KR20040045394A - 초전도 케이블 및 초전도 케이블 선로 - Google Patents

초전도 케이블 및 초전도 케이블 선로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초전도 케이블은 초전도선으로 구성되는 제 1 도체층과, 제 1 도체층의 바깥 측에 형성되는 절연층을 구비하는 초전도 케이블로, 제 1 도체층은 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 초전도 케이블이고, 제 1 도체층의 전류가 경계 전류를 넘은 경우에 저항을 발생시킴으로써 한류하여, 초전도 케이블의 손상을 억제한다. 기부와 이 초전도 케이블을 사용한 한류부로 이루어지는 초전도 케이블선으로 함으로써, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에, 전류를 감쇠시킬 수 있다.

Description

초전도 케이블 및 초전도 케이블 선로{Superconducting cable and superconducting cable line}
고온 초전도 케이블은 대용량의 전기를 공급하는 케이블로서 기대받고 있다. 특히 한정된 도시 공간에서는, 새로운 케이블 부설을 위한 통로(관로라 부른다)를 확보하는 것은 곤란하며, 설령 물리적으로 가능하더라도 토목 건설비가 팽대해져 비용적으로 성립하지 않는다.
이것을 해결하기 위해, 종래의 CV 케이블과 동등한 크기(콤팩트)로, 수배의 전류가 공급 가능한 고온 초전도 케이블 개발이 진행시켜지고 있다. 현재까지, Bi계 은 피복 테이프 선재를 사용하여, 이것을 포머(former) 상에 다층으로 감고, 더욱이 절연층과 쉴드(shield)층을 갖는 구성으로, 3심 일괄형 케이블로서, 이것을 길이가 긴 단열관에 삽입하여, 그 속에 액체 질소 등의 냉매를 공급하는 케이블 시스템의 프로트 타이프가 제작되고 있다.
종래의 땅 속에 매립하는 타이프의 CV 케이블에는 천둥이나 재해 등에 의해 생기는 단락 전류 대책이 실시되어 왔다. 고온 초전도 케이블에 있어서도, 이 단락 전류 대책은 실용상 필수인 요소 기술이다. 지금까지는, ① 포머를 구리로 구성하여 단락 전류를 이것에 흘리는 방법, 혹은 ② 고온 초전도 케이블 코어의 통전 용량을 통상의 운전 시보다 훨씬 크게 하여, 단락 전류가 생기더라도 케이블 코어 손상을 방지하는 수법이 검토되고 있다. 그 밖에, ③ 한류기라 부르는 초전도 기기를 고온 초전도 케이블에 접속하여 단락 전류를 억제함과 동시에, 고온 초전도 케이블을 보호하는 것도 검토되고 있다.
그러나, 포머로 단락 전류를 분류시키는 방법은 포머의 단면적이 커져 고온 초전도 케이블의 특징인 콤팩트성을 잃게 한다.
또한, 고온 초전도 케이블 코어의 통전 용량을 통상의 운전 시보다 훨씬 크게 하는 방법은 케이블의 비용 상승으로 이어진다.
더욱이, 한류기의 개발은 검토가 이제 시작되어, 케이블 계통의 66kV 혹은 그 상위 계통인 275kV에 적용할 수 있는 고전압 시스템 개발에는 재료나 시스템면에서의 각종 과제가 있다.
본 발명은 초전도 케이블과, 그 케이블을 사용한 선로에 관한 것이다. 특히, 단락 전류 등의 이상 전류가 발생하여도 케이블 손상을 억제할 수 있는 고온 초전도 케이블과, 그 케이블을 사용한 초전도 케이블 선로에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 횡단면도.
도 2는 본 발명의 초전도 케이블 선로의 개략 구성도.
따라서, 본 발명의 주목적은 초전도 도체의 경계 전류를 넘은 경우에 저항을 발생시킴으로써 전류를 감쇠시킬 수 있는 한류 기능을 가진 초전도 케이블과, 그케이블을 사용한 초전도 케이블 선로를 제공하는 것이다.
본 발명은 담금질(quench) 시의 고저항 발생이 가능한 Re(희토류 원소)계 초전도 선재를 사용함으로써 상기 목적을 달성한다.
즉, 본 발명의 초전도 케이블은 초전도선으로 구성되는 제 1 도체층과, 제 1 도체층의 바깥 측에 형성되는 절연층을 구비하는 초전도 케이블로, 상기 제 1 도체층은 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 초전도-상전도 전위하였을 때의 발생 저항을 높게 설정할 수 있는 Re계 초전도 선재를 사용함으로써, 단락 전류가 발생한 경우에 초전도 선재를 고저항체로 하여, 전류량을 제한하여 케이블을 손상으로부터 보호할 수 있다.
본 발명의 초전도 케이블의 기본 구성은 내측부터 순서대로 포머, 제 1 도체층, 절연층을 구비한다. 더욱이, 절연층의 바깥 측에 제 2 도체층, 보호층을 순서대로 설치하여도 된다. 이러한 구성의 케이블이면, 테이프형의 Bi계 은 피복 초전도 선재를 사용한 다층형 케이블 초전도 도체와 유사한 구성이 된다. 그 때문에, 고전압화나 Bi계 다층형 초전도 케이블과의 접속도 용이하게 행할 수 있다.
제 1 도체층은 통상의 통전에 사용하고, 제 2 도체층은 쉴드층으로서 이용하는 것이 적합하다.
제 1 및 제 2 도체층에는 초전도체로서 Re계 초전도체를 사용한다. Re(희토류 원소)계 초전도체는 희토류계 초전도체인 것으로, 일반적으로 Re-Ba-Cu-O로 구성된다. Re(희토류 원소)에는 Y, Nd, Sm, Pr, Ho, Eu, Gd 등이 사용된다. 보다구체적으로는, YBa2Cu3Ox, Y2BaCuOx, NdBa2Cu3Ox, Nd4Ba2Cu2Ox, SmBa2Cu3Ox, Sm2BaCuOx, PrBa2Cu3Ox, Pr2BaCuOx, HoBa2Cu3Ox 등을 들 수 있다.
Re계 초전도 선재는 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 테이프형의 초전도 선재가 적합하다. 금속 기판에는 스테인리스 등을 이용할 수 있다. Re계 초전도층의 성막은 CVD법이나 PVD법을 이용하여 행한다. 더욱이, 금속 기판과 Re계 초전도층 사이에 중간층을 형성하여도 된다. 중간층의 재료로서는, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)가 적합하다.
제 1 도체층은 포머 상에 나선형 권취하거나 세로형 권취(longitude lapping)하여 형성한다. 또한, 제 2 도체층도 절연층 상에 나선형 권취하거나 세로형 권취하여 형성한다. 제 1 및 제 2 도체층은 각각 다층으로 형성하여도 된다. 그 경우, 자기 인덕턴스가 작아지도록 이들 복수의 초전도층이 비유도적으로 감기는 것이 적합하다. 예를 들면, 초전도선의 나선 피치를 조정하거나, 각 층에서 권취 방향을 교대로 반대로 함으로써 자기 인덕턴스를 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 초전도 케이블 선로는 기부와, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에 전류를 감쇠시키는 한류부를 가지고, 이 한류부가 상술한 본 발명의 초전도 케이블로 구성되는 것을 특징으로 한다.
선로를 기부와 한류부로 나누어, 한류부에 본 발명의 초전도 케이블을 이용함으로써, 길이가 짧은 Re계 초전도선을 이용하여, 단락 전류를 감쇠시킬 수 있는 한류 기능을 가진 케이블 선로를 실현할 수 있다.
한류부의 길이는 단락 전류를 억제하기 위해 필요한 저항과 인덕턴스 발생이 생기는 길이면 된다. 따라서, 기부를 긴 길이로 하고, 한류부를 짧은 길이로 하면, 현재의 1m에서 최대 10m급의 짧은 길이 Re계 초전도 선재라도, 단락 전류 억제의 한류 기능을 구비한 초전도 케이블 선로 실현이 가능하다. 한류부는 기부의 단말 또는 중간 접속부에 설치하는 구성의 선로를 생각할 수 있다.
기부에 사용하는 초전도선은 Re계 초전도체 이외의 초전도체로 구성되는 것이 적합하다. Re계 초전도체 이외의 초전도체로서는, Bi-Sr-Ca-O계, Bi-Pb-Sr-Ca-O계, Tl-Ba-Ca-Cu-O계, Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O계 등을 사용한다. 특히 Bi-Sr-Cu-O계, Bi-Pb-Sr-Cu-O계 이용이 바람직하다.
예를 들면, km급의 길이가 긴 Bi계 은 피복 테이프 선재를 사용한 고온 초전도 케이블의 단말부 일부에 본 발명의 Re계 초전도 케이블을 접속함으로써, 대규모의 고온 초전도 케이블 시스템을 제작할 수 있다. 또한, 현재의 한류기에 있어서의 큰 과제 중 하나인 고 전압 대책이 케이블과 같은 구성이기 때문에 용이하여, 66kV 계통에서 사용되는 한류기의 시스템화가 간편해진다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
(실시예 1)
우선, 도 1에 근거하여, 본 발명의 초전도 케이블 구성을 설명한다.
(전체 구성)
본 발명의 초전도 케이블(1)은 단열관(8) 내에 케이블 코어(2)가 수납된 구성이다. 케이블 코어(2)는 내측부터 순서대로 포머(3), 제 1 도체층(4), 절연층(5)을 구비한다. 더욱이, 절연층(5)의 바깥 측에 제 2 도체층(6), 보호층(7)을 순서대로 설치하여도 된다. 또한, 여기서는 3심 일괄 케이블을 도시하고 있지만, 단심 케이블이어도 된다.
(포머)
케이블 코어(2)의 가장 내부인 포머(3)는 알루미늄, 구리, 스테인리스 등의 파이프가 이용된다. 그 밖에, 케이블의 기계적 특성을 고려하여 가는 구리선 등의 금속선을 꽈 합친 것이어도 된다. 전자의 경우, 포머 내부(I)를 냉매 유로로서 이용할 수 있다. 또한, 가는 구리선을 사용할 경우, 와류 전류 손실을 저감시키기 위해, 각 구리선에 절연 피복을 실시하는 것이 바람직하다.
(제 1·제 2 도체층)
제 1·제 2 도체층(4, 6)에는 초전도체로서 Re계 초전도체를 사용한다. 초전도선은 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 테이프형 초전도선이 적합하다. 제 1 도체층은 포머 상에 나선형 권취나 세로형 권취 하여 형성된다. 또한, 제 2 도체층은 절연층 상에 나선형 권취하거나 세로형 권취하여 형성된다. 여기서는, 제 1 도체층(4)을 케이블 도체로서, 제 2 도체층(6)을 쉴드층으로서 사용한다. 더욱이, 제 2 도체층(6) 상에 보호층(7)을 설치하여도 된다.
(절연층)
절연층(5)은 권회한 절연 재료에 냉매를 침지시키는 구조이다. 절연 재료에는, 예를 들면, 크래프트지 등의 절연지 또는 폴리프로필렌 필름 중 적어도 한쪽 면에 크래프트지를 접합한 PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 등의 반 합성지, 혹은 폴리에틸렌 필름이나 폴리프로필렌 필름 등의 합성지를 이용할 수 있다. 냉매는 액체 헬륨이나 액체 질소 등을 사용한다.
(단열관)
단열관(8)은 충분한 단열 성능을 갖는 것이면 구성은 상관 없지만, 일반적으로 콜 게이트형의 내관·외관에 의한 2중 구조인 것이 이용된다. 양 관 사이는 슈퍼인슐레이션(superinsulation) 등의 단열재가 배치되어 진공 상태로 보존된 단열층으로 구성된다. 단열관(8) 내와 각 코어(2) 사이에 형성되는 공간(0)은 냉매 유로가 된다.
(방식층)
더욱이, 단열관(8) 보호를 위해 방식층(도시하지 않음)을 형성하여도 된다. 예를 들면, 폴리염화비닐(PVC) 등을 단열관 표면에 피복하여 구성한다.
(실시예 2)
내경 20mmΦ, 외경 24mmΦ, 길이 2m의 스테인리스 파이프 상에 폭 5mm, 두께 약 0.1mm의 YBa2Cu3Ox(YBCO) 초전도 테이프 선재를 10개 스파이럴형으로 피치 300mm로 권취하여, 1층의 Y계 초전도 케이블 도체를 제작하였다. 초전도 테이프 선재는 폭 5mm, 두께 0.1mm인 스테인리스 기판 상에 1㎛의 YSZ 중간층을 개재시켜 2㎛의 YBCO 초전도층을 성막하고, 표면을 5㎛인 은으로 보호한 구성으로, 액체 질소 중의 경계 전류는 약 40A이다. 초전도 케이블 도체의 각 단말로부터 30cm에 있어서의 각 층은 땜납으로 일체화하여, 전류를 흘리기 위한 구리 리드선을 붙였다.
이 도체를 액체 질소에 침지시켜 직류의 통전 시험을 한 바, 1μV/cm의 저항 발생에서 정의한 경계 전류는 400A이었다.
비교예로서, 동일한 스테인리스 파이프 상에 폭 4mm, 두께 약 0.3mm인 Bi계 은 피복 초전도 테이프 선재를 10개 스파이럴형으로 피치 300mm로 권취하여, 1층의 Bi계 초전도 케이블 도체를 제작하였다. 이 Bi계 은 피복 초전도 테이프 선재는 폭 4mm, 두께 0.3mm 두께의 은 모재 중에 약 30㎛ 폭의 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox 초전도층이 61개 매입된 구성으로, 액체 질소 중의 경계 전류는 약 50A이다. 초전도 케이블도체의 각 단말로부터 30cm에 있어서의 각 층은 땜납으로 일체화하여, 전류를 흘리기 위한 구리 리드선을 붙였다.
이 도체를 액체 질소에 침지시켜 직류의 통전 시험을 한 바, 1μV/cm의 저항 발생에서 정의한 경계 전류는 500A이었다.
이들 실시예, 비교예의 2개의 도체를 별도로 교류 전원에 접속하여, 도체에 경계 전류 10배까지의 교류 전류를 통전하여 전류-전압 특성을 측정하였다. 그 결과, 실시예의 Y계 초전도 케이블 도체에서는, 교류 전류가 1000A 이상이 되면 도체의 담금질에 의한 저항 발생에 의해 전류가 억제되어, 1500A 이상의 전류가 흐르는 일은 없어, 한류 기능을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예의 Bi계 초전도 케이블 도체에서는, 초전도 테이프 선재의 모재인 은의 저항이 낮기 때문에, 5000A에 있어서도 교류 전류 통전이 확인되어, 전류 억제 효과(한류 기능)가 관측되지 않았다.
(실시예 3)
내경 26mmΦ, 외경 30mmΦ, 길이 1m의 구리 파이프 상에 폭 5mm, 두께 약 0.1mm인 HoBa2Cu3Ox(HoBCO) 초전도 테이프 선재를 20개 스파이럴형으로 피치 400mm로 권취하여, 2층의 HoBCO 초전도 케이블을 제작하였다. HoBCO 초전도 테이프 선재는 폭 5mm, 두께 0.1mm 두께의 스테인리스 기판 상에 1㎛의 YSZ 중간층을 개재시켜 3㎛의 HoBCO 초전도층을 성막하고, 표면을 5㎛의 은으로 보호한 구성으로, 액체 질소 중의 경계 전류는 약 50A이다. 1층번째와 2층번째 사이에는 두께 0.2mm의 크래프트지를 반 포개어 권취하여 10층 포갠 두께 5mm의 절연층을 배치하였다. 1층번째와 2층번째의 권취 방향은 반대로 하고 있다. 초전도 케이블 도체의 각 단말로부터 30cm에 있어서의 각 층은 땜납으로 일체화하여, 전류를 흘리기 위한 구리 리드선을 붙였다.
이 도체를 액체 질소에 침지시켜 직류의 통전 시험을 한 바, 1층번째, 2층번째 모두 1μV/cm의 저항 발생에서 정의한 경계 전류는 1000A이었다.
한편, 내경 26mmΦ, 외경 30mmΦ, 길이 1m의 스테인리스 콜 게이트 파이프 상에 폭 4mm, 두께 약 0.3mm인 Bi계 은 피복 초전도 테이프 선재(폭 4mm, 두께 0.3mm 두께의 은 모재 중에 약 30㎛ 폭의 Bi2223 초전도층이 61개 매입된 구성, 액체 질소 중의 경계 전류는 약 50A)를 10개 스파이럴형으로 피치 300mm로 권취하여, 1층번째의 Bi계 초전도 케이블을 제작하였다. 다음으로, 1층번째와 2층번째 사이에 두께 0.2mm의 크래프트지를 반 포개어 권취하여 10층 포갠 두께 5mm의 절연층을 배치하여 2층번째의 도체를 형성하였다. 1층번째와 2층번째의 권취 피치는 반대로 하고 있지만, 그 밖의 구성은 1층번째와 동일하다. 초전도 케이블 도체의 각 단말로부터 30cm에 있어서의 각 층은 땜납으로 일체화하여, 전류를 흘리기 위한 구리 리드선을 붙였다.
이 도체를 액체 질소에 침지시켜 직류의 통전 시험을 한 바, 1층번째, 2층번째 모두 1μV/cm의 저항 발생에서 정의한 경계 전류는 1000A이었다.
이들 2개의 도체를 별도로 교류 전원에 접속하여, 도체에 경계 전류의 5배까지의 교류 전류를 통전하였을 때의 전류-전압 특성을 측정하였다. 그 결과, 실시예의 Ho계 도체에서는, 교류 전류가 1000A 이상이 되면 도체의 담금질에 의한 저항 발생에 의해 전류가 억제되어, 1500A 이상의 전류가 흐르는 일은 없어, 한류 기능을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예의 Bi계 도체에서는, 초전도 테이프 선재의 모재인 은의 저항이 낮기 때문에, 5000A에 있어서도 교류 전류의 통전이 확인되어, 전류 억제 효과(한류 기능)가 관측되지 않았다. 더구나, 도체의 온도 상승에 의해, Bi계 초전도 케이블 일부가 소손하였다.
(실시예 4)
도 2에 도시하는 바와 같이, 실시예 3에 기재된 1m 길이의 Re계 초전도 케이블(한류부; 10)을 2개 준비하고, 마찬가지로 실시예 3에 기재된 10m 길이의 Bi계 초전도 케이블(기부; 20)을 1개 준비하여, Bi계 초전도 케이블의 양단에 Re계 초전도 케이블을 배치하였다. 1층번째는 각 케이블 사이에서 접속하여 도체 전류를 흘리는 구성으로 하고, 2층번째는 각 케이블 사이에서 접속하여 쉴드 전류를 흘리는 구성으로 하였다.
이 복합 케이블에 50Hz의 주파수로 최고 5000A까지의 교류 전류를 100A/분의 상승 비율로 통전하였다. 그 결과, 교류 전류가 1000A 이상이 되면 Re계 초전도 케이블의 담금질에 의한 저항 발생에 의해 전류가 억제되어, 1500A 이상의 전류가 흐르는 일은 없어, 한류 기능을 확인할 수 있었다. 이에 따라, Bi계 초전도 케이블에 있어서도, 도체의 온도 상승이나 케이블 파손은 관측되지 않아, 반복 통전이 가능한 것을 확인할 수 있고, Re계 초전도 케이블에 의해 페일 세이프 기능을 확인할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 초전도 케이블에 의하면, Re계 초전도선을 사용함으로써, 도체층의 전류가 경계 전류를 넘은 경우에 저항을 발생시킴에 따라 페일 세이프적으로 한류하여, 케이블 손상을 억제할 수 있다.
또한, 기부와 본 발명 케이블을 사용한 한류부로 이루어지는 케이블 선로로 함으로써, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에, 자동적으로 전류를 감쇠시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 초전도선으로 구성되는 제 1 도체층과, 제 1 도체층의 바깥 측에 형성되는 절연층을 구비하는 초전도 케이블에 있어서,
    상기 제 1 도체층은 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  2. 제 1 항에 있어서, 절연층의 바깥 측에 제 2 도체층을 구비하며, 이 제 2 도체층은 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 도체층은 케이블 도체층이고, 제 2 도체층은 케이블 쉴드층인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  4. 제 1 항에 있어서, 초전도선은 금속 기판과 Re계 초전도층 사이에 중간층을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  5. 초전도 케이블을 사용한 초전도 케이블 선로에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 기부와, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에 전류를 감쇠시키는 한류부를 가지고, 이 한류부가 제 1 항에 기재된 초전도 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  6. 초전도 케이블을 사용한 초전도 케이블 선로에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 기부와, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에 전류를 감쇠시키는 한류부를 가지고, 이 한류부가 제 2 항에 기재된 초전도 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  7. 초전도 케이블을 사용한 초전도 케이블 선로에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 기부와, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에 전류를 감쇠시키는 한류부를 가지고, 이 한류부가 제 3 항에 기재된 초전도 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  8. 초전도 케이블을 사용한 초전도 케이블 선로에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 기부와, 기부의 정격 전류보다도 큰 전류가 흐른 경우에 전류를 감쇠시키는 한류부를 가지고, 이 한류부가 제 4 항에 기재된 초전도 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  9. 제 5 항에 있어서, 한류부를 기부의 단말 또는 중간 접속부에 설치하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  10. 제 5 항에 있어서, 기부의 초전도선이 Re계 초전도체와는 다른 초전도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
  11. 포머의 바깥 측에 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 제 1 도체층을 설치하고, 그 바깥 측에 절연층을 설치하며, 그 바깥 측에 금속 기판 상에 Re계 초전도층을 성막한 초전도선을 복수개 집합한 제 2 도체층을 설치하여, 그 바깥 측에 보호층을 설치한 케이블 코어를 단열관 내에 수납한 초전도 케이블.
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