pISSN 1229-3008 eISSN 2287-6251
Progress in Superconductivity and Cryogenics
Vol.21, No.4, (2019), pp.39~43 https://doi.org/10.9714/psac.2019.21.4.039
Fig. 1. Circuit diagram of the DC circuit breaking system with a pure resistivity type high temperature superconducting fault current limiting part.
```
1. 서 론
DC 계통의 단락사고 시에는 AC 계통과 달리 전압이나 전류가 0이 되는 지점이 없다. 따라서 직류 계통에서의 사고가 발생하면 원활한 사고차단을 위해 일반적으로 전압이나 전류를 강제로 0으로 만들고 차단하는 과정이 필요하다 [1, 2]. 하지만 전압, 전류를 0으로 만드는 데 성공하더라도 기본적으로 매우 높은 DC 사고전류를 빠르고, 안전하게 차단하는 것은 매우 어렵다. 이런 문제를 해결하기 위해 DC 차단기에 초전도 한류기(Superconductor Fault Current Limiter, SFCL)를 적용하여 DC 차단기(Direct Current Circuit Breaker, DCCB)의 부하 부담을 줄이고, DC 차단기의 차단 용량 및 성능 향상을 도모하기 위한 방식들이 제시되고 있다 [3, 4]. 국내에서도 한국전력공사의 지원으로 DC 계통의 보호시스템에 대한 기초 연구과제가 시작되었고 관련 기술에 대한 연구가 진행되고 있다 [5, 6].
본 논문에서는 DC 차단기의 차단성능 향상을 위한 방법으로 2세대 고온 초전도체(High Temperature Superconductor, HTS)를 이용한 저항형 한류기 적용 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 여러 한류 방식 중 DC 차단기 적용에 적합한 저항형 한류 방식이 선택되었다. 일반적으로 초전도체는 임계조건 안에서 무저항 특성을 가지지만, 사고발생 과정에서 임계 전류보다 높은 전류가 초전도체에 흐르게 되면 초전도-상전도 사이의 상변이 현상에 따라 저항이 발생하게 된다. 저항형 한류기는 이러한 상변이 현상에 수반되는 임피던스 발생을 통해 사고 전류를 한류하는 방식이지만, 상변이 이후의 초전도체는 선재에서 발생되는 저항과 운전전류로 인해 발생되는 발열로 인해 온도 상승과 더불어 비선형적인 저항 발생 특성을 보이게 된다. 일반적으로 비선형적 저항 발생 특성으로 인해 저항형 한류기의 경우 임피던스를 초전도 한류 모듈과 병렬로 연결하는 하이브리드 형태가 주로 사용되는데, 하이브리드 저항형 초전도 한류기의 경우 짧은 지연 시간의 스위칭
동작을 통해 일정한 저항 공급이 가능하다 [7]. 하지만 DC 차단기에 적용되기 위한 한류기에 필요한 특성은 일정한 저항 발생이 아닌 즉각적인 저항의 투입이다. 따라서 본 연구진은 사고전류의 한류를 통해 DC 차단기의 부담을 감소시키며, 차단기 용량증대를 위한 방안으로 순수 저항형 초전도 한류 모듈에 대한 연구를 진행하고 있다. Fig. 1에 저항형 초전도 한류 모듈과 결합된 DC 차단 시스템의 개념도를 나타내었다.
본 논문에서는 저항형 한류 모듈의 적용에 적합한 선재 특성 확인을 위해 액체질소 냉각 환경에서 4가지 종류의 상용 2세대 고온초전도 선재에 대해 다양한 인가 전압에 따른 단락 시험을 진행하고 과전류 특성을 확인하였다.
실험결과를 바탕으로 2가지 고온 초전도 선재를 선정하여 DC 차단기용 저항형 한류 모듈의 기본 설계 및 분석을 진행하였다.
2. 단락 시험 환경 조성
2.1. 고온 초전도 선재 샘플 준비
일반적으로 상용 2세대 고온초전도 선재의 경우 높은 임계전류 특성과 더불어 안정성 확보를 위해 초전도 층과
Comparison of HTS conductors for a DC resistive type fault current limiting module
Jooyeong Soa, Seyeon Leea, Kyeongdal Choia, Ji-kwang Leeb, and Woo-Seok Kima,*
a Korea Polytechnic University, Gyeonggi-do, 15073, Korea
b Woosuk University, Jeollabuk-do, 55338, Korea
(Received 5 June 2019; revised or reviewed 17 November 2019; accepted 18 December 2019)
Abstract
The breaking of a circuit in DC grid could pose a challenge because of the absence of zero-crossing instant for both current and voltage when a fault occurs. An additional fault current limiting function will be very helpful for reducing the burden of the DC circuit breaker by limiting the fault current to a reasonable value. In this paper, we studied the overcurrent characteristics of several HTS conductors so that we could use the selected conductors for the basic design work of a resistive type fault current limiting module as a part of the circuit breaking system. According to the short-circuit test results, we suggested and compared two different basic design parameters of the HTS fault current limiting module, which will be connected in series to the DC circuit breaker.
Keywords: direct current circuit breaker, DC grid, SFCL, HTS
* Corresponding author: [email protected]
모재 이외에도 전도성 재료로 구성된 안정화층을 가지는 것이 일반적이다. 하지만 이러한 안정화층은 사고 시 저항 발생에 크게 관계되는 주요 요인으로 초전도체의 한류 특성에 영향을 미친다. 만약 낮은 저항의 안정화 재료가 사용된 선재의 경우에는 사고 상황에서 충분한 저항을 발생시키기 위해 한류 모듈의 초전도 선재 소요량이 늘어난다. 따라서 구리나 은과 같은 전도성이 높은 재료를 안정화층으로 사용하는 초전도 선재는 한류 모듈 설계에 적합하지 않을 수 있다. 반면 안정화층이 지나치게 부족하면 초전도 선재가 불안정해지기 때문에 역시 한류 모듈 설계에 적합하지 않다. 따라서 한류 모듈 설계를 위해서는 사고 상황에서 선재의 기본적인 안정성 확보 및 충분하고 빠른 저항의 발생이 필요하기 때문에 한류 모듈의 설계에 적용할 초전도 선재에 대한 한류 특성 파악이 반드시 필요하다.
본 논문에서는 DC 과전류 조건에서 선재 샘플들의 한류 특성 시험을 위해 TABLE I과 같은 4종류의 2세대 고온 초전도 선재 샘플을 준비하였다. 선재 샘플들 중 3개의 선재는 상대적으로 높은 저항을 가지는 스테인리스 스틸을 안정화층으로 사용한 선재이며, 나머지 하나는 추가적인 안정화층을 가지고 있지 않은(Stabilizer Free, SF) 선재다.
안정화층이 있는 선재는 초전도체에 문제가 생겼을 때 전류가 안정화층으로 우회할 수 있지만, 안정화층이 없는 선재의 경우 전류의 우회 경로가 매우 얇은 은 층이기 때문에 상대적으로 불안정하다. 선재의 제작에 사용된 스테인리스 스틸의 종류, 두께 및 솔더 등 구성 재료의 구성비는 각 제조사의 제작 방식에 따라 각기 다르다. 각각의 선재 샘플의 주요 구성 재료 및 기본 구조를 Fig. 2에 나타내었다.
Fig. 2에서 보여지듯, SuNAM사의 고온초전도 선재에는 스테인리스 스틸이 기판과 안정화층으로 사용되었고, 77 K 온도에서의 임계전류는 700 A로 다른 선재들과 비교해 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 이런 높은 임계전류 특성은 한류 모듈 설계 시 적은 병렬 수로 구성되므로 상대적으로 다른 선재들 보다 적은 초전도 선재 사용으로도 동일한 한류 특성을 나타낼 것으로 보인다.
2.2. 단락사고 시험 시스템
고온 초전도 선재 샘플의 과전류 특성평가를 위한 DC 단락 시험 장치를 제작하였다. Fig. 3에 DC 단락 시험 시스템 구성도를 나타내었다. 시험을 위한 DC 전류의 공급은 500 F의 커패시터를 통해 이루어지며, 커패시터의 전압은 최대 16 V, 전류는 최대 1.7 kA를 공급할 수 있다. 또한 설치된 저항기의 설정을 변경하여 다양한 부하 전류로 바꿀 수 있다. DC 단락사고 시험을 위해 커패시터에 전원을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply)는 Fig. 4 (a)에서 확인할 수 있다. UPS로 충전된 커패시터는 초전도 선재 샘플과 저항기에 전류를 공급한다. 이후 S3 스위치를 이용해 단락상태를 만들고 시험을 위한 일정 시간 이후 차단된다.
초전도 선재 샘플은 샘플홀더에 장착하여 실험했으며 Fig. 4 (b)에 나타내었다. 전압 측정은 초전도 선재의 초전도층 표면에 부착된 전압탭을 이용한 4단자법으로 측정하였고, 전류측정은 DCCT(DC Current Transducer)를 이용하여 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 선재의 구성요소에 따른 저항-온도 특성을 활용해 선재의 온도를 추정하였다 [8].
Table II에는 사용된 초전도 선재의 샘플 길이와 전압 탭 길이를 각각 나타내었다. 실제 초전도 한류기의 경우 고압의 과냉각 상태에서 운용되지만, 본 실험은 초전도 선재의 저항 발생 및 온도 상승에 대한 특성을 확인 및 비교하기위해 77.3 K의 온도에서 샘플 고온 초전도 선재의 특성시험을 진행하였다.
(a) (b)
Fig. 4. (a) Fabricated DC power supply for short-circuit test, (b) 30-cm size sample and holder.
Fig. 3. Short circuit test system with a capacitor of 500 Farad. maximum applied voltage is 16 V and the maximum short circuit current is 1.7 kA.
TABLE I
SPECIFICATIONS OF 2ND GENERATION HTSCONDUCTORS. Manufacturer Stabilizer
[mm]
Width [mm]
Thickness [mm]
Ic (@77K) [A]
AMSC 0.16 (SS) 4.4 0.25 mm 80 A
AMSC 0.16 (SS) 12.1 0.24 mm 250 A
SuperPower 0.004 (Ag) 12 0.055 mm 300 A
SuNAM 0.1 (SS) 12 0.22 mm 700 A
TABLEII
TEST CONDITIONS FOR EACH SAMPLE CONDUCTORS. Sample Conductor AMSC AMSC SuperPower SuNAM Conductor Length 30 cm 30 cm 30 cm 10 cm
Voltage tabs 20 cm 20 cm 20 cm 5 cm
Fig. 2. Cross-section diagrams for each HTS conductors.
Jooyeong So, Seyeon Lee, Kyeongdal Choi, Ji-kwang Lee, and Woo-Seok Kim
0 5 10 15 20 25
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
300 [K]
Resistance [Ohm/m]
Time [ms]
50[V/m]
45[V/m]
40[V/m]
35[V/m]
30[V/m]
25[V/m]
20[V/m]
(a)
0 5 10 15 20 25
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
150 [K]
200 [K]
Resistance [Ohm/m]
Time [ms]
50[V/m]
45[V/m]
40[V/m]
35[V/m]
30[V/m]
25[V/m]
20[V/m]
300 [K]
(b)
0 5 10 15 20 25
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Resistance [Ohm/m]
Time [ms]
50[V/m]
45[V/m]
40[V/m]
35[V/m]
30[V/m]
25[V/m]
300 [K]
(c)
0 5 10 15 20 25
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
0.16 300 [K]
Resistance [Ohm/m]
Time [ms]
150[V/m]
145[V/m]
140[V/m]
135[V/m]
130[V/m]
125[V/m]
120[V/m]
115[V/m]
110[V/m]
105[V/m]
110[V/m]
(d)
Fig. 5. Short-circuit test results for the HTS samples with measured the resistance for (a) AMSC 4.4 mm, (b) AMSC 12.1 mm, (c) SuperPower 12 mm, (d) SuNAM 12 mm.
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Voltage Current
Voltage [V]
Time [ms]
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Current [A]
(a)
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Voltage [V]
Time [ms]
Voltage Current 0 100 200 300 400 500 600 700 800
Current [A]
(b)
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Voltage [V]
Time [ms]
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Current [A]
Voltage Current
(c)
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Voltage Current
Voltage [V]
Time [ms]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Current [A]
(d)
Fig. 6. Short-circuit test results for the HTS samples with measured voltages and currents for (a) AMSC 4.4 mm, (b) AMSC 12.1 mm, (c) SuperPower 12 mm, (d) SuNAM 12 mm.
0 5 10 15 20 25 100
150 200 250 300
Temperature [K]
Time [ms]
150[V/m]
145[V/m]
140[V/m]
135[V/m]
130[V/m]
125[V/m]
120[V/m]
115[V/m]
110[V/m]
105[V/m]
110[V/m]
Fig. 7. Short-circuit test results for the HTS samples with resistance and temperature rising for SuNAM 12 mm.
3. 실험 결과
단락 시험 결과는 Fig. 5-7에 각각 나타냈다. 시험결과 샘플 선재들의 단락 사고 후 25 ms 동안 300 K를 넘지 않는 최대 인가전계 강도를 비교하면 AMSC 4.4 mm선재는 조건을 만족하지 못하며, AMSC 12.1 mm선재는 20 V/m, SuperPower사의 선재는 25 V/m임을 알 수 있다. 반면 SuNAM사의 샘플 초전도 선재의 경우 150 V/m라는 높은 전계에서 25 ms 동안 300 K를 넘지 않는 것을 확인할 수 있다.
이 때 발생하는 저항을 비교하기 위해 단락 후 15 ms이 지난 지점의 저항을 확인해보면 AMSC 12.1 mm의 0.048 Ω/m이며, SuperPower사의 선재는 0.219 Ω/m, SuNAM사의 선재는 0.104 Ω/m으로 발생했다. SuperPower사의 선재 샘플의 경우 안정화층이 없는 초전도 선재이므로 사고 시 매우 높은 저항이 발생했지만, 인가전계 강도는 SuNAM사의 선재보다 상대적으로 훨씬 낮아서 한류소자로의 적용은 사실상 어렵다고 판단되었다. 단락시험을 통해 파악한 선재의 안정성을 고려하여 AMSC 12.1 mm와 SuNAM사의 선재 2가지를 사용하여 한류 모듈 개념설계를 진행하여 설계 결과를 비교하였다. 한류 모듈은 차단용량이 25 kA인 DC 차단기와 직렬로 연결하는 조건으로 가정하고, DC 차단기의 경우 25 ms 이내에 동작하므로 설계된 초전도 한류 모듈은 25 ms까지 한류동작이 가능하도록 설계하였다. 한류 모듈의 평균 저항을 설정하기 위해 단락 시험에서 단락 후 15 ms인 지점의 저항을 기준으로 하여 한류 모듈의 저항을 계산했다.
DC 차단기의 사양은 Table III에서 확인할 수 있다. 두 선재 샘플을 사용하여 설계된 한류 모듈의 설계 결과를 Table IV에 나타내었다.
두 초전도 선재를 사용한 개념설계 결과 AMSC 12.1 mm 선재로 설계한 한류 모듈의 저항은 0.075 Ω으로 SuNAM사의 선재로 사용한 한류 모듈보다 조금 더 큰 저항을 발생시킨다.
하지만 AMSC 선재의 한류 모듈의 제작을 위한 선재 소요량은 1,600 m, SuNAM사의 선재의 경우 80.4 m으로 큰 차이를 보인다. SuNAM사의 선재의 경우 사용 선재량의 크기가 매우 적은 것은 SuNAM사의 선재의 높은 임계전류 특성과 높은 최대인가전계를 버티는 내전압 특성 때문이다.
한류개시전류를 8 kA로 설정하기 위해서 임계전류가 250 A인 AMSC 12.1 mm선재는 32개의 병렬연결이 필요하지만, 임계전류가 800 A인 SuNAM사의 선재는 병렬 수 12개로 8.4 kA를 설정할 수 있다. 또한 AMSC 12.1 mm선재는 최대인가전계 20 V/m를 맞추기 위해 길이를 50 m로 설계해야 한다. 반면 SuNAM사의 선재는 6.7 m로 1 kV를 버틸 수 있다. 개념 설계결과 선재 소요량은 약 1/20 수준으로 SuNAM사의 선재가 작은 것을 확인할 수 있다. 추후 한류
모듈의 구조 연구 및 상세설계 후 모듈 특성 시험 등의 과정을 진행해 나갈 예정이다.
4. 결 론
본 논문에서는 여러 종류의 샘플 고온 초전도 선재의 과전류 특성 시험을 진행하고, 고온 초전도 선재를 사용한 DC 차단기용 저항형 초전도 한류 모듈의 개념 설계를 진행하였다. 한류기용으로 사용되기에 적절하다고 판단된 4종의 2세대 고온초전도 선재를 선정하였다. 이 선재들은 모두 안정화층으로 구리를 사용하지 않았고, 다양한 전압 조건에서 DC 단락 시험을 진행하였다. 실험결과를 바탕으로 시스템 전압이 1 kV, 전류 1.6 kA인 DC 계통을 가정하여 차단 용량이 25 kA인 DC 차단기와 연결할 초전도 한류 모듈의 설계 결과를 제안했다. SuNAM사의 선재로 설계했을 때 초전도 선재의 소요량은 80.4 m로 가장 작았다. 그 이유로는 높은 임계전류와 높은 최대인가전계를 버티는 내전압 특성 때문이다. 연구결과의 검증을 위한 고온 초전도 선재의 비선형 과전류 특성을 고려한 해석 및 온도에 따른 초전도 선재의 비저항 특성의 시험을 진행 중에 있고, 이후 소형 한류 모듈의 제작 및 시험을 통해 DC 계통을 모사한 환경에서 차단기 연계 성능평가 시험을 진행할 예정이다.
ACKNOWLEDGMENT
This research was supported by Korea Electric Power corporation [grant number: R16XA01]
This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of
TABLEIII
SPECIFICATIONS OF THE DCCIRCUIT BREAKER FOR FCL.
Parameter Value
Rated current 1.6 kA
Rated voltage (Ue) 1,000 V
Breaking capacity 25 kA
Breaking time < 25 ms
TABLEIV
SFCLMODULE DESIGN RESULT.
Parameter Value
Max Limiting Duration 25 ms
HTS Conductor AMSC 12 mm SuNAM 12 mm
Critical Current (@77K) 8 kA 8.4 kA
HTS Wire Resistance 0.048 Ω/m 0.104 Ω/m
ZFCL, average 0.075 Ω 0.058 Ω
Maximum Electric field 20 V/m 150 V/m
Total Conductor Length 1,600 m 80.4 m
Module Length 50 m 6.7 m
Number of Strands 32 EA 12 EA
Jooyeong So, Seyeon Lee, Kyeongdal Choi, Ji-kwang Lee, and Woo-Seok Kim
Korea(NRF) funded by the Ministry of Science and ICT (2019R1F1A1063397)
REFERENCES
[1] P. H. Schavemaker and L. van der Sluis, “An improved Mayr-type arc model based on current-zero measurements [circuit breakers],”
IEEE Trans. Power Del., vol. 15, no. 2, pp.580-584, 2000.
[2] Y. Niwa, J. Matsuzaki, and K. Yokokura, “The basic investigation of the high-speed VCB and its application for the DC power system,” Proc. 23rd Int. Symp. Discharges Elect. Insul. Vac., pp.
107-112, Sep. 2008.
[3] K. Yang and Y. Yang, “Direct-Current Vacuum Circuit Breaker With Superconducting Fault-Current Limiter,” IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 28, no. 1, Art. no. 5600108, 2018.
[4] Y. Morishita, T. Ishikawa, I. Yamaguchi, S. Okabe, G. Ueta, and S.
Yanabu, “Applications of DC breakers and concepts for superconducting fault current limiter for a DC distribution network,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 19, no. 4, pp.
3658-3664, 2009.
[5] J. G. Lee, U. A. Khan, H. Y. Lee, and B. W. Lee, “Impact of SFCL on the Four Types of HVDC Circuit Breakers by Simulation,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26, no. 4, Art. no. 5602606, 2016.
[6] S. Hwang, H. Choi, I. Jeong, and H. Choi, “Characteristics of DC Circuit Breaker Applying Transformer-Type Superconducting Fault Current Limiter,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 28, no. 4, Art.
no. 5600605, 2018.
[7] U. A. Khan, J. G. Lee, F. Amir, and B. W. Lee, “A novel model of HVDC hybrid type superconducting circuit breaker and its performance analysis for limiting and breaking DC fault currents,”
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 25, no. 6, Art. no. 5603009, 2015.
[8] S. Kar, S. Kulkarni, M. Dixit, K. P. Singh, A. Gupta, P. V.
Balasubramanyam, S. K. Sarangi, and V. V. Rao, “Selection criteria of high Tc superconducting tapes for superconducting fault current limiter applications,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 22, no. 3, Art. no. 5602804, 2012.
