이방욱
(Elecrotechnology R&D center, LS Industrial Systems)
,
박권배
(Elecrotechnology R&D center, LS Industrial Systems)
,
강종성
(Elecrotechnology R&D center, LS Industrial Systems)
,
김호민
(Elecrotechnology R&D center, LS Industrial Systems)
,
오일성
(Elecrotechnology R&D center, LS Industrial Systems)
,
심정욱
(Korea Electric Power Research Institute)
,
현옥배
(Korea Electric Power Research Institute)
High critical current density, high n value, multiple faults endurances, and fast recovery characteristics of YBCO thin films are very attractive characteristics for developing resistive type superconducting fault current limiters. But due to the limited current and voltage ratings of one YBCO modul...
High critical current density, high n value, multiple faults endurances, and fast recovery characteristics of YBCO thin films are very attractive characteristics for developing resistive type superconducting fault current limiters. But due to the limited current and voltage ratings of one YBCO module, it is needed to construct series and parallel module connections for high capacity electric networks. Especially for distribution network, more than 30 units should be connected in series to meet voltage level. So in order to construct distribution-level superconducting fault current limiter, simultaneous quench in one YBCO thin films should be realized, and furthermore, quench should be occurred in all fault current limiting units equally to avoid local heating and failures. In this paper, we proposed optimum design of YBCO thin films for fault current limiting module and technical method using shunt resistor to achieve simultaneous quench between multi current limiting units. From the analytical and the experimental results, optimal current path and thickness of shunt material was determined for YBCO thin films and shunt resistor between modules was developed. Finally, 14 kV one phase resistive fault current limiter using multi YBCO thin films was constructed and it was possible to get satisfactory test results.
High critical current density, high n value, multiple faults endurances, and fast recovery characteristics of YBCO thin films are very attractive characteristics for developing resistive type superconducting fault current limiters. But due to the limited current and voltage ratings of one YBCO module, it is needed to construct series and parallel module connections for high capacity electric networks. Especially for distribution network, more than 30 units should be connected in series to meet voltage level. So in order to construct distribution-level superconducting fault current limiter, simultaneous quench in one YBCO thin films should be realized, and furthermore, quench should be occurred in all fault current limiting units equally to avoid local heating and failures. In this paper, we proposed optimum design of YBCO thin films for fault current limiting module and technical method using shunt resistor to achieve simultaneous quench between multi current limiting units. From the analytical and the experimental results, optimal current path and thickness of shunt material was determined for YBCO thin films and shunt resistor between modules was developed. Finally, 14 kV one phase resistive fault current limiter using multi YBCO thin films was constructed and it was possible to get satisfactory test results.
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문제 정의
본 논문에서는 YBCO 박막 소자를 이용한 14kV급 초전도 한류기 개발 전반에 관하여 다루고자 한다.
본 논문에서는 14 kV급 단상 한류기 개발에 사용된 YBCO 박막 초전도 한류 소자 및 직렬연결을 통한 용량 향상 방법, 그리고 단락 시험을 통한 성능 검증에 관해 집중적으로 다루고자 한다.
저항형 초전도 한류기에 사용되는 YBCO 박막 소자의 최적 형상을 얻기 위해, 전자계 해석연구, 고속 카메라를 이용한 퀜치 특성 연구 및 수십 번의 퀜치 상황에 대한 열화 방지 방안 등을 고려하여 4인치 YBCO 박막의 최적 형상을 구하였으며 이에 대한 연구 결과는 이미 발표한 바 있다. [5], 최종 개발된 4인치 YBCO 박막의 최종 사양은 표 1과 같다.
본 논문에서는 4인치 YBCO 박막을 이용하여 직렬 및 병렬 연결을 통하여 구성된 14 kV/100A급의 초전도 한류기 개발에 관하여 소개하였다. 14 kV급 초전도 한류기는 삼상으로구성시 우리나라의 24 kV급 배전 계통에 투입될 수 있는 용량을 갖춘 것으로, 향후 변압기보호용, bus-tie 연결용, 분산 전원 보호용 및 선박 등의 단독 전원 보호용으로 효과적으로 적용될 수 있으리라 예상된다.
제안 방법
3 (a)). 동일한 션트 저항의 크기는 YBCO 박막 모듈의 특성을 고려하여 산정되었으며, 션트 저항으로는 Ni/Cr 테이프를 이용하여 23 Q의 저항 소자를 제작하였다. 상기 저항 소자는 77 K 사용시 온도에 따른 저항 변화가 없으며 충분한 열 용량을 확보할 수 있도록 설계하였다.
동일한 션트 저항의 크기는 YBCO 박막 모듈의 특성을 고려하여 산정되었으며, 션트 저항으로는 Ni/Cr 테이프를 이용하여 23 Q의 저항 소자를 제작하였다. 상기 저항 소자는 77 K 사용시 온도에 따른 저항 변화가 없으며 충분한 열 용량을 확보할 수 있도록 설계하였다. 모듈 구성도는 그림 3 (b) 에나타나 있다.
최종 설계 및 제작 완료된 14 kV/100 A급 초전도 한류기를 대상으로 LS산전 PT&T 공인시험 센터에서 단락 성능 시험을 실시하였다. 시험은 단락 전류 1 kArms~10 kAms 영역에서 반복 성능 시험을 실시했고, 최종적으로 10 kAms 3회 시험을 실시하였다.
실시하였다. 시험은 단락 전류 1 kArms~10 kAms 영역에서 반복 성능 시험을 실시했고, 최종적으로 10 kAms 3회 시험을 실시하였다. 시험 회로의 구성도는 그림 5에 표시되어 있으며, 모듈1, 모듈2, 모듈 3로 계측 요소를 분리하여 각 모듈간 동시 퀜치 여부를 관측하였으며, 전체적인 한류 성능을 측정하였다.
시험은 단락 전류 1 kArms~10 kAms 영역에서 반복 성능 시험을 실시했고, 최종적으로 10 kAms 3회 시험을 실시하였다. 시험 회로의 구성도는 그림 5에 표시되어 있으며, 모듈1, 모듈2, 모듈 3로 계측 요소를 분리하여 각 모듈간 동시 퀜치 여부를 관측하였으며, 전체적인 한류 성능을 측정하였다.
본 연구에서는 각 소자에 병렬로 동일한 크기의 션트 저항을 취부하는 방식을 개발하여 제작하였다(그림 3 (a)). 동일한 션트 저항의 크기는 YBCO 박막 모듈의 특성을 고려하여 산정되었으며, 션트 저항으로는 Ni/Cr 테이프를 이용하여 23 Q의 저항 소자를 제작하였다.
성능/효과
본 논문에서 제시하고 있는 14 kV 단상 한류기 개발을 위해서도 24개 이상의 YBCO 박막 소자의 직렬 연결이 필요한데, 이 많은 소자가 단락 전류 유입시 동시에 반응하여 골고루 저항을 발생시켜야 만이 한류 소자의 파괴 및 열적 손상없이 한류기 성능을 발휘할 수 있게 된다.
모듈 구성도는 그림 3 (b) 에나타나 있다. 상기 션트 저항을 연결하여 다수의 YBCO 소자를 직렬 연결하여 시험을 실시하였으며, 그 결과 직렬 연결시 동시 퀜치 및 전압 분배가 원활이 일어남을 확인하였다.
있다. 각 모듈의 전압 peak치는 모듈별로 거의 일정하게 나타났고 그 값은 6.8 kVgak 로측정되었다.
즉 각 모듈에서 퀜치시 초전도가 상전 도로 전이 시 발생하는 저항이 일정하게 생성되어, 각 모듈이 감당하는 전압도 균일하게 배분되었음을 확인할 수 있다.
시험 결과 각각의 단락 전류에 대해 초전도 한류기의 동작 성능은 유사하였으며, 단락 전류 인가치가 클수록 동작 시간은 더 빨라지며, 제한 전류의 peak치는 약간씩 올라가는 경향을 보여주고 있다.
이러한 결과는 초전도 한류기의 YBCO 박막의 반응 시간이 단락 전류가 커짐에 따라 더 빨리 반응하여 더 큰 저항을 발생함에 따라 이루어지는 것으로, 초전도 한류기의 특성상 단락 전류의 크기에 상관없이 전체적으로 초전도 한류기가 단락 전류 발생시 감당하는 에너지는 일정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다. 즉 이러한 특성으로 말미암아 초전도 한류기는 단락 전류의 크기에 상관없이 계통의 전압, 전류 정격만 맞추어 주면 사용할 수 있는 효과적인 단락 전류 제한기의 역할을 수행할 수 있다는 것을 보여 주는 것이다.
후속연구
어려움을 겪어 왔다. 그러나 액체 질소를 냉매로 사용 가능한 고온 초전도체가 발견되면서, 이 새로운 소자의 비선형적인 전압-전류 특성을 적용한 가격 경쟁력을 갖춘 상용화 초전도 한류기의 개발 가능성이 제시되어 현재, 세계 유수 전력 기기 메이커에서도 경쟁적으로 초전도 한류기 개발에 뛰어들고 있으며, 향후 5년 내에 전력 계통에 실적용 가능한 한류기개발이 이루어지리라 예상하고 있다. [1, 2, 3].
이러한 초전도 한류기가 배전급 및 향후 송전 급 계통에 적용된다면, 실제 계통의 단락 전류는 빠른 시간 내에 효과적으로 제한 가능하므로, 기존 노후된 차단기의 교체 주기 증가 및 단락 사고시 인접 선로의 파급 효과 축소, 정전 범위 축소 등 많은 장점을 제공할 것으로 사료된다.
14 kV급 초전도 한류기는 삼상으로구성시 우리나라의 24 kV급 배전 계통에 투입될 수 있는 용량을 갖춘 것으로, 향후 변압기보호용, bus-tie 연결용, 분산 전원 보호용 및 선박 등의 단독 전원 보호용으로 효과적으로 적용될 수 있으리라 예상된다. 초전도 한류기의 실용화를 앞당기기 위해서는 경제성 및 장기신뢰성 확보, 고압 절연 성능 확보를 위한 지속적 연구가 이루어져야 할 것이다.
14 kV급 초전도 한류기는 삼상으로구성시 우리나라의 24 kV급 배전 계통에 투입될 수 있는 용량을 갖춘 것으로, 향후 변압기보호용, bus-tie 연결용, 분산 전원 보호용 및 선박 등의 단독 전원 보호용으로 효과적으로 적용될 수 있으리라 예상된다. 초전도 한류기의 실용화를 앞당기기 위해서는 경제성 및 장기신뢰성 확보, 고압 절연 성능 확보를 위한 지속적 연구가 이루어져야 할 것이다.
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