[논문]다양한 선재 조합에 따른 이종 초전도 스위치의 특성 실험 및 분석

이지호; 김영재; 나진배; 최석진; 장재영; 황영진; 김진섭; 고태국

doi:10.9714/psac.2011.13.1.031

다양한 선재 조합에 따른 이종 초전도 스위치의 특성 실험 및 분석
Experimental and Analytical Studies on the Characteristics of Fast Switch in Combinations of Various Superconducting Tapes 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.13 no.1, 2011년, pp.31 - 35

이지호 (연세대 대학원 전기전자공학과 통합과정) , 김영재 (연세대 대학원 전기전자공학과 통합과정) , 나진배 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 최석진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 장재영 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 황영진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 김진섭 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 고태국 (연세대 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A Hybrid Fault Current Limiter(FCL) which has more advantages in fast response and thermal characteristics than a simple resistive FCL had been proposed by our group. The Hybrid FCL consists of a resistive FCL for the magnitude of the first peak of fault current, and a fast switch for detecting fault current and generating the repulsive force within a cycle in fault situation. In ideal case, the impedance of the fast switch wound with two other kinds of HTS tape is negligibly zero in normal operation. But, during the fault situation, each HTS tape has different quench characteristics because of asymmetric current distribution. And this phenomenon causes effective flux and this flux opens the switch through the repulsive force applied to a metal plate of the fast switch. The magnitude of the repulsive force affects the switching characteristics of the fast switch. It should be large enough to raise the metal plate up. Otherwise the arc re-out break which are caused by not enough repulsive force to raise the metal plate up can cause unintended operation of the fast switch. In this paper, the numerical calculation of the repulsive force applied to the metal plate of the fast switch in various combinations of HTS tapes was performed by using the short-circuit test and finite element method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이전의 연구에서 제시되었던 하이브리드 한류기 (Hybrid Fault Current Limiter)에 적용된 이종 초전도 코일 (Asymmetric Non-inductive Coil) 을이 용한 패스트 스위치 (Fast Switch)의 다양한 선재 조합에 따른 반발력 특성에 대해서 다루었다〔1〕.

제안 방법

실시하였다〔2〕. 4개의 초전도 선재로 구성된 6개의 조합으로 이종 초전도 모듈을 구성하고 단락실험을 수행하여 각각의 선재에 흐르는 전류 값을 얻어내었다.
FEM simulation을 통하여 알루미늄 플레이트에 발생하는 수직방향으로 작용하는 힘을 계산하였다. 이 수직 방향의 힘의 거의 대부분은 와전류에 의한 반발력 식 (1)로 나타낼 수 있다.
Fig. 6과 같은 알루미늄 플레이트를 포함한 이종 초전도 스위치 모델에 대하여 FEM 해석을 통해서 알루미늄 플레이트에 작용하는 수직방향의 힘의 크기를 계산하여, Fig. 7과 같이 사고 시 1 주기 동안 알루미늄 플레이트에 작용하는 반발력을 시간에 대하여 계산하였다. 기본적으로 입력 전압이 증가할수록 힘의크기는 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
이 회로와 같이 구성된 단락회로에 이종 초전도 모듈을 설치한 후, 60 Hz의 주파수를 가진 교류 전압을 인가하여 6 cycle 동안 단락시켜 전류분배의 추이를 보았다. 각각의 이종 초전도 스위치 모듈 양단간에 약 1&3 V, 29 V, 40 V의 전압을 인가한 후, 6개의 모듈에 대하여 44 3번씩 총 18번의 실험을 수행하여 6 cycle 동안 발생한 사고 전류의 데이터를 얻었다.
그로 인해 생성되는 중심자기장에 의해 와전류가 발생하게 되므로, FEM 해석에서는 사고 상황에서의 전류 분배 값만을 이용하였다.
본 연구에서는 4개의 선재를 이용한 6개의 이종 초전도 모듈 조합을 각각 입력전압 18.6 V, 29 V, 40 V에 대해 총 18회의 단락 및 사고실험을 수행한 후 얻은 전류 값들로 FEM 해석을 수행하여 알루미늄 플레이트에 작용하는 반발력을 계산하였다.
본 연구에서는 기존의 연구에서 이미 이종 초전도 모듈에서 발생하는 반발력으로 스위치가 열리는 것을 확인하였기 때문에 알루미늄 플레이트를 제외하고 실험을 실시하였다〔2〕. 4개의 초전도 선재로 구성된 6개의 조합으로 이종 초전도 모듈을 구성하고 단락실험을 수행하여 각각의 선재에 흐르는 전류 값을 얻어내었다.
실험을 통해 얻은 사고 전류 값들을 반영하여 Infolytica사의 MagNet으로 Finite Element Method 모델을 구성하고 자기장 해석을 이용하여 6개의 조합에 대한 사고 상황에서의 반발력을 계산한 후, 그 결과를 비교하여 각 조합별 동작 특성을 파악하였다.
4는 단락실험을 위한 회로도이다. 이 회로와 같이 구성된 단락회로에 이종 초전도 모듈을 설치한 후, 60 Hz의 주파수를 가진 교류 전압을 인가하여 6 cycle 동안 단락시켜 전류분배의 추이를 보았다. 각각의 이종 초전도 스위치 모듈 양단간에 약 1&3 V, 29 V, 40 V의 전압을 인가한 후, 6개의 모듈에 대하여 44 3번씩 총 18번의 실험을 수행하여 6 cycle 동안 발생한 사고 전류의 데이터를 얻었다.
다른 값을 갖는다. 이는 정상 시 이종 초전도 모듈의 무유도성을 떨어뜨리기 때문에, 본 실험에서는 절연을 위해 붙이는 캡톤 테이프의 횟수를 선재별로 서로 달리 하여 GFRP 보빈에 권선하였다. 이 방식을 통해서 모든 선재의 절연 후 두께는 0.

대상 데이터

본 실험에 사용한 선재들은 American Superconductor^®의 344S, B12223 선재와 Super Power 사의 SF4050, SCS4050 선재이다.

성능/효과

가장 큰 반발력이 계산된 조합은 (Bi2223- SCS4050) 조합이었고, 가장 빨리 반발력의 peak값에 도달한 조합은 (344S-SF4050) 조합이었다. 그러나 (Bi2223 -SCS4050) 조합의 경우 모든 시간대에서 가장 큰 반발력을 가지는 것으로 계산되었기 때문에, 6개의 조합 중에서 가장 큰 반발력을 발생시키는 선재 조합은 (Bi2223-SCS4050) 조합이다.
7과 같이 사고 시 1 주기 동안 알루미늄 플레이트에 작용하는 반발력을 시간에 대하여 계산하였다. 기본적으로 입력 전압이 증가할수록 힘의크기는 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
초전도 선재의 임계온도 이상의 온도에서 비저항 값은 Bi2223, SCS4050, 344s, SF4050의 순서이다. 비저항 값이 가장 작은 B12223 선재가 사용된 스위치 조합들인 (Bi2223-SCS4050), (Bi2223-344s), (Bi2223-SF4050) 조합들이 다른 조합들 보다 더 높은 반발력의 peak 값을 갖는 것을 볼 때, 비저항과 반발력의 관계를 정량적으로 확인할 수 있다.
실제 이종 초전도 스위치의 동작에서 10 ms 이내에 스위치가 열리게 되므로 결과 분석에서는 0~8.5 ms 동안 첫 peak의 반발력을 비교하였다.

후속연구

따라서 스위칭 시간과 반발력의 크기 등 이종 초전도 스위치의 스위칭 특성에 각각의 선재의 특성이 미치는 영향을 연구하기 위해서는 사고 시의 각 선재의 V/m과 임계전류, n-value 등의 선재의 종합적인 특성에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
이러한 사실을 통해서 유추해 볼 때, 반발력의 크기는 사고시의 각각의 선재에 통전되는 전류가 이종 초전도 모듈의 초전도 선재부분으로 불균등하게 분배되는 정도와 연관이 있는데, 사고 시 전류의 크기는 각각의 선재의 사고 시 온도별 비저항의 크기와 연관이 있기 때문에 이 점을 중점에 두어 추후에 연구할 필요가 있다.

참고문헌 (2)

Jae Young Jang, Dong Keun Park, Seong Eun Yang, Young Jae Kim, Jin Bae Na, Hyun Chul Jo, Min Cheol Ahn, Tae Kuk Ko, "A Study on the Non-Inductive Coils for Hybrid Fault Current Limiter Using Experiment and Numerical Analysis," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 20, No. 3, pp 1151-1154, 2010.

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Dong Keun Park, Ki Sung Chang, Seong Eun Yang, Young Jae Kim, Min Cheol Ahn, Yong Soo Yoon, Ho Min Kim, Jung-Wook Park, Tae Kuk Ko, "Analytical and Experimental Studies on the Hybrid Fault Current Limiter Employing Asymmetric Non-Inductive Coil and Fast Switch," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, pp 1896-1899, 2009.

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