초전도 변압기의 발전과 그 현황

소개글

초전도 변압기의 발전과 그 현황에 대한 보고서 자료입니다.

목차

제 1 장 서 론 1
1.1 초전도 변압기의 대두 1
1.2 초전도 변압기 1

제 2 장 본 론 2
2.1 고온 초전도 변압기의 특징 2
2.1.1 손실 2
2.1.2 크기 및 가격 4
2.1.3 수명 및 정격 6
2.1.4 고온 초전도 선재 6
2.2 초전도 변압기의 개발 사례와 현황 8
2.2.1 해외 고온 초전도 변압기 8
2.2.2 국내 고온 초전도 변압기 11

제 3 장 고온 초전도 변압기의 특성해석 14
3.1 고온 초전도 변압기의 특성해석법 14
3.1.1 권선배치 14
3.1.2 손실 15
3.1.2.1 철손 15
3.1.2.1 교류손실 15
3.1.3 고온 초전도 변압기의 과도해석 16
3.1.3.1 전류계산 16
3.1.3.2 온도와 저항 17

제 4 장 결 론 18

본문내용

키는 방식이기 때문에 자속의 전달에서 이루어지는 철손은 피할 수 없는 부분이다. 또한 일반 변압기에 있는 유전체 손실과 표유 손실도 피할 수 없다. 하지만 일반 변압기가 권선의 냉각을 위해 절연유를 사용하는 대신에 고온 초전도 변압기의 냉각을 위한 액체 질소가 절연 기능까지 담당하게 된다. 이 액체 질소는 일반 변압기에 사용하는 절연유보다 절연 특성이 우수하고 유전체 손실도 적다. 액체 질소 자체는 절연 특성이 우수하지만 액체 질소가 기화하여 액체 질소 내에 기포가 생기고 이러한 기포는 액체 질소의 절연 능력을 감소시킨다. 따라서, 고온 초전도체의 냉매로 액체 질소를 사용 시에는 Subcooling 이라는 방식을 사용한다. 이 Subcooling은 액체 질소의 기압을 낮추어 액체 질소의 끓는점을 낮추는 방식이다. 이러한 방식을 사용하게 되면 기화한 액체 질소가 액체 내에 잠겨있지 않고 외부로 배출되어 기포에 의한 절연내력 감소를 막을 수 있게 된다.
다시 일반 변압기에서 발생하는 손실을 보면 철손과 동손이 있다고 하였는데, 이들은 상호 보완적인 관계를 가지고 있다. 사용하는 전력에 관계없이 항상 발생하는 철손은 히스테리손과 와전류손으로 나뉘고 이 손실들은 주파수 특성이나 최대 자속과의 관계로 각각 다르지만 변압기 철심의 부피와 비례한다는 특징이 있다. 또한 동손은 부하를 사용 시 발생하는 손실로 권선의 길이에 비례한다.
여기서 변압기 철심의 단면적은 권선수의 제곱에 반비례 하여 권선수를 증가시키면 철심을 작게 하여 철손을 줄이고, 또 철심을 크게 하면 권선수가 감소하여 동손이 감소하는데. 사용 용도에 따라 철손과 동손의 비율을 정해 설계한다.
초전도 변압기의 경우도 기본적인 구조가 일반 변압기와 거의 같기 때문에, 철심에서 발생하는 철손은 제거 할 수 없지만 권선에서 발생하는 동손의 경우에는 초전도선의 경우 발생하지 않으므로 일반 변압기와 같은 방법으로는 설계 할 수 없다.
초전도선에서는 직류의 경우 손실이 앞에서 말한 바와 같이 없지만, 교류의 경우에는 초전도선에서 철손과 비슷하게 히스테리시스 손실과 와전류 손실이 발생하는데 이를 교류 손실이라고 한다. 그러나 이 초전도선에서 발생하는 손실인 교류 손실은 일반 변압기에서 발생하는 수kw∼수십kw인데 반해 1/1000 수준으로 감소한다.
이렇게 고온 초전도 변압기에서 발생하는 손실이 일반 변압기 보다 훨씬 적은 수준일지라도 고온 초전도 변압기 전체 효율을 계산할 시에는 액체 질소 온도인 77K를 유지하기 위한 냉각 효율도 고려해야만 한다.
[그림 2-1 고온 초전도 변압기의 구조]
2.1.2 크기 및 가격
고온 초전도 변압기가 일반 변압기와 가격을 비교해 보았을 경우 경쟁력을 갖는 용량은 30MVA급 이상부터이므로 이 30MVA급에서 비교를 해 보도록 하겠다.
고온 초전도 변압기의 냉각 방식에는 2가지로 자체적으로 기화된 질소 가스를 다시 액화하는 순환방식(Cryo-cooled Superconducting Transformer)와 고온 초전도 변압기 근처에 액체 질소를 저장하는 대형 용기를 두고 주기적으로 기화된 만큼의 액체 질소를 공급하는 비 순환 방식(Open Cycle Superconducting Transformer)가 있다.
여기의 비 순환 방식은 순환방식에 비해서 유지·관리 면에서 불리할 것처럼 보이나, 현재 변전소에서 변압기를 주기적으로 점검하고, 병원이나 공장 등에서 액체 질소를 주기적으로 공급하는 것을 고려해 보면, 이 방식도 충분이 경쟁적으로 운영 될 수 있을 것으로 보인다.
30MVA 용량 변압기에서 각각의 중량을 비교해 보면 일반 변압기는 23,000 리터의 절연유를 포함해서 48톤 정도이고, 고온 초전도 변압기의 경우에는 순환 방식일 경우 24톤, 비 순환 방식은 16톤 정도로 둘 다 일반 변압기에 비했을 경우 절반 이하의 무게를 가진다.
[그림 2-2 일반 변압기와 고온 초전도 변압기의 비교]
다시 가격을 비교하여, 현재 고온 초전도 변압기에서 가장 예측하기 어려운 부분이 고온 초전도 선재인데, 30MVA 급에서 목표로 하는 가격은 kg당 1,000달러 선으로 이정도 가격일 경우 30∼45kg의 초전도 선재를 사용하면 초전도 가격이 전체 고온 초전도 변압기 가격의 10∼15%를 차지한다.
물론 초전도 선재를 줄이게 되면 가격을 낮출 수 있지만, 반대로 철심이 커지게 되어 철손의 비용이 늘어나는 것을 생각해야 한다.
전체적인 가격을 비교해 보면, 30MVA급 일반 변압기의 경우 30만 달러에 유지·보수 비용을 추가하면 40∼50만 달러가 필요하고, 액체질소로 냉각하는 고온 초전도체의 경우 비순환 방식은 10∼20% 쌀 것으로 예상되고, 순환방식의 경우는 제조 가격은 30% 정도 저렴하나, 전체 비용면에서 일반변압기보다 10% 정도 비쌀 것으로 예상이 된다.
하지만, 이는 최고가의 초전도 선재를 생각한 것으로, 대량 생산이 가능하거나 새로운 선재의 개발이 되면 가격은 점점 더 떨어질 것으로 기대된다.
2.1.3 수명 및 정격
앞서 살펴본 것과 같이 고온 초전도 변압기가 가격이나 효율, 손실 면에서 일반 변압기에 크게 앞선다고 할 수는 없다. 하지만 여기에서 수명과 그 정격에 대해 생각해 보면 앞으로 왜 초전도 변압기로 대체하여야 하는가에 대한 당위성을 가질 수 있다.
일반 변압기의 경우 용량 선정을 위해서는 가장 중요한 점이 변압기의 온도가 어떻게 될 지 생각해 보는 것이다. 일반 변압기는 그 내부의 가장 높은 온도가 110℃ 이하이어야 하는데, 만일 이 온도에서 20℃ 이상 초과해 운전을 한 시간이 일반 변압기의 수명인 30년에서 300일 정도를 넘게 되면, 그 변압기의 수명은 25% 감소하게 되고, 그 초과 시간이 10% 이상이 넘게 되면, 그 수명은 절반 이하가 된다.
그렇기 때문에 변압기의 용량은 가장 수요가 많은 여름철에 맞추어 결정 되어, 결과적으로 연간 대부분의 기간은 50% 이하의 부하 밖에 공급하지 못한다.
하지만 초전도 변압기의 경우에는 이 문제에 대해 큰 강점을 갖는다. 일반 변압기의 정격 전류가 온도 상승에 영향을 받지만, 초전도 변압기는 정격 전류가 초전도 선재의 임계전류나

키워드

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