KR20100106486A - 초전도성 제품을 포함하는 오전류 제한기 - Google Patents

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Abstract

기판과, 기판 위에 배설된 버퍼층과, 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층을 포함하고, 초전도 테이프 세그먼트가 복수의 권취부들을 갖는 연속적인 구불구불한 경로를 형성하는 오전류 제한기(FCL) 제품이 개시되어 있다. 또한, 이 제품은 초전도 테이프 세그먼트에 전기적으로 연결된 분기 회로를 포함한다.

Description

초전도성 제품을 포함하는 오전류 제한기 {FAULT CURRENT LIMITER INCORPORATING A SUPERCONDUCTING ARTICLE}
본 발명은 오전류 제한기들에 관한 것으로, 특히, 초전도성 제품들을 사용하는 오전류 제한기들에 관한 것이다.
송전 및 배전 시스템들에서 전류 제한 장치들은 중요하다. 번개 타격들, 배선 지면 접촉 또는 동물 침범 같은 다양한 이유들로 인해 전력 그리드의 다양한 부분들에서 접지 회로 상태들이 발생하여 급격한 전류 쇄도를 초래한다. 종종 오전류(fault current)라 지칭되는 이러한 전류 쇄도가 그리드 시스템 전반에 설치된 스위치기어 장비의 보호 기능들을 초과하면, 시스템에 연결된 그리드 장비 및 소비자 부하들에 심각한 손상을 유발할 수 있다.
초전도체들, 특히, 고온 초전도(HTS) 재료들은 전류 제한 장치에 사용하기에 매우 적합한데, 그 이유는 특정 동작 상태들 하에서의 "가변 임피던스"의 효과 때문이다. 초전도체 재료들은 기술 공동체들에 의해 오랜 기간 동안 알려지고 이해되어 왔다. 액체 헬륨의 사용을 필요로 하는 온도들(4.2 K)에서 초전도 특성들을 나타내는 저온 초전도체들(저-Tc 또는 LTS)이 1911년 이래로 알려져 왔다. 그러나, 산화물계 고온(고-Tc) 초전도체들이 발견된 것은 얼마되지 않은 최근이었다. 1986년경에, 액체 질소의 온드(77K)를 초과하는 온도에서 초전도 특성들을 갖는 최초의 고온 초전도체(HTS), 즉, YBa2Cu3O7 -x(YBCO)가 발견되었고, 뒤이어, 지난 15년간 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 +y(BSCCO)를 포함하는 다른 재료들이 개발되었다. 고-Tc 초전도체들의 개발은 액체 헬륨에 기초한 비교적 값비싼 극저온 인프라구조가 아닌 액체 질소로 이런 초전도체들을 동작시키는 비용에 부분적으로 기인하여, 이런 재료들을 포함하는 초전도 구성요소들 및 기타 장치들의 경제적으로 실현가능한 개발의 가능성을 열었다.
무수한 가능한 용례들 중에서, 산업계는 발전, 송전, 배전 및 저장을 위한 용례들을 포함하는 전력 산업에 이러한 재료들의 용도를 개발하는 것을 고려했다. 이에 관하여, 구리계 상업적 전력 구성요소들의 고유한 저항은 연간 수억 달러의 전기 손실의 원인이되는 것으로 추정되며, 따라서, 전력 산업은 송전 및 배전 전선들, 발전기들, 변압기들 및 오전류 차단기들/제한기들 같은 전력 구성요소들에 고온 초전도체들의 사용에 기초하여 이득을 얻으려하고 있다. 부가적으로, 전력 산업에서의 고온 초전도체들의 다른 이득들은 전력 취급 용량의 3-10배 증가, 전력 장비의 크기(즉, 점유면적) 및 중량의 상당한 감소, 환경적 영향 감소, 더 큰 안전성, 종래의 기술에 비해 증가된 용량의 요소를 포함한다. 그러나, 고온 초전도체들의 이러한 가능한 이득들은 대규모 고온 초전도체들의 생산 및 상업화에 지속적으로 존재하는 매우 강제적이고 수많은 기술적 과제들을 남겨두고 있다.
고온 초전도체들과 관련한 과제들 중에서, 다양한 전력 구성요소들의 형성을 위해 사용될 수 있는 초전도 테이프 세그먼트의 제조에 관련한 많은 과제들이 존재한다. 1세대 초전도 테이프 세그먼트는 상술한 BSCCO 고온 초전도체의 사용을 포함한다. 이 재료는 일반적으로 귀금속 통상적으로 은의 매트릭스에 매립된 불연속 필라멘트들의 형태로 제공된다. 비록, 이런 전도체들이 전력 산업에 구현하기 위해 필요한 긴 길이들(1킬로미터 정도 같은)로 제조될 수 있지만, 재료들 및 제조 비용들로 인해, 이런 테이프들은 광범위하게 상업적으로 실현할만한 제품을 제공하지 못한다.
따라서, 우수한 상업적 실현성을 갖는 소위 2세대 HTS 테이프들에 큰 관심이 발생되어 오고 있다. 이들 테이프들은 통상적으로 기계적 지지부를 제공하는 가요성 기판과, 기판 위에 배설된 적어도 하나의 버퍼층으로서 선택적으로 다수의 막들을 포함하는 버퍼층과, 버퍼층 위에 배설된 HTS층과, 초전도체층 위에 배설된 선택적 덮개층 및/또는 덮개층이나 전체 구조체 둘레에 배설된 선택적 전기적 안정화층을 일반적으로 포함하는 층상 구조에 의존한다. 그러나, 현재까지, 이런 2세대 테이프들 및 이런 테이프들을 포함하는 장치들을 완전히 상업화하기 전까지 다수의 공학적 및 제조적 과제들이 남아 있다.
다층 초전도 제품들의 형성에 의해 부여되는 문제점들에 추가하여, 이런 초전도 제품들을 특정 용례에 활용하는 것도 고유한 문제점들을 부여한다. 특히, 전력 소비의 부단한 증가의 견지에서, 오전류 제한기들(FCL) 같은 구성요소들에 초전도 제품들을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 긴 길이의 전도체들로 초전도 제품들을 사용하는 것과는 달리, 오전류 제한기(FCL) 장치들에 다층 초전도 제품들을 사용하는 것은 고유한 요구사항들을 갖는다. 이런 제품들은 증가하는 전력 수요들을 처리할 수 있는 용량을 가져야만 하며, 또한, 개선된 응답 시간, 성능 및 내구성으로 시스템 내의 가혹한 변화들을 처리할 수 있어야 한다.
제1 양태에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트를 포함하는 오전류 제한기(FCL) 제품이 제공된다. 초전도 테이프 세그먼트는 기판과, 기판 위에 배설된 버퍼층과, 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층을 포함하며, 또한, 초전도층 위에 배설된 덮개층 및/또는 덮개층 위에 배설되거나 전체 구조체 둘레에 배설되는 선택적 전기적 안정화층을 포함할 수 있으며, 그래서, 초전도 테이프 세그먼트는 연속적이면서 복수의 권취부들을 포함하는 구불구불한 경로를 형성한다. 또한, 오전류 제한기 제품은 초전도 테이프 세그먼트에 전기적으로 연결된 분기 회로(shunting circuit)를 포함한다.
다른 양태에 따라서, 오전류 제한기(FCL) 제품이 제공되며, 이는 하우징과, 하우징으로부터 연장하는 부싱과, 부싱에 전기적으로 연결된 하우징 내의 매트릭스 조립체를 포함하고, 이 매트릭스 조립체는 적어도 하나의 초전도 오전류 제한기 조립체를 포함한다. 초전도 테이프 세그먼트는 기판 테이프와, 기판 위에 배설된 버퍼층과, 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층을 포함하며, 또한, 초전도층 위에 배설된 덮개층 및/또는 덮개층 위에 배설되거나 전체 구조체 둘레에 배설되는 선택적 전기적 안정화층을 포함할 수 있으며, 초전도 테이프 세그먼트는 연속적이면서 복수의 권취부들을 포함하는 구불구불한 경로를 형성한다. 또한, 이 제품은 초전도 테이프 세그먼트에 전기적으로 연결된 분기 회로를 포함한다.
다른 양태에 따라서, 오전류 제한기(FCL) 제품이 제공되며, 이는 주 평면을 형성하는 주표면을 갖는 베이스와, 초전도 테이프 세그먼트의 대향한 주 표면들 중 하나에 접하는(tangential) 평면들이 베이스의 주 평면에 대해 실질적으로 수직이 되도록 베이스의 측면들 상에서 베이스 위에 현수된 초전도 테이프 세그먼트를 포함한다. 초전도 테이프 세그먼트는 기판과, 기판 위에 배설된 버퍼층과, 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층을 포함하며, 또한, 초전도층 위에 배설된 덮개층 및/또는 덮개층 위에 배설되거나 전체 구조체 둘레에 배설되는 선택적 전기적 안정화층을 포함할 수 있으며, 초전도 테이프 세그먼트는 연속적이면서 복수의 권취부들을 포함하는 구불구불한 경로를 형성한다. 또한, 제품은 분기 회로를 포함하며, 이 분기 회로는 초전도 테이프 세그먼트에 연결된 복수의 전기 접점들을 포함하고, 분기 회로 및 초전도 테이프 세그먼트는 초전도 테이프 세그먼트의 임피던스와 분기 회로의 임피던스 사이에 약 5:1 이상인 비초전도 상태에서의 임피던스 비율을 갖는다.
본 발명은 첨부 도면을 참조로 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 본 기술 분야의 숙련자들은 첨부 도면을 참조로 본 발명의 다양한 특징들 및 장점들을 명백히 알 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 초전도 제품의 일반적 구조를 도시하는 사시도.
도 2는 일 실시예에 따른 구불구불한 경로 디자인과 병렬 연결된 분기 코일(들)을 갖는 초전도 테이프 세그먼트를 예시하는 도면.
도 3은 일 실시예에 따른 구불구불한 경로 디자인과 병렬 연결된 분기 코일(들)을 갖는 초전도 테이프 세그먼트를 예시하는 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 병렬 분기 회로와 접촉점 부근의 국지적 테이프 회전부를 갖는 구불구불한 경로 디자인을 구비한 초전도 테이프 세그먼트를 예시하는 도면.
도 5는 일 실시예에 따른 구불구불한 경로 디자인과 병렬 분기 회로를 갖는 초전도 테이프 세그먼트의 측면도.
도 6은 일 실시예에 따른 구불구불한 경로로 구성된 다수의 초전도 테이프 세그먼트들의 사시도.
도 7은 일 실시예에 따른 FCL 제품을 예시하는 도면.
도 8은 일 실시예에 따른 전력 그리드 내의 FCL 제품의 배치를 예시하는 도면.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 그리드 내의 FCL 제품의 배치를 예시하는 도면.
도 10은 일 실시예에 따른 전력 그리드 내의 FCL 제품의 배치를 예시하는 도면.
도 11은 4개의 FCL 테스트 샘플들을 위한 전류 대 시간의 플롯.
도 12는 4개의 FCL 테스트 샘플들을 위한 에너지 대 시간의 플롯.
다양한 도면들에서 동일한 참조 부호들을 사용하는 것은 유사 또는 동일 아이템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초전도 제품(100)의 일반적 층상 구조가 도시되어 있다. 초전도 제품은 기판(10), 기판(10) 위에 배설된 버퍼층(12), 초전도층(14), 초전도층(14)에 이어지는 통상적으로 귀금속인 덮개층(16) 및 통상적으로 구리 같은 비귀금속인 안정화층(18)을 포함한다. 버퍼층(12)은 다수의 별개의 막들로 구성될 수 있다. 안정화층(18)은 초전도 제품(100)의 주연 둘레로 연장하여 이를 둘러싼다.
기판(10)은 일반적으로 금속계이며, 통상적으로, 적어도 두 개의 금속 원소들로 이루어진 합금이다. 특히 적합한 기판 재료들은 Hastelloy® 또는 Inconel® 그룹의 합금들로 알려진 바와 같은 니켈계 금속 합금들을 포함한다. 이들 합금들은 바람직한 크리프(creep) 그리고 열팽창 계수, 인장 강도, 항복 강도 및 연신(elongation)을 포함하는 바람직한 기계적 특성들 및 화학적 특성들을 갖는 경향이 있다. 이들 금속들은 일반적으로 특히 통상적으로 릴-투-릴(reel-to-reel) 테이프 취급을 사용하는 초전도 테이프 제조에 적합한 스풀에 감겨진 테이프들의 형태로 상업적으로 입수할 수 있다.
기판(10)은 통상적으로 테이프형 구조이며, 높은 치수비를 갖는다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "치수비"는 기판 또는 테이프의 두 번째 큰 치수, 즉, 폭에 대한 기판 또는 테이프의 길이의 비율을 나타내기 위해 사용된다. 예로서, 테이프의 폭은 일반적으로 약 0.1 내지 약 10.0 cm정도이고, 테이프의 길이는 통상적으로 적어도 약 0.1 m이고, 통상적으로 최대 5.0m 보다 크다. 사실 기판(10)을 포함하는 초전도 테이프들은 100m 이상 정도의 길이를 가질 수 있다. 따라서, 기판은 10 이상, 약 102 이상 또는 심지어 약 103 이상 정도의 매우 높은 치수비를 가질 수 있다. 특정 실시예들은 더 길어서 104 이상의 치수비를 갖는다.
일 실시예에서, 기판은 초전도 테이프의 구성 층들의 후속 증착을 위해 바람직한 표면 특성들을 갖도록 처리된다. 예로서, 표면은 원하는 평탄도 및 표면 조도(roughness)로 연마될 수 있다. 부가적으로, 비록 본 명세서의 실시예들이 통상적으로 상업적으로 입수할 수 있는 상술한 니켈계 테이프들 같은 비텍스쳐 다결정 기판을 사용하지만, 기판은 공지된 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrate) 기술 같은 본 기술분야에서 이해되는 바와 같이 2축 텍스쳐로 처리될 수 있다.
버퍼층(12)을 참조하면, 버퍼층은 단일 층, 또는, 보다 일반적으로는 다수의 막들로 구성될 수 있다. 가장 일반적으로, 버퍼층은 막의 평면내 및 평면외 양자 모두의 결정축들을 따라서 일반적으로 정렬된 결정 구조를 갖는 2축 텍스쳐 막을 포함한다. 이런 2축 텍스쳐는 IBAD에 의해 달성될 수 있다. 본 기술 분야에서 이해되는 바와 같이, IBAD는 이온 빔 보조식 증착을 나타내는 두문자이며, 이 기술은 우수한 초전도 특성들을 위한 바람직한 결정 배향을 갖는 초전도층의 후속 형성을 위해 적절한 텍스쳐 버퍼층을 형성하기 위해 바람직하게 사용될 수 있는 기술이다. 마그네슘 산화물은 IBAD 막을 위한 통상적 재료 선택이며, 약 5 내지 약 50 나노미터 같이 약 1 내지 약 500 나노미터 정도일 수 있다. 일반적으로 IBAD 막은 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,190,752호에 개시 및 설명된 바와 같이 암염형(rock-salt like) 결정 구조를 갖는다.
버퍼층은 IBAD 막과 기판 사이에 배치되며 그들과 직접적으로 접촉하도록 제공된 배리어 막 같은 부가적인 막들을 포함할 수 있다. 이에 관하여, 배리어 막은 이트리아 같은 산화물로 바람직하게 형성될 수 있으며, IBAD 막으로부터 기판을 격리시키도록 기능한다. 또한, 배리어 막은 실리콘 질화물 같은 비산화물로 형성될 수 있다. 배리어 막의 증착을 위한 적절한 기술들은 화학 기상 증착 및 스퍼터링을 포함하는 물리 기상 증착을 포함한다. 배리어 막의 통상적 두께는 약 1 내지 약 200 나노미터의 범위 이내일 수 있다. 또한, 버퍼층은 또한 IBAD 막 위에 형성된 에피텍셜 성장 막(들)을 포함할 수 있다. 이에 관하여, 에피텍셜 성장 막은 IBAD 막의 두께를 증가시키는 데 효과적이며, 원론적으로 MgO 또는 기타 호환성 재료들 같은 IBAD 층을 위해 사용되는 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
MgO계 IBAD 막 및/또는 에피텍셜 막을 사용하는 실시예에서, MgO 재료와 초전도층의 재료 사이의 격자 오정합이 존재한다. 따라서, 버퍼층은 초전도층과 아래에 배설된 IBAD 막 및/또는 에피텍셜 막 사이의 격자 상수들의 오정합을 감소시키도록 특수 구현된 다른 버퍼막을 추가로 포함할 수 있다. 이 버퍼 막은 YSZ(이트리아-안정화 지르코니아) 스트론튬 루테나이트, 란타늄 마그나이트 및 일반적으로, 페로브스카이트-구조 세라믹 재료들 같은 재료들로 형성될 수 있다. 버퍼 막은 다양한 물리 기상 증착 기술들에 의해 증착될 수 있다.
상술한 바가 원론적으로 IBAD 같은 텍스쳐 프로세스에 의해 버퍼 스택(층) 내에 2축 텍스쳐 막의 구현에 중점을 두지만, 대안적으로, 기판 표면 자체가 2축 텍스쳐화될 수 있다. 이 경우, 버퍼층은 일반적으로, 버퍼층 내의 2축 텍스쳐를 보전하도록 텍스쳐 기판 위에 에피텍셜 성장된다. 2축 텍스쳐 기판을 형성하기 위한 한가지 방법은 본 기술 분야에 일반적으로 이해되는, RABITS(롤 보조식 2축 텍스쳐 기판)라 본 기술 분야에 알려져 있는 프로세스이다.
초전도층(14)은 일반적으로 고온 초전도체(HTS) 층의 형태이다. HTS 재료들은 통상적으로 액체 질소의 온도인 77K를 초과하여 초전도 특성들을 나타내는 임의의 고온 초전도 재료들로부터 선택된다. 이런 재료들은 예로서, YBa2CU3O7 -x, Bi2Sr2CaCu2Ox, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 +y, Tl2Ba2Ca2Cu3O10 +y, 및 HgBa2Ca2Cu3O8 +y를 포함할 수 있다. 재료들의 한가지 부류는 REBa2Cu3O7 -x를 포함하며, 여기서 RE는 희토류 또는 희토류 원소들의 조합이다. 상술한 것들 중에서, 일반적으로 YBCO라고도 지칭되는 YBa2CU3O7-x가 유리하게 사용될 수 있다. YBCO는 희토류 물질들, 예로서, 사마륨(samarium) 같은 도핑제들을 추가하거나 추가하지 않고 사용될 수 있다. 초전도층(14)은 후막 및 박막 형성 기술들을 포함하는 다양한 기술들 중 임의의 것에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는 펄스 레이저 증착(PLD) 같은 박막 물리 기상 증착 기술이 높은 증착율들을 위해 사용될 수 있거나, 저비용 및 대면적 처리를 위해 화학 기상 증착 기술이 사용될 수 있다. 통상적으로, 초전도층은 초전도층(14)과 연계된 바람직한 전류량 정격들(rating)을 획득하기 위해 약 0.1 내지 약 30 미크론, 가장 통상적으로는, 약 1 내지 약 5 미크론 같은, 약 0.5 내지 약 20 미크론 정도의 두께를 갖는다.
초전도성 제품은 또한, 덮개층(16)과 안정화 층(18)을 포함할 수 있으며, 이들은 일반적으로 실제 사용중의 초전도체 연소를 방지하는 것을 돕기 위한 전기적 안정화 및 저 저항 계면을 제공하도록 구현된다. 특히, 층들(16, 18)은 냉각이 실패하거나 또는 임계 전류 밀도가 초과되는 경우에, 초전도체를 따른 전기 전하의 지속적 유동을 보조하고, 초전도층이 초전도 상태로부터 이동하고 저항성이 된다. 통상적으로, 안정화층(들) 및 초전도층(14) 사이의 비의도적 상호작용을 방지하기 위해 덮개층(16)을 위해 귀금속이 사용된다. 통상적 귀금속들은 금, 은, 백금 및 팔라듐을 포함한다. 가격 및 일반적 접근성에 기인하여 은이 일반적으로 사용된다. 덮개층(16)은 통상적으로 안정화층(18)으로부터 초전도층(14) 내로의 성분들의 비의도적 확산을 방지하기에 충분한 두께로 이루어지지만, 일반적으로 비용적 이유들 때문에 얇게 형성된다(미가공 재료 및 처리 비용). DC 마그네트론 스퍼터링 같은 물리 기상 증착을 포함하는 다양한 기술들이 덮개층(16)의 증착에 사용될 수 있다.
안정화층(18)은 일반적으로 초전도층(14)을 덮도록 통합되며, 특히, 도 1에 도시된 특정 실시예에서 덮개층(16)을 덮고 덮개층(16)과 직접적으로 접촉한다. 안정화층(18)은 유해 환경 조건들 및 초전도성 켄치(quench)에 대해 안정성을 향상시키도록 보호/분기층으로서 기능한다. 이 층은 일반적으로 고밀도이며, 전기 및 열 전도성이고, 초전도층 손상의 경우 또는 초전도층의 임계 전류가 초과되는 경우 전류를 우회시키도록 기능한다. 이는 납땜 같은 매개 접합 재료를 사용하여 미리 형성된 구리 스트립을 초전도 테이프 상에 적층하는 것 같은 다양한 후막 및 박막 형성 기술들 중 임의의 하나에 의해 형성될 수 있다. 다른 기술들은 물리 기상 증착, 통상적으로, 증발 또는 스퍼터링과, 무전해 도금 및 전해도금 같은 습식 화학 처리에 초점을 둔다. 이에 관하여, 덮개층(16)은 그 위에 구리의 증착을 위한 종정층(seed layer)으로서 기능할 수 있다. 특히, 덮개층(16) 및 안정화층(18)은 다양한 실시예에 따라 후술된 바와 같이 변경될 수 있거나, 사용되지 않을 수 있다.
도 2를 참조하면, 구불구불한 경로 디자인을 갖는 연속적 초전도 테이프 세그먼트(201)를 포함하는 FCL 제품(200)의 도면이 예시되어 있다. 특히, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 통상적으로 조인트나 가교부들을 사용하지 않고 권취부들의 길이를 따라 연속적인 HTS 재료의 연속적 층을 포함한다. FCL 제품(200)은 베이스(219)와, 무엇보다도 203, 204, 205, 206, 207, 209, 210, 211, 213을 포함하는 복수의 접점들, 제1 전기 분기 회로(215) 및 제2 전기 분기 회로(217)를 포함한다. 구불구불한 경로는 복수의 권취부들을 가지며, 권취부들 각각은 초전도 테이프 세그먼트(201)의 선회부(turn)와 직선 부분들을 포함한다. 일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 일 권취부는 예로서, 제1 접점(203) 둘레로 연장하고, 제2 접점(204) 둘레로 연장하고, 그후, 제3 접점(206) 둘레로 연장하는 테이프 세그먼트의 경로를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 일 권취부는 일반적으로 초전도 테이프 세그먼트(201)가 시작되어 접점들에 관해 유사한 배향으로 복귀되는 임의의 경로를 포함한다. 특히, 권취부는 사인파들에 관하여 정의되는 바와 같이 완전한 사이클로 나타내진다. 지점들(A, B) 사이에서 연장하는 일 권취부 사이클이 도시되어 있다. 제2 권취부 사이클은 지점들(C, D) 사이에서 연장하는 것으로 도시되어 있다.
초전도 테이프 세그먼트(201)를 다시 참조하면, 일 초전도 테이프 세그먼트가 도 2에 예시되어 있지만, 다른 실시예들은 복수의 초전도 테이프 세그먼트들을 사용한다는 것을 알 수 있다. 예로서, 다수의 초전도 테이프 세그먼트들이 사용될 수 있으며, 조인트 또는 가교부를 사용하여 함께 결합될 수 있다. 이들 조인트들은 기계적 또는 전기적 연결 장치들일 수 있으며, 이들은 특히, 복수의 초전도 테이프 세그먼트들을 직렬로 결합시키는데 유용할 수 있다. 대안적으로, 복수의 초전도 테이프 세그먼트들은 예로서, 병렬 회로를 형성하도록 전기적으로 결합되는 것 같이 병렬 구조로 결합될 수 있다.
일반적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 약 5 m 이상, 또는 약 10 m 이상 또는 심지어 약 1000 m 이상 같이 약 0.1 m 이상의 길이를 갖는다. 통상적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 약 2 km을 이하의 길이를 갖는다.
초전도 테이프 세그먼트(201)는 일반적으로, 약 0.1 cm 이상의 폭을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들은 더 넓은 초전도 테이프 세그먼트를 사용할 수 있으며, 이때, 폭은 약 1 cm 이상, 심지어 약 10 cm 이상이다. 또한, 초전도 테이프 세그먼트의 폭은 일반적으로 약 30 cm 이하이다.
일반적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 약 100 미크론 이상, 또는, 심지어 약 500 미크론 이상 같은 약 20 미크론 이상의 평균 두께를 가질 수 있다. 통상적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 평균 두께는 약 50 미크론과 약 200 미크론 사이 같이 약 20 미크론과 약 500 미크론 사이의 범위 이내이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 복수의 접점들 둘레로 구불구불한 경로 디자인으로 연장한다. 일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 현수된다. 일반적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 냉각 매체에 대한 노출을 촉진하도록 접점들 사이에서 현수될 수 있다. 특정 예시된 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 베이스(219) 위의 접점들 사이에 현수된다. 특정 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 그 측면들 상에서 베이스(219) 위로 현수되며, 그래서, 테이프 세그먼트의 상부 및 저부 표면들에 접하는 평면들이 베이스(219)의 주 평면에 대해 수직 또는 실질적으로 수직이 된다. 일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 총 길이의 약 75% 이상이 베이스(219) 위로 현수된다. 다른 실시예에서, 테이프 세그먼트의 총 길이의 약 90% 이상이 현수되고, 또 다른 실시예에서, 실질적으로 초전도 테이프 세그먼트(201)의 전체 길이가 베이스(219) 위로 현수된다.
다른 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 전체 길이가 약 0.5 cm이상 또는 심지어 약 2 cm 이상 같이 베이스 위로 약 0.25 cm 이상의 평균 높이로 현수될 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 부분들은 베이스(219) 위로 다양한 높이로 현수될 수 있다. 예로서, 초전도 테이프 세그먼트의 전체 길이의 절반이 하나의 높이로 현수되고, 초전도 테이프 세그먼트의 다른 절반이 다른 높이로 현수될 수 있다. 초전도 테이프 세그먼트의 부분들은 동일한 부분을 갖지 않으며, 각각이 베이스 위로 서로 다른 높이로 현수되는 다수의 부분들이 존재할 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
현수된 테이프 디자인을 더 참조하면, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 그 측면 상에서 현수되고 냉각 매체에 노출될 수 있다. 이런 디자인은 테이프 세그먼트의 급속한 냉각을 촉진하고, FCL 장치의 증가된 성능을 촉진한다. 따라서, 일 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 총 외부 표면적의 약 50% 이상이 냉각 매체에 노출된다. 다른 실시예에서, 초전도 테이프의 총 외부 표면적의 약 90% 이상 또는 심지어 약 98% 이상 같은 약 75% 이상이 냉각 매체에 노출된다.
일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 구불구불한 경로 디자인은 본질적 비유도성 디자인이며, 이는 FCL 제품의 정상적 초전도 동작 동안 추가 임피던스의 감소를 촉진한다. 일반적으로, 본질적 비유도성 디자인은 약 20 마이크로-헨리(micro-Henries) 이하의 인덕턴스, 일부 실시예들에서는 약 10 마이크로-헨리 이하, 또는, 심지어 약 1.0 마이크로-헨리 이하의 인덕턴스를 갖는다. 도 2에 예시된 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트는 구불구불한 경로를 따라 자체적으로 중첩되지 않는다. 부가적으로, 초전도 테이프 세그먼트는 비선형적으로 연장하지만, 테이프의 단부들은 최초 접점(203)으로부터 최종 접점(205)까지 거리 "d" 변위된다. 전압 단자들(Vin 및 Vout) 사이의 거리는 안정화된 FCL 구조를 촉진한다.
일반적으로, FCL 제품의 구불구불한 경로 디자인은 2개 이상의 전기 접점들 둘레로, 통상적으로는, 6개 이상의 전기 접점들 둘레로, 그리고, 일부 실시예에서는 10개 이상의 전기 접점들 둘레로 접혀지는 초전도 테이프 세그먼트의 권취부를 포함한다. 도시된 바와 같이, 구불구불한 경로 디자인은 초전도 테이프 세그먼트가 15 또는 심지어 20개 이상의 접점들 둘레로 감겨지도록 더 많은 수의 접점들을 포함할 수 있다. 접점들의 수는 구불구불한 경로 디자인 및 초전도 테이프 세그먼트의 길이에 또한 의존할 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
FCL 제품의 디자인을 더 참조하면, 접점들은 이동가능하다. 일 실시예에서, 접점들의 일부는 베이스에 대해 스프링 로딩 또는 스프링 편의되어 초전도 테이프 세그먼트(201)의 이동을 촉진하고, 테이프 세그먼트에 대한 응력, 특히, 온도 변화에 따른 팽창 및 수축에 기인한 테이프에 대한 응력을 감소시킨다. 부가적으로, 접점들 중 일부 또는 접점들 모두는 초전도 테이프 세그먼트(201)와 결합하여 이를 위치설정하기 위한 채널들을 포함할 수 있다. 채널들은 접점들 둘레에서의 초전도 테이프 세그먼트의 권취부의 선회와, 다음 접점으로의 권취부의 안내 및 비유도성 구불구불한 경로 디자인의 유지를 용이하게 한다.
일 실시예에 따라서, FCL 제품의 접점들을 더 참조하면, 접점들 중 일부는 전기 접점들이고, 나머지 접점들을 기계적 접점들이다. 일반적으로, 전기 접점들인 접점들은 전기 전도성 재료로 형성되거나, 전기 전도성 코팅을 갖는다. 전기 접점들을 위한 적절한 재료들은 은, 금 같은 귀금속이나, 구리 또는 그 합금 같은 비귀금속들을 포함한다. 도 2에 예시된 실시예를 참조하면, 접점들(203, 210 및 205)은 특히 전기 접점들에 적합하며, 이 경우, 이들 접점들이 FCL 장치를 Vin 및 Vout로 명시된 외부 전기 장치에 전기적으로 연결하고 제1 분기 회로(215) 및 제2 분기 회로(217)를 서로간에 그리고, 초전도 테이프 세그먼트(201)에 전기적으로 연결한다. 부가적으로, FCL 장치의 다른 접점들은 전기 접점들일 수 있으며, 일 실시예에 따라서, 모든 다른 접점들이 전기 접점이다. 또 다른 실시예에서, 접점들 모두가 전기 접점들이다.
초전도 테이프 세그먼트(201) 및 접점들의 디자인을 참조하면, 구불구불한 경로의 디자인은 전기 접점들에 전기적으로 연결된 초전도 테이프 세그먼트의 표면(즉, 상부 또는 저부 표면)을 결정할 수 있다. 일반적으로, 초전도 테이프 세그먼트(201)는 기판에 의해 형성된 저부면과, 저부면에 대향하는 테이프 세그먼트의 표면에 의해 형성된 상부면을 가지며, 이는 예로서, HTS 층, 덮개층 또는 안정화층 같은 다수의 다른 층들 중 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 초전도 테이프 세그먼트의 상부면의 일부 또는 저부면의 일부는 전기 접점들에 접촉하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트의 상부면의 부분들 및 저부면의 부분들은 전기 접점들에 연결될 수 있다. 다른 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 상부면의 부분들은 모든 접점들 둘레로 연장한다. 다른 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트(201)의 저부면의 부분들은 모든 전기 접점들의 둘레로 연장한다.
예로서, 도 2에 예시된 구불구불한 경로 디자인을 참조하면, 초전도 테이프 세그먼트의 상부면의 일부는 접점(203) 둘레로 연장할 수 있고, 따라서, 그후, 초전도 테이프 세그먼트의 후면의 일부는 접점(204) 둘레로 연장하고, 마찬가지로, 상부면의 일부는 접점(206) 둘레로 연장한다. 접점들(203, 206)은 전기 접점들일 수 있으며, 따라서, 초전도 테이프 세그먼트의 상부 부분은 전기 접점들(203, 206) 둘레로 연장하고 그에 연결된다. 또한, 접점(204)은 전기 접점일 수 있으며, 초전도 테이프 세그먼트의 저부면의 일부는 전기 접점(204)에 전기적으로 연결된다. 구불구불한 경로 디자인에서, 초전도 테이프 세그먼트의 배향과, 전기 접점들의 수 및 배치는 테이프 세그먼트를 전기 접점들과 연결하는 초전도 테이프 세그먼트의 이들 표면들을 결정할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, FCL 장치는 특정 임계치를 초과한 오전류를 통상적으로 수반하는 비초전도 상태로 초전도 테이프 세그먼트가 존재할 때 전류 유동을 용이하게 하도록 분기 회로를 포함한다. 일 실시예에 따라서, FCL 제품은 하나의 분기 회로를 포함한다. 도 2에 예시된 실시예에 관하여, 제1 분기 회로(215) 및 제2 분기 회로(217)는 초전도 테이프 세그먼트(201) 및 접점들(203, 205)에 연결되고, 이 접점들은 일반적으로 전기 접점들이다. 분기 회로들(215, 217)은 전기 접점을 통해 초전도 테이프 세그먼트(201)에 전기적으로 연결될 수 있거나, 대안적으로, 유도 결합될 수 있다. 예시된 바와 같이, 제1 분기 회로(215)는 구불구불한 경로의 일부에 걸쳐지고, 전기 접점들(203, 210)에 전기적으로 연결된다. 제2 분기 회로(217)는 구불구불한 경로의 일부에 걸쳐지고, 전기 접점들(210, 205)에 전기적으로 연결된다. 특히, 제1 및 제2 분기 회로들(215, 217)은 거리 "d"로 걸쳐지고, 오류 상태 동안 전류 유동을 위해 Vin과 Vout 사이에서 대안적 전류 유동 경로를 제공한다. 부가적으로, 제1 및 제2 분기 회로들(215, 217)은 초전도 테이프 세그먼트(201)의 손상 또는 고장의 경우에, 대안적 전류 유동을 가능하게 하여 장치의 성능을 보증한다.
따라서, FCL 장치는 Vin과 Vout 사이의 구불구불한 경로의 전체 거리에 걸쳐지는 하나의 또는 복수의 분기 회로들을 포함할 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 분기 회로들(215, 217) 각각은 전기 접점을 형성하지 않는 다수의 접점들에 걸쳐진다. 더 많은 분기 회로들이 포함될 수 있으며, 일 실시예에 따라서, FCL 장치는 테이프 고장 또는 손상의 경우에 대안적 전류 유동 경로들을 최대화하도록 전기 접점들 각각에 접촉하는 분기 회로를 포함한다. 일 실시예에 따라서, 분기 회로는 적어도 하나의 임피던스 소자(즉, 저항들 및/또는 인덕터들)를 포함하며, 더 통상적으로는 Vin과 Vout 사이의 구불구불한 경로의 거리에 걸쳐지는 복수의 임피던스 소자들을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 임피던스 소자들이 서로 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 연결된 임피던스 소자들의 수는 일반적으로 약 5 이상 또는 심지어 약 10 임피던스 소자들 이상 같은 약 2를 초과한다. 대안적으로, 일련의 임피던스 소자들은 전기 접점들과 직렬로 연결될 수 있다. 일 특정 실시예에서, 일련의 임피던스 소자들은 전기 접점들 각각에 연결된다.
일반적으로, 임피던스 소자들은 각 임피던스 소자가 초전도 테이프 세그먼트의 특정 길이를 보호하도록 분기 회로가 걸쳐지는 테이프의 길이에 기초하여 특정 임피던스를 갖도록 선택된다. 이 때문에, 통상적으로, 분기 회로는 보호되는 테이프의 미터 당 약 0.1 밀리오옴 이상의 임피던스를 갖는 임피던스 소자들을 포함한다. 다른 실시예는 보호되는 길이 당 더 큰 임피던스를 사용하며, 그래서, 임피던스 소자는 보호되는 테이프의 길이 당 약 1 밀리오옴 이상의 값 또는 보호되는 테이프의 길이 당 약 5 밀리오옴 이상, 또는, 심지어 보호되는 테이프의 길이 당 약 10 밀리오옴 이상, 그리고, 심지어 보호되는 테이프의 길이 당 약 1.0 오옴까지의 값을 갖는다.
본 명세서에서, 분기 회로들은 통상적으로 초전도 테이프 세그먼트의 길이 당 특정 수의 임피던스 소자들을 포함한다. 예로서, 분기 회로는 초전도 테이프 세그먼트 약 5 m 이상에 대해 하나의 임피던스 소자를 포함할 수 있다. 다른 실시예들은 보호되는 초전도 테이프 세그먼트의 약 10 m 이상에 대해 하나의 임피던스 소자, 또는, 심지어 보호되는 초전도 테이프 세그먼트의 약 20 m 이상에 대해 하나의 임피던스 소자 같은 더 작은 수의 소자들을 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서의 실시예들은 통상적으로, 보호되는 테이프의 100 m 당 적어도 하나의 임피던스 소자를 사용한다.
도 3을 참조하면, 대안적 구불구불한 경로를 갖는 초전도 테이프 세그먼트를 포함하는 FCL 제품(300)의 도면이 예시되어 있다. FCL 제품은 베이스(319)와, 복수의 접점들(무엇보다도, 303, 304, 305, 306, 307, 309, 310, 311 포함) 및 제1 전기 분기 회로(315) 및 제2 전기 분기 회로(317)를 포함한다. 본 실시예에 따라서, 권취부들은 초전도 테이프 세그먼트(301)의 직선 부분들과 선회부들을 포함하지만, 권취부들을 서로 중첩된다. 예시된 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트의 하나의 권취부는 예로서, 제1 접점(303)으로부터 제2 접점(304)까지, 그리고, 그후, 제3 접점(306)으로 연장하는 테이프 세그먼트의 경로를 포함한다. 특히, 본 특정 구불구불한 경로 디자인에서, 초전도 테이프 세그먼트(301)는 각 테이프 권취부를 통해 연장할 때 자체적으로 중첩된다. 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(301)의 다양한 부분들이 중첩 패턴을 촉진하도록 베이스위에서 다양한 높이들로 배치된다. 예로서, 접점(303)과 접점(304) 사이에서 연장하는 초전도 테이프 세그먼트는 접점(304)과 접점(306) 사이에서 연장하는 초전도 테이프 세그먼트의 부분 위에 중첩 또는 아래에 중첩할 수 있다.
도 4를 참조하면, 대안적 구불구불한 경로 디자인의 복수의 권취부들을 가지는 초전도 테이프 세그먼트(401)를 포함하는 FCL 제품(400)이 예시되어 있다. 예시된 바와 같이, FCL 제품(400)은 베이스(416) 위에 배설된 402-410 같은 복수의 접점들을 포함한다. 상술한 바와 같이, 이런 접점들(402-410)은 기계적 또는 전기적 접점들을 포함할 수 있지만, 본 특정 실시예에서, 접점들(402-410)은 초전도 테이프 세그먼트(401)를 접기 위한 기계적 접점들이다. 전술한 실시예들과는 달리, 초전도 테이프 세그먼트(401)는 초전도 테이프 세그먼트(401)가 경사지거나 회전되는 회전 영역들(411, 412)을 포함한다. 예시된 실시예에 따라서, 회전 영역들(411, 412)은 특히 초전도 테이프 세그먼트(401)의 직선 부분들을 따라 국지화된다. 이런 회전 영역들(411, 412)은 전기 접점들(415, 417)에 대한 초전도 테이프 세그먼트(401)의 결합을 용이하게 하고, 이 전기 접점들은 순차적으로 초전도 테이프 세그먼트(401)를 분기 회로(413)에 연결한다. 특히, 회전 영역들(411, 412) 내에서, 초전도 테이프 세그먼트(401)는 초전도 테이프 세그먼트(401)의 적어도 일부가 베이스(416)와 평행하고, 전기 접점들(415, 417)의 접촉면에 대해 평탄하게 배치되도록 회전된다. 일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트들의 다수의 평행한 권취부들이 이런 실시예에 포함될 수 있으며, 이들 모두는 전기 접점들에 대한 연결을 촉진하도록 회전될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
회전 영역들(411, 412) 내의 초전도 테이프 세그먼트(401)는 초전도 테이프 세그먼트(401)의 길이를 연장하는 종축 둘레로 회전될 수 있다. 통상적으로, 회전 영역들(411, 412) 내의 초전도 테이프 세그먼트(401)의 회전량은 테이프의 다른 비회전 부분들에 대해 약 15°이상이다. 다른 실시예들은 약 30°이상 또는 약 45°이상 또는 심지어 약 60°이상 같은 더 큰 회전량을 사용한다. 또한, 회전 영역들(411, 412) 내의 테이프 세그먼트(401)의 회전량은 통상적으로 약 150° 이하이다.
도 5를 참조하면, 대안적 디자인을 갖는 FCL 제품이 예시되어 있다. FCL 제품(500)은 직선 부분들 및 권취부들을 포함하는 복수의 권취부들을 갖는 적어도 하나의 초전도 테이프 세그먼트(501)를 포함하며, 선회부들은 복수의 접점들(503-515) 둘레로 형성된다. 예시된 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(501)는 접점들(503-515) 사이에 현수되어 극저온 액체 또는 가스 같은 냉각제에 대한 초전도 테이프 세그먼트(501)의 효과적 노출을 촉진한다. 특히, FCL 제품(500)은 베이스를 포함하지 않으며, 대신, 접점들(503-515)은 구조체들(523, 525)에 의해 지지된다. FCL 제품(500)은 구조체 내에 초전도 테이프 세그먼트(501)를 보유하기 위한 단부판들(517, 519)을 더 포함한다.
또한, 판(525)은 구조체들(523, 525) 사이에 위치되며, 그를 통한 초전도 테이프 세그먼트(501)의 통과를 위한 개구들을 포함한다. 판(525) 내의 개구들은 초전도 테이프 세그먼트의 권취부들을 서로에 대해 안정화하는 것을 도울 수 있으며, 그래서, 권취부들 각각은 인접 권취부 부분들과 접촉하지 않고, 전기적 간섭들을 생성하지 않는다.
예시된 실시예는 전기 접점들(527, 528)을 통해 초전도 테이프 세그먼트(501)에 전기적으로 연결된 분기 회로(521)를 더 포함한다. 다른 실시예들이 상술한 바와 같이 초전도 테이프 세그먼트의 경로를 변화시키도록 기계적 및 전기적 접점들의 조합을 사용할 수 있지만, 본 특정 실시예에 따라서, 전기 접점들(527, 528)은 초전도 테이프 세그먼트(501) 및 분기 회로(521)의 전기적 결합을 실행하기 위한 전기 접점들(503-515)로부터 분리되어 배치된다. 이 때문에, 본 특정 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트(501)는 접점들(527, 528) 둘레를 감싸지 않는다. 이런 실시예는 다수의 초전도 테이프 세그먼트들을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 6은 FCL 제품(500)과 유사한 구조를 갖는 FCL 제품(600)의 사시도이지만, FCL 제품(600)은 다수의 초전도 테이프 세그먼트들(601, 602, 603, 604)을 포함하고, 이 초전도 테이프 세그먼트들 각각은 복수의 접점들 둘레로 연장하는 직선 부분들 및 선회부들을 포함하는 복수의 권취부들을 갖는다. 예시된 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트들(601-604)은 서로 인접하게 위치되고, 그래서, 초전도 테이프 세그먼트들(601-604) 각각의 직선 부분들은 동일 평면을 따라 연장한다. 또한, 초전도 테이프 세그먼트들(601-604) 각각은 접점들 둘레로 연장하면서 서로 인접하는 선회부들을 갖는다. 초전도 테이프 세그먼트들(601-604) 각각은 인접한 테이프로부터 측방향 거리를 두고 그들이 변위되어 테이프-대-테이프 전자기 간섭들을 감소시키는 것을 제외하면 실질적으로 유사한 경로들을 갖는다. 일반적으로, 인접 테이프들 사이의 평균 측방향 거리는 인접 테이프들 사이의 최근접 측방향 에지들로부터 측정될 때 약 5 cm 이하이다. 다른 실시예들은 인접한 테이프들 사이의 평균 측방향 거리가 약 0.5 cm 이하 또는 심지어 약 0.1 cm 이하 같은 약 1 cm 이하가 되도록 더 근접한 간격을 사용할 수 있다.
도 7을 참조하면, 하우징(701)과, 부싱(703, 705)과, 복수의 초전도 FCL 조립체들(708, 709, 710, 711)을 갖는 매트릭스 조립체(707)를 포함하는 FCL 제품(700)이 예시되어 있다. 특정 실시예에 따라서, 하우징(701)은 온도 및 압력 제어되며, 특히, 극저온 냉각되어 초전도 FCL 조립체들을 위해 적합한 온도들을 유지한다. 상술한 바와 같이, 이 온도는 액체 질소 또는 다른 액체 한제(cryogen)에 의해 유지될 수 있다. 일반적으로, 부싱들(703, 705)은 외부 발전, 송전 및 배전 장치들과 전기적으로 연결될 수 있으며, 하우징(501) 내부에서 부싱들(703, 705)은 초전도 FCL 조립체들(708-711)을 포함하는 매트릭스 조립체(707)를 전기적으로 결합시킨다. 초전도 FCL 조립체들(708-711)은 본 명세서의 실시예들 중 설명된 바와 같은 구성요소들 및 디자인들을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 8은 일 실시예에 따른 전력 그리드(800) 내에 배치된 FCL 장치(803)의 개략도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 개략적인 전력 그리드(800)는 "주 위치" 즉, 변압기(801)와 복수의 개별 회로들을 포함하는 배전 버스(805) 사이의 위치에 FCL 장치(803)를 배치하는 것을 포함한다. 특히, 주 위치에 FCL 장치를 배치하는 것은 차단기(breaker) 업그레이드 없이 배전 버스(805)에 대한 모든 사용자들을 보호한다.
다른 개략도로 돌아가면, 도 9는 일 실시예에 따른 파워 그리드(900) 내의 FCL 장치(905)의 배치를 예시한다. 예시된 바와 같이, 이 개략도는 변압기(901)와 배전 버스(903)의 하류에, 그러나, 개별 회로(907) 이전에 FCL 장치(905)를 배치하는 것을 포함한다. 이는 "피더 위치(feeder position)"에 FCL 장치(905)를 사용하는 것을 예시하며, 이는 개별 회로(907) 및 개별 회로(907) 상의 등급미만 장치들(underrated device)을 보호한다. 특히, 피더 위치의 FCL 장치(905)는 큰 부하들을 취급하도록 설비될 필요가 없기 때문에 더 작은 장치일 수 있다.
다른 개략도로를 참조하면, 도 10은 일 실시예에 따른 전력 그리드(1000) 내의 FCL 장치(1005)의 배치를 예시한다. 예시된 바와 같이, 본 개략도는 변압기(1001, 1007)를 각각 구비하는 두 개의 서브시스템들(1013, 1015) 사이에, 그러나, 개별 회로들(1007) 앞에 FCL 장치(1005)를 배치하는 것을 예시한다. 이는 "버스 결속 위치(bus-tie position)"에 FCL 장치(1005)를 사용하는 것을 예시하며, 이는 하나의 서브시스템내에서 전파하는 오전류들이 다른 서브시스템 상의 회로들과 간섭하는 것을 방지한다.
FCL 장치 및 FCL 장치의 구성요소들의 전기적 특성들을 참조하면, 일 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트는 비초전도 상태에서 미터 당 약 5 오옴 이하의 저항을 갖는다. 다른 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트는 미터 당 약 1 오옴 이하, 또는, 심지어 비초전도 상태에서 미터당 0.1 오옴 이하 같은 미터 당 약 2 오옴 이하의 저항을 갖는다.
특히, FCL 제품은 제품이 비초전도 상태에 있을 때 초전도 테이프 세그먼트와 분기 회로 사이의 임피던스의 척도인 임피던스비율을 갖는다. 일반적으로, 임피던스 비율은 제품이 비초전도 상태에 있을 때 초전도 테이프 세그먼트와 분기 회로 사이에서 약 1:1 이상, 더 통상적으로는 약 3:1 이상이다. 일 실시예에 따라서, 임피던스 비율은 약 10:1 이상, 또는 약 30:1 이상, 또는, 심지어 약 100:1 이상이다. 특정 실시예에 따라서, FCL 장치의 임피던스 비율은 5:1과 50:1 사이의 범위 이내이다.
제품의 특성들을 추가로 참조하면, 일 실시예에 따라서, 초전도 테이프 세그먼트는 약 50 미크론 이하의 평균 두께를 갖는 덮개층을 포함한다. 다른 실시예에 따라서, HTS 층위에 배설된 덮개층은 약 5 미크론 이하, 또는, 또한, 약 0.05 미크론 이하 같은 약 25 미크론 이하의 평균 두께를 갖는다. 일 특정 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트는 실질적으로 HTS 층위에 배설된 덮개층이 존재하지 않는다.
다른 실시예에 따라서, 초전도 테이프는 덮개층 위에 배설된 안정화층(덮개층이 제공되는 실시예들에서) 또는 달리는 HTS 층위에 직접적으로 배설되는 안정화층을 포함할 수 있으며, 안정화층의 평균 두께는 약 1000 미크론 이하이다. 다른 실시예에 따라서, 안정화층은 약 50 미크론 이하 또는 심지어 약 2 미크론 이하 같은 약 500 미크론 이하의 평균 두께를 갖는다. 또한, 특정 실시예에서, 초전도 테이프 세그먼트는 실질적으로 안정화층이 존재하지 않는다.
초전도 테이프 세그먼트의 디자인을 더 참조하면, 기판의 두께는 원하는 전기적 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다. 일 실시예에 따라서, 기판의 평균 두께는 약 50 미크론 이상, 또는, 심지어 약 100 미크론 이상 같은 약 10 미크론 이상이다. 또한, 다른 실시예에서, 기판의 평균 두께는 약 1000 미크론 이상 같은 약 200 미크론 이상이다. 특정 실시예에서, 기판의 평균 두께는 약 150 미크론과 약 250 미크론 사이 같이 약 100 미크론과 300 미크론 사이의 범위 이내이다.
FCL 장치의 특성들을 더 참조하면, 일반적으로, 초전도 상태에서 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량은 테이프의 폭의 치수 당 전류의 척도이다. 이 때문에, 통상적으로, 임계 전류 용량은 테이프의 폭당 약 5 A/cm 이상이다. 다른 실시예에서, 임계 전류 용량은 테이프의 폭당 약 50 A/cm 또는 테이프의 폭당 약 100 A/cm 이상, 또는 심지어 테이프의 폭당 약 1000 A/cm 이상 같이 더 크다. 특정 실시예들은 테이프의 폭당 약 10 A/cm 내지 테이프의 폭당 약 1000 A/cm 사이의 범위 그리고 특히 테이프의 폭당 약 100 A/cm 내지 테이프의 폭당 약 750 A/cm 사이의 범위 내의 임계 전류 용량을 사용할 수 있다. 이 임계 전류 용량을 전류가 초과하면, 초전도체는 그 초전도 상태에서 "정상 저항 상태"로 전이된다. 초전도 상태로부터 정상 저항 상태로의 초전도체의 이러한 전이는 "켄칭(quenching)"이라 지칭된다. 켄칭은 세 개의 인자들, 즉, 동작 온도, 외부 자기장 또는 전류 레벨 중 임의의 하나 또는 임의의 조합이 그 대응 임계 레벨을 초과하는 경우 발생할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 본 명세서에 제공된 FCL 장치의 주 켄칭 트리거는 켄치 전류이다. 통상적으로, 켄치 전류가 낮을수록, 장치는 오전류들에 더 많이 응답한다. 켄치 전류는 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량의 측정된 배수일 수 있다. 예로서, 일 실시예에서, FCL은 임계 전류 용량의 약 20배 이하의 켄치 전류가 초전도 테이프 세그먼트의 켄치를 유발하기에 충분하도록 하는 감도를 가진다. 다른 실시예에서, 켄치 전류는 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량의 약 10배 이하 같이 작을 수 있다. 다른 실시예는 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량의 약 5배 이하 또는 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량의 약 2.5배 이하의 켄치 전류를 사용한다. 특정 실시예에 따라서, 켄치 전류는 임계 전류 용량의 약 1.5배 이하이다.
일반적으로, 켄치 전류가 낮을수록, FCL 제품의 응답시간이 더 빨라지고, 이는 개선된 하류 전기 장치들의 보호를 보증한다. 이때, FCL 제품의 응답 시간은 초전도 테이프 세그먼트를 켄칭시키는데 소요하는 시간이다. 일반적으로, 평균 응답 시간은 1 주파수 사이클의 절반보다 작다. 일 실시예에 따라서, 평균 응답 시간은 약 2 ms 이하, 또는 심지어 약 0.5 ms 이하 같이 약 10 ms 이하이다. 또한, 다른 실시예에서, 응답 시간은 약 0.1 ms 이하이다. 더 특정한 실시예들에서, 평균 응답 시간은 약 0.1 ms와 약 5 ms 사이의 범위 이내일 수 있다.
FCL 제품들의 특성들을 더 참조하면, 도 11은 본 명세서의 실시예에 따른 디자인들을 포함하는 병렬 분기 회로와 연결된 네 개의 초전도 테이프 세그먼트 테스트 샘플들을 위한 전류 대 시간의 플롯을 예시한다. 3000 A의 예상 오전류가 네 개의 초전도 테이프 테스트 샘플들(샘플 1-4)에 인가된다. FCL 제품은 10 마이크로오옴 유도 결합 분기 회로를 포함한다. 네 개의 샘플들 각각은 동일한 층들, 특히, 기판, 버퍼층, HTS층 및 덮개층을 포함한다. 그러나, 네 개의 샘플들 각각을 위한 덮개층의 두께는 다르다. 샘플 1은 1.2 미크론의 두께를 갖는 은을 포함하는 덮개층을 포함한다. 샘플 2, 3, 4는 각각 2.4 미크론, 3.6 미크론 및 4.8 미크론의 두께를 갖는 덮개층들을 포함한다. 도 11에 따라서, 샘플 1은 오전류의 인가시 가장 낮은 초기 피크 전류를 나타내고, 샘플 2는 더 높은 초기 피크 전류를 제공하고, 샘플 3은 샘플 2보다 더 큰 초기 피크 전류를 가지며, 샘플 4는 다른 샘플들 모두 보다 더 큰 초기 피크 전류를 나타낸다. 예시된 바와 같이, 발진들이 이어지고, 시간에 따라 강도가 감소할 때, 샘플 1은 계속 최저 피크 전류들을 나타내고, 샘플 4는 최고 피크 전류들을 갖는다. 특히, 감소된 두께의 덮개층을 갖는 샘플들은 오류 상태들 하에서 초전도 테이프 세그먼트로부터 분기 회로로 전류 유동을 전향시키는 기능을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 동일한 4 개의 테스트 샘플들을 위한 에너지 대 시간의 플롯이 예시되어 있다. 샘플들 1-4는 도 11에 따라 상술한 샘플들과 동일하다. 샘플들은 샘플들 각각이 서로 다른 두께의 은 덮개층을 갖는 것을 제외하면 기판, 버퍼층, HTS층 및 덮개층을 포함하는 동일한 층상 구조를 갖는 동일한 조건들하에서 테스트되었다. 상술한 바와 같이, 샘플 1-4는 각각 1.2 미크론, 2.4 미크론, 3.6 미크론 및 4.8 미크론의 덮개층 두께를 갖는다. 본 테스트에 따라서, 측정된 에너지는 분기 회로와 병렬로 오전류를 받을 때 테스트 샘플들의 열 에너지를 포함한다. 예시된 바와 같이, 샘플 1은 오류의 기간에 걸쳐 총 에너지의 가장 작은 증가를 나타내었고, 샘플 2는 오류의 기간에 걸쳐 총 에너지의 더 큰 증가를 나타내었다. 샘플 3 및 4는 오류의 기간에 걸쳐 총 에너지의 매우 더 큰 증가를 나타내었고, 샘플 4는 총 에너지의 가장 큰 증가를 갖는다. 샘플들의 에너지의 증가는 병렬 분기 임피던스에 의해 결정되는 바와 같은 초전도 테이프 세그먼트 내에서 흐르는 대응 전류에 일차적으로 기인한다. 에너지의 총 증가가 낮을수록 증가된 성능, 응답 시간 및 회복 시간과, 내구성 및 동작 수명에 유사한 증가를 갖는 장치가 가능해진다. 따라서, 도 12의 플롯은 감소된 두께의 덮개층을 갖는 샘플들이 개선된 에너지 소산을 촉진하며, FCL 장치들을 위한 개선된 초전도 테이프 세그먼트들을 촉진할 수 있다는 것을 나타낸다.
상술한 실시예들에 따라서, 현저히 개선된 성능 및 내구성을 갖는 초전도 테이프 세그먼트들을 포함하는 FCL 제품들이 제공된다. 특히, 본 실시예들은 FCL 장치들을 위한 고유한 장치 디자인들, 비유도성 구불구불한 경로 디자인들 및 특정 긴 길이의 다층상 초전도 구조체들의 사용을 포함하는 특징들의 조합을 개시한다. 또한, 본 실시예들은 구불구불한 경로의 FCL 장치들에서의 특정한 사용을 위해 초전도 테이프 세그먼트들의 가공된 연속적 길이들을 갖는 특징들의 상술한 조합을 제공함으로써, 현 기술 상태로부터의 초월을 제공한다. 본 명세서의 실시예들에 설명된 바와 같은 다층 구조의 특정 디자인들은 주목할만한 개선들을 제공한다는 것이 발견되었다. 또한, 본 명세서의 실시예들에 제공된 특징들의 조합은 개선된 성능, 응답 시간, 회복 시간, 내구성 및 동작 수명을 갖는 개선된 FCL 장치들을 가능하게 한다는 것이 발견되었다.
본 발명을 특정 실시예들에 관하여 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 예시된 세부사항들에 한정되지 않으며, 그 이유는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경 및 변용이 이루어질 수 있기 때문이다. 예로서, 추가적 또는 균등물 치환들이 제공될 수 있으며, 추가적 또는 균등물 생성 단계들이 사용될 수 있다. 이 때문에, 본 명세서에 개시된 본 발명의 다른 변형들 및 균등물들은 일상적 실험을 통해 본 기술의 숙련자들이 안출할 수 있으며, 모든 이런 변경들 및 등가물들은 하기의 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 믿어진다.

Claims (15)

  1. 초전도 테이프 세그먼트와,
    상기 초전도 테이프 세그먼트에 전기적으로 연결된 분기 회로를 포함하는 오전류 제한기(FCL) 제품으로서,
    상기 초전도 테이프 세그먼트는
    기판과,
    상기 기판 위에 배설된(overlying) 버퍼층과,
    상기 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층을 포함하며,
    상기 초전도 테이프 세그먼트는 연속적인 구불구불한 경로를 형성하고, 상기 구불구불한 경로는 복수의 권취부들을 가지는, FCL 제품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 테이프 세그먼트의 구불구불한 경로는 본질적으로 비유도성 전기적 경로를 형성하는 FCL 제품.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 테이프 세그먼트는 약 0.1 m 이상의 길이를 갖는 FCL 제품.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 테이프 세그먼트의 일부는 접점들 사이에 현수되고 냉각 매체에 노출되는 FCL 제품.
  5. 제 1 항에 있어서, 각 권취부는 적어도 하나의 선회부(turn)와 직선 부분을 포함하는 FCL 제품.
  6. 제 5 항에 있어서, 적어도 몇몇의 선회부들은 전기 접점들을 둘러싸는 FCL 제품.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분기 회로는 상기 전기 접점들 사이에 위치되어 상기 전기 접점들에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 임피던스 소자를 포함하는 FCL 제품.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 임피던스 소자는 보호될 구불구불한 경로의 미터 당 약 0.1 밀리오옴 이상의 임피던스를 갖는 FCL 제품.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 막의 평면내 및 평면외 양자 모두에 2축 정렬된 결정들을 갖는 적어도 하나의 2축 텍스쳐 막을 포함하는 FCL 제품.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 제품은 상기 HTS 층 위에 배설된 안정화층이 본질적으로 존재하지 않는 FCL 제품.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 초전도 제품은 덮개층(capping layer) 위에 배설된 안정화층이 본질적으로 존재하지 않는 FCL 제품.
  12. 제 1 항에 있어서, 초전도 상태에서 상기 초전도 테이프 세그먼트의 임계 전류 용량은 테이프의 폭당 약 5A/cm 이상인 FCL 제품.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 테이프 세그먼트는 상기 초전도 테이프 세그먼트의 길이를 따라 연장하는 중심축을 포함하고, 상기 초전도 테이프 세그먼트는 국지적으로 회전된 부분을 형성하도록 상기 중심축을 중심으로 회전되는 FCL 제품.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 초전도 테이프는 국지적으로 회전된 부분에서 전기 접점에 연결되는 FCL 제품.
  15. 하우징과,
    상기 하우징으로부터 연장하는 부싱들과,
    상기 부싱들에 전기적으로 연결된 상기 하우징 내의 매트릭스 조립체로서, 적어도 하나의 초전도 오전류 제한기 조립체를 포함하는 상기 매트릭스 조립체를 포함하는 오전류 제한기(FCL) 제품으로서,
    상기 적어도 하나의 초전도 오전류 제한기 조립체는
    기판 테이프와,
    기판 위에 배설된 버퍼층과,
    상기 버퍼층 위에 배설된 고온 초전도(HTS)층으로서, 초전도 테이프 세그먼트가 연속적인 구불구불한 경로를 형성하고, 상기 구불구불한 경로는 복수의 권취부들을 가지는, 상기 고온 초전도(HTS)층과,
    상기 초전도 테이프 세그먼트에 전기적으로 연결되는 분기 회로를 포함하는, 오전류 제한기(FCL) 제품.
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