초전도 케이블

1️⃣초고전도 원리(BCS이론) 및 현상

1)원리

• 초전도체의 임계온도 이하에 A전자가 지나간 자리에 느린 양이온이 모여 ⊕영역이 형성
• B전자가 ⊕영역으로 끌려 들어간다
• A, B 두 전자가 마치 당기는 것처럼 보이는데 이를 쿠퍼페어라 한다
• 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
• 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
• 이온격자진동(포논)과 충돌을 일으키지 않아 전기저항없이 큰 전류를 흘릴 수 있다.

2)현상종류

• 제로저항효과
  • 초전도체는 임계온도 이하에서 직류전류에 대해 전기저항이 완전히 “0”이 된다.
  • 저항이 없으므로 열이 발생하지 않아 에너지 손실(I²R)이 없다.

• 조셉슨 효과

초전도체 사이에 앏은 절연막을 삽입하여 쿠퍼페어에 의해 전류를 통과시킬수 있는 현상

• 매이스너 효과
  • 일반도체는 외부에서 자기장을 가하면 도체 내부에 자기장이 발생한다.
  • 초전도체는 내부 자속밀도가 0이 되는 표면전류(차폐전류)에의해 외부로 자기장을 밀어낸다.

3)초전도 유지조건

4)초전도체 종류

• 1종 초전도체
  • 임계자기장을 경계로 정상 상태와 초전도 상태로의 전이
  • 초전도 상태에 마이너 효과로 인하여 자기장이 침투하지 못함
  • 단원자 초전도체들이 주종
• 2종 초전도체
  • 온도 상태에 따라 상부 임계자기장(Hc₂)과 하부 임계 자기장(Hc₁)이 존재
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이하 :자기장이 침투하지 못하는 마이스너 효과
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이상 :초전도 상태를 계속 유지, 일부 자기장들이 초전도체를 침투
  • 상부임계자기장(Hc₂)이상 :초전도 상태 상실
  • 대부분 혼합물 및 산화물 고온 초전도체들이 이에 속함
  • 거의 모든 초전도체 응용에 이와 같은 특성을 가지는 2종 초전도체를 이용

2️⃣초전도의 특성

1)대용량 저손실

• 기존의 동도체에 비해 50~100배의 대전류 전송이 가능
• 교류손실이 1/20배 이하로 작고, 송전용량은 3배 이상 증가

2)저전압 송전이 가능

• 기존 전력케이블을 송전전압 상승시켜 송전용량이 증가
• 동일 용량 송전 시 대전류를 흘릴 수 있으므로 낮은 전압으로 송전이 가능

3)송전비용 절감

• 초고압 변전소의 에너지 절감, 송전비용 절감
• 절연레벨의 감소로 송 변전기기의 소형화 및 저가화가 가능
• 저전압으로 케이블 충전전류 감소하여 보상용 리액터 경감

4)기존 대비 전력케이블 소형화 가능

• 절연레벨 감소 및 대전류 송전이 가능하여 소형화가 가능

5)케이블 관로의 소형화 가능

• 전력구 터널의 직경을 60[%] 정도 작게 할 수 있다
• 기존 관로나 전력구 활용이 가능하다

6)장거리 송전이 가능

• 저손실 대전류 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류 비중이 작다

7)극저온 관로에 대해서는 냉각시스템과 초열 절연관로가 필요하다

2️⃣초전도의 특성

1)대용량 저손실

• 기존의 동도체에 비해 50~100배의 대전류 전송이 가능
• 교류손실이 1/20배 이하로 작고, 송전용량은 3배 이상 증가

2)저전압 송전이 가능

• 기존 전력케이블을 송전전압 상승시켜 송전용량이 증가
• 동일 용량 송전 시 대전류를 흘릴 수 있으므로 낮은 전압으로 송전이 가능

3)송전비용 절감

• 초고압 변전소의 에너지 절감, 송전비용 절감
• 절연레벨의 감소로 송 변전기기의 소형화 및 저가화가 가능
• 저전압으로 케이블 충전전류 감소하여 보상용 리액터 경감

4)기존 대비 전력케이블 소형화 가능

• 절연레벨 감소 및 대전류 송전이 가능하여 소형화가 가능

5)케이블 관로의 소형화 가능

• 전력구 터널의 직경을 60[%] 정도 작게 할 수 있다
• 기존 관로나 전력구 활용이 가능하다

6)장거리 송전이 가능

• 저손실 대전류 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류 비중이 작다

7)극저온 관로에 대해서는 냉각시스템과 초열 절연관로가 필요하다

1️⃣초고전도 원리(BCS이론) 및 현상

1)원리

• 초전도체의 임계온도 이하에 A전자가 지나간 자리에 느린 양이온이 모여 ⊕영역이 형성
• B전자가 ⊕영역으로 끌려 들어간다
• A, B 두 전자가 마치 당기는 것처럼 보이는데 이를 쿠퍼페어라 한다
• 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
• 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
• 이온격자진동(포논)과 충돌을 일으키지 않아 전기저항없이 큰 전류를 흘릴 수 있다.

2)현상종류

• 제로저항효과
  • 초전도체는 임계온도 이하에서 직류전류에 대해 전기저항이 완전히 “0”이 된다.
  • 저항이 없으므로 열이 발생하지 않아 에너지 손실(I²R)이 없다.

• 조셉슨 효과

초전도체 사이에 앏은 절연막을 삽입하여 쿠퍼페어에 의해 전류를 통과시킬수 있는 현상

• 매이스너 효과
  • 일반도체는 외부에서 자기장을 가하면 도체 내부에 자기장이 발생한다.
  • 초전도체는 내부 자속밀도가 0이 되는 표면전류(차폐전류)에의해 외부로 자기장을 밀어낸다.

3)초전도 유지조건

4)초전도체 종류

• 1종 초전도체
  • 임계자기장을 경계로 정상 상태와 초전도 상태로의 전이
  • 초전도 상태에 마이너 효과로 인하여 자기장이 침투하지 못함
  • 단원자 초전도체들이 주종
• 2종 초전도체
  • 온도 상태에 따라 상부 임계자기장(Hc₂)과 하부 임계 자기장(Hc₁)이 존재
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이하 :자기장이 침투하지 못하는 마이스너 효과
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이상 :초전도 상태를 계속 유지, 일부 자기장들이 초전도체를 침투
  • 상부임계자기장(Hc₂)이상 :초전도 상태 상실
  • 대부분 혼합물 및 산화물 고온 초전도체들이 이에 속함
  • 거의 모든 초전도체 응용에 이와 같은 특성을 가지는 2종 초전도체를 이용

3️⃣초전도변압기 특징

1)변압기 손실

• 동손이 0이 되고 나머지 손실은 그대로 발생

2)냉각방식

• 액체질소 순환방식 : 액체질소를 순환시키는 방식으로 구조가 복잡하자
• 액체실소 비순환방식 : 액체질소를 순환시키지 않고 지속적으로 공급하는 방식
  • 구조가 간단하나 냉각손실이 큼
  • 대용량 변압기에 적합

3)변압기 무게(30[MVA] 용량을 기준)

• 일반 유입 변압기 30[ton]
• 순환방식 초전도 변압기는 24[ton]
• 비순환방식의 경우 16[ton]

4)전류특성

• 임계전류에 의해 제한을 받음
• 극저온에서 적용할 초고압기기 개발 필요

4️⃣초전도 변압기 장점

1)효율 상승

• 동손이 감소하여 효율이 상승

2)부피감소

• 냉각장치 등의 부대시설이 증가하나 동량을 20~100배 정도 줄일수 있어 부피가 감소

3)친환경

• SF6, 절연유 대신 질소 사용
• 화재 위험이 감소하고 SF6사용 감소로 친환경적임

4)과부하 내량이 큼

• 절연열화가 안 됨 : 변압기 수명이 증가
• 200%과부하에서도 양호한 특성

5️⃣향후 전망

• 초전도변압기는 일반 변압기가 가지고 있는 용량과 수명의 한계를 극복
• 향후 기술개발에 의해 초전도변압기가 상용화되면 전력계통의 신기원
• 초전도 선재의 경우 대량화가 진행되면 경제성 문제도 해결

3️⃣전력분야 기여 방향

• 초전도 케이블
• 초전도 변압기
• 초전도 한류기
• 초전도 발전기 및 전동기
• 초전도 에너지 절감장치

4️⃣문제점

• 기계적 유연성 및 도선 제조가 쉬운 선재의 개발
• 임계전류, 임계자계, 임계온도의 향상
• 교류 송전 시 손절 저감대책 마련
• 절연체를 설치한 전력케이블로서의 평가

5️⃣결론(향후 전망)

전력분야뿐만 아니라 의료분야(검지설비), 계측분야(검파기 및 측정설비), 운송분야(자기부상열차)등 개발효과는 앞으로 엄청나며 향후 신성장 미래전략사업으로 국가적으로 기술개발에 투자하는 등 세계적으로 개발속도가 가속화되고 있다. 상온 초전도에의 개발도 가능할 시점이 다가올 것으로 기대된다.

2️⃣초전도의 특성

1)대용량 저손실

• 기존의 동도체에 비해 50~100배의 대전류 전송이 가능
• 교류손실이 1/20배 이하로 작고, 송전용량은 3배 이상 증가

2)저전압 송전이 가능

• 기존 전력케이블을 송전전압 상승시켜 송전용량이 증가
• 동일 용량 송전 시 대전류를 흘릴 수 있으므로 낮은 전압으로 송전이 가능

3)송전비용 절감

• 초고압 변전소의 에너지 절감, 송전비용 절감
• 절연레벨의 감소로 송 변전기기의 소형화 및 저가화가 가능
• 저전압으로 케이블 충전전류 감소하여 보상용 리액터 경감

4)기존 대비 전력케이블 소형화 가능

• 절연레벨 감소 및 대전류 송전이 가능하여 소형화가 가능

5)케이블 관로의 소형화 가능

• 전력구 터널의 직경을 60[%] 정도 작게 할 수 있다
• 기존 관로나 전력구 활용이 가능하다

6)장거리 송전이 가능

• 저손실 대전류 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류 비중이 작다

7)극저온 관로에 대해서는 냉각시스템과 초열 절연관로가 필요하다

4)초전도체 종류

• 1종 초전도체
  • 임계자기장을 경계로 정상 상태와 초전도 상태로의 전이
  • 초전도 상태에 마이너 효과로 인하여 자기장이 침투하지 못함
  • 단원자 초전도체들이 주종
• 2종 초전도체
  • 온도 상태에 따라 상부 임계자기장(Hc₂)과 하부 임계 자기장(Hc₁)이 존재
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이하 :자기장이 침투하지 못하는 마이스너 효과
  • 하부임계자기장(Hc₁) 이상 :초전도 상태를 계속 유지, 일부 자기장들이 초전도체를 침투
  • 상부임계자기장(Hc₂)이상 :초전도 상태 상실
  • 대부분 혼합물 및 산화물 고온 초전도체들이 이에 속함
  • 거의 모든 초전도체 응용에 이와 같은 특성을 가지는 2종 초전도체를 이용