말 및 부싱(14)이 수납되는 냉매 용기(16), 냉매 용기(16)의 외주를 덮는 진공 용기(18), 진공 용기(18)의 상온 측에 돌출 접속되는 자기관(20)을 포함하는 구조로 구성되어 있다.

또한 온도구배부에는 기체 질소(N)가 포함되어 있고, 상온부에는 절연오일 또는 절연 가스(O)가 포함되어 있으며, 극저온부에는 액체 질소(LN)를 포함하고 있 다. 특히 극저온부에는 액체 질소(LN)를 냉각하기 위한 냉동기(22)가 냉매용기(16)과 접속하고 있는 구조로 구성되어 있다.

위와 같은 구성을 가지는 초전도 케이블용 종단접속함의 초전도 케이블 단말구조체 타입에서는 상온부, 온도구배부, 극저온부가 하나의 고체 절연구조물로 이루어진 부싱(14)에 도체(12)가 수용 관통하는 구조로 절연내력을 유지하고 있다. 특히 절연내력이 취약한 온도구배부에서는 열 응력과 절연내력을 유지하기 위해 온도구배부에서의 부싱(14) 두께가 상온부와 극저온부에 비해 더 두꺼운 구조로 형성된다.

그런데 위와 같이 온도구배부의 구간에서 부싱(14)의 두께가 두꺼워지게 되면, 급속히 냉각되는 도체(12)와 부싱(14)의 냉각속도 간에 냉각속도의 차이가 발생하여 부싱(14)과 도체(12)의 계면 간에 틈이 발생함으로써, 절연파괴가 발생하게 되는 문제가 있었다.

또한, 위와 같은 문제를 다소 해소하기 위해 부싱(14)의 냉각속도와 도체(12)의 냉각속도를 비슷하게 맞추게 될 경우, 초전도 케이블 시스템의 초기 운전을 위한 조건까지 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.

위와 같은 문제를 해결하기 위하여 온도구배부 구간을 절연가스로 채우는 방법으로 열 응력에 대한 문제는 해소될 수 있으나 고체 절연구조물을 적용하는 경우보다 절연내력이 취약한 문제가 있다.

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 초전도 케이블의 단말구조체에서 온도구배부구간을 지나가는 도전봉의 표면에 새로운 코팅 타입이 적용되어져, 열 응력에 강하면서 절연내력을 향상시키고, 그와 더불어 초전도 시스템의 초기 운전속도를 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상온부구간과 극저온부구간 사이에 온도구배부구간을 가지는 초전도 케이블의 단말구조체로서, 상기 온도구배부구간의 관체를 통과하는 도전봉에 코팅부재가 코팅되는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체가 제공된다.

위의 코팅부재는 100 ~ 1000㎛ 두께로 코팅되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 200 ~ 700㎛ 두께로 코팅된다.

위의 코팅부재는 테프론 수지가 사용되는 것이 바람직하다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 온도구배부구간을 지나가는 도전봉의 표면에 새로운 코팅 타입이 적용되어 열 응력에 강하면서 절연내력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 위와 같은 효과로 인하여 극저온으로 냉각될 때 소요되는 냉각 시간이 단축될 수 있으므로, 초전도 시스템의 초기 운전을 위한 조건까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에서는 본 발명에 따른 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체의 단면도가 도시되어 있다.

도면에서 보듯이 케이블의 단말구조체(S)는, 최상단에 배치되는 절연구조물(30)과 분리 가능하게 연결되는 상태로 상온부구간(A)에 배치되는 제1 관체(32)와, 최하단인 극저온부구간(B)에 배치되는 제2 관체(34)와, 상기 제2 관체(34)와 연장 상태로 연결되며 제1 및 제2 관체(32, 34) 사이의 온도구배부구간(C)에 배치되는 제3 관체(36)와, 상기 제1 관체 ~ 제3 관체(32 ~36)를 통과하는 상태로 수용 배치되는 제1 및 제2 도전봉(38, 40)과, 제1 관체(32)와 제3 관체(36)의 사이에 배치되는 스페이서부재(42)로 구성된다. 이러한 제1관체(32) 내에는 절연오일 또는 절연 가스(O)가 포함되고, 제3 관체(36) 내에는 기체 질소(N)가 포함되며, 제2 관체(34) 내에는 액체 질소(LN)가 포함된다. 참고로 제1 관체 ~ 제3 관체(32, 36) 는 스테인레스 또는 알루미늄 재질로 이루어진다.

한편, 상기 제1 관체(32)와 제3 관체(36)는 앞서 언급된 스페이서부재(42)를 통해 제1 관체(32)에 수용되는 절연오일 또는 절연 가스(O)와 제3 관체(36)에 수용되는 기체 질소(N) 간에 서로 혼합되지 않는 구조를 취하고 있다. 이러한 스페이서부재(42)는 절연물로 이루어지며 바람직하게는 에폭시 수지가 사용된다. 아울러 스페이서부재(42)와 제1 및 제3 관체(32, 36) 간에 분리 가능한 결합구조에 대해서는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

구체적으로, 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체(S)를 살펴보면, 제3 관체(36)와 제2 관체(34)가 연결되는 경계부에는 제2 관체(34)에 수용되는 액체 질소(LN)와, 제3 관체(36)에 수용되는 기체 질소(N)를 서로 분리시키기 위한 차단부재(44)가 제2 도전봉(40)에 관통 결합되는 상태로 고정 배치되어 있다.

또한, 본 발명에서는 액화점이 낮은 기체 질소(N)가 수용되는 온도구배부구간(C)에서의 절연내력을 유지 및 향상시키기 위해 온도구배부구간(C)을 지나가는 제2 도전봉(40)의 외면에 코팅부재(46)가 코팅된다. 이러한 코팅부재(46)는 제2 도전봉(40)으로부터 방출되는 전자를 차단하는 기능도 발휘하게 된다.

위의 코팅부재(46)로는 불소수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 수지, 세라믹 수지, FRP 등이 사용될 수 있으나 가급적 테프론 수지가 사용되는 것이 좋다. 이러한 테프론 수지를 코팅부재(46)로 사용하는 이유로는, 테프론은 재질의 특성상 절연능력이 매우 우수함은 물론, 온도 편차에 따른 열 응력에 강한 장점이 있기 때문이다.

도 3에서는 테프론 수지를 코팅부재로 사용할 경우, 코팅 두께에 따른 절연 파괴 전계를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 4에서는 도 3의 그래프를 수치적으로 나타낸 표가 도시되어 있다.

도시된 그래프와 표를 통해 보듯이, 제2 도전봉(40)에 코팅되는 코팅 두께(t)가 100 ~ 1000㎛으로 하였을 때 효과적임을 알 수 있으며, 특히 200 ~700㎛으로 하는 경우 가장 우수한 절연내력의 효과가 있음을 알 수 있다.

예컨대, 아래의 표를 통해서 보듯이 코팅 두께(t)가 100㎛ 이하에서는 전자차단의 효과가 저조하고, 1000㎛ 이상의 두께로 코팅시에는 냉각속도 차이로 인한 균열의 발생이나 1회 코팅두께가 100 ~ 150㎛ 이므로 코팅의 반복으로 인한 보이드 발생 확률 상승 때문에 절연파괴가 발생하여 절연내력의 효과가 저하됨을 알 수 있다.

따라서, 온도구배부구간(C)을 지나가는 제2 도전봉(40)의 외면에 코팅부재(46)인 테프론 수지가 100 ~ 1000㎛ 두께(t)로 코팅되게 되면, 우선 종래의 제반 문제점을 모두 해소할 수 있고, 나아가 우수한 절연능력과, 온도 편차에 따른 열응력에 강하여 절연내력을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 위한 같은 기능발휘에 의해 제2 도전봉(40)의 냉각에 소요되는 냉각시간에 맞추어 코팅부재(46)의 냉각속도를 맞출 수 있게 됨으로써, 초전도 시스템의 초기 운전을 위한 조건까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

한편, 하기에서는 위에서 언급된 제1 관체(32)와 제3 관체(36) 간에 서로 분 리 가능한 결합구조를 보다 구체적 설명하기로 한다.

상기 제1 관체(32)에 수용된 제1 도전봉(38)의 하단 부분에는 둘레를 따라 요홈(48)이 형성되는 상태로 접촉부(50)가 형성되어 있고, 제3 관체(36)에 수용되는 제2 도전봉(40)의 상단에는 접촉부(52)가 제2 도전봉(40)에 체결되는 상태로 결합되어 있다.

또한, 상기 제1 관체(32)와 제3 관체(36)의 사이에는 절연물로 이루어진 스페이서부재(42)가 배치되는데, 이러한 스페이서부재(42)의 중앙에는 상면과 전면이 노출되는 상태로 도전성 컨넥터(54)가 매립되어 있다. 그리고 제1 도전봉(38)의 접촉부(50)와 제2 도전봉(40)의 접촉부(52)가 도전성 컨넥터(54)의 대응면에 각각 밀착되는 상태에서 각 체결부재(56)에 의해 스페이서부재(42)와 체결 고정되는 구조를 취하고 있다.

또한, 상기 제1 관체(32)의 하단과 제3 관체(36)의 상단에는 알루미늄 재질로 이루어진 플랜지(58, 60)가 각각 서로 대향되게 고정되어 있으며, 이 플랜지(58, 60)와 대응하는 스페이스서부재(42)에는 체결구(62)가 매립 고정되어 있어, 이에 따라 상기 제1 관체(32)의 플랜지(58)를 통해 체결부재(64)가 체결구(62)에 체결됨으로써, 결과적으로 제1 관체(32)와 제3 관체(36)는 분리 가능한 체결구조로 조립되게 된다. 도면중 미설명부 66은 제1 관체(32)의 내부와 통하는 상태로 구비된 연통부재(66)이다.

나아가 위에서는 제1 관체(32)와 제3 관체(36)가 분리되고, 제1 도전봉(38)과 제2 도전봉(40)도 그에 맞추어 분리되는 구조로 설명하고 있으나, 이는 하나의 예를 설명한 것일 뿐, 이러한 분리 구조로 한정되거나 국한될 필요는 없다.

예컨대, 제1 관체(32) ~ 제3 관체(36)는 하나로 관체로 이루어질 수 있고, 그에 맞추어 제1 도전봉(38)과 제2 도전봉(40)도 종래와 같이 하나의 도전봉으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 이와 같이 일체형의 구조를 가지는 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조에서 온도구배부구간을 지나가는 도전봉에 코팅부재가 코팅되는 타입도 본 발명에 포함될 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 나아가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블용 종단접속함에서의 초전도 케이블 단말구조체를 보여주는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체를 보여주는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 테프론 수지를 코팅부재로 사용하여 코팅 두께에 따른 절연 파괴 전계를 나타낸 그래프이다.

도 4는 도 3의 그래프를 수치적으로 나타낸 표이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 초전도 케이블 12 : 도체

14 : 부싱 16 : 냉매용기

18 : 진공용기 20 : 자기관

22 : 냉동기 30 : 절연 구조물

32 : 제1 관체 34 : 제2 관체

36 : 제3 관체 38 : 제1 도전봉

40 : 제2 도전봉 42 : 스페이서부재

44 : 차단부재 46 : 코팅부재

48 : 요홈 50, 52 : 접촉부

54 : 도전성 커넥터 56, 64 : 체결부재

58, 60 : 플랜지 62 : 체결구

66 : 연통부재

Claims (4)

1. 상온부구간과 극저온부구간 사이에 온도구배부구간을 가지는 초전도 케이블의 단말구조체로서,

   상기 온도구배부구간을 구성하는 관체를 통과하는 도전봉에 100 ~ 1000㎛ 두께로 수지 재질의 코팅부재가 코팅되는 것을 특징으로 하는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 코팅부재는 200 ~ 700㎛ 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 코팅부재는 테프론 수지인 것을 특징으로 하는 코팅된 도전봉이 내설된 종단 접속함용 초전도 케이블의 단말구조체.

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