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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 30

제1절 연구개발의 필요 30

1. 국내 전력계통의 현황 30

2. 고장전류 대처 방안에 대한 비교 분석 34

3. 초전도 한류기 연구개발의 필요성 36

제2절 연구개발의 범위 41

1. 연구개발의 목표 41

2. 연구개발 내용 및 범위 41

제2장 국내외 기술개발 현황 43

제1절 저항형 고온초전도 한류기 기술의 변화 43

제2절 국내외 초전도 한류기 기술 개발 동향 45

1. 국외 기술개발 동향 45

2. 국내 기술개발 동향 50

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 51

제1절 초전도 소자 특성 연구 51

1. �치특성 연구 51

2. 초전도체의 교류 손실 85

3. 초전도 안정성 평가 연구 111

4. YBCO 회복 특성 126

5. 연구 인프라 구축 146

제2절 BSCCO한류기 개발 155

1. BSCCO 한류소자 개발 155

가. Components for 22.9 kV, 630 A Fault Current Limiter 155

나. 한류기용 Bi2212 초전도 튜브의 제조 및 특성 평가 177

다. shunt coil 설계 연구 188

2. BSCCO 한류기 개발 196

제3절 냉각 시스템 개발 210

1. 냉각시스템 개요 210

2. 초전도 한류소자 특성 211

3. 배전급 한류기용 냉각시스템 개발 218

4. 배전급 한류기용 전류리드 개발 228

5. 냉각시스템 제어장치 개발 239

6. LN₂ 용기구성 및 최적형상 245

7. 한류기용 전류도입선 설계 250

8. 과냉 LN₂ 자연 순환 루프 해석 및 실험 255

제4절 배전급 하이브리드 초전도 한류기 개발 264

1. 하이브리드 초전도 한류기 개념 정립 265

2. Hybrid 한류기 구성 요소 설계제작 270

3. 배전급 hybrid 한류기 제작시험 294

제5절 초전도 한류기 활용연구 308

1. 한류기 적용 비교 연구 308

2. 초전도 한류기 규격 확립을 위한 자료수립 및 검토 314

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 319

제1절 연구개발 목표 달성도 319

제2절 관련 분야에의 기여도 330

제5장 연구개발결과의 활용계획 332

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 339

제7장 참고문헌 341

표 1.1.1-1. 345 kV 계통의 고장전류 문제 32

표 1.1.1-2. 345 kV 계통의 시행중인 고장전류 대책 32

표 1.1.1-3. 북부산 변전소 한류리액터 설치 전후의 고장전류 증감 33

표 1.1.2-1. 대처 방안에 대한 사안별 소요경비 분석 (*(4 kA)=정격전류 4 kA) 35

표 1.1.3-1. 공심리액터(44 Ω, 1 kA)와 한류기 활용 비교 (345 모선연계용) 38

표 2.2.1-1. CULT110의 주요 데이타 46

표 3.1.1-1. Bi-2212 monofilar coil 설계 사양 52

표 3.1.1-2. 션트 코일 사양 54

표 3.1.1-3. Bi-2212 벌크코일의 사양 60

표 3.1.1-4. 사고 발생 시 초전도한류기의 동작에 따른 초기 상승전류 및 시간 65

표 3.1.1-5. YBCO 박막과 Bi-2212의 주요특성 비교 67

표 3.1.1-6. Bi-2212 튜브형 벌크의 사양 68

표 3.1.1-7. LG산전 전력시험 기술센터, 대전력 시험소의 설비사양 71

표 3.1.2-1. Edge-to-edge bifilar소자의 주요 사양. 91

표 3.1.2-2. Monofilar소자의 주요 사양. 92

표 3.1.2-3. Tube소자의 주요 사양. 93

표 3.1.2-4. Bi-2223테이프의 주요 사양. 99

표 3.1.2-5. 190KVA급 Bi-2212 초전도한류소자의 주요사항 103

표 3.1.2-6. Bi-2212 초전도한류소자의 구간별 임계전류 104

표 3.1.3-1. Bi-2212 벌크코일의 사양 115

표 3.1.3-2. 동신�치 및 내력시험을 위한 시험조건 및 Rsfcl, Lsfcl(이미지참조) 123

표 3.1.4-1. Au/YBCO 한류 소자의 설계 조건 127

Table 3.2.1-1. Eight different types of Lorentz-forces occur during the short circuit event 162

Table 3.2.1-2. Design of the component 171

Table 3.2.1-3. Heating of the metal shunt 172

Table 3.2.1-4. Total losses estimated per phase 176

표 3.2.1-5. fluid flux analysis 조건. 179

표 3.2.1-6. Bi-2212 bulk coil 사양 189

표 3.2.1-7. 션트 코일 사양 (Unit : mΩ) 191

표 3.2.2-1. 각 소자의 임계전류(Ic, @77K) 198

표 3.2.2-2. 동시�치 및 내력시험을 위한 시험조건 198

표 3.2.2-3. 단상 14 kV BSCCO 초전도 한류기 사양 202

표 3.2.2-4. BSCCO 초전도 한류기 단락 시험조건 203

표 3.3.2-1. Specification of a SFCL Module 215

표 3.3.3-1. 배전급 냉각조 열부하 계산 220

표 3.3.3-2. 절연설계 조건 (차단기 시험 조건) 221

표 3.3.3-3. 전기절연 이격 거리에 따른 냉각조 설계 안 222

표 3.3.3-4. 전기절연 이격 거리 방안 223

표 3.3.3-5. 절연이격 거리에 따른 냉각조 배치 구조 설계값 226

표 3.3.4-1. 전류리드 도체의 물성치 233

표 3.3.4-2. Parameters of conduction-cooled brass (Commercial, 10% Zn) lead 235

표 3.3.6-1. Cooling load of three case of cryostat 249

표 3.3.7-1. Ratio of effective cross-section (f) in pierced-metal sheet for two planar directions and selected values of b/a. 251

표 3.3.7-2. Optimal lead parameter of vapor-cooled PJR lead for various b/a ratios and RRR values 254

표 3.4.1. 배전급/송전급 한류기에 대한 전력계통 사업자들의 요구 사항 265

표 3.4.2. 하이브리드 초전도 한류기 해결 과제 및 방안 266

표 3.4.2-1. YBCO 소자의 저항 계산에 사용한 파라메타 값. 길이와 폭은 직병렬 연결된 YBCO 소자의 실효 길이와 폭을 말한다. 271

표 3.5.1-1. 장기 전력 공급/수요 예측 308

표 3.5.1-2. 차단 내력 40 kA를 넘는 버스 수 308

표 3.5.1-3. Transient stability evaluation index η(단위 : %) 311

표 3.5.1-4. 임계 고장 제거 시간 (단위 : 초) 312

표 3.5.2-1. 하이브리드 한류기의 각 부분별 요구 성능 314

표 3.5.2-2. 초전도 한류기의 규격시험안 317

표 5.2-1. 실증시험용 초전도 한류기 사양 (안) 335

그림 1. 24 kV/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기 단락시험 결과 13

Fig 1. Short-circuit test result of 24 kV/630 A2-class hybrid SFCL. 24

그림 1.1.1-1. 국내 전력 수요 증가 예측 30

그림 1.1.1-2. 국내 345 kV 전력계통 31

그림 1.1.1-3. 북부산 변전소의 한류 리액터 34

그림 1.1.2-1. 화성 변전소의 B3 모선, 검토결과 한류리액터 설치로 결론 35

그림 1.1.3-1. 초전도 한류기의 한류동작 특성. 고장전류를 일정 값 이하로 억제 37

그림 1.1.3-2. 초전도 한류기 활용 개소 40

그림 2.2-1. 복합형(hybrid) 초전도 한류기.... 44

그림 2.2.1-1. CURL10의 초전도 한류기(왼쪽)와 변전소 설치 (오른쪽). 45

그림 2.2.1-2. 한류소자 조립 개념 설계 47

그림 2.2.1-3. 110 kV급 한류기 RWE 계통에 모선연계용으로 설치 예정 47

그림 2.2.1-4. 중국 호남성의 Gaoxi 변전소에 성치된 10.5 kV급 정류형 한류기 (왼쪽)와 설치 회로도 (오른쪽) 48

그림 2.2.1-5. 12개 모듈 조립과 시험 49

그림 2.2.1-6. 주요 초전도 한류기 개발 진행 현황 49

그림 2.2.2-1. 전력연구원/LS산전이 공동개발한 6.6 kV 저항형 초전도 한류기, 왼쪽으로부터 한류기 구조, 조립된 모습, 그리고 단락시험 장면 50

그림 2.2.2-2. 전력연구원의 6.6 kV 초전도 한류기의 단락시험 결과 50

그림 3.1.1-1. Bi-2212 monofilar coil 및 shunt coil 52

그림 3.1.1-2. Bi-2212 monofilar coil의 I-V 특성 곡선 (at 77 K) 53

그림 3.1.1-3. Bi-2212 monofilar coil과 shunt coil로 구성된 초전도 한류 소자의 �치 메카니즘 54

그림 3.1.1-4. 실험 회로 개략도 55

그림 3.1.1-5. Bi-2212 monofilar coil(Vtot)의 전체 전압 및 각 영역 (Itot, Isc and Ihts) 에서의 전류 (case 1) 55

그림 3.1.1-6. Bi-2212 monofilar coil(Vtot)의 전체 전압 및 각 영역 (Itot, Isc and Ihts) 에서의 전류 (case 2) 56

그림 3.1.1-7. Bi-2212 monofilar coil에서의 전압 분포 (case 1) 57

그림 3.1.1-8. Bi-2212 monofilar coil에서의 전압 분포 (case 2) 57

그림 3.1.1-9. case 1과 case 2에서의 Bi-2212 monofilar coil의 저항 증가 58

그림 3.1.1-10. Bi-2212 벌크코일과 션트코일을 이용한 초전도 한류소자의 �치 59

그림 3.1.1-11. (a) 션트 코일, (b) Bi-2212 벌크코일, (c) 조립된 초전도한류소자 60

그림 3.1.1-12. (a) 초전도 한류소자의 단락시험회로 (b) 비대칭사고 및 대칭사고 전류 비교 62

그림 3.1.1-13. 비대칭사고전류(25 kArms)와 초전도 한류소자 양단 전압 및 전류 63

그림 3.1.1-14. 각 사고조건에 따른 초기 상승 전류 63

그림 3.1.1-15. 각 사고조건에 따른 초기 상승 전압 64

그림 3.1.1-16. 각 사고조건에 따른 Bi-2212 벌크코일의 온도변화 65

그림 3.1.1-17. 초전도체의 임계전류밀도, 임계온도, 임계자계와의 관계 66

그림 3.1.1-18. Bi-2212 튜브형 벌크의 구조 67

그림 3.1.1-19. Bi-2212 튜브형 벌크의 임계전류 측정... 69

그림 3.1.1-20. Bi-2212 튜브형 벌크의 온도에 따른 임계전류 측정 69

그림 3.1.1-21. LG산전 전력시험 기술센터 대전력 시험소의 단락시험 설비 70

그림 3.1.1-22. �c치 시험 결선도 71

그림 3.1.1-23. 사고전류 별 �치 특성곡선 (온도조건 : 77 K)... 72

그림 3.1.1-24. Bi-2212 벌크 코일의 단면도.... 74

그림 3.1.1-25. 초전도체의 �치특성 측정을 위하여 구성한 모의사고 회로. 75

그림 3.1.1-26. Bi-2212 벌크 코일의 �치 특성. 76

그림 3.1.1-27. (a) 상전도 코일로 둘러싸인 Bi-2212 벌크 코일과 (b) CuNi 금속 층이 부착된 벌크 코일의 저항 측정치와 계산치. 단위 길이 당 인가 전압은 각각 2.4 VrmS/㎝와 0.4 VrmS/㎝였다.(이미지참조) 78

그림 3.1.1-28. 박막형 초전도 한류소자의 (a) 앞면과 (b) 뒷면 패턴 80

그림 3.1.1-29. �치특성 측정 회로 80

그림 3.1.1-30. (a) 인가전압에 따른 초전도 한류소자의 앞뒷면 저항 비교와 (b) 한류소자의 대표 stripe에서의 앞뒷면 저항 비교. 81

그림 3.1.1-31. 앞면의 금/YBCO 박막 곡선과 뒷면의 금박막 저항 비교. 83

그림 3.1.1-32. 단위 길이 당 인가전압을 달리하였을 때의 앞뒷면 박막 곡선의 저항 비교. 83

그림 3.1.1-33. (a) 박막 곡선을 구성하는 stripe 중 앞뒷면 대표 stripe의 저항과 (b) 위치에 따른 저항 분포. 단위 길이 당 인가전압은 6.7 Vrms/㎝. 84

그림 3.1.1-34. 초전도 한류소자 저항의 실험치와 계산치. 단위 길이 당 인가전압은 6.7 Vrms/cm.(이미지참조) 85

그림 3.1.2-1. 초전도체의 임계면. 86

그림 3.1.2-2. 고온초전도선재의 �치시 저항특성. 87

그림 3.1.2-3. 고온초전도한류소자 (Bi-2212 벌크)의 한류특성. 88

그림 3.1.2-4. MVA급 고온초전도한류기. 89

그림 3.1.2-5. Edge-to-edge bifilar소자. 90

그림 3.1.2-6. Monofilar소자. 91

그림 3.1.2-7. Tube소자. 92

그림 3.1.2-8. 대용량 고온초전도한류소자의 교류손실 평가를 위한 실험장치 개략도. 94

그림 3.1.2-9. edge-to-edge bifilar 소자에서 교류손실의 주파수 및 전압리드 접촉위치 의존성. 95

그림 3.1.2-10. edge-to-edge bifilar소자의 교류손실 특성. 95

그림 3.1.2-11. Monofilar소자에서 교류손실의 주파수 및 운전온도 의존성. 96

그림 3.1.2-12. Monofilar소자의 교류손실 특성. 97

그림 3.1.2-13. Tube소자에서 교류손실의 주파수 및 전압리드 접촉위치 의존성. 98

그림 3.1.2-14. Tube소자의 교류손실 특성. 98

그림 3.1.2-15. 코일형 고온초전도한류소자 샘플. 99

그림 3.1.2-16. Monofilar샘플의 교류손실 평가결과. 100

그림 3.1.2-17. Bi-2223테이프 (일직선형)의 교류손실 특성. 100

그림 3.1.2-18. Monofilar샘플의 교류손실 특성. 101

그림 3.1.2-19. Edge-to-edge bifilar샘플의 교류손실 특성. 102

그림 3.1.2-20. Face-to-face bifilar샘플의 교류손실 특성. 102

그림 3.1.2-21. 190KVA급 Bi2212초전도소자. 104

그림 3.1.2-22. Bi-2212 초전도한류소자의 수치해석모델 105

그림 3.1.2-23. Bi-2212 초전도한류소자의 사고특성 107

그림 3.1.2-24. Bi-2212 초전도한류소자의 사고 시 5구간 및 6구간 온도 108

그림 3.1.2-25. Bi-2212 bulk의 비열 및 열전도도 108

그림 3.1.2-26. Bi-2212 초전도한류소자의 DC 전압 - 전류 특성. 109

그림 3.1.3-1. 초전도체의 임계전류밀도(Jc), 임계온도(Tc), 임계자계(Hc)와의 관계 112

그림 3.1.3-2. 초전도 한류소자의 안정도 평가를 위한 계측시스템의 흐름도 113

그림 3.1.3-3. 초전도 한류기 계측 시스템 구성도 113

그림 3.1.3-4. 초전도 한류기 안정성 평가용 계측시스템 114

그림 3.1.3-5. Field-assisted type 초전도 한류소자 114

그림 3.1.3-6. Bi-2212 벌크코일과 션트코일을 이용한 초전도 한류소자의 �치 115

그림 3.1.3-7. 초전도 한류소자의 단락시험회로 116

그림 3.1.3-8. 초전도 한류소자와 AE 센서 116

그림 3.1.3-9. 초전도 한류소자의 정상적인 한류 과정 (조건 : 200V, 12.5 kA) 117

그림 3.1.3-10. 초전도 한류소자에서 발생되는 이상신호 검출 118

그림 3.1.3-11. 이상신호 검출 이후 재시험에서 발생한 초전도 한류소자의 전압 전류 및 AE signal 119

그림 3.1.3-12. 소손된 초전도 한류소자 및 한류소자 내부 119

그림 3.1.3-13. 입력전압 200V, 사고전류 25 kA, 5주기 사고조건에 대한 초전도 한류소자의 정상적인 한류파형 120

그림 3.1.3-14. (a) Metal-shunt type 초전도 한류소자 (b) 시험을 위한 sample holder 121

그림 3.1.3-15. metal-shunt type 초전도 한류소자 특성시험 122

그림 3.1.3-16. 10직렬 시험을 위한 초전도 한류소자 및 실험 전경 123

그림 3.1.3-17. 입력전압 2,200V, 25 kArms 비대칭 사고의 경우에 대한 초전도 한류기 양단전압 Vsfcl 및 Isfcl 그리고 AE signal 124

그림 3.1.3-18. 입력전압 2,200 V, 25 kArms 대칭 사고의 경우에 대한 초전도 한류기 양단전압 Vsfcl 및 전류 Isfcl 그리고 AE signal 125

그림 3.1.4-1. 초전도체의 �치 및 초전도성 회복 과정의 개략도 126

그림 3.1.4-2. Au/YBCO 한류 소자 설계... 128

그림 3.1.4-3. �치 및 초전도성 회복 특성을 위한 시험 회로 구성 129

그림 3.1.4-4. Au/YBCO 초전도 박막의 앞면 금 박막 센서로부터 얻어진 저항 증가 130

그림 3.1.4-5. Au/YBCO 초전도 박막의 뒷면 금 박막 센서로부터 얻어진 저항 증가 130

그림 3.1.4-6. 한류 소자의 앞면 (윗부분) 및 뒷면 (아랫부분)에서 얻어진 �치 후 초전도성 회복 시간 131

그림 3.1.4-7. 인가 전압 크기 및 인가 시간 변화에 따른 �치 후 회복 시간 132

그림 3.1.4-8. 단락 사고 시험 회로의 저항 크기 변화에 따른 �치 후 회복 시간 133

그림 3.1.4-9. �치-회복 실험에 사용된 Au/YBCO 한류 소자 134

그림 3.1.4-10. 과냉 조건 하 단락 사고 시험 회로 134

그림 3.1.4-11. YBCO 박막의 한류 특성 (V0=600 Vrms / 5.5 주기, 대기압)(이미지참조) 135

그림 3.1.4-12. 대기압에서의 사고 전류 인가 시간에 따른 �치 후 회복 시간 135

그림 3.1.4-13. YBCO 박막의 �치 동작 시 기압 변화에 따른 저항 변화 136

그림 3.1.4-14. 기압 변화에 따른 �치 후 회복 시간 변화 (R0(이미지참조)=1 Ω)... 137

그림 3.1.4-15. 복합형 한류기 동작 개념도 138

그림 3.1.4-16. Au/YBCO 한류 소자 139

그림 3.1.4-17. 한류소자의 �치 및 회복 실험 회로 139

그림 3.1.4-18. 600 Vrms(이미지참조), 5.5 주기 인가 시... 140

그림 3.1.4-19. 600 Vrms(이미지참조), 2.8 ms 인가 시 한류 소자... 141

그림 3.1.4-20. 2.8 ms 인가 시 인가 전압에 따른 �치 저항 증가 142

그림 3.1.4-21. 앞면의 금/YBCO 곡선의 저항과 금박막 저항 추정치. 143

그림 3.1.4-22. 직경이 각각 2인치와 4인치인 초전도 한류소자의 저항. 143

그림 3.1.4-23. 사파이어 비열, 열전달계수, 사파이어 열전도도의 온도 의존성. 145

그림 3.1.4-24. 초전도 한류소자와의 회복 저항 계산치와 실험치. 146

그림 3.1.5-1. 온도 가변 시스템 구성 147

그림 3.1.5-2. 온도 가변 시스템 사진 147

그림 3.1.5-3. 마노메타의 개략도 및 사진 149

그림 3.1.5-4. 액체질소의 온도 기록 150

그림 3.1.5-5. 단상 22.9 kV/0.6~3 kV, 3 MVA 단락시험 설비... 151

그림 3.1.5-6. 단락시험 설비 중... 152

Fig. 3.2.1-1. Standard component 156

Fig. 3.2.1-2. Self field in standard components : 156

Fig. 3.2.1-3. Trigger coil no. 10, two independent layers. 157

Fig. 3.2.1-4. Short circuit test, trigger coil : 1. layer : 158

Fig. 3.2.1-5. Short circuit test, trigger coil : 1. layer + 2. layer in parallel : 159

Fig. 3.2.1-6. Short circuit test, trigger coil : 2. layer : 160

Fig. 3.2.1-7. Short circuit test, trigger coil : 1. layer + 2. layer in series : 160

Fig. 3.2.1-8. Lorentz-forces in an element 162

Fig. 3.2.1-9. Experimental setup for force measurement in axial direction F - force B - field I - current 163

Fig. 3.2.1-10. Force on different contacts in dependence of the location within the trigger coil 164

Fig. 3.2.1-11. Thermal expansion coefficient and relative elongation 165

Fig. 3.2.1-12. Component design for setting the BSCCO tube 166

Fig. 3.2.1-13. Schematic diagram of magneto-optic measurement device 167

Fig. 3.2.1-14. Result of magneto-optic analysis 167

Fig. 3.2.1-15. Technical drawing of the monofilar HTS element 169

Fig. 3.2.1-16 a. Photo of the monofilar HTS component 169

Fig. 3.2.1-16 b. Photo of the monofilar HTS component 170

Fig. 3.2.1-17. Quench behaviour of the component at a prospective current of 11 kAp. Va,b,c are partial voltages on the component. 173

Fig. 3.2.1-18 a. Quench behaviour of the component at a prospective current of 11 kAp with pre-current. 173

Fig. 3.2.1-18 b. Quench behaviour of the component at a prospective current of 15 kAp. Va,b,c are partial voltages on the component. 174

Fig. 3.2.1-18 c. Quench behaviour of the component at a prospective current of 3.5 kAp. Va,b,c are partial voltages on the component. 174

Fig. 3.2.1-19 a. Possible joints design 175

Fig. 3.2.1-19 b. Possible arrangement consisting of two HTS-monofilar components and three joints 175

Fig. 3.2.1-20. Measurement of the losses of a bifilar coil (Forschungszentrum karlsruhe, Noe et al, CURL 10) 176

그림 3.2.1-21. 초전도 튜브 제작 공정 178

그림 3.2.1-22. 열처리 공정 178

그림 3.2.1-23. FRP로 강화된 Bi-2212 tube 179

그림 3.2.1-24. 100 초 후 영역별 온도 분포... 180

그림 3.2.1-25. 900℃로부터 냉각한 후 온도 분포... 180

그림 3.2.1-26. molds 변화에 따른 개략도... 181

그림 3.2.1-27. mold 설계에 따른 미세 조직... 181

그림 3.2.1-28. mold 디자인에 따른 XRD 회절 패턴... 182

그림 3.2.1-29. Cu 전극 설계 형상 183

그림 3.2.1-30. 전류 도입선 및 전압 단자가 부착된 Cu 전극 형태 183

그림 3.2.1-31. 몰드 설계에 따른 임계 전류 변화 184

그림 3.2.1-32. 저항 및 임계 온도 분포 184

그림 3.2.1-33. Bi-2212 튜브의 부분별 임계전류 변화 185

그림 3.2.1-34. Bi-2212 튜브의 부분별 임계전류 변화 185

그림 3.2.1-35. Bi-2212 튜브의 임계전류 측정 값 (150 mm × 100 mm × 3mm) 186

그림 3.2.1-36. Bi-2212 튜브의 부분별 자화율 변화 (0 field) 186

그림 3.2.1-37. Bi-2212 bulk coil 및 shunt coi의 �치 현상 188

그림 3.2.1-38. (a) Bi-2212 bulk coil, (b) shunt coil (c) assembled SFCL module 190

그림 3.2.1-39. Shunt coil CC~CE의 임피던스 (Zcoil, Rcoil, Xcoil) 191

그림 3.2.1-40. 단락 사고 시험 회로 개략도 191

그림 3.2.1-41. Shunt coil CB일 경우, 각 구간의 단위 길이 당 전압 Va～Vc, Vtot, Itot 192

그림 3.2.1-42. Shunt coil CD일 경우, 각 구간의 단위 길이 당 전압 Va～Vc, Vtot, Itot 193

그림 3.2.1-43. Shunt coil CE일 경우, 각 구간의 단위길이 당 전압 Va～Vc, Vtot, Itot 193

그림 3.2.1-44. 션트 코일의 자계 발생 당 탭 길이의 %Vn 비율 194

그림 3.2.1-45. 사고 후 전압 및 전류 값의 첫 주기 최고치 194

그림 3.2.2-1. Bi-2212 monofilar coil 196

그림 3.2.2-2. 10 직렬 시험을 위한 초전도 한류소자 197

그림 3.2.2-3. 2200 Vrms, 25 kArms 비대칭 사고에서의 Vsfcl과 Isfcl (4회 시험) 199

그림 3.2.2-4. (a) 각 소자 전압 V1~V10 (b) 첫 반주기를 확대한 그림 199

그림 3.2.2-5. 2200 Vrms, 25 kArms 대칭 사고에서의 Vsfcl과 Isfcl (6 번째 시험) 200

그림 3.2.2-6. (a) 각 소자 전압 V1~V10 (b) 첫 반주기를 확대한 그림 200

그림 3.2.2-7. Vinput=2,200 V, Ifault=25 kArms, 비대칭 5주기 사고의 경우 20번째 사고 시험결과 201

그림 3.2.2-8. 단상 14 kV BSCCO 초전도 한류기의 모듈 도면 202

그림 3.2.2-9. 단상 14 kV BSCCO 초전도 한류기 시험 회로 203

그림 3.2.2-10. 단상 14 kV BSCCO 초전도 한류기 시험 전경 203

그림 3.2.2-11. 단상 14 kVrms 비대칭 10 kArms 및 25 kArms의 사고전류 교정파형 및 각 조건의 한류된 전류 파형 204

그림 3.2.2-12. 그림 3.2.2-11의 첫 반주기를 확대한 파형 204

그림 3.2.2-13. 입력전압 14 kVrms, 비대칭 10KArms의 경우에 대한 한류기 양단전압 Vsfcl과 한류된 사고전류 Isfcl(이미지참조) 205

그림 3.2.2-14. 그림 3.2.2-13의 경우에 대한 초전도 한류기 각 모듈의 전압 205

그림 3.2.2-15. 입력전압 14 kVrms, 대칭 10 kArms의 경우에 대한 한류기 양단전압 Vsfcl과 한류된 사고전류 Isfcl(이미지참조) 206

그림 3.2.2-16. 그림 3.2.2-15의 경우에 대한 초전도 한류기 각 모듈의 전압 206

그림 3.2.2-17. 입력전압 14 kVrms, 비대칭 25 kArms의 경우에 대한 한류기 양단전압 Vsfcl과 한류된 사고전류 Isfcl(이미지참조) 207

그림 3.2.2-18. 그림 3.2.2-17의 경우에 대한 초전도 한류기 각 모듈의 전압 207

그림 3.2.2-19. 입력전압 14 kVrms, 대칭 25 kArms의 경우에 대한 한류기 양단전압 Vsfcl과 한류된 사고전류 Isfcl(이미지참조) 208

그림 3.2.2-20. 그림 3.2.2-19의 경우에 대한 초전도 한류기 각 모듈의 전압 208

그림 3.2.2-21. 각 사고조건에 따른 BSCCO 초전도 한류기의 발생저항 Rsfcl 209

그림 3.3.2-1. BSCCO-2212 초전도 튜브와 병렬 Shunt 213

그림 3.3.2-2. YBCO 초전도 한류소자 및 모듈 구성 213

그림 3.3.2-3. BSCCO-2212 한류소자의 과도특성 해석 등가회로 213

그림 3.3.3-2. 소자 중심간 전기절연 (이격 거리=70 mm, 60 mm) 222

그림 3.3.3-3. 단상 한류소자 배치 모습 (초전도 한류소자 수량 : 22개, 21개, 19개) 222

그림 3.3.3-4. Cryomech사의 AL300 냉동기 및 성능 데이터 223

그림 3.3.3-5. Cryomech사의 AL600 냉동기 및 성능 데이터 224

그림 3.3.3-6. (가) 3상 복충형 배치와 (나) 3상 단층 배치 구조 224

그림 3.3.3-7. 3상 일괄 2층 배치 안 225

그림 3.3.3-8. 25개 소자 2층 배열 안 225

그림 3.3.3-9. 44개 소자 1층 배열 안 225

그림 3.3.3-10. (가) BSCCO-2212 한류기 냉각조와 (나) 복합형 한류기 냉각조 설계도면 227

그림 3.3.3-11. 복합형 한류기 냉각시스템과 top flange 모습 228

그림 3.3.4-1. 동전 전류 크기에 따른 전류리드의 열 침입량(77 K-298 K) 233

그림 3.3.4-2. 동전 전류 크기에 따른 전류리드 재질의 단면적 변화 (77 K~298 K, 길이=1 m) 234

그림 3.3.4-3. 길이에 따른 전류리드의 단면적 변화 (77 K~298 K) 235

그림 3.3.4-4. 제작된 전류리드 (600A, 300A, 150A) 236

그림 3.3.4-5. 전류리드의 열침입량을 측정하기 위한 시험 구조도 237

그림 3.3.4-6. 전류리드 손실 측정을 위한 시험 장치 238

그림 3.3.4-7. 전류리드 손실 측정을 위한 top flange 모습 238

그림 3.3.4-8. 전류리드 열침입 측정 시험 전경 239

그림 3.3.5-1. 냉각시스템 제어장치의 제어 흐름도 및 제어 조건 240

그림 3.3.5-2. 제어장치 구성도 241

그림 3.3.5-3. 한류기용 냉각시스템 구성 및 제어 장치 242

그림 3.3.5-4. 한류기용 제어장치 242

그림 3.3.5-5. 제어장치 모니터링 화면 구성 243

그림 3.3.5-6. 제어장치 DAQ 화면 구성 244

그림 3.3.5-7. 냉각시스템 제어장치 시험 전경 244

그림 3.3.6-1. Schematic of sub-cooled liquid-nitrogen cryostat refrigerated by cooler 245

그림 3.3.6-2. Shape of HTS elements 246

그림 3.3.6-3. Configuration of top plate for three pairs of current leads and two cryocoolers 247

그림 3.3.6-4. Schematics of three different cases of cryostat design 247

그림 3.3.7.1. Schematic of pierced "jelly-roll" (PJR) current lead. 250

그림 3.3.7.2. Optimized result for nitrogen- cooled PJR lead... 253

그림 3.3.7.3. Optimized result for helium-cooled PJR lead... 253

Fig. 3.3.7-4. Optimal lead parameter of conduction-cooled PJR lead as a function of cold-end temeperature. 255

그림 3.3.8-1. Schematic of natural circulation loop 256

그림 3.3.8-2. Schematic overview of experimental apparatus 258

그림 3.3.8-3. Cooling capacity of AL60 cryocooler 259

그림 3.3.8-4. Measured temperature of LN₂at steady state for various heights of loop 261

그림 3.3.8-5. Calculated mass flow rate in comparison with experimental data for various heights of loop 262

그림 3.3.8-6. Experimental data on the existing correlation of Re-Gr plot 263

그림 3.3.8-7. Estimated heat transfer capability for various heights of loop 263

그림 3.4.1-1. 하이브리드 초전도 한류기 회로도 및 구성 요소 267

그림 3.4.1-2. 하이브리드 초전도 한류기 선로 변경 방식 269

그림 3.4.2-1. Fast switch가 작동하기 전의 hybrid 한류기 등가 회로. 270

그림 3.4.2-2. 표 3.4.2-1의 각 경우에 대한 YBCO 박막 소자의 저항계산 결과. 271

그림 3.4.2-3. 하이브리드 초전도 한류기용 YBCO 초전도체 272

그림 3.4.2-4. 하이브리드 초전도 한류기용 고속 스위치 273

그림 3.4.2-5. 최적 전자반발력을 얻기 위한 3D 해석 273

그림 3.4.2-6. 인가 전류에 따른 전자반발력의 크기 분석 274

그림 3.4.2-7. 진공 인터럽터 적용 고속 스위치 274

그림 3.4.2-8. 단락전류 인가 시 고속스위치 동작에 따른 전류 파형 275

그림 3.4.2-9. 폐로 접점을 이용한 진공인터럽터 아크 강제 제거 방식 개발 276

그림 3.4.2-10. 초전도 �치 및 퓨즈동작에 의한 단락전류 병렬회로 분류 동작 277

그림 3.4.2-11. VI에 아크가 남아있을 경우의 주회로 전류 278

그림 3.4.2-12. 반도체 스위치를 사용한 하이브리드 초전도 한류기 회로도 280

그림 3.4.2-13. 설치될 반도체 스위치의 형태 281

그림 3.4.2-14. ABB 社에서 상용화 시킨 IGCT의 형태 및 용량 282

그림 3.4.2-15. 일반적인 GTO의 동작 특성 283

그림 3.4.2-16. IGCT의 내부 구조 284

그림 3.4.2-17. Optical Fiber 입력 및 고속 구동 회로 284

그림 3.4.2-18. 고속 트란지스타를 사용한 fault 신호 발생 285

그림 3.4.2-19. 위상을 검출하는 회로 285

그림 3.4.2-20. IGCT Snubber 회로 286

그림 3.4.2-21/3.5.2-21. 위상 처리 Logic의 Block Diagram 286

그림 3.4.2-22. 위상 처리 Logic의 State Flow 287

그림 3.4.2-23. 전체 시스템 제어 Block Diagram 287

그림 3.4.2-24. Delay 구성용 State Flow 288

그림 3.4.2-25. Blocking Diode 288

그림 3.4.2-26. IGBT를 이용한 유사 PSPICE Simulation 회로 289

그림 3.4.2-27. PSPICE Simulation 결과 289

그림 3.4.2-28. 실시간 전류 및 게이트 신호 290

그림 3.4.2-29. 예비실험 전경 290

그림 3.4.2-30. 시험 회로 291

그림 3.4.2-31. 트리거링 시험 결과. 응답시간은 IGBT는 0.18 ms, IGCT는 0.43 ms 291

그림 3.4.2-32. IGCT를 적용한 회로도. IGCT 동작 트리거 신호는 SB 동작에서 생성 292

그림 3.4.2-33. 사용된 IGCT 소자 292

그림 3.4.2-34. IGCT를 사용한 FS의 단락시험 초기 데이타 293

그림 3.4.2-35. 단락시험 결과 293

그림 3.4.3-1. 반주기 이내 한류방식의 회로도 294

그림 3.4.3-2. 24 kV 단상 반주기 내 한류형 하이브리드 초전도 한류기 시험 회로 295

그림 3.4.3-3. 24 kV 단상 반주기 내 한류형 하이브리드 초전도 한류기 모듈별 배치도 295

그림 3.4.3-4. 반주기 내 한류형 단상 하이브리드 초전도 한류기 특성 파형 296

그림 3.4.3-5. 반주기 후 한류형 하이브리드 초전도 한류기 회로도 297

그림 3.4.3-6. 반주기 후 한류형 하이브리드 초전도 한류기 배치도 298

그림 3.4.3-7. 반주기 후 한류형 단상 하이브리드 초전도 한류기 특성 파형 299

그림 3.4.3-8. 24 kV/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기용 YBCO 박막 모듈 299

그림 3.4.3-9. 24 kV/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기용 냉동기 300

그림 3.4.3-10. 3상 하이브리드 초전도 한류기용 초전도 모듈 301

그림 3.4.3-11. 3상 하이브리드 초전도 한류기용 고속 스위치 302

그림 3.4.3-12. 3상 하이브리드 초전도 한류기용 한류 퓨즈 302

그림 3.4.3-13. 3상 하이브리드 초전도 한류기용 한류저항부 303

그림 3.4.3-14. 3상 하이브리드 초전도 한류기 모듈 조립 및 결선도 304

그림 3.4.3-15. 시험 대기 중인 24 Kv/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기 304

그림 3.4.3-16. 24 Kv/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기 단락시험 결과 305

그림 3.4.3-17. 24 Kv/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기 배전반 개념도 306

그림 3.4.3-18. 24 Kv/630 A급 3상 하이브리드 초전도 한류기 배전반 306

그림 3.5.1-1. 분석 대상인 화성변전소와 고장 검토 지점 310

그림 3.5.1-2. 분석대상 선로(왼쪽) 및 모의 등가 계통 (오른쪽) 구성 310

그림 3.5.1-3. Peak load와 base load에서의 송전한계 313

그림 5.1-1/5.5.1. 추진되고 있는 배전급 초전도 한류기 조기 활용처 333

그림 5.2-1. 실증시험 회로 (안) 336

그림 5.2-2. 고창시험장에 건설중인 154 kV/22.9 kV 변전소 336

그림 5.2-3. AFG 337

그림 5.2-4. 배전 시험 선로 337