초전도 케이블


초전도 케이블

초전도 현상이란 어떠한 물질이 임의의 온도에 도달 시 물질의 전기적인 저항이 0이 되는 현상

초전도 케이블은 초전도 성질을 이용한 저전압, 대전류, 저손실 대용량 및 장거리 송전이 가능하며 대도시 밀집부하 지역에 전력 공급이 효과적으로 사용할 수 있어 앞으로 전기를 사용하는 모든설비에 폭넓게 사용이 가능하다

초고전도 원리(BCS이론) 및 현상

1)원리

  • 초전도체의 임계온도 이하에 A전자가 지나간 자리에 느린 양이온이 모여 +영역이 형성된다
  • 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

초전도의 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

전력분야 기여 방향

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

문제점

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

결론(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.

사용기기의 선정
사용기기의 선정L(전선)

동심중성선 케이블
초전도 케이블
케이블의 절연과 열화
수트리
케이블의 단절연
케이블 손실
케이블의 시험에 대표적으로 적용되는 항목8가지


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