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초고압 변전소의 핵심 설비 중 하나인 차단기는 전력계통에서 발생하는 고장전류를 차단함으로서 다른 전력기기나 계통을 보호하는 역할을 한다. 최근 설치면적이 작고 환경에 무해한 차단기에 대한 수요가 꾸준하게 제기되고 있다. 이로 인해 차단기의 복잡한 물리적 현상을 정확하게 모의할 수 있는 수치해석 기법이 요구되고 있다. 그러나 고온의 아크 플라즈마 현상을 정교하게 모의하기란 매우 어렵다. 본 논문의 목표는 해석기술 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 복사열전달 계산을 빠르고 정확하게 해석할 수 있는 개량된 기법을 개발하는 것이다. 이를 위해 본 논문에서는 우선 차단과정에서 발생하는 물리적 현상들을 정확하게 전산 해석할 수 있는 기법을 개발하였다. 차단기 내에서 발생하는 물리적 현상들을 살펴보면 아크 플라즈마에 의한 고온・고압의 비이상기체 법칙, 복사열전달과 이로 인한 노즐용삭, 노즐 부위에서 발생하는 초음속, 접점용융, 난류 등이 있다. 이 중 복사열전달로 인한 노즐용삭은 아크의 물리적 속성을 변화시키고 차단성능에 직접적인 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다. 그러나 복사열전달을 정교하게 해석하기 위해서는 복잡한 ...

초고압 변전소의 핵심 설비 중 하나인 차단기는 전력계통에서 발생하는 고장전류를 차단함으로서 다른 전력기기나 계통을 보호하는 역할을 한다. 최근 설치면적이 작고 환경에 무해한 차단기에 대한 수요가 꾸준하게 제기되고 있다. 이로 인해 차단기의 복잡한 물리적 현상을 정확하게 모의할 수 있는 수치해석 기법이 요구되고 있다. 그러나 고온의 아크 플라즈마 현상을 정교하게 모의하기란 매우 어렵다. 본 논문의 목표는 해석기술 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 복사열전달 계산을 빠르고 정확하게 해석할 수 있는 개량된 기법을 개발하는 것이다. 이를 위해 본 논문에서는 우선 차단과정에서 발생하는 물리적 현상들을 정확하게 전산 해석할 수 있는 기법을 개발하였다. 차단기 내에서 발생하는 물리적 현상들을 살펴보면 아크 플라즈마에 의한 고온・고압의 비이상기체 법칙, 복사열전달과 이로 인한 노즐용삭, 노즐 부위에서 발생하는 초음속, 접점용융, 난류 등이 있다. 이 중 복사열전달로 인한 노즐용삭은 아크의 물리적 속성을 변화시키고 차단성능에 직접적인 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다. 그러나 복사열전달을 정교하게 해석하기 위해서는 복잡한 흡수계수 물성치를 간략하게 처리해야 하는 문제가 있다. 이전 연구들에서 복사열전달 계산은 순방출계수(Net emission coefficient)를 이용하여 간단하게 취급되어졌다. 최근에는 하드웨어와 수치해석기법의 급격한 발전으로 흡수계수를 직접 복사열전달에 적용하게 되었다. 이 경우 흡수계수를 주파수에 따른 몇 개의 구간으로 나눈 후 구간 내에서는 흡수계수의 평균값을 이용한다. 이 기법의 단점은 주파수 구간을 나눌 때 적용할 수 있는 일반적인 방법이 없다는 것이다. 따라서 필요 이상의 많은 구간들이 필요하고 실제 차단기의 해석에 적용하기에는 계산시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 흡수계수의 구간을 최소 개수로 나누되 정확도는 유지되어야 한다. 본 논문에서는 복사열전달 계산에 필요한 흡수계수를 Planck averaging with limiter를 이용하여 간략화하고 복사열전달 방정식은 Discrete ordinates method로 해석하였다. 주파수 구간, 즉 Band의 개수는 20, 10, 7, 5 그리고 3개의 모델을 제시하였다. 본 논문의 가장 흥미로운 점은 주파수 구간을 나눌 때 노즐용삭에 기여하는 비중에 따라서 나눈다는 것이다. Band별로 아크 내에서 흡수되거나 방출되는 비중에 따라서 노즐용삭에 기여할 수 있는 비중이 다르다. 노즐용삭에 대한 기여도는 용삭 벽면에 흡수되는 radiative heat flux를 검토하여 알 수 있다. 간단한 원통형 노즐 모델에 20개의 Band 모델을 적용하여 노즐용삭량을 계산하였다. 계산된 결과로부터 용삭 벽면에서의 Band별 absorbed radiative flux를 구하였다. 그리고 absorbed radiative flux의 크기별로 Band를 재구성하였으며, 7, 5 그리고 3 Bands 모델을 제시하였다. 제시된 모델을 원통형 노즐에 적용하여 계산을 수행하였다. 그 결과 7 Bands 모델이 20Bands 모델보다 측정값에 더 근사함을 확인하였다. 제안된 모델을 145kV 차단기에 적용하였다. 동일한 7, 5 그리고 3 Bands 모델이 적용되었다. 측정값과 비교한 결과 7 Bands 모델은 10 Bands 모델과 가장 유사한 계산결과를 나타내 보였다. 5 와 3 Bands 모델은 정량적인 값에서 7 Bands 모델보다 부정확하였으나 정성적인 추세는 잘 일치하였다. 차단기의 열적차단성능을 파악할 수 있는 전류영점 근처에서의 G200과 아크후전류를 계산하였으며, 차단시험 결과와 비교하였다. 그 결과 7 Bands 모델이 10 Bands 모델과 가장 유사함을 확인하였다. 5와 3 Bands 모델은 정량적인 측면에서 약간의 오차는 있지만 정성적인 추세는 잘 일치함을 확인하였다. 계산시간의 측면에서는 7 Bands 모델이 10 Bands 모델에 비해 30% 정도 줄어들었다. 이 중 3 Bands 모델의 계산시간은 10 Bands 모델의 30% 정도에 불과하였다. 따라서 3 Bands 모델은 피시품의 정성적인 추세를 파악하기 위한 좋은 설계 도구가 될 것으로 판단한다. 향후 본 연구결과가 145kV급 이상의 초고압 SF6 차단기뿐만 아니라 SF6-Free 친환경 차단기 개발에서도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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