초전도 한류기용 퀀치 감지 시스템{QUENCH DETECTION SYSTEM FOR A SUPERCONDUCTOR FAULT CURRENT LIMITER}
본 발명은 초전도 한류기용 퀀치 감지 시스템 및 초전도 한류기에서 퀀치를 감지하는 수단에 관한 것이다.
한류기는 전기 분배 또는 전송 네트워크에서, 특히 고전압 네트워크에서 고장전류(fault current)를 자동으로 공칭전류(nominal current)에 가까운 낮은 전류값으로 제한하는 장치이다. 이 장치의 이점은 고전압 네트워크의 단락전력을 크게 줄임으로써, 단락전력을 증가시키지 않으면서도 네트워크들을 서로 연결시킬 수 있고 아니면 안전여유를 감소시켜서 네트워크에 연결된 다른 장치들을 더 낮은 단락전력용으로 사용하도록 설계할 수 있고 따라서 더 가벼우면서 저렴하게 할 수 있다는 점이다. 초전도체, 특히 고온 초전도체는, 초전도성을 잃어 저항이 없는 초전도 상태로부터, 초전도 물질의 임계전류(Ic)와 임계온도(Tc) 또는 임계자기장(Hc) 중 적어도 하나 이상을 초과했을 때 전기저항이 높은 일반적인 상태로 바뀌는 특성 때문에, 한류기에서 사용하는데 매우 적합하다. 초전도 상태에서 일반적인 저항이 있는 상태로 바뀌는 것을 "퀀치(quench)"라고 부른다. 공칭전류(In)로 일반적으로 작동할 때, 즉 차가운 상태에 있을 때, 초전도 물질은 저항이 거의 없는 초전도 상태에 있어서, 전체 한류기에 걸쳐 전압이 없다-한류기는 네트워크에 대해 "보이지 않는" 상태에 있다. 단락 전류가 발생하는 경우, 전류는 초전도 물질의 전류(Ic)를 넘어 공칭전류(In)의 두세배 만큼 증가하고, 따라서 초전도 물질은 전압이 높은 저항이 있는 상태로 바뀌게 된다. 즉, 초전도 상태에서 일반적으로 작동할 때, 한류기의 양단에서 전압차는 관측되지 않는 반면, 단락과 같은 장애(fault)가 발생하는 경우에는 저항이 증가하기 때문에 전압차가 크게 측정된다. 퀀치가 발생하는 경우, 초전도 물질은 많은 에너지를 흡수해야 하므로, 결과적으로 가열된다. 과열을 막고 한류기가 손상되는 것을 피하기 위해서, 한류기를 통과하는 전류는 한정된 시간 내에서 제한되어야만 한다. 퀀치 프로세스는 수십 밀리세컨드(milliseconds) 정도의 매우 짧은 시간 내에 진행되므로, 퀀치를 감지하는 것은 매우 빨라야 한다. 따라서, 퀀치를 감지하는 수단이 제공되어 퀀치시에 전류를 차단하는 차단기에 장애 신호를 전송하게 된다. 종래 기술로서, 퀀치를 감지하는 여러가지 방법들이 알려져 있다. 예를 들어, 유럽특허 제0 828 331호는 각각의 코일이 직렬로 연결되어 있는 고온 초전도 코일 조립체를 보여주고 있다. 코일 조립체의 양단부에, 자기력선 고리(flux loop)가 제공되어 있다. 퀀치의 경우, 자기력선 고리에서 일어나는 불균형을 감지하여, 오프-스위치를 개방하고 있다. 미국특허 제5,999,383호는 거의 전압차가 없는 초전도 상태와 한류기 양단의 전압차가 큰 저항이 있는 상태사이의 전압을 측정하여 퀀치를 감지하는 기술을 보여주고 있다. 전압차를 쉽게 감지할 수 있도록, 유도전압에 의해 유발되는 "노이즈"를 특별한 구조를 통해 보상하고 있다. 뿐만 아니라, 일본특허 제59-152604호는 전압차를 측정하여 퀀치를 감지하는 기술을 제공하고 있다. 미국특허 제5,999,383호에서와 같이, 앞에서 언급한 유도전압에 의해 발생하는 "노이즈"를 특별한 구조를 통해 제거하고 있다. 일본특허 제2009-206237호에서는, 전압차를 이용하여 퀀치를 감지하고 있다. 측정된 전압차는 푸리에 변환되어 퀀치가 발생했는지 여부를 결정하게 된다.
하지만, 간단하면서도 확실하게 작동되는, 특히 매우 빠른 반응시간을 갖는, 초전도 한류기의 퀀치 검출 시스템에 대한 요구가 커지고 있다.
상술한 문제점은 청구범위 제5항에 의한 퀀치 감지 시스템을 통해 해결할 수 있다. 바람직한 실시예가 청구범위 제6항 내지 제10항에 기재되어 있다. 본 발명은 차동 보호계전기를 포함하는 퀀치 감지 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 퀀치 감지 시스템은 적어도 한류기의 일단부에 연결된 변압기를 포함한다. 또한, 본 발명은 초전도 한류기의 퀀치를 감지하는 방법으로서, 초전도 한류기의 입력단 전압 및 출력단 전압을 비교하고, 전압강하 때문에 장애가 발생할 때의 전압차를 이용하여, 상기 초전도 한류기에서의 전압차의 크기에 비례하는 전류를 생성하고, 상기 전류는 차동 보호계전기에 공급되고, 상기 보호계전기는 상기 전류를 소정의 값과 비교하여 상기 전류가 소정의 값을 초과하는 경우 상기 초전도 한류기에 전류를 공급하는 것을 방해하는 차단기의 트리거 장치를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 퀀치 감지 시스템은 퀀치가 발생하는 동안 한류기의 양쪽 단부에서 발생하는 전압의 차이를 이용한다. 일반적으로 작동할 때, 즉, 초전도 상태에 있을 때, 한류기의 양단에 걸리는 전압은 거의 동일하다. 퀀치가 발생한 경우, 전압은 한류기를 통해 크게 감소하게 되어 양 단 사이의 전압이 달라지게 된다. 본 발명의 특징을 보면, 본 발명의 퀀치 감지 시스템은 차동 보호계전기를 사용하고 있다. 차동 보호계전기는 널리 알려져 있으며 일반적으로 여러 공급원을 통해 공급되도록 상용화되어 있다. 차동 보호계전기는 3상 전력 송신 시스템과 같은 전력 시스템 내에서 사용되며, 장치 안으로 유입되는 전류와 밖으로 나가는 전류를 비교하여 비정상적인 작동 상태를 감지한다. 정상적으로 작동할 때, 입력 전류는 출력 전류와 같지만, 장애가 발생하는 경우에는 차이값이 관측되며 따라서 차동 보호계전기는 장애 신호를 발생시키고, 그 결과 차단기가 전기회로를 개방(open)하게 된다. 차동 보호계전기는 예를 들어 지멘스(Siemens) 7UT6131-5EA01-1AA0과 같이 지멘스 기업이 판매하는 제품들이 있다. 차동 보호계전기는 전압 보다는 전류를 방해하도록 설계되어 있다. 그러나, 한류기에 있어서, 일반적으로 작동할 때 뿐만 아니라 퀀치가 발생했을 때, 한류기를 통과하는 전류는 한류기에서 밖으로 나가는 전류와 항상 동일하다. 퀀치 감지 시스템의 원리에 의하면, 한류기의 양단에 걸리는 전압은 전압에 비례하는 전류로 변환되고 그 전류는 차동 보호계전기로 공급된다. 만약 한류기 양 단의 전류신호의 차이값이 소정의 값을 넘게 되면, 차동 보호계전기는 장애신호를 차단기로 보내어 전류의 흐름을 차단하게 된다. 따라서, 본 발명은 한류기용 차동 보호계전기의 몇 밀리세컨드수백, 예를 들어 약 15 밀리세컨드 정도의 매우 빠른 반응시간을 이용한다. 원칙적으로, 본 발명은 초전도체의 유형에 대해 특별히 제한을 두고 있지 않다. 초전도체는 보통 저온 초전도체 또는 고온 초전도체로 분류된다. 고온 초전도체는 액화 질소의 온도(77 o K) 이상의 임계온도(Tc)를 갖는 것으로 정의된다. 적절한 고온 초전도체(이하 "htsc"로 부름)는 비스무트-기재 htsc, 이트륨-기재 htsc, 탈륨-기재 htsc, 머큐리-기재 htsc 와 같은 세라믹 옥사이드 고온 초전도체를 포함하는데 다만 이것으로 한정되는 것은 아니다. 전형적인 예로는 Bi-Ae-Cu-O y , (Bi, Pb)-Ae-Cu-O y , Y-Ae-Cu-O y , (Y, Re)-Ae-Cu-O y , TI-Ae-Cu-O y , (TI, Pb)-Ae-Cu-O y , Hg-Ae-Cu-O y 가 있다. 위의 식에서, Ae는 하나 이상의 알칼리 토류 원소, 특히, Ba, Ca 및 Sr을 의미하고; Re는 하나 이상의 희토류 원소, 특히 La, Lu, Sc, Ce, Nd 및 Yb를 의미하고; y는 특정 htsc에 대하여 적절한 범위의 상대적인 산소함유량을 나타낸다. 특히 바람직한 htsc는 BSCCO-2212, BSCCO-2223으로 알려진 것들이 있으며, 숫자조합인 2212 및 2223은 원소 Bi, Sr, Ca 및 Cu의 화학량론적인 비율을 의미하고, 특별한 경우 Bi의 일부는 Pb로 대체되고; YBCO-123 및 YBCO-211로 알려진 것도 있는데, 이 경우 숫자조합 123 및 211은 원소 Y, Ba 및 Cu의 화학량론적인 비율을 의미한다. 위에서 언급한 고온 초전도체 외에도, 39 o K를 갖는 MgB 2 와 같이 Tc가 77 o K 이하인 초전도체를 사용할 수도 있다. 초전도체 기반의 한류기들은 여러가지 상이한 구조를 가지고 있는데, 이러한 구조는 저항성 한류기 및 유도성 한류기로 이루어져 있다. 본 발명은 특히 저항성 한류기에 관한 것이다. 한류기는 또한 실린더나 막대 또는 코일 형상을 갖는 벌크물질로 구성될 수 있다. 나아가, 한류기는 종횡비가 비교적 큰, 즉 두께보다 폭이 더 큰 테이프로 구성될 수 있는데, 예를 들면 코팅된 도체로서 초전도 물질의 층이 기층위에 증착되어 있고, 보통 하나 이상의 버퍼층이 기층과 초전도층 사이에 있는 구조; 또는 보통 라운드 형태의 직경을 갖는 와이어로 된 구조로 되어 있다. 본 발명의 퀀치 감지 시스템에 의하면, 상용화 되어 있는 차동 보호계전기를 사용할 수 있기 때문에, 간단하지만 퀀치를 감지함에 있어서 효율적인 시스템을 구축할 수 있다. 특히, 차동 보호계전기는 매우 신속하게, 즉 몇 밀리세컨드 내에, 그리고 좋은 감도로 퀀치를 감지하고 신호를 전송할 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단하면서도 확실하게 작동되면서도 매우 빠른 반응시간을 갖는 초전도 한류기의 퀀치 검출 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 회로도의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 퀀치 감지 시스템을 갖는 한류기에 대한 제2 실시예를 나타내는 도면이며;
도 3은 한류기에 대한 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도면에서 볼 수 있는 개략적인 도면들은 "단선도(one-line diagram)"을 나타내는 일반적인 전력시스템의 규칙을 따르고 있다. 이로써, 전형적인 교류(AC)용 3상시스템과 같은 다상시스템을 단상도로 표현할 수 있다. 본 발명의 퀀치 감지 시스템에 대한 제1 실시예에 따른 전기장치를 도 1에서 볼 수 있다. 전류 입력단(좌측)과 전류 출력단(우측)을 갖는 한류기(1)를 볼 수 있다. 한류기(1)의 입력단은 제1 측정회로(10)에 전기적으로 연결되어 있고, 한류기(1)의 출력단은 제2 전류측정회로(20)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 실시예에서, 각각의 전류측정회로(10,20)는 변압기(11,21)와 저항(12,22)을 포함하고 있고, 차동 보호계전기(13)(코일로 표시됨)에 연결되어 있다. 변압기(11,21)와 저항(12,22) 및 차동 보호계전기(13,32)는 순서대로 연속적으로 직렬로 연결되어 있다. 변압기(11,21)는 한류기(1)의 단부에 전기적으로 연결되어 있으며 또한 접지되어 있다. 이 실시예에서는, 한류기(1)의 양단에 걸린 전압은 변압기(11,21)를 이용하여 대지전위에 대해 측정하게 된다. 도면에서, 변압기(11,21)의 주요 지점은 대문자로 표시하고 이차적인 지점은 소문자로 표시하고 있으며, N,n은 접지를 나타내고 A,a는 위상(phase)을 나타낸다. 변압기를 통해 전압이 낮게 변환된다. 또한, 전류는 전류측정회로에서 생성된다. 주요 지점에서의 전압과 이차적인 지점에서의 전압은 서로 비례하므로, 전류는 한류기(1)의 각 단부에 걸리는 전압에 대응한다. 제1 및 제2 전류측정회로의 전류는 각각 차동 보호계전기(13)의 입력부에 공급된다. 이 실시예에서 바람직하게, 두 개 이상의 입력부를 갖는 차동 보호계전기를 사용할 수 있고, 두 입력부는 하나씩 각각의 전류에 대응한다. 차동 보호계전기를 이용하여, 전류의 차이를 연산하고, 또한 소정의 값과 비교할 수 있다. 통상적으로 작동하는 경우, 한류기(1)를 통과할 때 거의 전압강하는 발생하지 않는데, 이는 한류기(1)가 초전도 상태에 있기 때문이다. 따라서, 양 변압기(11,21)에서 동일한 전압을 관측할 수 있는데, 그 전압은 예를 들어 약 V 정도가 된다. 통상적으로 작동하는 경우, 전류의 차이는 거의 0으로서, 즉 I 11 -I 21 =0 으로 표현할 수 있으며, 여기서 I 11 은 변압기(11)의 전류신호이며 I 21 은 변압기(21)의 전류신호를 나타낸다. 장애(fault)가 발생하는 경우, 한류기(1)를 통해 전압이 떨어지게 되며, 한류기(1)의 출력단에서의 전압은 입력단에서의 전압보다 작게 된다. 따라서, 차동 보호계전기에 의해 전류의 차이를 관측할 수 있다. 관측된 전류의 차이값이 소정의 값을 넘게 되면, 차동 보호계전기는 트리거 신호를 차단기(2)에 전송하게 되며 따라서 전류의 흐름이 중단된다. 저항(12,22)이 변압기(11,21)와 접속부(13,23) 사이에 제공되어, 사용하는 차동 보호계전기로 처리할 수 있는 수준으로 전류를 감소시킬 수 있게 된다. 한류기의 각 단부에 걸리는 전압에 대한 전류의 비율을 유지할 수 있도록, 전류가 감소되는 비율은 두 저항(12,22)에 대해 동일하다. 바람직하게는, 필요에 따라 감소비율을 조절할 수 있는 가변저항을 이용할 수 있다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 변압기(11,21)와 저항(12,22)에 대해 특별히 제한하는 것은 없다. 원칙적으로, 어떤 변압기와 저항이든 각각 사용할 수 있다. 위에서 언급한 것처럼, 변압기와 저항은 장애 발생시 발생하는 전압차를, 사용하는 차동 보호계전기에서 처리하기에 충분히 낮은 전류신호로 변환하는 역할을 한다. 물론, 두 개의 별도의 전류측정회로(10,20)를 갖는 도 1의 실시예에서, 각각의 전류측정회로에서 사용하는 변압기와 저항은, 차동 보호계전기에 공급되는 전류를 확실하게 비교할 수 있도록 서로 대응하여야 한다. 도 2를 보면, 본 발명의 퀀치 감지 시스템에 대한 또 다른 실시예를 나타내는 전기장치가 있다. 도 1의 실시예와 달리, 도 2의 실시예는 단지 하나의 전류측정회로로 이루어져 있고, 차동 보호계전기의 입력부는 하나만 필요하다. 도 2에 도시된 것처럼, 한류기(1)의 각 단부는 변압기(11,21)에 연결되어 있다. 두 변압기(11,21)는 라인(3)을 통해 서로 연결되어 있어, 전류측정회로를 구성하게 된다. 또한, 차동 보호계전기(13)(코일로 표시됨)가 변압기(11)와 변압기(21) 사이에 있는 라인(3)에 제공된다. 한류기(1)의 양 단부에서의 전압이 거의 동일한 일반적인 작동상태에 있을 때, 변압기(11)와 변압기(21) 사이에는 전류의 흐름이 일어나지 않는다. 장애가 발생하는 경우, 한류기(1)의 출력단에서 더 낮은 전압이 형성되면서 전압이 떨어지게 되면, 전압이 더 높은 단부에서 전압이 더 낮은 단부쪽으로 전류가 흐르게 된다. 전류의 크기는 전압의 차이에 대응하므로, 이 전류의 크기를 이용하여 차동 보호계전기에 의해 한류기(1) 쪽으로 전류가 흐르는 것을 막을지 말지 여부를 결정할 수 있다. 이 실시예에서는 단지 하나의 전류신호만 모니터링해야하므로, 하나의 입력부를 갖는 차동 보호계전기로 충분하다. 변압기(11) 하류에 저항(12)을 배치함으로써, 전류의 크기를 차동 보호계전기에 대해 사용할 수 있는 수준으로 줄일 수 있다. 도 3은 제3의 실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 커패시터(30)가 라인(31)을 통해 한류기(1)에 병렬로 연결되어, 전류측정회로를 형성하고 있다. 라인(31)의 각 단부는 한류기(1)의 단부에 연결되어 있다. 이 실시예의 전류측정회로는 코일로 표시되어 있는 차동 보호계전기(32)에 연결되어 있으며, 이 차동 보호계전기(32)는 한류기(1)의 입력단과 커패시터(30) 사이의 라인(31)에 배치되어 있다. 차단기(2)는 한류기(1)의 입력단 상류에 배치되어 있다. 퀀치가 발생하는 경우, 한류기(1)에서의 전압강하로 인해 충전전류는 커패시터(30)를 통해 흐르게 된다. 충전전류의 크기는 전압강하에 대응하므로, 이 충전전류를 사용하여 차동 보호계전기(32)에 의해, 충전전류가 소정의 전류값을 넘게되는 경우 차단기(2)를 작동시킬지 아닐지 여부를 결정할 수 있다. 이 실시예는, 일반적으로 작동할 때 커패시터(30)의 전기용량이 한류기(1)의 유도손실을 보상하는 역할을 할 수 있다는 점에서 바람직하다. 이 실시예에, 일반적인 고전압 커패시터를 사용할 수 있다. 도면에서는, 하나의 상에 대한 퀀치 감지 시스템의 구조를 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 퀀치 감지 시스템은 보통 3개의 상을 갖는 교류(AC)와 같은 하나 이상의 상을 갖는 전류로 작동하는 전류 시스템에도 쉽게 적용할 수 있다. 이 경우, 각각의 상에 대해 본 발명의 퀀치 감지 시스템을 제공하게 된다. 차동 보호계전기를 이용하는 본 발명의 퀀치 감지 시스템은 간단한 방법으로서 매우 신속하고 높은 감도로 퀀치를 감지하여 소정의 값을 초과하는 경우에는 그 전류를 차단할 수 있는 방법을 제공한다. 이러한 상황을 감지하게 되면, 보호계전기는 차단기의 트리거 장치를 작동시키게 되고, 따라서, 전기회로를 열어 한류기에 대해 하류에 있는 전기소자를 보호할 수 있는 것이다.
1: 한류기
2: 차단기
3: 라인
10, 20: 전류측정회로
11,21: 변압기
12,22: 저항
13: 차동 보호계전기
30: 커패시터
31: 라인
32: 차동 보호계전기 |
