2.1 고온 초전도선재의 사양

최근 들어 2세대 고온 초전도선재의 특성과 가격 경쟁력이 향상됨에 따라 초전도한류기 및 초전도케이블과 같은 초전도 전력기기의 상용화가 이루어지기 시작하고 있다. 그러나 2세대 고온초전도체의 절연환경에 따른 전기적 안정성 평가에 관한 연구는 미미한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 이미 상용화가 이루어지기 시작한 초전도 전력기기의 절연환경에 따른 전기적 안정성 평가를 위하여 stabilizer의 사양에 따른 2세대 고온 초전도선재의 열화 특성을 실험을 통하여 분석하였다. 본 연구에서는 2022년 현재 SuNAM에서 제작하여 판매하고 있는 구리와 황동 재질의 stabilizer를 가지는 두 가지 종류의 GdBCO 선재를 사용하였다. 구리 재질의 stabilizer를 가지는 고온 초전도선재의 모델명은 SCN04150이며 선재의 폭은 4mm이고 임계전류는 150A이다. 황동 재질의 stabilizer를 가지는 고온 초전도선재의 모델명은 SLBD04150이고 폭은 4mm, 임계전류는 150A로서 두 가지의 선재 모두 너비와 임계전류가 동일하다. Fig. 1에 본 실험에 사용된 두 가지 종류 GdBCO 고온 초전도선재의 내부구조를 서로 비교하여 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 SCN04150 선재는 104um 두께의 기계적 강도가 우수한 스테인레스 스틸 재질의 substrate를 기준으로 윗면에 버퍼층을 두고 다시 1.3um 두께의 GdBCO 초전도층을 증착한다. 그리고 초전도층의 상부와 substrate의 하부에 2um 두께의 은을 증착한다. 그리고 이처럼 제작된 상태에서 선재의 외부를 20um 두께의 구리로 도금을 하여 제작을 마무리한다^[4]. 황동 재질의 stabilizer로 제작된 SLBD04150 선재는 구리 재질 stabilizer의 SCN04150 선재 최외곽 층에 두께 45um의 황동 박막을 적층한 구조를 가지고 있다.

Fig. 1. Cross section view of 2G HTS conductors

2.2 임계전류와 index number 측정

초전도선재의 특징은 크게 두 가지로 정리할 수 있다. 첫 번째는 임계전류 이하의 범위에서 ‘0’ 저항성에 의한 무손실이고 두 번째는 외부 자기장을 인가하였을 때 초전도체 내부에는 자기장이 존재하지 않는 Meissner 현상이라고 할 수 있다. 이와 같은 Meissner 효과에 의해서 초전도체를 완전 반자성체라고 할 수 있다^[5]. ‘0’ 저항성과 Meissner 효과는 임계전류 조건에서 확인할 수 있는 초전도체의 대표적인 현상이라고 할 수 있다^[6]. 그러나 임계전류를 초과하는 범위에서는 이와 같은 ‘0’ 저항성과 완전 반자성 성질이 파괴되는 현상이 발생하는데 이를 퀜치라고 한다. 본 연구에서는 절연파괴실험에 의하여 고온 초전도선재의 ‘0’ 저항성을 설명할 수 있는 임계전류가 열화되는 특성을 실험을 통하여 확인하였다. 퀜치 특성을 이용하면 초전도선재를 스위치로 응용할 수 있다. 이와 같이 초전도 상태에서 상전도 상태로 천이하는 과정에서 저항이 발생하는 기울기의 크기를 index number라고 한다^[7]. Index number가 크다는 것은 빠른 상태 천이를 의미하는 것이므로 좋은 스위치 특성을 가진다고 할 수 있다.

본 연구에서는 절연파괴실험을 통하여 초전도선재의 임계전류 열화 특성과 함께 스위칭 특성인 index number의 열화 특성을 확인하였다. 결과적으로 stabilizer의 종류별 절연파괴전압에 의한 임계전류와 index number의 열화 특성을 분석하였다.

초전도선재의 임계전류는 4단자법을 이용하여 측정하는데 Fig. 2에는 본 실험에 사용된 임계전류 측정장치의 모습을 나타내었다. 4단자법은 초전도선재의 양끝단에 전류를 인가했을 때 가운데에 위치한 전압탭 (1cm 간격)에서 유기되는 전압을 측정하여 퀜치 특성을 확인하는 방법이다. 초전도선재의 양끝단에 전류를 인가하기 위해서는 전류선과 연결된 구리단자와 초전도선재를 연결해야 하는데 일반적으로는 납땜을 이용한다. 그러나 납땜으로 접합을 하면 열적 스트레스로 인하여 초전도선재가 열화될 수 있으므로 본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 구리단자와 초전도선재 사이에 비저항이 작은 얇은 인듐 포일을 삽입하여 압착하는 방식으로 임계전류를 측정하였다. 이때 구리단자와 초전도선재를 결합하기 위하여 가해진 토오크는 46N·m로 모든 실험에서 동일한 값을 적용하였다.

Fig. 2. Measurement of critical current of HTS tape by 4 probe method

Fig. 3에는 4단자법을 이용하여 측정한 SCN04150과 SLBD04150 선재의 V-I 곡선을 나타내었다. 이때 인가전류는 임계전류를 1로 설정한 p.u법을 이용하여 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 두 선재의 임계전류 특성과 index number 특성은 동일하다는 사실을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 앞서 설명한 바와 같이 SLBD04150 선재는 SCN04150 선재의 구조에 황동 박막을 적층하였기 때문으로 판단된다. 4단자법 실험에서 사용된 직류 전원장치의 모델명은 REK8-1000 (Matsusada)이며, Nano-voltmeter의 모델명은 2182A (Keithley)이다. Fig. 3에서 알 수 있는 바와 같이 초전도선재의 V-I 곡선은 임계전류 전까지는 유기전압이 0이다가 임계전류 이후부터 퀜치의 발생으로 저항이 발생하여 유기전압이 급격하게 증가하는 형태를 보인다. 이때 임계전류 이후의 유기전압이 증가하는 기울기는 초전도선재의 스위칭 특성으로 나타낼 수 있는데 본 연구에서는 0.1uV에서 10uV 사이의 기울기를 index number로 정의하였다. Index number는 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 식 (1)에서 Ec와 Jc는 초전도선재의 임계전계 (V/m) 및 임계전류밀도 (A/m2)를 의미하며, E는 전계의 세기, J는 전류밀도를 나타낸다. 여기에서 전계는 전압으로, 전류밀도는 전류의 값으로 바꾸어 계산하였다. 식 (1)을 이용하여 측정한 두 가지 종류의 고온 초전도선재의 index n은 78로 동일하게 계산되었다^[8].

Fig. 3. Comparison of V-I curves of 2 types of 2G HTS conductors

2.3 절연파괴실험

IEC 62271-1 기준에 따르면 22.9kV 전력기기의 절연내력 시험기준은 AC 50kV, 뇌임펄스 150kV이며, 154kV 전력기기의 경우에는 AC 275kV, 뇌임펄스 650kV이다^[9]. 본 연구에서는 고전압 전력용 초전도 전력기기 개발을 위하여 두 가지 종류의 고온 초전도선재에 절연파괴를 유도하여 그에 따른 인가 전압별 임계전류와 index number의 열화 특성을 확인하였다. 이때 절연파괴실험에 사용된 전원장치의 사양은 60Hz 주파수의 AC 100kV, 파두와 파미가 1.2/50us인 뇌임펄스 500kV이지만 전원장치의 효율로 인하여 AC 90kV, 뇌임펄스 300kV 범위까지 실험을 수행하였다. 결과적으로 AC 50, 70, 90kV와 뇌임펄스 150, 200, 300kV의 전압 범위에서 고온 초전도선재의 열화특성을 분석하였다. Fig. 4에는 절연파괴실험에 사용된 전극시스템의 구성도를 나타내었다. 스테인레스 스틸 재질의 구 전극에 고전압을 인가하였으며, 접지측에는 평판 전극을 설치하지 않고 유리섬유 강화플라스틱 (glass fiber reinforced plastic: GFRP) 위에 초전도선재만을 두고 접지시켰다. 접지 역할을 하는 평판 전극을 설치하지 않은 이유는 절연파괴가 초전도선재가 아닌 평판 전극으로 터져서 초전도선재의 열화가 발생하지 않는 상황을 배제하기 위해서이다.

Fig. 4. Schematics of an electrode system for electrical breakdown experiment

3.1 임계전류와 index number

Fig. 6은 SCN04150 선재의 AC 절연파괴 전압 크기에 따른 V-I 특성 변화를 p.u법으로 나타내었다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 SCN04150 선재의 임계전류는 AC 50kV를 인가했을 때 정상상태에 비하여 약 5% 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 절연파괴전압이 70, 90kV로 증가함에 따라 임계전류는 약 6%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7에는 SCN04150 선재의 V-I 특성이 뇌임펄스 전압 크기에 따라 열화되는 특성을 p.u법으로 나타내었다. 뇌 임펄스 전압이 150, 200, 300kV로 증가함에 따라 SCN04150 선재의 임계전류는 각각 5%에서 7%까지 감소함을 알 수 있다.

Fig. 6. V-I characteristics of an SCN04150 conductor according to applied AC voltage

Fig. 7. V-I characteristics of an SCN04150 conductor according to applied lightning impulse voltage

Fig. 8에는 AC 전압을 인가했을 때 SLBD04150 선재의 V-I 곡선 변화를 p.u법으로 나타내었으며, Fig. 9에는 뇌임펄스 전압의 크기에 대한 V-I 곡선 변화를 p.u법으로 나타내었다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 SLBD04150 선재의 경우에는 AC 절연파괴전압을 50, 70kV까지 증가시켰을 때 임계전류가 전혀 감소하지 않았으며, AC 90kV를 인가했을 때에는 약 1% 감소하는 것을 확인하였다. 또한 뇌 임펄스의 경우에는 150, 200kV를 인가했을 때에는 임계전류가 전혀 감소하지 않지만 300kV를 인가했을 때에는 약 1% 감소하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 SCN04150 선재의 임계전류는 절연파괴전압의 크기에 따라 약 5～7% 감소하지만 SLBD04150 선재의 임계전류는 동일한 절연파괴전압에 대하여 약 1%가 감소한다. 즉, stabilizer가 구리일 경우가 황동일 경우에 비하여 절연파괴전압에 대한 임계전류의 열화가 크게 발생한다. 이와 같은 결과는 구리의 Rockwell hardness가 50임에 반하여 황동의 Rockwell hardness는 69로 더 높기 때문으로 판단된다. 이때 Rockwell hardness는 물질의 굳기를 표시하는 방법으로 강구 또는 다이아몬드제의 원추를 물질에 압입할 때 생기는 압력에 의해 파인 깊이를 의미한다^[10]. 즉, 초전도선재의 표면을 둘러싸고 있는 stabilizer의 재질에 따라 Rockwell hardness가 상이할 것이며, 그 값에 따라 임계전류 등의 특성 열화가 결정되는 것으로 판단된다. Fig. 10에는 SCN04150 선재와 SLBD04150 선재의 절연파괴전압에 대한 임계전류의 열화 특성을 나타내었다. 앞서 설명한 바와 같이 절연파괴전압에 대하여 구리 재질 stabilizer를 가지는 초전도선재의 열화 특성이 황동 재질 stabilizer를 가지는 초전도선재의 열화 특성에 비하여 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 11에서 보는 바와 같이 절연파괴전압에 의한 index number의 열화도 구리 재질 stabilizer를 가지는 SCN04150 초전도선재가 황동 재질 stabilizer를 가지는 SLBD04150 초전도선재에 비하여 더 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

Fig. 8. V-I characteristics of an SLBD04150 conductor according to applied AC voltage

Fig. 9. V-I characteristics of an SLBD04150 conductor according to applied lightning impulse voltage

Fig. 10. Ic degradation of SCN04150 and SLBD04150

Fig. 11. Index number degradation of SCN04150 and SLBD04150