WO2016060343A1 - 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법 - Google Patents

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Definitions

  • AC superconducting cable As a power cable capable of large capacity, high efficiency, and eco-friendly power transmission, AC superconducting cable has a small proportion of charging current among allowable currents, so the transmission distance restriction by charging current is smaller than that of existing cables. Therefore, it is advantageous for long distance transmission. Especially, since DC resistance is close to zero, there is almost no voltage drop due to long distance transmission.
  • the outer side of the heat insulating layer may be provided with a vacuum unit having a spaced apart space provided with a spacer for vacuum insulation, the outer metal tube may be provided outside the vacuum unit.
  • suspension height of the long suspension length of the N suspension periods may be greater than the suspension height of the short suspension period.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the concept of a method of laying a superconducting cable in constructing a superconducting power system according to the present invention.
  • a vacuum unit 500 having a plurality of spacers 560 at a spaced apart position outside the heat insulating part 400, an external metal tube 600 provided outside the vacuum unit 500, and the external metal tube It may include a sheath portion 700 provided on the outside to form a sheath layer.
  • the superconducting cable of the present invention may use an insulating paper made of a general paper as the insulating layer 160, and the insulating layer 160 may be The insulating paper may be configured by winding a plurality of times.
  • 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 a superconducting wire which is circulated in the cooler flow path in a cooled state to have a temperature of about ⁇ 200 degrees and is provided in a core part inside a cooling unit. Cryogenic temperature of superconducting can be maintained.
  • the inner metal tube 300 may be provided. Therefore, the inner metal tube 300 has a corrugated structure in which 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 aluminum or SUS. It can be configured as.
  • This contraction phenomenon is generated along the longitudinal direction of the superconducting cable, thereby applying axial force to the termination device or the intermediate connection device constituting the superconducting power system according to the present invention.
  • a sheath portion 700 may be provided outside the outer metal tube 600 to perform an exterior function for protecting the inside of the superconducting cable.
  • the sheath part may be a sheath material constituting the sheath part 700 of a conventional power cable.
  • the sheath material constituting the sheath portion 700 may be polyethylene (PE) polyvinyl chloride (PVC) or the like.
  • the present invention provides a superconducting cable including a former 110, an inner metal tube 300 provided outside the cooling passage, and an outer metal tube 600 provided inside the vacuum unit, and a first connection to which one end of the superconducting cable is connected.
  • in order to form a long length of the horizontal section in the long region of the superconducting cable may be a method of closely disposing a plurality of support members (900).
  • test installation step (S100) and the axial force measurement step (S200) changes the suspension length and the suspension height of the superconducting cable to be installed in the test, it can be repeated a plurality of times.
  • the step of determining the installation condition (S300) is the maximum allowable axial force of the sum of the axial force of the former, the inner metal tube and the outer metal tube of the superconducting cable measured in the axial force measurement step (S200) and the length of the superconducting cable to be laid.
  • the relationship between the suspension length P and the suspension height A may be determined to satisfy a range of 16 ⁇ suspension length P / suspension height A ⁇ 27.5.

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Abstract

본 발명은 초전도 케이블의 냉각 운전시 케이블 수축에 의한 축력을 효과적으로 흡수할 수 있고, 불필요한 포설 공간의 낭비를 최소화할 수 있는 형태로 초전도 케이블이 포설된 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 관한 것이다.

Description

초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법
본 발명은 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초전도 케이블의 냉각 운전시 케이블 수축에 의한 축력을 효과적으로 흡수할 수 있고, 불필요한 포설 공간의 낭비를 최소화할 수 있는 형태로 초전도 케이블이 포설된 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 관한 것이다.
초전도 선재는 일정한 온도에서 전기저항이 제로에 가까이 수렴하므로, 낮은 전압에서도 전류의 큰 전송능력을 갖는다.
대용량, 고효율, 친환경 전력전송이 가능한 전력 케이블로서 교류 초전도 케이블의 경우 허용전류 중 충전전류가 차지하는 비중이 작으므로 충전전류에 의한 송전거리 제약이 기존케이블에 비해 작다. 따라서 장거리 송전에 유리하며 특히 직류 초전도 케이블의 경우 저항이 0에 가깝기 때문에 장거리 송전에 의한 전압강하가 거의 없다는 장점이 있다.
이러한 초전도 선재를 구비하는 초전도 케이블은 극저온 환경을 형성 및 유지하고자 질소 등의 냉매를 사용하여 냉각시키는 방법 및/또는 진공층을 형성하는 단열의 방법을 사용한다. 초전도 케이블은 냉매를 사용하여 극저온을 유지하므로 포설 구간에 일정 길이마다 중간 접속함을 구비하고, 상온 환경의 전력 시스템과 연결을 위하여 종단 접속함을 구비할 수 있다.
이러한, 초전도 전력 시스템을 구성하는 초전도 케이블은 일반적으로 내부 금속관과 외부 금속관을 포함하여 구성된다.
초전도 케이블을 구성하는 내부 금속관은 그 내측에 액상 냉매가 순환하는 냉각부가 구비되고, 그 외부에 복사 등의 열전달을 방지하기 위한 MLI(multi-layer insulation) 형태의 단열층이 구비될 수 있다.
상기 단열층 외측에는 진공 단열을 위하여 스페이서가 구비된 이격 공간을 구비하는 진공부가 구비되고 상기 진공부 외측에 외부 금속관이 구비될 수 있다.
상기 내부 금속관과 외부 금속관은 금속 재질로 구성될 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄 재질 등으로 구성될 수 있다.
일반 초고압 케이블은 전류 전송 시 도체의 발열에 의해 선재가 열팽창을 하게 된다. 이로 인해 관로 안에서 비틀림 및 고정부위에서 힘 집중이 발생할 수 있다. 따라서 포설설계 기술을 활용하여 각각의 환경에 맞는 조건에서 포설방법들이 개발되었다. 이미 초고압 케이블의 경우 개발기간이 오래 전이므로 포설 설계기술 또한 축적되어 있다.
그러나 초전도 케이블에 경우 극저온 냉매인 액상 질소의 사용에 의해 종래의 초고압 케이블과 다르게 수축현상이 발생한다. 특히, 상기 내부 금속관은 액상 냉매를 수용하므로, 상기 냉각부를 순환하는 극저온의 액상 냉매에 의하여 심한 수축 작용이 발생될 수 있다.
반면 상기 외부 금속관은 단열부 및 진공부에 의하여 복사, 대류 및 전도 등의 열전달이 차단되어 액상 냉매에 의한 냉각 수축량이 크지 않다.
따라서, 초전도 케이블의 강성 유지 등을 위하여 구비되는 내부 금속관과 외부 금속관은 액상 냉매가 충진 및 순환하는 경우에 차별적인 수축이 발생된다.
내부 금속관과 외부 금속관은 각각 코러게이션 구조를 가지므로, 내부 금속관이 수축하면 초전도 케이블 전체가 수축하게 되고, 수축된 초전도 케이블은 각각의 중간 접속함 또는 종단 접속함에 수축력이 인가될 수 있다.
초전도 케이블의 수축에 의하여 접속함에 각각 수축력이 인가되면, 접속함과의 접속에 문제 또는 사고가 발생될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 종래에는 각각의 중간 접속함 또는 종단 접속함을 고정형이 아니라 미리 결정된 범위에서 수축력과 평행한 방향으로 슬라이딩 될 수 있는 구조를 갖도록 하거나, 초전도 케이블 포설 구간 내에 일정한 수평 우회 공간 또 수평방향 오프셋(offset) 공간을 형성하여 해당 공간을 사용하여 초전도 케이블을 수병 방향으로 크게 우회 구간을 설정하여, 초전도 케이블의 수축에 대비한다.
그러나, 접속함을 슬라이딩 가능하게 설치하는 방법은 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있으며, 오프셋 공간을 형성하는 방법은 초전도 케이블의 포설 구간에 불필요하게 초전도 케이블의 포설 면적을 증대시키고 내부 마찰력에 의하여 축력 감소가 충분하지 않다는 문제점이 있다.
특히, 초전도 케이블을 지중에 포설하는 경우, 오프셋 공간을 충분히 확보하는 것이 쉽지 않고, 포설 공간에 함께 설치되어야 하는 다른 종류의 케이블 등과 간섭이 발생될 수 있다.
본 발명은 초전도 케이블의 냉각 운전시 케이블 수축에 의한 축력을 효과적으로 흡수할 수 있는 형태로 초전도 케이블이 포설된 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중심부에 포머, 냉각유로 외측에 구비되는 내부 금속관 및 진공부가 내측에 구비되는 외부 금속관을 포함하는 초전도 케이블, 상기 초전도 케이블의 일단이 접속되는 제1 접속장치 및, 상기 초전도 케이블의 타단이 접속되는 제2 접속장치;를 포함하며, 상기 제1 접속장치 및 제2 접속장치를 연결하는 초전도 케이블이 하방으로 현수된 적어도 하나의 현수구간이 구비된 초전도 전력 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 하나의 현수구간은 사인(SIN) 함수 또는 코사인(COS) 함수 중 인접한 최고점을 연결하는 1 주기 구간의 형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P)와 상기 현수구간에서 상기 초전도 케이블의 최대 처짐량인 현수높이(A)는 16.0 < 현수길이(P) / 현수높이(A) < 27.5 범위를 만족할 수 있다.
그리고, 상기 현수높이(A) 및 초전도 케이블의 직경(D)은 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 만족할 수 있다.
이 경우, 상기 현수길이(P) 및 초전도 케이블의 직경(D)은 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위를 만족할 수 있다.
또한, 상기 현수구간을 형성하기 위하여 상기 초전도 케이블을 지지하도록 이격된 위치에 구비되는 적어도 2개의 지지부재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 현수구간은 N개(N은 2이상의 자연수) 인접하여 연속으로 배치되도록 상기 지지부재는 N+1개 구비될 수 있다.
그리고, N개의 상기 현수구간 중 현수길이가 긴 현수구간의 현수높이가 현수길이가 짧은 현수구간의 현수높이보다 클 수 있다.
이 경우, 상기 제1 접속장치 및 상기 제2 접속장치 중 어느 하나의 접속장치는 고정형으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 초전도 케이블은 상기 제1 접속장치 및 제2 접속장치에서 근접한 지지부재까지 수평구간을 형성하도록 수평한 직선 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중심부에 구리 재질의 포머 및 초전도 도체층을 포함하는 코어부, 상기 코어부를 냉각시키기 위한 냉각부가 내측에 구비되는 내부 금속관, 상기 내부 금속관 외측에 구비되는 단열부 및 진공부를 수용하는 외부 금속관;을 포함하는 초전도 케이블을 위치가 고정된 2개의 접속장치에 접속하여 포설하는 포설방법에 있어서, 초전도 케이블이 하방으로 현수되는 복수 개의 현수구간이 인접하며, 동일한 현수길이와 현수높이를 갖는 주기함수 형태로 포설하는 시험 포설단계, 상기 시험 포설단계에서 포설된 초전도 케이블의 냉각 작동시 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관 각각의 케이블 길이방향 팽창 또는 수축에 따른 축력을 측정하는 축력 측정단계, 상기 축력 측정단계에서 측정된 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관의 축력의 합계를 고려하여, 초전도 케이블의 포설시 복수 개의 현수구간의 수평방향 거리인 현수길이 및 현수높이를 결정하는 포설조건 결정단계 및, 상기 포설조건 결정단계에서 결정된 포설조건에 따라 초전도 케이블을 포설하는 초전도 케이블 포설단계;를 포함하는 초전도 케이블 포설방법을 제공한다.
여기서, 상기 포설조건 결정단계는 상기 축력 측정단계에서 측정된 상기 초전도 케이블의 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관의 축력의 합계 및 포설되는 초전도 케이블의 길이를 최대 허용 축력 및 비용 조건과 비교하여, 상기 현수길이 및 상기 현수높이가 16 < 현수길이(P) / 현수높이(A) < 27.5 범위를 만족하도록 수행될 수 있다.
그리고, 상기 포설조건 결정단계는 상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P) 및 상기 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위를 만족하도록 수행될 수 있다.
이 경우, 상기 포설조건 결정단계는 상기 현수높이(A) 및 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 만족하도록 수행될 수 있다.
그리고, 상기 포설조건 결정단계는 허용 가능한 복수 개의 포설조건을 결정할 수 있다.
이 경우, 상기 시험 포설단계 및 상기 축력 측정단계는 시험 포설되는 초전도 케이블의 현수길이 및 현수높이를 변화시키며, 복수 회 반복 수행될 수 있다.
그리고, 상기 시험 포설단계 및 상기 축력 측정단계는 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 의하면, 초전도 케이블의 냉각 운전시 케이블 수축에 의한 축력을 효과적으로 흡수할 수 있으므로, 종단 접속장치 등에 인가되는 축력을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 의하면, 종단 접속함 등에 인가되는 축력을 효과적으로 흡수하여, 종단 접속장치 등을 이동형이 아닌 고정형으로 구성할 수 있으므로, 전체 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템 및 초전도 케이블 포설방법에 의하면, 불필요한 포설 공간(오프셋 등)의 낭비를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템을 구성함에 있어서, 초전도 케이블의 포설방법의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템의 두 가지 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 포설방법의 블록선도를 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 발명의 초전도 케이블의 단계별 탈피된 사시도를 도시하며, 도 2는 1에 도시된 초전도 케이블의 단면도를 도시한다.
본 발명의 초전도 케이블의 기본 구조를 설명한다.
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 절연층(140), 상기 절연층(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 시스부(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) 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 원통형상으로 이루어져 초전도 선재를 올리기 위한 틀의 역할과 동시에 내부에 냉매가 이동하기 위한 경로 역할을 하도록 구성될 수 있으며, 포머를 구성하는 각각의 소선(111)들은 구리 등으로 구성될 수 있으며, 각각의 소선을 초전도 선재와 병렬연결을 함으로써, 전력계통에서 고장전류 발생시 귀로도체 역할을 하도록 구성할 수도 있다.
고장전류의 용량에 따라 소선을 구성하는 구리 등의 도체 단면적이 정해질 수 있으며, 고압일 경우 구리 소선을 원형으로 압축하여, 연선한 형태로 이루어질 수 있다.
상기 포머(110)를 구성하는 여러 가닥의 단면 원형의 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) 외측에 초전도 선재로 구성되는 적어도 1층 이상의 초전도 도체층이 구비될 수 있다. 본 발명의 초전도 도체층을 구성하는 초전도 선재는 2세대 초전도 선재가 적용될 수 있다.
특정온도 이하에서 전기저항이 '0'이 되는 현상을 초전도 현상이라고 하며, 절대영도(-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, BSCCO를 주재료로 하는 1세대 선재와, YBCO 또는 ReBCO를 주재료로 Coated Conductor(CC)형의 2세대 선재가 소개되었다.
최근 2세대 초전도 선재의 사용이유 1세대 초전도 선재의 경우 Ag를 모재로 사용하여 초전도 선재의 가격을 낮추기 어렵고 2세대 초전도 선재가 교류 손실특성이 더 우수하며, 1세대 초전도 선재는 필라멘트 구조를 갖는 반면 2세대 초전도 선재의 경우 레이어(Layer) 구조 특성이 히스테리로스 손실의 측면에서 더 효율적이라는 장점이 있다.
2세대 초전도 선재는 금속 기판부, 완충부, 초전도부, 보호부 등을 포함하여 구성될 수 있다. 금속 기판부는 선재의 베이스 부재로 사용되며, 초전도 선재의 기계적 강도 유지하는 역할을 하며, 하스텔로이(Hastelloy), 니켈-텅스텐(Ni-W) 등의 물질을 사용될 수 있다. 상기 완충부는 금속기판에 초전도층을 증착하기 위한 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있다. 상기 초전도부는 통전시 전류의 통전 경로로 사용되며, 보호부의 재질은 은(Ag) 또는 구리(Cu) 합금 레이어로 구성될 수 있다. 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 있다.
이러한 2세대 초전도 선재를 적용하여, 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 절연층(140)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(140)은 절연 테이프 형태로 구성될 수 있으며, 적층되는 초전도 도체층(130a, 130b) 사이에 배치되어 초전도 도체층(130a, 130b)을 상호 절연시켜 적층된 초전도 선재의 표피효과를 방지할 수 있다. 상기 절연층(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 초전도 선재는 포머(110)를 구성하는 각각의 소선들과 병렬 연결될 수 있다. 초전도 선재로 흐르던 전류가 초전도 조건의 파괴 등의 사고시에 포머(110)의 소선으로 흐르도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 초전도 조건이 만족되지 않는 경우, 초전도 선재의 저항이 커지고 그에 따른 초전도 선재의 발열 또는 손상 등을 방지하기 위함이다.
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, 상기 내부 반도전층(150)은 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 발명의 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 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 코어부에 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 케입블의 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 굴곡 구조(corrugated)를 가지며, 상기 내부 금속관(300)은 알루미늄 또는 SUS 등의 재질로 구성될 수 있다.
상기 내부 금속관(300)는 내부에 액상 냉매가 흐르는 냉각유로가 구비되므로, 초전도 케이블(1000)의 냉각이 시작되면, 금속 재질로 구성되는 상기 내부 금속관(300)은 함께 냉각되고, 온도에 따른 팽창/수축률에 따라 수축될 것이다.
초전도 케이블의 냉각에 따른 상기 내부 금속관(300)의 수축 현상은 초전도 케이블(1000)의 중심부에 구비된 포머 등에서도 심하게 발생될 수 있다.
이러한 수축현상은 초전도 케이블의 길이방향을 따라 발생되어, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템을 구성하는 종단 접속장치 또는 중간 접속장치에 축력을 인가하게 된다.
물론, 종단 접속장치 또는 중간 접속장치에 인가되는 축력은 정확하게 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)에 인가되는 축력의 합으로 이해되는 것이 바람직하다.
물론, 이러한 수축 현상은 초전도 도체층 또는 초전도 차폐층을 구성하는 초전도 선재에도 발생될 수 있으나, 그 부피 또는 중량이 전체 초전도 케이블에서 차지하는 비율은 무시할 수 있는 수준이다. 후술하는 본 발명에 따른 초전도 케이블 포설방법과 관련하여 후술하도록 한다.
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 단열부는 멀티 레이어 인슐레이션(MLI, Multi Layer Insulation)을 구성하고, 특히 단열부(400)를 경계로 복사에 따른 열교환을 차단하기 위하여 필요하다.
상기 단열부(400) 외측에는 진공부(500)가 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 전도 또는 대류에 의한 열교환 또는 열침입을 방지하기 위하여 필요하다.
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 있다.
상기 스페이서(560)는 초전도 케이블의 길이방향을 따라 배치될 수 있으며, 상기 코어부(100) 외측, 구체적으로는 상기 단열부(400)를 나선형으로 감싸도록 권선할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서(560)는 복수 개가 구비될 수 있으며, 상기 스페이서(560)의 개수는 초전도 케이블의 종류 또는 크기에 따라 증감될 수 있다. 본 발명의 초전도 케이블은 3개 내지 5개의 스페이서가 구비될 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)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 외부 금속관(600)는 상기 내부 금속관(300)과 마찬가지 형태와 재질로 구성될 수 있으나, 상기 냉각부(200)에 냉매가 수환하여 냉각이 시작되어도 상기 단열부 및 진공부에 의하여 복사, 전도 및 대류 등에 의한 열전달이 차단되어 내부 금속관(300)과 같은 수축 현상이 발생되지 않는다.
따라서, 상기 외부 금속관(600)은 초전도 케이블의 냉각에 크게 영향받지 않으므로 외부 금속관(600)의 축력은 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템을 구성하는 종단 접속장치 또는 중간 접속장치에 인가되는 축력에 큰 영향을 미치지 않을 것이다.
상기 외부 금속관(600) 외측에는 초전도 케이블 내부를 보호하기 위한 외장 기능을 수행하는 시스부(700)가 구비될 수 있다. 상기 시스부는 통상적인 전력용 케이블의 시스부(700)를 구성하는 시스재가 사용될 수 있다. 상기 시스부(700)를 구성하는 시스재는 폴리에틸렌(PE) 폴리염화비닐(PVC) 등일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 진공부(500)에 구비된 상기 스페이서(560)는 상기 내부 금속관(300) 외부에 구비되는 단열부(400)를 감싸도록 3개 또는 4개가 구비됨이 도시된다.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)을 구성함에 있어서, 초전도 케이블의 포설방법의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3(a)는 초전도 케이블이 수평면에서 수평 방향으로 밴딩에 의한 오프셋을 형성한 포설 상태에서, 케이블의 냉각 전 오프셋 구간에서의 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 상태를 도시하며, 도 3(b)는 도 3(a)의 초전도 케이블이 냉각되는 경우, 오프셋 구간에서의 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 수축시의 단면 형상을 도시한다.
도 3(c)는 초전도 케이블이 수직 방향으로 굴곡된 현수구간에서, 초전도 케이블의 냉각 전 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 상태를 도시하며, 도 3(d)는 도 3(c)의 초전도 케이블이 냉각되는 경우, 상기 현수구간에서의 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 수축시의 단면 형상을 도시한다.
도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블이 냉각되면, 냉각에 의해 포머(110)와 내부 금속관(300)이 주로 수축되어 포머(110)의 중심이 dx 및 dy 거리에 의한 대각선 길이 d만큼 변위된다. 변위량 발생 후에 각 포머(110)와 내부 금속관(300)에서 주로 축력이 발생하고, 발생되는 축력은 대각선 길이 d만큼의 변위량과 비례하게 흡수될 수 있다. 그러나, 도 3(b)에 도시된 수평 방향 오프셋 등의 굴곡구조의 경우, 자중에 의하여 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600) 사이의 마찰력이 크게 발생되어 대각선 길이 d가 감소될 수 있다.
반면, 도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 수직방향으로 굴곡시킨 경우, 변위량 dy가 도 3(b)에 도시된 경우보다 대각선 길이 d보다 크므로, 변위량 dy (dy>d) 에 비례하여 축력이 흡수될 수 있다.
실험적으로, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)은 초전도 케이블(1000)의 포설 과정에서 수평방향 오프셋을 형성하지 않고, 초전도 케이블이 하방으로 삼각함수 중 사인(SIN) 함수 또는 코사인(COS) 함수 형태로 드리워지도록 현수되는 현수구간을 형성하여, 초전도 케이블의 냉각시 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 수축에 의한 축력이 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 변위량에 흡수되도록 하여 최종적으로 발생되는 축력을 직선 포설시보다 크게 낮출 수 있다.
도 4 및 5를 참조하여, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)에서의 초전도 케이블의 포설방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)의 두 가지 예를 도시한다. 구체적으로, 도 3(a)는 초전도 케이블이 하방으로 현수되는 현수구간이 하나만 구비되는 초전도 전력 시스템(1)을 도시하고, 도 4(b)는 초전도 케이블이 하방으로 상기 현수구간이 이격된 위치에 2개 구비되는 초전도 전력 시스템(1)을 도시한다.
본 발명은 중심부에 포머(110), 냉각유로 외측에 구비되는 내부 금속관(300) 및 진공부가 내측에 구비되는 외부 금속관(600)을 포함하는 초전도 케이블, 상기 초전도 케이블의 일단이 접속되는 제1 접속장치(2000), 상기 초전도 케이블의 타단이 접속되는 제2 접속장치(3000)를 구비하며,
상기 제1 접속장치 및 제2 접속장치를 연결하는 초전도 케이블이 하방으로 현수된 적어도 하나의 현수구간이 구비하는 초전도 전력 시스템(1)에 관한 것이다.
도 4에 도시된 초전도 케이블은 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)을 구비하며, 미리 결정된 직경 및 길이를 가질 수 있다.
초전도 케이블은 상온으로 인출되어 전력망과 연결되는 종단 접속장치 또는 일정 길이마다 접속되는 중간 접속장치와 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예는 초전도 케이블의 일단에는 종단 접속장치로서 제1 접속장치(2000)가 접속되고, 타단에는 중간 접속장치로서 제2 접속장치(3000)가 구비되는 예를 도시한다. 그러나, 이런 구성에 한정될 것은 아니며, 초전도 케이블을 포함하는 초전도 전력 시스템(1)이라고 이해되어야 한다.
도 4(a)에 도시된 실시예는 현수구간(S)이 1개 구비된다. 상기 현수구간(S)은 전술한 바와 같이, 초전도 케이블의 냉각시 수직 변위량을 극대화하여 발생되는 축력을 상당 부분 흡수할 수 있으므로, 직선 포설의 경우보다 발생되는 축력의 크기를 크게 줄일 수 있다.
이러한 현수구간(S)은 초전도 케이블의 길이 등을 고려하여, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 2개가 구비되거나, 더 많이 구비될 수 있으며, 복수 개의 현수구간(S)이 이격되어 형성될 수도 있고, 연속적으로 형성되는 방법도 가능하다.
각각의 현수구간(S)은 초전도 케이블의 어느 두 지점에 지지부재(900)를 설치하고 초전도 케이블의 자중에 의하여 그 사이 구간을 처지게 하는 방법으로 형성할 수 있다.
따라서, 현수구간(S)의 개수가 많아지면, 초전도 케이블 전체 영역에서 발생되는 축력의 흡수용량이 증대되는 것으로 이해될 수 있다.
도 4(a)에 도시된 초전도 전력 시스템(1)은 현수구간(S)이 1개 존재하며, 지지부재(900)의 간격 및 케이블의 직경 등에 따라 현수구간(S)의 주기에 해당되는 현수길이(P) 및 초전도 케이블의 최대 처짐량에 해당되는 현수높이(A)가 결정될 수 있다.
그리고, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 서로 다른 현수구간(S)의 현수길이가 다른 경우에는 현수길이에 비례하는 현수높이를 갖게 될 것이다. 초전도 케이블 전체의 굽힙 강성 등은 일정 범위에 존재할 것이므로, 지지부재(900)의 간격에 따라 현수구간(S)의 현수길이 및 현수높이가 결정될 수 있다.
각각의 현수구간(S)은 케이블을 수평방향으로 드리운 상태에서 이격된 2곳을 지지부재로 지지하는 경우 사인(SIN) 함수 또는 코사인(COS) 함수 중 인접한 최고점을 연결하는 1 주기 구간의 형태로 오목한 형태를 갖도록 설치될 수 있다.
현수구간(S)의 상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P)와 상기 현수구간에서 상기 초전도 케이블의 최대 처짐량인 현수높이(A)의 관계는 임의로 결정될 수 없으며, 요구되는 설계기준을 만족하고, 수축 등의 변형에 의하여 축력 저감효과가 충분하여야 한다.
아래의 표 1은 직경(D)가 15cm인 초전도 케이블의 현수높이(A)와 현수길이(P)를 변화시키며, 현수길이(P) / 현수높이(A)의 값을 조사한 테이블이다.
테이블 상에서 검게 음영 처리된 데이터셀을 제외한 데이터셀의 조건이 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템의 설계조건과 충분한 축력 감쇄 조건을 만족하는 것으로 확인되었다.
본 발명에 따른 초전도 전력 시스템의 경우, 포설되는 초전도 케이블의 현수높이(A) 및 현수길이(P)의 관계인 현수길이(P) / 현수높이(A)의 값이 16.0 내지 27.5 범위를 만족하는 경우에만 요구되는 설계기준 및 충분한 축력 흡수 조건을 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
대략적으로 현수길이(P) 및 현수높이(A)는 비례하는 관계가 형성되도록 현수구간을 형성하고 더 구체적으로는 경우 현수길이(P) / 현수높이(A)의 값이 16.0 내지 27.5 범위를 만족하는 경우, 설계조건 및 축력조건을 만족할 수 있다.
또한, 축력 흡수를 위해서 현수구간(S)의 현수길이 또는 현수높이는 어느 하나만 일반적으로 증가시킨다고 해도 허용 축력 조건을 만족시킬 수 없는 경우가 있다. 실험적으로, 현수구간(S)의 현수길이가 증가되면, 그에 따라 현수높이도 함께 증가되어야 축력 흡수 효과가 크게 발생되어 허용 축력 조건을 만족시킬 수 있는 것으로 판단된다.
구체적으로, 상기 현수높이(A) 및 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 벗어나는 경우 및 상기 현수길이(P) 및 상기 케이블의 직경(D)이 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위를 벗어나는 경우 역시 초전도 전력 시스템의 설계조건을 만족하지 못하거나, 충분한 축력 감소효과를 얻지 못하는 비현실적 조건인 것으로 판단되어 범위에서 제외된다.
표 1
현수길이(단위 : m)
현수높이(단위 : m) 4.5 5.0 5.5 6.0
0.150 30.0 33.3 36.7 40.0
0.165 27.3 30.3 33.3 36.4
0.180 25.0 27.8 30.6 33.3
0.195 23.1 25.6 28.2 30.8
0.210 21.4 23.8 26.2 28.6
0.225 20.0 22.2 24.4 26.7
0.240 18.8 20.8 22.9 25.0
0.255 17.6 19.6 21.6 23.5
0.270 16.7 18.5 20.4 22.2
0.285 15.8 17.5 19.3 21.1
0.300 15.0 16.7 18.3 20.0
전술한 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템을 구성하는 상기 초전도 케이블의 직경(D), 상기 현수높이(A) 및 상기 현수길이(P)의 3가지 관계를 만족하는 경우, 초전도 케이블의 직경(D)이 15cm보다 작거나 큰 경우에도 적용이 가능하다.
이와 같은 조건으로 현수구간을 형성하고 수직 방향으로 자중에 의한 처짐을 이용하여 수직 굴곡구조가 형성된 현수구간(S)은 축력의 흡수 능력이 크므로, 종단 접속장치 또는 중간 접속장치를 종래와 같이 슬라이딩 되는 이동형으로 구성하지 않을 수 있다.
예를 들면, 종단 접속장치의 허용 축력이 5톤 정도이며, 초전도 케이블의 직선 포설시 6톤의 축력이 발생되는 경우, 종단 접속장치의 파손 등을 방지하기 위하여 종단 접속장치를 슬라이딩 가능하도록 구성하는 방법이 사용하기도 하였으나, 시스템의 안정성 측면에서 바람직하지 않았으나, 이러한 수직 굴곡구조인 현수구간을 초전도 케이블에 구비하여 수축에 의한 축력을 50퍼센트 정도 흡수한다면, 종단 접속합에 인가되는 축력은 약 3톤 정도로 감소될 수 있으며, 이와 같은 축력 감소효과에 의하여 5톤 정도의 허용 축력을 가진 종단 접속함은 고정형으로 구성하더라도 전체 시스템의 안정성을 보장할 수 있다. 이는 종단 접속장치 이외에 중간 접속장치도 고정형으로 구성할 수 있음을 의미하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)을 구성하는 제1 접속장치(2000) 및/또는 제2 접속장치(3000)는 고정형으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 초전도 케이블은 상기 제1 접속장치(2000) 및 제2 접속장치(3000)에서 근접한 지지부재(900)까지 수평구간을 형성하도록 수평한 직선 형태로 배치될 수 있다. 도 4(a)에 도시된 실시예는 현수구간(S) 좌우로 2개의 수평구간(L1, L2)을 구비하여 각각의 접속장치의 접속과정에서 초전도 케이블의 직선 상태를 확보할 수 있다. 도 4(b)에 도시된 실시예는 현수구간(S1, S2) 좌우로 3개의 수평구간(L1, L2, L3)을 구비하여 각각의 접속장치의 접속과정에서 초전도 케이블의 직선 상태를 확보할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서 초전도 케이블의 긴 영역에서 수평구간의 길이를 길게 형성하기 위해서는 복수 개의 지지부재(900)를 촘촘히 배치하는 방법이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 전력 시스템(1)의 다른 예를 도시한다. 도 5에 도시된 실시예는 도 4에 도시된 실시예와 달리, 동일한 현수길이(P) 및 현수높이(A)을 갖는 복수 개의 현수구간(S1, S2, S3)이 인접하여 연속으로 배치된다.
초전도 케이블이 냉각되어 수축되어 축력이 발생되는 영역은 케이블의 특정 영역이 아니므로, 현수구간을 케이블 전체에 형성하여 주기함수인 사인(sin) 함수, 코사인(cos) 함수 형태로 포설하고, 주기함수의 주기에 대응하는 현수길이(P) 및 진폭에 대응되는 현수높이(A)을 모든 현수구간에서 동일하게 구성하여, 수축량에 따른 축력 흡수량을 효과적으로 분배할 수 있다.
물론, 복수 개의 현수구간을 연속적으로 인접하도록 배치해야 하는 것은 아니며, 복수 개의 현수구간의 현수길이 및 현수높이를 동일하게 해야만 하는 것도 아니며 위 범위를 만족하도록 하면 된다.
그리고, 상기 현수구간을 주기함수 형태로 연속적으로 인접하여 배치하는 경우, 현수구간이 N개(N은 2이상의 자연수) 인접하여 연속으로 배치되도록 하기 위하여 상기 지지부재(900)는 N+1개 구비될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 3개의 현수구간이 구비되고, 4개의 지지부재(900)가 초전도 케이블을 지지하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 초전도 케이블의 포설방법의 블록선도를 도시한다.
본 발명에 따른 초전도 케이블의 포설방법은 중심부에 구리 재질의 포머(110) 및 초전도 도체층을 포함하는 코어부, 상기 코어부를 냉각시키기 위한 냉각부가 내측에 구비되는 내부 금속관(300), 상기 내부 금속관(300) 외측에 구비되는 단열부 및 진공부를 수용하는 외부 금속관(600)을 포함하는 초전도 케이블을 위치가 고정된 2개의 접속장치에 접속하여 포설하는 포설방법에 있어서, 초전도 케이블이 하방으로 현수되는 복수 개의 현수구간이 인접하며, 동일한 현수길이와 현수높이를 갖는 주기함수 형태로 포설하는 시험 포설단계(S100), 상기 시험 포설단계(S100)에서 포설된 초전도 케이블의 냉각 작동시 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600) 각각의 케이블 길이방향 팽창 또는 수축에 따른 축력을 측정하는 축력 측정단계(S200), 상기 축력 측정단계(S200)에서 측정된 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 축력의 합계를 고려하여, 초전도 케이블의 포설시 복수 개의 현수구간의 현수길이 및 현수높이를 결정하는 포설조건 결정단계(S300), 상기 포설조건 결정단계(S300)에서 결정된 포설조건에 따라 초전도 케이블을 포설하는 초전도 케이블 포설단계(S400)를 포함할 수 있다.
설명의 편의를 위하여 본 발명에 따른 초전도 케이블 포설방법은 초전도 케이블을 도 5에 도시된 바와 같은 주기함수 형태로 구성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
초전도 케이블의 포설과정에서, 보다 효과적인 축력 흡수를 위하여 초전도 케이블의 직경과 요구되는 현수구간의 현수길이 등을 고려하여야 한다.
특히, 전술한 바와 같이, 접속장치 등의 최대 허용 축력 및 초전도 케이블의 길이 등이 포설조건을 판단하는 경우 중요한 판단기준이 될 수 있다.
포설조건으로서, 초전도 케이블의 길이는 현수구간의 개수, 현수길이 또는 현수높이에 따라 동일한 직선거리를 연결하기 위하여 필요한 초전도 케이블의 길이가 달라지며, 고가의 초전도 케이블의 길이가 달라지면, 비용적인 면에서 차이가 커지기 때문에 중요하다.
우선, 초전도 케이블을 설계한 현수길이 또는 현수높이에 따라 시험 포설하고, 축력을 측정하여 포설조건을 만족하는지를 검토해야 하므로, 시험 포설단계(S100), 축력 측정단계(S200) 및 포설조건 결정단계(S300)가 순차적으로 수행될 수 있다.
초전도 케이블의 경우, 전력 전송 용량에 따라 그 직경이 달라진다. 따라서, 실체 초전도 케이블 포설거리가 긴 경우, 미리 해당 초전도 케이블을 시험 구간을 설정하여 시험 포설하여 주기 함수 형태로 초전도 케이블을 포설한 경우, 허용 축력 또는 소비되는 초전도 케이블의 길이 등을 고려하여 최적의 포설조건을 결정할 필요가 있다.
시험 포설단계(S100)에서 반영 가능한 포설 변수는 직경이 D인 초전도 케이블의 경우, 현수구간의 현수길이 및 현수높이다.
따라서, 상기 시험 포설단계(S100) 및 상기 축력 측정단계(S200)는 시험 포설되는 초전도 케이블의 현수길이 및 현수높이를 변화시키며, 복수 회 반복 수행될 수 있다.
시험조건을 변경하며, 다양한 조합으로 각각의 조합에 따른 축력을 측정하면, 측정된 축력은 데이터 베이스화될 수 있으므로, 상기 포설조건 결정단계(S300)는 상기 축력 측정단계(S200)에서 측정된 상기 초전도 케이블의 포머(110), 내부 금속관(300) 및 외부 금속관(600)의 축력의 합계 및 포설되는 초전도 케이블의 길이를 최대 허용 축력 및 비용 조건(ex, 초전도 케이블의 길이 등)과 비교하여 결정할 수 있다.
이 경우, 결정된 포설조건은 주기 함수 형태의 현수구간의 현수길이 및 현수높이의 몇 가지 조합 또는 범위로 결정될 수도 있다.
즉, 상기 포설조건 결정단계(S300)는 포설조건으로서 유일한 현수길이 및 현수높이로 결정하는 것이 아니라, 허용 가능한 복수 개의 포설조건 또는 현수길이 또는 현수높이의 범위 형태의 포설조건을 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 포설조건 결정단계(S300)는 상기 축력 측정단계(S200)에서 측정된 상기 초전도 케이블의 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관의 축력의 합계 및 포설되는 초전도 케이블의 길이를 최대 허용 축력 및 비용 조건과 비교하여, 상기 현수길이(P) 및 상기 현수높이(A)의 관계가 16 < 현수길이(P) / 현수높이(A) < 27.5 범위를 만족하도록 결정될 수 있다.
이 경우, 상기 포설조건 결정단계는 상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P) 및 상기 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위 또는 상기 현수높이(A) 및 상기 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 만족하도록 수행될 수 있다.
또한, 각각의 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관에 대한 개별적인 실험데이터 등이 확보되는 경우에는 상기 시험 포설단계(S100) 및 상기 축력 측정단계(S200)는 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 수행될 수도 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 (17)

  1. 중심부에 포머, 냉각유로 외측에 구비되는 내부 금속관 및 진공부가 내측에 구비되는 외부 금속관을 포함하는 초전도 케이블;
    상기 초전도 케이블의 일단이 접속되는 제1 접속장치; 및,
    상기 초전도 케이블의 타단이 접속되는 제2 접속장치;를 포함하며,
    상기 제1 접속장치 및 제2 접속장치를 연결하는 초전도 케이블이 하방으로 현수된 적어도 하나의 현수구간이 구비된 초전도 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    하나의 현수구간은 사인(SIN) 함수 또는 코사인(COS) 함수 중 인접한 최고점을 연결하는 1 주기 구간의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P)와 상기 현수구간에서 상기 초전도 케이블의 최대 처짐량인 현수높이(A)는 16.0 < 현수길이(P) / 현수높이(A) < 27.5 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 현수높이(A) 및 초전도 케이블의 직경(D)은 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 현수길이(P) 및 초전도 케이블의 직경(D)은 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 현수구간을 형성하기 위하여 상기 초전도 케이블을 지지하도록 이격된 위치에 구비되는 적어도 2개의 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 현수구간은 N개(N은 2이상의 자연수) 인접하여 연속으로 배치되도록 상기 지지부재는 N+1개 구비되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    N개의 상기 현수구간 중 현수길이가 긴 현수구간의 현수높이가 현수길이가 짧은 현수구간의 현수높이보다 큰 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접속장치 및 상기 제2 접속장치 중 어느 하나의 접속장치는 고정형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 상기 제1 접속장치 및 제2 접속장치에서 근접한 지지부재까지 수평구간을 형성하도록 수평한 직선 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 전력 시스템.
  11. 중심부에 구리 재질의 포머 및 초전도 도체층을 포함하는 코어부, 상기 코어부를 냉각시키기 위한 냉각부가 내측에 구비되는 내부 금속관, 상기 내부 금속관 외측에 구비되는 단열부 및 진공부를 수용하는 외부 금속관;을 포함하는 초전도 케이블을 위치가 고정된 2개의 접속장치에 접속하여 포설하는 포설방법에 있어서,
    초전도 케이블이 하방으로 현수되는 복수 개의 현수구간이 인접하며, 동일한 현수길이와 현수높이를 갖는 주기함수 형태로 포설하는 시험 포설단계;
    상기 시험 포설단계에서 포설된 초전도 케이블의 냉각 작동시 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관 각각의 케이블 길이방향 팽창 또는 수축에 따른 축력을 측정하는 축력 측정단계;
    상기 축력 측정단계에서 측정된 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관의 축력의 합계를 고려하여, 초전도 케이블의 포설시 복수 개의 현수구간의 수평방향 거리인 현수길이 및 현수높이를 결정하는 포설조건 결정단계; 및,
    상기 포설조건 결정단계에서 결정된 포설조건에 따라 초전도 케이블을 포설하는 초전도 케이블 포설단계;를 포함하는 초전도 케이블 포설방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 포설조건 결정단계는 상기 축력 측정단계에서 측정된 상기 초전도 케이블의 포머, 내부 금속관 및 외부 금속관의 축력의 합계 및 포설되는 초전도 케이블의 길이를 최대 허용 축력 및 비용 조건과 비교하여, 상기 현수길이 및 상기 현수높이가 16 < 현수길이(P) / 현수높이(A) < 27.5 범위를 만족하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 포설조건 결정단계는 상기 현수구간의 주기에 해당되는 현수길이(P) 및 상기 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 30 < 현수길이(P) / 직경(D) < 40 범위를 만족하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 포설조건 결정단계는 상기 현수높이(A) 및 초전도 케이블의 직경(D)의 관계가 1.0 < 현수높이(A) / 직경(D) < 2.0 범위를 만족하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 포설조건 결정단계는 허용 가능한 복수 개의 포설조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 시험 포설단계 및 상기 축력 측정단계는 시험 포설되는 초전도 케이블의 현수길이 및 현수높이를 변화시키며, 복수 회 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 시험 포설단계 및 상기 축력 측정단계는 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 결정되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 포설방법.
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