KR20220062159A - 초전도 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로, 초전도 선재가 구비되어 전류가 통전되는 도체부와, 도체부와 동심원을 이루도록 배치되고, 도체부와 연결되어 고장 전류의 우회 경로를 마련하는 포머부 및 포머부에 설치되고, 정상 운행 시 포머부로 전류가 통전되는 것을 방지하여 교류 손실을 저감시키는 손실저감부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE}
본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3상 동축 초전도 케이블에 관한 것이다.
일반적으로, 초전도체를 사용한 전력 케이블은, 송전 손실이 적고, 대전류(大電流)가 흐르도록 할 수 있어 종래와 같은 발전소 근방과 도시 근방의 승압(昇壓) 및 강압(降壓)을 위한 변전 시설을 생략할 수 있는 장점이 있다.
이러한 초전도 케이블 중 3상 동축 초전도케이블은 복수의 초전도 도체층을 동일한 축상에 상호 절연된 상태로 3층으로 중첩하여 구성하고, 각각의 층별 초전도 도체층에 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류를 통전시킨다. 이 경우, 각 상별 통전층의 임피던스 균등화를 통해서 차폐층에 통전되는 차폐전류를 저감할 수 있다.
한편, 각 상별 통전층 위/아래로 배열되는 포머층의 임피던스에 의해서 정상 운전 조건에서도 포머층에 전류가 통전될 수 있다. 이러한 포머층에 통전되는 전류는 교류손실 증가의 원인으로, 각 상별 통전층의 임피던스를 조절하여 포머층으로 통전되는 전류의 크기를 고려해야 한다. 각 상별 통전층의 임피던스는 케이블 중심에서의 거리, 반경 및 권선되는 연방향과 피치 길이등에 의해 결정된다.
그러나, 전력계통의 전압과 정격전류 및 고장전류의 크기등에 따라 절연두께 및 초전도선재 및 금속재질 테이프의 개수가 산정되므로, 각 층의 배열 위치를 크게 변경하는 것은 어려움이 있다. 따라서 각 상별 통전층의 임피던스를 결정하는 주요 요인은 연방향과 피치 길이다.
그러나, 실제 조건에서는 오차 등으로 인해 연방향과 피치 길이의 조절만으로 완벽한 임피던스의 매칭을 맞추기 어렵다. 이에 따라 3상 동축 초전도케이블의 코어 구조에 따라 각각의 포머층에 전류가 통전될 수 있고, 이는 예상하지 못한 교류손실을 발생시키는 요인으로 작용을 한다. 교류손실이 커짐에 따라 요구되는 냉동기의 사양이 변동되기 때문에 이러한 조건에 대하여 교류손실 저감을 위한 보완방안이 필요하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0073270호 (2013.07.03 공개, 발명의 명칭: 초전도 케이블)에 개시되어 있다.
본 발명은 층간 임피던스 불균형에 의한 교류 손실을 저감시킬 수 있는 초전도 케이블을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 초전도 케이블은: 초전도 선재가 구비되어 전류를 통전시키는 도체부; 상기 도체부와 연결되어 고장 전류의 우회 경로를 마련하는 포머부; 및 상기 포머부에 연결되고, 정상 운행 시 상기 포머부로 전류가 통전되는 것을 방지하여 교류 손실을 저감시키는 손실저감부;를 포함한다.
또한, 상기 손실저감부는 정상 운행 시 상기 도체부에 의해 상기 포머부로 유도되는 전류의 우회 경로를 마련한다.
또한, 상기 포머부는, 상기 도체부와 동심원을 이루는 적어도 하나 이상의 포머층을 포함하고, 상기 포머층은, 상기 포머층의 길이방향으로 소정 피치 간격을 갖고 연선되며 상기 포머층의 원주방향을 따라 배치되는 복수개의 포머부재;를 포함한다.
또한, 상기 손실저감부는, 이웃하는 상기 포머부재의 사이에 배치되는 손실저감부재를 포함한다.
또한, 상기 손실저감부재는 복수개로 구비되고, 동일한 포머층에 배치되는 상기 손실저감부재는 상기 포머층의 원주방향을 따라 등간격으로 배치된다.
또한, 상기 포머층과 상기 손실저감부재는 복수개로 구비되고, 이웃하는 포머층에 배치되는 상기 손실저감부재는 상기 포머부의 서로 다른 지름 상에 배치된다.
또한, 상기 손실저감부는, 상기 손실저감부재를 감싸도록 배치되어 상기 포머부재와 상기 손실저감부재를 상호 절연시키는 절연부재를 더 포함한다.
또한, 상기 포머부재는 상전도 재질로 구비되고, 상기 손실저감부재는 초전도 재질로 구비된다.
본 발명에 따른 초전도 케이블은 손실저감부에 의해 포머층의 발열에 따른 교류 손실을 저감시킬 수 있어 송전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 동일한 포머층 내부에 배치되는 손실저감부재가 등간격으로 이격됨에 따라 포머부로 유도되는 전류를 포머층 전체에 걸쳐 안정적으로 우회시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 이웃하는 포머층 내부에 배치되는 손실저감부재가 서로 어긋나게 배치됨에 따라 전계집중을 완화함에 따라 포머부의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 등가회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 초전도 케이블의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 동축 초전도 케이블은 도체부(100), 포머부(200), 손실저감부(300), 절연부(400), 차폐부(500), 냉각부(600), 진공부(700)를 포함한다.
도체부(100)는 초전도선재(111)가 구비되어 전류를 통전시킨다. 도체부(100)는 복수개, 보다 구체적으로 3개의 영역으로 구분된다. 각각의 도체부(100)는 120도 위상차를 갖는 3상 전류 즉, A상, B상, C상의 전류가 독립적으로 통전되는 경로를 마련한다. 각각의 도체부(100)는 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이 서로 다른 직경을 갖도록 구비되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 반경 방향으로 적층되는 동심원의 형태를 이루도록 배치된다. 이 경우, 초전도 케이블의 중심을 기준으로 가장 내측에는 A상의 전류가 통전되는 도체부(200)가 배치되고, 이후 B상, C상의 전류가 통전되는 도체부(200)가 순차적으로 적층된다. 각각의 도체부(100)는 후술하는 절연부(400)에 의해 상호 절연된다. 각각의 도체부(100)의 임피던스(Impedance) 값은 서로 균등한 값을 갖도록 설정되는 것이 바람직하다. 이에 따라 이상적인 조건에서 각각의 도체부(100)에 통전되는 상전류에 의한 전자기파는 서로 상쇄될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도체부(100)는 초전도층(110), 도체절연층(120)을 포함한다.
초전도층(110)은 적어도 하나 이상으로 구비되어 도체부(100)의 전체적인 외관을 형성한다. 초전도층(110)이 복수개로 구비되는 경우, 각각의 초전도층(110)은 서로 다른 직경을 갖도록 형성되고, 도체부(100)의 반경 방향을 따라 순차적으로 적층되어 동심원을 이루도록 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도층(110)은 사각형의 단면을 갖는 띠 형태의 복수개의 초전도선재(111)가 초전도층(110)의 원주방향을 따라 배치되는 형태로 구비된다. 각각의 초전도선재(111)는 소정의 피치 간격을 갖고 초전도층(110)의 길이방향을 따라 연선된다. 도체부(100) 및 초전도층(110)의 임피던스 값은 이러한 초전도선재(111)의 개수, 연선 방향, 피치간격에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재(111)는 BSCCO(Bi2-Sr2-Ca2-Cu3-O10)를 주재료로 하는 Bi-계 선재(제1세대 선재)와, YBCO(Y1-Ba2-Cu3-O7)를 주재료로 하는 Y-계 선재(제2세대 선재 또는 CC형 선재(Coated Conductor)) 등으로 예시될 수 있다.
도체절연층(120)은 이웃하는 초전도층(110)의 사이에 구비되어 각각의 초전도층(110)을 상호 절연시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도체절연층(120)은 절연 성능이 구비된 절연 테이프, 크라프트지, PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 등으로 예시될 수 있다. 이에 따라 도체절연층(120)은 각각의 초전도층(110)을 전기적으로 독립한 구성으로 할 수 있어 초전도층(110)의 통전 방향을 일치시킬 수 있다. 또한, 도체절연층(120)은 적층된 초전도층(110)의 표피효과를 방지할 수 있다.
포머부(200)는 도체부(100)의 형태를 지지하고, 도체부(100)와 연결되어 고장 전류가 통전될 수 있는 우회 경로를 마련한다. 고장 전류는 전력계통의 이상(단락, 절연 파괴 등)으로 인해 발생되는 전류로, 도체부(100)의 임계 전류값을 초과하는 값을 갖는 전류인 것으로 예시될 수 있다. 포머부(200)는 초전도 재질로 구비되는 도체부(100)와 달리 구리(Cu) 등과 같은 비저항이 낮은 상전도 재질로 구비된다. 이에 따라 이상적인 경우 도체부(100)가 초전도성을 유지하는 온도에서 소정의 저항값을 갖는 포머부(200)로는 전류분배법칙에 의해 전류가 통전되지 않는다. 도체부(100)가 복수개로 구비됨에 따라 포머부(200)는 복수개로 마련되어 서로 다른 상전류가 통전되는 도체부(100)에 개별적으로 병렬연결된다. 이에 따라 각각의 포머부(200)는 각각의 도체부(100)에 고장 전류의 우회경로를 독립적으로 제공할 수 있다. 각각의 포머부(200)는 후술하는 절연부(400)에 의해 상호 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 포머부(200) 중 A상의 전류가 통전되는 도체부(100)에 연결되는 포머부(200)는 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이 초전도 케이블의 가장 내측에 배치됨에 따라, 구리(Cu) 등 비저항이 낮은 상전도 재질로 구비되는 띠 형태의 복수개의 포머부재(211)들을 원통 형상으로 압축한 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 각각의 포머부재(211)들은 소정 피치 간격을 갖고 나선형으로 연선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 포머부(200) 중 B상, C상의 전류가 통전되는 도체부(100)에 연결되는 포머부(200)는 포머층(210), 포머절연층(220)을 포함할 수 있다.
포머층(210)은 적어도 하나 이상으로 구비되어 포머부(200)의 전체적인 외관을 형성한다. 포머층(210)이 복수개로 구비되는 경우, 각각의 포머층(210)은 서로 다른 직경을 갖도록 형성되고, 포머부(200)의 반경 방향을 따라 적층되어 도체부(100)와 동심원을 이루도록 배치된다. 복수개의 포머층(210)은 도체부(100)에 구비되는 초전도층(110)의 내측 또는 외측에만 배치될 수 있고, 초전도층(110)을 사이에 두고 초전도층(110)의 양측에 배치되는 것도 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 포머층(210)은 구리(Cu) 등 비저항이 낮은 상전도 재질로 구비되고, 사각형의 단면을 갖는 띠 형태의 복수개의 포머부재(211)가 포머층(210)의 원주방향을 따라 배치되는 형태로 구비된다. 이 경우, 각각의 포머부재(211)는 소정의 피치 간격을 갖고 포머층(210)의 길이방향을 따라 연선된다.
포머절연층(220)은 이웃하는 포머층(210)의 사이에 구비되어 각각의 포머층(210)을 상호 절연시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 포머절연층(220)은 도체절연층(120)와 같이 절연 성능이 구비된 절연 테이프, 크라프트지, PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 등으로 예시될 수 있다. 이에 따라 포머절연층(220)은 각각의 포머층(210)을 전기적으로 독립한 구성으로 할 수 있어 초전도층(110)의 통전 방향을 일치시킴과 동시에 포머층(210)의 표피효과를 방지할 수 있다.
손실저감부(300)는 포머부(200)에 연결되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 정상 운행 시 포머부(200)로 전류가 통전되는 것을 방지한다. 보다 구체적으로, 손실저감부(300)는 정상 운행 시, 각 상별 도체부(100)의 임피던스 불균형 등에 의해 포머부(200)로 유도되는 와전류가 포머부(200)를 우회할 수 있는 통전 경로를 마련한다. 이에 따라 손실저감부(300)는 포머부(200)의 발열에 의한 초전도선재(111)의 성능 저하를 방지할 수 있어 도체부(100)의 교류 손실을 저감시킬 수 있다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 손실저감부(300)는 손실저감부재(310), 절연부재(320)를 포함한다.
손실저감부재(310)는 포머층(210) 내부, 보다 구체적으로 이웃하는 한 쌍의 포머부재(211)의 사이에 배치된다. 손실저감부재(310)는 포머부재(211)의 형상에 대응되도록 대략 사각형의 단면을 갖는 띠 형상으로 구비된다. 이에 따라 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 전체적인 외관을 과도하게 변형시키지 않고 포머부(200)에 연결될 수 있다. 손실저감부재(310)는 포머부재(211)보다 작은 저항값을 갖는 재질, 보다 구체적으로 초전도선재(111)와 같은 초전도 재질로 구비된다. 손실저감부재(310)는 포머부재(211)와 전기적으로 병렬 연결됨에 따라 전류분배법칙에 의해 포머부재(211)로 유도되는 전류의 우회경로를 마련할 수 있다.
손실저감부재(310)는 복수개로 구비되어 서로 다른 한 쌍의 이웃하는 포머부재(211) 사이에 각각 배치될 수 있다. 이에 따라 손실저감부재(310)는 서로 다른 규격을 갖는 포머부(200)에 적합한 우회 경로 개소를 제공할 수 있다. 손실저감부재(310)가 복수개로 구비되는 경우, 동일한 포머층(210)에 배치되는 손실저감부재(310)는 포머층(210)의 원주방향을 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 또한, 이웃하는 포머층(210)에 배치되는 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 서로 다른 지름 상에 배치될 수 있다. 이에 따라 손실저감부재(310)는 포머부(200) 전체에 걸쳐 균일한 교류 손실 저감 성능을 확보할 수 있으며, 포머부(200)의 어느 한 쪽으로 전계가 집중되는 것을 완화할 수 있다. 손실저감부재(310)의 구체적인 개수는 일정한 개수에 한정되는 것은 아니고, 손실저감부재(310)의 총 임계전류가 정상 운행 시 포머부(200)에 통전되는 전류의 크기보다 큰 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 포머층(210)이 3개의 층으로 마련되고, 손실저감부재(310)가 각 포머층(210)에 2개로 마련되는 경우, 동일한 포머층(210)에 마련된 손실저감부재(310)는 포머층(210)의 원주방향을 따라 180도 이격되도록 배치된다. 또한, 가장 내측에 위치한 포머층(210)에 마련된 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제1지름(D1)상에 배치되고, 중간에 위치한 포머층(210)에 마련된 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제2지름(D2)상에 배치되며, 가장 외측에 위치한 포머층(210)에 마련된 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제3지름(D3)상에 배치된다. 이 경우, 제1지름(D1), 제2지름(D2), 제3지름(D3)은 포머부(200)의 중심을 지나는 서로 다른 직선을 의미한다.
또한, 도 4를 참조하면, 포머층(210)이 3층으로 마련되고, 손실저감부재(310)가 각 포머층(210)에 3개로 마련되는 경우, 동일한 포머층(210)에 마련된 손실저감부재(310)는 포머층(210)의 원주방향을 따라 120도 이격되도록 배치된다. 또한, 가장 내측에 위치한 포머층(210)에 마련된 어느 하나의 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제1지름(D1)상에 배치되고, 중간에 위치한 포머층(210)에 마련된 어느 하나의 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제2지름(D2)상에 배치되며, 가장 외측에 위치한 포머층(210)에 마련된 어느 하나의 손실저감부재(310)는 포머부(200)의 제3지름(D3)상에 배치된다.
절연부재(320)는 손실저감부재(310)를 감싸도록 배치되어 포머부재(211)와 손실저감부재(310)를 상호 절연시킨다. 이에 따라 절연부재(320)는 포머부재(211)와 손실저감부재(310)가 접촉됨에 따라 손실저감부재(310)로 우회되는 전류가 다시 포머부재(211)로 통전되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절연부재(320)는 손실저감부재(310)의 외측면을 감싸는 절연 테이프, 크라프트지, PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 등으로 예시될 수 있다.
절연부(400)는 서로 다른 상전류가 통전되는 도체부(100) 및 포머부(200)를 상호 절연시킨다. 본 발명의 일 실시에에 따른 절연부(400)는 상간절연층(410), 내부 반도전층(420), 외부 반도전층(430)을 포함할 수 있다.
상간절연층(410)은 A상, B상, C상 전류가 각각 통전되는 복수개의 도체부(100)와 이들에 각각 연결된 복수개의 포머부(200)를 전기적으로 독립된 구성으로 분할하는 역할을 수행한다. 상간절연층(410)은 서로 다른 상전류가 통전되는 초전도층(110)의 사이, 포머층(210)의 사이, 또는 초전도층(110)과 포머층(210)의 사이에 배치된다. 본 발명의 일 실시에에 따른 상간절연층(410)는 도체부(100), 포머부(200)와 동심원을 이루는 형태로 마련된 절연 테이프, 크라프트지, PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 등으로 예시될 수 있다.
내부 반도전층(420)과 외부 반도전층(430)은 각각 상간절연층(410)의 내측과 외측에 배치되고, 도체부(100) 및 포머부(200)와 상간 절연층(410)의 사이에 간극 형성을 방지함으로써 전계 집중을 완화할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 반도전층(420)과 외부 반도전층(430)은 카본지와 같은 반도전 테이프가 복층으로 권선된 형태로 형성될 수 있다.
차폐부(500)는 절연부(400)의 외측에 배치되어 외부로의 자계 발생을 방지한다. 보다 구체적으로, 차폐부(500)는 내부에 도체부(100)에 통전되는 전류와 반대 방향을 갖는 전류를 유도함으로써 도체부(100)에 의해 형성되는 자기장을 상쇄시켜 외부로의 자계 발생을 방지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐부(500)는 구리 또는 구리 합금의 상전도 재질로 구비될 수 있다.
냉각부(600)는 차폐부(500)의 외측에 구비되고, 냉각수에 의해 도체부(100), 포머부(200)를 냉각시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(600)는 내부 시스층(610), 냉각층(620)를 포함한다.
내부 시스층(610)은 차폐부(500) 외측에 배치되고, 차폐부(500)와 소정 간격 이격된다. 내부 시스층(610)은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 포설 및 운전 중 도체부(100), 포머부(200)의 기계적인 손상을 방지하기 위한 외장 역할을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 시스층(610)은 알루미늄 등의 재질로 구비되며, 기계적 응력에 대한 강성을 보강하기 위하여 초전도 케이블의 길이 방향을 따라 요철 형상이 반복되는 형태로 형성될 수 있다.
냉각층(620)는 차폐부(500)와 내부 시스층(610)이 소정 간격 이격됨에 따라 마련되는 빈 공간으로 예시되며, 내부를 통해 냉각수가 유동된다. 냉각층(620)를 유동하는 냉각수로는 액상 질소가 사용될 수 있으며, 도체부(100) 및 손실저감부재(310)의 초전도성을 확보하기 위해 영하 -200도 정도의 온도를 갖는다.
단열부(700)는 냉각부(620)의 외측에 배치되어 냉각부(600)를 단열시킨다. 이에 따라 단열부(700)는 대전, 대류, 복사등에 의한 열전달에 의해 냉각부(600)의 냉각성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단열부(700)는 단열층(710), 스페이서(720)를 포함할 수 있다.
단열층(710)은 내부 시스층(610) 외주면에 배치되고, 반사율이 높은 금속 필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재가 여러 층으로 감겨진 형태로 형성될 수 있다.
스페이서(720)는 단열층(710)의 외측에 배치되어 단열층(710)과 후술하는 외부 시스층(820)이 접촉되는 것을 방지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서(720)는 단열층(710)의 외측으로 돌출되고, 단열층(710)의 길이방향을 따라 나선형으로 권선되는 형태로 구비될 수 있다.
진공부(800)는 단열부(700)의 외측에 배치되고, 단열부(700)와 함께 냉각부(600)를 단열시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 진공부(800)는 외부 시스층(810), 진공층(820)을 포함할 수 있다.
외부 시스층(810)은 단열층(710)의 외측에 배치되는 관의 형태로 형성되고, 스페이서(720)에 의해 단열층(710)과 소정 간격 이격된다. 외부 시스층(810)은 내부 시스층(610)과 함께 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 포설 및 운전 중 도체부(100), 포머부(200)의 기계적인 손상을 방지하기 위한 외장 역할을 수행한다.
진공층(820)은 외부 시스층(610)과 단열층(710)이 스페이서(720)에 의해 소정 간격 이격됨에 따라 형성되는 빈 공간으로 예시된다. 진공층(820)의 내부는 진공 상태로 마련되어 외부와 냉각부(600)간의 대류 등에 의한 열전달을 방지한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 작동상태를 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포머부와 손실저감부의 구성을 개략적으로 나타내는 등가회로도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 이상적인 조건과 달리 초전도선재(111)의 인장 강도, 배치상의 오차등에 의해 서로 다른 상전류가 통전되는 도체부(100)는 서로 다른 임피던스 값을 가지게 된다.
이후 도체부(100)로 전류가 통전되는 경우, 도체부(100)에 의해 상호 상쇄되지 못한 자기장이 포머부(200)로 인가된다.
이후 포머부(200)의 포머부재(211)에는 이러한 자기장을 상쇄할 수 있는 방향의 전류가 유도된다.
포머부재(211)에 유도된 전류는 하기의 수학식 1에 따라 포머부재(211)에 연결된 손실저감부재(310)로 통전된다.
Figure pat00001
여기서, V는 포머부재(211)와 손실저감부재(310)에 작용하는 전압, I1은 손실저감부재(310)에 통전되는 전류, I2는 포머부재(211)에 통전되는 전류, R1은 손실저감부재(310)의 저하, L1은 손실저감부재(320)의 자기인덕턴스, R2는 포머부재(211)의 저항, L2는 포머부재(211)의 자기인덕턴스 M12는 포머부재(211)와 손실저감부재(310)간의 상호인덕턴스를 의미한다.
즉, 수학식 1에 따르면, 포머부재(211)와 손실저감부재(310)에 각각 통전되는 전류의 크기는 포머부재(211)와 손실저감부재(310)의 저항의 크기에 반비례한다.
이 경우, 손실저감부재(310)가 초전도 재질로 구비됨에 따라 손실저감부재(310)의 저항 값은 초전도 조건에서 0에 가깝게 수렴하게 되므로 도체부(100)에 의해 포머부재(211)로 유도되는 전류는 모두 손실저감부재(310)로 흐르게 된다.
도체부(100)에 의해 포머부재(211)로 유도되는 전류는 모두 손실저감부재(310)로 흐르게 됨에 따라, 포머부재(211)로는 전류가 통전되지 않고, 포머부재(211)에는 저항에 의한 발열이 발생되지 않는다.
이에 따라 포머부(200)의 발열로 인한 초전도선재(111)의 통전 성능이 유지되며, 교류 손실이 저감된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 도체부 110 : 초전도층
111 : 초전도선재 120 : 도체절연층
200 : 포머부 210 : 포머층
211 : 포머부재 220 : 포머절연층
300 : 손실저감부 310 : 손실저감부재
320 : 절연부재 400 : 절연부
410 : 상간절연층 420 : 내부 반도전층
430 : 외부 반도전층 500 : 차폐부
600 : 냉각부 610 : 내부 시스층
620 : 냉각층 700 : 단열부
710 : 단열층 720 : 스페이서
800 : 진공부 810 : 외부 시스층
820 : 진공층

Claims (8)

  1. 초전도 선재가 구비되어 전류를 통전시키는 도체부;
    상기 도체부와 연결되어 고장 전류의 우회 경로를 마련하는 포머부; 및
    상기 포머부에 연결되고, 정상 운행 시 상기 포머부로 전류가 통전되는 것을 방지하여 교류 손실을 저감시키는 손실저감부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 손실저감부는 정상 운행 시 상기 도체부에 의해 상기 포머부로 유도되는 전류의 우회 경로를 마련하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 포머부는, 상기 도체부와 동심원을 이루는 적어도 하나 이상의 포머층을 포함하고,
    상기 포머층은, 상기 포머층의 길이방향으로 소정 피치 간격을 갖고 연선되며 상기 포머층의 원주방향을 따라 배치되는 복수개의 포머부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 손실저감부는, 이웃하는 상기 포머부재의 사이에 배치되는 손실저감부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 손실저감부재는 복수개로 구비되고, 동일한 포머층에 배치되는 상기 손실저감부재는 상기 포머층의 원주방향을 따라 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 포머층과 상기 손실저감부재는 복수개로 구비되고, 이웃하는 포머층에 배치되는 상기 손실저감부재는 상기 포머부의 서로 다른 지름 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 손실저감부는,
    상기 손실저감부재를 감싸도록 배치되어 상기 포머부재와 상기 손실저감부재를 상호 절연시키는 절연부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  8. 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포머부재는 상전도 재질로 구비되고, 상기 손실저감부재는 초전도 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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