KR20210085295A - 초전도 한류 모듈 및 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초전도 한류 모듈은, 초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체; 상기 테이프 와인딩 구조체를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드; 및 상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드를 구비하는 SPC 단위 코일들 다수 개가 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치될 수 있다.

Description

초전도 한류 모듈 및 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치{SUPERCONDUCTING FAULT-CURRENT LIMITER MODULE and HIGH TEMPERATURE RESISTIVE TYPE DC FAULT-CURRENT LIMITER}

본 발명은 리액턴스 활용형 고온초전도 직류 저항형 한류 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 직류 저항형 한류기를 권선형태로 제작해 사고 시 초전도체에서 발생되는 저항과 더불어 모듈 권선의 인덕턴스 성분을 이용 높은 임피던스를 활용해 억제하여 사고전류의 피크 값을 줄이는 직류용 고온초전도 저항형 한류 장치에 관한 것이다.

전력 계통에서 고장이 발생할 경우 전력기기 및 설비의 보호를 위해 차단기를 통해 고장전류를 차단한다. 계통에 고장이 발생하면 계전기는 고장상태를 판단하여 차단기에 개방을 위한 트립신호를 보낸다. 트립신호를 받은 후 차단기는 구동장치를 통하여 고장전류가 흐르는 차단기 접점을 개방하여 전류를 차단하게 된다. 이때 차단기 접점 양단에는 아크전류가 흐르게 되어 충분한 절연 조건이 확립되지 않으면 아크전류에 의해 고장전류는 지속적으로 흐르게 된다. AC 계통의 경우 일정 주기로 전류 0점을 지나기 때문에 접점거리가 충분할 경우 0점에 도달하는 순간 아크전류는 소멸하여 고장전류가 차단된다. 하지만 DC 계통의 경우 전류 0점이 없기 때문에 아크전류 소거가 매우 어렵다. 일반적으로 3000V이하의 경우에는 아크 확산을 통하여 DC 고장전류 차단이 가능하나 그 이상의 경우 아크 전류를 소거하기 어렵다. 이에 따라 여러 방법을 이용하여 AC계통과 같이 전류 0점을 만들어 차단하는 기술을 구현해야 한다. 현재까지 구현된 DC 차단 기술로는 앞서 언급한 바와 같이 접점에서 발생되는 아크를 확산시키는 역전압 방식과, 별도의 공진회로를 구성하여 직류전류를 공진하여 차단하는 공진방식, 사전에 병렬 커패시터에 전하를 충전시켜 고장발생시 아크전류와 반대방향으로 투입하여 전류 중첩을 통하여 차단하는 역전류 방식, 그리고 턴온/턴오프가 가능한 전력용 반도체를 이용한 차단기들이 개발되고 있다.

도 1은 저항형 초전도 한류기의 기본 동작 원리를 도시한 그래프이다.

초전도 한류기는 일반적으로 사고발생 시 임계전류 이상의 사고전류 발생 시 초전도체의 상변이 과정을 이용해 임피던스를 발생시켜 사고전류를 한류 시키는 방식이다. 일반적으로 교류 계통 보호를 위해 적용되며, 정상운전 시에는 임피던스가 없어 선로에 영향을 미치지 않으며, 사고발생 시 1/4 주기 이내에 사고전류의 제한(한류)이 이루어지며, 선로 사고 전류가 임계전류 값을 넘는 즉시 한류기에서 임피던스가 발생하므로 빠른 계통보호가 가능하고, 사고 종료 후에는 자동으로 임피던스가 감소하며 초전도성을 회복해 정상운전 상태로 복귀한다. 초전도 한류기는 임피던스의 투입 방식에 따라 저항형, 포화철심형, 자기차폐형 등의 방식이 존재하며, 이중 저항형 한류기의 경우 사고 전류에 의해 발생되는 초전도체의 상변이 저항을 직접적으로 이용하는 방식이다.

상술한 바와 같이 저항형 초전도 한류기는 초전도체 고유의 상변이 특성을 활용하는 방식이므로, 구조적으로 단순하며 우수한 한류 특성을 가지고 있다. 반면, 임계전류 이상의 과도전류로 인한 상변이(Quench) 저항을 직접적으로 활용하는 기기이기 때문에 사고 이후의 빠른 정상상태로의 복귀 및 한류기에 사용된 초전도체의 보호 및 유연한 임피던스의 투입 등을 위해 리엑터, 스위치 등과 같이 사용하는 복합방식으로 구현되는 것이 일반적이다.

저항형 초전도 한류기의 한류모듈 형태는 다양할 수 있지만, 공통적으로 가능한 작은 인덕턴스를 가지는 형태로 설계된다. 이는 교류 계통에서는 정상 전류 운전 상태에서 초전도 한류기가 계통에 임피던스를 추가하지 않기 위해서 이며, 따라서 일반적으로 권선형, 직선형 모두 인덕턴스 발생을 최소화는 형태로 제작되고 있다. 권선형의 경우 권선 자체가 물리적으로 큰 인덕턴스를 가지는 구조이므로 한류 모듈은 Bifilar 형태로 제작하는 무유도 방식으로 제작하는 것이 일반적이고, 직선형의 경우에도 Meander 형태의 배치를 통해 모듈 인덕턴스의 최소화 및 초전도체가 경험하는 자기장을 줄이고, 정상운전 상태에서 발생될 수 있는 초전도체의 교류손실 억제 및 선재 효율을 높이는 형태로 제작되고 있다.

하지만 전술한 한류기는 대부분 교류계통에 적용을 목적으로 연구, 개발 되었다. 하지만 저항형 한류기는 사고전류의 크기나 형태에 관계없이 임계전류 이상의 사고 전류에 대해 저항을 발생시키기 때문에 직류 계통에도 적용이 가능하다. 하지만, 기존의 순수 저항형 한류모듈은 교류 계통의 적용을 위한 형태가 대부분으로, 초기 사고 전류의 피크이내(1/4 주기 이내)의 한류를 목표로 제작되었고, 교류 차단기 등의 호보시스템과의 연계를 목적으로 제작되었기 때문에 직류 환경을 위한 적합한 한류모듈에 대한 연구가 필요하다고 할 수 있다.

직류 환경의 경우, 위상을 이용한 제어/조정이 되지 않기 때문에, 저항값이나 인덕턴스값을 이용하여, 다양한 조건이나 환경에 맞는 조정이 요구된다. 이는 사고전류를 처리하는 한류기의 경우에도 마찬가지인데, 초전도체를 이용한 직류 저항형 한류 장치의 경우, 코일을 형성하는 초전도체에 의한 저항이나 인덕턴스의 조정이 매우 곤란하였다.

대한민국 등록공보 10-1996514호

본 발명은 직류 계통을 위한 효율적인 초전도 방식의 한류 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 사고 직류 계통의 빠른 보호가 가능하며 사고전류의 피크 값을 줄이는 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 조건에 따른 인덕턴스값 또는 저항값 조정이 용이한 초전도 저항형 한류 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 초전도 한류 모듈은, 초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체; 상기 테이프 와인딩 구조체를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드; 및 상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드를 구비하는 SPC 단위 코일들 다수 개가 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 SPC 단위 코일들은, 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 정회전 SPC 단위 코일과, 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 반시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 역회전 SPC 단위 코일로 구분되며, 상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 상기 정회전 SPC 단위 코일과 상기 역회전 SPC 단위 코일이 교번하여 배치될 수 있다.

여기서, 상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 상기 각 SPC 단위 코일은 일방 이웃과는 상기 내부 리드끼리 연결되며, 타방 이웃과는 상기 외부 리드끼리 연결될 수 있다.

여기서, 상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 서로 이웃하는 2개의 SPC 단위 코일은 하나의 내부 리드와 다른 하나의 외부 리드가 연결될 수 있다.

여기서, 상기 SPC 단위 코일은, 상기 내부 리드와 함께 고리 형상을 구성하며, 상기 테이프 와인딩 구조체의 내면을 지지하는 중심 C링; 및 판형태로 상기 중심 C링의 양 측면에 부착되는 2개의 보빈판들을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치는, 직류 전원의 배전 경로를 이루며, 테이프형 초전도 선재가 다수의 테이프 와인딩 형태의 SPC 단위 코일들이 토로이달 형태로 배치되어 구성된 초전도 한류 모듈; 및 상기 초전도 한류 모듈이 고저항을 가지는 경우 회로를 차단하며, 사고전류 소모를 위한 경로를 형성하는 직류 회로 차단 블록을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 SPC 단위 코일은, 초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체; 상기 테이프 와인딩 구조체를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드; 및 상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드를 포함할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치를 실시하면, 사고 직류 계통의 빠른 보호가 가능하면서도 사고전류의 피크 값을 줄일 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 초전도 한류 모듈은 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치 등 한류 장치 구성시, 조건에 따른 인덕턴스값 또는 저항값 조정이 용이한 이점이 있다.

도 1은 저항형 초전도 한류기의 기본 동작 원리를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈을 적용한 임피던스 활용형 직류용 저항성 한류기의 기본 형태를 도시한다.
도 3은 다수 개가 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치되어 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류 모듈을 구성하는 SPC 단위 코일(100)의 세부 구성들을 분리된 상태로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 SPC 단위 코일(100)의 결합된 외관 및 내부 리드 및 외부 리드 부분에 대한 확대도이다.
도 5는 도 3의 SPC 단위 코일(100)들이 토로이드 형태로 배치된 형태로 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류 모듈(1000)을 도시한 사시도이다.
도 6a는 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 6b는 연결된 외관을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 9는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈의 배치 구조 및 등가 회로를 도시한다.
도 10은 본 발명이 제안하는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈 권선의 임계특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명이 제안하는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈 권선의 계통 적용 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈을 적용한 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치를 도시한 회로도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 발명에서는 특히 직류형 고온 초전도 저항형 한류 장치를 구성하는데 편리하게 이용될 수 있는 초전도 한류 모듈을 제시한다.

도 2는 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈을 적용한 임피던스 활용형 직류용 저항성 한류기의 기본 형태를 도시한다. 도시한 바와 같이 초전도 한류 모듈(1000)은 직류 전원(1)에서 부하(3)로 공급되는 전력 전달 경로를 형성하며, 인덕터 및 가변 저항으로 볼 수 있다. 사고시 선로 저항(2) 대비 상기 가변 저항이 급증하여 상기 전력 전달 경로를 실질적으로 차단할 수 있다.

상기 초전도 한류 모듈은 사고 발생시 임계 전류를 초과하는 사고 전류에 의해 발생되는 초전도 선재의 저항과 한류모듈을 구성하는 코일의 인덕턴스를 활용해 사고 전류를 억제하는 방식으로 동작된다. 따라서, 사고시 모듈 코일의 인덕턴스를 활용한 높은 임피던스의 발생이 가능하기 때문에 기존의 순수 저항형 한류기 보다 우수한 사고 초기 한류특성을 가지고 있다.

본 발명에서는 가격 대비 성능이 우수하고 제조 공정 적용이 용이한 테이프형(즉, 매우 긴 직사각형 띠 형상) 초전도 선재를 적용하여, 고효율의 적응성이 우수한 초전도 한류 모델을 구성하고자 한다. 상술한 사상에 따른 초전도 한류 모듈은, 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치된 다수개의 SPC 단위 코일들로 이루어진다.

도 3은 다수 개가 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치되어 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류 모듈을 구성하는 SPC 단위 코일(100)의 세부 구성들을 분리된 상태로 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3의 SPC 단위 코일(100)의 결합된 외관 및 내부 리드 및 외부 리드 부분에 대한 확대도이다.

도시한 SPC 단위 코일(100)은, 초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체(10); 상기 테이프 와인딩 구조체(10)를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드(20); 및 상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드(30)를 구비한다.

상기 테이프 와인딩 구조체(10), 내부 리드(20) 및 외부 리드(30)는 단위 초전도 코일을 형성하는 구성들이며, 이들을 기계적으로 지지하기 위한 구성들로서, 상기 SPC 단위 코일(100)은, 상기 내부 리드(20)와 함께 고리 형상을 구성하며, 상기 테이프 와인딩 구조체의 내면을 지지하는 중심 C링(40); 및 판형태로 상기 중심 C링의 양 측면에 부착되는 2개의 보빈판들(51, 52)을 더 구비할 수 있다.

도 4의 확대 부분에 나타낸 바와 같이, 상기 테이프 와인딩 구조체(10)는, 초전도 테이프 선재가, 포장 테입 제품과 같이 띠 형상이 수회 말아진 낮은 원통형의 원통면을 형성한다. 상기 낮은 원통형으로 말아진 초전도 테이프 선재의 일단은 내부 리드(20)에 전기적으로 연결되며, 그 타단은 외부 리드(30)에 전기적으로 연결된다. 구현에 따라, 상기 낮은 원통형으로 말아진 초전도 테이프 선재의 층간 전류 누설을 차단하기 위해 절연층이 덮힌 상태로 말아질 수도 있다.

도 5는 도 3의 SPC 단위 코일(100)들이 토로이드 형태로 배치된 형태로 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류 모듈(1000)을 도시한 사시도이다.

본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈(1000)은 도시한 SPC 단위 코일(100)들이 토로이드 형태로 배치된 토로이드 코일 형태를 가지는데, 직류용으로 이용되는 경우 정상 운전 시 계통에 임피던스를 발생시키지 않는다. 또한, 모듈의 형태인 토로이드 코일의 구조적 특성상 낮은 수직자기장으로 인한 높은 초전도 선재의 임계전류 활용이 가능하며, 토로이드를 구성하는 모든 초전도 코일이 경험하는 자기장환경이 균일하기 때문에 코일의 직, 병렬구성에 적합하고, 사고시 모든 코일의 동시 상변이에 유리한 구조이다. 또한 자기장이 순환되는 토로이드 구조상 정상 운전시 코일이 만들어내는 누설자기장의 발생이 적기 때문에 한류모듈의 설치시 주변 영향의 최소화가 가능하다.

다시 말해, 본 발명에서 제시하는 직류용 초전도 한류 모듈은 고온 초전도 싱글 팬케이크 모듈 코일인 SPC 단위 코일(100)들로 구성된 토로이드 형태이며, 토로이드를 구성하는 각각의 싱글 팬케이크 코일은 계통의 정격전류의 요구에 따른 병렬 수와 한류 시 요구되는 저항발생을 위한 길이를 가지도록 직/병렬연결 형태로 구성되며, 코일은 직/병렬 형태의 다양한 조합을 통해 적용 직류계통의 요구에 따른 임피던스 발생이 가능한 형태로 설계가 가능하다.

도 6a는 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 6b는 연결된 외관을 도시한 사시도이다.

도면에서 토로이드 형상으로 배치될 때, 상기 각 SPC 단위 코일은 일방 이웃과는 상기 내부 리드끼리 연결되며, 타방 이웃과는 상기 외부 리드끼리 연결되어 있다.

도시한 연결의 경우, 모든 SPC 단위 코일들이 하나의 종류로만 구성되면, SPC 단위 코일의 전류 방향이 교변하면서 자기장 방향이 서로 반대로 형성되어, 인덕턴스 부여 효과가 낮아진다.

도시한 연결 구조에서 인덕턴스 효과를 높이기 위해서는, 상기 SPC 단위 코일들은 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 정회전 SPC 단위 코일(100-1)과, 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 반시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 역회전 SPC 단위 코일(100-2)로 구분되며, 상기 토로이드 형상으로 배치될 때, 상기 정회전 SPC 단위 코일(100-1)과 상기 역회전 SPC 단위 코일(100-2)이 교번하여 배치될 수 있다.

한편, 도시한 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈은, 모든 SPC 단위 코일들을 하나의 종류로만 구성하여, 일반적인 교류용 순수 저항형 한류모듈의 경우와 같이, 무유도성 코일형태로 적용될 수도 있다. 이는 전술한 바와 같이 정상 운전 상태에서 계통에 임피던스를 추가하지 않기 위함이며, 추가적으로 한류 모듈의 크기를 소형화 시키면서, 정상 운전 상태에서 발생되는 한류 모듈의 교류손실을 억제하고, 외부 자기장의 크기를 낮추어 높은 초전도 선재의 임계전류를 활용하기 위해서이다.

도 7은 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

도시한 연결 구조에서, 토로이드 형상으로 배치될 때, 서로 이웃하는 2개의 SPC 단위 코일은 하나의 내부 리드와 다른 하나의 외부 리드가 연결되는 형태를 가진다. 따라서, 이 경우, 모든 SPC 단위 코일들이 하나의 종류로만 구성되어도, 모두 동일한 방향의 전류 회전을 가지게 되어, 인덕턴스를 확보할 수 있다.

도 8은 도 5의 토로이드 형상으로 배치된 SPC 단위 코일들의 전기적 연결 구성의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

도시한 연결 구조는, 모든 SPC 단위 코일들이 하나의 종류로만 구성된 초전도 한류 모듈이 설치되는 장소나 환경이 요구하는 필요에 따라 인덕턴스를 조정해야 하는 경우, 인덕턴스에 대한 조정 원리를 설명하기 위한 것이다.

도면에서 A 영역은 전류 회전이 모두 동일한 반면, B 영역은 전류 회전이 교번하게 된다. 즉, A 영역의 비중을 늘릴 수록 인덕턴스가 증가하고, B 영역의 비중을 늘릴 수록 인덕턴스가 감소하게 된다. 이에 따라, 초전도 한류 모듈이 설치되는 장소나 환경이 요구하는 인덕턴스로 조정할 수 있다. 도시한 구현의 경우 저항 변화가 다소 존재하여 직류형 한류기로 적용하는데 다소 계산이 복잡해지나, 인덕턴스 조정이 중요한 분야의 교류형 한류기로는 적합하게 이용될 수 있다.

상술한 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈은 기존의 저항형 한류기 제작이 주로 사용되던 무유도 방식의 권선들과 비교해 간단한 일반적인 싱글 팬케이크 권선형태로 제작이 가능하며, 토로이드 배치를 위한 직렬 형태로 인해 각 턴 간 전압이 적게 발생하여 전기적으로 안정적이며, 절연 최소화를 통한 소형화에 유리하다.

적용 유연성 관점에서, 모듈을 구성하는 직/병렬 선재의 조합이 매우 다양할 수 있기 때문에 동일한 저항을 발생시키며, 다양한 인덕턴스를 가지는 코일의 제작이 가능해 한류기 사양의 변경 및 계통의 요구에 유연하게 대처할 수 있다. 또한, 소자 내부의 소손 등의 문제가 발생되었을 경우에도 모듈교체를 통해 전체 시스템의 교체 없이 보수가 가능한 장점을 가지고 있다.

제작 관점에서는, 초전도 선재의 경우 단위길이가 길어질수록 가격이 높아지며, 긴 장선의 도체의 경우 길이방향으로 균일한 저항발생 특성을 보장할 수 없기 때문에 본 모듈과 같이 짧은 단위 선재를 사용할 경우 상대적으로 균일한 선재 특성에 유리할 수 있고, 선재 가격의 절감을 통한 모듈 제작의 경제성확보에 유리하다.

도 9는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈의 배치 구조 및 등가 회로를 도시한다.

도시한 초전도 한류 모듈은 30 mm 내경의 가지는 60 개의 싱글 팬케이크 코일로 구성된 토로이드 코일로, 저항형 한류기로의 동작을 만족시키는 저항발생을 위해 결정된 10개의 직렬 팬케이크 코일 연결과, 정격전류에 의해 결정된 6개의 병렬연결 코일셋으로 구성된다.

2세대 고온초전도 선재를 이용한 토로이드 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 테이프 형태의 초전도 선재에 적합한 싱글 팬케이크 모듈 코일들을 다수 제작해 토로이드 형태로 배치하는 구조를 형성할 수 있다.

저항형 한류 모듈은 적용 계통의 정격 용량에 따라 정상상태에서 원활한 운전을 위해 다수의 병렬연결이필요하며, 한류를 위해 사고 시 요구되는 발생 저항의 최적 크기를 만들어내기 위해 긴 선재 사용 길이가 요구되는 것이 일반적이다. 토로이드 코일은 모든 싱글펜케이크 코일이 경험하는 전자기적 특성이 동일하기 때문에 구조적으로 다수의 직병렬 형태가 요구되는 저항형 한류 모듈의 일정한 임계특성을 가지도록 제작하는 것이 가능하고, 다양한 직병렬 조합을 통해 동일한 저항발생 길이를 가지는 다양한 형태의 구조를 만들어낼 수 있다. 따라서, 초전도 선재의 임계전류, 사고 시 발생요구 저항, 단위길이, 팬케이크 코일의 수, 한류 모듈의 크기, 직류 계통의 사고 시 최적의 임피던스 발생 등 다양한 계통 요구 조건에 맞는 적합형태 코일의 설계가 가능한 유연성을 가지는 구조이다.

도 10은 본 발명이 제안하는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈 권선의 임계특성을 나타낸 그래프이다.

도시한 바와 같이, 한류모듈을 구성하는 초전도 선재가 경험하는 최대 수직방향 자속밀도는 약 0.5 T 수준이며, 이때 초전도 선재의 임계전류는 한류 모듈의 운전온도 69~70K 에서 약 700 A 수준으로 병렬수를 고려할 때 직류 정격 운전 조건을 만족한다. 이때 한류 모듈의 인덕턴스는 약 22.49 mH 로 이는 사고 시 한류 모듈에서 발생하는 저항과 함께 임피던스를 높이는데 활용되는 이점이 있다.

도 11은 본 발명이 제안하는 토로이드형 저항형 초전도 한류 모듈 권선의 계통 적용 해석 결과를 나타낸 그래프이다.

도시한 해석 결과 높은 임피턴스로 인해 사고 초기 전류 억제 특성이 순수 저항형 한류 모듈보다 우수한 것을 확인할 수 있고, 250 K 의 온도제한까지의 한류 동작시간 또한 순수 저항형 보다 긴 것을 확인할 수 있다. 해석 결과 한류 모듈의 인덕턴스를 활용한 발명 제안형태의 한류모듈은 순수 저항형 한류모듈과 비교해 상대적으로 사고 전류의 급격한 초기 변화 억제가 가능하며, 긴 한류 지속시간을 가지는 우수한 한류 특성을 보이며, 사고 이후 차단기 등 적극적인 계통 보호기구와의 연계에 적합한 형태이다.

도 12는 본 발명의 사상에 따른 초전도 한류 모듈을 적용한 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치를 도시한 회로도이다.

도시한 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치는, 직류 전원의 배전 경로를 이루며, 테이프형 초전도 선재가 다수의 테이프 와인딩 형태의 SPC 단위 코일들이 토로이달 형태로 배치되어 구성된 초전도 한류 모듈(1000); 및 상기 초전도 한류 모듈이 고저항을 가지는 경우 회로를 차단하며, 사고전류 소모를 위한 경로를 형성하는 직류 회로 차단 블록(2000)을 포함할 수 있다.

상기 초전도 한류 모듈(1000)은 도 3에 도시한 바와 같은 SPC 단위 코일들이 토로이드 형태로 적층된 형태를 가질 수 있다.

DC 계통보호를 위해서는 한류기를 통한 사고전류의 억제와 더불어 적절한 계통의 차단이 필요하다. 직류 계통의 경우 교류 계통과는 달리 사고 전류의 원점 교차순간이 발생하지 않기 때문에 차단이 쉽지 않고, 차단 난이도는 사고전류가 클수록 높아진다. 따라서 매우 큰 사고전류를 차단하기 위해 도시한 바와 같이 사고전류를 제한하는 초전도 한류 모듈(1000)와 DC 차단 블록(2000)을 적절히 연계하여 사용하면 DC차단 블록(2000)이 차단할 전류의 크기가 줄어들어 DC 차단 블록(2000)의 요구사양을 줄일 수 있고 좀 더 효율적인 차단 연계 시스템의 구성에 활용 가능하다.

초전도 한류 모듈(1000)은 사고 초반 사고 전류의 초기 성장을 억제하여 낮은 사고전류 발생특성을 가지므로, DC 차단 블록(2000)의 투입 시점을 좀 더 빠르게 가져갈 수 있고, 초전도 한류 모듈(1000)의 동작 시간이 순수 저항형 한류기보다 길기 때문에, DC 차단 블록(2000) 및/또는 다른 차단기의 투입 등 계통 보호 시스템이 연계될 수 있는 시간적 유연성을 가지고 있다.

또한, 위와 같은 차단기 연계 시스템을 위한 한류기를 순수 저항형 한류기로 사용할 경우 사고 시 빠른 저항발생 특성이 필요하므로 안정화 층이 없는 초전도 선재와 같은 낮은 안정성의 선재를 사용해야하지만, 도시한 초전도 한류 모듈(1000)에서는 비교적 안정도가 높은 초전도 선재를 선택하여 제작하여도 인덕턴스 활용을 통해 빠르게 임피던스 발생이 가능하기 때문에 좀 더 높은 안정성의 모듈 제작이 가능하다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 테이프 와인딩 구조체
20 : 내부 리드
30 : 외부 리드
40 : 중심 C링
51, 52 : 보빈판
100 : SPC 단위 코일
1000 : 초전도 한류 모듈
2000 : DC 차단 블록

Claims (7)

1. 초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체;
   상기 테이프 와인딩 구조체를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드; 및
   상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드를 구비하는 SPC 단위 코일들 다수 개가 토로이드 또는 솔레노이드 형태로 배치된 초전도 한류 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 SPC 단위 코일들은, 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 정회전 SPC 단위 코일과, 상기 내부 리드로부터 상기 외부 리드까지 반시계 방향으로 상기 초전도 테이프 선재가 감져진 역회전 SPC 단위 코일로 구분되며,
   상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 상기 정회전 SPC 단위 코일과 상기 역회전 SPC 단위 코일이 교번하여 배치되는 초전도 한류 모듈.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 상기 각 SPC 단위 코일은 일방 이웃과는 상기 내부 리드끼리 연결되며, 타방 이웃과는 상기 외부 리드끼리 연결되는 초전도 한류 모듈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 토로이드 또는 솔레노이드 형상으로 배치될 때, 서로 이웃하는 2개의 SPC 단위 코일은 하나의 내부 리드와 다른 하나의 외부 리드가 연결되는 초전도 한류 모듈.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 SPC 단위 코일은,
   상기 내부 리드와 함께 고리 형상을 구성하며, 상기 테이프 와인딩 구조체의 내면을 지지하는 중심 C링; 및
   판형태로 상기 중심 C링의 양 측면에 부착되는 2개의 보빈판들
   을 더 포함하는 초전도 한류 모듈.
   
6. 직류 전원의 배전 경로를 이루며, 테이프형 초전도 선재가 다수의 테이프 와인딩 형태의 SPC 단위 코일들이 토로이달 형태로 배치되어 구성된 초전도 한류 모듈; 및
   상기 초전도 한류 모듈이 고저항을 가지는 경우 회로를 차단하며, 사고전류 소모를 위한 경로를 형성하는 직류 회로 차단 블록
   을 포함하는 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 SPC 단위 코일은,
   초전도 테이프 선재가 낮은 원통 형상으로 감겨진 테이프 와인딩 구조체;
   상기 테이프 와인딩 구조체를 형성하는 상기 초전도 선재의 일단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 내면에 위치하는 내부 리드; 및
   상기 초전도 선재의 타단이 연결되며 상기 낮은 원통 형상의 외면에 위치하는 외부 리드
   를 포함하는 직류용 고온 초전도 저항형 한류 장치.

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