KR20090115751A - Ｈｔｓ 와이어 - Google Patents

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KR20090115751A
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hts
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ballast
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더글라스 씨. 폴츠
제임스 맥과이어
지에 유안
알렉시스 피. 말로제모프
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아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션
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Abstract

극저온-냉각된 HTS 와이어는 200-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자를 포함한다. 제1 HTS 층은 상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된다.

Description

ＨＴＳ 와이어{HTS Wire}
본 출원은 미국 CIP(Continuation-in_part) 특허출원번호 제11/688,802호(2007.03.20), 미국 CIP 특허출원번호 제11/688,809호(2007.03.20), 미국 CIP 특허출원번호 제11/688,827호(2007.03.20), 미국 특허출원번호 제11/673,281호(2007.02.09)의 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 HTS 장비에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고장 전류(fault current) 제한 장비로 동작하는 HTS 장비에 관한 것이다.
세계적으로 전력 수요가 지속적으로 상당히 증가함에 따라, 유틸리티(utility)는 전력 생산 관점뿐만 아니라 전력 전송 관점에서 이러한 증가하는 수요를 충족시키기 위하여 노력하였다. 송전 및 배전 네트워크를 통하여 사용자로의 전력 전송은 기설치된 송전 및 배전 인프라스트럭처의 한정된 용량뿐만 아니라, 추가적인 통상적 송전 및 배전 라인과 케이블을 추가하는 데 이용되는 제한된 공간 때문에, 유틸리티에게 중대한 과제로 남아있다. 이는 특히 용량을 확장하는데 이용 가능한 남아 있는 공간이 매우 제한된 혼잡한 도시 및 대도시와 관련이 높다.
설치가 용이하게 상대적으로 작은 풋프린트(footprint)를 유지하며 냉각용으로 환경적으로 깨끗한 액체 질소를 사용하는 한편, HTS(High Temperature Superconductor) 와이어를 사용하는 가요성 장형(long-length) 전력 케이블이 개발되어 유틸리티 전력 송전 및 배전 네트워크에서 전력 용량을 증가시켰다. 여기서, HTS 물질은 30K(-243 ℃) 이상의 임계 온도를 가지는 초전도체로 정의되며, 희토류(rare-earth) 또는 이트륨-바륨-구리-산화물(yttrium-barium-copper-oxide, 이하 YBCO); 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물(thallium-barium-calcium-copper-oxide); 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물(bismuth-strontium-calcium-copper-oxide, 이하 BSCCO); 수은-바륨-칼슘-구리-산화물(mercury-barium-calcium-copper-oxide); 및 붕화마그네슘을 포함한다. 이러한 조성물 그룹은 치환물, 첨가물 및 불순물이 임계 온도를 30°K 밑으로 감소시키지 않는 한 가능한 치환물, 첨가물 및 불순물을 포함하는 것으로 이해된다. 이러한 HTS 케이블은 증가된 전력량이 유틸리티 전력 네트워크의 혼잡한 지역 내에 경제적이며 안정적으로 제공되는 것을 가능케 하며, 이에 의해 유틸리티가 그들의 송전 및 배전 용량의 문제를 처리하는 것을 가능하게 하며, 혼잡을 경감시킨다.
HTS 전력 케이블은 HTS 와이어를 전력 송전 및 배전에 케이블의 (예, 전통적인 구리 전도체 대신) 제1 전도체로서 사용한다. HTS 케이블의 디자인은 통상적인 가공 라인(overhead line) 및 지하 케이블과 비교할 때, 그들의 초전도 동작 상태에서 직렬 임피턴스의 상당한 감소를 야기한다. 여기서 케이블 또는 라인의 직렬 임피던스는 전력을 전송하는 전도체의 저항성 임피던스와 케이블 아키텍처(architecture) 또는 가공 라인과 관련된 리액티브(유도성) 임피던스의 조합으로 지칭된다. 동일한 단면적의 케이블에서, HTS 와이어는 통상적인 교류 전류(AC) 케 이블과 비교할 경우 전류 운반 용량에서 3 내지 5배 증가시킬 수 있으며, 통상적인 직류 전류(DC) 케이블과 비교할 경우 전류 운반 용량에서 열배까지 증가시킬 수 있다.
HTS 케이블은 가요성 코러게이트된 포머(corrugated former) 주위에 연속적이며 나선형으로 감긴 HTS 와이어를 가지도록 디자인되거나, 다양한 적층 및 꼬인 구성의 복수의 HTS 와이어를 가질 수 있다. 상기의 모든 경우, 케이블은 연속적이고 가요성이어서, 용이하게 드럼 상에 감겨서 운반되며 전선관(conduit) 또는 다른 전력 장비들 사이에 회전하거나 휘어서 장착될 수 있다. HTS 케이블은 HTS 와이어와 접촉하며 케이블의 길이 방향을 따라 흐르는 액체 한제(cryogen)를 가지도록 디자인될 수 있다. 액체 질소가 가장 일반적인 액체 한제이나, 붕화마그네슘과 같이 낮은 온도의 초전도 물체에는 액제 수소 또는 액체 네온이 사용될 수 있다.
용량 문제에 더불어, 증가하는 전력 수요(및 이에 의해 송전 및 배전 네트워크를 통하여 발생 및 전달되는 전력 레벨의 증가)에서 야기되는 유틸리티의 다른 중요한 문제는 "고장(fault)"에서 야기되는 증가된 고장 전류이다. 고장은 네트워크 장비의 오류(failure), 자연적 행위(예, 번개), 인위적 행위(예, 전주의 자동적 사고 발생) 또는 유틸리티 네트워크의 일 상(phase)에서 다른 상으로 또는 그라운드로 단락 회로를 야기하는 다른 네트워크 문제로부터 발생할 수 있다. 일반적으로, 상기의 고장은 유틸리티 네트워크에 즉시 구체화되는 극단적으로 큰 로드로 나타난다. 이러한 로드의 발현에 응답하여, 네트워크는 많은 양의 전류를 로드(예, 고장)로 전달하려고 시도한다. 전력 그리드(grid) 네트워크에서 어떤 주어진 링크 는 고정 전류 제한 장비 없이 최대 고장 환경을 촉진 시키는 단락 회로에서 흐를 수 있는 최대 고장 전류에 의해 특정된다. 고장 전류 제한 수단이 없는 큰 전력 그리드에서 고장 전류는 매우 커서, 그리드 내의 다수의 전기 장비가 손상을 입거나 파괴될 수 있다. 고장 전류로부터 보호하는 통상적인 방법은 신속히 회로 차단기를 개방시키고 전류 및 전력의 흐름을 완전히 차단시키는 것이다.
회로 차단기에 연결된 검출 회로는 네트워크를 감시하여 고장(또는 과전류) 상태의 존재를 검출한다. 검출의 밀리세컨트 내에, 검출 회로에서의 활성화 신호는 회로 차단기의 개방을 시작하여 다양한 네트워크 구성 요소의 파괴를 방지할 수 있다. 일반적으로 현재 회로 차단 장비의 최대 용량은 80,000 암페어이며, 이는 전송 레벨 전압에만 적용된다. 이전 세기에 걸쳐 설치된 유틸리티 네트워크의 다수 섹션은 40,000-63,000 암페어의 고장 전류만을 견딜 수 있는 네트워크 장비로 설치되었다. 불행히도, 유틸리티 네트워크 상에 전력 생성 및 송전 레벨이 증가함에 따라, 고장 전류 레벨도 배선 및 전송 전압 레벨에서 현재 설치된 또는 최신식 회로 차단 장비의 용량(예, 80,000 암페어 이상)을 초과할 수 있는 지점으로 증가하였다. 낮은 고장 전류 레벨에서조차, 전체 그리드에 걸쳐서 회로 차단기를 낮은 레벨에서 높은 레벨로 개량하는 비용은 매우 높을 수 있다. 이에 의해, 유틸리티는 증가하는 고장 전류 레벨을 처리하는 새로운 해결책을 찾고 있다. 다수의 경우, 고장 전류를 적어도 10% 감소시켜 그리드의 동작에 의미있는 개선을 하는 것은 바람직하다. 하나의 개발 해결책은 HTS FCL(Fault Current Limiter)로 지칭되는 장비이다.
HTS FCL은 유틸리티 네트워크에 상호 연결되어 고장 전류의 진폭을 통상적인 레벨로 감소시키는 전용 장비이며, 용이하게 이용 가능하거나 기설치된 회로 차단기가 조종될 수 있다. " High-Temperature Superconductor Fault Current Limiters "(Noe and M. Steurer, Supercond. Sci. Technol. 20 (2007) R15-R29)를 참고하면, 이러한 HTS FCL은 일반적으로 HTS 물질의 고체 바(bar) 또는 실리더로 만들어진 짧고 견고한 모듈로 형성된다. 그리고, 이는 저항 상태로 이들의 초전도 임계 전류가 드라이브되는 경우 매우 높은 저항을 가진다. 불행히도, 이러한 독립형 HTS FCL은 현재 매우 크며 비싸다. HTS 케이블이 가장 요구되는 밀집한 도시 환경의 변전소(substation)에서 공간은 특히 귀하다. 유틸리티는 또한 큰 인덕터를 사용하나, 이는 추가적인 손실, 전압 규제 및 그리드의 안정성 문제를 야기할 수 있다. 그리고, 불행히도 피로테크니컬(pyrotechnical) 전류 제한 장비(예, 퓨즈)는 매 고장 발생 후 교체를 요구한다. 나아가, 새로운 전력 전기 FCL은 개발 중에 있으며, 이들의 성패 여부 및 송전 전압 레벨까지 안정적으로 연장될 수 있는 지 여부는 의문이다.
HTS 케이블이 고장 전류의 흐름에서 견딜 수 있도록, 상당한 양의 구리가 HTS 와이어와의 결합에 도입되었으나, 이는 케이블의 무게 및 크기를 증가시켰다. " Development and Demonstration of a Long Length HTS Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid "(J. F. Maguire, F. Schmidt, S. Bratt, T. E. Welsh, J. Yuan, A. Allais, and F. Hamber, to be published in IEEE Transaction on Applied Superconductivity)를 참고하면, 구리는 종종 HTS 와이어가 나선형으로 감긴 HTS 케이블의 코어에서 중심 포머를 채우며, 이는 코어가 액체 질소의 유동 통로로서 사용되는 것을 방지한다. 택일적으로 그리고 구체적으로 멀티-상 케이블에서, 구리 와이어는 케이블의 나선형으로 감긴 층에서 HTS 와이어와 혼합될 수 있다. 케이블의 HTS 와이어의 임계 전류를 초과하는 큰 고장 전류가 존재하는 경우, 이들은 I2R 저항성 손실(resistive loss)(여기서, I 및 R은 각각 케이블의 전류 및 저항)로부터 가열될 수 있는 저항성 상태로 휀치(quench)되거나 스위치된다. 구리는 고장 전류를 흡수하고 전송하도록 디자인되어 HTS 와이어가 가열되는 것을 방지할 수 있다. 구리의 양이 매우 커서 케이블의 총 저항은 작을 수 있으므로, 고장 전류의 감소 효과는 무시할 수 있다.
유럽 SUPERPOLI 프로그램(" SUPERPOLI Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes "(A. Usoskin et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 1972-5); " Design Performance of a Superconducting Power Link "(Paasi et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1 , March 2001, pp. 1928-31); " HTS Materials of AC Current Transport and Fault Current Limitation "(Verhaege et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, March 2001, pp. 2503-6); 및 미국 특허번호 제5,859,386호 "Superconductive Electrical Transmission Line" 참고)에서, 전류를 또한 제한할 수 있는 초전도 전력 링크가 연구되었다.
초기의 독립형 FCL에 관한 전형적인 접근에 이어, 이 프로그램은 전력 링크 의 모선(busbar) 또는 모듈을 형성하는 HTS 물질의 견고한 고체 로드(rod) 또는 실린더를 연구하였다. 모듈 또는 모선의 전형적인 길이는 50 센티미터 내지 2미터였다. 두번째 접근에서, 코팅된 전도체 와이어가 사용되었으며, 여기서 YBCO 물질이 고저항 스테인레스 스틸 기재 상에 코팅되었다. 골드 안정자(stabilizer)층이 사용되었으나, 매우 얇아서 길이당 저항은 가능한 매우 높았다. 와이어는 전력 링크 모듈 또는 모선의 다른 옵션으로 형성된 견고한 실린더 코어 상에 나선형으로 감겼다. 고장 전류에 대응하여, 이러한 모듈들은 매우 높은 저항 상태로 스위칭하여 전류를 제한하였다. 장형 케이블을 형성하는 SUPERPOLI 프로그램에서 제안된 개념은 견고한 모듈을 가요성 편조(braided) 구리 인터커넥션과 상호 연결하는 것이다. 미국특허번호 제5,859,386호 "Superconductive Electrical Transmission Line"를 참고하면, 저저항 및 고 열용량 와이어를 사용하여 고장 전류 제한 기능을 가진 그리고 이에 의해 부분 가열(local heating) 레벨이 낮은 연속적인 가요성 장형 케이블을 디자인하고 제조하는 가능성은 고려되지 않았다. 또한, 링크의 기능성을 최적화할 수 있는 그리드 구성요소의 추가 가능성도 고려되지 않았다.
HTS 케이블이 고장 전류를 제어하는 방법을 개선시키고, 독립형 FCL 또는 다른 고장 전류 제한장비, 예를 들어 전력 링크를 형성하는 길이당 저항이 높은 고장 전류 제한 모듈의 사용에 개선된 대책을 제공하는 것은 바람직하다. 고장 전류 제한 기능이 통합된 실용적인 연속적인 가요성 장형 HTS 전력 케이블은 혼잡한 유틸리티 변전소에서 고가의 분리된 고장 전류 제한 장비의 요구를 피하는 동시에, 고용량, 낮은 풋프린트 및 환경적으로 깨끗한 전력 송전 및 배전에서 주요한 이점을 제공할 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 제1 실시예에서, 극저온-냉각된 HTS 와이어는 200-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자 및 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제1 HTS 층을 포함한다.
하나 이상의 하기 특징을 또한 더 포함할 수 있다. 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함할 수 있다. 제1 안정자층은 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치될 수 있으며, 제2 안정자층은 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치될 수 있다. 제2 HTS 층은 안정자의 적어도 열적으로 연결될 수 있다. 안정자는 제1 및 제2 HTS 층 사이에 배치될 수 있다. 제2 HTS 층은 안정자의 적어도 일부와 열적으로 연결될 수 있다.
안정자는 제1 안정자층, 제2 안정자층 및 제3 안정자층을 포함할 수 있다. 제1 안정자층은 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치될 수 있다. 제2 안정자층은 제1 HTS 층의 제2 측과 제2 HTS 층의 제1 측 가까이 배치될 수 있다. 제3 안정자층은 제2 HTS 층의 제2 측 가까이 배치될 수 있다.
제1 HTS 층은 5 마이크론보다 작은 두께를 가질 수 있다. 안정자의 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ cm 범위를 가질 수 있다. 제1 HTS 층은 이트륨 또는 희토류-바륨-구리-산화물; 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물; 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물; 수은-바륨-칼슘-구리-산화물; 및 붕화마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다.
안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성될 수 있다. 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 기재층은 제1 HTS 층 가까이 배치될 수 있다. 기재층은 니켈-텅스텐, 스테인레스 스틸 및 하스텔로이TM를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다.
인캡슐런트는 극저온-냉각된 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅할 수 있다. 인캡슐런트는 전도성이 좋지 않은 절연층일 수 있다. 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성될 수 있다. 인캡슐런트는 72-110 K 온도 범위에서 흡열성 상변화를 수행하는 적어도 일부를 포함할 수 있다. 인캡슐런트는 래핑 공정, 압출 성형 공정, 디핑 공정, 도금 공정, 기상 증착 공정 및 분사 공정 중 하나에 의해 HTS 와이어에 형성될 수 있다. 인캡슐런트는 멀티패스 공정에 의해 HTS 와이어에 형성될 수 있다. 인캡슐런트는 25-300 마이크론의 두께일 수 있다. 인캡슐런트는 인캡슐런트에서 주위의 극저온 액체 냉각제로 열 이동을 강화하는 표면을 가질 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서, 극저온-냉각된 HTS 와이어는 최대 고장 전류를 적어도 10% 감소하는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함되도록 구성된다. 극저온-냉각된 HTS 와이어는 연속적인 가요성 와인딩 지지 구조체를 포함한다. 초전도 물질의 하나 이상의 전도층은 가요성 와인딩 지지 구조체에 대하여 동축으로 배치된다. 하나 이상의 전도층 중 적어도 하나는 100-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자와, 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제1 HTS 층을 포함하는 HTS 와이어를 포함한다.
하나 이상의 하기 특징을 또한 포함할 수 있다. 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함할 수 있다. 제1 안정자층은 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치될 수 있으며, 제2 안정자층은 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치될 수 있다. HTS 와이어는 안정자의 적어도 일부와 열적으로 연결된 제2 HTS 층을 포함할 수 있다. 제1 HTS 층은 5 마이크로미터보다 작은 두께를 가질 수 있다. 안정자의 총 두께는 200-500 마이크로미터 범위를 가질 수 있다. 안정자의 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ-cm 범위를 가질 수 있다.
제1 HTS 층은 이트륨 또는 희토류-바륨-구리-산화물; 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물; 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물; 수은-바륨-칼슘-구리-산화물; 및 붕화마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성될 수 있다. 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. HTS 와이어는 제1 HTS 층에 가까이 배치된 기재층을 포함할 수 있다. 기재층은 니켈-텅스텐, 스테인레스 스틸 및 하스텔로이(HastelloyTM)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다.
HTS 와이어는 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅하는 인캡슐런트를 포함할 수 있다. 인캡슐런튼 전도성이 좋지 않은 절연층일 수 있다. 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성될 수 있다. 인캡슐런트는 72-110 K 온도 범위에서 흡열성 상변화를 수행하는 적어도 일부 포함할 수 있다. 인캡슐런트는 25-300 마이크론 두께일 수 있다.
가요성 와인딩 지지 구조체는 공동 축 코어를 가질 수 있다. 가요성 와인딩 지지 구조체는 코러게이트된 스테인레스 스틸 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 있어서, 초전도 전기 케이블 시스템은 최대 고장 전류를 적어도 10% 감소하는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함되도록 구성된다. 초전도 전기 케이블 시스템은 전압 소스 및 전압 소스에 연결된 극저온-냉각된 HTS 케이블을 포함한다. 극저온-냉각된 HTS 케이블은 가요성 와인딩 지지 구조체와 가요성 와인딩 지지 구조체에 대하여 동축으로 배치되며 초전도 물질의 하나 이상의 전도층을 포함한다. 하나 이상의 전도층 중 적어도 하나는 200-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자를 포함하는 HTS 와이어를 포함한다. 제1 HTS 층은 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된다.
하나 이상의 하기 특징을 또한 포함할 수 있다. 가요성 와인딩 구조체는 공동 축 코어를 포함할 수 있다. 가요성 와인딩 지지 구조체는 코러게이트된 스테인레스 스틸 튜브를 포함할 수 있다. 전압 소스는 변전소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 고속 스위치 어셈블리가 극저온-냉각된 HTS 케이블에 병렬로 연결될 수 있다. 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함할 수 있다. 1 안정자층은 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치될 수 있으며, 제2 안정자층은 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치될 수 있다. 안정자의 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ-cm 범위를 가질 수 있다. 안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성될 수 있다. 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.
HTS 와이어는 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅하는 인캡슐런트를 포함할 수 있다. 인캡슐런트는 전도성이 좋지 않은 절연층일 수 있다. 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성될 수 있다.
하나 이상의 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 다른 특징 및 이점들은 상세한 설명, 도면 및 청구항들로부터 명확해질 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 구리 코어(copper-cored) HTS 케이블 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1의 구리 코어 HTS 케이블의 등측도(isometric view)이다.
도 3은 공동-코어(hollow-core) HTS 케이블의 등측도이다.
도 4는 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 도 3의 공동 코어 HTS 케이블의 개념도이다.
도 5A는 HTS 와이어의 단면도이다.
도 5B는 택일적인 실시예의 HTS 와이어의 단면도이다.
도 6은 유틸리티 전력 그리드의 개념도이다.
도 7은 유틸리티 전력 그리드 내에 설치된 도 3의 공동 코어 HTS 케이블의 모델이다.
도 8은 도 3의 공동 코어 HTS 케이블의 형성 방법의 순서도이다.
도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
발명의 구체적인 설명
개관
도 1을 참고하며, 유틸리티 전력 그리드(10)의 일부는 HTS 케이블(12)을 포함할 수 있다. HTS 케이블(12)의 길이는 수백 또는 수천 미터일 수 있으며, 발전소(generation station, 미도시) 또는 멀리 떨어진 유틸리티(미도시)로부터 들어오는 전력을 전달하는 상대적으로 고전류/저저항 전기 통로를 제공할 수 있다.
HTS 케이블(12)의 단면적은 통상적인 구리 코어 케이블의 단면적의 단지 일부에 지나지 않으나, 동일한 양의 전류를 전송할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 동일한 단면적 내에서, HTS 케이블은 통상적인 AC 케이블의 전류 전송 용량의 3배 내지 5배를 제공할 수 있으며, 통상적인 DC 케이블의 전류 전송 용량의 10배까지 제공할 수 있다. HTS 기술이 성숙함에 따라, 이러한 비율은 증가할 수 있다.
하기에서 자세히 설명하는 바와 같이, HTS 케이블(12)은 HTS 와이어를 포함할 수 있다. 그리고, 이는 유사한 크기의 구리 와이어 전류의 150배 정도를 제어할 수 있다. 이에 의해, (통상적인 AC 케이블 내의 많은 양의 구리 전도체 스트랜드(strand)와 달리) 상대적으로 작은 양의 HTS 와이어를 사용하여, HTS 전력 케이블은 균등한 크기의 통상적인 구리 전도체 전력 케이블의 3배 내지 5배의 전력을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.
HTS 케이블(12)은 예를 들어, 138 kV 레벨의 전압을 전송하는 송전 그리드 세그먼트(segment)(14) 내에 연결되며, 그리드 세그멘트(14)에서 그리드 세그먼트(16)까지 연장될 수 있다. 여기서, 그리드 세그먼트(16)는 전압을 제공받아 이를 예를 들어, 69 kV의 낮은 레벨로 변환할 수 있다. 예를 들어, 송전 그리드 세그먼트(14)는 (가공 라인 또는 케이블(18)을 통해서) 765 kV에서 전력을 제공받을 수 있으며, 138 kV 변전소(20)를 포함할 수 있다. 138 kV 변전소(20)는 케이블(18) 상에 제공되는 765 kV 전력을 138 kV로 전압 강하하는 765 kV/138 kV 변압기(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 "전압 강하된(stepped-down)" 138 kV 전력은 예를 들어, HTS 케이블(12)을 통하여 송전 그리드 세그먼트(16)에 제공될 수 있다. 송전 그리드 세그먼트(16)는 69 kV 변전소(24)를 포함할 수 있다. 그리고, 이는 HTS 케이블(12)를 통하여 제공되는 138 kV 전력을 69 kV로 전압 강하하는 138 kV/69 kV 변압기(미도시)를 포함할 수 있으며, 69kV 전력은 예를 들어, 장비(26, 28, 30, 32)에 분배될 수 있다. 장비(26, 28, 30, 32)는 예를 들어, 34.5 kV 변전소를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기에서 언급한 전압 레벨은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 이에 의해, 본 발명은 송전 및 배전 시스템에서 다양한 전압 및 전류 레벨에 동일하게 적용될 수 있다. 유사하게, 본 발명은 공업용 전력 배전 또는 수송 수단(예, 기차, 비행기 및 우주선)의 전력 배전과 같은 비-유틸리티 응용에도 동일하게 적용될 수 있다.
하나 이상의 회로 차단기(34, 36)가 예를 들어, HTS 케이블(12)의 각 말단에 연결되며, HTS 케이블(12)이 유틸리티 전력 그리드(10)로부터 신속히 분리되도록 할 수 있다. 고장 관리 시스템(38)은 HTS 케이블(12)에 과전류 보호를 제공하여 HTS 케이블(12)이 손상될 수 있는 점보다 낮은 온도에서 HTS 케이블(12)이 유지되도록 할 수 있다.
고장 관리 시스템(38)은 HTS 케이블(12)이 연결된 유틸리티 그리드 세그먼트 내에 흐르는 전류를 감시하여 과전류 보호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 고장 관리 시스템(38)은 (예, 전류 센서(40)을 사용하여) 138 kV 변전소(20)를 통하여 흐르는 전류를 센싱할 수 있으며, 적어도 부분적으로, 전류 센서(40)에 의해 제공되는 신호에 근거하여 차단기(34, 36)의 동작을 제어할 수 있다.
이 예에서, HTS 케이블(12)은 200 ms(예, 60Hz 전력의 12 사이클) 동안 51 kA의 고장 전류를 견디도록 디자인될 수 있다. 고장 관리 시스템(38)의 구체적인 예는 동시 계류중인(co-pending) 미국 출원번호 제11/459,167호("Fault Management of HTS Power Cable", 2006년 7월 21일 출원)에 설명되어 있다. 일반적으로 고장 전류의 이 레벨을 견디기 위하여, HTS 와이어는 상당한 양의 구리를 포함하고, 이는 높은 고장 전류의 전송을 도와주며 이에 의해 HTS 와이어를 보호한다. 구리가 존재하여 HTS 케이블을 보호하나, 매우 낮은 저항 때문에 전류 제한 효과는 크지 않다.
도 2를 참고하면, 제1 HTS 층(102), 제2 HTS 층(104), 고전압 유전 절연층(106), 구리 차폐층(108), HTS 차폐층(110), 냉각제 통로(112), 내부 저온 유지벽(cryostat wall)(114), 단열재(116), 진공 공간(118), 외부 저온 유지벽(120) 및 외부 케이블 피복(sheath)(122)에 의해 반지름 방향으로 연속적으로 둘러싸인 스트랜드 구리 코어(100)를 포함하는 단일상 구리 코어 HTS 케이블(12)의 전형적인 예가 도시되어 있다. HTS 층(102) 및 HTS 층(104)은 또한 "상 전도체(phase conductor)"로 지칭될 수 있다. 구리 차폐층(108)은 택일적으로 HTS 차폐층(110)의 외부 상에 위치할 수도 있다. 동작 동안, 냉각제(예, 액체 질소, 미도시)는 외부 냉각제 소스(미도시)에서 제공될 수 있으며 냉각제 통로(112)의 길이 방향을 따라 냉각제 통로(112) 내에서 순환할 수 있다. 케이블의 모든 구성 요소는 HTS 케이블(12)이 가요성을 가질 수 있도록 디자인된다. 예를 들어, (제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS층(104)이 감긴) 스트랜드 구리 코어(100)는 가요성이다. 이에 의해, 가요성 스트랜드 구리 코어(100)를 사용하여 HTS 케이블(12)은 길이를 따라 연속적으로 휘어질 수 있다. 선택적으로, 코러게이트 금속 포머를 사용하여 케이블의 길이를 따라 연속적으로 가용성을 제공하면서, 나선형으로 감긴 HTS 와이어를 지지할 수 있다.
부가/택일적으로, 추가적인 동축(coaxial) HTS 층들과 절연층들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 HTS 와이어가 단일 상에 사용될 수 있다. 또한, 절연층(미도시)에 의해 분리된 3 그룹의 HTS 층이 사용되어 3상 전력을 전송할 수 있다. 이러한 케이블 배선(cable arrangement)의 예시는 울트라(Ultera)(예, 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company of Carrollton, GA)와 엔케이티 케이블(nkt cables of Cologne, Germany)의 합작 회사)에 의해 제안된 삼축(Triax) HTS 케이블 배선이다. HTS 케이블(12)의 다른 예는 온 및/또는 냉 유전 구성; 단일-상 대 멀티-상 구성; 및 다양한 차폐 구조(예, 무-차폐(no shielding) 및 냉각제에 근거한 차폐);를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
구리 코어(100) 및 구리 차폐층(108)은 케이블(12) 내에 나타날 수 있는 고장 전류(예, 고장 전류 (124))를 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고장 전류(124)가 케이블(12) 내에 나타날 경우, HTS 층(102, 104) 내의 전류는 HTS 층(102, 104)의 임계 전류 레벨(예, Ic)을 초과하는 레벨까지 급격하게 증가할 수 있다. 그리고, 이는 HTS 층(102, 104)이 이들의 초전도 특성을 잃어버리도록 할 수 있다(예, HTS 층(102, 104)이 "노말(normal)"해질 수 있다). 임계 전류(Ic)의 전형적인 값은 3000 Arms 규격의 케이블에서 4242 Apeak 이다(여기서, Arms는 전류 암페어의 제곱 평균이다).
HTS 물질의 임계 전류 레벨은 선택된 전기장 레벨에 의존할 수 있다. 낮은 값이 역시 사용될지라도, 통상적으로 임계 전류 레벨(Ic)은 1 μV/cm의 전기장 레벨로 정의된다. 그러나, 초전도체는 전형적으로 전류 레벨의 함수로서 제로-저항(예, 초전도) 상태와 완전-저항(예, 비-초전도) 상태 사이의 전이(transition)) 영역을 나타낸다. 이 전이 영역에서의 동작에 기인한 전도체 손실은 완전-저항 상태의 그것보다 낮다. 그러므로, 실제로 HTS 케이블에서 전도체의 일부는 1μV /cm 기준(criterion)에 의해 정의되는 통상적인 임계 전류 레벨(Ic)의 f -인자 배인 임계 전류 레벨에서 완전 저항 상태로 스위치될 수 있다. YBCO 박막의 미앤더 라인(meander line)에서, 이러한 f -인자는 약 2로 결정되나, 이는 시간에 따라 다소 변화되어 관찰된다. " Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters "(H. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 2044-7)"를 참고하면, 유사한 YBCO 박막의 HTS 와이어 f -인자는 동일한 범위(예, 1-4)에서 기대된다.
이에 의해, (이상에서 정의한 바와 같이) 임계 전류 레벨과 f -인자의 곱이 초과되는 경우, HTS 층(102, 104)의 저항은 상당히 증가할 수 있으며, (예를 들어, 구리 코어(100)에 비교할 경우) 상대적으로 높아질 수 있다. 다수의 평행 전도체를 통과하는 전류가 개별 와이어의 저항에 관해 역으로 분배될 경우, 대부분의 고장 전류(124)는 HTS 층(102, 104)과 평행하게 연결된 구리 코어(100)로 전달될 수 있다. 구리 코어(100)를 통한 고장 전류의 송전은 고장 전류(124)가 진정되거나; 적절한 회로 차단기(예, 회로 차단기(34, 36))가 HTS 케이블(12)을 통한 고장 전류(124)의 전송을 차단할 때까지 계속될 수 있다.
HTS 케이블(12)에서 HTS 전도체의 과열은 구리 코어(100)에 의한 두가지 이점에 의해 피할 수 있다. 첫째, 고장 전류(124)(또는 적어도 그 일부)를 HTS 층(102, 104)에서 구리 코어(100)로 재지향(redirect)하여, HTS 케이블(12)에서 HTS 전도체의 과열을 피할 수 있다. 그리고 둘째, 부가된 구리 코어(100)의 열용량은 HTS 층(102, 104)에서 온도 상승을 감소시킨다. HTS 층(102, 104)에서 구리 코어(100)로 고장 전류(124)(또는 적어도 그 일부)가 재지향되지 않는 경우, 고장 전류(124)는 HTS 층(102, 104)의 고저항 때문에 HTS 케이블(12)에서 HTS 와이어를 상당히 가열할 수 있다. 그리고, 이는 (예를 들어, 냉각제 통로(112) 내에서 액체 질소를 액체 상태에서 기체 상태로 변화시켜) 액체 질소의 기체 "버블" 형성을 야기할 수 있다. 불행히도, 액체 질소의 기체 "버블" 형성은 절연층의 절연 내력을 감소시킬 수 있으며, HTS 케이블(12)의 파괴 및 전압 파괴(voltage breakdown)를 야기할 수 있다. 온 유전(warm dielectric) 케이블 구성(미도시)에서, HTS 층(102, 104)에서 재지향되지 않은 고장 전류는 HTS 층을 간단히 가열하고 파괴시킬 수 있다.
예시적인 HTS 케이블(12)은 넥산스(Nexans of Paris France), 스미토모 전기 공업(Sumitomo Electric Industries, Ltd., of Osaka, Japan) 및 울트라(예, 사우스와이어 컴퍼니와 엔케이티 케이블의 합작 회사)로부터 이용 가능한 HTS 케이블을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
구리 코어(100)는 HTS 층(102, 104) 주위의 고장 전류(또는 그 일부)를 재지향하는 반면, "내부(internal)" 구리 코어 등을 설치하는 단점이 있다. 예를 들어, 구리 코어(100)는 HTS 케이블(12)을 물리적으로 더 크고 무겁게 할 수 있으며, 이는 HTS 케이블(12) 내의 열유지(heat retention)를 더 크게 하고 가격 상승을 초래할 수 있다. 이에 의해, 추가적인 열유지를 보상하기 위해 더 많은 냉각이 요구되므로 전체 시스템 및 동작 비용을 상승시킬 수 있다. 게다가, 증가된 구리 코어(100)의 열용량 및 유전층에 의한 HTS 층(102, 104)과 냉각제 사이의 열적 저항은 회복 시간(recovery time)을 크게 증가시킬 수 있어 고장 전류의 에너지는 HTS 층(102, 104)에서 초전도를 유지할 수 있는 점 이상으로 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 고장 전류가 구리 코어(100)를 통하여 재지향되지 않는 경우, 냉각 시스템(미도시)이 HTS 케이블(12)을 적절한 동작 온도 범위(예, 65-77 K) 내로 냉각시키는데 수시간이 소요될 수 있다. HTS 케이블(12)을 케이블의 동작 범위 내로 냉각시키는데 소요되는 시간은 일반적으로 "회복 시간"으로 지칭된다. 그리고, 이는 유틸리티에 의해 가능한 짧게(예, 수초) 요구될 수 있다. 택일적으로 독립된 고장 전류 제한기가 HTS 케이블(12)에 사용되어 고장 전류를 제한할 수 있다. 그러나 이는 HTS 케이블(12)에 링크되는 변전소에 설치되는 다른 크고 값비싼 전기 장비를 요구하는 단점이 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 가요성, 공동 코어 HTS 케이블(150)이 도시되어 있다. HTS 케이블(150)은 종래의 구리 코어 HTS 케이블(12)의 다양한 요소를 포함할 수 있으나, 스트랜드 구리 코어(도 2의 100)는 포함하지 않는다. 그리고, 이는 가요성 공동 코어(예, 내부 냉각제 통로(152))로 대체되었다. 예시적인 내부 냉각제 통로(152)는 가요성 코러게이트된 스테인레스 스틸 튜브를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 구리 차폐층 역시 모두 제거되었다. 냉각제(예를 들어, 액체 질소)는 내부 냉각제 통로(152)를 통하여 흐를 수 있다.
구리 코어 HTS 케이블(12)과 유사하게, 내부 냉각제 통로(152)는 반지름 방향으로 연속된 제1 HTS층(102), 제2 HTS 층(104)(대개 층(102)의 나선형과 반대 나선형으로 감김), 고전압 유전 절연층(106), HTS 차폐층(110), 냉각제 통로(112), 내부 저온 유지벽(114), 단열제(116), 진공 공간(118), 외부 저온 유지벽(120) 및 외부 케이블 피복(122)에 의해 둘러싸일 수 있다. 동작 동안, 냉각제(예, 액체 질소, 미도시)는 외부 냉각제 소스(미도시)로부터 제공될 수 있으며, 냉각제 통로(112) 및 내부 냉각제 통로(152)의 길이를 따라 냉각제 통로(112) 및 내부 냉각제 통로(152) 내에서 순환될 수 있다. 택일적인 냉각제(예, 액체 네온 또는 액체 수소)가 MgB2와 같이 낮은 전이 온도 물질의 경우에 사용될 수 있다.
HTS 케이블(12)과 같이, HTS 케이블(150)의 모든 구성 요소는 케이블의 길이를 따라 연속적인 가요성이 가능하도록 디자인된다. 이상에서 언급한 바와 같이 예를 들어, (제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS 층(104)에 의해 감긴) 내부 냉각제 통로(152)는 가요성을 가진다. 이에 의해, 가요성 내부 냉각제 통로(152)를 설치하여, 가요성 HTS 케이블(150)이 실현된다.
도 4를 참고하면, 유틸리티 전력 그리드의 일부(10')는 가요성 장형 케이블(150)을 포함할 수 있다. 여기서, 장형은 200m보다 큰 것으로 정의된다. 또한, HTS 케이블(150)에 병렬로 연결된 통상적인 케이블(conventional cable, 예, 비-초전도 케이블, 미도시)을 포함할 수 있다. 예시적인 통상적인 케이블은 케리트 컴퍼니(Kerite Company of Seymour, CT)로부터 이용가능한 500kcmil, 138kV TPS(Shielded Triple Permashield) 전력 케이블을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 통상적인 케이블은 HTS 케이블(150)이 추가되어 하나 이상의 통상적인 케이블을 교체한, 예를 들어 전력 그리드의 전력 용량이 증가된 새로운 응용에서 현재 존재하는 케이블일 수 있다. 택일적으로, 통상적인 케이블은 적절한 버스 워크(bus work) 및 회로 차단기에 상호에 상호연결되며 HTS 케이블(150)과 동시에 설치되는 새로운 통상적인 케이블일 수 있다.
HTS 케이블(150) 및/또는 추가적인 HTS 케이블(미도시)은 초전도 전기 통로(200)에 포함될 수 있다. 그리고, 이는 전력 유틸리티 그리드의 일부를 포함할 수 있다. 나아가, 초전도 전기 통로(200)는 버스(bus, 미도시), 변압기(미도시), 고장 전류 제한기(미도시) 및 변전소(미도시)와 같은 다른 초전도 전력 배전 장비를 포함할 수 있다.
고속 스위치 어셈블리(202)는 HTS 케이블(150)에 직렬로 연결될 수 있다. 예시적인 고속 스위치 어셈블리(202)는 에이비비(ABB Inc. of Greensburg, PA)에서 제조된 138kV 형 PM 전력 회로 차단기(PM Power Circuit Breaker)이다. 고속 스위치 어셈블리(202)(예, 4 사이클의 개방 제어가 가능한 스위치)는 고장 관리 시스템(38)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 고장 전류(도 3의 124)를 센싱함에 따라, 고장 관리 시스템(38)은 고속 스위치 어셈블리(202)를 개방하여, HTS 케이블(150)을 본질적으로 고장 전류(124)로부터 분리시킬 수 있다. 멀티상 전력의 경우, 다수의 고속 스위치 어셈블리(202)가 설치될 수 있다. 택일적으로, 일부 고속 스위치 어셈블리 또는 회로 차단기는 단일 삼-상 장비로서 설치된다. 고속 스위치 어셈블리(202)는 HTS 케이블(150)이 초전도 상태로 회복되는데 충분한 시간이 지난 후에 재폐로(reclose)될 수 있다. 만약 존재하는 유틸리티 회로 차단기(34, 36)가 하기에 설명된 가열 조건을 충족할 정도로 충분히 빨리 스위칭되면, 고속 스위치 어셈블리(202)는 필요하지 않을 수 있다.
통상적인 케이블(미도시) 및/또는 추가적인 통상적인 케이블(미도시)은 비-초전도 전기 통로에 포함될 수 있다. 그리고, 이는 파워 유틸리티 그리드의 일부를 포함할 수 있다. 나아가, 비-초전도 전기 통로는 버스(미도시), 변압기(미도시), 고장 전류 제한기(미도시) 및 변전소(미도시)와 같은 다른 전력 배전 장비를 포함할 수 있다. 비-초전도 전기 통로는 비-극저온 온도(예, 0℃에 대응하는 273k)에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 비-초전도 전기 통로는 냉각되지 않을 수 있으며, 이에 의해 외부 온도(ambient temperature)로 추정될 수 있다.
하기에서 보다 구체적으로 언급하는 바와 같이, 구리 코어(도 2의 100) 및 구리 차폐층(도 2의 108)을 장형 가요성 HTS 케이블(150)의 내부에서 제거하고 HTS 케이블(150)의 임피던스를 조절하여, HTS 케이블(150)은 물리적으로 작아질 수 있다. 그리고, 이는 HTS 케이블(150)에서 열 손실(heat loss)을 낮추고, 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, HTS 케이블(150)은 (구리 코어 HTS 케이블(150)에 비교하는 경우) 더 적은 냉각을 요구할 수 있으며, 전체적인 시스템 및 동작 비용을 낮출 수 있다. 나아가, 구리 코어(100)를 HTS 케이블(12) 내부에서 제거하여, HTS 케이블(150)의 열용량 및 HTS 층(102, 104)과 냉각제 사이의 열적 저항 모두 감소될 수 있다. 이에 의해, 고장 전류(124)가 HTS 케이블(150)의 온도를 HTS 층(102, 104)에서 초전도가 유지될 수 있는 점 이상으로 증가시키는 경우에도, 회복 시간이 더 빨라질 수 있다. 장형 가요성 HTS 케이블(150)의 내부에서 구리 코어(100)를 제거하고 HTS 케이블(150)의 임피던스를 조절하여, 고장 전류 제한 기능을 HTS 케이블(150)에 직접 통합시킬 수 있다. 이에 의해 HTS 케이블 또는 다운스트림(downstream) 유틸리티 장비를 고장 전류로부터 보호하기 원하는 경우, 별개의 독립된 고장 전류 제한기에 대한 필요가 없어질 수 있다.
HTS 케이블 및 고장 전류 제한기
도 1을 다시 참고하면, 그리드의 일부(10)에서 고장 전류가 HTS 케이블(12)을 통하여 흐르는 전류를 통상적인 회로 차단기(34, 36)의 한계를 넘도록 하는 경우, HTS FCL 장비(42)(팬텀(phantom)으로 도시) 또는 통상적인 리액터 기술(미도시)이 그리드 섹션(10) 내에 통합되어 HTS 케이블(12)을 통과하여 흐르는 고장 전류의 진폭을 통상적인 회로 차단기(34, 36)가 차단할 수 있는 레벨로 제한한다. 노말(normal) 상황에서, 공칭 전류(nominal current) 레벨이 그리드 섹션(10) 내에서 흐르는 경우, 전력의 흐름과 직렬로 연결된, HTS FCL 장비(42)는 그리드 내에 (다른 그리드 임피던스와 비교하여) 매우 작은 임피던스를 도입하도록 디자인될 수 있다. 그러나, 고장 전류가 그리드 섹션(10)에 나타나는 경우, 전류는 HTS FCL(42)의 초전도체를 즉시 "노말" 또는 비-초전도(예, 저항성)로 전환하며, 이는 그리드 섹션(10)에 매우 큰 임피던스를 부가한다. HTS FCL(42)은 고장 전류를 통상적인 회로 차단기(34, 36)의 차단 능력 내의 소정의 레벨로 제한하도록 디자인된다.
독립형 HTS CFL 장비(42)는 지멘스(Siemens, Germany)와 협력하는 아메리카 수퍼컨덕터 코퍼레이션(American Superconductor Corporation, Westborough, MA)를 포함하는 다양한 회사들에 의해 개발되었다. 불행히도, HTS FCL 장비(42)를 그리드 섹션(10)에 부가하는 것은 매우 비용이 많이 들며, 장비(42)가 설치되는 막대한 공간을 요구할 수 있다. 그리고 이는 특히, 도심 지역에서 설치를 어렵게 할 수 있다. 고장 전류 제한 능력을 가지는 짧은 모선 또는 모듈이 넥상스(Nexans, France) 및 이에이치티에스(EHTS, Germany)를 포함하는 다양한 회사들에 의해 개발되고 있다. 고장 전류 제한 모선은 어느 정도 실용성을 가질 수는 있으나, 수요가 있는 고성능, 낮은 풋프린트 및 송전 및 배전 응용의 연속적인 가요성 장형 케이블에 의해 제공되는 가요성을 제공하지 않는다.
본 발명에 따르면, HTS 장비, 예를 들어, 연속적인 가요성 장형 HTS 케이블(도 3의 150)은, 적절히 디자인되는 경우, HTS FCL 장비(도 1의 42)와 같은 별도의 HTS FCL을 통합할 필요없이 그 자체가 고장 전류 제한기로서 사용될 수 있다. 예를 들어, HTS 케이블(150)의 노말-상태(저항성) 임피던스를 제어함으로써, HTS 케이블 그 자체가 설치되어 전형적인 독립형 HTS FCL 장비(예, HTS FCL 42)의 바람직하지 않은 효과(예, 비용 및 크기)를 피하는 반면 전형적인 독립형 HTS FCL의 바람직한 효과(예, 고장 전류의 감소)를 얻을 수 있다. 하기에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, HTS 케이블(150)의 길이가 충분히 길고 HTS 케이블(150)이 제조되어 바람직한 임피던스 특성을 나타내는 경우, 연속적인 가요성 장형 HTS 케이블(150) 단독으로 액체 한제에서 기체 버블을 형성하는 지점까지의 가열 및 유전체 파괴(dielectric breakdown)의 위험 없이 고장 전류(도 3의 124)의 충분한 감소를 제공할 수 있다.
고장 전류 제한 HTS 케이블의 개요 및 FCL 케이블용 HTS 와이어 디자인
이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 가요성 장형 HTS 케이블(150)의 다양한 파라미터(예, 케이블(150) 내의 HTS 와이어의 안정자 두께 및 전기 저항률)를 조절하여, HTS 케이블은 1) 요구되는 총 저항(net resistance)을 제공하여 케이블에서 고장 전류의 상당한 감소를 달성하며 2) HTS 케이블(150)을 통하여 고장 전류에 의해 유도된 온도 상승을 케이블 내에서 순환하는 액체 질소 냉각제의 버블링을 방지하는 최대 값 아래 레벨로 유지하는 것을 동시에 실현할 수 있다. 이상에서 언급한 바와 같이, 액체 질소의 기체 "버블"의 형성은 HTS 케이블(150)의 유전층의 절연 내력(dielectric strength)을 감소시켜며, HTS 케이블(150)의 파괴 및 전압 파괴를 야기할 수 있다.
특정 전기 저항(specific electrical resistance)로 알려진, 전기 저항률은 물질이 얼마나 강하게 전기 전류의 흐름을 방해하는지의 단위이다. 구체적으로, 낮은 전기 저항률은 전기 차지의 이동을 용이하게 하는 물질을 지칭할 수 있다. 저항률의 통상적인 단위는 μΩ-cm이다.
이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, HTS 케이블(150)의 구조 및 HTS 케이블(150)에서 HTS 와이어의 디자인은 독립형 HTS FCL 또는 고장-전류-제한 버스바에서 제안된 디자인과 기본적으로 다르다.
도 5를 참고하면, 고장-전류-제한 HTS 케이블(150)의 HTS 층(102, 104)을 구성하는데 이용되는 하나의 HTS 와이어(250)의 단면도가 도시되어 있다. 이 와이어 아키텍쳐는 또한 초전도체 박막(예, HTS 층)이 버퍼된 기판(buffered substrate) 상에 코팅되어 있으므로, "코팅 와이어(coated wire)"로 지칭될 수 있다. 전형적으로 HTS 층은 초전도체 YBCO, 이전에 정의한 바와 같이, 특히 Y에 대하여 희토 요소(rare earth element)의 치환 가능한 YBa2Cu3O7 조성을 포함한다. 전체 조성은 불순물 상이 층 내에 존재할 수 있기 때문에 이 조성과는 달라질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 다른 HTS 물질이 또한 코팅된 전도체 아키텍쳐에 이용될 수 있다.
이 예에서, HTS 층(102, 104)에 사용되는 HTS 와이어(250)는 두 개의 안정자층(252, 253) 및 기재층(254)를 포함하는 것으로 도시된다. 안정차층(254)의 예는 스테인레스 스틸 및 하스텔로이(Hastelloy)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 안정자층(252)과 기재층(254) 사이에는 버퍼층(256), HTS 층(258)(예, 이리튬-바륨-구리-산화물-YBCO-층) 및 캡층(260)이 배치될 수 있다. 버퍼층(256)의 예는 산화이트륨(yttria), YSZ(yttria- stabilized zirconia) 및 세륨 산화물(cerium oxide, CeO2)의 조합이며, 캡층(260)의 예는 은이다. 솔더층(262)(예, SnPbAg 층)이 사용되어 안정자층(252, 253)을 캡층(260) 및 기재층(354)에 결합할 수 있다.
상기에서 언급한 와이어 구성에 추가하여, 다른 와이어 구성이 본 발명의 사상 내에서 고려될 수 있다. 예를 들어, 단일 안정자층이 사용될 수 있다. 택일적으로, 제2 HTS 층(버퍼 및 캡층을 포함, 미도시)은 제2 안정자층(253)과 기재(254)의 하부 사이에 배치될 수 있다. 선택적으로, HTS 와이어는 두 기재층 사이에 배치된 제3 안정자층에 의해 분리되는 두 개의 기재층(각각 버퍼층, HTS 와이어층 및 캡층을 포함)을 포함하는, HTS 와이어의 외측 상에 배치된 두개의 안정자층을 포함할 수 있다. 솔더 층을 사용하여 (기재층(254), 버퍼층(256), HTS 층(258) 및 캡층(260) 사이는 가능한 제외) 요구되는 어떤 결합을 용이하게 할 수 있다.
도 5B를 참고하면, HTS 와이어(250)의 대체적 실시예인 HTS 와이어(250')가 도시되어 있다. HTS 와이어(250')는 제2 안정자층(253)과 제3 안정자층(282) 사이에 배치된 제2 기재층(280)을 포함할 수 있다. 안정자층(253)(및/또는 안정자층(282))과 기재층(280) 사이에는 버퍼층, HTS 층(예, 이트륨-바륨-구리산화물-YBCO-층), 캡층 및 솔더층이 배치될 수 있다.
HTS 와이어의 안정자층
HTS 와이어의 열용량이 높고 HTS 와이어의 전기 저항률이 최적의 레벨인 경우, HTS 와이어는 고장 전류 제한기로서 매우 효과적이고 경제적으로 기능한다. 안정자층(252)은 이러한 특성을 달성하는 데 필수적일 수 있다. 안정자층(252)에 특히 적합한 합금의 예는 예컨대, 3-40 중량%의 Zn을 포함하는 저합금(low alloy) 황동(brass, 예, Cu-Zn) 뿐만 아니라 예컨대, Cu-Sn 합금 시스템에 근거한 가능한 다른 황동 합금이다. 77-110 K 온도 범위에서 0.8-15 μΩ cm 저항률의 합금이 최적일 수 있다. 특히 황동 합금은 황동 210 (95 Cu - 5 Zn), 220 (90 Cu - 10 Zn), 및 230 (85 Cu - 15 Zn), 240 (80 Cu - 20 Zn) 및 260 (70 Cu - 30 Zn)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 다른 구리계 합금은 예를 들어, 상기에서 언급한 저항률 범위를 제공하는 모넬 시리즈(Monel series)(Cu-Ni)를 포함할 수 있다. 70-110 K에서 마그네틱 전이를 가지는 Cu-Ni 합금 또는 다른 것이 사용될 수 있으며, 이 온도 범위에서 큰 비열(specific heat) 피크의 추가적인 장점을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 합금은 관리가 취해져서 보자력(coercivity) 최소화에 의한 마그네틱 AC 손실을 최소화하여야 한다. .
케이블링에 적절한 가요성을 제공하기 위하여, 안정자층(252, 253)은 예컨대, 1/2 또는 1/4 하드(hard)의 소프트 템퍼(soft temper) 상태일 수 있다. 주어진 HTS 와이어의 안정자층(252, 253)의 전형적인 총 두께는 100-600 μm 범위, 보다 바람직하게는 200-500 μm 범위일 수 있다. 와이어가 너무 두껍고 단단할 경우, 연속적인 가요성 케이블의 나선형 와인딩(winding)으로 스트랜드(strand)하기 어려울 수 있다. 안정자층(252, 253)의 열 전도율은 77-110 K 온도 범위에서 0.1 W/cmK보다 커서 고장의 초기 단계에서 HTS 층(예, HTS 층(102, 104))의 가열을 완화하고, 충분히 빠른 회복을 제공할 수 있다. 안정자층(252, 253)은 예컨대, 솔더 적층(solder lamination) 또는 접착제 본딩(adhesive bonding)에 의해 형성될 수 있다. 나아가, 안정자층(252, 253)은 디핑(dipping), 도금, 기상 증착, 전해 석출(electro deposition), 메탈-유기 액상 증착 또는 분사와 같은 코팅 방법을 이용하여 금속 또는 복합체 중 하나로서 형성될 수 있다.
HTS 와이어의 인캡슐런트(encapsulant)
안정화된 HTS 와이어 주위를 감싸거나 증착된 전도성이 좋지 않은 절연층을 추가하여 이를 밀봉함으로써 추가적인 비열이 제공될 수 있다. 이러한 전도성이 좋지 않은 절연층은 인캡슐런트(264)로 지칭될 수 있다. 인캡슐런트(264)는 일반적으로 열전달율(heat transfer coefficient)이 제한된 액체 불침투성 층을 형성하여 주변의 액체 냉각제(예, 액체 질소)로 열 유입(heat introduction)을 지연시킬 수 있다. 이에 의해 HTS 와이어의 온도를 열화(thermalize)하여, 예를 들어 단면에 걸쳐 더욱 균일해지고, 이에 의해 액체 냉각제에서 기체 버블 및 핫 스팟(hot spot)의 발생을 최소화할 수 있다. HTS 와이어의 표면은 또한 (예, 표면 특징 및 계면 화학으로) 최적화되어 액체 냉각제 버블링 또는 끊음 온셋(onset)을 방지할 수 있다.
인캡슐런트(264)는 일반적인 전기 절연 물질을 포함하는 폴리머(예, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 에폭시, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄)를 포함할 수 있다. 인캡슐런트(264)의 두께는 주변 액체 냉각제로의 열 유입에 의한 HTS 와이어를 냉각시키는 요구와 주변의 액체 냉각제 내에서 기체 버블이 생기지 않고 HTS 와이어의 온도를 최대화하는 요구의 균형을 맞출 수 있도록 선택될 수 있다. 인캡슐런트(264)의 일반적인 두께 범위는 25-300 마이크로미터이며, 인캡슐런트(364)의 바람직한 두께 범위는 50-150 마이크로미터이다.
바람직한 형태에서, 인캡슐런트(264)는 아마도 금속, 그래파이트(graphite) 또는 카본 파우더와 같은 도전 입자 추가를 통하여, 약한 도전성을 가지거나, 부분적으로 도전성인 폴리머들 중 일부로부터 선택될 수 있다. 인캡슐런트(264)의 순전기 저항률은 0.0001-100 Ohm cm 범위 내일 수 있다. 이 적절한 전기 전도성은 저항성 또는 노말 상태에서 HTS 와이어의 고장 전류 제한 저항을 상당히 감소시키지 않으며, HTS 케이블의 HTS 와이어가 각 단면에서 등전위를 유지하며 HTS 케이블(150)의 서로 다른 HTS 와이어들 사이에 전류 공유가 가능하도록 할 수 있다. 등전위를 유지하는 것은 그렇지 않으면 HTS 와이어들 사이의 유도성으로 유도된(inductively-induced) 전위 차이를 야기하여, 유전체 파괴 및 HTS 와이어에 손상을 야기할 수 있는 전류가 증대(surge)하는 경우에 중요하다. 선택적으로, 인캡슐런트(264)는 이 범위에서 저항을 가지는 반도체 금속 또는 고저항률 금속, 또는 에나멜, 유리 또는 결정성 산화물일 수 있으며, 이는 또한 전기 전도성 강화 물질을 포함할 수 있다.
인캡슐런트(364)의 외부 표면에는 인캡슐런트(264)와 주변 액체 냉각제(예, 액체 질소) 사이의 열전도율을 감소시키는 물질로 코팅될 수 있다. 택일적으로 인캡슐런트(264)의 표면은 텍스쳐(texture)되어 인캡슐런트(264)와 주변의 액체 냉각제(예, 액체 질소) 사이의 열전도율을 강화시킬 수 있다. 나아가, 인캡슐런트(264)의 표면은 주변의 냉각제로의 신속한 열손실에 의해 결정핵생성(nucleation)을 방지하기 위하여 예를 들어, 고전도성 금속 입자 또는 돌출된 금속 피버가 코팅될 수 있다. 그러나, 이러한 어떤 표면 처리도 또한, 액체 상태에서 절연 내력을 감소키는 것을 피할 수 있어야 한다.
인캡슐런트(264)는 예를 들어, 단일 패스 기법(single pass approach)에 비해 퍼포레이션(perforation) 빈도를 실질적으로 감소시키는 멀티 패스 기법(multi-pass approach)을 포함하는 다양한 래핑(wrapping)/코팅 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 택일적으로, 인캡슐런트(264)는 디핑, 압출 성형, 도금, 기상 증착 또는 분사(spraying)와 같은 코팅 방법에 의해 형성될 수 있다.
인캡슐런트(264)가 제공되어 HTS 와이어는 예를 들어 와이어의 0.3% 인장(tension) 스트레인(strain)(예, 100 메가파스칼 차수)까지 축방향 인장되는 반면, 이에 의해 어플리케이션 프로세스의 완성 단계에서 인캡슐런트(264)가 압축 상태에 놓이며, 인캡슐런트(364)에서 퍼포레이션 가능성을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 완료된 이후 (초기 상태와 비교하여) 인캡슐런트(264)는 축방향으로 압축되는 반면, 인캡슐런트(364)에서 HTS 와이어는 축방향으로 인장될 수 있다.
래핑 과정을 이용하여 인캡슐런트(264)를 형성하는 경우, 불침투성 물질이 래핑된 층으로 인캡슐런트(264)의 틈(opening)/갭에 침투할 수 있는 추가적인 불침투성 코팅(impregnating coating)(예, 폴리머, 페인트 또는 니스, 미도시)을 이용하여, 밀폐 인캡슐런트(364)를 형성할 수 있다. 택일적으로 래핑된 인캡슐런트는 상기의 갭/틈을 막는 롤링 또는 압축 과정(예, 정수압 성형(isostatic pressing))에 의해 밀폐될 수 있다. 갭 또는 틈을 피하는 것은 와이어의 금속 안정자층 쪽으로 침투하는 액체 한제가 고장 동안 가스 버블 결정핵생성 및 끊음을 시작할 수 있기 때문에 중요하다.
인캡슐런트 또는 안정자의 다른 종류는 융해 또는 결정 구조 상 전이와 같은 흡열 상 전이(endothermic phase transition)를 수행하는 물질이다. HTS 와이어의 동작 온도보다 높은 일부 온도(그러나, HTS 와이어의 최대 허용 가능한 온도 아래)에서 흡열 상 변화를 수행하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예시적인 흡열 상 변화는 유기 또는 무기 물질의 융해 예를 들어 저온 융해이다. 그리고, 이는 보강 물질(composite reinforcement material)에 이산적으로 임베드된 입자로서; 인캡슐런트(364)의 표면/계면에 제공될 수 있는 겔/페인트로서; 인캡슐런트(264) 또는 선택적으로 인캡슐런트(264)의 특정 영역(예, 가장자리, 필레(fillet) 또는 내부 도관(conduit) 영역)에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 인캡슐런트(264)로 선택된 물질은 액체 또는 혼합 상태(예, 페인트, 필름 코팅, 에멀젼 또는 겔)로 인캡슐런트(264)의 응용이 상대적으로 용이하고 경제적이도록, -160 내지 -70℃ 범위에서 융해될 수 있으며, 약 50 ℃ 이상에서 (바람직하게 주위 온도(ambient temperature) 이상에서) 끊을 수 있다.
와이어 및 케이블 디자인 기준의 요약
이상에서 설명한 HTS 와이어 디자인 기준(예, 안정자층의 두께, 저항률의 중간 값(intermediate value), 인캡슐런트)은 제1 세대 HTS 와이어, 고전도율(77 K 온도 범위에서 <0.5 μΩ-cm) 은 매트릭스의 멀티 필라멘트 복합체(multifilamentary composite)를 사용하는 종래의 고장-전류-보호된 HTS 케이블의 기준과 기본적으로 다르다. 이러한 종래의 고장-전류-보호된 HTS 케이블에서, 목적은 케이블 내에서 많은 양의 구리를 포함하여, HTS 와이어 또는 HTS 케이블 구조체에서 가능한 고 전도율 물질을 사용하는 것이었다. FCL-케이블에서 사용되는 HTS 와이어 디자인은 매우 고저항률 물질이 사용되고 안정자층은 가능한 얇아서 짧은 모듈 길이에서 고저항을 가능하게 하는 독립형 FCL 또는 SUPERPOLI 버스바의 디자인 기준과는 또한 기본적으로 다르다. 구체적으로, 독립형 FCL 또는 SUPERPLOI 버스바에서, 벌크 초전도체(노말, 저항성 상태로 휀치되는 경우 90-110 K 온도 범위에서 100 μΩ-cm의 저항률을 가질 수 있음) 또는 코팅된 전도체 와이어 중 하나를 스테인레스 스틸과 같은 고저항성 기재와 함께 사용한다. 이러한 기재는 77 K 온도 범위에서 20 μΩ-cm 보다 높은, 일부 경우 70 μΩ-cm 만큼 높은 저항률을 가질 수 있다.
유틸리티 그리드의 동작
도 6을 참고하면, 유틸리티 전력 그리드(300)의 콘텍스트(context) 내의 고장 전류 제한 HTS 케이블(150)의 동작이 도시되어 있다. 이 특정예에서, 유틸리티 전력 그리드(300)는 765 kV 버스(302), 69 kV 버스(304) 및 34.5 kV 버스(306)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 나아가, 유틸리티 전력 그리드(300)는 3개의 69 kV 변전소(24, 312, 314)를 통하여 69 kV 버스(304)에 전력을 공급하는 3개의 138 kV 변전소(20, 308, 310)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 3개의 34.5 kV 변전소(316, 318, 320)는 69 kV 버스(304)에서 34.5 kV 버스(306)로 전력을 공급할 수 있다. 고장 전류 제한 HTS 케이블(150)은 변전소들(20, 24) 사이에 도시되어 있다.
고장 전류(예, 고장 전류 124)가 유틸리티 전력 그리드(300) 내에 존재하는 경우, 다양한 전류 요소(322, 324, 326, 328, 330, 332)(예, HTS 케이블(150)을 통하여 흐르는 고장 전류(124)의 일부)는 모든 상호 연결된 변전소에서 모든 이용 가능한 통로를 통하여 흘러서 고장 전류(124)를 급전할 수 있다. 그리고 이는 유틸리터 전력 그리드(300) 상에 위치되는 매우 큰 로드로 나타날 수 있다. 고장 상황에서 실현될 수 있는 고장 전류(124)를 계산할 경우, 고장은 그라운드(ground)에 대한 단락 회로로서 모델링될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 특정 변전소(예, 변전소(20))가 고장 전류(124)에 얼마나 기여하는지를 결정하는 경우, 개방 회로 생성 전압(generation voltage)은 이상적인 전압 소스(350)로 모델링될 수 있다. 나아가, 업스트림 임피던스(예, HTS 케이블(150)에서 업스트림으로 보여지는 임피던스)는 변압기 임피던스(예, 변전소(20))와 결합되어 소스 임피던스(352)로 표시될 수 있다. 이 콘텍스트에서 임피던스는 실효 성분 및 무효 성분으로 구성된 복소 벡터량일 수 있다. 수학적으로, 임피던스 Z = R + jX 에서, R은 실효(예, 저항성) 성분이며 X는 무효(예, 유도성(inductive)/용량성(capacitive)) 성분이다. 이 예에서, 무효 성분은 유도성이며 jωL과 동일하다. 여기서, ω는 2πf이며, f는 전류 흐름의 주파수(예, 북미에서는 60Hz)이다.
HTS 케이블(150)은, 이상에서 설명한 바와 같이, 고장 전류(124)가 그라운드에 단락 회로서 모델링되므로, 그라운드(354)에 종단된 것으로 도시된다. 옴의 법칙은 변전소(20)에 의해 제공되는 고장 전류(예, 전류 요소(332))의 예상 레벨을 결정하는데 이용될 수 있다. 그리드(300) 내의 다른 변전소에도 이러한 접근법을 이용하여, 전체 고장 전류의 기여(예, 전류 요소(322, 324, 326, 328, 330)의 값)가 계산될 수 있으며, HTS 케이블(150)을 따라 흐르는 것으로 기대되는 고장 전류 요소(예, 전류 요소(332))가 결정될 수 있다. 불행히도, 전류 요소(332)는 회로 차단기(34, 36)가 제어할 수 있는 레벨 보다 높을 수 있다. 이에 의해, HTS 케이블(150)은 이와는 달리 예상된 고장 전류 요소(332)를 회로 차단기(34, 36)가 제어할 수 있는 소정의 낮은 제한하도록 디자인될 수 있다.
고장 전류 제한 HTS 케이블의 다른 중요한 응용은, 도 6의 라인(304, 306)에 의해 도시된 바와 같이 다른 변전소에서 버스 타이(bus- tie)의 개설 또는 보다 중요하게 버스-타이 사이의 상호 연결이다. 이러한 상호 연결은 그렇지 않으면 그러한 상호 연결 형성에서 증가할 수 있는 고장 전류의 제어를 유지하는 동시에, 그리드 로딩 요구에 따라 다른 변전소 또는 변전소 내의 다른 변압기 사이의 전력 공유를 가능하게 한다.
고장 전류 제한 HTS 케이블의 디자인
고장 전류 제한 HTS 케이블(150)을 디자인하는 경우, HTS 케이블(150)의 하나 이상의 디자인 특성은 고장 전류 동안 HTS 케이블(150) 내에서 일어나는 어떠한 온도 상승(ΔT)이, ΔTmax의 초과가 질소 버블의 형성을 야기할 수 있으므로, 최대 온도 상승(예, ΔTmax) 아래의 레벨이도록 설정될 수 있다. 이상에서 설명한 바와 같이, 기체 질소 버블의 생성은 유전층의 절연 내력을 감소시키고 HTS 케이블(150)의 손상 및 전압 파괴를 야기할 수 있다. HTS 케이블(150)은 적절한 저항을 제공하는 적절한 길이(예, 최소 길이보다 길게)로 디자인되어 HTS 케이블(150)의 HTS 와이어가 노말(예, 저항성) 상태로 드라이브되는 경우 고장 전류를 제한할 수 있다.
이에 의해, HTS 케이블(150)을 디자인하는 경우, 결정(400)은 예컨대, HTS 케이블(150)에서 최대 허용 가능한 동작 온도에 관하여 형성되는 것일 수 있다. 15 bar 압력의 액체 질소 냉각된 HTS 케이블에서, 최대 허용 가능한 동작 온도는 110 °K(예, 15 bar에서 액체 질소의 끊는 점)에 근접한다. 이에 의해, 72 °K로 차냉각된(subcooled) 액체 질소에서, ΔTmax는 38 ℃ 이며, 일부 디자인 마진을 제공하는 경우 ΔTmax는 30 ℃로 선택될 수 있다. 이는 실용적인 HTS 케이블에서 전형적인 값이나, 압력 및 온도 상승은 특정 디자인에 따라 변할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 모든 케이블(통성적인 케이블 및 HTS 케이블 모두)은 유효 및 무효 임피던스를 가지므로, 고장 전류를 다소 감소시킨다. 그러나, 많은 양의 구리를 포함하는 전형적인 고장-전류-보호된 HTS 케이블은 HTS 와이어가 노말 상태로 휀치되는 경우 매우 낮은 저항성 임피던스를 가진다. 그러므로, 휀치된 HTS 와이어의 저항에 의한 최대 고장 전류의 감소는 매우 작으며, 아마도 1 % 이하이며, 유틸리티 그리드의 동작에서 상당한 발전을 제공하는 10 %의 최소 레벨보다 매우 작다. 게다가 이상에서 설명한 바와 같이, HTS 케이블(예, HTS 케이블(150))의 유효 및 (더욱 작은) 무효 임피던스 성분은 HTS 케이블(150)을 통하여 흐르는 전류가 임계 전류 레벨(이상에서 정의한)을 초과하는 경우 수 차수(orders of magnitude) 증가할 수 있다. 이에 의해, 적절히 디자인하여 구리를 배제하고 안정자를 포함하는 와이어의 저항을 최적화하는 경우, HTS 케이블(150)은 고장 전류 제한기로서 작용할 수 있으며, 고장 전류를 초전도 임계 전류의 수 배 아래 레벨로 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 최대 고장 전류 레벨에서 10 %보다 큰 감소를 제공할 수 있다. 특히, HTS 케이블(150)은 디자인되어 고장 전류를 임계 전류의 f -인자(이상에 정의된) 배의 값으로 제한할 수 있다.
모든 중요한 종래의 HTS 케이블 실험은 초전도체의 극저온 온도 및 초전도체에 매우 근접하여 구리의 상당량을 포함하였다. 그러므로, 임계 전류 레벨을 초과하는 고장 전류가 발생하는 경우, 대부분의 고장 전류는 구리로 전도되고, 종래의 HTS 케이블의 열용량은 증가하며 종래의 HTS 케이블에서 온도 상승은 제한되었다. 이는 종래의 HTS 케이블을 손상으로부터 보호하는 한편, 이 구조체는 고전도성, 저저항 구리의 많은 양 때문에 고장 전류의 진폭을 매우 조금 감소시켰다.
HTS 케이블(150)에서, 고전도성 구리(및/또는 다른 고전도성 금속)는 제거되고, 상대적으로 고저항률(0.8-15 μΩ-cm 또는 바람직하게 1-10 μΩ-cm)이며 상대적으로 두꺼운(예, 100-600 마이크론, 바람직하게 200-500 마이크론의 총두께) 안정자를 포함하는 HTS 와이어(이상에서 설명한)가 설치된다. HTS 케이블(150)의 길이는 충분히 길어(예, 전형적으로 200 m보다 긴) 휀치되고 안정화된 HTS 케이블(150)의 총저항은 최대 고장 전류를 약 임계 전류의 f -인자 배 정도로 감소시킬 수 있도록 충분히 크다.
가요성 고용량 HTS 케이블(150)의 제공함과 동시에 이 바람직한 결과를 달성할 수 있는 원리는 코팅된 HTS 전도체 와이어(150)(도 5 및 이상에서 설명한 바와 같이)를 사용하는 것이다. HTS 층(258)은 상대적으로 얇으며, 상대적으로 두꺼운 안정자층(252, 253)(예, 전형적으로 HTS 층(258)과 기재층(254)보다 두꺼운)을 포함할 수 있다. HTS 층(258)은 높은 전류 전송 용량(예, 77 K에서 1 Megamp/cm2 보다 큰)을 가질 수 있다. 동작 온도에서 전형적인 단위 와이어 폭 당 임계 전류(Ic,w)는 350 A/cm-width이나, 다른 연구실 또는 다른 상업적 제조 업체로부터의 다른 와이어의 값은 100 A/cm-width 에서 1000 A/cm-width 범위일 수 있다. 그리고, HTS 와이어(250)가 저항성 상태로 스위치되는 경우, HTS 와이어(250)의 저항은 상대적으로 높아서, 거의 모든 전류가 안정자층(252, 253)으로 이동할 수 있다. HTS 와이어(150)는 HTS 케이블(150) 내에 나선형으로 감길 수 있도록 충분히 가요성일 수 있다. 실질적으로, 가요성 요구는 결합된 안정자층(252, 253)의 총 두께를 약 600 마이크론으로 한정할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 변전소(20)를 삼-상 13.8kV 변전소로 가정하자. 이에 의해, 변전소(20)에 의해 그라운드로 연결된 전압은 7.97 kV이다. 나아가, 고장 전류 요소(332)의 제한되지 않은 값을 40 kA로 가정하고, 5의 X/R 소스 임피던스 비(예, 전형적인 값)를 가정하자. 이에 의해, 소스 임피던스(352)의 유효(Rs) 및 무효(Xs) 임피던스 값은 40 kA = 7.97 kV / (Rs2 + Xs2)1/2 및 Xs/Rs = 5에 의해 0.039 + j0.195 Ω으로 결정될 수 있다(402). 이 및 연속된 계산에서, 주어진 라인-투-라인 전압(VLL)의 삼-상 시스템은 라인-투-그라운드 전압(VLG)(여기서, VLL = VLG * (3)1/2)을 사용하는 등가 단-상 모델로 모델링된다.
이 예에서, HTS 케이블(150)을 1,200 m 길이(Lcable)이고, 3,000 amps rms 또는 3,000 Arms(예, 제곱 평균 암페어의 Irms) 규격으로 더 가정하자. 이상에서 설명한 바와 같이, HTS 케이블(150)의 내부 냉각제 통로(152)는 반지름 방향으로 연속적으로 제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS 층(104)으로 둘러싸여 있을 수 있다. 제1 HTS 층(102) 및 제2 HTS 층(104)의 와이어가 내부 냉각제 통로(152) 주위를 나선형으로 래핑되기 때문에, HTS 층(102, 104) 내에 포함된 각 HTS 와이어(예, HTS 와이어(250))의 실제 길이는 HTS 케이블(150)보다 길다. 이 예에서, 1.08의 나선형 인자(spiral factor)를 가정하면, HTS 와이어의 실제 길이는 HTS 케이블(150)의 길이보다 8.00 % 더 길다.
부가적으로, 이 예에서, HTS 케이블(150)이 1.6 배 Irated에서 노말로 가도록 디자인되는 것을 가정하자. 이 인자는 트립-전류(trip-current) 인자 ftc로 지칭될 수 있다. 이에 의해, HTS 케이블(150)은 디자인되어 4,800 Arms까지 초전도 특성을 나타낼 수 있다. 그러면, 케이블의 임계 전류는 동작 온도에서 4800 x 1.414 = 6787 A이다.
HTS 케이블(150)을 형성하는 경우 다양한 디자인 파라미터가 설정될 수 있다(404). 그리고, 이의 예시는 HTS 와이어 폭(W); 단위 폭 당 임계 전류 (Ic,w); 트립 전류 인자(ftc) f -인자(하기 참조); 안정자 또는 복합체(composite) 저항률(ρ); 안정자 또는 복합체 두께(t); 전도체 비열(C); 고장 전류 기간(τ); 각 상의 와이어 수(N); 및 케이블 인덕턴스(X)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 총 HTS 케이블 임계 전류는 Ic,wWN일 수 있다. 이 디자인 파라미터를 설정하여(404), HTS 케이블(150)의 임피던스는 조정되고(406) 및/또는 HTS 케이블(150)이 형성되어 HTS 케이블을 통하는 고장 전류가 총 케이블 임계 전류의 f -인자 배로 감소될 수 있다. 그리고 이는 전형적인 그리드 상황에서 오리지널 최대 고장 전류의 10 %보다 크다.
HTS 와이어 폭(W); 이 디자인 파라미터는 HTS 층(102, 104)에 설치된 개별 HTS 와이어(예, HTS 와이어(250))의 폭을 지칭한다. 예를 들어, 아메리카 수퍼컨덕더에서 상업적으로 이용 가능한 (344 superconductors) 바와 같이 0.44 cm의 HTS 와이어 폭(W)을 가정하자. 이 폭은 우선 전력 케이블의 가요성 포머 주변에 나선형으로 감긴 HTS 와이어의 기계적 요구에 의해 정해진다.
단위 폭 당 임계 전류(Ic,w): 이 디자인 파라미터는 이상에서 설명한 표준 전기장 기준에서 테이프형 전도체의 폭 당 개별 HTS 와이어에 의해 실현될 수 있는 최대 전류 레벨로 지칭된다. 예를 들어, 동작 온도에서 350 Amperes per cm-width(예, A/cm-width)의 단위 폭 당 임계 전류(Ic,w)를 가정하자. 이 파라미터는 HTS 케이블을 제조하는데 이용되는 HTS 와이어의 수(N)를 최소화하는 요구 및 케이블의 요구되는 규격(rating)에 의해 크게 정해진다.
트립-전류 인자(ftc): 이상에 설명한 바와 같이, 전형적인 유틸리티 디자인 요구는 ftc = 1.6 이다.
f -인자(f): Kraemer et al.(" Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters "(H. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 2044-7) 참조)에 의해 처음으로 제안된 이 디자인 파라미터는 HTS 층(102, 104)이 완전 노말 또는 저항성으로 가는 경우 전류와 임계 전류의 비로 지칭된다. 이상에서 그리고 이 예에서 설명한 바와 같이, HTS 케이블(150)은 4,800 Arms(또는 약 6,790 Apeak)에서 노말로 간다. 이 피크 값(예, 6,790A)을 f -인자로 곱하여, HTS 케이블(150)이 완전 노말(예, 비-초전도)인 경우 값이 결정될 수 있다. 지멘스에 의한 YBCO 박막에 대한 최초 결정은 약 2의 f -인자 값을 산출하였다(" Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters "(H. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 2044-7) 참조). 이 f -인자는 YBCO-코팅된 전도체 와이어에서 동일한 범위로 기대된다(예, 1 내지 4의 범위). 이 및 연속되는 예에서, 우리는 지멘스의 결과에 따라 2의 f -인자를 가정한다. 이에 의해 그리고 이상에서 설명한 예에서, 우리는 HTS 케이블(150)이 약 3,790 암페어의 2(예, f -인자) 배 또는 13,580 암페어에서 완전 노말(예, 비-초전도)이 되는 것을 측정하였다. 이에 의해, 적절히 케이블을 형성하여(408)(이하 참조), 40,000 Arms (56,600 Apeak)의 고장 전류가 13,580 Apeak로 제한될 수 있다. 이는 전기 전력 그리드의 유용한 동작 향상에서 요구되는 10 % 최소 레벨보다 상당히 큰 76 %의 고장 전류 감소를 나타낸다.
저항률(ρ): (특정 전기 저항으로 또한 알려진) 이 디자인 파라미터는 물질이 전기 전류의 흐름을 얼마나 강하게 방해하는지의 단위이다. 전형적으로, 저항률(ρ)은 온도의 함수이며, ρxx로 표시될 수 있다. 여기서, "xx"는 저항률이 계산된 온도를 정의한다. 이 예에서, 90 °K의 온도에서 4.0 μΩ-cm의 저항률(ρ90)로 가정하자. 단순히, 우리는 이하 측정에서 70 내지 100 K 범위에서 온도 영향은 무시하는 것으로 가정한다. 이러한 저항률은 예를 들어, 황동에서 찾을 수 있다. 아연의 농도가 변화되어 저항률을 제어할 수 있으며, 아연이 더 많을수록 합금에서 저항률은 더 높아진다. 합금 조성에서 많은 다른 합금이 유사한 저항률의 변화를 나타낼 수 있다. 이에 의해 안정화 물질의 다양한 선택이 존재할 수 있다.
안정자 두께(t): 이 디자인 파라미터는 HTS 와이어(250)에 포함된 안정자층(252)의 두께를 지칭한다. 이 예에서, 총 안정자 두께(t)는 약 350 마이크로미터로 가정하자. 보다 구체적으로, 기재층, 초전도체층, 캡층, 솔더층, 안정자층 및 인캡슐런트를 포함하는 HTS 와이어는 다층 복합체이며 HTS 와이어의 두께 및 총 복합체 저항률에 의해 특징될 수 있다. 안정자층은 와이어의 지배적인 부분이므로, 다층 복합체의 저항률은 안정자층의 저항률에 가까울 수 있다. 그러나, 이하의 측정에서는 단순히, 휀치된 상태에서 전류는 우선적으로 안정자층에서 흐르는 것으로 가정한다. 나아가 이 형태의 리파인먼트(refinement)는 당업자에게 자명하다.
부피 당 비열(C): 이 디자인 파라미터는 기재층, HTS층, 캡층, 솔더층 및 안정자층을 포함하는 HTS 와이어 복합체의 부피 당 비열을 지칭한다. HTS 와이어에 사용되는 전형적인 물질에서, C는 약 77 K에서 2 Joules / cm3K에 가깝다. 단순히, 비록 특정 물질에서 C 값이 70-110 K 온도 범위에서 10-20 % 변할 수 있을지라도, 우리는 이 범위에서 이 값을 가정한다. HTS 와이어가 전도성이 좋지 않은 인캡슐런트를 포함하는 경우, 인캡슐런트는 일정한 온도로 야기하면서, 열 분산이 와이어를 열화(thermalize)할 수 있는 경우 수 초 후에 와이어의 비열을 부가할 수 있다. 하기의 온도 상승 계산의 단순 근사치와 같이, 우리는 복합체의 비열이 1+(Citi/Ct) 인자(여기서, 첨자 i는 인캡슐런트를 지칭함)에 의해 증가되는 것을 가정하여, 인캡슐런트의 효과를 근사할 수 있다. 대부분의 경우, 77 K 온도 범위에서 인캡슐런트의 열용량은 약 2 Joules/cm3K 이며, 인캡슐런트가 복합체 와이어만큼 두꺼운 경우, 이 인자는 2이다.
고장 전류 기간(τ): 이 디자인 파라미터는 고속 스위치 어셈블리(202) 또는 회로 차단기(34, 36)가 그리드의 일부(10')로부터 HTS 케이블(150)의 연결을 끊기 이전의 시간을 지칭한다. 이 시간을 최대한 짧게 하여 케이블에서 열로 침전된 에너지를 최소화하고 이에 의한 열 상승을 최소화하는 것이 바람직하다. 그들의 센싱 회로와 더불어, 상업적으로 용이하게 이용 가능한 가장 고속의 스위치는 4 사이클(예, 67 msec)에서 개방된다. 이에 의해, 고장 전류 기간은 67 msec로 간주된다. 장래에 더 고속의 스위치가 이용 가능해질 경우, 그것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
와이어 수(N): 이 파라미터는 HTS 케이블의 각 상의 상 전도체 내에 포함된 총 와이어의 수를 지칭한다. 전형적으로, 이는 2 개의 HTS 층(예 HTS 층(102, 104))에 배열되며, 서로 반대의 와인딩 센스(winding sense)(예, 헬리시티(helicity))를 가지는 두 층으로 나선형으로 감긴다. 동작 온도에서 350 A/cm- width의 폭 당 임계 전류, 1.6의 렛-쓰루(let-through) 전류 인자 및 0.44 cm의 와이어 폭을 가지는 3,000 Arms 규격 케이블에서, 요구되는 전도체 수(N)은 44이다.
리액턴스(X): 이 디자인 파라미터는 주어진 단위 길이 당 전기 전류에서 생산되는 자속양에 의해 결정되는 단위 길이 당 인덕턴스로 지칭된다. 이 예에서, 0.017 mH / km의 인덕턴스(X)로 가정하자. 이는 아래에서 설명되는 초전도 상태 3축(Triax) 케이블의 특성이다.
변전소(20)(이 예에서)가 삼-상 13.8 kV 변전소이므로, HTS 케이블(150)은 삼축 케이블(예, 사우스와이어 컴퍼니와 엔케이티 케이블의 합작 회사인 울트라에 의해 제안된 삼축 HTS 케이블 배선)일 수 있다. 각 상은 나선형으로 감긴 두 층으로 구성되고, 모두 동축으로 구성되며 유전체에 의해 분리된다. 울트라로부터의 현재의 삼축 케이블에서 구리 스트랜드는 제거될 필요가 있으며, 상기에서 설명한 와이어는 삼축 케이블을 FCL-케이블로 수정하는데 사용될 필요가 있다.
휀치된 상태에서 HTS 케이블(150)의 임피던스(Z)의 저항성 요소(Rhts(quenched))는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기의 주어진 파라미터로 하기와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112009055517938-PCT00001
Figure 112009055517938-PCT00002
Figure 112009055517938-PCT00003
케이블의 유도성 임피던스는 이 큰 저항성 임피던스에 비하여 무시할 수 있다. 전형적인 케이블에서 0.017 mH/km 의 특정 시트 값이 주어진 경우, 등가 인덕턴스(Lhts)는 0.017 mH/km * 1.2 km = 0.0204 mH로 계산할 수 있다. 무효 임피던스(X= jωL, 여기서, ω=2πf이며, f는 전류 흐름의 주파수(예, 북미에서 60 Hz))는 Xhts = 0.00769 Ω로 귀착하며, 이는 Rhts(quenched)보다 100 배 작다.
상기에 주어진 바와 같은 0.036 + j0.195 Ω의 소스 임피던스를 가지는 도 7에 도시된 등가 회로 및 옴의 법칙을 이용하면, HTS 케이블(150)의 일 상에 걸친 전압 강하(Vcable)는 스탠다드 키르히호프의 법칙을 이용하여 7,348 Vrms로 계산될 수 있다. HTS 케이블(150)을 통하여 흐르는 대응하는 rms 전류(Icable)는 Vrms/ Rhts(quenched) = 9,604 Arms 이다. 그리고, 이는 9604 x 1.414 또는 13,580 A의 전류 피크에 대응한다. 이에 의해, 전류 요소(332)는 40,000 Arms에서 9,604 Arms로 감소된다(예를 들어, 76.0 % 감소)
이상에서 설명한 바와 같이, 고장 전류 동안 HTS 케이블(150)에서 발생하는 온도 상승(ΔT)은 ΔTmax 초과는 기체 질소 버블의 형성을 야기할 수 있으므로, 최대 온도 상승(예, ΔTmax) 아래의 레벨로 유지되어야 한다.
HTS 케이블(150)의 실제 동작 온도가 결정되는 경우(410), HTS 케이블(150)에 의해 실현되는 온도 상승(ΔT)은 ρ90J2τ 의 생성열과 CΔT의 흡수열이 같다는 단순한 단열 계산에 의해 결정될 수 있다(여기서, 휀치된 초전도체 와이어에서 rms 전류 밀도(J)는 Icable/WNt=fIc,w/√2t이다). 이 관계식으로부터, ΔT는 상기 주어진 파라미터를 이용하여 하기와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112009055517938-PCT00004
Figure 112009055517938-PCT00005
Figure 112009055517938-PCT00006
따라서, HTS 케이블(150)에 의해 실현되는 온도 상승(ΔT)이 최대 허용 가능한 온도 상승(ΔTmax)보다 작기 때문에, 기체 질소 버블이 형성되지 않고, 유전체의 절연 내력이 감소되지 않으며, HTS 케이블(150)은 케이블에 영구적인 손상을 야기하는 유전체 파괴의 위험이 없을 수 있다. 구체적으로, 15 bar 압력의 HTS 케이블에서, 액체 질소의 끊는점은 110 ℃ 이다. 따라서, 72 °K로 차냉각된 액체 질소로 동작하는 케이블에서, 26.9 ° K의 온도 상승(ΔT)은 98.9 ° K의 실제 동작 온도로 귀착된다. 그리고 이는 액체 질소의 끊는점 110 °K와 비교할 경우(412) 안정적인 동작 온도이다.
상기 등식을 참고하면, 분모의 값이 증가하면 온도 상승(ΔT)이 감소하는 반면, 분자 값이 증가하면 온도 상승(ΔT)이 증가하는 것이 명백하다. 따라서, 고장 전류 기간(τ) 및/또는 저항률(ρ90)의 증가는 온도 상승(ΔT)의 증가를 야기할 수 있다. 반대로, 안정자 두께(t) 또는 비열(C)의 증가는 온도 상승(ΔT)의 감소를 야기할 수 있다. 와이어 폭(W) 및 와이어 수(N)는 케이블을 스트랜딩하는 실질적 요구 및 와이어의 폭 당 임계 전류와 결합된 케이블 규격에 의해 이미 결정된다.
동시에, 케이블에서 HTS 와이어의 길이는 요구되는 저항을 달성할 수 있도록 충분히 길어야 한다. a) 최대 제한 전류는 f -인자, 폭 당 와이어 임계 전류(Ic,w), 모든 와이어의 총 폭(WN)의 곱이며, b) 저항은 ρL/WNt이므로; HTS 케이블(150)에서 와이어의 최소 길이는 하기 <등식 1>과 같다.
Lmm = (Vpeak)(t) / (f)(Icw)(ρ) <등식 1>
상기 값의 경우,
Lmin = (1.414x7348 V)(0.035cm) / (2)(350 A/cm)(0.000004 Ωcm).
Lmin = 1,300 m
1.08의 나선형 인자를 대입하면, 이 길이는 원래 가정된 1200 m 케이블 길이에 대응된다. 더 길 경우, 케이블 어딘가의 최대 온도 상승(ΔT)은 전류가 fIc,wWN으로 제한되는 한 상기 계산된 레벨로 유지될 수 있다. 이 경우, HTS 와이어의 일부만 지멘스(" Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters "(H. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 2044-7) 참조)에 의해 설명된 방법으로 휀치될 수 있으며, 제한된 전류는 fIc,wWN 레벨로 유지된다. 그러나, 더 짧을 경우, 휀치된 상태에서 HTS 와이어의 저항은 감소할 것이며, 전류는 I = V/Rhts,quenched 에 따라 주어진 전압에서 증가할 수 있다. 이는 상기 주어진 ΔT 등식에 따라 더 큰 가열 및 증가된 온도 상승을 야기할 수 있다. 그러므로, 케이블 길이는 상기 계산된 값(예, 1,300 미터)보다 커야만 한다.
온도 상승은 또한 하기와 같이 계산될 수 있음을 주목하라.
ΔT = ρ(fIc,w/t)2τ/2C <등식 2>
등식 1 및 등식 2로 표시되는 상기의 마지막 두 등식으로부터, 저항률(ρ) 또는 임계 전류 밀도(Ic,w)의 증가 또는 안정자 두께(t)의 감소에 의해 최소 와이어 및 케이블 길이를 감소시키기를 원하는 경우, 온도 상승(ΔT)이 증가할 수 있다. 택일적으로, 인캡슐런트 사용을 통하여 열용량의 증가는 온도 상승을 낮출 수 있다. 예를 들어, 열용량을 두배하는 것은 두 배의 저항률에서 동일한 온도 상승을 가능하게 할 수 있다. 그리고, 이는 2의 인자에 의해 최소 케이블 길이를 감소시킬 수 있다. 이러한 등식이 케이블의 동작 규격 및 HTS 와이어 또는 폭 당 임계 전류(Ic,w)에 의해 결정되는 것을 제외하고는 와이어 폭(W) 또는 와이어 폭(N)에 의존하지 않는 점을 주목하라.
이 케이블 디자인 분석의 결론은 HTS 케이블(150)을 통하여 모든 고장 전류가 흐르는 응용에서, FCL HTS 케이블에서 최소 길이는 13.8 KV 클래스 배전 시스템에서 킬로미터 범위이다. 이는 상기에서 설명한 바와 같이 예를 들어, 더 높은 열용량의 사용을 통하여 더 감소될 수 있다. 다른 전압 및 파라미터에서 최소 길이는 상기에 주어진 등식 또는 모든 파라미터의 온도 의존도를 고려한 보다 완전한 분석으로부터 당업자에 의해 계산될 수 있다.
그러나, 병렬 임피던스가 케이블(150)에 걸쳐(예, 도 4의 차단기(34)에서 차단기(36)까지) 직접적으로 제공되는 경우, 케이블(150) 상의 전압은 상당히 줄어들 수 있다. 예를 들어, 8 kVrms의 단-상 전압의 13.8 kVrms 그리드에서 40 kArms의 단-상 고장 전류에 대응하는 13.8 kV 시스템에서 소스 임피던스는 0.2 Ω(유도성)로 고려된다. HTS 케이블(150)에서 0.046 Ω의 통상적인 유도성 임피던스는 케이블(150) 상의 전압을 1500 Vrms로 감소시키고 32.5 kA의 고장 전류를 제공할 수 있다. 이 감소된 전압 및 상기 파라미터(도 5의 인캡슐런트를 사용하여 열용량에서 2의 인자 증가를 포함)로, 임계 길이 공식은 약 100 m의 최소 케이블 길이를 도출한다. 이에 의해, FCL 케이블은 병렬 임피던스가 사용되는 경우 100 m만큼 짧은 길이의 13.8 kV 그리드로 디자인될 수 있다.
장형 케이블에서, 저항률은 감소될 수 있으며, 대응하여 온도 상승도 감소할 수 있다. 이는 케이블이 원래 동작 온도로 돌아가는 회복 시간을 감소시키는 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 4.8 km 길이의 케이블에서, 상기 예에서 저항률은 1 μΩ-cm로 감소될 수 있으며, 온도 상승은 (도 5의 인캡슐런트(264) 없이) 26.9 K에서 6.7 K로 감소될 수 있다.
장래에, 더 고속의 스위치 어셈블리가 이용 가능할 수 있다. 이 경우, 고장 기간(τ)은 감소될 수 있으며 더 큰 저항률이 용인될 수 있다. 예를 들어, 27 msec의 고장 기간에서, 저항률은 10 μΩ-cm로 증가할 수 있으며, 케이블의 최소 길이는 (인캡슐런트 없이) 2.5의 인자(10 μΩ-cm / 4 μΩ-cm)에 의해 감소될 수 있다.
그러므로, 개시된 FCL-케이블의 개념은 1 내지 10 μΩ-cm 범위의 저항률 및 상기에서 고려된 파라미터에서 일부 더 나은 조정으로 실행될 수 있으며, 이 범위는 0.8 내지 15 μΩ-cm로 연장될 수 있다. 그러나, 구리의 낮은 77 K 저항률(0.2 μΩ-cm) 또는 스테인레스 스틸의 고저항률(50 μΩ-cm)은 실용적인 연속적인 가요성 장형 FCL 범위에서 제외된다.
케이블링 요구(예, 안정자는 너무 두껍지 않아서 케이블에 HTS 와이어가 너무 스티프(stiff)하게 되는 것을 피할 수 있다) 및 유틸리티 전류 규격을 만족하는 요구에 의해 제한될 수 있을지라도, 대응하는 변화는 안정자 두께(t) 및 Ic,w의 파라미터에서 가능할 수 있다.
138 kV와 같은 전송 레벨 전압에서, 최소 길이는 4 μΩ-cm에서 8 μΩ-cm로 저항률의 증가 및 2의 인자에 의해 열용량을 증가시키는 인캡슐런트를 포함하여 측정될 수 있다. 길이 공식(상기에 설명된)에 따라, 13.8 kV 클래스 배전 시스템과 비교하여 전압에서 10 배(ten-fold)의 증가는 저항률에서 2 배의 증가와 결합하여, (10/2) x 1.2 km 또는 6 km의 최소 길이를 의미한다. 전송 레벨 케이블에서, 이와 같은 길이는 보통이며, FCL 케이블 디자인이 이 경우 또한 가능함을 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예는 하나보다 많은 형태의 HTS 와이어 예를 들어, HTS 물질 BSCCO(bismuth-strontium-calcium-copper-oxide)계 와이어와 HTS 물질 YBCO(rare earth or yttrium-barium-copper-oxide)계 와이어를 포함하는 HTS 케이블이다. 다양한 초전도 물질은 초전도에서 노말 상태로 다양한 전이 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 비록 두 물질 과거에(예, SUPERPOLI 프로그램) FCL 특성을 설명하는 데 사용되었을지라도, YBCO는 BSCCO보다 더 가파른 전이를 가질 수 있으며, 이는 FCL 응용에서 매우 효과적이다. 이 실시예에서, BSCCO 와이어로부터 형성된 HTS 케이블은 디자인되고 동작되어, YBCO 코팅된 전도체 와이어에서 형성된 초전도 케이블의 적절하게 긴 섹션을 부가하여 고장 전류 제한 케이블로서 역할을 할 수 있다. 이는 FCL 동작용으로 디자인된 케이블의 YBCO 섹션에서 스플라이싱(splicing)에 의해 달성될 수 있다. 노말 동작 상황에서, 두 섹션은 초전도이다.
다양한 실시예를 설명하였지만, 다양한 변형예들이 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 하기 청구항의 사상 내에 있을 수 있다.

Claims (52)

  1. 200-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자; 및
    상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제1 HTS 층을 포함하는 극저온-냉각된(cryogenically-cooled) HTS 와이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함하며,
    상기 제1 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치되며, 상기 제2 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제2 HTS 층을 더 포함하되,
    상기 안정자는 상기 제1 및 제2 HTS 층 사이에 배치되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제2 HTS 층을 더 포함하되,
    상기 안정자는 제1 안정자층, 제2 안정자층 및 제3 안정자층을 포함하며,
    상기 제1 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제1 측에 가까이 배치되고, 상기 제2 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제2 측 및 상기 제2 HTS 층의 제1 측에 가까이 배치되며, 상기 제3 안정자 층은 상기 제2 HTS 층의 제2 측에 가까이 배치되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 HTS 층은 5 마이크로미터보다 작은 두께를 가지는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 안정자의 상기 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ-cm 범위인 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 HTS 층은 이트륨 또는 희토류-바륨-구리-산화물; 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물; 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물; 수은-바륨-칼슘-구리-산화물; 및 붕화마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 HTS 층에 가까이 배치된 기재층을 더 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 기재층은 니켈-텅스텐, 스테인레스 스틸 및 하스텔로이(HastelloyTM)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 극저온-냉각된 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅하는 인캡슐런트(encapsulant)를 더 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 전도성이 좋지 않은 절연층인 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 72-110 K 온도 범위에서 흡열성 상변화를 수행하는 적어도 일부를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 래핑 공정, 압출 성형 공정, 디핑 공정, 도금 공정, 기상 증착 공정 및 분사 공정 중 하나에 의해 상기 HTS 와이어에 형성되는 극저온-냉각 된 HTS 와이어.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 멀티패스 공정에 의해 상기 HTS 와이어에 형성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 25-300 마이크론의 두께인 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 상기 인캡슐런트에서 주위의 극저온 액체 냉각제로 상기 열 이동을 강화하는 표면을 가지는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  21. 최대 고장 전류를 적어도 10% 감소하는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함되도록 구성된 극저온-냉각된 HTS 와이어에 있어서,
    연속적인 가요성 와인딩(winding) 지지 구조체; 및
    상기 가요성 와인딩 지지 구조체에 대하여 동축으로 배치되며, 초전도 물질의 하나 이상의 전도층을 포함하되,
    상기 하나 이상의 전도층 중 적어도 하나는 100-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자와, 상기 안 정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제1 HTS 층을 포함하는 HTS 와이어를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함하며,
    상기 제1 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치되며, 상기 제2 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 HTS 와이어는 상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합되는 제2 HTS 층을 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  24. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 HTS 층은 5 마이크로미터보다 작은 두께를 가지는 극저온-냉각된 HTS 와이어
  25. 제 21항에 있어서,
    상기 안정자의 총 두께는 200-500 마이크로미터 범위인 극저온-냉각된 HTS 와이어
  26. 제 21항에 있어서,
    상기 안정자의 상기 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ-cm 범위인 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  27. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 HTS 층은 이트륨 또는 희토류-바륨-구리-산화물; 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물; 비스무스-스트론튬-칼슘-구리-산화물; 수은-바륨-칼슘-구리-산화물; 및 붕화마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  28. 제 21항에 있어서,
    상기 안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  29. 제 21항에 있어서,
    상기 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택된 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  30. 제 21항에 있어서,
    상기 HTS 와이어는 상기 제1 HTS 층에 가까이 배치된 기재층을 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  31. 제 21항에 있어서,
    상기 기재층은 니켈-텅스텐, 스테인레스 스틸 및 하스텔로이TM를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  32. 제 21항에 있어서,
    상기 HTS 와이어는 상기 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅하는 인캡슐런트를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 인캡슐런튼 전도성이 좋지 않은 절연층인 극저온-냉각된 HTS 와이어
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  35. 제 32항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성되는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  36. 제 31항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 72-110 K 온도 범위에서 흡열성 상변화를 수행하는 적어도 일부를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  37. 제 31항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 25-300 마이크론 두께인 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  38. 제 32항에 있어서,
    상기 가요성 와인딩 지지 구조체는 공동 축 코어(hollow axial core)를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  39. 제 32항에 있어서,
    상기 가요성 와인딩 지지 구조체는 코러게이트된(corrugated) 스테인레스 스틸 튜브를 포함하는 극저온-냉각된 HTS 와이어.
  40. 최대 고장 전류를 적어도 10% 감소하는 유틸리티 전력 그리드 내에 포함되도 록 구성된 초전도 전기 케이블 시스템에 있어서,
    전압 소스; 및
    상기 전압 소스와 연결되며, 가요성 와인딩 지지 구조체와 상기 가요성 와인딩 지지 구조체에 대하여 동축으로 배치되며 초전도 물질의 하나 이상의 전도층을 포함하는 극저온-냉각된 HTS 케이블을 포함하되,
    상기 하나 이상의 전도층 중 적어도 하나는 200-600 마이크로미터 범위의 총 두께 및 약 90 K에서 0.8-15.0 μΩ cm 범위의 저항률을 가지는 안정자와 상기 안정자의 적어도 일부와 열적으로 결합된 제1 HTS 층을 포함하는 HTS 와이어를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  41. 제 40항에 있어서,
    상기 가요성 와인딩 구조체는 공동 축 코어를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  42. 제 40항에 있어서,
    상기 가요성 와인딩 지지 구조체는 코러게이트된 스테인레스 스틸 튜브를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  43. 제 40항에 있어서,
    상기 전압 소스는 변전소를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  44. 제 40항에 있어서,
    상기 극저온-냉각된 HTS 케이블에 병렬로 연결된 하나 이상의 고속 스위치 어셈블리를 더 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  45. 제 40항에 있어서,
    상기 안정자는 제1 안정자층 및 제2 안정자층을 포함하며,
    상기 제1 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제1 측 가까이 배치되며, 상기 제2 안정자층은 상기 제1 HTS 층의 제2 측 가까이 배치되는 초전도 전기 케이블 시스템.
  46. 제 40항에 있어서,
    상기 안정자의 상기 저항률은 약 90 K에서 1.0-10.0 μΩ-cm 범위인 초전도 전기 케이블 시스템.
  47. 제 40항에 있어서,
    상기 안정자는 황동 물질로 적어도 일부 구성되는 초전도 전기 케이블 시스템.
  48. 제 47항에 있어서,
    상기 황동 물질은 황동 210 (95% Cu / 5 % Zn), 황동 220 (90 % Cu / 10 % Zn), 황동 230 (85 % Cu / 15 % Zn), 황동 240 (80 % Cu / 20 % Zn) 및 황동 260 (70 % Cu / 30 % Zn)을 포함하는 그룹에서 선택되는 초전도 전기 케이블 시스템.
  49. 제 40항에 있어서,
    상기 HTS 와이어는 상기 HTS 와이어의 적어도 일부를 인캡슐레이팅하는 인캡슐런트를 포함하는 초전도 전기 케이블 시스템.
  50. 제 49항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 전도성이 좋지 않은 절연층인 초전도 전기 케이블 시스템.
  51. 제 49항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리에틸렌; 폴리에스테르; 폴리프로필렌; 에폭시; 폴리메틸 메타크릴레이트; 폴리이미드; 폴리테트라플루로에틸렌 및 폴리우레탄을 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 초전도 전기 케이블 시스템.
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    상기 인캡슐런트는 0.0001-100 μΩ cm 범위의 총 전기 저항률을 가지도록 형성되는 초전도 전기 케이블 시스템.
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