Usually, the AC loss from the superconducting element of an SFCL due to the load current is very small because it is composed of the combination of bifilar windings with very small reactance. Although the AC loss is small enough, we should be albe to predict for the design and control of the cryogenic system. In fact, an SFCL for the transmission voltage class may not generate ignorable AC loss because of the inevitable space between the HTS wires for the high voltage insulation and cryogenic efficiency. To measure the AC loss dependency on the space between the 2G HTS wires with the width of 4.4 mm, we prepared an experimental setup which could adjust the distance between the wires. We used two 500-mm length HTS wires in parallel and applied the current in the opposite direction for each wire to simulate a part of a current limiting module for a high voltage SFCL. We also put two couples of voltage taps at the ends of each wire and a cancel coil in the voltage measurement circuit to compensate the reactive component from the voltage taps. In this condition, we varied the distance between the wires to investigate the change of the transport current loss. A similar experimental study with HTS wire with the width of 12 mm is now in progress.
Current lead is a device that connects the power supply and superconducting magnets. High temperature superconductor (HTS) has lower thermal conductivity and higher current density than normal metal. For these reasons, the heat load can be reduced by replacing the normal metal of the current lead with the HTS. Conventional HTS current lead has same cross-sectional area in the axial direction. However, this is over-designed at the cold-end (4.2 K) in terms of current. The heat load can be reduced by reducing this part because the heat load is proportional to the cross-sectional area. Therefore, in this paper, heat load was calculated from the heat diffusion equation of HTS current leads with uniform and non-uniform cross-sectional areas. The cross-sectional area of the warm-end (65K) is designed considering burnout time when cooling system failure occurs. In cold-end, Joule heat and heat load due to current conduction occurs at the same time, so the cross-sectional area where the sum of the two heat is minimum is obtained. As a result of simulation, current leads for KSTAR TF coils with uniform and non-uniform cross-sectional areas were designed, and it was confirmed that the non-uniform cross-sectional areas could further reduce the heat load.
Racetrack coils are used in many areas of superconductivity applications such as generators, motors, maglev, wiggler magnets and so on. The fabrication and characteristics of race-track type High Tc Superconducting (HTS) magnets were carried out. The Magnet is composed of 3 pancake coils wound by 37-filamental Bi-2223/ Ag-alloy tapes. Quench current ($I_q$) of both whole magnet and 3 pancake coils were measured. At 77K under the self-field, $I_q$ of magnet was 12A, while in the case of middle pancake coil, $I_q$ was 15A. The upper pancake coils of racetrack magnet with iron plates, magnet having optimized current distribution and initial magnet are compared with each other through 3D FEA, manufacturing and testing these magnets. The measured performance of the upper pancake coil #3 with iron plates improved by 50% on the basis of initial pancake coil #3. Quench current ($I_q$) of field winding was 12A. In addition, the fabrication processes and the characteristics of HTS magnet are described.
To reduce the power loss in normal state, non-inductively wound high temperature superconducting (HTS) coils are used for fault current limiter (FCL) application. Non-inductively wound coils can be classified into two types: solenoid type and pancake type. These two types have different electrical and thermal and mechanical characteristics due to their winding structure difference. This paper deals with the current limiting characteristics, magnetic field analysis of the two coils. Simulation using finite element method (FEM) was used to analyze the magnetic field distribution and inductance of the coils. Short circuit test using stabilizer-free coated conductor (CC) was also carried out. We can compare the characteristics of the two types of coil by using the data obtained from simulation and short circuit test. We confirmed the feasibility of FCL application by the analysis about the characteristics of non-inductively wound coil using CC.
1MW class superconducting synchronous motor is designed considering several conditions such as superconducting wire length, machine efficiency and size. As the machine is larger and larger, the superconducting machine shows the advantages more and more over the conventional machines. Although the advantages at 1MW rating are not so great, the design approach to get an appropriate result would be very helpful for larger superconducting synchronous machine design. Major design concerns are focused on reducing expensive Bi-2223 HTS(High Temperature Superconducting) wire which is used for superconducting field coil carrying the rating current around 30K(-243$^{\circ}C$) while the machine efficiency is higher than conventional motors or generators with the same rating. Furthermore, some iron cored structure is considered to reduce the HTS wire requirement without bad effect on machine performances such as sinusoidal armature voltage waveform, synchronous reactance and so on.
There are many kinds of high temperature superconducting (HTS) application using Bi-2223 tape which is the most commercialized HTS material. Also, resistive superconducting fault current limiters (SFCLs) have been developed using many kinds of superconducting material such as YBCO thin film, Bi-2212 bulk and so on. However, SFCL using Bi-2223 tape has never been developed. This paper deals with the feasibility study on SFCL using Bi-2223 wire. The over-current behaviors of Bi-2223 short-length sample were measured. To make the resistive SFCL, two small-scale bifilar winding modules using 7m Bi-2223 wire were fabricated; i.e. solenoid type bifilar coil and pancake type one. The short-circuit tests of the coils were successfully performed up to 16 V$_{rms}$ From these tests, the current limiting capabilities of Bi-2223 bifilar coils were confirmed and current limiting performances between two winding types were compared. In addition, the feasibility of resistive SFCL using another HTS wire, i.e. YBCO coated conductor, was also investigated.
In order to develop a high temperature superconducting(HTS) coil for the fault current limiter(FCL), the over-current characteristics in YBCO coated conductor(CC) with Ni-W alloy substrate are analyzed. The HTS wire is wound by bifilar winding method for resistive current limitation and it is operated in 65K sub-cooled nitrogen. In order to analyze the resistance and the temperature characteristics of the CC wire, an analysis program is developed considering all the composition materials except the buffer layer. Using this program, the temperature rise, the resistance development and the current limitation of CC are calculated depending on the applied voltage and the stabilizer materials. According to the analysis results, under the temperature restriction of 300K, the maximum voltage per meter is determined as 40V/m if the stabilizer is $25{\mu}m$ thick stainless steel at each side. Finally, the wire length needed for the distribution level HTS FCL is estimated.
A 1MW class superconductng synchronous motor is designed considering several conditions such as superconducting wire length, machine efficiency and size. As the machine is larger and larger, the superconducting machine shows the advantages more and more over the conventional machines. Although the advantages at 1MW rating are not so great, the design approach to get an appropriate result would be very helpful for larger superconducting synchronous machine design. Major design concerns are focused on reducing expensive Bi-2223 HTS(High Temperature Superconducting) wire which is used for superconducting field coil carrying the rating current around 30K($-243^{\circ}C$) while the machine efficiency is higher than conventional motors or generators with the same rating. Furthermore, some iron cored structure is considered to reduce the HTS wire requirement without bad effect on machine performances such as sinusoidal armature voltage waveform, synchronous reactance and so on.
This paper presents experimental data from model windings with different arrangement of coil in order to provide information to design a 22.9 kV class HTS transformer. Before experiment, the composite insulation of two different type of HTS transformers are investigated. The first basic of investigation is a breakdown characteristic of liquid nitrogen and flashover characteristic on the GFRP surface under ac and impulse, The second investigation is insulation design, manufacture and test of model windings. These include a AC withstand voltage test of 50 kV rms and a lighting impulse test of 150 kV at peak.
For the application of HTS wire to AC power equipment, a conductor with high current capacity and low loss is required. CORC®, one of the high-current conductors manufactured using several HTS wires, is made by winding the wires in a spiral on a cylindrical former. Because the magnetization loss of a CORC® conductor depends on the degree of magnetic coupling between the wires constituting the CORC®, it is necessary to know the value of the magnetization loss of the CORC® itself. In order to obtain an accurate loss value, it is necessary to know the effect of the ratio of the winding pitch of the CORC® conductor in the pickup coil region sampling the magnetization loss signal. To confirm this effect, we prepare CORC® samples having various winding pitches, and measure and compare the magnetization losses. In addition, the magnetization loss was measured while rotating the CORC® samples and it was examined whether there was a difference in the magnetization loss according to the rotation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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