KR20110085123A - Quench detection apparatus for high temperature superconducting coil - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고온 초전도 코일에 발생이 예상되는 퀀치(quench) 현상에 대한 대책에 관한 것으로, 고온 초전도 코일에서 발생되는 상전도 영역(normal zone)의 보다 확실한 조기 검출 및 보호 방법에 관한 것이다.The present invention relates to countermeasures against quenching that is expected to occur in high temperature superconducting coils, and to a more reliable early detection and protection method of normal zones generated in high temperature superconducting coils.
고온 초전도 선재를 이용한 응용기기로써 전력용 케이블, 변압기, 한류기 등을 제외한 거의 모든 기기가 초전도 코일의 형태로써 사용되고 있는 것이 현실정이다. 고온 초전도 선재를 사용한 코일 또는 마그넷 응용에 있어서는 금속계 초전도 코일에 비해 비교적 큰 열용량과 온도마진에 의해 열적인 안정성이 많이 향상되었다고는 하나 초전도 코일을 실용화하기 위해 극복해야 할 기본적인 결함에는 크게 변함이 없는 것이 사실이다. As an application device using high temperature superconducting wire, almost all devices except power cables, transformers, current limiters, etc. are used in the form of superconducting coils. In coil or magnet applications using high-temperature superconducting wire, thermal stability is improved by relatively large heat capacity and temperature margin compared to metal-based superconducting coil, but the basic defects that must be overcome for the practical use of superconducting coil are not changed. It is true.
초전도 코일의 실용화를 위해서는 몇 가지 기술적 장애를 극복해야만 하고 그 중에서 초전도 코일에 발생이 예상되는 퀀치 현상에 대한 대책이 가장 중요하다고 할 수 있다. 고온 초전도 코일 내부에서 어떤 요란(disturbance)에 의해 발생하는 핫스팟(hot spot) 및 냉각 장치의 고장이나 파괴, 과전류 등 열적, 기계적, 전자기적인 현상에 의해 초전도 코일에 퀀치 현상이 발생하면, 발생된 상전도 영역에서 과대한 발열이 일어나게 되고 이러한 발열에 의해 코일의 구조물 파괴, 초전도 권선의 단선, 고전압 발생, 절연 파괴 등 치명적인 사고로 연결된다. In order to realize the practical use of the superconducting coil, some technical obstacles must be overcome, and the countermeasure against the quench phenomenon expected to occur in the superconducting coil is the most important. When the quench phenomenon occurs in a superconducting coil due to thermal, mechanical, or electromagnetic phenomena such as a hot spot, a breakdown or breakdown of a cooling device, or an overcurrent caused by a disturbance in a high temperature superconducting coil, Excessive heat is generated in the region, which leads to fatal accidents such as structural failure of the coil, disconnection of the superconducting winding, high voltage generation, and dielectric breakdown.
따라서, 초전도 코일에 상전도 영역이 발생하게 되면 가능한 한 빨리 코일 내부의 저장 에너지를 코일 외부로 유도시켜 코일 내부의 발열을 억제할 필요가 있다. 현재까지 여러 종류의 초전도 코일에 대한 퀀치 검출 방법이 제안되어 왔고 주로 전압 검출용 중심탭을 사용한 브릿지법이 주류를 이루어 왔다. Therefore, when a phase conduction region occurs in the superconducting coil, it is necessary to induce the storage energy inside the coil to the outside of the coil as soon as possible to suppress the heat generation inside the coil. To date, the quench detection method for various types of superconducting coils has been proposed, and the bridge method using the center tap for voltage detection has been mainstream.
하지만, 브릿지법을 포함한 종래의 검출 방법은 검출 시간의 지연, 전자기적 노이즈에 의한 오판단/오작동 문제 등으로 인해 조기 및 확실한 퀀치 검출이 불가능한 문제점이 있다.However, the conventional detection method including the bridge method has a problem that early and reliable quench detection is impossible due to delay of detection time, misjudgement or malfunction due to electromagnetic noise.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 고온 초전도 코일의 양단 전압 단자를 사용하여 전자기적 노이즈에 대한 대책을 채용한 유효 전력법에 의해 고온 초전도 코일 내부에 발생하고 있는 열 에너지를 검출하는 퀀치 검출 장치에 의해서 정확하고 조속하게 퀀치 현상을 감지하고 판단함과 동시에 고온 초전도 코일에 저장된 에너지를 안전하고 빠르게 외부 저항으로 소모시키는 보호 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problem, and detects thermal energy generated inside a high temperature superconducting coil by an effective power method employing countermeasures against electromagnetic noise using voltage terminals at both ends of the high temperature superconducting coil. The purpose of the present invention is to provide a protection circuit that detects and judges a quench phenomenon accurately and promptly by a quench detection device, and at the same time safely and quickly consumes energy stored in a high temperature superconducting coil to an external resistor.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another problem to be solved by the present invention not mentioned here is apparent to those skilled in the art from the following description. Can be understood.
본 발명의 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치는, 고온 초전도 코일에서 발생되는 유도성 전압을 소거하는 유도 전압 소거부와, 고온 초전도 코일의 양단에 연결되어, 고온 초전도 코일의 운전 전류값 및 저항성 전압값을 감지하는 유효 전력 감지부와, 운전 전류값 및 저항성 전압값으로부터 유효 전력값을 산출하고, 유효 전력값을 미리 설정된 역치값과 비교하여 상전도 영역 발생 여부를 판단하는 상전도 판단부와, 상전도 판단부의 판단에 따라 고온 초전도 코일의 저장 에너지를 외부로 유도하는 퀀치 보호부를 포함한다.The quench detection apparatus of the high temperature superconducting coil of the present invention includes an induction voltage canceling unit for canceling the inductive voltage generated in the high temperature superconducting coil, and connected to both ends of the high temperature superconducting coil, thereby operating current value and resistance voltage value of the high temperature superconducting coil. An active power detection unit for detecting a power supply, a phase conduction determination unit for calculating an active power value from an operating current value and a resistive voltage value, and comparing the active power value with a preset threshold value to determine whether a phase conduction area is generated; And a quench protection unit for guiding the stored energy of the high temperature superconducting coil to the outside according to the determination of FIG.
본 발명의 유도 전압 소거부는 고온 초전도 코일과 전기적으로 분리된 소거 코일로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Induction voltage canceling portion of the present invention is characterized in that the high-temperature superconducting coil and the erase coil electrically separated.
본 발명의 상전도 판단부는, 운전 전류값 및 저항성 전압값을 승산하여 유효 전력값을 산출하는 승산기와, 승산기로부터 출력되는 유효 전력값 신호의 노이즈를 필터링하는 저역 필터와, 유효 전력값과 역치값을 비교하는 비교기와, 유효 전력값이 역치값 이상인 경우, 퀀치 보호부의 동작 제어 신호를 출력하는 출력단을 포함하는 것을 특징으로 한다.The phase conduction determination unit of the present invention includes: a multiplier for multiplying an operating current value and a resistive voltage value to calculate an active power value, a low pass filter for filtering out noise of an active power value signal output from the multiplier, an active power value and a threshold value The comparator for comparing the and the output terminal for outputting the operation control signal of the quench protection unit when the effective power value is equal to or greater than the threshold value.
본 발명의 상전도 판단부는, 전자소자로 구성되는 하드웨어 회로 또는 DAQ 보드와 컴퓨터로 구성되는 소프트 회로 중 적어도 어느 하나의 회로로 구현되는 것을 특징으로 한다.The phase conduction determination unit of the present invention is characterized in that it is implemented by at least one of a hardware circuit consisting of an electronic device or a soft circuit consisting of a DAQ board and a computer.
본 발명의 퀀치 보호부는, 상전도 판단부로부터 전기적으로 분리하는 포토커플러와, 상전도 판단부로부터 출력되는 신호로 구동되는 두 쌍의 IGBT 및 다이오드와, 저장 에너지의 전류를 방전시켜 소비하는 보호 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.The quench protection unit of the present invention includes a photocoupler electrically separated from the phase conduction determination unit, two pairs of IGBTs and a diode driven by a signal output from the phase conduction determination unit, and a protection resistor that discharges and consumes a current of stored energy. Characterized in that it comprises a.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 소형 또는 대형의 교류/직류 초전도 권선 및 마그넷에 적용이 가능하며, 간단한 전자 회로와 함께 컴퓨터 프로그램에 의해서 경제적인 퀀치 검출 장치를 구성할 수 있으며, 검출 시간의 지연이나 교류 시스템에서의 절연 문제, 노이즈에 의한 퀀치 오판단에 의한 오작동을 줄일 수 있는 효과가 있다.By means of solving the above problems, the present invention can be applied to small or large AC / DC superconducting windings and magnets, and it is possible to construct an economical quench detection device by a computer program together with a simple electronic circuit, and the detection time. This can reduce delays, insulation problems in AC systems, and malfunction due to quench misjudgment caused by noise.
또한, 본 발명의 하드웨어 회로 및 소프트웨어 회로는 동일한 목적과 동일한 기능을 구현하고 있으므로, 두 가지 방식을 사용하여 고속 검출 및 상호보완적인 검출을 할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the hardware circuit and the software circuit of the present invention implement the same purpose and the same function, there is an effect that high-speed detection and complementary detection using two methods.
또한, 고온 초전도 코일과 상전도 판단부가 전기적으로 서로 분리되어 있으며, 상전도 판단부와 퀀치 보호부를 전기적으로 분리시키기 위해서 포토커플러를 이용하고 있다. 이에 따라, 고온 초전도 코일에서 퀀치가 발생하여 상전도 영역이 발생하면, 기계적인 스위치나 차단기 없이, 고온 초전도 코일을 안전하게 보호하기 위해 전원측에서 고온 초전도 코일을 분리시키고, 고온 초전도 코일에 저장되어 있는 자기 에너지는 보호 저항으로 전류를 방전시키면서 소비시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the high temperature superconducting coil and the phase conduction determination unit are electrically separated from each other, and a photocoupler is used to electrically separate the phase conduction determination unit and the quench protection unit. Accordingly, when a quench occurs in the high temperature superconducting coil and a phase conduction region occurs, the high temperature superconducting coil is separated from the power supply side to safely protect the high temperature superconducting coil without a mechanical switch or a circuit breaker, and the magnetic stored in the high temperature superconducting coil. Energy has an effect that can be consumed while discharging the current to the protective resistor.
또한, 퀀치 보호부에서는 IGBT를 사용함으로써, 고온 초전도 코일의 높은 운전 전류에도 사용가능하며, 구동 속도가 빠른 전계 효과를 이용하여 신속한 스위칭을 할 수 있는 효과가 있다. In addition, by using the IGBT in the quench protection unit, it can be used for a high operating current of the high temperature superconducting coil, and has an effect of enabling fast switching by using an electric field effect having a high driving speed.
또한, 소거 코일은 고온 초전도 코일과의 상호 인덕턴스에 의해서 고온 초전도 코일의 인덕턴스에 의한 유도성 전압 성분을 거의 완벽하게 소거할 수 있는 효과가 있다. 나아가, 소거 코일의 사양이 정해진 후에도 상전도 판단부에서 승산 연산에 의해서 그 크기를 조절할 수 있기 때문에, 소거 코일에 대한 별도의 제작이나 변형할 필요가 없으므로 안정적으로 퀀치를 검출할 수 있는 효과가 있다.In addition, the erase coil has an effect of almost completely erasing the inductive voltage component due to the inductance of the high temperature superconducting coil by mutual inductance with the high temperature superconducting coil. Furthermore, since the size of the phase conduction determination unit can adjust the size by multiplication operation even after the specification of the erasing coil is set, there is no need to separately manufacture or modify the erasing coil, so that the quench can be stably detected. .
따라서, 본 발명의 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치는 보다 간단하고 안정적으로 퀀치를 검출할 수 있으므로, 고가의 고온 초전도 코일의 최종 검사시 또는 이를 이용한 장치 운전시 간단하면서도 정확하게 퀀치를 검출하여 고온 초전도 코일 및 이를 이용한 장치를 보호할 수 있다.Therefore, since the quench detection device of the high temperature superconducting coil of the present invention can detect the quench more simply and stably, the high temperature superconducting coil can be detected simply and accurately during the final inspection of the expensive high temperature superconducting coil or during operation of the device using the same. And it can protect the device using the same.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Specific matters other than the problem to be solved, the means for solving the problem, and the effects of the present invention as described above are included in the following embodiments and the drawings. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전압 소거부 및 유효 전력 감지부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전도 판단부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 퀀치 보호부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유도성 전압 파형을 나타낸 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 초전도 코일에서의 퀀치 검출 결과를 도시한 파형도이다. 1 is a view for explaining a quench detection apparatus of a high temperature superconducting coil according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an induction voltage canceller and an active power detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a phase conduction determination unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a quench protection unit according to an embodiment of the present invention.
5 is a waveform diagram illustrating an inductive voltage waveform according to an embodiment of the present invention.
6 is a waveform diagram illustrating a quench detection result in a high temperature superconducting coil according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 고온 초전도 코일에 발생이 예상되는 퀀치(quench) 현상에 대한 대책에 관한 것으로, 초전도 코일에서 발생되는 상전도 영역의 보다 확실한 조기 검출 및 보호 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고온 초전도 코일 내부에서 상전도 영역의 유무 및 전이 상태를 검출하기 위한 상전도 판단부와, 상전도 영역에서 발생하는 열로 인해 야기되는 사고로부터 고온 초전도 코일을 보호하기 위한 퀀치 보호부 등으로 구성된다. The present invention relates to countermeasures against quenching that is expected to occur in high temperature superconducting coils, and to a more reliable early detection and protection method of phase conduction regions generated in superconducting coils. The present invention provides a phase conduction determination unit for detecting the presence and transition state of the phase conduction region inside the high temperature superconducting coil, and a quench protection unit for protecting the high temperature superconducting coil from an accident caused by heat generated in the phase conduction region. It is composed.
상전도 판단부의 경우, 고온 초전 코일에 부착된 양단 전압탭으로부터 감지되는 전압 신호를 입력하는 유효 전력 감지부에 의해 고온 초전도 코일에서 발생한 상전도 영역의 유무 및 상전도 영역 전이 과정을 모니터링하게 된다. 모니터링 과정중의 전자기적인 노이즈 감쇄를 위한 대책으로, 코일 운전전류의 시간 변화와 코일의 자기 인덕턴스에 의해 발생되는 유도성 전압을 상쇄하기 위한 유도 전압 소거부와, 고주파 노이즈 저감을 위한 저역 필터를 함께 사용하며, 이로 인해 더욱 정확한 상전도 영역 유무 및 전이 과정 검출이 가능하게 된다. In the case of the phase conduction determination unit, the presence or absence of the phase conduction region generated in the high temperature superconducting coil and the phase conduction region transition process are monitored by an active power detector that inputs a voltage signal detected from voltage taps of both ends attached to the high temperature pyroelectric coil. As a countermeasure for electromagnetic noise attenuation during the monitoring process, an induction voltage canceller for canceling the inductive voltage generated by the time variation of the coil operating current and the magnetic inductance of the coil is combined with a low pass filter for reducing the high frequency noise. This enables more accurate phase conduction region detection and transition process detection.
상전도 영역 검출 및 전이 과정의 모니터링에는 두가지 방법이 사용되는데, 입력된 신호를 전자 소자로 구성되는 하드웨어 회로와, 컴퓨터에서 처리할 수 있는 이진 데이터 형태로 변환시키는 DAQ보드를 사용하여 컴퓨터 내부에서 정해진 절차대로 실행되는 소프트웨어 회로가 모두 사용된다. 이 상전도 판단부가 고온 초전도 코일에서 사고로 직결되는 상전도 영역을 검출하게 되면, 고온 초전도 코일에 저장된 자기 에너지를 소모시키기 위해 고온 초전도 코일을 전원으로부터 분리시키는 한편, 외부에 병렬로 연결된 보호 회로로 스위치를 도통시키는 신호가 출력된다.Two methods are used to detect the phase conduction region and to monitor the transition process, which are defined inside the computer using a hardware circuit consisting of electronic devices and a DAQ board that converts the data into a binary data form that can be processed by a computer. All software circuits executed in accordance with the procedure are used. When the phase conduction determination unit detects a phase conduction region directly connected to an accident in the high temperature superconducting coil, the high temperature superconducting coil is separated from the power supply to consume magnetic energy stored in the high temperature superconducting coil, and a protection circuit connected in parallel to the outside is provided. A signal for conducting the switch is output.
본 발명에 따르면, 고온 초전도 코일을 이용하는 다양한 전기기기 또는 고온 초전도 선재를 응용하는 전기기기의 운전시 발생할 수 있는 퀀치에 의한 상전도 영역 확대에 따른 사고를 간단하면서도 정확하게 진단 및 검출할 수 있고, 이로부터 보호할 수 있다.According to the present invention, it is possible to easily and accurately diagnose and detect an accident due to the expansion of the phase conduction area due to the quench that may occur during operation of various electric devices using high temperature superconducting coils or electric devices using high temperature superconducting wires. Protect from
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 고온 초전도 코일을 전기적으로 연결하여 상호유도성분에 의거하여 고온 초전도 코일에서 발생하는 저항을 검출하기 위한 소거 코일을 제공한다. 본 발명에서는 고온초전도 코일에서 퀀치 현상이 발생할 때, 코일 내부에서 발생하는 열에 의한 저항성 전압 성분과 운전 전류에 의한 유효 전력을 산출하여 퀀치 검출에 이용하는 방법을 제안하고 있는데, 이 유효 전력 산출을 위해서는 고온 초전도 코일의 고유 유도성 전압 성분에 대한 소거가 필수적이다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides an erasing coil for electrically connecting the high temperature superconducting coil to detect resistance generated in the high temperature superconducting coil based on the mutual induction component. In the present invention, when a quench phenomenon occurs in the high temperature superconducting coil, a method of calculating the resistive voltage component due to heat generated inside the coil and the active power due to the operating current and calculating the active power is proposed. Elimination of the inductive voltage component of the superconducting coil is essential.
상기 소거 코일에서 상호유도에 의한 고온 초전도 코일의 유도성 전압 소거를 위해서는 고온 초전도 코일이 정확한 인덕턴스의 측정이 필요하다.In order to cancel the inductive voltage of the high temperature superconducting coil by mutual induction in the erasing coil, the high temperature superconducting coil needs accurate measurement of inductance.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a quench detection apparatus of a high temperature superconducting coil according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치는 유도 전압 소거부(110), 유효 전력 감지부(120), 상전도 판단부(130) 및 퀀치 보호부(140)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the quench detection apparatus of a high temperature superconducting coil according to an embodiment of the present invention includes an
유도 전압 소거부(110)는 고온 초전도 코일에서 발생되는 유도성 전압을 소거하고, 유효 전력 감지부(120)는 고온 초전도 코일의 양단에 연결되어, 고온 초전도 코일의 운전 전류값 및 저항성 전압값을 감지하며, 상전도 판단부(130)는 운전 전류값 및 저항성 전압값으로부터 유효 전력값을 산출하고, 유효 전력값을 미리 설정된 역치값과 비교하여 상전도 영역 발생 여부를 판단한다. 또한, 퀀치 보호부(140)는 상전도 판단부의 판단에 따라 고온 초전도 코일의 저장 에너지를 외부로 유도한다. 각각의 기능부에 대한 보다 구체적인 기능, 구성, 동작 특성 등에 관한 설명은 다음의 도 2 내지 도 6을 통해 후술하기로 한다.The induction
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전압 소거부 및 유효 전력 감지부를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram illustrating an induction voltage canceller and an active power detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 고온 초전도 코일(100)은 외부 전원(200)에 연결되어 자기 에너지를 저장한다. 고온 초전도 코일(100)에서 발생하는 전압 중 자기 인덕턴스(L)에 의한 유도성 전압을 제거하기 위해 고온 초전도 코일과 전기적으로 분리된 소거 코일로 이루어지는 유도 전압 소거부(110)가 설치된다. 또한, 유도성 전압이 제거된 저항(r)만에 의한 저항성 전압과 운전 전류(i)를 감지하기 위해 고온 초전도 코일의 양단에 연결되는 유효 전력 감지부(120)가 설치된다.As shown in FIG. 2, the high
구체적으로, 고온 초전도 코일(100)에서 발생한 상전도 영역에서 전류 통전에 의해 발생한 저항성 전압 강하 성분만을 검출하여 실제 퀀치에 의해 발생하는 열량을 유효 전력으로 환산하여 퀀치를 검출하는 원리가 적용된다. 여기서, VSC는 고온 초전도 코일에서의 양단 전압이고, VRC는 소거 코일에서의 유도 전압이고, L은 고온 초전도 코일에서의 자기 인덕턴스이고, r은 고온 초전도 코일에서 상전도 영역이 발생했을 때의 저항이며, i는 고온 초전도 코일 회로에서의 운전 전류이다. Specifically, the principle of detecting the quench by detecting only the resistive voltage drop generated by the current conduction in the phase conduction region generated in the high
고온 초전도 코일 양단 전압 VSC는 다음의 수학식 1과 같이 저항성 전압 성분과 유도성 전압 성분의 합으로 나타난다. 그리고, 소거 코일에서의 유도 전압 VRC는 다음의 수학식 2와 같이 상호유도 인덕턴스 M과 운전 전류의 시간 변동률에 의해 정의된다. 수학식 3에서는 고온 초전도 코일 양단 전압에서 유도성 전압을 제외한 저항성 성분과 운전 전류의 곱에 의해서 순시 유효 전력을 구하는 방법을 나타낸다. 여기서，k는 고온 초전도 코일의 자기 인덕턴스와 소거 코일의 상호 인덕턴스의 비율이다．The voltage V SC across the high temperature superconducting coil is represented by the sum of the resistive voltage component and the inductive voltage component, as shown in
고온 초전도 코일 고유 유도성 전압 성분에 대한 소거를 위해 본 발명의 일실시예에에서는, 상호유도에 의한 소거 코일을 이용하여 퀀치시 발생하는 고온 초전도 코일 내부의 저항성 전압 성분만을 추출한다. 또한, 소거 코일은 고온 초전도 코일과 전기적으로 분리되어 있으므로, 고온 초전도 코일에서 퀀치 발생시 유기되는 고전압에 대한 대책으로 유효하다.In one embodiment of the present invention, for the cancellation of the high temperature superconducting coil inherent inductive voltage component, only the resistive voltage component inside the high temperature superconducting coil generated during quenching is extracted using the mutual induction cancellation coil. In addition, since the erasing coil is electrically separated from the high temperature superconducting coil, it is effective as a countermeasure against high voltage induced when quenching occurs in the high temperature superconducting coil.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 유도성 전압 성분의 완벽 소거시, 저항성 전압 성분만을 갖는 고온 초전도 코일 양단 전압값(VSC)과, 운전 전류값(i)만을 이용하여 유효 전력값을 산출할 수 있으며, 유도성 전압 성분이 완벽하게 소거가 되지 않더라도 고온 초전도 코일 양단 전압값(VSC), 운전 전류값(i)뿐만 아니라 소거되지 않은 일부의 유도성 전압값(VRC)을 입력 파라미터로 하여, 수학식 3에 의해 감산 연산을 추가적으로 하여 유효 전력값을 산출할 수 있다. 이에 따라, 소거 코일의 사양이 정해진 후에도 상전도 판단부에서 승산 연산에 의해서 그 크기를 조절할 수 있기 때문에, 소거 코일에 대한 별도의 제작이나 변형할 필요가 없으므로 안정적으로 퀀치를 검출할 수 있다. Meanwhile, in an embodiment of the present invention, when the inductive voltage component is completely erased, the effective power value may be calculated using only the voltage value V SC of both ends of the high temperature superconducting coil having only the resistive voltage component and the operating current value i. Even if the inductive voltage components are not completely erased, input voltages of both the high voltage superconducting coil (V SC ) and the operating current value (i) as well as some of the inductive voltage values (V RC ) that are not erased are input parameters. In this way, an active power value can be calculated by adding a subtraction operation using Equation (3). Accordingly, since the size can be adjusted by the multiplication operation in the phase conduction determination unit even after the specification of the erasing coil is determined, the quench can be stably detected because there is no need to separately manufacture or modify the erasing coil.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전도 판단부를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining a phase conduction determination unit according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 상전도 판단부는 전자 소자로 구성되는 하드웨어 회로와, DAQ 보드(data acquisition board) 및 내부에서 정해진 절차대로 실행되는 컴퓨터로 구성되는 소프트웨어 회로의 동일한 기능을 가진 두 가지 회로에 의해서 고속 검출이 가능하다.As shown in FIG. 3, the phase conduction determination unit has two circuits having the same function of a hardware circuit composed of an electronic component, a software circuit composed of a data acquisition board and a computer executed according to a predetermined procedure therein. High speed detection is possible by this.
이를 위해 상전도 판단부(130)는, 운전 전류값(i) 및 저항성 전압값(VSC)을 승산하여 유효 전력값(P)을 산출하는 승산기(132)와, 승산기(132)로부터 출력되는 유효 전력값 신호의 노이즈를 필터링하는 저역 필터(133, low pass filter)와, 필터링된 유효 전력값(P’)과 미리 설정된 역치값(Pth)을 비교하는 비교기(134)와, 유효 전력값(P’)이 역치값(Pth) 이상인 경우, 퀀치 보호부(140)의 동작 제어 신호를 출력하는 출력단(135)을 포함한다.To this end, the phase
구체적으로, 고온 초전도 코일(100)에서 발생한 상전도 영역에서 전류 통전에 의해 발생한 순시 전압 강하 성분 중 오프셋 전압 및 유도성 전압 성분을 뺀 저항성 전압 강하 성분과 실제 코일의 운전 전류에 의한 유효 전력을 구하고, 노이즈 대책으로 사용된 저역 필터(133)에 의해서 신뢰도 높은 유효 전력 성분만을 환산한다. Specifically, in the phase conduction region generated in the high
소프트웨어 회로의 경우에는 이들 신호를 컴퓨터가 처리할 수 있게 변환시켜주는 A/D 컨버터(131)를 더 포함하며, 컴퓨터 프로그램에 의거한 승산 연산, 저역 필터링 연산 등을 이용하여 초전도 코일 내부에 발생하고 있는 열 에너지를 순시적인 유효 전력으로 정확하게 산출한다. A/D 컨버터(131)는 DAQ 보드에 의해 구현되며, 하드웨어 회로는 도 3에서 A/D 컨버터(131)를 제외한 나머지 구성 요소로 구성되며, 이는 전자 소자로 구현한다.The software circuit further includes an A /
이 산출된 에너지와 퀀치 검출 기준으로 사용되는 역치값의 비교를 통해서 초전도 코일에서 발생되는 상전도 영역을 보다 확실하게 조기 검출할 수 있다.By comparing this calculated energy with a threshold value used as a quench detection criterion, it is possible to more reliably detect the phase conduction region generated in the superconducting coil early.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 퀀치 보호부를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a quench protection unit according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 퀀치 보호부(140)는 상전도 판단부(130)로부터 전기적으로 분리하는 포토커플러(141a, 142a, photocoupler)와, 상전도 판단부로부터 출력되는 신호로 구동되는 두 쌍의 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 및 다이오드(141, 142)와, 저장 에너지의 전류를 방전시켜 소비하는 보호 저항(143)을 포함한다. 포토커플러(141a)를 포함한 한 쌍의 IGBT 및 다이오드(141)는 전원측 연결 스위치가 되고, 포토커플러(142a)를 포함한 다른 한 쌍의 IGBT 및 다이오드(142)는 보호 저항측 연결 스위치가 된다.As shown in FIG. 4, the quench
구체적으로, 퀀치 보호부(140)는 상전도 판단부(130)로부터 출력된 신호로 구동된다. 고온 초전도 코일(100)과 상전도 판단부(130)가 전기적으로 분리되어 있듯이, 퀀치 보호부(140) 또한 상전도 판단부(130)와 전기적으로 분리시키기 위해서 포토 커플러를 이용한다. 고온 초전도 코일에서 퀀치가 발생하여서 상전도 영역이 발생하면, 이로부터 고온 초전도 코일을 안전하게 보고하기 위해 전원측에서 고온 초전도 코일을 분리시키고, 고온 초전도 코일에 저장되어 있는 자기 에너지는 보호 저항(143)으로 전류를 방전시키면서 소비시킨다. 퀀치 보호부(140)는 IGBT를 사용함으로써, 고온 초전도 코일의 높은 운전 전류에도 사용가능하며, 구동 속도가 빠른 전계 효과를 이용하여 신속한 스위칭을 할 수 있다.Specifically, the quench
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유도성 전압 파형을 나타낸 파형도이다. 5 is a waveform diagram illustrating an inductive voltage waveform according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 소거 코일을 사용하기 전에는 고온 초전도 코일의 전류 통전에 의해 유도성 전압 파형이 발생된다. 유도 전압 소거부의 소거 코일을 사용하면 유도성 전압 파형을 제거할 수 있다.As shown in FIG. 5, before using the erasing coil according to an embodiment of the present invention, an inductive voltage waveform is generated by current conduction of the high temperature superconducting coil. An induction voltage waveform can be eliminated by using the cancellation coil of the induction voltage canceller.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 초전도 코일에서의 퀀치 검출 결과를 도시한 파형도이다. 6 is a waveform diagram illustrating a quench detection result in a high temperature superconducting coil according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6의 (a)는 운전 전류를 나타낸 것이고, (b)는 유도성 전압을 포함한 초전도 코일의 전압을 나타낸 것이고, (c)는 하드웨어 회로로 구현되는 상전도 판단부에서 산출한 유효 전력값을 나타낸 것이고, (d)는 소프트웨어 회로로 구현되는 상전도 판단부에서 산출한 유효 전력값을 나타낸 것이며, (e)와 (f)는 상전도 판단부에서 퀀치 보호부로 입력되는 신호를 나타낸 것이다. 도 6의 (a) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 퀀치 현상에 의해 상전도 영역에 진입함에 따라, 이를 검출하여 퀀치 보호부로 입력되는 신호를 제어한다.(A) of FIG. 6 shows an operating current, (b) shows a voltage of a superconducting coil including an inductive voltage, and (c) shows an effective power value calculated by a phase conductivity determining unit implemented by a hardware circuit. (D) shows the effective power value calculated by the phase conduction determination unit implemented by the software circuit, (e) and (f) shows the signal input to the quench protection unit from the phase conduction determination unit. As shown in (a) to (f) of FIG. 6, as the phase conduction region enters by the quench phenomenon, the controller detects this to control a signal input to the quench protection unit.
또한, 소거 코일을 사용할 경우, 도 5와 같은 유도성 전압의 영향을 제거할 수 있으므로, 정확한 퀀치 판정이 가능하며, 이를 감안하여 실제 운전 전류 설정할 때, 고온 초전도 코일에 흘릴 수 있는 전류 영역이 늘어나므로 초전도 전력 장치에서 운전 용량을 늘릴 수 있는 장점도 가지게 된다.In addition, when the erasing coil is used, the influence of the inductive voltage as shown in FIG. 5 can be eliminated, so that accurate quench determination is possible, and in consideration of this, when setting the actual operating current, the current range that can flow to the high temperature superconducting coil increases. Therefore, it also has the advantage of increasing operating capacity in a superconducting power device.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. As such, the technical configuration of the present invention described above can be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범 위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above description, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modifications derived from an equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
100 : 고온 초전도 코일
110 : 유도 전압 소거부
120 : 유효 전력 감지부
130 : 상전도 판단부
131 : A/D 컨버터
132 : 승산기
133 : 저역 필터
134 : 비교기
135 : 출력단
140 : 퀀치 보호부
141a, 142a : 포토커플러
141, 142 : IGBT 및 다이오드
143 : 보호 저항
200 : 외부 전원100: high temperature superconducting coil
110: induction voltage canceller
120: active power detection unit
130: phase conduction determination unit
131: A / D converter
132 multiplier
133: low pass filter
134: comparator
135: output stage
140: quench protection unit
141a, 142a: Photocoupler
141, 142: IGBTs and diodes
143: protection resistance
200: external power
Claims (5)
상기 고온 초전도 코일의 양단에 연결되어, 상기 고온 초전도 코일의 운전 전류값 및 저항성 전압값을 감지하는 유효 전력 감지부;
상기 운전 전류값 및 상기 저항성 전압값으로부터 유효 전력값을 산출하고, 상기 유효 전력값을 미리 설정된 역치값과 비교하여 상전도 영역 발생 여부를 판단하는 상전도 판단부; 및
상기 상전도 판단부의 판단에 따라 상기 고온 초전도 코일의 저장 에너지를 외부로 유도하는 퀀치 보호부;
를 포함하는 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치.An induction voltage canceller configured to cancel an inductive voltage generated from the high temperature superconducting coil;
An active power detector connected to both ends of the high temperature superconducting coil to detect an operating current value and a resistance voltage value of the high temperature superconducting coil;
A phase conduction determination unit configured to calculate an effective power value from the operating current value and the resistive voltage value, and determine whether a phase conduction region is generated by comparing the active power value with a preset threshold value; And
A quench protection unit for guiding the stored energy of the high temperature superconducting coil to the outside according to the determination of the phase conductivity determining unit;
Quench detection device of a high temperature superconducting coil comprising a.
상기 유도 전압 소거부는 상기 고온 초전도 코일과 전기적으로 분리된 소거 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치.The method of claim 1,
The induction voltage canceling unit is a quench detection device of a high temperature superconducting coil, characterized in that consisting of a cancellation coil electrically separated from the high temperature superconducting coil.
상기 상전도 판단부는, 상기 운전 전류값 및 상기 저항성 전압값을 승산하여 유효 전력값을 산출하는 승산기와, 상기 승산기로부터 출력되는 유효 전력값 신호의 노이즈를 필터링하는 저역 필터와, 상기 유효 전력값과 상기 역치값을 비교하는 비교기와, 상기 유효 전력값이 상기 역치값 이상인 경우, 상기 퀀치 보호부의 동작 제어 신호를 출력하는 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치.The method of claim 1,
The phase conduction determination unit includes: a multiplier for multiplying the operating current value and the resistive voltage value to calculate an effective power value, a low pass filter for filtering out noise of an active power value signal output from the multiplier, and the active power value; And a comparator for comparing the threshold value, and an output terminal for outputting an operation control signal of the quench protection unit when the effective power value is greater than or equal to the threshold value.
상기 상전도 판단부는, 전자소자로 구성되는 하드웨어 회로 또는 DAQ 보드와 컴퓨터로 구성되는 소프트 회로 중 적어도 어느 하나의 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치.The method of claim 1,
The phase conduction determination unit, the quench detection device of a high temperature superconducting coil, characterized in that implemented in at least one of a hardware circuit consisting of an electronic device or a soft circuit consisting of a DAQ board and a computer.
상기 퀀치 보호부는, 상기 상전도 판단부로부터 전기적으로 분리하는 포토커플러와, 상기 상전도 판단부로부터 출력되는 신호로 구동되는 두 쌍의 IGBT 및 다이오드와, 상기 저장 에너지의 전류를 방전시켜 소비하는 보호 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일의 퀀치 검출 장치.The method of claim 1,
The quench protection unit may include: a photocoupler electrically separated from the phase conductivity determination unit; two pairs of IGBTs and diodes driven by a signal output from the phase conductivity determination unit; A quench detection device of a high temperature superconducting coil, characterized in that it comprises a resistor.
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