KR100892561B1 - 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 초전도 한류기를 내장하여 초전도 단말장치가 한류기 역할도 겸하도록 한 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치에 관한 것이다. 본 발명의 초전도 케이블용 단말장치는, 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공 송전선 또는 차단기 등의 전력 기기와 연결하기 위한 단말장치로서, 초전도 케이블(20)의 말단부가 수납되면서 내부에 냉매(31)가 채워져 있는 냉매조(30); 상기 냉매조(30)의 외부를 둘러싸는 진공 단열 용기(40); 상기 진공 단열 용기(40)의 상온 측에 배치되는 절연체(50); 한쪽은 상기 초전도 케이블(20)의 말단부에 연결되고 반대쪽은 상기 냉매조(30)와 진공 단열 용기(40)를 관통하여 상기 절연체(50) 내부로 연장되어 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선에 연결되는 전류 리드(60); 및 상기 냉매조(30)의 내부에서 상기 전류 리드(60)의 중간 부분에 설치되어 사고전류를 제한하는 초전도 한류기(70)를 포함하여 이루어진다.
초전도, 케이블, 단말, 한류기, 사고, 전류, 보호, 냉매

Description

한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치{Terminal apparatus with built-in a Fault Current Limiter for superconducting cable system}
본 발명은 초전도 케이블용 단말장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 초전도 한류기를 내장하여 초전도 단말장치가 한류기 역할도 겸하도록 한 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치에 관한 것이다.
초전도 케이블용 단말장치는, 초전도 케이블과 상전도 케이블을 연결하는 장치 즉, 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공(架空) 송전선과 연결하거나 차단기와 같은 전력 기기와 연결하기 위한 접속장치이다.
이러한 초전도 케이블 단말장치는, 대한민국 등록특허 제10-0508710호 공보, 등록특허 제10-0590200호 공보, 등록특허 제10-0642538호 공보, 공개특허 제10-2007-0003879호 공보 등에 개시되어 있다.
첨부 도면 도 1에는 상기 공보 등에 개시된 종래의 일반적인 초전도 케이블 단말장치에 대한 개략도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블 단말장치(10)는, 초전도 케이블(20)의 말단부가 수납되면서 내부에 액체 질소 등의 냉매(31)가 채워져 있는 냉매조(30), 이 냉매조(30)의 외부를 둘러싸는 진공 단열 용기(40), 이 진공 단열 용기(40)의 상온 측에 배치되는 자기관(애자) 등으로 이루어지는 절연체(50), 상기 초전도 케이블(20)의 말단부에 도체 접속부(21)를 통해 연결되고 상기 냉매조(30)와 진공 단열 용기(40)를 관통하여 상기 절연체(50) 내부로 연장되어 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선에 연결되는 전류 리드(60)로 이루어진다.
이러한 초전도 케이블 단말장치(10)에 있어서, 구리나 알루미늄으로 이루어진 전류 리드(60)는 전기 저항이 전류와 무관하게 일정하기 때문에 구리나 알루미늄과 같은 일반적인 금속만을 전류 리드(60)로 사용하는 종래의 초전도 케이블 단말장치(10)에서는 사고 발생 시 과도한 사고전류를 그대로 초전도 케이블(20) 또는 외부 전력기기로 흘려 보내게 됨으로써 초전도 케이블(20)이나 외부 전력기기의 손상을 초래할 수 있다.
또한, 사고 발생시 사고전류에 의한 전류 리드(60)의 발열에 의해 극저온 냉매(액체 질소 등)의 온도가 상승하게 된다. 이 경우, 전류 리드(60)의 단면적을 증가시키면 발열을 어느 정도 억제할 수 있지만, 증가된 단면적 만큼 상온 측(도면상 절연체(50) 윗부분)으로부터 극저온 측(냉매 측)으로 더 많은 양의 열(상온)이 전달되기 때문에 냉매의 온도 상승을 가져올 수 있어 좋지 않다.
한편, 전력 수요의 증가 등으로 전력 계통이 복잡해짐에 따라 전력 계통의 사고에 의한 사고전류가 점점 증가 추세에 있고, 그에 따라 대용량의 차단기를 필요로 하게 된다. 이에 대응하여 한류기(Fault Current Limiter)를 적용하게 되면 사고전류의 크기를 줄여서 차단기의 용량을 낮출 수 있는 등, 전력 계통의 보호 역 할을 할 수 있다.
그런데 기존의 초전도 한류기는 초전도 케이블 단말장치와 별개로 설치되므로, 전력계통의 사고 발생에 의해 초전도 한류기가 퀀치되어 사고 전류를 제한할 때 과도한 열이 발생하고, 그에 따라 내부의 냉매의 온도를 지나치게 상승시켜 냉매가 기화될 수 있다. 예컨대, 한류기를 적용할 경우 배전계통에 사고가 발생하면, 사고발생 → 한류기의 사고전류 제한 → 차단기 동작(전력 차단) → 차단기 재투입(전력 재연결)의 시퀀스로 동작하게 된다. 따라서, 한류기는 동작 이후 차단기 재투입 이전에 정상 상태로 복구하여야 하는데, 이를 위해 사고전류를 제한하면서 발생된 열량을 흡수할 수 있는 대용량의 냉각장치(냉매 장치)가 반드시 필요하다는 단점이 있다. 또한, 액체 질소 등의 냉매가 부피 팽창하는 것에 기인하는 압력 사고에도 대비할 필요성이 있다. 또한, 기존의 한류기는 전력계통의 보호가 목적이기 때문에 초전도 케이블 설계시 보호기능의 추가가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 사정을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은, 초전도 케이블 단말장치 자체에 초전도 한류기를 내장하여 초전도 단말장치가 한류기 역할도 겸하도록 함으로써, 계통사고 발생시 초전도 케이블을 직접적으로 보호하고 초전도 케이블 말단에 연결되는 차단기의 용량을 낮출 수 있으며, 초전도 케이블 내부에서 지락 또는 단락 사고가 일어날 경우에도 사고 전류를 제한할 수 있음으로써 전력 계통의 안전을 극대화하고, 별도의 냉각 시스템의 추가 없이 초전도 케이블용 냉각 시스템 용량만으로도 한류기를 운용할 수 있도록 하는 케이블용 단말장치에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공 송전선 또는 차단기 등의 전력 기기와 연결하기 위한 단말장치로서, 초전도 케이블의 말단부가 수납되면서 내부에 냉매가 채워져 있는 냉매조; 이 냉매조의 외부를 둘러싸는 진공 단열 용기; 이 진공 단열 용기의 상온 측에 배치되는 절연체; 한쪽은 상기 초전도 케이블의 말단부에 연결되고 반대쪽은 상기 냉매조와 진공 단열 용기를 관통하여 상기 절연체 내부로 연장되어 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선에 연결되는 전류 리드; 및 상기 냉매조의 내부에서 상기 전류 리드의 중간 부분에 설치되어 사고전류를 제한하는 초전도 한류기를 포함하는 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치가 제공된다.
여기서, 상기 초전도 한류기는, 상기 전류 리드가 접속되는 양측 접속부와, 상기 양 접속부 사이를 연결하는 초전도 한류소자와, 상기 냉매조 안의 냉매에 침지되어 상기 접속부와 초전도 한류소자 전체를 둘러싸면서 그 내부에 냉매가 채워지는 전계 및 자계 완화용 실드 커버를 포함하는 구성으로 할 수 있다.
상기한 본 발명의 단말장치에 있어서, 상기 초전도 한류기의 냉매는 상기 냉매조 내부에 채워진 냉매와 동일하고 서로 소통하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 초전도 케이블 단말장치 자체에 초전도 한류기가 내장되어 초전도 단말장치가 한류기 역할을 겸하게 됨으로써, 계통사고 발생시 초전도 케이블로 유입되는 사고 전류를 제한하여 초전도 케이블을 직접적으로 보호할 수 있고, 그에 따라 초전도 케이블의 보호회로 설계가 용이해지고 초전도 케이블의 콤팩트 화도 가능하다.
또한, 초전도 단말장치가 한류기의 역할을 함으로써 초전도 케이블 말단에 연결되는 차단기의 용량을 낮출 수 있으며, 초전도 케이블 내부에서 지락 또는 단락 사고가 일어날 경우에도 내장 한류기에 의해 사고 전류를 제한할 수 있음으로써 전력 계통의 안전을 극대화할 수 있다.
또한, 한류기를 위한 별도의 냉각 시스템을 추가할 필요가 없이 초전도 케이블용 냉각 시스템 용량만으로도 설계가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 초전도 케이블용 단말장치가 도시되어 있다. 도 1과 동일한 부분에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하며, 그 반복되는 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 케이블 단말장치(10)는, 초전도 케이블 단말장치 내부에 초전도 한류기(70)(Fault Current Limiter, FCL)를 내장한 획기적인 형태로 이루어진다.
즉, 본 발명에 따른 초전도 케이블 단말장치(10)는, 초전도 케이블(20)의 말단부가 수납되면서 내부에 냉매(31)가 채워져 있는 냉매조(30)와, 상기 냉매조(30)의 외부를 둘러싸는 진공 단열 용기(40)와, 상기 진공 단열 용기(40)의 상온 측에 배치되는 절연체(50)와, 한쪽은 상기 초전도 케이블(20)의 말단부에 연결되고 반대쪽은 상기 냉매조(30)와 진공 용기(40)를 관통하여 상기 절연체(50) 내부로 연장되어 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선에 연결되는 전류 리드(60)와, 상기 냉매조(30)의 내부에서 상기 전류 리드(60)의 중간 부분에 설치되어 사고 전류를 제한하는 초전도 한류기(70)를 포함한다.
여기서, 상기 초전도 케이블(20)의 단부와 상기 전류 리드(60)는 도체 접속부(21)에 의해 접속될 수 있고, 대략 90도 각도로 굴곡되는 중간 부분을 기점으로 하여 상기 초전도 케이블(20) 쪽과 상기 절연체(50) 쪽이 서로 나뉜 형태로 이루어질 수 있으며, 이 경우 굴곡부 지점은 결합부(61)에 의해 접속할 수 있다.
또한, 상기 냉매조(30)의 냉매(31)는 액체 질소가 바람직하다.
도 3에는 본 발명의 단말장치에 내장된 초전도 한류기를 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초전도 한류기(70)는, 상기 전류 리드(60)와 접속하기 위한 양측의 접속부(71a)(71b)가 구비되고, 상기 양측의 접속부(71a)(71b) 사이를 연결하는 초전도 한류소자(72)가 구비된 형태이다. 또한, 이와 함께, 상기 접속부(71a)(71b)와 초전도 한류소자(72) 전체를 둘러싸면서 상기 냉매조(30)의 냉매(31)에 침지되고, 그 내부에 냉매(73)가 채워지는 전계 및 자계 완화용 실드 커버(74)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 초전도 한류기(70)의 냉매(73)는 상기 냉매조(30) 내부에 채워진 냉매(31)와 동일하고 서로 소통하도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 초전도 케이블(20)용 냉각 시스템을 그대로 초전도 한류기(70)의 냉각 시스템으로 활용할 수 있다. 상기 냉매조(30)와 전계 및 자계 완화용 실드 커버(74) 사이의 냉매의 소통은, 전계 및 자계 완화용 실드 커버(74)의 상부 및 하부에 연통로 구멍 또는 통로(도시하지 않음)를 형성하는 방법 등, 다양한 방법으로 달성할 수 있다.
예컨대, 전력 계통에 있어서 전력 케이블은 상시 수 kA를 전송하고 있으나, 지락 및 단락사고 시에는 단시간 동안 수십 kA의 전류가 흐르게 된다. 이때, 전선으로 사용되는 구리 등의 일반적인 전선은 전기 저항이 전류와 무관하게 일정하기 때문에 구리 등의 금속만을 전류 리드(60)로 사용하는 종래의 초전도 단말장치(10)에 있어서는, 사고 발생시 과도한 사고 전류를 그대로 초전도 케이블(20) 또는 외부 전력기기로 흘려 보내게 된다.
그러나 본 발명과 같이 초전도 케이블 단말장치(10)의 전류 리드(60)에 초전 도 한류기(70)를 적용한 경우, 초전도체의 전류-전압 특성상, 평상시에는 초전도 한류기(70)의 저항이 '0(零)'이 되어 전력 손실 없이 전송이 이루어지고, 사고 시에는 초전도 한류기(70)의 저항이 R 》0(영) 상태가 되어 사고 전류를 제한함으로써 초전도 케이블(20)을 보호한다. 이때를 초전도 소자(72)의 퀀치(quench) 상태라고 하며, 금속의 전기 저항보다 수십 배 이상으로 전기 저항이 커진다. 이어서 사고 복구 후에는, 초전도 한류기(70)의 한류 소자(72)는 다시 초전도 상태를 회복하여 평상시와 동일하게 전력을 전송한다.
종래와 같이 초전도 한류기를 별도로 설치한 경우에는, 차단기 동작 후 재투입 이전에 초전도 한류기가 정상 상태로 복구되어야 하므로, 한류기가 사고 전류를 제한하면서 발생한 열량을 흡수할 수 있는 대용량의 냉각 장치를 필요로 한다. 그러나 본 발명과 같이 초전도 케이블 단말장치(10)에 한류기(70)를 내장한 경우에는, 초전도 케이블 단말장치(10)의 냉각 시스템을 그대로 이용할 수 있으므로, 정상 상태에서는 냉각 시스템 용량을 증대할 필요가 없으며, 또한 사고시에는 한류 소자(72)에서 발생한 열량이 수백 미터 내지 수 킬로미터의 초전도 케이블(20) 선로 전체에 분산되어 과도한 온도 상승을 초래하지 않게 된다. 따라서, 종래와 같이 한류기와 초전도 케이블 단말장치를 별도로 설치하는 경우에는, 초전도 케이블 및 그의 냉각 시스템(냉각용량: 수 kW급)뿐만 아니라 한류기 및 그의 냉각 시스템(통상적인 냉각용량: ~1kW급)을 구비하여야 하나, 본 발명은 초전도 케이블 냉각 시스템의 용량만으로도 한류기의 운용이 가능하다.
또한, 기존의 한류기는 전력 계통의 보호가 목적이기 때문에 초전도 케이블 시스템 설계시 초전도 케이블의 보호를 위한 추가적인 설비를 갖추어야 하지만, 본 발명에서는 초전도 케이블 단말장치(10)에 내장된 초전도 한류기(70)가 이를 대신하기 때문에 계통사고 발생시 초전도 케이블(20)로 유입된 사고 전류를 초전도 한류기(70)에서 제한하여 초전도 케이블(20)을 직접적으로 보호할 수 있다. 따라서 초전도 케이블 시스템의 설계도 용이해지고 초전도 케이블 시스템의 콤팩트화가 가능해진다.
도 1은 종래의 초전도 케이블용 단말장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 케이블용 단말장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 단말장치에 내장된 초전도 한류기를 개략적으로 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 초전도 케이블 단말장치 20: 초전도 케이블
30: 냉매조 31, 73: 냉매
40: 진공 단열 용기 50: 절연체
60: 전류 리드 70: 초전도 한류기
71a, 71b: 접속부 72: 초전도 한류소자
74: 전계 및 자계 완화용 실드 커버

Claims (3)

  1. 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공 송전선 또는 차단기 등의 전력 기기와 연결하기 위한 단말장치로서,
    초전도 케이블(20)의 말단부가 수납되면서 내부에 냉매(31)가 채워져 있는 냉매조(30);
    상기 냉매조(30)의 외부를 둘러싸는 진공 단열 용기(40);
    상기 진공 단열 용기(40)의 상온 측에 배치되는 절연체(50);
    한쪽은 상기 초전도 케이블(20)의 말단부에 연결되고 반대쪽은 상기 냉매조(30)와 진공 단열 용기(40)를 관통하여 상기 절연체(50) 내부로 연장되어 가공 송전선이나 전력 기기 등의 모선에 연결되는 전류 리드(60); 및
    상기 냉매조(30)의 내부에서 상기 전류 리드(60)의 중간 부분에 설치되어 사고전류를 제한하는 초전도 한류기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 한류기(70)는, 상기 전류 리드(60)가 접속되는 양측 접속부(71a)(71b)와, 상기 양 접속부(71a)(71b) 사이를 연결하는 초전도 한류소자(72)와, 상기 냉매조(30) 안의 냉매(31)에 침지되어 상기 접속부(71a)(71b)와 초전도 한류소자(72) 전체를 둘러싸면서 그 내부에 냉매(73)가 채워지는 전계 및 자계 완 화용 실드 커버(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초전도 한류기(70)의 냉매(73)는 상기 냉매조(30) 내부에 채워진 냉매(31)와 동일하고, 상기 초전도 한류기(70)의 전계 및 자계 완화용 실드 커버(74)와 상기 냉매조(30)는 서로 연통되어 양자간의 냉매가 서로 소통가능한 것을 특징으로 하는 한류기 내장형 초전도 케이블용 단말장치.
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