[논문]600 kJ SMES용 열 전도판의 구조에 따른 와전류 손실 특성

이상엽; 곽상엽; 박명진; 김우석; 이지광; 최경달; 배준한; 김석호; 심기덕; 성기철; 정현교; 한송엽

[국내논문] 600 kJ SMES용 열 전도판의 구조에 따른 와전류 손실 특성
Eddy Current Loss of the Cooling Plate According to its Shape for 600 KJ SMES 원문보기

이상엽 (서울대학교) , 곽상엽 (서울대학교) , 박명진 (기초전력 연구원) , 김우석 (기초전력 연구원) , 이지광 (우석대학교) , 최경달 (한국산업기술대학교) , 배준한 (한국전기연구원) , 김석호 (한국전기연구원) , 심기덕 (한국전기연구원) , 성기철 (한국전기연구원) , 정현교 (서울대학교) , 한송엽 (기초전력 연구원)

본 논문에서는 600kJ급 SMES용 열전도판의 와전류 손실의 해석에 대해서 나타내었다. SMES의 운전 상태는 충전, 운전, 방전의 3가지 구간으로 나누어 볼 수 있다. 이 중 방전 구간에서는 SMES 코일에서의 전류 감소에 의해서 와전류 손실이 발생한다. 이때 발생하는 와전류 손실은 짧은 시간동안 발생하지만 그 크기가 크기 때문에, SMES 시스템 설계 시 냉각 시스템의 효율과 안정성을 위해서 반드시 고려되어야만 한다. 본 논문에서는 이러한 열 전도판의 와전류 손실을 해석하고, 그 형상의 변화에 따른 와전류 손실 값들을 분석하였다.

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문제 정의

이 중, 와전류 손실은 DC 손실에 비해서 그 값이 훨씬 크고, 짧은 시간 내에서 발생하게 되므로, SMES의 효율적이고 안정적인 냉각 시스템의 설계를 위해서는 반드시 고려되어야만 한다[1〕. 본 논문에서는 와전류 손실을 열 전도판의 형상에 따라서 분석했다. 특히, 열 전도판을 분할하여서 각각을 전기적으로 절연시키는 방법 혹은, 열 전도판에 슬릿(Slit)효과를 주는 방법을 제안하고, 이를 해석하였다.
이러한 와전류 손실을 줄이기 위해서, 본 논문에서는 몇 가지 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 600kJ SMES의 방전 시 전류 변화에 의한 열 전도판의 와전류 손실을 해석하였다. 해석 결과로부터, 열 전도판의 분할에 따른 와전류 손실 저감 효과를 확인하였고, 또한 슬릿의 위치와 개수에 따라 변화하는 와전류 손실 특성을 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 와전류 손실을 열 전도판의 형상에 따라서 분석했다. 특히, 열 전도판을 분할하여서 각각을 전기적으로 절연시키는 방법 혹은, 열 전도판에 슬릿(Slit)효과를 주는 방법을 제안하고, 이를 해석하였다.
SMES 코일을 위한 선재는 B12223 테이프 2개와 그 양 옆에 브라스 테이프를 병렬로 붙인 2+2 테이프 형태의 선재를 사용하였다. 이 선재를 이용하여 DPC를 구성하고, 이것을 여러 개 쌓아서, 솔레노이드 코일을 형성한다. 그리고 코일의 지지와 전도 냉각을 위한 열 전도판이 DPC사이에 삽입되는 형태를 하고 았다[2].
그리고 코일의 지지와 전도 냉각을 위한 열 전도판이 DPC사이에 삽입되는 형태를 하고 았다[2]. SMES 시스템의 모든 열 전도판에서의 와전류 손실 해석 시 전체 영역의 해석이 필요하나 3차원 해석 시요 소발생 등의 제약 때문에 솔레노이드의 중심부에 대해서만 해석 하였다. 따라서 와전류 손실이 가장 많이 발생하는 중심 부분의 열 전도판을 기준으로 하여 해석 모델을 그림 1과 같이 간략하게 표현할 수 있다.
다음으로 열 전도판에 슬릿을 줌으로써, 와전류 손실의 저감 효과를 확인하였다. 본 연구에서는 슬릿의 위치를 내경 부분, 중심 부분, 외경 부분으로 하는 3가지 경우를 고려하였고, 그림 4에 슬릿의 위치와 형상을 나타내었다.
다음으로 열 전도판에 슬릿을 줌으로써, 와전류 손실의 저감 효과를 확인하였다. 본 연구에서는 슬릿의 위치를 내경 부분, 중심 부분, 외경 부분으로 하는 3가지 경우를 고려하였고, 그림 4에 슬릿의 위치와 형상을 나타내었다. 한 부분은 완전 분할시켰고, 나머지 부분은 그림 4와 같 이, 3가지 경우의 슬릿 효과를 고려하였다.
열 전도판의 와전류 손실을 해석하였다. 해석 결과로부터, 열 전도판의 분할에 따른 와전류 손실 저감 효과를 확인하였고, 또한 슬릿의 위치와 개수에 따라 변화하는 와전류 손실 특성을 분석하였다. 본 논문의 연구 결과는 600kJ SMES의 냉각 시스템을 설계하는데 있어서 저 손실 열 전도판의 형상 설계에 관한 기초 자료로 활용할 수 있다.

대상 데이터

이루고 있다. SMES 코일을 위한 선재는 B12223 테이프 2개와 그 양 옆에 브라스 테이프를 병렬로 붙인 2+2 테이프 형태의 선재를 사용하였다. 이 선재를 이용하여 DPC를 구성하고, 이것을 여러 개 쌓아서, 솔레노이드 코일을 형성한다.
본 논문의 600 kJ SMES 의 코일은 DPC(double pancake coil)을 22개 적층한 싱글 폴 솔레노이드 형의 구조를 이루고 있다. SMES 코일을 위한 선재는 B12223 테이프 2개와 그 양 옆에 브라스 테이프를 병렬로 붙인 2+2 테이프 형태의 선재를 사용하였다.

성능/효과

먼저, 열 전도판에 어떠한 형상 변경도 가하지 않은 채, 와전류 손실을 해석한 결과, 와전류 손실 값은 355〔W〕정도로 해석되었고, 와전류는 원형 모양의 열전 도판의 원주 방향으로 돌고 있음을 알 수 있었다. 이러한 와전류 손실을 줄이기 위해서, 본 논문에서는 몇 가지 방법을 제안하였다.
표 2의 해석 결과로부터, 중심부와 외경 부에 슬릿을 배치하는 것은 와전류 손실 저감에 큰 도움이 되지 않는 다는 것을 알 수 있었다. 이는 실제로 열 전도판의 내경 부분에서 와전류가 많이 발생하기 때문에, 중심 혹은 바 깥쪽에 슬릿을 위치시키는 것은 와전류의 회전에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다.
이는 실제로 열 전도판의 내경 부분에서 와전류가 많이 발생하기 때문에, 중심 혹은 바 깥쪽에 슬릿을 위치시키는 것은 와전류의 회전에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다. 반면에, 내경 부에 슬릿을 주는 것은 중심부와 외경 부에 슬릿을 주는 것에 비해서 와전류 손실의 감소 효과가 비교적 더 크며, 슬릿 수가 증가할수록 그 차이는 더 크게 나타났다. 이는 실제 와 전류가 가장 많이 발생하는 부분에 슬릿을 위치시켜서 와전류의 진행을 방해할 수 있기 때문이다.

후속연구

해석 결과로부터, 열 전도판의 분할에 따른 와전류 손실 저감 효과를 확인하였고, 또한 슬릿의 위치와 개수에 따라 변화하는 와전류 손실 특성을 분석하였다. 본 논문의 연구 결과는 600kJ SMES의 냉각 시스템을 설계하는데 있어서 저 손실 열 전도판의 형상 설계에 관한 기초 자료로 활용할 수 있다.

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