KR102349708B1 - 초전도 한류기용 철심구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노심 손실을 최소화하고 비용을 절감하며 고장전류 제한 성능을 개선할 수 있도록 한 초전도 한류기용 철심구조체를 제안한다. 본 발명의 철심 구조체는, DC 전력시스템에 사용되는 포화 철심 초전도 한류기(SI-SFCL)의 철심 구조체로서, DC 그리드가 직접 연결되는 제1 림(first limb); 상기 제1 림(first limb)과 이격되며 DC 전류원이 연결되는 제2 림(second limb); 상기 제1 림(first limb)과 제2 림(second limb)의 상부와 하부를 연결하는 제1 요크(first yoke) 및 제2 요크(second yoke);를 포함하며, 상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는 복수 개의 단위 철심이 적층되어 형성된다. 그리고 상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크의 결합에 의해 폐심형(closed core type)을 이루며 단면은 원형이 되도록 설계된다. 또 상기 제1 림은, 포화 자기장이 낮은 실리콘강(silicon steel)으로 제조되며, 상기 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는, 상기 실리콘강(silicon steel)보다 포화 자기장이 높은 중탄소강(Medium carbon steel)으로 제조된다. 그리고 본 발명은 주관기관은 조선대학교 산학협력단, 참여기관은 창원대학교 산학협력단, 연구관리전문기관은 한국전력공사로서 2016. 01. 01 ~ 2020. 12. 31까지 실시한 연구용역사업(과제고유번호 R16XA01)에 따른 DC 그리드 초전도 응용 기반기술 개발(연구과제명)과 관련된 발명이다.

Description

초전도 한류기용 철심구조체{Core structure for SI-SFCL}

본 발명은 초전도 한류기에 관한 것으로, 특히 노심 손실을 최소화하고 비용을 절감하며 고장 전류 제한성능을 개선할 수 있도록 한 초전도 한류기용 철심구조체에 관한 것이다.

VSC-HVDC(Voltage Source Converter) 기반의 고전압 직류 전송은 턴-오프 제어가 가능한 전력 전자 장치를 갖춘 새로운 유형의 DC 전송 기술로, 스마트 그리드의 연구 및 개발과 신재생 에너지 생성의 핵심 기술 중 하나이다. 그러나 상기 VSC-HVDC 기반 시스템은 고장 발생시 매우 크고 빠른 상승속도를 가지는 DC 고장전류가 발생한다. 이러한 DC 고장전류는 컨버터 구성 요소와 보호 장치에 각종 손상을 초래하지만 이를 제거하기가 어렵다.

근래에 이러한 DC 고장전류를 억제하고 커패시터 전압 강하를 지연시키기 위해 초전도 고장 전류 제한기(초전도 한류기, SFCL)가 도입되었다. 상기 SFCL는 DC고장 전류의 크기를 감소시켜 DC 컨버터와 같은 설비를 효과적으로 보호하고 DC 회로 차단기의 차단시간과 용량에 마진을 줄 수 있어, 속도 및 용량 측면에서 DC 회로 차단기의 스트레스를 완화하며 상기 VSC-HVDC 시스템의 보호 체계 설계의 어려움을 줄일 수 있다.

상기 초전도 한류기는 여러 종류가 있으나 DC 전원 시스템에 적용 가능성이 확인된 타입은 저항형과 유도성 포화 철심형이 있다. 그 중 저항형 초전도 한류기는 quench 특성을 사용하는 방식으로 초전도 선재의 한계로 인해 저전압 DC 계통 시스템에 사용하는 것이 유리한 반면, 포화 철심형 초전도 한류기(SI-SFCL)는 초전도체의 재료적인 한계를 직접적으로 고려하지 않아도 되기 때문에 VSC-HVDC 시스템에 더 적합하다.

도 1은 일반적인 SI-SFCL의 기본 구성도이다. 도 1에서 보듯이 SI-SFCL(1)는 하나의 철심(10), DC 계통(DC grid)(22)과 직렬 연결된 1차 상전도 코일(20), DC 전류 소스(32)에 의해 공급되는 2차 초전도 코일(30)을 포함하여 구성된다.

이러한 구성에 따르면 정상 상태에서 1차 코일(20)은 2차측에서 생성된 자기장에 의한 철심(10)의 포화로 인해 DC 계통(22)에 공심 인덕터로 나타난다. 그러나 고장이 발생하면 고장 전류가 크게 증가하여 철심(10)이 비포화 상태가 되므로, 1차 코일(20)의 인덕턴스가 매우 짧은 시간 동안 정상상태에 비해 휠씬 커지고 고장 전류를 제한할 수 있게 된다. 즉 결함 크기를 제한할 수 있다.

이처럼 철심(10)은 SI-SFCL(1) 설계를 하는데 핵심 구성요소 중 하나이며, 이는 정상 상태에서 1차 코일(20)의 공심화뿐만 아니라 고장전류의 제한성능을 결정하기 때문이다.

그러나 고전압 환경에서 사용이 적합한 SI-SFCL(1)은 설계가 복잡하고 제작비용이 크다. 따라서 DC 전원 시스템에서 대한 SI-SFCL(1)을 설계할 때, 고장 전류 제한과 정상적인 전력 전송 요건을 고려한 후, SI-SFCL(1)은 철심 크기, 재료 유형 및 구조 설계에 의해 주로 결정되는 더 작은 치수와 더 적은 비용을 가지도록 해야 한다. 상기 SI-SFCL(1)의 고장 제한 특성은 대부분 자화 및 손실 등 철심 속성에 의존한다.

따라서 본 발명의 목적은 노심 손실을 최소화하고 비용을 절감하며 고장전류 제한 성능을 개선할 수 있도록 한 초전도 한류기용 철심구조체를 제공하는 것이다.

특히 본 발명은 철심구조체의 재질을 다르게 하여 상기한 목적을 충분히 제공할 수 있게 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, DC 전력시스템에 사용되는 포화 철심 초전도 한류기(SI-SFCL)의 철심 구조체로서, DC 그리드가 직접 연결되는 제1 림(first limb); 상기 제1 림(first limb)과 이격되며 DC 전류원이 연결되는 제2 림(second limb); 상기 제1 림(first limb)과 제2 림(second limb)의 상부와 하부를 연결하는 제1 요크(first yoke) 및 제2 요크(second yoke);를 포함하며, 상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는 복수 개의 단위 철심이 적층되어 형성되고, 상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크의 결합에 의해 폐심형(closed core type)을 이루면서 단면은 원형이 되도록 설계되고, 상기 제1 림은, 포화 자기장이 낮은 실리콘강(silicon steel)으로 제조되며, 상기 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는, 상기 실리콘강(silicon steel)보다 포화 자기장이 높은 중탄소강(Medium carbon steel)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기용 철심구조체를 제공한다.

상기 실리콘강(silicon steel)의 포화 자기장은 1.6T이고, 상기 중탄소강(Medium carbon steel)의 포화 자기장은 2T이다.

상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크의 단면이 원형이 되도록, 중앙에 위치한 단위 철심의 길이가 가장 길고, 좌우측 방향으로 위치되는 단위 철심들의 길이는 점점 짧아지게 배치된다.

이상과 같은 본 발명의 초전도 한류기용 철심구조체에 따르면, 2개의 림과 2개의 요크가 서로 결합하며, 림 및 요크는 각각 복수 개의 단위 철심이 적층되어 구성되는데, 이때 1차측 림은 전기적층 실리콘강으로 제조하고, 나머지 2차측 림 및 요크부분은 중탄소강으로 제조한다. 즉 서로 다른 재질을 혼합(mix-type)하여 철심구조체를 제조하였다. 이러한 구조에 따르면 1차측 포화도를 쉽게 제공받을 수 있으며, 고장 전류 제한 성능의 향상 및 노심손실이 최소화되는 효과를 기대할 수 있다.

또 본 발명에 따르면 림 및 요크는 복수 개의 단위 철심으로 적층 구성되면서 단면은 대략 원형에 가깝도록 설계되고 있어 초전도 코일의 전체 와이어 길이와 크기를 줄일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 일반적인 SI-SFCL 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기용 철심구조체 도면
도 3은 도 2의 분리도면
도 4는 본 발명의 철심구조체에서 서로 다른 재질이 적용된 부분을 나타낸 도면
도 5는 종래 철심구조체와 본 발명의 철심구조체의 고장전류 비교를 설명하는 그래프

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

포화 철심형 초전도 한류기(SI-SFCL)가 채용된 DC 전력 시스템에서 DC 선로에 단락 고장이 발생하면, 커패시터가 방전하며 축전된 에너지가 고장전류를 나타낸다. 그리고 이러한 고장전류는 상기 SI-SFCL의 1차측 코일을 통해 흐르며 자기장을 발생시켜 정상상태에서 포화되어 있는 철심을 불포화를 거쳐 역포화상태로 진행하게 된다. 이때 순간적으로 증가하는 인덕턴스로 인해 고장전류를 제한하게 된다. 이러한 고장전류 제한 과정에서 철심에서 발생하는 손실이 크면 상기 SI-SFCL의 고장제한 성능을 저하시키게 된다.

철심에서 발생하는 손실에 영향을 주는 요소는 재료, 크기 및 형상 등을 말할 수 있는데, 본 발명은 이러한 철심 구조체의 제조에 사용되는 재질을 특정하여 SI-SFCL의 성능을 향상시키기 위한 것이라 할 것이며, 이하 철심 구조체에 대하여 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기용 철심구조체의 도면, 도 3은 도 2의 분리도면이다. 본 발명의 철심 구조체(100)에 사용되는 철심은 재료의 포화 자기장 및 저항에 기초하여 히스테리시스 및 와전류 손실을 최소화할 수 있는 재질이 선택된다.

철심 구조체(100)는, 도면에서와 같이 세로방향의 2개의 림(Limb)(110, 120)과 가로방향의 2개의 요크(yoke)(130, 140)로 구성된다. 림은 좌측 림(제1 림)(110)과 우측 림(제2 림)(120)을 포함하며, 요크는 상단 요크(제1 요크)(130)와 하단 요크(제2 요크)(140)를 포함한다. 상기 좌측 림(110)과 우측 림(120)에 각각 1차 코일과 2차 코일(미도시)이 감기게 될 것이다. 그리고 상기 림보다 상기 요크가 더 길게 형성될 수 있다.

상기 좌측 림(110), 우측 림(120), 상단 요크(130) 및 하단 요크(140)는 와전류 손실을 감소시키기 위하여 각각 단위 철심이 적층구조(예를 들면 10개 층)로 구성될 수 있다. 또한 좌측 림(110), 우측 림(120), 상단 요크(130) 및 하단 요크(140)는 초전도 코일의 전체 와이어 길이뿐만 아니라 크기를 줄이기 위하여 결합 후 단면이 원형이 되도록 설계한다. 예를 들면 중앙에 위치한 단위 철심의 길이가 가장 길게 배치하고 그 단위 철심을 중심으로 좌우측 방향으로 위치되는 단위 철심들의 길이는 점점 짧아지게 배치하면 된다.

상기 좌측 림(110), 우측 림(120), 상단 요크(130) 및 하단 요크(140)에는 고정홀(112, 122, 132, 142)이 형성된다. 고정홀(112, 122, 132, 142)에는 비자화 성질을 가지는 비철이나 스테인리스 재질로 제조된 볼트와 같은 체결수단(미도시)이 삽입된다. 체결수단에 의해 좌측 림(110), 상단 요크(130), 우측 림(120), 하단 요크(140)가 서로 연결되어 하나의 철심 구조체를 완성하게 된다.

상기 철심 구조체(100)는 사방이 막힌 폐심형(close-core) 타입이며, 도시하지 않은 1차 코일과 2차 코일은 좌측 요크(110) 및 우측 요크(120)에 감기게 된다. 그리고 1차 코일은 DC 계통과 직렬로 연결되고, 2차 코일은 DC 전류 소스와 연결된다.

본 발명의 철심 구조체(100)는 앞서 언급하고 있는 바와 같이 크게 림 부분(110, 120)과 요크 부분(130, 140)의 두 부분으로 구분할 수 있고, 각 부분의 재질을 다르게 특정하였다. 즉 SI-SFCL의 작동 특성을 기반으로 핵심 소재를 선택한 것이다.

철심 구조체(100)의 주요 부분은 1차 코일이 있는 1차측이다. 정상 상태에서는 1차측이 포화상태를 유지해야 하며, 노심 손실을 최소화해야 하고, 1차측의 자성이 SI-SFCL의 고장 전류 제한 성능에 중요한 영향을 미친다. 또 1차측은 코어 손실이나 와전류 손실과도 관련이 있다.

따라서 철심 구조체(100)의 1차측은 노심 손실이 적고 투과성이 높으며 포화 자기장(약 1.6T)이 낮은 재질을 가지는 전기 적층 실리콘강(Silicon steel)을 선택하여 제조하였다. 즉 1차측 림 부분(110)만 실리콘강으로 제조된다. 상기 실리콘 강은 비교적 얇은 철판을 적층하는 구조로 생산할 수 있기 때문에 고장 전류로 인해 발생하는 와전류 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 이처럼 1차측 림 부분(110)만 실리콘강으로 제조한 이유는, 실리콘강으로 철심 전체를 제조하는 것은 쉽지 않고 비용도 많이 들기 때문이다.

그리고 상기 1차측 림 부분(110)을 제외한 철심 구조체의 나머지 부분, 즉 2차측 림 부분(120), 상단 요크(130) 및 하단 요크(140)은 상기 실리콘강 대비 비용이 저렴한 중탄소강(Medium carbon steel)으로 제조한다. 이의 예는 도 4에 도시하였다. 여기서 상기 중탄소강은 높은 포화 자기장(약 2T)을 가지고 있어 2차측에서 더 많은 자속을 유도할 수 있고, 정상 운전시 1차측을 포화시키기 쉽다. 여기서 상기 중탄소강의 높은 코어 손실은 1차측에 집중되기 때문에 결함 제한에 영향을 미치지 않게 된다.

이와 같이 하나의 철심구조체(100)를 둘 이상의 재질을 혼합하여 제조하더라도 기존 대비 성능이 저하되지 않음을 확인할 수 있고 도 5를 참조한다.

도 5는 종래 철심구조체와 본 발명의 철심구조체의 고장전류 비교를 설명하는 그래프이다. 도 5의 그래프에서 본 발명의 철심 구조체는 실리콘강과 중탄소강이 혼합된(Mix-typed core) 라인을 나타낸다. 이를 보면 시간에 따른 고장 전류값이 기존의 실리콘강으로 제조한 철심 구조체와 비교하더라도 성능이 저하되지 않고 거의 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 종래 실리콘강으로 제조하지 않아도 성능면에서 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 비용을 절감하면서 용이하게 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있게 된다.

또한 기존에 철심구조체를 탄소강(carbon steel)만으로 제조했을 때 고장전류를 제한하지 못하는 문제도 함께 해결할 수 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 2개의 림과 2개의 요크가 서로 결합하는 철심 구조체에서 1차 코일이 위치하는 1차측만 실리콘강으로 제조하고 나머지 부분은 중탄소강재로 제조하여, 노심손실의 최소화 및 제조비용 절감, 그리고 고장 전류 제한 성능도 개선하고 있음을 알 수 있다. 또 림과 요크를 복수 개의 단위 철심으로적층하면서 단면은 대략 원형에 가깝도록 설계하여 철심 구조체의 전체 크기를 줄이고 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 철심 구조체
110: 좌측 림(제1 림)
120: 우측 림(제2 림)
130: 상단 요크(제1 요크)
140: 하단 요크(제2 요크)
112, 122, 132, 142: 고정홀

Claims (3)

1. DC 전력시스템에 사용되는 포화 철심 초전도 한류기(SI-SFCL)의 철심 구조체로서,
   DC 그리드가 직접 연결되는 제1 림(first limb);
   상기 제1 림(first limb)과 이격되며 DC 전류원이 연결되는 제2 림(second limb);
   상기 제1 림(first limb)과 제2 림(second limb)의 상부와 하부를 연결하는 제1 요크(first yoke) 및 제2 요크(second yoke);를 포함하며,
   상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는 복수 개의 단위 철심이 적층되어 형성되고,
   상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크의 결합에 의해 폐심형(closed core type)을 이루면서 단면은 원형이 되도록 설계되고,
   상기 제1 림은, 포화 자기장이 낮은 실리콘강(silicon steel)으로 제조되며,
   상기 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크는, 상기 실리콘강(silicon steel)보다 포화 자기장이 높은 중탄소강(Medium carbon steel)으로 제조되고,
   상기 실리콘강(silicon steel)의 포화 자기장은 1.6T이고,
   상기 중탄소강(Medium carbon steel)의 포화 자기장은 2T인 것을 특징으로 하는 초전도 한류기용 철심구조체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 림, 제2 림, 제1 요크 및 제2 요크의 단면이 원형이 되도록, 중앙에 위치한 단위 철심의 길이가 가장 길고, 좌우측 방향으로 위치되는 단위 철심들의 길이는 점점 짧아지게 배치되는 초전도 한류기용 철심구조체.

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