1. 초전도 특성
1908년 네덜란드의 Leiden 대학의 Kamerlingh Onness 교수와 그 연구팀이 임계온도(TC) 4[K]부근에서 수은의 저항이 0이 되는 것을 확인하고 이를 초전도라 하였다. 초전도 현상을 발견한 이래로 현재까지 지속적으로 연구가 진행되고 있다.
초전도체란 초전도 현상이 발생하는 물질을 뜻한다. 이때 초전도 현상은 `극저온에 서 저항이 0이 되거나 완전 반자성체 특성을 보이는 현상을 뜻한다. 초전도 상태 를 유지하기 위해서는 임계온도, 임계전류밀도(JC), 임계자기장(Hc)을 만족해야만 저항이 0인 초전도 상태를 유지할 수 있다[16][19].
초전도체의 영저항 특성을 이용해 AC 전력계통에는 SFCL을 보호기기로 적용 하고 있다. 초전도 한류기는 임계전류 값 이하의 전류가 도통될 경우 저항이 0인 초전도 상태를 유지하여 선로에 손실을 발생시키지 않는다. 그러나 고장이 발생하 여 초전도 한류기의 임계전류 값을 초과하는 고장전류가 유입되면 약 2[msec]이내 에 퀜치 현상이 발현되어 임의의 임피던스를 지닌 상전도 상태로 상전이가 일어난 다. 이때 초전도 한류기가 지닌 한류 임피던스에 의해 고장전류의 크기는 차단기의 차단내력 이하로 제한되고 이후 차단기가 안정적인 차단동작을 수행해 계통을 보호 한다. 현재 AC 154[kV]계통에 적용된 하이브리드 초전도 한류기는 약 70[%]의 한류율로 96[msec]동안 고장전류를 감당한다[19][39].
2. DC 차단기 아크(Arc)
시뮬레이션 프로그램 내에 있는 DC 차단기 소자를 적용할 경우, 아크특성의 부재로 인해 과도현상 해석 시 정확도가 낮으므로 아크특성을 반드시 고려해야 한다. 아크특성은 주로 black-box 아크모델이 적용된다. Black-box 아크모델은 도전율을 변수로 설정하여 아크와 DC 차단기 사이의 상호작용을 상미분방정식으 로 나타낸다. 대표 모델은 Cassie, Mayr, Schavmaker 아크모델이 있다[40-48].
식 2-3은 Cassie 모델의 아크방정식이다. Cassie model은 대전류 영역 및 온도 가 8000[K]이상인 영역에 적합하다. 이는 아크전압의 크기를 고정시킴으로써 고장 전류가 상승하는 대전류 구간에서는 정확도가 높다. 그러나 전류영점이 포함된 소전류 구간에서는 도전율이 제로가 되어 아크가 완전 소호되는 것으로 계산되므 로 소전류 구간에는 적합하지 않다[23][42-47].
식 2-4는 Mayr 모델의 아크 방정식이다. Mayr 모델은 전류영점 근처 및 소전류 영역, 온도가 8000[K]미만인 영역에 적합하다. 이 모델은 아크를 소호시킬 수 있는 에너지의 크기인 냉각용량 P0가 일정하다는 가정을 기반으로 도출된 모델 로써, 소전류 구간에서는 실제 차단기에서 발생하는 아크특성과 유사하다.
(2-3)여기서,
= 아크도전율 = 아크시정수 = 일시적인 안정구간에서 아크 전압
(2-4)여기서,
= 차단기의 용량(냉각용량) 아크를 소호시킬 수 있는 에너지
그러나 대전류 영역에서도 높은 신뢰도를 확보하려면 온도가 올라감에 따라 비례하여 P0도 변화를 해야 과도차단전압 특성이 반영되어 신뢰도가 높지만, 이는 P0가 일정하므로 대전류 영역에는 적합하지 않다[42-45].
식 2-5는 Schwarz 모델의 아크방정식이다. Schwarz 모델은 Cassie와 Mayr model의 서로 상반된 장단점을 보유하고 있는 하이브리드 모델이다. 아크시정수와 냉각용량을 도전율에 의한 식으로 표현하였기에 주위 기압에 따른 냉각용량의 변화와 전류 크기에 따른 에너지 및 아크시정수 특성을 모두 표현할 수 있어 정확 한 아크현상 모의가 가능하다[5][23][42-48].
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(2-5)여기서,
= 아크도전율 = 도전율에 대한 아크시정수
= 도전율에 대한 냉각용량 = 주의 기체의 압력