KR100791045B1 - 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화물계 고온초전도 선재가 권선된 팬케이크코일로 이루어진 마그네트의 특성을 평가하고 사고(quench)시 초전도 마그네트를 보호하기 위한 장치에 관한 것으로서, 초전도 선재가 권선된 팬케이크코일로 이루어진 고온초전도 마그네트와; 상기 팬케이크코일과 병렬로 연결되어, 사고발생시 고온초전도 마그네트에 저장되어 있는 에너지를 저항열로 발생시키는 보호저항과; 상기 팬케이크코일 양단 및 상기 보호저항 양단의 전압을 측정하기 위해 상기 팬케이크코일 양단 및 보호저항 양단에 각각 전기적으로 연결된 전압탭과; 상기 팬케이크코일과 직렬로 연결되어, 사고발생시 전원공급기로 흐르는 전류를 차단하고 상기 보호저항으로 전류가 흐르도록 하는 회로차단스위치와; 상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 모니터링하고 컨트롤하기 위한 컨트롤모니터링디바이스와; 상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 입력하고 수집하기 위한 데이타획득디바이스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 팬케이크코일의 전류-전압특성 및 임계전류를 측정하여 고온초전도 마그네트의 운전전류 및 사고전류(quench current) 측정 등 각종 특성평가를 안전하게 할 수 있고, 고온초전도 마그네트의 운전시 돌발적으로 일어날 수 있는 사고시에도 고온초전도 마그네트를 안정적으로 보호할 수 있을 뿐만 아니라 이에 의해 고가의 고온초전도 선재의 낭비를 막을 수가 있어 비용이 절감되는 이점이 있다.

고온초전도 마그네트 저항 회로차단 임계전류 사고 특성평가

Description

고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고보호 장치{HTS magnet characteristic evaluation and quench protection device}

도 1 - 고온초전도 코일 및 고온초전도 마그네트에서의 전류-전압(I-V) 특성곡선을 나타낸 도.

도 2 - 본 발명에 따른 고온초전도 마그네트 특성 평가 장치의 주요부에 대한 모식도.

도 3 - 본 발명에 따른 고온초전도 마그네트 특성 평가 장치의 데이타획득디바이스의 주요부에 대한 구성도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 고온초전도 마그네트 200 : 보호저항

300 : 전압탭 400 : 회로차단스위치

500 : 컨트롤-모니터링디바이스 600 : 데이타획득디바이스

610 : 섹션전압제한부 620 : 전류입력부

630 : 전류감소부 640 : 전원입력부

650 : 현재전류표시부 660 : 전류표시부

670 : 전압표시부

본 발명은 산화물계 고온초전도 선재가 권선된 팬케이크코일로 이루어진 마그네트의 특성을 평가하고 사고(quench)시 초전도 마그네트를 보호하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 팬케이크코일의 전류-전압특성 및 임계전류를 측정하고, 보호저항에 의해 팬케이크코일에서 사고로 인해 발생하는 과도한 전압으로부터 팬케이크코일을 보호하기 위한 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고보호 장치에 관한 것이다.

일반적으로 Bi-2212나 Bi-2223과 같은 1세대 고온초전도 선재, PIT선재나 YBCO와 같은 2세대 고온초전도 선재의 특성은 도 1과 같이 나타난다. 일반적으로 고온초전도 선재의 전압-전류 특성을 n값의 지수 승(power law)으로 나타내어서 고온초전도 선재의 특성을 나타낼 수 있으며, 특성방정식은 다음 수학식 1과 같다.

여기서, V는 고온초전도 코일의 양단에 발생하는 전압이고, V_o는 고온초전도 선재의 특성 평가시 기준이 되는 전압으로 1 혹은 0.1㎶/cm으로 나타낸다. n은 Index value라고 불리며 초전도 선재의 플럭스-플로우(Flux-flow) 영역을 결정하는 역할을 한다. I는 고온초전도 코일에 흐르는 전류이고, I_c는 고온초전도 코일의 임 계전류 값이다.

다음 수학식 2는 고온초전도 선재를 이용하는 고온초전도 마그네트의 경우 장선의 테이프 형상을 가지는 고온초전도 선재의 특성상 원형 혹은 팬케이크 형태로 권선되게 된다. 이 경우에 팬케이크 사이에 접합이 존재하게 되고, 접합 저항에 의한 발열로 인해 도 1에서와 같이 전류-전압(I-V) 특성곡선이 일정한 기울기를 나타내게 된다.

상기와 같이 고온초전도 선재가 권선되어 이루어진 마그네트는 대전류를 통전할 수 있어 통전 전류 밀도가 매우 높고, 고자장을 발생시킬 수 있는 특징을 가지고 있다. 따라서 고온초전도 마그네트 내에 강한 전자기력이 작용되고, 저온으로 냉각되어 운전되기 때문에 열 수축으로 인한 열응력 또한 강하게 작용되는 등, 운전조건이 더욱 가혹하게 된다.

이와 같은 여러 가지 요인으로 인한 외부교란이 고온초전도 선재에 가해지면 초전도 상태에서 상전도 상태로 급격히 천이되는 사고현상(quench phenomenon)이 발생되어 초전도선의 저항이 급격히 증가하면서 급격한 발열 및 온도상승이 일어나게 된다.

일반적으로 고온초전도 마그네트는 대전류에서 운전되기 때문에 축적된 에너지가 매우 크고, 고온초전도 마그네트 내부의 특정부위에서 사고(quench)가 발생할 때, 이의 조속한 탐색 및 운전전류의 차단 등의 조치가 수행되지 않으면, 고온초전도 마그네트 내부의 급격한 온도 상승으로 초전도 선재의 소손(burning out) 등 치명적인 손상을 가져오게 된다. 따라서 고가의 초전도 마그네트의 안정적인 운전 및 보호방법의 개발이 반드시 필요한 실정이다.

또한 산화물계 고온초전도 마그네트의 경우에는 테이프 형태의 고온초전도 선재를 팬케이크 형태로 만들어 다수 개를 적층하는 형태로 필요한 공간에서 요구되는 형태의 자장 및 세기를 발생시키게 되는데, 각각의 팬케이크코일은 전체 마그네트의 조립된 위치에 따라서 경험하는 주위 자장이 크게 다르고, 또한 작용되는 기계적인 힘도 서로 상이하므로, 설계, 제작된 고온초전도 마그네트의 특성 평가시 개개의 팬케이크 코일의 특성 평가치 만으로는 전체 마그네트의 특성을 예측할 수 없으므로, 조립된 전체 마그네트의 특성을 적정하게 평가하여야 한다.

따라서 이와 같은 특성을 고려하여 고온초전도 마그네트의 최적 운전조건에 상응하는 운전전류의 측정 등 고온초전도 마그네트의 성능 평가 기법 및 장치의 개발이 필요하다. 특히 설계, 제작된 고온초전도 마그네트의 최적의 운전 조건의 산정은 고가의 고온초전도 선재의 사용을 최소화할 수 있는 하나의 방법이기도 하다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 팬케이크코일의 전류-전압특성 및 임계전류를 실시간 측정하고, 보호저항에 의해 팬케이크코일에서 사고로 인해 발생하는 과도한 전압으로부터 팬케이크코일을 보호하기 위한 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고보호 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 초전도 선재가 권선된 팬케이크코일로 이루어진 고온초전도 마그네트와; 상기 팬케이크코일과 병렬로 연결되어, 사고발생시 고온초전도 마그네트에 저장되어 있는 에너지를 저항열로 발생시키는 보호저항과; 상기 팬케이크코일 양단 및 상기 보호저항 양단의 전압을 측정하기 위해 상기 팬케이크코일 양단 및 보호저항 양단에 각각 전기적으로 연결된 전압탭과; 상기 팬케이크코일과 직렬로 연결되어, 사고발생시 전원공급기로 흐르는 전류를 차단하고 상기 보호저항으로 전류가 흐르도록 하는 회로차단스위치와; 상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 모니터링하고 컨트롤하기 위한 컨트롤모니터링디바이스와; 상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 입력하고 수집하기 위한 데이타획득디바이스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 팬케이크코일은, 다수개가 직렬로 연결되어, 상기 전압탭이 팬케이크코일 양단에 각각 형성되어 코일섹션 전압을 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 데이타획득디바이스는, 고온초전도 마그네트에 사고 발생시 상기 회로차단스위치가 동작되는 전압제한값을 팬케이크코일의 각 코일섹션별로 설정하는 섹션전압제한부와; 고온초전도 마그네트 특성 테스트시에 전류의 목표값을 소정 증가율로 입력시키는 전류입력부와; 고온초전도 마그네트 특성평가 후 공급되는 전류를 점차 감소시키는 전류감소부와; 회로차단스위치에 전원을 인가하는 전원입력부와; 현재 팬케이크코일에 공급되는 전류값을 표시하는 현재전류표시부와; 시간에 따른 고온초전도 마그네트 전류의 변화를 표시하는 전류표시부와; 고온초전도 마그네트 전류 및 시간에 따른 전압의 변화를 표시하는 전압표시부;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라 팬케이크코일의 전류-전압특성 및 임계전류를 측정하여 고온초전도 마그네트의 운전전류 및 사고전류(quench current) 측정 등 각종 특성평가를 안전하게 할 수 있고, 고온초전도 마그네트의 운전시 돌발적으로 일어날 수 있는 사고시에도 고온초전도 마그네트를 안정적으로 보호할 수 있을 뿐만 아니라 이에 의해 고가의 고온초전도 선재의 낭비를 막을 수가 있어 비용이 절감되는 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명에 따른 고온초전도 마그네트 특성 평가 장치의 주요부에 대한 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고온초전도 마그네트 특성 평가 장치의 데이타획득디바이스의 주요부에 대한 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치는 고온초전도 마그네트의 특성으로써 운전전류 및 임계전류를 측정하고, 초전도 운전중 사고 발생시에 팬케이크코일에 전류가 흐르지 않도록 하여 고온초전도 마그네트를 보호하기 위한 것으로, 크게 고온초전도 마그네트(100), 보호저항(200), 전압탭(300), 회로차단스위치(400), 컨트롤-모니터링디바이스(500) 및 데이타획득디바이스(600)로 구성된다.

일반적으로 고온초전도 마그네트(100)는 테이프 형상을 하고 있는 고온초전도 선재가 팬케이크 또는 더블 팬케이크코일의 형태로 권선되어 형성되며, 원하는 자장 및 세기를 얻기 위해 상기 팬케이크코일을 단일개 또는 다수개로 적층하여 서로 간에 직렬로 연결시켜 사용한다. 상기 팬케이크코일로 이루어진 고온초전도 마그네트(100)는 크라이오스탯(cryostat, 냉동기)(미도시)에 부착되어 초전도 운전이 시작된다.

이러한 직렬로 연결되어 있는 팬케이크코일은 팬케이크코일을 이루는 고온초전도 선재의 품질 및 접합부의 형태 및 방법, 접합상태, 권선형태, 권선수에 따라 그 성능이 상이하므로 팬케이크코일이 다수개가 직렬로 연결되어 있는 경우에는 각각의 팬케이크코일마다 특성이 상이하게 된다. 그래서 각 팬케이크코일마다 하나의 코일섹션(coil section)을 설정하고, 양단의 전압을 측정할 수 있도록 전압탭(300)을 설치한다. 따라서 일반적인 고온초전도 마그네트(100)는 팬케이크코일의 직렬연결 갯수에 대응하여 코일섹션이 형성되어 멀티-코일섹션(multi-coil section)을 이루게 된다.

이러한 멀티-코일섹션을 이루는 다수개의 팬케이크코일이 직렬로 연결되어 원하는 자장 및 세기를 발생시키는 고온초전도 마그네트(100)는 특성 평가 및 운전에 있어, 사고(quench)로 인한 고온초전도 마그네트(100)의 손상 방지와 안정적인 특성 평가를 위해 보호회로가 필요하게 되며, 이를 위해 상기 팬케이크코일에 병렬로 보호저항(200)을 연결시키고, 사고발생 시 고온초전도 마그네트(100)에서 전원공급기(P)로 흐르는 전류를 차단하고 상기 보호저항(200)으로 마그네트의 전류가 흐를 수 있도록 작동되는 회로차단스위치(400)를 팬케이크코일과 직렬로 연결시킨다. 상기 보호저항(200) 양단에도 상기 보호저항(200)의 전압의 변화를 측정하기 위한 전압탭(300)이 설치되며, 사고발생시 고온초전도 마그네트(100)에 저장되어 있는 에너지를 열로 발산시켜 고온초전도 마그네트(100)를 보호하게 된다.

상기 전압탭(300)은 팬케이크코일 양단 즉, 각 코일섹션마다 설치되어 양단전압의 변화를 실시간적으로 측정하여, 임의 코일섹션에서 사고가 감지되면, 회로차단스위치(Circuit breaker switch)(400)가 작동되어 회로차단스위치(400)에 전원을 공급하는 전원공급기(power supply)(P)와 팬케이크코일과의 연결을 끊고, 보호저항(Dump Resistor)(200)으로 고온초전도 마그네트(100)에 저장된 에너지가 방출되도록 하여 고온초전도 마그네트(100)의 사고 발생지점에서 온도상승이 더 이상 일어나지 않도록 하므로써 고온초전도 마그네트(100)를 보호하게 된다.

따라서, 멀티-코일섹션을 이루는 고온초전도 마그네트(100)에서 각 코일섹션마다 전압탭(300)이 설치되어, 각 코일에 사용된 고온초전도 선재의 길이, 고온초전도 마그네트(100) 내에서 고온초전도 선재에 작용되는 최대자장 등을 고려하여, 각 코일에서 발생될 수 있는 최대 전압상한을 설정하고, 양단전압의 변화를 실시간적으로 측정하여, 최적의 운전 조건에 맞는 운전전류의 측정 등 산화물계 고온초전도 선재로 권선되어 직렬연결된 팬케이크코일로 이루어진 멀티-코일섹션 고온초전도 마그네트(100)의 각종 특성을 평가할 수 있게 되는 것이다.

이러한 고온초전도 마그네트(100)의 특성평가 및 사고보호 과정에 있어서, 각 팬케이크코일의 전압 및 전류 특성, 임계전류 특성 등의 데이타를 평가하고 사 고(quench)의 실시간적인 탐색(운전전류) 및 보호회로(회로차단스위치)를 작동시키기 위한 것으로, 이러한 데이타를 모니터링하고 컨트롤하기 위한 컨트롤-모니터링디바이스(500)가 필요하고, 이러한 데이타를 입력하고 수집하기 위한 데이타획득디바이스(600)가 필요하게 된다. 일반적으로 상기 컨트롤-모니터링디바이스는 컴퓨터 등의 본체에 대응되며, 상기 데이타획득디바이스는 컴퓨터 등에 있어서 화면부에 대응되게 형성된다.

도 3은 고온초전도 마그네트(100) 특성평가 장치의 데이타획득디바이스(600)의 디스플레이 화면이다. 섹션전압제한부(610)는 고온초전도 마그네트(100)에 사고가 발생했을 때 회로차단스위치(400)가 동작할 전압 제한 값을 각 코일섹션별로 설정할 수 있는 부분이며, 전류입력부(620)는 특성 테스트 시에 공급되는 전류의 증가율과 흘리고자 하는 전류의 목표값을 입력하는 부분, 현재전류표시부(650)는 현재 코일에 공급되는 전류값을 표시하는 부분, 전원입력부(640)는 회로차단스위치(400)에 전원을 인가하는 부분, 전압표시부(670) 및 전류표시부(660)는 고온초전도 마그네트(100)의 전류 및 시간에 따른 전압의 변화를 표시하는 부분, 전류표시부(660)는 시간에 따른 전류의 변화를 표시하는 부분 및 전류감소부(630)는 고온초전도 마그네트 특성평가 후 공급되는 전류를 상기 증가율에 대응되게 점차로 감소시키는 신호입력 부분으로 구성되어 있으며, 상기 전류입력부(620)에 의해 입력된 목표값까지 전류가 증가하도록 신호를 주는 전류신호인가부(680) 등이 포함되어 있다.

상기와 같이 테이프 형태의 산화물계 고온초전도 선재로 권선되어진 다수개 의 팬케이크코일로 만들어진 멀티-코일섹션 초전도 마그네트는 특성 평가 및 운전 시, 운전조건이 가장 열악한 조건에서 운전되는 어느 한 코일에서 사고가 발생되게 되며, 이로 인해 이 부분에서 온도가 상승되어 사고가 점차 넓은 영역으로 전파되게 되어 마그네트 전체에 사고가 발생되거나 국부적으로 온도가 급격하게 상승되어, 고온초전도 선재가 소손(burnibg out)되는 것과 같은 코일에 심각한 손상을 일으킬 수 있다. 따라서 이와 같이 어느 코일섹션의 코일에서 가장 먼저 사고가 발생하는가를 탐지하기 위해 상기 컨트롤-모니터링디바이스(500) 및 데이타획득디바이스(600)로부터 실시간적으로 전압-전류 특성 및 임계전류를 측정하도록 하는 것이다.

이와 같이 각 코일섹션의 사고 발생 유무를 실시간적으로 관찰함으로서 고온초전도 마그네트(100)의 운전을 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 사고 발생시에도 사고의 전파 및 지속시간을 최소한으로 줄일 수 있어 고온초전도 마그네트(100)에서 일어날 수 있는 심각한 손상을 방지할 수 있게 된다.

본 발명의 동작 순서는 다음과 같다.

우선, 측정하고자 하는 고온초전도 마그네트(100)에 코일섹션별로 전압탭(300)을 연결하고, 각 코일섹션에 걸리는 전압의 한계치를 상기 섹션전압제한부(610)에 입력한다. 그 다음 상기 전류입력부(620)에서 테스트하고자 하는 목적에 맞게 전류 증가율을 입력하고 측정하고자 하는 전류의 목표치를 입력한다.

데이타획득디바이스(600)의 프로그램을 활성화시키고 DC 전원공급기(P)의 전 류를 고온초전도 마그네트(100)에 공급하도록 전류신호인가부(680)를 다운에서 업으로 위치시킨다. 그러면 전압표시부(670), 전류표시부(660)에서는 각각의 특성 그래프가 표시된다.

만약, 고온초전도 마그네트(100)에서 사고(quench)가 발생하고 코일의 코일섹션에서 섹션전압제한부(610)에서 설정한 전압값을 넘어서게 되면, 회로차단스위치(400)가 전기적으로 오픈되고 팬케이크코일에 저장된 에너지는 보호저항(200)을 통해 열로 소모되게 된다. 사고가 발생되지 않고 목표로 하는 전류값 이내에서 테스트가 끝나면 팬케이크코일에 흐르는 전류의 급격한 변화로 인해 발생할 수 있는 손상을 방지하기 위해 전류감소부(630)를 작동시켜 팬케이크코일에 공급되는 전류를 천천히 감소시켜서 전체 시스템의 동작을 멈추게 된다. 상기 전류입력부(620)에서 전류감소율과 감소시키는 전류의 목표치를 입력하고 스위치를 온에서 제로로 위치시키면 팬케이크코일에 흐르는 전류가 감소하게 되고 흐르는 전류가 0으로 감소하게 되면 프로그램이 동작을 멈추고 고온초전도 마그네트(100)의 테스트가 완료되게 된다.

즉, 본 발명에서는 고온초전도 마그네트(100)의 각 코일섹션에 전압탭(300)을 설치하고, 사용되는 고온초전도 선재 길이, 고온초전도 마그네트(100)에서 특정부위의 고온초전도 선재가 경험하는 자장 값 등을 고려하여 코일섹션별로 적정 전압 상한값을 설정하고, 운전전류의 상승 또는 외부 교란 등으로 유기되는 양단전압을 측정하여, 어떤 임의 코일섹션에서 측정된 전압 값이 설정된 전압상한보다 클 경우는 사고로 판정하여 회로차단스위치(400)가 작동되어 전원공급기(P)로부터 연 결을 끊고, 보호저항(200)으로 연결되도록 하여 고온초전도 마그네트(100)에 저장된 에너지를 열로 방출되도록 하여 고온초전도 마그네트(100)의 사고 발생부에서 온도상승이 더 이상 일어나지 않게 하여 고온초전도 마그네트(100)를 보호하게 되는 것이다.

상기 구성에 의한 본 발명은, 팬케이크코일의 전류-전압특성 및 임계전류를 측정하여 고온초전도 마그네트의 운전전류 및 임계전류(quench current) 측정 등 각종 특성평가를 안전하게 할 수 있고, 고온초전도 마그네트의 운전시 돌발적으로 일어날 수 있는 사고시에도 고온초전도 마그네트를 안정적으로 보호할 수 있을 뿐만 아니라 이에 의해 고가의 고온초전도 선재의 낭비를 막을 수가 있어 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 초전도 선재가 권선된 팬케이크코일로 이루어진 고온초전도 마그네트와;

   상기 팬케이크코일과 병렬로 연결되어, 사고발생시 고온초전도 마그네트에 저장되어 있는 에너지를 저항열로 발생시키는 보호저항과;

   상기 팬케이크코일 양단 및 상기 보호저항 양단의 전압을 측정하기 위해 상기 팬케이크코일 양단 및 보호저항 양단에 각각 전기적으로 연결된 전압탭과;

   상기 팬케이크코일과 직렬로 연결되어, 사고발생시 전원공급기로 흐르는 전류를 차단하고 상기 보호저항으로 전류가 흐르도록 하는 회로차단스위치와;

   상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 모니터링하고 컨트롤하기 위한 컨트롤모니터링디바이스와;

   상기 고온초전도 마그네트의 데이타를 입력하고 수집하기 위한 데이타획득디바이스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 팬케이크코일은,

   다수개가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전압탭은,

   팬케이크코일 양단에 각각 형성되어 코일섹션 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 데이타획득디바이스는,

   고온초전도 마그네트에 사고 발생시 상기 회로차단스위치가 동작되는 전압제한값을 팬케이크코일의 각 코일섹션별로 설정하는 섹션전압제한부와;

   고온초전도 마그네트 특성 테스트시에 전류의 목표값을 소정 증가율로 입력시키는 전류입력부와;

   고온초전도 마그네트 특성평가 후 공급되는 전류를 점차 감소시키는 전류감소부와;

   회로차단스위치에 전원을 인가하는 전원입력부와;

   현재 팬케이크코일에 공급되는 전류값을 표시하는 현재전류표시부와;

   시간에 따른 고온초전도 마그네트 전류의 변화를 표시하는 전류표시부와;

   고온초전도 마그네트 전류 및 시간에 따른 전압의 변화를 표시하는 전압표시부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그네트 특성평가 및 사고 보호 장치.

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