KR20120095281A - 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법 - Google Patents

초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블의 각 구간별 온도 편차에 따라 적절한 선재수를 결정하여 배치할 수 있도록 한 초전도 케이블의 초전도 선재수 배치방법이 개시된다.
본 발명은 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체중 어느 한쪽에 냉동기가 설치되고, 펌프에 의해 냉각유체가 초전도 케이블 내부를 통과하여 냉각되도록 하는 경우에, 양측의 단말 구조체 사이에 설치되는 초전도 케이블의 각 구간별 온도에 따라 초전도 케이블의 초전도 선재수를 달리하는데, 초전도 케이블의 온도가 가장 높은 구간으로부터 온도가 가장 낮은 구간으로 갈 수록 통전능력은 동일하게 하면서 초전도 선재수를 적게 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법이다.

Description

초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법{Arrangement Method of Super Conduct Wire of Super Conduct Cable}
본 발명은 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블의 각 구간별 온도 편차에 따라 통전능력은 그대로 유지하면서 적절한 선재수를 결정하여 배치할 수 있도록 한 것이다.
초전도 케이블은 저온(고온 초전도(HTS)는 대략 100K 이하, 저온 초전도는 대략 20K 이하)에서 저항이 급격히 감소하며, 저항이 0에 근접해지는 초전도 선재의 성질을 이용한 고밀도 전류 송전 케이블로서, 근래에 주목받고 있는 실정이다.
이러한 초전도 케이블중에서 고온 초전도 케이블은 구하기 쉽고, 냉각유체로서 저렴한 액체질소를 사용하여 초전도 성질을 유지할 수 있기때문에, 상당한 수준으로 개발되어 왔으며, 본 발명에서는 이러한 고온 초전도 케이블에 대하여 적용하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블 시스템은 초전도 케이블(10)(도 1에서 음영부분이 표현된 라인)이 연결되는 2개의 단말 구조체(20)(30)와, 한쪽 단말 구조체(20)의 전방에 구비되는 냉동기(40)로 구성된다.
종래의 초전도 케이블(10)은 그 길이가 통상적으로 600m로 제조하여 사용되었는데, 필요에 따라 길이를 연장하기 위해서 복수의 중간 접속함(11)(12)(13)을 연결한다.
더욱이, 종래의 초전도 케이블 시스템은 초전도 케이블(10)의 내부에 냉각유체(예컨대, 액체질소)가 흐르는 냉각유로(진공층의 안쪽 캔과 바깥쪽 캔 사이에 형성된 유로 등)가 형성되어 있는데, 한쪽 단말 구조체(20)를 통해 냉각유체가 공급되고, 다른쪽 단말 구조체(30)를 통해 냉각유체가 배출되어 회수 파이프(50)로 회수되어 다시 냉동기(40)로 공급되도록 구성되어 있다.
더욱이, 상기 냉동기(40)와 단말 구조체(20)의 사이에는 펌프(42)가 설치되어 냉각유체를 초전도 케이블(10) 및 회수 파이프(50)로 순환시키도록 한다.
초전도 케이블(10)은 도체로서 코어를 형성하는 초전도 선재로 구성되는데, 초전도 케이블(10)의 길이가 600m의 짧은 길이인 경우에는 초전도 케이블(10)의 구간별 온도편차가 거의 발생하지 않기때문에, 구간별로 동일한 수의 초전도 선재수를 사용한다.
초전도 선재는 온도가 감소하면 통전 능력이 높아지고, 온도가 상승하면, 통전능력이 감소하는 성질을 가진다. 통상적으로 온도 1도씩 감소하면 통전 능력은 8% 상승하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 장거리용으로서, 초전도케이블(10)의 길이가 긴 경우(예를들어 3,200m), 냉동기(40)가 구비된 쪽의 단말 구조체(20)에 접속되는 초전도 케이블(10)의 입구부(10a)는 온도가 낮고, 반대편에 있는 단말 구조체(30)쪽에 접속되는 초전도 케이블(10)의 출구부(10b)는 냉각유체가 초전도 케이블(10)을 지나면서 열침입 및 도체 발열에 의해 온도가 높아져서 구간별로 온도편차가 발생한다.
종래의 초전도 케이블(10)은 초전도 선재와 온도간의 상관 관계에 따라 통전 능력이 가장 낮은 구간(온도가 가장 높은 구간)의 케이블 측의 온도를 기준으로 초전도 선재가 통전할 수 있는 전류를 산출하여 전체 초전도 선재수를 결정하는데, 장거리용 초전도 케이블 전체 구간에 대하여도 단거리용과 마찬가지로 동일한 초전도 선재수를 사용하였다.
다시 말해서, 온도가 가장 높은 구간인 단말 구조체(30)쪽의 케이블 측 온도에 의거 결정된 초전도 선재수를 모든 구간(L1)(L2)(L3)(L4)에 대해 동일하게 적용하였다.
보다 구체적으로 설명하기 위해서, 하기 표 1에 의거 구체적으로 초전도 선재수를 결정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
온도(K) IC 전류값(A)
77 90
76 97.2
75 104.976
74 113.3741
73 122.444
72 132.2395
71 142.8187
70 154.2442
68 166.5837
67 179.9104
66 194.3032
65 209.8475
상기 표 1은 대기중일때의 냉각유체인 액체질소의 온도가 77K이고, 이때의 IC전류값이 90A인 초전도 선재의 경우를 기준으로 각 온도대별로 시뮬레이션을 통해 산출한 값이다.
더욱이, 도 1에 의거 설명하는 초전도 케이블 시스템의 사양은 초전도 케이블(10)의 길이는 3,200m, 통전전류는 14,000A, 입구부(10a)의 온도는 65K, 출구부(10b)의 온도는 72K이다.
또한, 초전도 케이블(10)의 각 구간별 온도를 보면, 구간(L1)(입구부(10a)부터 중간 접속함(11)까지의 간격으로서 800m 지점임)은 66.5K, 구간(L2)(입구부(10a)로부터 1,600m 지점임)는 68.5K, 구간(L3)(입구부(10a)로부터 2,400m 지점임)는 70.2K, 구간(L4)(입구부(10a)로부터 3,200m 지점임)는 72K이다.
따라서, 종래의 초전도 케이블 시스템에서 필요한 선재수는 다음과 같다.
선재수 = 14,000/132.2395(72K에서 선재 한가닥의 통전량) = 105.87로서, 약 106가닥이 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 온도가 가장 높은 구간(L4)의 초전도 선재수를 106가닥으로 결정한 경우, 나머지 구간(L1)(L2)(L3)의 초전도 선재수도 동일하게 106가닥으로 결정하여 배치한다.
결국, 온도가 가장 높은 구간을 기준으로 초전도 선재수를 결정하기 때문에, 온도가 가장 낮은 초전도 케이블(10)의 입구부(10a)에 가까울 수록 온도가 낮아짐에도 불구하고, 필요 이상의 가닥수를 가지는 초전도 선재가 사용되는 결과를 초래한다. 초전도 케이블(10)의 제작비용에서 초전도 선재가 차지하는 비중이 크기 때문에, 그 만큼 초전도 케이블(10)의 전체 가격이 상승하는 원인이 되었고, 더욱이, 필요 이상의 초전도 선재수에 의해 불필요한 도체 접속시간이 증가되어 작업성이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하려는 과제는 초전도 케이블의 통전능력을 감소시키지 않고 초전도 케이블의 선재수를 최소화 할 수 있도록 함으로써, 초전도 케이블의 제작비용을 감소시키고, 작업 시간도 단축하여 작업 능률을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단은, 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체중 어느 한쪽에 냉동기가 설치되고, 펌프에 의해 냉각유체가 초전도 케이블 내부를 통과하여 냉각되도록 하는 경우에, 양측의 단말 구조체 사이에 설치되는 초전도 케이블의 각 구간별 온도에 따라 초전도 케이블의 초전도 선재수를 달리하는데, 초전도 케이블의 온도가 가장 낮은 구간으로부터 온도가 가장 높은 구간으로 갈 수록 통전능력은 그대로 유지하면서 초전도 선재수를 많게 형성하는 것이다.
또한, 본 발명은 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체에 각각 냉동기가 설치되고, 펌프에 의해 냉각유체가 초전도 케이블 내부를 통과하여 냉각되도록 하는 경우에, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수는 동일하게 하고, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간에는 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수보다 적게 하는 방법이다.
또한, 상기 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간에 배치되는 초전도 선재수는, 구간별로 서로 동일한 갯수로 배치한다.
또한, 본 발명은 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체의 사이에 하나의 냉동기를 설치하여 2개의 회수 파이프를 연결하여 냉각유체가 각각의 펌프에 의해 스톱조인트를 통해 별개로 순환되도록 순환라인을 구성하는 경우에, 각각의 순환라인에 해당하는 초전도 케이블의 각 구간별 초전도 선재수를 달리하는데, 단말 구조체로부터 냉동기쪽으로 가까운 구간일 수록 초전도 선재수를 적게 배치하는 것이다.
또한, 본 발명은 2개의 냉각유로가 형성되는 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체에 각각 냉동기가 설치되는 경우에, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수는 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간의 초전도 선재수보다 적게 배치 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 초전도 케이블의 구간 온도에 따라 적절하게 초전도 선재수를 결정하여 형성하도록 함으로써, 초전도 케이블의 통전능력을 감소시키지 않으면서 초전도 케이블의 초전도 선재수를 최소화하여 초전도 케이블의 시공시 제작비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
더욱이, 불필요한 초전도 선재수를 줄일 수 있으므로, 종래와 같이 불필요한 선재수를 설정함에 따라 도체 접속 작업시간이 길어지는 단점을 해소할 수 있는 것이다.
도 1은 종래의 초전도 케이블의 접속관계를 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 케이블 시스템의 접속관계를 도시한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 케이블 시스템의 접속관계를 도시한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예 따른 초전도 케이블 시스템의 접속관계를 도시한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예 따른 초전도 케이블 시스템의 접속관계를 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.
종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명하지만, 유사한 구성요소에 대해서도 설명의 편의상 동일 부호를 부여하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 케이블의 접속관계를 도시한 설명도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블(10)은 간격을 두고 양쪽에 구비되는 단말 구조체(20)(30)의 사이에 접속되는데, 초전도 케이블(10)의 각 구간(L1 ~ L4)에 걸쳐서 초전도 선재수는 온도가 가장 높은 구간으로부터 온도가 가장 낮은 구간으로 갈 수록 적게 형성한다.
예를 들어, 온도가 가장 높은 초전도 케이블(10)의 출구부(10b)쪽 구간(L4)의 초전도 선재수는 106가닥으로 한 경우, 구간(L3)는 92가닥, 구간(L2)는 82가닥, 구간(L1)은 74가닥으로 할 수 있다.
도 2는 냉동기(40)가 한쪽 단말 구조체(20)에 구비된 경우에 대하여 설명한 것이지만, 다른 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 2대의 냉동기(40)(41)가 설치된 경우, 한쪽 냉동기(40)의 가동시에는 정상상태로서, 도 2에서 설명한 바와 같이 초전도 선재수를 결정하면 되고, 그에따라 한쪽 냉동기(40)의 가동으로 실선 화살표 방향으로 냉각유체가 흐르게 된다.
만일 한쪽 냉동기(40)가 고장인 경우에는, 다른 쪽 냉동기(41)를 가동하는데, 이때에는 냉각유체의 흐름이 반대방향(점선 화살표 방향)으로 된다.
다시 말해서, 냉동기(40)(41)의 가동상태를 고려하여 냉동기(41)(41)에 가까운 구간의 초전도 선재수는 양측의 냉동기(40)(41)중 어느 하나가 고장으로 냉각온도가 가장 높게 설정될 수 있으므로, 초전도 선재수를 가장 많이 설정하고, 그 사이에 있는 구간에서는 상대적으로 적은 초전도 선재수를 설정하여 배치한다.
이런 조건일 경우에는 초전도 케이블(10)의 구간별 초전도 선재수는 예를 들어, 구간(L1)(L4)는 106 가닥으로 하고, 구간(L2)(L3)는 각각 92가닥으로 설정한다.
초전도 케이블(10)은 시공시 그 길이를 상당히 길게하여 시공하는 경우가 많기 때문에, 제작 및 운반의 용이성을 고려하여 구간별로 분리하여 제작하고, 중간 접속함(11)(12)(13)을 통해 접속하여 길이를 연장하도록 한다.
따라서, 온도 양상에 따라 각 구간별로 필요한 선재수를 설정하여 초전도 케이블을 제작할 수 있어, 통전량은 유지하면서도 전체적인 초전도 선재수를 감소시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 냉각 순환라인을 형성하기 위하여 1대의 냉동기(40)를 중앙에 위치시키고, 이 냉동기(40)에 서로 독립된 순환라인이 형성되도록 2개의 회수 파이프(50)(52)가 연결되며, 초전도 케이블(10)상에는 중간 접속함(11)(12)외에 냉동기(40)로부터 나온 냉매유체가 각각 분리되어 흐르도록 스톱조인트(60)를 구비한 구조이다.
이때, 상기 냉동기(40)와 스톱조인트(60)의 사이에 형성된 파이프에 각각 펌프(70)(72)를 구비한다.
상기 스톱조인트(60)는 2개의 파이프로 냉동기(40)와 연결되는데, 이 파이프를 통해 스톱조인트(60)안으로 유입되는 냉각유체가 각각 독립되게 분리되어 순환,이동가능하도록 스톱조인트(60)의 내부 중앙에 격벽을 설치한 구조를 가진다.
다시 말해서, 냉각유체가 이동할 수 있는 2개의 독립된 순환라인이 형성된 구조이다.
따라서, 회수 파이프(50)쪽의 냉매유체는 시계방향으로 순환하고, 회수 파이프(52)쪽의 냉매유체는 반시계 방향으로 순환한다.
또한, 도 4에 있어서 좌측 및 우측 순환라인에서의 초전도 케이블(10)의 구간(L1)(L2)(L3)(L4)별로 초전도 선재수를 달리하는데, 냉동기(40)를 거쳐서 냉각된 냉매유체가 스톱조인트(60)를 거쳐서 초전도 케이블(10)로 이동할 때, 구간(L1)(L3)이 구간(L2)(L4)보다 온도가 낮은 상태이므로, 구간(L1)(L3)에서의 초전도 선재수도 구간(L2)(L4)보다 작게하면 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블(10)의 구조가 다른 경우, 다시 말해서, 상기 설명한 초전도 케이블(10)을 통과하는 냉각유체의 냉각 유로외에 포머의 내부가 중공형으로 형성되어 2개의 냉각 유로를 가지는 초전도 케이블(10)인 경우에도 적용가능하다.
도 5에 도시된 2중 유로의 초전도 케이블(10)은 전압 레벨이 높은 경우에 유용하다. 다시 말해서 전압레벨이 높을 수록 초전도 케이블(10)내의 절연층이 두꺼워져야 하기 때문에, 이런 구조의 초전도 케이블(10)인 경우, 2개의 냉동기(40)(41)를 통해 냉각유체를 냉각시킨다. 이때의 냉동기(40)(41)는 모두 가동되는 상태이고, 이때 각 냉동기(40)(41)에 펌프(42)(44)가 설치되어 2개의 냉각유로별로 각각 냉각유체가 순환되도록 한다.
따라서, 실선 화살표 방향으로는 초전도 케이블(10)의 포머층 내부의 중공유로를 냉각유체가 통과하도록 하고, 실선 화살표 방향과 반대방향으로 표시된 점선의 화살표 방향으로는 상기 도 2,3에서 설명한 바와 동일하게 초전도 케이블(10)의 유로(진공층의 안쪽 캔과 바깥쪽 캔 사이에 형성된 유로 등)를 통과하도록 한다.
냉각유체가 초전도 케이블(10)의 내부를 서로 반대방향으로 흐르는 2개의 유로를 통해 통과하여 전압레벨이 높은 초전도 케이블(10)인 경우에, 초전도 케이블(10)의 온도를 충분히 낮출 수 있다.
이때에도 각 구간(L1)(L2)(L3)(L4)별로 초전도 선재수를 달리하여 구성할 수 있는데, 냉동기(40)(41)쪽에 가까운 구간(L1)(L4)이 그 사이의 구간(L2)(L3)보다 초전도 선재수를 작게 배치한다. 그러나, 상기 구간(L1)(L4)의 초전도 선재수는 동일하지 않다.
본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능하고, 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 청구범위내에 포함됨은 자명한 사실이다.
L1,L2,L3,L4 : 구간
10 : 초전도 케이블
10a : 입구부
10b : 출구부
11,12,13 : 중간 접속함
20,30 : 단말 구조체
40 : 냉동기
41 : 냉동기
42,44 : 펌프
50 : 회수 파이프
60 : 스톱조인트
70,72 : 펌프

Claims (5)

  1. 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체중 어느 한쪽에 냉동기가 설치되고, 펌프에 의해 냉각유체가 초전도 케이블 내부를 통과하여 냉각되도록 하는 경우에, 양측의 단말 구조체 사이에 설치되는 초전도 케이블의 각 구간별 온도에 따라 초전도 케이블의 초전도 선재수를 달리하는데, 초전도 케이블의 온도가 가장 낮은 구간으로부터 온도가 가장 높은 구간으로 갈 수록 통전능력은 그대로 유지하면서 초전도 선재수를 많게 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법.
  2. 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체에 각각 냉동기가 설치되고, 펌프에 의해 냉각유체가 초전도 케이블 내부를 통과하여 냉각되도록 하는 경우에, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수는 동일하게 하고, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간에는 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수보다 적게 하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간에 배치되는 초전도 선재수는, 구간별로 서로 동일한 갯수로 배치하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법.
  4. 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체의 사이에 하나의 냉동기를 설치하여 2개의 회수 파이프를 연결하여 냉각유체가 각각의 펌프에 의해 스톱조인트를 통해 별개로 순환되도록 순환라인을 구성하는 경우에, 각각의 순환라인에 해당하는 초전도 케이블의 각 구간별 초전도 선재수를 달리하는데, 단말 구조체로부터 냉동기쪽으로 가까운 구간일 수록 초전도 선재수를 적게 배치하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법.
  5. 2개의 냉각유로가 형성되는 초전도 케이블의 양측에 구비되는 단말 구조체에 각각 냉동기가 설치되는 경우에, 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간의 초전도 선재수는 양측 단말 구조체 측의 초전도 케이블 구간을 제외한 나머지 구간의 초전도 선재수보다 적게 하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 초전도 선재 배치방법.
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