WO2018186577A1 - 3상 동축 초전도 케이블 - Google Patents

3상 동축 초전도 케이블 Download PDF

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WO2018186577A1
WO2018186577A1 PCT/KR2018/001276 KR2018001276W WO2018186577A1 WO 2018186577 A1 WO2018186577 A1 WO 2018186577A1 KR 2018001276 W KR2018001276 W KR 2018001276W WO 2018186577 A1 WO2018186577 A1 WO 2018186577A1
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superconducting
layer
conductor
wire
shielding layer
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PCT/KR2018/001276
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나진배
최창열
이석주
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엘에스전선 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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 effectively prevents heat generation that may occur in the shielding layer due to an unbalance of the magnitude or phase difference of the current of the coaxial superconducting conductor layer through which the three-phase current is energized, and the three-phase which can reduce the diameter. It relates to a coaxial superconducting cable.
  • the first phase current, the second phase current, and the third phase current each have the same magnitude and have a phase difference of 120 degrees, and theoretically have a structure in which electromagnetic waves caused by each current cancel each other.
  • the relatively large diameter shielding layer provided on the outer side of the superconducting conductor layer is not composed of expensive superconducting wire, but may be made of a conductor such as ordinary copper, and is a three-phase coaxial with a shielding layer composed of a common conductor.
  • Superconducting cables were introduced.
  • the conductor constituting the shielding layer is a method of applying a general conductor wire without using superconducting wire, and is disposed in the outermost region of one core, and the shielding layer having the largest diameter is composed of the general conductor so that the conventional three-phase Compared with the superconducting cable, it is possible to reduce the consumption of the superconducting wires in a large cost and to reduce the overall diameter of the cable by having the superconducting conductor layer overlap.
  • the first phase current, the second phase current, and the third phase current flowing through each core are different in size or fail to maintain a phase difference of 120 degrees, respectively, they are composed of ordinary conductor wires outside the core composed of three layers.
  • the shielding current can be greatly increased in the shielding layer, in which case, the shielding layer composed of the common conductor wire can be heated.
  • wire rods composed of ordinary conductors have a lower specific resistance than at room temperature at sufficiently low temperatures, they have a very small current carrying capacity compared to superconducting wires constituting the superconducting conductor layer. This is because heat generation is inevitably intensified due to the insufficient power supply of the layer.
  • the superconducting cable flows a cryogenic liquid refrigerant into the inner metal tube to cool the core to about minus 200 degrees Celsius, which is the superconductivity of the high temperature superconductor constituting the superconducting conductor layer.
  • the shielding current is increased in the shielding layer made of a general conductor, and the temperature is increased, the cooling load of the superconducting power system is increased by increasing the temperature of the liquid refrigerant, and the stability of the system is impaired. Is required.
  • the present invention provides a three-phase coaxial superconducting cable that effectively prevents heat generation that may occur in the shielding layer due to an unbalance in the magnitude or phase difference of the coaxial superconducting conductor layer through which the three-phase current is conducted and reduces the diameter.
  • the task is to solve the problem.
  • the present invention is a faithful former; First to third superconducting conductor layers surrounding the former in order to be sequentially insulated and stacked, and including a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the faithful former; A core portion disposed outside the first to third superconducting conductor layers and including a shielding layer including a plurality of general conductor wires and at least one superconducting wire; An inner metal tube surrounding the core part and flowing with a liquid refrigerant for cooling the core part; A heat insulating part configured to be wound around the inner metal pipe a plurality of times; A vacuum unit provided with at least one spacer outside the heat insulating part; And an external metal tube provided outside the vacuum unit and blocked from contact with the heat insulating part by the spacer.
  • the number of conductor wires in the shielding layer may be greater than the number of superconducting wires.
  • the number of superconducting wires of the shielding layer may be one to five.
  • At least two superconducting wires may be spaced apart from each other.
  • four superconducting wires may be disposed at 90 degree intervals in the shielding layer.
  • the conductor wire of the shielding layer may be made of copper or a copper alloy material, and the superconducting wire may be made of a second generation superconducting wire.
  • an insulating layer may be provided between the first to third superconducting conductor layers and the shielding layer, respectively.
  • a former layer may be provided at at least one of an inner side, an inner side, and an outer side of each of the second superconducting conductor layer and the third superconducting conductor layer.
  • the former layer may be composed of a plurality of general conductor wires arranged side by side to surround at least one of each of the second superconducting layer and the third superconducting layer.
  • the superconducting wire constituting the superconducting conductor layer and the shielding layer is added to both sides of the conductive layer of a metallic material that is electrically conductive at room temperature, the conductive layer is electrically connected to the superconducting wire by the side soldering or surface metal coating.
  • the energizing layer can be used as a return conductor of the fault current when a fault current occurs.
  • the tensile strength of the superconducting wire to which the conductive layer is added may be 200 megapascals (Mpa) to 800 megapascals (Mpa) based on 95 percent current attenuation.
  • the conductive layer added to the surface of the superconducting wire is brass material and may have a thickness of 0.1 millimeter (mm) to 0.2 millimeter (mm).
  • the apparatus may further include an outer jacket surrounding the outer side of the outer metal tube.
  • the present invention includes a first internal metal pipe through which a liquid refrigerant flows; First to third superconducting conductor layers surrounding the first metal tube in a sequentially insulated and stacked state and including a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the first inner metal tube; And a shielding layer disposed outside the first to third superconducting conductor layers and including a plurality of general conductor wires and at least one superconducting wire.
  • a second inner metal tube provided outside the core and through which a liquid refrigerant flows;
  • a heat insulation part formed by winding a heat insulation material outside the second internal metal pipe a plurality of times;
  • a vacuum unit provided with at least one spacer outside the heat insulating part;
  • an external metal tube provided outside the vacuum unit and blocked from contact with the heat insulating part by the spacer.
  • At least two superconducting wires may be spaced apart from each other.
  • the shielding current is Since it is energized through at least one superconducting wire constituting the can effectively prevent the heat generated in the shielding layer.
  • the three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention it is possible to minimize the increase in the cost of the superconducting cable by using a general conductor wire mainly without configuring the entire shielding layer by the method of arranging the superconducting wire.
  • a conductive layer in the form of a metal thin film layer may be added to the superconducting wire constituting the superconducting layer or shielding layer of the three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention, thereby reinforcing the physical stiffness of the superconducting wire.
  • the diversification path of accidental current is diversified by layers to reduce the diameter (section area) or weight of the former, and an energizing layer capable of energizing the accidental current is added to the superconducting wire itself, to serve as a conductor of the accidental current.
  • the total diameter of the superconducting cable can be reduced by reducing the area of the former layer or the like.
  • FIG. 1 shows a multi-stage stripping perspective view of one embodiment of a three phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 1.
  • FIG 3 shows a multi-stage stripping perspective view of another embodiment of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of another embodiment of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • FIG. 6 is a comparison diagram of a superconducting wire and a conventional superconducting wire that may be applied to a superconducting conductor layer or a shielding layer of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a multi-stage stripping perspective view of one embodiment of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 1.
  • the three-phase coaxial superconducting cable 1000 has a superconducting layer 130 for conducting first phase current, second phase current, and third phase current having a phase difference of 120 degrees, respectively. ) Is laminated on the coaxial axis.
  • the three-phase coaxial superconducting cable 1000 includes a first inner metal pipe 300a through which a liquid refrigerant flows; First to third superconductivity including a plurality of superconducting wire wrapped around the first inner metal tube (300a) in a sequentially insulated and stacked state and arranged side by side in the longitudinal direction of the first inner metal tube (300a) Conductor layers 130a, 130b, 130b; And a shielding layer 180 disposed outside the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130b and including a plurality of general conductor wires and at least one superconducting wire.
  • a second internal metal pipe 300b provided outside the core part 100 and through which a liquid refrigerant flows;
  • a heat insulating part 400 formed by winding a heat insulating material on the outside of the second internal metal pipe 300b;
  • a vacuum part 500 provided with at least one spacer 560 on the outside of the heat insulating part 400. It is provided on the outside of the vacuum unit 500, it is configured to include an outer metal tube 600 is blocked by the spacer 560 and the heat insulating portion 400.
  • the first inner metal pipe 300a and the second inner metal pipe 300b are provided at the innermost and outermost sides of the core part 100 constituting the three-phase coaxial superconducting cable 1000 according to the present invention.
  • the liquid refrigerant in the second inner metal pipe 300b provided in the outermost part of the core part 100 may be formed. It flows in the one direction or the opposite direction. In this manner, the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, 130c and the shielding layer 180 constituting the core part 100 may be cooled to cryogenic temperatures.
  • the first superconducting conductor layer 130a to the third superconducting conductor layer 130c may be sequentially stacked around the first inner metal tube 300a.
  • the first inner metal pipe 300a and the second inner metal pipe 300b to be described later form flow paths 200a and 200b of the liquid refrigerant, respectively, and use materials such as aluminum and SUS to reinforce rigidity against mechanical stress.
  • it may have a corrugated structure that is repeatedly raised and recessed in the longitudinal direction for the bending property.
  • the first to third former layers and the superconducting conductor layer may be provided outside the first inner metal tube 300a in a predetermined order.
  • each of the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130c, or outside of the common conductor wire having the same form as the superconducting wire may be helical transverse to have a pitch and have a former layer.
  • the former layer is configured to provide an energizing path for an accident current and providing a mounting surface of the superconducting wire when a failure or an accident of the superconducting power system occurs.
  • Each of the former layers may be composed of a conductor wire (C) having room temperature conduction with good conduction performance.
  • the superconducting cable according to the present invention may be provided with first to third former layers adjacent to the first to third superconducting conductor layers for three-phase AC power transmission.
  • first superconducting conductor layer 130a and the second former layer 110a, the second superconducting conductor layer and the second former layer, and the third superconducting conductor layer and the third former layer are disposed outside the first inner metal tube 300a. This may be provided sequentially.
  • the first to third former layers and the first to third superconducting layers 130a, 130b, and 130c are sequentially stacked in the radial direction of the cable.
  • the stacking order of the superconducting conductor layers 130a, 130b and 130c and the former layers 110a, 110b and 110c can be changed.
  • the first former layer 110a may be provided in two layers inside the first superconducting conductor layer 130a, and the second former layer 110b may be formed in two layers.
  • the second superconducting conductor layer 130b may be provided between the third superconducting conductor layer 130b and the third former layer 110c may be provided outside the third superconducting conductor layer 130c.
  • each of the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130b is illustrated as being provided as a single layer, but the number of layers may vary depending on the power capacity or the diameter of the cable. you can change it.
  • an inner semiconducting layer (not shown) and an outer semiconducting layer (not shown) may be provided inside and outside the superconducting layer and the former layer of each layer to reduce electric field concentration.
  • the semiconducting layer can be configured by winding a semiconducting tape in multiple layers.
  • Each of the superconducting conductor layers and the former layer may be configured by arranging a plurality of superconducting wires SC and one end of the conductor wire C side by side.
  • Each of the superconducting conductor layers and the former layer of the superconducting conductor layer and the former layer may be provided with an insulating tape or an insulating sheet (not shown) between the layers in order to unify the current conduction direction and to prevent the skin effect.
  • each of the first former layer, the first superconducting layer, and the third former layer, the third superconducting layer, and the shielding layer should be insulated from each other because a current having a phase difference or a shielding current flows.
  • insulating layers 160a, 160b, and 160c may be provided between the first former layer, the first superconducting layer, and the third former layer, the third superconducting layer, and the shielding layer.
  • the insulating layers 160a, 160b, and 160c are provided for the purpose of increasing the dielectric strength, and an insulating paper made of paper may be applied, and may be configured by winding the insulating paper a plurality of times.
  • polymer material such as XLPE is mainly used to insulate a high voltage cable, but there is a problem of breakage at cryogenic temperatures, and thus, a superconducting cable that requires insulation performance in cryogenic environments uses paper insulation paper.
  • the insulating paper may be kraft paper or polypropylene laminated paper (PPLP).
  • PPLP polypropylene laminated paper
  • the polypropylene laminated paper (PPLP) insulating paper has excellent characteristics of ease of winding and insulation strength characteristics.
  • the first former layer, the first superconductor layer to the third former layer, and the third superconductor layer and the shielding layer are each formed in a flat strip shape, and each has a constant pitch in the longitudinal direction of the cable. And spirally wound to form each layer.
  • spiral transverse directions of the superconducting wires SC constituting the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130c may be opposite to each other in adjacent layers.
  • an insulating layer may be provided outside the third superconducting conductor layer 130c and the third former layer 110c disposed at the outermost portion, and a shielding layer 180 may be provided on the insulating layer.
  • the shielding layer 180 may not be configured of the superconducting wire SC.
  • the shielding layer 180 may be made of only a common conductor wire (C) of a material of copper or copper alloy, which may also be used as a conductor of accidental current.
  • C common conductor wire
  • the shielding layer made of a common conductor wire has a large shielding current.
  • the shielding layer 180 made of the general conductor wire C may have a high heat generation, the shielding layer 180 of the three-phase coaxial superconducting cable 1000 according to the present invention may be formed of the shielding layer 180.
  • 3 may be configured to include a plurality of conductor wires (C) and at least one superconducting wire (SC) arranged side by side to surround the third superconducting conductor layer (130c) insulated from the superconducting conductor layer (130c). have.
  • the number of the superconducting wires SC may be increased or decreased. Specifically, increase or decrease is possible according to the magnitude of the shielding current generated by the phase unbalance of the current of the superconducting conductor layer flowing in the shielding layer.
  • the three-phase coaxial superconducting cable 1000 according to the present invention is arranged by mixing the shielding layer 180 with the common conductor wire C and the superconducting wire (SC), when the shielding current is increased, the shielding current is shielding layer
  • the superconducting wire SC of 180 may be flowed to prevent heat generation of the shielding layer 180 due to the shielding current.
  • the general conductor wire (C) and the superconducting wire (SC) constituting the shielding layer 180 may be formed in the same shape, specifically, a flat strip shape, and the superconducting wire (SC) and the same as the superconducting conductor layer (130)
  • Ordinary conductor wire (C) may be configured in such a way that is arranged side by side without gap.
  • the general conductor wire C constituting the shielding layer 180 may be made of the same wire rod as the conductor wire constituting each former layer.
  • the number of the conductor wires in the shielding layer may be greater than the number of superconducting wires.
  • the number of superconducting wires of the shielding layer may be configured to about 1 to 5, and when there are three or more superconducting wires in the shielding layer, at least two superconducting wires are preferably spaced apart from each other.
  • 1 and 2 illustrate an example in which four superconducting wires are disposed at 90 degree intervals in the shielding layer.
  • the reason for dispersing each superconducting wire SC as much as possible is that the shielding current flowing through the shielding layer 180 is a superconducting wire SC having low resistance. Since it will be concentrated to minimize the path through the common conductor wire (C) in the process of convergence of the shielding current to prevent heat generation, so that the magnetic field due to the shielding current is generated uniformly in a circular direction around the shielding layer 180 Electromagnetic shielding performance can be guaranteed.
  • the shielding current flowing through the shielding layer 180 according to the imbalance of the current flowing in each phase in the 66KV distribution class three-phase coaxial superconducting cable 1000 may be increased to about 600A, shielding by the shielding current.
  • the superconducting wires SC are energized. Since the capacity reaches 600A, the shielding current can be classified almost as the superconducting wire (SC) of the shielding layer 180, thereby preventing heat generation of the general conductor wire (C) of the shielding layer 180.
  • the number of general conductor wires (C) constituting the shielding layer 180 is greater than the number of superconducting wires (SC) constituting the shielding layer 180, and the superconducting wires (
  • SC superconducting wires
  • the superconducting wires may be disposed at similar angular intervals.
  • a binder layer 190 is provided outside the shielding layer 180 to complete the core.
  • the second inner metal pipe 300b through which a liquid refrigerant for cooling the core part 100 flows may be provided outside the core part 100. Any one of the first inner metal pipe 300a and the second inner metal pipe 300b may be supplied with a cooled refrigerant, and the other inner metal pipe may be used as a pipe for recovering the refrigerant used for cooling.
  • the superconducting cable may be provided with an intermediate junction box at predetermined intervals of the installation section, and both ends of the installation section may include a termination junction box and a cooling device. Therefore, the cooling device increases the pressure and the cooled refrigerant is supplied to the superconducting cable to be used for the cooling of the core unit 100, and the recovered refrigerant can be used to re-supply after gas-liquid separation, pressure reinforcement, and cooling in the cooling device. have.
  • the superconducting cable according to the present invention is provided with a first inner metal tube 300a on the innermost side of the cable, and a second inner metal tube 300b on the outer side of the core portion 100, and a refrigerant flow path inside each metal tube.
  • One may be used as a path for supplying a coolant and the other may be used as a path for recovering a coolant, and thus may not include a separate coolant recovery pipe in a junction box.
  • the second inner metal pipe 300b forms a flow path of the liquid refrigerant, and uses materials such as aluminum and SUS to reinforce rigidity against mechanical stress, and for bending characteristics. It may have a corrugated structure in which the elevation and depression are repeated in the longitudinal direction.
  • the heat insulating part 400 may be provided outside the second internal metal pipe 300b.
  • the heat insulating part 400 may be configured by winding a heat insulating material coated with a thin polymer having a low thermal conductivity on a metal film having a high reflectance in multiple layers.
  • the number of layers of the heat insulating material wound to form the heat insulating part 400 is adjustable to minimize thermal intrusion, and the higher the number of layers, the higher the radiation shielding effect is, but the thickness of the vacuum part 500 is reduced by convection. It is necessary to use the appropriate number of floors because of the thermal barrier effect.
  • the heat insulating part 400 may obtain an effect of preventing heat exchange or heat intrusion by heat insulation and radiation.
  • the vacuum unit 500 may be provided outside the heat insulating part 400.
  • the vacuum part 500 refers to a space inside the outer metal tube 600 accommodating the heat insulating part 400, and vacuums the inside to convective heat between the heat insulating part 400 and the outer metal tube 600. Intrusion can be prevented.
  • the vacuum unit 500 may include at least one spacer 560 and the like having a low thermal conductivity.
  • the spacer 560 prevents the outer metal tube 600 and the heat insulating part 400 inside the vacuum part 500 from contacting the space between the spaces in the vacuum part 500 in the entire area of the superconducting cable. At least one, typically 3 to 4, spacers 560 may be provided in the space.
  • spacers 560 are shown inside the vacuum unit 500 at similar angular intervals, but the number of the spacers 560 may be increased or decreased. Although illustrated as being arranged in a single layer, the spacer 560 may be arranged in multiple layers as necessary.
  • each spacer 560 may be spirally wound on the outer circumferential surface of the heat insulating part 400, but may be mounted in a circular shape if necessary.
  • the spacer 560 may be made of polyethylene (FEP, PFA, ETFE, PVC, PE, or PTFE), and the spacer 560 may be made of polyethylene (PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) material as necessary.
  • PTFE Poly Tetra Fluoro Ethylene
  • the back surface may be coated with fluorinated polyethylene or the like, which may be made of general resin or polyethylene material.
  • fluorinated polyethylene eg, Teflon, etc.
  • the thermal conductivity is low, thereby minimizing conductive thermal intrusion.
  • spacer 560 is formed of the fluorinated polyethylene material, in addition to low thermal conductivity, friction damage or deformation due to a metal tube may be minimized due to characteristics such as perfect chemical inertness and heat resistance, non-tackiness, excellent insulation stability, and low coefficient of friction. Can be.
  • the spacer 560 may have a circular polygonal shape or the like, and may have a hollow interior.
  • the maximum width of the spacer 560 may be about 4 millimeters (mm) to about 8 millimeters (mm).
  • the outer metal tube 600 also uses a material such as aluminum or SUS to reinforce rigidity against mechanical stress, and a curved structure in which the ridges and depressions are repeated in the longitudinal direction for bending characteristics. )
  • An outer jacket 700 may be provided outside the outer metal tube 600.
  • the outer jacket 700 may be made of the same material as a conventional power cable.
  • the outer jacket 700 may be made of PE and PVC material.
  • the outer jacket 700 may prevent corrosion of the metal tube and protect the cable from external force.
  • FIG. 3 shows a multi-stage stripping perspective view of another embodiment of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • 4 shows a cross-sectional view of the superconducting cable shown in FIG. 3
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of another embodiment of a three-phase coaxial superconducting cable according to the invention.
  • the embodiment shown in FIG. 3 includes a faithful former 110a; First to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130c, each of which surrounds the former in order to be sequentially insulated and stacked, and includes a plurality of superconducting wires arranged side by side in the longitudinal direction of the faithful former; A shielding layer 180 disposed outside the first to third superconducting conductor layers 130a, 130b, and 130c and including a plurality of general conductor wires C and at least one superconducting wire SC.
  • Core part 100 to be; An inner metal tube 300 surrounding the core part 100 and in which a liquid refrigerant for cooling the core part 100 flows; A heat insulating part 400 formed by winding a heat insulating material outside the inner metal pipe 300 a plurality of times;
  • the vacuum unit 500 is provided with at least one spacer 560 on the outside of the heat insulating part, and is provided outside the vacuum part 500, and the contact with the heat insulating part 400 is blocked by the spacer 560. It is possible to provide a three-phase coaxial superconducting cable (1000) comprising an outer metal tube (600).
  • first inner metal tube (200a) and a second inner metal tube (200b) for supplying and withdrawing the refrigerant for cooling the core of the superconducting cable, the refrigerant in the superconducting power system No separate refrigerant recovery piping is required for recovery.
  • the embodiment shown in Figures 3 to 5 is provided with a faithful former as the first former layer (110a) in the center of the superconducting cable is provided with one inner metal tube 300 through which the refrigerant flows.
  • a first superconducting conductor layer 130a may be provided outside the first former layer 110a.
  • a cushion layer (not shown) for providing a mounting surface of a superconducting wire may be provided outside the first former layer 110a which is the faithful former.
  • An insulating layer 160a may be provided outside the first superconducting conductor layer 130a, and similarly to the embodiment of FIGS. 1 and 2, the second superconducting conductor layer 130b and the second former layer 110b may be provided.
  • the third superconducting conductor layer 130c, the third former layer 110c, and the shielding layer 180 may be sequentially provided.
  • the order in which the superconducting conductor layer and the former layer of each layer are stacked can be changed.
  • a general conductor wire of the same type as the superconducting wire may be spirally wound so as to have a predetermined pitch to include the second and third former layers 110b and 110c, as shown in FIGS. 3 to 5.
  • the conductor layer 130b is not limited to being interposed between the second former layer 110b or having the third former layer 110c disposed outside the third superconducting conductor layer 130c in FIGS. 1 and 2. It is the same as the present embodiment.
  • FIG. 3 and 4 illustrate four superconducting wires SC disposed on the shielding layer 180, the number of the superconducting wires SC may be increased or decreased.
  • Figure 5 shows that three superconducting wires are provided at intervals of about 120 degrees.
  • the shielding current flowing through the shielding layer 180 according to the imbalance of the current flowing in each phase in the distribution-grade three-phase coaxial superconducting cable 1000 of 66 KV can be increased to about 600A, due to the shielding current
  • the conducting capacity of the superconducting wire SC is increased. Since a current of 450 A or more may be energized, a large portion of the shielding current that may be generated in the shielding layer 180 may be classified as a superconducting wire (SC) of the shielding layer 180 and the general conductor wire constituting the shielding layer 180. Since the amount of the current classified as (S) can be minimized, the heat generation of the general conductor wire C of the shielding layer 180 can be minimized.
  • SC superconducting wire
  • the general conductor wire (C) and the superconducting wire (SC) constituting the shielding layer 180 may be configured in the same shape, specifically, a flat strip shape, as in the superconducting conductor layer 130, superconducting wire (SC) )
  • the common conductor wire (C) can be arranged side by side without a gap
  • the general conductor wire (C) constituting the shielding layer 180 is the same as the conductor wire constituting the respective former layer. It may be composed of a wire rod, the number of the conductor wire in the shielding layer may be configured to be larger than the number of superconducting wire rod, when there are a plurality of wire rods constituting the shielding layer, it is preferable to be spaced apart from each other As shown.
  • FIG. 6 is a comparison diagram of a superconducting wire and a conventional superconducting wire that may be applied to a superconducting conductor layer or a shielding layer of a three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention.
  • Figure 6 (a) shows a cross-sectional view of a conventional superconducting wire (SC ') is not provided with an additional conductive layer
  • Figure 6 (b) is a superconducting wire is added to the conductive layer of a metallic material having room temperature conduction (SC) is shown.
  • Superconducting wire (SC ') is not provided with a conductive layer shown in Figure 6 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 conventional superconducting wire shown in FIG. 6 (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 a metal material and having a width x (mm) and a thickness y (mm) to 2 y (mm) are added.
  • a conductive metal layer (me1, me2) of a conductive metal material is added to the superconducting wire for stiffness reinforcement of the superconducting wire, and the added conductive layer (me1, me2) is together with the former layer described above. It can also be used as a conductor to the fault current.
  • the superconducting wire SC ′ constituting the superconducting conductor layer 130 or the shielding layer 180 has a width of x (mm) and a thickness of y (mm). If the area of the entire conductor wire constituting the former layer for a predetermined time in the event of an electrical short circuit accident is assumed to have a cross-sectional area of A (mm 2 ) or more, the superconducting cable according to the present invention may be provided with a conductive layer (shown in FIG. 6 (b)).
  • the overall cross-sectional area of the former layer of each layer may be configured to have a size smaller than A (mm 2 ) assuming the case of using a general superconducting wire.
  • the superconducting wire (SC) applied to the superconducting cable (1000) 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 (SC '), the overall thickness is It may be composed of 3y (mm) to 5y (mm).
  • the conductive layers me1 and me2 may be soldered and added to the existing superconducting wire as described below.
  • the conductive layers me1 and me2 are added to both surfaces of the existing superconducting wire SC ', the sides of the superconducting wire SC are soldered or the surface of the entire superconducting wire SC is metal-coated, such as a short circuit.
  • the fault currents are classified into the conducting layers added to the respective superconducting wires in addition to the conductor wires of the former layer in parallel with the respective superconducting wires (SC), so that the conducting layers (me1 and me2) are together with the former layer. Can share roles.
  • each of the conductive layers me1 and me2 is added to both surfaces of the superconducting wire having a width of x (mm) and a thickness of y (mm) to 2 y (mm) but the existing thickness of y (mm).
  • the current carrying ability 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 conducting layer when the conducting layer is added to both surfaces of the superconducting wire, rather than the case where the conducting layer is added to only one surface of the superconducting wire, the separation of the conducting layer can be minimized and the stiffness can be reinforced when bending the superconducting wire. Even when the conductive layer is used as the return conductor, it may be advantageous to add the conductive layer to both surfaces of the superconducting wire and to reduce the total area of the former layer.
  • the room temperature is electrically conductive.
  • the tensile strength of the superconducting wire with the conductive layers me1 and me2 as the metal thin film layer was found to be about 200 megapascals (Mpa) to 800 megapascals (Mpa) based on 95 percent current attenuation, which is sufficient when winding the superconducting wires to the superconducting cable.
  • the rigidity can be secured, and finally, the cross-sectional area of the former layer is 0.6 A (mm 2 ) to 0.9 A (mm 2 ) to confirm that the area of the former layer can be reduced through experiments and simulation results. This was possible.
  • the 95 percent current attenuation 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 megapascals (Mpa). This means that even when a tensile force of is applied to the superconducting wire, at least 95 percent of electricity can be secured.
  • the shorter condition of the former layer was used as 50KA / sec for power transmission or 25KA / 0.5sec for power distribution, but it may be different depending on the country or power supplier. It is common in that the stiffness can be reduced and the cross-sectional area of the former layer can be reduced to satisfy the minimum short circuit condition.
  • 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 with the conducting layer is 0.3 mm (mm) to 0.5 mm (mm)
  • the thickness seems to be significantly increased compared to the existing superconducting wire
  • the thickness of the improved superconducting wire is also a thin film level, which has a large effect on the overall thickness of the superconducting cable.
  • the cross-sectional area of the former layer of the conductor wire may be reduced by about 10 percent (%) to about 40 percent (%).
  • the reduced area of the former layer is larger than the area of the superconducting wire increased by the conducting layers of the superconducting wire. This is presumably because the skin effect can be generated by adhering to both surfaces of the superconducting wire.
  • the shielding current Since the current is energized through at least one superconducting wire constituting the shielding layer can effectively prevent the heat generated from the shielding layer, and does not constitute the entire shielding layer by arranging the superconducting wire, the general conductor wire is mainly This reduces the cost of superconducting cables.
  • a conductive layer in the form of a metal thin film layer may be added to the superconducting wire constituting the superconducting layer or shielding layer of the three-phase coaxial superconducting cable according to the present invention, thereby reinforcing the physical rigidity of the superconducting wire.
  • the divergence path of the fault current is diversified by the conduction layer to reduce the diameter (cross-sectional area) or weight of the former, and a conduction layer capable of energizing the fault current is added to the superconducting wire itself, thereby reducing the area of the former layer. It is also possible to reduce the overall diameter of the superconducting cable.

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Abstract

본 발명은 3상 전류가 통전되는 동축(Coaxial) 초전도 도체층의 전류의 크기 또는 위상차의 불균형에 의하여 차폐층에서 발생될 수 있는 발열을 효과적으로 방지하고 직경이 감소될 수 있는 3상 동축 초전도 케이블에 관한 것이다.

Description

3상 동축 초전도 케이블
본 발명은 초전도 케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 3상 전류가 통전되는 동축(Coaxial) 초전도 도체층의 전류의 크기 또는 위상차의 불균형에 의하여 차폐층에서 발생될 수 있는 발열을 효과적으로 방지하고 직경이 감소될 수 있는 3상 동축 초전도 케이블에 관한 것이다.
최근에는 초전도 케이블의 비용과 직경을 줄일 수 있는 송전 또는 배전용 3상 동축 케이블이 소개되고 있다.
구체적으로는 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 통전시키는 방법을 사용한다. 이상적인 조건에서 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류는 각각 동일한 크기로 120도 위상차를 가지며 흐르게 되어, 이론적으로는 각각의 전류에 의한 전자기파가 상쇄되는 구조를 가지므로 3개의 중첩된 초전도 도체층 외측에 구비되는 상대적으로 큰 직경을 갖는 차폐층은 고비용의 초전도 선재로 구성하지 않고, 일반 구리 등의 도체를 사용할 수 있고, 시험적으로 일반 도체로 구성된 차폐층을 구비하는 3상 동축 초전도 케이블이 소개되었다.
즉, 차폐층을 구성하는 도체를 초전도 선재를 사용하지 않고, 일반 도체 선재를 적용하는 방법으로 하나의 코어의 최외부 영역에 배치되어 직경이 가장 큰 차폐층을 일반 도체로 구성하여 종래의 3상 초전도 케이블에 비하여 초전도 선재의 소비량을 최소화하여 큰 비용 절감이 가능하고, 초전도 도체층이 중첩되는 구조를 갖도록 하여 케이블의 직경이 전체적으로 줄어드는 효과도 얻을 수 있다.
이와 같은 방법으로, 3상 초전도 케이블의 장점을 활용하면서도, 사용되는 초전도 선재의 양과 전체 케이블의 직경을 줄일 수 있다는 장점으로 인해 3상 동축 초전도 케이블에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 각각의 코어를 흐르는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류가 그 크기가 다르거나 각각 120도 위상차를 유지하지 못하는 경우에는 3층으로 구성된 코어 외측의 일반 도체 선재로 구성되는 차폐층에는 차폐 전류가 크게 증가할 수 있으며, 그러한 경우 일반 도체 선재로 구성되는 차폐층은 발열이 심화될 수 있다. 이는 일반 도체로 구성된 선재의 경우에도 충분히 낮은 온도에서의 상온에서보다 비저항이 낮지만 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재에 비해서는 통전 능력이 아주 작은 것이 되어, 차폐전류가 증가되면 일반 도체로 구성된 차폐층의 통전 능력이 부족하여 발열이 심화될 수 밖에 없기 때문이다.
초전도 케이블은 초전도 도체층을 구성하는 고온 초전도체의 초전도 조건인 약 영하 200도씨로 코어를 냉각하기 위하여 내부 금속관 내부로 극저온의 액상 냉매를 유동시킨다.
그러나, 일반 도체로 구성되는 차폐층에 차폐 전류가 증가하여, 온도가 상승하는 경우, 액상 냉매의 온도를 상승시켜 초전도 전력 시스템의 냉각부하를 증가시키고, 시스템의 안정성을 저해하게 되므로 이를 보완할 방법이 요구된다.
본 발명은 3상 전류가 통전되는 동축(Coaxial) 초전도 도체층의 전류의 크기 또는 위상차의 불균형에 의하여 차폐층에서 발생될 수 있는 발열을 효과적으로 방지하고 직경이 감소될 수 있는 3상 동축 초전도 케이블을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 충실형 포머; 상기 포머 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 충실형 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층; 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재와 적어도 하나의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 차폐층;을 포함하는 코어부; 상기 코어부를 감싸며 상기 코어부의 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 내부 금속관; 상기 내부 금속관 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부; 상기 단열부 외측에 적어도 하나의 스페이서가 구비되는 진공부; 및, 상기 진공부 외측에 구비되며, 상기 스페이서에 의하여 상기 단열부와 접촉이 차단되는 외부 금속관;을 포함하는 3상 동축형 초전도 케이블을 제공할 수 있다.
또한, 상기 차폐층에 도체 선재의 개수가 초전도 선재의 개수보다 많을 수 있다.
또한, 상기 차폐층의 초전도 선재의 개수는 1개 내지 5개일 수 있다.
그리고, 상기 차폐층에 초전도 선재가 3개 이상인 경우, 적어도 2개의 초전도 선재는 상호 이격될 수 있다.
이 경우, 상기 차폐층에 초전도 선재는 4개가 90도 간격으로 배치될 수 있다.
그리고, 상기 차폐층의 도체 선재는 구리 또는 구리 합금 재질로 구성되고 초전도 선재는 2세대 초전도 선재로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 및 상기 차폐층 사이에 각각 절연층이 구비될 수 있다.
이 경우, 각각의 상기 제2 초전도 도체층 및 상기 제3 초전도 도체층의 내측, 내부 및 외측 중 적어도 한 곳에 각각 포머층이 구비될 수 있다.
여기서, 상기 포머층은 각각의 상기 제2 초전도 도체층 및 상기 제3 초전도 도체층 내측, 내부 및 외측 중 적어도 한 곳을 감싸도록 나란히 배치되는 복수 개의 일반 도체 선재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 초전도 도체층 및 차폐층을 구성하는 초전도 선재는 양측에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 부가되며, 상기 통전 레이어는 상기 초전도 선재와 측면 솔더링 또는 표면 금속코팅에 의하여 전기적으로 연결되어, 상기 통전 레이어는 고장전류 발생시 고장전류의 귀로도체로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)일 수 있다.
그리고, 상기 초전도 선재의 표면에 부가되는 상기 통전 레이어는 황동(Brass) 재질이며 두께는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)일 수 있다.
또한, 상기 외부 금속관 외측을 감싸는 외부자켓을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 액상 냉매가 유동하는 제1 내부 금속관; 상기 제1 금속관 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 제1 내부 금속관의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층; 및, 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재와 적어도 하나의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 차폐층;을 포함하는 코어부; 상기 코어부 외측에 구비되며 액상 냉매가 유동하는 제2 내부 금속관; 상기 제2 내부 금속관 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부; 상기 단열부 외측에 적어도 하나의 스페이서가 구비되는 진공부; 및, 상기 진공부 외측에 구비되며, 상기 스페이서에 의하여 상기 단열부와 접촉이 차단되는 외부 금속관;을 포함하는 3상 동축형 초전도 케이블을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 차폐층에 초전도 선재가 3개 이상인 경우, 적어도 2개의 초전도 선재는 상호 이격될 수 있다.
본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블에 의하면, 3상 전류가 통전되는 동축(Coaxial) 초전도 도체층의 전류의 크기 또는 위상차의 불균형에 의하여 차폐층에 차폐전류가 증가하는 경우에도 차폐전류는 차폐층을 구성하는 적어도 하나의 초전도 선재를 통해 통전되므로 차폐층에서 발생될 수 있는 발열을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블에 의하면, 차폐층 전체를 초전도 선재를 배치하는 방법으로 구성하지 않고, 일반 도체 선재를 주로 사용하게 되어 초전도 케이블의 비용 증가를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 초전도 도체층 또는 차폐층을 구성하는 초전도 선재에 금속 박막층 형태의 통전 레이어가 부가되어 초전도 선재의 물리적 강성이 보강될 수 있으며, 상기 금속 박막층 형태의 통전 레이어에 의하여 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있고, 초전도 선재 자체에 사고 전류의 통전이 가능한 통전 레이어가 부가되어, 사고 전류의 귀로 도체 역할을 수행하기 위한 포머층 등의 면적을 종래보다 줄여서 초전도 케이블의 전체 직경을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 하나의 실시예의 다단 탈피 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 다른 실시예의 다단 탈피 사시도를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 초전도 도체층 또는 차폐층에 적용될 수 있는 수 있는 초전도 선재와 종래의 초전도 선재의 비교도이다.
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 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 하나의 실시예의 다단 탈피 사시도를 도시하며, 도 2는 도 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)은 기존의 3상 초전도 케이블과 달리 각각 120도의 위상차를 갖는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류의 통전을 위한 초전도 도체층(130)이 동축 상에 적층되어 구비된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)은 액상 냉매가 유동하는 제1 내부 금속관(300a); 상기 제1 내부 금속관(300a) 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 제1 내부 금속관(300a)의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130b); 및, 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130b) 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재와 적어도 하나의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 차폐층(180);을 포함하는 코어부(100); 상기 코어부(100) 외측에 구비되며 액상 냉매가 유동하는 제2 내부 금속관(300b); 상기 제2 내부 금속관(300b) 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부(400); 및, 상기 단열부(400) 외측에 적어도 하나의 스페이서(560)가 구비되는 진공부(500); 상기 진공부(500) 외측에 구비되며, 상기 스페이서(560)에 의하여 상기 단열부(400)와 접촉이 차단되는 외부 금속관(600)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)을 구성하는 코어부(100)의 최내측 및 최외측에 제1 내부 금속관(300a) 및 제2 내부 금속관(300b)이 구비된다.
즉, 코어부(100)의 최내부에 구비되는 제1 내부 금속관(300a)에서 액상 냉매가 일방향으로 흐르면, 코어부(100)의 최외부에 구비되는 제2 내부 금속관(300b)에서 액상 냉매는 상기 일방향 또는 반대방향으로 흐르게 된다. 이와 같은 방법으로, 코어부(100)를 구성하는 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c) 및 차폐층(180)을 극저온으로 냉각할 수 있다.
상기 제1 내부 금속관(300a) 둘레에는 순차적으로 제1 초전도 도체층(130a) 내지 제3 초전도 도체층(130c)이 적층되어 구비될 수 있다.
상기 제1 내부 금속관(300a) 및 후술하는 제2 내부 금속관(300b)은 각각 액상 냉매의 유로(200a, 200b)를 형성하며, 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다.
상기 제1 내부 금속관(300a) 표면에는 제1 내부 금속관(300a) 표면의 올록볼록한 표면을 평활하게 하기 위한 평활층 또는 반도전 카본지 테이프를 이용하여, 초전도 도체층(130)을 보호하기 위한 쿠션층 및 반도전층 등이 구비될 수 있다.
상기 제1 내부 금속관(300a) 외측에는 제1 내지 제3의 포머층 및 초전도 도체층이 미리 결정된 순서로 구비될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 3상 동축 케이블의 경우, 각각의 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)의 내부, 사이 또는 외측에 초전도 선재와 동일한 형태의 일반 도체 선재로 미리 결정된 피치를 갖도록 나선형 횡권되어 포머층을 구비할 수 있다.
상기 포머층은 초전도 전력 시스템의 고장 또는 사고시 사고 전류의 통전 경로 및 초전도 선재의 장착면 제공 등을 목적으로 구비되는 구성이다.
각각의 포머층은 통전 성능이 좋은 상온 통전성이 있는 도체 선재(C)등으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 초전도 케이블은 3상 교류 전력 전송을 위한 제1 내지 제3 초전도 도체층에 각각 인접하여 제1 내지 제3 포머층이 구비될 수 있다.
즉, 상기 제1 내부 금속관(300a) 외측에는 제1 초전도 도체층(130a) 및 제2 포머층(110a), 제2 초전도 도체층 및 제2 포머층과 제3 초전도 도체층 및 제3 포머층이 순차적으로 구비될 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3의 포머층 및 제1 내지 제3의 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)은 순차적으로 케이블의 반지름 방향으로 적층되어 구비되지만, 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)과 포머층(110a, 110b, 110c)의 적층 순서의 변경은 가능하다.
구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 포머층(110a)은 제1 초전도 도체층(130a) 내측에 2층으로 구비될 수 있고, 제2 포머층(110b)은 2층으로 구성되되 그 사이에 제2 초전도 도체층(130b)이 구비될 수 있으며, 제3 포머층(110c)은 2층으로 구성되되 제3 초전도 도체층(130c) 외측에 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 달리, 각각의 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130b)은 단층으로 구비되는 것으로 도시되었으나, 전력 용량 또는 케이블의 직경 등에 따라서 층수 등이 변경 가능하다.
또한, 각 층의 초전도 도체층 및 포머층 내측와 외측에 내부 반도전층(도면부호 미도시)과 외부 반도전층(도면부호 미도시) 등이 구비되어 전계 집중을 완화할 수 있다.
반도전층은 반도전 테이프를 복층으로 권선하는 방법으로 구성할 수 있다.
각각의 초전도 도체층 및 포머층은 각각 복수 개의 초전도 선재(SC) 및 일단 도체 선재(C)를 나란히 배열하는 방법으로 구성될 수 있다.
각각의 초전도 도체층 및 포머층 중 복층으로 구성된 초전도 도체층 및 포머층은 전류 통전방향을 통일하고 표피 효과를 방지하기 위하여 층 사이에 절연 테이프 또는 절연 시트(미도시)가 구비될 수 있다.
그리고, 제1 포머층 및 제1 초전도 도체층 내지 제3 포머층 및 제3 초전도 도체층 및 차폐층 각각은 위상차가 존재하는 전류 또는 차폐 전류가 흐르므로 상호 절연되어야 한다.
따라서, 상기 제1 포머층 및 제1 초전도 도체층 내지 제3 포머층 및 제3 초전도 도체층 및 차폐층 사이에 절연층(160a, 160b, 160c)이 구비될 수 있다.
상기 절연층(160a, 160b, 160c)은 절연내력 증가를 목적으로 구비되며, 종이 재질의 절연지가 적용될 수 있고, 절연지를 복수 회 권선하는 방식으로 구성될 수 있다. 일반적으로 고전압 케이블의 절연시 XLPE와 같은 폴리머 재질이 주로 사용되지만, 극저온에서는 파손되는 문제가 있으므로, 극저온 환경에서 절연 성능이 유지되어야 하는 초전도 케이블의 경우에는 종이 재질의 절연지를 사용하게 된다.
상기 절연지는 크라프트지나 PPLP(Polypropylene Laminated Paper)가 적용될 수 있다. 상기 PPLP(Polypropylene Laminated Paper) 절연지는 권선의 용이성과 절연내력 특성이 우수한 특성을 갖는다.
상기 제1 포머층 및 제1 초전도 도체층 내지 제3 포머층 및 제3 초전도 도체층 및 차폐층은 도 1에 도시된 바와 같이, 각각 납작한 스트립 형태로 구성되며, 각각 케이블의 길이방향으로 일정한 피치를 가지며 나선형을 횡권되어 각각의 층을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)을 구성하는 초전도 선재(SC)의 나선형 횡권방향은 인접한 층에서 서로 반대방향이 될 수 있다.
최외곽에 배치된 제3 초전도 도체층(130c) 및 제3 포머층(110c) 외측에는 전술한 바와 같이 절연층이 구비되고, 절연층 상부에 차폐층(180)이 구비될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c)에 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류가 그 크기가 동일하고 각각 120도 위상차를 유지하는 경우, 유도 자기장 역시 상호 상쇄되어 상기 차폐층(180)에 흐르는 전류가 크지 않아 상기 차폐층(180)을 초전도 선재(SC)로 구성하지 않을 수 있다.
즉, 상기 차폐층(180)은 사고 전류의 귀로 도체로도 사용될 수 있는 구리 또는 구리 합금의 재질의 일반 도체 선재(C) 만으로 구성될 수도 있다. 그러나, 각각의 코어를 흐르는 제1 상 전류, 제2 상 전류 및 제3 상 전류가 그 크기가 다르거나 각각 120도 위상차를 유지하지 못하는 경우에는 일반 도체 선재로 구성되는 차폐층에는 차폐 전류가 크게 증가할 수 있으며, 그러한 경우 일반 도체 선재(C)로 구성되는 차폐층(180)은 발열이 심화될 수 있으므로, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)의 차폐층(180)은 상기 제3 초전도 도체층(130c)과 절연된 상태로 상기 제3 초전도 도체층(130c) 둘레를 감싸도록 나란히 배치되는 복수 개의 도체 선재(C)와 적어도 하나의 초전도 선재(SC)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예는 상기 차폐층(180)에 4개의 초전도 선재(SC)가 배치된 것으로 도시되었으나, 그 개수는 증감이 가능하다. 구체적으로는 차폐층에 흐르는 초전도 도체층의 전류의 상간 불평형에 의하여 발생되는 차폐 전류의 크기에 따라 증감이 가능하다.
물론, 차폐층(180)을 구성하는 모든 선재를 초전도 선재(SC)로 하여, 상별 전류 불균형이 발생되어도 차폐층(180)에서의 발열의 위험을 낮출 수 있으나 초전도 케이블의 구성 중 초전도 선재(SC)의 가격이 가장 고가이므로 비정상적인 전류의 흐름을 대비하기 위한 방법으로 적절하지 않다.
따라서, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블(1000)은 차폐층(180)을 일반 도체 선재(C)와 초전도 선재(SC)를 혼합하여 배치하여, 차폐 전류가 증가되는 경우 차폐 전류가 차폐층(180)의 초전도 선재(SC)로 흐르도록 하여, 차폐 전류에 의한 차폐층(180)의 발열을 방지할 수 있다.
상기 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(C)와 초전도 선재(SC)는 동일한 형태, 구체적으로 납작한 스트립 형태로 구성될 수 있으며, 초전도 도체층(130)과 마찬가지로 초전도 선재(SC)와 일반 도체 선재(C)를 나란히 빈틈없이 배치하는 방법으로 구성될 수 있다.
즉, 상기 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(C)는 전술한 각각의 포머층을 구성하는 도체 선재와 동일한 선재로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 차폐층에 도체 선재의 개수가 초전도 선재의 개수보다 많게 구성될 수 있다. 상기 차폐층의 초전도 선재의 개수는 1개 내지 5개 정도로 구성될 수 있으며, 상기 차폐층에 초전도 선재가 3개 이상인 경우, 적어도 2개의 초전도 선재는 상호 이격되는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예는 상기 차폐층에 초전도 선재는 4개가 90도 간격으로 배치된 예를 도시한다.
상기 차폐층(180)에 초전도 선재(SC)가 복수 개가 구비되는 경우, 각각의 초전도 선재(SC)를 최대한 분산시키는 이유는 차폐층(180)을 흐르는 차폐 전류는 저항이 낮은 초전도 선재(SC)로 집중될 것이므로 차폐 전류의 수렴 과정에서 일반 도체 선재(C)를 경유하는 경로를 최소화하여 발열을 방지하고, 차폐 전류 통전에 의한 자기장이 차폐층(180) 둘레 방향으로 원형으로 균일하게 발생되도록 하여 전자파 차폐 성능을 보장할 수 있다.
그리고, 실험적으로 66KV의 배전급 3상 동축 초전도 케이블(1000)에서 각 상에 통전되는 전류의 불균형에 따른 차폐층(180)에 흐르는 차폐 전류는 600A 정도까지 증가될 수 있고, 차폐 전류에 의한 차폐층(180)의 발열을 방지하기 위하여 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 초전도 선재(SC)의 통전 용량이 150A 이상인 4개의 초전도 선재(SC)를 구비하면 초전도 선재(SC)의 통전 용량이 600A에 달하므로 차폐 전류는 거의 대부분 차폐층(180)의 초전도 선재(SC)로 분류되도록 할 수 있으므로, 차폐층(180)의 일반 도체 선재(C)의 발열을 방지할 수 있다.
정리하면, 상기 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(C)의 개수는 상기 차폐층(180)을 구성하는 초전도 선재(SC)의 개수보다 많고, 상기 차폐층(180)에 초전도 선재(SC)가 복수 개가 구비되는 경우에는 초전도 선재(SC)를 절연층의 외주면에 상호 이격하여 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 차폐층(180)에 초전도 선재(SC)가 복수 개가 구비되는 경우에는 초전도 선재가 비슷한 각도 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 차폐층(180) 외측에는 바인더층(190)이 구비되어 코어를 완성할 수 있다.
상기 코어부(100) 외측에는 상기 코어부(100)를 냉각하기 위한 액상 냉매가 유동하는 상기 제2 내부 금속관(300b)이 구비될 수 있다. 상기 제1 내부 금속관(300a)과 상기 제2 내부 금속관(300b) 중 어느 하나는 냉각된 냉매가 공급되고, 다른 하나의 내부 금속관은 냉각에 사용된 냉매가 회수되는 배관으로 사용될 수 있다.
초전도 케이블은 포설 구간의 미리 결정된 간격으로 중간 접속함이 구비되고, 포설구간 양단에는 종단 접속함과 냉각장치 등이 구비될 수 있다. 따라서, 냉각장치는 압력을 높이고 냉각된 냉매가 초전도 케이블로 공급되어 코어부(100)의 냉각에 사용되고, 다시 회수되는 냉매는 냉각장치에서 기액 분리, 압력 보강 및 냉각 후 재공급되는 방법이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블은 케이블 최내측에 제1 내부 금속관(300a)이 구비되고, 코어부(100)의 외측에 제2 내부 금속관(300b)이 구비되어, 각각의 금속관 내부의 냉매유로 중 하나는 냉매를 공급하는 경로로 사용되고, 다른 하나는 냉매가 회수되는 경로로 사용될 수 있으므로, 접속함 등에서 별도의 냉매 회수 배관을 구비하지 않을 수 있다.
상기 제2 내부 금속관(300b)은 상기 제1 내부 금속관(300a)과 마찬가지로 액상 냉매의 유로를 형성하며, 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다.
상기 제2 내부 금속관(300b) 외측에는 단열부(400)가 구비될 수 있다. 상기 단열부(400)는 반사율이 높은 금속필름에 열전도율이 낮은 고분자가 얇게 코팅된 단열재를 여러층으로 감은 방식으로 구성될 수 있다.
상기 단열부(400)를 구성하기 위하여 감겨지는 단열재의 층수는 열침입을 최소화 하기 위해 조절이 가능하며, 많은 층수 일수록 복사열 차단 효과는 높아지나, 진공부(500)의 두께를 감소시켜 대류에 의한 열차단 효과가 떨어지므로 적절한 층수를 사용하는 것이 필요하다. 상기 단열부(400)는 보온 및 복사에 의한 열교환 또는 열침입을 방지를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 단열부(400)를 수용하는 외부 금속관(600) 내부의 공간을 의미하며, 내부를 진공화하여 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600) 사이의 대류 열침입 등을 방지할 수 있다.
그러나, 상기 단열부(400)와 외부 금속관(600)이 접촉되면 전도 열침입이 발생될 수 있으므로, 상기 단열부(400)와 상기 외부 금속관(600)의 접촉되는 것은 방지되어야 하며, 이를 위하여 상기 진공부(500)에는 열전도율이 낮은 재질의 적어도 하나의 스페이서(560) 등이 구비될 수 있다.
상기 스페이서(560)는 진공부(500) 내의 이격 공간 그 외측에 구비되는 외부 금속관(600) 등과 진공부(500) 내측의 단열부(400)가 접촉되는 것을 초전도 케이블의 전 영역에서 방지. 이격 공간 내에 적어도 1개, 통상적으로 3~4개의 스페이서(560)를 구비할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 진공부(500) 내부에는 4개의 스페이서(560)가 비슷한 각도 간격으로 배치되는 것으로 도시되나, 그 개수는 증감이 가능하며, 도 2에서 각각의 스페이서(560)는 단층으로 배치되는 것으로 도시되나 필요에 따라 스페이서(560)를 복층으로 배치할 수도 있다
각각의 스페이서(560)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단열부(400) 외주면에 나선형으로 횡권될 수 있으나, 필요에 따라 원형으로 장착될 수도 있다.
상기 스페이서(560)는 폴리 에틸렌(FEP, PFA, ETFE, PVC, P.E, 또는 PTFE) 재질일 수 있으며, 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. 불화 폴리에틸렌(예를 들면, 테프론 등)의 경우 열전도율이 낮아 전도 열침입을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 불화 폴리에틸렌 재질로 스페이서(560)를 구성하는 경우 낮은 열전도율 이외에도 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성에 의하여 금속관에 의한 마찰 손상 또는 변형 등이 최소화될 수 있다.
상기 스페이서(560)는 원형 다각형 등의 형상일 수 있고, 내부가 중공형으로 구성될 수도 있다. 상기 스페이서(560)의 최대폭은 4 밀리미터(mm) 내지 8 밀리미터(mm) 정도일 수 있다.
상기 외부 금속관(600) 역시 내부 금속관(300)과 마찬가지로 기계적 응력에 대한 강성 보강하기 위해, 알루미늄, SUS 등의 재질을 사용하며, 밴딩 특성을 위해 길이 방향으로 융기 및 함몰이 반복되는 굴곡 구조(corrugated)를 가질 수 있다.
상기 외부 금속관(600) 외측에는 외부자켓(700)이 구비될 수 있다. 상기 외부자켓(700)은 통상적인 전력용 케이블과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부자켓(700)은 PE와 PVC 재질로 구성될 수 있다.
상기 외부자켓(700)에 의하여 금속관의 부식을 방지하고, 외력으로부터 케이블을 보호할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 다른 실시예의 다단 탈피 사시도를 도시한다. 도 4는 도 3에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시하며, 도 5는 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조한 설명과 중복된 설명은 생략하며, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 3에 도시된 실시예는 충실형 포머(110a); 상기 포머 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 충실형 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c); 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층(130a, 130b, 130c) 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재(C)와 적어도 하나의 초전도 선재(SC)를 포함하여 구성되는 차폐층(180);을 포함하는 코어부(100); 상기 코어부(100)를 감싸며 상기 코어부(100)의 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 내부 금속관(300); 상기 내부 금속관(300) 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부(400); 상기 단열부 외측에 적어도 하나의 스페이서(560)가 구비되는 진공부(500) 및, 상기 진공부(500) 외측에 구비되며, 상기 스페이서(560)에 의하여 상기 단열부(400)와 접촉이 차단되는 외부 금속관(600)을 포함하는 3상 동축형 초전도 케이블(1000)을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조한 실시예는 초전도 케이블의 코어를 냉각하기 위한 냉매의 공급과 회수를 위한 제1 내부 금속관(200a) 및 제2 내부 금속관(200b)로 구비되어, 초전도 전력 시스템에서 냉매의 회수를 위한 별도의 냉매 회수배관을 요하지 않는다.
반면, 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예는 초전도 케이블의 중심부에 제1 포머층(110a)으로서 충실형 포머가 구비되어 냉매가 유동하는 내부 금속관(300)은 하나가 구비된다.
즉, 케이블의 중심부에 냉매 유동을 위한 내부 금속관 대신 충실형 포머 형태의 제1 포머층(110a)를 배치하여 전체적인 케이블 직경을 감소시키되, 초전도 전력 시스템에서 냉매의 회수를 위한 별도의 냉매 회수배관을 구비하여 시스템을 구성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 포머층(110a) 외측에 제1 초전도 도체층(130a)이 구비될 수 있다.
상기 충실형 포머인 제1 포머층(110a) 외측에는 초전도 선재 등의 장착면 제공을 위한 쿠션층(미도시) 등이 구비될 수 있다.
상기 제1 초전도 도체층(130a) 외측에는 절연층(160a)이 구비될 수 있고, 도 1 및 도 2를 참조한 실시예와 마찬가지로, 제2 초전도 도체층(130b) 및 제2 포머층(110b)과 제3 초전도 도체층(130c) 및 제3 포머층(110c) 그리고 차폐층(180)이 순차적으로 구비될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조한 설명과 마찬가지로, 각각의 층의 초전도 도체층과 포머층이 적층되는 순서는 변경이 가능하다.
즉, 충실형 포머가 구비되는 도 3 내지 도 5에 도시된 본 발명에 따른 3상 동축 케이블의 경우에도, 각각의 제2 및 제3 초전도 도체층(130b, 130c)의 내부, 사이 또는 외측에 초전도 선재와 동일한 형태의 일반 도체 선재로 미리 결정된 피치를 갖도록 나선형 횡권되어 제2 및 제3 포머층(110b, 110c)을 구비할 수 있으며, 이는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 제2 초전도 도체층(130b)이 제2 포머층(110b) 사이에 개재되거나, 제3 초전도 도체층(130c) 외측에 제3 포머층(110c)이 구비되는 것으로 제한되지 않음은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지이다.
그리고, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예는 상기 차폐층(180)에 4개의 초전도 선재(SC)가 배치된 것으로 도시되었으나, 그 개수는 증감이 가능하다. 도 5에 도시된 실시예의 경우는 3개의 초전도 선재가 약 120도 간격으로 구비됨을 도시한다.
전술한 바와 같이, 66KV의 배전급 3상 동축 초전도 케이블(1000)에서 각 상에 통전되는 전류의 불균형에 따른 차폐층(180)에 흐르는 차폐 전류는 600A 정도까지 증가될 수 있고, 차폐 전류에 의한 차폐층(180)의 발열을 방지하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 초전도 선재(SC)의 통전 용량이 150A 이상인 3개의 초전도 선재(SC)를 구비하면 초전도 선재(SC)의 통전 용량이 450A 이상의 전류가 통전될 수 있으므로 차폐층(180)에 발생될 수 있는 차폐 전류의 상당 부분을 차폐층(180)의 초전도 선재(SC)로 분류되도록 하고 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(S)로 분류되는 전류의 양을 최소화할 수 있으므로, 차폐층(180)의 일반 도체 선재(C)의 발열을 최소화할 수 있음은 마찬가지이다.
그리고, 상기 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(C)와 초전도 선재(SC)는 동일한 형태, 구체적으로 납작한 스트립 형태로 구성될 수 있으며, 초전도 도체층(130)과 마찬가지로 초전도 선재(SC)와 일반 도체 선재(C)를 나란히 빈틈없이 배치하는 방법으로 구성될 수 있고, 상기 차폐층(180)을 구성하는 일반 도체 선재(C)는 전술한 각각의 포머층을 구성하는 도체 선재와 동일한 선재로 구성될 수 있으며, 상기 차폐층에 도체 선재의 개수가 초전도 선재의 개수보다 많게 구성될 수 있으며, 상기 차폐층을 구성하는 선재가 복수 개인 경우, 상호 이격되어 배치되는 것이 바람직함은 전술한 바와 같다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 초전도 도체층 또는 차폐층에 적용될 수 있는 수 있는 초전도 선재와 종래의 초전도 선재의 비교도이다.
구체적으로, 도 6(a)는 추가적인 통전 레이어가 구비되지 않은 기존의 초전도 선재(SC')의 단면도를 도시하며, 도 6(b)는 상온 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 부가된 초전도 선재(SC)를 도시한다.
도 6에 도시된 통전 레이어가 구비되지 않은 초전도 선재(SC')는 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.
도 6(a)에 도시된 종래의 초전도 선재는 폭이 x(mm) 및 두께가 y(mm)이며, 도 6(b)에 도시된 본 발명에 따른 초전도 케이블에 적용되는 초전도 선재는 종래의 초전도 선재의 표면에 금속 재질로 구성되고 폭 x(mm) 및 두께 y(mm) 내지 2 y(mm)인 통전 레이어(me1, me2)가 부가된다.
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 전술한 포머층과 함께 사고 전류의 귀로 도체로도 사용될 수 있다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상기 초전도 도체층(130) 또는 차폐층(180)을 구성하는 일반적인 초전도 선재(SC')는 폭이 x (mm) 및 두께가 y (mm)인 경우, 전기적 단락 사고 발생시 미리 결정된 시간 동안 포머층을 구성하는 도체 선재 전체의 면적은 단면적이 A (mm 2) 이상이라고 가정하면, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 도 6(b)에 도시된 통전 레이어(me1, me2)가 구비된 초전도 선재(SC)를 적용하는 경우 각층의 포머층의 전체 단면적은 일반적인 초전도 선재를 사용하는 경우를 가정한 A (mm 2)보다 작은 크기를 갖도록 구성하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 초전도 케이블(1000)에 적용되는 초전도 선재(SC)는 기존의 초전도 선재(SC')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 레이어(me1, me2)는 후술하는 바와 같이 솔더링되어 기존의 초전도 선재에 부가될 수 있다.
상기 통전 레이어(me1, me2)가 기존의 초전도 선재(SC')의 양표면에 부가되고, 초전도 선재(SC)의 측면이 솔더링되거나 초전도 선재(SC) 전체의 표면이 금속 코팅되면, 단락 등의 사고 발생시 사고전류는 각각의 초전도 선재(SC)와 각각 병렬 연결된 포머층의 도체 선재 이외에도 각각의 초전도 선재에 부가된 통전 레이어 측으로도 분류되므로 통전 레이어(me1, me2)는 포머층과 함께 귀로 도체의 역할을 분담할 수 있다.
또한, 각각의 통전 레이어(me1, me2)는 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.
또한, 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 포머층의 총 면적을 줄이는 것에 유리함을 짐작할 수 있다.
구체적으로 황동 등의 도전성 재질의 통전 레이어(me1, me2)가 부가된 초전도 선재(SC)의 두께를 도 6(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 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa) 정도로 확인되어 초전도 선재를 초전도 케이블에 권선하는 경우 충분한 강성을 확보할 수 있음이 알 수 있고, 결국 포머층의 단면적은 0.6 A (mm 2) 내지 0.9 A (mm 2)로 구성되어 포머층의 면적을 감소시킬 수 있음을 실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 확인이 가능하였다.
95 퍼센트 전류 감쇄 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.
이 경우, 포머층의 단면적과 관련된 시뮬레이션은 포머층의 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 포머층의 단면적을 줄일 수 있다는 점에서 공통된다.
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, 통전 레이어가 구비된 초전도 케이블의 초전도 선재의 두께는 0.3밀리미터(mm) 내지 0.5밀리미터(mm)일 수 있고, 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 도체 선재의 포머층의 단면적은 10퍼센트(%) 내지 40퍼센트(%) 정도까지 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 초전도 선재의 종류에 따라 포머층의 감소된 면적의 크기가 초전도 선재의 통전 레이어들에 의하여 증가된 초전도 선재의 면적보다 크다는 것을 알 수 있고, 그 이유는 초전도 선재에 부가되는 통전 레이어를 기존의 초전도 선재의 양표면에 부착하여 표피효과가 발생될 수 있기 때문으로 추측된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블에 의하면, 3상 전류가 통전되는 동축(Coaxial) 초전도 도체층의 전류의 크기 또는 위상차의 불균형에 의하여 차폐층에 차폐전류가 증가하는 경우에도 차폐전류는 차폐층을 구성하는 적어도 하나의 초전도 선재를 통해 통전되므로 차폐층에서 발생될 수 있는 발열을 효과적으로 방지할 수 있고, 차폐층 전체를 초전도 선재를 배치하는 방법으로 구성하지 않고, 일반 도체 선재를 주로 사용하게 되어 초전도 케이블의 비용을 줄일 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 3상 동축 초전도 케이블의 초전도 도체층 또는 차폐층을 구성하는 초전도 선재에 금속 박막층 형태의 통전 레이어가 부가되어 초전도 선재의 물리적 강성이 보강될 수 있으며, 상기 금속 박막층 형태의 통전 레이어에 의하여 사고 전류의 분류 경로가 다변화되어 포머의 직경(단면적) 또는 무게를 줄일 수 있고, 초전도 선재 자체에 사고 전류의 통전이 가능한 통전 레이어가 부가되어, 포머층 등의 면적을 종래보다 줄여서 초전도 케이블의 전체 직경을 줄일 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
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 (15)

  1. 충실형 포머; 상기 포머 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 충실형 포머의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층; 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재와 적어도 하나의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 차폐층;을 포함하는 코어부;
    상기 코어부를 감싸며 상기 코어부의 냉각을 위한 액상 냉매가 유동하는 내부 금속관;
    상기 내부 금속관 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부;
    상기 단열부 외측에 적어도 하나의 스페이서가 구비되는 진공부; 및,
    상기 진공부 외측에 구비되며, 상기 스페이서에 의하여 상기 단열부와 접촉이 차단되는 외부 금속관;을 포함하는 3상 동축 초전도 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층에 도체 선재의 개수가 초전도 선재의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차폐층의 초전도 선재의 개수는 1개 내지 5개인 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 차폐층에 초전도 선재가 3개 이상인 경우, 적어도 2개의 초전도 선재는 상호 이격되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 차폐층에 초전도 선재는 4개가 90도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층의 도체 선재는 구리 또는 구리 합금 재질로 구성되고 초전도 선재는 2세대 초전도 선재로 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 및 상기 차폐층 사이에 각각 절연층이 구비되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 제2 초전도 도체층 및 상기 제3 초전도 도체층의 내측, 내부 및 외측 중 적어도 한 곳에 각각 포머층이 구비되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 포머층은 각각의 상기 제2 초전도 도체층 및 상기 제3 초전도 도체층 내측, 내부 및 외측 중 적어도 한 곳을 감싸도록 나란히 배치되는 복수 개의 일반 도체 선재로 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 도체층 및 차폐층을 구성하는 초전도 선재는 양측에 상온에서 통전성이 있는 금속 재질의 통전 레이어가 부가되며, 상기 통전 레이어는 상기 초전도 선재와 측면 솔더링 또는 표면 금속코팅에 의하여 전기적으로 연결되어, 상기 통전 레이어는 고장전류 발생시 고장전류의 귀로도체로 사용되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 통전 레이어가 부가된 초전도 선재의 인장강도는 95 퍼센트 전류 감쇄 기준 200 메가파스칼(Mpa) 내지 800 메가파스칼(Mpa)인 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 초전도 선재의 표면에 부가되는 상기 통전 레이어는 황동(Brass) 재질이며 두께는 0.1 밀리미터(mm) 내지 0.2 밀리미터(mm)인 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 외부 금속관 외측을 감싸는 외부자켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
  14. 액상 냉매가 유동하는 제1 내부 금속관; 상기 제1 금속관 둘레를 순차적으로 상호 절연되고 적층된 상태로 감싸며 상기 제1 내부 금속관의 길이방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 제1 내지 제3 초전도 도체층; 및, 상기 제1 내지 제3 초전도 도체층 외측에 배치되며 복수 개의 일반 도체 선재와 적어도 하나의 초전도 선재를 포함하여 구성되는 차폐층;을 포함하는 코어부;
    상기 코어부 외측에 구비되며 액상 냉매가 유동하는 제2 내부 금속관;
    상기 제2 내부 금속관 외측에 단열재가 복수 회 감겨 구성되는 단열부;
    상기 단열부 외측에 적어도 하나의 스페이서가 구비되는 진공부; 및,
    상기 진공부 외측에 구비되며, 상기 스페이서에 의하여 상기 단열부와 접촉이 차단되는 외부 금속관;을 포함하는 3상 동축 초전도 케이블.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 차폐층에 초전도 선재가 3개 이상인 경우, 적어도 2개의 초전도 선재는 상호 이격되는 것을 특징으로 하는 3상 동축 초전도 케이블.
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