KR20120140650A - 가변 임피던스 션트코일을 가지는 초전도 한류기 - Google Patents

가변 임피던스 션트코일을 가지는 초전도 한류기 Download PDF

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KR20120140650A
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후안 카를로스 아체. 얌베스
쉬밍 숑
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수퍼파워, 인크., 어 후루카와 컴패니
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Abstract

고장전류를 저항방식 또는 유도방식으로 제한하도록 구성되는 초전도 소자 및, 초전도 소자와 전기적으로 병렬접속되는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 포함하는 초전도 한류기가 제공된다. 가변-임피던스 션트는, 초전도 소자의 초전도 상태 시에는 제1 임피던스를 나타내고 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이 시에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성된다. 초전도 소자는 고장전류에 대응하여 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이하고, 그에 대응하여 가변-임피던스 션트는 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이한다. 가변-임피던스 션트의 제2 임피던스는 제1 임피던스 보다 낮으며, 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로의 가변-임피던스의 천이는, 초전소 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이하는 동안 전류가 가변-임피던스 션트를 통하여 흐르는 것을 용이하게 하며, 그에 의하여 부하상태의 초전도 소자의 회복을 용이하게 한다.

Description

가변션트 임피던스를 가지는 초전도 한류기 {SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT-LIMITER WITH VARIABLE SHUNT IMPEDANCE}
본 출원은 가변션트 임피던스를 가지는 초전도 한류기라는 발명의 명칭으로 2010년 1월 21일자로 출원된 미국특허출원 12/691,325 호의 이익을 향수하는 것으로서, 그의 전체 내용은 본 명세서에 결합되어 있다.
본 발명은, 부분적으로, 미국 에너지성에 의하여 지급판정을 받은 계약번호 DE-F36-03G013033 호의 정부보조금으로 만들어진 것이다. 따라서, 미합중국 정부는 본 발명에 관하여 어느 정도의 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 일반적으로 한류기(current-limiter)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 부하상태에 있는 초전도 소자의 회복을 용이하게 하기 위하여 초전도 소자와 병렬로 접속되는 가변션트 임피던스(variable shunt impedance)를 가지는 초전도 한류기에 관한 것이다.
한류장치들은 전력전송 및 배전 시스템에 있어서 매우 중요하다. 낙뢰 등과 같은 다양한 이유에서, 단락회로 조건이 전력망(power grid)의 한 구역에서 발생할 수 있으며, 이는 전류에 있어서의 급격한 써어지(surge)를 야기한다. 만약, 종종 고장전류(fautl current)로서 언급되는, 이러한 전류의 써어지가 전력망 시스템 전체에 배치된 스위치기어(switchgear) 장치의 보호능력을 초과하게 되면, 전력망 장비와 그 시스템에 연결된 고객의 부하장비에 파국적인 손해를 줄 수 있다.
초전도체, 특히 고온 초전도(high-temperature superconducting:HTS)물질들은, 특정한 작동조건하에서 "가변-임피던스"의 효과를 달성하도록 조작될 수 있는 그들의 내재적인 특성 때문에, 한류장치에서 사용되기에 매우 적절한 것이다. 초전도체는, 특정한 온도 및 외부 자계 범위(즉, "임계온도"(TC) 및 "임계 자계"(HC)범위)내에서 운용될 때, 그를 통하여 흐르는 전류가 특정한 문턱치(즉, "임계전류 수준")(IC))인 경우에는 어떠한 전기적 저항도 나타내지 않으며, 따라서 "초전도 상태"에 있다고 한다. 그러나, 만약 전류가 이 임계전류 수준을 초과하게 되면, 초전도체는 그의 초전도 상태로부터 "정상저항 상태"로의 천이를 겪게 된다. 초전도 상태로부터 정상저항 상태로의 이러한 천이를 "초전도 해제(Quenching)"라 한다. 초전도 해제는, 3개의 인자, 즉 운용온도, 외부자계 또는 전류 레벨중의 어느 하나 또는 조합이 해당 임계 수준을 초과하게 될 때 발생할 수 있다. 초전도체가 해제되도록 유도 및/또는 힘을 가하는 이들 3개의 인자 중의 하나 또는 조합을 사용하는 메커니즘을 통상 트리거 메커니즘이라 한다.
초전도체는, 일단 해제되면, 초전도체의 해제시에 어떠한 열적인 또는 구조적인 손상이 일어나지 않았다는 전제 하에, 운용환경을 그의 임계전류, 임계온도 및 임계자계 범위의 영역내로 가져옴으로써 그의 초전도 상태로 복귀될 수 있다. HTS 물질은 액체헬륨 온도 (4°K) 근처에서 작동하는 저온 초전도(low-temperature superconducting: LTS)물질과 비교하여 액체질소 온도(77°K) 근방에서 운용될 수 있다. 따라서 HTS 물질의 조작특성은, 그의 더 높고 더 넓은 작동온도 범위 때문에 훨씬 용이하다.
벌크 BSCCO, YBCO 및 MgB2와 같은 어떤 HTS 물질에 있어서는, 초전도체의 체적내에 제조공정에서 야기되는 불균일 영역이 존재하는 경우가 있다. 그러한 불균일 영역은, 초전도체의 임계전류 수준을 초과하는 전류의 써어지 시에 소위 "국소 가열점(Hot-spots)"으로 진행될 수 있다. 기본적으로, 전류에 의한 해제의 초기 단계에서, 초전도체 체적의 어떤 영역은 불균일성 때문에 다른 곳보다 먼저 저항성을 가지게 된다. 저항영역은 그와 관련된 i2r 손실로부터 이들 불균일 영역에서 열을 발생한다. 만약 발생된 열이 그의 주변영역 및 환경으로 충분히 신속하게 전파되지 못하면, 그 국소화된 가열은 초전도체에 손상을 주고 전체 초전도체 소자의 고장(열파괴)에 이르게 될 수 있다.
"매트릭스형 초전도 한류기"인 명칭으로 2003년 12월 16일에 발행되고 본 발명의 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서내에 그의 전체 내용이 참조적으로 포함된 미국 특허 6,664,875 호는, 초전도체의 모든 3개의 해제인자, 즉, 전류, 전계 및 온도를 결합한 메커니즘을 사용하여 한류시에 초전도체의 보다 균일한 해제를 달성하고 있다. 이러한 소위 매트릭스 방식의 초전도 한류기(MFCL)의 개념은, 초전도체 체적내에 존재하는 불균일성에 근거한 벌크 초전도 물질에 있어서의 열파괴 위험을 급격하게 감소시킬 수 있다. 부가적으로, MFCL의 한류 임피던스의 오류검출 및 후속 작동은 능동적인 제어 메커니즘의 지원이 없이 내장형 매트릭스 설계에 의하여 수동적으로 행해진다. 이는, MFCL 개념에 근거한 한류기가 잠재적인 한류 적용의 넓은 범위에 대하여 보다 용이하게 설계, 제작 및 운용되도록 한다.
높은 고장전류에 의하여 야기된 HTS 물질내의 과도한 발열은 HTS 소자로부터의 전류를 션트(shunt) 임피던스로 우회시키는 션트 임피던스를 사용함으로써 최소화된다. 특정한 초전도 한류기(SCFCL) 설계에 있어서는, 2개의 외부 권선(코일)들이 사용되는데 하나는 트리거 자계를 생성하기 위한 것이며 하나는 션트 임피던스로서 사용된다. HTS 소자당 2개의 코일을 사용함에 따른 많은 수의 구성품(부품)들은 설계에 있어서의 복잡성을 더해주며 제작성, 크기, 무게, 권선 및 접속 전력손실, 및 고압 설계의 영역에서 문제로 되고 있다.
요약하면, 일 실시형태에 있어서, 본 발명은 한 개의 초전도 소자 및, 그 초전도 소자와 전기적으로 병렬결합된 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 포함한다. 초전도 소자는 그를 통과하여 지나가는 고장전류(fault current)를 적어도 부분적으로 저항방식으로 또는 유도방식으로 제한하도록 구성되며, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는, 초전도 소자의 초전도 상태시에는 제1 임피던스를, 또한 정상저항 상태로부터 초전도 상태로의 초전도 소자의 회복천이시에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성된다.
운용시에, 초전도 소자는 초전도 상태로부터 고장전류에 대응하여 정상저항 상태로 천이하고, 또한 그에 대응하여, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하며, 제2 임피던스는 제1 임피던스보다 낮은 임피던스이다. 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이함으로써, 부하상태에 있는 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이할 때에, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 통하여 흐르는 전류의 흐름이 용이해진다.
다른 실시형태에 있어서, 초전도 한류기는 전기적으로 직렬 연결된 다수개의 한류 모듈을 포함하는 것으로 주어진다. 각각의 한류 모듈은, 적어도 한 개의 초전도 소자를 포함하며, 각 초전도 소자는, 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함으로써 그를 통하는 고장전류를 적어도 부분적으로 제한하도록 구성된 적어도 한 개의 초전도체 세그먼트(segment)를 포함한다. 초전도 한류기는 다수개의 가변-임피던스 션트들을 추가로 포함한다. 각 가변-임피던스 션트는 다수개의 한류 모듈들의 각 한류 모듈과 연계되어 있으며, 고장전류 시에는 제1 임피던스를, 또한 연계된 한류모듈 중 적어도 한 개의 초전도 소자의 적어도 한 개의 초전도체 세그먼트의 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이시에 제2 임피던스를 나타내도록 구성된다. 다수개의 한류모듈의 초전도체 세그먼트들은 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함에 의해 고장전류를 함께 제한하며, 그에 대응하여, 다수개의 가변-임피던스 션트는 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하며, 제2 임피던스는 제1 임피던스보다 낮은 션트 임피던스이다. 이러한 제2 임피던스로의 천이는, 각 한류모듈의 적어도 한개의 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이시에, 전류가 각 가변-임피던스 션트를 통하여 흐르는 것을 용이하게 하며, 그에 의하여 부하상태의 적어도 한개의 초전도 소자의 회복을 용이하게 한다.
다른 실시형태에 있어서는, 한류기의 제조방법이 제공된다. 이 방법은, 초전도 소자와 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 전기적으로 병렬접속하는 것을 포함하며, 초전도 소자는, 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함으로써 그를 통과하여 지나가는 고장전류를 적어도 부분적으로 저항방식으로 또는 유도방식으로 제한하도록 구성되며, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는, 고장전류 시에는 제1 임피던스를, 또한 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이시에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성되며; 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 제2 임피던스는 제1 임피던스보다 낮은 임피던스이며, 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로의 적어도 한 개의 가변-임피던스 천이는, 초전도 소자가 고장전류의 제한 후 정상저항 상태로부터 초전도 상태로의 회복천이시, 전류가 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 통하여 흐르는 것을 용이하게 하며, 그에 의하여 부하상태인 초전도 소자의 회복을 용이하게 한다.
또한, 부가적인 특징, 및 장점들은 본 발명의 기술들을 통하여 실현된다. 본 발명의 기타의 실시예 및 실시형태들은 본 명세서에서 상세하게 기술되며 청구된 발명의 일부로서 고려된다.
본 발명으로서 간주되는 기술적인 특징은, 명세서의 결론부분에서 특허청구의 범위에 특별히 언급되어 있으며 변별력있게 청구된다. 본 발명의 이상 및 기타의 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 초전도 한류기내에 채택되는 고온 초전도 세그먼트의 일 실시예를 도시한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 한 개 이상의 초전도 한류기를 채택하는, 전력망 시스템과 같은 전기 시스템의 일 실시예의 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 초전도 한류기의 하나의 운용적인 실이의 플로우챠트이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 가변-임피던스 션트가 매트릭스 방식의 초전도 한류기의 각 한류 모듈 내에서 초전도 소자와 병렬로 결합된 매트릭스 방식의 초전도 한류기의 모식적인 도면이다.
도 5A는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 매트릭스 방식의 초전도 한류기 실시의 부분 단면도이다.
도 5B는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 도 5A의 매트릭스 방식 초전도 한류기의 부분 확대, 부분 사시도이다.
도 6A 내지 6C는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 도 2에서 나타낸 바와 같은 초전도 한류기용 가변-임피던스 션트의 일 실시예를 나타낸다.
도 7A 및 7B는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 도 2에서 나타낸 바와 같은 초전도 한류기용 가변-임피던스 션트의 선택적 실시예를 나타낸다.
도 8A는, 연자성 물질 대 경자성 물질에 대한 자력 대 자계를 나타내는 전형적인 히스테리시스 폐곡선의 그래프이다.
도 8B는, 철과 같은 비선형 자성물질에 대한 전형적인 히스테리시스 폐곡선을 나타낸다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 2도에서 나타낸 바와 같은 초전도 한류기용 가변-임피던스 션트의 다른 실시예를 나타낸다.
도 10은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 2도에서 나타낸 바와 같은 초전도 한류기용 가변-임피던스 션트의 선택적인 실시예를 나타낸다.
도 11은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 포화 제어, 가변-임피던스 션트가 초전도 소자와 전기적으로 병렬접속되는 초전도 한류기의 다른 실시예의 모식도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 포화 제어, 가변-임피던스 션트 및 고정 임피던스의 양자가 초전도 소자에 전기적으로 병렬접속되는 초전도 한류기의 선택적인 실시예의 모식도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 다수 개의 직렬 연결된, 가변-임피던스 션트단들이 초전도 소자에 전기적으로 병렬접속된 초전도 한류기의 다른 실시예의 모식도이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 포화 제어기가, 초전도 소자에 전기적으로 병렬접속된 가변-임피던스 션트의 포화를 제어하는 DC 포화 제어기를 포함하는 것으로 도시된 초전도 한류기의 다른 실시예의 모식도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 션트 코일 및 포화 코일의 양자가 부분적으로 공통의, 토로이드 형상의 가포화 코어를 둘러싸고 있는, 도 14의 가변-임피던스 션트의 한 실시예를 나타낸다.
도 16은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 포화 제어기가, 초전도 소자에 전기적으로 병렬접속된 가변-임피던스 션트의 포화를 제어하는 AC 포화 제어기를 포함하는 것으로 도시된 가변-임피던스 션트의 선택적인 실시예의 모식도이다.
도 17은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 포화 제어기가, 초전도 소자에 전기적으로 병렬접속된 가변-임피던스 션트의 포화를 제어하는 주파수 포화 제어기를 포함하는 것으로 도시된 초전도 한류기의 다른 실시예의 모식도이다.
도 18A 내지 18D는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 초전도 소자의 회복과정시에 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로의 션트의 천이를 용이하게 하기 위한 가변-임피던스 션트의 가포화 코어의 간접적인 자계 트리거 포화용 포화제어 구조의 선택적인 실시예들을 나타낸다.
다양한 종래의 출원 및 특허들은 초전도 한류기에 대한 해제 트리거 메커니즘에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 인용문헌 미국특허 제 6,809,910 호, 제 6,958,893 호, 제 7,283,339 호 및 제 7,440,244 호 등은 그의 전체내용이 참조로 본 명세서에 결합되어 있다. 대조적으로, 본 발명은 고장전류의 제한 후, 부하상태인 초전도 소자의 제고된 회복성을 가지는 초전도 한류기를 의도하는 것이다.
특정한 초전도 한류기의 토폴로지들은, 초전도 소자가 그의 임피던스상태를 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 변화할 때, 고장전류를 더욱 제한하고 특정량의 전류가 흐르도록 병렬 임피던스 리액턴스를 채택하고 있다. 만약 션트 리액턴스가 채택되는 경우, 고장전류 제한시에 해제의 역동성을 증가시키기 위하여는 높은 임피던스 값을 필요로 한다. 그러나, 고장전류 조건의 발생 후 및 초전도소자의 회복시에는, 정상부하 상태로부터 초전도 상태로의 회복과정을 더 복잡하게 하기 때문에, 높은 션트 리액턴스는 바람직하지 않다. 따라서, 이하에서 기술하는 내용은 그의 초전도 소자와 병렬인 가변-임피던스 션트를 가지는 초전도 한류기에 관한 것으로서, 고장전류 천이시에는 하나의 높은 임피던스를, 또한 고장전류가 해제된 후에는 초전도 소자의 회복과정에서 다른 낮은(또는 최소의) 임피던스를 나타낸다.
여기에서 기술되는 초전도 한류기는 어떠한 저온 또는 고온 초전도 물질도 채택될 수 있다. 그렇지만, 본 명세서에서의 초전도 한류기의 초전도 소자내의 초전도체 세그먼트로서는 고온 초전도체(HTS)를 채택하는 것이 유리하다. 그러한 전도체들은 오늘날 고장전류에 대응하는 자기-트리거링(self-triggering) 용으로 구성될 수 있어서, 고장전류 자체의 더 높은 전류값에 근거하여 고장전류를 제한하기 위하여 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 상태를 바꾸게 된다. 초전도 한류기에 대하여 더 기술하기에 앞서, 초전도 소자(본 명세서에서 기술된 바와 같은)용 HTS 초전도체 세그먼트에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, HTS 전도체(100)의 일반적인 층구조를 표현하고 있으며, 이는 본 발명에 따른 초전도 한류기의 초전도 소자, 또는 초전도 소자의 일부(예를 들면 그러한 다수의 초전도 세그먼트와 병렬로)로서 채택될 수 있다. HTS 전도체(100)는 기판(110), 기판(110)을 덮는 버퍼층(111), HTS층(112), 다음에 캡핑층(114)(전형적으로는 귀금속층) 및 안정기층(116)(전형적으로는 비귀금속)을 포함한다. 도 1에 나타낸 실시예에 있어서, 버퍼층(111), HTS층(112), 캡핑층(114) 및 안정기층(116)들을 집합적으로 초전도 영역으로 부르고, 도시된 바와 같이, 이 영역은 기판(110)의 한쪽 주된 표면을 따라서 배치된다.
기판(110)은, 전형적으로는 높은 어스펙트비를 가지는 테이프 형태의 구성으로 되어 있다. 예를 들어, 테이프의 폭은 대개 약 2-12mm 급으로 되어 있으며, 테이프의 길이는 전형적으로 적어도 약 100m, 가장 전형적으로는 약 500m 이상이다. 따라서, 기판은, 적어도 103 이상급, 심지어는 104 이상의 매우 높은 어스펙트비를 가질 수 있다. 특정한 실시예들은 더 길어서, 105 이상의 어스펙트비를 가진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, '어스펙트비'라고 하는 용어는 기판 또는 테이프에 있어서 두번째로 긴 치수, 즉 기판 또는 테이프의 폭에 대한 기판 또는 테이프의 길이의 비를 나타내는데 사용된다.
일 실시예에 있어서, 기판은 HTS 테이프의 구성층의 이후의 적층에 대한 바람직한 표면특성을 가지도록 처리된다. 예를 들어, 표면은 원하는 편평도 및 표면 거칠기로 약하게 연마될 수 있다. 부가적으로, 기판은 공지된 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrate: 회전보조 2축배향 기판) 기술로 알려진 바와 같은, 동업계에서 이해될 수 있는 바와 같이 2축 배향화되도록 처리될 수 있다.
버퍼층(111)으로 돌아가면, 이 버퍼층은 단일층일 수도 있고, 보다 보편적으로는, 다수매의 막으로 만들어질 수 있다. 가장 전형적으로 버퍼층은, 일반적으로 막의 안쪽 면 및 바깥쪽 면의 양쪽에서의 결정축들을 따라서 정렬되는 결정배향을 가지는 2축 배향막을 포함한다. 그러한 2축 배향은 IBAD에 의하여 달성될 수 있다. 동 업계에서 이해되고 있는 바와 같이, IBAD는 이온빔 보조 증착법(Ion Beam Assisted Depositon)의 머리글자 조합으로서, 이 기술은 우월한 초전도 특성용으로 바람직한 결정해석적 배향을 가지는 HTS층의 후속적인 형성을 위하여 적절하게 배향된 버퍼층을 형성하는데 유용하게 사용될 수 있는 것이다. 산화마그네슘은 IBAD막 용으로 선택되는 전형적인 재료이며, 50 내지 200 옹스트롬과 같이, 50 내지 500 옹스트롬 급일 수 있다. 일반적으로 IBAD 막은, 그의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함되는 미국특허 6,190,752호에서 정의 및 기술된, 암염(巖鹽)과 같은 결정구조를 가진다.
버퍼층은, IBAD 막과 기판 사이에 놓이며 직접적으로 접촉되도록 마련되는 배리어막과 같은 부가적인 필름을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 배리어막은 산화이트륨과 같은 산화물로 형성될 수 있으며, 기판을 IBAD막으로부터 분리하도록 기능한다. 배리어막은 질화 실리콘 및 탄화 실리콘과 같은 비산화물로 형성될 수도 있다. 배리어막 증착용으로 적절한 기술은, 스퍼터링을 포함하는 물리적 증착 및 화학적 증착을 포함한다. 배리어막의 전형적인 두께는 약 100-200 옹스트롬의 범위내에 있을 수 있다. 또한, 버퍼층은 IBAD막 위에 형성되는 에피 성장막(epitaxially grown film)을 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, 에피 성장막은 IBAD막의 두께를 증가하는데 유효하며, MgO와 같이 IBAD 층용으로 이용된 재료와 원칙적으로 같은 재료로 만들어지는 것이 바람직할 수 있다.
MgO-기반 IBAD 막 및/또는 에피택셜 막을 이용하는 실시예에 있어서는, MgO 재료와 초전도층의 재료의 사이에 격자 불일치가 존재할 수 있다. 따라서, 버퍼층은 다른 버퍼막을 추가로 포함할 수 있으며, 이 막은 HTS층과 아래쪽의 IBAD막 및/또는 에피택셜막 사이의 격자상수의 불일치를 감소하기 위하여 특별히 실시된 것이다. 이러한 버퍼막은 YSZ(이트리아-안정화 지르코니아) 스트론튬 루테늄산염, 란타늄 망간산염 및, 일반적으로, 페로브스카이트형 세라믹 재료와 같은 물질로 형성될 수 있다. 버퍼막은 다양한 물리적 증착기술에 의하여 증착될 수 있다.
이상의 내용은 원칙적으로 IBAD와 같은 배향공정에 의하여 버퍼스택(층)내에 2축 배향되는 막의 실시에 초점을 둔 것인 반면, 기판면 자체가 2축 배향될 수도 있다. 이 경우에, 버퍼층은 일반적으로 배향기판상에 에피성장되어 버퍼층내에 2축배향을 보존하게 된다. 2축 배향된 기판을 형성하기 위한 하나의 공정은 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrates)로서 업계에 공지된 공정이며, 당업계에 일반적으로 알려진 것이다.
고온 초전도체(HTS)층(112)은 전형적으로는 액체질소 온도, 77°K 이상에서 초전도 특성을 발휘하는 고온 초전도 물질중의 어느 것에서 선택된다. 그러한 물질은, 예를 들면 YBa2Cu307 -x, Bi2Sr2Ca2Cu3010 +y,Ti2Ba2Ca2Cu3010 +y 및 HgBa2Ca2Cu3O8 +y 를 포함할 수 있다. 하나의 물질군은 REBa2Cu3O7 - x 를 포함하며, 여기에서 RE는 희토류 원소이다. 앞서 언급한 것에 있어서, YBa2Cu307 -x 는 일반적으로 YBCO 로도 불리는 것으로, 유용하게 이용될 수 있다. HTS층(112)은 후막 및 박막형성 기술을 포함하는 다양한 기술들에 의하여 형성될 수 있다. 바람직하게는, 고증착율 용으로는 펄스 레이저 증착(PLD)와 같은 박막 물리적 증착기술이 사용될 수 있으며, 또는 낮은 단가 및 더 큰 표면적 처리를 위하여는 화학적 증착기술이 사용될 수 있다. 전형적으로, HTS층(112)과 연계된 바람직한 전류의 세기 비율을 얻기 위하여, HTS층은 약 1 내지 약 30 미크론급, 가장 바람직하게는, 약 2 내지 약 10미크론과 같이, 약 2 내지 약 20 미크론 급의 두께를 가진다.
캡핑층(114) 및 안정기층(116)들은 일반적으로 전기적인 안정화를 위하여, 즉, 실용적으로는 HTS 열파괴의 방지를 돕기 위하여 실시될 수 있다. 특히, 층들(114) 및 (116)은, 냉각불능 또는 임계전류밀도가 초과하는 경우에 HTS 도전체를 따르는 전하의 연속적인 흐름에 도움을 주게 되며, HTS층은 초전도 상태로부터 천이하여 저항성으로 된다. 전형적으로, 안정기층(들)과 HTS층(112) 사이의 원하지 않는 상호작용을 방지하기 위하여 캡핑층(114)용으로 귀금속이 사용된다. 전형적인 귀금속은 금, 은, 백금 및 팔라듐을 포함한다. 단가 및 범용적인 접근성 때문에 은이 전형적으로 사용된다. 캡핑층(114)은 전형적으로 안정기층(116)으로부터 HTS층(112)으로 성분들의 원하지 않는 확산을 방지하기에 충분하게끔 두껍게 만들어지지만 단가(원료물질 및 처리비용) 상의 이유로 일반적으로는 얇게 만들어진다. 캡핑층(114)의 전형적인 두께는, 0.5 내지 약 5.0 미크론과 같은, 약 0.1 내지 약 10.0 미크론이다. 캡핑층(114)의 증착을 위하여, DC 마그네트론 스퍼터링과 같은 물리적 증착을 포함하는 다양한 기술이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 특징에 따르면, 안정기층(116)은 초전도층(112)에 가로누워지도록 결합되고, 특히 도 1에서 나타낸 실시예에 있어서는, 캡핑층(114)상에 가로누워져서 직접적으로 접촉하게 된다. 안정기층(116)은 거친 환경조건 및 초전도성 해제에 대한 안정성을 제고하기 위한 보호/션트층으로서 기능한다. 이 층은 일반적으로 밀집되고, 열적으로 또한 전기적으로 도전성이며, 초전도층 내에 고장이 발생할 시에 전류를 우회하도록 기능한다. 통상적으로, 그러한 층들은 납땜 또는 플럭스와 같은 중간 접합물질을 사용함으로써 초전도 테이프상에 미리 형성된 구리띠를 라미네이팅함으로써 형성될 수 있다. 기타의 기술들은 물리적인 증착, 전형적으로는 스퍼터링에 초점을 맞춘다. 그러나, 그러한 적용기술들은 비용이 들며, 대규모 생산작업에 대하여 경제적으로 특별히 실현가능하지는 않다. 이 실시예의 특징에 따르면, 안정기층(116)은 전기도금에 의하여 형성된다. 이 기술에 따르면, 전기도금은 초전도 테이프상에 두꺼운 물질층을 신속하게 구축하는데 사용될 수 있으며, 열적으로 또한 전기적으로 도전성 물질의 밀집층들을 효과적으로 생산할 수 있는 비교적 낮은 단가의 공정이다. 하나의 특징에 따르면, 안정기층은 약 300℃ 보다 낮은 융점을 가지는 납땜층(플럭스를 포함함)과 같은 중간 접합층의 사용을 사용하거나 또한, 사용 및 의존하지 않고, 적층될 수 있다.
전기도금(또한 전착으로도 알려져 있음)은, 일반적으로 적층될 물질의 이온을 포함하는 용액내에 초전도 테이프를 침지함으로써 수행된다. 테이프의 표면은 외부전원에 접속되며, 전류를 그 표면을 통하여 용액으로 통함으로써, 금속(M)을 형성하도록 전자(e-)와 금속이온(MZ -)의 반응을 일으키며, 여기에서:
Mz - + ze- = M
캡핑층(114)은 그 위에 구리를 적층하기 위한 제2 층으로서 기능한다. 안정기 금속의 전기도금을 하는 특정한 경우에, 초전도 테이프는 일반적으로 황산구리 용액과 같은 구리이온을 포함하는 용액내에 침지된다. 캡핑층(114)에 대한 전기적인 접점이 만들어지고, 캡핑층(114)의 표면에서 Cu2 ++2e- → Cu 와 같은 반응이 일어나도록 전류를 통한다. 캡핑층(114)은 용액내에서 음극(cathode)으로 기능하고, 금속이온들은 Cu 금속원자로 환원되어 테이프상에 적층된다. 한편, 구리를 포함하는 양극(anode)이 용액내에 위치되고, 여기서는 음극에서의 환원 및 적층을 위하여 구리이온들이 용액내로 들어가게 되는 산화반응이 일어나게 된다.
2차반응이 없는 경우, 전기도금시 도전성 표면으로 보내지는 전류는 적층된 금속의 양에 직접적으로 비례한다(전기분해의 파라데이 법칙). 이러한 관계를 사용하여, 안정기층(116)을 형성하는 적층물질의 질량 및 그에 따른 두께가 용이하게 제어될 수 있다.
상술한 내용은 일반적으로 구리에 대하여 언급하고 있지만, 알루미늄, 은, 금 및 기타 열적으로 또한 전기적으로 도전성인 물질을 포함하는 다른 금속들도 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 초전도 테이프를 형성하기 위한 전체적인 재료의 단가를 감소하기 위해서는 귀금속이 아닌 것을 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다.
상기 기술된 내용 및 도 1은 초전도 테이프의 한측을 따라 안정기층(116)을 형성하기 위한 전기도금을 언급하고 있지만, 반대쪽의, 도전성 테이프의 주된 측이 피복될 수도 있으며, 실제로, 그 구조의 전체가 피복되어 캡슐화될 수 있음에 주목한다. 당업자라면, 도1 에서의 HTS 도전체(100)에 대한 상기 설명이 예시만을 위하여 제공되었음을 주목할 것이다. 이하에서 논의되는 초전도 소자는, 본 명세서에 마련된 청구항 들의 범위를 벗어나지 않고서도 어떠한 적절한 초전도 테이프 또는 벌크 재료를 이용할 수 있다.
도 2는, 배전 시스템 또는 배전망과 같은 전기 시스템(200)의 일 실시예의 모식도로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하나 이상의 초전도 한류기(210)를 포함한다. 하나의 예로서, 전기 시스템은 전력망이며, 여기에서 시스템 전압(220)은 전송 및/또는 배전선(시스템 임피던스(221)을 가짐) 및 초전도 한류기(210)을 통하여 부하 임피던스(230)로 공급된다. 초전도 한류기(210)는 초전도 소자(240) 및, 그에 전기적으로 병렬접속된 가변-임피던스 션트(250)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이하에서 추가로 설명되는 바에 따라서, (예를 들어) 제 1의, 더 높은 임피던스로부터 제 2의, 낮은 임피던스로의 가변-임피던스 션트의 천이 및 복귀를 제어하기 위하여 제어기(260)가 선택적으로 마련될 수 있다. 제어기(260)의 존재 및 실시는 채택된 가변-임피던스 션트의 특별한 실시에 의존된다(예를 들어, 다양한 실시에 있어서, 제어기(260)는 가변-임피던스 션트를 통하여 임피던스를 제어하기 위한 컴퓨터-실시 제어기, 및 전류 및/또는 전압 센서를 포함할 수 있다). 특정한 가변-임피던스 션트는 제어 메커니즘을 필요로 하지 않는데, 이들은 원천적으로 더 높은 고장전류의 제한에 대응하여 제 1 임피던스로부터 제 2 임피던스로 천이하도록 구성되기 때문이다.
도시된 바와 같이, 부하전류 IL(t)는 부하 임피던스(230)에 전력을 부여한다. 단락회로 고장전류 IF(t)와 같은 고장전류(270)의 발생에 따라서, 전체 전류 IT(t)는 단락회로 때문에 급격하게 증가한다. 여기에 기술된 실시예들에 있어서는, 초전도 한류기, 특히 초전도 소자(240)는 초전도 상태로부터 정상저항 상태로의 천이 또는 해제에 의하여 이 고장전류를 저항방식으로 제한하도록 구성된다.
도 3은, 도 2와 관련하여 상술한 바와 같은 초전도 한류기의 운용 실시예의 플로우챠트이다. 도시된 바와 같이, 초전도 소자는 제 1의, 높은 임피던스를 나타내는 병렬상태의 가변-임피던스 션트와 함께, 전형적으로 초전도 상태에서 작동한다(300). 전기시스템내의 고장전류의 발생(310)에 대하여, 초전도 소자는 초전도체의 해제에 의하여 전류를 제한하도록 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함으로써 대응한다(320). 그 후, 초전도 소자의 회복과정을 통하여, 제 1의, 높은 임피던스를 나타내는 것으로부터 제 2의, 낮은 임피던스를 나타내는 것으로 가변-임피던스 션트가 천이하고(또는 천이되고), 전류가 션트를 통하여 흐르는 것을 용이하게 하며, 따라서 부하상태의 초전도 소자의 회복을 용이하게 한다(330). 일단 초전도 소자가 소정의 최소전류 수준 (또는 전형적으로 그를 통하여 흐르는 전류의 최소 백분율)을 회복하면, 가변-임피던스 션트는 제 2의, 낮은 임피던스로부터, 제 1의, 높은 임피던스로 복귀 천이한다(340). 이는, 초전도 소자가 완전히 초전도 상태를 회복하기 전에(제 1 고장전류를 제한한 후), 제 2 고장전류가 발생하더라도, 가변-임피던스 션트가 제 1의, 높은 임피던스 수준에 있게 됨을 보장한다.
지적한 바와 같이, 초전도 한류기(본 발명에 따른)는 가변-임피던스 션트와 병렬로 결합된, HTS소자와 같은 적어도 한개의 초전도 소자를 포함한다. 가변-임피던스 션트는 초전소 소자와 병렬로 결합된 션트 코일을 포함(일 실시예에 있어서)하여, 초전도 한류기의 베이스 구조를 형성하게 된다. 이하에서 추가로 기술되는 바와 같이, 션트 코일의 가변-임피던스는 다수의 다양한 접근방법을 사용하여 실시될 수 있는데, 연계된 코어에 대한 션트코일의 기계적인 운동, 또는 연계된 코어의 포화제어등을 포함한다.
통상의 운용조건하에서, 초전도 소자는 어떠한 저항도 가지지 않으며, 따라서, 모든 전류가 그를 통하여 흐르게 된다. 그러므로, 전체 구성에 있어서 어떠한 전압강하도 없게 되며, 병렬로 접속된, 가변-임피던스 션트도 그를 통하여 흐르는 전류는 전혀 가지지 않게 된다. 그러나 일단 고장전류가 발생되면, 전류의 써어지는 초전도 소자의 임계전류 수준을 초과하게 되고, 즉각적으로 해제를 유발하게 되며, 따라서 가변-임피던스 션트를 가로지르는 충분히 큰 전압강하가 발생하여, 전체 전류 중 일부가 션트로 우회된다. 이 션트는 초전도체에 의하여 발생된 전압을 제한하도록 작용하며, 전체 전류부하를 공유하게 되어, 일단 고장전류가 제거되거나 부분적으로 제거되고 나면, 초전도체가 과열되지 않고 신속하게 그의 정상상태로 되돌아갈 수 있도록 보장한다. 유리하게는, 션트는 그의 임피던스가, 적어도 초전도체의 고장전류로부터의 회복공정의 일부동안에 가변되도록 제어된다.
특히, 가변 임피던스 션트는 제 1의, 높은 임피던스 수준으로부터, 제 2의, 낮은 임피던스 수준으로 천이하여 초기의 회복공정을 용이하게 한다. 일단 초전도 소자를 통하여 흐르는 회복전류가 문턱치 수준(또는 문턱치 백분율)에 달하게 되면, 가변-임피던스 션트의 임피던스는 제 1의, 높은 임피던스 수준으로 복귀 천이한다. 이는, 초전도 소자가 완전히 제 1 고장전류로부터 회복되지 않았음(즉, 부분적으로만 회복됨)에도 불구하고, 초전도 한류기가 후속하는 고장전류를 취급할 수 있도록 보장한다. 하나의 실시에 있어서, 가변-임피던스 션트는, 일단 통상의 운용전류 수준의 10%-90%가 초전도 소자에서 회복되면, 제 1의, 높은 임피던스 수준으로 복귀 천이할 수도 있다. 하지만, 적용되는 바에 따라서, 기타의 문턱치 백분율 또는 문턱치 전류수준 설정이 채택될 수 있다.
상술한 구성을 베이스 모듈로 사용하여, 그러한 모듈들의 적어도 한 개의 행(行)과 적어도 한 개의 열(列)을 가지는 매트릭스 한류기가 구성될 수 있으며, 각 모듈은 각 열에서 각각의 다른 모듈과 병렬로 결합되며, 각 열은 다른 열들과 직렬로 결합된다. 이와 같은 초전도 한류기의 모듈적인 성격은, 그것이 연결되는 전력 시스템의 고전압 및/또는 고전류 운용환경에 적합하도록 한다.
도 4는, 도 2와 관련하여 상술한 기본적인 한류기의 "n"행 및 "m"열을 포함하는 매트릭스 방식의 초전도 한류기(400)의 예시적인 실시예를 도시한다. 1행 1열에 있어서, 가변-임피던스 션트는 직렬상태인 저항(R11) 및 가변 인덕터(L11)로 표시되며, 이 둘은 초전도 소자(RS11)의 가변저항과 병렬상태에 있게 된다. 2행, 1열에 있어서, 가변-임피던스 션트는 저항(R21) 및 직렬접속된 가변 인덕턴스(L21)로 표시되며, 초전도 소자는 가변저항(RS21)으로 표시되어 있다. "n"행, 1열에서, 가변-임피던스 션트는 저항(Rn,1)및 직렬연결된 가변 인덕턴스(Ln,1)로 표시되며, 초전도 소자는 가변저항(RSn,1)로 표시된다. 따라서, "n"행의 "m"열에 있어서, 가변 임피던스 션트는 가변인덕턴스(Ln,m)과 직렬인 저항(Rn ,m)으로 표시되며, 초전도 소자는 가변저항(RSn ,m)으로 표시된다.
이러한 기본적인 한류기의 구성으로부터, 매트릭스 한류기는 고도로 모듈적이면서 스칼라적임을 논리적으로 알 수 있고, 따라서 초전도 한류기 조립체는 다양한 고장전류 제한적용에 대한 요구를 수용하도록 설계 및 규격화될 수 있다. 이와 같은 매트릭스 방식 초전도 한류기의 모듈식 속성은, 그것이 접속되는 전력 시스템의 고전압 및/또는 고전류 운용요구에 극도로 적합한 것으로 만들어지게 한다. 고전압 적용에 대하여, 전체 전압은 매트릭스 조립체의 복수의 열 중에서 분할되며, 이는 매트릭스 방식 초전도 한류기의 유전체적인 설계를 실질적으로 단순화 함으로써 다양한 고전압 절연요구에 적합하도록 한다. 또한, 상이한 수의 행 및 열의 조합은 고전압 및 고전류 운용요구 및, 상이한 전류제한 요구를 가지는 적용분야들을 다루는데 사용될 수 있다.
매트릭스 방식의 초전도 한류기와 결합하는 전력 시스템의 운용에 대하여 이후에 기술한다. 지적한 바와 같이, 션트는 초전도 소자가 해제된 후에, 각 초전도 소자를 가로질러 전개될 수 있는 최대 전압강하를 제한하도록 사용된다. 고장전류의 일부는 초전도 소자로부터 션트로 진로를 변경하고, 따라서 초전도 소자내에서 i2r 손실의 형태로 생성된 열을 감소하여, 초전도 소자에 대한 잠재적인 열적, 또한 기계적 충격으로부터 보호하게 된다. 이는, 또한 일단 고장전류가 제거되면, 초전도 소자의 열적인 회복 및 한류기의 회복시간을 개선하게 되며, 또한, 생성된 전압은 션트에 의하여 제한되므로, 해제 및 후속 상태에서의 초전도 소자의 온도상승을 제한한다. 유용하게는, 본 발명과 관련하여, 션트는 가변-임피던스 션트이고, 그 션트를 통한 임피던스는 고장전류를 제한한 후에 초전도 소자의 회복단계를 통하여 낮은 임피던스가 나타나도록 제어된다. 이러한 감소된 임피던스는, 초전도 소자가 회복하는 동안 션트를 통하는 전류의 더 많은 분량을 우회시킴으로써 부하상태의 초전도 소자가 더 낫게 회복할 수 있도록 한다.
도 4에 나타낸 매트릭스 구성에 있어서, 결합된 초전도 임계전류 수준은 통상 운용시의 한류기(400)의 "n"번째 행에 대응하는 것이며, 명목적인 AC 운용전류의 피이크치에 전력시스템이 필요로 하는 과전류 용량을 더한 값보다 작지 않도록 설계된다. 한류기의 각 행 내의 한류모듈은 이 전체 시스템 전류의 약 1/n 로 보이게 될 것이다. 각 한류기 내에서는, 가변-임피던스 션트가 초전도 소자의 통상 운용조건시에는 높은 임피던스를, 그리고 회복과정에서는 낮은 임피던스를 가지도록 설계된다. 이러한 낮은 임피던스는 전류가 가변-임피던스 션트를 통하여 유도되도록, 초전도 소자의 해제된 저항보다 실질적으로 낮게 설계되며, 그에 의하여 초전도 소자가 보다 용이하게 부하상태에서 회복하도록 허용한다. 지적된 바와 같이, 한류기는 시스템전류가 그의 임계전류 수준보다 밑에 있기 때문에, 전력 시스템의 통상의 운용시에 어떠한 전기적인 저항도 나타내지 않으며, 이는 한류기를 가로지르는 전압강하가 없게 되도록 한다. 따라서, 가변-임피던스 션트내로 어떠한 전류도 우회되지 않고, 따라서 통상 운용중에는 가변-임피던스 션트내에 어떠한 전력손실도 발생하지 않는다.
전력 시스템내에 고장이 발생하였을 때에는, 매트릭스 방식의 초전도 한류기를 통하여 흐르는 써어지 전류가 통상의 운용전류의 수배로 증가하게 된다. 따라서, 초전도 소자는 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이를 시작하게 되고, 이는 "해제"라고 불린다. 이러한 해제상태에서 초전도 소자에 의하여 발생되는 저항 또는 인덕턴스는 초전도 소자를 가로질러 전압이 발생하도록 한다. 이러한 전압은, 가변-임피던스 션트들이 초전도 소자에 전기적으로 병렬결합되어 있기 때문에, 가변-임피던스 션트를 통하는 전류를 발생시킨다. 일단 초기 해제가 시작되면, 후속하는 초전도 소자내의 i2r 발열은 해제과정에 기여하게 된다. 그와 함께, 전류 써어지 및 온도의 증가는, 초전도 소자의 신속하고도 균일한 해제를 촉진하고 재료의 결함에 따른 열폐기를 방지하도록 동작한다. 매트릭스 방식의, 초전도 한류기의 모듈성은 설계에 있어서의 내장 잉여성을 제공함으로써, 한류기내의 어떠한 개별적인 초전도체(또는 초전소 소자) 내에서의 고장이 전체 장치의 고장을 유발하지 않도록 한다.
회복공정시에 제 1의, 높은 임피던스 수준으로부터 제 2의, 낮은 임피던스 수준으로의 가변-임피던스 션트의 천이는, 가변-임피던스 션트를 통하는 시스템 내의 전류가 일시적으로 진로를 변경하여 부하로의 연속된 전류의 전송을 허락함으로써, 개별 초전도 소자의 회복을 용이하게 하여, 전류를 부하로 계속적으로 보낼 수 있도록 하고, 동시에 초전도 소자를 초전도 상태로 회복하는 것이 용이하도록 한다. 실시에 따라서는, 회복과정시의 어떤 소정의 시점에서, 예를 들어 일단 초전도 소자를 통하는 전류가 소정의 수준을 달성하게 되면, 가변-임피던스 션트의 임피던스가 통상의 운용수준, 즉 션트를 통한 전류의 통과를 금지하는 높은 임피던스로 복귀된다.
이러한 구성의 장점은 다양하다. 예를 들어, 매트릭스 방식의 초전도 한류기의 통상적인 운용시에는 무시할만한 i2r 손실이 있으며, 한류기는 통상의 시스템 운용에 어떠한 영향도 주지 않게 된다. 상기 도 4에 도시되고 기술된 실시는 용이한 스칼라성 및 생산성에 대하여 속성상 모듈식인데, 그 이유는 기본적인 한류기가 다양한 적용요구를 수용하기 위하여 "n"행 × "m"열의 매트릭스 구성으로 배치될 수 있기 때문이다. 부가적으로, 가변-임피던스 션트들은 고장전류의 제한에 이어지는 회복과정을 개선하도록 채택되며, 그에 의하여 부하를 받는 초전도 상태로 더 빨리 복귀할 수 있도록 한다. 실시에 따라서는, 본 명세서에서 설명된 매트릭스 방식의 초전도 한류기는 능동적인 사고검출 및 제한제어 메커니즘이 없이 한류기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
매트릭스 방식의, 초전도 한류기의 한 실용적인 실시가 도 5A 및 5B에 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 각 한류모듈(또는 열)은 각각이 다수개의 초전도체 세그먼트를 포함하는 적어도 한개의 초전도 소자와 병렬인 단일 가변-임피던스 션트를 채택한다.
도 5A를 먼저 참조하면, 각각 가변-임피던스 션트(510)와 병렬로 결합되는 초전도 테이프의 다수개의 층과 같은, 다수개의 초전도체를 포함하는 하나 이상의 직렬, 전기적으로 접속된 초전도 소자(510)를 포함하는 한류 모듈(500)(예를 들면, 도 4의 매트릭스 예에서의 한류기 열을 포함하는) 매트릭스 방식의, 초전도 한류기가 도시된다. 이들 한류 모듈들은 제1 의 기본접속 A 및 제2 의 기본접속 B 사이에서 직렬로 접속된다. 각 한류모듈(500)내의 초전도체의 크기, 구성 및 숫자는, 특정한 실시의 고전압 및 고전류 운용요구 및 상이한 전류제한 요구에 의거하여 가변될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 각 초전도층(또는 테이프)는 HTS 전도체를 포함한다.
도 5B는 도 5A에 부분적으로 도시된 매트릭스 방식의, 초전도 한류기의 부분확대된, 단면도를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 기본접속 A와 B 의 사이에 직렬로 접속된 개별 한류기 모듈(500)들은 매트릭스를 격납할 수 있는 크기의 용기(530)로부터 확대된 것이다. 예시를 목적으로, 하나의 단일 한류모듈(500)은 용기(530)내의 위치에 있는 것으로 도시되었다. 도시된 바와 같이, 전력선(531),(532)들은 매트릭스로의 기본접속 A 및 B 를 경유하여 매트릭스(540)에 접속된다. 이 실시에 있어서는, 단상(單相)의 한류구조가 도시된다. 3상의 실시예에 있어서는, 각 상이 도시된 바와 같은 한류구성을 가질 것이다. 선택적으로, 용기는 3상 실시예의 각 상에 대한 한류구성이 한개의 단일 용기내에 포함되도록 재구성될 수 있다. 운용시에는, 액체질소와 같은 냉매가 용기내로 압축되어서, 초전도 소자가 초전도 상태를 수립 및 유지하도록 이바지하는 온도로 유지되도록 보장한다. 여기에서 기술된 초전도 한류기는 각 개별 초전도 소자들이 초전도 상태로부터 정상저항 상태로의 해제에 의하여, 고장전류를 저항방식으로 또는 유도방식으로 제한한다. 이러한 저항적 또는 유도적 제한은 용기내에서의 온도상승을 야기하게 되고, 이는 용기내로 액체질소가 압축되어 주입됨에 따라서 제거된다.
상술한 기술내용으로부터, 통상의 지식을 가진 자라면, 도 5A 및 5B의 특정한 실시예가, 본 명세서에 나타낸 매트릭스 방식의, 초전도 한류기의 일례에 지나지 않음을 알 수 있을 것이다. 보다 일반적으로, 이들 도면에 도시된 다수개의 직렬접속된, 한류모듈은 단일의, 가변-임피던스 션트와 병렬로 된 하나의 단일 초전도 소자로서 실시될 수도 있다. 초전도체(또는 초전도 소자)의 수, 및 가변-임피던스 션트의 수는, 현안이 되는 한류 실시에 따라서 가변적일 수 있다.
도 6A 내지 18D는, 본 발명에 따른 다양한 한류기(또는 그의 가변-임피던스 션트)의 실시를 도시한다. 먼저, 도 6A 내지 7B는, 기계적으로 제어되는 가변-임피던스 션트를 기술하고 있고, 기타 도면들은 포화 제어되는, 가변-임피던스 션트의 다양한 실시예를 개시하고 있으며, 이들 중의 어느 것도 본 발명에 따른 한류기내에서 사용될 수 있다.
도 6A-6C를 먼저 참조하면, 가변-임피던스 션트의 일 실시형태는 적어도 코어의 일부를 둘러싸도록 권취된 나선형 코일(610)을 가지는 원통형 코어(600)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 가변-임피던스는 공기보다 큰 투자율을 가지는 것으로 가정되는 코어의 도움과 함께 다양한 기술을 사용하여 얻어진다. 운용에 있어서, 코어(600)는 전형적으로 나선형 코일(610)내에서 고정적이며, 사용된 코일 및 코어재료의 투자율에 근거하여 처음부터 높은 임피던스값을 가지는 것으로 가정된다. 고장전류가 발생하였을 때, 도시된 바와 같이 동축적으로 배치된 코어(600) 및 코일(610)은 분리되는데; 예를 들어, 초전도 소자에 의한 고장전류의 해제에 대응하는 기계적인 액츄에이터(도시않됨)를 채택하고 있다. 이러한 움직임은 도 6B 및 6C에 도시되어 있으며, 여기에서 코어(600)와 코일(610)이 멀어지도록 움직임에 따라 임피던스는 계속 낮아지게 된다.
다른 접근방법에 있어서는, 고장전류가 없을 때에, 코어는 코일의 외부에 배치되고 고정적일 수 있다. 고장전류에 대응하여, 코어가 적어도 부분적으로 코일의 내부에 있게 되도록 코어와 코일이 움직일 수도 있다. 이러한 접근방법에 있어서는, 코어가 코일의 중심으로 인력을 받도록 설계될 수 있어서, 코어재료의 투자율의 함수로서 리액턴스 값이 증가하고, 고장을 더 높게 제한하게 된다. 고장이 지나가면, 코어는 예를 들면 스프링의 작동, 또는 중력에 의거한 자체 중량에 의하여 기계적으로 코일로부터 제거된다. 이러한 힘들의 어느 것도 고장후의 자력보다는 커야하지만, 코어가 코일내로 이끌려 들어갈 수 있도록, 고장 조건시에는 자성 결합력보다는 작아야 한다.
코어가 그의 고정적인, 통상의 운용위치 시에 코일 내에 위치하고, 회복과정에서는 션트의 임피던스를 낮추기 위하여 밖으로 나오게 되는 도 6A 내지 6C의 실시예들에 있어서는, 초전도 소자가 초전도 상태로 돌아옴에 따라 코어는 코일내로 되돌아오게 된다. 션트 권선의 리액턴스를 감소함으로써, 더 많은 전류가 션트를 통하여 흐르게 되고, 초전도 소자로는 덜 흐르게 되며, 그에 의하여 초전소 소자의 회복과정을 용이하게 한다. 따라서, 코어가 코일내의 통상운용에 있어서 고정적으로 채택되건 또는 코일의 외부에 있게 되건, 취소원리는 동일하다. 큰 임피던스는 고장시 션트에 의하여 나타나고, 낮은 임피던스는 초전도 소자의 회복과정시 션트에 의하여 나타나게 된다.
가변-임피던스 션트의 코어와 코일은 성능을 증진시키기 위하여 상이한 구성 및 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 코일과 코어의 양자가 테이퍼진 직경을 가지는 테이퍼 형상이 이용될 수 있다. 동일 또는 반대 방향의 권선을 가지는 분할 코일 및/또는 분할 코어들이 사용될 수 있다. 만약 코일들이 동일방향으로 감겨지면, 동일축을 따라서 밀접하게 위치될 때 양 코일에 의하여 생성된 자계와 결합하게 된다. 이러한 기술을 통하여, 코일들의 자계, 인덕턴스 및 전체 임피던스는 큰 범위로 증가될 수 있다. 이러한 구성에 있어서는, 도 7A에 나타낸 바와 같이, 중간에서 만나는 양 코어의 힘을 감소시키기 위하여 스프링이 사용될 수 있다.
도 7A에 있어서, 제1 코일(710)은 제1 코어(700)를 둘러싸고, 제2 코일(711)은 제2 코어(701)를 둘러싸며, 코일(710),(711) 및 코어(700),(701)들은 유사하게 구성되며, 상호간에 인접하여 동축적으로 배치된다. 상술한 바와 같이, 코어들과 코일들은 상이한 모드에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 코어 대(對) 코일의 위치설정은, 초전도 한류기의 통상적인 초전도 상태 운용시에 코어들이 완전히 코일 내부에, 부분적으로 코일 내부에, 또는 완전히 코일 외부에 있도록 할 수 있지만, 모든 경우에 있어서 코어들은 고장전류 조건의 제한 후 그들의 임피던스를 내리도록 코일로부터 더 멀어지게 되며, 그에 의하여 부하상태에서의 초전도 소자의 회복과정을 용이하게 한다.
도 7A 및 7B의 실시예에 있어서, 코일들 및 코어들은 공통축을 따라서 배치되고 둘레의 어떠한 자계와 더욱 결합하게 된다. 이러한 자계와 인덕턴스의 결합은, 배치 및 이들 사이에 형성되는 결과적인 간격 및 각도에 따라서 변하게 된다. 고장이 발생하였을 때, 코어들은, 한 실시예에서, 코어들과 권선 사이의 인력에 의하여 코일내로 움직이게 된다. 인력의 방향은 코일들의 권선방향에 의하여 결정될 수 있다. 이들은 스프링으로서 사용되는 탄성재료에 의하여, 스프링력의 도움에 의하여 원활하게 정지될 수 있다. 코어들이 내부에 있을 때에는, 더 높은 임피던스를 나타내게 되고, 역으로도 마찬가지이다.
가변 션트 리액턴스(또는 임피던스)는 한 개 이상의 고정식 코일 및 한 개 이상의 고정식 코어들을 사용하여 실시될 수 있다. 도 8A는 경자성체 대(對) 연자성체의 전형적인 히스테리시스 폐곡선을 나타내며, 도 8B는 철과 같은 비선형 물질의 전형적인 히스테리시스 폐곡선을 나타낸다. 히스테리시스 곡선에 있어서, y축 상에 자기 플럭스 밀도를 가로지르는 선들은 잔류 자기(remanence: 또는 보다 일반적으로는, 잔자도(殘磁度:retentivity))를 가리키며, "Br"로 표시되어 있다. 이는 인가된 자계강도가 0 일 때, 포화후의 자기 플럭스 밀도의 값이다. 동일한 방식으로, x축 상에 자계강도 H를 가로지르는 히스테리시스 선들은 보자도(保磁度: coercivity)이라 하며, "Hc"로 표시한다. 이 값은 자계 플럭스밀도가 0 인 곳에서의 자계 강도에 해당한다. B/H 들은 선형적으로 증가하지 않기 때문에, H의 값이 증가적으로 크게 된 후에는, 물질이 포화상태를 나타낸다. 따라서, B-H 곡선의 기울기에 있어서의 감소 또는 유효 투자율에 있어서의 감소는, 인가된 자계강도의 레벨을 증가하기 때문에, 포화상태로 알려져 있다.
날카로운 히스테리시스 곡선을 가지는 연자성체는 포화상태의 지연 및 역포화 시간을 회피하기에 바람직하다. 그러나, 본 시스템은 목적으로 하는 포화시간을 연장하기 위하여 경성의 포화곡선을 가지도록 설계될 수 있다. 이것은, 초전도 소자를 회복하기에는 시간이 충분하지 않은 연속적인 고장전류들이 매우 근접하게 놓여 있고, 따라서, 션트의 가변-임피던스가 오랜 시간동안 낮게 머물러 있어야 하는 경우인, 다중고장 시퀀스 계획에 유용하다. 연성 물질은 얇은 폐곡선을 가지며, 자성 및 비자성화 하기가 용이한데, 왜냐하면 이들은 높은 자기적 투자율을 가지기 때문이다. 날카로운 히스테리시스 폐곡선을 가지는 물질을 이용하여 포화시간이 수 나노초로 감소될 수 있다. 만약 회로에 의하여 부과된 불충분한 dV/dt 및 dI/dt 때문에 포화시간이 지나치게 길어지면, 코어의 단면적을 가변함으로써 포화시간을 감소 또는 증가시키게 된다. 만약 포화시간이 지나치게 길게 되면, 다중 코어가 사용될 수 있으며, 그의 역도 성립한다.
상이한 코어들의 형상이, 본 명세서에서 기술된 바와 같은 포화제어, 가변-임피던스 션트를 실시하는데 사용될 수 있다. 도 9에 있어서, 토로이드형의 포화코어(900)는, 그 토로이드 형상의 포화코어의 둘레에 부분적으로 권취되는 한 개의 단일 션트코일(910)과 함께 도시된다. 도 10에 있어서, 한 쌍의 고정식, 토로이드 형상의 포화코어(1000),(1001)들은 양 포화코어(1000),(1001)의 일부를 둘러싸고 권취된 하나의 단일 션트코일(1010)과 함께 채택된다. 이들 구성에 채택된 션트코일은 단일 와이어층으로 만들어지거나, 또는 더 큰 인덕턴스를 달성하도록 다층 권선으로 만들어질 수 있다.
이하에서 설명하는 바와 같이, 포화에 있어서의 지연은 다중, 직렬접속된 션트단을 채택함으로써 도입될 수 있다. 따라서, 직렬접속된 션트단들은 회로내의 각 코어에 대한 포화율을 지배한다. 그러나, 만약 전류가 충분히 높다면, 고장전류 발생시에서와 같이, 포화 지연은 현저하지 않은데, 왜냐하면 션트 코일은 더 높은 dI/dt 율을 나타내기 때문이며, 더 오랜 기간동안 포화상태로 있게 되고 포화후에는 더 오랫동안 차분 잔여전압이 따라다니게 된다.
자계 내의 크기의 차이는, 인덕턴스에 있어서의 감소와 마찬가지로 현저하며, 이는 비례적으로 없어진다. 높은 임피던스와 낮은 임피던스 사이에 더 큰 범위를 달성하기 위하여는, 코어가 포화되었을 때 낮은 인덕턴스 값이 바람직하다. 따라서, 코어들이 제거된 설계에 대해서도 낮은 인덕턴스 값이 바람직하다. 이러한 목적을 위하여, 필요한 전류가 통하여 흐르도록 하는 단면적 크기를 가진 낮은, 무(無)-코어 인덕턴스 또는 포화-코어 인덕턴스를 달성할 수 있도록 넓은 폭과 얇은 두께를 가지는 도전체 띠가 사용될 수 있다.
고정코일 및 코어의 임피던스 크기는 코어의 포화와 함께 높은 임피던스로부터 낮은 임피던스로 바뀐다. 이러한 감소된 임피던스는 초전도 소자의 더욱 신속한 회복을 허용한다. 낮은 임피던스는 코어재료의 포화점동안 유지된다.
포화되었을 때, 션트의 임피던스 크기는 도 6A 내지 6C의 예에서 설명되는 바와 같이, 코어가 코일의 외부로 제거될 때, 코어 주위의 코일의 공기코어 임피던스와 등가이다.
도 11은, 고장전류를 제한하기 위하여, 전력망 시스템과 같은 시스템에 접속된 초전도 한류기(1100)의 일 실시예를 나타낸다. 초전도 한류기(1100)는 초전도 소자(1110) 및 포화제어 가변-임피던스 션트(1120)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 포화제어 가변-임피던스 션트(1120)는 상술한 바와 같은 가포화 코어 및 션트코일을 포함한다. 도 11의 한류기는, 도 12의 초전도 한류기(1200)에 도시된 바와 같이, 고정 임피던스 Z1를 포함하도록 변형될 수도 있다. 본 실시예에 있어서, 초전도 한류기(1200)는 다시 고장전류를 제한하기 위하여 시스템내에 접속되는 것으로 가정될 수 있다. 한류기는 초전도 소자(1210) 및 그 초전도 소자에 병렬인 포화제어, 가변-임피던스 션트(1220)를 포함한다. 고정 임피던스 Z1(1230)는 또한 도시된 바와 같이 초전도 소자와 병렬이며, 초전도 한류기를 통하여 공지의 최소 임피던스를 제공한다.
다른 실시예에 있어서, 각각 그들과 병렬인 고정 임피던스를 가지는 상술한 포화제어 가변-임피던스로서 구성되는 다른, 직렬접속된 가변-임피던스 션트단 들은, 도 13에 도시된 바와 같이 초전도 한류기의 초전도 소자를 가로질러 병렬로 접속될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 초전도 한류기(1300)는 직렬로 접속된 4개의 포화제어, 가변-임피던스 션트단(1320)을 포함하는 것으로 도시되며, 각 단(1320)은 병렬접속된 대응하는 고정 임피던스 Z1, Z2, Z3 및 Z4를 가진다. 도시된 바와 같이 다수의 가변-임피던스 션트단들을 직렬로 접속함으로써, 어떠한 임의의 임피던스 프로파일에도 용이하게 정합시킬 수 있다. 전체적인 직렬접속된 회로는 시간적으로 어떠한 순간에도 상이한 단의 포화(또는 비포화) 코어들의 함수로서의 등가 임피던스량을 나타낸다. 선택된 코어재료의 물성 및 권선의 수에 근거하여, 포화시간은 당업자에 의해 임의로 조절될 수 있다.
도 14는 본 발명의 한 실시태양에 따른 초전도 한류기(1400)의 다른 변형예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 초전도 한류기(1400)는 초전도 소자(1410)와, 병렬접속된 가변-임피던스 션트(1420)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 가변-임피던스 션트(1420)는 코어의 포화를 제어하도록 위치된 DC 코일을 통하여 흐르는 가변 DC 전류에 의하여 제어되고, 코어는 션트 코일에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 포화 제어기(1460)는 DC 코일을 통하여 공급되는 DC 전류량을 제어하고, 따라서 코어의 포화를 제어한다. 비록 초전도 한류기(1400)내에 도시되긴 하였지만, 제어기(1460)는 (하나의 실시형태에 있어서는) 초전도 한류기를 담고 있는 용기의 외부에 위치될 수도 있다. 고장전류의 존재를 검출하기 위하여, 또한 포화상태의 및, 포화상태로부터의 가변-임피던스 션트의 코어의 천이를 제어하고, 따라서 제 1의, 높은 임피던스로부터 제 2의 낮은 임피던스로의 션트의 임피던스의 천이 및 본 명세서에서 기술한 바와 같이 되돌아오는 것을 제어하기 위하여 전류 또는 전압의 검출이 채택될 수 있다.
가변제어 전류는 상이한 방식으로, 예를 들면 가변-임피던스의 수단에 의하거나, 또는 솔리드 스테이트 출력전원의 스위칭을 제어함으로써 달성될 수 있다. 이러한 가포화 토폴로지는 션트코일을 통하여 흐르는 AC전류의 비례적인 제어를 가지도록 허용한다. 단순화를 위하여, 도 14(도 16에서도 마찬가지임)에는, 가변저항이 도시되어 있다. 고장전류가 나타날 때, 코일 및 코어(들)은, 높은 임피던스를 가지도록 설계되고, 따라서 이들은 포화되지 않는다. 고장의 도중 또는 고장기간 후의 어느 때에, 코어는 션트를 통한 에너지를 스위치하도록 포화될 수 있으며, 이는 그 시점의 초전소 소자보다 낮은 임피던스를 나타나게 한다.
도 15는 도 14에서 도시된 바와 같은 한류기의 한 실시를 나타낸다. 본 실시에 있어서, 토로이드 형상의 코어는 션트코일(1510)에 의하여 부분적으로 둘러싸이고, 한류기의 가변-임피던스의 DC 코일(1520)에 의하여 부분적으로 둘러싸인다. 후술하는 바와 같이, 이는 코어의 포화, 따라서 션트코일을 통한 임피던스를 제어하기 위한 많은 가능한 구성중의 하나를 나타낸다.
포화를 제어하기 위하여, 가변-임피던스 션트 설계는 고장전류 조건으로부터 션트 코일을 통하는 전류의 상승에 기인한 자계강도에 있어서의 증가에 대비해야 한다. 이와 같은 고장시의 전류의 증가는 코어를 자체만으로 포화시킬 수 있으며(상술한 바와 같음), 그것이 만약에 높은 전류인가의 결과라면, 자계강도는 코어를 포화시키기에 충분하게 커지게 된다. 따라서, 포화를 제어할 능력을 가지도록 하려면, 고장전류 조건시 션트 코일내의 전류의 증가는 코일의 포화를 지배해서는 안된다. 따라서, 션트코일은 포화코일보다 상당히 작은 유도성 값을 가져야 하거나 및/또는 포화를 제어하는 전류가 션트코일을 통하여 흐르는 고장전류와 비교될만하거나 또는 더 높아야 한다. 결과적으로, 포화코일에 의하여 발생한 자계강도는 션트코일에 의하여 생성된 자계강도보다 항상 더 커야 하며, 그에 의하여 포화과정의 제어를 허용하게 된다.
도 16에서 나타낸 바와 같이, 하나의 다른 실시예에 있어서, 초전도 한류기(1600)는 초전도 소자(1610)와 병렬로 접속되고 AC 포화 제어기(1660)를 통하여 제어되는 가변-임피던스 션트(1620)를 포함할 수 있다. 이러한 접근방법에 있어서는, 도 14의 실시예의 DC 코일이 AC 코일로 대체되고, AC 전류의 크기는 고장전류 회복과정에서 원하는 시점에 코어를 차분하게 포화시키도록 채택된다.
상술한 포화현상에 부가하여, 특정한 강자성 재료의 투자율이 주파수에 의해서도 마찬가지로 심하게 영향을 받을 수 있다. 그러한 재료는 다른 주파수보다 높은 주파수에서 현저하게 낮은 투자율을 나타낸다. 이것은 AC 포화 제어로서 사용될 수 있으며, 여기에서 코어는 그의 주위에 권취된 AC 코일에 의하여, 측면(또는 코어의 길이를 따라서)중의 하나에서 그에 인가된 AC 전류의 크기를 증가시킴으로써 포화될 수 있다. 도 17에 있어서, 도시된 초전도 한류기(1700)는 초전도 소자(1710)와 병렬로 전기적으로 접속되고 고장전류 회복과정에서 임의의 시점에서 코어를 포화시키기 위한 가변주파수 제어기(1760)에 의하여 제어되는 가변-임피던스 션트(1720)를 포함한다.
도 14 내지 17의 설계중의 어느 하나는, 도 13에서 나타낸 바와 같이, 병렬의 고정 리액턴스와 함께 또는 그것이 없이, 2개 이상의 가변 가포화 리액턴스(가변-임피던스 션트들)를 포함하는 한류기내에 사용될 수 있음에 주목한다.
가포화 코어(들)의 포화는 또한, 반드시 션트코일에 의하여 부분적으로 둘러싸인 가포화 코어에 권회되어야 할 필요는 없는 코일에 의하여 생성된 간접 자계를 인가함으로써 달성될 수도 있다. 상기에서 언급된 모든 가포화 선택사항들은, 포화를 촉발하는 포화코일이 코어 주위(상술한 바와 같이) 또는 외부에 권취된 것이건, 가변-임피던스 션트의 포화를 촉발하기 위하여 필요한 자계를 생성하도록 다른 코어의 둘레에 권취되거나 또는 권취되지 않은 것이건 사용될 수 있는 것이다. 이는 또한, 어떠한 움직이는 자석 또는 제어가능한 외부 자계의 수단에 의하여 외부 자계를 인가함으로써도 달성될 수 있다. 코어들은 직선형이거나 또는 토로이드 구성에 유사한 형상을 가질 수 있다. 가포화 코일 및 션트 코일은, 션트코일에 의하여 둘러싸인 코어내에서 포화의 간접적인 촉발을 달성하도록 제한없이 상이한 조합과 위치 및 형상내에 놓일 수 있다. 이러한 조합의 특정한 예는, 예시적으로 도 18A 내지 18D로 도시되어 있다.
도 18A 에 있어서, 제 1 코어(1800)는 부분적으로 션트코일(1810)에 의하여 둘러싸여 있으며, 제 2 코어(1801)는 도 14 내지 도 17과 관련하여 상기에서 기술된 바와 같이 제어되는 포화코일(1811)에 의하여 부분적으로 둘러싸여 있다. 도 18B에 있어서, 원통형의 코어(1800')는 션트 코일(1810')에 의하여 부분적으로 둘러싸여 있으며, 포화는 포화코일(1811')을 통하여 자계를 구축함으로써 간접적으로 제어된다. 도 18C에 있어서, 토로이드 형상의 코어(1800)는 션트코일(1810)에 의하여 부분적으로 둘러싸이며, 포화는 포화코일(1811")에 의하여 제어되는데, 이는 토로이드 형상 코어(1800)를 통과해 지나가는 것으로 도시된다. 도 18D에 있어서, 토로이드 형상 코어(1800)와 션트코일(1810)은 포화코일(1811')에 의하여 포위되어 있다.
비록 본 명세서에서는 가변-임피던스 션트가 가변 인덕터들과 관련된 것으로서 기술되어 있으나, 언급된 가변-임피던스들은 그에 의하여 임피던스가 변화될 수 있는 3개, 즉, 션트의 저항값, 유도값 및/또는 용량값을 변화시키는 가능한 접근방법 중의 어느 것을 언급하는 것이다. 저항성, 유도성 및 용량성 부품을 가진 많은 수의 가변-임피던스 설계가 현재 존재한다. 비록 본 발명은 몇몇 가변적인 유도성 선택예를 기술하고 있지만, 가변 저항성 또는 용량성 임피던스가 마찬가지로 채택될 수 있다. 가변-임피던스 션트들은 포화된 유도성 부하와 함께, 본 명세서에서 기술된 바와 같은, 부여된 임피던스 기울기에 정합하도록 그룹으로 놓여질 수 있다. 따라서, 기술된 개념들은 어떠한 토폴로지의 초전도 한류기내에서 사용되는(본 명세서에서 기술된 바와 같은) 초전도 소자와 병렬인 어떠한 가변-임피던스 션트의 사용을 말하는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 어떠한 가변콘덴서, 인덕터 또는 저항 설계도 채택될 수 있으며, 기술된 장비의 역동성을 제고할 수 있다. 또한, 어떠한 전류손실을 피하기 위하여 전류 주파수의 표면깊이에 상당하는 두께를 가진 라미네이트 코어들도 사용될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 하나 이상의 제어 양상은, 예를 들면 컴퓨터로 사용할 수 있는 매체를 가지는 제품(예를 들면, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품)에 포함될 수 있다. 이러한 매체는, 예를 들면 본 발명의 가능성을 제공하고 이용하기 위한 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드 수단 또는 로직(예를 들면,지령, 코드, 명령등)이다. 제품은 컴퓨터 시스템의 일부로서 포함될 수 있거나 또는 별도로 판매될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 제어 실시형태와 결합된 제품 또는 컴퓨터 프로그램 제품의 한 예는, 예를 들면 본 발명의 하나 이상의 실시형태를 제공하고 이용하기 위한 컴퓨터를 판독가능한 프로그램 코드수단이나 로직을 저장하기 위한 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함한다. 이러한 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 수퍼콘덕터 시스템(또는 장치 또는 기구) 또는 전달매체이다. 컴퓨터로 판독가능한 매체의 예로서는, 수퍼 콘덕터 또는 솔리드 스테이트 메모리, 자기 테이프, 삭제가능한 컴퓨터 디스켓, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 기억장치(ROM), 강성 자기 디스크 및 광학 디스크를 들 수 있다. 광학 디스크의 예로서는, 컴팩트 디스크 읽기 전용 기억장치(CR-ROM), 컴팩트 디스크 읽기/쓰기 장치(CD-R/W) 및 DVD 를 들 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드 수단 또는 논리에 의하여 규정된 하나 이상의 상호관련된 모듈의 논리적 조합 또는 프로그램 지령의 순서는 본 발명의 하나 이상의 제어 실시형태의 수행을 지시한다.
비록 다양한 실시예들이 앞서 기술되었지만, 이들은 단지 예시일 뿐이다.
또한, 프로그램 코드를 저장 및/또는 실행하기에 적절한 데이터 처리 시스템으로서, 시스템 버스를 통하여 메모리 요소에 직접 또는 간접적으로 결합된 적어도 한 개의 프로세서를 포함한 것이 사용가능하다. 메모리 요소는, 예를 들어, 프로그램 코드의 실제 실행시에 채택된 국부 메모리, 벌크 저장장치, 및 실행시에 벌크 저장장치로부터 불러와야 하는 코드의 횟수를 감소하기 위하여 적어도 일부 프로그램 코드의 일시적인 저장을 제공하는 캐시 메모리를 포함한다.
입력/출력 또는 I/O 장치(한정되는 것은 아니지만, 키보드, 디스플레이, 포인팅 장치, DASD, 테이프, CD, DVD, 썸드라이브(thumb drive), 및 기타 메모리 매체등)들이, 매개하는 I/O 컨트롤러를 통하여 또는 직접적으로 시스템에 결합될 수 있다. 데이터 처리장치가 다른 데이터 처리 시스템 또는 원격 프린터 또는 저장장치에 매개하는 개인용 또는 공용 네트워크를 통하여 결합될 수 있도록, 네트워크 어댑터들이 시스템에 결합될 수도 있다. 모뎀, 케이블 모뎀 및 이더넷 카드들은 네트워크 어댑터의 가용한 방식 중의 불과 몇 개에 지나지 않는다.
본 발명의 하나 이상의 제어 실시형태의 가능성들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 이들의 어떤 조합으로 실시될 수 있다. 본 발명의 가능성을 수행하기 위하여 기계에 의해 실행가능한 적어도 한개의 지령의 프로그램을 실시하는 기계에 의하여 판독가능한 적어도 한개의 프로그램 저장장치가 제공될 수 있다.
본 명세서에서 예시된 플로우 다이어그램은 하나의 예에 지나지 않는다. 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서, 본 명세서에서 기술된 스텝(또는 오퍼레이션) 또는 이 다이어그램에 대한 많은 변형이 있을 수 있다. 예를 들어, 특정한 스텝은 순서를 달리하여 수행될 수 있거나, 또는 스텝들이 추가, 삭제 또는 변형될 수 있다. 이러한 모든 변형들은 특허가 청구된 발명의 일부로서 고려된다.
비록 실시예들은 본 명세서에서 도시 및 기술되었으나, 당업자에게 있어서는 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서 다양한 변경, 부가, 대체 등이 만들어질 수 있음이 명백하며, 따라서 이하의 특허청구의 범위내에서 규정된 바에 따라 본 발명의 범위내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (22)

  1. 그를 통과하는 고장전류를 적어도 부분적으로 저항방식 또는 유도방식으로 제한하도록 구성되는 초전도 소자; 및,
    초전도 소자와 전기적으로 병렬접속되는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트로서, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는, 초전도 소자의 초전도 상태 시에는 제1 임피던스를 나타내고, 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이 시에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성되며, 초전도 소자는 고장전류에 대응하여 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이하고, 그에 대응하여 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하며, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 제2 임피던스는 제1 임피던스 보다 낮으며, 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로의 적어도 한 개의 가변-임피던스의 천이는, 초전소 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이하는 동안 전류가 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 통하여 흐르는 것을 용이하게 하며, 그에 의하여 부하상태의 초전도 소자의 회복을 용이하게 하는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 포함하는 초전도 한류기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    초전도 소자가 적어도 부분적으로 제한된 고장전류로부터 회복되는 것에 대응하여, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는 그 후에 제2 임피던스로부터 제1 임피던스로 천이하고, 적어도 부분적 회복은, 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 되돌아오는 천이시에 초전도 소자를 통하는 문턱치 전류에 도달하는 것을 포함하는 초전도 한류기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는, 적어도 한개의 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성된 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일을 포함하며, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일을 통한 임피던스를 변화시키기 용이하도록, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일과 적어도 한 개의 코어는 동축적으로 배열되고 상호간에 대하여 이동가능하며, 초전도 한류기는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 임피던스가 제1 임피던스와 제2 임피던스의 사이에서 천이하기 용이하도록 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일에 대한 적어도 한 개의 코어의 위치를 제어하는 제어기를 추가로 포함하는 초전도 한류기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는, 다수의 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성되는 다수의 가변-임피던스 션트코일을 포함하며, 각 가변-임피던스 션트코일은 다수의 코어들의 각 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 구성되며, 제어기는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 임피던스를 제1 임피던스와 제2 임피던스의 사이에서 천이하기 용이하도록 그의 각 가변-임피던스 션트코일에 대한 각 코어의 위치를 제어하는 초전도 한류기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는 적어도 한 개의 가포화 코어(saturatable core)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일을 포함하며, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일을 통한 임피던스는 적어도 한 개의 가포화 코어의 포화에 따라 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하는 초전도 한류기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각 가변-임피던스 션트코일은 다수의 가포화 코어들을 적어도 부분적으로 둘러싸는 초전도 한류기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    초전도 소자 및 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트와 전기적으로 병렬 결합된 고정 임피던스를 추가로 포함하며, 고정 임피던스는 초전도 소자와의 병렬상태 일 때 최소 임피던스를 보장하는 초전도 한류기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    초전도 소자와 전기적으로 병렬결합되는 다수의, 직렬접속된, 가변-임피던스 션트를 추가로 포함하며, 다수의, 직렬 접속된, 가변-임피던스 션트들의 각 가변-임피던스 션트는, 각 가포화 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸는 가변-임피던스 션트코일을 포함하는 초전도 한류기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    다수의, 직렬 접속된, 가변-임피던스 션트의 각 가변-임피던스 션트는, 가변-임피던스 션트코일과 병렬인 각 고정 임피던스를 추가로 포함하며, 다수의, 직렬 접속된, 가변-임피던스 션트의 적어도 2개의 가포화 코어들은 상이한 포화특성을 포함하는 초전도 한류기.
  10. 제 5 항에 있어서,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트가 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하는 것을 용이하게 하도록, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸인 적어도 한 개의 가포화 코어의 포화를 능동적으로 제어하기 위한 포화 제어기를 추가로 포함하는 초전도 한류기,
  11. 제 10 항에 있어서,
    포화 제어기는, DC 포화 제어기, AC 포화 제어기 또는 주파수 포화 제어기 중의 하나를 포함하는 초전도 한류기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    포화 제어기는, 적어도 한 개의 가포화 코어의 포화를 제어하기 위하여 적어도 한 개의 가포화 코어에 선택적으로, 자기적으로 결합하도록 배치된 영구자석, 또는 전류가 통할 때 적어도 한 개의 가포화 코어의 포화를 제어하기 위하여 적어도 한 개의 가포화 코어에 자기적으로 결합하도록 배치되는 포화코일 중의 하나를 포함하며, 그에 의하여 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로의 천이를 용이하게 하는 초전도 한류기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    포화 제어기는, 포화코일을 포함하며, 포화코일은 적어도 한 개의 가포화 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸는 초전도 한류기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    포화 제어기는, 포화 코일을 포함하며, 포화코일은 적어도 한 개의 가포화 코어에 인접하지만, 둘레를 권취하지는 않도록 배치되는 초전도 한류기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    포화코일은 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일을 둘러싸고, 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트코일은 적어도 한 개의 가포화 코어를 적어도 부분적으로 둘러싸거나, 또는 적어도 한 개의 가포화 코어를 적어도 부분적으로 통과하는 초전도 한류기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    직렬접속되며 저항방식으로 또는 유도방식으로 고장전류를 제한하도록 구성된 다수 개의 초전도 소자를 추가로 포함하며, 각 초전도 소자는 병렬로 결합된 다수의 초전도 세그먼트(segments)를 포함하는 초전도 한류기.
  17. 전기적으로 직렬접속된 다수 개의 한류 모듈로서, 각 한류 모듈은 적어도 한 개의 초전도 소자를 포함하며, 각 초전도 소자는 초전도 상태로부터 정상저항 상태로의 천이에 의하여 그를 통해 지나가는 고장전류를 적어도 부분적으로 제한하도록 구성된 적어도 한 개의 초전도 세그먼트를 포함하는 한류 모듈; 및,
    다수 개의 가변-임피던스 션트로서, 각 가변-임피던스 션트는 다수 개의 한류 모듈들의 각 한류 모듈과 연계되며, 각 가변-임피던스 션트는 고장전류 시에는 제1 임피던스를 나타내고, 연계된 한류 모듈의 적어도 한 개의 초전도 소자의 적어도 한 개의 초전도 세그먼트가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이 시에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성되며, 다수 개의 한류 모듈의 초전도 세그먼트들은 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함으로써 함께 고장전류를 해제하고, 그에 대응하여, 다수개의 가변-임피던스 션트들은 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하고, 제2 임피던스는 제1 임피던스보다 낮은 션트 임피던스이고 각 한류 모듈의 적어도 한 개의 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로의 회복천이시에 그를 통하여 전류가 용이하게 흐르도록 하며, 그에 의하여 부하상태에서의 적어도 한 개의 초전도 소자의 회복을 용이하게 하는 초전도 한류기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    각 초전도 소자는 전기적으로 병렬접속된 다수 개의 초전도 세그먼트를 포함하는 초전도 한류기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    각 한류 모듈은, 전기적으로 직렬접속된 적어도 한 개의 초전도 소자를 포함하며, 각 초전도 소자는 전기적으로 병렬접속된 다수 개의 초전도 세그먼트를 포함하는 초전도 한류기.
  20. 제 17 항에 있어서,
    각 가변-임피던스 션트는 연계된 한류 모듈내의 적어도 한 개의 초전도 소자의 적어도 한 개의 초전도 세그먼트가 고장전류로부터 적어도 부분적으로 회복함에 대응하여 제2 임피던스로부터 제1 임피던스로 천이하고, 적어도 부분적 회복은, 적어도 한 개의 초전도 세그먼트가 그의 정상저항 상태로부터 부하하의 초전도 상태로의 천이시 적어도 한 개의 초전도 세그먼트를 통하여 흐르는 문턱치 전류에 도달하는 것을 포함하는 초전도 한류기.
  21. 초전도 상태로부터 정상저항 상태로 천이함으로써 그를 통과하는 고장전류를 적어도 부분적으로 저항방식 또는 유도방식으로 제한하도록 구성되는 초전도 소자와, 고장전류시에는 제1 임피던스를, 초전도 소자가 정상저항 상태로부터 초전도 상태로 회복천이할 때에는 제2 임피던스를 나타내도록 구성되는 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 전기적으로 병렬로 접속하는 단계를 포함하며;
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트의 제2 임피던스는 제1 임피던스 보다 낮은 임피던스이고,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트가 제1 임피던스로부터 제2 임피던스로 천이하는 것은, 고장전류를 제한한 후 초전도 소자가 정상 저항 상태로부터 초전도 상태로 되돌아 오는 회복 천이시에 적어도 한 개의 가변-임피던스 션트를 통하여 전류가 흐르는 것을 용이하게 하고, 그에 의하여 부하상태의 초전도 소자의 회복을 용이하게 하는 초전도 한류기의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    적어도 한 개의 가변-임피던스 션트는 그 후에 초전도 소자가 적어도 부분적으로 고장전류로부터 회복되는 것에 대응하여 제2 임피던스로부터 제1 임피던스로 복귀천이하도록 제조되고, 적어도 부분적 회복은, 초전도 소자가 그의 정상저항 상태로부터 부하하의 초전도 상태로의 천이시에 초전도 소자를 통하는 문턱치 전류에 도달하는 것을 포함하는 방법.
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