KR100493333B1 - 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류전원을 인가하는 초전도 병렬회로에 있어 각 병렬가지의 임피던스 차이에 의한 불평형 전류를 초전도 직렬변압기를 사용하여 평형하게 통전시키기 위한 방안에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 교류전원이 인가되는 초전도 병렬회로의 각 병렬 가지에 있어서, 상전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도 병렬회로에 포함되는 상전도체의 저항과, 상기 각 초전도 병렬가지의 리액턴스에 기인한 내부 임피던스의 차이를 가지는 초전도 병렬회로에 상기 내부 임피던스의 차이를 보상함으로써, 상기 각 초전도 병렬회로 가지에 동일한 크기의 전류를 통전시킴을 목적으로 하여, 상기 초전도 병렬회로의 각 가지에 직렬로 연결된 직렬변압기를 추가함과, 이 직렬변압기의 권선이 초전도체로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로{Superconducting Parallel Circuit Using Superconducting Direct Transformer}

본 발명은 초전도 직렬변압기를 이용하여 임피던스 보상을 통한 초전도 병렬회로의 전류 등분배에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교류전원을 인가하는 초전도 병렬회로의 구조 중에서 각 병렬가지의 임피던스 차이에 의한 불평형 전류를 평형하게 통전시키기 위해, 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로에 관한 것이다.

어떤 종류의 물질을 아주 낮은 온도(극저온)로 냉각하면 전기저항이 제로가 되어 전기적인 손실이 전혀 없거나 외부 자장의 침입을 배척하여 자기적으로 반발하는 자기 부상 현상이 일어나는데 이러한 현상을 초전도(Superconducting)라 한다. 이러한 초전도체는 3가지 임계값을 갖게 되고, 임계전류밀도(Critical Current Density), 임계자장(Critical Magnetic Field), 임계온도(Critical Temperature)가 그것들인데 초전도체는 이 범위 안에 존재하여야만 성질을 유지할 수 있다. 만약 이 3 가지 중 하나라도 범위를 넘어서게 되면 초전도체는 상전도체로 상전이하게 된다. 초전도 회로는 초전도체를 포함하는 전기회로이며, 초전도성을 유지하면서 운용된다.

초전도 병렬회로라 함은 전기적으로 분리된 병렬 초전도체로 이루어진 초전도 케이블 및 초전도 한류기를 포함하여, 초전도체가 전기적으로 주요 도체로 구성됨을 특징으로 하는 병렬 회로이다.

도 1은 초전도 한류소자 (여기서는 SFCL라고 함)가 포함된 초전도 병렬회로의 한 예(example)이다 (초전도 케이블의 경우 각 초전도 케이블 층이 도 1의 각 초전도 병렬회로에 해당한다). 도 1에 도시한 초전도 병렬회로의 초전도 기기는 저항형 초전도 한류기(2)인 바, 다수의 저항형 초전도 한류기(2)로 구성된 병렬회로의 경우 상기 병렬회로의 각 가지에는 부득이 하게 상전도체와 초전도체, 초전도체와 초전도체간의 접촉저항과 상전도체 자체의 저항 및 내부 리액턴스로 구성된 내부 임피던스 Z_t(1)가 발생한다 (도 1에서는 R_t(1)에 해당). 이 내부 임피던스(1)의 크기는 일반적으로 외부에서 임의로 조절하기 쉽지 않고, 초전도 한류기(2)는 저항이 0이므로 상기 초전도 병렬회로의 내부 임피던스(1)는 초전도 병렬회로의 대부분의 임피던스를 지배한다. 도 1에서는, 전체 전류 I_tot(3)가 각각의 전류 I₁∼I₄로 나뉘어져, 각 내부 저항 R_t1∼R_t4(1)를 통해 직렬 연결된 한류소자(2) SFCL#1 - SFCL#4로 통하는 형태로 등가화 된다.

상기 초전도 병렬회로에서 각 초전도 병렬가지의 내부 임피던스의 크기가 매우 작은 관계로, 상기 각 병렬가지의 내부 임피던스 차이는 경우에 따라 상기 내부 임피던스에 필적할 만큼 매우 크게 될 수 있다. 따라서, 키르히호프의 전류분배 법칙에 맞춰 초전도 병렬회로간의 전류 불균일이 발생하게 되고, 상기 각 초전도 병렬가지의 전류의 크기는 내부임피던스의 비만큼 다르게 통전한다. 따라서, 전체 전류 I_tot(3)의 크기가 증가하게 되면, 상기 초전도 병렬회로의 각 가지 중 내부 임피던스 항이 작은 병렬가지의 전류가 다른 가지보다 커져서 동 가지의 전류가 초전도체의 임계전류를 먼저 넘게 되고, 상기 병렬가지의 초전도체는 초전도상태를 잃고 저항이 발생하게 되어, 다른 초전도 병렬가지로 전류를 밀어내는 효과를 발생하게 된다. 이 경우 손실 증가, 그리고 시스템 불안정을 초래할 수 있다.

이를 피하기 위해서는 상기 초전도 병렬회로의 내부 임피던스가 가장 낮은 초전도 병렬가지에 통전되는 전류의 크기를 임계전류 이하가 되도록 상기 초전도 병렬회로의 전체전류 I_tot(3)를 조절해야 한다. 그러므로, 상기 각 초전도체들이 통전할 수 있는 전류의 크기의 합만큼의 충분한 통전 능력을 낼 수 없게 되어 통전 효율을 저하시킨다.

도 5는 도 1에서 예시한 바와 같이 초전도 직렬 변압기 없이 내부 임피던스(1)의 차이에 따른 각 초전도 병렬회로(2)의 전류 불균일을 나타낸 그래프이다. 그래프의 X 축은 Time [msec]이고, Y축의 좌측은 전체전류 I_tot [A]이며 우측은 초전도 병렬회로의 각 가지의 전류 I₁∼I₄ [A]를 나타낸다.

도 5 의 그래프를 보면, 도 1에서 내부 저항 R_t1 - R_t4(1)간의 크기에 차이에 의해 각각의 전류 I₁∼I₄의 크기가 다름을 알 수 있다. 또한, 도 1에서 예시한 SFCL#1 - SFCL#4의 임계 전류는 20 [A]이다. 그러므로 도 5의 I₁, I₃와 같이 내부저항이 가장 낮은 병렬가지의 전류의 첨두값이 20 [A]에 근접한 바, I₂, I₄의 크기가 임계전류보다 낮더라도 전체전류 I_tot를 높일 수 없게 된다. 도 5의 결과를 보면 전체 전류 I_tot의 첨두값은 각 초전도 병렬회로의 임계전류값의 합인 80 [A] 보다 크게 낮은 55 [A] 이하로 통전됨으로 통전효율이 낮음을 알 수 있다.

종래의 초전도 병렬회로의 임피던스 차이에 의한 불평형 전류 통전을 해결하는 방법으로는, "일본국 특허 공개번호 2002-198577"의 경우로써 도 2 에 도시된 바와 같이 각 병렬회로에 직렬 리액터(5)를 사용하는 방법이 게재되어 있다. 즉, 전체 전류 I_tot(4)는 각각의 전류 I₁∼I₄를 통해 직렬 리액터(5)와 내부 임피던스 R_t1∼R_t4순으로 공급되도록 연결되고, 이 내부 임피던스 R_t1∼R_t4에는 SFCL#1 - SFCL#4의 초전도 한류기가 연결된다. 그렇지만, 상기 초전도 병렬회로의 임피던스 보다 훨씬 큰 리액턴스가 추가되어 무효전력이 증가하게 된다는 단점이 있다.

또한, 직렬변압기를 사용하여 보상임피던스를 발생시키는 특허로는 "대한민국 특허출원 1999-0032193"의 "임피던스가 보상된 전력전송회로"가 소개되고 있지만, 이는 초전도 병렬회로에 비해 매우 큰 임피던스를 갖는 전력계통의 조류제어를 위한 보상기술이며, 상기 직렬변압기의 권선은 초전도체가 아니기 때문에 시스템에 손실이 추가된다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 초전도 병렬회로의 임피던스 차이를 보상하기 위한 직렬변압기의 권선을 상전도체가 아닌 초전도체를 사용한 초전도 직렬변압기로 구성하고, 상기 초전도 직렬 변압기를 상기 각 병렬회로 가지에 추가함으로써 상기 초전도 병렬회로 각 가지의 임피던스 차이에 따른 불평형 전류를 평형전류로 통전시키며, 그로인해 기기 추가에 따른 손실의 증가를 최소화하고, 무효전력의 증가를 억제하면서 초전도회로의 특성을 향상시킬 수 있는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교류전원이 인가되는 초전도 병렬회로의 각 병렬 가지에 있어서, 상전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도 병렬회로에 포함되는 상전도체의 저항과, 상기 각 초전도 병렬가지의 리액턴스로 인한 내부 임피던스(8 ; 12)의 차이를 가지는 초전도 병렬회로(9 ; 13)에 상기 내부 임피던스(8 ; 12)의 차이를 보상하도록 구성하여, 상기 각 초전도 병렬회로(9 ; 13)에 동일한 크기의 전류를 통전시키기 위해 상기 초전도 병렬회로(9 ; 13)의 각 가지에 직렬로 연결된 직렬변압기(7 ; 11)를 추가하고, 이 직렬변압기(7 ; 11)의 권선은 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 초전도 직렬변압기가 결선된 초전도 병렬회로로서, 도 1의 각 초전도 병렬가지와 직렬로 결선된 1차 권선과 2차 권선의 환상(loop)결선간의 자기적 결합에 의해 임피던스가 보상되는 초전도 병렬회로의 도면이다. 좀 더 정확히 표현하자면 위에서 언급한 바와 같이 초전도 직렬 변압기를 이용하여 상기 회로의 각 병렬 가지의 초전도체에 초전도체로 권선한 직렬 변압기의 1차 측을 각각 연결하고, 상기 병렬가지와 1차 측이 연결된 각 초전도 직렬변압기의 2차 측을 각각의 극성(+, -)에 맞춰 환상으로 연결한 구조(7)로서, 상기 각 초전도 병렬회로에 내부 임피던스의 차이에 의해 전류의 크기가 다르게 되면 각 초전도 직렬 변압기에서 1차 측에서 발생하는 자속이 2차 측 환상결선을 통해 보상 임피던스를 발생시켜 각 초전도 병렬가지에 동일한 임피던스를 발생시키게 한다. 본 발명의 초전도 직렬 변압기는 초전도체로 이루어진 1차 측 권선과 2차 측 권선이 철심을 통해 자기적으로 결합되어 있다. 또한, 상기 초전도 직렬변압기의 초전도체로 이루어진 1차 측 권선과 2차 측 권선은 공기를 통해 자기적으로 결합되어 있다. 초전도 병렬회로(9)의 각 가지는 직렬변압기(7) - 내부 저항 R_t1∼R_t4(8) - SFCL#1 - SFCL#4로 구성되는데, 전체 전류 I_tot(6)는 각각의 전류 I₁∼I₄로 분류되어 각 가지를 통과한다. 여기서 환상(loop) 회로는 본 병렬회로에 자기적으로는 결합되어 있으나 전기적으로 분리되어 있어 I₁∼I₄을 통전하지 않는다.

도 4는 본 발명의 초전도 직렬변압기가 결선된 초전도 병렬회로로서, 도 1의 초전도 병렬회로 수만큼의 철심(14)에 각 초전도 병렬회로와 직렬로 결선된 초전도체가 권선되어, 각 철심의 초전도 권선 간의 자기적 결합에 의해 임피던스가 직접 보상되는 초전도 병렬회로의 도면이다. 초전도 병렬회로(9)의 각 가지는 초전도 직렬변압기(11) - 내부 저항 R_t1∼R_t4(12) - SFCL#1∼SFCL#4로 구성되고, 전체 전류 I_tot(10)는 전류 I₁∼I₄로 분류되어 각 가지를 통과한다. 상기 초전도 직렬 변압기는 상기 초전도 병렬회로 수만큼의 발을 가지는 철심(14)에, 상기 철심(14)의 각 발에 초전도체로 권선하여, 상기 각 발에 권선된 초전도체와 상기 각 초전도 병렬회로(13)와 전기적으로 각각 직렬로 접속되어, 임피던스 차이에 의한 전류 불균일이 발생될 경우 철심을 통한 자기결합으로 직접 보상 임피던스 발생시킨다.

도 3과 도 4의 예시와 같이 임피던스(8, 12)의 차이가 있는 초전도 병렬회로(9, 13)에 직렬변압기(7, 11)를 추가하되, 동 변압기 권선을 상전도체가 아닌 초전도체를 사용함으로써, 임피던스 보상을 위해 도 2 에 도시된 직렬 리액터(5)의 추가 시 발생하는 무효전력 증가를 제거함과, 상전도 변압기 사용 시 발생하는 손실분을 제거함을 이루고자 한다.

또한, 상기 직렬 변압기(7, 11)의 권선을 초전도체로 제작함으로써 무게 및 부피를 줄일 수 있고, 상기 초전도 병렬회로(9, 13)의 가지 수와 상관없이 간단한 구조로 임피던스 보상, 그에 따라 전류 등분배를 가능하게 하는 직렬변압기(7, 11)의 권선 구조를 제공할 수 있다. 상기 초전도 병렬회로(9, 13)는 복수의 전기적으로 분리된 병렬 도체로 이루어진 전력용 초전도 케이블을 포함하여 초전도체가 전기적으로 주요 도체로 구성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예로써 도 3과 도 4와 같이 각 초전도 병렬회로에 직렬로 결선된 직렬변압기의 구조(7, 11) 중 변압기의 권선을 초전도체로 제작함을 특징으로 하고 있다. 상기 직렬변압기의 권선을 초전도체로 권선하면 도체저항이 없어 내부저항은 접촉저항만 존재한다. 이러한 내부 저항의 크기는 매우 작고, 상기 직렬변압기(7, 11)와 초전도 병렬회로(9, 13)와의 연결로 인해 내부 저항(8, 12)이 추가되지만 전체 크기는 매우 작으므로, 전체 초전도 회로로 볼 때는 무시해도 좋을 수준이다.

하지만 여전히 초전도 직렬변압기(7, 11)가 추가된 초전도 병렬회로(9, 13)의 각 병렬 가지 사이의 내부저항의 차이의 비(ratio)는 클 수 있다. 이로 인해 각 초전도 병렬회로(9, 13) 간의 임피던스 차이에 의한 전류 불균일이 발생하더라도, 각 초전도 병렬회로에 직렬로 연결된 초전도 직렬변압기(7, 11)에는 해당 전류에 따른 자속이 발생되고, 상기 발생된 자속은 상기 초전도 직렬변압기간의 자기적인 결합에 의해 각 초전도 직렬 변압기에 유기 기전력이 발생하게 된다.

따라서, 상기 각 병렬 가지에 직렬로 연결된 초전도 직렬 변압기(7, 11)에는 유기 기전력에 따른 보상 임피던스가 발생하며, 보상 임피던스는 내부임피던스(8, 12) 크기에 따라 + 혹은 - 값으로 발생되는 바, 각 초전도 병렬회로의 초전도 직렬 변압기에서 발생하는 상기 보상 임피던스와 상기 각 초전도 병렬회로의 내부 임피던스의 합은 각 가지마다 동일한 임피던스가 되어, 각 초전도 병렬 가지에는 동일한 크기의 전류가 흐르게 된다.

도 6은 도 5의 그래프 결과를 개선하기 위해 도 3과 같은 형태로 상기 각 초전도 병렬회로(9)에 초전도 직렬변압기(7)를 직렬로 전기적으로 연결하여 도 5와 동일한 입력전압 조건에서 시험한 결과 그래프이다. 그래프의 X 축은 Time[msec]이고, Y축의 좌측은 전체전류 I_tot[A]이며 우측은 각각의 전류 I₁∼I₄[A]를 나타낸다. 이 결과 그래프를 보면 도 5에서 각기 달랐던 I₁∼I₄가 동일한 크기로 개선되고 각 전류의 첨두값이 임계전류보다 낮아 전체 전류 I_tot를 더 높일 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 5의 전체전류 I_tot(3)와 도 6의 전체전류 I_tot(6)는 크기가 동일하고 위상도 동일함을 알 수 있어, 초전도 병렬회로에 초전도 직렬변압기(7, 11)를 사용함으로 내부 임피던스의 차이에 의한 전류 불균일을 개선할 수 있고, 상기 초전도 직렬변압기(7, 11)의 추가에 따른 손실과, 무효전력이 발생하지 않음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 초전도 직렬변압기를 불필요한 내부임피던스의 상대적인 차이가 큰 초전도 병렬회로에 추가될 경우, 상기 초전도 직렬변압기의 추가에 따른 손실은 극히 적게 되고, 상기 초전도 병렬회로의 각 병렬가지의 불평형 전류는 초전도 직렬변압기를 통해 보상임피던스가 발생하여 무효전력의 증가없이 상기 각 초전도 병렬가지에는 동일한 크기의 전류가 통전하게 된다.

따라서, 본 발명에 의하면 특정 초전도 병렬가지에 전류가 집중되는 상황이 발생하지 않으므로, 전체 통전 전류용량을 극대화시킬 수 있어 경제적으로 운전하는 효과를 가지게 된다.

도 1은 내부 임피던스가 포함된 초전도 병렬회로를 나타낸 도면,

도 2는 종래의 직렬 리액터에 의해 전류 등분배를 구현한 초전도 병렬회로의 도면,

도 3은 본 발명의 초전도 직렬변압기가 결선된 초전도 병렬회로로서 도 1의 각 초전도 병렬가지와 직렬로 결선된 1차 권선과 환상(loop)으로 결선된 2차 권선 간의 자기적 결합에 의해 임피던스가 보상되는 초전도 병렬회로의 도면,

도 4는 본 발명의 초전도 직렬변압기가 결선된 초전도 병렬회로로서 도 1의 초전도 병렬회로 수만큼의 철심에 각 초전도 병렬회로와 직렬로 결선된 초전도체가 권선되어, 각 철심의 초전도 권선 간의 자기적 결합에 의해 임피던스가 보상되는 초전도 병렬회로의 도면,

도 5는 도 1의 초전도 직렬변압기가 없는 초전도 병렬회로의 전체 전류 I_tot와 각 병렬 가지의 전류 I₁∼I₄를 나타낸 그래프,

도 6은 도 3의 초전도 직렬변압기에 의해 임피던스가 보상된 초전도 병렬회로의 전체 전류 I_tot와 각 병렬 가지의 전류 I₁∼I₄를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6, 10 : 전체전류

7, 11 : 초전도 직렬변압기

8, 12 : 내부저항

9, 13 : 초전도 병렬회로

Claims (8)

1. 교류전원이 인가되는 초전도 병렬회로의 각 병렬 가지에 있어서, 상전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도체와 초전도체간의 전기적인 접속에 의한 접촉저항, 초전도 병렬회로에 포함되는 상전도체의 저항과, 상기 각 초전도 병렬가지의 리액턴스로, 인한 내부 임피던스의 차이를 가지는 초전도 병렬회로에 상기 내부 임피던스의 차이를 보상하도록 구성하여;

   상기 각 초전도 병렬회로에 동일한 크기의 전류를 통전시키기 위해 상기 초전도 병렬회로의 각 가지에 직렬로 연결된 직렬변압기를 추가하고, 이 직렬변압기의 권선은 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 초전도 직렬변압기는 1차 측 권선을 상기 각 초전도 병렬의 가지와 직렬로 전기적으로 접속하고, 2차 측은 각각 다른 상기 초전도 병렬가지와 1차 측이 전기적으로 접속된 직렬변압기들의 2차 측과 극성에 맞춰 환상형태로 전기적으로 접속한 직렬변압기로써, 상기 1차 측 권선과 2차 측 권선은 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
3. 청구항 2에 있어서, 초전도체로 이루어진 1차 측 권선과 2차 측 권선은 철심을 통해 자기적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
4. 청구항 2에 있어서, 초전도체로 이루어진 1차 측 권선과 2차 측 권선은 공기를 통해 자기적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
5. 청구항 1에 있어서, 초전도 직렬 변압기는 상기 초전도 병렬회로 수만큼의 발을 가지는 철심에, 상기 철심의 각 발에 초전도체로 권선하여, 상기 각 발에 권선된 초전도체와 상기 각 초전도 병렬회로와 전기적으로 각각 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 청구항에 있어서, 초전도 병렬회로는 복수의 전기적으로 분리된 병렬 도체로 이루어진 전력용 초전도 케이블을 포함하여 초전도체가 전기적으로 주요 도체로 구성한 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
7. 초전도 병렬회로는 복수의 전기적으로 분리된 병렬 도체로 이루어진 전력용 초전도 케이블을 포함하여 초전도체가 전기적으로 주요 도체로 구성되고,

   상기 초전도 병렬회로 중, 회로의 각 병렬 가지의 초전도체에 초전도체로 권선한 직렬 변압기의 1차 측을 각각 연결하고, 상기 병렬가지와 1차 측이 연결된 각 초전도 직렬변압기의 2차 측을 각각의 극성(+, -)에 맞춰 환상으로 연결한 구조로 되어,

   상기 각 초전도 병렬회로에 내부 임피던스의 차이에 의해 전류의 크기가 다르게 되면 각 초전도 직렬 변압기에서 1차 측에서 발생하는 자속이 2차 측 환상결선을 통해 보상 임피던스를 발생시켜 각 초전도 병렬가지에 동일한 임피던스를 발생시킨 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.
8. 초전도 병렬회로는 복수의 전기적으로 분리된 병렬 도체로 이루어진 전력용 초전도 케이블을 포함하여 초전도체가 전기적으로 주요 도체로 구성되고,

   상기 각 초전도 병렬회로와 직렬로 연결된 초전도 직렬변압기간의 자속이 철심을 통해 직접 보상 임피던스를 발생시킬 수 있는 구조로 되어,

   상기 초전도 직렬변압기는 상기 초전도 병렬회로 수만큼의 발을 가지는 철심에, 상기 철심의 각 발에 초전도체로 권선하여, 상기 각 발에 권선된 초전도체와 상기 각 초전도 병렬회로와 전기적으로 각각 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 직렬변압기를 이용한 초전도 병렬회로.