KR20090083674A - 이종 초전도선재를 이용한 전류 제한 모듈 및 하이브리드전류 제한기 - Google Patents

이종 초전도선재를 이용한 전류 제한 모듈 및 하이브리드전류 제한기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종 초전도선재를 이용한 전류 제한 모듈 및 하이브리드형 전류 제한기를 개시한다. 본 발명의 전류 제한 모듈은 소정의 방향으로 권취된 제1 초전도 선재; 및 상기 제1 초전도 선재와 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 상기 제1 초전도 선재에 의하여 유도된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된 제2 초전도 선재를 포함한다. 본 발명에 따르면, 고장 전류의 불균형한 유입에 따른 인덕턴스를 발생시키기 때문에 전류의 급격한 증가를 방지할 수 있고, 전류 제한 모듈 제작에 필요한 초전도 선재의 량을 줄일 수 있으며, 고속 스위치를 동작시키기 위한 별도의 코일을 필요로 하지 않는다.
초전도, 무유도 권선형, 한류기

Description

이종 초전도선재를 이용한 전류 제한 모듈 및 하이브리드 전류 제한기{Current limiting module and hybrid current limitter using different type of superconducting wire}
본 발명은 이종 초전도선재를 이용한 전류 제한 모듈 및 하이브리드 전류 제한기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 정상 전류 상태에서는 저항이 거의 없고 고장 전류 상태에서는 높은 저항을 발생시켜 전류를 제한시킬 수 있는 전류 제한 모듈 및 하이브리드 전류 제한기에 관한 것으로서, 송전선, 모터, 발전기등 많은 전류를 수송하는 전력계통에서 높은 고장 전류가 발생할 경우 전류를 제한시키는 수단으로 사용될 수 있다.
계통에서 발생하는 높은 고장 전류를 제한하기 위한 초전도 전류 제한기는 크게 저항형과 유도형으로 구분할 수 있다. 유도형 전류 제한기는 주로 인덕턴스 성분을 임피던스로 이용하여 전류를 제한하고, 저항형 전류 제한기는 주로 저항 성분을 임피던스로 이용하여 전류를 제한한다. 그리고, 무유도 권선형 전류 제한기는 저항형의 전류 제한기로서, 사고 전류가 초전도 전류 제한기의 임계 전류를 넘게 되면 초전도체의 빠른 상전이를 통해 저항을 발생시키고, 이를 임피던스로 작용시 켜 사고 전류를 제한한다. 기존의 무유도 권선형 전류 제한기는 HTS(high temperature superconducting) 와이어를 채택하고 있으며 정상적인 전류 상태에서의 임피던스가 0이고, 고장이 발생한 후에는 임피던스가 발생하며, 고장 상황이 종료한 이후에는 임피던스가 다시 0으로 조절된다.
무유도 권선형 전류 제한기는 대부분의 시간 동안 정상적인 전류가 흐르기 때문에 임피던스는 최소화하는 것이 필요하다. 전류 제한기의 저항이 0일 경우에도, 초전도 선로의 와인딩된 구조는 인덕턴스를 발생시킨다. 이렇게 발생된 인덕턴스를 최소화하기 위한 와인딩 구조로는 바이파일러 와인딩(bifilar winding), 시리즈형 무유도 코일(series type non-inductive coil), 패러랠형 무유도 코일(parallel type non-inductive coil) 등이 있다. 이 중에서 패러랠형 구조는 두 개의 와이어를 매우 인접하게 감은 것으로서, 전기적 절연(electrical insulation)과 열적 안정성(thermal stability) 측면에서 잇점이 있다. 패러랠형 구조를 갖는 코일은 정상 상태 전류의 교류 성분에 의해 유발되는 작은 임피던스를 가지며, 고장 상태의 전류 켄치(quench)에 의해 발생한 큰 저항성의 임피던스를 갖는다. 기존의 패러랠 형 구조는 두 개의 와이어에서 발생한 자속이 서로 크기가 같고, 방향은 반대이기 때문에 인덕턴스 성분은 상쇄되며, 고장 상태 전류에 의해 발생하는 임피던스는 단지 저항 성분만을 갖게 된다.
초전도 물질은 임계온도, 임계전류밀도, 임계자장의 범위 미만에서는 초전도현상을 나타내는 물질이다. 초전도 물질은 일반적으로 선재, 박막, 벌크 등의 형태로 가공되며, 특히 초전도 선재의 경우 정상적인 상태에서 제로 임피던스를 갖기 때문에 손실없이 대전류를 전송하거나 강자성을 발생시키는데 사용된다. 초전도 물질을 이용한 고장 전류 제한기는 정상적인 전류 상태에서는 제로 임피던스를 가져야하기 때문에, 무유도 코일이 고장 전류 제한기에 적용될 수 있다.
대한민국 공개특허 제2001-122194호는 외측 보빈 내에 내측 보빈을 위치시킨 후 내, 외측 보빈에는 각각 전류 도입 단자를 통해 병렬 연결되도록 반대 방향으로 선재가 권선된 초전도 모듈부를 구성하고, 그 모듈부를 연결 부재를 통해 상하 대칭으로 형성한 전류 제한기를 개시하고 있다. 상기 전류 제한기는 자기장은 서로 상쇄되므로 인덕턴스 성분이 생성되지 않으며, 고장 전류의 크기에 의존하는 저항 성분만을 발생시키기 때문에 고장 상태에서 인덕턴스에 따른 전류 제한 효과는 얻을 수 없다는 한계가 있었다.
본 발명은 켄치 특성이 서로 다른 이종의 초전도 선재들을 서로 반대 방향 권취 시킨 구조를 전류 제한 모듈에 도입한 것으로서, 정상 상태에서의 제로 임피던스 특성과 고장 전류의 유입에 따른 저항 성분을 발생을 유지하면서 고장 전류의 불균형한 유입에 따른 인덕턴스를 발생시키고, 발생된 인덕턴스에 따라 전류가 급격히 증가하는 것을 방지하며, 초전도 선재의 량을 줄일 수 있는 전류 제한 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 고장 전류의 유입됨에 따라 전류 제한 모듈에서 발생한 자기장을 이용하여 고속 스위치를 동작시킬 수 있는 하이브리드형 전류 제한기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전류 제한 모듈운 소정의 방향으로 권취된 제1 초전도 선재; 및 상기 제1 초전도 선재와 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 상기 제1 초전도 선재에 의하여 유도된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된 제2 초전도 선재를 포함한다.
본 발명의 전류 제한 모듈에서 전류 제한 모듈에서 제1 초전도 선재는 제2 초전도 선재의 내측 또는 외측에 소정의 간격으로 평행하게 이격 배열되며, 켄치시 발생되는 저항 특성 또는 n-값(n-value)이 서로 상이하다. 본 발명의 전류 제한 모듈은 정상 상태에서는 제로 임피던스에 가깝지만 소정의 한계값을 초과하는 전류가 유입될 경우 저항 성분이 발생함은 물론이고, 켄치 특성의 차이에 따라 인덕턴스 성분이 추가로 발생한다.
본 발명의 전류 제한 모듈은 n-값(n-value)과 저항이 소정의 기준값 보다 큰 특성을 갖는 초전도 선재를 제1 초전도 선재로 구비하고, n-값(n-value)과 저항이 소정의 기준값 보다 작은 특성을 갖는 초전도 선재를 제2 초전도 선재로 구비하는 것이 바람직하다. 특히, 제1 초전도 선재는 비스코 계열의 초전도 재료와 저항성의 매트릭스(matrix) 물질로서 은(silver)을 포함하고, 상기 제2 초전도 선재는 YBCO 계열의 초전도 재료와 저항성의 매트릭스 물질로서 구리 또는 스테일레스 스틸 계열의 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드형 전류 제한기는 소정의 방향으로 권취된 제1 초전도 선재, 상기 제1 초전도 선재와 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 상기 제1 초전도 선재에 의하여 유도된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된 제2 초전도 선재 및 상기 제1, 2 초전도 선재 각각의 일측과 연결되며, 상기 제1, 2 초전도 선재들로부터 발생한 자기장에 의하여 온/오프되는 스위치를 포함한다.
본 발명의 하이브리드형 전류 제한기는 제1 초전도 선재와 직렬로 연결된 제1 션트 저항(shunt resister), 제2 초전도 선재와 직렬로 연결된 제2 션트 저항, 제1 션트 저항과 제1 초전도 선재가 이루는 제1 선로의 일단과 상기 제2 션트 저항과 제2 초전도 선재가 이루는 제2 선로의 일단과 연결되는 제1 노드 및 상기 제1 선로의 또 다른 일단과 상기 제2 선로의 또 다른 일단과 연결되는 제1 노드를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 켄치 특성이 서로 다른 이종의 초전도 선재들을 서로 반대 방향 권취 시킨 구조를 전류 제한 모듈에 도입함으로써, 정상 상태에서의 제로 임피던스 특성과 고장 전류의 유입시 발생하는 전류 억제 특성을 유지하면서 고장 전류의 불균형한 유입에 따른 인덕턴스를 발생시킴으로써 전류의 급격한 증가를 방지시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 전류 제한 모듈은 고장 전류의 유입시 임피던스 발생 속도가 기존의 저항형 전류 제한 모듈에 비하여 더 빠르고, 전류 제한 모듈 제작에 필요한 초전도 선재의 량을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 전류 제한 모듈과 고속 스위치를 직렬로 연결할 경우, 고장 전류 유입됨에 따라 전류 제한 모듈에서 발생하는 자기장을 이용한 고속 스위칭 동작이 가능하므로, 고속 스위치를 동작시키기 위한 별도의 코일을 필요로 하지 않는 효과가 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명의 전류 제한 모듈과 하이브리드 전류 제한기에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1a는 기존의 단일 초전도 선재를 이용한 전류 제한 모듈을 나타내며, 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종의 초전도 선재를 이용한 전류 제한 모듈을 나타낸다. 도 1a의 전류 제한 모듈(10)은 내측에 권취된 제1 초전도 선재(12)와 외측에 권취된 제2 초전도 선재(14)를 구비한다. 도 1b의 전류 제한 모듈(20)은 제1 초전도 선재(22)와 제2 초전도 선재(24)를 구비하는데, 제2 초전도 선재는 제1 초전도 선재와는 서로 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 제1 초전도 선재에 의하여 유도된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된다.
도 1a의 전류 제한 모듈(10)은 동종의 초전도 선재 2개가 소정의 간격으로 이격되며 서로 반대 방향으로 권취된 구조를 갖는 패러랠 타입의 코일이다. 도 1a의 전류 제한 모듈(10)은 동종의 초전도 선재는 정상적인 전류 상태에서는 제로 임피던스를 갖는다. 2개의 초전도 선재들는 서로 엇갈리도록 시계 방향 또는 반시계 방향으로 권취되므로, 권취된 초전도 선재 각각에 따라 발생한 인덕턴스 성분은 서로 상쇄된다. 회로에 고장이 발생하여 갑자기 큰 전류가 전류 제한 모듈(10)의 초전도 선재 각각에 유입될 경우 양 선재에서 동일한 저항성의 임피던스가 발생시키므로, 양 선재에 유입되는 전류는 동일하게 유지된다.
도 1b의 전류 제한 모듈(20)은 이종의 초전도 선재 2개가 권취된 패러랠 타입의 코일이다. 전류 제한 모듈(20)의 초전도 선재들은 켄치 특성이 서로 상이하므로, 유입되는 고장 전류는 선재의 켄치 특성에 따라 서로 다르게 분배된다. 여기에서 켄치 특성이 상이하다는 것은 예를 들어, 켄치시 발생되는 저항 특성, n-값(n-value)과 같은 인덱스 번호(index number), 저항 성분 발생 속도 등이 서로 상이한 것을 의미한다. 특히, 제1 초전도 선재의 n-값은 30 이상이고, 상기 제2 초전도 선재의 n-값은 20이하인 것이 바람직한데, 왜냐하면 초전도 선재의 n-값이 서로 상이할수록 큰 인덕턴스를 유발시킬 수 있기 때문이다.
도 2a는 초전도 선재의 재료에 따른 전류와 전기장의 세기 간의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 온도와 단위 길이당 저항값을 나타내는 그래프이다. 초전도 선재에 흐르는 전류의 전류 밀도(current density)와 전기장의 세기(electric field intensity)의 관계는 하기 수학식1로 나타낼 수 있다.
수학식1
E = Ec(J/Jc)n
여기에서 E는 전기장의 세기이고, Ec는 초전도 상태에서의 전기장의 세기이며, J는 전류 밀도이고, Jc는 초전도 상태에서의 전류이며, n은 n-value이다.
도 2a와 2b에 나타난 바와 같이, 초전도 선재 재료는 정상 전류 범위 내에서는 임피던스가 0에 가깝지만, 켄치가 발생할 경우의 n-값, 저항값 등의 특성은 전류의 크기에 따라 달라지게 된다. 회로에 고장이 발생할 경우, 초전도 선재의 종류에 따른 켄치 특성의 차이는 서로 다른 전류 분배를 발생시킨다. 초전도 선재에 흐르는 전류의 차이로 인해 서로 다른 방향으로 권취된 선재의 와인딩에 따른 자속 성분은 모두 상쇄되지 않고, 잔여 자속 성분이 남게된다. 켄치 특성의 차이로 인하여 잔여 자속(magnetic flux) 성분이 발생하였다는 것은 전류 제한 모듈(20)의 고장 전류에 의하여 인덕턴스 성분이 발생하였음을 의미한다.
본 발명의 전류 제한 모듈에서 초전도 선재는 비스코 계열의 초전도 선재, YBCO 계열의 초전도 선재와 같은 고온 초전도 선재가 바람직하다. 예를 들어, Bi2223 테입, 구리 고정된 Y123 도체(copper-stabilized Y123 coated conductor), 스테인레스 스틸 고정된 도체(stainless steel-stabilized coated conductor) 등이 있다. 특히, 비스코 계열의 초전도 재료와 매트릭스(matrix)로서 은(silver) 성분을 포함하는 초전도 선재를 제1 초전도 선재로 사용하고, YBCO 계열의 초전도 재료 와 구리 또는 스테일레스 스틸 계열의 성분을 매트릭스로서 포함하는 초전도 선재를 제2 초전도 선재로 사용하는 것이 바람직하다.
도 3a와 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈의 구성도이다. 도 3a는 전류 제한 모듈의 제1 초전도 선재(32)와 제2 초전도 선재(34)를 나타낸 것이고, 도 3b는 상기 2개의 초전도 선재가 권취되는 보빈(36)을 나타낸 것이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 제1 초전도 선재(32)는 제2 초전도 선재(34)의 내측 에 소정의 간격으로 평행하게 이격 배열된다. 제1 초전도 선재와 제2 초전도 선재는 소정의 한계값을 초과하는 전류가 유입될 경우 켄치 특성의 차이에 의하여 저항 성분 뿐만 아니라 인덕턴스 성분도 발생시킨다. 보빈(36)은 제1 초전도 선재(32)가 시계 방향으로 권취되는 제1 홈(37)과, 제1 홈(37)의 내측에 소정의 간격으로 이격되며 상기 제2 초전도 선재(34)가 반시계 방향으로 권취되는 제2 홈(38)을 구비한다.
도 4는 본 발명의 전류 제한 모듈의 단락 시험을 위한 회로도이다. 도 4의 회로는 교류 전원(42), 트랜스포머(44), 제1 션트 저항(46), 제2 션트 저항(48), 제3 션트 저항(50), 전류 제한 모듈(52), S/W(TRIAC, 56), 부하 저항(58)을 포함한다. 각각의 초전도 선재에 흐르는 전류를 측정하기 위한 2개의 션트 저항(48, 50)들을 액체 질소 조(LN2 bath)에 연결시켰다. 제2 션트 저항(48)과 제3 션트 저항(50)은 정상 전류 상태에서 초전도 선재 각각에 입력되는 전류를 균등하게 분배하기 위한 것이며, 초전도 선재에 의하여 발생하는 저항에 비하여 작기 때문에 션 트 저항에 따른 전력 손실은 문제가 되지 않는다. 전류 제한 모듈(52)은 2개의 초전도 선재(53, 54)를 포함하며, S/W(TRIAC, 56)는 단락을 통해 고장 상황을 유발시키는 스위칭용 반도체이다. 하기 표1은 시험 대상이 되는 전류 제한 모듈의 스펙을 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112008007877113-PAT00001
도 5a 내지 5c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다. 본 실시예의 전류 제한 모듈(코일 1)은 초전도 선재로서 344S형과 Bi형을 사용하였다. 344S형과 Bi형 간의 저항값은 크게 다르기 때문에, 초전도 선재 간에 유입되는 전류값의 차이는 커지게 되고, 더 큰 인덕턴스를 발생시킨다. 도 5a는 코일1에서 전류와 전압과의 관계를 나타낸다. 도 5a의 그래프에서 전압 라인과 전류 라인의 위상이 동일하지 않은 것을 확인할 수 있는데, 이는 인덕턴스 성분이 유기되었음을 의미한다. 전압과 전류의 위상 이동이 있음은 도 5b의 임피던스 곡선을 통해서도 확인할 수 있다. 도 5b에서 임피던스 곡선의 기울기는 임피던스 성분을 나타낸다. 고장 발생 이전의 초전도 선재의 임피던스는 0이지만, 고장이 발생할 경우 원점을 벗어나 일정한 기울기(임피던스)를 갖게된다. 도 5b에 도시된 임피던스 곡선은 고장 상태 이후에는 원점을 지나지 않게 되는데, 이는 유기된 인덕턴스 성분에 의해 전압과 전류간에 위상차가 발생했기 때문이다. 인덕턴스 성분은 하기 수학식2에 의하여 계산할 수 있다.
[수학식2]
Figure 112008007877113-PAT00002
여기에서, Ilarge는 두 개의 초전도 선재에 흐르는 전류 중 큰 전류를 나타내고, Ismall는 작은 전류를 나타내며, Iline는 선 전류를 나타내고, Ls는 단일 선재의 인덕턴스 성분을 나타낸다.
도 5c는 시간 경과에 따른 코일1의 전체 임피던스 성분과 인덕턴스 성분을 나타내는 그래프이다. 고장이 발생한 이후의 전체 임피던스는 6mΩ이었으며, 인덕턴스는 2.9μH로 나타났다. 2.9μH는 1.09mΩ의 저항에 해당된다. 코일1의 전체 임피던스가 고장 이후에 증가하였지만, 두개의 선재에 흐르는 전류가 거의 일정하기 때문에 인덕턴스도 거의 일정하게 나타났다. 코일1에서 인턱턴스 성분이 유발된 주된 이유는 초전도 선재의 저항값의 차이 때문이다.
도 6a와 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다. 본 실시예의 전류 제한 모듈(코일 2)은 초전도 선재로서 344S형과 344형을 사용하였다. 344형 초전도 선재의 임계 전류가 69A임에도 불구하고, 고장이 발생 한 이후 켄치가 활성화되는데 약 1ms이 걸린다. 켄치가 발생한 이후에는 라인 전류의 약 80%는 344형 초전도 선재를 통해 흐른 다. 전체 임피던스는 344형 초전도 선재의 저항에 의존한다. 344S형과 344형 간의 전류 분배 차이는 코일2의 인덕턴스를 발생시킨다. 전체의 전류가 단지 어느 한 쪽의 와이어로 흐르기 때문에, 최대의 인덕턴스는 단일 선재의 인덕턴스와 같은 4μH 정도로 예상된다.
도 6a는 코일2에서 전압과 전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6b는 고장이 발생한 이후 시간에 따른 코일2의 임피던스 성분과 인턴턴스 성분을 나타내는 그래프이다. 측정된 인덕턴스는 2.6μH로 나타났으며, 이는 저항 0.98mΩ에 해당한다. 임피던스는 20Ω에서 40Ω까지 증가하였으므로, 대부분의 임피던스는 저항인 것으로 나타났다. 코일2를 구성하는 344S형과 344형 초전도 선재 모두 YBCO CC이고, 약 35 정도의 큰 n-값을 가지고 있기 때문에, 사고 발생한 이후 4.615초 만에 인덕턴스가 발생하였다.
도 7a와 7b는 종래의 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다. 본 대조예의 전류 제한 모듈(코일 3)은 초전도 선재로서 344S형을 사용하였다. 도 7a에서 예상 전류(prospective current)는 전류 제한 모듈이 없을 경우의 고장 전류로서 약 1600A이다. 코일3은 동일한 초전도 선재가 권취된 경우이므로 내측 선재와 외측 선재에 흐르는 전류가 거의 동일하다. 고장 상태가 발생하기 이전의 VSFCL은 0이지만, 고장이 발생한 이후 VSFCL는 갑자기 증가하게 된다. 초전도선재에 흐르는 전류가 임계값인 103A를 초과할 경우, VSFCL도 증가하게 된다. 고장 이후 켄치가 발생할 때 까지는 약 1ms가 소요된다.
도 7b에서 그래프의 기울기는 초전도 선재의 임피던스를 나타낸다. 도 7b의 A영역은 정상 전류 상태로서, 정상 전류 상태에서 초전도 선재의 임피던스는 0으로 나타난다. 고장이 발생할 경우, 임피던스는 B영역으로 이동한다. 코일3의 경우 임피던스의 증가는 코일1에 비하여 완만하고, 위상 이동이 없기 때문에 원점을 통과한다는 것을 확인할 수 있다.
코일3의 임피던스는 3개의 코일들 중에서 가장 큰 것으로 나타났다. 코일3에서는 자기장 형성되지 않았지만, 코일1에서는 코일2보다 큰 자기장이 형성되었다. 그러나, Bi의 저항이 작기 때문에 코일1의 전체 임피던스는 가장 작게 나타났다. 코일2도 본 발명에 따라 구현된 것이지만, 본 실험에서 사용된 권선의 길이가 짧았기 때문에 전체 임피던스 성분으로부터 인덕턴스 성분을 구별하는 것은 용이하지 않다. 저항값은 초전도 선재의 길이에 비례하지만, 코일의 인덕턴스는 초전도 선재 길이의 제곱에 비례함을 고려할 때, 본 실험예와 달리 더 긴 초전도 선재를 권취시킬 경우 인덕턴스는 크게 증가할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 전류 제한기를 나타내는 구성도이다. 도 8에 도시된 하이브리드형 전류 제한기는 제1 노드(62), 제1 션트 저항(64), 제2 션트 저항(66), 전류 제한 모듈(68), 제2 노드(72) 및 고속 스위치(74)를 포함한다. 2개의 션트 저항들(64, 66)은 전류 제한 모듈(68)의 제1 초전도 선재(69)와 제2 초전도 선재(70)에 유입되는 전류를 션트 저항의 비에 따라 분배시킨다.
본 발명에 따른 이종 초전도 선재로 이루어진 전류 제한 모듈은 정상 상태에 서는 인덕턴스가 0에 가깝지만, 고장 상태에서는 켄치 특성 차이에 따른 비균일한 전류 분배에 따라 초전도 선재간에 상쇄되지 않은 인덕턴스가 잔존하게 된다. 따라서, 잔존하는 인덕턴스에 따른 자기장이 전류 제한 모듈(68)에 형성되며, 자기장을 이용하여 고속 스위치를 ON/OFF 시킬 수 있다. 종래의 하이브리드형 전류 제한기는 고속 스위치 동작에 필요한 자기장을 생성시키기 위하여 별도의 코일을 필요로하였으나, 본 발명의 하이브리드형 전류 제한기는 고장이 발생한 이후 빠른 속도로 임피던스를 발생시키므로 고속 스위칭에도 적합하다.
본 발명의 전류 제한 모듈은 고장 전류의 불균형한 유입에 따라 발생된 인턱턴스를 이용하여 전류의 갑작스런 증가를 방지하고, 고장 상황 발생 초기에 다량의 전류가 회로에 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 필요한 초전도 선재의 량을 줄일 수 있기 때문에, 송전선, 발전기 등의 전력 계통 응용 분야에 사용하기에 적합하다. 또한, 본 발명의 전류 제한 모듈과 고속 스위치를 직렬로 연결시킨 하이브리드형 전류 제한기는 고장 전류의 유입됨에 따라 전류 제한 모듈의 자기장을 이용한 고속 스위칭 동작이 가능하다.
도 1a는 기존의 단일 초전도 선재를 이용한 전류 제한 모듈의 일 예를 나타내며, 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종의 초전도 선재를 이용한 전류 제한 모듈을 나타낸다.
도 2a는 초전도 선재의 재료에 따른 전류와 전기장의 세기 간의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 온도와 단위 길이당 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 전류 제한 모듈의 단락 시험을 위한 회로도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6a와 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7a와 7b는 종래의 전류 제한 모듈에 따른 전류, 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 전류 제한기를 나타내는 구성도이다.

Claims (11)

  1. 소정의 방향으로 권취된 제1 초전도 선재; 및
    상기 제1 초전도 선재와 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 상기 제1 초전도 선재에 의하여 발생된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된 제2 초전도 선재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 초전도 선재는 제1 초전도 선재와 켄치시 발생되는 저항 특성 또는 n-값(n-value)이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재는 상기 제2 초전도 선재의 내측 또는 외측에 소정의 간격으로 평행하게 이격되며, 상기 제1 초전도 선재와 제2 초전도 선재는 소정의 한계값을 초과하는 전류가 유입될 경우 켄치 특성의 차이에 따른 인덕턴스 성분을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재가 제1 방향으로 권취되는 제1 홈; 및
    상기 제1 홈의 내측 또는 외측에 평행하게 이격되며 상기 제2 초전도 선재가 제2 방향으로 권취되는 제2 홈이 형성된 보빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재는 n-값(n-value)과 저항이 소정의 기준값 보다 큰 특성을 갖는 것이고, 상기 제2 초전도 선재는 n-값(n-value)과 저항이 소정의 기준값 보다 작은 특성을 가지며, 상기 제1 초전도 선재와 제2 초전도 선재는 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재의 n-값은 30 이상이고, 상기 제2 초전도 선재의 n-값은 20 이하인 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재는 비스코 계열의 초전도 재료와 저항성의 매트릭스(matrix) 성분으로서 은(silver)을 포함하고, 상기 제2 초전도 선재는 YBCO 계열의 초전도 재료와 저항성의 매트릭스 성분으로서 구리 또는 스테인레스 스틸 계열의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 모듈.
  8. 소정의 방향으로 권취된 제1 초전도 선재;
    상기 제1 초전도 선재와 다른 켄치 특성(Quench Characteristic)을 가지며, 상기 제1 초전도 선재에 의하여 발생된 자속과 반대 방향의 자속을 발생시키도록 권취된 제2 초전도 선재; 및
    상기 제1, 2 초전도 선재 각각의 일측과 연결되며, 상기 제1, 2 초전도 선재들로부터 발생한 자기장에 의하여 온/오프되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전류 제한기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 초전도 선재는 제1 초전도 선재와 켄치 시 발생되는 저항 특성 또는 n-값(n-value)이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전류 제한기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재와 직렬로 연결된 제1 션트 저항(shunt resister);
    상기 제2 초전도 선재와 직렬로 연결된 제2 션트 저항;
    상기 제1 션트 저항과 제1 초전도 선재가 이루는 제1 선로의 일단과 상기 제2 션트 저항과 제2 초전도 선재가 이루는 제2 선로의 일단과 연결되는 제1 노드; 및
    상기 제1 선로의 또 다른 일단과 상기 제2 선로의 또 다른 일단과 연결되는 제1 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전류 제한기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 선재가 제1 방향으로 권취되는 제1 홈; 및
    상기 제1 홈의 내측 또는 외측에 이격되며 상기 제2 초전도 선재가 제2 방향으로 권취되는 제2 홈이 형성된 보빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전류 제한기.
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