KR101708062B1 - 초전도 케이블 종단 접속 장치 - Google Patents

초전도 케이블 종단 접속 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블 종단 접속 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초전도 케이블 종단 접속 장치는, 송전용 초전도 케이블(100)의 단말과 외부 전력계통을 연결하는 초전도 케이블 종단 접속 장치로서, 단열 함체 내부에 배치되는 전계 완화용 실드(50); 상기 전계 완화용 실드(50)로 인입된 상기 초전도 케이블(100)의 코어(110) 단부에 고착되는 수평도체(120); 상기 수평도체(120)의 외주에 피복되는 절연체(130); 상기 전계 완화용 실드(50) 내부로 인입된 중간 부분에, 상기 수평도체(120) 및 절연체(130)가 길이방향으로 미끄럼 가능하면서 두께 방향으로 여유 간극을 가지고 통과하는 관통공(210)이 횡방향으로 관통하여 형성되는 수직도체(200); 상기 수평도체(120)의 단부와 상기 수직도체(200)를 전기적으로 연결하는 유연성 도전 부재(300)를 포함하며, 상기 수평도체(120)의 절연체(130)의 하부 외주 부분이 상기 관통공(210)의 내주 바닥에 미끄럼 가능한 상태로 안착 되어, 상기 수직도체(200)의 관통공(210)에 의해 상기 수평도체(120)의 무게가 지탱되면서 수평도체(120)의 길이방향 미끄럼 이동이 허용되도록 한 구조이다. 이러한 본 발명은 수직도체에 횡방향 관통공을 형성하여 수평도체를 그 길이방향으로 미끄럼이 가능한 상태로 결합한 구조에 의해, 수평도체의 길이방향 변위를 자유롭게 허용하면서 수직도체가 수평도체의 무게를 지탱한다.

Description

초전도 케이블 종단 접속 장치{TERMINAL STRUCTURE OF SUPERCONDUCTING CABLE SYSTEM}
본 발명은 초전도 케이블 종단 접속 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 수직도체와 수평도체를 연결부를 기계적으로 안정적인 지지구조와 열신축에 대응하는 안정적인 신축구조를 가지도록 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치에 관한 것이다.
초전도 케이블 종단 접속 장치는, 초전도 케이블 시스템이 끝나는 지점에서 초전도 케이블과 상전도 케이블을 연결하는 장치이다. 즉, 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공(架空) 송전선과 연결하거나 차단기와 같은 전력 기기와 연결하기 위한 접속장치이다.
초전도 케이블 종단 접속 장치는, 2중의 금속 단열 함체의 내부에 전계 완화용 실드(shield)를 배치하고. 전계 완화용 실드의 내측에서 초전도 케이블과 상전도 케이블을 연결한 구조로 이루어진다. 구체적으로, 전계 완화용 실드의 내부에 초전도 케이블로부터 연장한 수평도체를 도입하는 한편, 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선으로부터 연장한 수직도체를 도입하여, 수평도체와 수직도체를 접속한 구조로 이루어진다.
그리고 내부 단열 함체(냉매조)의 내부에는 냉매(예: 극저온 액체 질소)가 채워지므로 전계 완화용 실드는 냉매에 침지된 상태를 유지하고, 전계 완화용 실드의 내부에도 냉매가 들어가며, 내부 단열 함체의 외부에는 진공 단열 간극을 유지하는 외부 단열 함체(진공 용기)가 씌워진다.
초전도 케이블 시스템은 액체 질소를 주요 절연물로 하며, 그 온도가 65K ~ 77K에서 운전된다. 따라서, 초전도 케이블에는 극저온 냉각에 의해 열 수축이 발생하게 되며, 그에 따른 기계적 스트레스를 받는다.
이러한 열신축에 대응하기 위해서는, 초전도 시스템의 종단 접속 장치에서 열 수축을 허용할 수 있는 구조가 요구된다.
이러한 요구에 대응하여, 종래에는 여러 가지 방안이 모색되고 있으나, 수평 방향의 열신축을 허용한다고 하더라도 수평도체의 무게를 지지하는 구조물과 조합된 구조를 구현하기가 어려워 무용지물이 되거나 구조적으로 매우 복잡해진다.
또한, 전계 완화용 실드를 단열 함체의 내측 중앙 부분에 띄워서 고정하기 위한 별도의 복잡한 구조가 필요할 뿐만 아니라, 전계 완화용 실드를 지지하는 구조물과 수평도체를 지지하는 구조물을 이원화하여 별도로 지지하기 때문에 구조가 더욱 복잡해지고 제조도 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제들을 개선하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은, 수직도체와 수평도체를 연결부를 수평도체의 길이방향 열신축을 매끄럽게 허용하면서 무게까지 지탱할 수 있는 구조를 제공하여 기계적으로도 안정적이고 열신축도 안정적으로 흡수할 수 있도록 하고, 더 나아가서는 수평도체를 지지하는 구조물과 전계 완화용 실드를 지지하는 구조물을 일원화하여 구조적으로도 간단한 초전도 케이블 종단 접속 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초전도 케이블 종단 접속 장치는, 수직도체에 의해 수평도체의 무게를 지지함과 동시에, 수직도체에 대해 수평도체가 미끄럼 이동가능하게 결합한 구조로 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 초전도 케이블 종단 접속 장치는, 송전용 초전도 케이블의 단말과 외부 전력계통을 연결하는 초전도 케이블 종단 접속 장치로서, 단열 함체 내부에 배치되는 전계 완화용 실드; 상기 전계 완화용 실드에 인입된 상기 초전도 케이블의 코어 단부에 고착되는 수평도체; 상기 수평도체의 외주에 피복되는 절연체; 상기 전계 완화용 실드 내부로 인입된 중간 부분에, 상기 수평도체 및 절연체가 길이방향으로 미끄럼 가능하면서 두께방향으로 여유 간극을 가지고 통과하는 관통공이 횡방향으로 관통하여 형성되는 수직도체; 및 상기 수평도체의 단부와 상기 수직도체를 전기적으로 연결하는 유연성 도전 부재를 포함하며, 상기 수평도체의 절연체의 하부 외주 부분이 상기 관통공의 내주 바닥에 미끄럼 가능한 상태로 안착 되어, 상기 수직도체의 관통공에 의해 상기 수평도체의 무게가 지탱되면서 수평도체의 길이방향 미끄럼 이동이 허용되는 것을 특징으로 한다.
상기 수직도체의 하단부에는 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지에 상기 전계 완화용 실드의 하부를 체결함으로써, 상기 수직도체가 전계 완화용 실드를 지지하는 역할까지 겸하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 전계 완화용 실드의 바닥 부분에 구멍을 형성하고, 상기 구멍에 브래킷을 진입 설치하며, 상기 브래킷과 상기 수직도체의 플랜지를 체결구로 고정하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 절연체의 열 수축률은 수평도체의 열 수축률보다 작은 것으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 유연성 도전 부재는 편조선이나 연성회로기판으로 구성할 수 있다.
절연체는, 테플론 또는 MC 나일론으로 구성할 수 있다.
그리고, 수직도체로부터 돌출되는 수평도체의 단부의 최소 돌출길이(xmin)는, xmin = 초전도 케이블 전체길이 × 초전도 케이블 열 수축률/100이 되도록 하는 것이 바람직하다.
유연성 도전 부재(300)의 최소 길이 =
Figure 112016128352215-pat00001
이고, 유연성 도전 부재(300)의 최대 길이 = a + (a+x) + y로 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 초전도 케이블 종단 접속 장치는, 수직도체에 횡방향 관통공을 형성하고, 해당 관통공에 수평도체를 그 길이방향으로 미끄럼이 가능한 상태로 삽입하여 설치한 구조에 의해, 수직도체 자체가 수평도체의 무게를 지탱하는 역할과 수평도체의 길이방향 변위를 자유롭게 허용하는 역할을 동시에 수행하는 형태이다.
따라서, 초전도 케이블 및 수평도체의 무게를 지지하기 위한 별도의 구조물을 설치할 필요가 없어 구조가 매우 간단해지는 한편, 수평도체의 자유로운 미끄럼에 의해 열신축 시 초전도 케이블 및 수평도체 자체가 받는 기계적 스트레스나 지지 구조물이 받는 기계적인 스트레스가 발생하지 않거나 최소화된다.
또한, 수평도체의 외주에 절연체를 피복 함으로써 수평도체와 수직도체 사이의 절연문제를 간단하게 해결할 수 있으며, 절연체를 테플론과 같은 소재로 구성함으로써 수평도체와 수직도체 간의 절연 안정성을 높이고 마찰 저항을 최소화할 수 있다.
또한, 수직도체에 의해 전계 완화용 실드가 고정되는 구조이기 때문에, 전계 완화용 실드를 단열 함체 내측에 지지하기 위한 별도의 지지 구조물이 필요하지 않기 때문에 구조가 더욱 간단해 지고 현장 설치 작업도 한층 간단해 진다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블 종단 접속 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 종단 접속장치에서 바람직한 편조선의 길이를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초전도 케이블 종단 접속 장치가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 초전도 케이블 종단 접속 장치는, 송전용 초전도 케이블(100)의 단말과 외부 전력계통으로 인출되는 수직도체(200)의 단부가 전계 완화용 실드(50) 내부로 인입되어 있다. 전계 완화용 실드(50)는 모서리를 둥글게 처리하여 전계 집중을 완화하는 형상으로 이루어진다.
도시하지는 않았지만, 상기 전계 완화용 실드(50)는 단열 함체(냉매조)의 내부 중앙 부분에 배치되고, 단열 함체 내부에는 냉매가 채워진다.
전계 완화용 실드(50)로 인입된 초전도 케이블(100)은 외부의 피복을 제거하여 내부 도전체인 코어(110)가 노출되도록 하고, 이 코어(110)의 단부에 수평도체(120)가 압착 등의 방법으로 고착된다.
수평도체(120)의 외주에는 절연체(130)가 피복된다. 절연체(130)는 관(pipe) 모양으로 수평도체(120)와 별도로 제조하여 수평도체(120)의 외주에 끼워 결합한 형태로 구성하여도 좋고, 수평도체(120)의 외주에 사출 성형, 코팅 등의 방법으로 적층 하여도 좋다.
수직도체(200)는, 전계 완화용 실드(50) 내부로 인입된 중간 부분에, 횡방향으로 관통하는 관통공(210)이 형성된다. 이 관통공(210)에는 수평도체(120) 및 절연체(130)가 길이방향으로 미끄럼 가능하면서 두께방향으로 여유 간극을 가지고 통과한다.
즉, 수평도체(120)의 절연체(130)의 하부 외주 부분은 수직도체(200)의 관통공(210)의 내주 바닥에 미끄럼 가능한 상태로 안착 된다. 이와 같이 수직도체(200)에 관통공(210)을 형성하고, 관통공(210)에 수평도체(120)를 미끄럼 가능하게 삽입하는 것에 의해, 수직도체(200)가 수평도체(120)의 무게를 지탱하는 구조물의 역할을 수행함과 동시에, 열신축에 의한 수평도체(120)의 길이방향 미끄럼 이동을 허용하는 역할을 겸하게 된다.
이러한 수평도체(120)의 단부와 수직도체(200)는 굴곡이 자유로운 유연성 도전 부재(flexible electrical conduction member)(300)로 연결하여, 수평도체(120)와 수직도체(200) 사이의 변위를 자유롭게 허용하도록 한다.
유연성 도전 부재(300)는, 편조선(編造線, braided wire)이나 연성회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board) 등으로 이루어질 수 있다. 편조선은 유연하여 잘 휘어지기 때문에 열신축에 의한 수평도체(120)의 움직임에 따라 유연하게 구부러지므로 수평도체(120)의 열신축을 허용하기 위한 도전 부재로 사용하기에 바람직하다.
그리고 수직도체(200)의 하단부에는 플랜지(202)를 형성하여, 플랜지(202)에 전계 완화용 실드(50)의 하부가 체결됨으로써, 수직도체(200)가 전계 완화용 실드(50)를 지지하는 역할까지 겸하게 된다.
즉, 전계 완화용 실드(50)는 수직도체(200)에 매달려 고정되므로 전계 완화용 실드(50)를 단열 함체 가운데에 고정하기 위한 별도의 지지 장치나 고정 장치가 필요 없게 된다.
본 실시예에서는, 전계 완화용 실드(50)의 고정을 용이하게 하기 위해, 전계 완화용 실드(50)의 바닥 부분에 구멍(54)을 형성하고, 해당 구멍(54)에 브래킷(60)을 진입하여 용접 등의 방법으로 고정한 다음, 브래킷(60)과 상기 수직도체(200)의 플랜지(202)를 체결구(52)로 체결하고 있다.
한편, 절연체(130)는 절연의 역할도 하지만, 수평도체(120)의 열신축 시 수직도체(200)와 미끄럼 접촉하여야 하기 때문에, 절연 안정성이 좋을 뿐만 아니라 마찰계수가 적은 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 절연체(130)는 열 수축률이 수평도체(120)보다 적은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 요컨대, 절연체(130)의 수축률이 수평도체(120)의 열 수축률보다 클 경우에는 절연물이 깨질 염려가 있으며, 그에 따라 절연이 파괴되거나 마찰력이 커져서 수평도체(120)의 변위를 방해할 수 있다.
이러한 사항을 고려하면, 절연체(130)는 테플론(TEFLON; PTEE), 또는 MC(Mono Casting) 나일론이 적당하다. 또한 윤활제 없이 미끄럼이 잘 일어나도록 하기 위해서는, 절연체(130)의 표면 조도는 100micron Rms 이하로 가공하는 것이 바람직하다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 초전도 케이블 종단 접속 장치에서는, 수직도체(200)에 횡방향 관통공(210)을 형성하고, 그 관통공(210)에 수평도체(120)를 길이방향으로 미끄럼이 가능한 상태로 삽입하여 설치한 구조에 의해, 수직도체(200) 자체가 수평도체(120)의 무게를 지탱하는 역할과 수평도체(120)의 길이방향 변위를 자유롭게 허용하는 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 초전도 케이블(100) 및 수평도체(120)의 무게를 지지하기 위한 별도의 구조물을 설치할 필요가 없어 구조가 간단해지고, 열 신축 시 초전도 케이블(100) 및 수평도체(120) 자체가 받는 기계적 스트레스나 지지 구조물이 받는 기계적인 스트레스가 발생하지 않는다.
또한, 수평도체(120)의 외주에 절연체(130)를 피복 함으로써 수평도체(120)와 수직도체(200) 사이의 절연문제를 간단하게 해결할 수 있으며, 더 나아가서는 절연체(130)를 테플론이나 MC 나일론과 같은 소재로 구성함으로써 절연 안정성이 높고 수평도체(120)와 수직도체(200) 간의 마찰 저항도 최소화할 수 있다.
또한, 전계 완화용 실드(50)는 수직도체(200)에 고정되는 구조로서, 수평도체(120)의 열신축에 의한 변위 허용, 수평도체(120)의 지지, 전계 완화용 실드(50)의 지지 역할이 수직도체(200)에 일원화됨으로써 구조가 더욱 간단해 지고 현장 설치 작업이 더욱 간단해 진다.
도 3에는 본 발명에 따른 종단 접속장치에서 바람직한 유연성 도전 부재(300)의 길이를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
초전도 케이블이 상온 25도 기준 -196도(액체 질소 온도) 까지 냉각할 시 케이블이 수축하여 수평도체(120)가 열 수축률 만큼 도면상 우측으로 이동하게 된다. 예를 들어, 초전도 케이블의 길이가 100m이고, 열 수축률이 0.2%라면, 수평도체(120)는 100m×0.2/100 = 0.2m 우측으로 이동하게 된다.
이 경우, 수직도체(220)로부터 돌출되는 수평도체(120)의 단부의 돌출길이(x)가 0.2m 이상으로 되지 않는다면 수평도체(120)가 도면상 우측으로 수축되는 경우, 수평도체(120)가 수직도체(220)의 관통공(210)으로부터 빠질 염려가 있다. 따라서 수직도체(220)로부터 돌출되는 수평도체(120)의 단부의 최소 돌출길이(xmin)는, xmin = 초전도 케이블 전체길이 × 초전도 케이블 열 수축률/100 이 되는 것이 바람직하다.
그리고 유연성 도전 부재(300)는 최소한의 길이를 유지하도록 하는 한편, 전계 완화용 실드(50)의 길이방향 내벽에 닿거나 밖으로 돌출하지 않는 길이를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 유연성 도전 부재(300)의 최소 길이 =
Figure 112016128352215-pat00002
, 유연성 도전 부재(300)의 최대 길이 = a + (a+x) + y가 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서, a는 수평도체(120)와 유연성 도전 부재(300) 연결부에서 전계 완화용 실드(50)의 길이방향 내벽까지의 거리이고, x는 수직도체(200)로부터 수평도체(120)의 돌출길이이며, y는 유연성 도전 부재(300)의 양측 접속 단부 사이의 높이이다. 만일 유연성 도전 부재(300)의 실제 길이가 상기 수학식의 최대길이보다 길어지면 유연성 도전 부재(300)가 전계 완화용 실드(50) 밖으로 빠져 나와 그 부위에 에지(edge)가 만들어져 전계가 집중되고 절연이 파괴될 염려가 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
50 : 전계 완화용 실드
52 : 체결구
54 : 구멍
60 : 브래킷
100 : 초전도 케이블
110 : 코어
120 : 수평도체
130 : 절연체
200 : 수직도체
202 : 플랜지
220 : 단자부
300 : 유연성 도전 부재

Claims (8)

  1. 송전용 초전도 케이블(100)의 단말과 외부 전력계통을 연결하는 초전도 케이블 종단 접속 장치로서,
    단열 함체 내부에 배치되는 전계 완화용 실드(50);
    상기 전계 완화용 실드(50)로 인입된 상기 초전도 케이블(100)의 코어(110) 단부에 고착되는 수평도체(120);
    상기 수평도체(120)의 외주에 피복되는 절연체(130);
    상기 전계 완화용 실드(50) 내부로 인입된 중간 부분에, 상기 수평도체(120) 및 절연체(130)가 길이방향으로 미끄럼 가능하면서 두께방향으로 여유 간극을 가지고 통과하는 관통공(210)이 횡방향으로 관통하여 형성되는 수직도체(200); 및
    상기 수평도체(120)의 단부와 상기 수직도체(200)를 전기적으로 연결하는 유연성 도전 부재(300)를 포함하며,
    상기 수평도체(120)의 절연체(130)의 하부 외주 부분이 상기 관통공(210)의 내주 바닥에 미끄럼 가능한 상태로 안착 되어, 상기 수직도체(200)의 관통공(210)에 의해 상기 수평도체(120)의 무게가 지탱되면서 수평도체(120)의 길이방향 미끄럼 이동이 허용되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수직도체(200)의 하단부에는 플랜지(202)가 형성되고, 상기 플랜지(202)에 상기 전계 완화용 실드(50)의 하부가 체결되어 상기 수직도체(200)가 전계 완화용 실드(50)를 지지하는 역할까지 겸하게 되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전계 완화용 실드(50)의 바닥 부분에 구멍(54)을 형성하고, 상기 구멍(54)에 브래킷(60)이 진입 설치되며, 상기 브래킷(60)과 상기 수직도체(200)의 플랜지(202)가 체결구(52)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연체(130)의 열 수축률은 수평도체(120)의 열 수축률보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연체(130)는, 테플론 또는 MC 나일론으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    수직도체(220)로부터 돌출되는 수평도체(120)의 단부의 최소 돌출길이(xmin)는, xmin = 초전도 케이블 전체길이 × 초전도 케이블 열 수축률/100인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
  7. 송전용 초전도 케이블(100)의 단말과 외부 전력계통을 연결하기 위해 전계 완화용 실드(50) 내부로 초전도 케이블(100)의 코어(110)가 인입되고,
    코어(110)의 단부에 수평도체(120)가 고착되며,
    수평도체(120)는 수직도체(200)에 수평도체(120)의 길이방향으로 미끄럼 가능하게 결합되고,
    상기 수평도체(120)의 단부와 상기 수직도체(200)는 유연성 도전 부재(300)로 연결되며,
    상기 유연성 도전 부재(300)의 최소 길이 =
    Figure 112016128352215-pat00007
    이고, 유연성 도전 부재(300)의 최대 길이 = a + (a+x) + y로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
    여기서,
    a : 수평도체(120)와 유연성 도전 부재(300)의 연결부에서 전계 완화용 실드(50)의 길이방향 내벽까지의 거리
    x : 수직도체(200)로부터 수평도체(120)의 돌출길이
    y : 유연성 도전 부재(300)의 양측 접속 단부 사이의 높이
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 유연성 도전 부재(300)는 편조선 또는 연성회로기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 종단 접속 장치.
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