KR20010032258A - 전력 유도 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 냉각 수단 (22) 에 의해 냉각되는 제 1 컨덕터 수단 (21) 을 포함하는 내부 제 1 전도 수단 (3) 을 가지며, 외부 제 1 전기 절연체 (4) 를 둘러싸는 제 1 케이블 (2); 내부 제 2 전도 수단 (6) 을 가지며, 외부 제 2 전기 절연체 (7) 를 둘러싸는 제 2 케이블 (5); 조인트 (8) 에서 제 2 전도 수단 (6) 의 일단부에 결합되는 제 1 전도 수단 (3) 의 일단부; 및 제 1 및 제 2 전도 수단 (3,6) 의 일단부들과 조인트 (8) 를 둘러싸는 폴리머 전기 절연 수단 (9) 을 포함하며, 각각의 케이블의 외부 전기 절연체 (4,7) 는 해당 내부 전도 수단의 일단부에 인접하여 이 내부 전도 수단의 일단부를 둘러싸지 않는 적어도 하나의 케이블 조인트 어셈블리를 포함한다. 제 1 전기 절연체는 반도체 재료의 내부 및 외부층과 절연 재료의 중간층을 포함한다.
또한, 본 발명은 전력 유도 장치내의 2 개의 전력 케이블을 함께 결합하는 방법에 관한 것이다.
Description
전력 유도 장치에 있어서, 통상의 실내 또는 주위 온도에서 작동하는 전기 컨덕터를 가지는 고압 전력 케이블을 함께 결합하는 것은 공지되어 있다. 이러한 공지된 케이블 조인트에 있어서, 전기 절연체가 밑에 놓인 전기 컨덕터를 드러내도록, 결합된 케이블 단부 영역에서 벗겨지는 것이 통상적이다. 다음으로, 이들 전기 컨덕터는 함께 결합되는데 예를 들면, 납땜되거나, 용접되거나 또는 기계적으로 결합되며, 이 함께 결합된 컨덕터들은 폴리머 재료에 의해 조인트에서 둘러싸인다. 폴리머 재료가 교차결합된 폴리머 테이프를 포함하는 이러한 조인트의 예는 US-A-4,084,307 호에 개시되어 있다. 그러나, 다른 공지된 조인트에 있어서, 폴리머 재료는 조립식 (prefabricated) 조인트, 또는 원위치에서 교차결합된 폴리머 재료의 자기 합금화하거나 압출 또는 테이핑된 층인 엘라스토머 테이핑 조인트 형태일 수 있다.
2 개의 냉각된, 예컨대 초전도, 케이블을 전력 유도 장치에서 함께 결합하는 것은, 극저온 냉각 유체용 도관을 함께 결합하는 것, 전도 수단, 예컨대 초전도 테이프 또는 쓰레드를 함께 결합하는 것, 및 조인트 주위에 전기 절연체를 구비하는 것을 필요로 하기 때문에, 종래의 비냉각 케이블을 함께 결합하는 것보다 더욱 복잡하다. 종래에는, 조인트를 둘러싸는 전기 절연체가, 기계적인 응력과 절연의 열화를 일으킬 수 있는 큰 열구배를 받지않도록 보장하는 것이 필요했다. 실제로, 종래의 전기 절연체는, 이 전기 절연체가 내부 냉각 컨덕터의 온도에 가깝도록 외부적으로 열적 절연이 되며 및/또는 이 전기 절연체가 극저온에 가깝게 냉각되지 않도록 자신과 내부 컨덕터 사이에서 내부적으로 열적 절연된다.
본 발명은 적어도 하나가 그 전기 전도성을 향상시키도록 사용시 저온으로 냉각되는, 예컨대 800 kV 이상까지 작동하는, 2 개의 고압 케이블을 함께 연결하는 적어도 하나의 조인트 어셈블리를 포함하는 전력 유도 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전적으로는 아니지만, 본 발명은 적어도 하나의 케이블 조인트 어셈블리가 초전도 전력 케이블, 바람직하게는 소위, 고온(high-Tc) 초전도(HTS) 전력 케이블을 다른 HTS 케이블 또는 다른 타입의 고전압 케이블에 함께 연결하는 전력 유도 장치에 관한 것이다. 전력 유도 장치는, 예컨대 고장 전류 제한기(fault current limiter), 변압기, 모터, 발전기 또는 SEMS 장치와 같은 자기에너지 저장장치를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 적어도 하나가 전기 전도성을 향상시키도록 사용시 낮은 온도로 냉각되는, 전력 유도 장치내의 2 개의 고전압 또는 전력 케이블을 함께 결합하는 방법에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 전력 유도 장치의 케이블 조인트 어셈블리의 개략단면도,
도 2 는 케이블 조인트 어셈블리의 고전압 전력 케이블의 개략 부분 확대단면도,
도 3 은 전력 유도 장치의 조인트 어셈블리의 2 개의 겹쳐진 초전도 쓰레드를 함께 결합시키는 것을 설명하는 개략단면도,
도 4 는 전력 유도 장치의 2 개의 전력 케이블을 함께 연결하는 조인트 어셈블리의 개략도, 및
도 5 는 도 4 의 조인트 어셈블리의 조인트의 부분의 확대상세도.
본 발명의 목적은, 적어도 하나가 그 전기 전도성을 향상시키도록 사용시 저온으로 냉각되는, 2 개의 고압 케이블을 함께 결합하기 위한 향상된 케이블 조인트 어셈블리를 전력 유도 장치에 제공하는 것이며, 이 전력 유도 장치에 이러한 2 개의 케이블을 함께 결합하는 향상된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 따라서,
제 1 컨덕터 수단과 이 제 1 컨덕터 수단의 전기 전도성을 향상시키도록 이 제 1 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 1 냉각 수단을 포함하는 내부 제 1 전도 수단을 가지며, 제 1 컨덕터 수단에 전기적으로 연결된 반도체 재료의 제 1 내부층, 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 길이를 따라 연결된 반도체 재료의 제 1 외부층, 및 상기 반도체 재료의 제 1 내부 및 외부층 사이에 고체의 전기 절연 재료의 제 1 중간층을 포함하는 외부 제 1 전기 절연체를 둘러싸는 제 1 케이블;
내부 제 2 전도 수단을 가지며, 외부 제 2 전기 절연체를 둘러싸는 제 2 케이블;
조인트에서 제 2 전도 수단의 일단부에 결합되는 제 1 전도 수단의 일단부; 및
상기 조인트와 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들을 둘러싸는 폴리머 전기 절연 수단을 포함하며,
각각의 케이블의 상기 외부 전기 절연체는 해당 내부 전도 수단의 상기 일단부에 인접하여 그 내부 전도 수단의 일단부를 둘러싸지 않는 적어도 하나의 케이블 조인트 어셈블리를 포함한다.
본원 명세서에서, ″반도체 재료″ 라 함은 전기 컨덕터보다 매우 낮은 전도성을 가지지만, 전기 절연체가 갖는 낮은 전도성을 갖지 않는 물질을 의미한다. 적절하게는, 전적으로는 아니지만, 반도체 재료는 1 내지 105Ωㆍcm, 바람직하게는 10 내지 500 Ωㆍcm, 가장 바람직하게는 10 내지 100 Ωㆍcm, 전형적으로는 약 20 Ωㆍcm 의 고유저항을 가진다.
편리하게는, 폴리머 전기 절연 수단은 전력 유도 장치내의 조인트 어셈블리 또는 조인트 어셈블리 각각과, 열적 절연을 방해함없이 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들을 둘러싸도록 배열된다. 따라서, 이러한 설계에서, 폴리머 전기 절연 수단은 사용시 극저온에서 또는 극저온에 인접하여 작동한다.
반도체 재료의 층은 폴리머 전기 절연 수단의 내부 및/또는 외부상에 구비될 수 있다.
폴리머의 전기 절연 수단은 조립식 폴리머 슬리브, 조인트 주위로 압출된 폴리머 돌출부, 또는 조인트 주위로 감겨진 폴리머 테이프를 포함할 수 있다. 폴리머 테이프 또는 압출된 층의 경우, 재료가 교차결합되거나, 조인트 주위로 도포 후에 열 및 압력에 의해 교차결합되는 교차결합제를 포함할 수 있다.
폴리머 전기 절연 수단용 폴리머 재료의 예는 저밀도 또는 고밀도 폴리에틸렌 (LDPE 또는 HDPE), 폴리프로필렌 (PP), 폴리부틸렌 (PB), 폴리메틸펜텐 (PMP), 에틸렌 (에틸) 아크릴레이트 폴리머, 교차결합된 폴리에틸렌 (XLPE) 과 같은 교차결합된 (또는 교차결합이 가능한) 재료, 또는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR) 또는 실리콘 고무와 같은 고무 절연체를 포함한다.
바람직하게는, 제 1 컨덕터 수단은 제 1 초전도 수단과, 사용시 이 제 1 초전도 수단을 초전도 온도로 냉각시키는 제 1 냉각 수단을 포함한다.
바람직하게는, 제 2 전도 수단은 제 2 컨덕터 수단과, 이 제 2 컨덕터 수단의 전기 전도성을 향상시키도록 제 2 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 2 냉각 수단을 포함한다. 편리하게는, 제 2 컨덕터 수단은 제 2 초전도 수단을 포함하며, 제 2 냉각 수단은 사용시 제 2 초전도 수단을 초전도 온도로 냉각시킨다.
편리하게는, 상기 냉각 수단 또는 상기 냉각 수단 각각은, 극저온 냉각 유체, 예컨대 액체 질소가 통과하는, 금속 또는 금속합금, 바람직하게는 높은 전기 저항율을 갖는 내부 튜브를 포함한다. 컨덕터 수단 또는 컨덕터 수단 각각이 초전도 수단을 포함하는 경우에, 초전도 수단은 해당 내부 튜브 주위를 나선형으로 감은 예컨대 테이프 또는 쓰레드의 형태로, 신장된 초전도 재료, 바람직하게는 HTS 재료를 포함한다. 제 1 및 제 2 컨덕터 수단 양자가 초전도 수단을 포함하면, 내부 튜브는 조인트에서 적절히 기계적으로 결합, 예컨대 용접되며, 제 1 및 제 2 초전도 수단의 신장된 반도체 재료의 단부 영역들 사이에서 전기접속이 행해진다. 나선형으로 감겨진 HTS 재료는 내부 튜브를 통과하는 냉각 유체에 의해 HTS 재료의 임계 온도 (Tc) 이하로 냉각된다.
통상적으로 세라믹 재료인 HTS 재료 의 다수의 상이한 타입들이 있다. 쓰레드 또는 테이프 형태의 신장된 HTS 재료의 전형적인 예는 실버로 외장된 BSCCO-2212 또는 BSCCO-2223 (여기서 숫자는 [Bi, Pb]2Sr2Ca2Cu3Ox 분자의 각각의 원소의 원자수를 나타낸다) 을 포함한다. BSCCO 쓰레드 또는 테이프는 파우더-인-튜브 (pit) 드로잉, 롤, 소결 및 롤 공정에 의해, 산화 초전도체의 미세 필라멘트를 실버 또는 실버 옥사이드 메트릭스내에 넣음으로써 만들어진다. 변경적으로, 쓰레드 또는 테이프는 표면 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 다른 경우, 산화물은 최종 공정 단계로서 용해되고 다시 고체화된다. TiBaCaCuO (TBCCO-1223) 과 YBaCuO (YBCO-123) 과 같은 다른 HTS 쓰레드 또는 테이프는 다양한 표면 코팅 또는 표면 침적기술에 의해 만들어진다. 각각이 외부 전기 전도, 예컨대 금속 (실버), 층을 가지는, 2 개의 HTS 쓰레드는 이 2 개의 쓰레드의 전도층들을 결합함으로써 함께 결합될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 이러한 HTS 쓰레드의 단부들은 겹칠 수 있으며, 실버 외부층들은 함께 납땜결합될 수 있다. 이 경우, 실버층들은 HTS 재료를 함께 연결하는 ″브리지″ 로서 작용한다.
바람직하게는, 제 2 전기 절연체는, 제 1 전기 절연체의 제 1 내부층, 제 1 외부층 및 제 1 중간층과 유사한 제 2 내부, 외부 및 중간층을 가진다.
중간층 또는 중간층 각각은 바람직하게는, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE), 폴리프로필렌 (PP) 과 같은 폴리머 재료, 교차결합된 폴리에틸렌 (XLPE) 과 같은 교차결합재료, 또는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR) 또는 실리콘 고무와 같은 고무 절연체를 포함한다. 제 1 전기 절연체의 반도체층 또는 폴리머 전기 절연 수단의 내부 및/또는 외부층은, 내부에 삽입된 예컨대 카본 블랙 또는 금속과 같은 높은 전기 전도 입자를 갖는 유사한 폴리머 재료로 형성된다. 절연 및 반도체층용 재료의 전형적인 예는 US-A-4,785,138 호에 개시되어 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 제 1 컨덕터 수단과 이 제 1 컨덕터 수단의 전기 전도성을 향상시키도록 이 제 1 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 1 냉각 수단을 포함하는 내부 제 1 전도 수단을 가지며, 이 제 1 컨덕터 수단에 전기적으로 연결된 반도체 재료의 제 1 내부층, 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 길이를 따라 연결된 반도체 재료의 제 1 외부층, 및 상기 반도체 재료의 제 1 내부 및 외부층 사이의 고체 전기 절연재료의 제 1 중간층을 포함하는 외부 제 1 전기 절연체를 둘러싸는 제 1 케이블과, 내부 제 2 전도 수단을 가지며 외부 제 2 전기 절연체를 둘러싸는 제 2 케이블을 전력 유도 장치에서 함께 결합하는 방법을 제공하며, 이 방법은 밑에 놓인 전도 수단을 드러내도록 각각의 케이블의 일단부에서 전기 절연체를 제거하는 단계, 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들을 함께 결합시켜, 전도 수단들이 조인트에서 끝과 끝을 이어서 함께 결합되는 단계, 및 조인트와 상기 내부 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들을 전기 절연 수단으로 둘러싸는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 일예로서 설명된다.
도 1 은 전력 유도 장치의 조인트 어셈블리 (1) 를 도시하고 있다. 이 조인트 어셈블리는 신장된 내부 초전도 수단 (3) 과 외부 전기 절연체 (4) 를 갖는 제 1 초전도 케이블 (2), 신장된 내부 초전도 수단 (6) 과 외부 전기 절연체 (7) 를 갖는 제 2 초전도 케이블 (5) 및 조인트 (8) 를 둘러싸는 폴리머 전기 절연체 (9) 를 포함하며, 상기 초전도 수단 (3,6) 은 조인트 (8) 에서 끝과 끝을 이어서 결합된다. 전기 절연체 (4,7) 의 단부는 조인트 (8) 의 어느 일측상에서 초전도 수단 (3,6) 의 단부를 드러내도록 제거된다. 예컨대, 제 1 초전도 케이블 (2) 은 이 유도 장치의 유도 와인딩을 형성할 수 있으며, 제 2 초전도 케이블 (5) 은 이 유도 장치에 연결된 입력 및 출력 단자를 포함할 수 있다. 변경적으로, 결합된 케이블들은 전력 유도 장치의 상기 와인딩의 부분들을 포함할 수 있다.
도 2 는 도 1 에 도시된 조인트 어셈블리 (1) 의 초전도 케이블 (2) 중 하나 ( 다른 케이블 (5) 은 실절적으로 유사한 형태이다) 를 도시하고 있다. 신장된 내부 초전도 수단 (3) 은 예컨대 구리, 고저항 금속 또는 합금과 같은 내부 금속, 지지 튜브 (21), 및 이 튜브 (21) 주위를 나선형으로 감으며 반도체, 예컨대 플라스틱, 재료의 층 (23) 내에 삽입되는 HTS 와이어 (22)를 포함한다. 전기 절연체 (4)는 층 (23) 으로부터 작은 방사상 공간 (24) 만큼 떨어져 이 층 (23) 의 외측에 배열된다. 이 전기 절연체 (4) 는 실질적으로 공간이 없으며, 내부 반도체층 (25), 외부 반도체층 (26), 및 이들 반도체층 사이에 끼워진 절연층 (27) 을 포함한다. 이 층들 (25 내지 27) 은 고체 재료로 형성되며, 바람직하게는 이들의 접촉면에서 서로 연결된 열가소성 재료들을 포함한다. 편리하게는, 이들 열가소성 재료는 유사한 열팽창 계수 (α) 를 가지며, 바람직하게는 내부 초전도 수단 (3) 주위로 함께 압출된다. 바람직하게는 이 층들 (25 내지 27) 은 단일 결정의 구조를 구비하여 전기 절연체의 접촉면에서 캐비티와 구멍들의 위험을 최소화하도록 함께 압출된다. 절연체내 및 접촉면에서 이러한 구멍들과 캐비티의 존재는, 높은 전기장의 세기로 전기 절연체내에서 코로나 방출을 일으킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
외부 반도체층 (26) 은 그 길이를 따라, 예컨대 그 길이를 따른 이격된 영역에서 제어된 전위에 연결된다. 대부분의 실제 응용에 있어서, 이 제어된 전위는 대지 또는 그라운드 전위이다. 접지점에 인접하여 이격된 특정 이격부는 층 (26) 의 저항률에 따른다.
반도체층 (26) 은 정전기 실드로서 작용하며, 또한 초전도 케이블의 전기장이 초전도층들 (25,26) 사이의 고체 절연체내에서 유지되도록 하는 접지된 외부층으로서 작용한다. 층 (26) 내의 유도 전압에 의해 야기되는 손실은 층 (26) 의 저항을 증가시킴으로써 감소된다. 그러나, 이 층 (26) 이 적어도 일정한 최소 두께, 예컨대 0.8 mm 정도이어야 하기 때문에, 저항은 상대적으로 높은 체적저항률을 갖도록 층의 재료를 선택함으로써만 증가될 수 있다. 그러나, 이 저항은 과도하게 증가되지 될 수 없으며, 그렇지 않으면 2 개의 인접한 접지점 사이의 중간의 층 (26) 의 전압은 코로나 방출을 일으키는 위험과 관련하여 너무 높아질 것이다.
방사상 공간 (24) 은 전기 절연체 (4) 와 내부 초전도 수단 (3) (금속 튜브 (21) 를 포함) 사이의 열팽창 계수 (α) 의 차를 보상하기 위해 팽창/수축 갭을 구비한다. 공간 (24) 은 빈 공간이거나, 또는 초전도체 및 절연 시스템 사이의 임의의 상대운동을 흡수하도록 폼(foam)으로 된 고압축성 재료를 결합할 수 있다. 폼 재료는, 만약 구비시에, 층들 (23,25) 사이의 전기 접촉을 보장하도록 반도체일 수 있다. 부가적으로 또는 변경적으로, 금속 와이어가 층들 (23,25) 사이의 필요한 전기 접촉을 보정하도록 구비될 수 있다.
HTS 와이어 (22) 는 튜브 (21) 를 통한 냉각 유체, 예컨대 액체 질소의 통과에 의해 극저온으로 냉각된다.
예를 통해, 층들 (23,25,26) 각각의 반도체 재료만이 예컨대, 에틸렌-프로필렌 코폴리머 고무 (EPRM) 또는 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무 (EPDM) 과 같은 베이스 폴리머와, 예컨대 이 베이스 폴리머에 삽입되는 카본 블랙의 입자들과 같은 고전기 전도 입자를 포함할 수 있다. 이들 반도체 층의 체적 저항률은 필요에 따라 베이스 폴리머에 첨가된 카본 블랙의 타입과 비율을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 다음은 체적 저항률을, 카본 블랙의 상이한 타입과 양을 이용하여 변화시킬 수 있는 방법의 일예를 나타낸다.
| 베이스 폴리머 | 카본 블랙 타입 | 카본 블랙양 (%) | 체적 저항률Ωㆍcm |
| 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머/니트리트 고무 | EC 카본 블랙 | -15 | 350-400 |
| 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머/니트리트 고무 | P-카본 블랙 | -37 | 70-10 |
| 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머/니트리트 고무 | 엑스트라 컨덕팅 카본 블랙, 타입-I | -35 | 40-50 |
| 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머/니트리트 고무 | 엑스트라 컨덕팅 카본 블랙, 타입-II | -33 | 30-60 |
| 부틸 결합 폴리에틸렌 | 엑스트라 컨덕팅 카본 블랙, 타입-II | -25 | 7-10 |
| 에틸렌 부틸 아크릴레이트 코폴리머 | 아세틸렌 카본 블랙 | -35 | 40-50 |
| 에틸렌 부틸 아크릴레이트 코폴리머 | P 카본 블랙 | -38 | 5-10 |
| 에틸렌 프로펜 고무 | 엑스트라 컨덕팅 카본 블랙 | -35 | 200-400 |
HTS 와이어 (22) 는 예컨대 실버 또는 실버 합금의 전기 전도 외부층 (21) 에 외장된 초전도 재료 (도 3 참조) 의 합금의 코어 (20) 를 적절히 포함할 수 있다. 이러한 HTS 와이어의 전형예는 실버로 외장된 BSCCO-2212 또는 BSCCO-2223 이다. 2 개의 이러한 HTS 와이어를 함께 결합하기 위해, 이들 와이어의 단부는 도 3 에 도시된 바와 같이 겹칠 수 있으며, 전도 외부층 (21) 은 납땜결합되거나 또는 다른 방식으로 함께 결합될 수 있다. 이 겹침부의 길이는 이 외부층들의 양호한 전기접촉을 제공하도록 충분하여야 한다. 내부 코어들 (20) 이 이들 전도 외부층 (21) 과 전기 접촉하기 때문에, 이 외부층은 내부 코어를 함께 전기적으로 연결하는 ″브리지″로서 작용한다.
폴리머 전기 절연체 (9) 는 도 1 에 개략적으로 도시되고 있다. 폴리머 절연체는 조립식 조인트 또는 슬리브, 자기 융합가능한 엘라스토머 테이핑 조인트 , 또는 원위치에서 교차결합된 폴리머 재료의 압출 또는 테이핑층의 형태일 수 있다. 폴리머 전기 절연 수단용 폴리머 재료의 예는 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE), 폴리프로필렌 (PP), 교차결합된 폴리에틸렌 (XLPE) 과 같은 교차결합된 (교차결합이 가능한) 재료, 또는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR) 또는 실리콘 고무와 같은 고무 절연체를 포함한다. 설명된 실시예에서는, 어떠한 절연체 및 저온유지장치도 절연체 (9) 와 내부 초전도 수단 사이에 위치되지 않는다. 초전도 재료의 층 (도시안됨) 은, 이 층(들)이 절연체 (9) 의 내부/외부 표면(들)의 전체 축선의 범위로 연장될 필요는 없다 할지라도, 절연체 (9) 의 내측 및/또는 외측에 구비될 수 있다. 초전도 내부층이 구비되면, 이 층은 초전도 수단 (6) 과 전기접촉할 것이다. 초전도 외부층이 구비되면, 이 층은 그 길이를 따라 제어된, 예컨대 대지 전위에 있을 것이다. 반도체 재료는 층 (23,25,26) 용으로 사용되는 것과 동일할 수 있다.
케이블 (2,5) 이 전체적으로 유사한 형상으로 도시된다 할지라도, 외부 전기 절연체 (4) 의 두께는 외부 전기 절연체 (7) 의 두께와 상이할 수 있다. 따라서, 예컨대 사용시 케이블 (2) 이 케이블 (5) 보다 더 높은 작동전압하에 있는 상태로, 함께 결합된 케이블들 (2,5) 이 변압기 와인딩의 적어도 부분을 형성하면, 절연체 (4) 는 절연체 (7) 보다 더 두꺼워질 수 있다. 함께 결합된 상이한 직경의 전력 케이블을 가진 각각의 와인딩을 구비함으로써, 그리고 상이한 와인딩들을 혼합함으로써, 와인딩들에 의해 점유되는 공간을 최적화할 수 있다.
2 개의 케이블 (2,5) 을 함께 결합시에, 결합되는 케이블의 단부에서는 전기 절연체 (4,7) 가 각각 벗겨진다. 다음으로, 내부 금속 지지 튜브는 함께 용접결합되며, HTS 와이어들은 함께 결합된다. 마침내, 폴리머 전기 절연체 (9) 는 조인트 (8) 와 지지 튜브의 노출된 단부들 주위로 적용된다.
도 4 및 도 5 는 전력 유도 장치내에서 고체 전기 절연재료 (40) 에 의해 전기 절연되는 접지된 비초전도 케이블 (38) 과 초전도 케이블 (31) 을 함께 연결하는 변경적인 조인트 어셈블리를 도시하고 있다. 초전도 케이블 (31) 은 냉각제 공급 및 리턴 덕트 (34,35) 를 서로 연통하는 상태로 가지는 전체적으로 U 자형 튜브를 형성하도록 케이블의 일단부 (33) 에서 리턴 밴드를 갖춘 중앙 튜브 (32) 를 가진다. 전도 스트랜드 (42) 를 갖는 신장된 초전도 와이어 또는 테이프의 형태로 된 초전도 수단은, 전도 스트랜드 (42) 가 케이블 (38) 의 전류 컨덕터(들) (37) 에 조인트 (36) 에서 결합, 예컨대 납땜결합되는 상태로, 중앙 튜브 (32) 주위로 감겨진다.
중앙 튜브 (32) 주위로 감겨진 초전도 와이어 또는 테이프는, 초전도 수단에 전기적으로 연결되는 반도체 재료의 내부층, 제어된 전위, 바람직하게는 대지 전위에 길이를 따라 연결되는 초전도 재료의 외부층, 및 전기 절연재료의 중간층을 포함하는 통상적으로 공간이 없는, 고체 절연재료 (39) 에 의해 전기 절연된다. 편리하게는, 전기 절연체의 이들 층은 유사한 재료, 예컨대 폴리머 재료이며, 도 2 를 참조하여 설명되는 전기 절연체 (7) 의 층들과 유사한 방식으로 형성된다. 전기 절연체 (40) 는 절연체 (39) 와 유사하며, 반도체 재료의 내부 및 외부층과 절연 재료의 중간층을 가질 수 있다. 케이블 (38) 의 컨덕터들은 내부 반도체층에 연결되며, 외부 반도체층은 그 길이를 따른 제어된 예컨대 대지 전위에 있다.
조인트 (36) 는 폴리머 전기 절연체 (41) 에 의해 둘러싸인다. 절연체 (41) 는 함께 납땜결합된 초전도 스트랜드 (42) 와 전류 컨덕터(들) (37) 를 둘러싸며, 절연재료 (39) 와 절연재료 (40) 양자를 겹친다.
중앙 튜브는 단부 (33) 에서 서로 연통하는 상태로 있는 극저온 유체용 공급 및 리턴 덕트을 구비하도록 내부 격벽에 의해 분리된 단일 튜브 (도시 안됨) 를 포함할 수 있다. 둘러싸는 초전도 와이어 또는 테이프가 나선 경로를 따라 냉각되도록, 지지 튜브 및/또는 나선과 같은 그 내부 격벽을 구성함으로써 냉각 효율은 약간 향상될 수 있다. 변경적으로, 지지 튜브는 한쌍의 동심의 튜브로서 설계될 수 있으며, 이 내부 튜브는 극저온 유체용 리턴 덕트로서 사용하며, 초전도 와이어 또는 테이프는 외부 튜브의 외부를 감으며, 내부 및 외부 튜브 사이에 환형 갭은 극저온 유체용 공급 덕트를 구비한다.
본 발명은 도 2 에 개시된 타입의 적어도 하나의 결합된 초전도 케이블 또는 케이블들을 가지는 전력 유도 장치에 한정되지 않는다. 사실, 본 발명에 따른 전력 유도 장치의 조인트 어셈블리 또는 조인트 어셈블리 각각은 극저온 온도에서 또는 극저온 온도에 인접하여 작동할 수 있는 폴리머 전기 절연체의 사용을 포함하는데 있다.
본 발명이, 적어도 하나가 사용시 초전도 온도로 냉각되는 초전도 특성을 갖는 전도 수단을 가지는 고전압 전력 케이블용 조인트를 가진 전력 유도 장치에 우선적으로 관계된다 할지라도, 본 발명은 또한, 고전압 전력 케이블들 중 적어도 하나가 낮은 작동온도, 바람직하게는 겨우 200 K 까지에서 향상된 전기 전도성을 가지지만, 적어도 의도된 낮은 작동온도에서 초전도 특성을 가지는 않는전력 케이블 조인트를 가진 전력 유도 장치를 포함하도록 된다. 이들의 더 높은 극저온에서, 액체 카본 디옥사이드는 전도 수단을 냉각하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전력 유도 장치의 조인트에 사용되는 전기 절연체는 매우 높은 전압 및 이 전압에 의해 발생할 수 있는 일련의 전기 및 열 하중을 처리할 수 있도록 된다. 예를 통해, 본 발명에 따른 전력 유도 장치는 수백 KVA 에서 1000 MVA 이상까지의 정격 전력과 3 - 4 kV 에서 400 - 800 kV 의 매우 높은 송전 전압까지의 정격 전압을 가지는 전력 변압기를 포함할 수 있다. 높은 작동 전압에서, 부분 방출 (또는 PD) 은 전력 유도 장치의 공지된 절연 시스템에 대한 심각한 문제를 발생시킨다. 캐비티 또는 구멍들이 절연체내에 존재하면, 내부 코로나 방출이 일어나게 되어, 이에 의해, 절연재료는 점차로 열화되어, 결국 절연체의 파손을 가져올 수 있다. 본 발명에 따른 전력 유도 장치의 케이블의 전기 절연체에 대한 전기 부하는, 이 절연체의 내부층이 실질적으로 내부 전도 수단과 동일한 전기 전위에 있으며, 이 절연체의 외부층이 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 있을 수 있게 함으로써 감소된다. 따라서, 내부 및 외부층 사이의 절연재료의 중간층내의 전기장은 이 중간층의 두께에 대해 실질적으로 균일하게 분포된다. 더욱이, 유사한 열 특성을 가지며 절연 재료의 층들에 결함이 거의 없는 재료들을 가짐으로써, 부분 방출 (PD) 의 가능성이 주어진 작동 전압에서 감소된다. 따라서, 전력 유도 장치의 조인트는 매우 높은 작동 전압, 전형적으로 800 kV 이상까지 견디도록 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 전력 유도 장치는, 예컨대 모터, 발전기, 변압기, SEMS 장치와 같은 에너지 저장장치, 또는 고장 전류 제한기를 포함할 수 있다.
전기 절연체가 제위치에서 압출되는 것이 바람직하다 할지라도, 필름 또는 쉬트 형상 재료의 기밀하게 감겨져 겹쳐진 층들로부터 전기 절연 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 반도체층과 전기 절연층 양자는 이러한 방식으로 형성될 수 있다. 절연 시스템은 카본 블랙 또는 금속 입자와 같이 첨가된 전도 입자를 갖는 예컨대 PP, PET, LDPE 또는 HDPE 의 얇은 폴리머 필름으로 만들어진 내부 및 외부 반도체층 또는 부분들, 및 이 반도체층들 또는 부분들 사이의 절연층 또는 부분을 갖는 완전 합성 필름으로 만들어질 수 있다.
겹침 개념에 대하여, 충분히 얇은 필름이 소위 파센 미니마 (Paschen minima) 보다 더 작은 갭과 맞닿는다. 또한, 건조하며 감겨진 다층의 얇은 필름 절연체는 양호한 열적 특성을 가지며, 전기 전도체로서 초전도 파이프와 결합될 수 있으며, 파이프를 통해 펌핑되는 액체 질소와 같은 냉각제를 가질 수 있다.
전기 절연 시스템의 다른 예는 종래의 셀룰로오스 베이스 케이블과 유사하며, 여기서, 얇은 셀룰로오스 베이스 또는 합성 페이퍼 또는 부직포 재료가 컨덕터 주위를 감싸서 겹쳐진다. 이 경우, 절연층의 어느 일 측상에서 반도체층들은 절연재료의 섬유들로 만들어진 셀룰로오스 페이퍼 또는 부직포 재료로, 전도 입자가 첨가된 상태로 만들어질 수 있다. 절연층은 상기의 베이스 재료로 만들어지거나 다른 재료로 만들어질 수 있다.
절연 시스템의 다른 예는 라미네이트로서 또는 공동 겹침으로서 필름과 섬유 절연재료를 결합함으로써 얻어진다. 이 절연 시스템의 예는 상업적으로 이용가능한 소위 페이퍼 폴리프로필렌 라미네이트 (PPLP) 이지만, 필름과 섬유부분의 여러 다른 조합들이 가능하다. 이들 다양한 시스템에 있어서, 광물유 또는 액체 질소와 같은 다양한 주입제들이 사용될 수 있다.
Claims (39)
- 제 1 컨덕터 수단 (21) 과 이 제 1 컨덕터 수단 (21) 의 전기 전도성을 향상시키도록 이 제 1 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 1 냉각 수단 (22) 을 포함하는 내부 제 1 전도 수단 (3)을 가지며, 제 1 컨덕터 수단에 전기적으로 연결되는 반도체 재료의 제 1 내부층, 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 길이를 따라 연결된 반도체 재료의 제 1 외부층, 및 상기 반도체 재료의 제 1 내부 및 외부층 사이의 고체 전기 절연 재료의 제 1 중간층을 포함하는 외부 제 1 전기 절연체 (4) 를 둘러싸는 제 1 케이블 (2);내부 제 2 전도 수단 (6) 을 가지며, 외부 전기 절연체 (7) 를 둘러싸는 제 2 케이블 (5);조인트 (8) 에서 제 2 전도 수단 (6) 의 일단부에 결합되는 제 1 전도 수단 (3) 의 일단부; 및상기 조인트 (8) 와 제 1 및 제 2 전도 수단 (3,6) 의 상기 단부들을 둘러싸는 폴리머 전기 절연 수단 (9) 을 포함하며;각각의 케이블의 상기 외부 전기 절연체 (4,7) 는 해당 내부 전도 수단의 일단부에 인접하여 이 내부 전도 수단의 상기 일단부를 둘러싸지 않는, 적어도 하나의 케이블 조인트 어셈블리 (1) 를 포함하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 열적 절연을 방해함없이 상기 조인트 (8) 와 제 1 및 제 2 전도 수단 (3,6) 의 상기 단부들을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 조립식 폴리머 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 조인트 (8) 주위로 압출되는 폴리머 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 조인트 주위로 감싸진 폴리머 테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 폴리머 테이프는 교차결합되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 절연 수단 (9) 의 내측으로, 반도체 재료의 층이 있는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 절연 수단 (9) 의 외측으로, 반도체 재료의 층이 있는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단은 저밀도 또는 고밀도 폴리에틸렌 (LDPE 또는 HDPE), 폴리부틸렌 (PB), 폴리메틸펜텐 (PMP), 에틸렌 (에틸) 아크릴레이트 폴리머, 교차결합된 재료 또는 고무 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 교차결합된 재료는 교차결합된 폴리에틸렌 (XLPE) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 고무 절연체는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR) 또는 실리콘 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 컨덕터 수단은 제 1 초전도 수단을 포함하며, 제 1 냉각 수단은, 사용시에 상기 제 1 초전도 수단을 초전도 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전도 수단은 제 2 컨덕터 수단과, 이 제 2 컨덕터 수단의 전기 전도성을 향상시키도록 상기 제 2 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 2 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 컨덕터 수단은 제 2 초전도 수단을 포함하며, 제 2 냉각 수단은, 사용시에 상기 제 2 초전도 수단을 초전도 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 수단 또는 상기 냉각 수단 각각은 극저온 냉각 유체 예컨대, 액체 질소가 통과하는 내부 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 12 항 또는 제 14 항을 따르는 제 15 항에 있어서, 상기 초전도 수단 또는 상기 초전도 수단 각각은 해당 내부 튜브 주위를 나선형으로 감은 신장된 초전도 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 14 항을 따르는 제 16 항에 있어서, 상기 2 개의 내부 튜브는 조인트에서 기계적으로 결합, 예컨대 용접결합되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전기 절연체 (7) 는 제 2 전도 수단에 전기적으로 연결되는 반도체 재료의 제 2 내부층, 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 길이를 따라 연결되는 반도체 재료의 제 2 외부층, 및 상기 반도체 재료의 제 2 내부 및 외부층 사이의 고체 전기 절연재료의 제 2 중간층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 재료는 1 내지 105Ωㆍcm, 바람직하게는 10 내지 500 Ωㆍcm, 가장 바람직하게는 50 내지 100 Ωㆍcm 의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층들 또는 상기 중간층들 각각은 폴리머 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체층 또는 반도체층 각각은 내부에 첨가되는 높은 전기 전도 입자, 예컨대 카본 블랙 또는 금속 입자를 가진 폴리머 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 상기 폴리머 재료는 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE), 폴리프로필렌 (PP), 예컨대 교차결합된 폴리에틸렌 (XLPE) 와 같은 교차결합된 재료, 또는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR) 또는 실리콘 고무와 같은 고무 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 적절하게는 10 kV 을 초과하며, 특히 36 kV 를 초과하며, 바람직하게는 72.5 kV 이상으로, 예컨대 400 kV 내지 800 kV 이상의 매우 높은 송전 전압까지의 고전압용으로 설계되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 0.5 MVA 를 초과하며, 바람직하게는 30 MVA 를 초과하며, 1000 MVA 까지의 전력 범위용으로 설계되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
- 전력 유도 장치에서, 제 1 컨덕터 수단 (22) 과, 이 제 1 컨덕터 수단 (22) 의 전기 전도성을 향상시키도록 이 제 1 컨덕터 수단을 냉각시키는 제 1 냉각 수단 (21) 을 포함하는 내부 제 1 컨덕터 수단 (3) 을 가지며, 이 제 1 컨덕터 수단에 전기적으로 연결되는 반도체 재료의 제 1 내부층, 제어된 전위, 예컨대 대지 전위에 길이를 따라 연결되는 반도체 재료의 제 1 외부층, 및 상기 반도체 재료의 제 1 내부 및 외부층 사이의 고체 전기 절연 재료의 제 1 중간층을 포함하는 외부 제 1 전기 절연체 (4) 를 둘러싸는 제 1 케이블 (2)과, 내부 제 2 전도 수단 (6) 을 가지며, 외부 제 2 전기 절연체 (7) 를 둘러싸는 제 2 케이블 (5) 을 함께 결합하는 방법으로서, 밑에 놓인 전도 수단 (3,6) 을 드러내도록 각각의 케이블 (2,5) 의 단부들에서 전기 절연체를 제거하는 단계, 제 1 및 제 2 전도 수단 (3,6) 의 상기 단부들을 함께 결합하여, 상기 전도 수단들이 조인트 (8) 에서 끝과 끝을 이어서 함께 결합되는 단계, 및 조인트와 내부 제 1 및 제 2 전도 수단 (3,6) 의 상기 단부들을 폴리머 전기 절연 수단 (9) 으로 둘러싸는 단계를 포함하는 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 조인트와 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들을 둘러싸는 조립식 슬리브로서 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 조인트와 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들 주위로 압출되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 폴리머 전기 절연 수단 (9) 은 조인트와 제 1 및 제 2 전도 수단의 상기 단부들 주위에 폴리머 테이프로서 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 테이프는 교차결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 28 항에 있어서, 상기 폴리머 테이프는, 이 테이프가 조인트와 제 1 및 제 2 전도 수단을 감싼 후에 열과 압력의 적용에 의해 교차결합되는 교차결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 절연 수단 (9) 은 반도체 재료의 내부층을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 절연 수단 (9) 은 반도체 재료의 외부층을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 컨덕터 수단은 초전도 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전도 수단은 초전도 수단과 이 초전도 수단을 초전도 온도로 냉각시키는 제 2 냉각 수단을 포함하는 제 2 컨덕터 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 33 항을 따르는 제 34 항에 있어서, 상기 냉각 수단 각각은 사용시 극저온 냉각 유체가 통과하는 내부 튜브를 포함하며, 상기 초전도 수단 각각은 해당 내부 튜브주위를 나선형으로 감은 신장된 초전도 재료를 포함하며, 그리고 상기 내부 튜브들은 끌과 끝을 이어서 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 35 항에 있어서, 상기 내부 튜브들은 용접결합에 의해, 끝과 끝을 이어서 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서, 상기 초전도 재료들은 금속, 예컨대 실버 또는 실버 합금 외장으로 외장된 산화 초전도 수단을 포함하며, 이 금속 외장은 예컨대, 납땜결합에 의해 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 유도 장치는 절절하게는 10 KV 를 초과하며, 특히 36 kV 를 초과하며, 그리고 바람직하게는 72.5 kV 이상에서 예컨대 400 kV 내지 800 kV 의 매우 높은 송전 전압까지의 고전압용으로 설계되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 유도 장치는 0.5 MVA 를 초과하며, 바람직하게는 30 MVA 를 초과하여, 1000 MVA 까지의 전력 범위용으로 설계되는 것을 특징으로 하는 전력 유도 장치.
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