KR20040037867A - 초전도 선재를 이용한 고온초전도 케이블의 상변화 전압검출시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 DSP(Digital Signal Processer)와 OP-AMP를 이용하여 전력계통에서 고온 초전도 케이블에 과전류 통전시 발생되는 상변화를 조기에 검출함으로써 초전도체의 소손을 방지하고 케이블의 수명을 연장하는 고온 초전도 케이블 보호 방안이다.

본 발명에 따르면 고온 초전도 케이블의 상변화시 발생되는 미세 전압을 검출함으로써 케이블 소손을 방지하여 케이블을 성능 저하 없이 장시간 사용할 수 있다.

Description

초전도 선재를 이용한 고온초전도 케이블의 상변화 전압 검출 시스템{Voltage detecting system for quench protection of HTS cable using HTS tape}

본 발명은 고온 초전도 케이블의 상변화 전압을 검출하기 위한상변화(quench) 디텍터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력계통으로부터 고온 초전도 케이블에 과전류가 인가되었을 때 소손을 방지하기 위해 상변화 전압을 조기에 검출할 수 있는 초전도 선재를 이용한 고온 초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 고온 초전도 케이블의 주요 요소인 초전도 도체는 은(Ag)과 초전도 부분으로 나뉘며, 초전도체를 은(Ag)이 피복처럼 감싸고 있는 형태이다. 초전도 상태에서 전류는 초전도 부분을 지나지만 초전도체에 허용전류 이상의 전류가 흐르며 초전도체가 상전도체로 바뀌면서 은 피복으로 전류가 흐르게 된다. 이처럼 초전도에서 상전도로 바뀌는 것을 상변화(quench)라고 부르는데, 이때 은(Ag) 피복에 흐르는 전류와 미세한 저항 때문에 열이 발생하여 케이블에 손상을 입힌다.

즉, 고온 초전도 선재는 은 피복과 초전도체로 이루어져 있는데, 상변화가 발생되면 은 피복으로 전류가 흐르게 된다. 이때에 누적된 열에 의해서 은이 열화되어 케이블에 소손을 입히게 된다.

초전도 기기는 초전도체의 허용 전류에 대해 전기저항이 "zero"인 특성을 이용하는데 초전도체가 일정 저항값 이상을 가지게 되면 손상을 입게 된다.

즉, 초전도체의 전기저항이 "zero"값이 아닌 저항을 가지게 도면 열과 전압이 발생한다. 국부적으로 발생된 열이 전파되면서 기기 전체적으로 상전도 상태로 바뀌게 된다.

종래에는 상변화시 발생되는 열과 온도를 이용하여 상변화 전압을 검출하고자 하였다. 이러한 종래 방법은 상당부분 상변화 전압이 진행된 이후에 검출이 가능함으로써 기기(케이블)가 손상을 입는 문제점이 있었다.

따라서, 고온 초전도 케이블을 전력계통에 응용하기 위해서는 초전도 차체의 안정성 보장 측면에서 정확하고 빠른 상변화 디텍터의 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로서, 상변화 시점을 빠르게 파악하여 고온 초전도 케이블의 과전류 통전기 케이블의 손상을 방지하여 수명을 늘이고 보호하는 초전도 선재를 이용한 고온초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상변화 전압이 부분적으로 발생되면 미세한 전압이 발생하게 되는데 이를 검출함으로써 케이블의 상태를 파악하고자 한다.

기술적으로는, 발생된 전압을 독립된 초전도 선재를 통해서 검출 지점까지 전압을 U-턴시킨 뒤 계측증폭기를 이용하여 전압차를 검출, 이 신호를 아날로그 앰프에 의해서 증폭한 후 A/D(Analog to Noise Ratio)변환기로 디지털화하며 매 측정 때마다 메모리에 기억시킨다. SNR(Signal to Noise Ratio)개선을 위해 수만 번 반복하여 전체 측정 데이터를 가산 평균하면 랜덤노이즈(Random Noise)는 감소하며 평균화 처리한 데이터는 컴퓨터로 전송하여 최종적으로 데이터로 변환, 이때 받아들이는 신호는 양(+)의 값만 취하도록 되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 초전도 케이블의 바람직한 실시예를 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 고온 초전도 케이블 및 상변화(quench) 디텍터 회로도이다.

-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-

1 : 냉각용 저온조,2 : U-턴형 초전도 선재,

3 : 코어, 4 : 초전도 선재,

5 : 절연지,6 : 접합부,

7 : 계측증폭기,8 : 아날로그 증폭기,

9 : DSP,100 : 고온 초전도 케이블,

이하 본 발명은 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전압검출을 위한 U턴 형태의 고온초전도 케이블(100)의 바람직한 실시예를 나타낸 도면이고,

도 2는 도 1과 같은 고온 초전도 케이블의 상변화를 검출하기 위한 상변화 디텍터의 구성회로도이다.

본 발명은 고온 초전도 케이블(100)의 상변화 전압을 검출하는 시스템에 있어서, 전압검출을 위한 U-턴형 초전도 선재(2)와, 이 U- 턴형 초전도 선재(2)로 이루어진 고온 초전도 케이블(100)을 접합시키는 접합부(6), 상기 초전도 케이블(100)의 U-턴형 초전도 선재(2)로 전달된 전압차를 증폭하기 위한 계측 증폭기(7), 상기 계측증폭기(7)의 신호를 증폭하기 위한 아날로그 증폭기(8) 및, A/D 변환과 노이즈를 제거한 DSP(9)로 이루어져 있다.

본 발명에서 바람직하게는 초전도체 상변화시 발생된 전압을 감쇄 없이 보내기 위해서 전압 검출을 위한 U-턴형 초전도 선재(2)를 이용, 장거리 케이블 양단의 전압을 측정할 수 있다.

또한, 상기의 신호를 전압차를 만드는 계측 증폭기(7)와 아날로그 증 폭기(8)로 증폭한 뒤 A/D 컨버터가 냉작된 DSP(9)를 통하여 노이즈를 제거하고 원하는 출력을 얻고자 한다.

한편, 도 1에 따르면 코어(3)와 초전도 선재(4) 그리고 절연지(5)를 포함한 통전용 초전도 케이블 코어 외부에 전압 검출을 위한 U-턴 형태의 초전도 선재(2)가 감기는 구조로 이루어진다.

이때, 전압 검출을 위한 U-턴형 선재로는 초전도 선재를 사용하는데, 그 이유는 초전도 케이블의 길이가 200m정도 일 때 일반 구리선을 이용하게 되면 저항으로 인하여 전압 강하가 발생하게 된다. 그것을 방지하기 위하여 전기적 저항이 "zero"인 초전도 선재를 사용함으로써 손실 없는 장거리 전입신호 전송이 가능하다.

도 2는 앞서 설명한 바와 같이 도 1과 같은 고온 초전도 케이블의 상변화를 검출하기 위한 상변화 디텍터의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 2에 따르면 두개의 고온 초전도 케이블이 200m씩이고, 연결을 위해서 접속부(6)가 만들어지게 된다. 이때, 접속부에서 전압 신호를 검출하여 상변화 디텍터를 구성한다.

도 2에서 2개의 초전도 케이블(100)을 연결할 때 도 1에 나타난 전압 검출을 위한 U-턴형 초전도 선재(2)를 초전도 선재 한쪽에 연결하고 반대쪽은 연결하지 않는다. 다음, 두개 이상의 케이블을 접속하여 장거리 송전을 할 경우 통전용 초전도 선재는 연결을 하고 케이블 코어 외부에 위치한 전압 검출용 U-턴형 선재는 연결하지 않는다.

전압차 측정을 위해, 전압 검출을 위한 U-턴형 선재(2)로 이루어진 고온초전도 케이블(100)과 접속부(6)를 계측증폭기(7)의 입력단으로 이용한다. 이때, 계측 증폭기의 증폭률은 임의적으로 조절 할 수 있다.

계측 증폭기로 측정된 전압차를 DSP(9)에 넣게 전에 A/D변환의 분해능의 최대값 까지 증폭하기 위하여 아날로그 증폭기(8)를 이용한다. 이때, 증폭의 최대값은 상변화의 판단 범위로 정한다.

또한, 증폭된 신호를 DPS(9)의 A/D 컨버터에 연결시키는데 신호의 양(+)의 값만 취하여 A/D컨버터의 분해능을 최대한 활용할 수 있도록 조절한다.

DSP는 입력된 신호를 A/D변환기로 디지털화하여 한번 측정 때마다 메모리에 기억하고, SNR(Signal to Noise Ratio)개선을 위해 수만 번 반복하여 전체 측정 데이터를 가산 평균하면, 랜덤노이즈( Random Noise)는 감소하며 평균화 처리한 데이터는 컴퓨터로 전송하여 죄종적으로 데이터로 변환한다.

이러한, DSP의 작업 수행 전에 전류가 "ZERO"인 상태에서 10만회 정도가 가산 평균하면 노이즈가 제거된 OP-Amp의 오프셋(Offset)을 측정 할 수 있다. 측정도 오프셋을 최종적인 데이터에서 감산하면 정확한 전압 평균을 구할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 U-턴형 선재(2)를 구리(Cu) 내지는 은(Ag)을 사용하여 이루어진 구조로 되어 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 유사한 기술로 본 발명에 포함됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고온 초전도 케이블의 과전류 통전시에 있어서 열화로 인한 케이블의 소손을 미리 방지할 수 있는 조기경보 시스템을 구축하여 고온 초전도 케이블의 수명과 안정성을 높일 수 있다.

Claims (3)

1. 고온 초전도 케이블(100)의 상변화 전압을 검출하는 시스템에 있어서,

   전압검출을 위한 U-턴형 초전도 선재(2)와, 이 U-턴형 초전도 선재(2)로 이루어진 고온 초전도 케이블(100)을 접합시키는 접합부(6), 상기 초전도 케이블(100)의 U-턴형 초전도 선재(2)로 전달된 전압차를 증폭하기 위한 계측 증폭기(7), 상기 계측증폭기(7)의 신호를 증폭하기 위한 아날로그 증폭기(8) 및, A/D 변환과 노이즈를 제거한 DSP(9)로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 선재를 이용한 고온초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전압 검출을 위한 U-턴형 선재(2)는 구리(Cu)임을 특징으로 하는 고온 초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전압 검출을 위한 U-턴형 선재(2)는 은(Ag)임을 특징으로 하는 고온초전도 케이블의 상변화 전압 검출시스템.