KR20040106834A - 22.9ｋＶ급 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기의초전도체 턴간 절연설계구조 - Google Patents

22.9ｋＶ급 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기의초전도체 턴간 절연설계구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절연물인 캡톤필름(Kapton Film)을 이용하여 22.9kV급 더블 팬케이크 코일형(Double Pancake Coil ; DPC)형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조에 관한 것으로, 극저온에서 초전도체의 턴간(turn-to-turn) 절연물로 캡톤필름(2)을 사용하여 도체(1)를 감아 절연하는 액체-고분자 절연물로 이루어지는 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계 구조에 있어서,
상기 절연물인 캡톤필름(2)의 AC내전압 전계특성에 대한 절연두께(tAC)및 임펄스 내전압 전계특성에 대한 절연두께(tIMP)에서 턴간 캡톤필름(2)의 절연두께(t)는 tAC와 tIMP중 큰 것을 선택하여 설계 제조되어지는 것을 특징으로 한다.
① AC에서 절연두께
여기서, VAC(AC내전압) = 50kV
VtAC= 턴간 AC내전압
tAC= AC 내전압에서 구한 턴간 절연두께
② 임펄스에서 절연두께
여기서, VIMP(임펄스 내전압) = 150kV
VtIMP= 턴간 임펄스 내전압
tIMP= 임펄스 내전압에서 견디는 턴간 절연두께.

Description

22.9ｋＶ급 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조{A superconductor turn-to-turn insulation design structure for 22.9kV class double pancake coil type high temperature superconducting transformer}
본 발명은 22.9kV급 더블 팬케이크 코일(Double Pancake Coil ; DPC)형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조에 관한 것으로, 특히 절연물로 이용하는 캡톤필름(Kapton Film)을 극저온 환경에서 겹치는 비율과 감는 캡톤필름의 횟수에 따른 AC 내전압특성에 맞추어 이 초전도체의 턴간(turn-to-turn) 절연두께를 설정하는 22.9kV급 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조에 관한 것이다.
최근 전력공급에 있어서, 전력에너지 소비가 급격히 증가함에 따라 대용량의 전기에너지를 공급할 수 있는 기술의 필요성이 강하게 대두되었으며, 송·변전계통은 대도시 지하공간에 새로운 송전배선을 건설하는 것이 어려워짐에 따라 기존에 설치된 송전배선을 효과적으로 활용하여 콤팩트하고 대용량 송전이 가능한 대체 전력시스템이 요구되는 실정이다.
이러한 요구에 부응하여 종래에도 초전도체의 발견 이후 임계온도 및 임계전류밀도가 증가된 고온초전도 재료를 이용하여 고성능, 친환경 응용기기의 개발이 다양하게 진행되고 있으며, 그 중에서 기존의 유입변압기를 대체할 경량화, 대용량화 및 친환경화가 가능한 고온초전도 변압기의 실용화가 기대되고 있다.
일반적으로 고온초전도 변압기의 절연설계는 냉매로 사용하는 액체질소와 고온초전도체를 감고 있는 절연물의 복합계로서 DPC형 고온초전도 변압기의 경우 턴간 사이에는 절연물로만 구성이 되고 외부는 액체질소의 분위기이다. 따라서 절연물이 액체질소 내에서 존재하므로 극저온이라는 특수한 환경에서 절연물의 성형, 전기적 특성 등의 고찰이 중요하다.
하지만 DPC형 고온초전도 변압기의 턴간 절연설계 및 방법에 대해 정립되어있지 않은 상태이다.
따라서, 고온초전도 변압기의 전기절연 설계에 있어서 극저온 환경에서 절연지의 전기적 특성을 고려하여 극저온 온도에서 사용이 가능한 절연물을 사용하여 도체를 절연하는 최적방법을 도출하여 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계 및 방법을 마련하는 것이 중요하다.
이에 본 발명은 액체질소에 침적한 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 수명과 신뢰도를 높이기 위해 변압기의 초전도체 턴간 절연설계 구조에 관한 것으로서 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기에서 초전도체 턴간 절연이 용이하면서 22.9kV급 변압기의 절연성능 시험전압에 견디는 초전도체 턴간 절연두께의 설계구조를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도체의 턴간(turn-to-turn) 절연구조를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 초전도체의 절연물인 캡톤(kapton) 필름과 일반적인 절연물인 크라프트(Kraft)의 77k 온도에서 절연내력의 특성을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 캡톤필름을 초전도체에 감을 때 겹치는 비율에 따른 절연내력의 특성을 나타내는 그래프,
도 4는 감는 캡톤필름의 횟수에 따른 절연내력을 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
1 : 초전도체, 2 : 캡톤필름(Kapton Film),
3 : 캡톤필름 폭, 4 : 캡톤필름의 겹치는 폭.
먼저 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 턴간 절연설계를 위해서 초전도체의 턴간 절연물로 사용될 것으로 기대되는 절연물의 절연특성 고찰이 필요하며 절연특성 고찰 후 선정된 절연물을 이용하여 최적의 절연방법을 모색하여야 한다. 본 발명에서는 절연물의 절연특성을 고찰한 후 턴간 절연물을 선정하며, 선택된 절연물을 이용하여 초전도체의 턴간 절연방법에 따라 절연특성을 비교하였다.
『한전표준 구매시방서』를 참조하면 한국에서 22.9 kV급 유입변압기의 절연성능 시험전압은 AC 내전압(VAC)은 50 kV이고 임펄스 내전압(VIMP)은 150 kV이다. 따라서 이 절연성능 시험전압을 적용하여 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 초전도체(1) 턴간 견뎌야하는 AC, 임펄스 내전압은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
먼저, AC에서의 절연두께(tAC)
여기서, VtAC는 턴간 AC 내전압이고 VtIMP는 턴간 임펄스 내전압이다.
한편, 턴간 AC 및 임펄스를 내전압을 이용하여 절연물인 캡톤필름(2)의 절연두께(t)를 구하면 다음 식과 같다.
여기서, tAC는 AC 내전압에서 구한 턴간 절연두께이고, tIMP는 임펄스 내전압에서 구한 턴간 절연두께이다.
따라서 초전도체(1)의 턴간 절연물인 캡톤필름(2) 절연두께(t)는 tAC와 tIMP중 큰 것을 선택하여 설계한 구조를 갖도록 되어 있다.
한편, 도 1에서 상기 초전도체(1)를 겹쳐 감싸는 캡톤필름(2)의 겹치는 폭(4)은 캡톤필름(2)의 폭(3)과 비교하여 그 겹치는 비율이 50% 이하에서 변화시켜감는 것이 바람직하다.
그리고 도 2 내지 도 4는 본 발명을 설명하기 위한 여러 가지 절연내력을 나타낸 그래프들이다.
상기와 같이 본 발명은 종래 정립이 되어있지 않은 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 턴간 절연설계구조를 AC와 임펄스전압을 이용하여 정립하고 액체질소 온도인 극저온에서 최적의 턴간 절연물과 절연방법을 정립하고 이를 바탕으로 DPC형 고온초전도 변압기를 실계통에 적용하는 시스템 구축과 안전한 전력 수송 및 변환을 할 수 있는 것으로 사료되어 매우 유용하게 실시될 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (2)

  1. 극저온에서 턴간 절연물로 캡톤필름(2)을 사용하여 초전도체(1)를 감아 절연하는 액체-고분자 절연물로 이루어지는 22.9kV급 DPC형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계 구조에 있어서,
    상기 절연물인 캡톤필름(2)의 AC내전압 전계특성에 대한 절연두께(tAC)및 임펄스 내전압 전계특성에 대한 절연두께(tIMP)에서 턴간 캡톤필름(2)의 절연두께(t)는 tAC와 tIMP중 큰 것을 선택하여 설계 제조되어지는 것을 특징으로 하는 22.9kV급 더블 팬케이크 코일형 고온 초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조.
    ① AC에서 절연두께
    여기서, VAC(AC내전압) = 50kV
    VtAC= 턴간 AC 내전압
    tAC= AC 내전압에서 구한 턴간 절연두께
    ② 임펄스에서 절연두께
    여기서, VIMP(임펄스 내전압) = 150kV
    VtIMP= 턴간 임펄스 내전압
    tIMP= 임펄스 내전압에서 구한 턴간 절연두께.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 절연물인 캡톤필름(2)의 겹치는 비율은 50% 이하에서 겹쳐 감겨지는 것을 특징으로 하는 22.9kV급 더블 팬케이크 코일형 고온초전도 변압기의 초전도체 턴간 절연설계구조.
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