[논문]전도냉각에 의한 1.2 KV/80 A급 유도형 고온초전도 한류기의 설계, 제작 및 테스트에 관한 연구

강형구; 전우용; 이승제; 안민철; 배덕권; 윤용수; 고태국

문제 정의

본 연구에서는 L2 kV/80 A 급 전도냉각 방식의 초전도 한류기 시스템을 설계, 제작하여 실험을 수행하였다. 여기에서 thermal link는 극저온냉동기의 1단과 고온 초전도 선재의 전류도입 부를 연결해 주며, 고온초전도선 재의 전류도입부는 thermal link를 통해서 40 K까지 냉각된다.
본 연구에서는 DC리액터를 설계 및 제작하여 유도형 초전도 한류기에 설치하는 방법을 소개하였다. 또한 전 도냉각의 개념과 방법에 대해 자세하게 기술하였다. 설계 방법, 접합 방법, 권선 방법, 열전도와 관련된 초전도 선재의 절연, 전기적 절연, 열적 절연, 전도냉각시스템의 결합 등과 관련된 여러 기술과 함께 실험 결과에 대하여 설명하였다.
또한 전 도냉각의 개념과 방법에 대해 자세하게 기술하였다. 설계 방법, 접합 방법, 권선 방법, 열전도와 관련된 초전도 선재의 절연, 전기적 절연, 열적 절연, 전도냉각시스템의 결합 등과 관련된 여러 기술과 함께 실험 결과에 대하여 설명하였다. 전도 냉각시스템은 고온초전도선재의 임계 전류를 극저온 특성에 의해 현저하게 증가시킬 수 있으므로 DC리액터를 냉각하는데 사용되었다.
[2] 자속밀도의 방향에 따른 고온초전도선재의 임계전류를 예측하는 방법에 대하여 연구하였다.
[3] 전도냉각시스템이 적용된 초전도 한류기의 DC리액 터 보빈의 설계 및 제작 방법에 대하여 소개하였다.
본 연구에서는 DC리액터를 설계 및 제작하여 유도형 초전도 한류기에 설치하는 방법을 소개하였다. 또한 전 도냉각의 개념과 방법에 대해 자세하게 기술하였다.

가설 설정

[6] 전도냉각시스템은 열적 외란과 급격한 전류의 변화에 민감하여 안정화하기가 힘들다.

제안 방법

그리고 DC 리액터는 인덕턴스에 의해 사고전류를 제한하여준다. 그림 1은 유도형 초전도 한류기의 개략도이다 본 연구에서는 전도냉각방식을 적용한 DC 리액터를 설계, 제작하여 1.2 kV/80 A 급 초전도 한류기의 단락실험을 수행하여 결과를 살펴보았다.
그러므로 DC 리액터를 제작하기 위해서 4개의 강화 초전도 선재를 접합해야 한다. 우선 SUS 3151/] 강화 초전도 선재의 모 재보다 더 높은 저항을 가지고 있으므로 초전도선재의 접합부의 SUS 315L을 벗겨내고 사포와 알코올을 사용하여 선재에 남아있는 잔여물을 제거한 후 PbSn 액상솔 더를 사용하여 340 ℃의 열을 가하여 선재를 접합하였다.
선재 접합 후 접합된 선재의 임계전류를 측정해 보았다. 선재의 임계전류값은 부분적으로 조금씩 달랐으며 최소 115 A에서 최대 134 A를 유지하는 것으로 측정되었다.
DC리액터의 인 덕턴스는 선재의 길이와 DC리액터의 모양에 가장 크게 의 존한다. 1.2 kV/80 A 급 유도형 한류기 의 DC리 액터 는 제작이 쉽고 인덕턴스를 쉽게 증가시킬 수 있는 더블 팬 케익형 코일로 제작하였다. 퀜치는 전력계통에 심각한 손상을 가져 오거나 안정 성을 해 칠 수 있으므로 DC리 액 터는 전력계통의 안정성을 위해서 초전도 상태에서 운전 되어야 한다.
따라서 DC리액터 설계에서 안정성과 효율은 중요한 요소이다. Newtonian 방법에 의해 사고전류를 제한 하기 위한 적절한 인덕턴스 값을 구하였고 FEMLAB를 이용하여 주어진 형상에 대하여 인덕턴스와 DC리액터의 임계전류를 시뮬레이션 하였다 [1]. Newtonian 방법에 의해 구해진 1.
각 더블 팬케익 코일은 극저온에서의 온도변화에 대한 기계적 강도가 뛰어나고 전기적 절연성이 뛰어난 G-10으로 싸여있는 구리 보빈에 권선하였으며 구리 보빈은 와전류 생성을 막기 위해 4부분으로 나누어 각각을 절연 물질로 분리하였다. DC리 액터용 보빈의 바깥지름은 400 mm, 높이는 52 mm 이다.
본 연구에서 실험적으로 찾은 장력의 최적값은 1~L5 kg-f이었다. [2]

200 A 급 DC 리액터를 제작을 위하여 DC 리액터 끝부분에서의 수직한 방향 자속밀도를 계산하여 20 K에서 자속밀도 방향에 따른 임계전류의 특성을 비교하였다. 자속밀도 방향에 따른 임계전류의 특성 표는 제조사에서 제공해주는 값을 사용하였으며, 시뮬레이션을 이용해 구한 DC 리액터에서의 임계전류는 200 A였고 DC리 액터의 끝부분에서 수직한 방향의 최대 자속밀도는 약 1.
이 시뮬레이션 결과를 그림 3에 나타내었다. 강화 초전도 선재 위에는 같은 너비의 켑톤테이프를 붙였으며 더블 팬케익 코일 사이에는 절연을 위해 GT0으로 만들 어진 스페이서를 삽입하였고 구리 보빈 사이에는 열전도가 잘되도록 인듐을 발랐다.
더블 팬케익 코일형 DC 리액터는 큰 자속밀도를 가지므로 임계전류가 크지 않다. 약 20 K 온도의 환경에서 DC 리액터를 동작시키기 위해서 GM 냉동기를 사용하여 냉각을 하였다. 강화 초전 도선 재의 임계전류는 AMSC사에서 제공한 특성 표에 의해 20 K에서는 77 K보다 대략 5배 정도 더 커지게 되므로 초전도 시편의 임계전류는 20 K에서 약 570 A가 된다.
thermal anchor는 적층된 무산소동 박판을 통해서 2단으로부터 DC리액터를 20 K 까지 냉각한다. 또한 thermal anchor는 극저온에서 변형될 수 있으므로 무산 소동 박판을 적 층하여 DC리 액터와 냉동기의 2단을 연결하였다. current linker는 전류도입부에서 DC 리액터로 직류 전류를 수송해준다.
DC리 액터는 다른 열적인 외란 이 없을 경우 20 K으로 냉각되었는데 그 결과는 그림 6에 나타내었다. 또한 동시에 DC리 액터의 임계전류를 측정하기 위해 수송전류를 홀릴 경우의 냉각 특성을 보았다.
DC 리액터의 전류 제한 특성을 확인하기 위해서 단락실험을 수행하였다. 표 4는 단락실험의 정격이다.

대상 데이터

DC 리액터를 제작하는데 Bi-2223 고온초전도 선재가 사용되었다. 이 선재는 AMSC사에서 제작하였으며, 얇은 SUS 315L로 강화된 선재이다.
DC 리액터를 제작하는데 Bi-2223 고온초전도 선재가 사용되었다. 이 선재는 AMSC사에서 제작하였으며, 얇은 SUS 315L로 강화된 선재이다. 표 1에서 이 선재의 사양을 나타내었다.
200 A 급 DC 리액터를 제작을 위하여 DC 리액터 끝부분에서의 수직한 방향 자속밀도를 계산하여 20 K에서 자속밀도 방향에 따른 임계전류의 특성을 비교하였다. 자속밀도 방향에 따른 임계전류의 특성 표는 제조사에서 제공해주는 값을 사용하였으며, 시뮬레이션을 이용해 구한 DC 리액터에서의 임계전류는 200 A였고 DC리 액터의 끝부분에서 수직한 방향의 최대 자속밀도는 약 1.38 T였다. 이 시뮬레이션 결과를 그림 3에 나타내었다.

성능/효과

선재 접합 후 접합된 선재의 임계전류를 측정해 보았다. 선재의 임계전류값은 부분적으로 조금씩 달랐으며 최소 115 A에서 최대 134 A를 유지하는 것으로 측정되었다. 또한 다음의 실험에서 사용된 접합을 하지 않은 선 재의 임계전류는 134 A 이었으며, 접합된 선재의 임계전류는 약 85 %인 115 A로 감소하였다.
AMSC사에서 제공하는 온도에 대한 임계전류의 곡선으 로부터 DC리액터의 임계전류는 30 K에서 약 150 A 정도로 추정될 수 있었다. DC 리액터의 목표 임계전류 값은 약 200 A였다.
그러므로 hall current transducer에 의한 간접적 인 측정 방법보다는 션트 저항을 사용하여 직접적으로 사고전류를 감지하는 방법이 필요하다. 그러나 본 실험을 통해서 DC리 액터를 사용한 유도형 초전도 한류기에서 사고전류의 제 한 특성을 확인할 수 있었다.
[5] 극저온에서 나타나는 DC리액터의 열적 불안정성은 주로 flux flow state에서 가해지는 전류의 크기, 전류의 급격한 증가율, 직류전류의 리플, thermal anchor의 부족한 열용량에 의해 발생되는 것으로 판단된다.
[7] 유도형 고온초전도 한류기는 안정한 상태에서 사고 전류를 효과적으로 제한할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 고온초전도 DC리액터의 온도증가는 초전 도 한류기에 복잡한 문제를 발생시켰고, 한류기의 성능을 저하시켰다. 이와 같은 문제가 있었음에도 154 kV/2 kA급 유도형 고온초전도 한류기에 적용할 수 있는 몇 가지 긍정적인 결론을 얻을 수 있었다.

후속연구

이와 같은 문제가 있었음에도 154 kV/2 kA급 유도형 고온초전도 한류기에 적용할 수 있는 몇 가지 긍정적인 결론을 얻을 수 있었다. 즉, 유도형 한류기 용 냉각시스템의 열적 안정성과 DC리액터의 임계전류값 향상을 위해서는 전도냉각방식 시스템을 대신한 극저온 냉동기를 이용한 과냉질소 시스템을 고려해야 하며, 발 생자장값이 국부적으로 집중되며 열전달 특성이 안 좋은 더블 팬케익 형식의 DC리액터를 대신한 열전달 특성이 우수한 보다 큰 직경의 솔레노이드 형식의 DC리액터에 대한 연구가 진행되어져야 한다. 이에 따라 솔레노이드 형식의 DC리액터와 과냉질소 냉각시스템을 이용한 유도 형 고온초전도 냉각장치의 개발에 관한 연구가 이루어졌 으며, 그 결과는 추후 관련 논문에 게재할 예정이다.
즉, 유도형 한류기 용 냉각시스템의 열적 안정성과 DC리액터의 임계전류값 향상을 위해서는 전도냉각방식 시스템을 대신한 극저온 냉동기를 이용한 과냉질소 시스템을 고려해야 하며, 발 생자장값이 국부적으로 집중되며 열전달 특성이 안 좋은 더블 팬케익 형식의 DC리액터를 대신한 열전달 특성이 우수한 보다 큰 직경의 솔레노이드 형식의 DC리액터에 대한 연구가 진행되어져야 한다. 이에 따라 솔레노이드 형식의 DC리액터와 과냉질소 냉각시스템을 이용한 유도 형 고온초전도 냉각장치의 개발에 관한 연구가 이루어졌 으며, 그 결과는 추후 관련 논문에 게재할 예정이다.

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