WO2016047909A1 - 초전도 케이블 - Google Patents

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WO2016047909A1
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superconducting
layer
superconducting wire
former
wire
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PCT/KR2015/007417
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나진배
김영웅
최창열
성허경
이석주
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엘에스전선 주식회사
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting cable. More specifically, the present invention relates to a superconducting cable that can reinforce the physical stiffness of the superconducting wire and furthermore, diversify the path for dividing the fault current to reduce the diameter (section area) or weight of the former.
  • Superconducting wires have near-zero electrical resistance at a constant temperature, so they have great power transfer capability even at low voltages.
  • the superconducting cable having such a superconducting wire uses a method of cooling using a refrigerant such as nitrogen and / or a method of thermal insulation to form a vacuum layer in order to form and maintain a cryogenic environment.
  • a refrigerant such as nitrogen and / or a method of thermal insulation
  • the superconducting wires constituting the conventionally introduced superconducting cable may be wound in a drum or the like while being spirally wound on the outside of the former to manufacture the superconducting cable, or continuous tension or torsion may be applied when the superconducting cable is bent in the installation section.
  • such stress may cause problems such as breaking of the superconducting wire having a thickness of about 0.1 mm.
  • the ratio of the cost of the superconducting wire in the total superconducting cable is the largest, the durability or physical reliability of the superconducting wire is required.
  • the superconducting cable may be provided with a former at the innermost core portion.
  • the former may be provided with element wires composed of a plurality of metals such as copper.
  • the individual wires that make up the former are connected in parallel with the superconducting wires, and can act as a return conductor when a fault current occurs in the superconducting system power system.
  • the wire rod constituting the former acting as the ear of the fault current has a relatively large diameter compared to the superconducting wire rod because a general metal conductor is used, and occupies a substantial portion of the diameter of the entire superconducting cable.
  • An object of the present invention is to provide a superconducting cable that can reinforce the physical stiffness of the superconducting wire and further diversify the classification path of the fault current to reduce the diameter (section area) or the weight of the former.
  • the present invention provides a core part sequentially provided with a former composed of a plurality of copper wires, a superconducting layer composed of a plurality of superconducting wires, an insulating layer, and a superconducting shielding layer composed of a plurality of superconducting wires. And a superconducting cable in which the former and the superconducting wires constituting the superconducting conductor layer are connected in parallel, in order to reinforce the mechanical rigidity of each superconducting wire constituting the superconducting conductor layer.
  • the surface of the former includes a conductive layer of a metallic material which is electrically conductive at room temperature, and the cross-sectional area of the former is smaller than that of the former designed on the assumption that all accident currents flow to the former in the superconducting cable without the conductive layer added to the superconducting wire. It is possible to provide a superconducting cable characterized by.
  • the minimum cross-sectional area of the former forming the core part may be a cross-sectional area that satisfies a minimum short circuit condition of 50 KA / sec or 25 KA / 0.5 sec.
  • the conductive layer is made of brass, and when the thickness of the superconducting wire to which the conductive layer is added is 3y to 5y, the minimum cross-sectional area of the former is 0.6 A (mm 2 ) to 0.9 A (mm 2 ). Can be.
  • the superconducting wire includes a silver (Ag) layer, wherein the conducting layer and the silver (Ag) layer of the superconducting wire constituting the superconducting conductor layer are electrically by side soldering or surface metal coating of the superconducting wire. Can be connected.
  • the tensile strength of the superconducting wire to which the conducting layer is added may be 200 megapascals (Mpa) to 800 megapascals (Mpa) based on 95 percent IC relentation.
  • the thickness of the energization layer added to both surfaces of the superconducting wire may be 0.1 millimeter (mm) to 0.2 millimeter (mm).
  • the present invention is at least one or more superconducting conductor layer comprising a former, a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the former outside the former, the outer of the superconductor layer At least one or more superconducting shielding layers comprising a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the superconducting wire and the superconducting wires constituting the superconducting layer and the superconducting shielding layer.
  • a silver layer formed of a silver material provided on the outside of the deposition layer and a deposition layer including a superconducting layer deposited in a plurality of layers on the outside of the metal substrate layer constituting the superconducting wire (Ag) Bucket at room temperature consisting of metal on both outer surfaces of the layer It is possible to provide a superconducting cable characterized in that the conductive layer of metal is further added.
  • the metal constituting the energization layer may be made of brass.
  • the energizing layer may have a thickness of 0.1 millimeter (mm) to 0.2 millimeter (mm).
  • the metal conduction layer having a predetermined thickness is provided on both the outer side of the metal substrate layer constituting the superconducting wire and the outer side of the silver (Ag) layer, when the metal conducting layer is not provided on the superconducting wire.
  • the minimum cross-sectional area that satisfies the minimum short-circuit condition which is the minimum current flow condition required for a predetermined time in the event of an electrical short-circuit accident of the former, may be small.
  • the minimum short circuit condition may be any one of 50KA / sec or 25KA / 0.5sec.
  • the conductive layer may be soldered to the superconducting wire.
  • the solder for soldering the conductive layer to the superconducting wire includes tin (Sn), lead (Pb), and silver (Ag) as constituents, and a melting point may be 200 ° C. or less.
  • the surface of the superconducting wire may be copper plated or the side surface of the superconducting wire may be soldered so that the conducting layer is used as a return conductor of an accident current together with the metal substrate layer and the silver (Ag) layer constituting the superconducting wire. Can be.
  • a plurality of conductor wires compressed in the form of circular or circular pipes a plurality of superconducting wires disposed outside the plurality of conductor wires to form at least one or more superconducting conductor layers, and a plurality of superconducting wires forming the superconducting conductor layer.
  • Winding the outer side of the insulating paper to form an insulating layer and a plurality of superconducting wires disposed on the outer side of the insulating paper to form at least one or more superconducting shielding layers, including the superconducting conductor layer and the superconducting shielding layer.
  • a metal thin film layer may be added to both surfaces of each of the superconducting wires constituting the superconducting wire.
  • the metal thin film layer may be a brass material having a thickness of 0.1 mm (mm) to 0.2 mm (mm).
  • the metal thin film layer may be soldered by solder including tin (Sn), lead (Pb), and silver (Ag) as components.
  • a side surface of the superconducting wire may be soldered or copper coated on the surface of the superconducting wire, and the metal thin film layer may be used as the return of the accident current.
  • the tensile strength of the superconducting wire rod to which the metal thin film layer is added may be 200 megapascals (Mpa) to 800 megapascals (Mpa) based on an IC relentation of 95 percent.
  • a conductive layer in the form of a metal thin film layer may be added to the superconducting wire to reinforce the physical rigidity of the superconducting wire.
  • the flow path of the fault current is diversified by the energizing layer in the form of the metal thin film layer, thereby reducing the diameter (section area) or weight of the former.
  • a superconducting layer is added to the superconducting wire itself, the conduction layer capable of energizing the fault current, is provided in the center of the superconducting cable superconducting by reducing the diameter of the former for performing the role of the fault current than before The overall diameter of the cable can be reduced.
  • the superconducting cable according to the present invention it is possible to reduce the size of the former constituting the core of the superconducting cable to reduce the size of the superconducting cable and to reduce the cost and other accompanying costs of the superconducting cable.
  • FIG. 1 shows a stepped away perspective view of a superconducting cable according to the invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 1.
  • FIG 3 shows an example of a superconducting wire rod that can be applied to a superconducting cable.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of some examples of superconducting wires that may be applied to a superconducting cable according to the present invention.
  • FIG 5 shows another embodiment of a superconducting cable according to the invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 5 installed in a horizontal direction.
  • FIG. 1 shows a stepped away perspective view of a superconducting cable according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 1.
  • the superconducting cable shown in FIG. 1 includes at least one superconducting conductor layer 130 including a former 110 and a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the former 110 so as to surround the outside of the former 110. ), At least one including a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the former 110 so as to surround the superconducting conductor layer 130, the insulating tape 140 to the outside.
  • Cooling unit 200 having a refrigerant flow path of the refrigerant
  • the inner metal tube 300 provided on the outside of the cooling unit 200
  • the inner metal tube 300 is provided outside
  • the heat insulating material 401 is wound in several layers Thermal insulation 400 to form a thermal insulation layer
  • phase In order to vacuum-insulate the cooling unit 200, the vacuum unit 500 having a plurality of spacers 560 at spaced apart positions outside the heat insulating unit 400, and an external metal tube provided outside the vacuum unit 500. 600 and an outer jacket 700 provided outside the outer metal tube 600 to form a sheath layer.
  • the former 110 serves as a frame for forming a shape while simultaneously providing a place for mounting the flat, flat, long superconducting wire around the former 110, and may be a path through which an accident current flows.
  • the former 110 may have a shape in which a plurality of copper (Cu) conductor wires 111 having a circular cross section are compressed in a circular shape.
  • the former 110 basically has a round cylindrical shape, and serves as a frame for raising a flat long superconducting wire.
  • the diameter of the former 110 is determined so that the superconducting wires are not lifted in consideration of the width of the superconducting wires, and thus the superconducting wires are placed on the former 110 as close as possible.
  • the former may be configured in the form of a full center
  • the former 110 is made of a hollow pipe shape and at the same time a refrigerant to act as a frame for raising the superconducting wire rod
  • each of the conductor wires 111 constituting the former may be composed of copper, etc., by connecting each wire in parallel with each superconducting wire, power in the power system
  • It can also be configured to act as a return conductor in the event of fault currents due to short circuits in the system (quench, lightning, breakdown, etc.).
  • the role of the return conductor when a fault current is generated in the power system is attached to each superconducting wire as described below, in addition to the former composed of the conductor element 111, and a conductive layer of a metallic material is present at room temperature.
  • the energizing layer may be in the form of a tape of a metal material. Detailed description thereof will be described later.
  • the conductor cross-sectional area of copper or the like constituting the wire may be determined.
  • the copper wire may be compressed into a circular shape to form a stranded wire.
  • the superconducting wire constituting the superconducting cable according to the present invention is provided with a conductive layer of a metallic material that is conductive at room temperature on both surfaces of the superconducting wire in order to reinforce the mechanical rigidity of the superconducting wire.
  • a conductive layer may reinforce mechanical stiffness to prevent breakage due to torsional stress during winding of the superconducting wire.
  • the former of the superconducting cable according to the present invention is a conventional general superconducting cable It may have a diameter smaller than the diameter of the former forming the. A detailed explanation will be given later.
  • the smoothing layer 120 may be coated on the outside of the former 110 to smooth the convex surface of the former 110.
  • the smooth layer 120 may be made of a material such as semi-conductive carbon paper or brass tape.
  • the cushion layer may be further provided between the smoothing layer 120 and the superconducting conductor layer 130.
  • the cushion layer may be provided to protect the superconducting conductor layer by using a semiconductive carbon paper tape.
  • a first superconducting conductor layer 130a may be provided outside the former 110 flattened by the smoothing layer 120 to form a layer surrounded by a plurality of superconducting wires 131.
  • the first superconducting conductor layer 130a may be installed such that a plurality of superconducting wires are adjacent to each other and surround the smooth layer 120.
  • the superconducting conductor layer 130 may be configured in multiple layers according to the capacity of a current to be transmitted or distributed through the superconducting cable.
  • an insulating tape 140 may be provided between the superconducting conductor layers 130a and 130b.
  • the insulating tape 140 may be disposed between the superconducting conductor layers 130a and 130b to be stacked to insulate the superconducting conductor layers 130a and 130b to prevent the skin effect of the superconducting wires stacked.
  • the direction of energization of the superconducting conductor layers stacked in multiple layers by the insulating tape 140 may match.
  • the superconducting conductor layer 130 is shown an example consisting of two layers of the first superconducting conductor layer 130a and the second superconducting conductor layer 130b, but if necessary superconducting of more layers A conductor layer may be provided.
  • each of the superconducting wires constituting the superconducting conductor layers 130a and 130b may be connected in parallel with the element wires constituting the former 110. This is to allow the fault current to be classified into a wire of the former 110 when an electric current flowing through the superconducting wire is shorted (quench, lightning, insulation breakdown, breakdown of superconducting conditions, etc.). In this way, it is possible to prevent heat generation or damage to the superconducting wire.
  • An internal semiconducting layer 150 may be provided outside of the second superconducting conductor layer 130b provided outside the first superconducting conductor layer 130a.
  • the inner semiconducting layer 150 may be provided to relieve electric field concentration for each region of the superconducting conductor layer 130 and to even the surface electric field. Specifically, it may be provided to alleviate the electric field concentration occurring in the corner portion of the superconducting wire, and to even the electric field distribution. This also applies to the outer semiconducting layer 170 described later.
  • the inner semiconducting layer 150 may be provided in a manner in which a semiconducting tape is wound.
  • An insulating layer 160 may be provided outside the inner semiconducting layer 150.
  • the insulating layer 160 may be provided to increase the insulation strength of the superconducting cable.
  • XLPE Cross Linking-Polyethylene
  • oil filled cable oil filled cable
  • the superconducting cable according to the present invention may use an insulating paper made of a general paper as the insulating layer 160, and the insulating layer 160. Silver may be configured in such a manner that the insulating paper is wound a plurality of times.
  • the insulation paper is mainly used kraft paper or PPLP (Polypropylene Laminated Paper).
  • PPLP insulating paper is used in consideration of the ease of winding and dielectric strength characteristics.
  • An outer semiconducting layer 170 may be provided outside the insulating layer 160.
  • the outer semiconducting layer may also be provided to relieve electric field concentration by each region of the superconducting conductor layer 130 and to even the surface electric field.
  • the outer semiconducting layer 170 may also be provided in a manner in which a semiconducting tape is wound. .
  • a superconducting shielding layer 180 may be provided outside the outer semiconducting layer 170.
  • the method of forming the superconducting shield layer 180 may be the same as the method of forming the superconducting conductor layer 130.
  • a smooth layer (not shown) may be provided as necessary, and superconducting wires for forming a superconducting shielding layer 180 outside the smooth layer are circumferentially respectively. Can be placed side by side.
  • the current flowing through the shielding layer made of the second generation superconducting wire may be designed to be about 95% of the current flowing in the superconducting conductor layer, thereby minimizing the leakage magnetic field.
  • a core exterior layer 190 may serve as an exterior of the core unit 100 outside the superconducting shielding layer 180.
  • the core exterior layer 190 may include various tapes, binders, and the like, and serves to bind all components of the core unit 100 and the exterior role so that the core unit 100 may be exposed to the cooling layer to be described later. To perform, it may be composed of a metal tape such as SUS material.
  • the core portion 100 of the superconducting cable may be configured.
  • the smoothing layer and the semiconducting layer are illustrated as being composed of a single layer of the same material. Can be added.
  • the cooling unit 200 may be provided outside the core unit 100.
  • the cooling unit 200 may be provided to cool the superconducting wire of the core unit 100, and the cooling unit 200 may be provided with a circulation passage of the liquid refrigerant therein.
  • Liquid nitrogen may be used as the liquid refrigerant, and the liquid refrigerant (liquid nitrogen) is provided in the core part 100 inside the cooling unit while circulating the cooler flow path in a cooled state to have a temperature of about ⁇ 200 degrees. Cryogenic temperature, which is a superconducting condition of the superconducting wire, can be maintained.
  • the cooling passage provided in the cooling unit 200 may allow the liquid refrigerant to flow in one direction, may be recovered from the junction box of the superconducting cable, recooled, and then supplied to the cooling passage of the cooling unit 200 again.
  • An inner metal tube 300 may be provided outside the cooling unit 200.
  • the inner metal tube 300 serves as an exterior of the superconducting cable to prevent mechanical damage of the core unit 100 during installation and operation of the superconducting cable together with the outer metal tube 600 to be described later.
  • the superconducting cable is wound on the drum to facilitate the manufacture and transportation, and when installed, the cable wound around the drum is deployed to install the superconducting cable so that bending stress or tensile stress can be continuously applied.
  • the inner metal tube 300 may be provided. Therefore, the inner metal tube 300 has a corrugated structure in which the bumps and depressions are repeated in the longitudinal direction of the superconducting cable to reinforce rigidity against mechanical stress, and the inner metal tube 300 is made of a material such as aluminum. Can be.
  • the inner metal tube 300 Since the inner metal tube 300 is provided outside the cooling unit 200, the inner metal tube 300 may be cryogenically corresponding to the temperature of the liquid refrigerant. Therefore, the inner metal pipe 300 may be divided into a low temperature metal pipe.
  • the outer circumferential surface of the inner metal tube 300 may be provided with a heat insulating part 400 including a heat insulating layer wound in a plurality of layers of a heat insulating material coated with a thin polymer of low thermal conductivity on a metal film with high reflectance.
  • the heat insulation layer may be configured to constitute a multi layer insulation (MLI) and to prevent heat intrusion to the inner metal pipe 300.
  • MMI multi layer insulation
  • the inner metal tube 300 is made of a metal material, heat intrusion or heat exchange due to conduction is easy, and the heat insulating part 400 can minimize heat exchange or heat intrusion mainly due to conduction, and has a high reflectance metal. Due to the film material, it is also possible to obtain an effect of preventing heat exchange or thermal intrusion by radiation.
  • the number of layers of the heat insulating part 400 is adjustable to minimize thermal intrusion. If it is composed of many layers, the radiant heat shielding effect is increased, but it is important to use an appropriate number of layers since the heat shielding effect of the conduction heat and the thermal barrier effect due to convection due to the thinning of the vacuum layer are reduced.
  • the vacuum unit 500 may be provided outside the heat insulating part 400.
  • the vacuum unit 500 may be provided to minimize heat transfer due to convection in the direction of the heat insulation layer, which may occur when heat insulation by the heat insulation unit 400 is not sufficient.
  • the vacuum unit 500 may be formed by forming a spaced space outside the heat insulating portion 400 and vacuuming the spaced space.
  • the vacuum part 500 is a separation space provided to prevent thermal intrusion by convection or the like from the outside at room temperature to the core part side, and may include at least one spacer 560 to form a physical separation space.
  • At least one spacer 560 may be provided therein, and may be increased or decreased according to the type or size of the superconducting cable or the spacer.
  • the superconducting cable 1000 illustrated in FIGS. 1 and 2 is illustrated as having four spacers, the number thereof may be increased or decreased.
  • the spacer 560 may be disposed along the longitudinal direction of the superconducting cable, and may be wound so as to surround the core part 100 outside, specifically, the heat insulating part 400 in a spiral or circular shape.
  • the number of the spacers 560 may be provided with three to five spacers of the superconducting cable according to the present invention.
  • the spacer may form a spaced space to prevent heat exchange by conduction, and the structure of the spacer may be configured as a single layer or a plurality of layers.
  • the spacer 560 may be made of polyethylene (FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, PTFE).
  • the spacer 560 may be made of polyethylene fluoride (PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) material, or may be coated with fluorinated polyethylene or the like after being made of general resin or polyethylene material.
  • PTFE polyethylene fluoride
  • the fluorinated polyethylene may be Teflon.
  • Teflon is a kind of fluorocarbon resin. Teflon forms a very stable compound due to the strong chemical bonding of fluorine and carbon, and has almost perfect chemical inertness and heat resistance, non-tackiness, excellent insulation stability, and low coefficient of friction. have.
  • the heat insulating portion 400 since the Teflon has a certain degree of flexibility, the heat insulating portion 400 is spirally wrapped, and may be disposed to be wound in the longitudinal direction of the superconducting cable, and thus the heat insulating portion 400 and the outside may be disposed. It may be used as a separation means for preventing the contact of the metal tube 600 may serve to physically maintain the separation space constituting the vacuum unit 500.
  • the spacer 560 may have a diameter of 4 millimeters (mm) to 8 millimeters (mm).
  • the cross-sectional shape of the spacer 560 may be various shapes such as a circle, a triangle, a rectangle, and a star.
  • An outer metal tube 600 may be provided outside the vacuum part 500 provided with the spacer 560.
  • the outer metal tube 600 may be formed of the same shape and material as the inner metal tube 300, and the outer metal tube 600 is configured to have a larger diameter than the inner metal tube 300 and is formed through the spacer 560. It may be possible to form a space apart. Detailed description of the spacer 560 will be deferred later.
  • an outer jacket 700 may be provided at an outer side of the outer metal tube 600 to perform an outer function to protect the inside of the superconducting cable.
  • the outer jacket may be a sheath material constituting the outer jacket 700 of a conventional power cable.
  • the outer jacket 700 may prevent corrosion of the metal tube 600 therein and prevent cable damage due to external force. It may be made of a material such as polyethylene (PE) polyvinyl chloride (PVC).
  • FIG. 3 shows an example of a superconducting wire rod that can be applied to a superconducting cable.
  • FIG. 3 (a) shows a cross-sectional view of a conventional superconducting wire 131 'which is not provided with a conducting layer
  • FIG. 3 (b) shows a superconducting wire with a conducting layer made of a metal material having room temperature conduction. 131 is shown.
  • the superconducting cable according to the present invention includes a former 110 composed of a plurality of copper wires 111, a superconducting layer 130 composed of a plurality of superconducting wires 131, an insulating layer, and a plurality of superconducting materials.
  • the superconducting shield layer 180 made of a wire rod is provided with a core part 100 sequentially provided, and each of the superconducting wire rods 131 constituting the former 110 and the superconducting conductor layer 130 are connected in parallel.
  • conductive surfaces (me1 and me2) made of a metallic material which are electrically conductive at room temperature on both surfaces of each of the superconducting wires,
  • the cross-sectional area of the former 110 may be smaller than the cross-sectional area of the former designed on the premise that all accident currents flow in the former in the superconducting cable in which the conductive layer is not added to the superconducting wire.
  • the former 110 is used as a return conductor in the event of an accident such as a short circuit (quench, lightning, breakdown, breakdown of superconducting conditions, etc.).
  • the superconducting wire constituting the superconducting cable according to the present invention is provided with a conduction layer (me1, me2) of the metal material having room temperature conduction on both surfaces to provide the effect of reinforcing the mechanical rigidity of the superconducting wire itself and at the same time short circuit of the superconducting system
  • the conducting layers (me1, me2) perform the function of the conductor to the ear together with the former so that the diameter of the former can be reduced compared to the superconducting cable to which the superconducting wire without the conducting layers (me1, me2) is applied. The effect of reducing the diameter and weight of the whole can be obtained. Review in detail.
  • the superconducting cable according to the present invention adds conductive layers me1 and me2 of conductive metal to the superconducting wire to reinforce the rigidity of the superconducting wire, and the additional conductive layers me1 and me2 are also used as the return conductor of the accident conductor. Since it can be used, it is possible to reduce the cross-sectional area of the former as compared to a superconducting cable in which a superconducting wire rod without a conductive layer is added.
  • the width of the superconducting wire constituting the superconducting conductor layer 130 is x (mm) and the thickness is y (mm), and the minimum amount of conduction condition required for a predetermined time when an electrical short circuit occurs.
  • the minimum cross-sectional area of the former to satisfy the minimum short-circuit condition is A (mm 2 ) or more, and conduction at room temperature on both surfaces of the superconducting wire to reinforce the mechanical rigidity of each superconducting wire constituting the superconducting conductor layer.
  • the minimum cross-sectional area of the former in the case of adding the conductive layers me1 and me2 made of metal may have a size smaller than A (mm 2 ). In more detail, it is as follows.
  • the conventional superconducting wire shown in FIG. 3 (a) has a width of x (mm) and a thickness of y (mm), and the superconducting wire applied to the superconducting cable according to the present invention shown in FIG.
  • conductive layers me1 and me2 made of metal and having a width x (mm) and a thickness y (mm) to 2 y (mm) are added.
  • the superconducting wire 131 applied to the superconducting cable according to the present invention is provided with a conductive layer having a thickness of y (mm) to 2 y (mm) in the existing superconducting wire 131 'and has a total thickness of 3y (mm). ) To 5y (mm).
  • the conductive layer may be soldered as described below and added to the existing superconducting wire.
  • the side surfaces of the superconducting wire 131 are soldered or the surface of the entire superconducting wire 131 is metal-coated, such as a short circuit.
  • the fault current is classified into the conduction layer side added to each superconducting wire in addition to the wires of the former 110 connected in parallel with each superconducting wire 131, so that the conducting layers me1 and me2 are together with the former. Can share the role of
  • each of the conductive layers me1 and me2 has a width of x (mm) and a thickness of y (mm) to 2 y (mm), but the two surfaces of the superconducting wire having a conventional thickness of y (mm), respectively. Since it is added, the current carrying capacity may be greater according to the skin effect than when only one conductive layer having 2 y (mm) to 4 y (mm) is added to one surface of the existing superconducting wire.
  • the conductive layer When the conductive layer is added to both surfaces of the superconducting wire, rather than adding the conductive layer only to one surface of the superconducting wire, the separation of the conductive layer can be minimized and the stiffness can be reinforced when bending the superconducting wire. Even when using a furnace conduction layer, it may be advantageous to add the conduction layer to both surfaces of the superconducting wire and to reduce the diameter of the former.
  • the thickness of the superconducting wire 131 to which the conductive layers me1 and me2 of brass are added is 3y to 5y, as shown in FIG.
  • the tensile strength of the superconducting wire with the conductive layers (me1, me2) added is about 200 megapascals (Mpa) to 800 megapascals (Mpa) based on 95 percent current attenuation (IC relentation). It was confirmed that sufficient rigidity can be secured, and the minimum cross-sectional area of the former can be confirmed that it can be composed of 0.6 A (mm 2 ) to 0.9 A (mm 2 ) through the experimental and simulation results. .
  • the minimum short circuit condition which is the minimum conduction condition required for a predetermined time when an electrical short circuit occurs.
  • the minimum cross-sectional area of the former is A (mm 2 ) or more, and the conductive layer is made of brass, and the thickness of the superconducting wire to which the conductive layer is added is 3y to 5y, the minimum cross-sectional area of the former is 0.6 A. (mm 2 ) to 0.9 A (mm 2 ).
  • the 95 percent IC relentation criterion is a test method for measuring the tensile force until a 95 percent current amount of initial conduction is obtained while gradually increasing the tensile force at both ends of the superconducting wire, and thus 200 megapascals (Mpa) to 800 mega This means that even when a Pascal (Mpa) tensile force is applied to the superconducting wire, at least 95 percent of electricity can be secured.
  • the thickness of the existing superconducting wire is about 0.1 millimeters (mm), and each conducting layer is about 0.1 millimeters (mm) to 0.2 millimeters (mm)
  • the thickness of the superconducting wire of the superconducting cable according to the present invention is 0.3 It is composed of millimeter (mm) to 0.5 millimeter (mm), and the thickness of the superconducting wire is considerably increased compared to the existing superconducting wire, but the thickness of the improved superconducting wire is also thin film level, so it does not affect the overall thickness of the superconducting cable.
  • the cross-sectional area of the former in which the non-insulated element wires are formed in a dense form may be reduced by about 10% to 40%.
  • the shorter condition of the former was used as 50KA / sec at power transmission or 25KA / 0.5sec at power distribution, but may vary according to country or power supplier, but the rigidity of the superconducting wire is the same principle.
  • This reinforcement is common in that the minimum cross-sectional area of the former to satisfy the minimum short circuit condition can be reduced.
  • the minimum cross-sectional area of the former superconducting cable satisfies the minimum short-circuit condition in the event of a short circuit accident during transmission or distribution
  • the minimum cross-sectional area of the former superconducting cable is A (mm 2 ).
  • the minimum cross-sectional area may be configured to be less than 0.6 a (mm 2) to 0.9 a (mm 2) so 1A (mm 2).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the superconducting wires constituting the superconducting cable according to the present invention.
  • Figure 4 (a) shows a cross-sectional view of one embodiment of a superconducting wire rod applicable to the superconducting cable according to the present invention
  • Figure 4 (b) shows a cross-sectional view of another embodiment of the superconducting wire rod.
  • the superconducting wire 131 constituting the superconducting conductor layer will be described as an example.
  • the superconducting wire constituting the superconducting cable according to the present invention may be a first generation superconducting wire or a second generation superconducting wire.
  • the phenomenon that the electrical resistance becomes '0' below a certain temperature is called superconductivity, and it shows superconductivity at a relatively high temperature relative to absolute temperature near 100K (-173 °C) instead of absolute 0K (-273 °C). This is called a high temperature superconductor.
  • the superconducting wire used in the field of power cables uses high-temperature superconductors, the first generation of wires (Ag) base material and BSCCO as the main material, and the second generation wires of the Coated Conductor (CC) type with YBCO or ReBCO as the main material. .
  • the second generation superconducting wire may include a metal substrate layer, a deposition layer, a silver (Ag) layer, and the like.
  • the metal substrate layer is used as a base member of the wire rod, and serves to maintain the mechanical strength of the superconducting wire rod, and materials such as Hastelloy and nickel-tungsten (Ni-W) may be used.
  • the deposition layer may include a buffer layer for depositing a superconducting layer on a metal substrate, a superconducting layer, and may include a superconducting layer used as a conduction path for current during energization.
  • the silver (Ag) layer may be composed of a silver (Ag) or copper (Cu) alloy layer, and the silver (Ag) alloy layer may be located between the superconducting layer and the copper (Cu) alloy layer to enable deposition.
  • the copper (Cu) alloy layer may serve to reinforce mechanical strength.
  • Each alloy layer can be configured in a different thickness and material according to the application, and has the characteristic of room temperature conduction.
  • the superconducting wire constituting the superconducting cable according to the present invention may be a first generation or second generation superconducting wire, wherein the first generation superconducting wire uses silver (Ag) as a base material and the second generation superconducting wire includes an silver (Ag) layer. Since the silver (Ag) base material of the first generation superconducting wire and the silver (Ag) layer of the second generation superconducting wire can be used as the return conductor of the fault current together with the conducting layer described below, the first generation or the second generation superconducting wire Can contribute to reducing the diameter of the former of the superconducting cable.
  • the superconducting wire constituting the superconducting cable according to the present invention shown in FIG. 4 is a second generation superconducting wire, and a superconducting wire using a metal substrate layer of nickel-tungsten (Ni-W) alloy material may be used.
  • Ni-W nickel-tungsten
  • FIG. 4A illustrates a superconducting wire 131 using a YBCO-based superconducting material
  • FIG. 4B illustrates a cross-sectional view of the superconducting wire 131 using a ReBCO-based superconducting material.
  • the material of the metal substrate layer 1311 constituting the superconducting wire 131 shown in FIG. 4A may be a nickel-tungsten (Ni-W) alloy, and the metal substrate layer 1311 may be a metal tape. It may be configured in the form.
  • a deposition layer including a plurality of buffer layers 1312, 1313, and 1314 and a superconducting layer 1315 made of YBCO may be provided on the metal substrate layer 1311 formed of the nickel-tungsten (Ni-W) alloy material. Can be.
  • each layer constituting the buffer layer is made of a material such as Y 2 O 3 , YSZ, CeO 2, or the like. It can consist of layers.
  • a superconducting layer 1315 made of YBCO material is deposited on each buffer layer, and an Ag layer is provided as an Ag layer 1316 on the outside of the superconducting layer 1315 for the purpose of protecting the superconducting wire.
  • a silver (Ag) base material is used, but in the case of the superconducting wire shown in FIG. 4, a silver (Ag) layer or a silver (Ag) layer is separately provided.
  • the present invention includes at least one or more superconducting conductor layers including a former, a plurality of superconducting wires 131 disposed side by side in the longitudinal direction of the former on the outside of the former, and side by side in the longitudinal direction of the former on the outer side of the superconducting conductor layer. It includes at least one or more superconducting shielding layer comprising a plurality of superconducting wire 131, the superconducting wire 131 constituting the superconducting conductor layer 130 and the superconducting shielding layer 180 is a metal substrate layer.
  • the conductive layers me1 and me2 made of metal may be further provided on the surface.
  • the conductive layers me1 and me2 made of metal may be provided on the upper and lower portions of the superconducting wire 131 illustrated in FIG. 4A, that is, the outer side of the substrate layer 1311 and the silver layer 1316. have.
  • the reason why the conductive layers me1 and me2 are provided on both sides of the superconducting wire 131 is that physical stiffness reinforcement is strengthened than when the conductive layer is provided on only one side, and the variation of physical properties according to the bending direction is minimized. In order to increase the capacity as a conductor by the ear as described above.
  • the superconducting wire 131 constituting each of the superconducting conductor layer or the superconducting shielding layer is implemented on the premise that the superconducting conditions are maintained, but the conduction function according to the design capacity is implemented, but if the superconducting conditions are destroyed due to system problems, etc.
  • the current flowing through the superconducting wire 131 is configured to be energized through the former, and the diameter of the former or the number of conductor wires may be determined according to the capacity for energizing the accident current.
  • the diameter of the former 110 occupies a large proportion of the diameter of the entire superconducting cable, the diameter of the former to reduce the diameter of the former to reduce the total diameter or weight of the superconducting cable may be reduced.
  • the conductive layers me1 and me2 made of metal, for example, brass, are provided on the upper and lower portions of the superconducting wire 131 to reinforce the rigidity of the superconducting wire 131. At the same time, it can be used as a conductor of the fault current and minimize the diameter of the former.
  • the conductive layers me1 and me2 of the metal material may be configured in the form of a metal thin film layer, and specifically, may be made of brass.
  • Brass, Iii) is an alloy made by adding zinc to copper and is also called brass.
  • the conductive layers me1 and me2 of the metal material of brass may be added in the form of a metal thin film layer such as brass, and the brass mesh layer may have a thickness of 0.1 millimeter (mm) to 0.2 millimeter (mm). If it is assumed that the thickness of the conductive layer (me) of the metal material in the form of a brass tape attached to one side of the superconducting wire 131 is 0.15 millimeters (mm), the thickness of the entire superconducting wire 131 is about 0.4 millimeters (mm) Can be enough.
  • the thickness of the conductive layer of metal is 0.1 mm or less, it is difficult to reinforce the rigidity of the superconducting wire sufficiently. If the thickness of the conductive layer of the metal is 0.2 mm or more, the conductive layer of the metal material is separated from the superconducting wire 131 during bending. And it was confirmed that the problem that the thickness of the superconducting wire 131 is excessively thick may occur.
  • a typical superconducting wire 131 has a thickness of about 0.1 millimeter (mm), and a thickness of 0.4 millimeter (mm) is increased by four times by attaching a conductive layer of metal material in the form of a brass tape having a thickness of 0.15 millimeter (mm) to both sides.
  • the overall thickness is small enough to be less than 1 millimeter (mm)
  • the effect on the overall thickness of the superconducting cable is insignificant, but the stiffness of the superconducting wire 131 is reinforced and can be used as the return conductor of the accidental current. This can reduce the diameter or weight of the former.
  • the conductive layers me1 and me2 made of brass as metal thin layers are provided on the upper and lower portions of the superconducting wire 131, the rigidity of the superconducting wire 131 can be reinforced and the diameter or weight of the former can be reduced.
  • the conducting layer having a predetermined thickness is provided on both the outer side of the metal substrate layer constituting the superconducting wire 131 and the outer side of the silver (Ag) layer, the conducting layer is not provided on the superconducting wire 131. It means that the diameter or weight of the former can be reduced than if not.
  • the conductive layers me1 and me2 formed in the form of a thin metal layer of brass are added to the superconducting wire 131, the conductive layers Me1 and me2 are energized through the conductive layers me1 and me2 provided in the entire superconducting wire 131.
  • the accidental current is 1.5% or more, and considering the former's spot ratio and skin effect, it was possible to reduce the diameter (section area) or weight of 10 percent (%) to 40 percent (%) compared to the former structure of the same structure. Same as one.
  • the current flowing through the superconducting layer of the deposition layer 1315 when the accidental current is generated in the state in which the conducting layers me1 and me2 are attached to both sides of the superconducting wire 131 by solder or the like is applied to the conducting layer me1.
  • the superconducting wire 131 and the conductive layers me1 and me2 attached thereto must be electrically connected.
  • the conductive layers me1 and me2 attached to both sides of the superconducting wire 131 and the superconducting wire 131 are connected in parallel to each other for energizing an accident current, and the superconducting wire 131 and the superconducting wire 131 are respectively connected.
  • a method of electrically connecting the conductive layers me1 and me2 attached to both sides of the conductive layer may be soldered to the side of the superconducting wire 131 with a metal base solder or the superconducting wire 131 may have good electrical conductivity.
  • a method of plating with a metal such as copper (Cu) may be used.
  • the conductive layers me1 and me2 and the superconducting wire 131 may be electrically connected to each other while minimizing the increase in the thickness or volume of the superconducting wire 131 to which the conductive layers me1 and me2 are attached.
  • the metal substrate layer 1311 constituting the superconducting wire 131, the deposition layers 1312 to 1315 including the superconducting layer, and the silver (Ag) layer 1316 are electrically formed by copper plating or side soldering.
  • the superconducting layer 1315 is electrically connected to the metal substrate layer 1311, the silver (Ag) layer 1316 and the respective conducting layers me1 and me2, and the fault current is the conducting layer me1.
  • the metal substrate layer 1311 and the silver (Ag) layer 1316 may be classified.
  • the base material made of silver (Ag) may also be used as a return conductor in which an accident current is classified together with the silver layer of the second generation superconducting wire.
  • the metal substrate layer 1311 and the silver (Ag) layer 1316 through the Can be used for fault currents.
  • the conductive layers me1 and me2 as the metal thin film layers may be soldered and attached to the superconducting wire 131.
  • Solder for soldering the conductive layers me1 and me2 to both sides of the superconducting wire 131 is composed of tin (Sn), lead (Pb), and silver (Ag), and has a melting point of 200 ° C. or less. Can be.
  • various solders may be applied to the metal substrate layer 1311 or silver (Ag) layer 1316 constituting the conductive layers me1 and me2 and the superconducting wire 131.
  • the attachment method may be applied.
  • FIG. 4 (b) shows a superconducting wire 131 'using ReBCO-based superconducting material. The description overlapping with the description with reference to FIG. 4 (a) will be omitted.
  • the material of the metal substrate layer 1311 ′ constituting the superconducting wire 131 ′ shown in FIG. 4B may be a nickel-tungsten (Ni-W) alloy, and the metal substrate layer 1311 ′ may be a metal.
  • Ni-W nickel-tungsten
  • the same may also be configured in the form of a thin film layer.
  • Each seed layer constituting the buffer layers 1312 ', 1313', 1314 ', 1315', and 1316 ' is composed of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , IBAD-MGo, EPI-MGo, and LaMoO 3 layers. Can be.
  • the superconducting wire 131 ′ shown in FIG. 4 (b) is also provided with conductive layers me1 and me2 outside the metal substrate layer 1311 ′ and the silver (Ag) layer 1318 ′, respectively. Like the superconducting embodiment shown in a), it can be used for physical stiffness reinforcement and fault current classification.
  • the diameter of the former to serve as a conductor of the accident current by forming an energization layer composed of a metal thin film layer made of brass or the like on both sides of the superconducting wire 131 'and using it as a means of energizing the accident current. Can be reduced.
  • the metal substrate layer and silver (Ag) layer constituting the superconducting wire 131 ′ shown in FIG. 4 are also made of a metallic material, there is a bypass function of the fault current, but based on the thickness of the conventional superconducting wire Due to the small cross-sectional area occupied by the metal substrate layer and the silver (Ag) layer, the bypass capacity of the fault current was minimal.
  • the metal conductive layers me each have a thickness of about 0.15 millimeters (mm), the amount of energization through them may affect the diameter of the former for returning to the accident current. Is as described above.
  • the current carrying amount of the accident current through the metal substrate layer and the silver (Ag) layer is considered, including a metal conduction layer (me) of the superconducting wire 131 'constituting the superconducting conductor layer. It is possible to set the diameter of the former to be reduced than before.
  • the maximum allowable amount of current can be determined by the thermal analysis method according to the energization of the accident current through the metal conduction layer (me), the metal substrate layer, and the silver (Ag) layer of the superconducting wire, thereby reducing the diameter of the former. Can be designed.
  • Figure 5 shows another embodiment of the superconducting cable according to the present invention
  • Figure 6 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in Figure 5 installed in a horizontal direction.
  • 5 and 6 illustrate a three-phase superconducting cable having three core parts 100 provided in the superconducting cable.
  • the three-phase superconducting cable may not have a structure in which each core part 100 independently includes the cooling part 200, but may have a structure in which the cooling part 200 is shared outside the three core parts 100.
  • the vacuum unit 500 on the outside of the cooling unit 200 may also have a shared structure.
  • the superconducting cable shown in FIGS. 5 and 6 may also have a conductive layer in the form of a metal thin film layer added to the superconducting wire according to the present invention to reinforce the physical rigidity of the superconducting wire, and according to the superconducting cable according to the present invention, It is equally true that the flow path of the fault current can be diversified by the shape of the energized layer to reduce the diameter (cross-sectional area) or weight of the former forming each core part.

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Abstract

본 발명은 초전도 선재의 물리적 강성이 보강되고 더 나아가 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있는 초전도 케이블에 관한 것이다.

Description

초전도 케이블
본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초전도 선재의 물리적 강성이 보강되고 더 나아가 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있는 초전도 케이블에 관한 것이다.
초전도 선재는 일정한 온도에서 전기저항이 제로에 가까이 수렴하므로, 낮은 전압에서도 큰 전력 전송 능력을 갖는다.
이러한 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블은 극저온 환경을 형성 및 유지하고자 질소 등의 냉매를 사용하여 냉각시키는 방법 및/또는 진공층을 형성하는 단열의 방법을 사용한다.
종래 소개된 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재들은 초전도 케이블을 제조하기 위하여 포머 등의 외측에 나선형으로 권선된 상태로 드럼 등에 권취되거나, 포설구간에서 초전도 케이블이 밴딩되는 경우 지속적인 텐션 또는 비틀림이 인가될 수 있으며, 이러한 스트레스는 두께가 0.1mm 정도밖에 안되는 초전도 선재의 끊어짐 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 특히, 전체 초전도 케이블에서 초전도 선재가 차지하는 비용의 비율이 가장 크므로, 초전도 선재의 내구성 또는 물리적 신뢰성이 요구된다.
그리고 초전도 케이블은 코어부 최내부에 포머가 구비될 수 있다. 포머는 복수 개의 구리 등의 금속 재질로 구성되는 소선들이 구비될 수 있다. 포머를 구성하는 각각의 소선들을 초전도 선재와 병렬연결을 하여, 초전도 시스템 전력계통에서 고장전류 발생시 귀로 도체로 역할할 수 있다.
그러나, 사고전류의 귀로 역할을 수행하는 포머를 구성하는 선재는 일반 금속 도체가 사용되므로 초전도 선재에 비해 상대적으로 큰 직경을 가지며, 전체 초전도 케이블의 직경에 상당 부분을 차지한다.
그러나, 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재의 강성이 보강되면서도, 포머 등의 직경을 줄일 수 있는 초전도 선재를 구비한 초전도 케이블은 아직 소개된 바가 없다.
본 발명은 초전도 선재의 물리적 강성이 보강되고 더 나아가 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있는 초전도 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 복수 개의 구리 소선으로 구성되는 포머, 복수 개의 초전도 선재로 구성되는 초전도 도체층, 절연층 및 복수 개의 초전도 선재로 구성되는 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부를 구비하며, 상기 포머와 초전도 도체층을 구성하는 각각의 초전도 선재가 병렬 연결되는 초전도 케이블에 있어서, 상기 초전도 도체층을 구성하는 각각의 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 각각의 상기 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어를 포함하고, 상기 포머의 단면적은 초전도 선재에 통전 레이어가 부가되지 않은 초전도 케이블에서 모든 사고 전류가 포머로 흐를 것을 전제하여 설계된 포머의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 코어부를 구성하는 포머의 상기 최소 단면적은 50KA/sec 또는 25KA/0.5sec 최소 단락조건을 만족하는 단면적일 수 있다.
그리고, 상기 통전 레이어는 황동 재질이며, 상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 두께를 3y 내지 5y로 구성하는 경우, 상기 포머의 최소 단면적은 0.6 A (mm2) 내지 0.9 A (mm2)로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 초전도 선재는 은(Ag) 레이어를 포함하며, 상기 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재의 상기 통전 레이어 및 상기 은(Ag) 레이어는 상기 초전도 선재의 측면 솔더링 또는 표면 금속코팅에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)일 수 있다.
이 경우, 상기 초전도 선재의 양표면에 부가되는 상기 통전 레이어의 두께는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포머, 상기 포머 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층, 상기 초전도 도체층 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층을 포함하며, 상기 초전도 도체층 및 초전도 차폐층을 구성하는 초전도 선재는 금속 기판 레이어, 상기 금속 기판 레이어 상부에 복수 층으로 증착되며 초전도 레이어을 포함하여 구성된 증착 레이어 및 상기 증착 레이어 외측에 구비되는 은 재질로 구성되는 은(Ag) 레이어를 포함하고, 상기 초전도 선재를 구성하는 상기 금속 기판 레이어의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어의 외측 양표면에 금속 재질로 구성된 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 더 부가되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 통전 레이어를 구성하는 금속은 황동(Brass) 재질일 수 있다.
여기서, 상기 통전 레이어는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)의 두께일 수 있다.
여기서, 상기 초전도 선재를 구성하는 상기 금속 기판 레이어의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어의 외측 모두에 미리 결정된 두께를 갖는 금속 통전 레이어가 구비되는 경우, 상기 초전도 선재에 금속 통전 레이어가 구비되지 않는 경우보다 상기 포머의 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 요구되는 최소 통전량 조건인 최소 단락조건을 만족하는 최소 단면적이 작을 수 있다.
여기서, 상기 최소 단락조건은 50KA/sec 또는 25KA/0.5sec 중 어느 하나일 수 있다.
이 경우, 상기 통전 레이어는 상기 초전도 선재에 솔더링될 수 있다.
그리고, 상기 통전 레이어를 상기 초전도 선재에 솔더링하기 위한 솔더는 주석(Sn), 납(Pb) 및 은(Ag)을 구성 성분으로 하며, 녹는점은 200℃ 이하일 수 있다.
여기서, 상기 초전도 선재를 구성하는 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어와 함께 상기 통전 레이어가 사고 전류의 귀로도체로 사용되기 위하여 상기 초전도 선재의 표면이 구리 도금되거나, 상기 초전도 선재의 측면이 솔더링될 수 있다.
여기서, 원형 또는 원형 파이프 형태로 압축된 복수 개의 도체 소선, 상기 복수 개의 도체 소선 외측에 배치되어 적어도 1층 이상의 초전도 도체층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재, 상기 초전도 도체층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재의 외측을 복수 회 권선하여 절연층을 형성하는 절연지 및, 상기 절연지 외측에 배치되어 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재;을 포함하며, 상기 초전도 도체층 및 상기 초전도 차폐층을 구성하는 각각의 초전도 선재의 양면에 금속 박막층이 부가될 수 있다.
상기 금속 박막층은 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)의 두께의 황동(brass) 재질일 수 있다.
이 경우, 상기 금속 박막층은 주석(Sn), 납(Pb) 및 은(Ag)을 구성 성분으로 하는 솔더에 의하여 솔더링될 수 있다.
그리고, 상기 초전도 선재와 상기 금속 테이프를 전기적 연결하기 위하여, 상기 초전도 선재의 측면은 솔더링되거나 상기 초전도 선재의 표면이 구리 코팅되고, 상기 금속 박막층이 사고 전류의 귀로로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 금속 박막층이 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)일 수 있다.
본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 초전도 선재에 금속 박막층 형태의 통전 레이어가 부가되어 초전도 선재의 물리적 강성이 보강될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 상기 금속 박막층 형태의 통전 레이어에 의하여 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 초전도 선재 자체에 사고 전류의 통전이 가능한 통전 레이어가 부가되어, 초전도 케이블 중심부에 구비되어 사고 전류의 귀로 역할을 수행하기 위한 포머의 직경을 종래보다 줄여서 초전도 케이블의 전체 직경을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 초전도 케이블의 코어를 구성하는 포머의 크기를 줄여 초전도 케이블의 크기를 줄임과 동시에 초전도 케이블의 원가 및 기타 수반 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시한다.
도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 3은 초전도 케이블에 적용될 수 있는 초전도 선재의 예를 도시한다.
도 4은 본 발명에 따른 초전도 케이블에 적용될 수 있는 초전도 선재의 몇가지 예들의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 단면도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
본 발명에 따른 초전도 케이블의 기본 구조를 설명한다.
도 1에 도시된 초전도 케이블은 포머(110), 상기 포머(110) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층(130), 상기 초전도 도체층(130)을 감싸는 절연 테이프(140), 상기 절연 테이프(140) 외부를 감싸도록 상기 포머(110)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층(180)을 포함하는 코어부(100), 상기 코어부(100)를 냉각하기 위하여, 상기 코어부(100) 외측에 구비되며, 상기 코어부(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매의 냉매유로를 구비하는 냉각부(200), 상기 냉각부(200) 외측에 구비되는 내부 금속관(300), 상기 내부 금속관(300) 외측에 구비되며, 단열재(401)가 여러 층으로 감겨진 단열층을 형성하는 단열부(400), 상기 냉각부(200)를 진공 단열시키기 위하여, 상기 단열부(400) 외부의 이격된 위치에 복수 개의 스페이서(560)를 구비하는 진공부(500), 상기 진공부(500) 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 및, 상기 외부 금속관(600) 외측에 구비되어 시스층을 형성하는 외부자켓(700)를 포함할 수 있다.
순차적으로 초전도 케이블을 구성하는 각각의 구성요소를 검토하면 다음과 같다. 상기 포머(110)는 납작하고 납작하고 긴 초전도 선재를 포머(110) 둘레에 장착하는 장소를 제공함과 동시에 형상을 형성하기 위한 틀로서 역할하고, 사고 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다. 상기 포머(110)는 단면 원형의 복수의 구리(Cu) 도체 소선(111)들을 원형으로 압축한 형태를 가질 수 있다.
구체적으로, 기본적으로 포머(110)는 둥근 원통형상으로 되었어, 납작하고 긴 초전도 선재를 올리기 위한 틀 역할을 한다. 상기 포머(110)의 직경은 초전도 선재의 폭을 고려하여 초전도 선재가 들뜨지 않고 초전도 선재끼리 포머(110)에 올렸을 때 최대한 원형에 가까운 구조로 이루어질 수 있도록 정해진다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 포머는 중심부가 꽉찬 형태로 구성될 수도 있으나, 상기 포머(110)는 중공의 파이프 형상으로 이루어져 초전도 선재를 올리기 위한 틀의 역할과 동시에 내부에 냉매가 이동하기 위한 경로 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 포머를 구성하는 각각의 도체 소선(111)들은 구리 등으로 구성될 수 있으며, 각각의 소선을 각각의 초전도 선재와 병렬연결을 함으로써, 전력계통에서 전력 시스템의 단락(퀀치, 번개, 절연 파괴 등)으로 인한 고장전류 발생시 귀로도체 역할을 하도록 구성할 수도 있다.
전력계통에서 고장전류 발생시 귀로도체의 역할은 도체 소선(111)으로 구성되는 포머 이외에도 후술하는 바와 같이 각각의 초전도 선재에 부착되며, 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 존재한다. 상기 통전 레이어는 금속 재질의 테이프 형태일 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
고장전류의 용량에 따라 소선을 구성하는 구리 등의 도체 단면적이 정해질 수 있으며, 고압일 경우 구리 소선을 원형으로 압축하여, 연선한 형태로 이루어질 수 있다.
후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 구비된다. 이와 같은 통전 레이어는 기계적 강성을 보강하여 초전도 선재의 권선시 비틀림 응력에 의한 끊어짐 등을 방지할 수 있다.
이와 같은 통전 레이어는 초전도 선재의 기계적 강성을 보강함과 동시에 단락 등의 사고 발생시 상기 포머와 함께 사고 전류의 귀로 역할을 나누어 수행할 수 있으므로, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 포머는 종래의 일반적인 초전도 케이블을 구성하는 포머의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 뒤로 미룬다.
상기 포머(110)를 구성하는 여러 가닥의 단면 원형의 도체 소선(111)들을 원형으로 압축한 연선의 형태를 이루기 때문에 포머(110)의 표면이 올록볼록할 수밖에 없다. 따라서, 포머(110)의 올록볼록한 표면을 평활하게 하기 위하여 포머(110)의 외부에 평활층(120)이 피복될 수 있다. 상기 평활층(120)은 반도전성 카본지 또는 황동 테이프 등의 재질이 사용될 수 있다.
상기 평활층(120)과 초전도 도체층(130) 사이에는 도면에 도시되지 않았으나 쿠션층이 더 구비될 수 있다. 상기 쿠션층은 반도전 카본지 테이프를 이용하여, 초전도 도체층을 보호하기 위하여 구비될 수 있다.
상기 평활층(120)에 의하여 평탄화된 상기 포머(110) 외측에 복수 개의 초전도 선재(131)로 둘러싸여 층이 형성되는 제1 초전도 도체층(130a)이 구비될 수 있다. 제1 초전도 도체층(130a)은 복수 개의 초전도 선재가 나란히 인접하여 상기 평활층(120) 둘레를 감싸도록 설치될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블을 통해 송전 또는 배전하려는 전류의 용량에 따라 초전도 도체층(130)은 복층으로 구성할 수도 있다.
도 1에 도시된 실시예는 총 2층의 초전도 도체층(130a, 130b)이 구비됨이 도시된다. 또한, 초전도 도체층을 단순히 적층하여 배치하면 전류의 표피효과에 따라 전류 용량이 증가되지 않는다. 이러한, 문제점을 방지하기 위하여 초전도 도체층을 복층으로 구비하는 경우에는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 절연 테이프(140)가 구비될 수 있다. 상기 절연 테이프(140)는 적층되는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 배치되어 초전도 도체층(130a, 130b)을 상호 절연시켜 적층된 초전도 선재의 표피효과를 방지할 수 있다. 상기 절연 테이프(140)에 의하여 복층으로 적층된 초전도 도체층들의 통전 방향이 일치될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 상기 초전도 도체층(130)은 제1 초전도 도체층(130a)과 제2 초전도 도체층(130b) 2층으로 구성된 예가 도시되었으나, 필요에 따라 더 많은 층의 초전도 도체층이 구비될 수도 있다.
그리고, 각각의 초전도 도체층(130a, 130b)을 구성하는 각각의 초전도 선재는 포머(110)를 구성하는 각각의 소선들과 병렬 연결될 수 있다. 초전도 선재로 흐르던 전류가 단락(퀀치, 번개, 절연 파괴, 초전도 조건의 파괴 등) 등의 사고시에 포머(110)의 소선으로 사고 전류가 분류되도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 초전도 선재의 발열 또는 손상 등을 방지할 수 있다.
상기 제1 초전도 도체층(130a) 외측에 구비되는 제2 초전도 도체층(130b)의 외부에 내부 반도전층(150)이 구비될 수 있다. 상기 내부 반도전층(150)은 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있다. 구체적으로, 초전도 선재의 모서리 부분에서 발생하는 전계 집중을 완화하고, 전계 분포를 고르게 하기 위해 구비될 수 있다. 이는 후술하는 외부 반도전층(170) 역시 마찬가지이다.
상기 내부 반도전층(150)은 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.
상기 내부 반도전층(150) 외측에는 절연층(160)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(160)은 초전도 케이블의 절연 내력을 증가시키기 위하여 구비될 수 있다. 일반적으로 고전압 케이블의 절연을 위해서는 XLPE(Cross Linking-Polyethylene) 또는 오일 방식(oil filled cable)이 사용되지만, 초전도 케이블은 초전도 선재의 초전도성을 위하여 극저온으로 냉각되고, 극저온에서는 XLPE가 파손되어 절연 파괴되는 문제점이 있고, 오일 방식(oil filled cable)은 환경 문제 등이 발생될 수 있으므로, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 절연층(160)으로서 일반 종이 재질의 절연지를 사용할 수 있으며, 상기 절연층(160)은 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다.
상기 절연지는 크라프트지나 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)가 주로 사용된다. 다양한 지절연 물질 중 초전도 케이블의 경우 권선의 용이성과 절연내력 특성 고려하여 PPLP 절연지가 사용된다.
상기 절연층(160) 외부에는 외부 반도전층(170)이 구비될 수 있다. 상기 외부 반도천층 역시 초전도 도체층(130)의 영역별 전계 집중을 완화하고 표면 전계를 고르게 하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 외부 반도전층(170) 역시 반도전 테이프가 권선되는 방식으로 구비될 수 있다.
그리고, 상기 외부 반도전층(170) 외측에는 초전도 차폐층(180)이 구비될 수 있다. 상기 초전도 차폐층(180)을 형성하는 방법은 상기 초전도 도체층(130)을 형성하는 방법과 마찬가지일 수 있다. 상기 외부 반도전층(170)의 표면이 고르지 못한 경우에는 필요에 따라 평활층(미도시)이 구비될 수 있으며, 상기 평활층 외부에 초전도 차폐층(180)을 형성하기 위한 초전도 선재를 각각 원주방향으로 나란히 배치할 수 있다.
2세대 초전도 선재로 구성된 차폐층에 통전되는 전류는 초전도 도체층에 흐르는 전류의 약 95% 정도가 되도록 설계하여 누설자계의 최소화가 가능할 수 있다.
상기 초전도 차폐층(180) 외측에는 코어부(100)의 외장 역할을 하는 코어 외장층(190)이 구비될 수 있다. 상기 코어 외장층(190)은 각종 테이프 또는 바인더 등을 포함할 수 있으며, 후술하는 냉각층에 코어부(100)가 노출될 수 있도록 외장 역할 및 코어부(100)의 모든 구성물을 결속해 주는 역할을 수행하며, SUS 재질 등의 금속 테이프로 구성되 수 있다.
이와 같은 방법으로 초전도 케이블의 코어부(100)가 구성될 수 있으며, 도 1 및 도 2에서 상기 평활층 및 상기 반도전층은 동일 재질의 단일 층으로 구성되는 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 다양한 부속층들이 추가될 수 있다.
상기 코어부(100) 외측에는 냉각부(200)가 구비될 수 있다. 상기 냉각부(200)는 상기 코어부(100)의 초전도 선재를 냉각하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 냉각부(200)는 그 내측에 액상 냉매의 순환유로가 구비될 수 있다. 상기 액상 냉매로는 액상 질소가 사용될 수 있으며, 상기 액상 냉매(액상 질소)는 영하 -200도 정도의 온도를 갖도록 냉각된 상태로 상기 냉객 유로를 순환하며 냉각부 내부의 코어부(100)에 구비되는 초전도 선재의 초전도 조건인 극저온이 유지되도록 할 수 있다.
상기 냉각부(200)에 구비되는 냉각유로는 일방향으로 액상 냉매가 흐르도록 할 수 있으며, 초전도 케이블의 접속함 등에서 회수되어 재냉각되어 다시 상기 냉각부(200)의 냉각유로로 공급될 수 있다.
상기 냉각부(200) 외측에는 내부 금속관(300)이 구비될 수 있다. 상기 내부 금속관(300)은 후술하는 외부 금속관(600)과 함께 초전도 케이블의 포설 및 운전 중에 코어부(100)의 기계적인 손상을 방지하기 위한 초전도 케이블의 외장 역할을 수행한다. 초전도 케이블은 제작 및 운반이 용이하도록 드럼에 감기게 되며 설치 시에는 드럼에 감겨진 케이블을 전개하여 설치하므로 초전도 케이블에는 굽힘 응력 또는 인장 응력이 지속적으로 인가될 수 있다.
이러한 기계적 응력이 인가되는 상황에서도 초기 성능을 유지하도록 하기 위하여 내부 금속관(300)을 구비할 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 기계적 응력에 대한 강성 보강을 위하여 초전도 케이블의 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴고 구조(corrugated)를 가지며, 상기 내부 금속관(300)은 알루미늄 등의 재질로 구성될 수 있다.
상기 내부 금속관(300)은 상기 냉각부(200) 외측에 구비되므로, 액상 냉매의 온도에 대응되는 극저온일 수 있다. 따라서, 상기 내부 금속관(300)은 저온부 금속관으로 구분될 수 있다.
또한, 상기 내부 금속관(300) 외주면에는 반사율이 높은 금속 필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재가 여러 층으로 감겨진 단열층을 포함하는 단열부(400)가 구비될 수 있다. 상기 단열층은 멀티 레이어 인슐레이션(MLI, Multi Layer Insulation)을 구성하고, 상기 내부 금속관(300) 측으로 열침입이 발생되는 것을 차단하기 위하여 구비될 수 있다.
특히, 상기 내부 금속관(300)이 금속 재질로 구성되므로 전도에 의한 열침입 또는 열교환이 용이하므로, 상기 단열부(400)는 주로 전도에 의한 열교환 또는 열침입을 최소화할 수 있으며, 반사율이 높은 금속 필름 재질로 인하여 복사에 의한 열교환 또는 열침입을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.
상기 단열부(400)의 층수는 열침입을 최소화 하기 위해 조절이 가능하다. 많은 층으로 구성되면 복사열 차단 효과는 높아지나, 전도열 차단 효과와 진공층의 두께가 얇아짐에 따른 대류에 의한 열차단 효과가 떨어지므로 적절한 층수를 사용하는 것이 중요하다.
상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 단열부(400)에 의한 단열이 충분하지 못한 경우 발생될 수 있는 상기 단열층 방향으로의 대류 등에 의한 열전달을 최소화하기 위하여 구비될 있다.
상기 진공부(500)는 상기 단열부(400) 외측에 이격 공간을 형성하고, 상기 이격 공간을 진공화시키는 방법으로 형성할 수 있다.
상기 진공부(500)는 상온인 외부로부터 상기 코어부 측으로 대류 등에 의한 열침입을 방지하기 위하여 구비되는 이격 공간으로서, 물리적 이격 공간을 형성하기 위하여 적어도 하나의 스페이서(560)를 구비할 수 있다. 상기 진공부(500) 내의 이격 공간 그 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 등과 상기 진공부(500) 내측의 상기 단열부(400)가 접촉되는 것을 초전도 케이블의 전 영역에서 방지하기 위하여 상기 이격 공간 내에 적어도 1개의 스페이서(560)를 구비할 수 있으며, 구체적으로 초전도 케이블 또는 스페이서의 종류 또는 크기에 따라 증감될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 초전도 케이블(1000)은 4개의 스페이서가 구비되는 것으로 도시되었으나 그 개수는 증감될 수 있다.
상기 스페이서(560)는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 상기 코어부(100) 외측, 구체적으로는 상기 단열부(400)를 나선형 또는 원형으로 감싸도록 권선할 수 있다.
상기 스페이서(560)의 개수는 본 발명에 따른 초전도 케이블은 3개 내지 5개의 스페이서가 구비될 수 있다. 상기 스페이서는 이격 공간을 형성하여 전도에 의한 열교환을 방지할 수 있으며, 스페이서의 구조는 단층 또는 복층으로 구성될 수 있다.
상기 스페이서(560)의 재질은 폴리 에틸렌(FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, PTFE) 재질일 수 있다.
또한, 상기 스페이서(560)은 필요에 따라 불화 폴리 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 구성되거나, 일반 수지 또는 폴리 에틸렌 재질로 구성된 뒤 표면이 불화 폴리 에틸렌 등으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 불화 폴리 에틸렌은 테프론일 수 있다.
테프론(Teflon)은 불소수지의 일종으로, 테프론은 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성들을 가지고 있다. 또한, 테프론은 어느 정도의 유연성을 가지므로, 상기 단열부(400)를 나선형으로 감싸며, 초전도 케이블의 길이방향으로 권선되어 배치될 수 있고, 어느 정도의 강도를 가지므로 단열부(400)와 외부 금속관(600)의 접촉을 방지하는 이격 수단으로 활용되어 진공부(500)를 구성하는 이격 공간을 물리적으로 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 스페이서(560)의 직경은 4 밀리미터(mm) 내지 8 밀리미터(mm)일 수 있다. 상기 스페이서(560)의 단면 형태는 원형, 삼각형, 사각형, 별형 등의 다양한 형태가 가능하다.
상기 스페이서(560)이 구비된 상기 진공부(500) 외측에는 외부 금속관(600)이 구비될 수 있다. 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)과 동일한 형태와 재질로 구성될 수 있으며, 상기 외부 금속관(600)은 상기 내부 금속관(300)보다 더 큰 직경으로 구성되어 스페이서(560)를 통한 이격 공간의 형성을 가능하게 할 수 있다. 상기 스페이서(560)에 대한 자세한 설명은 뒤로 미룬다.
그리고, 상기 외부 금속관(600) 외측에는 초전도 케이블 내부를 보호하기 위한 외장 기능을 수행하는 외부자켓(700)가 구비될 수 있다. 상기 외부자켓은 통상적인 전력용 케이블의 외부자켓(700)를 구성하는 시스재가 사용될 수 있다. 상기 외부자켓(700)는 그 내부의 금속관(600) 등의 부식을 방지하고 외력에 의한 케이블 손상을 방지할 수 있다. 폴리에틸렌(PE) 폴리염화비닐(PVC) 등의 재질로 구성될 수 있다.
도 3은 초전도 케이블에 적용될 수 있는 초전도 선재의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 3(a)는 통전 레이어가 구비도지 않은 기존의 초전도 선재(131')의 단면도를 도시하며, 도 3(b)는 상온 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 부가된 초전도 선재(131)를 도시한다.
본 발명에 따른 초전도 케이블은 전술한 바와 같이, 복수 개의 구리 소선(111)으로 구성되는 포머(110), 복수 개의 초전도 선재(131)로 구성되는 초전도 도체층(130), 절연층 및 복수 개의 초전도 선재로 구성되는 초전도 차폐층(180)이 순차적으로 구비되는 코어부(100)를 구비하며, 상기 포머(110)와 초전도 도체층(130)을 구성하는 각각의 초전도 선재(131)가 병렬 연결되는 초전도 케이블에 있어서,
상기 초전도 도체층(130)을 구성하는 각각의 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 각각의 상기 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 포함하고,
상기 포머(110)의 단면적은 초전도 선재에 통전 레이어가 부가되지 않은 초전도 케이블에서 모든 사고 전류가 포머로 흐를 것을 전제하여 설계된 포머의 단면적보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.
초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 나선형으로 권선되므로 비틀림 응력이 지속적으로 인가되므로, 초전도 케이블의 제작과정 또는 권취과정에서 초전도 선재의 끊어짐 현상이 발생될 수 있고, 초전도 케이블은 전술한 바와 같이, 단락(퀀치, 번개, 절연 파괴, 초전도 조건의 파괴 등) 등의 사고시에 귀로 도체로써 포머(110)가 사용된다.
본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 양표면에 상온 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)가 구비되어 초전도 선재 자체의 기계적 강성을 보강하는 효과를 제공함과 동시에 초전도 시스템의 단락 사고 발생시 통전 레이어(me1, me2)가 귀로 도체의 기능을 포머와 함께 수행하게 되므로 통전 레이어(me1, me2)가 구비되지 않는 초전도 선재가 적용된 초전도 케이블에 비해 포머의 직경을 줄일 수 있으므로, 초전도 케이블 전체의 직경과 무게까지 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로 검토한다.
본 발명에 따른 초전도 케이블은 초전도 선재의 강성 보강을 위하여 초전도 선재에 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 부가하고, 부가된 통전 레이어(me1, me2)는 사고도체의 귀로로도 사용될 수 있으므로, 통전 레이어가 부가되지 않은 초전도 선재가 사용된 초전도 케이블에 비해 포머의 단면적을 줄일 수 있다.
즉, 초전도 선재에 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 부가하지 않는 경우, 모든 사고 전류는 거의 포머로만 흐르게 될 것이며, 모든 사고전류를 대비할 수 있도록 포머의 단면적이 설계될 것이지만, 초전도 선재에 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 구비하면 사고 전류가 통전 레이어(me1, me2)로도 분류될 수 있으므로, 포머의 설계시 통전 레이어의 전체 단면적을 고려하여 단면적을 결정할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 초전도 도체층(130)을 구성하는 초전도 선재의 폭이 x (mm) 및 두께가 y (mm)이고, 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 요구되는 최소 통전량 조건인 최소 단락조건을 만족하기 위한 상기 포머의 최소 단면적이 A (mm2) 이상이고, 상기 초전도 도체층을 구성하는 각각의 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 상기 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 부가하는 경우의 포머의 최소 단면적은 A (mm2)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 보다 상세하게 검토하면 다음과 같다.
도 3(a)에 도시된 종래의 초전도 선재는 폭이 x(mm) 및 두께가 y(mm)이며, 도 3(b)에 도시된 본 발명에 따른 초전도 케이블에 적용되는 초전도 선재는 종래의 초전도 선재의 양표면에 금속 재질로 구성되고 폭 x(mm) 및 두께 y(mm) 내지 2 y(mm)인 통전 레이어(me1, me2)가 부가된다.
따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 적용되는 초전도 선재(131)는 기존의 초전도 선재(131')에 두께가 y(mm) 내지 2 y(mm)인 통전 레이어를 구비하여 전체적으로 두께가 3y(mm) 내지 5y(mm)로 구성될 수 있다.
상기 통전 레이어는 후술하는 바와 같이 솔더링되어 기존의 초전도 선재에 부가될 수 있다.
상기 통전 레이어(me1, me2)가 기존의 초전도 선재(131)의 양표면에 솔더링되어 부가되고, 초전도 선재(131)의 측면이 솔더링되거나 초전도 선재(131) 전체의 표면이 금속 코팅되면, 단락 등의 사고 발생시 사고전류는 각각의 초전도 선재(131)과 각각 병렬 연결된 포머(110)의 소선 이외에도 각각의 초전도 선재에 부가된 통전 레이어 측으로도 분류되므로 통전 레이어(me1, me2)는 포머와 함께 귀로 도체의 역할을 분담할 수 있다.
또한, 각각의 통전 레이어(me1, me2)는 폭이 폭이 x(mm)이고 두께가 y(mm) 내지 2 y(mm)이지만 기존의 두께가 y(mm)인 초전도 선재의 양표면에 각각 부가되므로, 기존의 초전도 선재의 일표면에 2 y(mm) 내지 4 y(mm)인 통전 레이어를 하나만 부가하는 경우보다 표피 효과 등에 따른 통전 능력이 더 커질 수 있다.
초전도 선재의 일표면에만 통전 레이어를 부가하는 경우보다, 초전도 선재의 양표면에 통전 레이어를 부가하는 경우, 초전도 선재의 밴딩시에 통전 레이어의 분리현상을 최소화하며 강성이 보강될 수 있으며, 귀로도체로 통전 레이어를 활용하는 경우에도 통전 레이어를 초전도 선재의 양표면에 부가하는 것이 유리하고 포머의 직경을 줄이는 것에 유리함을 짐작할 수 있다.
구체적으로 황동 재질의 통전 레이어(me1, me2)가 부가된 초전도 선재(131)의 두께를 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 3y 내지 5y로 구성하는 경우, 상기 상온 통전성이 있는 금속 박막층으로서의 통전 레이어(me1, me2)가 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa) 정도로 확인되어 초전도 선재를 초전도 케이블에 권선하는 경우 충분한 강성을 확보할 수 있음이 확인되었으며, 상기 포머의 최소 단면적은 0.6 A (mm2) 내지 0.9 A (mm2)로 구성될 수 있음을 확인할 수 있음이 실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 확인이 가능하였다.
구체적으로, 통전 레이어가 부가되지 않은 폭이 x (mm) 및 두께가 y (mm)인 초전도 선재가 적용된 초전도 케이블에서 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 요구되는 최소 통전량 조건인 최소 단락조건을 만족하기 위한 포머의 최소 단면적이 A (mm2) 이상이고, 상기 통전 레이어는 황동 재질이며, 상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 두께를 3y 내지 5y로 구성하는 경우, 상기 포머의 최소 단면적은 0.6 A (mm2) 내지 0.9 A (mm2)로 구성될 수 있음을 의미한다.
95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준은 초전도 선재의 양단에 점진적으로 인장력을 증가시키면서 초기 통전량의 95 퍼센트의 전류량이 확보될때까지의 인장력을 측정하는 시험방법이므로 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)의 인장력이 초전도 선재에 인가되는 경우에도 적어도 95 퍼센트의 통전량을 확보할 수 있음을 의미하는 것이다.
여기서, 기존의 초전도 선재의 두께가 약 0.1 밀리미터(mm)이며, 각각의 통전 레이어가 약 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm) 인 경우, 본 발명에 따른 초전도 케이블의 초전도 선재의 두께는 0.3밀리미터(mm) 내지 0.5밀리미터(mm)로 구성되어 기존의 초전도 선재에 비해 두께가 크게 증가된 것으로 보이나, 개선된 초전도 선재의 두께 역시 박막 수준에 불과하여 초전도 케이블 전체 두께에 미치는 영향이 크지 않으나, 전술한 바와 같이 절연되지 않은 소선들이 밀칩한 형태로 구성되는 포머의 단면적은 10퍼센트(%) 내지 40퍼센트(%) 정도까지 감소될 수 있다.
그리고, 포머의 단면적과 관련된 시뮬레이션은 상기 포머의 단락 조건은 송전시 50KA/sec 또는 배전시 25KA/0.5sec 등이 사용되었으나 국가별 또는 전력 공급자별로 차이가 있을 수 있으나, 같은 원리로 초전도 선재의 강성이 보강됨과 동시에 최소 단락조건을 만족하기 위한 포머의 최소 단면적을 줄일 수 있다는 점에서 공통된다.
따라서, 위와 같은 송전 또는 배전시 단락 사고의 발생시 최소 단락조건을 만족하는 기존 초전도 케이블의 포머 최소 단면적이 최소 단면적은 A (mm2)인 경우, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 초전도 케이블의 포머 최소 단면적이 최소 단면적은 0.6 A (mm2) 내지 0.9 A (mm2) 정도로 1A (mm2)보다 작은 값으로 구성될 수 있다.
그러나, 포머의 면적이 줄어든 만큼 초전도 도체층의 면적이 단순 증대된 것이 아니라 초전도 도체층의 전체 면적이 증대된 것보다 훨씬 큰 포머의 면적 감소가 가능함이 확인되었다. 이는 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재에 부가되는 통전 레이어를 기존의 초전도 선재의 양표면에 부착하여 표피효과에 따른 통전 능력 때문으로 추측된다.
도 4은 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재들의 단면 구성도이다.
구체적으로, 도 4(a)는 본 발명에 따른 초전도 케이블에 적용이 가능한 초전도 선재의 하나의 실시예의 단면도를 도시하며, 도 4(b)는 초전도 선재의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
설명의 편의를 위하여 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재(131)을 예로 들어 설명한다.
본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 1세대 초전도 선재 또는 2세대 초전도 선재일 수 있다.
특정온도 이하에서 전기저항이 '0'이 되는 현상을 초전도 현상이라고 하며, 절대영도 0K(-273℃)가 아닌 100K(-173℃)부근으로 상대적으로 절대온도에 대비 높은 온도에서 초전도 현상을 나타내는 것을 고온 초전도(High Temperature Superconductor)라고 한다. 전력 케이블 분야에서 사용되는 초전도 선재는 고온 초전도체를 사용하며, 은(Ag) 모재 및 BSCCO를 주재료로 하는 1세대 선재와, YBCO 또는 ReBCO를 주재료로 Coated Conductor(CC)형의 2세대 선재가 소개되었다. 2세대 초전도 선재는 초전도 선재의 증착 레이어에 구비된 초전도 물질은 주로 YBCO나 ReBCO(Re=Sm, Gd, Nd, Dy, Ho) 물질 등이 사용되는 초전도 선재를 의미한다.
2세대 초전도 선재를 자세히 설명하면, 2세대 초전도 선재는 금속 기판 레이어, 증착 레이어, 은(Ag) 레이어 등을 포함하여 구성될 수 있다. 금속 기판 레이어는 선재의 베이스 부재로 사용되며, 초전도 선재의 기계적 강도 유지하는 역할을 하며, 하스텔로이(Hastelloy), 니켈-텅스텐(Ni-W) 등의 물질을 사용될 수 있다. 상기 증착 레이어는 금속기판에 초전도층을 증착하기 위한 버퍼(buffer) 레이어, 초전도 레이어를 포함하며 통전시 전류의 통전 경로로 사용되는 초전도 레이어를 포함하여 구성될 수 있다.
은(Ag) 레이어는 은(Ag) 또는 구리(Cu) 합금 레이어로 구성될 수 있으며, 은(Ag) 합금 레이어는 초전도층과 구리(Cu) 합금 레이어 사이에 위치하여, 증착을 가능하게 할 수 있으며, 구리(Cu) 합금 레이어는 기계적 강도를 보강하는 역할을 수행할 수 있다. 각각의 합금 레이어는 응용기기에 따라 두께와 재질을 상이하게 구성할 수 있으며, 상온 통전성이 있다는 특성이 있다.
본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 1세대 또는 2세대 초전도 선재일 수 있고, 1세대 초전도 선재가 은(Ag)을 모재로 사용하고 2세대 초전도 선재가 은(Ag) 레이어를 포함한다는 점에서 공통되므로, 1세대 초전도 선재의 은(Ag) 모재 및 2세대 초전도 선재의 은(Ag) 레이어는 후술하는 통전 레이어와 함께 사고 전류의 귀로 도체로 사용될 수 있으므로, 1세대 또는 2세대 초전도 선재는 초전도 케이블의 포머의 직경을 줄이는데 기여할 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명에 따른 초전도 케이블을 구성하는 초전도 선재는 2세대 초전도 선재로서, 니켈-텅스텐(Ni-W) 합금 재질의 금속 기판 레이어가 사용된 초전도 선재가 사용될 수 있으며, 도 4에는 2가지 종류의 초전도 선재가 적용되는 예가 도시되지만 1세대 초전도 선재에도 통전 레이어를 부가하는 경우 유사한 효과를 얻을 수 있다.
도 4(a)는 YBCO계의 초전도 물질이 사용된 초전도 선재(131)를 도시하며, 도 4(b)는 ReBCO계의 초전도 물질이 사용된 초전도 선재(131)의 단면도를 도시한다.
도 4(a)에 도시된 초전도 선재(131)를 구성하는 금속 기판 레이어(1311)의 재질은 니켈-텅스텐(Ni-W) 합금일 수 있으며, 상기 금속 기판 레이어(1311)는 금속 재질의 테이프 형태로 구성될 수 있다.
상기 니켈-텅스텐(Ni-W) 합금 재질로 구성되는 금속 기판 레이어(1311) 상부에는 복수 개의 버퍼 레이어(1312, 1313, 1314) 및 YBCO 재질의 초전도 레이어(1315)를 포함하는 증착 레이어가 구비될 수 있다.
도 4(a)에 도시된 실시예에서 3층의 버퍼 레이어(1312, 1313, 1314)가 증착되고, 구체적으로 버퍼 레이어를 구성하는 각각의 레이어는 Y2O3, YSZ, CeO2 등의 재질로 된 층으로 구성될 수 있다. 각각의 버퍼 레이어 상부에는 YBCO 재질의 초전도 레이어(1315)가 증착되고, 상기 초전도 레이어(1315) 외측에는 초전도 선재의 보호 등의 목적으로 은(Ag) 레이어(1316)로서 은(Ag) 층이 구비될 수 있다. 1세대 초전도 선재의 경우에는 은(Ag) 재질의 모재가 사용되지만, 도 4에 도시된 초전도 선재의 경우에는 은(Ag) 레이어 또는 은(Ag) 층이 별도로 구비된다.
본 발명은 포머, 상기 포머 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재(131)를 포함하는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층, 상기 초전도 도체층 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재(131)를 포함하여 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층을 포함하며, 상기 초전도 도체층(130) 및 초전도 차폐층(180)을 구성하는 초전도 선재(131)는 금속 기판 레이어(1311) 및 상기 금속 기판 레이어(1311) 상부에 복수 층으로 증착되며 초전도 레이어를 포함하여 구성된 증착 레이어(1312 내지 1315) 및 상기 증착 레이어(1312 내지 1315) 외측에 구비되는 은 재질로 구성되는 은(Ag) 레이어(1316)을 포함하고, 상기 초전도 선재(131)를 구성하는 상기 금속 기판 레이어(1311)의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어(1316)의 외측 양표면에 금속 재질로 구성된 통전 레이어(me1, me2)가 더 구비될 수 있다.
도 4(a)에 도시된 초전도 선재(131)의 상부 및 하부 즉 기판 레이어(1311)의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어(1316)에 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)가 구비될 수 있다.
상기 통전 레이어(me1, me2)를 상기 초전도 선재(131)의 양측에 모두 구비하는 이유는 일측에만 통전 레이어가 구비되는 경우보다 물리적 강성 보강이 강화되고, 밴딩 방향에 따른 물리적 성질의 편차를 최소화할 수 있으며, 귀로 도체로서의 용량을 증대하기 위함은 전술한 바와 같다.
또한, 각각의 초전도 도체층 또는 초전도 차폐층을 구성하는 초전도 선재(131)는 초전도 조건이 유지되는 것을 전제로 설계 용량에 따른 통전 기능이 구현되지만 시스템의 문제 등으로 인하여 초전도 조건이 파괴되는 경우에는 초전도 선재(131)를 흐르던 전류는 전술한 포머를 통하여 통전되도록 구성되며, 상기 포머의 직경 또는 도체 소선의 개수 등은 사고 전류 통전을 위한 용량에 대응하여 결정될 수 있다.
그러나, 포머(110)의 직경은 전체 초전도 케이블의 직경에 큰 비중을 차지하므로, 사고 전류 통전을 대비하기 위한 포머의 직경을 줄여야 초전도 케이블 전체 직경 또는 무게를 줄일 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 초전도 선재(131)의 상부와 하부에 금속 재질, 예를 들면 황동 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 구비하여 초전도 선재(131)의 강성을 보강함과 동시에 사고 전류의 귀로 도체로 사용하고, 포머의 직경 등을 최소화할 수 있다.
상기 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)는 금속 박막층 형태로 구성될 수 있으며, 구체적으로 황동(Brass) 재질로 구성될 수 있다.
황동(brass,
Figure 9ec3
銅)은 구리에 아연을 첨가하여 만든 합금으로 놋쇠라고도 한다. 상기 황동 재질의 금속 재질의 통전 레이어(me1, me2)는 황동 등의 금속 박막층 형태로 부가될 수 있으며, 황동 박망층은 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)의 두께를 가질 수 있다. 초전도 선재(131)의 일측에 부착되는 황동 테이프 형태의 금속 재질의 통전 레이어(me)의 두께가 0.15 밀리미터(mm)라고 가정하는 경우, 전체 초전도 선재(131)의 두께는 약 0.4 밀리미터(mm) 정도가 될 수 있다.
실험적으로 금속 재질의 통전 레이어의 두께가 0.1 밀리미터(mm) 이하이면 초전도 선재의 충분한 강성 보강이 어렵고, 0.2 밀리미터(mm) 이상이면 밴딩시 초전도 선재(131)에서 금속 재질의 통전 레이어가 분리되는 현상 및 초전도 선재(131)의 두께가 과도하게 두꺼워지는 문제가 발생될 수 있는 것으로 확인되었다.
통상적인 초전도 선재(131)의 두께가 0.1 밀리미터(mm) 정도이며, 0.15 밀리미터(mm) 두께의 황동 테이프 형태의 금속 재질의 통전 레이어를 양측에 부착하여 두께가 0.4 밀리미터(mm)로 4배로 증가될 수 있으나, 전체 두께가 1 밀리미터(mm)도 안될 정도로 충분히 작으므로 초전도 케이블 전체 두께에 미치는 영향은 미미하나, 초전도 선재(131)의 강성이 보강되고, 사고 전류의 귀로 도체로 사용될 수 있으므로, 결과적으로 포머의 직경 또는 무게를 줄일 수 있다.
환언하면, 초전도 선재(131)의 상부와 하부에 금속 박막층으로서의 황동 재질의 통전 레이어(me1, me2)를 구비하여 초전도 선재(131)의 강성을 보강함과 동시에 포머의 직경 또는 무게를 줄일 수 있으므로, 상기 초전도 선재(131)를 구성하는 상기 금속 기판 레이어의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어의 외측 모두에 미리 결정된 두께를 갖는 통전 레이어가 구비되는 경우 상기 초전도 선재(131)에 통전 레이어가 구비되지 않는 경우보다 상기 포머의 직경 또는 무게가 줄어들 수 있음을 의미한다.
그리고, 황동 재질의 금속 박막층 형태로 구성되는 상기 통전 레이어(me1, me2)를 초전도 선재(131)에 부가하는 경우, 전체 초전도 선재(131)에 구비된 통전 레이어(me1, me2)를 통해 통전되는 사고전류는 1.5% 이상이고, 포머의 점적율 및 표피효과 등을 고려하는 경우 동일 구조의 포머에 비해 10 퍼센트(%) 내지 40 퍼센트(%)의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있었음은 전술한 바와 같다.
이와 같이, 상기 초전도 선재(131)의 양측에 통전 레이어(me1, me2)를 솔더 등에 의하여 부착한 상태에서 사고 전류 발생시 상기 증착 레이어(1315)의 초전도 레이어를 통해 흐르던 전류가 상기 통전 레이어(me1, me2)로 흐르도록 하기 위하여 상기 초전도 선재(131)와 부착된 통전 레이어(me1, me2)는 전기적으로 연결되어야 한다.
따라서, 상기 초전도 선재(131)와 초전도 선재(131)의 양측에 부착된 통전 레이어(me1, me2)는 사고 전류의 통전을 위하여 각각 병렬 연결되고, 상기 초전도 선재(131)와 초전도 선재(131)의 양측에 부착된 통전 레이어(me1, me2)를 각각 전기적으로 연결하는 방법은 도 4에 도시되지 않았으나 초전도 선재(131)의 측면을 금속 베이스 솔더로 솔더링하거나 초전도 선재(131)를 전기 전도성이 좋은 금속, 예를 들면 구리(Cu) 재질로 도금하는 방법이 사용될 수 있다.
두 가지 방법 모두 통전 레이어(me1, me2)가 부착된 초전도 선재(131)의 두께 또는 부피 증가를 최소화하면서 각각의 통전 레이어(me1, me2)와 초전도 선재(131)를 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 이와 같이 초전도 선재(131)를 구성하는 금속 기판 레이어(1311), 초전도 레이어를 포함하는 증착 레이어(1312 내지 1315) 및 은(Ag) 레이어(1316)는 구리 도금 또는 측면 솔더링에 의하여 전기적으로 각각 병렬 연결되면, 상기 초전도 레이어(1315)는 금속 기판 레이어(1311), 은(Ag) 레이어(1316) 및 각각의 통전 레이어(me1, me2)가 전기적 연결되고, 사고 전류는 상기 통전 레이어(me1, me2) 이외에 상기 금속 기판 레이어(1311) 및 상기 은(Ag) 레이어(1316) 까지 분류될 수 있다.
1세대 초전도 선재에 통전 레에어가 구비경우에도 은(Ag) 재질의 모재 역시 2세대 초전도 선재의 은층과 함께 사고 전류가 분류되는 귀로도체로 사용될 수 있음은 전술한 바와 같다.
상기 통전 레이어(me1, me2)를 통한 사고 전류의 분류가 1.5% 이상이고 상기 포머를 통한 사고 전류의 분류가 대부분이지만, 상기 금속 기판 레이어(1311) 및 상기 은(Ag) 레이어(1316)을 통한 사고 전류에 사용될 수 있다.
그리고, 상기 금속 박막층으로서의 통전 레이어(me1, me2)는 상기 초전도 선재(131)에 솔더링되어 부착될 수 있다. 상기 통전 레이어(me1, me2)를 상기 초전도 선재(131)의 양측에 솔더링하기 위한 솔더는 주석(Sn), 납(Pb) 및 은(Ag)을 구성 성분으로 하며, 녹는점은 200℃ 이하인 재질일 수 있다. 그러나, 위와 같은 솔더 재질 이외에도 상기 통전 레이어(me1, me2)와 상기 초전도 선재(131)를 구성하는 금속 기판 레이어(1311) 또는 은(Ag) 레이어(1316)를 통전 가능하게 부착하는 방법이라면 다양한 솔더 또는 부착방법이 적용될 수도 있다.
도 4(b)은 ReBCO계의 초전도 물질이 사용된 초전도 선재(131')를 도시한다. 도 4(a)를 참조한 설명과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4(b)에 도시된 초전도 선재(131')를 구성하는 금속 기판 레이어(1311')의 재질은 니켈-텅스텐(Ni-W) 합금일 수 있으며, 상기 금속 기판 레이어(1311')는 금속 박막층 형태로 구성될 수도 있음은 마찬가지이다.
상기 니켈-텅스텐(Ni-W) 합금 재질로 구성되는 금속 기판 레이어(1311') 상부에는 적어도 6층으로 구성된 버퍼 레이어(1312', 1313', 1314', 1315', 1316') 및 상기 ReBCO계의 초전도 레이어(1317')를 포함하는 증착 레이어(1312' 내지 1317')가 구비되고, 상기 증착 레이어 증착 레이어(1312' 내지 1317') 외측에는 은(Ag) 레이어(1318')로서 은(Ag) 층이 구비될 수 있다.
상기 버퍼 레이어(1312', 1313', 1314', 1315', 1316')를 구성하는 각각의 시드층은 Al2O3, Y2O3, IBAD-MGo, EPI-MGo 및 LaMoO3 층으로 구성될 수 있다.
도 4(b)에 도시된 초전도 선재(131') 역시 상기 금속 기판 레이어(1311') 및 상기 은(Ag) 레이어(1318') 외측에 각각 통전 레이어(me1, me2)가 구비되어 도 4(a)에 도시된 초전도 실시예와 마찬가지로 물리적 강성보강 및 사고 전류 분류에 사용될 수 있다.
위와 같이, 초전도 선재(131')의 양측면에 황동 등의 재질로 금속 박막층으로 구성되는 통전 레이어를 구성하고 사고 전류의 통전수단으로 사용하는 방법에 의하여 사고 전류의 귀로 도체 역할을 수행하는 포머의 직경을 감소시킬 수 있다.
물론, 도 4에 도시된 초전도 선재(131')를 구성하는 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어 역시 금속 재질로 구성되어 사고 전류의 바이패스 기능이 존재하지만, 종래의 초전도 선재의 두께를 기준으로 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어가 차지하는 단면적이 크지 않아 사고 전류의 바이패스 용량도 미미한 수준이었다.
그러나, 전술한 바와 같이, 금속 재질의 통전 레이어(me)는 각각 0.15 밀리미터(mm) 정도의 두께를 가지므로, 이를 통한 통전량은 사고 전류의 귀로 역할을 위한 포머의 직경에 영향을 미칠 수 있음은 전술한 바와 같다.
따라서, 포머의 직경 설계시 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재(131')의 금속 재질의 통전 레이어(me)를 포함하여, 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어를 통한 사고 전류의 통전량을 고려하여 포머의 직경을 종래보다 감소되도록 설정할 수 있다. 초전도 선재의 금속 재질의 통전 레이어(me), 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어를 통한 사고 전류의 통전에 따른 열해석 방법으로 최대 허용 가능 전류량을 판단할 수 있으며, 그에 따라 포머의 직경을 축소 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 다른 실시예를 도시하며, 도 6은 도 5에 도시된 초전도 케이블이 수평방향으로 설치된 상태의 단면도를 도시한다.
도 1 내지 도 4을 참조한 설명과 중복된 설명은 생략한다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시예는 초전도 케이블에 구비된 코어부(100)의 개수가 3개인 3상 초전도 케이블을 도시한다.
3상 초전도 케이블은 각각의 코어부(100)가 독립적으로 냉각부(200)를 구비하는 구조가 아니라 3개의 코어부(100) 외측에 냉각부(200)를 공유하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 냉각부(200) 외측에 진공부(500) 역시 공유되는 구조일 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 초전도 케이블 역시 본 발명에 따른 초전도 선재에 금속 박막층 형태의 통전 레이어가 부가되어 초전도 선재의 물리적 강성이 보강될 수 있고, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 의하면, 상기 금속 박막층 형태의 통전 레이어에 의하여 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 각각의 코어부를 구성하는 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있음은 마찬가지이다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (19)

  1. 복수 개의 구리 소선으로 구성되는 포머, 복수 개의 초전도 선재로 구성되는 초전도 도체층, 절연층 및 복수 개의 초전도 선재로 구성되는 초전도 차폐층이 순차적으로 구비되는 코어부를 구비하며, 상기 포머와 초전도 도체층을 구성하는 각각의 초전도 선재가 병렬 연결되는 초전도 케이블에 있어서,
    상기 초전도 도체층을 구성하는 각각의 초전도 선재의 기계적 강성을 보강하기 위하여 각각의 상기 초전도 선재의 양표면에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어를 포함하고,
    상기 포머의 단면적은 초전도 선재에 통전 레이어가 부가되지 않은 초전도 케이블에서 모든 사고 전류가 포머로 흐를 것을 전제하여 설계된 포머의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어부를 구성하는 포머의 상기 최소 단면적은 50KA/sec 또는 25KA/0.5sec 최소 단락조건을 만족하는 단면적인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  3. 제1항에 있어서,
    통전 레이어가 부가되지 않은 폭이 x (mm) 및 두께가 y (mm)인 초전도 선재가 적용된 초전도 케이블에서 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 요구되는 최소 통전량 조건인 최소 단락조건을 만족하기 위한 포머의 최소 단면적이 A (mm2) 이상이고 상기 통전 레이어는 황동 재질이며, 상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 폭이 x (mm) 및 두께를 3y 내지 5y로 구성하는 경우,
    상기 포머의 최소 단면적은 0.6 A (mm2) 내지 0.9 A (mm2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 선재는 은(Ag) 레이어를 포함하며, 상기 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재의 상기 통전 레이어 및 상기 은(Ag) 레이어는 상기 초전도 선재의 측면 솔더링 또는 표면 금속코팅에 의하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 선재의 양표면에 부가되는 상기 통전 레이어의 두께는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  7. 포머, 상기 포머 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층, 상기 초전도 도체층 외측에 상기 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층을 포함하며,
    상기 초전도 도체층 및 초전도 차폐층을 구성하는 초전도 선재는 금속 기판 레이어, 상기 금속 기판 레이어 상부에 복수 층으로 증착되며 초전도 레이어을 포함하여 구성된 증착 레이어 및 상기 증착 레이어 외측에 구비되는 은 재질로 구성되는 은(Ag) 레이어를 포함하고,
    상기 초전도 선재를 구성하는 상기 금속 기판 레이어의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어의 외측 양표면에 상기 포머와 함께 사고전류 발생시 사고 전류의 귀로도체로 사용되도록 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 더 부가되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통전 레이어를 구성하는 금속은 황동(Brass) 재질인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 통전 레이어는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)의 두께인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 초전도 선재를 구성하는 상기 금속 기판 레이어의 외측 및 상기 은(Ag) 레이어의 외측 모두에 미리 결정된 두께를 갖는 금속 통전 레이어가 구비되는 경우, 상기 초전도 선재에 금속 통전 레이어가 구비되지 않는 경우보다 상기 포머의 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 요구되는 최소 통전량 조건인 최소 단락조건을 만족하는 최소 단면적이 작은 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 최소 단락조건은 50KA/sec 또는 25KA/0.5sec 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 통전 레이어는 상기 초전도 선재에 솔더링되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 통전 레이어를 상기 초전도 선재에 솔더링하기 위한 솔더는 주석(Sn), 납(Pb) 및 은(Ag)을 구성 성분으로 하며, 녹는점은 200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 초전도 선재를 구성하는 금속 기판 레이어 및 은(Ag) 레이어와 함께 상기 통전 레이어가 사고 전류의 귀로도체로 사용되기 위하여 상기 초전도 선재의 표면이 구리 도금되거나, 상기 초전도 선재의 측면이 솔더링되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  15. 원형 또는 원형 파이프 형태로 압축된 복수 개의 도체 소선;
    상기 복수 개의 도체 소선 외측에 배치되어 적어도 1층 이상의 초전도 도체층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재;
    상기 초전도 도체층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재의 외측을 복수 회 권선하여 절연층을 형성하는 절연지; 및,
    상기 절연지 외측에 배치되어 적어도 1층 이상의 초전도 차폐층을 형성하는 복수 개의 초전도 선재;를 포함하며,
    상기 초전도 도체층 및 상기 초전도 차폐층을 구성하는 각각의 초전도 선재의 양면에 금속 박막층이 부가되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속 박막층은 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)의 두께의 황동(brass) 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 금속 박막층은 주석(Sn), 납(Pb) 및 은(Ag)을 구성 성분으로 하는 솔더에 의하여 솔더링되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 초전도 선재와 상기 금속 박막층을 전기적 연결하기 위하여, 상기 초전도 선재의 측면은 솔더링되거나 상기 초전도 선재의 표면이 구리 코팅되고, 상기 금속 박막층이 사고 전류의 귀로로 사용되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 금속 박막층이 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 (IC relentation) 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
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