KR20040108474A - 보조권선을 구비한 보빈을 포함하는 직류리액터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기회로의 사고전류를 제한하는 한류기의 직류리액터(DC Reactor)에 사용되는 초전도테이프의 적층을 위한 보빈의 설계에 관한 것으로서, 기존의 보빈설계에 있어서 적층권선을 다른 보빈의 적층권선과 연결시 각 권선을 트랜스포즈(transpose)할 때 생기는 권선실시의 어려움과 권선간의 절연문제, 보빈형상의 어려움, 조인트(joint)개수 증가, 정상상태의 안정도 하강 등의 문제를 해결하기 위한 보빈의 설계에 관한 발명이다. 정상 상태일 때에는 초전도 테이프에 퀀치가 발생하지 않지만 사고 발생시에 초전도 테이프에 퀀치가 발생하는데 이 때 각 권선이 모두 사고 전류를 감당하는 경우에는 최적의 사용이 되지만 일반적으로 최저의 저항경로를 따라 전류가 흐르게 되어 그 부분이 과열되게 되는 문제점이 있으며 이를 방지 하기 위해 권선을 트랜스포즈하나 트랜스포즈하는 방법이 쉽지 않은 문제가 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 보빈의 외각에 상전도 보조 권선을 구비하여 정상상태에서는 아무런 영향이 없지만 사고 전류 발생시에는 사고 상태 초기의 전류를 상전도 보조 권선이 감당하게 하여 초전도 테이프의 전류를 임계점 이하로 유지하게 한다.

Description

보조권선을 구비한 보빈을 포함하는 직류리액터{DC Reactor with Bobbin equipped with Supplementary Winding}

본 발명은 전기회로의 사고전류를 제한하는 한류기의 직류리액터(DC Reactor)에 사용되는 초전도테이프의 적층을 위한 보빈의 설계에 관한 것으로서,더욱 상세하게는 사고 전류 발생시 초전도 테이프의 과열을 방지하기 위하여 초전도테이프의 적층권선을 트랜스포즈(transpose)할 때 생기는 권선실시의 어려움과 권선간의 절연문제, 보빈형상의 어려움, 조인트(joint) 개수 증가, 정상상태의 안정도 하강 등의 문제를 해결하기 위하여 보조권선을 갖춘 보빈의 설계에 관한 것이다.

고온 초전도 테이프는 임피던스가 거의 없어 전류의 손실없이 일정 전류를 흐르게 할 수 있지만 사고 전류가 발생시 퀀치가 발생하여 고온 초전도 테이프의 임계전류가 매우 큰 값으로 감소하며 더욱이 라그랑지 원리에 의한 최소 에너지 경로를 따라 전류가 흐르게 되어 임피던스가 적은 안쪽으로 흐르며 이로 인해 많은 열을 발생시키게 된다. 사고 전류를 고온 초전도 테이프 모든 권선이 동일하게 감당시키게 하기 위하여 권선의 길이를 동일하게 하여야 하는데 이를 위해 트랜스포즈(transpose)를 하는 방법을 쓰고 있다. 그러나 트랜스포즈의 단점이 있다. 트랜스포즈하는 경우 사고 전류가 발생하지 않은 정상 상태에서는 그 안정도가 하강하며 트랜스포즈하는 권선방법이 매우 어려우며, 권선간의 절연이 필요하다. 또한 조인트 개수가 4배로 증가하고 보빈의 형상을 트랜스포즈가 용이하도록 설계하기가 쉽지 않은 문제점도 있다.

일본특허 JP5226142 에서는 뛰어나 전기 절연성을 유지하기 위해 초전도 와이어의 층 사이에 특별한 물질을 입히는 방법을 쓰고 있으며 일본특허 JP5326249에서는 플랫형의 초전도 와이어 즉 초전도 테이프의 정확한 권선을 행하여 퀀치를 억제하는 방법을 제시하고 있지만 절연의 필요성이 여전히 남아 있으며 권선 방법이쉽지 않다는 점이 여전히 있다. 한편 일본특허 JP63192208 에서는 코일에너지의 한곳에의 집중을 피하고 보빈과 맞닿는 부분의 코일 또는 보빈이 타는 것을 방지하기 위한 방법을 제시하고 있는데 그 방법은 좋은 열전도성을 가지는 무기 절연체의 얇은 필름을 코팅하여 부분적으로 코일에 퀀치가 발생한 경우 빠르게 그 열을 다른 부분으로 보내어 에너지가 한 곳에 집중하는 것을 막고 그로 인해 코일이 타는 것을 방지하는 것이다. 그러나 그 효율성에도 문제가 있으며 이를 만드는 작업공정 또한 복잡해지는 문제점을 여전히 안고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서 초전도 테이프의 권선간의 절연이 필요하지 않고 또한 트랜스포즈하는 권선 방법을 채택하지 않고도 사고 전류 발생시에 초전도 테이프의 안쪽으로만 전류가 모이는 것을 막아주는 보조권선을 도입하여 사고 발생 초기 시간동안 상기 보조권선을 통하여 전류가 흐르게 하는, 보조권선을 구비한 보빈을 포함하는 직류리액터를 제공하는데에 그 목적이 있다.

도 1은 초전도 테이프를 트랜스포즈한 경우의 시뮬레이션 등가회로.

도 2는 초전도 테이프를 트랜스포즈하지 않은 경우의 시뮬레이션 등가회로.

도 3은 도 1의 전류분포 그래프.

도 4는 도 1의 전압분포 그래프.

도 5는 트랜스포즈하지 않은 경우의 전류분포 그래프.

도 6은 트랜스포즈하지 않은 경우의 전압분포 그래프.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상전도 권선과 초전도 테이프(권선)에 대한 초기 전류 충전을 나타내는 그래프.

도 8은 사고전류 발생시의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 초전도 권선과 상전도 테이프에 대한 전류흐름 그래프.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1과 도 2는 각각 초전도 테이프를 트랜스포즈(transpose)한 경우의 시뮬레이션 등가회로와 초전도 테이프를 트랜스포즈하지 않은 경우의 시뮬레이션 등가회로를 나타내고 있다. 보빈 1개를 1레이어(layer)로 명하고 보빈에 감기는 테이프를 1스택(stack)으로 명한다. 시뮬레이션은 2스택 5레이어로하여 회로해석을 단순화하였다. 직류전압소스는 8000V이고 로드저항은 1Ω으로 하였다. 도 1에 의한 전류와 전압은 도 3과 도 4에 나타나 있다. 그리고 도 2에 의한 전류와 전압은 도 5와 도 6에 나타나 있다. 트랜스포즈한 경우에는 코일 전류는 2개가 생기는데 각 스택에서의 전류가 같지만 트랜스포즈하지 않은 경우에는 코일전류가 10개가 생기고 각 스택에서의 전류가 같지 않으며 전류가 많아질수록 레이어간의 전류차이가 많이 난다. 내부의 스택으로 사고 전류가 많이 흐르게 되지만 외부의 스택은 사고전류를 감당하지 않게 되어 내부스택에서는 과열 현상등이 일어날 수 있다. 즉 트랜스포즈한 경우에는 전류가 균일하게 분배될 수 있지만 트랜스포즈하지 않은 경우에는 많은 전류가 흐를 때 이것이 한쪽으로 몰려 흐를 수 있다는 것이다.

전류는 라그랑지 원리(Lagrange Principle)에 따라 최소 에너지 경로로 흐른다. 따라서 임피던스가 적은 안쪽으로 흐른다. 사고 전류가 발생시에는 최내각 초전도 테이프에 사고 전류가 집중하고 외각 권선에는 사고 전류가 흐르지 않는다. 최내각의 초전도 테이프에 임계전류 이상의 전류가 흐르는 경우 퀀치현상이 일어나 많은 열이 발생하게 되어 최내각의 냉각에 문제가 생길 우려가 많다. 발생한 열들로 인한 보빈과 초전도 테이프의 열적 팽창정도와 그 방향의 차이로 보빈과 권선의 밀착에 문제가 생겨 초전도 테이프의 움직임에 의한 마찰열로 인한 퀀치현상이 심화되거나, 액체 냉매의 기화로 인해 보빈에 큰 압력이 가해지는 문제도 발생할 수 있다.

따라서 권선을 트랜스포즈하는 것이 필요한 것이다. 트랜스포즈를 하는 경우에는 초전도 테이프 각각의 임피던스가 균등하기 때문에 사고 발생시 초전도 테이프에 사고 전류가 균등 분배되어 한 곳에 에너지가 집중되는 현상을 막을 수 있다. 그러나 각 권선간의 절연이 필요하며 트랜스포즈 권선 방법이 쉽지 않은 문제점이 여전히 남아 있다.

만약 트랜스포즈하지 않고도 초전도 테이프에 흐르는 전류를 최소할 할 수 있다면 트랜스포즈를 위한 여러가지 어려움과 낭비를 막을 수 있을 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는 보빈의 최외각에 상전도 보조권선을 도입하여 이를 해결하려고 한다.

도 7은 보빈에 상전도 보조권선을 도입한 경우의 초기 전류 충전정도를 나타내고 있다. 보조 권선을 도입하더라도 정상상태에서는 아무런 영향이 없다. 정상상태에서는 초전도 테이프의 임피던스가 거의 제로에 가깝기 때문에 상대적으로 큰 임피던스를 갖는 상전도 보조 권선으로는 전류가 흐르지 않기 때문에 아무런 영향이 없다. 그래프의 가장 위의 선은 전체 전류를 나타내고 상전도 권선에서는 충전되는 전류가 감소하는 것이 나타나 있으며 정상상태에서는 초전도 테이프(권선)로 거의 모든 전류가 흐르게 되는 것을 보여주고 있다.

도 8에서는 사고 전류가 발생시 초전도 테이프와 상전도 권선에 흐르는 전류의 흐름을 보여주고 있다. 그래프의 가장 위쪽의 선은 흐르는 전체 전류를 나타내고 있다. 사고 전류가 발생시에는 초전도 테이프에 퀀치가 일어나 상당한 임피던스를 가지게 되므로 상대적으로 상전도 보조권선의 임피던스가 작아서 보조권선으로 전류가 흐르게 되어 초전도 테이프에는 거의 일정하게 전류가 흐르게 된다. 이로써 초전도 테이프에서는 퀀치가 발생하더라도 전류가 임계점이하로 유지되며 열적인 안정도도 획득하게 된다. 사고 상태 초기(약 20ms)전류를 감당할 수 있으면 된다. 사고전류가 발생한 경우 구리 보조권선으로 전류가 흐르게 되어 일정 시간동안 보빈의 초전도 테이프로의 전류가 급격히 변하지 않는 모습을 그래프를 통해 알 수 있다.

상전도 보조권선을 도입하는 경우 권선을 트랜스포즈함이 없이 스택킹하더라도 사고 전류를 보조 권선이 감당하므로 문제되지 않을 것이며 권선간의 절연의 필요성이 없다. 권선을 트랜스포즈하는 경우에도 보조권선이 도입된 보빈을 사용한다면 더욱 안정성이 향샹된 제품이 될 수 있을 것이다.

상기의 상전도 보조권선은 구리와 같은 재질이 적절하다.

적층되는 초전도 테이프를 구리와 같은 상전도 보조권선을 통하여 절연의 효과를 얻을 수 있다. 정상상태에서는 구리의 임피던스가 초전도 테이프보다 월등히 크므로 아무런 문제가 되지 않고 사고 전류발생시에는 구리의 임피던스가 상대적으로 작아지게 되는 것이므로 구리권선이 사고 전류를 담당하게 되어 전류가 최소경로의 초전도 테이프로 집중하는 것을 막아 절연의 효과가 있다. 즉 사고전류발생시에 트랜스포즈하는 방법에 있어서도 권선간의 절연이 필요하지만 본 발명에서는 초전도 테이프로 과도한 전류가 흐르지 않기 때문에 권선간의 절연이 필요 없다. 다만 조인트부분에서 트랜스포즈를 하는 것은 바람직할 수 있다.

한편 트랜스포즈하는 경우에도 권선간의 절연문제를 구리와 같은 상전도 권선을 함께 스택킹함으로도 트랜스포즈할 때의 엄격한 조건들을 완화할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

본 발명에 따른 보조 권선을 도입한 보빈은 사고 전류 발생시 사고 상태 초기의 전류를 보조 권선이 감당하므로 초전도 테이프의 한 곳에 전류가 집중하여 많은 열을 발생시킴으로써 생기는 여러 문제를 해결할 수 있으며 초전도 테이프를 트랜스포즈시키지 않아도 상기의 효과를 얻을 수가 있어서 트랜스포즈시의 권선간의 절연문제와 권선방법의 어려움을 해소할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 전기회로의 사고 전류를 제한하는 한류기의 직류리액터(DC Reactor)에 있어서, 사고 발생시 사고 전류가 보빈에 적층되어 있는 초전도 테이프에 균등하게 분배시키기 위한 상전도 보조 권선이 구비되는 것을 특징으로 하는 보빈을 포함하는 직류리액터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상전도 보조 권선은 보빈의 최외각에 설치되는 것을 특징으로 하는 직류리액터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상전도 보조 권선은 구리임을 특징으로 직류리액터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 적층되는 초전도 테이프는 상전도 권선과 함께 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류리액터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 적층되는 초전도 테이프는 조인트(joint)부분만을 트랜스포즈하는 것을특징으로 하는 직류리액터.