KR101858632B1

KR101858632B1 - 두 개의 전기 유닛을 전도성 연결하기 위한 장치

Info

Publication number: KR101858632B1
Application number: KR1020110080401A
Authority: KR
Inventors: 마크 슈테믈레; 에릭 마르짠
Original assignee: 넥쌍
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2018-05-17
Also published as: EP2418747B1; CN102377152B; EP2418747A1; US20120295792A1; US8897845B2; KR20120016017A; DK2418747T3; CN102377152A

Abstract

본 발명은 전기 유닛들 사이에 적어도 두 개의 직류 전기 케이블이 배열된 두 개의 전기 유닛을 양극 고압 직류 송전에 의하여 전도성 연결하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치에서 상기 직류 전기 케이블은 초전도 케이블로 형성되고, 상기 초전도성 케이블은 각각 서로 분리되어 냉각제가 관통하는 저온 유지 장치(1, 2)에 배열되며, 상기 저온 유지 장치는 단열체를 구비한 적어도 하나의 금속 파이프를 구비한다. 상기 저온 유지 장치(1, 2)는 적어도 하나의 단부에서 냉각제를 공급하는 냉각 장치(7)와 연결되고, 상기 저온 유지 장치(1, 2)에 평행하게 파이프라인(3)이 배열된다. 상기 파이프라인(3)은 양 단부에서 정상 작동시 폐쇄되는 밸브를 통해 상기 저온 유지 장치(1, 2)와 연결되며, 상기 초전도성 케이블 가운데 하나의 케이블에 문제가 발생하는 경우, 상기 파이프라인(3)의 밸브가 개방되어 문제가 발생된 케이블의 저온 유지 장치의 냉각제를 운반하기 위해 사용된다.

Description

두 개의 전기 유닛을 전도성 연결하기 위한 장치{ARRANGEMENT FOR ELECTRICAL CONNECTION OF TWO ELECTRIC UNITS}

본 발명은 전기 유닛들 사이에 적어도 두 개의 직류 전기 케이블이 배열된 두 개의 전기 유닛을 양극 고압 직류 송전(biopolar high voltage direct current transmission)에 의하여 전도성 연결하기 위한 장치에 관한 것이다.

여기서, "전기 유닛"은 예를 들어 전력 공급 네트워크, 발전소, 변전소, 변환소(converter station) 및 상기 유닛 내에 있는 세그먼트(segment)일 수도 있다. 모든 사용 가능성을 대표하여 이하에서는 "전기 유닛" 대신 "네트워크" 라는 용어를 사용한다.

현재 기술 수준에서 상기한 연결 장치는 예를 들어 발전소(power plant)를 네트워크(network)에 연결할 때 필요한 것처럼 높은 송전 용량을 갖는 두 지점을 연결하기 위해 소위 통합 네트워크에서 사용된다. 상기 장치과 함께 또한 서로 다른 네트워크가 양극 고압 직류 송전을 통해 서로 연결될 수도 있다. 일반적으로 이것은 지면에 위치한 모든 네트워크에 통용되며, 상기 네트워크는 3상 전류 네트워크(three-phase current network)로서 상이한 주파수를 가질 수 있다. 또한, 상기 네트워크는 긴 구간을 서로 연결할 수도 있다. 공지된 기술에서 사용된 직류 케이블은 손실 가능성이 있다. 이때, 직류 케이블의 손실 정도는 한편으로는, 개별 네트워크 간의 거리에 대해 선형으로 증가하고, 다른 한편으로는 송전 용량에 대해 정방형으로 증가한다. 따라서, 어떠한 경우에도 충분한 전도성 횡단면이 가능하도록 하는 노력이 제공되어야 한다. 이는 종래의 기술에서 대응하는 직류 케이블 수량의 평행 배열을 통해 달성될 수 있다.

본 발명의 목적은 직류의 안전한 송전이 용이하게 달성될 수 있는 서두에서 언급된 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은,

- 직류 전기 케이블이 초전도 케이블로 형성되고, 이 초전도성 케이블은 각각 서로 분리되어 냉각제가 관통하는 저온 유지 장치에 배열되며, 상기 저온 유지 장치는 단열체를 구비한 적어도 하나의 금속 파이프를 구비하며,

- 두 개의 저온 유지 장치는 적어도 하나의 단부에서 냉각제를 공급하는 냉각 장치와 연결되고,

- 상기 저온 유지 장치에 평행하게 파이프라인이 배열되며,

- 상기 파이프라인은 양 단부에서 정상 작동시 폐쇄되는 밸브를 통해 상기 저온 유지 장치와 연결되며,

- 상기 초전도성 케이블 가운데 하나의 케이블에 문제가 발생하는 경우, 상기 파이프라인의 밸브가 개방되어 문제가 발생된 케이블의 저온 유지 장치의 냉각제를 운반하기 위해 사용됨으로써 해결된다.

현재 기술 수준에서 상기 초전도성 케이블은 충분히 낮은 온도에서 초전도성 상태로 변하는 세라믹 재료와 같은 복합 재료로 구성된 전기 도체를 포함한다. 이러한 재료로 구성된 도체의 직류 저항은 정해진 전류 강도가 초과하지 않을 경우, 충분히 냉각된 상태에서 0이다. 예를 들어, 적합한 세라믹 재료는 제1 세대 재료로서 BSCCO(비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물), 또는 제2 세대 재료로서 ReBCO(희토류-바륨-구리-산화물), 특히 YBCO(이트륨-바륨-구리-산화물)가 있다. 이러한 재료를 초전도 상태로 변화시키기 위한 충분히 낮은 온도는 예를 들어 67K 내지 90K이다. 적합한 냉각제로는 예를 들어 질소, 헬륨, 네온 및 수소 또는 이러한 물질의 혼합물이다.

정상 작동시, 상기 초전도성 직류 케이블은 전류를 손실 없이 송전하게 때문에, 송전 구간의 거리와 무관하게 두 개의 직류 케이블로 충분하다. 또한, 상기 초전도성 직류 케이블에 포함된 양이 초전도성 재료에 적합하게 조정됨으로써 초전도성 케이블은 원하는 송전 용량의 정도에 맞게 상대적으로 용이하게 조정될 수 있다. 평행하게 배열된 파이프라인으로 인해 충분한 시간 동안 직류 송전을 위해 향상된 안정성이 추가로 제공되며, 그 이유는 직류 케이블 가운데 하나의 케이블에 문제가 발생할 때 냉각제 순환은 예를 들어 냉각 장치로부터 원거리 단부까지, 그리고 다시 상기 냉각 장치 쪽으로 파이프라인을 통해 유지되기 때문이며, 따라서 상기 초전도성 케이블이 제한없이 제 기능을 발휘할 수 있다.

이때, 전류 경로가 지면에 대해 폐쇄되거나, 또는 추가로 전도성 케이블이 상기 두 개의 초전도성 직류 케이블에 대해 평행하게 배열될 수 있으며, 상기 전도성 케이블은 필요할 경우 지면에 대해 평행한 전류 경로를 형성한다.

또한, 상기 파이프라인에 초전도성 직류 케이블이 배열될 수도 있으며, 이 초전도성 직류 케이블은 직류 케이블 중 문제가 발생한 하나의 케이블의 대응하는 냉각에 따라 대체할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 장치에 따라 연결된 두 개의 네트워크를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 냉각 장치와 연결된 두 개의 초전도성 직류 케이블을 포함하는 저온 유지 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 초전도성 직류 케이블을 구비한 저온 유지 장치의 횡단면을 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 장치의 원칙적인 구성에 따른 두 개의 서로 다른 실시예를 도시한 도면,
도 6은 도 4에 따른 장치의 세 개의 서로 다른 작용 상태를 도시한 도면이다.

서로 전도성 연결된 두 개의 전기 유닛(이하, "네트워크"라 함)이 N1 및 N2로 표기되어 있다. 또한, 도시된 실시예에는 두 개의 네트워크 N1과 N2 사이에 각각 폐쇄된 초전도성 직류 케이블(SK)(이하, "케이블(SK)이라 함)(도 3 참조)를 갖는 두 개의 저온 유지 장치(1, 2), 파이프라인(3) 및 일반 전도성 케이블(4)이 배열되어 있다. 상기 케이블(SK)과 네트워크(N1 및 N2)의 전도성 연결은 선행 기술에 해당된다. 따라서, 여기서는 이와 관련하여 설명하지 않는다.

장치가 작동되는 동안, 상기 케이블(SK)은 초전도 상태에 있다. 이는 상기 케이블이 각각의 저온 유지 장치(1, 2)를 관통하는 냉각제로 순환하여 달성된다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 예를 들어 상기 저온 유지 장치의 근거리 단부에 있는 밸브(5, 6)를 통해 상기 저온 유지 장치(1, 2)가 냉각 장치(7)와 연결되어 있다. 냉각제의 순환을 냉각 장치(7)로 역류시키기 위해, 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)는 원거리 단부에서 연이어 놓여 있는 밸브(8, 9)를 통해 서로 연결되어 있다. 본 발명에 따른 장치가 정상 작동할 때, 상기 밸브들(5, 6 및 8, 9)는 개방되어 있다. 냉각제는 예를 들어 도 2에 도시된 화살표에 대응하여 저온 유지 장치(1)를 통해 한쪽 방향으로 흐를 수 있고, 또 다른 저온 유지 장치(2)를 통해 반대쪽 방향으로 흐를 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)는 각각 예를 들어 동심으로 서로 간격을 두고 배열되어 있는 두 개의 금속 파이프(10, 11)로 구성되며, 이 금속 파이프들 사이에는 진공 절연체(12)가 배열되어 있다. 상기 파이프들(10, 11)은 종방향에 대해 횡방향으로 주름진 형태일 수 있다. 각각의 저온 유지 장치(1, 2)에는 초전도체(13)를 구비한 초전도성 케이블(SK)이 배열되어 있고, 초전도체는 절연체(14)에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 상기 케이블(SK)은 전기 차폐부(electrical shild)를 구비할 수 있다. 각각의 저온 유지 장치(1, 2)에 있는 자유 공간(FR)은 냉각제를 운반하기 위해 사용된다.

본 발명에 따른 장치가 정상 작동될 때, 기본적으로 케이블(SK)을 구비한 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)는 네트워크(N1 및 N2)를 전도성 연결하기에 충분하다. 이러한 배열의 경우, 안정성을 이유로 두 개의 네트워크(N1 및 N2) 사이에 파이프라인(3)이 저온 유지 장치(1, 2)에 대해 평행하게 배열되어 있으며, 이 파이프라인은 케이블(SK)에 문제가 발생할 때 냉각제 순환을 유지하기 위해 여전히 작동할 수 있는 케이블(SK)의 저온 유지 장치에 연결된다. 또한, 상기 파이프라인(3)은 단열되는 장점을 갖는다. 상기 파이프라인은 기본적으로 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)처럼 구성될 수 있다.

도 4에 따른 본 발명의 장치의 실시예에서, 파이프라인(3)은 근거리 단부에서 대응하는 파이프 연결부에 설치될 수 있는 밸브(15, 16)를 통해 한편으로는 밸브(5), 다른 한편으로는 밸브(6)과 연결되어 있다. 상기 파이프라인(3)는 원거리 단부에서 파이프 연결부에 있는 밸브(17)를 통해 저온 유지 장치(1, 2)의 밸브(8, 9)와 연결되어 있다. 상기 밸브(15, 16 및 17)는 장치가 정상 작동될 경우 폐쇄되어 있다. 이러한 장치는 냉각제 순환과 함께 작동하며, 이 냉각제 순환은 냉각 장치(7)로부터 시작하여 저온 유지 장치(1)를 통해 한쪽 방향으로 진행될 수 있고, 다른 저온 유지 장치(2)를 통해 다른 쪽 방향, 즉 다시 냉각 장치(7) 방향으로 진행된다.

도 5에 따른 본 발명의 장치의 실시예에서는, 저온 유지 장치(1, 2)의 두 단부에 각각 냉각 장치가 설치되어 있다. 예를 들어, 냉각 장치(7)는 냉각제를 저온 유지 장치(1)에 공급하며, 상기 저온 유지 장치에 의해 냉각제가 다른 쪽 단부에 있는 제 2 냉각 장치를 재냉각시키기 위해 제공된다. 이와 유사하게, 예를 들어 냉각 장치(18)에 의해 저온 유지 장치(2)에 냉각제가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 이러한 장치에서 필요할 경우 냉각제는 파이프라인(3)으로 우회될 수도 있다. 이를 위해, 파이프라인(3)은 제 2 냉각 장치(18) 쪽 단부에서 밸브(19)를 통해 저온 유지 장치(1)의 밸브(8)와 연결되어 있고, 밸브(20)를 통해 저온 유지 장치(2)의 밸브(9)와 연결되어 있다. 상기 밸브들(19, 20)은 대응하는 파이프 연결부에 있다. 상기 밸브들은 장치의 정상 작동시 폐쇄되어 있다.

도 4에 따른 본 발명에 따른 장치의 작용을 도 6을 참조하여 아래와 같이 예를 들어 설명한다:

도 6a에는 도 4에 대응하여 상기 장치가 정상 작동될 경우를 도시하고 있다. 개방된 밸브(5, 6 및 8, 9)는 점으로 표시되어 있는 반면, 폐쇄된 밸브(15, 16 및 17)는 원으로 표시되어 있다. 냉각제 순환은 화살표로 표시되어 있다.

예를 들어, 케이블(SK)이 저온 유지 장치(2)에서 작동되지 않을 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이 동시에 밸브(6, 9)는 폐쇄되고 파이프라인(3)의 밸브(16, 17)가 개방된다. 냉각제 순환은 표시된 화살표에 대응하여 상기 파이프라인(3)을 통해 폐쇄된다.

도 6c는 저온 유지 장치(1)의 케이블(SK)이 작동되지 않을 경우를 도시하고 있다. 여기서, 밸브(5, 8)는 폐쇄되어 있고, 파이프라인(3)의 밸브(15, 17)는 개방되어 있다. 냉각제 순환은 표시된 화살표에 대응한다. 여기서, 약간의 추가 노력으로 냉각제 순환의 방향을 역방향으로 만들 수 있으며, 이로 인해 상기 저온 유지 장치(2)가 직접적으로 냉각 장치(7)와 연결된다.

본 발명에 따른 장치는 파이프라인(3)의 설치를 통해 큰 제한 없이, 그러나 약 50% 감소된 송전량으로 냉각제 순환이 유지될 수 있다. 이는 전류 경로가 지면을 통해 폐쇄될 경우에도 충분하다. 동시에 상기 파이프라인(3)의 연결과 함께 또한 지면에 대해 평행 경로로 전기 케이블(4)이 설치될 수 있다.

또한, 상기 파이프라인(3)에 또 다른 초전도성 케이블(SK)을 제공하는 것도 가능하며, 이 케이블은 파이프라인(3)의 연결에 따라 냉각제에 의해 둘러싸여 있고 이로 인해 적절한 시간 후에 초전도성 상태로 냉각된다. 따라서, 이렇게 설치된 파이프라인(3)이 작동되지 않는 케이블(SK)을 갖는 저온 유지 장치를 대체할 수 있다.

Claims

전기 유닛들 사이에 적어도 두 개의 직류 전기 케이블이 배열된 두 개의 전기 유닛을 양극 고압 직류 송전에 의하여 전도성 연결하기 위한 장치에 있어서,
- 상기 직류 전기 케이블은 초전도성 케이블(SK)로 형성되고, 상기 초전도성 케이블은 각각 서로 분리되어 냉각제가 관통하는 저온 유지 장치(1, 2)에 배열되며, 상기 저온 유지 장치는 단열체를 구비한 적어도 하나의 금속 파이프를 구비하며,
- 두 개의 상기 저온 유지 장치(1, 2)는 적어도 하나의 단부에서 냉각제를 공급하는 냉각 장치(7)와 연결되고,
- 냉각제 순환은 상기 냉각 장치(7)로부터 시작하여 상기 두 개의 저온 유지 장치 중 하나의 저온 유지 장치(1)를 통해 한쪽 방향으로 진행되고 다른 저온 유지 장치(2)를 통해 다른쪽 방향으로 진행되어 상기 냉각 장치(7)로 돌아오며,
- 상기 저온 유지 장치(1, 2)에 평행하게 파이프라인(3)이 배열되며,
- 상기 파이프라인(3)은 양 단부에서 정상 작동시 폐쇄되는 밸브를 통해 상기 저온 유지 장치(1, 2)와 연결되며,
- 상기 초전도성 케이블(SK) 가운데 하나의 케이블에 문제가 발생하는 경우, 상기 파이프라인(3)의 밸브가 개방되어 문제가 발생된 케이블의 저온 유지 장치의 냉각제를 운반하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 파이프라인(3)은 단열되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 따른 장치의 작동 방법으로서,
- 상기 냉각 장치(7)로부터 공급된 냉각제는 상기 저온 유지 장치 중 하나의 저온 유지 장치를 통하여 맞은편 단부까지 운반되고, 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)가 서로 연결되어 있는 맞은편 단부로부터 다른 하나의 저온 유지 장치를 통하여 다시 냉각 장치(7)로 운반되며,
- 상기 두 개의 저온 유지 장치(1, 2)는 각각 밸브(5, 6)를 통해 상기 냉각 장치(7)와 연결되고, 상기 저온 유지 장치의 맞은편 단부에서 두 개의 밸브(8, 9)를 통해 서로 연결되며, 정상 작동시 전체 밸브는 개방되어 있으며,
- 상기 파이프라인(3)은 저온 유지 장치(1, 2)에 대해 평행하게 배열되어 있으며, 정상 작동시 폐쇄되는 밸브를 통해 상기 저온 유지 장치(1, 2)의 밸브에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 방법.