李 娜 映

2 2 20 0 00 0 07 7 年7

2 2 月2 月 月 碩士 學位 論文

매트 릭스 형 초전 도 전류 제한 기의

고장 전류 해석

李 娜 映

2007年度 2月 碩士學位論文

매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 고 고 고장 장 장전 전 전류 류 류 해 해 해석 석 석

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 娜 映

Fault Current Analysis of Matrix Type Superconducting Fault Current Limiter

매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 고 고 고장 장 장전 전 전류 류 류 해 해 해석 석 석

2007年 2月 日

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 娜 映

매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 고 고 고장 장 장전 전 전류 류 류 해 해 해석 석 석

指導敎授 崔 孝 祥

이 論文을 工學 碩士學位申請 論文으로 提出함

2006年 10月 日

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 娜 映

李娜映의 碩士學位 論文을 認准함

委 委

委員 員 員長 長 長 朝 朝 朝鮮 鮮 鮮大 大 大學 學 學校 校 校 敎 敎 敎授 授 授 印 委

委

委 員 員 員 朝 朝 朝鮮 鮮 鮮大 大 大學 學 學校 校 校 敎 敎 敎授 授 授 印 委

委

委 員 員 員 朝 朝 朝鮮 鮮 鮮大 大 大學 學 學校 校 校 敎 敎 敎授 授 授 印

2006年 11月 日

朝鮮大學校 大學院

목 목

목 차 차 차

ABSTRACT

Ⅰ.서 론 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 1

Ⅱ.매트릭스형 초전도 전류제한기의 동작원리 및 설계

A.초전도 전류제한기의 정의와 특성․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 3 1.초전도 소자의 기본 동작원리․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 3 2.초전도 전류제한기의 동작특성 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 8 B.매트릭스형 초전도 전류제한기의 동작특성 ․․․․․․․․․․․․․ 9 1.매트릭스형 초전도 전류제한기의 기본원리․․․․․․․․․․․․․ 9 2.매트릭스형 초전도 전류제한기의 회로구성 ․․․․․․․․․․․․ 11

Ⅲ.매트릭스형 초전도 전류제한기의 구조와 동작특성

A.박막 홀더 설계 및 제작 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 13 B.매트릭스형 초전도 전류제한기용 coil설계 및 제작․․․․․․․․ 15 1.Triggerpart내 자장발생 coil의 설계 및 제작 ․․․․․․․․․ 15 2.Currentlimitingpart내 shuntcoil의 설계 및 제작 ․․․․․․․ 17 C.전체 사고발생시스템 설계 및 구성․․․․․․․․․․․․․․․․ 18 1.사고발생 시스템 구성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 18 2.사고발생 스위치 및 제어기 구성 ․․․․․․․․․․․․․․․․ 19

3.사고발생 회로 구성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 20 E.냉각장치 설계 및 제작․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 21 D.설계파라미터에 따른 임계특성 분석 ․․․․․․․․․․․․․․․ 23 1.초전도 소자의 설계 및 제작․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 23 2.초전도 소자의 임계특성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 25

Ⅳ.실험결과 및 분석

A.자장의존성에 따른 특성 변화 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 27 1.단위소자의 직류전원 통전 실험 ․․․․․․․․․․․․․․․․․ 27 2.단위소자의 교류전원 통전 실험 ․․․․․․․․․․․․․․․․․ 29 B.전류제한특성에 따른 동작 분석 ․․․․․․․․․․․․․․․․․ 32 1.단위소자의 동작 특성․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 32 2.션트코일의 적정 저항선정․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 34 C.매트릭스형 초전도 전류제한기의 동작특성 ․․․․․․․․․․․ 38 1.매트릭스형 초전도 전류제한기의 기본 행렬구조․․․․․․․․․ 38 2.자장의존성에 관한 동작특성 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 43 3.전원전압의 크기에 따른 운전특성․․․․․․․․․․․․․․․․ 45 4.전압등급 향상을 위한 동작특성․․․․․․․․․․․․․․․․․ 47

Ⅴ.결 론 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 53 참고문헌

L

L Li i is s st t to o of f ft t ta a ab b bl l le e e

Table1.Theimpedancevaluesofindividualmagneticcoil···16 Table2.Theimpedancevaluesofindividualshuntcoil···17 Table3.SpecificationofaYBCO thinfilm···24 Table4.Thefaultcurrentvaluesaccordingtoinsulted

variousresistances···35 Table5.Thefaultcurrentvaluesaccordingtodesignparameters···48

L

L Li i is s st t to o of f ff f fi i ig g gu u ur r re e es s s

Fig.1.Thecriticalsurfaceofasuperconductor···3

Fig.2.TheexperimentalcircuitoftheSFCL···8

Fig.3.ThecurrentcurvesincaseofwithandwithoutSFCL ···8

Fig.4.TheequivalentcircuitforanMFCL ofM✕N modules ···9

Fig.5.ThebasicmoduleofanMFCL of1✕2module···10

Fig.6.A schematicdiagram ofthematrixtypeSFCL···11

Fig.7.Thequenchmechanism forthebasicprinciple···12

Fig.8.ThedesignofcircularholderforaYBCO thinfilm···13

Fig.9.TheappearanceofcircularholderforaYBCO thinfilm ···14

Fig.10.Thecontactpoleforthemechanicalconnection ···14

Fig.11.Thedesigndrawingofholderforthetriggercoil···15

Fig.12.Theappearanceofholderforthetriggercoil ···15

Fig.13.TheYBCO thinfilm insidecircularholderandmagneticcoil··16 Fig.14.Theshuntcoilwithinacurrentlimitingpart···17

Fig.15.Theexperimentalsystem fortheSFCL ···18

Fig.16.Thepowersupplyforvariousfaultsimulation ···18

Fig.17.Theswitchforvariousfaultsimulation···19

Fig.18.Thephasecontrollerforvariousfaultsimulation ···19

Fig.19.Theconnectorsforvariousfaultsimulationofpowersystem···20

Fig.20.Theappearanceandincomingpathofexternalheatinto thecryostat···22

Fig.21.ThepatternofaYBCO thinfilm ···23

Fig.22.Theresistance-temperaturecurveofasuperconductor ···24

Fig.23.Theexperimentalcircuitformeasurementofcriticalcurrent···25

Fig.24.Thecurrent-voltagecurvesofeachSFCL element···26

Fig.25.Theequivalentcircuitinparallelstructure···27

Fig.26.Theequivalentcircuitinseriesstructure ···27

Fig.27.Thevoltage-currentcurvesaccordingtoturnnumbersofthe magneticcoilinparallelconnectionwithHTSC-A···28

Fig.28.Thevoltage-currentcurvesaccordingtoturnnumbersofthe magneticcoilinserialconnectionwithHTSC-A···28

Fig.29.Thecurvesaccordingtoturnnumbersofmagneticcoil inparallelconnectionwithHTSC-A···30

Fig.30.Thecurvesaccordingtowithoutandwithmagneticand inserialconnectionwithHTSC-A···31

Fig.31.EquivalentcircuitsoftheresistivetypeSFCL ···32

Fig.32.1✕3module(appliedvoltage:320Vrms)···33

Fig.33.2✕3module(appliedvoltage:320Vrms)···33

Fig.34.Equivalentcircuitfor1✕2module···34

Fig.35.Thecurrentcurvesaccordingtotheresistanceofshuntcoil··36

Fig.36.Equivalentcircuitfor2✕2module···37

Fig.37.Thevoltagecurvesaccordingtodesignparameters···37

Fig.38.EquivalentcircuitofanMFCL (1✕2module) ···38

Fig.39.Thelinecurrentcurvesaccordingtoturnnumbersof magneticcoil···41

Fig.40.Thewholevoltagesgeneratedfrom HTSC elementsaccordingto turnnumbersofmagneticcoil···41

Fig.41.Thecurrentcurvesofmagneticcoilaccordingto turnnumbersofmagneticcoil···42

Fig.42.Thewholeresistancesgeneratedfrom HTSC element

accordingtoturnnumbersofmagneticcoil···42 Fig.43.Criticalcurrentcurvesofcurrentlimitingpartaccordingto

withandwithoutmagneticfiled ···44 Fig.44.Theresistancecurvesaccordingtoturnnumbersof

magneticcoil···44 Fig.45.EquivalentcircuitofanMFCL(1✕3module)···45 Fig.46.TimeintervalofquenchingpointbetweenA elementand

E elementaccordingtoappliedvoltage ···46 Fig.47.Thecurrentcurvesofmagneticcoilaccordingto

appliedvoltage(1✕3module) ···46 Fig.48.EquivalentcircuitofanMFCL(1✕4module)···47 Fig.49.Theresistancecurvesaccordingtoturnnumbersof

magneticcoil(1✕4module)···48 Fig.50.Thelinecurrentcurvesaccordingtoappliedvoltageinshuntcoil (theresistanceconnectedinmagneticcoil:without1Ω)···49 Fig.51.Thelinecurrentcurvesaccordingtoappliedvoltageinshuntcoil (theresistanceconnectedinmagneticcoil:without1Ω)···49 Fig.52.Thevoltagecurvesaccordingtoappliedvoltageintriggercoil

(Theresistanceconnectedinshuntcoil:10Ω)···51 Fig.53.Thevoltagecurvesaccordingtoappliedvoltageintriggercoil

(Theresistanceconnectedinshuntcoil:20Ω)···52

A A

AB B BS S ST T TR R RA A AC C CT T T

Fault Current Analysis of Matrix Type Superconducting Fault Current Limiter

Lee,Na-Young

Advisor:Prof.Choi,Hyo-Sang,Ph.D.

DepartmentofElectricalEngineering, GraduateSchoolofChosunUniversity

Wefabricated thematrix typesuperconducting faultcurrentlimiter(MFCL) basedon YBa2Cu3O7(YBCO)thin films.In caseofYBCO thin films,they have high currentdensity and the high indexing value.Then,we could make the MFCL with compactsizeand high switching speed.ThisMFCL consisted of triggermatrixpartandcurrentlimitingmatrixpart.

Thelevelofappliedvoltagesisabletobeincreasedbyusingthematrixtype array ofsuperconducting elements.Wedesignedthebasic1✕2,1✕3,and1✕4 MFCL modules.Thecurrentlimiting operationandvoltagedistributionbetween superconducting elementswerecomparedwhentheappliedvoltageswere160V, 320V and 480V,respectively.A slight difference in criticalcurrent density among elements produced significantly unbalanced power dissipation among elements. The unbalanced quenches give the difficulties in increasing the voltageratingsofpowersystem.In ordertopromotethequench stability,this MFCL could be operated by inducing fast quenching behavior of

superconducting elements through the magnetic field.However,when a fault occurred,thecurrentlimiting characteristicsareinfluenced by a impedanceof theshuncoil.So,weconnectedaresistorwiththeshuntcoilinseriesfrom 5Ω to 20Ω.Thetestresultsshowed thathigherresistorperformed moreeffective forcurrentlimiting operation atfirstand second cycleafterafault.However, testresultsshowed slightly unbalanced powerdissipation among theelements.

The imbalance was removed by increasing applied voltage and connecting a shuntcoilwith a resistorin series.Also,the quench starting pointand the generatedresistanceofaelementcouldbecontrolledbyadjustingturnnumbers ofmagneticcoilandtheappliedvoltage.Themagneticfiledofthetriggerpart have an influence on response time (Tq)and the criticalcurrentdensities of superconducting elements.As a result,these module structures induced fast quenching ofthesuperconducting elementsquick detection ofthefaultcurrent.

Ⅰ Ⅰ Ⅰ. . .서 서 서 론 론 론

현 국가적인 정책으로 대체에너지 및 신기술개발에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있으며,계통 적용시 전체 시스템의 효율화 방안이 모색되고 있다.하지만,효 율적ㆍ경제적 측면에서 가중되는 부담을 최소화시킬 수 있는 원천기술 및 시스템 의 적용기술이 선진국에 비해 취약한 편이다[1].

현 국내 전력계통(154kV,345kV)은 송전선로가 비교적 짧고,전력공급의 신뢰도 향상 및 계통 운용의 유연성을 위해 송전 선로가 계통 변전소를 연계하고 있다.또 한 전력계통내의 최대전력 수요증가에 따른 지속적인 선로증설로 계통임피던스가 계속해서 줄어들어 전원밀집지역에 설치된 기설차단기의 차단내력을 상회하였다.

따라서 최악조건하에서 발생되는 고장전류에 의해 기기의 소손 및 인근 전력설 비에 사고가 파급되어 경제적 손실 및 전력공급의 신뢰성을 저하시키고 있다.이러 한 고장전류의 저감을 위해 보호기기의 교체 및 추가기기 설치 등과 같은 대책을 세웠으나,계통안정도 및 유연성 저하 등의 부작용을 유발시켰다[2,3].

고품질 전력공급을 목표로 이러한 손실을 최소화하기 위한 해결책으로써 경제성 과 신뢰성이 우수한 초전도 전류제한기(superconducting fault current limiter:

SFCL)는 국내･외에서 활발히 연구가 진행되고 있다.초전도 전류제한기는 기존의 보호기기보다 정상상태에서 계통에 미치는 손실이 적고,사고 발생 후 고속스위칭 동작에 따른 회복속도가 빨라 즉각적인 재투입이 가능하다는 장점이 있다.또한 사 고발생 후 차단기가 사고를 감지하여 동작되는 시간에 비해 고장전류를 빠르게 감 소시키므로 선로의 차단용량을 증가시키는 효과를 지닌다.

초전도 전류제한기는 계통내 전력응용을 안정적으로 하기 위하여 저항형,유도 형,변압기형 등의 다양한 타입이 연구 및 개발되고 있다[4-10].그 중에서도 저항 형 타입이 빠른 퀜치와 구조의 소형화와 저항성분에 따른 이점 때문에 가장 먼저 상용화가 되리라 전망되고 있으나 저항형 한류소자의 균일한 제작과 고전압과 기 계적 및 열적인 충격에 취약하다는 안정성 문제가 고려되고 있다.따라서 사고발생 직후 초전도 소자의 불균형 전압분배를 야기시키는 동시퀜치 문제를 해결하기 위 하여 다양한 종류의 한류소자 개발과 최적화 구조설계를 중점으로 활발한 연구가 진행되고 있다[11-15].

따라서 본 연구에서는 초전도 소자들의 동시퀜치에 관한 문제점을 해결하기 위 하여 매트릭스형 초전도 전류제한기를 제작하여 동작특성에 대한 설계원리를 고찰 하였다.이러한 설계구조적인 측면을 실험ㆍ평가하기 위하여 제작이 용이한 박막형 태의 YBCO 시편을 이용하였고,단위소자의 설계파라미터에 따른 최적 조건을 도 출하기위해 구성요소를 제작하였다.매트릭스형 초전도 전류제한기의 단위소자 모 듈에 따라 설계파라미터를 조정하여 실험을 수행하였으며 최적 설계의 조건을 도 출하였다.

Ⅱ Ⅱ Ⅱ. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 동 동 동작 작 작원 원 원리 리 리 및 및 및 설 설 설계 계 계 A A A. . .초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 정 정 정의 의 의와 와 와 특 특 특성 성 성

1 1 1. . .초 초 초전 전 전도 도 도 소 소 소자 자 자의 의 의 기 기 기본 본 본 동 동 동작 작 작원 원 원리 리 리

고온 초전도의 전력응용기기는 초전도체를 냉매인 액체질소(액화온도:77K)에 의 해 극저온 상태로 냉각시켜 초전도 상태를 이용하는 기기이다.이러한 초전도 현상 의 특징은 임계곡면인 전류,자장,온도 조건이 어떤 값에 의해 변화가 될 때 초전 도체가 상전도체로 급격하게 전이되는데,이러한 상전도 전이현상으로 인해 발생하 는 임피던스 특성을 초전도 전류제한기에 적용한 것이다.또한 초전도체는 외부자 기장이 인가한 상태에서 전류를 흘리는 경우 초전도 내부에 존재하는 자속선과 수 직방향으로 Lorentz힘을 받게 되는데,이러한 힘에 비례하여 초전도체내에 자속선 이 유동하게 되어 전기저항이 발생된다.따라서 외부자장이 인가한 상태에서는 외 부자장이 인가되지 않을 때보다 낮은 임계전류값을 가지게 된다.

Fig.1.Thecriticalsurfaceofasuperconductor

이러한 초전도체의 고유특성은 정상상태에서 임피던스가 0이며,또한 고전류 밀 도이므로 작은 면적으로도 전력손실 없이 대전류 통전이 가능하다.상전도 영역이 급격하게 전파되는 현상인 퀜치(quench)특성을 이용한 초전도 전류제한기(Superc-

onductingFaultCurrentLimiter:SFCL)는 사고발생시 빠르게 저항이 발생되어 신 속하고 효율적으로 고장전류를 억제시켜 주변기기의 전기적 문제점과 열적 안정도 의 영향을 최소화시킨다.저항형 초전도 전류제한기는 초전도 소자를 선로에 직접 연결하여 사고를 모의하므로,전류와 온도에 의한 상태전이가 발생되며 자장이 인 가되는 경우 퀜치의 진행속도가 가속화된다.Fig.1을 통해 알 수 있듯이 초전도 상태를 유지하고 있다하더라도 임계조건 중 어느 하나만이라도 그 임계값을 넘으 면 상태전이를 일으켜 저항이 발생된다는 것을 알 수 있었다.

임계전류를 초과한 고장전류와 외부자장인가에 의해 초전도 소자에 저항이 빠르 게 발생되어 Joule열(P=I²R)로 인한 초전도 소자의 온도가 증가되어 퀜치진행이 좀 더 빠르게 반복적으로 일어나도록 영향을 준다.온도(T0)가 증가하면 임계전류 밀 도(J0)와 임계자장(B0)이 감소하게 된다.이러한 변화가 작아 동작점이 임계 곡면 내부에 있다면 퀜치는 발생되지 않는다.

즉,일반적으로 전류제한 소자로써 고온 초전도체를 사용할 경우 정상상태에서의 초전도체는 저항을 가지지 않는다.따라서 정상상태에서 전자계의 불평형에 따른 전류의 집중점이 생기는 전류 불평형 상태가 발생되지 않고,이에 따른 열의 발생 이 일어나지 않는다.따라서 본 연구에서는 고장전류의 유입으로 고온 초전도체에 저항이 발생할 경우 이에 대한 전계와 자계의 분포에 대하여 해석하였다.이러한 퀜치된 고온 초전도체의 전자장 해석은 다음과 같은 maxwell방정식을 기본으로 한다.

∇× =- ∂∂ (1)

∇× = + ∂∂ (2)

∇⋅ = ρ (3)

∇× = 0 (4)

이를 바탕으로 전위에 관하여 2차원 해석을 위한 poisson방정식은 다음과 같다.

∂∂

(

)

(

)

또한 퀜치 상태에서 초전도체 내부의 변위전류성분은 무시할 수 있기 때문에 고 장전류에 의해서 발생하는 자계의 세기 H는 ampere의 법칙으로부터 다음과 같이 쓸 수 있다.

∇× = (6)

자기 vectorpotentialA의 방향은 전류 밀도 J의 방향과 같으므로 방정식 (6)은

∇× = ∇× = ∇×(∇× )= (7)

가 되며 벡터 항등식과 coulomb-gauge조건을 적용하여 정리하면

∇⋅(∇ )=- (8)

와 같은 자계 해석을 위한 Poisson 방정식을 얻을 수 있으며 2차원 해석을 위해 정리하면 다음과 같다.

∂∂

(

)

(

)

고온초전도체의 퀜치 하에서 전계 및 자계를 해석하는 것은 방정식 (5)와 (9)에 서 전기 scalarpotential과 자기 vectorpotential을 구하는 일이다.편의상 전위에 관한 유한요소 정식화를 기술하였으며 자계에 관한 poisson방정식도 동일한 과정 이 적용된다.

방정식 (5)로부터 일반적인 가중 잔여법(weightedresidualmethod)을 이용한 유 한요소 방정식을 유도하기 위하여 방정식 (5)에 임의의 가중 함수 w를 곱하고 전

체 영역에 대하여 적분하면 다음과 같다.

⌠⌡ (ε∇²φ) = 0 (10)

식 (10)을 부분적분하여 체적 적분과 면적 적분 항으로 나타내면

⌠⌡ (ε∇φ⋅∇ ) - ⌠⌡ ε∇φ⋅ = 0 (11)

또는

⌠⌡ (ε∇ φ⋅∇ ) - ⌠⌡ ε ∂φ

∂ = 0 (12)

이며 식 (12)에서 _∂φ/∂은 전위 ψ에 대한 법선 방향 1차 도함수 값을 나타낸다.

galerkin 법을 이용하여 전위 scalarpotentialψ와 가중 함수 W에 대하여 다음과 같이 동일한 형상 함수(shapefunction)를 도입하면

φ=∑_{= 1} ^{(,)φ (13)}

=∑_{= 1} ^{(, ) (14)}

이다.이때 _{(, )}는 형상함수이고 n은 유한요소 절점 수를 나타낸다.식 (13)과 식 (14)식을 이용하여 ^φ와 W의 gradient는 다음 식으로 표시할 수 있다.

∇ φ=∑_{= 1}

(

)

∇ =∑_{= 1}

(

)

경계 조건이 적용되는 유한 요소 정식화에서는 식 (12)의 면적분은 이미 알고 있 는 상수값이고 보통 ‘0’으로 주어진다.또한 유한 요소법에서 _∂φ/∂에 대해서도 동 일한 형상함수를 사용할 수 있다.

∂φ∂ =∑_{= 1}

(

)

식 (14)에서 식 (17)까지를 식 (12)에 대입하고 전체 영역에 대한 체적 적분과 면 적 적분을 각 유한 요소의 체적과 면에 대한 요소들의 합으로 나타낼 수 있으며 최종적인 system 행렬 방정식은 다음과 같이 된다.

[ ]{φ}-[ ]

{

}

방정식 (18)에서 [S]는 식 (12)의 체적 적분항에서 계산된 계수 행렬이고 [T]는 면적분항에서 계산된 행렬이다.따라서 방정식 (18)행렬식의 해를 구함으로써 퀜 치하에서 고온 초전도체를 해석할 수 있다.

2 2 2. . .초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 동 동 동작 작 작특 특 특성 성 성

Fig.2는 초전도 전류제한기에 대한 실험회로도이다.전력계통내 임계전류 이상 의 고장전류가 초전도 소자에 급격하게 유입되는 경우 초전도 소자에서 발생된 임 피던스가 선로에 투입되어 고장전류를 빠르게 제한하는 방식이다.

Fig.2.TheexperimentalcircuitoftheSFCL

초전도 소자의 동작특성을 설계에 활용하기 위해 fig.3과 같이 초전도 전류제한 기의 존재성 여부를 비교하였다.초전도 전류제한기가 있는 경우에는 1주기 이내에 고장전류가 신속하게 제한되는 반면에 초전도 전류제한기가 없는 경우는 고장전류 가 발생된 주기 동안 지속적으로 계통내에 설치된 전력기기에 악영향을 주어 전체 시스템의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용된다.

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Fault starting point

Current [A]

Time[ms]

IFCL:without SFCL I

FCL:with SFCL

Fig3.ThecurrentcurvesincaseofwithandwithoutSFCL

B B B. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 동 동 동작 작 작특 특 특성 성 성 1 1 1. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 기 기 기본 본 본원 원 원리 리 리

Fig.4.TheequivalentcircuitforanMFCL ofM✕N modules

Fig.4에서는 X.Yuan 등이 제시한 매트릭스형 초전도 전류제한기의 기본 개념 을 나타내며,이를 토대로 최적 설계방법에 대하여 본 논문에서 분석하였다.기존 의 매트릭스형 초전도 전류제한기는 튜브 형태의 초전도 소자를 사용하여,트리거 소자와 한류소자로 이루어진 매트릭스형 초전도 전류제한기(Matrix-typesuperco- nductingfaultcurrentlimiter:MFCL)의 기본 모듈을 제시하였다.

Triggermatrix part는 고장전류가 발생되었을 때 사고를 감지하는 역할인 사고 감지소자와 각 한류소자에 자장을 인가하는 외부자장코일로 나뉜다.또한 current- limitingmatrixpart는 고장전류를 제한하는 한류소자와 한류소자에 병렬로 연결되 어 분로역할을 하는 shuntcoil로 구성된다.기본 모듈구조인 초전도 소자의 영저항 특성에 의해 고장전류가 유입되기 전에는 초전도 소자로만 통전된다.하지만 선로 전류의 증가에 따라 고장전류가 triggerpart내 사고감지소자의 임계전류 값을 초과

하여 흐를 경우,사고감지소자의 초전도체에서 퀜치가 발생하게 되어 정상 상태에 비하여 상대적으로 높은 저항체로 고속스위칭을 하게 된다.동시에 고장전류의 일 부는 각각의 사고감지소자의 병렬 인덕턴스로 분기되어 분류전류에 따른 ωL의 임 피던스를 발생시켜 동시에 자계를 사고감지소자와 한류 소자의 초전도체에 인가함 으로써 각각의 초전도 소자에 신속한 퀜치를 유도한다.즉,Triggerpart내 초전도 소자는 외부장치 없이 고장전류를 감지하여 current-limiting part내 초전도 소자의 한류작용을 가속시키는 역할을 수행한다.또한 한류소자는 고장전류가 매트릭스 내 부로 통전되면,고장전류를 신속히 제한할 수 있도록 임피던스를 발생시키는 역할 을 수행한다.

이때 fig.5와 같이 한류소자의 외부로 연결된 외부 병렬 코일인 shuntcoil은 매 트릭스형 한류소자가 고장전류를 제한하는 동안 유입된 사고 전류의 일부를 분기 하여 초전도체의 I²R에 의한 열적 부담을 감소시키고,사고 후 한류소자의 빠른 정 상 상태 회복에 기여한다.또한 용량을 증대할 경우 각 한류소자의 전압을 균등하 게 분담하여 용량증대를 용이하게 한다.

Fig.5는 1×2모듈로 이루어진 매트릭스형 초전도 전류제한기의 기본 형태를 나 타낸 것이다.여기서 '1'은 1개의 트리거 모듈이 절점 A와 절점 B에 연결되고 있 음을 의미하며,'2'개의 초전도 소자가 절점 A와 절점 C사이에 연결되고 있음을 의미한다.

Fig.5.ThebasicmoduleofanMFCL of1×2module

2 2 2. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 회 회 회로 로 로구 구 구성 성 성

Fig.6은 초전도 한류소자의 설계구조에 따른 퀜치 및 전류제한 특성의 측정을 위한 실험회로도이다.SFCL은 A-B구간의 trigger part와 B-C구간의 current- limiting part로 구성된 매트릭스형 초전도 전류제한기이며,상세내부 구조는 앞에 서의 fig.5에서 나타내었다.R0은 전압변화를 측정하기 위한 표준저항 1Ω이며,부 하저항 RL은 시스템에서 정상상태와 단락상태의 부하를 모의하기 위해 선로에 연 결하였으며 그 값은 50Ω으로 하였다.RL은 선로에 직렬연결된 부하저항,SW1와 SW2는 전원전압을 인가하기 위한 스위치와 사고를 발생시키기 위한 스위치이다.

  _ ∙ (19)

_  _ ₍₂₀₎

R0 = 1[Ω]= 1[Ω]= 1[Ω]= 1[Ω]

V₀ SW₁₁₁₁

I^FCL

R_L= 50[Ω]= 50[Ω]= 50[Ω]= 50[Ω] SW₂

A B

Trigger Part Current limiting Part

C

Fig.6.A schematicdiagram ofthematrix-typeSFCL

사고를 모의하기 위해서 SW1을 닫은 후 일정시간 뒤 SW2를 이용하여 고장전류 를 발생시켰으며,현재 전력계통에서 사용되고 있는 차단기가 5주기 안에 동작하는 것을 감안하여 사고각 0 ֯에서 사고 주기를 5주기로 설정하여 실험하였다.즉,초전 도 한류소자가 과도전류에 불필요하게 노출되지 않도록 하였다.모의실험 시스템에 대한 회로방정식은 다음과 같다.식(19)은 SFCL이 정상상태 일 때를 나타내며,식 (20)은 인가전압을 나타낸다.시스템의 전원전압 V0는 40Vrms/60Hz단위로 변화하면 서 조정하였다.실험의 전과정에서 초전도 소자와 외부인가자장코일은 정상조건을 위하여 액체질소 속에 담겨져 있다.

I a

R

L

I

I a

I

R

R

L

I

(a)Beforethequenchgeneration (b)Afterthequenchgeneration Fig.7.Thequenchmechanism forthebasicprinciple

Fig.7에서는 A-B구간의 단위소자(Rsc-a)와 자장코일에 대한 기본구조를 나타내 었다.사고가 발생한 순간에 전체전류(_ _)가 초전도체의 임계전류이상으로 선로 에 통전될 때,발생된 초전도체의 저항으로 인하여 고장전류(_ _ _{)는 자} 장코일과 초전도체로 분담되어 흐르게 된다.코일의 임피던스는 식 (21)과 같으며, 자장코일과 초전도소자가 병렬구조이므로 소자전압을 식 (22)과 같이 나타낼 수 있 다.

_ _    (21)

   _∙ _{  } _∙ _  

_

(22)

사고 전에는 초전도체가 저항이 0이므로 대부분 초전도체로 흐르므로 ^은 0 이 되어 식(23)과 같다.



_

 



 , _  ∙





 (23)

따라서,초전도소자에 빠른 자장인가를 위해서는 사고가 발생한 순간의 자장코일 과의 상호관계에 대한 전류응답도 고려해야 한다.

Ⅲ Ⅲ Ⅲ. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기의 의 의 구 구 구조 조 조와 와 와 동 동 동작 작 작특 특 특성 성 성 A A A. . .박 박 박막 막 막 홀 홀 홀더 더 더 설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작

전력계통내 큰 고장전류가 통전될 경우 수십 msec동안 초전도 소자의 과도적인 부담상태를 안정적으로 감당할 수 있는 외부조건은 필수적이다.전력계통내 초전도 전류제한기를 설치하기 위해서는 초전도 한류소자에 직접 전류리드선을 접촉시켜 야 한다.따라서 초전도 소자와 전류리드선을 접합하기 위한 삽입형 접촉방식의 전 극과 이를 고정시키기 위한 홀더가 필요하다.

Fig.8은 2inch크기의 YBCO 박막용 원형홀더의 설계도이며,fig.9는 실제 제작 된 박막홀더이다.초전도체와 상전도 접합에 있어서 중요한 요소는 균일한 접촉저 항으로 전류리드선과 전극이 접합되어야 하며,최소한의 진동도 발생되지 않아야 한다.서로 다른 도체를 접촉할 경우의 접촉점에서 발생되는 발열로 인해 초전도 소자의 임계온도에 영향을 주어 소자의 특성을 저하시키는 요인이 되기 때문이다.

Fig.8.ThedesignofcircularholderforaYBCO thinfilm

Fig.9.TheappearanceofcircularholderforaYBCO thinfilm

전류리드선과 접합할 때 200-230 ֯C의 온도에서 인듐(In)을 사용하여 부착하기 때문에 100-200nm 두께의 금(Au)박막에 높은 열로 인한 손상 및 접합부위의 YBCO 성분 중 산소증발로 인한 열화를 고려해야 한다.

이와 같은 점을 보완하기 위해 전류리드선과 초전도 소자의 접합은 fig.10에서 와 같이 구리소재로 제작된 전압ㆍ전류탭을 사용하여 구리 접촉자와 박막의 Au층 사이의 접촉저항의 균일성과 기계적인 안정성을 확보하였으며,박막과 접촉자 사이 에 인듐foil과 은풀(silverpaste)을 삽입하여 나사로 조이는 방식인 삽입형 접촉방 식을 사용하여 진동과 열적영향을 최소화시켰다.

(a)Voltagetaps (b)Currenttaps Fig.10.Thecontactpoleforthemechanicalconnection

B B B. . .매 매 매트 트 트릭 릭 릭스 스 스형 형 형 초 초 초전 전 전도 도 도 전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한기 기 기용 용 용 c c co o oi i il l l설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작 1 1 1. . .T T Tr r ri i ig g gg g ge e er r rp p pa a ar r rt t t내 내 내 자 자 자장 장 장발 발 발생 생 생 c c co o oi i il l l의 의 의 설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작

Triggerpart의 자장코일은 사고감지소자와 병렬로 연결되어 퀜치시 고장전류가 분류되어 자장을 발생시킨다.Fig.11은 초전도 소자가 지지대의 중앙에 위치하도 록 설계된 triggerpart의 자장코일 지지대에 대한 설계도이다.

Triggerpart의 자장코일의 설계에서 중요한 핵심은 솔레노이드 원통내부로 들어 가는 초전도 소자와의 절연과 저온에서 견딜 수 있는 기계적 강도를 위한 베이클 라이트 재질로 지지대 제작하였다.

(a)A sideview (b)A frontview Fig.11.Thedesigndrawingoftheholderforthetriggercoil

Fig.12.Theappearanceoftheholderforthetriggercoil

Fig.12에서와 같이 지지대 내부에 박막용 원형 홀더를 장착하기 위한 홀더와 지 지대의 고정은 sus재질의 볼트ㆍ너트를 사용하여 저온에서의 변형과 변질을 막을 수 있도록 하였다.또한 발생되는 질소기체에 따른 기포의 영향을 최소로 하기 위 해 박막과 지지대 사이의 간격을 3mm로 두었으며,지지대에 8개의 기체질소통로 인 홈을 제작하였다.

Triggerpart내 자장코일은 절연유 코팅된 구리코일을 사용하여 1.4mm 굵기의 100회와 1.0mm 굵기의 140회를 적층으로 3층을 감아 외부에서 권선수의 조정을 용이할 수 있도록 제작하였다.표 1은 감겨진 자장코일의 임피던스를 나타낸다.

Fig.13.TheYBCO thinfilm insidecircularholderandmagneticcoil

Table1.Theimpedancevaluesofindividualmagneticcoil

Ω Ω

Ω ΩΩΩ

2 2 2. . .C C Cu u ur r rr r re e en n nt t t- - -l l li i im m mi i it t ti i in n ng g gp p pa a ar r rt t t내 내 내 s s sh h hu u un n nt t tc c co o oi i il l l의 의 의 설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작

Fig.14는 current-limiting part내에 있는 초전도 소자와 병렬로 결선되는 shunt coil을 나타낸 것이다.저온에서 초전도체를 감싸고 있는 triggerpart내 자장코일과 는 달리 current-limitingpart의 shuntcoil은 외부에서 초전도 소자에 병렬로 연결 되어 있으며,그림과 같이 2mm의 구리코일을 사용하여 100회를 적층으로 감아 자 체 제작하였다.표 2는 제작된 current-limiting part내 shuntcoil의 파라미터를 나 타낸 것이다.

Fig.14.Theshuntcoilwithinacurrentlimitingpart

Table2.Theimpedancevaluesofindividualshuntcoil ΩΩΩ

.

. .전 전 전체 체 체 사 사 사고 고 고발 발 발생 생 생시 시 시스 스 스템 템 템 설 설 설계 계 계 및 및 및 구 구 구성 성 성

Fig.15.Theexperimentalsystem fortheSFCL

1 1 1. . .사 사 사고 고 고발 발 발생 생 생 시 시 시스 스 스템 템 템 구 구 구성 성 성

Fig.16(a)인 전원장치는 실험시 소자보호와 안전을 위해 낮은 전압에서부터 점 진적으로 높은 전압으로 상승시켜 실험을 하기 위해 전원장치의 출력을 0V,40V, 80V…로 40V 간격으로 출력전압을 가지는 구조이며,주변압기의 출력은 전압조정 이 용이하게 하기위해 전자개폐기를 사용하였다.또한 전자개폐기의 제어는 전원장 치의 전면에 로터리 스위치를 이용하여 제어할 수 있으며,출력은 bus-bar를 이용 하여 공통으로 출력단자와 연결하였다.또한 안전을 위해 입력단의 전류를 검출하 여 기기에 과전류가 흐르면 EOCR를 이용하여 입력전원을 차단한다.

(a)Thepowersupplyforvariousfaultsimulation (b)Thecontrolpart Fig.16.Thepowersupplyforvariousfaultsimulation

2 2 2. . .사 사 사고 고 고발 발 발생 생 생용 용 용 스 스 스위 위 위치 치 치 및 및 및 제 제 제어 어 어기 기 기 구 구 구성 성 성

Fig.17.Theswitchforvariousfaultsimulation

Fig.17에서 사고발생 제어기의 신호를 받아 사고를 발생시키는 스위치 역할인 소자로 SCR을 사용하였다.SCR은 평상시 통전전류를 도통하다 사고발생장치의 사 고신호를 받아 사고를 발생시켜 고장전류를 도통시키는 방식이므로 R,S,T 각 상 당 2개의 SCR이 필요하고 SCR소자는 모듈형으로 선택하였다.SCR소자는 고장전 류를 통전할 수 있는 충분한 용량으로 선정하였다.

Fig.18.Thephasecontrollerforvariousfaultsimulation

Fig.18은 전력계통에서 발생되는 다양한 유형의 사고를 모의하기 위해서는 사고 각을 포함하여 사고주기를 임의로 제어할 수 있어야 하며,일정한 시간 후에는 회 로를 개로할 수 있는 제어기를 나타낸 것이다.이러한 목적으로 실험에 사용할 부 하에 병렬로 AC 스위치로써 SCR를 설치하여 SCR의 도통시점인 모든 위상각에서 사고를 발생시킬 수 있도록 1°에서 180°범위까지 1°씩 분해 가능하도록 하였다.

3 3 3. . .사 사 사고 고 고발 발 발생 생 생 회 회 회로 로 로 구 구 구성 성 성

우선 사고발생 제어기의 전압 및 전류 등을 감지하기 위해 fig.19의 (a)에 2번의 CONNETOR1 케이블을 (b)의 3번의 단자에 연결한다. (a) 1번의 BNC CONNECTOR는 외부 계측기와 동기화를 위한 FIRING SIGNAL을 출력하므로 필 요시 계측기와 연결하고, (a)의 3～8번 FIRING CONNECTOR와 LOAD CONNECTOR 케이블은 TESTING CYCLE,OFF CYCLE을 제어하는 것으로 (C) 의 4번 단자와 연결한다.전원장치의 출력인 (b)의 2번 OUTPUT 단자를 (c)의 1번 TB1단자와 연결하고 (C)의 2,3번 TB2,TB3단자는 (d)의 회로도에서 지락사고 및 단락사고의 회로연결에 맞게 결선한다.

(a)Connectorsofphasecontroller (b)Connectorsofpowersupply

(c)Connectorsofswitch (d)Experimentalcircuit Fig.19.Theconnectorsforvariousfaultsimulationofpowersystem

E E E. . .냉 냉 냉각 각 각장 장 장치 치 치 설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작

고온초전도체인 YBCO박막은 초전도성을 유지하기 위하여 임계온도인 87K(-18 6℃)이하로 유지를 해야 하는데 이를 위해서 액체질소(-196℃)를 이용하였다.이러 한 액체질소를 기화되지 않고 오랫동안 보관하기 위해 저온 장치를 설계․제작하 였다.이러한 액체질소와 상온과는 약 220℃의 온도차가 생기기 때문에 액체질소의 온도 차이를 줄이기 위해서는 저온장치의 단열효과가 좋아야 한다.

구조는 저온용기에 단열 효과와 실험을 위하여 topflange를 상부에 장착하였다.

그림에서 Q와 q는 저온용기 주변에서 각각 질소증기와 액체질소에 들어오는 열유 입량이고,아래첨자 R,Ω,C,C′,e열의 유입경로가 각각 용기의 외부벽과 top flange으로부터의 방사열과 전도열,열교환임을 나타낸다.열의 유입 경로를 차단하 기 위하여 Q는 저온용기의 내부벽에 도달하여 일부 열교환에 의해 질소증기로 가 고 나머지가 전도를 통해 액체질소에 유입된다.

즉 qc=Qc+Qc′ +QR+QΩ -Qe이다.이러한 방사열이나 전도열이 저온용기 내부로 유입되는 것을 막기 위하여 Qc와 qc는 저온용기 주변의 열에 의해서 용기 내부로 전도되는 열인 이를 차단하기 위해 저온용기의 벽을 이중으로 하고 내외부 벽 사이를 1×10^-6Torr이하의 진공으로 하였으며 superinsulation을 장착하였다.

Qc′는 topflange의 외부로부터 들어오는 전도열로서 이를 차단하기 위해 저온용 기 내부벽 두께를 얇게 하였다.QR 및 qR는 저온용기의 내부와 외부의 온도차에 의해서 생기는 방사열로서 이를 줄이기 위해 내부벽에 방사차폐판(radiationshield) 을 설치하였다.QΩ과 qΩ은 topflange로부터 들어오는 방사열로서 이를 줄이기 위 해 Al원판으로 만든 방사 baffle여러 장을 일정한 간격을 두고 topflange에 장착 하였다.방사 baffle은 topflange에 장착이 되기 때문에 Qc′를 증가시키므로 가장 아래에 있는 baffle이 액체질소 면에서 일정 거리 이상 떨어지도록 하였다.그리고 topflange상부에 있는 각종port에 장착이 되는 부품은 가능하면 우회하여 액체질 소 내의 초전도 박막과 연결시켜 port를 통하여 들어오는 방사열을 줄였다.Qe는 여러 경로를 통해서 저온장치 내부로 유입되는 열로서 액체 질소로 전도되는 것을 막기 위해 topflange와 저온용기 사이에 O-ringseal을 하였다.

초전도 전류제한기의 퀜치실험에서는 초전도 한류소자의 퀜치현상을 실험 중에

관찰하는 것이 중요하다.초전도 한류소자에 퀜치가 발생하면 소자 주변에서 많은 열이 발생하며,이 열에 의해 그 주변에는 액체질소가 기화하면서 많은 기포 (bubble)가 발생한다.기포는 액체질소의 냉각효율을 떨어뜨리므로 초전도 퀜치현 상에 큰 영향을 미치게 된다.이러한 기포를 관찰하기 위하여 top flange상부에 이중으로 진공상태의 투명창을 부착하였다.

Fig.20.Theappearanceandincomingpathofexternalheatintothecryostat

D D D. . .설 설 설계 계 계파 파 파라 라 라미 미 미터 터 터에 에 에 따 따 따른 른 른 임 임 임계 계 계특 특 특성 성 성 분 분 분석 석 석 1 1 1. . .초 초 초전 전 전도 도 도 소 소 소자 자 자의 의 의 설 설 설계 계 계 및 및 및 제 제 제작 작 작

전력계통의 사고 발생시 고장전류를 제한하는 주된 역할을 담당하는 것은 고온 초전도 한류소자이다.본 과제에서 제작⋅실험하기로 한 초전도 소자는 YBCO 박 막을 이용한 meander형태의 한류소자를 fig.21과 같이 설계⋅제작하여 실험하였 다.Meanderline형태의 초전도 한류소자의 장⋅단점은 다음과 같다.

meanderline초전도 한류소자 - 저항형 초전도 전류제한기의 한류소자로 많이 사용하고 있는 이 형태의 경우 무유도성 및 전압 측정에 용이한 특징을 가지고 있 으나,굴곡 부분에서 전계 및 자속밀도,전류밀도가 집중되기 때문에 절연파괴를 고려하여 설계를 하여야만 초고압 대용량화에 대응할 수 있다.

Fig.21.ThepatternofaYBCO thinfilm

초전도 한류소자는 직경 2inch의 합성 사파이어(Al2O3)기판 위에 성장된 두께 0.3m의 YBa2Cu3O7(YBCO)박막을 fig.13과 같이 meander-line으로 설계하였다.

박막은 독일의 Theva사에서 구입하였으며,구입한 소자의 임계온도와 임계전류밀 도는 각각 87～88K과 2～3MA/cm²으로 박막 전면에서 ±0.5%이내로 균일하였다.

YBCO박막은 제조공정상 불균일성 때문에 생기는 hotspot에서 열이 발생하게 된 다.이러한 열의 분산을 위해서 YBCO 위에 0.1～0.2m 두께의 금을 증착하였다.

금박막층은 상전도 상태의 YBCO보다 비저항이 약 100분의 1로 작기 때문에 퀜치 된 YBCO박막의 hotspot으로 사고 전류를 우회시켜서 hotspot에서 국소적으로 발생하는 열을 분산시켜 준다.이외에도 금박막층은 YBCO박막이 공기 중의 수분

과 반응하여 비초전도체를 형성하기 때문에 YBCO박막의 표면을 공기로부터 차단 시켜 보호하는 역할도 하게 된다.금박막은 YBCO박막 성장 직후에 진공을 유지한 상태에서 in-situ로 증착하였다.

금이 증착된 YBCO박막을 광리소그래피(photo-lithography)에 인쇄회로기판 (PCB)제작공정을 접목하여 meander-line모양으로 식각하는 공정을 개발하고 한류 소자를 설계⋅제작하였다.표 3은 meander-line모양으로 식각된 초전도 소자의 설 계사양을 나타낸 것이다.

Table3.SpecificationofaYBCO thinfilm PPPaaarrraaammmeeettteeerrr VVVaaallluuueee UUUnnniiittt

소자 직경 2 inch

스트립폭 2 mm

전체길이 540 mm

YBCO층 두께 0.3 m 금층 두께 0.1∼0.2 m

Fig.22는 금박막을 입힌 초전도 한류소자에 대한 비저항특성의 온도에 따른 저 항변화를 나타낸 그림이다.

Fig.22.Theresistance-temperaturecurveofasuperconductor

2 2 2. . .초 초 초전 전 전도 도 도 소 소 소자 자 자의 의 의 임 임 임계 계 계특 특 특성 성 성

Fig. 23에서와 같이 임계특성실험을 위해 meander line으로 식각된 2-inch YBCO 박막을 초전도 한류소자로 사용하여 실험회로도를 구성하였다.DC power supply장치를 통해 DC전압을 일정 간격으로 초전도 소자에 전압을 인가하여 임계 전류이상의 통전전류로 초전도 소자의 퀜치를 유도하였다.측정 장치로 scope- corder와 X-Y recorder를 사용하여 초전도 소자의 전압과 전류를 4단자법으로 동 시에 측정하여 임계전류를 조사하였다.고온초전도 소자는 임계온도 특성을 고려해 액체질소(LN2:87K)가 담겨진 cryostat내부에 삽입하여 실험하였다.Fig.9에서와 같이 시편이 부착된 홀더를 액체 질소 냉각장치에 담아 액체질소의 유동 및 외부 로부터의 환경영향을 최소화하였다.

R_SC

HTSC Cryostat ISC

+

- V_SC DC power DC

supply

Fig.23.Theexperimentalcircuitformeasurementofcriticalcurrent Fig.24는 시편 6개의 개별통전실험을 통한 임계전류 특성에 대한 I-V곡선을 나 타낸 것이다.초전도 소자의 퀜치가 발생되는 시점전류인 퀜치전류 Iq의 기준선 (^{})에서 시편간의 격차가 있다는 것을 수치를 통해서 알 수 있다.이 때 Iq

값은 ^{} 기준을 사용하여 측정하는 것이 통상적이나 본 연구의 실험목적상 절대값보다는 상대적인 편차가 중요하기 때문에 측정의 편의상 여기서는 ^{}

의 기준을 사용하였다. HTSC-A HTSC-B, HTSC-C, HTSC-D, HTSC-E, HTSC-F의 퀜치전류 Iq는 각각 19.29A,19.38A,19.62A,17.67A,19.87A,20.42A이 다.이러한 차이가 발생하는 것은 초전도 소자의 제작시 불가피하게 발생하는 차이 로써 초전도 소자의 직렬 연결시 불규칙 퀜치가 발생할 수 있는 요인이 된다.

0 5 10 15 20 25 0

2 4 6 8 10 12

Voltage [mV/cm]

Current [A]

V_A V_B V_C V_D V_E V_F

Fig.24.Thecurrent-voltagecurvesofeachSFCL element

매트릭스형 초전도 전류제한기의 시스템에 사용되는 전류제한 소자는 고장전류 유입 시 빠른 스위칭 속도와 신속한 저항 증가를 필요로 하며 또한 정상상태 회복 시에도 신속한 회복 특성을 동시에 갖추어야만 한다.따라서 매트릭스형 전류제한 기에 필요한 한류소자의 indexing지수인 n-value값을 HTSC-A의 임계전류를 계 산하였다.초전도 소자의 임계전류 특성은 인가 전류 17mA에서 전압 상승이 시작 되며 19mA에서 급격한 전압 상승이 이루어지기 시작했고 최종적으로 인가전류 20.5mA에서 13V의 전압상승을 나타내었다.

제시된 실험결과를 바탕으로 n-value값을 계산해본 결과 HTSC-A의 n-value는 121.5였다.이 값은 다른 초전도소자의 n-value값에 비해 높은 편이기 때문에 빠 른 스위칭 속도를 필요로 하는 매트릭스형 전류제한기에 초전도 박막을 한류소자 로 사용하기에 적합함을 알 수 있었다.

Ⅳ Ⅳ Ⅳ. . .실 실 실험 험 험결 결 결과 과 과 및 및 및 분 분 분석 석 석

A A A. . .자 자 자장 장 장의 의 의존 존 존성 성 성에 에 에 따 따 따른 른 른 특 특 특성 성 성 변 변 변화 화 화 1 1 1. . .단 단 단위 위 위소 소 소자 자 자의 의 의 직 직 직류 류 류전 전 전원 원 원 통 통 통전 전 전 실 실 실험 험 험

Fig.25와 26은 소자보호 차원에서 표준저항(R0)1Ω이 직렬로 연결되고,자장인 가코일과 초전도 소자의 연결방식을 병렬구조와 직렬구조로 실험하기 위해 나타낸 그림이다.자장인가에 따른 특성 실험을 위해 임계특성 실험에서 사용했던 동일한 시편을 사용했으며,자장이 인가되지 않는 경우의 실험에서도 동일한 재원을 갖도 록 코일을 직ㆍ병렬로 연결하였다.

I

I

R

R

R

L

I

I

Fig.25.Theequivalentcircuitinparallelstructure

R^sc-a R⁰

R^coil Lcoil

I_t I_FCL

Fig.26.Theequivalentcircuitinseriesstructure

Fig.27과 28은 HTSC-A인 YBCO 박막의  기준에 대한 수직한 자기 장이 인가된 경우에 대한 임계전류 특성 곡선을 나타내었다.Fig.27은 본 구조의 기본행렬인 자장코일과 병렬구조에 의한 퀜치특성을 보여준다.자장이 인가되지 않 을 때 소자의 임계전류는 17.68A였으나,자장코일의 권선수가 100회와 240회인 각 각의 임계전류는 17.40A와 17.20A로 차이를 나타냈다.하지만 권선수가 380회인 경 우 임계전류밀도는 18.10A로 약간 상승하였는데,이는 자장코일의 권선수 증가에 따른 내부임피던스 증가로 인한 상호관계의 영향이라고 생각된다.

10 12 14 16 18 20 0

2 4 6 8

Voltage [mV/cm]

Current [A]

YBCO_nonmagnetic field YBCO_100 turns YBCO_240 turns YBCO_380 turns

Fig.27.Thevoltage-currentcurvesaccordingtoturnnumbersofthe magneticcoilinparallelconnectionwithHTSC-A

0 5 10 15 20

0 2 4 6 8 10

Voltage [mV/cm]

Current [A]

YBCO_nonmagnetic field YBCO_100 turns YBCO_240 turns YBCO_380 turns

Fig.28.Thevoltage-currentcurvesaccordingtoturnnumbersofthe magneticcoilinseriesconnectionwithHTSC-A

Fig.28은 자장코일과 소자를 직렬 연결하여 동기화된 전류에 따른 임계전류특성 을 나타낸다.권선수가 증가함에 따라 인가되는 자장크기도 점차 증가되어 각 조건 에 따른 임계전류가 15.81A,13.59A,11.77A로 점차 저하되었다.이는 fig.27의 380 회와 비교했을 때 임계전류밀도가 오히려 증가된 것과는 달리 fig.28에서는 380회 인 경우 가장 적은 값을 나타내었다.이는 자장코일을 이용한 동작설계를 위해서는 병렬로 연결되는 자장코일의 내부특성도 고려해야 되며,인가되는 자기장의 크기가 클수록 초전도 소자의 임계전류밀도를 저하시키는데 효과적임을 알 수 있었다.

2 2 2. . .단 단 단위 위 위소 소 소자 자 자의 의 의 교 교 교류 류 류전 전 전원 원 원 통 통 통전 전 전 실 실 실험 험 험

정확한 데이터 비교를 위해 임계전류 측정에 사용된 동일한 시편(HTCS-A)을 사용하여 자장의존성에 대한 교류전원 통전 실험을 하였다.200Vrms/60Hz을 인가하 는 전압원과 부하저항 50Ω을 사용하여 소자에 통전되는 전류의 양을 가변하였다.

또한 시스템 보호를 위해 fig.25와 26에서와 같이 표준저항 1Ω을 선로에 직렬로 연결하여 전압의 변화를 측정하였다.또한 자장의존성을 분석하기 위해 권선수가 100회와 240회인 자장코일과 소자를 병렬연결과 직렬연결에 대한 실험을 하였다.

Fig.29는 병렬구조에 따른 저항성장곡선과 선로전류의 사고 후 동작특성을 나타 낸다.자장코일이 100회인 경우에는 사고발생 후 선로전류크기에도 자장에 따른 변 화가 적었으나,240회인 경우에는 초기 반주기 동안 피크전류차이가 5.38A 정도 차 이를 나타내었다.또한 이 시점인 65.4ms에서의 저항성장곡선에서도 자장을 인가한 경우에 7.63Ω이였으며,자장이 인가되지 않는 경우에는 6.40Ω 정도로 초전도 소자 의 자장의 의존성을 알 수 있었다.하지만 전체선로전류의 전류제한동작 측면에서 병렬구조인 경우 사고전에는 코일에 의한 손실이 거의 없으나,사고후에는 전체임 피던스가 적어지므로 전체 저항크기를 고려해야 한다.

Fig.30에서는 직렬구조에 의한 자장코일이 240회인 경우에 초전도 소자의 자장 의존성에 대한 퀜치특성을 나타낸 결과이다.Fig.30(a)저항성장 곡선에서 자장이 인가될 경우 초기 증가폭이 급격하게 상승되는 것을 확인할 수 있다.이러한 저항 증가는 fig.30(b)_1에서 자장유무에 따른 고장전류의 반주기동안 초기 제한되는 전 류크기가 31.31A,39.14A까지 제한됨에 따라 자장이 인가되는 경우가 전류제한에도 유리함을 재차 알 수 있다.또한 fig.30(b)_2의 사고발생 후 소자에 인가되는 초 기 피크전압의 크기도 각각 251.30V와 202.73V이지만,자장을 인가했을 경우에는 피크점까지 빠르게 상승되는 것을 알 수 있었다.초전도 소자에 전압이 발생되는 시점이 0.23ms정도의 차이를 나타냄에 따라 자장을 인가했을 때 초전도 소자의 전 압발생도 빠른 것을 알 수 있었다.외부자장코일과 직렬 연결할 경우 사고가 발생 한 뒤 YBCO박막에 많은 자기장을 인가하여 급격한 저항성장으로 초기 고장전류를 빠르게 제한할 수 있으나,정상조건에서도 항상 코일이 선로에 연결되기 때문에 인덕턴스에 의한 손실이 고려되어야 하므로 설계조건에 적합한 구조라 할 수 없다.

50 60 70 80 90 100 0

5 10 15 20

without magnetic field with magnetic field

Resistance[ΩΩΩΩ]

Time[ms]

100 turns 200 turns

(a)

50 60 70 80 90 100

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160

Current[A]Current[A] (a)_100turns (b)_240turns

Time[ms]

with magnetic without magnetic

(b)

Fig.29.Thecurvesaccordingtoturnnumbersofmagneticcoil inparallelconnectionwithHTSC-A

(a)Resistancecurves (b)Linecurrentcurves

(a)

59 60 61 62 63 64 65 66

-100 0 100 200 300

(b)_1

(b)_2

Time[ms]

59 60 61 62 63 64 65 66

0 20 40

Voltage[V]Current[A]

with magnetic field without magnetic field

(b)

Fig.30.Thecurvesaccordingtowithoutandwithmagnetic inserialconnectionwithHTSC-A

(a)Resistancecurves (b)Linecurrentandvoltagecurves

B B B. . .전 전 전류 류 류제 제 제한 한 한특 특 특성 성 성에 에 에 따 따 따른 른 른 동 동 동작 작 작 분 분 분석 석 석 1 1 1. . .단 단 단위 위 위소 소 소자 자 자의 의 의 동 동 동작 작 작 특 특 특성 성 성

R^sc-a

I_{F C L} R^sc-d R^sc-e

(a)

R^sc-a R^sc-e R^sc-d

R^sc-c I_FCL

R^sc-f R^sc-b

(b)

Fig.31.EquivalentcircuitsoftheresistivetypeSFCL (a)1✕3module (b)2✕3module

Fig.31의 (a)에서와 같이 단순직렬 연결에서 인가전압이 320Vrms,1✕3모듈,그 리고 fig.31(b)인 직병렬구조에서 2✕3모듈에 대하여 fig.32와 33에서 각 한류소 자의 퀜치특성을 나타내고 있다.그림 6에서 알 수 있는 바와 같이 단순직렬 구조 에서는 △Iq값이 상대적으로 낮은 소자 D에서 사고 발생한 후 초기피크전압에서 거의 power를 감당함으로써,다른 소자A와 E와의 전압발생률에서 차이가 크게 발 생하는 것을 볼 수 있다.따라서 소자 D의 전압한계이상으로 전압부담을 할 수 없 으므로,용량증대를 위한 직렬연결이 어렵다는 것을 알 수 있다.

Fig.33에서 2✕3조합연결에서는 사고 직후 소자에 인가되는 전압이 5주기가 지 난 시점에서 거의 균일하게 전압분배가 되는 반면에 1✕3조합연결에서는 여전히 소자E에서는 퀜치가 발생되지 않음을 볼 수 있다.따라서 기존의 구조인 1✕3조합 에서 소자전압이 편중되어 인가된 것에 비해 전압이 각각의 소자에 어느 정도 분 담됨에 따라 병렬로 전류재분배현상으로 먼저 퀜치된 시편의 퀜치시작 시점을 지 연시키는 효과로 인해 동시퀜치의 동작특성에서 유리해짐을 알 수 있었다.

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0

10 20 30

Resistance[ΩΩΩΩ]

Time[ms]

Za Zd Ze -30

0 30 60 90

(c) (b)

Voltage[V] (a)

Current[A]

Ifcl -240

-160 -80 0 80 160 240

Vsc-a Vsc-d Vsc-e

Fig.32.1✕3module(appliedvoltage:320Vrms/60Hz) (a)Thevoltagesofsuperconductingelements (b)Linecurrent

(c)Theresistancesofsuperconductingelements

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

0 10 20 30

(c) (b) (a)

Time[ms]

Za Zb Zc Zd Ze Zf -30

0 30 60 90

Resistance[ΩΩΩΩ]Current[A]

Ifcl Ia Ib Ic Id Ie If -240

-160 -80 0 80 160 240

Voltage[V]

Vsc-a Vsc-b Vsc-c Vsc-d Vsc-e Vsc-f

Fig.33.2✕3module(appliedvoltage:320Vrms/60Hz) (a)Thevoltagesofsuperconductingelements (b)Lineandelementcurrents

(c)Theresistancesofsuperconductingelements

2 2 2. . .션 션 션트 트 트코 코 코일 일 일의 의 의 적 적 적정 정 정 저 저 저항 항 항값 값 값 선 선 선정 정 정

한류소자간의 초기 소비에너지의 차이를 줄이는 방안으로써 첫 번째로 한류소자 에 병렬로 션트코일을 삽입하는 것이다.이러한 션트코일과 매트릭스형 전류제한기 의 기본 개념을 제안한 X.Yuan은 전절의 fig.4에 보이는 것처럼 매트릭스형 전류 제한기의 triggerpart와 current-limiting part의 인덕턴스가 순수한 인덕턴스로 구 성된다고 기술한 바 있다.이때 각각의 인덕턴스만 존재할 경우 몇 가지 문제점이 발생된다.첫째 정상상태에서 초전도체의 접촉저항으로 인하여 병렬 인덕턴스에서 전류 손실이 발생된다.둘째,전류 제한소자부의 초전도 소자의 저항보다 병렬 코 일의 인덕턴스가 작을 경우 전체 임피던스는 감소된다.

이는 분로전류를 크게 하여 초전도 소자의 퀜치 발생률은 용이하나,전체 고장전 류의 제한율은 감소하게 된다.이러한 감소를 줄이기 위해 병렬 코일에 직렬로 저 항을 삽입해야 한다.그러나 저항값이 작으면 저항에서 전력소비가 커지고,적정 한류작용을 위해 소자의 추가삽입이 필요하여 효율성이 저하된다.셋째,사고발생 후 한류소자의 상전도 전이현상에 의해 대부분의 전류가 병렬코일로 사고제한 없 이 분류되어 고장전류의 최종 제한값에 영향을 주게 된다.따라서 이러한 션트코일 내 삽입될 저항의 크기가 고려되어야 한다.

I

I

0

I

HTSC-A HTSC-E

I

R s R s

A C

Fig.34.Equivalentcircuitfor1✕2module

Fig.34는 동일 실험조건에서 shuntcoil의 적정 저항값 선정을 위한 절점 A-C이 연결된 실험회로도이다.인가전압은 160V로 하였고,초전도 소자에 병렬로 코일과 직렬저항 Rs를 삽입하여 20～5Ω까지 5Ω씩 단계적으로 감소해 가면서 실험을 수행