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분산전원의 계통 연계, 전력부하의 집중화 등으로 전력계통이 복잡해지고, 전기？전자 제품의 사용 확대로 전력수요가 증가함에 따라 사고전류는 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 전력환경 변화에 대비하여 전력계통의 안정화를 위한 대응방안으로 초전도 한류기의 사용이 부각되고 있다. 초전도 한류기는 정상상태에서는 임피던스가 없다가, 사고가 발생하면 스스로 임피던스를 발생시켜 전류를 제한하는 신개념의 전력기기이다. 본 논문에서는 최근 활발하게 상용화 연구가 진행되고 있는 2세대 고온 초전도 선재인 YBCO 선재를 이용한 초전도 한류기의 대용량화를 위해 요구되는 핵심 기술인 고온 초전도 코일의 직렬 연결에 필요한 설계 기술을 파악하기 위해 한류기 동작 시의 동시？치 및 안정화 기술을 확보하기 위한 특성을 실험하였다. YBCO 선재를 이용하여 대용량급 저항형 초전도 한류기를 개발하기 위해서는 필수적으로 선재를 권선한 한류모듈을 직병렬 연결하여야 한다. 현재까지의 고온 초전도 선재의 제조기술상 임계전류, n-value 등의 특성을 동일하게 제조하기도 어렵고, 동일하게 제조하였다 하더라도 ...

분산전원의 계통 연계, 전력부하의 집중화 등으로 전력계통이 복잡해지고, 전기？전자 제품의 사용 확대로 전력수요가 증가함에 따라 사고전류는 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 전력환경 변화에 대비하여 전력계통의 안정화를 위한 대응방안으로 초전도 한류기의 사용이 부각되고 있다. 초전도 한류기는 정상상태에서는 임피던스가 없다가, 사고가 발생하면 스스로 임피던스를 발생시켜 전류를 제한하는 신개념의 전력기기이다. 본 논문에서는 최근 활발하게 상용화 연구가 진행되고 있는 2세대 고온 초전도 선재인 YBCO 선재를 이용한 초전도 한류기의 대용량화를 위해 요구되는 핵심 기술인 고온 초전도 코일의 직렬 연결에 필요한 설계 기술을 파악하기 위해 한류기 동작 시의 동시？치 및 안정화 기술을 확보하기 위한 특성을 실험하였다. YBCO 선재를 이용하여 대용량급 저항형 초전도 한류기를 개발하기 위해서는 필수적으로 선재를 권선한 한류모듈을 직병렬 연결하여야 한다. 현재까지의 고온 초전도 선재의 제조기술상 임계전류, n-value 등의 특성을 동일하게 제조하기도 어렵고, 동일하게 제조하였다 하더라도 고온 초전도체가 세라믹 재료이므로 권선 과정에서 물리적 충격 등으로 인해 권선된 코일의 임계전류, n-value 특성이 변하기 쉽다. 이는 한류모듈 각각을 직렬 연결하였 때, 각 모듈의 ？치특성의 차이를 유발하고 한류모듈의 손상을 유발할 수도 있다. 따라서, 여러 형태의 YBCO 선재에 대한 특성비교를 통해 저항형 고온 초전도 한류기에 고온 초전도 선재를 적용하기 위한 기초실험을 실시하고, YBCO 선재 샘플을 직렬 연결한 경우에 사고전류 인가에 따른 ？치특성을 비교하였으며, 동시？치를 구현하기 위한 설계요소 파라미터를 확보하였다. 또한, 새로운 사고전류 제한 방식인 DC리액터와 저항 혼합형 초전도 한류기의 동작특성을 제안하였고, 이를 위한 YBCO 선재 코일의 직렬 연결 및 직류에서의 ？치특성을 비교하였다. 우선, 저항형 초전도 한류기에 사용될 수 있는 2세대 고온 초전도 선재인 344S 선재 및 SF 12050 선재에 대한 기초 특성실험 및 단락실험을 통해 YBCO 선재의 ？치특성을 이용한 사고전류 제한 효과를 확인하였고, 대용량급 저항형 초전도 한류기 설계를 위한 주요 요구사항을 고찰하였다. 2개의 344S 선재 샘플의 직렬 연결을 통한 단락실험과 magneto-thermal 수치 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 선재 샘플의 임계전류와 n-value 특성이 선재의 ？치특성에 미치는 영향에 대해 파악하고, 직렬 연결된 YBCO 선재 샘플들의 동시？치 요건을 도출하였다. 단락실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교해 보면, 사고전류가 낮을수록 직렬 연결된 YBCO 선재 샘플의 동시？치에 대한 임계전류와 n-value의 편차의 영향이 더 커지는 것을 알 수 있었다. 즉, 더 높은 사고전류가 직렬 연결된 선재의 한류모듈에 흐를수록 각각의 한류모듈이 가지는 임계전류, n-value의 편차와 동시？치와의 의존성이 줄어들게 되었다. 또한, 임계전류, n-value 특성값을 바탕으로 하는 시뮬레이션을 통해 직렬 연결된 한류모듈의 동시？치 조건을 도출할 수 있었다. 이를 대용량급 초전도 한류기 설계에 활용할 경우, 한류모듈의 직렬 연결을 위한 동시？치 및 전압 균등분배의 설계 파라미터로 활용할 수 있게 되었다. 한편, 직렬 연결된 YBCO 선재 샘플들의 비동시？치 동작과 불균등한 전압분배를 개선하기 위한 방법으로 션트저항의 사용가능성을 검증하기 위한 단락실험을 실시하였으며, 직렬 연결된 4개의 SF 12050 CC 샘플 각각에 션트저항을 사용할 경우, 직렬 연결된 CC 샘플에서 발생하는 ？치의 편차가 줄어들었음을 실험적으로 확인하였다. 단락실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였으며, 363mΩ의 션트저항 사용을 통해 직렬 연결된 4개의 SF 12050 샘플에서 발생하는 ？치의 균일도가 높아졌음을 확인하였다. 그러나, 션트저항의 사용이 초전도 한류기의 사고전류 제한 성능 감소를 유발하는 점을 고려할 필요가 있음을 알 수 있었다. 이러한 직렬 연결된 SF 12050 샘플의 단락실험을 통해 션트저항의 사용이 동시？치 및 전압 균등분배에 미치는 효과를 조사하였으며, ？치동작 안정화 기술로서 션트저항의 사용에 대한 적정성을 확인하였다. SF 12050 선재에 사고전류가 인가되는 기간 동안 발생하는 저항 및 온도에 대한 예측을 위해 FEM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험결과와의 비교？검증을 통해 SF 12050 선재에 과전류가 흐를 경우의 선재에 대한 과도 열해석 기술을 확보하였다. FEM을 이용한 시뮬레이션 결과가 실험 결과에 비교적 부합함을 확인하였고, 이러한 시뮬레이션 및 실험 결과는 2세대 고온 초전도 선재인 YBCO 선재를 이용한 저항형 초전도 한류기의 최적 설계에 도움을 줄 수 있다. 또한, 기존에 초전도 코일의 인덕턴스만으로 사고전류를 제한하던 DC리액터 초전도 한류기에 ？치에 따른 저항발생을 통한 사고전류 제한 기술을 접목함으로써, 새로운 사고전류 제한 방식인 DC리액터와 저항 혼합형 초전도 한류기의 동작특성을 제안하였고, 안정적 동작특성 확보를 위한 YBCO 선재 코일의 직렬 연결 및 직류에서의 ？치특성을 연구하였다. DC리액터？저항 혼합형 초전도 한류기는 동작특성상 사고전류가 저항형 초전도 한류기보다 상당히 완만한 추세로 증가하게 되어 초전도 코일의 ？치에 있어서도 상대적으로 안정적인 ？치특성을 가질 수 있다. 저항형 초전도 한류기의 경우 사고발생에 따라 임계전류 이상의 급격한 사고전류가 증가하여 첫 번째 사이클에서 초전도 코일이 ？치가 발생하고 ？치가 확대됨에 따라 점차적으로 사고전류 제한효과가 커지는 특성을 가지나, 시뮬레이션 결과를 볼 때 DC리액터？저항 혼합형 초전도 한류기는 저항형 한류기가 가진 사고전류 제한에 대한 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 2세대 초전도선재를 이용한 기초특성 실험과 한류모듈의 직렬 연결을 위한 기초개념 설계를 연구함으로써, 2세대 초전도 선재를 이용한 대용량급 초전도 한류기 개발을 위한 설계요소 기술을 확보할 수 있었다.

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