KR20080035663A - Ｈｔｓ 전력 케이블의 장애 관리 - Google Patents

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Abstract

유틸리티 전력 네트워크에 위치한 초전도 전기 케이블에 대한 보호를 제공하는 방법 및 시스템은 초전도 전기 케이블 상에서 장애 전류를 검출하고, 기결정된 시간 주기를 걸친 적어도 하나의 이전 장애 전류 및 장애 전류로부터 상기 초전도 전기 케이블에 방산되어 있는 누적 전체 에너지를 결정하고, 방산되어 있는 상기 누적 전체 에너지에 기초하여 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 끊을지 여부에 대해 결정하는 것을 포함한다.
초전도 전기 케이블, 장애 관리 시스템, 전력 네트워크

Description

ＨＴＳ 전력 케이블의 장애 관리{Fault management of HTS power cable}
35 U.S.C §119(e)(1)하에서, 본 출원은 2005년 7월 29일자로 출원된, U.S. 가출원 제 60/703,855호의 우선권을 주장한다.
본 출원은 약정 제 DE-FC36-03G01303호 하의 U.S. 정부 지원으로 이루어져 있다. 상기 정부는 본 발명에 소정의 권리를 가진다.
본 발명은 HTS 전력 케이블의 장애 관리에 관한 것이다.
(네트워크 장치 실패와 같은) 유틸리티 네트워크에서의 문제, 또는 "장애"는 어떻게 전력이 네트워크 전역에 배전되는 지에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 장애는 네트워크의 다른 영역 전역에 배전 및 장애로부터 생기는 전압 "새그"(voltage "sag")로부터 복구하기 위해 더 낮은 에너지를 남기며, 전원에서 에너지를 소모하는 경향이 있다.
장애가 유틸리티 네트워크에서 발생하는 경우, 순간 전압 강하를 겪으며, 이는 네트워크상에서의 전압 불안정 또는 전압 붕괴를 유발할 수 있다.
일반적으로, 이와 같은 장애는 유틸리티 네트워크상에서 순간적으로 일어나는 극도로 큰 부하(load)로서 나타난다. 이 부하의 출현에 반응하여, 네트워크는 부하(즉, 장애)로 큰 양의 전류를 전달하려 한다. 회로 차단기에 결합되어 있는 검 출기 회로는 과전류 상태를 즉시(수 ms안에) 검출한다. 검출기 회로로부터의 활성화 신호(activation signal)는 회로의 개방을 초기화하는 보호 계전기(protective relay)로 전송된다. 계전기의 기계적 성질은 일반적으로 개방하기 위해 3에서 6 사이클(즉, 100 ms에 달하는)을 필요로 한다. 차단기가 열리는 경우, 장애가 제거된다.
HTS(high temperature superconductor) 전선(wire)을 사용하는 전력 케이블은 비교적 작은 풋프린트(footprint)를 유지하는 동안 유틸리티 전력 네트워크에서 전력 용량을 증가시키기 위해 개발되고 있는 중이다. 다른 이점들 중에서, HTS 전역 케이블은 밀집한 낡은 도시 지역에서조차 설치하기 훨씬 쉽다. 이와 같은 HTS 케이블은 또한 더 많은 양의 전력을 경제적으로 신뢰성 있게 유틸리티 전력 네트워크의 혼잡한 영역으로 주입되도록 하고 혼잡을 경감하도록 필요된 곳에 정확하게 전송되도록 한다. HTS 전력 케이블은 전기의 송전 및 배전을 위해 구리 대신에 케이블의 코어(core)로 HTS 전선을 사용한다. HTS 케이블의 설계는 종래의 라인 및 케이블과 비교하여 상당히 더 낮은 임피던스를 가져온다. HTS 전선의 사용은 종래의 교류 전류(AC) 케이블과 비교하여 안전전류량(carrying current capacity)에있어 3 배에서 5 배의 증가할 수 있게 하고, 종래의 직류(DC) 케이블을 통해 10 배에 달하는 더 많은 전력 흐름을 가능하게 한다.
HTS 전력 케이블은 장애 전류에 종래의 초전도가 아닌 케이블과는 다르게 동작한다. 먼저, 냉 유전(cold dielectric) HTS 전력 케이블은 냉각액이 주요 장애 동안이나 장애와 병렬로 연결되어 있는 동안 하위-냉각된(sub-cooled) 상태로 남아 있어야 하는 것을 요구한다. 이는 고전압 케이블 코어와 접지 전위에 있는, 쉴드(shield) 사이의 유전 강도를 유지시키는 것이 필요로 한다. 절연체 내의 임의의 버블(bubble) 형상은 절연체의 유전 특성을 위협할 것이다. 두 번째로, 케이블은 동작하는 온도 범위 아래로 다시 냉각되기 위해 HTS 컨덕터에 대한 충분한 시간을 허용하기 위해 주요 장애가 따르는 라인을 오프(off)해야 한다. 결과적으로, 종래 케이블 장애 보호 계획은 HTS 전력 케이블과 함께 사용하는 데 적합하지 않다.
본 발명의 일반적인 양태에서, 유틸리티 전력 네트워크에 위치한 초전도 전기 케이블에 대한 보호를 제공하는 방법은 다음 단계를 포함한다. 장애 전류는 초전도 전기 케이블 상에서 검출된다. 초전도 전기 케이블에 방산된(dissipate)(또는 저장된) 누적 전체 에너지는 장애 전류 및 기결정된 시간 주기에 걸친 적어도 하나의 이전 장애 전류로부터 결정된다. 방산된(또는 저장된) 상기 누적 전체 에너지에 기초하여 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 연결해제할지 여부에 대한 결정이 이루어진다.
본 발명의 이 양태의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다. 검출하는 단계는 초전도 전기 케이블 상에서의 장애 전류의 지속 시간 tdj 및 장애 전류 Ij의 크기의 결정을 포함한다. 상기 방법은 또한 장애 전류 Ij가 기결정된 역치 전류 레벨을 초과하는 지를 결정하고, 초과하는 경우, 장애 전류 Ij의 레벨에 기초한 시간 주기(time period) 동안 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 연결해제하는 단계를 포함한다.
시간 주기는 초전도 전기 케이블의 형상(geometry) 및 결합된 냉각 시스템에 기초한다. 예를 들어, 초전도 전기 케이블의 형상은 복수의 층을 포함하고 시간 주기는 층 j의 단면 영역인 Aj, 층 j의 전도도인 kj, 위치 및 시간의 함수인 층 j의 국부 온도인 Tj, 층 j-1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j-1, 층 j+1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j+1, 층 j의 밀도인 ρj, 층j의 비열인 Cj, 및 냉각제 유량(coolant flow rate)인
Figure 112008014731312-PCT00001
에 기초한다.
상기 방법은 또한 Ij가 기결정된 역치 전류 레벨을 초과하지 않는 경우 장애 전류 Ij와 이전 장애 전류 Ij -1 사이의 경과된 시간을 결정하는 단계 및 경과된 시간이 기결정된 역치 시간 주기를 초과하는 지를 결정하는 단계 및 초과하는 경우, 유틸리티 전력 네트워크에서 초전도 전기 케이블의 연결을 유지하는 단계를 더 포함한다. 누적 전체 에너지 값을 결정하는 단계는 주요 장애가 기결정된 역치 시간 주기보다 짧은 시간 주기에서 일어난다면 케이블이 손상될 수 있는 에너지의 양을 나타내는 임계 역치 값보다 누적 전체 에너지 값이 작은 지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 유틸리티 전력 네트워크에 위치한 초전도 전기 케이블에 대한 보호를 제공하는 시스템은 초전도 전기 케이블 상에 전달되는 장애 전류를 검출하도록 구성된 센서; 장애 전류 및 기결정된 시간 주기에 걸친 적어도 하나의 이전 장애 전류로부터 초전도 전기 케이블에 방산된 누적 전체 에너지를 결정하도록 구성되고; 방산된 상기 누적 전체 에너지에 기초하여 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 끊을지 여부를 결정하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 발명의 이 양태의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다. 제어기는 초전도 전기 케이블 상에서의 장애 전류의 지속 시간 tdj 및 장애 전류 Ij의 크기의 결정한다. 제어기는 장애 전류 Ij가 기결정된 역치 전류 레벨을 초과하는 지를 결정하고 초과하는 경우, 장애 전류 Ij의 레벨에 기초한 시간 주기 동안 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전력 케이블을 끊는다. 시간 주기는 초전도 전기 케이블의 형상 및 결합된 냉각 시스템에 기초한다. 제어기는 장애 전류 Ij와 이전 장애 전류 Ij -1 사이의 경과된 시간을 결정하고 경과된 시간이 기결정된 역치 시간 주기를 초과하는 지를 결정하고 초과하는 경우, 유틸리티 전력 네트워크에서 초전도 전기 케이블의 연결을 유지한다.
다른 이점들 중에서, 위에서 설명된 상기 방법 및 시스템은 전력 케이블이 연결되어 있는 전력 네트워크의 일부에서 전류 흐름을 감시함으로써 초전도 전기 케이블의 과전류 보호를 제공한다. 상기 방법 및 시스템은 발생한 장애뿐만 아니라 이전에 발생한 장애들을 설명하고, 케이블을 통해 전류의 즉각적인 중단을 요구하는 레벨로 올라가지 않는(즉, 회로 차단기의 활성화) 장애들조차도 그럼에도 불구하고 케이블에서 초전도체의 가열을 유발한다. 이와 같이 함으로써, 이전 장애들에 기인한 누적 가열 효과는 장애가 일어나는 경우로 설명이 된다. 예를 들어, 회로 차단기를 정상적으로 시동시키지(trip) 않는 지속시간 및 전류 크기를 가지는 장애는 다른 최근에 발생한 장애들로부터의 가열과 관련하여 초전도 케이블에 손상을 주는 충분한 열을 발생할 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 상세한 설명은 수반하는 도면 및 이하의 명세서에 설명되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 도면, 청구항 및 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 HTS 케이블에 과전류 보호를 제공하기 위한 장애 관리 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 2는 HTS 케이블의 투시도이다.
도 3은 장애 관리 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 장애 이벤트의 제 1 시리즈에 대해, 각각, 시간의 함수로 전류 및 시간의 함수로 HTS 온도를 예시하는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 장애 이벤트의 제 2 시리즈에 대해, 각각, 시간의 함수로 전류 및 시간의 함수로 HTS 온도를 예시하는 그래프이다.
다양한 도면에서 동일한 기준 기호는 동일한 소자를 가르킨다.
도 1을 참조하면, 유틸리티 전력 그리드(grid)(10)의 부분 내에 연결되어 있는 HTS(고온 초전도) 케이블(100)이 도시되어 있다. HTS 케이블(100)은 수백 미터의 길이를 가지며, 동일한 양의 전류를 전송하는 종래의 구리 케이블에 의해 요구된 공간의 부분을 점유하는 반면 상대적으로 고 전류 및 저 저항의 전기적 경로를 제공한다. 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, HTS 케이블(100)에 사용된 HTS 전선은 유사한 크기의 구리 전선의 전기 전류에 비해 150 배만큼 전송할 수 있는 설계 및 구조를 가진다. AC 케이블의 코어로 꼬아진 많은 양의 구리보다는 차라리 상대적으로 작은 양의 HTS로, 3 배에서 5 배 많은 전력이 동일한 크기의 라인을 통해 전송될 수 있다.
도 2를 참조하면, HTS 케이블(100)은 제 1 고온 초전도 층(104), 제 2 고온 초전도 층(105), 고전압 절연 층(106), 고 온도 초전도 쉴드 층(108), 외부 구리 쉴드 층(109), 보호 층(110), 냉각제 외피(111), 내부 저온유지장치(cryostat) 벽(112), 진공 공간(113), 외부 저온유지장치 벽(114) 및 외부 케이블 시스(sheath)(115)에 의해 반경방향으로 연속되어 둘러싸여진 연선(strand) 구리 코어(102)를 포함한다. 동작에서, 냉매(refrigerant)(예를 들어, 액체 질소)는 냉각제 외피(111)의 길이를 따라 그리고 내부에 순환하도록 외부 냉각원(도시되지 않음)으로부터 공급된다. 이 유형의 HTS 전력 케이블은 프랑스 파리, 넥상스(Nexans)사로부터 이용가능하다. 일본 오사카, Sumitomo Electric Industries, Ltd 및 조지아주, 캐롤턴의 Southwire Company의 합작회사 UlteraTM 및 덴마크 아스나에스, nkt cable사 또한 HTS 전력 케이블을 생산한다.
다시 도 1을 참조하면, HTS 케이블(100)은 약 138 kV 레벨로 전압을 전송하는 송전 그리드 세그먼트(segment)(120) 내에 연결되어 있고 약 69 kV의 더 낮은 레벨로 전압을 전송하는 그리드 세그먼트(122)에서 그리드 세그먼트(124)로 뻗어 있다. 스텝-다운 변압기(step-down transformer)는 138 kV 송전 라인 전압에서 낮은 69 kV 송전 전압 라인으로 전압을 강하한다. 이 특정 응용에서, 송전 그리드 세그먼트(124)는 복수의 부하(128)뿐만 아니라 변전소(substation)(129)에 급전한다. 한 쌍의 회로 차단기(130,132)는 HTS 케이블이 유틸리티 전력 그리드로부터 빠르게 연결해제되도록 HTS 케이블(100)의 각각의 단부에서 연결되어 있다. 장애 관리 시스템(200)은 HTS 케이블(100)이 손상 받을 수 있는 온도 이하로 유지하는 것을 보장함으로써 HTS 케이블(100)에 과전류 보호를 제공한다. 장애 관리 시스템(200)은 HTS 케이블(100)이 연결되어 있는 유틸리티 그리드의 세그먼트에서 전류 흐름을 감시함으로써 이와 같은 과전류 보호를 제공한다. 특히, 장애 관리 시스템(200)은 HTS 케이블(100)의 한 단부에서 한 쌍의 변류기(current transformer)(134)로부터의 전류를 감지한다. 장애 관리 시스템은 회로 차단기(130, 132), 컴퓨터-판독가능 명령어를 수행하기 위한 프로세서(214), 및 프로세서에 메모리를 연결하는 버스(216)를 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램(212)을 저장하기 위해 적어도 하나의 부분을 포함하는 메모리(210)를 포함한다. 장애 관리 시스템은 또한 장애들 사이의 시간 및 장애 지속기간 모두를 결정하기 위한 표준 GPS 클록(133)을 포함한다. 구체적으로, GPS 클록은 장애 지속기간 및 장애들 사이의 시간을 정하는 데 있어 프로세서(214)에 타임 스탬프(time stamp)를 제공한다. 저장된 프로그램은 변류기(134)에 검출된 신호 및 표준 GPS 클록에 기초하여, 송전 라인(120)으로부터 HTS 케이블을 연결해제하기 위해 회로 차단기(130,132)에 제어 신호를 제공하는 컴퓨터-판독가능 명령어를 포함한다.
도 3을 참고하여, 장애 관리 시스템(200)의 동작은 도 2에 나타난 바와 같은 구조를 가지는 HTS 케이블(100)과 관련하여 설명한다. 이 예에서, HTS 케이블은 HTS 층(105)의 온도 상승이 허용가능한 온도 허용범위보다 큰 기결정된 허용가능 장애 한계 이상을 받지 않았다고 가정하며, HTS 케이블(100)은 200 ms(12 싸이클)의 지속기간을 가진 69 kA 장애 전류만큼 높은 장애 전류를 견디도록 설계되어 있다. 본 발명이 일반적으로 HTS 전력 케이블에 적용가능하고 이 예에서 사용되는 구체적인 매개변수가 이 특정한 케이블 설계 및 특정한 송전 그리드 구성을 위한 것이라는 점이 이해되어야 한다. 주어진 케이블 설계 및 그리드에 대한 본 발명을 실행하는 데 필요한 매개변수는 당업자에 의해 쉽게 결정될 것이다.
동작시, 장애 관리 매개변수(200)는 가장 취약적인 위치에서(전형적으로 냉각제가 가장 높은 온도를 가지는 케이블의 단부에서) HTS 케이블에 의해 방산되도록 예상되는 길이 당 전체 에너지의 값을 저장하기 위한 에너지 레지스터(220)를 포함한다(단계 302). 장애 관리 시스템은 계속하여 감시한다. GPS 클록 신호에 의해 제공된 시간창(time window) 내에 변류기(134)에서 전류의 레벨을 감시한다. 시간창에서 전류가 정상 동작 전류를 초과한다면 타임 스탬프는 전류가 정상 레벨을 초과하는 경우 및 정상 레벨로 돌아가는 경우 발생된다. 이는 장애 관리 시스템이 특정 장애의 전체 시간을 결정하도록 한다(단계 304). 이 실시예에서, 69 kA 보다 큰 장애 전류는 초전도 층(105)의 온도가 냉각제의 포화 온도를 초과하도록 유발할 수 있어, 이에 의해 고 전압 절연층(106) 내의 버블의 형성 때문에 케이블에 영구적인 손상을 유발할 수 있다. 그러나, 전류 레벨이 69kA보다 작지만 특정 케이블/ 그리드에 대한 기결정된 역치 전류 레벨(이 예에서는 20 kA) 위에 있는 경우, 케이블에 의해 전송된 전류의 레벨 및 장애의 지속시간이 69kA 레벨에서 장애 전류를 견딜 수 있는 레벨로 냉각하기 위한 케이블에 대한 충분한 시간없이 온도를 상승시키는 데 충분하다면 HTS 케이블(100)은 손상 받기 쉬울 수 있다. 따라서, 장애 관리 시스템(200)은 감시된 전류가 20 kA보다 작은 지 여부를 결정한다(단계 306). 감시된 전류가 20kA보다 크다면, 장애 관리 시스템(200)은 다음의 장애에 관계없이 냉각하기 위해 HTS 케이블에 필요한 시간 주기를 정하도록 케이블 오프-라인 타임테이블(224)을 참조한다. 이후 케이블은 개방하도록 명령하는 신호를 차단기에 전송함으로써 결정된 시간 주기 동안 오프라인으로 취한다.
이 특정 예에 대해, HTS 케이블은 다음과 같은 케이블 오프라인 타임테이블 룩업 테이블(cable off-line timetable lookup table)을 사용한다:
전류(kA) 근사 시간(시)
69 8
60 5.8
50 3.8
40 2.3
30 1.2
20 0.5
케이블 오프-라인 타임테이블에 대한 근사 시간 값이 케이블 에너지 평형식(energy balance equation)으로 부터 생성된다.
Figure 112008014731312-PCT00002
(1)
여기서 Aj는 층 j의 단면 영역이고, kj는 층 j의 전도도이고, Tj는 위치 및 시간의 함수인 층 j의 국부 온도이고, Rj ,j-1은 층 j-1과 층 j사이의 열 저항이고, Rj,j+1은 층 j+1과 층 j사이의 열 저항이고, ρj는 층 j의 밀도이고, Cj는 층j의 비열이다.
장애에 기인한 HTS 내의 저장된 에너지는 케이블이 다시 에너지가 가해지기 전에 제거되어야 한다. 정상 동작 모드 이하로 다시 HTS 케이블(100)을 냉각하기 위한 지속 시간은 몇몇 인자에 좌우된다. 이들 인자는 장애 동안 케이블 내에 방산되어 있는 전체 에너지뿐만 아니라 이용가능한 냉각 전력, 냉각제 유량(flow rate)을 포함한다. 케이블 내에 저장되어 있는 에너지가 많을수록, 케이블을 냉각하기 위해 필요한 시간은 더 길어질 수 있다. 냉각하기 위한 지속 시간을 계산하기 위해, 과도 열(transient thermal) 모델이 필요하다. 위에서 나타난 각각의 장애의 지속 시간의 계산된 결과는 케이블이 얼마나 오래 주어진 장애 전류에 대해 오프-라인이어야 하는 지를 결정하기 위해 케이블 사업가에 의해 사용될 수 있다.
감시된 전류가 20 kA보다 낮다면, 케이블은 바로 오프 라인으로 취해져야 하지 않는다. 따라서, 장애 관리 시스템(200)은 이때 이전 장애 사이의 시간이 기결정된 시간 역치, 여기서 20 분보다 적은지 여부를 결정한다(단계 308). 장애 사이의 시간이 20분보다 크다면 냉각 효과에 기인한 이전 장애가 없는 것처럼 에너지 레지스터에 저장되어 있는 길이당 에너지값은 0으로 리셋된다. 장애 사이의 시간이 20 분보다 짧으면, 장애 관리 시스템은 HTS 케이블(100)이 길이당 저장된 에너지의 소정의 레벨을 가지도록 지속한다고 가정한다. 장애 관리 시스템(200)은 저장된 에너지의 레벨을 결정하기 위한 알고리즘을 사용한다(단계 310):
Figure 112008014731312-PCT00003
여기서: Ej는 단위 길이당 저장된 에너지(J/m)이고
Ej -1은 이전 장애로부터의 단위 길이당 저장된 에너지(J/m)이고
Ij는 장애 전류의 크기이고
Fs는 전류 공유 인자(A*sec*m/J)이고
tdj는 장애의 지속기간(sec)이다.
상기 식이 다수의 인자에 좌우하는 전류 공유 인자 Fs를 포함하는 점을 유의한다. 전류 공유 인자 테이블(current sharing factor table)은 다양한 장애 조건을 모델링하고 소정의 HTS 층에 방산된 에너지와 주어진 장애 전류 사이의 상관 관계 및 장애 지속기간을 찾음으로써 생성된다. 위에서 설명되는 바와 같이, HTS 케이블(100)은 몇 개의 층으로 이루어진다. 장애 상태 동안, 전류는 케이블 구성에 기초하여 초전도 층(104, 105, 108), 포머(102) 및 구리 쉴드(114) 사이에 분배될 것이다. 케이블의 형상 및 설계에 기인하여, 초전도 층(105)의 온도는 초전도 층(104)의 온도보다 높을 것이므로, 버블의 임의 형성에 의해 야기된 손상이 상기 층 가까이에 있을 것이다. 따라서, 초전도층(105)은 HTS 케이블(100)이 손상으로부터 보호되는 것을 보장하는데 있어 임계 층으로서 사용된다. 도 2 에 나타난 특정 HTS 케이블(100)에 대하여, 전류 공유 인자와 장애 전류 레벨을 결합시키는 전류 공유 인자 테이블은 다음과 같다:
전류(kA) Fs(Asm/J)
1 554700
2 5371
3 667
4 329
5 95
6 57
7 43
8 36
9 32
10 30
일단 단위 길이당 저장된 에너지 Ej가 위에서 나타난 알고리즘을 사용하여 계산되면 기결정된 단위 길이당 에너지 역치, 본 발명에서 74 J/meter와 비교된다. 단위 길이당 에너지가 이 예에서 74 J/meter의 역치보다 작으면, HTS 케이블(100)은 송전 세그먼트(120) 내에 연결되어 있다. 74 J/meter보다 크면, HTS 케이블(100)은 재연결되기 전에 20 분 동안 송전 세그먼트(120)로부터 연결해제된다. 20 분의 지속 시간은 케이블(100)로부터 저장된 에너지를 제거하는 최소한의 필요조건이고 냉각 시스템 설계에 기초한다. 장애 관리 시스템(200)의 동작을 더 잘 이해하기 위해, 도 4a , 도 4b, 도 5a, 도 5b를 참고한다. 제 1 장애 보호 실시예로, 도 4a는 시간의 함수로서 3 개의 연속적인 장애 전류 이벤트의 장애 전류 레벨을 나타내는 반면 도 4b는 시간의 함수로 HTS 케이블(100) 내에 초전도 층(105)의 대응하는 온도를 나타낸다. t=0에서, HTS 케이블(100)이 대략 300 A의 전류 레벨을 전송하고(도 4a) 케이블의 가장 높은 온도는 대략 74K이다(도 4b). 1 초 후(t=1sec), 5 초 동안 지속하는 3 kA 장애 전류가 발생한다. 도 4b에 나타난 바와 같이, 5 초 동안, HTS 케이블의 약 74.6K로 꾸준하게 상승한다. 장애가 t=6 sec에서 제거되는 경우, 전류 레벨은 300A의 정상 동작 전류로 바로 떨어진다. 그러나, 3 번의 장애 중 2 번째 장애가 t=6.5 sec에서 발생하는 경우 케이블의 온도는 약간 떨어질 뿐이다. 도 4a에서 나타난 바와 같이, 2 번째 장애는 5 kA 장애이고 0.4초 동안 지속되고 도 4b에 나타난 바와 같이, HTS 케이블(100)의 온도는 약 75.2K로 비교적 빠르게 증가한다. t=7 sec에서, 마지막 장애 전류 이벤트가 발생하고, 정상 전류 상태로 되돌아 가기 전에 1 초동안 4kA 장애가 지속한다. 다시 한번, 도 4b에 나타난 바와 같이, 케이블의 온도는 약 75.5K로 다시 한번 상승하고, 이는 여전히 기결정된 76K 오프-라인 역치 이하이다. HTS 케이블의 온도는 식
Figure 112008014731312-PCT00004
에 따라 에너지와 관련되고, E는 HTS 층(105)에 방산되어 있는 길이당 에너지이고, Tinit는 초기 온도이고, Tf는 HTS 층(105)의 마지막 온도이고, ρ는 HTS 전선 밀도이고, A는 HTS 전선 단면적(sectional area)이다. 그러므로 제 1 실시예에서, 장애 전류 이벤트의 특정 조합은 장애 관리 시스템(200)이 송전 라인(120)에서 HTS 케이블(100)을 제거하도록 유발하는데 충분하지 않았다. 이는 4 kA 장애 이후, 큰 69kA 장애가 있는 경우에서도 케이블이 손상되지 않는 것을 의미한다.
도 5a 및 도 5b를 참고하여, 제 2 장애 보호 실시예에서, t=0에서, HTS 케이블(100)은 약 300A의 전류 레벨을 전송하고(도 5a) 케이블의 가장 높은 온도는 대략 74K이다(도 5b). 1 초 후(t=1 sec), 0.4 초 동안 지속하는 6 kA 장애 전류가 발생한다. 도 5b에 나타난 바와 같이, 0.4 초 동안, HTS 케이블의 약 75.2K로 빠르게 상승한다. 장애가 t= 1.5 sec에서 제거되는 경우, 전류 레벨은 300A의 정상 동작 전류로 바로 떨어진다. 그러나, 3 번의 장애 중 2 번째 장애가 t= 2 sec에서 발생 하는 경우 케이블의 온도는 매우 조금 떨어진다. 도 5a에서 나타난 바와 같이, 2 번째 장애는 4 kA 장애이고 2초 동안 지속되고 도 5b에 나타난 바와 같이, HTS 케이블(100)의 온도는 약 75.8K로 비교적 꾸준하게 증가한다. t=4.5 sec에서, 정상 전류 상태로 되돌아 가기 전에 5 초 동안 3 kA 장애가 지속하는 마지막 장애 전류 이벤트가 발생한다. HTS 케이블(100)의 온도가 3 번째 장애 전류 이벤트의 시간에서 비교적 크게 남아 있음을 주의한다. 도 5b에 나타난 바와 같이, 약 t=5,5 sec에서, 케이블의 온도는 76K의 오프-라인 온도를 초과하는 것으로 나타난다. 따라서, 도 4a 및 도 4b에 나타난 실시예와는 달리, 장애 관리 시스템(200)은 송전 라인(120)에서 HTS 케이블(100)을 끊기 위해 회로 차단기(130, 132)로 제어 신호를 전송한다. 케이블이 라인에 남아 있으면, 3kA 장애 이후 69kA의 주요 장애는 케이블(100)에 손해를 유발한다.
본 발명에 관한 다수의 실시예가 설명되어 있다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변경이 본 발명의 범위 및 기술사상에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 고전류 보호의 레벨에 대한 전술된 값들이 HTS 케이블의 특정 설계 및 구조에 좌우되고 유틸리티 전력 그리드내에서 어떻게 그리고 어디서 사용되는 지에 좌우되는 것을 이해하는 것이 중요하다. 그러므로, 전류 분배 인자 테이블에 대한 값들로서 케이블 오프-라인 테이블에 나타난 전류 및 근사 냉각 기간에 대한 값은 유틸리티 전력 네트워크에서의 응용뿐만 아니라 HTS 케이블의 설계에 기초하여 결정된다.
본 발명의 명세서 내에 포함되어 있음.

Claims (18)

  1. 유틸리티 전력 네트워크에 위치한 초전도 전기 케이블에 대한 보호를 제공하는 방법으로서,
    상기 초전도 전기 케이블 상에서 장애 전류를 검출하는 단계;
    기결정된 시간 주기에 걸친 적어도 하나의 이전 장애 전류 및 장애 전류로부터 상기 초전도 전기 케이블에 방산되어 있는 누적 전체 에너지를 결정하는 단계; 및
    방산되어 있는 상기 누적 전체 에너지에 기초하여 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 연결해제할지 여부에 대해 결정하는 단계를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호 제공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는 초전도 전기 케이블 상에서의 장애 전류의 지속 시간 tdj 및 장애 전류 Ij의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호 제공 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장애 전류 Ij가 기결정된 역치 전류 레벨을 초과하는지의 여부를 결정 하고 초과하는 경우 장애 전류 Ij의 레벨에 기초한 시간 주기 동안 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전력 케이블을 연결해제하는 단계를 더 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    장애 전류 Ij와 이전 장애 전류 Ij -1 사이의 경과된 시간을 결정하고 상기 경과된 시간이 기결정된 역치 시간 주기를 초과하는 지를 결정하고 초과하는 경우 유틸리티 전력 네트워크에서 초전도 전기 케이블의 연결을 유지하는 단계를 더 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 전기 케이블을 연결해제할지 여부에 대해 결정하는 단계는 누적 전체 에너지 값이 주요 장애가 기결정된 역치 시간 주기보다 짧은 시간 주기에서 일어난다면 케이블이 손상될 수 있는 에너지의 양을 나타내는 임계 역치 값보다 작은 지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 시간 주기는 결합된 냉각 시스템 및 초전도 전기 케이블의 형상에 기초 하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 초전도 전기 케이블의 형상은 복수의 층을 포함하고 시간 주기는 층j의 단면 영역인 Aj, 층 j의 전도도인 kj, 위치 및 시간의 함수인 층 j의 국부 온도인 Tj, 층 j-1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j-1, 층 j+1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j+1, 층 j의 밀도인 ρj, 및 층j의 비열인 Cj에 기초하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 케이블은 고온의 초전도(HTS) 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 케이블은 전기 절연체에 의해 분리되는 복수의 HTS층 및 구리 코어를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 방법.
  10. 유틸리티 전력 네트워크에 위치한 초전도 전기 케이블에 대한 보호를 제공하는 시스템으로서,
    초전도 전기 케이블 상에 전달되는 장애 전류를 검출하도록 구성된 센서; 및
    기결정된 시간 주기에 걸친 적어도 하나의 이전 장애 전류 및 장애 전류로부터 초전도 전기 케이블에 방산되어 있는 누적 전체 에너지를 결정하고 그리고 방산되어 있는 상기 누적 전체 에너지에 기초하여 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전기 케이블을 연결해제할지 여부를 결정하도록 구성되어 있는 제어기를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 초전도 전기 케이블 상에서의 장애 전류의 지속 시간 tdj 및 장애 전류 Ij의 크기의 결정하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기는 장애 전류 Ij가 기결정된 역치 전류 레벨을 초과하는 지를 결정하고 초과하는 경우, 장애 전류 Ij의 레벨에 기초한 시간 주기 동안 유틸리티 전력 네트워크로부터 초전도 전력 케이블을 연결해제하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기는 장애 전류 Ij와 이전 장애 전류 Ij -1 사이의 경과된 시간을 결정하고 경과된 시간이 기결정된 역치 시간 주기를 초과하는 지를 결정하고 초과하는 경우, 유틸리티 전력 네트워크에서 초전도 전기 케이블의 연결을 유지하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 누적 전체 에너지 값이 주요 장애가 기결정된 역치 시간 주기보다 짧은 시간 주기에서 일어난다면 케이블이 손상될 수 있는 에너지의 양을 나타내는 임계 역치 값보다 작은 지 여부를 결정함으로써 초전도 전기 케이블을 연결해제할지 여부를 결정하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 시간 주기는 결합된 냉각 시스템 및 초전도 전기 케이블의 형상에 기초하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 초전도 전기 케이블의 형상은 복수의 층을 포함하고 시간 주기는 층 j의 단면 영역인 Aj, 층 j의 전도도인 kj, 위치 및 시간의 함수인 층 j의 국부 온도인 Tj, 층 j-1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j-1, 층 j+1과 층 j사이의 열 저항인 Rj ,j+1, 층 j의 밀도인 ρj, 및 층j의 비열인 Cj에 기초하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 초전도 전기 케이블은 고온 초전도(HTS) 물질을 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 초전도 전기 케이블은 전기 절연체의 의해 분리되는 복수의 HTS 층 및 구리 코어를 포함하는 초전도 전기 케이블에 대한 보호의 제공 시스템.
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