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KR102001972B1 - 초전도 케이블 유닛용 접촉요소 - Google Patents

초전도 케이블 유닛용 접촉요소 Download PDF

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KR102001972B1
KR102001972B1 KR1020120049613A KR20120049613A KR102001972B1 KR 102001972 B1 KR102001972 B1 KR 102001972B1 KR 1020120049613 A KR1020120049613 A KR 1020120049613A KR 20120049613 A KR20120049613 A KR 20120049613A KR 102001972 B1 KR102001972 B1 KR 102001972B1
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plate
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jacket
coolant
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니꼴라 라루에
세바스띠앙 델쁠라스
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넥쌍
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Abstract

본 발명은 전기 접속요소(4A)를 구비한, 냉각제 내에 배치된 초전도 케이블 유닛용 접촉요소(4)로서, 상기 초전도 케이블 유닛에 의해 물리적으로 지지되고 상기 초전도 케이블에 전기적으로 접속되는 전기 전도성 플레이트를 포함하는, 접촉요소에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 상기 플레이트는 열 전도 시케인을 형성하는 관통 슬롯(4E, 4E', 4E")을 포함한다.

Description

초전도 케이블 유닛용 접촉요소{CONTACT ELEMENT INTENDED FOR A SUPERCONDUCTING CABLE UNIT}
본 발명은 중전압 또는 고전압용으로 사용되는 초전도 케이블 유닛용 접촉요소에 관한 것이다.
초전도체 케이블은, 냉각제를 함유하는 열 자켓 내부에서 길이방향 축 주위에 있는 중심 지지 코어와 중성 도체의 스크린층을 포함하고 있는데, 상기 중심 코어는 튜브형태로 이루어져 있으며 또한 냉각제를 함유하고 있고, 보통 세 개의 페이스로 되어 있는 멀티페이스-페이스 케이블의 경우 동심으로 배열된 제1 페이스 내지 N번째 페이스의 초전도층이 있다. 각각의 초전도층 사이에는 유전체층이 있다.
초전도 케이블의 단부에서, 전류와 전압이 극저온 부분으로부터 대기 온도 부분으로 전달되어야만 한다. 이러한 전달이 일어날 때, 열전도에 의해 상당량의 열을 전달해서는 안되며 또한 전류가 흐를 때 줄효과(Joule effect)에 의한 손실이 많이 발생하지 않아야 한다. 또한, 접지 또는 다른 페이스에 연결된 부분 사이에서 전기적인 섬락현상(flashover)이 일어나지 않아야만 한다. 따라서, 열의 변화율과 전류의 영향 및 전기장을 동시에 관리할 필요가 있다.
일반적으로, 일 미터 또는 그 이상의 소정의 길이로 되어 있는 전기 부시는, 전기장을 제어하는 특정장치를 구비하고 있고, 케이블의 단부에 장착되어 있다.
독일특허공보 DE 10 2004　034　494에서는, 전기장을 관리하는 부시(bushing)가 있는 전기 접속요소를 구비한 접촉요소를 기술하고 있다. 부시의 길이 때문에, 부시는 접촉요소가 있는 냉각제의 온도와 부시의 자유단부에서의 대기온도와 사이의 열 변화를 관리하고 있다.
본 발명의 목적은 전기장을 관리하는 길다란 부시가 없어도 케이블로부터 전기 접속요소로 전류가 잘 흐를 수 있게 하면서 초전도 케이블이 내부에 있는 냉각제의 온도와 대기 온도 사이의 온도 변화율(gradient)을 직접 관리할 수 있는 전기 접속요소를 갖는 접촉요소를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전기 접속요소를 구비한, 냉각제 내에 배치된 초전도 케이블 유닛용 접촉요소로서, 상기 초전도 케이블 유닛에 의해 물리적으로 지지되고 상기 초전도 케이블에 전기적으로 접속되는 전기 전도성 플레이트를 포함하는, 접촉요소에 있어서, 상기 플레이트는 열 전도 시케인을 형성하는 관통 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉요소를 제공한다.
바람직한 실시예로서, 상기 플레이트는 원형 디스크이다.
바람직하게, 상기 플레이트는 중심이 같고 직경은 상이한 부분 원의 형태로 되어 있는 슬롯을 둘 이상 포함하고, 상기 슬롯 중 한 슬롯의 단부와 나머지 슬롯의 단부는 상기 중심의 측면에 각각 배치되어 있다.
바람직하게, 상기 플레이트는 중심이 같고 직경은 상이한 부분 원의 형태로 되어 있는 N 개의 슬롯을 포함하고, n번째 슬롯의 단부와 (n+1)번째 슬롯의 단부는 상기 중심의 측면에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
바람직하게, 상기 플레이트는 냉각제가 지나가는 구멍을 갖고 있다.
상기 플레이트는 상기 케이블에 전기적으로 접속되는 내부 링을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 내부 링은 냉각제가 지나가는 구멍을 갖고 있다.
상기 내부 링은 외주부에 가변형 전기 전도성 요소를 구비하고 있고, 상기 전도요소는 상기 전기 접속요소를 갖고 있는 외부 링에 상기 내부 링을 전기적으로 연결시킨다.
상기 가변형 전기 전도성 요소는 다중-접촉 소형 플레이트일 수 있다.
상기 내부 링은 다중-접촉 소형 플레이트에 의해 연결된 두 개의 동심 링으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 열 및 전기를 절연하는 외부 절연 자켓을 포함하고, 상기 외부 절연 자켓은 상기 초전도 케이블을 둘러싸는 초전도 케이블 유닛으로서, 상술한 하나 이상의 접촉요소를 포함하는 초전도 케이블 유닛에 관한 것이다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 케이블은 냉각제를 함유하는 내부 자켓으로 둘러싸여 있다.
바람직하게, 상기 접촉요소는 적어도 상기 외부 절연 자켓에 의해 지지된다.
바람직하게, 상기 내부 자켓은 열 및 전기를 절연하는 절연물질로 이루어져 있다.
상기 외부 자켓과 상기 내부 자켓 사이에는 열 절연 발포물질이 있을 수 있다.
바람직하게, 상기 전기 접속요소는 상기 외부 자켓으로부터 튀어나와 있다.
본 발명에 의하면, 단자 또는 접합 유닛으로서, 매우 간단하면서도, 경제적이고, 구조상 컴팩트하면서 부피가 크지 않은 초전도 케이블 유닛을 만들 수 있다.
첨부된 도면을 참고하여 이하 본 발명에 대해 상세히 설명할 것이며, 이러한 설명은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 접촉요소의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉요소의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 3상 케이블의 단자 유닛의 사시도이다.
도 4는 단자 유닛을 길이방향으로 절단한 단면도를 사시도로 나타낸 도면이다.
도 5는 단자 유닛을 길이방향으로 절단한 구조를 상세히 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 단상 케이블의 단자 유닛의 길이방향 단면도이다.
도 7은 본 발명의 단상 케이블의 접합 유닛의 길이방향 단면도이다.
도 1을 보면, 제1 실시예로서, 러그 형태의 전기 접속요소(4A)를 구비하며, 냉각제 내에 배열된 초전도 케이블 유닛용으로 사용되는 접촉요소(4)가 도시되어 있고, 이 접촉요소는 전도성 플레이트를 포함하며, 전도성 플레이트는 케이블 유닛에 의해 기계적으로 지지되며 케이블에 전기적으로 접속된다.
이 플레이트는 예를 들어 구리로 만들어진 금속 원형 디스크이고, 열전도 시케인(chicane)을 형성하는 관통 슬롯(4E, 4E', 4E")을 포함하고 있는데, 이는 전류가 통하도록 하면서 외부와 내부 사이에서 열전도를 최소화시키기 위해서이다.
이러한 시케인은 또한 전류를 둘로 나눌 수 있다. 이렇게 하면 병렬저항효과(parallel electrical resistance effect)가 있고, 줄효과(Joule effect)로 발생되는 등가의 열 파워에 의해 각각의 시케인은 둘로 나누어진 영역을 가질 수 있고, 따라서 전류는 그 절반만큼이 통과하게 된다. 따라서, 주어진 공간에서, 전류의 궤적을 더 길게 할 수 있고 결국 전도에 의한 열의 변화율을 더 잘 관리할 수 있다.
플레이트는 중심은 같으면서 직경은 상이한 부분 원(portions of circle)으로 이루어진 형태의 슬롯을 둘 이상 포함하고, 제1 슬롯의 단부와 제2 슬롯의 단부는 중심의 각 측면에 배치되어 있다. 각각의 부분 원을 형성하는 영역에 대하여 중심을 기준으로 측정한 각도는 270 보다 더 큰 것이 바람직하다.
이 실시예에 따르면, 플레이트는 세 개의 슬롯을 포함하고 있지만, 일반적으로는 중심은 같으면서 직경은 다른 부분 원을 이루는 형태로 되어 있는 슬롯을 N개 포함할 수 있고, n번째 슬롯의 단부와 (n+1)번째 슬롯의 단부는 중심의 각 측면에 배치되어 있다. 이렇게 함으로써, 기계적으로 매우 안정적인 시케인 시스템을 제조할 수 있다.
시케인의 개수와 크기는 연산 및/또는 모델링 작업을 통해 최적화할 수 있는데, 이러한 작업은 장치의 크기와 전류에 따라 달라진다. 플레이트는 냉각제가 지나가는 구멍(4C)을 구비할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 플레이트는 예를 들어 다중-접촉부에 의해 케이블에 전기적으로 연결되는 중앙 내부 링(4B)을 포함하고 있다. 이 내부 링(4B)은 냉각제가 지나가는 구멍(4C)을 갖고 있다.
이 내부 링(4B)은 주변부에 가변형 전도성 요소를 갖고 있는데, 이 전도성 요소는 다중-접촉 소형 플레이트(4')(platelet)이며, 전기 접속요소(4A)를 갖는 외부 링(4D)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 가변형 전도성 요소를 통해서, 냉각제의 온도에 의해 발생하는 수축변형을 흡수하는 상태에서 전기적인 전도가 이루어질 수 있다.
이 외부 링(4D)은 관통 슬롯(4E, 4E', 4E")을 포함하고 있다.
물리적으로 장착할 수 있도록, 내부 링(4B)은 다중-접촉 소형 플레이트(4F)에 의해 연결된 두 개의 동심 링(4B', 4B")으로 이루어질 수 있다.
도 2를 보면, 본 발명의 제2 실시예를 볼 수 있는데, 플레이트는가 단일 부품으로 이루어져 있어, 내부 링과 외부 링이 없다. 이러한 차이점을 제외하면, 도 2의 접촉요소(4)는 앞에서 설명한 것과 동일하다.
본 발명은 또한 초전도 케이블 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 상기 초전도 케이블을 둘러싸는 외부 열 절연 자켓과, 앞에서 설명한 하나 이상의 접촉요소를 포함하고 있다.
제1 실시예의 장치는 도 3 내지 도 5에서 볼 수 있다.
이 장치는 멀티페이스-페이스(multiphase-phase) 초전도 케이블을 위한 단말 장치이며, 각각의 페이스(phase)에 대하여 원통형 모듈요소(1, 2, 3)를 포함하고 있고, 이 모듈요소는 예를 들어 실리콘 재질의 핀(fin)을 갖는 섬유-강화 에폭시와 같은 유전체 물질로 이루어진 외부 열 절연 자켓을 포함하며, 예를 들어 알루미늄 재질의 금속 단부 플렌지를 갖고 있고, 이 자켓은 냉각제를 함유하는 유전체 물질로 이루어진 내부 자켓에 들어 있는 초전도 케이블 섹션을 포함하고 있다.
상술한 제1 실시예의 각각의 페이스의 접촉요소(4, 5, 6)는 러그 형태의 전기 접속요소(4A, 5A, 6A)를 구비하고 있고 각 모듈요소(1, 2, 3)의 단부에 배치되어 있는데, 전기 접속요소(4A, 5A, 6A)만 모듈요소(1, 2, 3)로부터 튀어 나와 있다.
모듈요소와 접촉요소는 도 3에 도시된 것처럼 겹쳐져 있을 수 있고, 단자는 수직의 또는 모듈형태의 요소일 수 있고, 접촉요소는 서로 나란히 병렬로 배치될 수 있고, 단자는 수평으로 형성될 수 있다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 각각의 실린더형태의 모듈요소(1, 2, 3)는 외부 열 및 전기를 절연하는 절연 자켓(1A, 2A, 3A)을 포함할 수 있고, 이 자켓은 예를 들어 액체질소와 같은 냉각제를 함유하는 내부 자켓(1B, 2B, 3B)에 들어 있는 초전도 케이블(7, 8, 9)의 섹션을 둘러싼다.
내부 자켓(1B, 2B, 3B)은 유전체 물질로 이루어져 있고, 바람직하게는 열 절연 물질, 예를 들면 에폭시 수지의 연속하는 유리직물 라미네이트(glass fabric laminate)와 같은 중합체 물질("G10"이라는 이름으로 알려져 있음)로 이루어져 있고, 열 절연 발포물질, 예를 들어 유리 발포물질(glass foam) 또는 발포 폴리이소시아누레이트(expanded polyisocyanurate)가 내부 자켓(1B, 2B, 3B)과 외부 자켓(1A, 2A, 3A) 사이에 있다.
변형 실시예로서, 내부 자켓(1B, 2B, 3B)과 외부 자켓(1A, 2A, 3A) 사이에 10-1 밀리바(millibar) 미만의 진공이 생성된다.
제3 페이스에 대응하는 상부 접촉요소(6)의 상부에는, 냉각제를 함유하는 내부 커버(10A)와 예를 들어 알루미늄과 같은 금속으로 되어 있는 외부 커버(10B)가 있다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 각각의 접촉요소, 예를 들어 접촉요소(4)는 구리나 알루미늄으로 이루어진 전기 전도성 플레이트로 구성되고, 이 플레이트는 플레이트와 자켓의 대응하는 플렌지를 통과하는 나사(10.1, 10.2)를 이용하여 인접한 모듈요소의 인접한 외부 자켓(1A, 2A)에 의해 물리적으로 지지되며, 또한 플레이트와 자켓의 대응하는 플렌지를 통과하는 나사(11.1, 11.2)를 이용하여 인접하는 모듈요소의 인접하는 내부 자켓(1B, 2B)에 의해 물리적으로 지지된다.
도면에서는 볼 수 없지만, 모듈요소와 접촉요소 사이에 있고 나사(10.1, 10.2, 11.1, 11.2)를 갖고 있는 인터페이스 플렌지에 밀봉부가 구비되어 있다.
제2 실시예의 장치는 도 6에 도시되어 있다. 이 장치는 단일-페이스 초전도 케이블용 단자 유닛이다.
이 단자 유닛은 외부 열 절연 자켓(20)을 포함하고, 이 자켓은 초전도 케이블(21)을 둘러싸는 방사형 핀(fin)을 구비하고 있고, 여기에는 전기장을 제어하는 장치(22)가 있는데, 이 장치는 커패시터 단자일 수 있다. 전기 절연물질로 이루어진 튜브(23)는, 냉각제를 외부 자켓(20) 안으로 주입하는 입구로 사용된다.
이러한 유형의 단자 유닛은 유럽특허문서 EP 2　383　854에서 설명하고 있다.
본 발명에 의하면, 단자 유닛의 단부에서 부피가 크지 않은 접촉부를 형성할 수 있고, 전기 접속요소(4A)만 외부 자켓(20)에서 튀어나와 있다.
앞에서 설명한 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 접촉요소(4)는 케이블(21)의 자유단부에 장착된다. 이 접촉요소는 장치의 외부 자켓(20)에 의해 지지되며, 케이블(21)에 전기적으로 접속된다.
도 7에 제3 실시예의 장치가 도시되어 있다. 이 장치는 단일-페이스 초전도케이블 접합 유닛이다.
두 개의 케이블(30, 31)은 연결장치(32)에 의해 연결된다. 케이블과 연결장치는 냉각제를 함유하고 있는 내부 자켓(33)에 의해 둘러싸여 있고, 이 장치는 외부 절연 자켓(34)을 포함하고 있다.
앞서 설명한 제1 또는 제2 실시예의 하나 이상의 접촉요소(4)는 접지를 위해 케이블(30, 31) 중 하나의 단부에 장착되어 있다. 이 접촉요소(4)는 외부 자켓(34)과 내부 자켓(33)에 의해 지지되며, 대응하는 케이블(30, 31)에 전기적으로 접속되어 있다.
구체적으로 도시되어 있듯이, 접합 유닛은 각 케이블(30, 31)에서 접촉요소(4)를 포함하고 있고, 접지 스크린은 연결장치(32)에 구비되어 있거나 구비되어 있지 않다.
본 발명에 의하면, 접합 유닛의 단부에서 부피가 크기 않은 접촉요소를 얻을 수 있고, 단지 전기 접속요소(4A)만 외부 자켓(20)에서 튀어나와 있다.
내부 자켓(33)은 열 절연물질로 이루어져 있고, 열 절연 발포물질이 내부 자켓(33)과 외부 자켓(34) 사이에 배치되어 있다.

Claims (16)

  1. 전기 접속요소(4A)를 구비한, 냉각제 내에 배치된 초전도 케이블 유닛용 접촉요소(4)로서, 상기 초전도 케이블 유닛에 의해 물리적으로 지지되고 상기 초전도 케이블에 전기적으로 접속되는 전기 전도성 플레이트를 포함하는, 접촉요소에 있어서,
    상기 플레이트는 열 전도 시케인을 형성하는 관통 슬롯(4E, 4E', 4E")을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 원형 디스크인 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 중심이 같고 직경은 상이한 부분 원의 형태로 되어 있는 슬롯(4E, 4E', 4E")을 둘 이상 포함하고, 상기 슬롯 중 한 슬롯의 단부와 나머지 슬롯의 단부는 상기 중심의 측면에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플레이트는 중심이 같고 직경은 상이한 부분 원의 형태로 되어 있는 N 개의 슬롯을 포함하고, n번째 슬롯의 단부와 (n+1)번째 슬롯의 단부는 상기 중심의 측면에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 냉각제가 지나가는 구멍(4C)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 케이블에 전기적으로 접속되는 내부 링(4B)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 링은 냉각제가 지나가는 구멍(4C)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 내부 링(4B)은 외주부에 변형가능한 전기 전도성 요소(4')를 구비하며, 상기 전기 전도성 요소는 냉각제의 온도에 의해 발생하는 수축 변형을 흡수하면서 전기적인 전도가 이루어질 수 있도록 하며, 상기 전기 전도성 요소는 상기 전기 접속요소(4A)를 갖고 있는 외부 링(4D)에 상기 내부 링(4B)을 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 전도성 요소는 다중-접촉 소형 플레이트(4')인 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 내부 링(4B)은 다중-접촉 소형 플레이트에 의해 연결된 두 개의 동심 링(4B', 4B")으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접촉요소.
  11. 열 및 전기를 절연하는 외부 절연 자켓(1A, 2A, 3A, 20, 34)을 포함하고, 상기 외부 절연 자켓은 초전도 케이블(7, 8, 9, 21, 30, 31)을 둘러싸는 초전도 케이블 유닛으로서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하나 이상의 접촉요소(4)를 포함하는 초전도 케이블 유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 케이블(7, 8, 9, 30, 31)은 냉각제를 함유하는 내부 자켓(1B, 2B, 3B, 33)으로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 유닛.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 접촉요소(4)는 적어도 상기 외부 절연 자켓(1A, 2A, 3A, 20, 34)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 유닛.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 내부 자켓(1B, 2B, 3B, 33)은 열 및 전기를 절연하는 절연물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 유닛.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 외부 자켓(1A, 2A, 3A, 20, 34)과 상기 내부 자켓(1B, 2B, 3B, 33) 사이에는 열 절연 발포물질이 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 유닛.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전기 접속요소(4A)만 상기 외부 자켓(1A, 2A, 3A, 20, 34)으로부터 튀어나와 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 유닛.
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