KR19990039178A - 댐핑코일을 부착한 초전도 한류기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 댐핑코일을 부착한 초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter with Damping Coil)에 관한 것으로, 외부의 어떤 제어장치 없이 초전도체의 특성을 이용하여 스스로 사고전류를 감지하여 극히 짧은 시간에 작동하도록 하므로써 전력계통에서의 사고전류를 제한하도록 하는 것이다. 이와 같은 본 발명은 포화를 방지하기 위하여 보통철심에다가 댐핑코일을 부착한 공극(Air Gap)이 있는 래그를 추가하되, 보통철심의 래그에 1차권선과 단락된 초전도체를 설치하고 일반철심자로와 공극으로 지나가는 자로를 병렬로 연결한 것을 특징으로 한다.

Description

댐핑코일(Damping Coil)을 부착한 초전도 한류기

본 발명은 댐핑코일을 부착한 초전도 한류기에 관한 것으로, 외부의 어떠한 제어장치 없이 초전도체의 특성을 이용하여 스스로 사고전류를 감지하여 작동하도록 하므로써 전력계통에서의 사고전류를 제한하도록 하는 것이다.

일반적으로 알려진 초전도체는 전기저항 및 내부의 자계(자계장)을 "Zero"로 만드는 성질을 가지는 것으로 일정 전류가 흐를 경우에는 전기저항이 "Zero"가 되고, 일정전류 이상이 흐를 경우에는 초전도체가 파괴되어 자장을 형성하게 되며, 이에 따라서 임피던스가 높아져 흐르는 전류를 제한하게 된다. 이를 이용한 것이 초전류 한류기이다.

이와 같은 초전도 한류기는 어떠한 제어장치 없이 초전도 특성을 이용하여 스스로 사고전류를 감지하여 작동하는 것이 특특징으로서 이러한 감지는 초전도체의 동작 상태가 전해진 임계곡면(임계값 : 전류, 자기장(자계), 온도에 의해 정해짐)내에 있다가 그 곡변을 이탈하면(임계값 이상이 되면) 전기저항이 생기므로 전류를 제한할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 초전도 한류기를 전력계통에 도입할 경우 정상상태시에는 임피던스가 가능한 낮아야 하고, 사고시에는 사고전류를 제한할 수 있도록 임피던스가 높아야 한다.

종래 알려진 초전도 한류기는 공극이 없는 철심에 적용시키고 있으나, 자화곡선(B-H곡선)의 특성으로 인해 전류가 증가되면 자속의 증가가 거의 발생하지 않는 영역이 생긴다. 이때를 철심의 포화상태라 하는데, 철심에 설치한 초전도체가 가지는 임피던스(L)가 작아지고 자기저항이 커지므로 철심을 사용하는 의미(자속을 철심에 가두게 되는)가 없어진다. 즉, 공기보다 자기저항이 작아서 자속의 흐름이 철심으로만 흐르게 되는 것이다.

따라서, 인덕턴스(L)가 작아지는 것은 교류에서 임피던스가 작아진다는 것이고, 이것은 곧 전류를 증가시키게 되는 것이므로 사고전류를 적절하게 제한하지 못하는 문제점이 지적된다.

이와같은 문제점을 해소하기 위해서는 철심의 단면적을 높이거나 1차권선의 권선수를 증가시켜 인덕턴스(L)를 크게 하므로써 해소할 수는 있으나, 두가지 방법 모두 초전도체의 크기의 증가나 임계전류밀도의 증가와 같은 양질의 초전도체를 요구하게 되므로 바람직하지 못하다.

본 발명은 상기한 조래 초전도 한류기가 가지는 문제점을 해소하기 위하여 창출한 것으로, 초전도체의 크기의 증가나 임계전류밀도의 향상없이 한류효과를 증가시키도록 하기 위한 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명을 포화를 방지할 수 있는 공극(Air Gap)이 형성된 철심과, 상기 철심의 래그에 이중으로 설치한 1차권선(3)(초전도체 또는 초전도권선 또는 일반도체 또는 일반권선) 및 2차권선(2)(단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)과, 단락된 주자로와 공극이 포함된 자로를 1차권선 또는 단락된 초전도체에 대해 자기회로적으로 병렬 연결한 것을 특징으로 한다.

상기에 있어 1차권선 및 2차권선 (단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)는 공극이 포함되지 않은 래그에 위치케하거나, 1차권선 및 2차권선(단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)를 동일 래그에 위치케하거나 그렇지 않은 경우에도 본 발명의 범주내에 속하며, 동일 래그에 1차권선 및 2차권선(단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)를 위치시킬 경우 2차권선(단락된 초전도체)이 1차권선 안쪽에 위치하거나 바깥쪽 및 상, 하부쪽으로 분리시켜 위치시켜도 무방하다.

상기에 있어서 철심에는 공극을 형성하고, 단락된 자로와 공극자로가 병렬접속되도록 하는 철심 구조를 형성케 한다.

이와 같은 본 발명은 사고전류가 발생할시 1차권선의 전류가 증가하여 2차권선(단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)에 유도된 전류가 초전도체의 임계전류를 초과하게 되면 자기저항이 발생하게 되어 초전도체의 자속상쇄효과 또는 자기차폐효과가 없어지게 되므로 자속을 철심 측으로 통과시키게 되고, 이로인해 초전도체의 임피던스가 크게 증가하게 되므로써, 사고전류를 유효하게 제한할 수 있게 되며, 이때 자속이 철심의 최대자속 밀도에 도달할 경우 자기저항이 작은측인 공극측으로 자속을 흐르게 하여 포화시 급격한 임피던스의 감소를 방지하게 하므로써 한류효과를 크게 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

도 1은 초전도체의 자속 상쇄 효과를 설명하기 위한 성명도.

도 2는 본 발명의 초전도 한류기를 적용시킨 전력계통의 회로예시도.

도 3은 본 발명의 초전도 한류기 구성도.

도 4는 본 발명은 다른 초전도 한류기 구성도.

도 5는 본 발명의 또다른 초전도 한류기 구성도.

도 6은 본 발명의 또다른 초전도 한류기 구성도.

도 7은 본 발명의 또다른 초전도 한류기 구성도.

본 발명을 실시예인 도3-도7에 의해 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

도 3은 공극(A)를 가지는 철심(1)의 일측래그(1A)에 내측에는 2차권선(2)(단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)을, 외측에는 1차권선(3)을 각각 설치하되, 단락된 일반적인 자로(점선표시)(4)와 공극이 포함된 자로(전선표시)(5)를 상기 1차권선(3) 또는 단락된 초전도체(2)에 대해 자기회로적으로 병렬연결시켜 초전도 한류기(10)를 구성한다.

상기에 있어 1차권선(3)은 초전도체 또는 초전도권선 또는 일반적인 구리권선 어느것을 사용하여도 무방하며 초전도 한류기(10)가 설치된 회로를 보호하기 위하여 회로에 직렬 연결시킨다.

(도 2참조)

이와 같인 구서오딘 초전도 한류기(10)는 도 2에 도시한 바와 같이, 전력계통의 회로에 적용시켜 사고전류 유입시 외부의 어떠한 제어장치의 도움 없이도 스스로 사고전류를 감지하여 사고전류를 제한할 수 있게 되는 것으로 그 구체적 작용은 다음과 같다.

전류가 전력계통의 회로에 정상상태로 공급되고 있는 경우에는 도 1에 도시한 바와 같이 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)이 임계값 이내로 있다는 것이다. 즉, 외부에서 만들어준 자계(H)에 대해 상기 자계(H)를 없애려는 방향으로 전류가 발생하게 되므로 내부의 자계(-H)에 의해 자계는 거의 "0"이 된다. 따라서, 인덕턴스도 거의 "0"이 되어 전압강하가 거의 없게되고 전류의 흐름에 어떠한 방해도 주지 않게 된다.

그러므로 정상상태시에는 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)의 자속상쇄 효과 또는 자기차폐효과에 의해 철심(1)에 자속이 침입할 수 없게 되고, 이때의 임피던스는 단지 누설임피던스와 1차권선(3)에 의한 저항 뿐이어서 정상적으로 전력계통의 회로에 전류가 흐르게 된다.

만일, 사고전류가 흐를 경우에는 도 2의 부하저항이 0으로 되어 전류가 증가하게 되므로 1차권선(3)의 전류가 증가하게 되어 2차측 권선인 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)에 유도되고, 이에따라 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)의 임계값을 초과하여 저항이 발생되므로 도 1에서의 자계(-H)가 발생되지 않아 인덕턴스(L)는 증대되게 된다. 따라서 인덕턴스(L)의 증대에 의해 전압강하가 발생되게 되므로 사고전류를 제한할 수 있는 임피던스가 발생하여 사고전류를 별도의 제어장치 없이 초전도 특성을 이용하여 전류를 제한하는 스위칭 기능을 가지게 되는 것이다.

즉, 사고시에는 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)에 유도된 전류가 초전도체의 임계전류를 초과하여 초전도체가 가지는 자속상쇄 또는 자기 차폐효과가 없어지므로 자속이 철심(1)을 통과하게 되어 임피던스의 증대를 가져오게 되는 것이다.

이와같이 철심(1)을 통과한 자속이 철심(1)의 최대자속 밀도에 도달하면 자속은 단락된 자로(4)를 통하지 않고 공극(A)이 포함된 자로(5)를 통하게 된다.

이는 포화가 일어나는 시점에서 단락된 자로(4)측의 자기저항이 공극(A)이 포함된 자로(5)측 자기저항보다 커지게 되므로 자속은 공극(A)이 포함된 자로(5)측을 택하게 되는 것이다.

즉, 공극(A)이 포함된 철심(1)은 공극이 없는 철심보다 포화가 늦게 발생될 뿐아니라 높은 전류에서 포화가 일어나게 되므로 공극이 포함되지 않는 철심이 포화되지 않을 경우에는 자기저항(공극포함)>자기저항(공극 미포함)이 되고, 공극이 포함되지 않는 철심이 포화되었을 경우에는 자기저항(공극포함)<자기저항(공극 미포함)이 된다.

이와 같이 공극(A)이 포함된 자로(5)측으로 자속의 흐름을 이동케 하므로써 포화가 방지되고 이로인해 임피던스의 감소를 방지하게 되므로 사고전류를 더욱 수월하게 제한할 수 있게 되는 것이다.

[실시예2]

이 실시예는 도 4에서 도시한 바와 같이 철심(1)에 있어 공극(A)의 위치를 변경시킴과 동시에 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)와 1차권선(3)의 위치를 내, 외측으로 변경시킨 것으로 (실시예1)과 그 작용이 동일하므로 생략한다.

[실시예3]

이 실시예는 도 5에서 도시한 바와 같이 공극(A)이 있는 래그(1B)에 댐핑코일(6)(단락된 도체 또는 단락된 권선 또는 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)을 위치시켜 자속상쇄효과에 의해 포화가 발생되지 않도록 하는 것이다.

즉, 공극(A)이 있는 철심(1)이라 하더라도 자계의 세기가 커지게 되면 포화가 일어나기 마련인데, 상기 공극(A)부위의 래그(1B)에 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선 또는 단락된 일반도체 또는 단락된 일반권선(6)을 위치케 하므로써 댐핑코일(6)의 자속 상쇄효과에 의해 공극(A)내의 자속을 거의 "0"으로 유지시켜 주어 포화도 방지하고 충분한 양만큼의 자속을 통과시켜 전류 제한효과를 더욱 증진시킬수 있게 되는 것이다.

[실시예4]

이 실시예는 도 6에서 도시한 바와 같이 공극(a)이 있는 래그(1B)의 위치를 철심(1)일측으로 위치 이동시킴과 동시에, 상기 래그(1B)에 댐핑코일(6)를 위치시키고, 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)와 1차권선(3)의 위치를 내, 외로 변경시킨 것으로, 그 작용은 실시예 3과 동일하여 그 설명을 생략한다.

[실시예5]

이 실시예는 도 7에 도시한 바와 같이 1차권선(3)과 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)을 가운데 1A에 위치시키고 래그 1B에 댐핑코일(6)을 위치시킨 것으로 그 작용은 실시예 3과 동일하여 그 설명을 생략한다.

한편, 본 발명에 있어, 철심구조에 대하여 설명을 하면, 공극이 없는 철심일 경우에는 자화곡선(B-H) 상에서 포화가 빨리 일어나게 되나, 철심에 공극이 형성되면 단락된 자로와 공극자로가 병렬 연결되어 자화곡선 상에는 완만한 곡선을 이루게 되므로 포화가 늦게 일어나게 된다. 따라서 자화제어 범위를 크게 개선할 수 있게 되는 것이다. 여기서 병렬자로를 여러개 만들기 위해 공극의 크기나 이격(Gap)이 같거나 다른 여러개 공극을 만들고 이 공극에 댐핑코일을 선택적으로 또는 여러개를 붙여 여러가지 자화특성을 만들고 단락된 초전도체(권선)(2)도 여러개 구성할수도 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 포화를 방지할 수 있는 공극이 도입된 철심을 이용하여 단락된 자로와 공극이 포함된 자로를 1차권선(3)과 단락된 초전도체(2)에 대해 자기회로적으로 병렬연결하여 사고시 자속의 경로를 공극이 있는 자로측으로 변하게 하여 임피던스 증가에 따라 사고전류를 효과적으로 제한하게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 외부의 어떠한 제어장치의 도움 없이도 스스로 초전류 한류기가 사고전류를 감지하여 사고전류를 제한케 하므로써 복잡한 전자적 회로설계 및 이에따른 비용 등을 크게 절감케 하고 기존 전력 계통의 교체없이 전력 계통간을 적극적으로 연계하는 것이 가능하며 전력계통의 용량을 증가시킬 수 있어 전력 수요증가에 송쉽게 대처할 수 있는 특징이 있다.

특히, 본 발명은 포화가 일어나지 않도록 공극이 포함된 철심과 일반적인 자로를 병렬 연결하여 포화를 방지함과 동시에 공극이 포함된 철심에서의 포화를 방지하기 위해 댐핑코일(6)을 이용하여 자속상쇄 효과로 한류효과를 더욱 증가시킨 것이 특징이다.

Claims (2)

1. 포화를 방지할 수 있는 공극(A)이 형성된 철심(1)과, 상기 철심(1)의 래그(1A)에 이중으로 설치된 1차권선(초전도체 또는 초전도권선 또는 일반도체 또는 일반권선(3)과, 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)으로 구성하여 단락된 자로(4)와 공극이 포함된 자로(5)를 1차권선(3) 또는 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선(2)에 대해 자기회로적으로 병렬연결 하되 병렬 자기회로를 2개 이상 조합하기 위하여 공극을 한개 이상 조합하는 것을 특징으로 하는 댐핑코일(6)(단락된 일반도체 또는 단락된 일반권선 또는 단락된 초전도체 또는 단락된 초쩐도권선)을 부착한 초전도 한류기.
2. 제 1항에 있어서 1차권선(3)과 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도체권선(2)는 위치를 변경하여 내, 외측으로 하거나, 상, 하로 분리설치 또는 래그(1A)와 래그(1C)에 분리 설치토록 하고 공극(A)를 철심 1의 내측 또는 외측에 위치시키거나 또는 자기회로를 병렬로 여러개 만들기 위하여 공극(A)의 크기나 이격(Gap)이 같거나 서로 다른것을 여러개 조합하고 댐핑코일(6)(단락된 일반도체 또는 단락된 일반권선 또는 단락된 초전도체 또는 단락된 초전도권선)도 이 여러개의 공극수에 맞추어 여러개 또는 일부 또는 없는 경우도 조합 구성하여 여러가지 자화특성을 만드는 것을 특징으로 하는 댐핑코일을 부착한 초전도 한류기.