[논문]고온초전도 시스템 냉각용 고화질소의 기초 절연 특성

최재형; 최진욱; 이해근; 송정빈; 김해종; 성기철; 김상현

고온초전도 시스템 냉각용 고화질소의 기초 절연 특성
The Basic Insulation Characteristics of Solid-Nitrogen for Cryocooling of HTS Systems 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.1, 2009년, pp.132 - 136

최재형 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원) , 최진욱 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원) , 이해근 (고려대학교 신소재공학부) , 송정빈 (고려대학교 신소재공학부) , 김해종 (한국전기연구원 초전도연구센터) , 성기철 (한국전기연구원 초전도연구센터) , 김상현 (경상대학교 전기공학과 및 공학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, for improvement of the magnetic field of high temperature superconductor (HTS) apparatus, many studies investigating on operating in the range of $20{\sim}65\;K$ with liquid helium or the conducting method using cryocooler are actively reviewed. Also, the cooling method using solid nitrogen as cryogen is being suggested. Since the nitrogen has very large specific heat in solid state, it is expected that it can be operated for a long time without a continuous supply of cooling energy. However, there are still insufficient data on the characteristics of solid nitrogen such as thermodynamic properties and liquid-solid phase change. Especially, there was almost no study done on the electrical insulation properties of solid nitrogen so far. In this study, solid nitrogen to find the electrical characteristics was made by using cryocooler and cryostat, and investigated the flashover discharge and breakdown. The results of this study will be useful as a basic data for electrical insulation design of the HTS system using solid nitrogen as cryogen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 액체질소와 고화질소의 절연특성을 비교하기 위하여 77 K부터 55 K까지 온도를 변화시키며 실험하였다. 또한 전압종류 및 전극간격에 따른 관통절연파괴 특성에 대해 조사하고, GFRP 표면에서의 고화질소의 연면방전 특성에 대하여 조사하였다.
이에 본 논문에서는 고온초전도 기기의 새로운 극저온 냉매로 관심을 받고 있는 고화질소에 대한 전기 절연 특성에 관하여 조사하였다.
이에 본 논문에서는 고온초전도 기기의 새로운 극저온 냉매로 관심을 받고 있는 고화질소의 관통파괴 특성과 연면방전 특성에 대한 기초 절연 특성에 관하여 조사하였다.

제안 방법

또한 전압종류 및 전극간격에 따른 관통절연파괴 특성에 대해 조사하고, GFRP 표면에서의 고화질소의 연면방전 특성에 대하여 조사하였다.
온도의 측정은 T형 열전대를 사용하였으며 열전대의 접 점은 모의전극계와 냉각판으로부터 같은 높이에 측면으로 10 mm 이격한 거리에 설치하였다. 설정한 온도로 냉각되면 냉동기를 끈 후 절연 시험을 행하였으며, 전압상승률은 IEC 60243을 참고하여 1 kV/sec의 속도로 인가하였다[7].
하나는 액체질소가 담긴 극저온용기를 감싸고 있는 냉각코일에 액화헬륨을 순환시켜 냉각하는 방식이고, 다른 하나는 극저온 냉동기를 사용하여 냉각하는 방식이다[5-6]. 액화헬륨을 사용한 방법이 보다 더 간단하고 고전적인 방법이나, 본 연구에서는 온도특성을 조사하기 위하여 온도설정이 가능하도록 극저온 냉동기를 사용한 냉각방식을 적용하였다.

대상 데이터

절연 시험을 위한 전압공급원은 AC 및 DC를 사용하였으며 최대출력전압은 각각 100 kV이다. 고화질소의 관통파괴를 모의한 전극 계는 스테인레스강 재질의 직경 10 mm의 구-구 전극을 사용하였으며 , 연면방전용 전극계는 스테인레스강 테이프로 된 단부의 예각이 60°, 곡률반경 25 ㎛인 삼각전극과 길이 30 mm, 곡률반경 10 mm인 평판 전극을 극저온 절연재료로 많이 사용하는 유리 섬 유강화플라스틱 (glass fiber reinforced plastics : GFRP) 플레이트 표면에 부착하여 제작하였다[5].
)로 냉각판의 최대도달 냉각온도는 40 K 정도이다. 극저온 용기는 높이 600 mm, 내경 300 mm인 스테인레스강 용기로 제작되었으며 열의 침입을 막기 위하여 진공으로 된 열절연층으로 구성된다. 상부 플랜지에는 냉동기, 질소 충전부 및 고전압 인가부가 연결되어 있다.
극저온에서의 고화질소의 전기절연특성을 연구하기 위한 실험 장치는 크게 냉동기와 극저온 용기, 전압공급원, 전극계 등으로 구성되며, 그림 1에 실험장치의 구성도 및 사진을 나타냈다.
기화된 액체질소를 보충한 뒤 냉동기를 작동하였다. 온도의 측정은 T형 열전대를 사용하였으며 열전대의 접 점은 모의전극계와 냉각판으로부터 같은 높이에 측면으로 10 mm 이격한 거리에 설치하였다. 설정한 온도로 냉각되면 냉동기를 끈 후 절연 시험을 행하였으며, 전압상승률은 IEC 60243을 참고하여 1 kV/sec의 속도로 인가하였다[7].

성능/효과

69 K(과냉각질소)의 온도에서는 절연파괴전압은 17 kV로 다소 증가하였으나 액체질소에 비해 오차가 크게 나타났다. 그리고 고화영역인 55 K(고화질소)에서는 액체 상태보다 약간 더 높은 절연파괴전압을 확인할 수 있었으며, 오차도 비교적 적었다. 이와 같은 결과는 온도가 낮아짐에 따른 질소의 열적인 안정화와 상변화에 기인한 것으로 사료된다.
냉각 판과 전극계 및 온도센서까지 충분히 고화된 것을 확인할 수 있었으며, 절연특성 시험을 위한 고화질소 제작이 성공적으로 수행되었음을 알 수 있다.
온도의 변화에 따른 절연 특성은 액체질소 상태인 77 K 을 기준으로 과냉각되면 절연파괴 전압이 증가하며 안정화하는 것을 알 수 있었다, 그러나 오차범위가 고화질소 파괴전압에서 액체질소 파괴전압에 이르기까지 매우 큰 것을 확인하였다. 질소의 고체 영역인 55 K에서의 절연파괴전압은 열적인 안정성을 확보하여 작은 오차범위에서 높은 절연파푀전압을 나타냈다.
그림에서 알 수 있듯이 액체질소와 과냉각질소, 고화질소의 절연파괴전압과 온도에 따른 경향 및 오차 등이 AC 절연파괴 특성과 매우 유사한 것을 알 수 있다. 일반적으로 AC에 비해 DC의 절 연파괴전압이 약 1.4~1.5배 정 도높은 것으로 알려져 있는데, 본 실험에서는 약 1.3배 정도 높은 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 실험장비의 성능으로 인해 55 K 이하의 온도에서의 절연파괴시험은 할 수 없었으나, 고화질소의 상변태 온도 영역인 35.
곡선을 나타낸다. 전극 간격이 0.15 mm에서 0.3 mm로 2 배로 될 때, 절연파괴 전압도 약 2배 정도 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 전극 간격을 두 가지의 경우만 제시하였으나, 현재 진행되고 있는 연구와 향후 추가 연구들을 통해 다양한 전극 간격에서의 절연데이터를 확보하고 이를 통해 고화질소를 냉매로 사용하는 초전도기기의 절연설계를 위한 기초 데이터로 활용할 예정이다.

후속연구

6 K[8-9] 이하의 온도에서의 절연파괴 특성에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다. 77 K의 액체질소와 과냉각질소같이 같은 액체 상의절연파괴 특성이 서로 다른 것처럼, 55 K의 고화질소와 더 낮은 온도에서의 고화질소의 절연 특성에 대한 비교 연구와 특히, 35.6 K 이하의0상 고화질소의 절연특성 연구를 통해 새로운 절연특성 결과를 기대할 수도 있을 것으로 사료된다.
따라서 향후 상비보완 및 시험환경의 향상을 통해 상변태 온도영역에서의 절연특성 연구 및 절연파괴로 인한 균열이 사기회복에 필요한 소요시간에 관한 연구를 진행할 계획이며, 고화질소 중에서의 여러가지 절연재료들의 절연 특성에 대한 연구도 수행할 예정이다.
6 K 이하의 온도에서의 절연파괴 특성에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다. 또한 자기회복에 필요한 시간에 관한 연구도 반드시 이루어져야 할 것으로 사료된다.
3배 정도 높은 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 실험장비의 성능으로 인해 55 K 이하의 온도에서의 절연파괴시험은 할 수 없었으나, 고화질소의 상변태 온도 영역인 35.6 K[8-9] 이하의 온도에서의 절연파괴 특성에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다. 77 K의 액체질소와 과냉각질소같이 같은 액체 상의절연파괴 특성이 서로 다른 것처럼, 55 K의 고화질소와 더 낮은 온도에서의 고화질소의 절연 특성에 대한 비교 연구와 특히, 35.
3 mm로 2 배로 될 때, 절연파괴 전압도 약 2배 정도 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 전극 간격을 두 가지의 경우만 제시하였으나, 현재 진행되고 있는 연구와 향후 추가 연구들을 통해 다양한 전극 간격에서의 절연데이터를 확보하고 이를 통해 고화질소를 냉매로 사용하는 초전도기기의 절연설계를 위한 기초 데이터로 활용할 예정이다. 그러나 그림 4~7의 실험 결과를 통해 고화질소가 액체질소에 비해 우수한 절연 특성을 가진 것을 확인하였다.
본연구에서는 실험장비의 성능으로 인해 50 K 이하의 온도에 서 의 절연파괴 시 험은 할 수 없었으나, 고화질소의 a- β 상변태 온도 영역인 35.6 K 이하의 온도에서의 절연파괴 특성에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다. 또한 자기회복에 필요한 시간에 관한 연구도 반드시 이루어져야 할 것으로 사료된다.
고화질소로 자기회복 하는데 특정 시간이 필요하며 그 시간이 경과 하면 다시 좋은 절연 특성을 나타냈다. 이러한 결과를 통해 고화 질소 온도 영역에서의 초전도 기기의 운전은 특히 주의하고, 절연을 보강해야 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

이해근. '고온초전도 전자기 마그넷을 위한 새로운 개념의 냉각 시스템', 초전도와 저온공학, Vol. 2, No. 2, pp. 27-36, 2000

원문보기 상세보기
S. S. Oh, 'Development of Solid-Nitrogen cooled HTS Magnets', Proceeding of KIASC Annual Meeting. pp. 19-22, 2000
P. Hales, P. Hirst, S. Milward, S. Harrison, and H. jones, 'A Solid-Mitrogen Cooled High-Temperature Supercond-ucting Magnet for Use m Magnetohydrodynamic Marine Propulsion', IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 16, No.2, pp. 1419-1422, 2006

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변정주, 이윤숙, 장호명, '극저온 냉동을 위한 액체질소의 응고 실험 및 해석', 대한설비공학회 동계학술발표회 논문집, pp. 105-110, 2001
S. M. Baek, J. M. Joung and S. H. Kim, 'Effects of Temperature and Pressure on the Breakdown Charac- teristics of Liquid Nitrogen', KIEE International Trans. on EA, Vol. 3, No.5, pp. 171-176, 2003
B. J. Haid, H. Lee, Y. Iwasa, S. S. Oh, Y. K. Kwon and K. S. Ryu, 'A 'permanent' high-temperature supercon-ducting magnet operated in thermal communication with a mass of solid nitrogen', Cryogenics, Vol. 42, pp. 229-244, 2002

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J. Bascunan. H. Lee, E. S. Bobrov, S. Hahn, and Y. Iwasa, 'A 500 MHz/200 mm RT Bore Solid Neon Cooled $\text Nb_3Sn$ MRI Magnet- A Status Report', IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 16, No.2, pp. 1535-1538, 2006

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IEC 60243-1, 'Electrical strength of insulation materials-Test methods-Part 1: Test at power frequencies', 1995
W. Yao, J. Bascunan, W.S. Kim, S. Hahn, H. Lee, and Y. Iwasa, 'A Solid Nitrogen Cooled MgB2 'Demonstration' Coil for MHI Applications', IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 18, No.2, pp. 912-915, 2008

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B. Haid, H. Lee, Y. Iwasa, S.S. Oh, H.S. Ha, Y.K. Kwon, K.S. Ryu 'Stand-Alone Solid Nitrogen Cooled 'Permanent' High-Temperature Superconducting Magnet System', IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 11, No. 1, pp. 2244-2247, 2001

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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