고온 초전도체를 이용한 에너지 저장장치는 종래의 저온 초전도체를 이용한 장치에 비해 효율이 높고, 설치 면적이 작으며, 환경 친화적 특성을 갖고 있다. 또한 냉각비용이 저렴하고 저장되는 에너지 밀도가 높다. 고온초전도 선의 성능향상이 가속화됨에 따라 고온초전도 선을 이용한 초전도 전력기기의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 초전도 선이 구리선에 비하여 고가라는 단점이 여전히 문제가 되고 있다. 가격적인 측면에서 선의 사용량을 줄이기 위한 대책이 필요하다. 또한 코일의 손실해석은 전력기기의 경제성 여부와 성능향상을 위해 수행되어야 할 중요한 연구 분야 중 하나이다. 본 논문에서는 초전도 선으로 권선한 코일의 자장분포 및 인덕턴스를 유한요소법(FEM)해석을 통해 확인하였으며, 솔레이드 코일, 팬케이크 코일, 트로이달 코일의 저장용량을 결정하기 위해 비교를 통하여 최적의 형상을 도출하였다.
초전도 현상은 절대온도 부근에서 전기적 저항이 사라지고 자기부양 효과를 보이는 등의 장점 때문에 다양한 분야에서 적용이 시도되고 있지만 초전도 임계온도를 실현하기 위한 어려움 때문에 실용화에 많은 어려움을 겪어 왔다. 하지만 최근 $30^{\circ}K$ 이상에서 초전도 현상을 보이는 고온 초전도체가 발견됨으로서 다양한 분야에 대한 적용연구가 시도되고 있다. 따라서 본 논문에서는 최근 각광받고 있는 고온 초전도체의 전력계통 적용 사례들은 조사, 분석하여 그 가능성과 문제점들을 살펴보고자 한다.
현재 국내에서 개발중인 고온초전도 케이블은 폴리프로필렌의 반 합성지인 LPP(laminated polypropylene paper)를 절연재료로 사용한 저온절연방식을 채택하였다. LPP는 타 절연지에 비해 절연파괴 강도가 우수하며 유전손실도 낮아 고온초전도 케이블의 절연재료로써 가장 유력시되고 있지만, 기존 유입케이블(oil-field cable)의 절연재료로 널리 사용되어온 크라프트지에 비해 6-8배 정도의 높은 가격에 유통되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 고온초전도 케이블의 경제성 확보를 위하여 LPP와 크라프트지를 혼합한 복합 절연재료를 제안하였으며, 각각의 절연특성 시험을 통해 경제성과 전기적 절연강도를 만족하는 두 절연지의 혼합비율을 결정하고 그에 따라 22.9kV급 고온초전도 케이블의 복합절연 설계를 하였다.
본 논문에서는 고온초전도체를 이용하여 한류기에 적용시 고온초전도체 제작에 따른 재료적인 제약으로 인한 문제점을 해결할 수 있는 자속구속개념을 이용한 고온초전도 한류기의 동작원리에 대해 고찰하고 라드(ROD)형태로 제작이 용이한 소형의 고온초전도벌크를 이용하여 대용량에 적용이 유리함을 한류임피던스와 한류비를 �c치용량과 l차인덕턴스의 크기에 따라 조사하여 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
초전도 코일의 안정성(stability)을 향상시키기 방법으로 초전도 자석의 턴(turn) 사이의 절연을 없애는 무절연 코일(no-insulation coil) 및 금속 테이프를 같이 권선하는 금속절연 코일(metal insulation coil)이 제안되어 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 고온초전도 코일의 열적, 전기적 메카니즘을 분석하기 위한 FEM 모델을 제시하고, 이를 사용하여 �치 시 고온 초전도 코일의 안정성 향상 정도를 해석한다.
본 연구에서는 전기 항공기에 사용하기 적합한 높은 출력밀도를 발생시키는 고온초전도 모터를 설계하고 이를 항공기에 적용하는 것이 가능한지를 확인하는 연구를 수행하였다. 설계된 모터는 이트륨 바륨 구리 산화물 판, 비스무트-2223 산화물로 이루어진 초전도 코일을 사용하고, 철심을 사용하지 않는 공기 냉각 전기저항성 전기자를 사용하였다. 고온 초전도 판과 코일 쌍을 회전축 방향으로 증가시켜, 180 마력, 2700 분당회전수의 출력을 발생시키는 세스나급 항공기에 사용하는 O-360엔진과 18000 마력, 5000 분당회전수의 B-737급 항공기에 사용하는 CFM56엔진을 대체할 수 있는 동일 출력을 발생시키도록 설계하였다. 또한 기존 엔진의 출력밀도와 고온초전도 모터의 출력밀도를 비교하여 고온초전도 모터의 항공기 적용가능성을 평가하였다.
초전도 한류기는 초전도 전이를 이용하여 전류를 제어하는 전력기기로, 수 msec 이내에 고장전류를 정상전류로 변환하여 전력계통의 유연성, 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 기기이다. 고온초전도 선재는 상전이 속도가 빠르고 임계전류밀도가 높으며 교류손실이 적어 초전도 한류기에 적합한 소재이지만 최적화 연구가 부족함에 따라 고온초전도 선재 특성에 의존하는 기존 방식은 한류소자의 설계, 투입 선재의 양 등에 있어 비효율적이다. 따라서 초전도 한류기에 적합한 선재를 개발하기 위해 임계전류 균일도 향상, 최적의 안정화재 재료 선정 및 균일 적층 기술 개발 연구가 수행되었다. 본 연구를 통하여 개발된 고온 초전도 선재는 710m 길이에서 평균 804 A/12mm-w의 임계전류를 가지는 선재제조 기술을 확보함에 따라 효율성 향상, 비용 절감 및 크기 축소로 경제적 성과를 확보할 수 있었다.
본 논문에서는 2세대 고온초전도 선재를 이용하여 영구전류 모드 운전이 가능한 상전도 접합부가 없는 초전도 모델 코일을 제작하고, 영구전류 인가를 위해 플럭스 펌프형태의 소규모 초전도 전원장치를 제작 77 K 운전 온도에서 영구전류 충전 시험을 진행하였다. 플럭스 펌프는 영구자석을 이용한 회전 자속형으로 제작되었고, 2세대 고온초전도 선재를 이용한 영구전류 마그넷의 적용에 필요한 초전도 전원장치의 기초 특성연구를 수행하였다.
초전도 변압기의 권선에서 발생하는 교류손실은 시스템의 효율과 안정성에 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 고온 초전도 변압기의 권선 구조에 따른 교류손실과 % 임피던스 특성을 살펴보았다. 변압기 철심의 형태가 내철형과 의철형인 경우에 대하여 설계를 하였으며 각 형태에 따른 교류손실과 % 임피던스를 계산하였다. 154 kV/5 MVA 고온 초전도 변압기의 두 가지 철심 형태의 해석을 통해 각각의 특성을 비교하였다.
고온초전도체의 기본적인 것은 이미 국내외 학술지에 여러번 소개되었으므로, 본고에서는 초전도재료 연구의 동향과 문제점을 살펴보겠다. 최근에는 실온초전도체도 보고되고 있으나, 아직 미확인된 상태이므로, 여기서는 주로 임계온도T$_{c}$가 98.deg. K로 알려진 $Ba_{2}$YCu$_{3}$Ox계 재료에 관하여 논하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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