KR102371185B1 - 초전도 케이블 단말장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블 단말장치에 관한 것으로, 상온에 배치되는 전류리드 및 극저온의 냉매조에 배치되는 초전도 케이블 간의 접속을 위한 초전도 케이블 단말장치에 있어서, 상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 포함하고 상호간에 연결되어 형성되는 연결부와; 상기 연결부 외부에 형성되는 고체절연부싱; 그리고, 상기 고체절연부싱의 외측에서 내측으로 연결형성되어 고전압절연 패스를 형성시키고, 상기 연결부를 냉각시키는 냉매가 공급되어 열교환에 의해 냉각시킴에 의해 연결부측에 열평형부를 형성시키는 냉매순환로;를 포함하여 구성되는 초전도 케이블 단말장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 전류리드를 강제 냉각시키는 냉매순환로와, 고정된 열평형점 역할을 하는 연결부가 절연부싱측 내에 포함되고, 초전도케이블 연결부가 고체절연구조로 보강됨에 의해 초전도 케이블 단말장치의 전체적인 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 초전도케이블을 기존 상용 제품과 같이 직선으로 직접 연결할 수 있기 때문에 형태면에서 손쉽게 기존 설비를 대체할 수 있어 실계통 사용 및 상품화에 획기적인 전기를 만들 수 있는 이점이 있다.

Description

초전도 케이블 단말장치{Terminal device for superconducting cable}

본 발명은 초전도 케이블 단말장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전류리드를 강제 냉각시키는 냉매순환로와, 열 평형점 역할을 하는 연결부가 절연부싱 내부에 포함되어 절연 및 냉각이 동시에 이루어짐에 의해 전체적인 부피가 감소된 초전도 케이블 단말장치에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 케이블 단말장치는 도체로 이루어진 일반 가공 송전선 또는 GIS, 변압기 등과 같은 전력기기와 초전도 케이블(superconducting cable)을 연결하는 장치를 말한다. 즉, 극저온에서 전력을 전송하는 초전도 케이블을 상온 상태인 가공 송전선과 연결하거나 차단기, 변압기와 같은 전력 기기와 연결하기 위한 접속 장치이다. 이러한 단말장치는 상온상태의 전류회로를 액체 질소 또는 액체 헬륨 온도상태의 초전도회로에 연결하면서 발생하는 전기적, 기계적, 열적 문제를 해결해야 하는 종합적인 시스템이다.

이러한 단말장치에 대한 기술들은 다양하게 존재하며, 대한민국특허청 등록특허공보 제10-508710호에 "초전도 케이블용 단말구조"가 소개되어 있다. 상기 종래기술은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 절연유(334)가 충진된 상온부(330)와, 상온부(330)와 고정플랜지(230) 결합되고 전류리드부(350)를 구비하며 진공상태인 극저온부(220)로 이루어진 초전도 케이블용 단말구조에 있어서, 상온부(330)와 극저온부(220)의 결합부위 내부에는 상기 전류리드부(350)에 집중되는 전계를 완화하고, 상온부(330)와 극저온부(220) 사이의 기밀을 유지하기 위한 경계부(400)가 형성된다.

그리고, 상기 경계부(400)는 상온부(330)에 삽설된 상부도체(340)와 극저온부(220)에 삽설된 하부도체(240)를 연결하는 금속도체봉(410)과, 상기 상온부(330)와 극저온부(220)와 함께 플랜지 결합되며 금속도체봉(410)을 감싸면서 그 양끝단이 라운드로 형성된 매입전극(420), 및 상기 금속도체봉(410) 및 매입전극(420)과 함께 사출 성형되는 절연재(430)로 형성된다.

그러나 상기 종래기술은 상기 경계부의 매질을 특정하지 않고 있으나 상하부 고체절연부싱의 말단이 표면절연구조를 갖는 것을 미루어 진공 또는 기체를 채우는 구조로 이해 되는바, 이러한 구조에서는 상부고체절연부싱의 하부 표면절연 구조와 하부고체절연부싱의 상부 표면절연구조를 전기 절연특성확보를 위해 필수적으로 가져야 한다. 이러한 구조는 운용면에서는 기체-액체 계면이 접지면에 위치함으로서 기포 등 기체-액체 계면 유동에 의한 절연특성 약화를 피할 수 있다는 장점은 있다. 그러나 이러한 종래의 발명 또는 제작된 초전도단말은 내부 구조적으로 전기절연특성과 냉각기능을 동시에 추구하고자 2 또는 4개의 표면절연 또는 계면절연 구조를 가져야 하기 때문에 전체적으로 부피가 커지며, 초전도 도체가 존재하는 초전도케이블 말단부를 극저온상태로 안정되게 유지시키기 위해 고전압이 인가되는 여러 부분에서 중심 도체를 냉매에 직접 노출시켜야 하는 구조이다. 이러한 원인으로 최종 제작된 초전도 단말은 형태 및 크기 면에서 기존 송전선로의 철탑이나 변전소 연결부에 직접 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.

다른 종래기술로는 대한민국특허청 등록특허공보 제10-0590200호 "초전도케이블용 단말장치"가 소개되어 있다.

상기 종래기술은 도3 또는 도4에 도시된다.

도3에서 상부의 상온부(10), 하부의 극저온부(20), 및 상온부(10)와 극저온부의 내부를 관통하는 전류도입선(30)으로 구성된다.

상온부(10)는 외부의 상전도케이블에 연결되는 전류도입선(30)이 도입되는 부분으로, 내부를 관통하는 고전압의 전류도입선(30)을 외부로부터 절연시키기 위하여 내부에는 절연유 또는 절연가스(11)가 충진되어 있으며, 외부는 애자(12)가 형성되어 있다.

극저온부(20)는 상온부(10)의 하부에 위치하며, 내벽(23)과 외벽(22)사이에 진공층이 유지되는 진공용기(21)로 구성되고, 내부에는 액체질소가 주입되어 순환하는 제 1 액체질소층(24)이 형성되어 있고, 제 1 액체질소층(24) 상부에는 전류도입선을 통해 유입되는 열에 의하여 액체가 기화하여 형성되는 기체질소층(25)이 형성된다. 이때, 제 1 액체질소층(24)은 초전도케이블(1)을 냉각하기 위한 제 2 액체질소층(29)과 구분되도록 격벽(26)이 설치된다. 그리고 액체질소 주입구(27) 및 액체질소 유출구(27')가 형성된다.

상기 종래기술은 기체질소층(25) 자체의 대류에 의해서 추가적으로 제 1 액체질소층(24)에 열손실이 발생하여 초전도케이블용 단말장치의 냉각부하가 증가하는 문제점이 있다.

다른 종래기술인 도4에는 기체질소층(25)이 형성되는 구간에는 기체질소의 대류를 감소하는 대류방해판(40)이 설치된 구성이다.

그러나 상기 종래의 초전도 케이블용 단말장치는, 절연특성이 취약한 기체-액체 계면을 안전하게 유지해야 할 필요성이 있으며, 상부 가스구간의 대류현상 억제와 상관없이 고압이 인가되는 도체 노출부를 기체와 액체 또는 기체/액체 계면에서 절연상태로 유지하기 위해서, 통상 두 개의 절연부싱 구조가 필요하다. 또한 기체/액체 계면이 열 침입양이나 도체 발열량 등에 의해 가변하기 때문에 절연성능을 지속적으로 확보하기 위해 액면이 가변될 수 있는 상당한 구간이 확보되어야 한다.

특히, 도 4의 경우는 기체-액체 계면의 안정성을 향상시키기 위해 기체부의 대류현상을 최소화하는 구조로 여러 개의 격벽을 설치하여 기체의 대류를 막고 있으나, 도3 및 도4와 같이, 어떤 경우든 가변되는 기체-액체 계면을 절연구조로서 사용하는 경우는 계면을 따른 절연특성이 낮아지기 때문에 외함의 직경도 커지고 열침입량에 따른 안정도도 만족할 만한 수준이 아니라는 문제점이 있다.

또 다른 종래기술로는 미국특허청 공개특허공보 US2014/0243206 A1(2014년 8월 28일 공개)호에 구리도체의 외표면에 고전압부싱을 형성시키고, 구리 도체와 초전도케이블을 진공내에서 전기적으로 연결시키는 연결부를 형성시키고, 구리 도체는 외부의 헬륨 냉동기를 이용하여 열교환시킴에 의해 구리도체의 단말, 초전도체 케이블의 단말 및 이의 연결부를 냉각시키는 구조가 소개되어 있으나, 이는 절연구조 및 냉각구조를 따로 형성시킴에 의해 이 또한 부피가 커지게 되어 기존 송전선로의 철탑이나 변전소 연결부에 직접 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.

대한민국특허청 등록특허 제10-0590200호 대한민국특허청 등록특허 제10-0508710호 미국특허청 공개특허공보 US2014/0243206 A1호

본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전류리드와 초전도 케이블을 연결하는 연결부를 감싸는 절연부싱내로 냉매 순환로를 형성시키고, 냉매를 순환시키는 방법으로 연결부를 냉각시켜 열 평형점 역할을 하는 연결부를 절연부싱 내부에 포함 시켜 절연 및 냉각이 동시에 이루어짐에 의해 전체적인 부피가 감소된 초전도 케이블 단말장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상온에 배치되는 전류리드 및 극저온의 냉매조에 배치되는 초전도 케이블 간의 접속을 위한 초전도 케이블 단말장치에 있어서, 상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 포함하고 상호간에 연결되어 형성되는 연결부와; 상기 연결부 외부에 형성되며, 하부에 상기 초전도 케이블과 전류리드를 연결하는 부분을 감싸도록 보강절연체가 형성되는 고체절연부싱; 그리고, 상기 고체절연부싱의 일측 외벽에서 상기 연결부를 지나며 타측 내벽으로 관통 연결된 고전압절연 패스에 상기 연결부를 냉각시키는 냉매를 공급시켜, 상기 연결부를 열교환에 의해 냉각시킴에 따라 연결부측에 열평형부를 형성시키는 냉매순환로;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치를 기술적 요지로 한다.

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상기 냉매순환로는, 상기 고체절연부싱에 형성되며, 상기 고체절연부싱 내로 냉매가 유입되는 냉매유입순환로와; 상기 냉매유입순환로와 대응하여 상기 고체절연부싱에 형성되며 유입된 냉매를 상기 냉매조 또는 외부로 배출되도록 상기 냉매조 또는 유출구와 연결된 냉매배출순환로와; 상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로 사이에서 상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로를 연결하며, 상기 전류리드의 외부 또는 상기 전류리드를 관통하여 형성되어 상기 연결부를 냉각시키는 전류리드냉각순환로를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로는 상기 고체절연부싱 외표면으로부터 중심으로 향하도록 지그재그(zigzag) 형상으로 관통되는 것이 바람직하다.

상기 전류리드냉각순환로는 상기 전류리드의 축선을 따라 나선상으로 구부러진 코일 형상으로 관통되는 것이 바람직하다.

상기 전류리드는, 외부의 외부 연결단자와 연결되는 상온전류리드와; 상기 상온전류리드와 결합되고, 하부로 연장 형성되는 상부전류리드와; 일단은 상기 상부전류리드와 연결되고, 타단은 상기 초전도 케이블과 결합되는 하부전류리드;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 하부전류리드는 상기 상부전류리드를 향해 돌출된 제1플랜지가 형성되며, 상기 상부전류리드가 상기 제1플랜지와 끼움결합되는 것이 바람직하다.

상기 제1플랜지와 접촉하는 상기 상부전류리드의 접촉면을 관통하도록 형성되고, 상기 전류리드를 냉각하는 냉매가 순환되는 전류리드냉각순환로를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 전류리드냉각순환로는 반원 형상의 단면을 갖는 것이 바람직하다.

상기 전류리드에는, 상기 초전도케이블이 연결됨에 따라 발생하는 하중을 지지하고, 극저온 냉각에 따른 고체절연부싱 내에서 발생하는 기계적 스트레스를 최소화하기 위해 전류리드 상에 돌출 또는 함몰되게 고정부가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블은 길이방향을 따라 서로 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 고체절연부싱 및 보강절연체는 에폭시, PPLP(Polypropylene laminated paper) 및 이의 혼합으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 냉매는 액체 질소 또는 액체 헬륨인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

상기 보강절연체의 하부에는 상기 보강절연체를 감싸도록 밀대가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 냉매조에는 일측은 냉매조 하부에 결합되고, 타측은 상기 밀대의 하부에 접촉되어 탄성력에 의해 상기 밀대를 지지하는 스프링이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 냉매조에는 초전도 케이블이 냉매조의 하측으로 인입되어 설치되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 전류리드를 강제 냉각시키는 냉매순환로와, 고정된 열평형점 역할을 하는 연결부가 절연부싱측 내에 포함되고, 초전도케이블 연결부가 고체절연구조로 보강됨에 의해 초전도 케이블 단말장치의 전체적인 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 초전도케이블을 기존 상용 제품과 같이 직선으로 직접 연결할 수 있기 때문에 형태면에서 손쉽게 기존 설비를 대체할 수 있어 실계통 사용 및 상품화에 획기적인 전기를 만들 수 있는 이점이 있다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 전류리드를 강제 냉각시키는 냉매순환로와, 고정된 열평형점 역할을 하는 연결부가 절연부싱 내에 포함되고, 초전도케이블 연결부가 고체절연구조로 보강됨에 의해 초전도 케이블 단말장치의 전체적인 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있다.

그리고, 초전도케이블을 기존 상용 제품과 같이 단말과 직선으로 직접 연결할 수 있기 때문에 형태면에서 손쉽게 기존 설비를 대체할 수 있어 실계통 사용 및 상품화에 획기적인 전기를 만들 수 있다.

또한, 냉매조의 기체공간을 없애므로써, 부피가 축소되더라도 절연특성이 개선되어 안정적인 운전이 가능하다는 효과가 있다.

도 1은 종래에 따른 초전도 케이블용 단말구조의 단면도이고,
도 2는 도1의 요부확대도이고,
도 3은 다른 종래기술에 따른 케이블용 단말장치의 단면도이고,
도 4는 도3의 기체질소층에 대류방해판이 설치된 형상을 나타낸 도이고,
도 5는 본 발명에 따른 초전도 케이블 단말장치의 단면도이고,
도 6은 도5의 요부 확대도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

상기의 종래기술에서도 살펴본 바와 같이, 상기 기존 시스템의 문제점을 종합하면 초전도케이블이 안정적으로 동작 가능하도록 냉각특성을 확보하기 위해 상온부와의 열 구배를 확보하면서, 전기절연특성을 동시에 확보하기 위한 것이다. 여기서 열구배의 역할은 외부 상온으로부터 침입하는 열과 전류흐름으로 인해 발생하는 열 등을 강제로 냉각시켜 초전도케이블 도체를 초전도현상이 유지되는 온도로 안정화시키기 위한 것이다. 쉽게 표현하면 외부침입 열과 동 전류리드에서 발생하는 열을 연속적으로 제거해주어야 한다는 의미이다. 이러한 기능을 확보하기 위해 초전도케이블 도체를 액체질소 내에 노출시키고 상부에서 연결되는 동 전류리드의 하단부도 액체질소 내에 노출시키면서 연결하여 외부침입 열과 동 도체 발생 열을 액체질소로 냉각시켜 주는 구조로서 각 노출 도체에 고전압이 인가되므로 필수적인 절연구조를 추가하는 것이다.

이러한 기존시스템의 문제점은 상온과 연결된 동 도체의 일정구간을 액체질소 내에 노출시키는 구조가 절연계면으로 인해 길어지기 때문에 발생한다. 따라서 냉각을 위한 도체 열 교환 부분을 절연계면을 확보한 고체절연부싱 내에 포함시킬 수 있다면 2~4곳의 취약 절연계면을 한 곳으로 줄일 수 있다는 가능성을 평가하였다.

최초에는 열적 냉각포인트(point)를 설계하지 않고 전체를 고체절연체로 감싸는 구조를 고려하였다. 이러한 경우 초전도케이블 연결부 상당한 구간이 초전도현상을 유지하지 못하는 문제점이 발생하여 적용이 불가한 것으로 평가되었다.

다음으로 초전도케이블이 전체적으로 초전도현상 유지하기 위해 초전도케이블 앞에서 강제 냉각부를 설계하는 구조를 검토하였다. 동 도체의 일정부분에서 강제로 열을 배출할 수 있기 위해서는 냉각매질로 사용되는 액체질소를 흘릴 수 있는 구조이어야 했고, 액체질소가 흐르는 부분은 액체-고체 계면이 발생하여 취약한 절연특성을 나타내는 기존의 문제점이 그대로 나타났다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 액체-고체 계면의 전기절연 특성을 평가하여 에폭시로 성형되는 부싱 내에 굴곡진 액체질소 경로를 확보하는 구조를 설계하였다. 액체-고체 계면은 반드시 직선으로 연결되어야 하는 것이 아니며 접히거나 꺾여 있어도 절연특성 면에서 감소요인이 추가로 발생하지는 않는다. 단, 도체로부터 접지 면까지 연결되는 전계방향에 평행하는 면은 단위길이 당 인가전계가 절연특성보다 커지기 때문에 가급적 피해야 할 필요가 있다. 전계와 평행부분이 적은 부분이어서 발생하는 부분적인 방전현상이 전체 방전으로 연결되지는 않는다 하여도 장기적으로 고체절연체 내 또는 표면에서 방전현상이 발생하면 절연물의 지속적인 손상을 유발함으로써 수명이 단축될 우려가 있어 문제가 될 수 있다. 이러한 부분을 회피하기 위해 기존 단말구조에서도 전계방향에 가급적 평행하지 않는 절연면을 설계하는 것이다. 그러나 평행하지 않는 절연 면이 접혀 있다면 각 면의 절연특성은 안정적일 수 있다. 이러한 점에 착안하여 에폭시 부싱 내에 액체질소가 흘러갈 수 있는 절연통로를 설계하였다. 이런 구조에서는 외부에서 보이는 상온 기중부싱에 초전도케이블이 직접 직선으로 연결될 수 있기 때문에 기존 상온단말구조를 대치할 가능성이 확보된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예 구조는 대체적으로, 상온에 배치되는 전류리드 및 극저온에 배치되는 초전도 케이블 간의 접속을 위한 초전도 케이블 단말장치에 있어서, (1)상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 연결하는 연결부를 내부에 포함하며 상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 연결할 수 있도록 형성된 고체절연부싱과; (2) 초전도케이블이 직접 연결되어 기계적 하중이 가해지는 상기 전류리드가 온도변화에 따른 기밀성 및 기계적 내 하중특성을 확보하게하기 위해 중간 일정부분에 돌출 또는 함몰 및 접착처리부분을 확보한 고정부 구조와, (3)상기 고체절연부싱 및 상기 전류리드를 관통하며 상기 전류리드의 냉각을 위한 냉매가 순환되는 냉매순환로와; (4)상기 냉매순환로를 통과한 냉매가 외부로부터 침입되거나 전류리드로부터 발생하는 열량을 유효하게 냉각시키는 절연부싱 내 전류리드 상에 위치한 열평형부; (5)상기 냉매순환로와 열평형부를 통과한 냉매가 유입되어 상기 초전도 케이블의 냉각상태를 유지시키도록 상기 초전도 케이블이 내부에 배치된 냉매조; (6)초전도케이블의 말단 도체부가 냉매에 직접 노출되지 않음으로서 연결부의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 보강절연체, (7)보강절연체의 이동 또는 변형을 방지하기 위한 밀대를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치에 의해 달성된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하며 본 발명은 본 발명의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블 단말장치(100)는, 상온에 배치되어 외부의 장치들과 연결되는 전류리드(200) 및 극저온에 배치되어 초전도체 역할을 하는 초전도 케이블(300)이 상호 접속되어 연결되는 연결부(J)의 접속을 위한 것으로, 연결부는 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)을 포함하는 구성이며, 이러한 단말장치는, 전류리드(200), 초전도 케이블(300), 고체절연부싱(400), 냉매순환로(500), 냉매조(600), 보강절연체(410), 밀대(700) 및 스프링(800)를 포함한다.

여기서 전류리드(200)는 통전이 가능한 소재면 어떠한 것이든 가능하나, 그 중 구리(Cu), 구리합금(Cu alloy), 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(Al alloy)인 것이 바람직하다. 초전도 케이블(300)은 액체 질소 분위기 하에서 초전도 현상을 나타낼 수 있는 고온초전도 케이블이 바람직하지만 이를 한정하지는 않는다.

본 발명의 전류리드(200)는 상온절연가스(211)가 충전되고 외부에 상온부싱(212)이 형성된 상온부(R)에 설치되며, 전류리드(200)는 외부연결단자(201)와 연결된다.

본 발명의 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)은 직선방향 또는 길이방향을 따라 서로 평행하도록 배치된다. 혹은 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)이 평행하지 않더라도 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)이 결합된 상태의 각도를 자유롭게 할 수 있게 된다.

종래의 초전도 케이블 단말장치의 경우, 외부로부터 전류리드로 전류가 유입되면서 줄열(Joule's heat)이 발생하게 되는데, 전류리드와 초전도 케이블이 연결된 지점은 초전도케이블이 안정적인 극저온상태를 유지하기 위해 안정적인 온도를 유지하는 열평형점(thermal equilibrium)이 되어야 한다. 따라서 열평형이 되도록 전류리드에 의해 발생 또는 전류리드를 통해 침입한 줄열을 냉각하여야 하는데, 줄열을 냉각하기 위해 전류리드 일부가 냉매에 의해 냉각되도록 하는 구조로 이루어져야 할 필요가 있다. 또한 초전도 케이블의 경우에도 저온에서 냉각된 상태로 존재하여야 하기 때문에 냉매에 함침되어 있어야 한다. 따라서 전류리드의 일부와 초전도 케이블을 냉매에 함침되도록 하기 위해 냉매조는 전체적으로 부피가 크게 형성되어 있다. 특히 종래의 초전도 케이블 단말장치의 경우 전류리드의 줄열이 초전도 케이블에 영향을 미치지 않도록 대략 90°의 각도로 열전달이 적도록 서로 결합시키며, 90°로 결합되어 있기 때문에 추가적인 절연체의 설치도 어렵고, 전체먹인 단말구조가 'L'자 형태를 갖게 되어 'I' 형태인 기존의 송전선로 단말장치와 다른 형태가 되며 설치 면적이 넓어지게 된다.

따라서 본 발명과 같이 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)을 직선으로 배치하거나, 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)이 결합된 상태의 각도가 20°이하가 되도록 초전도 케이블 단말장치(100)를 형성하게 되면 열평형점의 위치를 이동하고 현장접속과정에서 추가적인 보강절연체를 설치하여 전체적인 부피 및 설치면적을 줄일 수 있다. 만약 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)의 각도가 20°를 초과하게 될 경우 외관형태가 'L'자 형태가 됨으로써 설치면적이 넓어져 본 발명의 효과가 저감된다. 단 초전도케이블 단말의 설치공간이 'L'자 형태를 가지고 있어 직각에 가까운 결합상태를 가지는 경우에도 어느 정도 부피가 커지기는 하지만 열평형점을 이동시키고 고체절연체를 직각 부분에 추가하면 기존 초전도단말보다는 부피를 줄일 수 있다.

고체절연부싱(400)은, 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)을 연결하는 연결부(J)를 내부에 포함하며, 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)이 절연되도록 보강절연체(410)와 결합하여 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)을 감싸도록 형성된다. 본 발명에서는 고체절연부싱(400)은 전류리드(200)를 감싸도록 형성시키고 고체절연부싱(400)의 하측에는, 상기 초전도 케이블(300)과 전류리드(200)를 연결하는 부분에는 상기 고체절연부싱(400)과 별도로 연결부분을 감싸도록 보강절연체(410)가 형성된다. 여기서 상기 보강절연체(410)는 냉매조(600)에서 액체질소에 노출된 가능성이 있는 초전도 케이블(300)의 단부가 액체질소에 직접 노출되지 않도록 초전도 케이블(300)의 단부를 감싸는 역할을 하게 된다.

상기 고체절연부싱(400)은 전류리드(200)의 절연을 위해 형성된 것으로, 절연뿐만 아니라 외부의 충격으로부터 전류리드(200)를 보호하기 위해서도 존재한다. 이러한 고체절연부싱(400)은 전류리드(200)를 감싸는 기둥형상으로 이루어지며, 전류리드(200)의 양단부와 가까워질수록 점진적으로 직경이 감소하도록 형성된다. 고체절연부싱(400)은 에폭시(Epoxy), PPLP(Polypropylene laminated paper) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있는데, 냉매순환로(500)가 형성되는 부분은 사전에 제작된 고형재료인 에폭시로 이루어지는 것이 더 바람직하다.

보강절연체(410)는 초전도 케이블(300)과 전류리드(200)의 연결되는 부분의 절연을 위해 형성된 것으로, 초전도 케이블(300)의 단말뿐만 아니라 전류리드(200) 주위를 감싸도록 형성된다. 고체절연부싱(400)은 일부가 외부에 노출되어 있는 반면 보강절연체(410)은 냉매가 담긴 냉매조(600) 내에 배치된다. 보강절연체(410)는 전류리드(200)를 감싸고 있는 고체절연부싱(400)의 단부부터 냉매에 담긴 초전도 케이블(300)까지 둘러싸도록 배치된다. 보강절연체(410)는 고체절연부싱(400)과 마찬가지로 단부로 갈수록 점진적으로 직경이 감소하도록 형성된다. 이에 의해 초전도 케이블(300)의 단부만 보강절연체(410)에 의해 감싸여지며, 초전도 케이블(300)의 단부를 제외한 영역은 보강절연체(410)가 존재하지 않는 채로 냉매조(600) 내의 냉매와 접촉하게 된다. 이러한 보강절연체(410)는 상기에서 설명한 바와 같이, 절연의 목적뿐만 아니라, 초전도 케이블(300)의 단부가 액체 질소에 직접 노출되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.

여기서 보강절연체(410)는 에폭시(Epoxy), PPLP(Polypropylene laminated paper) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있는데, 그 중 PPLP를 이용하여 형성되는 것이 바람직하며, PPLP를 한 장씩 순차적으로 적층하여 일정 부피를 가지도록 형성한다.

본 발명은 냉매조(600)에 의해 부피가 큰 초전도 케이블 단말장치(100)에서 냉매조(600)등의 부피를 감소시키기 위해 전류리드(200) 냉각을 위한 냉매순환로(500)를 포함한다.

상기 냉매순환로(500)는 고체절연부싱(400)에서 전류리드(200)를 향해 관통하여 전류리드(200)의 냉각을 위해 냉매가 순환되는 통로를 의미한다. 여기서 고체절연부싱(400)은 전류리드(200)를 감싸고 있으며 이러한 고체절연부싱(400)에 냉매순환로(500)가 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 냉매순환로(500)를 통해 전류리드(200)를 냉매조(600)에서 뿐만 아니라 냉매조(600)에 담궈지지 않은 전류리드(200) 영역을 개별적으로 강제 냉각시킬 수 있다.

냉매순환로(500)는 냉매유입순환로(510), 냉매배출순환로(520) 및 전류리드냉각순환로(530)로 이루어진다. 냉매유입순환로(510)는 고체절연부싱(400)에 형성되며 고체절연부싱(400) 내로 냉매가 유입되는 통로이다.

이러한 냉매유입순환로(510)에는 외부에서 냉매가 유입되는 유입구(511)가 형성되어 있으며, 냉매유입순환로(510)는 고체절연부싱(400)의 외표면으로부터 중심에 배치된 전류리드(200)를 향하도록 관통되어 있는데, 이때 일직선으로 관통되지 않고 지그재그(zigzag) 형상으로 관통되어 냉매가 유입된다. 이때 지그재그 형상은 통로 사이의 각이 10 내지 30°가 되도록 형성한다. 냉매유입순환로(510)의 지그재그 형상 각도가 10°미만일 경우 통로끼리 거리가 가까워 크랙이 발생할 수 있으며, 30°를 초과할 경우 지그재그 형상의 거리가 짧아 냉매유입순환로(510) 전체의 거리가 짧아지게 된다.

외부에서 유입된 냉매는 냉매유입순환로(510)를 지나 전류리드냉각순환로(530)로 유입된다. 전류리드냉각순환로(530)는 냉매유입순환로(510) 및 냉매배출순환로(520) 사이에서 냉매유입순환로(510)와 냉매배출순환로(520)를 연결하는 역할을 한다. 이러한 전류리드냉각순환로(530)는 전류리드(200)를 냉각하기 위해 전류리드(200)를 관통하여 형성되며 단면상 원형 또는 반원형 형태를 가진다. 이때 전류리드냉각순환로(530)는 전류리드(200)의 축선을 따라 나선상으로 구부러진 코일 형상인 것이 바람직하다. 코일 형상으로 전류리드냉각순환로(530)가 관통되면 전류리드(200)가 냉매와의 접촉 면적이 증가하게 되고, 이로 인해 전류리드(200)의 냉각을 효과적으로 수행할 수 있다.

특히, 전류리드(200)의 축선을 따라 나선상으로 이루어져 있기 때문에 일면만 냉각을 하는 것이 아니라, 전류리드(200)의 직경을 따라 전면에 냉각을 수행하기 때문에 냉각이 효율적이다. 전류리드(200)를 관통하는 전류리드냉각순환로(530)는 전류리드(200)의 중심으로부터 최외곽에 형성되는 것보다는 중심과 최외곽 사이의 영역에 관통 형성되는 것이 냉각 효율에 있어서는 바람직하다. 전류리드(200)의 최외곽 영역에 전류리드냉각순환로(530)가 형성될 경우 최외곽 영역은 냉각이 원활히 이루어지지만, 중앙영역으로 갈수록 냉매와 멀어져 냉각이 원활히 이루어지지 않을 수 있다.

전류리드냉각순환로(530)를 통해 전류리드(200)를 냉각시킨 냉매는 냉매배출순환로(520)를 지나게 되고 냉매배출순환로(520)의 단부에 형성된 유출구(521)를 통하여 외부로 배출되거나 또는 냉매조유입로(610)를 따라 냉매조(600)로 유입된다. 전류리드(210)에 침입하는 열과 발생하는 열이 많아서 초전도케이블(300)의 안정적인 상태를 유지하는 데 부담이 된다면 초전도케이블(300)의 안정적인 운전을 위한 냉매유입구(511), 냉매유입순환로(510), 전류리드냉각순환로(530), 냉매배출순환로(520), 냉매유출구(521)로 구성되는 별도의 단말냉각경로를 설치할 수 있다. 냉매배출순환로(520)는 냉매유입순환로(510)와 대응하여 고체절연부싱(400)에 형성되며, 냉매배출순환로(520)는 냉매유입순환로(510)와 마찬가지로 외표면에서 중심을 향하도록 지그재그(zigzag) 형상으로 관통된다.

이와 같이 냉매순환로(500)를 통해 전류리드(200)를 냉각시킨 냉매는 냉매순환로(500)를 지나 상기 냉매조(600)와 보강절연체(410) 사이에 형성된 냉매조 유입로(610)를 통하여 냉매조(600)로 유입된다.

냉매조(600)의 내부에는 고체절연부싱(400)의 단부, 초전도 케이블(300), 보강절연체(410), 밀대(700) 및 스프링(800)이 배치되어 있으며, 이들은 냉매조(600)로 유입되는 냉매를 통해 냉각된다. 냉매순환로(500)를 지나 유입되는 냉매는 냉매순환로(500) 구조에 의해 기화되지 않고 액체 상태 그대로 냉매조(600)로 유입되며, 이를 통해 내부의 초전도 케이블(300)을 무리 없이 냉각할 수 있다.

본 발명의 냉매조(600)는 초전도 케이블 단말장치(100)의 부피가 최소화되도록 고체절연부싱(400)과 같은 또는 유사한 직경을 가지도록 형성된다. 종래의 냉매조는 줄열에 의해 가열된 전류리드를 냉각하기 위해 부피가 큰 냉매조를 포함하고 있었지만, 본 발명의 경우 전류리드(200)를 강제로 냉각하는 냉매순환로(500)가 별도로 형성되어 있기 때문에 냉매조(600) 내로 유입되는 전류리드(200)의 온도가 높지 않으며 이로 인해 냉매조(600)의 부피가 크지 않아도 된다. 전류리드(200)는 전류에 의해 전 구간에 줄열이 발생하게 되는데, 전류리드(200)의 중간 영역에 냉매순환로(500)를 설치하게 되면 냉각되는 전류리드(200)의 온도가 전류리드(200) 전 영역에 영향을 미치게 된다. 즉, 전류리드(200)를 중앙 영역에서 냉각하더라도 초전도 케이블(300)과 가까워지는 단부까지도 냉각되어 초전도 케이블(300)과 열평형이 가능해진다. 이러한 냉매조(600)는 강도가 우수한 스테인레스 스틸(stainless steel) 등의 금속으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 보강절연체(410)의 하부에는 상기 연결부(J)와, 연결부(J)를 둘러싼 고체절연부싱(400)과, 보강절연체(410)를 지지하기 위하여, 상기 전류리드(200)의 단부와 초전도 케이블(300)의 연결부분을 감싸는 형태인 상기 보강절연체(410)의 하부와 접촉되어 밀대(700)가 형성된다. 상기 밀대(700)는 에프알피 재질 등으로 구성되어 상기 보강절연체(410)를 받치는 역할을 하여 보강절연체(410)와 고체절연부싱(400)이 상호간에 밀접하게 접촉되도록 한다.

상기 밀대(700)의 하부에는 상기 밀대(700)를 하측에서 지지하는 탄성체인 스프링(800)이 냉매조의 하부면을 따라 다수개 형성된다. 상기 스프링(800)은 하부지지체는 냉매조(600)의 하부면이 되고 상부지지체는 상기 밀대(700)의 하부면이 되도록 상기 냉매조(600) 내부에 설치되어 상기 밀대(700)의 하부면을 탄성 지지한다.

상기 스프링은 초전도 케이블(300), 전류리드(200), 고체절연부싱(400), 보강절연체(410) 등이 일정한 위치에 유지되도록 함과 동시에 중력에 의해 아래로 쳐지는 현상을 방지하게 된다.

통상, 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)은 상온에서 조립한 후 냉매를 통해 냉각시키게 되는데, 상온에서 조립한 전류리드(200) 및 초전도 케이블(300)이 최소 200℃ 이상 차이가 나도록 냉각되면 모든 구조물의 부피가 줄어들게 된다. 이 경우 변형에 대한 설계가 가능한 금속으로만 이루어지기 때문에 기계적으로 강하게 결합된 전류리드(200)와 초전도케이블(300), 냉매조 등은 기계적인 결합력이 유지될 수 있으나 포설현장에서 추가적으로 제작되는 보강절연체(410)와는 기계적인 접촉력이 떨어질 수 있고 보강절연체(410) 자체의 구성이 느슨해질 경우도 예상된다. 이를 위해 밀대(700)과 스프링(800)을 설치한다.

상온전류리드(202)는 초전도 케이블 단말장치(100)의 상온부(R)에 형성되고, 외부연결단자(201)과 연결된다.

상부전류리드(210)는 고체절연부싱(400) 외부로 연장되는 전류리드를 말하고 상부전류리드(210)는 상온전류리드(202)와 연결되며, 하부전류리드(220)는 상부전류리드(210)와 동일한 축선을 따라 일단은 상부전류리드(210)와 결합하며 타단은 초전도 케이블의 단부와 결합되는 전류리드를 말한다.

하부전류리드(220)는 상부전류리드(210)를 향해 돌출된 제1플랜지(221)를 포함하며, 상부전류리드(210)는 하부전류리드(220)를 향해 돌출되며 돌출부가 제1플랜지(221)에 끼움되어 상호간에 결합된다. 이와 같은 제1플랜지(221)를 통해 상부전류리드(210)와 하부전류리드(220)가 서로 결합 분리되지 않는데, 결합을 더욱 견고하게 하기 위해서 추가 구성요소를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 전류리드(200) 중 상부전류리드(210)의 외면에는 외측으로 돌출된 형태의 돌출부가 형성되는바, 상기 돌출부가 고정부(213)를 형성하게 된다. 상기 고정부(213)의 형성에 의해 상기 전류리드(200)의 외면에 형성된 고체절연부싱(400)이 전류리드(200)의 외면에 안정적으로 결합되게 지지하는 역할을 한다.

상부전류리드(210)와 하부전류리드(220)를 더욱 견고하게 결합하기 위한 추가 구성요소로는, 볼트를 이용하여 결합시킬 수 있는바, 이를 통해 상부전류리드(210)와 하주전류리드(220)가 볼트 결합이 가능해지며, 초전도 케이블(300)의 부피가 줄어들더라도 문제가 발생하지 않는다.

또한, 상기 전류리드(200)의 상부전류리드(210)측을 관통하는 냉매순환로에 의해 상기 상부전류리드(210)에 상온부와 저온부가 상호간에 일정한 온도로 유지 수렴하는 구간인 열평형부(214)가 형성된다.

이때, 전류리드냉각순환로(530)는 제1플랜지(221)의 접촉을 통하여 전류리드(200)를 냉각할 수 있다. 상기 전류리드냉각순환로(530)는 원형 또는 반원형 형상으로의 구성이 가능하나 구성이 복잡하여 제조 단가가 증가하는 원형 단면보다는 형상이 단순한 반원 형상의 단면으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이, 전류리드(200)를 상부전류리드(210)와 하부전류리드(220)로 구분하고, 상부전류리드(2101)에 고정부(213)를 형성시키고 이들을 서로 결합시키게 되면 초전도 케이블(300)의 축소가 발생하더라도 전류리드(200)가 제 위치에서 이탈하는 것을 방지하며, 전류리드(200)와 초전도 케이블(300) 간의 분리 또한 방지할 수 있다.

본 발명에 사용되는 냉매는 액체 냉매인데, 일반적으로 사용되는 액체 헬륨 또는 액체 질소인 것이 바람직하다. 이와 같은 냉매를 냉매순환로(500)에 공급할 때 전류리드(200)로 유입되는 전류 값과 전류리드(200) 소재의 종류를 알면 그에 따른 줄열 값을 알 수 있게 되는데, 이와 함께 냉매 종류에 따른 온도 또는 공급되는 냉매의 공급 속도를 컨트롤함에 의해 가장 적절한 초전도 케이블 단말장치(100)의 환경을 만들 수 있다.

본 발명은 전류리드(200)와 초전도 케이블(300)을 연결하며 열평형점 역할을 하는 열평형부(214)가 종래기술과 같이 냉매조(600) 내에서 따로 노출된 것이 아니라, 고체절연부싱(400) 내에 포함되어 있기 때문에 초전도 케이블 단말장치(100)의 전체적인 높이를 감소시킬 수 있다. 또한 냉매조(600)가 아닌 영역에서 전류리드(200)를 강제로 냉각시키는 냉매순환로(500)에 의해 냉매조(600)의 부피를 감소시킬 수 있으며, 전체적인 시스템 운전조건을 안정적으로 확보할 수 있다. 뿐만 아니라 냉매순환로(500)의 일부를 고체절연부싱(400)내에 형성시킴에 의해 절연 및 냉각이 동시에 이루어짐에 의해 전체적인 부피가 감소된다.

한편 냉매순환로(500)를 통과한 냉매가 냉매조(600)로 유입되는데 냉매순환로(500)의 형상과 냉매의 지속적인 공급으로 인해 냉매가 기화되지 않고 액화 상태를 유지할 수 있기 때문에 액체-기체 계면이 따로 존재하지 않는다는 장점이 있다.

100 : 초전도 케이블 단말장치 200 : 전류리드
201 : 외부연결단자 202 : 상온전류리드
210 : 상부전류리드 211 : 상온절연가스
212 : 상온부싱 213 : 고정부
214 : 열평형부 220 : 하부전류리드
221 : 제1플랜지 300 : 초전도 케이블
400: 고체절연부싱 410 : 보강절연체
500 : 냉매순환로 510 : 냉매유입순환로
511 : 유입구 520 : 냉매배출순환로
521 : 유출구 530 : 전류리드냉각순환로
600 : 냉매조 610 : 냉매조유입로
700 : 밀대 800 : 스프링
R : 상온부 J : 연결부

Claims (18)

1. 상온에 배치되는 전류리드 및 극저온의 냉매조에 배치되는 초전도 케이블 간의 접속을 위한 초전도 케이블 단말장치에 있어서,
   상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 포함하고 상호간에 연결되어 형성되는 연결부와;
   상기 연결부 외부에 형성되며, 하부에 상기 초전도 케이블과 전류리드를 연결하는 부분을 감싸도록 보강절연체가 형성되는 고체절연부싱과;
   상기 고체절연부싱의 일측 외벽에서 상기 연결부를 지나며 타측 내벽으로 관통 연결된 고전압절연 패스에 상기 연결부를 냉각시키는 냉매를 공급시켜, 상기 연결부를 열교환에 의해 냉각시킴에 따라 연결부측에 열평형부를 형성시키는 냉매순환로;를
   포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉매순환로는,
   상기 고체절연부싱에 형성되며, 상기 고체절연부싱 내로 냉매가 유입되는 냉매유입순환로와;
   상기 냉매유입순환로와 대응하여 상기 고체절연부싱에 형성되며 유입된 냉매를 상기 냉매조 또는 외부로 배출되도록 상기 냉매조 또는 유출구와 연결된 냉매배출순환로와;
   상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로 사이에서 상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로를 연결하며, 상기 전류리드의 외부 또는 상기 전류리드를 관통하여 형성되어 상기 연결부를 냉각시키는 전류리드냉각순환로를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 냉매유입순환로 및 상기 냉매배출순환로는 상기 고체절연부싱 외표면으로부터 중심으로 향하도록 지그재그(zigzag) 형상으로 관통되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 전류리드냉각순환로는 상기 전류리드의 축선을 따라 나선상으로 구부러진 코일 형상으로 관통되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 전류리드는,
   외부의 외부 연결단자와 연결되는 상온전류리드와;
   상기 상온전류리드와 결합되고, 하부로 연장 형성되는 상부전류리드와;
   일단은 상기 상부전류리드와 연결되고, 타단은 상기 초전도 케이블과 결합되는 하부전류리드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 하부전류리드는 상기 상부전류리드를 향해 돌출된 제1플랜지가 형성되며, 상기 상부전류리드가 상기 제1플랜지와 끼움결합되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제1플랜지와 접촉하는 상기 상부전류리드의 접촉면을 관통하도록 형성되고, 상기 전류리드를 냉각하는 냉매가 순환되는 전류리드냉각순환로를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 전류리드냉각순환로는 반원 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 전류리드에는, 상기 초전도케이블이 연결됨에 따라 발생하는 하중을 지지하고, 극저온 냉각에 따른 고체절연부싱 내에서 발생하는 기계적 스트레스를 최소화하기 위해 전류리드 상에 돌출 또는 함몰되게 고정부가 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블은 직선방향 또는 길이방향을 따라 서로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
11. 제 2항에 있어서,
    상기 고체절연부싱 및 보강절연체는 에폭시, PPLP(Polypropylene laminated paper) 및 이의 혼합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 냉매는 액체 질소 또는 액체 헬륨인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 보강절연체의 하부에는 상기 보강절연체를 감싸도록 밀대가 형성됨을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 냉매조에는 일측은 냉매조 하부에 결합되고, 타측은 상기 밀대의 하부에 접촉되어 탄성력에 의해 상기 밀대를 지지하는 탄성체가 형성됨을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 탄성체는 스프링인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 냉매조에는 초전도 케이블이 냉매조의 하측으로 인입되어 설치됨을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
17. 상온에 배치되는 전류리드 및 극저온의 냉매조에 배치되는 초전도 케이블 단말간의 접속을 위한 초전도 케이블 단말장치에 있어서,
    상기 전류리드 및 상기 초전도 케이블을 포함하고 상호간에 연결되어 형성되는 연결부와;
    상기 연결부 외부에 형성되는 고체절연부싱과;
    상기 고체절연부싱의 외측에서 내측으로 연결형성되어 고전압절연 패스를 형성시키고, 상기 연결부를 냉각시키는 냉매가 공급되어 열교환에 의해 냉각시킴에 의해 연결부측에 열평형부를 형성시키는 냉매순환로와;
    상기 고체절연부싱의 하부에 형성되고, 상기 초전도 케이블과 전류리드를 연결하는 부분을 감싸도록 형성된 보강절연체와;
    상기 보강절연체의 하부에 상기 보강절연체를 감싸도록 형성되는 밀대; 그리고
    일측은 냉매조 하부에 결합되고, 타측은 상기 밀대의 하부에 접촉되어 탄성력에 의해 상기 밀대를 지지하는 탄성체;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 단말장치.
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