KR20100084126A

KR20100084126A - 전류 제한 장치

Info

Publication number: KR20100084126A
Application number: KR1020100003260A
Authority: KR
Inventors: 라이너 소이카; 마크 슈템레
Original assignee: 넥쌍
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2010-07-23
Also published as: ES2380559T3; JP2010166042A; KR101620495B1; ATE548738T1; US20100179062A1; EP2209129A1; CN101783221A; EP2209129B1; CN101783221B; US8238992B2

Abstract

저온유지장치(KR) 내에 배열되는 초전도성 케이블(SK)을 갖는 전류 제한 장치가 개시되며, 상기 저온유지장치는, 서로 동심으로 배열되고 진공 절연체(3)가 그 사이에 통합되는 두 개의 금속성 튜브(1, 2)를 포함하는 외벽을 갖는다. 상기 저온유지장치는 냉각제가 흐르는 자유 공간(FR)을 둘러싸며, 상기 자유 공간 내에는 상기 초전도성 케이블(SK)이 배열된다. 또한, 상기 저온유지장치(KR)는 원통형 공동(HR)을 둘러싸며 두 개의 금속성 튜브(4, 5)를 마찬가지로 포함하는 내벽(IW)을 포함하며, 상기 두 개의 금속성 튜브는 서로 동심으로 배열되고 그 사이에 진공 절연체(6)가 통합되며, 상기 내벽은 상기 외벽(AW) 내에 배치되고 상기 자유 공간(FR) 만큼 상기 외벽으로부터 이격된다. 초전도성 전도체, 상기 전도체를 둘러싸는 유전체 및 상기 유전체 상에 배치되는 초전도성 스크린을 구비하는 상기 초전도성 케이블(SK)은, 상기 내벽(IW) 둘레에 나선 형상으로 감겨진다. 상기 원통형 공동(HR) 내에는 철심(7)이 배치된다.

Description

전류 제한 장치{Arrangement for current limiting}

본 발명은 저온유지장치(cryostat) 내에 배열되는 초전도성 케이블(superconducting cable)을 갖는 전류 제한 장치에 관한 것으로, 상기 저온유지장치는, 서로 동심으로 배열되고 진공 절연체가 그 사이에 통합되는 두 개의 금속성 튜브를 포함하는 외벽을 가지며, 상기 외벽은 냉각제가 흐르는 자유 공간을 둘러싸며, 상기 자유 공간 내에 상기 초전도성 케이블이 배치된다(EP 1 681 731 A1).

현대 기술에서, 초전도성 케이블은 충분히 낮은 온도에서 초전도성 상태로 변하는 세라믹 물질을 포함하는 합성 물질로 이루어진 전기적 전도체들을 갖는다. 특정 전류 레벨(임계 전류 레벨)을 초과하지 않는다면, 냉각이 충분할 경우 대응적으로 설계된 전도체의 전기적 직류-전류 저항은 0(zero)이다. 적합한 세라믹 물질은, 예를 들어, YBCO(yttrium barium copper oxide) 또는 BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide)이다. 이와 같은 물질을 초전도성 상태로 변화시킬 수 있는 충분히 낮은 온도는, 예를 들어, 67K 내지 110K이다. 적합한 냉각제는, 예를 들어, 질소, 헬륨, 네온 및 수소, 또는 이들 성분들의 혼합물들이다.

서두에 기술된 바와 같은 전류 제한 장치는, 어떤 적당한 케이블 런(cable run) 아니면 스위치기어 조립체(switchgear assembly)와 같은 전달 경로(transmission path)에 퓨즈(fuse) 유형으로 통합될 수 있으며, 상기 전달 경로를 통해 더 큰 또는 더 작은 크기의 전류가 전달될 수 있다. 그 목적은, 전달 경로 상에 쇼트(short) 발생시 그곳에 상당한 손상이 초래되는 것을 방지하기 위함이다. 쇼트 발생시 일어나는 상기 장치의 전기적 임피던스(electrical impedance)의 현저한 증가로 인해, 상기 전달 경로를 공급 전류 소스(source)로부터 접속해제시키는 기구(mechanism)가 작동된다. 쇼트의 원인이 해결되면, 상기 전달 경로는 상기 전류-제한 장치를 교체할 필요 없이 다시 스위칭될 수 있다.

앞서 언급한 EP 1 681 731 A1은 전류 제한을 위한 초전도성 부품을 개시한다. 이는 초전도성 물질로 이루어진 원통형 지지체를 포함하며, 그 둘레에는 초전도성 전도체가 감겨진다. 그에 평행하게 통상적인 전도체가 연결된다. 복수의 그러한 부품들이 전류 제한기(current limiter)를 제조하기 위해 전기적으로 직렬로 연결된다.

본 발명은 전술한 장치를 보다 간단하게 제조하기 위한 목적에 기초한다.

이러한 목적은 하기 특징을 갖는 본 발명에 따라 달성된다:

- 상기 저온유지장치는, 원통형 공동을 둘러싸며 두 개의 금속성 튜브를 마찬가지로 포함하는 내벽을 구비하고, 상기 두 개의 금속성 튜브는 서로 동심으로 배열되며 그 사이에 진공 절연체가 통합되며, 상기 내벽은 상기 외벽 내에 배치되고 상기 자유 공간만큼 상기 외벽으로부터 이격되는 특징,

- 초전도성 전도체, 상기 전도체를 둘러싸는 유전체 및 상기 유전체 상에 배치되는 초전도성 스크린을 구비하는 상기 초전도성 케이블이 상기 내벽 둘레에 나선 형상으로 감겨지는 특징 및

- 상기 원통형 공동(HR) 내에 철심이 배치되는 특징.

초전도성 전류 제한기에 해당하는 이러한 장치는, 예를 들면, 냉간 유전체(cold dielectric)를 구비한 초전도 케이블을 저온유지장치의 내벽 둘레에 감는 것에 의해 만들어지며, 상기 내벽은 상기 원통형 공동 내에 배치되는 철심을 둘러싼다. 상기 철심은 케이블 저온유지장치 외측의 공동 내에 배치된다. 따라서 철심은 상기 자유 공간에 배치되는 냉각제에 의해 영향받지 않으며, 상기 장치의 작동 중에 실온으로 유지된다. 상기 장치가 장착되는 전달 경로 상에서의 쇼트의 결과로서 생성되는 쇼트-회로 전력(short-circuit power)의 상당량이 상기 철심에 흡수되며, 이는 적절히 설계되어야 할 사항이다. 상기 장치 내의 초전도성 케이블은, 스크린의 임계 전류 레벨이 상기 전도체의 임계 전류 레벨보다 작도록 설계된다. 상기 스크린은, 그의 임계 전류 레벨이 쇼트-회로 전류 제한이 일어나는 전류 레벨보다 낮은 전류 레벨에 대응하도록 적절하게 특정된다. 상기 케이블 전도체는, 연속적인 작동 중의 쇼트 발생으로 인한 온도 증가 및 교류-전류 손실이 충분히 작아서 저손실의 연속적 작동 및 짧은 냉각 시간을 보장할 수 있도록 바람직하게 설계된다.

상기 장치에 사용되는 것과 같은, 냉간 유전체를 구비한 초전도성 케이블의 경우, 상기 스크린에 흐르는 전류는 상기 전도체로부터 유도된다. 그것은 일반적으로 상기 전도체의 전류와 같은 크기를 가지며 위상차는 180°이다. 이러한 경우, 상기 초전도성 스크린이 그의 임계 전류 레벨 이하에서 원활히 작동된다면, 어떠한 저항 전압 강하(resistive voltage drop)도 상기 스크린 상에서 감지될 수 없다. 본 장치의 경우, 상기 스크린에서 임계 전류 레벨에 도달되고 상기 스크린에서 추가적인 약간의 전류 레벨이 증가하면, 비로소 전류 제한이 일어난다. 상기 전도체에 의해 생성되는 자기장은 거의 스크린되지 않는다. 따라서 자기장은 상기 스크린 밖으로 또한 전파되며, 상기 초전도성 케이블이 둘레에 배치되고 상기 저온유지장치의 내벽이 중간에 개재된 상기 철심으로 특히 전파된다. 이는 상기 전도체의 인덕턴스(inductance)의 상당한 증가 즉, 전도체의 전기적 임피던스의 증가로 직결된다. 따라서 상기 전도체를 통해 흐르는 쇼트-회로 전류(short-circuit current)는 현저하게 그리고 빠르게 제한된다. 큰 쇼트-회로 전류의 결과로서 초전도성 케이블들에서 발생하는 열은 따라서 상당히 감소된다. 이는 상기 장치가 쇼트-회로 전류에 의해 손상되지 않음을 보장한다. 상기 전달 경로 상의 쇼트의 발생이 시정된 이후, 전달 경로는 어떠한 추가적 조치 없이도 다시 작동될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 길이방향 단면을 도시한다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면을 도시한다.
도 3은 상기 장치에서 사용될 수 있는 초전도성 케이블의 단면을 도시한다.

본 발명에 따른 특징의 예시적인 일 실시예는 도면들에 도시된다.

도 1은 외벽(AW) 및 내벽(IW)을 갖는 저온유지장치(KR: cryostat)의 단면도이다. 상기 외벽(AW)은 서로 동심으로(concentrically) 배열되며 그 사이에 진공 절연체(3)가 통합된 두 개의 금속성 튜브(1, 2)를 포함한다. 상기 외벽(AW)으로부터 일정 거리에 배치되는 상기 내벽(IW)은 마찬가지로 그 사이에 진공 절연체(6)가 통합된 두 개의 금속성 튜브(4, 5)를 포함한다. 상기 튜브들(1,2 ; 4,5)은 바람직하게는 스테인레스 스틸로 이루어지고 상대적으로 두꺼운 벽들을 갖는 이점을 갖는데, 이는 그 구조의 강인성(robustness)에 적합하다. 또한 상기 튜브들은 그들의 길이 방향을 가로질러 주름지게 형성될 수도 있다. 단순화를 위해, 도 1 및 2에서 상기 튜브들(1,2 ; 4,5)은 단지 단일 라인으로 도시되어 있다.

저온유지장치의 외벽(AW)과 내벽(IW) 사이에는 냉각제가 지나가는 자유 공간(FR)이 배치되며, 이러한 자유 공간은 바람직하게는 상기 벽들에 대해 동축이다. 초전도성 케이블(SK)은 상기 자유 공간(FR) 내에 배열되며 상기 내벽(IW) 둘레에 감겨진다. 도 3은 상기 케이블(SK)의 레이아웃(layout)을 도시한다. 상기 내벽(IW)은 원통형 공동(HR)을 둘러싸며, 상기 공동에는 상기 장치의 길이 전체에 걸쳐 연장되고 도 2에 도시된 바와 같이 정사각형 단면을 갖는 철심(7: iron core)이 배치된다. 하지만, 상기 철심(7)은 또한 다른 단면 형상, 예를 들면 원 형상을 가질 수 있다. 철심은 바람직하게 10 이상의 상대 투과성(μ_r: relative permeability)을 갖는다.

본 발명에 따른 상기 장치는, 작동을 위해, 전류의 전달 경로(transmission path)에 도입된다. 이를 위해, 상기 전달 경로의 대응하는 케이블들 또는 접촉부들이 상기 케이블(SK)의 단부들(11, 12)에 연결되며, 이들 단부들은 가압-밀착 방식(pressure-tight manner)으로 저온유지장치 밖으로 도출된다. 상기 장치의 전체적인 크기들은 상기 전달 경로가 작동되어지는 전압 레벨에 종속하며, 상업적으로 유용 가능한 변압기들의 크기들에 대응될 수 있다.

상기 초전도성 케이블(SK)은 냉간 유전체(cold dielectric)를 구비한 케이블이다. 케이블은 초전도성 전도체(8), 상기 전도체를 둘러싸는 유전체(9) 및 상기 유전체 상에 구비되는 초전도성 스크린(10)을 포함한다. 상기 전도체(8)를 위한 초전도성 물질로서 바람직하게는 BSCCO가 사용된다. 하지만, 상기 전도체(8)가 보통의 전도성 물질에 의해 강인하게 제조되어야 한다면 YBCO를 사용하는 것도 가능할 것이다. 상기 전도체(8)는 그의 임계 전류 레벨(critical current level)이 상기 스크린(10)에서의 임계 전류 레벨보다 더 크도록 설계된다. 상기 스크린(10)은 유리하게는 YBCO로 이루어지며, 바람직하게는 강인성을 위한 어떠한 통상의 전도체도 갖지 않는다. 상기 각각의 임계 전류 레벨들의 레벨은 상기 장치에 장착된 상기 전달 경로가 작동되는 전압 레벨에 종속한다.

도 1에 도시된 바와 같은 장치를 제조하기 위해, 상기 초전도성 케이블(SK)은 상기 저온유지장치(KR)의 내벽(IW) 둘레에 감겨진다. 초전도성 케이블의 양단부(11, 12)는 바람직하게는 접촉부-형성(contact-making) 목적상 하나의 직선으로 굽혀지며, 그리하여 그것들은 완성된 장치에서 저온유지장치(KR) 밖으로 돌출될 수 있다. 이후, 또는 그 이전에, 상기 철심(7)이 상기 원통형 공동(HR) 안으로 삽입된다. 이렇게 끼워 맞춰진 내벽(IW)은 이후 외벽(AW) 안으로 도입되며, 이때 내벽은 가능한 동축을 형성하도록 외벽 내에 끼워 맞춰진다. 이러한 목적을 위해, 예로서 단부 플레이트들(13, 14)이 사용될 수 있으며, 그로 인해 상기 저온유지장치(KR) 및 그의 자유 공간(FR)은 밀폐식으로 봉인된다. 가압-밀착 방식으로 상기 케이블(SK)의 단부들(11, 12)이 상기 단부 플레이트들(13, 14)을 통과한다. 상기 단부 플레이트들(13, 14)에는 또한 냉각제의 유출입을 위한 연결 부재가 장착된다.

사용을 위해, 상기 방식으로 마무리된 상기 장치는 전류의 전달 경로에 연결된다. 그러면 상기 초전도성 케이블(SK)은 이러한 전달 경로의 일부분이 된다. 이 부분에서 발생하는 쇼트(short)는 증가된 전류 레벨의 전류를 야기한다. 만약 그 전류가 상기 케이블(SK)의 상기 스크린(10)의 임계 전류 레벨을 초과하면, 스크린의 전기적 저항이 갑자기 크게 상승하고, 이는 상기 장치의 전기적 임피던스(impedance)의 갑작스런 증가를 초래한다. 이는 대응하는 모니터링 회로(monitoring circuit)에 등록되어 상기 전달 경로의 즉각적인 접속해제(disconnection)를 유발한다. 그리하여 쇼트의 원인은 시정될 수 있다.

상기 스크린(10)의 임계 전류 레벨을 초과하는 증가된 전류레벨로 인해, 상기 스크린(10)은 그의 스크린 기능(screening function)을 상실하며, 그 결과 상기 전도체(8)로부터 발생된 자기장은 상기 철심(7)으로 유입된다. 전술한 바와 같이, 상기 전도체(8)의 저항 그리고 그에 따른 상기 케이블(SK)의 저항이 결과적으로 갑자기 크게 증가하고, 이에 따라 상기 전달 경로의 연결이 해제된다. 이러한 경우 상기 케이블(SK) 및 그에 따른 상기 장치 전체가 손상되지 않는다. 짧은 시간 발생하는 상기 냉각제의 가열은 미미하다. 이러한 상황은 다시 신속하게 취소되며, 그 결과 상기 장치는 상기 전달 경로가 수리되어 재연결되면 또 다시 완전하게 작동될 수 있다.

Claims

저온유지장치 내에 배열되는 초전도성 케이블을 갖는 전류 제한 장치로서, 상기 저온유지장치는, 서로 동심으로 배열되고 진공 절연체가 그 사이에 통합되는 두 개의 금속성 튜브를 포함하는 외벽을 가지며, 상기 외벽은 냉각제가 흐르는 자유 공간을 둘러싸며, 상기 자유 공간 내에 상기 초전도성 케이블이 배치되는 전류 제한 장치에 있어서,
상기 저온유지장치(KR)는, 원통형 공동(HR)을 둘러싸며 두 개의 금속성 튜브(4, 5)를 마찬가지로 포함하는 내벽(IW)을 구비하고, 상기 두 개의 금속성 튜브는 서로 동심으로 배열되며 그 사이에 진공 절연체(6)가 통합되며, 상기 내벽은 상기 외벽(AW) 내에 배치되고 상기 자유 공간(FR) 만큼 상기 외벽으로부터 이격되며,
초전도성 전도체(8), 상기 전도체를 둘러싸는 유전체 및 상기 유전체 상에 배치되는 초전도성 스크린(10)을 구비하는 상기 초전도성 케이블(SK)은, 상기 내벽(IW) 둘레에 나선 형상으로 감겨지며,
상기 원통형 공동(HR) 내에 철심(7)이 배치되는 것을 특징으로 하는 전류 제한 장치.
제1항에 있어서,
상기 초전도성 케이블(SK)의 상기 전도체(8)의 임계 전류 레벨은 상기 초전도성 케이블의 상기 스크린(10)의 임계 전류 레벨보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전류 제한 장치.