Earticle

A high temperature supercon-ductor (HTS) has been developed for power applications such as power cables, fault current limiters and superconducting magnetic energy storage devices. For such applications it is required to understand the DC voltage-current characteristic of the HTS, which is important in analyzing AC loss and flux flow loss quantitatively. In this work, we have experimentally investigated influence of several factors. e.g. critical current density, degradation and AC external magnetic field, on the DC voltage-current characteristic. The measured results have been discussed in engineering application point of view.

전력분야 응용 중, 특히 교류손실측면에서 장점을 지니고 있는 HTS-케이블 및 HTS-한류기의 경우는 선진 세계 각 국에서 배전급 전력계통에 실증시험을 하는 단계까지 와 있는 실정이다. 국내에서도 한전 주관으로 실증시험을 그 목적으로 고창시험장에 100m급, 22.9kV/50MVA HTS-케이블이 설치되어 운전되고 있다. 이와 같이 다수본의 HTS-테이프로 구성되는 HTS-케이블에서 발생되는 교류손실은 HTS-케이블의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 냉동기비용 증가를 초래하지만 HTS-케이블 구조의 복잡성으로 인하여 교류손실에 대한 평가가 매우 난해하다. 따라서 본 논문에서는 고창HTS-케이블의 교류손실에 대하여 실험적 이론적 조사 및 검토를 하였다. 그 주요결과를 요약하면, 측정된 Bi도체의 교류손실에 대한 손실지수 ${\kappa}$는 약 2.5로 Cu 도체에서 발생하는 Ohmic손실의 지수(~2)와 비교하여 큰 것을 볼 수 있다. 또한 전기적인 방법으로 측정한 HTS-케이블의 총손실은 열량법으로 측정한 손실과 잘 일치한다.

다층구조의conductor와 shield로 구성되는 HTS-cable의 교류손실 특성 연구를 위하여 2005년부터 실증시험 중에 있는 22.9kV, 50MVA, 100m급 KEPCO HTS-cable system에 사용된 케이블과 동일한 두개의 short-sample에 대하여DC 및 AC 특성을 실험적으로 조사하였다. KEPCO HTS-cable system에서처럼 shield전류를 conductor와 크기는 같게 하고 방향을 반대로하여 수주기동안 AC pulse전류를 인가했을 때, shield의 임계전류가 conductor보다 작음에도 불구하고 conductor-lead에 대하여 측정된 AC loss가 shield의 것과 비교하여 약 1.5배 큰 것을 알 수 있었다

AC loss is one of the important factors for commercialization of a high temperature superconducting (HTS) cable from an economic point of view. But AC loss characteristics of the HTS-cable are not elucidated completely because of its complex structure. As an earlier stage of analyzing the AC loss in the 22.9 kV/50 MVA, 100m HTS-cable system of Korea Electric Power Corporation (KEPCO) which is now in collaboration with us, a two-dimensional (2D) numerical model, which takes into account the nonlinear conductivity properties of a high temperature superconductor, has been developed. In order to examine our 2D model, we have prepared several single-layer cable samples whose AC losses are sufficiently reliable due to their simple structure. The AC losses of the samples were experimentally investigated and then compared with our 2D model. The results show that the numerically calculated AC losses are not in good agreement with the measured ones for the cylindrical cable and deca-cable samples with low critical current density. However, the numerically calculated and measured AC losses are relatively in good agreement for the deca-cable and hex-cable samples with high critical current density, although the difference between these two loss data in the deca-cable sample tends to increase in the low current region.

Demonstrations to deploy high temperature superconducting (HTS) cable to the real gird are actively carried out throughout the world. Power utilities have an interest in the inherent advantage of the HTS cable system, and achieve the expected results from the series of verification test. To embody the reliability in the phenomenon occurred commonly in three-phase system, we simulate the load unbalance. A 22.9 kV large scale HTS cable system with the specification of 100 m-long, 50 MVA capacity has been tested with up to 30% unbalance rate. To evaluate the effect of AC loss increase due to the unbalanced load, the cooling loads are measured by the calorimetry method. In this paper, the correlation between AC loss and load unbalance is described and investigated precisely.

We are developing a small-sized high temperature superconducting magnetic energy storage (HTS-SMES) magnet with the nominal storage capacity of 600 kJ, which provides electric power with high quality to sensitive electric loads. Critical current and N-value of a high temperature superconductor with large current, which was selected for the development of the 600 kJ HTS-SMES magnet, were investigated in various oblique external magnetic fields. Based on the critical current and N-value measured for the short sample conductor, we discussed the DC V - I characteristic of a model coil fabricated with the same conductor of 500 m. The results show that the measured critical current and N-value of the conductor for parallel field are constant in external magnetic fields less than about 0.2 T. However, for oblique fields, its critical current and N -value abruptly decrease in all external magnetic fields. Moreover, the measured critical current of the model coil well agrees with the numerically calculated one based on the DC V - I characteristic measured for the short sample conductor. This suggest that losses and critical currents for an HTS-SMES magnet made up of a high temperature superconductor with anisotropic characteristic are predictable from the data of a short sample conductor.

임계온도가 높아 시스템응용에서 매우 안정한 장점을 지닌 고온초전도(HTS)도체를 이용한 HTS-SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)장치에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다[1]-[2]. 이런 HTS-SMES 장치의 고가성, 복잡성 등 원인에 기인하여 운전에 앞서 장치의 임계전류, 자속유동손실 및 충.방전시 불가피하게 발생되는 교류손실 등과 같은 기본적인 특성들이 선행하여 연구되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 600 kJ급 HTS-SMES코일에 대한 자장분석을 기반으로 코일의 임계전류밀도 분포를 계산하였고 최소 임계전류밀도에 근거하여 코일의 임계전류를 결정하였다. 그 주요 결과를 요약하면 코일에서 자장과 임계전류밀도 분포는 코일의 형상에 무관하게 같은 분포 경향을 보여주며 최소 임계전류밀도는 코일의 top과 bottom의 중심에 위치하며, model코일에서 임계전류의 계산값과 측정값이 비교적 잘 일치하였기 때문에 600 kJ급 HTS-SMES코일도 잘 일치할 것으로 사료된다. 또한 SMES코일을 20 K에서 운전한다고 가정하면 코일 임계전류의 ${\sim}60%$, 4.2 K에서는 ${\sim}40%$에서 각각 운전하게 될 것으로 예측된다.

우리나라의 전기에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라 새로운 송배전 선로의 구축이 필요하다. 하지만 현재 도심지의 전력구에는 더 이상의 지중선의 증설은 불가능하며 가공선 설치의 경우 환경 민원의 부담을 떠안게 된다. 그래서 기존 동도체의 회선당 송전 한계를 극복하고 대용량 송전 및 손실을 크게 줄일 수 있는 초전도 케이블의 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 한국전력 전력연구원은 신 전력시스템으로서의 22.9 kV급 초전도케이블 시스템을 고창전력시험센터에 설치하고 운영 및 유지 보수 과정을 통하여 실제 계통 적용을 위한 최적 운전조건을 연구하고 있다. 이 논문에서는 실제 부하 상황을 모의하기 위하여 초전도케이블의 장기 부하변동 시험에 따른 케이블 송전 능력 확인 및 냉각시스템의 반응성을 살펴보고 부하변동 시험 후 초전도케이블 도체 열화 여부를 확인하기 위하여 직류 임계전류를 측정하였다. 그 결과 부하변동 시험 전의 임계전류 값과의 변화율이 삼상 모두 ${\pm}1$% 내외로서 오차범위를 벗어나지 않으므로 건전한 것으로 판단되었다.

초전도 케이블은 저손실 대용량 전력수송이 가능한 전력케이블로서 대도시의 전력 공급문제를 해결할 수 있는 환경 친화적 신개념의 전력케이블이다. 한전 전력연구원 고창전력시험센터에서는 2006년에 22.9 kV, 100 m, 50 MVA급 초전도케이블 시스템을 설치하여 초전도케이블 실용화를 위한 신뢰성 시험을 실시하고 있다. 전력케이블의 주요한 신뢰성 요인 중의 하나가 절연특성이며 초전도케이블의 절연특성은 운전온도가 액체질소 온도이므로 절연지에 수분이 고화하여 일반적인 전력케이블보다 좋은 절연특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 초전도 케이블은 절연지와 액체질소에 의해 절연이 이루어지며 열적, 기계적, 전기적, 환경적 스트레스에 의해 열화가 발생할 수 있다. 절연층에 이러한 스트레스가 누적되면서 void가 발생하게 되고 전계집중 현상에 의해 절연성능이 저하되며 과다한 열화의 발생시 절연파괴가 일어나게 된다. 온 발표에서는 운전온도 66.4 K에서 1.5 $U_0$ (20 kV) 전압의 30일간 연속 인가 시험과 초전도 케이블의 절연열화 가속시험을 통하여 얻은 부분방전 및 정전용량의 변화 등의 절연특성 평가 결과에 대해 논의한다.

HTS-케이블은 구리도체 대신 고온초전도도체를 사용하여 저항이 0이 되는 초전도현상을 이용하여 대용량 전력수송이 가능한 전력케이블로서 대도시의 전력부하 집중문제를 해결할 수 있는 환경 친화적 전력케이블이다. 최근 고온초전도선재의 고임계전류밀도화 및 장척화에 힘입어 HTS-케이블의 실용화를 목표로 경제성이 있는 전력케이블을 개발하려는 움직임뿐만 아니라 실증시험 등 활발한 연구가 진행 중이다. 그러나 초전도전력케이블에서 발생되는 교류손실은 케이블의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 냉동기비용 증가로 인한 기존 케이블과의 가격경쟁에서 경제성을 저하시키는 주된 요인으로 작용하기 때문에 이의 상용화에 앞서 교류손실에 대한 정확한 규명이 되어야 하며 또한 실계통 투입 시 중요한 선로임피던스에 대한 정확한 규명도 필요하다. 본 논문에서는 실제 한전 주관으로 고창시험장에 설치된 배전급 22.9 kV, 100 m, 50 MVA급 3 상 HTS-케이블에 대한 통전특성을 규명하기 위하여 먼저 HTS-케이블의 DC 통전특성을 조사하였다. 또한 3상평형운전상태에서 AC 통전특성(인덕턴스 및 교류손실)을 실험적으로 조사하였으며 5m-케이블에서 측정된 결과와 비교 검토하였다.

Enhanced performances of high temperature superconducting (HTS) cable attract tremendous interests of the power utility. However, the reliability issue as the power system is still in controversy. To verify the reliability of HTS cable, 22.9 kV HTS cable system with the specification of 100 m length, 50 MVA capacity, and open refrigeration cooling system was laid on Gochang power testing center of KEPCO in 2006. During the test period, the current transport characteristics, the fundamental function of power cable, have been monitored and investigated precisely. In this paper, the heat loss and AC loss measured at various current load conditions are described and discussed.

초전도전력케이블에서 교류손실은 케이블의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 냉동기비용 증가로 인한 기존 케이블과의 가격경쟁에서 경제성을 저하시키는 주된 요인으로 작용하기 때문에 이의 상용화에 앞서 교류손실에 대한 정확한 규명이 되어야 한다. 그러나 다수본으로 구성되는 단층원통형의 고온초전도전력케이블에서 교류손실을 올바르게 평가하는 것은 테이프의 상이한 임계전류, 전압리드의 배열, 전류분포의 불균일성 및 인접한 테이프에 흐르는 전류위상 상이 등 복잡한 영향인자 때문에 매우 난해하다. 본 연구에서는 고온초전도전력케이블과 같은 단층원통형 고온초전도도체를 제작하여 실험적으로 교류손실 특성을 규명하였고, 또한 전류용량이 교류손실 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다. 결과 원통형 고온초전도도체에서 교류손실 특성은 전류용량보다는 임계전류밀도에 더 의존하였다.

임계온도가 높아 외부교란에 대하여 대단히 안정한 장점을 지닌 고온초전도체를 이용하여 600 kJ급의 SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)용 마그네트를 개발하고 있으며, 이의 설계 제작에 선행하여 선정된 4-ply도체에 대한 N-value 및 임계전류 특성을 상이한 외부자장의 크기 및 방향에 대하여 조사하였다. 그 주요 결과를 요약하면 4-ply도체의 측정된 N-value는 이의 정의에 사용된 전계영역의 범위에 따라 매우 상이하며, 또한 경사자장 ($\theta=30^{\circ}$)에 대하여 측정된 임계전류는 4-ply도체 면에 수직한 자장성분으로부터 계산된 임계전류와 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.

The AC loss is an important issue in the design of the high temperature superconductor (HTS) power cables and fault current limiters. In these applications, a cylindrical HTS conductor is often used. In commercialization of these apparatuses, AC loss is a critical factor but not elucidated completely because of complexities in its measurement, e.g. non-uniform current distribution and phase difference between currents flowing in an individual HTS tape. We have prepared two cylindrical conductors composed of a Bi-2223 tape with different critical current density. In this paper, the AC loss characteristics of the conductors have been experimentally investigated and numerically analyzed. The result show that the measured losses for two conductors are not dependent on both arrangements and contact positions of a voltage lead. This implies that most of loss flux is only in the conductors. The loss for the Bi-2223 conductor with low critical current density is in good agreement with the calculated loss from Monoblock model, whereas the loss measured for the Bi-2223 conductor with high critical current density doesn't coincide with the loss calculated from the Monoblock model. The measured loss is also different from numerically calculated one based on the polygon model especially in low transport current.

다수본의 Bi-2223테이프로 구성되는 초전도전력케이블에서 발생되는 교류손실은 케이블의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 냉동기비용 증가로 인한 기존 케이블과의 가격경쟁에서 경제성을 저하시키는 주된 요인으로 작용하기 때문에 이의 상용화에 앞서 교류손실에 대한 정확한 규명이 되어야 한다. 그러나 다수본으로 구성되는 고온초전도전력케이블의 교류손실을 올바르게 평가하는 것은 테이프의 상이한 임계전류, 전압리드의 배열, 전류분포의 불균일성 및 인접한 테이프에 흐르는 전류위상 상이 등 복잡한 영향인자 때문에 매우 난해하다. 이와 같은 교류손실 평가와 관련된 복잡한 문제들을 규명하기 위해 다수본의 고온초전도도체 샘플을 제작하였으며 그 손실 특성을 실험적으로 조사 및 검토 하였다. 그 결과 다수본 고온초전도도체의 측정된 교류손실은 Monoblock모델 이론값 및 다각형모델에 근거한 수치해석 결과와도 상이함을 알 수 있다.

AC loss of a superconducting conductor has a strong influence on the economic viability of a superconducting fault current limiter, which offers an attractive means to limit short circuit current in power systems. Therefore, the AC loss characteristics in several fault current limiting elements of a coil type have been investigated experimentally. The test result shows that AC losses measured in the fault current limiting elements depend on arrangement of a voltage lead. The AC loss of a bifilar coil is smallest among the fault current limiting elements of the coil type. The measured AC loss of the bifilar coil is much smaller than that calculated from Norris's elliptical model. However, the loss measured in a meander, which is frequently used in a resistive fault current limiter, agrees well to the theoretical one.

다수본의 고온초전도테이프로 구성되는 전력케이블에서 발생되는 교류손실은 초전도전력케이블의 효율을 저하시킨 뿐만 아니라 냉동기비용 증가 및 시스템 사이즈의 증가를 초래하여 기존 케이블(구리도체)과의 가격경쟁에서 경제성을 저하시키는 주된 요인으로 작용하기 때문에 이의 상용화에 앞서 교류손실에 대한 정확한 규명이 되어야 한다. 그러나 다수본으로 구성되는 초전도케이블의 교류손실은 상이한 임계전류, 상이한 전류분포 및 인접한 테이프에 흐르는 위상이 상이한 전류 및 전압리드의 형상 통의 영향 때문에 매우 복잡하다. 이와 같은 교류손실 평가와 관련된 문제들을 규명하기 위해 실제 전력케이블을 모의한 단척 모델케이블을 제작하여 이에 대한 교류손실 평가기술을 개발하였다.