KR20130100745A - 3상 초전도성 송전 소자를 구비한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체가 냉각제가 통과하는 중공을 갖는 단열 튜브 형태의 저온 유지 장치 내에 배열되는, 3상 초전도성 송전 소자를 구비한 시스템에 관한 것이다. 상기 송전 소자는 동일하게 구성된 적어도 두 개의 케이블(K1, K2)을 구비하고, 각각의 케이블은 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체(L1, L2, L3)를 가진다. 상기 두 개의 케이블(K1, K2)의 상 도체(L1, L2, L3)는, 하나의 케이블의 각각의 상 도체가 다른 케이블의 상 도체와 연결되도록 전기적으로 병렬 연결된다.

Description

3상 초전도성 송전 소자를 구비한 시스템{SYSTEM WITH A THREE-PHASE SUPERCONDUCTING ELECTRICAL TRANSMISSION ELEMENT}

본 발명은 3상 초전도성 송전 소자를 구비한 시스템에 관한 것으로, 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체가 냉각제가 통과하는 중공을 가지는 단열 튜브 형태의 저온 유지 장치 내에 배열되는 송전 소자를 구비한 시스템에 관한 것이다(WO 2004/013868 A2).

현재의 기술 수준에서 초전도성 케이블은 복합 재료로 구성된 전기 도체를 구비하며, 복합 재료는 충분히 낮은 온도에서 초전도성 상태로 변하는 세라믹 재료를 포함한다. 이러한 재료로 구성된 도체의 직류 저항은 정해진 전류 강도가 초과 되지 않을 경우, 충분히 냉각된 상태에서 0이다. 예를 들어, 적합한 세라믹 재료는 제1 세대 재료로서 BSCCO(비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물) 또는 제2 세대 재료로서 ReBCO(희토류-바륨-구리-산화물), 특히 YBCO(이트륨-바륨-구리-산화물)가 있다. 이와 같은 재료를 초전도성 상태로 변화시키기 위한 충분히 낮은 온도는 예를 들어 67K 내지 90K이다. 적합한 냉각제로는 예를 들어, 질소, 헬륨, 네온 및 수소 또는 이러한 물질의 혼합물이 있다.

전술한 WO 2004/013868 A2에 공지된 시스템은 송전 소자(electric transmission element)로서 초전도성 전기 케이블을 구비하며, 이 전기 케이블에는 세 개의 상 도체가 서로 절연되어 동심으로 배열되어 있다. 또한, 또 다른 절연 층을 포함하는 경우 중성선(neutral conductor)으로 둘러싸인 세 개의 상 도체에 네 번째 상 도체가 동심으로 설치될 수 있다. 초전도성 재료로 구성된 네 개의 도체를 구비한 집약적 배열은 저온 유지 장치 내에 설치되고, 전달 소자 시스템 작동시 초전도성에 도달하기 위해 냉각된다. 각각의 상 도체는 초전도성 밴드로 구성된 다수의 층으로 이루어져 있다. 밴드의 수량 및 도체의 횡 단면은 전송 출력에 의존한다.

본 발명의 목적은 전술한 방식의 시스템을 위한 전달 소자의 구성을 단순화하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은,

- 상기 송전 소자는 동일하게 구성된 적어도 두 개의 케이블을 구비하고, 각각의 케이블은 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체를 가지며,

- 상기 두 개의 케이블의 상 도체는, 하나의 케이블의 각각의 상 도체가 다른 케이블의 상 도체와 연결되도록 전기적으로 병렬 연결됨으로써 달성된다.

적어도 두 개의 케이블로 구성된 송전 소자의 구성으로 인해 두 개의 케이블의 상 도체 횡단면은 송전 소자의 일체형 버전에 비해 작게 형성될 수 있으며, 대응하여 더욱 단순하게 제조될 수 있다. 케이블은 동일하게 구성된다. 따라서, 서로 연결되는 소정 길이의 케이블 길이와 별도로, 3상 케이블은 긴 길이로 제조될 수 있다. 이로 인해 상기 시스템을 위한 송전 소자의 제조가 더 단순화된다. 이러한 시스템의 케이블 상 도체의 적절한 설계에 의해, 종래 시스템과 비교하여 상당히 높은 출력을 전달할 수 있다. 동일한 출력의 경우 종래 시스템에 비해 전기 손실이 감소되며, 그 이유는 케이블에서 적은 자기장이 발생하기 때문이다. 또한 케이블 사이에는 자장이 영향을 미치지 못한다.

바람직한 실시 형태에서 시스템의 전달 소자를 위해 동일하게 구성된 세 개의 케이블이 사용되며, 상기 케이블의 상 도체는 순환적으로 위치 교환하여 전기적으로 병렬 연결된다. 이로 인해, 개별 상(phase)을 위한 전기 매개 변수가 동일하고 시스템이 전기적으로 균형을 이루게 된다.

케이블이 서로 꼬여 있는 경우, 시스템이 냉각될 때 열 수축으로 인해 전반적으로 발생하는 힘이 감소된다.

이하에서는 본 발명을 도면을 참조한 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템에서 사용될 수 있는 초전도성 케이블의 기본적인 구성의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예를 도 1 보다 축소된 형태로 도시한 단면도,
도 3은 시스템에서 사용되는 케이블의 전기 접속을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 케이블의 전기 접속을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 시스템은 전달 소자로서 동일하게 구성된 적어도 두 개의 케이블을 구비하며, 케이블의 상 도체는 병렬로 연결된다. 이하에서는 바람직한 실시예로서 세 개의 케이블을 구비한 시스템도 기술된다. 먼저, 도 1을 참조하여 시스템에 사용되는 초전도성 케이블의 기본 구성을 설명한다.

도 1에 따른 초전도성 케이블은 서로 동심으로 배열된 초전도성 상 도체(L1, L2, L3)를 구비한다. 상 도체(L1, L2)는 절연체로 구성된 층(1, 2)을 통해 서로 절연되어 있다. 바깥에 놓인 상 도체(L3) 둘레에는 절연체로 구성된 또 다른 층(3)이 배열되며, 이 층 위에는 중성선(도시되지 않음)이 추가로 배열될 수 있다. 이러한 중성선은 예를 들어 비대칭적 전력 시스템의 부하가 걸릴 때 모든 상 도체를 위한 공통 귀로 도체일 수 있다. 안쪽의 상 도체(L1)는 지지체(4) 둘레에 제공되며, 이 지지체는 도시된 실시예에서 튜브로 형성되어 있다. 또한, 지지체(4)는 경성 코일일 수 있다. 또한, 튜브형 지지체(4)를 가진 케이블과 경성 지지체(4)를 가진 케이블을 제공하는 것도 가능하다. 지지체(4)는 금속, 특히 스테인리스 스틸, 또는 플라스틱으로 구성될 수 있다. 금속으로 구성된 튜브형 지지체는 횡방향으로 주름이 형성될 수도 있다.

도 2는 초전도성 전달 소자를 구비한 시스템을 도시하고 있으며, 이 시스템은 도시된 실시예에서 두 개의 케이블(K1, K2)로 구성된다. 상기 케이블은 도 1에 따른 케이블에 대응하는 구성과 동일하게 형성된다. 케이블은 바람직하게는 긴 간격으로 서로 스트랜딩 되어 있다. 꼬임 길이는 예를 들어 케이블의 지름(D)에 대하여 5 x D 내지 15 x D 사이이다. 케이블(K1, K2)은 저온 유지 장치(KR) 내에 배열되며, 이 저온 유지 장치는 냉각제가 관통되는 중공(HR)을 둘러싸고 있다. 케이블(K1, K2) 중 적어도 하나의 케이블의 지지체(4)가 튜브일 경우, 냉각제는 추가로 상기 튜브를 통하여 가이드 될 수 있다.

상기 저온 유지 장치(KR)는 예를 들어 간격을 두고 서로 동심으로 배열된 금속 튜브(5 및 6)로 구성되며, 튜브 사이에 진공 절연체(7)가 배열된다. 상기 저온 유지 장치는 적어도 하나의 단열 금속 튜브를 구비한다. 상기 튜브(5, 6) 및 필요할 경우 제공되는 단열 튜브는 바람직하게는 스테인리스 스틸로 구성된다. 상기 튜브는 바람직하게는 횡방향으로 주름이 형성될 수 있다.

도 3은 두 케이블(K1, K2)의 상 도체(L1, L2, L3)의 가능한 전기 접속을 암시적으로 도시하고 있다. 두 케이블의 각각의 상 도체(L1, L2, L3)는 전기적으로 병렬로 연결되어, 전압 발생원과 연결될 때 및 가이드 된 케이블과 연결될 때 각각 대응하는 도전성 부분을 갖는 상 도체처럼 작용한다. 도 3에 도시된 것과 달리, 예를 들어 두 개의 케이블 중 하나의 케이블(K1 또는 K2)의 상 도체(L1)는 다른 케이블의 상 도체(L2 또는 L3)와 연결될 수도 있다. 상 도체 연결을 위해, 초전도성 와이어(8)가 사용될 수 있으며, 이 와이어는 초전도성 재료로서 바람직하게는 ReBCO 또는 BSCCO를 포함한다.

바람직한 실시예로서, 도 4에 따른 시스템의 전달 소자는 세 개의 초전도성 케이블(K1, K2, K3)로 구성되며, 이 케이블들은 바람직하게는 긴 간격으로 서로 꼬여 있다. 이러한 세 개의 케이블도 도 1에 따른 케이블에 대응하는 구성과 동일하게 구성된다. 케이블의 세 개의 상 도체(L1, L2, L3)는 이하에서 편의상 "내부 도체(L1)", 중간 도체(L2)", "외부 도체(L3)"로 표기한다.

상기 케이블(K1, K2, K3)은 각각 내부 도체(L1)와 중간 도체(L2) 및 외부 도체(L3)를 병렬로 연결하도록 기본적으로 서로 도전성 연결될 수 있다. 상기 케이블(K1, K2, K3)의 상 도체 연결은 바람직한 실시예에서 도 5에 도시된 바와 같이 상 도체의 순환하는 위치 교환으로 실시된다. 상기 전달 소자는 이로 인해 전기적으로 균형을 이루게 된다. 따라서, 정상 작동시 케이블에 미치는 자장 영향이 배제될 수 있다.

도 5는 도 3과 유사하게 세 개의 케이블의 세 개의 상 도체를 단지 암시적으로 도시하고 있다. 상 도체는 초전도성 재료로서 바람직하게는 ReBCO 또는 BSCCO를 포함하는 초전도성 와이어(8)를 통해 예를 들어 아래와 같이 서로 연결될 수 있다.

케이블(K1)의 외부 도체(L3)는 케이블(K2)의 중간 도체(L2)와 케이블(K3)의 내부 도체(L1)와 연결된다. 케이블(K1)의 중간 도체(L2)는 케이블(K2)의 내부 도체(L1)와 케이블(K3)의 외부 도체(L3)와 연결된다. 또한, 케이블(K1)의 내부 도체(L1)는 케이블(K2)의 외부 도체(L3)와 케이블(K3)의 중간 도체(L2)와 연결된다. 세 개의 케이블의 상 도체는 위치 교환으로 서로 병렬로 연결되어 있다. 전달 소자의 입구 및 출구에는 상 도체의 횡 단면에 대응하는 도전성 횡 단면을 갖는 세 개의 초전도성 접속 도체(A1, A2 및 A3)가 제공된다.

Claims (4)

1. 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체가 냉각제가 통과하는 중공을 갖는 단열 튜브 형태의 저온 유지 장치 내에 배열되는, 3상 초전도성 송전 소자를 구비한 시스템에 있어서,
   - 상기 송전 소자는 동일하게 구성된 적어도 두 개의 케이블(K1, K2)을 구비하고, 각각의 케이블은 서로 절연되고 동심으로 배열된 세 개의 초전도성 전기 상 도체(L1, L2, L3)를 가지며,
   - 상기 두 개의 케이블(K1, K2)의 상 도체(L1, L2, L3)는, 하나의 케이블의 각각의 상 도체가 다른 케이블의 상 도체와 연결되도록 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 송전 소자는 세 개의 케이블(K1, K2, K3)을 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   첫 번째 케이블의 내부 상 도체(L1)가 두 번째 케이블의 중간 상 도체(L2) 및 세 번째 케이블의 외부 상 도체(L3)와 연결되도록, 세 개의 케이블(K1, K2, K3)의 상 도체(L1, L2, L3)는 순환적으로 위치 교환하여 서로 도전성 연결되며, 여기서 상기 세 개의 케이블(K1, K2, K3)은 상기 상 도체가 연결되는 첫 번째 케이블, 두 번째 케이블 및 세 번째 케이블인 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 케이블(K1, K2, K3)은 서로 꼬여 있는 것을 특징으로 하는 시스템.

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