아낌없이 주는 나무

1. 코로나 현상

 ▣ 가공송전선의 전압이 높아지면 전선 주변의 공기 중에 강한 전기장이 형성된다. 전선 표면의 전위경도 (전계강도)가 표준 상태의

      공기(20℃, 760㎜Hg)의 국부적인 절연파괴 한계(직류 약 30kV/㎝, 교류의 실효값 21kV/㎝)에 도달하면, 전선 주변의 공기분자

      가 이온화되기 시작한다.

       이때 전선 주위의 공기가 완전히 절연파괴되어 단락되는 것이 아니라, 전선 주변의 국부적인 영역에서 부분적으로 방전되는

       현상을 코로나 현상이라고 한다.

  ▣ 전선표면의 전위 경도가 공기의 임계 전계 강도를 초과 → 공기이온화 → 전자 · 이온의 이동 → 국부적인 방전이라 과정을

       거친다.

  ▣ 코로나가 발생하면 다음과 같은 현상이 나타날 수 있다.

    ⊙ 희미한 청백색 또는 보랏빛 발광

    ⊙ "지지직" 하는 코로나 소음

    ⊙ 오존 및 질소산화물 발생

    ⊙ 전력 손실

    ⊙ 고주파 전자파 및 라디오 잡음

    ⊙ 통신선 유도장해

    ⊙ 전선 표면의 열화·부식

  ▣ 코로나 개시전압은 전선 반지름, 전선 표면 상태, 전선 간격, 기압·온도 등 여러 조건의 영향을 받는다.

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2. 코로나 현상

가. 임계전압

                 E : 전선의 대지전압,             Eo : 코로나임계전압,                f : 주파수

                 r : 전선의 반경[㎝],               D : 소선의 선간거리[㎝]            δ : 상대공기밀도

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다. 전선간의 코로나 방전

  ① 전선간의 경우 코로나 개시전압은 선간의 거리, 전선의 굵기, 표면상태, 주위의 기상조건 등에 의해 방전 개시전압이 달라진다.

  ② 기온 20℃ 기압 1,013mbar인 경우 전위 기울기가 직류 30kV/㎝, 교류 21kV/㎝-실효치가 되면 도체 표면 가까이에 공기의

       절연파괴 현상(이온화 현상)이 생기게 되어 방전이 개시된다.

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3. 코로나 장해

가. 전력손실

  ▣ Peek's 식에 의해 계산할 수 있는 전력손실이 발생한다.

    ⊙ 높은 전압으로 인하여 송전선의 피크전압에서 송전선 상호간에 방전이 발생하게 되는데 방전현상으로 인하여 피크부분이

         짤리게 되고 전압의 파형이 구형파 즉 비정현파로 파형이 일그러지게 된다. 비정현파는 직류분, 기본파, 고조파로 구성되는데

         피크부분 전압이 짤리면서 구형파가 되어 전력의 손실이 발생하게 된다.

      ※ 코로나 손실 (피크(Peek) 실험식) : Peek라는 사람이 실험을 통해 얻어낸 식이다.

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나. 코로나 잡음

  ▣ 코로나 방전에 의해 코로나 펄스(코로나는 전선의 표면에서 전위경도가 임계전압을 넘을 때에만 일어 나므로 교류전압의 반파

        마다 간헐적으로 일어나게 된다)가 발생하고 잡음이 발생한다.

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다. 통신선 유도장해

  ▣ 송전선간 방전현상으로 전압파형이 왜곡되면서 고조파가 발생하게 되는데 송전선에 고조파 특히 제3고조파, 3의 배수 계열

       고조파는 통신선에 유도장해를 일으키는 주요 원인이 되고 있다.

라. 고조파 전압 · 전류 발생

  ① 전압파형이 코로나 방전에 의해서 잘려짐으로써 푸리에 급수에 의해 전개되면 고조파를 포함하게 된다.

  ② 코로나 현상에 의한 고조파 전류 중 제3고조파는 중성점 전류로서 나타나고 중성점 직접접지방식의 송전선로에서는 유도장해

       의 원인이 되고 비접지계통에서 파형을 일그러지게 한다.

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마. 소호리액터에 대한 영향

  ① 송전선에 코로나가 발생하면 전선의 겉보기 굵기가 증가하므로 대지정전용량이 증대하고 계통은 부족 보상이 된다. 코로나

       손실의 유효분 전류나 제3고조파 전류는 잔류전류가 되어 소호작용을 방해한다.

  ② 1선 지락시에 건전상에 대지전압 상승에 의한 코로나 발생은 고장점의 잔류 전류의 유효분을 증가시켜 소호능력을 저하시키기

       때문에 소호리액터 접지방식에서는 이것이 문제가 된다.

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바. 전력선 반송장치에 영향

  ▣ 보안, 업무용 전화, 보호계전방식, 원격측정제어 등에 전력선 반송장치를 사용하는데 코로나에 의한 고조파가 이러한 기기에

       영향을 미친다.

​

사. 전선의 부식

  ▣ 오존이 발생하여 전선이 부식된다. 공기의 절연이 파괴되면서 산소가 O로 원자분해되고 이 산소원자가 공기중의 산소와 결합하

       여 오존이 되며 오존은 다시 비가 오거나 안개가 끼었을 때의 주위의 습기와 결합하여 초산이 되는데 이 초산이 송전선을 부식

       시키게 된다.

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아. 진행파의 파고값 감쇠

  ▣ 이상전압 진행파(Surge)는 전압이 높기 때문에 항상 코로나를 발생시키면서 진행한다. 이러한 서지의 감쇠효과는 대부분 코로

        나 방전에 의한 것이다.

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4. 방지대책

  ▣ 전선의 표면 전위경도, 표고, 전선표면조건, 기후조건, 시간 등 외에 먼지 등 미물질이 전선 표면에 접촉되어 돌출부가 생길 경우

       코로나 영향이 심화된다. 그러나 코로나의 발생을 방지하기 위해서는 무엇보다 코로나 발생의 임계전압을 상규전압 이상으로

       높여주는게 효과적이다.

  ① 전선의 굵기를 크게한다.

       전선을 굵게 하면 표면의 전위의 기울기는 완만하게 되어 코로나의 임계전압은 올라가서 공기의 절연은 커지게 된다. 만일 가는

       전선을 사용하면 반대로 전위의 기울기가 급해져서 주위의 공기절연을 액해진다.

  ② 복도체 방식을 채택한다.

       복도체는 각 상의 전선을 2가닥 이상으로 나누어서 비교적 가는 전선을 사용하여 코로나 임계전압을 높이는 것이다. 복도체는

        단선의 경우와 비교하여 선로의 작용인덕턴스가 줄어들고 정전용량이 커지기 때문에 송전전력을 증대시킬 수 있다.

  ③ 가선 금구류를 개량, 개선한다.

       표면이 거칠거나 예리한 경우에는 코로나의 발생이 쉬워지므로 이에 대한 대책으로 금구류의 표면을 완만하게 한다.

  ④ 전선표면을 매끄럽게 한다.

       가선시에 전선의 표면이나 금구류 부분에 상처가 생기지 않도록 시공한다.

1. 전력계통의 안정도란 ?

  ▣ 전력계통의 안정도(Power System Stability)란, 외란(disturbance)이 발생했을 때 전력계통이 동기 운전을 유지하면서 정상

       적인 운전 상태 또는 새로운 안정 운전점으로 회복할 수 있는 능력을 말한다. 쉽게 말하면, 발전기·송전선로·부하 등에 사고가

       발생했을 때 발전기들이 서로 박자를 잃지 않고 계속 함께 운전할 수 있느냐가 핵심이다.

  ▣ 전력계통에서는 발전기들이 모두 같은 주파수로 동기화되어 운전한다. 예를 들어 송전선로에 단락사고가 발생하면 발전기의

       전기적 출력이 급격히 변하고, 발전기 회전자에 가속 또는 감속이 발생한다.

       외란이 충분히 크면 발전기 사이의 회전자 위상각 δ가 계속 증가하면서 동기를 잃을 수 있다.

    ⊙ 안정 → 발전기들이 동기를 유지

    ⊙ 불안정 → 발전기 간 위상각이 크게 벌어지면서 탈조(out-of-step) 발생

    ⊙ 결과 → 계통 분리, 대규모 정전 등으로 이어질 수 있음

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 ※ 안정도 설정 사유

   ① 송전선로의 전력 전송 시 T/L의 임피던스나 송. 수전 양단에 설치된 기기의 임피던스 등은 한계가 있음.

   ② 즉, 전력전송의 증대와 더불어 양단의 접속 동기기(발전기, 전동기)간 위상차 각이 점점 벌어져 90° 이상이 되면, 양 기기간의

        동기 유지 불가능(탈조 발생)

   ③ 탈조에 근접 시 전압강하가 심해지고, 선로손실이 커지며, 부하가 조금만 변동하거나 외란 발생 시 안정 운전 곤란

   ④ 또한, 계통 내 무효전력 손실이 급증하여 이에 대응하는 무효전력 공급이 뒤 따르지 못하고 계속 저하되면 결국 광범위한 부하

        탈락 초래

재생에너지 비중이 높아지는 미래에는 기존의 각안정도, 전압안정도, 주파수안정도 뿐만 아니라 공진안정도와 변환기 주도 안정도까지 고려해야 한다.

​

2. 전력계통 안정도의 종류

가. 정태안정도

  ① 정태안정도란 송전계통의 부하가 불변이거나 또는 극히 서서히 증가하는 부하에 대하여 계속적으로 송전할 수 있는 능력을

       말한다.

  ② 송전선로는 계통에 속한 조상용량 및 송·수전단 전압, 선로임피던스에 의하여 송전용량이 결정되는데 이때 송전선 양단 상차각

       이 전송전력의 증대에 따라 증가되어 결국 정태안정 극한전력에 도달하게 된다.

  ③ 전력계통에서 완만한 부하변동 등과 같은 미소외란 발생 시 저주파 진동과 같은 불안정 현상이 발생하지 않고, 지속적으로 계통

       을 운용할 수 있는 정도를 말하며 미소신호 안정도라고도 함.

  ④ 미소 외란에 대하여 전력계통이 同期化力을 유지할 수 있는 능력

  ⑤ 발생가능 불안정 현상은 동기토크 부족으로 인한 회전자 동요 폭 증가

  ⑥ 불안정 요소는 전력계통 운전점, 송전선로 구성, 발전기 여자기 형태 등

​

나. 동태안정도

  ▣ 전력계통의 부하 변동에 따라 고속 AVR을 사용하여 동기발전기의 여자전류를 제어, 운전 가능한 정도의 안정도를 말한다.

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다. 과도 안정도

  ▣ 전력계통이 사고상태에서도 계속 동기를 유지하여 운전할 수 있는 극한능력을 과도안정도라 한다.

  ▣ 전력계통에서 지락, 단락, 단선, 회로차단, 재폐로, 계통분리 등과 같은 급격한 외란 발생 후 안정한 운전상태로 계통을 운용할

       수 있는 정도를 말함.

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3. 계통안정도 향상 대책

가.위상 안정도 향상 대책

  ① 계통의 전달 리액턴스 감소

    ㉠ 상위 전압 계급으로의 승압             ㉡ 병렬 회선수의 증가

    ㉢ 기기 리액턴스의 감소                    ㉣ 직렬 콘덴서의 설치

  ② 계통 전압 변동의 제어

    ㉠ 중간 조상설비의 설치                    ㉡ 발전기 속응여자의 채용(PSS)

  ③ 계통에 주는 충격의 경감

    ㉠ 보호계전기, 차단기의 고속도화

    ㉡ 중간 개폐소 설치

    ㉢ 고속 재폐로방식 채용

  ④ 발전기 입·출력 평형화 (전력변동의 억제)

    ㉠ 제동 저항 설치

    ㉡ 터빈 고속밸브제어(EVA)의 채용

  ⑤ HVDC 도입 : 교류 송전의 상차각에 기인하는 문제 해소를 위한 직류 송전

​

나. 전압안정도 향상 대책

  ▣ 장거리 송전선을 통해서 일정 토크의 유도전동기라든지 일정 전력 특성을 지닌 에어컨과 같은 부하가 많이 사용되고 주로 전력

       용 콘덴서의 개폐로 전압 조정을 하고 있는 전력계통에서는 이러한 현상이 일어나기 쉬워서 이것을 전압 안정도 문제라고 부르

        고 있다.

  ① 정지형 무효전력 보상장치 (SVC : Static Var Compensator)

       최근에는 부효전력을 연속적으로 제어할 수 있는 동기 조상기라든지 정지형 무효전력 보상장치의 도입 등과 같은 대책이 필요

        하다.

  ② STATCOM (STATic Synchronous COMpensator)

    ㉠ STATVOM은 기본 주파수의 정현파 전압을 발생하는 동기기와 유사한 정지형 동기전압원 인버터를 기본적으로 이용하고

         있다.

    ㉡ STATCOM은 SVC와 동일한 목적(전압유지와 전압불안정 방지, 과도안정도 개선과 전력동요의 제동)으로 사용한다.

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4. 종합

  ① 우리나라의 전력계통에서 안정도에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 요소는 전원설비가 단위기당 대용량화 되고 있고 계통의 범위가

        전국토로 확대되고 있는 상황으로 송전이 대규모화 되고 있음

  ② 단위기의 출력 또한 대형화되어 사고발생시 전력수급의 불균형이 크게 나타날 수 있고 계통의 대규모화는 전원측 임피던스의

       저하로 사고발생시 고장전류가 급증하게 되고 이는 계통에 큰 충격요인으로 작용 (차단용량의 급증)하게 되어 과도안정도가

       악화되고 있음

  ③ 전력계통에 관한 장기적인 계획을 고려해야 할 것이며 전력계통의 접지방식 개선, 전압 격상 등으로 전력계통의 안정도를 향상

       해야 함

1. GTO (Gate Turn-off Thyristor)

가. GTO란 ?

 ▣ 자기소호형 3단자 역저지 사이리스터이며 SCR은 도통시점을 임의조절하는 것이 가능하나 소호시키는 시점은 제어할 수 없은

      데 이러한 단점을 보완하는 것이 GTO (Gate Turn-off Thyristor)이다.

 ※ Thyristor

   ◈ 사이리스터는 물리적으로 3개 이상의 PN접합층을 가지는 소자이다.

   ◈ ON, OFF 2개의 안전상태와 ON, OFF제어가 가능한 반도체의 총칭이다.

   ◈ Turn ON과 Turn OFF

     ㉠ 턴온 : 게이트 트리거에 의한 방식 : 게이트 전극을 가진 3단자 소자를 사용하여 Brake over 전압을 사용한다.

     ㉡ 턴오프 : DC : 소자전류를 유지전류 이하로 한다.

                       AC : AC 전원은 반주기 마다 소자전류가 "0"이 될 때 턴오프한다.

  ※ SCR : 3단자 단방향성 역저지 사이리스터이다.

                 다이오드와 같으나 게이트 단자에 트리거 펄스 신호를 가해 도통시킨다.

라. GTO의 특징

  ① 전극 극성 : Anode, Cathod, Gate

  ② 주전류 방향 : (A) → (K)

  ③ 오프 상태시 양방향 전압에 대한 저지능력을 가진다.

  ④ 2[kHz) 주파수 이하의 대용량 고전압제어에 적합하다.

  ⑤ 턴오프 시키기 위한 게이트 전류가 주전류의 20%나 되어 대용량 게이트 구동회로가 필요하다.

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2. GTO 직류 차단기

  ▣ GTO 직류 차단기는 기존의 기계식 차단기와는 달리 반도체 소자인 GTO를 이용하여 전류를 차단하는 장치이다.

  ▣ 교류 차단기와 달리 직류 전류에는 자연적인 전류 영점(zero crossing)이 없기 때문에, GTO를 이용해 강제로 전류를 끊어

       주는 방식의 전력전자식 차단기이다.

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3. 구조

다. 송전방식

  ① Monopolar 링크

    ▣ Monopolar 링크는 일반적으로 하나의 HV 도체를 사용하며 귀로는 대지 또는 해수를 통해 구성된다.

         대지저항이 과도하겔 크거나 지하 혹은 수중의 금속 구조물과의 간섭을 허용할 수 없는 경우 대지 귀로 대신 도체 귀로 방식을

         사용하기도 한다.​

    ▣ 주로 부(-)극성의 하나의 도체를 가지며, 귀로로서는 대지나 해수가 사용되나 때때로 금속제의 귀로도 사용된다. Mono-polar

         방식은 Bi-polar 송전선로 건설 초기에 수요증가로 Bipolar 운전이 필요할 때까지 변환설비의 투자를 연기시킬 목적으로 채용

         되고 있다.

    ㉠ Monopolar방식 (대지 · 해수 귀로)

  ② Bipolar 링크

    ▣ Bipolar 링크는 두 개의 HV 도체선로 구성되며 일반적으로 하나는 양극, 다른 하나는 음극으로 운전한다. 동일한 정격을 갖는

         두개의 컨벝커 설비를 DC 측에서는 직렬로 AC측에서는 병렬로 연결한다. 두 컨버터가 연결된 접점은 접지되고, Bipolar 운전

         시 보통 두 Pole간 균형제어를 통해 대지전류를 최소화한다. 만약 고장으로 하나의 Pole이 정지된 경우 보호동작을 통해 건전

         Pole은 지속적으로 운전이 가능하도록 시스템이 구성되며, DC 고장으로 인한 AC 계통의 변동을 최소화하기 위해 상시 설비

         정격의 50% 이하로 운전해 고장 전후의 정상상태 전송전력을 동일하게 운전이 가능하다.

    ▣ 하나는 정(+)으로 다른 하나는 부(-)극성을 갖는 2개의 도체로 구성된다. 각 단자에는 직류측에 직렬로 연결된 동일 정격

         2 SET의 변환설비를 가지며, 한 측이나 양측이 접지된다. 통상적으로 양극은 동일 전류로 동작되며 따라서 이러한 조건하에

        서는 접지전류의 흐름은 영(Zero)이다.

    ㉠ 중성선 도체 방식

  ① 직류송전방식은 500~700km 이상의 장거리 대전력 수송, 해저케이블, 계통간의 연계 이외에 교류방식이 유리하다.

  ② 고압직류송전(HVDC : High Voltage Direct Current) 발전소의 전력을 직류로 변화하여 송전하고 수전지점에서 교류로 재변환

       하여 공급하는 방식이다.

​

 ※ 페란티 현상(Ferranti effect)은 장거리 송전선로에서 부하가 거의 없거나 매우 적을 때, 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지

     는 현상이다.

     왜 발생할까?

     송전선로는 단순한 전선이 아니라 인덕턴스와 정전용량을 가지고 있다.

     특히 장거리 선로에서는 선로와 대지 사이의 정전용량에 의해 충전전류(capacitive charging current)가 흐른다. 이 전류가

     선로의 인덕턴스와 작용하면서 수전단 전압을 상승시킨다.

     송전단 → 장거리 선로 → 수전단

     부하가 거의 없으면

      → 선로의 정전용량 때문에 진상 충전전류가 흐름

      → 이 전류가 선로 리액턴스와 작용

      → 수전단 전압 상승

      → 페란티 현상 발생

​

※  표피효과(Skin Effect)란 교류 전류가 도체의 전체 단면적에 균일하게 흐르지 않고, 도체의 표면 부분에 더 많이 흐르는 현상

      이다.

      교류 전류가 도체에 흐르면 전류의 크기와 방향이 계속 변한다.

      이때 도체 주변에 변화하는 자기장이 생기고, 이 자기장에 의해 도체 내부에 유도기전력이 발생한다.

      그결과 도체의 중심부에서는 전류의 흐름이 상대적으로 방해되고, 전류가 도체 표면 쪽으로 몰리게 된다.

​

※ 근접효과(Proximity Effect)란, 서로 가까이 있는 도체에 교류가 흐를 때 상대 도체가 만드는 자기장의 영향으로 전류 분포가

     불균일해지는 현상이다. 두 개의 도체에 교류가 흐른다고 생각해 보자.

     도체 A ↔ 도체 B

     각 도체에 교류가 흐르면 주변에 변화하는 자기장이 만들어진다.

     이 자기장이 서로 영향을 주면서 도체 내부의 전류가 한쪽으로 몰리게 된다.

     주변 도체의 자기장 → 전류 분포 변화 → 유효 단면적 감소 → 교류 저항 증가

     이것이 바로 근접효과에 의한 것이다. (전류 분포가 도체의 특정 부분으로 몰리는 현상이다)

1. 초전도체

가. 금속체 전기저항

  ① 금속체의 전기저항은 정(+)의 온도계수를 가지므로 온도가 낮아지면 저항은 감소한다.

  ② 영하 273.14℃ 에서는 분자운동이 정지되므로 전기저항이 "0"이 된다.

나. 초전도

  ① 영하 273.14℃ 이전의 어떤 임계온도에서 전기저항이 "0"이 된다.

  ② 초전도 상태에서는 전자의 쿠퍼쌍 현상에 의해 전기저항이 "0"이 된다. (BCS 이론)  저항은 전자의 산란에 의해 원자에 부딪혀

       잘 흐르지 않는데 초전도체의 쿠퍼쌍은 전자가 응집하여 집단 이동에 의해 저항이 작아진다는 이론 (쿠퍼쌍 이론)

  ③ 2개의 초전도체의 사이에 매우 얇은 절연체를 통해 초전도체를 결합시키면 초전도 전자쌍이 절연체를 통과하여 전류가 흐르게

      된다. (조셉슨 효과)

  ④ 20°K 이하 : 저온 초전도체 (냉각재 : 액체 헬륨)

       20°K 초과 : 고온 초전도체 (냉각재 : 액체 질소)

​

2. 초전도 현상의 특징

가. 완전도체 : 초전도 에너지 저장장치

  ① 임계온도 이하에서는 전기저항이 "0"이 되므로 완전도체가 된다.

  ② 대전류를 흘려도 손실발생이 없고 강자계를 발생시킨다.

  ③ 1911년 오네스에 의해 발견됨

나. 완전반자성 : 자기부상 열차에 응용

  ▣ 임계온도 이하에서는 반대자장을 발생시켜 그 내부로 외부자장이 침투하지 못하는 완전 반자성체가 된다. (1933년에 발견)

다. 전류밀도 및 자계밀도에 임계치가 있어 그 이상이 되면 초전도현상이 없어진다.

     (상전도체가 됨) - 초전도 한류기에 응용

 ※ 강자성체 : 천연자석, 퀴리온도 이상에서 상자성체가 된다. (자성이 약화됨)

                      자철석의 퀴리온도는 약 570℃이다.

     상자성체 : 강한 자성에 약하게 끌리는 물체가 갖는 특성

                      온도가 올라가면 자성에 의한 배열이 흐트러진다.

     반자성체 : 물질의 자기변화에 반대되는 자속을 발생하는 물체

                      자장을 가하면 반대로 (-) 자장을 형성한다.

  ※ 강자성체(ferromagnetic material)는 외부 자기장이 없어도 자석처럼 강한 자성을 유지할 수 있는 물질이다. 대표적으로

                    철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등이 있다. 강자성체 내부에는 전자의 스핀(spin)과 관련된 작은 자기 모멘트가 있다.

                    이 자기 모멘트들이 서로 강하게 상호작용하여 같은 방향으로 정렬하려는 경향이 있다. 다만 물질 전체가 처음부터 한

                    방향으로 정렬되어 있는 것은 아니다. 내부가 여러 개의 자구(magnetic domain)로 나뉘어 있고, 각각의 자구 안에서

                    는 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬되어 있다.

                    강자성체는 온도가 너무 높아지면 열운동이 강해져서 자기 모멘트의 정렬이 깨진다. 이때 강자성체는 상자성체처럼

                    행동하게 되는데, 강자성이 사라지는 온도를 퀴리 온도(Curie temperature)라고 한다.

                    예를 들어 철의 퀴리 온도는 약 770°C이다.

                    강자성체는 내부의 자기 모멘트가 서로 같은 방향으로 정렬하려는 성질이 강해서, 외부 자기장에 의해 강하게 자화되

                    고 그 자성을 어느 정도 유지할 수 있는 물질을 말한다.

  ※ 상자성체(paramagnetic material)는 외부에서 자기장을 걸어 주었을 때 자기장 방향으로 약하게 자화 되는 물질이다. 상자성

                  체 내부의 원자나 이온에는 짝을 이루지 않은 전자가 존재하는 경우가 많다.

                  전자의 스핀 때문에 각각 작은 자기 모멘트를 가지고 있다. 하지만 외부 자기장이 없을 때는 열운동 때문에 자기 모멘트

                  의 방향이 제각각이 된다. 상자성체는 자기 모멘트를 가지고 있지만 평소에는 방향이제각각이고, 외부 자기장이 가해지

                  면 자기장 방향으로 약하게 정렬되는 물질이다. 자기장을 제거하면 자성이 거의 사라진다.

  ※ 반자성체 반자성체(diamagnetic material)는 외부 자기장을 걸었을 때 외부 자기장과 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질이

                 다. 반자성체의 원자나 분자에는 일반적으로 전자들이 모두 짝을 이루고 있어서, 외부 자기장이 없을 때는 전체적인 자기

                 모멘트가 거의 없다. 그런데 외부에서 자기장을 걸어 주면 전자의 운동에 변화가 생기면서 외부 자기장과 반대 방향의

                자기 모멘트가 유도된다.

  ※ 대표적인 반자성체 : 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 비스무트(Bi), 물(H₂O), 흑연(graphite)

  ※ 외부 자석에 대한 반응

          강자성체 🧲 → 강하게 끌림

          상자성체 🧲 → 약하게 끌림

          반자성체 🧲 → 약하게 밀려남

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3. 전력분야에의 적용

가. 초전도 케이블 (HTS 케이블)

  ▣ HTS 케이블은 High-Temperature Superconducting Cable, 즉 고온 초전도 케이블을 말한다.

       일반적인 전력 케이블은 구리나 알루미늄을 이용해 전류를 전달합니다. 하지만 전류가 흐르면 저항 때문에 열이 발생하고

       전력 손실이 생긴다. 반면 HTS 케이블은 고온 초전도체를 사용한다.

       초전도체를 특정 온도 이하로 냉각하면 전기저항이 매우 낮아져 사실상 직류 저항이 0에 가까운 상태가 된다. 따라서 같은 크기

       의 케이블로도 매우 큰 전류를 효율적으로 전송할 수 있다.

  ① 특징

    ㉠ 종래 케이블 대비 대전류 송전이 가능하고 손실이 극히 적고 소형 대용량 송전이 가능하다.

       - 손실률 (기존 케이블 7% → 3.5%, 전력수송 (3~5배 증대)

    ㉡ 계통전압의 단일화로 도심부 변전소를 생략할 수 있다.

    ㉢ 송전비용 절감 : 절연레벨 저하에 따른 송변전기기의 콤펙트화 및 전력기기의 가격 저감

    ㉣ 송전전압이 낮아져서 케이블 충전전류가 크게 감소한다.

         장거리 송전에 따른 충전용량의 장애가 줄어들고 충전용량 리액터 용량이 경감된다.

    ㉤ 케이블 소형화 : 동일 용량의 송전시 종래 케이블 대비 소요회선수가 대폭 감소한다.

    ㉥ 케이블 관로의 소형화 (건설비용의 절감) : 동일 용량기준 전력구 적격을 약 60% 작게 할 수 있다.

    ㉦ Surge Free : 절연열화 저감, 전압 안정성 향상, 순시전압저하 예방 등

  ② 현황

    ㉠ 발전기와 모선구간 등의 단거리 구간에 적용 가능 단계이다.

    ㉡ 장거리 초전도체의 선재 개발이 활발히 진행되고 있다.

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나. 초전도 에너지 저장장치 (SMES)

  ① 초전도 에너지 저장장치 (SMES)이란? 초전도 에너지저장장치 (SMES : Superconducting Magnetic Energy Storage,

       초전도 자기 에너지 저장장치)는 초전도체에 전류를 흘려 자기장 형태로 에너지를 저장하는 장치이다.

       일반적인 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환해서 저장한다. 반면 SMES는 전기 에너지를 자기장으로 직접 저장한다.

       핵심은 초전도 코일(superconducting coil)이다. 초전도 코일을 극저온으로

       냉각한 다음 큰 전류를 흘리면, 코일 주변에 강한 자기장이 형성되고 그 자기장에 에너지가 저장된다.

       저장 에너지는 대략 다음과 같습니다.

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마. 초전도 모터

  ① 고효율, 소형, 경량, 대용량화

  ② 동일 출력 대비 기존 모터에 비해 무게 1/3, 부피 1/5이하로 축소 가능

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바. 초전도 마그넷 (Superconducting Magnet)

  ① 초전도 마그넷이란 초전도체를 코일 형태로 감아서 전류를 흘림으로 자장을 발생하도록 고안한 전자석으로 강하고 균일한 자장

       을 발생시킬 수 있으며 가동 중에는 초전도성을 잃지 않게 하기 위해 임계온도 이하에 두어야 하는 특징이 있다.

  ② 가동 중에는 저항에 의해 손실이 발생하지 않고 많은 전류를 흘릴 수 있기 때문에 기존의 구리선과 철심을 사용하는 전자석보다

       가동에 들어가는 비용이 저렴하다.

  ③ 초전도 마그넷은 NMR, MRI, 입자가속기 등 여러분야에 사용되고 있다.

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사. 초전도 플라이휠 에너지 저장장치 (Superconducting Flywheel Energy Storage)

  ① 초전도 플라이휠은 초전도체 위에 영구자석을 내장한 원판형 몸체를 회전시켜 에너지를 저장한 후 운동 에너지를 다시 전력으

       로 바꾸는 장치이다.

  ② 플라이휠은 크게 세 부분으로 나누어져 있는데 초전도체와 영구자석을 내장한 디스크로 구성되어 있는 베어링, 회전에 의해

       운동에너지를 발생시키는 회전체, 동력발생 및 회전속도를 증가시키고 에너지 전환을 위한 모터와 발전기이다. 이외에도 진공,

       냉각, 제어장치 등이 필요하다.

  ③ 초전도체를 이용하여 에너지를 저장할 경우에는 마찰에 의한 에너지 손실이 거의 없고 임계온도 이하에서 자체 자장을 발생함

       으로써 외부 자장침투를 억제하는 마이스너효과 때문에 자기 부상의 안정성이 향상된다.

2. 초전도 현상은 왜 나타날까 ?

  ▣ 일반적인 금속에서는 전자가 거의 독립적으로 움직이지만, 낮은 온도에서는 전자 사이에 포논(격자의 진동)을 매개로 한 유효한

       상호작용이 생길 수 있다. 그 결과 전자 두 개가 서로 연결된 상태를 형성할 수 있는데, 이것을 쿠퍼쌍(Cooper pair) 이라고

       한다.

  ▣ 보통 쿠퍼쌍의 두 전자는 서로 반대되는 운동량과 스핀을 갖는 형태가 된다. 쿠퍼쌍들이 하나의 집단적인 양자 상태를 형성하면

       서 일반적인 전자 산란과는 근본적으로 다른 상태가 된다.

       그리고 초전도 상태에는 에너지 갭(energy gap)이 존재합니다.

       작은 에너지의 교란으로는 초전도 상태를 깨고 전자를 산란시키기가 어렵게 된다. 이런 이유로 특정 조건에서는 전류가 에너지

       를 거의 잃지 않고 흐를 수 있게 된다.

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3. 초전도체의 응용

  ① 초전도 자석들의 강력한 전자적 특성을 응용하여 MRI이나 NMR 기계, 질량 분석기, 입자가속기에 쓰이는 광선 조타 자석 등에

       사용된다.

  ② 자성에 따라 분리하는 자기 분리(Magnetic Seperation)하는 성질로 안료 산업에 사용할 수 있다.

  ③ 디지털회로, RF회로, Microwave 회로, 휴대전화 기지국을 만드는데 사용된다.

  ④ 일반 상태에서 초전도 상태로 전이할 때의 큰 저항 차이는 저온 열량계나 미소열량계의 온도계나 광자검출기를 만드는데 사용

       될 수 있다.

  ⑤ 전망이 있는 응용 예로는 초전도케이블, 고성능 변압기, 전력 저장장치, 전력전달기, 전기모터, 자기부상 장치, 과도전류 제한기

       등이 있다.