본 논문은 2세대 고온 초전도 선재를 이용한 대전류용 고온초전도 변압기의 설계 및 제작에 관한 연구결과이다. 대전류용 변압기는 154 kV, 단상 33 MVA를 기준으로 기 설계된 초전도 변압기의 요소기술 평가를 위한 것으로 초전도 변압기의 제작의 중요 요소기술 중 하나인 저압권선용 초전도 선재의 대전류 통전 특성평가와 초전도 권선의 교류손실 저감효과에 관한 검증을 위해 설계 및 제작 되었다. 이러한 대전류용 변압기의 설계와 초전도 권선의 제작, 시험을 통해 실제 100 MVA 초전도 변압기 설계의 신뢰성과 대전류 통전용 초전도 선재의 성능평가를 확인하였다.
고온초전도 전력기기 중에서 가장 먼저 상용화 될 것으로 예상되었던 초전도 변압기는 아직 상용화가 될 것이란 소식을 들려주지 못하고 있다. 지난 3년 동안 프론티어 사업을 통해 고온초전도 변압기를 개발하였던 본 연구진의 생각이나, 다른 전문가들의 의견을 들어 봐도 초전도 변압기가 고온초전도 전력기기 시장의 선두주자가 되기는 쉽지 않을 전망이다. 현재의 연구동향을 보면, 고온초전도 전력케이블이 상용화면에 있어서는 다른 기기에 비해 앞서 있는 상황이고, 초전도 한류기 역시 파란 불이 들어와 있다고 볼 수 있다.(중략)
초전도체는 일반도체와 달리 직류 전류 인가 시에 저항이 발생하지 않지만 교류 전류 인가 시에는 히스테리시스에 의한 교류 손실이 발생한다. 이러한 초전도 선재를 이용하여 제작한 초전도 변압기에서 발생하는 교류손실은 변압기의 효율 감소 및 온도 상승으로 인해 초전도 변압기의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 본 논문에서는 외철형의 구조를 갖는 154 kV급 5 MVA 고온 초전도 변압기를 YBCOCC 선재를 사용하여 설계하였다. 또한 2차원 수치해석을 통해 YBCOCC 선재의 자화 손실을 계산하고, 이를 154 kV급 5 MVA 고온 초전도변압기의 권선부에서 발생하는 수직 방향의 자장에 적용하여 변압기의 교류손실을 계산하고 그 결과를 나타내었다.
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.
한국초전도학회 2000년도 High Temperature Superconductivity Vol.X
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pp.23-26
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2000
초전도변압기는 효율이 높고 무게가 가벼울 뿐 아니라 부피도 적은 등의 장점을 갖고 있을 뿐만 아니라 가까운 장래에 실현될 것으로 예상되는 전초전도전력시스템을 구성하는 핵심적인 전력기기이다. 이에 따라 외국에서는 상업화가 가능한 초전도변압기를 개발하기 위해서 연구개발이 진행되고 있다. 국내에서도 초전도변압기를 개발하여야 할 시기가 도래했다.
현재 많은 초전도 한류기들이 개발되었고 현재도 실계통 적용을 위해 개발중이다. 본 논문에서는 초전도 소자만을 이용한 저항형 초전도 한류기와 변압기와 초전도 소자를 접목한 자속결합형 초전도 한류기의 사고전류 제한 특성과 초전도 소자의 퀜치특성을 비교 분석하였다. 자속결합형 초전도 한류기는 변압기 코일의 턴수를 조절함으로써 사고전류의 크기 및 퀜치 특성을 개선시키는 반면 저항형 초전도 한류기는 초전도 소자의 불균일 퀜치와 사고전류의 크기를 조절하기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 또한 자속결합형 초전도 한류기의 경우에서 초전도 소자에 발생하는 전압의 크기가 현저히 작음을 알 수 있었다. 초전도 소자의 전압이 높고, 퀜치 불균일로 인해서 일부 전력 부담이 편중되는 소자의 열화가 더 빨리 진행될 것이다.
배전계통에서 전력수요의 증가와 분산전원의 증가로 대용량 변압기의 적용이 불가피하게 되었다. 하지만, 대용량 변압기로 교체할 경우 배전계통에 고장발생시 고장전류의 크기가 증가되어 기존에 설치된 차단기 및 보호기기의 차단용량 초과로 인해 교체에 따른 경제적 비용 상승이 우려된다. 따라서, 대용량 변압기의 교체시 고장전류 증가 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나로 초전도한류기를 설치하는 방안을 검토하고 있다. 초전도 한류기는 평상시에 초전도 상태인 영 저항이므로 전력손실이 발생하지 않으며, 고장 발생시 치로 인한 신속한 저항 발생으로 고장전류를 빠르게 감지 및 제한함으로써 기존에 설치된 차단기의 차단 용량이하로 감소시켜 줄뿐만 아니라 계통의 안정도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 초전도한류기는 도입위치에 따라 ��치 발생시 초전도한류기의 저항 크기가 다르게 되며, 고장전류 제한효과 및 보호협조를 고려한 적정의 한류기 저항 설정이 필요하다. 이에 대한 선행연구로서, 본 논문에서는 모의 배전계통에 초전도한류기를 적용하였을 경우 도입위치에 따라 전류제한, 모선 전압강하, 초전도한류기의 전력부담을 실험을 통하여 비교 분석하였다. 분석을 통해 초전도한류기를 피더에 설치하였을 경우 전류제한 효과, 모선 전압강하 보상효과는 가장 우수하였으나 가장 많은 전력부담을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
급격히 증가해온 사고전류로부터 전력망을 보호하기 위한 해결책으로 초전도 한류기가 제시되어 왔다. 초전도체의 영저항 특성을 이용한 초전도 한류기는 정상상태시 무손실로써 동작하기 때문에 전력 공급의 효율성을 저하시키지 않는 장점이 있다. 이러한 초전도 한류기를 전력망에 적용하기 위해서는, 용량증대의 문제가 우선적으로 해결되어야 하는 바, 초전도 소자의 직 병렬 연결과 더불어 변압기를 이용한 여러 타입의 초전도 한류기가 제시 및 연구되어 왔다. 본 논문에서는 변압기형 초전도 한류기와 자속결합형 초전도 한류기를 구성하여 단락사고 발생시 각 초전도 한류기의 회복성능을 비교 분석 하였다. 각 초전도 한류기는 사고전류 제한 동작특성에 따라 회복시간의 차이를 보였다.
변압기형 초전도 한류기는 변압기의 2차 측을 개방하여 임피던스를 발생시키고 이때 유기되는 임피던스에 의해 계통의 고장전류를 제한한다. 본 논문에서는 변압기 2차 측 개방시 발생하는 고전압을 분배하기 위한 연구이다. 변압기 2차 측에 전력용 반도체 소자를 직렬로 연결하고 계통 사고시 동시 동작하여 2차 측을 개방하도록 구성하였다. 그 결과의 변압기 2차 측의 개별 스위칭이 이루어져 전압이 분배됨을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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