KR20100069602A - 초전도 케이블을 갖는 구조체 - Google Patents

초전도 케이블을 갖는 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블(SK)을 구비하는 구조체에 관한 것으로서, 초전도 케이블은 초전도 도체(1) 및, 유전체(2)를 사이에 넣은 상태로 초전도 도체를 둘러싸는 초전도 스크린(3)을 포함한다. 초전도 케이블(SK)은 서로 동심원적으로 배치된 두 개의 금속 튜브(4,5)로 이루어진 저온유지장치(KR)에 의해 둘러싸여 있고, 초전도 케이블과 상기 저온유지장치 사이에는 냉매가 지나가는 자유공간(FR)이 포함되어 있고, 두 개의 금속 튜브 사이에는 진공 절연부가 형성되어 있다. 스크린(3)은, 통상의 전도상태에 있을 때 도체(1)용으로 사용되는 물질의 전기 저항값 보다 50배 이상 큰 전기 저항값을 갖는 초전도 물질로 이루어져 있다.
초전도 케이블, 도체, 유전체

Description

초전도 케이블을 갖는 구조체{ARRANGEMENT HAVING A SUPERCONDUCTING CABLE}
본 발명은, 초전도 도체와 초전도 스크린으로 이루어진 초전도 케이블을 구비하며, 상기 초전도 스크린은 유전체를 사이에 넣은 상태로 상기 초전도 도체를 둘러싸고, 상기 초전도 케이블은 냉매가 지나가는 자유공간이 중간에 포함된 상태에서 서로 동심원적으로 배치된 두 개의 금속 튜브로 이루어진 저온유지장치에 의해 둘러싸여 있고, 상기 두 개의 금속 튜브 사이에는 진공 절연부가 형성되어 있는, 초전도 케이블을 갖는 구조체에 관한 것이다(국제특허공보 WO 03/052775 A1).
현대 기술에 의하면 초전도 케이블은, 충분히 낮은 온도에서 초전도 상태에 들어갈 수 있는 세라믹 물질을 포함하는 복합 물질로 이루어진 전도체를 갖고 있다. 충분히 냉각을 함으로써, 특정 전류 강도를 초과하지 않는 한 대응하는 구조를 갖는 도체의 직류 저항은 0이 된다. 적절한 세라믹 물질의 예로서 이트륨-바륨-구리 산화물(YBCO: yttrium-barium-copper oxide) 또는 비스무트-스트론튬-칼슘-구리 산화물(BSCCO(bismuth-strontium-calcium-copper oxide)을 들 수 있다. 물질을 초 전도 상태에 이르게 하는데 있어서 충분히 낮은 온도는 예를 들어 67K 내지 110K 정도가 된다. 적절한 냉매로서는 질소, 헬륨, 네온, 및 수소, 또는 이들을 혼합한 물질을 예로 들 수 있다.
앞에서 언급한 국제특허공보 WO 03/052775 A1에서는, 냉각 유전체를 갖는 초전도 케이블을 사용하고 있다. 이 케이블은 튜브형 캐리어 상에 형성된 내측 도체와 이와 동심으로 배열된 스크린으로 구성되어 있고, 내측 도체와 스크린은 유전체(절연부)에 의해 서로 이격된 상태를 유지하고 상호 분리되어 있다. 내측 도체와 스크린은 예를 들어 YBCO 또는 BSCCO와 같은 초전도 물질의 스트립들로 구성되어 있는데, 이 스트립들은 서로 단단히 결합된 상태를 유지하면서 지지부를 둘러싸고 긴 피치(lay length)로 감겨 있다. 이러한 공지의 초전도 케이블은 섭동이 없는 상태에서 작동하는 동안 초전도 도체의 자기장을 초전도 스크린이 외부에서 차단하도록 이루어져 있다. 케이블의 임피던스는 오직 단락이 발생하는 경우에만 크게 변한다. 단락 전류에 의해 구체적으로 말하면 도체 내부로 그리고 케이블의 스크린 내부로 대량의 에너지가 들어오게 되는데, 그 결과 케이블이 파손(과열로 인한 연소)될 수 있다.
본 발명의 목적은 앞서 설명한 구조체에 있어서 단락이 미치는 영향을 줄일 수 있는 구조체를 구성하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 스크린이 통상의 전도상태에 있을 때 도체용으로 사용되는 물질의 전기 저항값 보다 50배 이상 큰 전기 저항값을 갖는 초전도 물질로 이루어짐으로써 달성된다.
단락이 발생하면, 케이블 내로 유입되는 에너지로 인해 온도가 증가하게 된다. 이러한 온도 증가로 인해 그리고 정격 전류보다 더 큰 단락 전류로 인해 도체 및 스크린의 초전도 물질의 상태가 초전도상태에서 일반적인 전도 상태로 바뀌게 된다. 높은 전기 저항값 때문에, 스크린은 무시할 수 있을 정도로 작은 전류가 흐르게 되고, 그 결과 스크린(차단) 효과가 손실된다. 도체의 자기장은 사실상 아무런 장애없이 전달된다. 이 때문에, 도체의 인덕턴스가 상당히 증가되는데, 이는 다시 말하면 전기 임피던스가 증가되는 것이다. 도체에 흐르는 단락 전류는 매우 신속하게 그리고 상당히 제한된다. 따라서, 종래의 케이블에서 높은 단락 전류 때문에 가열이 일어나던 문제는 줄어든다.
단락 전류를 제한하는 효과는, 스크린 외부에서 강자성물질로 이루어진 층을 더 추가함으로써 향상될 수 있다.
이러한 층에 사용될 수 있는 강자성 물질은 상대 투자율 μx이 10 보다 큰 모든 물질이다. 바깥에 배열된 강자성 물질의 층은 케이블의 도체가 생성하는 자기장으로 들어가게 되어, 직접적으로 도체의 인덕턴스를 크게 증가시키게 되고, 즉 전기 임피던스를 증가시키게 된다. 강자성 물질로 이루어진 층에 의해 의한 이러한 효과는, 초전도 케이블이 교류 케이블일 때 강자성 물질의 층에서 발생하는 재자화 손실에 의해 더욱 증가된다. 강자성 물질은 또한 케이블의 도체의 자기장을 외부적으로 차단한다. 따라서, 저온유지장치의 외부에 위치된 장치에 대해서 전자기 섭동이 거의 발생하지 않게 된다. 나아가, 부근에서 다른 케이블의 상(phase)에 작용하는 힘도 감소된다.
강자성 물질의 층이 저온유지장치의 외주부에 형성된다. 바람직하게는, 저온유지장치의 외측 튜브 자체가 강자성 물질로 이루어질 수 있다. 높은 상대 투자율 μx을 갖는 물질이 바람직하게 강자성 물질로 사용된다. 높은 히스테리시스 손실을 갖는 물질 또는 낮은 히스테리시스 손실을 갖는 물질 중 어느 하나를 사용할 수 있는데, 이는 단락 발생시 요구되는 케이블 반응에 따라 결정된다. 모든 금속 물질과 같이, 강자성 물질의 층은 또한 전기적으로 전도성을 띤다. 따라서, 강자성 물질의 층은 케이블의 도체로부터 발생될 수 있는 교류 자기장의 영향을 받는 상태에서 에디 전류 및 자기 히스테리시스에 의해 가열될 수 있다. 그러나, 이러한 구조체에 대한 바람직한 실시예에서, 가열은 저온유지장치의 외부에서 발생하고, 따라서 케이블 자체 및 냉매는 가열되지 않는다. 그 결과 가열이 감소하기 때문에, 다시 냉 각하는데 걸리는 시간이 줄어들어 케이블은 보다 신속하게 다시 사용할 수 있도록 준비될 수 있다. 가열이 줄어들게 됨으로써 구조체의 여러 요소에 대해 가해질 수 있는 기계적인 응력도 또한 줄어들게 된다. 마지막으로, 냉매도 강자성 층의 가열에 의해 영향을 받지 않는 상태를 유지하게 된다. 단락 전류가 감소되므로 냉각에 필요한 에너지도 약간만 필요하게 되고, 그 결과 이러한 구조를 갖는 바람직한 실시예의 경우 냉각 설비의 구조도 또한 간단하게 될 수 있다.
매우 낮은 히스테리시스 손실을 갖는 물질이 강자성 물질의 층에 대해 사용되면, 이 층은 케이블의 도체가 일으킬 수 있는 교류 장에 의해 아주 조금만 가열될 것이다. 이러한 물질은 높은 상대 투자율 μx을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 물질의 경우, 특히, 강자성 물질의 층은 저온유지장치 내부에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 케이블의 스크린을 직접 둘러싸는 구조로 될 수 있다. 케이블의 이러한 실시예의 경우, 저온유지장치의 내측 튜브는 강자성 물질로 구성될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 구조를 통해 단락이 미치는 영향을 줄임으로써, 제조 및 장치와 관련하여 비용 및 에너지를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예들이 도면에 도시되어 있다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 구조가 상이한 세 개의 구조체를 개략적으로 단면도로 나타내고 있다.
도 1에 따르면, 구조체는 초전도 케이블(SK)과 이를 둘러싸는 저온유지장치(KR)로 구성되어 있다. 저온유지장치(KR)는 또한 자유공간(FR)을 둘러싸는 구조로 되어 있는데, 이 자유공간을 통해 작동중에 질소와 같은 냉매가 공급된다.
초전도 케이블(SK)은 초전도 도체(1)와, 초전도 도체를 둘러싸고 절연부의 역할을 하는 유전체(2)와, 유전체 위에 배치된 초전도 스크린(3)으로 이루어져 있다.
저온유지장치(KR)는 서로 동심원적으로 배열된 두 개의 금속 튜브(4, 5)로 구성되는데, 바람직하게 이 튜브는 강철로 구성되며, 저온유지장치(KR)의 가요성을 향상시키기 위해 길이방향에 대해 가로지르는 방향으로 주름을 형성할 수 있다. 저온유지장치(KR)의 내측 튜브(4)와 외측 튜브(5) 사이에 일반적으로 알려진 공지의 기술을 이용하여 진공 절연부(6)를 형성할 수 있다.
도체(1)와 스크린(3)은 초전도 물질을 갖고 있다. 적절히 냉각함으로써, 케이블(SK)이 동작하는 동안 도체와 스크린은 초전도 상태에 있게 된다. 그러나, 도체(1)와 스크린(3)의 물질은 상이하게 되는데, 구체적으로는 보통의 전도상태에서 스크린의 물질이 갖는 전기 저항값이 도체(1)의 물질의 전기 저항값 보다 50배 이상 크게 된다.
이를 위해, 스크린(3)은 희토류산화물로 도핑된 산화물 초전도 물질로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 이러한 물질 중 하나는 ReBCO(희토류 바륨-구리 산화 물)라는 명칭으로 알려져 있다. 스크린(3)에 대해 바람직하게 사용되는 물질은 YBCO이다.
바람직하게, 도체(1)는 BSSCO로 이루어져 있고, 필요에 따라 구리를 포함하여 전기적으로 그리고 기계적으로 안정화되어 있다. BSSCO 내의 은의 비율이 높기 때문에, 일반적인 보통의 전도 상태에 있을 때, 도체(1)는 스크린(3)의 전기 저항값보다 상당히 낮은 전기 저항값을 갖는다. 또한 이러한 효과는 ReBCO, 바람직하게는 YBCO를 혼합함으로써 달성될 수 있고, 구리는 도체(1)에 대해 사용된다.
도체(1)와 스크린(3)과 관련한 물질이 상이하기 때문에, 본 발명의 구조체는 다음과 같이 작동한다:
단락시, 케이블(SK)의 스크린(3)은 스크린(차단) 기능을 거의 잃게 된다. 따라서, 케이블(SK) 내에서 도체(1)가 생성하는 자기장은 어떤 장애를 거의 받지 않고 전파될 수 있고, 직접적으로 도체(1)의 인덕턴스의 증가를 유발시키게 되는데, 즉 전기 임피던스를 증가시키게 된다. 따라서, 도체(1)에 흐르는 단락 전류가 뚜렷하게 그리고 급속히 제한된다. 단락 전류에 의해 케이블(SK)과 주변부가 가열되는 현상은 상대적으로 줄게 되고, 따라서 단락을 해결한 후에 구조물을 다시 냉각시키는데 드는 에너지 소모를 상대적으로 줄일 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 케이블(SK)은 스크린(3) 외부에 배치되는 강자성 물질로 이루어진 층을 더 구비할 수 있다:
도 2에 의하면, 강자성 물질의 밀폐된 튜브 층(7)이 저온유지장치(KR)의 외측 튜브(5) 상에 형성되어 있다. 튜브 층(7)은 구조물의 전체 길이를 따라 형성되 어, 튜브(5)의 외주면을 완전히 둘러싼다. 따라서, 튜브 층(7)은 밀폐된 튜브형태의 외장부(sheath)가 된다. 단락시, 튜브 층(7)이 케이블(SK)의 도체(1)가 생성하는 자기장내로 들어가게 되어, 직접적으로 도체(1)의 인덕턴스의 증가를 유발시키게 되고, 즉 전기 임피던스를 증가시키게 된다. 따라서, 위에서 추가로 설명한 효과는 강자성 물질로 이루어진 튜브 층(7)에 의해 증가된다.
초전도 케이블(SK)이 교류 케이블인 경우에는, 강자상 물질의 층에서 일어날 수 있는 재자화 손실(re-magnetization losses)로 인해, 단락 전류를 제한하는 효과가 더욱 향상될 수 있다.
튜브 층(7)은 예를 들어 튜브(5)를 둘러싸면서 가장자리가 서로 겹치는(overlapping edges) 형태로 감겨 있는 마그네펌(Magneperm)과 같은 강자성 물질의 스트립으로 구성될 수 있다. 이 물질은 50 Hz에서 μx=450,000 인 상대 투자율(permeability)을 갖는다. 튜브 층(7)은 또한 이러한 물질로 된 길이방향으로 뻗어나가는 스트립으로 제조될 수 있고, 이 스트립은 겹치는 지점이 길이방향으로 뻗어나가는 방식으로 튜브(5)를 완전히 둘러싼다.
강자성 물질의 층두께는 0.1mm 보다 큰 것이 바람직하다. 강자성 물질의 상대 투자율 μx은 10 보다 크다.
일반적으로 강자성 물질은 높은 상대 투자율 μx 을 갖는 특성이 있다. 이와 별개로, 강자성 물질은 히스테리시스 손실(hysteresis loss)을 갖고 있는데, 이는 B-H 다이어그램 상에서 둘러싸여 있는 영역으로 제공된다. 상대 투자율과 히스테리 시스 손실의 크기는 사용되는 물질에 따라 달라진다. 상대 투자율 μx 와 히스테리시스 손실 사이에는 어떠한 상호관련성도 없다.
튜브 층(7)을 별도로 추가하지 않고, 도 2에 나타난 구조를 변형시킨 실시예로서, 저온유지장치(KR)의 실제 외측 튜브(5)가 예를 들어 50 Hz에서 μx=1000 인 상대 투자율을 갖는 강철과 같은 강자성 물질로 이루어질 수도 있다. 또한, 니켈과 철의 합금이 소량 첨가될 수 있다.
이러한 모든 실시예에서 중요한 점은, 강유전성 물질로 된 층이 초전도 스크린(3)의 외부를 완전히 둘러싸는 층으로서 형성되어 단락이 발생할 경우 도체(1)의 자기장 내에 놓여 있어야 한다는 것이다. 이에 따라 도 3에서 볼 수 있듯이 강유전성 물질의 층은 저온유지장치(KR)의 내부에 배열될 수도 있는데, 예를 들어 스크린(3) 외부에 형성되는 튜브 층(8)으로 이루어질 수 있다. 이러한 튜브 층(8)의 경우, 앞서 설명한 것처럼, 단락이 발생하는 경우에도 아주 조금만 가열이 되도록 매우 낮은 히스테리시스 손실을 갖는 물질이 사용된다. 튜브 층(8)은 스크린(3)과 동일한 전위(potential)로 접속될 수 있다. 튜브 층(8)을 별도로 사용하지 않고, 도 1과 유사한 방식으로, 저온유지장치(KR)의 내측 튜브(4)를 강자성 물질로 제조할 수도 있다. 이 실시예의 경우에도, 저온유지장치(KR) 내부에 있는 강자성 물질에 의해, 도 1의 구조와 관련하여 설명한 것처럼 도체(1)내 흐르는 단락 전류가 제한된다.
도 1은 본 발명에 따른, 초전도 케이블과 이를 둘러싸는 저온유지장치를 포함하는 케이블 구조체를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른, 스크린 외부에 강자성 물질로 이루어진 층이 형성된 케이블 구조체의 한 예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 스크린 외부에 강자성 물질로 이루어진 층이 형성된 케이블 구조체의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

Claims (13)

  1. 초전도 도체와 초전도 스크린을 포함하는 초전도 케이블을 구비하며, 상기 초전도 스크린은 유전체를 사이에 넣은 상태로 상기 초전도 도체를 둘러싸고, 상기 초전도 케이블은 서로 동심원적으로 배치된 두 개의 금속 튜브로 이루어진 저온유지장치에 의해 둘러싸여 있고, 상기 초전도 케이블과 상기 저온유지장치 사이에는 냉매가 지나가는 자유공간이 포함되어 있고, 상기 두 개의 금속 튜브 사이에는 진공 절연부가 형성되어 있는, 초전도 케이블을 갖는 구조체에 있어서,
    상기 스크린(3)은, 통상의 전도상태에 있을 때 도체(1)용으로 사용되는 물질의 전기 저항값 보다 50배 이상 큰 전기 저항값을 갖는 초전도 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스크린(3)은 희토류산화물로 도핑된 산화물 초전도 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스크린(3)은 YBCO로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도체(1)는 BSSCO로 이루어져 있고, 바람직하게는 구리를 포함하여 안정화되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도체(1)는 ReBCO 및 구리의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도체(1)는 YBCO 및 구리의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    튜브 형태로 밀폐되어 있고 강자성 물질로 이루어진 층(7,8)이 케이블(SK)의 전체길이에 걸쳐서 스크린(3)의 외측에 더 제공되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강자성 물질의 상대적 투자율은 10 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    강자성 물질로 이루어진 상기 층(7)은 저온유지장치(KR)의 외측 튜브(5)의 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    저온유지장치(KR)의 상기 외측 튜브(5)는 강자성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 강자성 물질은 저온유지장치(KR) 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  12. 제11항에 있어서,
    강자성 물질로 이루어진 층(8)이 상기 스크린(3)의 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 저온유지장치(KR)의 내측 튜브(4)는 강자성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 갖는 구조체.
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