혼합형 등가 회로 모델을 이용한 무절연 고온 초전도 자석의 비선형 충전 특성 해석

Abstract

기존 고온 초전도 코일은 퀜치 시 코일을 보호하기 어려워 운전 안정성이 기술적인 문제점이었다. 무절연 고온 초전도 기술은 기존 고온 초전도 코일의 절연을 의도적으로 갖고 있지 않고 퀜치 시 코일에 우회 전류가 흐름으로서 코일이 손상되는 것을 보호하는 자기 보호 특성을 갖는다. 무절연 고온 초전도 코일을 설계 및 운용하기 위하여 비선형 특성 해석이 중요하며 이를 위해 회로 모델링 접근법을 사용한다. 첫 번째로 간단한 회로 모델은 집중 정수 회로 모델로 무절연 고온 초전도 자석의 시간에 따른 기계적, 전자기적 특성들을 분석하기 위해 사용되어왔다. 집중 정수 회로 모델은 무절연 고온 초전도 자석의 특성을 이해하는 데 도움이 되어왔으나 고자기장 및 큰 보아 사이즈를 갖는 무절연 고온 초전도 자석의 특성을 보다 잘 설명하기 위해서는 더 자세한 모델이 필요하게 되었다. 두 번째로 이 자세한 모델은 무절연 고온 초전도 코일을 공간적으로 분할한 분포 정수 회로 모델로 이 회로 모델은 무절연 고온 초전도 코일 내에서 공간적으로 분할되고 시간에 따른 전류 분포도를 제공한다. 그러나 이 모델은 일반적으로 계산 시간이 집중 정수 회로 모델에 비해서 매우 느리다는 단점이 있다. 본 논문에서는 두 가지 회로 모델의 장점들을 취합한 혼합형 회로 모델을 제안한다. 혼합형 회로 모델은 코일로 흐르는 전류와 임계전류의 부등식 관계를 이용하여 두 모델을 선택적으로 사용한다. 이 회로 모델을 설계하기 위해 새로운 MATLAB 코드를 작성하였으며 분포 정수 회로 모델은 PEEC 기법에 기초한다. 그리고 혼합형 회로 모델의 검증을 위하여 실제 무절연 고온 초전도 과전류 실험 결과와 집중 정수 회로, 분포 정수 회로, 그리고 혼합형 회로들의 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

Conventional high temperature superconductor(HTS) coil is hard to be protected when quench occurs, so operational safety of HTS coil is a technical problem. No-insulation(NI) HTS coil intentionally has no insulation in previous HTS coil and NI HTS coil has a self-protecting feature, which prevents the coil from burn-out due to bypass current in NI coil when quench occurs. Key challenge to design and operate NI magnet is the analysis of NI non-linear behaviors and equivalent circuit methods are adapted to NI coil for the analysis. Firstly, simple equivalent circuit model is the lumped circuit model which has been used to analyze time-varying mechanical and electromagnetic characteristics of NI magnet. Lumped circuit model for NI magnet has helped to understand the NI characteristics, however, more detailed model is needed for better explanation of NI characteristics in high field and large-bore NI HTS magnet. Secondly, the detailed model is a distributed network circuit model that spatially distributes NI coil and can provide the transient and spatial current distribution within NI coil. But distributed network circuit model generally spends much longer computation time than lumped circuit model. In this paper, we propose a combined circuit model that combines the advantages of lumped circuit model and distributed circuit model. The combined circuit model selectively uses both the lumped circuit model and the distributed network circuit model by using the inequality relationship of the coil current and critical currents. A new MATLAB code was built to design these circuit models, and the distributed network circuit model is based on the PEEC technique. We compared the results of the actual NI HTS coil overcurrent test with the simulation results of the lumped circuit model, the distributed network circuit model, and the combined circuit model for the validity of the combined circuit model.