[논문]고온초전도 SMES의 절연특성

천현권; 최재형; 곽동순; 김해종; 성기철; 윤문수; 김상현

doi:10.4313/jkem.2006.19.6.574

[국내논문] 고온초전도 SMES의 절연특성
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전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.6, 2006년, pp.574 - 578

천현권 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원) , 최재형 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원) , 곽동순 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원) , 김해종 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 성기철 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 윤문수 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 김상현 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원)

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Toward the practical applications, on operation of conduction-cooled HTS SMES at temperatures well below 77 K should be investigated, in order to take advantage of a greater critical current density of HTS and considerably reduce the size and weight of the system. Recently, research and development concerning application of the conduction-cooled HTS SMES that is easily movement are actively progressing in Korea. Electrical insulation under cryogenic temperature is a key and an important element in the application of this apparatus. Using multi wrapped copper by Polyimide film for HTS SMES, the breakdown characteristics of models for turn-to-turn, that is surface contact model, were investigated under ac and impulse voltage at 77 K. A material that is Polyimide film (Kapton) 0.025 mm thickness is used for multi wrapping of the electrode. Statistical analysis of the results using Weibull distribution to examine the wrapping number effects on breakdown voltage under at and impulse voltage in $LN_2$ was carried.

주제어

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문제 정의

이 같은 관점에서 본 연구는 최근에 관심을 끌고 있는 은피복 고온 초전도(HTS) 선재의 구조를 살펴보고 이와 유사한 모의도체를 제작하여 액체 N₂중에서 턴간 절연 파괴 전압에 미치는 권선법, 단부의 곡률 반경의 영향 등에 대하여 살펴보았다.

제안 방법

GFRP 시험용 용기에턴간절연 모델을 장착한 후 상용액체 Nz(77 K)를 주입하고 열적으로 충분히 안정시킨 후 교류(ac) 및 임펄스(impulse) 전압을 인가 하였다. AC전원은 최대 전압 100 kV이며, 전압상승률은 1 kV/sec이다.
절연 테이프의 겹침이 없는 평권은 butt gap이 없는 경우와 butt gap이 있는 경우로 하였다. butt gap이 있는 경우는 도체에 1회 권선 후 1 mm 간격을 두었으며, 절연테이프가 겹치는 중권의 경우는 중권율을 10-30 %로 1, 2 및 3층으로 권선하였다. 턴 간 절연 모델은 고온 초전도 선재를 모의하여 평각구리 테이프 선재에 절연물을 권선하여제작하고 극저온 절연 특성을 살펴보았다.
단부곡률반경을 측정하였다. 그리고 이러한 선재와 유사한 단부의 곡률 반경을 압연기를 사용하여 모의 제작하고 턴 간 절연파괴 전압에 미 치는 곡률반경의 영향을 조사하였다. 곡률 반경은 그림 2와 같이 선재 모서리의 상.
액체 N₂중에서 선재를 회전하여 수차례 측정이 가능한 점 접촉식의 경우는 직경 60 mm인 GFRP봉에 Kapton 으로 절연된 구리 테이프를 감고 한 점에서 접촉되도록 하였다.면접촉식 턴간 절연모델은 구리 테이프 선재(두께 0.3 mm, 폭 4 mm)에 Kapton 절연 테이프(두께 0.025 mm, 폭 10 mm)를 감고 2개의 구리선재를 접합시켰다. 접합길이는 100 mm 로 하였으며 면접촉을 좋게 하기 위하여 중앙과 양단을 Kapton 테이프로 압착시켜 묶었다.
본 연구에서는 고체 절연재료 중 Kapton을 이용하여 overlap 및 평권으로도체를 절연하여 면 접촉식으로 절연모델을 제작하고 턴 간절연 특성을 고찰하였다. 절연파괴 전압은 면접촉식 절연모델에서 ac 및 임펄스 전압에서 모두 낮게 나타났다.
그림 1 은 면접촉식 턴 간 절연 모델을 나타낸다. 액체 N₂중에서 선재를 회전하여 수차례 측정이 가능한 점 접촉식의 경우는 직경 60 mm인 GFRP봉에 Kapton 으로 절연된 구리 테이프를 감고 한 점에서 접촉되도록 하였다.면접촉식 턴간 절연모델은 구리 테이프 선재(두께 0.
그림 8은 재료에 따른 절연파괴 전계의 비교를 나타낸다. 재료는 본 실험실에서 개발한 Polyimide- epoxysilane의 전계강도와 상용 Kapton tape, kraft paper■를 비교하였다. 그림에서 알 수 있는 바와 같 °] Polyimide - epoxy silane 의 PDMS함량이 30 wt% 가 되었을 때의 전계 강도는 Kapton tape와 비슷하다는 것을 알 수 있으며, PDMS함량을 더 변화시키면 현재 상용화되어 있는 Polyimide인 Kapton tape보다 높은 절연 내력을 갖는 턴 간 절연물을 얻을 것으로 생각된다.
실험 횟수는 각각 8-10 회 정도이며 Weibull 확률분포로 처리하였다. 절연파괴 흔적은 절연 파괴 후 절연모델을 건조시키고 Kapton-S- 제거하여 확인하였다.
025 mm, 폭 10 mm)를 감고 2개의 구리선재를 접합시켰다. 접합길이는 100 mm 로 하였으며 면접촉을 좋게 하기 위하여 중앙과 양단을 Kapton 테이프로 압착시켜 묶었다. 또한 선재의 양쪽 끝은 단부에서 전계가 집중되는 것을 방지하기 위하여 곡률 반경을 50 mm로 하고 각 각고 전압 측과 접지측 전원에 연결하였다.
4690 mm 이다. 제작된 3가지 종류의 선재에 Kapton 테이프를 감고 면접촉식으로 턴간 절연을 하고 절연 특성을 조사하였다.
butt gap이 있는 경우는 도체에 1회 권선 후 1 mm 간격을 두었으며, 절연테이프가 겹치는 중권의 경우는 중권율을 10-30 %로 1, 2 및 3층으로 권선하였다. 턴 간 절연 모델은 고온 초전도 선재를 모의하여 평각구리 테이프 선재에 절연물을 권선하여제작하고 극저온 절연 특성을 살펴보았다. 그림 1 은 면접촉식 턴 간 절연 모델을 나타낸다.
곡률 반경은 그림 2와 같이 선재 모서리의 상.하부 및 중앙의 곡률반경을 각각 DI, D2 및 D3로 하였으며 에폭시로 선재를 몰딩한 후 현미경으로 측정하였다.

대상 데이터

그림 2. 곡률 반경이 다른 제작된 고온 초전도 선재.
국내외에서 연구개발되고 있는 고온초전도 선재의 단부곡률반경을 측정하였다. 그리고 이러한 선재와 유사한 단부의 곡률 반경을 압연기를 사용하여 모의 제작하고 턴 간 절연파괴 전압에 미 치는 곡률반경의 영향을 조사하였다.

데이터처리

2 X 50 Jisec의 표준 뇌임펄스(부극성)이다. 실험 횟수는 각각 8-10 회 정도이며 Weibull 확률분포로 처리하였다. 절연파괴 흔적은 절연 파괴 후 절연모델을 건조시키고 Kapton-S- 제거하여 확인하였다.
표 1. 턴간 절연 모델의 Weibull 통계치.

성능/효과

조사하면 그림 5와 같다. 즉 1층 절연의 경우 중앙의 butt gap에서 ac 절연 파괴 흔적이 나타나고 있으나 층수가 증가할수록 중앙에서 모서리 부위로 이동하는 것을 확인하였다. 임펄스의 경우는 층수에 관계없이 주로 중앙의 butt gap에서 절연 파괴되는 것을 확인하였다.

참고문헌 (7)

B. W. McConnell, 'Transformers-A successful application of high temperature super-conductors,' IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 10, No.1, p. 716, 2000

상세보기
H. M. Chang, 'Cryogenic cooling temperature of HTS transformers for compactness and efficiency', IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, No.2, p. 2298, 2003

상세보기
김영석, 곽동순, 한철수, 김해종, 김동욱, 김상현, 'Mini-model 초전도 케이블의 유전손설 특성', 전기전자재료학회논문지, 16권, 10호p. 946, 2003
곽동순, 김영석, 김해종, 조전욱, 김상현, '고온 초전도 케이블의 절연파괴 특성에 미치는 Butt-gap의 영향', 전기전자재료학회논문지, 17권, 3호, p 333, 2004

원문보기 상세보기
백승명, 정종만, 이현수, 한철수, 김상현, 'Double pancake coil형 고온초전도 변압기의 전기적 절연특성', 전기전자재료학회논문지, 16권, 2호, p. 151, 2003

원문보기 상세보기
Boom, R. W. and Peterson, H. A, 'Super-conducting energy storage for power system', IEEE Trans. MAG-8., Vol. 8, No.1, p. 701, 1972

상세보기
Buckles, W. E., Daugherty, M. A, Weber, B. R., and Kostecki, E. L., 'A commercial application of magnetic energy storage', IEEE Transactions on Applied Superconductivity., Vol. 3, No.1, p. 328, 1993

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