KR20040077520A - 직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도케이블 선로 - Google Patents

직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도케이블 선로 Download PDF

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Abstract

직류용 초전도 케이블의 단말 구조는 코어재와, 그 외주에 다층으로 설치되고, 외측 층에서 내측 층으로 단계적으로 각 층의 끝 부분이 노출되는 초전도층과, 단계적으로 노출된 각 초전도층에 개별로 접속되는 상전도 부재로 이루어지는 인출 도체를 갖는다. 직류용 초전도 케이블 선로는 전원과, 부하와, 전원으로부터의 전력을 부하에 공급하는 초전도 케이블을 가지고, 초전도 케이블의 적어도 한쪽 단말은 상기 단말 구조를 가지고, 각 인출 도체를 전원 또는 부하에 접속하였다.
이상의 직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도 케이블 선로에 의해, 초전도 케이블 한 줄로 복수 회선의 송전을 가능하게 하여, 대전류화, 공간 절약화, 저손실화를 도모할 수 있다.

Description

직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도 케이블 선로{Terminal structure of direct electric current superconducting cable and DC superconducting cable line}
본 발명은 직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도 케이블 선로에 관한 것이다.
초전도 케이블의 초전도 도체는 일반적으로 코어재[이하, 포머(former)라고도 부른다.) 상에 초전도선을 나선형으로 권취하여 형성된 초전도층에 의해 구성된다. 초전도 케이블을 직류 케이블로서 사용할 경우, 초전도 도체의 끝 부분을 상전 도체로 이루어지는 선재와 접속시키거나 초전도 도체끼리를 접속시키거나 할 때는 납땜으로 행하는 것이 일반적이다(예를 들면, 일본 특개평 10-228933호 공보 참조).
또한, 초전도 케이블은 초전도층이 다층 구조로 되어 있는 것이 있다(예를 들면, 일본 특개평 10-228933호 공보의 도 3 참조). 이 경우에 있어서는, 일본 특개평 10-228933호 공보의 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 초전도층의 모든 층의 끝 부분이 도통하도록 동시에 납땜된다.
그런데, 복수의 전원, 부하로 구성되는 직류 송배전 시스템에 있어서는, 복수의 케이블을 각각의 전원에 접속하여 복수 회선을 구성하도록 하고 있어, 케이블의 사용 개수가 많아진다.
이 경우에 초전도 케이블을 사용함으로써 대전류화 및 저손실화를 도모할 수 있지만, 케이블의 개수는 여전히 전원수에 따른 수가 필요해져, 케이블 배선용 공간이 필요해진다.
본 발명은 초전도 케이블 한 줄로 복수 회선의 송전을 가능하게 하여, 대전류화, 공간 절약화, 저손실화를 도모할 수 있는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도 케이블 선로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 단면도.
도 2는 본 발명의 초전도 케이블의 케이블 코어의 단말부에 있어서의 포머와 초전도층의 구조를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 초전도 케이블의 단말 구조에 있어서의 제 1 실시예를 도시하는 설명도.
도 4는 본 발명의 초전도 케이블의 단말 구조에 있어서의 제 2 실시예를 도시하는 설명도.
도 5는 본 발명의 초전도 케이블의 단말 구조를 사용한 케이블 선로를 도시하는 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 단열관 2: 코어
11: 내관 12: 외관
22: 초전도층 23: 층간 절연층
24: 절연층
본 발명의 직류용 초전도 케이블은 상기 목적을 달성하기 위해, 코어재와 그 외주에 다층으로 설치되고, 외측 층에서 내측 층으로 단계적으로 각 층의 끝 부분이 노출되는 초전도층과, 단계적으로 노출된 각 초전도층에 개별로 접속되는 상전도 부재로 이루어지는 인출 도체를 갖는 것을 특징으로 한다.
인출 도체는 각 초전도층의 노출 끝 부분에 개별로 접속하여, 초전도층의 노출부로부터 초전도 케이블의 축 방향과 직교하는 방향으로 인출하는 구성으로 하여도 된다.
또한, 인출 도체의 한쪽 끝 부분을 초전도층의 노출 끝 부분에 접속하여, 인출 도체를 초전도층의 노출부로부터 초전도 케이블의 축 방향을 따라 인출하는 구성으로 하여도 된다.
더욱이, 코어재와 인출 도체를 일체로 보유하는 절연 고정부를 갖는 구성으로 하여도 된다. 절연층의 외측에는 초전도 부재로 이루어지는 귀로 도체층, 절연 보호층을 차례대로 설치하여도 된다.
그리고, 본 발명의 직류 초전도 케이블 단말 구조를 사용하여, 전원과, 부하와, 전원으로부터의 전력을 부하에 공급하는 초전도 케이블을 갖는 직류용 초전도 케이블 선로를 구성할 수 있다.
그 경우는, 초전도 케이블의 적어도 한쪽 단말을 상기 기재 중 어느 하나에 기재된 단말 구조로 하여, 각 인출 도체를 전원 또는 부하에 접속하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기한 본 발명의 직류용 초전도 케이블 선로에 있어서는, 초전도 케이블의 일부의 초전도층이 접지되었을 때에, 상기 접지된 초전도층을 전원 및 부하에 대하여 차단하는 차단 기구를 구비하는 구성으로 하여도 된다.
또한, 초전도 케이블에 설치하는 층간 절연층은 일부의 초전도층이 접지되었을 때에, 다른 초전도층의 전압을 유지할 수 있는 절연 내력(dielectric strength)을 구비하도록 구성하여도 된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 도면 설명에 있어서는, 동일 요소에는 동일 부호를 붙여, 중복하는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명한 것과 반드시 일치하고 있지는 있다. 도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 단면도이고, 도 2는 초전도 케이블의 1개의 케이블 코어의 도체부의 단말 구조를 도시한다. 더욱이, 도 3 및 도 4는 초전도 도체에 인출 도체가 접속된 초전도 케이블의 도체부의 단말 구조를 도시한다. 도 5는 초전도 케이블을 사용한 케이블 선로의 구성도를 도시하고, 도 5 중에는 초전도 케이블의 1개의 케이블 코어의 구성을 도시하고 있다.
[초전도 케이블의 전체 구조]
초전도 케이블은 단일 코어 케이블이어도 되고, 3코어 케이블의 꼬임 구조로 하여도 된다. 초전도 케이블은 극저온으로 하기 위해, 냉매가 충전되는 단열관 내에 수납된다. 단열관은 예를 들면 SUS 제작 콜게이트(corrugate)의 내관, 외관의 2중 관 구조로 하는 것이 바람직하고, 이들 관의 사이를 진공 상태로 유지하는 구조로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 초전도 케이블의 하나로, 단열관(1)의 내부에 3코어의 케이블 코어(2)를 수납한 것이다. 또한, 3코어의 케이블 코어(2)는 꼬인 상태에서 단열관(1)의 내부에 수납되어 있다.
[단열관]
단열관(1)은 내관(11) 및 외관(12)을 구비하는 2중 관으로 이루어지며, 내외관(11, 12)의 사이에 진공 단열층(13)이 구성된다. 진공 단열층(13) 내에는 플라스틱제 망 형상체와 금속 호일을 적층한 소위 슈퍼 인슐레이션(super insulation)이 배치되어 있다.
내관(11)의 내측에는 액체 질소 등의 냉매가 충전된다. 또한, 필요에 따라서, 단열관(1)의 외주에 폴리염화비닐 등으로 방식층(14)을 형성하여도 된다.
[케이블 코어]
이 단열관(1) 내에 수납되는 케이블 코어(2) 각각은 도 1 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 중심으로부터 순서대로 코어재가 되는 포머(21), 초전도 도체가 되는 초전도층(22), 층간 절연층(23; 도 5에 도시한다), 절연층(24), 귀로 도체층(25), 절연과 기계적 보호를 겸한 절연 보호층(26)을 구비한다.
<포머>
포머(21)에는 금속선을 꼰 속이 찬 것이나 금속 파이프를 사용한 중공인 것을 이용할 수 있다. 중공 포머를 사용한 경우, 그 내부도 냉매의 유로로 할 수 있다. 속이 찬 포머의 일례로서는, 복수의 구리 소선을 꼰 것을 들 수 있다. 본 발명은 직류용 초전도 케이블이기 때문에, 구리 소선에는 절연 피복을 실시할 필요가 없다.
<초전도층>
초전도층(22)에는 비스무스(bismuth)계 초전도체 등의 산화물 고온 초전도체를 은 시스(sheath)로 피복한 테이프 선재가 적합하다. 이 테이프 선재를 포머(21) 상에 다층으로 감아서 도체를 구성한다.
<층간 절연층>
각 초전도층(22)간, 최내층의 초전도층(22)과 포머(21)간에는 각 층을 절연하기 위한 층간 절연층(23)이 형성된다. 이 층간 절연층(23)은 크래프트지를 초전도층(22)의 외주에 감아서 구성한다. 이 층간 절연층(23)에 의해 각 초전도층(22)을 층마다 독립시키는 구성으로 할 수 있다.
초전도 케이블에 설치하는 층간 절연층(23)은 그 두께를 일부의 초전도층이 접지되었을 때에, 다른 초전도층의 전압을 유지할 수 있는 절연 내력을 구비하는 두께로 하고 있다. 이와 같이 접지된 초전도층에 흐르는 대전류를 차단함으로써, 다른 초전도층의 송전에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.
<절연층>
초전도 케이블은 초전도층의 외측을 절연층으로 덮는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 최외주의 초전도층(22)의 외주에는 절연층(24)이 형성된다. 이 절연층(24)은 예를 들면 플라스틱 필름(예를 들면, 폴리프로필렌)과 크래프트지를 적층한 복합 테이프를 사용하여 초전도층(22)의 외주에 감아서 구성할 수 있다.
<귀로 도체층>
귀로 도체층(25)은 절연층(24)의 외측에 초전도 선재를 권회하여 형성된다. 이 귀로 도체층(25)은 후술하는 케이블 선로에 있어서, 초전도층(22)을 흐르는 전류와 역방향으로 전류를 흘려, 케이블 밖으로 자장을 내지 않도록 한다. 더욱이,이 귀로 도체층(25)의 외측에는 보호를 겸한 절연 보호층(26)이 설치되어 있다.
[케이블 단말 구조]
이하, 초전도층(22)이 4층 구조인 경우의 케이블 단말 구조에 대해서 설명한다. 도 2는 케이블 코어(2)의 끝 부분에 있어서, 포머(21)와 초전도층(22)만을 도시하고 있다. 케이블의 단말은 각 초전도층(22)의 끝 부분에 상전도 부재로 구성되는 인출 도체(3)가 개별로 접속된다.
<케이블 코어의 단말 구조>
포머(21)는 초전도층(22)의 끝 부분으로부터 돌출시킨 상태로 하고 있다. 더욱이, 각 초전도층(22)의 끝 부분은 내측 층에서 외측 층으로 단계적으로 각 층의 끝 부분이 노출되도록 구성하고 있다.
구체적으로는, 케이블의 끝 부분에 있어서, 최외층의 초전도층(22) 상에 형성되어 있는 절연층(24), 귀로 도체층(25), 절연 보호층(26)을 소정 길이만큼 제거한다.
다음으로, 절연층(24)이 제거되어 있는 최외층의 초전도층(22) 부분에 있어서, 제거된 절연층(24) 등의 제거 단면으로부터 소정 길이 노출하도록 초전도층(22)을 남긴 채, 이 초전도층(22)과 그 바로 아래의 층간 절연층(23)을 제거한다. 다음으로, 최외층의 초전도층이 제거되어 있는 다음 층의 초전도층 부분(2층번째)에 있어서, 최외층의 초전도층의 제거 단면으로부터 소정 길이 노출하도록 초전도층을 남긴 채, 이 초전도층과 그 바로 아래의 층간 절연층을 제거한다. 이와 같이 순차 내측의 초전도층에 대해서, 초전도층을 소정 길이 노출하도록 남긴 채, 초전도층과 그 바로 아래의 층간 절연층을 제거하여 가는 작업을 최내층의 초전도층(4층번째)까지 순서대로 반복해 감으로써 계단형으로 각 초전도층의 끝 부분을 노출시킨다.
<인출 도체의 구조>
인출 도체(3)의 구조에 대해서, 도 3에 도시하는 제 1 실시예와 도 4에 도시하는 제 2 실시예에 대해서 설명한다. 각 실시예에서는, 각 초전도층(22)의 노출 끝 부분 각각에 구리나 알루미늄 등의 상전도 부재로 구성되는 인출 도체(3)를 개별로 접속시킨다. 접속은 납땜에 의해 행한다.
도 3에 도시하는 제 1 실시예는 인출 도체[31(3)]를 복수 개 형성하여, 각 인출 도체(31)의 한쪽 끝 부분을 각 초전도층(22)의 노출 끝 부분에 개별로 접속한다. 그리고, 각 인출 도체(31)의 다른쪽 끝 측을 초전도층(22)의 노출부로부터 초전도 케이블의 축 방향과 직교하는 방향으로 인출하고 있다. 이 경우, 각 인출 도체(31)는 도 3에 도시하는 바와 같이, 평행하게 인출된다.
도 4에 도시하는 제 2 실시예의 인출 도체[32(3)]는 인출 도체(32)를 복수 크기의 다른 통 형상체(또는 통 형상체를 반으로 분할한 것)로 구성하고 있다. 이들 통 형상체를 동심원이 되도록 포개면서 인출 도체(32)의 축 방향 한쪽 끝 부분을 초전도층(22)의 노출 끝 부분에 접속한다. 그리고, 인출 도체(32)의 다른쪽 끝측이 케이블의 축 방향을 따라 인출된다. 인출 도체(32)는 최소 직경인 것으로부터 내측 층의 초전도층(22)의 노출부에 순차 접속하여 간다.
또한, 각 인출 도체를 초전도 케이블의 축 방향을 따라 인출할 경우, 각 초전도층의 노출 끝 부분에 개별로 선재로 이루어지는 인출 도체의 한쪽 끝 부분을 접속하는 구성으로 할 수도 있다.
더욱이, 각 인출 도체(32)의 인출 측 끝 부분은 내측의 통 형상체로부터 외측의 통 형상체로 단계적으로 그 외주면이 노출되도록 계단형으로 구성된다. 이와 같이 구성함으로써, 각 인출 도체(32)의 끝 부분에 다른 도체를 접속하기 쉽게 할 수 있다.
<포머와 인출 도체를 보유하는 구조>
더욱이, 포머(21)와 인출 도체(3)는 절연 고정부(4)에 일체로 보유시킨다. 이 때, 절연 고정부(4)는 절연성을 갖는 수지 재료로 형성되고, 각 인출 도체(3)간과, 인출 도체(3)가 접속되는 초전도층(22) 이외의 초전도층(22)과 인출 도체(3)간, 인출 도체(3)와 포머(21) 사이를 전기적으로 절연하도록 구성된다. 포머(21)와 인출 도체(3)를 절연 고정부(4)에 보유시킴으로써, 초전도 케이블의 단말을 고정시킬 수 있다. 코어재와 인출 도체를 절연 고정부에 보유시킴으로써, 초전도 케이블 단말 구조의 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 절연 고정부는 각 인출 도체간 및 인출 도체와 인출 도체가 접속되어 있지 않은 초전도층 사이를 절연하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
[케이블 선로의 형태]
초전도 케이블의 한쪽 끝 측에 복수의 전원을 배치할 경우에는, 이 한쪽 끝 측의 각 초전도층의 끝 부분에 개별로 인출 도체를 접속하고, 각각의 인출 도체를 각 전원에 접속한다. 또한, 초전도 케이블의 다른쪽 끝 측에 복수의 부하를 배치할 경우에는, 이 다른쪽 끝 측의 각 초전도층의 끝 부분에 개별로 인출 도체를 접속하고, 각각의 인출 도체를 각 부하에 접속한다.
또한, 초전도 케이블의 한쪽 끝 측에 복수의 전원을 배치하고, 다른쪽 끝 측에 각각의 전원에 대응하는 부하를 배치할 경우에는, 각 초전도층의 양단부에 인출 도체를 개별로 접속하고, 인출 도체를 통해 하나의 초전도층으로 전원과 부하를 대응시켜 접속한다.
예를 들면, 초전도 케이블을 코어재와, 다층으로 이루어지는 초전도층과, 최외층의 초전도층의 외측에 설치하는 절연층과, 절연층의 외측에 설치하는 귀로 도체층과, 절연 보호층으로 구성할 경우에는, 각 초전도층의 끝 부분 각각에 인출 도체를 접속하여 케이블의 외부로 인출 도체를 인출한다.
그리고, 케이블의 한쪽 측의 단말부에 접속한 각 인출 도체의 각각에 개별로 전원을 접속한다. 또한, 케이블의 다른쪽 측의 단말부에 접속한 각 인출 도체 각각에 부하를 접속한다. 그리고, 각 전원과 각 부하를 케이블의 귀로 도체층을 통해 접속한다.
이 경우, 귀로 도체층에는 초전도층을 흐르는 전류와 역방향으로 전류를 흘리기 때문에, 케이블 밖으로 자장을 내지 않도록 할 수 있다. 각 전원, 각 부하는어스 전위(공통 전위)로서 귀로 도체층을 공유한 상태가 된다. 또한, 케이블 선로는 모두 같은 전압으로 하여도 되고, 전압이 다르도록 하여도 된다.
본 발명의 직류용 초전도 케이블의 단말 구조를 사용한 케이블 선로의 한 실시예에 대해서 도 5에 근거하여 설명한다. 도 5에 도시하는 초전도 케이블 선로는 케이블 코어(2)를 1개 사용한 경우를 도시한다.
도 5에 도시하는 케이블 선로는 케이블 코어(2)의 한쪽 끝 측에 복수의 전원(5)을 배치하고, 다른쪽 끝 측에 각 전원(5)에 대응시켜 부하(6)를 배치하고 있다. 그리고, 케이블 코어(2)의 각 초전도층(22)의 양단부에 인출 도체(3)를 개별로 접속하고, 각 인출 도체(3)를 전원(5) 또는 부하(6)에 접속하고 있다. 인출 도체(3)를 통해 하나의 초전도층(22)으로 하나의 전원(5)을 하나의 부하에 대응시켜 접속한다. 또한, 귀로 도체층은 도체를 통해 모든 전원(5)과 모든 부하(6)에 접속시키고 있다.
케이블 코어(2)의 초전도층(22)과 귀로 도체층(25)을 사용함으로써, 폐회로가 구성된다. 본 실시예에서는 사용하는 전압은 전부 같은 전압으로 하거나 다른 전압으로 할 수 있다.
더욱이, 상기 케이블 선로에 있어서는, 케이블 코어(2)의 일부의 초전도층(22)이 접지되었을 때에, 상기 접지된 초전도층(22)을 전원(5) 및 부하(6)에 대하여 차단하는 차단 기구(7)를 구비하고 있다.
초전도 케이블의 일부의 초전도층이 접지된 경우란 전원, 부하가 점검, 고장 등에 의해 접지되는 경우를 말한다.
차단 기구는 케이블의 양 단말에 설치하는 것이 바람직하다. 그 경우에는, 차단 기구를 사용하여 접지된 초전도층을 전원과 부하로부터 차단시킨다. 차단 기구로서는, 예를 들면, 초전도층의 양 끝 측에 전압계 또는 전류계를 설치하고, 전압계 또는 전류계의 계측 결과에 근거하여 작동하는 릴레이를 설치하는 것을 들 수 있다. 또한, 릴레이 대신 퓨즈를 설치하도록 하여도 된다.
도 5에 도시되는 차단 기구(7)는 예를 들면, 초전도층(22)의 양 끝 측에 접속되는 인출 도체(3)에 전압계(도시하지 않음) 또는 전류계(도시하지 않음)를 설치하고, 전압계 또는 전류계의 계측 결과에 근거하여 작동하는 릴레이(71)를 설치함으로써 구성한다. 전압계는 릴레이(71)의 양측 전압을 측정한다. 또한, 전류계의 경우는, 릴레이(71)의 양측 전류를 측정한다. 차단 기구(7)에 의해, 일부의 초전도층이 접지되었을 때, 그 접지된 초전도층을 전원과 부하로부터 차단시켜, 다른 초전도층을 보호한다.
이상과 같이 설명한 바와 같은 직류용 초전도 케이블의 단말 구조 및 직류용 초전도 케이블 선로 구성에 의해, 한 줄의 케이블 코어로 복수의 회선을 집약시킬 수 있다. 더욱이, 초전도 케이블을 사용하고 있기 때문에, 발생하는 송전 손실을 적게 할 수 있다. 따라서, 경제성이 양호하여 공간 절약화를 도모할 수 있다. 더욱이, 귀로 도체층을 설치함으로써, 초전도층을 흐르는 전류와 역방향으로 전류를 흘려, 케이블 밖으로 자장을 내지 않도록 할 수 있다.

Claims (8)

  1. 코어재와,
    그 외주에 다층으로 설치되고, 외측 층에서 내측 층으로 단계적으로 각 층의 끝 부분이 노출되는 초전도층과,
    단계적으로 노출된 각 초전도층에 개별로 접속되는 상전도 부재(normal conductive material)로 이루어지는 인출 도체를 갖는 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인출 도체를 초전도층의 노출부로부터 초전도 케이블의 축 방향과 직교하는 방향으로 인출한 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    인출 도체를 초전도층의 노출부로부터 초전도 케이블의 축 방향을 따라 인출한 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코어재와 인출 도체를 일체로 보유하는 절연 고정부를 갖는 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최외층의 초전도층의 외측에 절연층, 귀로 도체층, 절연 보호층이 순서대로설치되어 있는 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블의 단말 구조.
  6. 전원과, 부하와, 전원으로부터의 전력을 부하에 공급하는 초전도 케이블을 갖는 직류용 초전도 케이블 선로에 있어서,
    상기 초전도 케이블의 적어도 한쪽 단말은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 단말 구조를 가지고,
    각 인출 도체를 전원 또는 부하에 접속한 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블 선로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    초전도 케이블의 일부의 초전도층이 접지되었을 때에, 상기 접지된 초전도층을 전원 및 부하에 대하여 차단하는 차단 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블 선로.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    초전도 케이블은 각 초전도층 사이를 절연하는 층간 절연층을 가지고, 이 층간 절연층은 일부의 초전도층이 접지되었을 때에, 다른 층의 전압을 유지할 수 있는 절연 내력을 구비하는 것을 특징으로 하는 직류용 초전도 케이블 선로.
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