KR20160020925A - 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기 - Google Patents

외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기에 관한 것으로, 상온부 도체(120)와 극저온부 도체(130)를 전기적으로 연결하며 내부에 절연가스를 가압상태로 유지하여 단열 및 절연을 수행하는 극저온 부싱(100)과, 상기 상온부 도체(120)의 외부 접속부(125)에 연결되어 전력의 입출력을 행하며 상기 외부 접속부(125)의 온도를 얼음이 얼지 않는 온도로 유지하기 위하여 다수의 열교환 구멍(230)이 형성된 외부 접속자(200)를 포함한다.
본 발명은 외부 접속자에서 열교환이 활발히 일어나도록 구성하므로 극저온부 도체의 접촉부에서 빼앗기는 열을 충분히 보충할 수 있어 극저온 부싱이 제 역할을 충분히 할 수 있도록 하는 이점이 있다.

Description

외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기{SUPERCONDUCTING APPARATUS WITH OUTSIDE CONNECTOR}
본 발명은 초전도 전력기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 소자를 외부의 부품들과 전기적으로 연결해주는 부싱의 단말에 외부 접속자를 구비하되 열교환이 원활하도록 구성한 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기에 관한 것이다.
초전도 전력기기는 초전도 케이블, 초전도 변압기, 초전도 한류기, 초전도 모터, 초전도 발전기, 초전도 에너지저장장치 등이 있다.
이 중 초전도 한류기는 액체 질소로 냉각되는 극저온환경에서 사용하기 때문에 외부의 부품들과 초전도 소자를 전기적으로 연결해주는 극저온 부싱을 사용한다.
극저온 부싱의 일종으로 SF6 가스를 사용한 절연방식의 극저온 가스부싱이 있다.
극저온 가스부싱의 경우 액체 질소에 담긴 도체를 통한 열전달에 의해 공기 중으로 노출된 부싱의 단말 온도가 서서히 내려가게 되는데, 이 단말에 수분이 응축되고 어는 순간 단열효과에 의해 부싱의 단말 온도가 급격히 떨어지게 된다. 따라서 극저온 부싱의 밀봉 부분의 온도가 따라 내려가면서 온도차에 의해 밀봉이 깨어질 수 있다.
극저온 부싱의 밀봉이 깨어지면 절연가스 누출이 발생하고 고전압 절연이 유지되지 못하는 문제가 발생한다.
국내등록특허 제0642538호(명칭:극저온 기기의 단말 구조, 공개일:2003년02월11일)
본 발명의 목적은 초전도 소자를 외부의 부품들과 전기적으로 연결해주는 부싱의 단말에 외부 접속자를 구비하되 열교환이 원활하도록 구성하여 외부 접속자의 온도를 얼음이 얼지 않도록 유지함으로써 극저온 부싱의 절연가스 기밀을 유지할 수 있도록 한 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 상온부 도체와 극저온부 도체를 전기적으로 연결하며 내부에 절연가스를 가압상태로 유지하여 단열 및 절연을 수행하는 극저온 부싱과, 상기 상온부 도체의 외부 접속부에 연결되어 전력의 입출력을 행하며 상기 외부 접속부의 온도를 얼음이 얼지 않는 온도로 유지하기 위하여 다수의 열교환 구멍이 형성된 외부 접속자를 포함한다.
상기 외부 접속자는 상기 외부 접속부를 감싸 밀착되도록 하부에 상기 외부 접속부에 대응되는 내경을 갖고, 서로 대응되는 위치에 상호 체결을 위한 체결공이 각각 다수 개 형성된 제1 및 제2몸체부와, 상기 제1 및 상기 제2몸체부의 내경이 상기 외부 접속부에 밀착된 상태에서 상기 제1몸체부의 체결공과 상기 제2몸체부의 체결공을 관통하여 체결되어 상기 제1 및 제2몸체부를 상기 외부 접속부에 일체로 고정시키는 체결부재를 포함한다.
상기 열교환 구멍은 상기 외부 접속자의 외면을 따라 다수 개가 형성되며, 상기 제1 및 제2몸체부의 외면에서 내측으로 홈을 파내어 형성된 것이다.
상기 열교환 구멍은 원 형태, 타원 형태, 슬릿 형태 중 하나 또는 둘 이상의 형태로 형성된다.
상기 열교환 구멍은 상기 외부 접속자의 하부에서 단부가 상기 제1 및 제2몸체부의 내경과 이격되게 형성된다.
본 발명은 외부 접속자에 다수의 열교환 구멍을 형성하여 외부 접속자에서 열교환이 활발히 일어나도록 구성하므로 극저온부 도체의 접촉부에서 빼앗기는 열을 충분히 보충할 수 있어 극저온 부싱의 절연가스 기밀을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 열교환 구멍이 외부 접속자에 음각으로 형성되므로 고전압 방전의 문제를 발생하지 않으면서 외부 접속자의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수있다.
따라서, 본 발명은 극저온 부싱이 적용되는 초전도 전력기기를 안정적으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기에서 극저온 부싱 부분을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예로 외부 접속자를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예로 외부 접속자의 정면(a) 및 A-A 단면(b)을 보인 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로 외부 접속자의 횡단면(a) 및 정면(b)을 보인 도면.
도 5는 본 발명의 열교환 구멍을 형성한 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우 극저온 부싱에서 단열 스페이서와 상온부 도체의 접합부 온도를 보인 도면.
도 6은 열교환 구멍을 형성하지 않은 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우, 극저온 부싱에서 단열 스페이서와 상온부 도체의 접합부 온도를 보인 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상온부 도체(120)와 극저온부 도체(130)를 전기적으로 연결하며 내부에 절연가스를 가압상태로 유지하여 단열 및 절연을 수행하는 극저온 부싱(100)과, 상온부 도체(120)의 외부 접속부(125)에 연결되어 전력의 입출력을 행하며 외부 접속부(125)의 온도를 얼음이 얼지 않는 온도로 유지하기 위하여 다수의 열교환 구멍(230)이 형성된 외부 접속자(200)를 포함한다.
초전도 전력기기는 초전도 소자를 이용한 모든 전력기기를 의미하며, 본 발명에서는 초전도 전력기기의 일 예로서 한류기를 설명한다.
극저온 부싱(100)은 상온부 도체(120)와 액체 질소와 접촉하는 극저온부 도체(130)를 전기적으로 연결해주는 역할을 한다. 상온부는 25℃, 극저온부는 -196℃ 정도가 된다.
극저온부 도체(130)는 액체 질소가 충진되는 냉각조에 수용된 초전도 소자와 연결된다. 극저온부 도체(130)는 일단에 액체 질소에 접촉되며 초전도 소자와 연결되는 접촉부(135)를 구비하며, 타단은 접합부(150)를 매개로 단열 스페이서(140)에 고정된다.
단열 스페이서(140)는 극저온 부싱 본체(110)의 하부를 폐쇄하며 극저온 부싱 본체(110) 내부의 절연가스를 가압상태로 유지하여 절연상태를 높여주는 역할을 한다. 극저온 부싱 본체(110)의 하부와 단열 스페이서(140) 사이는 오링(160)을 사용하여 기밀성을 유지한다.
단열 스페이서(140)는 섬유강화 플라스틱(FRP) 재질로 이루어진다. 섬유강화 플라스틱 재질은 일반 플라스틱에 비해 인장강도가 높고 가벼우며 극저온에서 전기적 절연성능이 우수하다.
극저온 부싱 본체(110)의 외면에는 세라믹 또는 고분자 애자 등의 절연물(170)을 설치하여 단열 스페이서(140)와 함께 고전압 절연이 가능하게 한다. 절연가스는 SF6 가스를 사용한다.
접합부(150)는 극저온부 도체(130), 단열 스페이서(140), 상온부 도체(120)를 연결한다. 따라서 접합부(150)를 매개로 상온부 도체(120)가 극저온부 도체(130)와 연결된다. 상온부 도체(120)는 극저온 부싱 본체(110)의 내부를 관통하여 배치되며 말단이 극저온 부싱 본체(110)의 상부로 노출되어 외부 접속부(125)를 형성한다.
극저온 부싱 본체(110)의 상부는 상온부 도체(120)의 말단이 외부로 노출되되 극저온 부싱(100) 내부의 기밀이 유지되게 절연커버(180)를 이용하여 고정한다. 상온부 도체(120)는 알루미늄 또는 구리 도체가 적용될 수 있다.
외부 접속부(125)에는 초전도 소자를 외부의 부품들과 전기적으로 연결해주기 위한 외부 접속자(200)가 연결된다.
외부 접속자(200)는 설치장소가 지면으로부터 5m 이상의 허공으로 공냉이 가능한 위치이므로 공기와의 열교환이 원활하도록 구성한다.
극저온 부싱(100)을 사용하는 초전도 전력기기의 경우, 극저온부 도체(130)를 통한 열전달에 의해 공기 중에 노출된 외부 접속부(125)의 온도도 서서히 내려가게 되는데, 외부 접속부(125)에 수분이 응축되고 어는 순간 이 얼음이 단열층을 형성해 외부 접속부(125)의 온도를 더 급격히 떨어뜨리게 된다.
외부 접속부(125)의 온도가 급격히 떨어지면 극저온 부싱(100)에서 단열 스페이서(140)와 상온부 도체(120)의 접합부(150)에 해당하는 기밀 부분의 온도를 허용치 이하로 낮추게 되므로 기밀이 파손되고 절연 가스가 누설되어 고전압 절연을 유지하기 어렵게 된다.
따라서, 공냉 방법으로 외부 접속부(125)의 온도를 지속적으로 얼음이 얼지 않는 온도로 유지하기 위하여 외부 접속자(200)에 열교환 구멍(230)을 형성한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 외부 접속자(200)는 외부 접속부(125)를 감싸 밀착되도록 하부에 외부 접속부(125)의 외경에 대응되는 내경(210a,220a)을 갖고, 서로 대응되는 위치에 상호 체결을 위한 체결공(210b,220b)이 각각 다수 개 형성되며 외면이 반원형상으로 형성된 제1몸체부(210)와 제2몸체부(220)를 포함한다.
이러한 외부 접속자(200)는 제1몸체부(210)와 제2몸체부(220)의 내경(210a, 220a)이 외부 접속부(125)에 밀착된 상태에서 제1몸체부(210)의 체결공(210b)과 제2몸체부(220)의 체결공(220b)을 관통하여 체결되는 체결부재에 의해 외부 접속부(125)에 일체로 고정된다.
외부 접속자(200)를 제1몸체부(210)와 제2몸체부(220)의 두 몸체부로 구성한 것은 외부 접속자(200)와 외부 접속부(125)의 밀착력을 높여 접촉 신뢰성을 높이기 위한 것이다.
외부 접속자(200)는 전도성이 있는 금속 재질로 형성된다.
외부 접속자(200)를 형성하는 제1몸체부(210)와 제2몸체부(220)의 외면을 반원형상으로 형성한 것은 외부 접속자(200)를 통한 고전압 방전을 방지하기 위한 것이다. 이외에도 외부 접속자(200)를 형성하는 제1몸체부(210)와 제2몸체부(220)의 외면은 각지지 않은 형상, 즉 둥근 직사각형, 모서리가 라운드진 형상 등 다양한 형상의 채용이 가능하다.
단, 외부 접속자(200)의 외면에 돌기나 돌출부를 구비하면 외부와의 열교환에는 유리하나 뾰족한 돌기 부분에서 고전압 방전 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 외부 접속자의 외면에 뾰족한 부분이 없도록 음각으로 형성된 열교환 구멍을 형성하는 것이다. 열교환 구멍은 공기와 접촉하는 외부 접속자의 표면적을 넓혀 열교환 효율을 높인다.
열교환 구멍(230)은 외부 접속자(200)의 외면을 따라 다수 개를 형성하여 외부와의 열교환이 원활하도록 한다. 열교환 구멍(230)은 제1 및 제2몸체부(210,220)의 외면에서 내측으로 홈을 파내는 방전 가공에 의해 형성할 수 있다. 방전 가공은 외부 접속자(200)에 균열을 발생하지 않으면서 열교환 구멍(230)을 세밀하게 가공할 수 있다. 그러나, 열교환 구멍(230)은 일반 드릴 가공으로 형성할 수도 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열교환 구멍(230)은 원 형태, 타원 형태, 슬릿 형태 중 하나 또는 둘 이상의 형태로 형성될 수 있다.
이러한 열교환 구멍(230)은 외부 접속자(200)의 하부에 형성하는 경우 단부가 제1 및 제2몸체부(210,220)의 내경(210a, 220a)과 소정간격 이격되게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 외부 접속부의 외부 노출을 방지하기 위한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 열교환 구멍(230)은 외부 접속자(200)의 외면을 둘러 다수 개가 원 형태로 형성된다. 열교환 구멍(230)은 외부 접속자(200)에 음각으로 형성되어 외부 접속자의 표면적을 넓힘으로써 고전압 방전의 문제없이 열교환 면적을 넓히는 역할을 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예의 열교환 구멍(240)은 외부 접속자(200)의 외면을 둘러 길게 슬릿 형태로 형성된다. 슬릿 형태 등 열교환 구멍의 다양한 형상은 열교환 면적을 넓히는 역할을 한다.
이러한 극저온 부싱은 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전도 변압기, 초전도 발전기, 초전도 리액터 등의 다양한 초전도 전력기기에 안정적으로 적용 가능하다.
이하에서는 본 발명을 실험을 통해 비교예와 대비하여 설명하기로 한다.
<발명예>
도 5에는 본 발명의 열교환 구멍을 형성한 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우, 극저온 부싱에서 단열 스페이서와 상온부 도체의 접합부 온도를 보인 도면이 도시되어 있다.
극저온 부싱을 사용하게 되면 하부의 액체 질소와 접하는 극저온부 도체의 접촉부로 열을 빼앗기기 때문에 상온부 도체의 전체적인 온도가 낮아지게 된다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 액체 질소와 접촉하고 있는 극저온부 도체의 접촉부 온도가 -196℃인 상태에서 외부 접속자의 온도가 27℃(300K)를 유지하고 있어 고전압 절연을 위한 절연 스페이서와 상온부 도체(알루미늄 도체)의 접속부 온도가 -49℃(224K)로 낮아지기는 하나 기밀이 깨어지지는 않는다.
열교환 구멍을 형성한 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우, 외부 접속자에서 외부와의 열교환이 원활해지고 외부 접속자의 온도가 낮아지는 것을 방지하여 외부 접속자에 수분이 응결되는 것을 억제함으로써 극저온 부싱의 절연가스 기밀을 유지할 수 있었다.
결과적으로, 발명예의 경우 열교환 구멍을 형성한 외부 접속자로 인해 극저온 부싱이 제 역할을 충분히 발휘할 수 있어 극저온 부싱이 적용되는 초전도 전력기기를 안정적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
<비교예>
도 6에는 열교환 구멍을 형성하지 않은 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우, 극저온 부싱에서 단열 스페이서와 상온부 도체의 접합부 온도를 보인 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바에 의하면, 외부 접속자의 온도가 -23℃(250K)로 떨어져 절연 스페이서와 상온부 도체(알루미늄 도체)의 접합부의 온도가 -82℃(191K)로 떨어지고 특히, 절연 스페이서의 오링 부위 온도가 -32℃(241K)로 떨어져 기밀에 문제가 발생하였다.
열교환 구멍을 형성하지 않은 외부 접속자를 극저온 부싱에 적용한 경우, 외부 접속자를 사용하여 접촉부에서 빼앗기는 열을 충분히 보충하지 못하므로 외부 접속자의 온도를 유지하지 못하게 되어 외부 접속자의 온도가 낮아지게 된다. 그에 따라 외부 접속자에 수분이 응축되고 온도가 영하로 떨어지면서 이 수분이 외부 접속자에 얼어붙으면서 단열층을 형성하여 외부 접속자의 온도를 더 떨어뜨리는 요소로 작용하였다.
따라서, 외부 접속자에 열교환 구멍을 형성하지 않은 비교예의 경우에는 극저온 부싱의 밀봉이 깨어지면 절연가스 누출이 발생하고 고전압 절연이 유지되지 못하는 문제가 발생할 수 있어 초전도 전력기기를 안정적으로 사용하기 어려움을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
100: 극저온 부싱 110: 극저온 부싱 본체
120: 상온부 도체 125: 외부 접속부
130: 극저온부 도체 135: 접촉부
140: 단열 스페이서 150: 접합부
160: 오링 170: 절연물
200: 외부 접속자 210: 제1몸체부
220: 제2몸체부 210a, 220a: 내경
210b, 220b: 체결공 230, 240: 열교환 구멍

Claims (4)

  1. 상온부 도체와 극저온부 도체를 전기적으로 연결하며 내부에 절연가스를 가압상태로 유지하여 단열 및 절연을 수행하는 극저온 부싱;
    상기 상온부 도체의 외부 접속부에 연결되어 전력의 입출력을 행하며 상기 외부 접속부의 온도를 얼음이 얼지 않는 온도로 유지하기 위하여 다수의 열교환 구멍이 형성된 외부 접속자를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 접속자는
    상기 외부 접속부를 감싸 밀착되도록 하부에 상기 외부 접속부에 대응되는 내경을 갖고, 서로 대응되는 위치에 상호 체결을 위한 체결공이 각각 다수 개 형성된 제1 및 제2몸체부와,
    상기 제1 및 상기 제2몸체부의 내경이 상기 외부 접속부에 밀착된 상태에서 상기 제1몸체부의 체결공과 상기 제2몸체부의 체결공을 관통하여 체결되어 상기 제1 및 제2몸체부를 상기 외부 접속부에 일체로 고정시키는 체결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환 구멍은 원 형태, 타원 형태, 슬릿 형태 중 하나 또는 둘 이상의 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환 구멍은 상기 외부 접속자의 하부에서 단부가 상기 제1 및 제2몸체부의 내경과 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 외부 접속자가 구비되는 초전도 전력기기.
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