KR101745113B1 - 히터를 이용한 고온초전도 코일 보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 계자코일의 영구소손을 방지하기 위한 계자코일 보호장치 및 보호방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일, 상기 계자코일 주위에 설치되어 퀀치(quench) 발생시 계자코일 전체에 열을 전달하는 히터부, 상기 계자코일의 퀀치 발생 여부를 판단하는 퀀치확인부, 및 상기 퀀치확인부에서 하나 또는 다수의 단위 코일에서 퀀치가 발생되었음을 표시하는 경우 상기 히터부를 가동하여 전 계자코일에 열을 전달하도록 제어하는 제어부 를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치가 개시된다.
본 발명에 의하면 퀀시 발생시에도 초전도 계자코일의 영구소손을 방지하는 효과가 있다.

Description

히터를 이용한 고온초전도 코일 보호장치{Apparatus and Method for Protecting High Temperature Superconducting Coil Using Heater}

본 발명은 초전도회전기의 계자코일이 영구소손되는 것을 방지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 계자코일이 퀀치(quench) 현상에 의하여 영구소손되는 것을 방지하기 위하여 히터를 이용하여 계자코일의 일부에서 퀀치 발생시 전 계자코일에 열을 가함으로써 계자코일의 일부분이 영구소손되는 것을 방지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 모터, 발전기와 같은 회전기기는 계자코일이 권선되어 있는 회전기와 회전자계를 발생시켜주는 고정자의 권선으로 구성된다. 특히 고온초전도 선재를 계자코일에 사용함으로써 고효율의 고온초전도 회전기기의 개발이 가능하게 되었다. 여기서, 고온초전도 회전기기에 사용된 초전도 계자코일의 대부분은 초전도 선재의 특성으로 인해 레이스트랙형 코일로 권선되고 있다. 그리고 이러한 레이스트랙형 코일은 다수 개의 초전도 단위코일이 적층되어 하나의 계자코일이 될 수 있다.

극저온에서 저항이 없어지게 되는 초전도 선재를 권선하여 만든 초전도 계자코일은 저항이 없기 때문에 열에 의한 손실이 없어 대전류를 흘릴 수 있고, 이에 따라 고효율의 고온초전도 회전기기를 구현할 수 있다.

그런데 고온초전도 회전기기를 운전하기 위해서는 계자코일을 먼저 여자(exciting, energizing)시켜야 하는데, 이를 위해서 외부 전원으로부터 계자코일에 전원을 공급해 주어야 한다. 한편으로 초전도 회전기기 운전 중 어떤 원인에 의하여 초전도 계자코일이 초전도 상태를 잃어버리는 퀀치(quench) 현상이 발생하게 되면, 오직 인덕턴스만 존재하던 초전도 계자코일이 저항 성분을 가지게 되고, 이에 따라, 계자코일이 가지고 있던 자기 에너지와 외부 전원으로부터 인가되는 전류에 의해 열이 발생하여 계자코일이 소손, 단선, 절연 파괴 등이 발생될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 코일이 권선된 초전도 회전기기의 계자권선부에 직류전원을 공급하는 등가회로를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면 초전도 회전기기는 시스템의 요구사항에 따라 다수의 초전도 단위코일(110)이 직렬로 연결될 수 있다. 그리고 이에 전력을 공급하기 위한 전력공급장치(140)와 퀀치 발생시 초전도 단위코일들을 보호하기 위한 보호스위치(130)와 보호저항(120)을 포함할 수 있다. 초전도 단위코일(110)은 인덕터와 가변저항으로 모델링될 수 있는데, 극저온에서는 초전도 상태가 되어 가변저항의 값이 0이 될 수 있다. 하지만 퀀치가 발생하게 되면 더 이상 초전도 상태가 아닌 노말존(normal zone) 상태가 되어 상기 가변저항이 0이 아닌 상당한 값을 가지게 되고, 여기에서 발생하는 열에 의하여 단위코일(110)이 손상을 입을 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 상기 보호스위치(130)와 보호저항(120)은 퀀치 발생시에 보호스위치(130)가 열려 전원공급장치에 의한 전류 공급을 차단하고, 초전도 단위코일(110)이 가지고 있는 에너지는 보호저항(120)에 의해 소모되도록 함으로써 초전도 단위코일(110)을 보호할 수 있다. 그런데, 초전도 단위코일이 많이 연결되면 될수록 초전도 단위코일이 가지고 있는 에너지가 커지고 퀀치가 발생하였을 때 초전도 단위코일(110)에 축적된 에너지를 보호저항(120)이 빠르게 소모하지 못함으로 인해 초전도 단위코일(110)의 소손 가능성이 있다. 이렇게 직렬로 연결된 다수 개의 초전도 단위코일(110) 중 일부가 영구소손되고 나면 계자코일 전체가 직렬로 연결되어 있기 때문에 전류를 더는 공급할 수 없게 되고, 이에 따라 초전도 회전기기도 더는 운전할 수 없게 된다. 그리고 손상된 코일을 교체하기 위해서는 고진공, 극저온 상태의 밀폐된 챔버의 온도를 올리고 코일 교체 작업을 해야 하는데 이는 많은 비용과 시간을 요구한다. 그러므로 초전도 단위코일의 영구적인 소손을 방지할 필요가 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 퀀시 발생에 의하여 초전도 코일의 일부가 영구소손되는 것을 방지하기 위하여 히터를 사용하여 초전도 코일 전부에 열을 가함으로써 초전도 코일에 저장된 자기 에너지를 신속하게 소모시키는 초전도 코일 보호 장치 및 보호 방법을 제공함에 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 화전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치는 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일, 상기 계자코일 주위에 설치되어 퀀치(quench) 발생시 계자코일 전체에 열을 전달하는 히터부, 상기 계자코일의 퀀치 발생 여부를 판단하는 퀀치확인부, 및 상기 퀀치확인부에서 하나 또는 다수의 단위 코일에서 퀀치가 발생하였음을 표시하는 경우 상기 히터부를 가동하여 전 계자코일에 열을 전달하도록 제어하는 제어부 를 포함할 수 있다.

그리고 상기 퀀치확인부는 상기 초전도 단위 코일 각각에 걸리는 전압 또는 계자코일에 걸리는 전압을 측정하여 퀀치 여부를 판단할 수 있고, 이때 상기 전압은 1uV/cm 이상인 경우에 퀀치가 발생하였다고 판단할 수 있다.

또한 퀀치확인부는 상기 계자코일이 담겨있는 냉매의 온도변화 또는 압력변화를 측정하여 퀀치 여부를 판단할 수 있다.

상기 히터부는 상기 계자코일이 권선되는 상기 보빈블록에 설치하되, 상기 계자코일이 접촉되는 면에 설치할 수 있고, 보빈블록의 커버에 추가적으로 설치될 수도 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 회전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호방법은 (a) 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일에 여자전류를 공급하여 초전도 회전기를 구동하는 단계, (b) 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수가 초전도 상태를 잃어버리는 퀀치가 발생했는지를 판단하는 단계, 및 (c) 상기 판단결과, 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수에서 퀀치가 발생한 경우 히터부를 가동하여 상기 계자 코일에 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고 상기 (b) 단계는 상기 초전도 단위 코일 각각에 걸리는 전압 또는 계자코일 전체에 걸리는 전압을 측정하는 단계, 및 측정된 상기 전압이 정상 작동 때보다 전압이 크게 발생하면 퀀치가 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하고, 이때 상기 전압은 1uV/츠 이상인 경우 퀀치가 발생하였다고 판단할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는 상기 계자코일이 담겨있는 냉매의 온도변화 또는 압력변화를 측정하여 퀀치의 발생 여부를 판단할 수도 있다.

초전도 코일의 일부에서 퀀치 발생 시 초전도 코일의 전부분을 노말존으로 만들어줌으로서 코일에 저장된 자기 에너지를 신속하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

상기한 효과에 의하여 초전도 코일의 일부가 영구소손되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 코일이 권선된 초전도 회전기기의 계자권선부에 직류전원을 공급하는 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 히터를 이용한 고온초전도 코일 보호장치의 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시 예로서 히터의 위치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 일 실시 예로서 히터가 보빈블록 커버에도 위치할 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 퀀치 발생시에 초전도 회전기의 계자코일 보호방법을 제시하는 흐름도이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 비록 특정 실시 예로 설명하더라도 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 히터를 이용한 고온초전도 코일 보호장치의 등가회로를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 히터를 이용한 고온초전도 코일 보호장치는 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일(110)을 직렬로 연결하여 형성하는 계자 코일, 상기 계자 코일에 전류를 공급하기 위한 전원공급장치(140), 퀀치 발생시 계자 코일을 보호하기 위한 보호저항(120) 및 보호스위치(130), 계자코일의 퀀치 발생 여부를 판단하는 퀀치확인부(230), 퀀치 발생시 계자 코일에 열을 가하기 위한 히터부(210) 및 상기 히터부를 제어하는 제어기(220)를 포함할 수 있다.

일반적으로 퀀치는 초전도 단위 코일에서 발생하게 된다. 즉 다수 개의 초전도 단위 코일이 직렬로 연결된 계자 코일에서 하나 또는 일부의 초전도 단위 코일에서 퀀치가 발생하면 그 초전도 단위 코일만 저항 성분을 가지게 되고, 여기에서 모든 에너지를 소비하게 되고 그에 따라 높은 열이 발생하여 영구소손될 가능성이 높다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 제어기(220)는 일부의 초전도 단위 코일에서 퀀치 발생을 인지하면 히터부(210)를 이용하여 계자코일 전체의 온도를 높여 계자코일 전부가 초전도 상태를 벗어나 저항성분을 가지는 노말존 상태로 변경시킬 수 있다. 그러면 하나 또는 일부의 초전도 단위코일이 아닌 계자코일 전체에서 고르게 자기 에너지를 소모하므로 퀀치가 발생한 일부 초전도 단위코일의 입장에서 보았을 때 상대적으로 낮은 열이 발생하여 영구소손될 가능성을 많이 줄일 수 있다.

퀀치확인부(230)는 특정 초전도 단위코일(110)이 퀀치 발생에 의해 노멀존 상태로 변경되었는 지를 확인하기 위하여 다양한 방법을 이용할 수 있다. 즉 퀀치 발생을 감지하기 위하여 퀀치확인부(230)는 초전도 단위코일(110) 또는 계좌코일 전체에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 상기 걸리는 전압이 1uV/cm (uV는 micro Volts로 10^-6V를 의미한다)이상이 되면 퀀치가 발생한 것으로 볼 수 있다. 또 다른 일 실시 예로서 계자코일은 극저온에서 운전되어야 하기 때문에 액체 질소와 같은 냉매 속에 놓여진다. 그런데 퀀치가 발생하면 그에 의한 열 발생에 의하여 냉매의 온도가 올라갈 수 있다. 그러므로 계자코일이 들어있는 냉매의 미세한 온도 변화 또는 압력 변화를 감지하여 퀀치가 발생한 것을 인식할 수 있다. 또 다른 일 실시 예로서 초전도 단위코일에 의한 자기장의 변화를 감지하여 퀀치가 발생한 것을 인식할 수 있다.

상기한 것처럼 퀀치확인부(230)에서 퀀치가 발생했음을 알려주면 제어부(220)는 히터(210)를 동작시켜 전 계자코일에 열을 가할 수 있다. 그러면 계자코일에 저장되어 있던 자기 에너지의 소비가 전 계자코일에서 분산되어 진행되므로 하나 또는 일부 고온초전도 코일의 영구소손을 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시 예로서 히터부(210)의 위치를 보여주는 도면이다.

일반적으로 회전기기에서 초전도 계자코일(110)은 코일 보빈 블록(310)에 권선될 수 있다. 그러면 히터부(210)는 코일 보빈 블록(310)과 초전도 계자코일(110) 이 접촉되는 면에 설치될 수 있다. 그러면, 퀀치 발생시에 히터부(210)를 이용하여 계자코일 전체의 온도를 상승시킬 수 있다. 전체 계자코일에서의 온도상승은 저항의 증가를 의미하기 때문에 퀀시 발생시에 빠른 에너지 소모를 유도할 수 있고, 계자코일 전체적으로 저항이 증가해서 한 부위에서 집중적으로 에너지가 증가해서 초전도 계자코일의 일부가 영구소손되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 일 실시 예로서 히터부(210)가 보빈블록 커버에도 위치할 수 있음을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 히터부(210)가 보빈블록(310) 뿐만 아니라. 보빈블록커버(410)에도 위치할 수 있고, 이에 따라 계자코일 전체의 온도 상승을 더 빨리 시킬 수 있어 퀀시 발생시에 더욱 빠른 에너지 소모를 유도할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 퀀치 발생시에 초전도 회전기의 계자코일 보호방법을 제시하는 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 초전도 회전기기는 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일에 여자전류를 공급하여 초전도 회전기를 구동하고(S510), 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수가 초전도 상태를 잃어버리는 퀀치가 발생했는지를 판단한다(S520), 상기 판단결과, 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수에서 퀀치가 발생한 경우 히터부(210)를 가동하여 상기 계자코일에 열을 전달(S530)하여 퀀치에 의해 상기 계자코일의 일부가 영구소손되는 것을 방지할 수 있다.

이때, 퀀치가 발생했는지를 판단하는 단계(S520)는 초전도 단위 코일(110) 각각에 걸리는 전압 또는 계자코일 전체에 걸리는 전압을 측정하고, 측정된 전압이 정상 작동 때보다 전압이 크게 발생하면 퀀치가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 일 실시 예로서 측정된 전압이 1uV/cm 이상인 경우에 퀀치가 발생하였다고 판단할 수 있다. 좀 더 자세히 설명하면, 초전도 단위 코일의 길이가 1km이면, 이 초전도 단위 코일에 걸리는 전압의 크기가 0.1V 이상이면 퀀치가 발생하였다고 볼 수 있다. 이 외에도 또 다른 일 실시 예로서 상기 계자코일이 담겨있는 냉매의 온도변화 또는 압력변화를 측정하여 퀀치가 발생했는 지를 판단할 수 있다.

상기한 바처럼 본 발명에 따른 계자코일 보호장치나 보호방법을 사용한다면 퀀치가 발생하더라도 계자코일 일부에서 발생할 수 있는 영구소손의 가능성을 획기적으로 줄일 수 있을 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 회전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치에 있어서,
   초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일;
   상기 계자코일 주위에 설치되어 퀀치(quench) 발생시 계자코일 전체에 열을 전달하는 히터부;
   상기 계자코일이 담겨있는 냉매의 압력 변화를 측정하여 퀀치 발생 여부를 판단하는 퀀치확인부; 및
   상기 퀀치확인부에서 하나 또는 다수의 단위 코일에서 퀀치가 발생하였음을 표시하는 경우 상기 히터부를 가동하여 전 계자코일에 열을 전달하도록 제어하는 제어부;
   를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치.
2. 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 회전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치에 있어서,
   초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일;
   상기 계자코일 주위에 설치되어 퀀치(quench) 발생시 계자코일 전체에 열을 전달하는 히터부;
   상기 계자코일의 자기장의 변화를 감지하여 퀀치 발생 여부를 판단하는 퀀치확인부; 및
   상기 퀀치확인부에서 하나 또는 다수의 단위 코일에서 퀀치가 발생하였음을 표시하는 경우 상기 히터부를 가동하여 전 계자코일에 열을 전달하도록 제어하는 제어부;
   를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 히터부는 상기 계자코일이 권선되는 상기 보빈블럭에 설치하되, 상기 계자코일이 접촉되는 면에 설치하는,
   초전도 회전기의 계자코일 보호장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 히터부는 보빈블럭의 커버에 추가적으로 설치되는,
   초전도 회전기의 계자코일 보호장치.
7. 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 회전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호방법에 있어서,
   (a) 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일에 여자전류를 공급하여 초전도 회전기를 구동하는 단계;
   (b) 상기 계자코일이 담겨있는 냉매의 압력변화를 측정하여 퀀치가 발생했는지를 판단하는 단계; 및
   (c) 상기 판단 결과, 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수에서 퀀치가 발생한 경우 히터부를 가동하여 상기 계자 코일에 열을 전달하는 단계;
   를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호방법.
8. 보빈블럭에 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자하는 회전자와 회전자의 외측에 설치되어 회전자계를 발생하는 고정자를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호방법에 있어서,
   (a) 초전도 선재를 감아서 형성되는 복수의 초전도 단위 코일을 직렬로 연결하여 형성하는 계자코일에 여자전류를 공급하여 초전도 회전기를 구동하는 단계;
   (b) 상기 계자코일의 자기장의 변화를 감지하여 퀀치가 발생했는지를 판단하는 단계; 및
   (c) 상기 판단 결과, 상기 복수의 초전도 단위 코일 중 하나 또는 다수에서 퀀치가 발생한 경우 히터부를 가동하여 상기 계자 코일에 열을 전달하는 단계;
   를 포함하는 초전도 회전기의 계자코일 보호방법.
9. 삭제
10. 삭제

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