KR20110090931A - 초전도 한류기 - Google Patents

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KR20110090931A
KR20110090931A KR1020117011028A KR20117011028A KR20110090931A KR 20110090931 A KR20110090931 A KR 20110090931A KR 1020117011028 A KR1020117011028 A KR 1020117011028A KR 20117011028 A KR20117011028 A KR 20117011028A KR 20110090931 A KR20110090931 A KR 20110090931A
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KR
South Korea
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superconducting
node
current limiter
circuit
resistor
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Application number
KR1020117011028A
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English (en)
Inventor
안토니오 모란디
살바토레 임파라토
Original Assignee
알마마 테르 스투디오룸 유니베르시타‘ 디 볼로냐
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Publication date
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Abstract

본 발명은 보호 대상 회로(protected circuit, 12, 13)로 연결되어 있는 능동 소자(3a, 3b, 3c, 3d)로 구성된 정류기 브리지(rectifier bridge, 2)를 포함하는 한류기(fault current limiter, 1)에 관한 것이며, 제 1 노드(4)와, 상기 제 1 노드(4)와 이웃하지 않는 제 2 노드(5)는 보호 대상 회로(12, 13)로 연결되어 있고, 상기 한류기(1)는 상기 정류기 브리지(2)의 제 3 노드(6)와 제 4 노드(7) 사이에 연결되어 있는 중앙 브랜치(8)를 포함하며, 상기 정류기 브리지(2)는, 상기 중앙 브랜치(8)를 통해 흐르는 전류의 리플(ripple)의 진폭을 감소시키는 유도 구성요소(inductive component)와 비선형 초전도성 저항 구성요소(nonlinear superconducting resistive component)를 포함하는 하나 이상의 회로 요소로 구성되고, 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소는, 상기 중앙 브랜치(8)를 흐르는 전류가 지정 임계값보다 낮아서, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하여 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 되는 제 1 동작 상태와, 상기 중앙 브랜치(8)를 흐르는 전류가 상기 지정 임계값을 초과하여, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함해 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 아니게 되어서 저항 거동(resistive behavior)을 제공하는 제 2 동작 상태를 가진다.

Description

초전도 한류기{FAULT CURRENT SUPERCONDUCTIVE LIMITER}
본 발명은 초전도 한류기(SFCL: superconducting fault current limiter)에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명은 교류전류 적용을 위해 직류전류 상태로 동작하기에 적합한 전기 회로망 또는 전력 시스템의 보호를 위한 초전도 한류기를 다루고 있다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 현대의 전기 시스템에 한류 장치를 제공하는 것은 현대의 전기 전력 시스템의 신뢰할만한 유지관리 및 보호를 보장하기 위한 기본적인 요건이다.
동작 경험에 따르면, 시스템 구성요소의 기능과 전체 시스템의 안정성 모두에 매우 위험한 영향을 미치는 단락 장애의 출현이 드믄 일이 아니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 사용되는 수단, 가령, 하이 임피던스 변압기(high impedance transformer), 직렬 연결된 공심 리액터 및 회로망 분리(network splitting)는 영구 손실을 유도하고, 전력 시스템의 효율적인 동작을 제한한다.
그렇다면, 보통의 동작 조건 동안 전력 시스템에 영향을 미치지 않고 이상 전류(fault current)를 제한할 수 있는 한류기를 개발하기 위한 연구 투자가 필요하다.
한류기의 모든 가능한 개념들 중에서, 초전도성 물질을 기반으로 하는 한류기가 이상적인 특성을 나타낸다. 실제로, 초전도 한류기(SFCL)는 보통의 동작 상태에서는 무시할 만한 임피던스를 가지며, 자신을 흐르는 전류가 이상 임계값이라고 지정되는 특정 값을 넘어설 때 자발적으로 하이 임피던스 상태로 스위칭할 수 있는 장치이다.
전기 전력 시스템에 초전도 한류기를 도입하는 것은 다음에서 나열되는 이점 등을 가진다:
- 장애의 경우, 회로망의 안전을 위협하지 않으면서, 개선된 유연한 전력 공급 품질을 가능하게 한다.
- 이상 전류의 첫 번째 피크(peak)를 제한함으로써, 구성요소에 미치는 스트레스(stress)를 감소시키고, 더 저렴한 설계가 가능해 진다.
- 기존 스위치의 중단(interruption) 기능과 일치되는 단락 전류의 대칭적 성분을 보장하는 방식으로 설계될 수 있어서, 회로망의 확장 시, 교체를 피할 수 있다.
- 제한 동작은 스스로 발동(self-activating)되기 때문에, 신뢰도가 높다.
- 장애 상태의 종료 후 로우 임피던스 상태의 회복이 자발적이며, 어떠한 복구 동작을 필요로 하지 않는다.
레이아웃과 동작 원리에 따라, 초전도 한류기는 저항 타입, 정류기 타입(다이오드 또는 사이리스터 브리지 타입이라고도 지칭됨), 차폐 자기 코어 타입, 또는 포화 자기 코어 타입 한류기로 분류될 수 있다. 실험을 통해 제공되는 가능한 SFCL 개념의 완전한 리뷰는 Noe와 Steurer[2007]에 제공되어 있다.
지난 세기 동안, 고온 초전도성 물질(HTS)(제 1 세대(BSCCO, Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide)와 제 2 세대(YBCO, Yttrium Barium Copper Oxide) 모두)을 기반으로 하는 많은 초전도 한류기의 원형이 제조되었으며, 기술적 실현 가능성이 입증되었다.
더 최근에는, 마그네슘 디보라이드(MgB2)(경쟁력 있는 비용과 품질로 상용화된 초전도체)의 사용도 고려되었다.
중전압(medium voltage) 적용예를 위한 일부 SFCL 원형이 산업화 전 단계까지 개발되었다. 이들은 대부분의 엔지니어링 쟁점들(가령, 저온물리학, 전기 절연, 기계적 강도 등)과 관련하여 최적화되었고, 성공적으로 중전압 본선에서의 장기간 현장 테스트를 받았다.
그럼에도 불구하고, 초전도 한류기의 효율적인 시장 침투를 가능하게 하기 위해, 교류전류 손실과 주로 관련된 일부 쟁점들과 관련 동작 비용은 여전히 해결되어야 한다.
다음의 기재에서, 저항 타입 한류기부터 시작하여 일부 타입의 한류기가 상세히 검토된다.
저항 타입 SFCL은, 전류가 지정 임계값을 초과할 때 발생하는 초전도 상태에서 상전도(고 저항률) 상태로의 전환을 기초로 한다.
이러한 SFCL은 일반적으로, 예컨대, 가능한 낮은 인덕턴스를 획득하기 위한 방식(바이필라 코일(bifilar coil) 또는 교차 팬케익(pancake) 방식)으로 감겨 있는 초전도성 선(wire) 또는 테이프(tape)로 구성된다.
초전도성 선 또는 테이프는 보호 대상 회로(protected circuit)를 통해 흐르는 교류전류를 직접 운반하는데, 이로 인해, 회로에서 전력 소산(AC 손실)이 초래된다. 실제로, 초전도성 선 또는 테이프는 순수 직류전류를 운반하는 경우에만 어떠한 손실도 나타내지 않는다. 이러한 손실은, 초전도성 요소들의 온도를 증가시키지 않도록 매우 고 비용의 냉각을 필요로 하기 때문에, 한류기의 매우 높은 동작 비용을 의미한다. 덧붙이자면, 실제 구현되는 초전도성 선 또는 테이프는, 국소 발열(핫 스팟)로 인한 손상 위험을 피해기 위해 상전도체(normal conductor)(가령, 은, 구리 등)와 접촉하고 있는 초전도성 필라멘트 또는 층(layer)으로 구성된다. 상전도 상태(normal state)로의 전환이 발생하면, 상전도체 층의 존재가 초전도성 테이프 또는 선의 저항을 낮춰준다. 따라서 만족스러운 한류 효과를 얻기 위해, 긴 길이의 선 또는 테이프가 필요하며, 이는, 교류전류 손실로 인해 한류기에 의해 소산되는 전체 전력이 증가한다는 결과를 초래한다.
국소 과열의 위험을 최소화하면서, 동시에 테이프의 길이를 최소화하고 이에 따른 손실도 최소화하기 위해, 초전도 상태에서 상전도 상태로의 전환이 자기장의 개시에 의해 보조되는 여러 가지 초전도 한류기가 제안되었다. 이러한 초전도 한류기가 국제 특허 제WO94/03955호와 미국 특허 제7,180,396호에 기재되어 있다. 이러한 초전도 한류기는 초전도성 부분의 복잡한 기하학적 형태를 필요로 하며, 복수 개의 병렬 연결되거나 직렬 연결된 상전도성 코일을 사용할 것을 필요로 한다. 덧붙여, 정상 상태 동안, 초전도성 테이프 또는 선에 교류전류가 흐르며, 이로 인해, 높은 냉각 비용이 발생할 수 있다.
또 하나의 흥미로운 타입의 초전도 한류기는 정류기 타입 초전도 한류기이다. 상기 정류기 타입 초전도 한류기는, DC 전압원에 직렬 연결되어 있으며 전파 다이오드(full wave diode) 또는 사이리스터 정류기 브리지에 내장된 인덕터로 구성되며, 상기 전파 다이오드 또는 사이리스터 정류기 브리지는 보호 대상 부하로 연결된다. 인덕터는 저항 손실을 피하기 위해 초전도성 물질의 코일로 구성될 수 있다.
정상 상태에서, 다이오드 또는 사이리스터를 통과하여 흐르는 보호 대상 회로의 전류는 인덕터를 우회한다. 이러한 주전원 전류가 코일을 흐르는 전류를 초과할 때, 4개의 다이오드/사이리스터 중 2개가 역방향 바이어스되어, 자동으로 코일이 보호 대상 회로에 직렬로 삽입된다. 초전도성 물질 코일로 구성된 인덕터를 포함하는 이러한 브리지 타입 초전도 한류기는 처음에 Boenig에 의해 제안되었으며, 이는 미국 특허 제4,490,769호에 기재되어 있다.
다이오드가 아닌 사이리스터를 이용함으로써, 한류 기능에 추가로, 사이리스터의 게이트로 연결되어 있는 능동 제어 회로를 통과하는 이상 전류를 차단(break)할 수 있다.
앞서 언급된 한류기의 기술적 문제는, 코일을 통과하는 순수 직류전류(DC)를 얻기 위해 필요한 직류전류 전압원의 구성이다. 이러한 문제를 피하기 위해, DC 전원을 제거하고, 인덕터를 구현하기 위해 초전도성 물질을 사용할 필요성을 제거함으로써, 초기의 장치를 수정하는 것이 Boening에 의해 제안되었다(미국 특허 제5,726,848호에 기재되어 있음).
앞서 언급된 전류 정류기 브리지 타입 한류기의 기술적 문제는 코일에 DC 전류를 설정하기 위해 필요한 직류 전원의 부재이며, 이는 앞서 언급된 한류기가 상전도 상태 동작(normal operation) 동안 발생하는 상전도 부하 변동 동안에도 회로망에 영향을 주고, 사용자 측에서는 전압 강하가 초래됨을 의미한다.
전압의 교란(disturbance)을 국제 표준(EN 50160)에서 규정한 한계 내로 유지하기 위해, 사용될 인덕턴스의 값은 적정 한계를 초과할 수 있고, 따라서 장치의 한류 기능이 크게 감소되거나, 단락 장래가, 한류기를 사용하지 않고 도달할 값보다 상대적으로 낮은 값까지 제한될 수 없다.
덧붙여, DC 전원이 존재하는 경우와 부재하는 경우 모두, 보호 대상 회로에 직렬 연결된 인덕턴스를 도입함으로써, 한류 효과(limiting effect)가 얻어진다. 단락 장애 동안 회로망의 등가 임피던스는 일반적으로 유도성(inductive)인데, 이는 다음에서 나열되는 단점들을 의미한다:
a. 전류의 영-교차(zero-crossing) 시 딜레이가 발생하고, 회로 차단기의 개방 폴(opening pole)들 간에 발생하는 전기 아크를 소멸시키기가 더 어렵다.
b. 장애 발생 동안, 회로망의 동적 안정도(dynamic stability)가 감소한다.
이러한 기술적 한계는, 전기 전류의 공급의 비효율성뿐 아니라 경제적인 이유로도 바람직하지 못하다.
앞의 내용을 토대로, 본 발명의 목적은 직류전류 적용예를 위해, 직류전류 상태에서 동작하기 적합한 저항 타입의 초전도 한류기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 정상 상태 동작 동안 직류전류로 동작하고, 장애 발생 동안 병렬 연결된 종래의 저항기를 이용함으로써, 정상 상태 동작과 장애 발생 동안 모두에서, 냉각 시스템에 감소된 열적 부하(thermal load)를 제공하는 것이다.
따라서 본 발명의 구체적인 목적은, 보호 대상 회로(protected circuit)로 연결되는 적합한 개수의 능동 소자로 구성된 정류기 브리지를 포함하는 초전도 한류기를 제공하는 것이다. 상기 정류기 브리지는 4개의 노드를 형성하는 4개의 브랜치를 가지며, 제 1 노드와, 상기 제 1 노드로 연결되어 있지 않은 제 2 노드가 상기 보호 대상 회로로 연결되어 있다. 상기 한류기는, 상기 정류기 브리지(2)의 제 3 노드와 제 4 노드 사이에 연결되어 있는 중앙 브랜치를 포함하며, 상기 정류기 브리지는, 상기 중앙 브랜치를 통해 흐르는 전류의 리플(ripple)의 진폭을 감소시키는 유도 구성요소(inductive component)와 비선형 초전도성 저항 구성요소(nonlinear superconducting resistive component)를 포함하는 하나 이상의 회로 요소로 구성된다. 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소는, 상기 중앙 브랜치를 흐르는 전류가 지정 임계값보다 낮아서, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하여 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 되는 제 1 동작 상태와, 상기 중앙 브랜치를 흐르는 전류가 상기 지정 임계값을 초과하여, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함해 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 아니게 되어서 저항 거동(resistive behavior)을 제공하는 제 2 동작 상태를 가진다.
본 발명에 따르면, 상기 하나 이상의 회로 요소는 인덕터와 비선형 초전도성 저항기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 인덕터는 초전도성 물질로 구성되고, 상기 제 2 동작 상태로의 전환(transition)을 겪지 않도록 설계된다.
본 발명에 따르면, 상기 인덕터와 상기 비선형 초전도성 저항기는 직렬 연결된다.
본 발명에 따르면, 상기 인덕터는 상기 비선형 초전도성 저항기)에 가까이 놓여서, 생성되는 자기장이, 제 1 동작 상태에서 제 2 동작 상태로의 전환을 보조한다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 회로 요소는, 유도 구성요소와 비선형 초전도성 저항 요소를 모두 가지며 초전도성 물질로 구성된 인덕터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 한류기는, 상기 제 2 동작 상태에서 상기 하나 이상의 회로 요소를 통해 흐르는 전류의 일부분을 흘려보내기(drain) 위해, 상기 비선형 초전도성 저항 요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소에 병렬로 연결되는 하나 이상의 종래 저항기를 포함하며, 이로써, 열적 부하와 한류기의 회복 시간이 감소된다.
본 발명에 따르면, 상기 하나 이상의 종래 저항기는 상기 정류기 브리지의 제 1 노드와 제 2 노드로 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 한류기가 상기 정류기 브리지의 제 3 노드와 제 4 노드로 연결되는 종래 저항기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 초전도 한류기가 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소로 병렬 연결되는 종래 조항기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소의 초전도성 물질은, 마그네슘 디보라이드(MgB2), BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) 및 YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide) 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 한류기는 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소를 냉각시키기 위한 냉각 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 능동 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)는 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 능동 소자는 사이리스터와 상기 사이리스터를 제어하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 정류기 브리지는 애노드와 캐소드가 구비된 능동 소자들을 포함하며, 다음의 연결 방식을 따른다:
- 제 1 능동 소자의 애노드는 제 1 노드로 연결되고, 상기 제 1 능동 소자의 캐소드는 제 3 노드로 연결됨,
- 제 2 능동 소자의 애노드는 제 4 노드로 연결되고, 상기 제 2 능동 소자의 캐소드는 제 2 노드로 연결됨,
- 제 3 능동 소자의 애노드는 제 4 노드로 연결되고, 상기 제 3 능동 소자의 캐소드는 제 1 노드로 연결됨,
제 4 능동 소자의 애노드는 제 2 노드로 연결되고, 상기 제 4 능동 소자(3d)의 캐소드는 상기 제 3 노드로 연결됨.
본 발명에 따르면, 상기 한류기는 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소를 냉각시키기 위한 냉동 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 보호 대상 회로는, 제 1 노드로 연결되어 있는 전기 급전선, 제 2 노드로 연결되어 있는 전기 부하, 발전기로부터의 급전선, 전력 보조 설비용 급전선, 회로망 결합 수단, 버스바 결합 수단(busbar coupling), 전류 제한 리액터의 분로, 변압기로부터의 급전선 및 다른 초전도성 장치를 포함하는 시스템 중에서 선택되며, 상기 다른 초전도성 장치는 초전도성 케이블, 또는 분산 발전 유닛, 또는 고리형 회로망(ring network)의 폐쇄 수단이다.
도 1은 본 발명에 따르는 초전도 한류기의 제 1 실시예의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 초전도 한류기의 제 2 실시예의 등가 회로도이다.
도 3a는 본 발명에 따르는 초전도 한류기의 제 3 실시예의 등가 회로도이다.
도 3b는 본 발명에 따르는 초전도 한류기의 제 4 실시예의 등가 전기 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 한류기를 3상 전기 전력 공급 시스템에 적용할 때의 연결도이다.
도 5는 여러 다른 인덕턴스 값에 대한 회로망의 전압의 시간에 따른 그래프이다.
도 6은 정상 동작 상태 동안, 도 1의 실시예에 따르는 초전도 한류기의 정류기 브리지의 내부 브랜치의, 여러 다른 인덕턴스 값에 대한 전류를 도시한다.
도 7은 여러 다른 저항 값 R에 대한 도 1의 실시예에 따르는 한류기를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 초전도 한류기의 가능한 적용예를 도시한다.
여러 도면에서, 유사한 부분은 유사한 도면부호로 표시되었다.
도 1에, 본 발명에 따르는, 보호 대상 전기 회로(protected electric circuit)로 직렬 연결되어 있는 초전도 한류기(superconducting fault current limiter, 1)의 제 1 실시예가 도시된다. 도시된 실시예는, 4개의 능동 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)(이 경우 다이오드)를 갖는 정류기 브리지(rectifier bridge, 2)를 포함한다.
상기 정류기 브리지(2)는 4개의 브랜치를 가지며, 각각의 브랜치는 상기 다이오드(3a, 3b, 3c 및 3d) 중 하나의 다이오드를 포함한다. 상기 브랜치는 4개의 노드(4, 5, 6 및 7)를 이용해 연결된다. 보호 대상 회로(protected circuit)는 제 1 노드(4)와 제 2 노드(5)로 연결될 수 있다.
정류기 브리지(2)로의 다이오드(3a, 3b, 3c 및 3d)의 연결은 다음과 같이 이뤄진다:
- 다이오드(3a): 애노드(anode)가 노드(4)로 연결되고, 캐소드(cathode)가 노드(6)로 연결됨,
- 다이오드(3b): 애노드가 노드(7)로 연결되고, 캐소드가 노드(5)로 연결됨,
- 다이오드(3c): 애노드가 노드(7)로 연결되고, 캐소드가 노드(4)로 연결됨,
- 다이오드(3d): 애노드가 노드(5)로 연결되고, 캐소드가 노드(6)로 연결됨.
한류기(1)는 상기 노드(6)와 노드(7)로 연결되는 추가적인 중앙 브랜치(8)를 포함한다. 상기 중앙 브랜치(8)는, 서로 직렬 연결되어 있는 인덕터(9)와 비선형 초전도성 저항기(10)를 포함한다.
따라서 본 발명에 따르는 한류기(1)는 저항성 한류기와 정류기 브리지 한류기를 결합한 개념을 이용하며, 이는 추후 설명될 것이다.
비선형 초전도성 저항기(10)는 자신의 초전도성 물질이 초전도 상태에서 비-초전도 상태로 전환되는 경우, 저항 거동(resistive behavior)을 가진다.
두 가지 동작 상태가 다음과 같이 식별된다: 비선형 저항기(10)의 초전도성 물질이 적합한 냉각 시스템(가령 극저온 조(cryogenic bath)) 덕분에 초전도 상태인 “정상 상태(normal)”라고 명명되는 동작 상태와, 비선형 저항기(10)의 초전도성 물질이 초전도 상태에서 초전도가 아닌 정상 상태로 전환되는 “활성 상태(active)”라고 명명되는 동작 상태.
정상 동작 상태에서, 비선형 초전도성 저항기(10)를 흐르는 전류는, 한류기(1)를 통과하여 흐르는 정현파형 전류의 피크(peak)의 포락선에 의해 정해진다. 특히, 도면에서 iSFCL(t)로 나타나는 전류는, 한류기가 연결되어 있는 보호 대상 회로의 동작 주파수의 2배의 주파수를 갖는 기본파(fundamental harmonic) 성분을 갖는 중첩된 리플(ripple)을 갖는 일정한 값으로 구성된다.
이는 다이오드(3a, 3b, 3c 및 3d)의 배열 때문이다. 리플 성분의 진폭이 인덕터(9)의 인덕턴스(L) 값에 따라 감소된다. 따라서 인덕터(9)의 인덕턴스(L)가 높아질수록, 리플은 낮아지고, 이에 따라서, 초전도체의 AC 손실이 낮아진다. 즉, 중앙 브랜치(8)의 유도성 구성요소(inductive component)가 리플의 크기와 AC 손실을 감소시킨다.
물론, 한류기(1)가 시스템(정상 동작 상태 동안 한류기가 연결되어 있는 전기선, 넓게는, 보호 대상 회로)에 영향을 미치지 않는다고 가정하면, 인덕터(9)의 인덕턴스(L) 값은 가능한 높아야 한다.
이는, 예컨대, 단락(short circuit)의 경우, 단락 이벤트에서 허용될 수 있는 레벨로 이상 전류를 제한하기 위해 필요한 만큼, 인덕터(9)의 인덕턴스가 높을 수 없음을 의미한다.
정상 상태(steady state)에서, 인덕터(9)는, 2개의 동일한 부분으로 쪼개지는 DC 전류(도면에서 I0로 나타남)를 운반하며, 상기 2개의 동일한 부분은 각각, 다이오드(3a-3b)의 결합점과 다이오드(3c-3d)의 결합점을 통과하여 흐른다. 다이오드(3a, 3b, 3c 및 3d)에서의 전압 강하로 인해, 전류의 감쇠가 발생한다(리플의 감소 부분). 전류가 보호 대상 회로의 전류의 값 이하로 떨어질 때, 인덕터가 직렬 연결되게 되고, 전류가 정현파의 피크까지로 증가되며, 상기 피크에서부터 감쇠가 시작된다.
한류기(1)를 통과하는 전류 iSFCL(t)의 양의 반파(positive half-wave)를 고려하자. 다이오드(3a, 3b, 3c 및 3d)는 모두 순방향 바이어스되기 때문에, 순간 전류 iSFCL(t)가 상기 전류 I0가 흐를 때 통과하는 중앙 브랜치를 우회한다.
한류기(1)의 총 전압은, 다이오드(3a 및 3d)의 결합점에서의 전체 전압 강하치로 정의되는데, 이는 보호 대상 회로의 전압에 비할 때 무시할만한 수준이며, 따라서, 실질적으로 한류기(1)는 0 임피던스(zero impedance)를 제공한다.
따라서 앞서 언급된 바에 따라, 전류 i3a -3b=I0/2+iSFCL/2가 다이오드(3a 및 3b)를 통해 흐르며, 반면에, 전류 i3c -3d=I0/2-iSFCL/2는 다이오드(3c 및 3d)를 통해 흐른다.
전류가 지정된 임계값을 초과하여, 저항(R)의 저항 거동(resistive behavior)이 얻어질 때, 비선형 초전도성 저항기(10)는 정상 상태(normal state)에서 활성 상태(active state)로의 전환을 겪을 수 있다.
따라서 장애 상태 동안, 비선형 초전도성 저항기(10)의 전환(transition)으로 인해, 그리고 이에 따른 (인덕턴스에 추가로) 저항(resistance)이 회로에 직렬로 도입됨으로써, 한류기(10)에 적합한 한류 기능이 제공되며, 이러한 저항은 관련 비선형 저항기(10)의 물질이 초전도 상태에서 상전도 상태로 전환함으로써 발생되며, 이러한 전환은, 지정된 특정 전류보다 높은 전류가 상기 물질을 통과해 흐를 때 발생한다.
일반적으로 단락 동안 전력 시스템의 등가 임피던스는 우세한 유도성 성분(inductive component)을 가지기 때문에, 본 발명에 따르는 한류기(1)는 시스템의 동적 안정도를 열화시키지 않으며, 덧붙여, 회로 차단기의 개방된 폴(pole)들 사이에서 발생하는 전기 아크의 소멸을 촉진시킨다.
따라서 알다시피, 단락 상태 동안, 본 발명에 따르는 한류기(1)는 시스템의 등가 임피던스(아니면, 우세한 유도 성분)에 저항성 성분을 추가하고, 시스템의 동적 안정도를 열화시키지 않고, 오히려 회로 차단기의 개방된 폴들 사이에서 발생하는 전기 아크의 소멸을 촉진시킨다.
전류 iSFCL(t)의 양의 반파(positive half wave)를 고려하자. 단락 전류를 초래하는 장애로 인해 전류가 DC 성분 I0의 값을 초과하는 경우, 전류 i3c -3d=I0/2-iSFCL/2가 자신의 부호를 변경할 것이고, 다이오드(3c 및 3d)가 역방향 바이어스되기 때문에 허용되지 않을 것이다. 따라서 전체 전류 I0/2+iSFCL/2=iSFCL/2+iSFCL/2=iSFCL이 인덕터(9)와 비선형 초전도성 저항기(10)를 통해 흐른다.
미리 설정된 이상 전류에서, 다음의 이벤트(a)~(g) 중 하나 이상 때문에, 비선형 초전도성 저항기(10)가 정상 동작 상태에서 활성 동작 상태로 전환된다:
(a) 보호 대상 회로의 전류가 특정 임계값을 초과한다.
(b) 인덕터(9)에 의해 생성된 자기장이 특정 임계값을 초과한다.
(c) 초전도 물질의 온도가 특정 임계값을 초과한다.
(d) 이벤트(a)와 (b)가 모두 발생한다.
(e) 이벤트(a)와 (c)가 모두 발생한다.
(f) 이벤트(b)와 (c)가 모두 발생한다.
(g) 이벤트(a), (b) 및 (c)가 모두 발생한다.
상기 비선형 초전도성 저항기(10)가 초전도가 아닌 상태로 전환될 때, 저항기로서 거동하며, 이로써, 이상 전류를 제한한다.
따라서 초전도성 물질이 에너지 손실을 감소하기 위해서만 사용되는 종래 기술과는 상이한 방식으로, 비선형 초전도성 저항기(10)의 초전도성 물질의 전환이 이용되어, 원하는 이상 전류 제한 효과를 발생시킬 수 있다.
덧붙여, 잘 알려져 있다시피, 초전도성 물질은 직류전류 상태에서 최적으로 동작하고, 인덕터(9)는, 능동 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)의 브리지 배열과 결합되어, 그 밖의 다른 임의의 능동 소자(가령, 외부 전류원 등)를 이용하지 않고, 실질적으로 직류전류 동작 상태를 보장한다.
사이리스터의 게이트를 제어하기 위한 적합한 수단이 제공되었다고 가정하면, 관련 한류기가 회로 차단기와 한류기 모두로서 동작할 수 있도록, 능동 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)가 사이리스터(thyristor)로서도 구현되는 것이 가능할 수 있다.
본 발명의 한류기(1)에 의해, 단상 전기 회로 또는 전력 시스템에서 이상 전류를 제한할 수 있다. 3상 전기 전류 한류 시스템에 있어서, 3개의 한류기(1)(하나의 상마다 하나씩의 한류기)가 필요하다.
이 실시예에 따르면, 상기 인덕터(9)는 초전도성 물질로 구성될 수 있으며, 임의의 전환을 겪지 않으며, 정상 동작 상태로 유지하도록 크기가 정해질 수 있어서, 장애가 발생해도, 초전도 상태로 유지될 수 있다. 이로 인해서, 관련 한류기(1)의 전체 손실이 감소될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따르는 초전도 한류기(1)의 또 다른 일실시예를 도시하며, 여기서, 중앙 브랜치(8)는, 비선형 초전도성 저항기(10)로 병렬 연결되어 있는 종래의 저항기(11)를 더 포함한다. 이러한 실시예는, 중앙 브랜치의 인덕턴스와 비선형 초전도성 저항이, 2개의 개별 권선(또는 장치)에 의해 형성되는 경우에만 적용될 수 있다. 상기 종래의 저항기(11)는, 장애 상태 동안 상기 비선형 초전도성 저항기(10)를 통해 흐르는 전류의 일부분을 흘려보내서(drain), 열적 부하 및 이에 따른 한류기(1)의 회복 시간이 감소될 수 있다.
즉, 상기 종래의 저항기(11)의 기술적 효과는, 상기 비선형 초전도성 저항기(10)의 초전도성 물질의 과열을 감소시킴으로써, 가능한 손상을 피하고, 활성 동작 상태에서 정상 동작 상태로 다시 전환할 때 필요한 시간을 감소시키는 것이다.
도 3a는 본 발명에 따르는 한류기(1)의 제 3 실시예를 도시하며, 종래의 저항기(11')가, 상기 정류기 브리지(2)의 불연속적(not-consecutive) 제 3 노드(6)와 제 4 노드(7)로 연결된다. 이 실시예는, 중앙 브랜치의 인덕턴스와 비선형 초전도성 저항이, 2개의 개별 권선(또는 장치)에 의해 형성되지 않는 경우에만 적용될 수 있다. 또한, 이 경우, 상기 종래의 저항기(11')는 장애 상태 동안 비선형 초전도성 저항기(10)를 통과하여 흐를 전류의 일부분을 흘려보내며(drain), 이로 인해서, 열적 부하 및 이에 따른 한류기(1)의 회복 시간이 감소될 수 있다.
도 3a의 실시예는 도 2에서 실시예에 대한 추가적인 이점을 가진다. 실제로, 인덕터(9)도 초전도성인 경우, 실온에서 동작하는 회로의 초전도성 부분을 회로의 다른 부분으로 연결하기 위해, 3개의 전선을 대신하여 단 2개의 전선만 사용하는 것이 가능하며, 따라서, 냉각 시스템의 열적 부하가 감소될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따르는 한류기(1)의 또 다른 일실시예를 도시하며, 여기서 종래의 저항기(11")가 상기 정류기 브리지(2)의 상기 불연속적 제 1 노드(4)와 제 2 노드(5)로, 즉 전체 한류기(1)에 병렬로, 연결된다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 일실시예에서, 인덕터(9)의 유도성 효과(inductive effect)와 저항기(10)의 비선형 초전도성 저항 효과(nonlinear superconducting resistive effect)가 초전도성 물질로 구성된 단일 인덕터(권선, 코일)로 조합되는데, 상기 초전도성 물질은
- 상기 한류기(1)를 통과하는 전류가 고정 임계 값 이하이며, 따라서 상기 인덕터(9)가 초전도 상태인 제 1 동작 상태,
- 상기 한류기(1)를 통과하는 전류가 상기 고정 임계 값 이상이어서, 상기 인덕터(9)의 초전도성 물질이 초전도 상태에서 초전도가 아닌 상태로 전환되어, 저항성 효과를 발생하는 제 2 동작 상태
를 포함한다.
이러한 방식으로, 인덕터(9)와 비선형 초전도성 저항기(10)가 하나의 단일 구성요소로 일체 구성된다.
상기 비선형 초전도성 저항기(10)와 상기 인덕터(9)가 초전도성 물질로 구성되는 경우, 동작에 대해 요구되는 임계 온도(critic temperature) 및 압력 조건에 관계없이, 이용 가능한 어떠한 초전도성 물질로도 구성될 수 있다.
덧붙이자면, 본 발명에 따르면, 인덕터(9)가 초전도성 물질로 구성되고, 상기 비선형 초전도성 저항기(10)와 일체 구성되는 경우, 상기 비선형 초전도성 저항기(10)와 상기 인덕터(9)의 제조 과정은, 임의의 설정, 생산 프로세스 또는 기술을 포함할 수 있으며, 가령, 테이프, 필라멘트 또는 층, 바이필라 권선(bifilar winding), 교대하는 팬케익 권선(pancake winding), 켄치(quench)가 자기장에 의해 보조되는 권선, 초전도성 미앤더(meander), 초전도성 박막, 벌크 등에 의해 만들어진 임의의 레이아웃을 갖는 권선이 있다.
덧붙여, 초전도체의 부분 전환을 피하기 위해, (“핫 스팟(hot spot)”이라고 명명되는 손상 프로세스를 피하기 위해) 초전도체에 자기장이 인가될 수 있다. 따라서 바람직한 실시예에서, 인덕터(9)가 상기 비선형 초전도성 저항기(10)에 가까운 적합한 위치에 놓임으로써, 생성된 자기장을 이용하여, 초전도 상태서 초전도가 아닌 상태로의 최적의 전환을 보조할 수 있다.
도 4는 전기 부하(13)로 급전하는 3상 중간 전압 배전 시스템(12)으로 연결된 한류기(1)의 가능한 적용예를 도시한다. 물론, 시스템의 각각의 상에, 한류기(1)가 하나씩 연결되어야 할 것이다.
도 4에서, 배전 시스템(12)의 주요 특징과 매개변수가 도시된다.
나타나다시피, 전기 배전 시스템(12)이, 변압기(15)에 의해, 132kVolt 송전 시스템(14)으로 연결되어 있으며, 상기 변압기(15)는 132kVolt에서 20kVolt로의 축소 배율(scaling factor)을 가진다.
변압기(15), 회로 차단기(16), 본 발명의 초전도성 한류기(1) 및 부하(13)가 모두, 8㎞의 길이를 갖는 전기 급전선(17)에 의해, 직렬로 연결되어 있다.
다음 도면은 도 1의 실시예에 따르는 초전도 한류기(1)와 도 4에 따르는 연결의 동작 특징을 도시한다.
도 5에서, 보통의 부하 삽입(가령, 대형 생산 공장의 삽입)으로 인한 부하의 80% 증가에 의해 도출되는 전압 과도 상태가 다양한 인덕턴스 값의 함수로서 도시된다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 인덕터(9)의 인덕턴스가 5mH보다 낮을 때, 전압 새그(voltage sag)가, EN 50160 표준에 의해 요구되는 4%보다 낮다. 인덕터(9)에 대한 인덕턴스 값 L = 5mH이, 초전도성 권선의 설계 인덕턴스 값으로서 선택된다.
도 6에서, 인덕터(9)의 인덕턴스(L)의 여러 다른 값에 대해 초전도체의 전류의 그래프가 도시된다. 인덕턴스가 증가함에 따라 리플(ripple)의 진폭이 감소된다. L = 5mH에서, 초전도체 내 전류가 459.5±1.4A이다.
도 7에서 전환이 끝난 후 도달될, L = 5mH 및 여러 다른 저항 값에 대한 3상 장애로 인한 단락 전류 파형의 그래프가 도시된다. 저항 값 R = 4 Ohm의 초전도성 물질의 저항 거동을 가정하면, 단락 전류는, 한류기(1)가 없을 경우 도달했을 값의 약 25%임을 관찰할 수 있다. 그렇다면, 값 R = 4 Ohm이 초전도성 코일에 대한 설계 값으로서 선택된다.
마지막으로, 도 8은 다음과 같이 나열된, 한류기(1)가 연결될 수 있는 것을 도시한다:
(a) 발전기(18)로부터의 급전선;
(b) 보조 설비용 전력 공급 장치;
(c) 배전 회로망의 결합 수단(19)
(d) 버스바 결합 수단(busbar coupling)(20)
(e) 이상 전류의 제한을 위한 분로 리액터
(f) 변압기(15)로부터의 급전선
(g) 버스바 연결/급전장치(20)
(h) 또 다른 초전도성 장치(가령, 초전도성 케이블(21))와의 조합
(i) 지역 발전 유닛(local generating unit, 22)과의 결합
(l) 고리형 회로망(ring network)의 폐쇄 수단
본 발명의 이점은, 보통의 동작 상태 동안, 전기 전력 시스템에 영향을 주지 않으면서 만족스러운 한류 기능을 얻을 수 있다는 것이다. 종래의 정류기 브리지 타입 한류기에서, 이러한 2가지 특징은 동시에 얻어질 수 없다. 덧붙여, 본 발명에 따르는 한류기가 회로망의 단락 임피던스에 저항을 추가함으로써, 전기 아크의 소멸을 더 쉽게 만들고, 장애 상태 동안 회로망의 동적 안정도가 나빠지는 것을 피한다.
본 발명의 이점은, 비선형 초전도성 저항기가 직류전류 정상 상태(direct current steady state)에서, 외부 소스 장치 없이, 동작한다는 것이다.
추가적인 이점은, 본 발명의 초전도 한류기가 전력 시스템뿐 아니라, 해양/육지/우주공간 탈 것(vehicle), 전기 철도 및 교통 시스템용 내장형 전기 시스템(electrical on-board system)으로도 적용 가능하다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 기재는 예시와 설명을 위해 제공되었고, 본 발명을 기재된 구체적인 형태로 한정시키기 위한 것이 아니다. 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 발명의 보호 범위 내에서, 많은 수정예와 변형예가 가능함이 명백하다.

Claims (17)

  1. 보호 대상 회로(protected circuit, 12, 13)로 연결되어 있는 능동 소자(3a, 3b, 3c, 3d)로 구성된 정류기 브리지(rectifier bridge, 2)를 포함하는 한류기(fault current limiter, 1)에 있어서, 제 1 노드(4)와, 상기 제 1 노드(4)와 이웃하지 않는 제 2 노드(5)는 보호 대상 회로(12, 13)로 연결되어 있으며, 상기 한류기(1)는
    상기 정류기 브리지(2)의 제 3 노드(6)와 제 4 노드(7) 사이에 연결되어 있는 중앙 브랜치(8)
    를 포함하며, 상기 정류기 브리지(2)는, 상기 중앙 브랜치(8)를 통해 흐르는 전류의 리플(ripple)의 진폭을 감소시키는 유도 구성요소(inductive component)와 비선형 초전도성 저항 구성요소(nonlinear superconducting resistive component)를 포함하는 하나 이상의 회로 요소로 구성되고, 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소는,
    상기 중앙 브랜치(8)를 흐르는 전류가 지정 임계값보다 낮아서, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하여 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 되는 제 1 동작 상태와,
    상기 중앙 브랜치(8)를 흐르는 전류가 상기 지정 임계값을 초과하여, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함해 상기 하나 이상의 회로 요소가 초전도 상태가 아니게 되어서 저항 거동(resistive behavior)을 제공하는 제 2 동작 상태
    를 갖는 것을 특징으로 하는 한류기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 회로 요소는 인덕터(9)와 비선형 초전도성 저항기(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 인덕터(9)는 초전도성 물질로 구성되고, 상기 제 2 동작 상태로의 전환(transition)을 겪지 않도록 설계되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 인덕터(9)와 상기 비선형 초전도성 저항기(10)는 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕터(9)는 상기 비선형 초전도성 저항기(10)에 가까이 놓여서, 생성되는 자기장이, 제 1 동작 상태에서 제 2 동작 상태로의 전환을 보조하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  6. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 회로 요소는, 유도 구성요소와 비선형 초전도성 저항 요소를 모두 가지며 초전도성 물질로 구성된 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한류기는,
    상기 제 2 동작 상태에서 상기 하나 이상의 회로 요소를 통해 흐르는 전류의 일부분을 흘려보내기(drain) 위해, 상기 비선형 초전도성 저항 요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소에 병렬로 연결되는 하나 이상의 종래 저항기(11, 11', 11")
    를 포함하며, 이로써, 열적 부하와 한류기(1)의 회복 시간이 감소되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 종래 저항기(11")가 상기 정류기 브리지(2)의 제 1 노드(4)와 제 2 노드(5)로 연결되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 종래 저항기(11')는 상기 정류기 브리지(2)의 상기 제 3 노드(6)와 제 4 노드(7)로 연결되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서, 종래 저항기(11)는 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 회로 요소로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소의 초전도성 물질은, 마그네슘 디보라이드(MgB2), BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) 및 YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide) 중에서 선택되는 것을 특징으로 한류기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한류기는
    비선형 초전도성 저항 구성요소를 포함하는 하나 이상의 회로 요소를 냉각시키기 위한 냉각 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 소자는 사이리스터와 상기 사이리스터를 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기 브리지(2)는 애노드와 캐소드가 구비된 능동 소자들을 포함하며,
    제 1 능동 소자(3a)의 애노드는 제 1 노드(4)로 연결되고, 상기 제 1 능동 소자(3a)의 캐소드는 제 3 노드(6)로 연결되며,
    제 2 능동 소자(3b)의 애노드는 제 4 노드(7)로 연결되고, 상기 제 2 능동 소자(3b)의 캐소드는 제 2 노드(5)로 연결되고,
    제 3 능동 소자(3c)의 애노드는 제 4 노드(7)로 연결되고, 상기 제 3 능동 소자(3c)의 캐소드는 제 1 노드(4)로 연결되며,
    제 4 능동 소자(3d)의 애노드는 제 2 노드(5)로 연결되고, 상기 제 4 능동 소자(3d)의 캐소드는 상기 제 3 노드(6)로 연결되는 것을 특징으로 하는 한류기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한류기는 상기 비선형 초전도성 저항 구성요소를 냉각시키기 위한 냉동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 대상 회로는, 제 1 노드(4)로 연결되어 있는 전기 급전선(12), 제 2 노드(5)로 연결되어 있는 전기 부하(13), 발전기로부터의 급전선(8), 전력 보조 설비용 급전선, 회로망 결합 수단(19), 버스바 결합 수단(busbar coupling, 20), 전류 제한 리액터의 분로, 변압기로부터의 급전선(15) 및 다른 초전도성 장치를 포함하는 시스템 중에서 선택되며, 상기 다른 초전도성 장치는 초전도성 케이블(21), 또는 분산 발전 유닛(22), 또는 고리형 회로망(ring network)의 폐쇄 수단인 것을 특징으로 하는 한류기.
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