KR20100072082A - 함입된 위상 코일을 가진 고전압 한류기 - Google Patents

Abstract

강자성 물질로부터 형성되고, 적어도 하나의 제1림과 제2림을 포함하는 강자성 회로; 자기적으로 강자성 물질을 포화시키도록 림을 둘러싸는 포화 메커니즘; 제2림을 감싸는 위상 코일; 상기 위상 코일을 둘러싸는 유전체의 유동체; 및 상기 포화 메커니즘을 둘러싸는 기체 대기;를 포함하는 한류기가 개시된다.

Description

함입된 위상 코일을 가진 고전압 한류기{HIGH VOLTAGE FAULT CURRENT LIMITER HAVING IMMERSED PHASE COILS}

본 발명은 고전압 한류기에 관한 것으로서, 특히 고전압 포화된 코어 한류기를 개시한다.

포화된 코어 한류기(FCLs;Fault Current Limiters)가 알려져 있다. 초전도 한류기 장치의 예는: 미국 특허 7193825 다먼 등(Darmeann et al); 미국 특허 6809910 위엔 등(Yuan et al); 미국 특허 7193825 뵈니그(Boenig); 및 미국 특허출원 공개번호 2002/0018327 워커 등(Walker et al)에서 볼 수 있다.

설명된 한류기는 드라이(dry) 타입 구리 코일 배열에만의 사용에 일반적으로 적합하다. 실제 설명된 배열은 아마도 공기를 주된 절연매질로 채용하는 DC 포화된 FCL에만 적합할 수 있다. 즉, 다상(poly phase) FCL 내 AC 위상 코일 사이에 그리고 AC 위상 코일과 스틸(steel) 코어 사이의 주된 정적 절연성 매질, DC 코일, 저온유지장치(cryostat) 및 주된 구조는 공기 중 적합한 거리로 이격되어 제공된다. 이는 실질적으로 FCL을 "드라이 타입" 절연성 기술에만 제한시킨다. 드라이 타입 기술은 일반적으로 전기적으로 절연성 구리 코일을 채용하지만 단지 보통의 정적 공기와 고립된 고체 절연성 장벽 물질을 절연성 매질의 밸런스로 채용하는 변압기(transformer) 설계 기술을 말한다. 일반적으로, 공기는 고전압 측과 스틸 프레임(steel frame) 작업 및 케이스와 같은 장치의 접지 성분 사이에 전기적 절연성 물질의 대부분을 형성한다..

드라이 타입 절연체의 이용은 대략 39kV에 달하는 낮은 전압 범위의 AC 라인 전압만으로 설계를 제한한다. 드라이 타입 변압기와 반응기는 상업적으로 대략 39kV 전압레벨까지만 이용가능하다. 결과적으로, DC 포화된 FCL에 대한 전류 실물 기술은 고전압 버전까지 확장시키는 것이 부적절하다. 드라이 타입 디자인은 고전압을 처리할 때 절연성 매질로서 공기를 사용하는 실제 콤팩트한 사이즈로 디자인할 수 없는 결과를 낳는다. FCL 용 실제 주된 마켓의 하나는 고전압(33kV 내지 166kV)와 엑스트라 고전압 범위(166kV 내지 750kV)에 대한 매질이다. 상기 전압 영역에서, 현재 설명되는 기술과 DC 포화된 FCL의 설명은 아마도 실제적이지 않을 것이다. 주된 이유는 정적 전압 디자인 고려로 인한 것이다. 예를 들어, 고전압 구리 코일과 저온유지장치(crystat) 또는 스틸 코어 또는 DC 코일 사이에 공기 절연성 매질의 절연 파괴(breakdown). 고전압(39kV 초과)에 대해 매질에서의 고전압 위상 코일은 종종 절연성 기체(SF6, 질소 등), 진공(10^-3 mbar 보다 양호) 또는 합성 실리콘 오일, 야채 오일, 또는 매질 내 다른 통상적으로 이용하는 절연성 오일과 같은 액체, 고전압과 초고전압(extra-high voltage) 변압기 및 반응기 기술 내 담그어질(immerse) 필요가 있다. 고전압 장치가 그런 절연성 매질에 담그어지면, 그런 매질은 종종 "벌크(bulk) 절연성 매질" 또는 "유전체(dielectric)"로서 지칭된다. 전형적으로, 유전체는 1인 상대 유전율(relative permittivity)을 가지는 진공을 제외하고, 약 2-4 차수(order)의 상대 유전율을 가질 것이다. 상기 소위 유전체의 절연성 매질은 만약 고체 절연체 장벽 사이에 최대 거리를 제한하고 특정 액체 또는 기체 유전체의 절연파괴(breakdaown) 특성에 대한 채워진 유전체 거리(filled dielectric distance)를 최적화함으로써, 적절히 채용된 대기 공기의 절연파괴 강도 특성(breakdown strength properties)보다 훨씬 뛰어난 전기 절연파괴 강도 특성을 가진다.

보통 이용가능한 벌크 절연성 기체와 액체는 10 내지 20kV/mm 차수의 절연파괴 강도를 전형적으로 가지지만 평균 전기장(electric field) 스트레스가 6-10kV/mm 를 초과하지 않도록 일반적으로 채용된다. 절연파괴 스트레스값에 대한 상기 안전 한계는 비록 평균 전기장 스트레스가 6-10kV/mm이더라도, 다양한 정전기장 강화 효과로 인해 임의의 아이소스테틱(isostatic) 전기장 라인을 따라 피크 정전기장(peak electrostatic field) 스트레스는 평균의 2 내지 3배가 될 수 있다.

일반적으로, 변압기와 반응기 및 한류기와 같은 포함된 장치에 대한 고전압 벌크 절연성 요구조건을 위해 유전성 액체 또는 기체의 다섯 가지 주된 기대 조건이 있다.

● 유전체는 매우 높은 저항을 보여야 함.

● 유전체 손실은 매우 낮아야 함,

● 액체는 고체 절연성(예를 들어 코일 권선 또는 에폭시에 대한 턴 대 턴(turn to turn) 절연성)을 악화시키지 않는 고체 절연체를 수용할 수 있어야 함,

● 전기 절연파괴 강도는 높아야 함, 그리고

● 매질은 열 에너지 손실을 제거할 수 있어야 함.

고체 절연성 기술은 아직 변압기, 반응기 및 한류기와 같은 포함된 장치에 대해 고전압(즉 >39kV)까지 매질에서 보통 이용가능하지 않다. 고체 절연성 기술의 단점은 고체 절연성 벌크 내 또는 코일 절연체와 다른 고체 절연성 물질 사이와 같은 상이한 물질의 표면 사이에 피할 수 없는 공간(void)의 존재이다. 고전압을 가지는 고체 절연체 내 공간은 장 강화 효과(field enhancement effect)로 인해 공간 내 고전기 스트레스를 생성한다. 이는 부분적 방전으로 인해 둘러싼 물질의 물리적 절연파괴를 초래하고 결과적으로 트래킹(tracking)을 초래할 수 있으며 장치의 오작동을 낳을 수 있다.

상술한 선행기술에서 개시된 바와 같이, 스틸 코어 포화용 단일 또는 다중 DC 코일을 채용하는 DC 포화된 한류기는, 구리 AC 위상 코일이 더이상 "드라이 타입" 설계가 아닌 경우 또는 완성된 장치의 주된 절연성 매질이 공기인 경우 기본적인 문제가 있다는 것이 알려져 있다. 상기 배열에서의 중요한 문제는 DC HTS 코일 및 DC HTS 코일 자체의 냉각을 위한 스틸 저온유지장치의 존재이다. 저온유지장치와 코일 및 스틸 코어는 AC 위상 코일에 대해 본질적으로 접지 전압에 있다.

부가적 이슈로서, 하지만 모든 고전압 장치 및 설비에 대해 절연성 요구조건을 강화하는 이슈로서, 기초 절연체 디자인이 반드시 기 설정된 기간 동안 다양한 타입의 과도 전압(over-voltage)과 전광 충격(lightning impulse)에 대한 허용오차(tolerance) 테스트를 하는 어떤 전기 공학 표준을 만족시켜야 한다. 예를 들어, 호주에서는 상기 표준은 다음과 같다:

● AS2374 파트 3. 완성된 변압기의 전력 주파수(PF; power frequency)와 전광 충격(LI;lightning impulse)을 포함하는 절연성 레벨 및 유전체 테스트.

● AS2374 파트 3.1. 절연성 레벨과 유전체 테스트-공기 중 외부 틈(external clearance)

● AS2374 파트 5. 단락 회로에 대한 저항 능력

상기 표준은 고전압 전기 설비가 만족시켜야 하는 철저한 표준 리스트를 형성하지는 않는다. 각 나라는 다른 나라의 표준을 반드시 배제하지는 않는 개별 국가의 표준에 대한 동일 디자인 영역과 참조를 포괄하는 그 자체의 표준을 가지는 것으로 알려져 있다. 이상적으로 장치는 다수의 국가 표준을 만족시키게 설계된다.

상기 표준에 대한 첨부는 장치에 대한 BIL(Basic Insulation Level) 또는 일반적으로 다수의 기초 AC 라인 전압인 "DIL"(Design Insulation Level)이 있다. 예를 들어, 66kV 매질 전압 변압기 또는 FCL과 같은 다른 포함된 장치는 220kV BIL을 가질 수 있다. 상기 표준을 만족시키는 조건은 AC 라인 전압만을 고려함으로서 보다는 실제적으로 만족시킬 수 있도록 더 활발한 정적 전압 디자인을 초래한다. 상기 응용가능한 표준과 상기 조건은 실제 전기 설치가 전기 장치와 소자가 복잡한 네트워크에서 경험할 수 있는 순간 과도 전압, 예를 들어 전압을 넘는 전광과 스위칭 전압급변(surge)을 경험한다는 사실로부터 비롯된 것이다. 따라서 전기 네트워크에 대한 모든 설비는 예상되는 최악의 경우 전이 전압(trasient voltage)에 대해 BIL 또는 DIL 적합성을 가진다.

고전압 한류기에 대한 정적 디자인 문제의 최초 고려는 문제가 적합한 전기 절연성 기체 또는 액체 내 고전압 AC 구리 코일만을 수용함으로써 쉽게 풀리리나는 결론에 도달할 수 있다. 하지만, 상기 기술의 문제는 스틸 코어가 기체 또는 액체를 수용하는 용기를 통과해야 한다는 것이다. 장기간 서비스를 위한 상기 인터페이스를 디자인하는 것은 기계적으로 풀기 어렵다. 하지만 더 중요하게 푸는 인터페이스 문제는 전기적으로 훨씬 더 복잡하고, 어떠한 해법도 실패로 끝나거나 비경제적이 될 수 있다. 문제는 씰(seal)로서 유전체 유동체를 포함하는 용기와 고 투자율 코어 사이에서 발전되어야 한다는 것이다.

다른 가능성은 위상들 사이 그리고 위상들과 스틸 코어 및 저온유지장치 또는 구리 위상 코일 주변의 고전압 절연층의 사이에서 그리고 유전체 액체 또는 기체의 결합된 사용 없이 위상 코일과 친밀한 접촉이 있는 드라인 고체 고전압 장벽층을 사용하는 것이다. 하지만, 액체 또는 기체를 포함하지 않고 유전체는 심각한 위해성 부작용을 가진다. 높은 상대 유전율을 가지는 공기와 다른 물질과 결합된 정전 전기장은 낮은 유전율(공기의 것)을 가지는 물질 또는 유동체 내에서 강화된 전기장을 항상 초래한다. 예를 들어, 수학식 1에 따라, 턴 대 턴 절연성을 나타내는 일반 절연성의 층을 가지는 도전 구리 실린더를 고려한다.

여기서,

● Um=접지에 대한 AC 위상 전압

● R=외부 절연체를 포함하는 구리 실린더의 반경[mm]

● r=나구리(bare copper) 실린더 반경[mm]

● d= 실린더의 중심으로부터 최근접 접지면까지의 거리[mm]

● ε₂=절연체 커버링 실린더의 상대 유전율(relative dielectric constant)

● ε₁=실린더가 담기는 벌크 절연체의 상대유전율(=공기는 1)

● x=실린더의 중심으로부터 실린더의 외부 포인트까지의 거리[mm]

● Ex= 포인트(x)에서 전기장 그레디언트[kV/mm]

필드 강화 효과는 ε₂/ε₁ 인자에 의해 나타나고 1과 같은 상대 유전율을 가지는 공기를 채용하는 경우를 제외하고 보통 매일 물질에 대해 2 내지 4 차수가 된다. 따라서, 부가적인 고체 또는 다른 절연물질(공기보다 더 높은 전기 유전율)을 제공함으로써, FCL의 벌크 공기 절연체 내 정전기 스트레스를 증가시킨다. 고전압 절연체의 품질이 더 좋아질수록, 필드강화효과는 더 높아진다.

따라서, 단지 고체 유전 절연체 장벽을 사용함으로써, 유전 액체 또는 기체 내에 담그지 않고, 다른 방식으로 공기로 절연된 FCL은 39kV 보다 더 큰 고전압 FCL의 것에 대해 기술적으로 바람직한 옵션이 아니며, 사실 예를 들어 39kV 보다 더 큰 값에서 고전압 드라이 타입 변압기를 만들도록 채용되는 상기 기술을 보지는 않는다. 실제로, 갱신하기에 매우 적합한 기술이 발견되지 않았고, 따라서 이는 39kV를 넘는 고전압 변압기가 왜 유전 액체 또는 기체로 절연되는 지에 대한 이유가 된다.

상기 토론은 하우징된 고전압 전기장치가 종종 전기적으로 절연 유전체 유동체 또는 기체 내 완전히 담그어지는 지에 대한 이유가 된다. 즉, 절연 구리 코일과 변압기 및 반응기의 스틸 코어는 유동체인 유전매질이 완전히 채워진 용기 내에 수용된다. 이는 상술한 정전 고전압 디자인 문제를 실질적으로 감소시킨다. 절연매질(예를 들어 오일, 진공 또는 SF6)는 모든 공간과 고전압 소자 사이의 벌크 거리와 본질적으로 접지 또는 중성 전위의 소자를 채운다. 상기의 경우, 고체 절연 장벽은 벌크 절연 유전체에 통합될 수 있고, 오일과 같은 많은 리퀴드에 대해, 고체 절연체로 큰 거리를 나누는 것은 유전 유동체의 절연파괴 필드 강도를 증가시킴으로써 전체적인 정전 절연체의 품질을 향상시킨다. 이는 오일과 고체 절연체의 상대 유전율이 서로 매우 근접하고(따라서 공기에 비해 필드 강화 효과가 감소됨), 벌크 유전매질(kV/mm 로 표현됨)의 절연파괴 전압은 절연 장벽 사이의 작은 거리에 대해 향상이 된다.

하지만, 완전 담금 기술의 문제는 DC 포화 FCL 디자인 또는 DC 포화 소자와 같은 초전도 코일을 통합한 다른 장치에 쉽게 적용되지 않는다는 것이다. 이는 초전도 코일과 그 저온유지장치 또는 진공 용기가 유전 유동체에 반드시 담그어져야 하는 FCL의 소자라는 것이다.

본 명세서를 통해 선행기술에 대한 논의는 상기 선행기술이 본 영역에 통상적인 일반 지식의 일부를 형성하거나 잘 알려져 있다는 인정으로서 결코 고려되지는 않는다.

본 발명의 목적은 고전압 한류기의 향상된 설계를 제공하는 것이다.

본 발명의 일면에 따르면, 강자성 물질로 형성되고 적어도 하나의 제1림과 제2림을 포함하는 강자성 회로; 강자성 물질을 자기적으로 포화시키는 제1림을 둘러싼 포화 메커니즘; 제2림을 감싸는 위상 코일; 위상 코일을 둘러싼 유전 유동체; 및 포화 메커니즘을 둘러싼 기체 대기를 포함하는 한류기를 제공한다.

일 실시예에서, 포화 메커니즘은 DC 전원과 서로 연결된 냉각 초전도 코일을 포함할 수 있다. 초전도 코일은 저온유지장치가 될 수 있다.

한류기(limiter)는 한류기 소자;외부 용기에 장착된 일련의 터미널을 수용하도록 외부 용기를 포함할 수도 있고, 여기서 위상 코일은 바람직하게 소정의 한 터미널과 서로 연결된 AC 출력 리드와 AC 입력을 포함할 수 있다. 한류기는 포화 메커니즘에 서로 연결된 저온 냉각 공급 호스를 포함할 수도 있다.

한류기는 전원의 각 위상을 제한하기 위해 다중 위상 전원 내 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 포화 메커니즘은 다중위상 전원의 각 위상의 강자성 회로를 둘러싼다. 포화 메커니즘과 위상 코일은 바람직하게 강자성 물질의 동일 연장 부분을 둘러싸게 형성된다. 포화 메커니즘은 연장 부분의 근접 말단을 둘러싸게 형성될 수도 있고 위상 코일은 연장 부분의 말단을 둘러싸게 형성될 수도 있다. 강자성 회로는 강유전성 물질의 단일 연장 부분을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 강자성 회로는 서로서로 평행한 제1 및 제2 및 제3 림을 바람직하게 포함할 수 있고, 위상 코일의 일부는 제1 및 제2림을 감싸고, 포화 메커니즘은 제3림을 감싼다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 강자성 물질로 형성되고 적어도 하나의 제1림과 제2림과 제3림과 제4림을 포함하는 강자성 회로; 강자성 물질을 자기적으로 포화시키는 림을 둘러싼 포화 메커니즘; 제2림을 감싸는 제1위상 코일; 제3림을 감싸는 제2위상 코일과 제4림을 감싸는 제3위상 코일; 위상 코일을 둘러싼 유전 유동체; 및 포화 메커니즘을 둘러싼 기체 대기;를 포함하는 한류기를 제공한다. 포화 메커니즘은 저온유지장치 내 제1림을 둘러싼 초전도 코일을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 강자성 물질로 형성되고 적어도 하나의 제1림과 제2림을 포함하는 강자성 회로; 비오류 조건 중 강자성 물질을 자기적으로 포화시키는 제1림을 둘러싼 포화 메커니즘; 제2림을 감싸는 적어도 하나의 위상 코일; 및 위상 코일을 둘러싼 유전 유동체(dielectric fluid)를 포함하는 한류기를 제공한다. 일 실시예에서 제1 및 제2림은 바람직하게 서로 인접하고 포화 메커니즘과 위상 코일은 바람직하게 실질적으로 동일 크기 또는 정도이다.

본 발명의 일 실시예는 향상된 설계 조건을 가진 고전압 한류기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 다음 도면을 참조하여 예를 들어 설명한다.
도 1은 제1실시예의 단일 위상 고전압 DC 포화 한류기의 측면 투시도;
도 2는 제2실시예의 단일 위상 고전압 DC 포화 한류기의 측면 투시도
도 3은 제1 삼상(three phase) 고전압 DC 포화 한류기의 측면 투시도;
도 4는 냉각제 채움 포트를 가진 다른 삼상 고전압 DC 포화 한류기의 측면 투시도;
도 5는 수평 코일을 가지는 삼상 고전압 DC 포화 한류기의 측면 투시도;
도 6은 초전도코일에 매우 인접한 위상 코일을 가지는 다른 변형 실시예의 측면 투시도;
도 7은 각 위상 코일에 대해 단일 연장 스틸 코어를 포함하는 다른 변형 실시예의 측면 투시도; 및
도 8은 다른 수정된 실시예를 보임.

바람직한 실시예에서 상술한 벌크 절연 문제로부터 실질적으로 나쁜 영향을 받지 않는 고전압, DC 포화 FCL가 제공된다.

AC 위상 코일은 고전압 AC 소스에 연결된다. DC 코일은 DC 소스에 의해 비교적 저 전압 코일로 전력이 주어지고 코어가 포화되게 이용된다.

먼저 도 1을 참조하면, 제1 단일 위상 고전압 한류기(1)를 통과하는 측 단면을 보인다. 한류기는 고전압 조작으로 확장된 미국 특허 7193825 다먼(Darmann) 등의 조작 가르침과 실질적으로 일치하게 조작되게 디자인되며, 상기 미국 특허의 내용은 여기에 참조로 통합된다. 한류기(1)는 초전도 코일(3)이 감싸고 있는 상부 단면을 가지는 두 개의 스틸 스퀘어 코어 루프(steel square core loop)(예 2)를 포함한다. 코일(3)은 냉각을 위해 저온유지장치 내에 위치하고 정상 조작 중 코어 루프(2)를 자기적으로 포화시키도록 활동한다.

각 코일의 주변에 AC 위상 코일(5, 6)이 감싸고 있다. 코일은 고체 절연체(예 13)을 가지는 도전체를 경유하여 고전압 부싱(bushing)과 터미널(예 7)에 서로 연결된다. 코어의 하부 부분은 유전 유동체 또는 기체(10) 내 담그어진다.

초전도 코일(3)은 외부 전력을 위해 부싱(예 11)에 서로 연결되는 전류 리드(12)에 의해 공급된다.

바람직한 실시예에서, AC 위상 코일(5, 6)은 반대로 감싸고 있고 직렬로 직접 연결된다.

DC 포화 전류 수반 코일(3)은 고 투자율을 위한 포화 메커니즘(예 2)로서 작동하고, 코어의 림을 둘러싼다. 바람직한 실시예에서 전류 수반 코일(3)은 다중 층 열 절연체(9)에 의해 둘러싸일 수 있는 초전도 코일이고 진공 용기 저온유지장치(3) 내에 위치한다. 저온유지장치 내 필수 진공 레벨은 단지 효과적인 열 절연에만 적합하며 정전 절연체(electrostatic insulation)에는 그러하지 않다. 진공 용기 저온유지 장치(4)는 스테인레스 스틸, 플라스틱, 유리섬유 강화된 플라스틱 또는 진공을 유지하기에 적합한 다른 물질로부터 제조될 수 있다.

코일쌍(5, 6)은 오전류 파형의 두 반 사이클(half cycle)에서 효과적으로 오전류를 제한하기 위해 필요하다.

DC 포화 한류기의 기초 이론이 미국 특허 7193825 다먼(Darmann) 등에서 설명되어 있다. 즉 전체 스틸 코어는 AC 위상 부싱에서 각 위상의 터미널 임피던스(impedance)가 최소화되도록 자기장의 레벨까지 포화된다. 예를 들어, M6 래미네이션(lamination)을 채용하는 스틸 레미네이티드 코어에 있어 포화 레벨은 2.05 Tesla 일 수 있다. 상기 포화 레벨에서 스틸의 상대 투자율은 대략 1.6이다. FCL의 위상 터미널 임피던스는 아래의 수학식 2로 주어진다:

여기서,

● X는 오전류가 없는 경우 네트워크에 의해 보이는 FCL의 AC 정적 상태 터미널 임피던스,

● f는 주파수

● n은 각 위상 와인딩(winding)에서 ac 턴의 수

● A는 고 투자율 코어의 단면 면적

● L은 위상 당 고 투자율 코어의 효율적인 자기 길이

●μ₀는 자유 공간의 유전율

●μ_r은 포화 상태에서 고 투자율의 상대 유전율

도 1에 도시된 디자인을 채용함으로써, 장치의 풋프린트(footprint)가 다른 주어진 AC 위상 전압에 대해 최소화된다. 이는 시 중심(city centre)에 근접하게 위치한 서브스테이션에서 중요하다. FCL에 대해 중요한 마켓은 존재하는 서브스테이션과 다른 장치에 대해 레트로핏(retrofit)이 된다. 종종 아주 작은 양의 풋프린트 공간이 존재하는 변압기 베이(bay) 사이에서 이용가능하다.

도 2를 참조하면, 단일 위상 한류기의 대체 실시예(20)가 도시된다. 변형된 배열(20)에서, 두 고전압 AC 위상 코일(22, 23)이 더 집합적으로 스틸 코어(21)에 서로 연결된 림(25, 26) 상에 장착된다. 스틸 코어(21)는 수평으로 장착된 초전도 코일(27)을 통과하는 림을 포함하고, 초전도 코일(27)은 다층 열 절연체(30)와 둘러싸는 단일벽 저온유지장치(31)를 가진다. 저온유지장치는 호스(28, 29)를 경유하여 헬륨 기체가 공급된다.

디자인(20)은 특히 두 위상 코일(예 22, 23)이 스틸 코어(21)에 연결된 고 투자율 코어 요크(yoke) 상에 위치하고 있기 때문에, 감소된 풋프린트를 제공하기에 유리하다. 배열(1)의 다른 장점은 저 전압 초전도 바이어스 와인딩(27)을 고전압 ac 위상 코일(22,13)으로부터 물리적으로 분리하는 것이다. 이는 고전압 엔지니어를 위한 정전(electrostatic) 디자인을 단순화시킨다.

유리하게, 고전압 와인딩 코일에 적용된 종래 기술은 종래 위상 코일을 제조하는데 채용될 수 있다. 사실, 위상 코일은 종이 절연 구리 코일일 수 있고 유전체는 FCL의 바닥 부분을 본질적으로 종래 반응기 또는 개방 회로 변압기와 유사하게 만드는 합성 실리콘 오일일 수 있다.

도 1 및 도 2의 배열의 다른 장점은 저온유지장치와 피드스루(feedthrough) 소자(전류, 크라이어전(cryogen), 센서, 진공 포트 등을 위함)는 액체 유전체에 담길 필요가 없고 완전 용기의 상부로부터 접근가능하다. 이는 일반 리페어(repair), 대체물 및 변형물이 저온유지장치를 만들 수 있어야 하는 장치 응용에 대해 배열을 더 실용적으로 만든다.

또한, 완전 장치의 애스팩트비(aspect ratio)를 다른 특정 배치에 대해 제한 하거나 가이드하는 배열의 내재적인 것은 없다. 풋프린트는 만약 공간이 이용가능하면 디자인에서 더 증가될 수 있고, FCL의 높이는 필요하다면 오버헤드(overhead) 입력 고전압선을 제거하는데 필요한 만큼 쇼트가 될 수 있다.

이상적으로, 도 2의 배열에서, 낮은 림(25, 26)은 감소된 단면 영역을 가진다. 이는 위상 코일이 배치된 모든 림을 포함하는 전체 코어의 적절한 포화를 보장한다.

바람직한 실시예에서, DC 포화 코일은 초전도 와인딩이다. DC 초전도 코일의 냉각은 힘이 가해진 저온유지장치 기체(예를 들어 20 Kelvin 의 헬륨 기체 또는 30K의 네온 기체)에 의해 또는 적절한 열 용량을 가진 다른 적합한 냉각 기체에 의해 달성될 수 있다. 냉각 기체는 교대로 헬륨 기체를 냉각제 또는 작동 유동체로 채용하는 저온유지장치 내 열 교환기에 의해 냉각될 수 있다. 열 교환기/저온유지장치는 예를 들어 5 m 떨어져 한류기의 외부에 위치할 수 있고 AC 부싱 전압과 공통 단위인 거리만큼 떨어져 위치할 수 있다. 냉각기(cryocooler)/열교환기를 멀리 위치시킴으로써, 스케쥴된 유지 절차, 리페어 작업, 체킹 및 교환이 FCL이 서비스되는 동안 실행될 수 있다.

또한, 초전도 코일 냉각 유동체를 냉각시키기 위해 분리된 잉여의 냉각기/열 교환기를 사용함으로써, 서브스테이션 및 다른 중요한 전기 전원 인프라구조에서 한류기의 실제적 사용에 대한 필수적이고 매력적인 강건한 내재적 설계가 달성될 수 있다.

대체 실시예에서, 냉각 강건성의 요구 정도와 높은 신뢰 레벨이 액체 질소, 액체 네온 또는 액체 헬륨과 같은 액체 크라이어전에서 달성될 수 있다. 액체 냉각 초전도 코일을 FCL 디자인에 실제적으로 통합하기 위하여, 저온유지장치는 보통 실질적으로 이중벽 저온유지장치이다. 이는 대기 환경으로부터 크라이어전 환경까지 전기 피드스루의 디자인을 용이하게 한다. 상기 전기 피스스루의 저전압/저전류로 인해 그것들은 세라메이씰(Ceramaseal), 커트 제이 레스커(Kurt J Lesker), 레이볼드(Leybold) 및 ISI와 같은 여러 분포자로부터 셀프(self)를 떨어뜨려 이용가능하다.

장치 환경에서 바람직한 실시예의 액체 크라이어전의 이용의 한 장점은 장치가 기계적 절연파괴에 덜 민감해진 것이고, 냉각제는 분리된 저장 용기에 저장될 수 있으며, 크라이어전 그 자체 내부에 내재적 버퍼가 디자인될 수 있다는 것이다.

스틸 코어와 AC 위상 코일, 상이한 위상의 AC 위상 코일사이, 그리고 본질적으로 접지 전위에 있는 수용 용기와 모든 위상 코일 사이에의 정전 위상 장벽이 명확하게 도 1에 도시되지 않는다. 상기 소자들의 디자인과 통합은 숙련된 고전압 변압기 디자이너에게 잘 알려져 있다. 상기 저온유지장치를 제안된 스틸 코어 구조에 통합시키는 것은 명확한 일이며, 고전압 장벽을 유전막과 결합한 적절한 사용은 이를 고전압 FCL에 대해 실질적으로 신뢰가능한 디자인으로 만든다.

엑스트라 고전압 디자인에서, 위상 코일은 실제적 정전 디자인을 용이하게 하기 위해 서로 더 먼거리로 떨어질 수 있다. 상기 배열에서, 스틸 위상 코어와 코일은 고전압 디자인 엔지니어가 요구되어진 부가적 정전 절연 위상 장벽에 맞출 수 있도록 더 큰 거리로 분리될 수 있다. 이는 유전 절연 액체 또는 기체가 균일한 채널로 미세하게 나뉘는 것을 허용한다. 이는 채용된 특정 유전 유동체를 위한 정전 스트레스와 정전 절연파괴 스트레스를 위한 디자인의 최적화를 위한 적합한 범위를 제공한다.

여기에 고려된 모든 디자인의 변형에서, DC 포화 소자가 어쨌든 실패하면, 한류기가 본질적으로 스틸 고어 반응기로 동작할 수 있다는 것이 당업자에게 인식되며, 적절히 디자인되면 FCL 구조가 서비스되지 않게 필요가 없다는 것이 인식될 것이다. 가능한 실패 메커니즘은 전원, 초전도 코일, 냉각기 및 진공 용기를 포함한다.

고전압 디자인의 당업자는 유전 유동체와 정상 대기 사이의 인터페이스가 고 전기 스트레스 영역이고 전기장 강화 효과를 가진다는 것을 알고 있다. 강화는 유전 유동체와 공기의 유전체 유전율의 비에 비례한다. 여기에 설명된 고전압과 엑스트라 고전압의 전체적 배열은 고전압 디자인 엔지니어가 적절한 정전 장벽을 디자인하고 상기 효과에 대응하도록 크리프(creep) 스트레스 절연체를 디자인하도록 고려 범위를 허용한다. 또한, 저온유지장치(접지전위에 있음)와 유전 유동체의 표면 사이의 거리는 기대 전기장 스트레스에 대항하도록 요구될만큼 클 수 있다.

물론, 선행기술에서 공지된 바와 같이, 잘 디자인된 고체 타입 전기 스트레스 절연 장벽의 채용은 저온유지장치(접지 전위)의 하부 표면과 유전체의 표면 사이에 채용될 수 있다. 상기 장벽은 크리프 전압과 최대 스트레스가 선택된 물질의 허용한계 내에 있도록 디자인된다.

또한, 종래 고전압 변압기에서 통상적으로 채용되는 바와 같이, 액체 유전체와 완전 폐쇄 용기의 상부 사이의 공간은 드라이 불활성 기체로 채워질 수 있다. 일반적으로 가스 질소는 고전압 변압기, 예를 들어 액체 유전체(예, 합성 오일)과 수용 용기의 탑 리드(top lid) 사이에 채용된다. 이는 정전 디자인에 장점을 제공한다. 위상 코일 전도체의 지능 루트는 고전압 엔지니어를 위한 다른 디자인의 고려이다. 위상 전도체와 각 코일 쌍을 위한 부싱은, 본질적으로 동일 전압 전위에 있기 때문에 서로 비교적 근접하게 위치할 수 있다. 각 쌍의 위상 전도체 사이의 거리와 정전 절연 장벽은 하지만 채용된 유전 유동체와 호환가능하게 디자인되어야 한다.

고전압 변압기와 달리, 고전압 부싱의 용기측은 유전 유동체에 이르기까지 고전압 전도체를 둘러싼 적합한 전기 스트레스 장벽을 필요로 한다.

설명된 배열의 다른 장점은 상기 디자인에 채용된 고전압 위상 부싱의 상부 부분이 진공 피드스루 또는 냉각 피드스루에 대한 최적화 또는 그 요구조건 없이 표준 고전압 부싱이 될 수 있다는 것이다. 필요한 하나의 최적화는 전기 전도체의 전기 스트레스 장벽의 유전체 쪽의 연장이다. 상기 연장은 세라믹 또는 다른 적합한 물질이 될 수 있다. 전기 스트레스 장벽은 유전 유동체로 확장될 수 있고, 따라서 선택된 물질은 상기의 경우에서 유전체와 호환가능해야 하지만 결코 본질적인 것은 아니다.

공지된 바와 같이, 예리한 코너는 여기에 설명한 선행기술에서 제시된 것과 같은 모든 고전압 장치에서 피해져야 한다. 따라서 위상 전도체는 디자인 전압(즉 BIL), 채용된 유전 유동체 및 선택된 위상 코일과 저온유지장치의 특정 기하학적 배체에 적합한 반경으로 전도체를 제작해야 한다. 또한, 저온유지장치 쉘은 만약 스테인레스 스틸 또는 다른 유사한 전기적으로 도전 물질로 제조된다면, 고려된 거리와 위상 전압, BIL에 적합한 최소 반지름의 둥근 코너로 제작되어야 한다.

만약 저온유지장치가 GFRP, 플라스틱, 또는 실질적으로 비전기 전도성인 다른 물질로부터 제조된다면, 전기장 분포는 저온유지장치의 표면을 가로지르는 크리프 전압이 절연체/유전체 인터페이스에 대한 디자인 허용한계 내에 있도록 배열되고 디자인되어야 한다.

만약 저온유지장치가 하이브리드 기술-예를 들어 외부 스테인레스 스틸 쉘과 내부 GFRP 또는 내부 쉘을 위한 다른 비전기 전도성 물질을 사용하여 제작된다면, 정전 필드 디자인은 모든 적절한 정전 효과가 있는 적합한 고려가 있어야 하지만 다음에 한정되지는 않는다: 고전압 전도체와 전기적으로 도전성의 저온유지장치 부분 사이의 적합한 유전체 틈(clearance); 저온유지장치의 금속 부분 상의 예리한 코너의 제거; 고체 절연 물질을 적합한 배열은, 저온유지장치의 전기적 절연 부분을 가로지르는 크리프 전압이 채용된 절연 물질과 유전 물질에 적합하게 한다.

개시된 배열은 고전압 FCLdp 대해 고전압 디자인 엔지니어가 DC 포화 타입의 고전압 FCL을 제조하도록 고전압 엔지니어링의 선행기술을 채용하는 것을 허용할 것을 제공한다. 여기에 제시된 디자인은 존재하는 고전압 디자인 기술이 DC 포화 와인딩을 가지는 고전압 FCL 디자인을 실현시키기 위해 직접 채용될 수 있기 때문에 더 유리하다. 디자인은 고전압 FCL을 제조하는 셀프 소자를 쉽게 채용할 수 있다.

본 배열은 필요한 전압 시스템을 낮추도록 확장될 수 있다는 것이 드러날 것이다. 또한 바람직한 실시예는 설명된 다중 위상 배열로 확장될 수 있다.

도 3은 실제 이용될 수 있는 다중위상 배열의 한 형태의 측면 투시도이다. 상기 배열(40)에서, 6 위상 코일이 40-46으로 제공되고, 입력 및 출력 위상 코일이 각 위상에 대해 제공된다. 각 위상 코일은 고전압 AC 전도 라인(예 48)을 경유하여 대응하는 고전압 부싱과 터미널(예 49)로 서로 연결된다. 각 위상 코일은 대응 코어(예 51)을 감싼다. DC 바이어싱 코일(52)은 저온유지장치(53) 내에서 형성된다. 코일(52)은 터미널(56, 57)에 의해 공급되고 액체 질소 공급은 호스(58, 59)를 경유하여 저온유지장치에 공급된다.

위상 코일(41-46)은 저온유지장치가 유전 유동체 매질(60) 상에 보유되는 동안 유전 유동체 매질(60) 내에 보유된다.

도 4는 도 3에 제공된 것에 유사한 배열을 도시하지만, 상기 배열에서 저온유지장치(70)는 도 4의 배열에 도시된 냉각 기체 호스를 경유하기 보다 냉각제 채움 포트(71)을 경유하여 채워진다.

이제 도 5를 참조하면, 위상 코일(예 82)가 코어의 더 낮은 림의 주변에 위치하는 다른 변형된 실시예(81)가 도시된다. 상기 배열은 잠재적으로 더 적은 유전 유동체(83)이 AC 코일을 완전히 채우는데 필요하므로 더 콤팩트한 배열이 달성될 수 있다는 장점을 가진다.

물론, 당업자는 상기 배열의 정전 디자인의 명세가 여기 서술된 선행 배열의 것과 상이하다는 것을 알 수 있다.

다른 변형 실시예가 가능하다. 변형 실시예의 예가 도 6을 참조하여 설명된다. 상기 실시예(90)는 고 투자율 구조를 통해 플럭스 밀도 손실을 최소화하도록 지향한다. 상기 손실은 두 개의 주된 효과로 인한 것이다:

1. DC 바이어스 코일(91)을 둘러싼 자지장의 프린징(fringing)과 순수한 공기 경로를 통한 회귀;

2. 부분 공기/코어 플럭스는 플럭스가 탑 요크로 들어가는 곳으로 회귀하지만 완전한 고 투자 경로 대신 공기 경로를 경유하여 회귀함.

예비 검사를 통해, FEA 분석이 다음의 구조에 대해 행하여졌다: 윈도우 크기 폭=450mm, 윈도우 크기 높이=650mm, 물질: M6 래미네이티드 스틸 코어, 코어를 설계하도록 채용된 레미네이션: 0.35mm 단차(step lapped) 코어 구조, 코어의 최종 횡단면 영역: 100mm x100mm, 전체 코어 높이=850mm, 전체 코어 폭=650mm.

상기 시뮬레이션된 구조에서 먼 거리 림과 요크에서 다음과 같이 자기 플럭스 밀도의 손실이 있음이 발견되었다: 내부 림 자기 플럭스 밀도=2.35 Tesla, 요크 자기 플럭스 밀도=1.97 Tesla, 외부 림 자기 플럭스 밀도=1.95 Tesla.

상기 효과를 극복하는 한 가지 방법은 FCL 조작을 위한 만족한 레벨(예를 들어 1.95 Tesla)까지 외부 림 부분의 바이어싱하도록 부가 암페어 턴을 제공하는 것이다. 하지만, 상기 접근법에 대한 대체로서(즉 바이어스 암페어를 더 채용하는 것), AC 코일(예 93)을 도 6에 도시된 대로 바이어싱 코일(91)에 근접하여 인접 측면 림 상에 위치시키는 것이 실제적이다. 이런 식으로, AC 코일의 바로 아래의 림의 플럭스 밀도는 DC 코일의 바로 아래의 것과 실질적으로 동일하다. 상기 기술의 다른 장점은 한류 전이 중, AC 코일로부터의 플럭스가 코어 내의 것을 좀더 효과적으로 소거하는 것이다. 이는 많은 잇점을 가진다: 더 작은 풋프린트(footprint), 전체 코어의 효과적인 포화를 위해 필요한 레벨까지 코어를 바이어스하는데 전도체가 덜 필요함.

다른 변형 실시예에서, 실제 포화된 코어 FCL은 부분 코어 배열 내 중앙 림만을 가지도록 설계될 수도 있다. 실제 코어 실시예에서, 각 스틸 코어의 요크와 외부 림이 제거될 수도 있다.

이제 도 7을 참조하면, 스틸 코어(예 101)이 M6 래미네이션을 채용하는 단일 연장 래미네이티드 코어로부터 형성되는 다른 변형 실시예가 도시된다. 코어의 일단에 고전압 AC 위상 코일(예 102)가 형성된다. 6개의 코어 각각은 DC 초전도 코일(103)을 포함할 수 있는 포화 코일을 통과한다. 초전도 코일(103)은 포화 내 코어를 보유한다.

상기 다른 변형 실시예는 요크와 외부 림을 가지지 않음으로써 더 작은 질량만이 요구되고 더 낮은 풋프린트, 감소된 경비가 제공된다는 부가 장점을 가진다.

도 7은 AC 위상 코일(예 111) 뿐만 아니라 완전히 담그어진 DC 코일 저온유지장치(110)을 보이는 다른 다중 위상 실시예(109)를 보인다. 바람직한 실시예에서, AC 코일은 최대 길이의 DC와 AC 림 각각을 가로질러 확장된다. 이는 투과될 수 있는 코어 물질의 최대 부피가 오류 동안 포화되지 않는 것을 보장하며, AC 코일이 코어 윈도우 프레임 내에서 실제 허용가능한 최대 높이까지 연장되지 않을 경우에 비교하여 더 양호한 오작동 방지 성능을 나타낼 수 있다.

상기 내용에서 본 발명의 바람직한 특징을 기술하였다. 당업자에게 변형예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 자명하다.

1 한류기
2 코어 루프
3, 27 초전도 코일
5, 6, 22, 23 위상 코일
20 배열
21 스틸 코어
25, 26 림
28, 29 호스
30 절연체

Claims (16)

1. 강자성 물질로부터 형성되고 적어도 하나의 제1림과 제2림을 포함하는 강자성 회로;
   자기적으로 강자성 물질을 포화시키도록 제1림을 둘러싸는 포화 메커니즘;
   제2림을 감싸는 위상 코일;
   상기 위상 코일을 둘러싸는 유전체의 유동체; 및
   상기 포화 메커니즘을 둘러싸는 기체 대기;
   를 포함하는 한류기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 포화 메커니즘은 DC 전원과 서로 연결된 냉각 초전도 코일을 포함하는 한류기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 초전도 코일은 저온유지장치 내에 있는 한류기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 한류기 소자를 수용하는 외부 용기;
   상기 외부 용기에 장착되는 일련의 터미널;을 더 포함하고, 상기 위상 코일은 상기 터미널의 기 설정된 한 터미널과 서로 연결되는 AC 입력과 AC 출력을 포함하는 한류기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 포화 메커니즘에 서로 연결되는 저온 냉각 공급관을 더 포함하는 한류기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 한류기는 전원의 각 위상을 제한하도록 다중위상 전원에 이용되는 한류기.
7. 제6항에 있어서,
   단일 포화 메커니즘은 상기 다중 전원의 각 위상의 강자성 회로를 둘러싸는 한류기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 포화 메커니즘과 상기 위상 코일은 강자성 물질의 동일 연장부 주변에 형성되는 한류기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 포화 메커니즘은 상기 연장부의 근접단 주변에 형성되고 상기 위상 코일은 상기 연장부의 원거리단 주변에 형성되는 한류기.
10. 제8항에 있어서,
    상기 강자성 회로는 강유전성 물질의 단일 연장부를 포함하는 한류기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 회로는 서로 평행한 제1, 제2 및 제3림을 포함하고, 상기 위상 코일의 일부는 제1 및 제2림을 감싸고, 상기 포화 메커니즘은 제3림을 감싸는 한류기.
12. 강자성 물질로부터 형성되고 적어도 하나의 제1림, 제2림, 제3림, 제4림을 포함하는 강자성 회로;
    자기적으로 강자성 물질을 포화시키도록 림을 둘러싸는 포화 메커니즘;
    상기 제2림을 감싸는 제1위상 코일; 상기 제3림을 감싸는 제2위상 코일;과 상기 제4림을 감싸는 제3위상 코일; 및
    상기 위상 코일을 둘러싸는 유전체의 유동체; 및
    상기 포화 메커니즘을 둘러싸는 기체 대기;
    를 포함하는 한류기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 포화 메커니즘은 저온유지장치 내 상기 제1림을 둘러싸는 초전도성 코일을 포함하는 한류기.
14. 강자성 물질로부터 형성되고 적어도 하나의 제1림과 제2림을 포함하는 강자성 회로;
    비오류 조건 중 자기적으로 강자성 물질을 포화시키도록 제1림을 둘러싸는 포화 메커니즘;
    제2림을 감싸는 적어도 하나의 위상 코일; 및
    상기 위상 코일을 둘러싸는 유전체의 유동체;
    를 포함하는 한류기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2림은 서로 인접하고, 상기 포화 메커니즘과 상기 위상 코일은 실질적으로 동일 크기 또는 정도인 한류기.
16. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    실질적으로 33kV 내지 750kV의 정상 조작 범위를 더 가지는 한류기.

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