[논문]초고압 <tex>$SF_6$</tex>가스차단기의 소전류 차단성능 해석기술 II

송기동; 이병윤; 박경엽; 박정후

초고압 $SF_6$가스차단기의 소전류 차단성능 해석기술 II
Evaluation Method II of the Small Current Breaking Performance of SF$_6$-Blown High-Voltage Gas Circuit Breakers 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.50 no.8, 2001년, pp.384 - 391

송기동 (한국전기연구원 신전력기기그룹) , 이병윤 (한국전기연구원 신전력기기그룹) , 박경엽 (한국전기연구원 신전력기기그룹 그룹장) , 박정후 (부산대 공대 전자전지통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The insulation strength between contacts after current interruption to the transient recovery voltage i.e., the dielectric recovery strength should be estimated for the evaluation of the small capacitive current interruption capability. Many authors have used theoretical and semi-experimental approaches to evaluate the transient breakdown voltage after the current interruption. Moreover, an empirical equation, which is obtained from a series of tests, has been used to estimated the dielectric recovery strength. Un this paper, the theoretical method which is generated from the streamer theory has been applied to real circuit breakers in order to evaluated the interruption capability. The results of analysis have been compared with the test results and the reliability has been investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가스방전의 일시적인 성장을 정밀하게 예측하는 것은 대단히 어렵고 복잡하며 또한, 전하의 연속방정식에 대한 해가 필요하다. 이러한 복잡성 때문에 스트리머 성장에 대한 이론의 완전한 정립이 어려웠고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 경험적인 값들이 절연파괴의 특성을 나타내기 위해 채용되었다. Pedersen은 전자사태의 지수 함수적인 성장을 고려하여 전기적인 절연파괴에 대하여 다음과 같은 조건을 제시하였다[9].

가설 설정

스트리머 이론은 한 개의 초기전자에 의해 유발된 전자사태의 성장이 불안정하게 되어 절연파괴를 초래한다고 가정한다. Meek[8]는 전자사태의 불안정을 일으키는 주요 요인은 전자사태(electron avalanche)의 앞 부분에 위치한 공간전하에 의해 형성된 전계때문이라는 가설을 제시하였다.

제안 방법

2) 가스 차단기의 소전류 차단성능을 평가하기 위해 냉가스 유동해석과 전계해석이 스트로크에 따라 수행되었으며, 그 해석결과들을 스트리머 이론에서 유도된 식에 대입하여 실제 차단기의 소전류 차단성능을 예측하였다. 또한, 차단기의 소 전류 차단성능은 고정아크 접점이 노즐 목과 하류장 시작점 사이에 위치해 있을 때의 전계의 세기와 충격파의 형성에 따라 결정된다는 사실을 시험과 해석결과로부터 확인할 수 있었다.
저자들은 가스차단기의 소전류 차단성능을 예측하는데 있 어서, 이론식을 적용한 평가방법뿐만 아니라 경험식을 적용한 평가방법을 동시에 병행하여 사용하여 왔다. 본 논문은 그 중에서 이론적인 평가방법에 초점을 맞추어 실제의 차단부에 적용하였고 시험결과와 비교하였으며, 최종적으로 그 평가방 법의 유용성에 대해서 검토하였다.
본 연구에서는 유동해석 프로그램에 전계해석 프로그램을 작성, 삽입하여 동일한 계산격자를 가지고 유동해석과 전계해 석을 동시에 수행하였다. 또한, 프로그램으로 작성된 전계해석 결과를 검증하기 위해 전계해석의 일반적 상용 프로그램 인 “Flux2D”를 사용하였다.
차단기의 소전류 차단성능을 평가하는데 있어서, 그림 6 과 같이 고정아크 접점의 선단부분을 집중적으로 검토한다. 왜냐하면, 이 부분이 차단기 전체에 걸쳐 전계강도가 가장 크며, 초음속 유동(supersonic flow)에 의해 충격파가 발생하여 가스밀도가 급격히 감소하기 때문이다.

대상 데이터

소전류 차단성능의 평가방법을 검증하기 위해 정격전압 362kV급 파퍼형 가스차단기 2대가 사용되었다.

데이터처리

본 연구에서는 유동해석 프로그램에 전계해석 프로그램을 작성, 삽입하여 동일한 계산격자를 가지고 유동해석과 전계해 석을 동시에 수행하였다. 또한, 프로그램으로 작성된 전계해석 결과를 검증하기 위해 전계해석의 일반적 상용 프로그램 인 “Flux2D”를 사용하였다. 그 결과에서 전계 값은 큰 차이를 나타내지는 않지만, 유동해석과 전계해석을 동시에 수행하기 위해서는 차단부의 이동에 따른 전계 값의 정확성을 위해 계산격자의 수와 계산시간도 크게 소요된다.

이론/모형

참고문헌 [13]에 설명하고 있는 것처럼, 차단부내의 냉가스 유동해석을 위해 상용 CFD(computationsil fluid dynamics) 프로그램 "PHOENICS”가 사용되었다. 이 프로그램에 사용자가 직접 작성한 차단부의 형상, 계산격자, 스트로크에 따른 차단부의 이동, 경계조건 등이 추가되었다.
처음에, 전위 값(potential value) Φ1, Φ2가 각각 가동아크접 점과 고정아크접점에 주어진다. 이 후에, 차단부내의 전위는 다음의 라플라스 방정식(Laplace's equation)을 풀어서 얻어 진다.

성능/효과

1) 소전류 차단성능의 평가방법을 검증하기 위해, 362kV급 파퍼형 가스차단기 2대가 사용되었으며, 단지 노즐형상의 변경만으로도 차단성능이 크게 달라진다는 것을 실제 시험으로 확인하였다.
그림 7은 모델A 차단기의 파퍼실린더와 고정아크 접점 선단에서의 압력상승을 계산결과와 측정결과를 비교한 것이다. 계산된 결과 값은 전반적으로 측정값과 잘 일치하고 있지만, 파퍼 실린더의 최대값에서 계산결과가 측정결과보다 약 8% 높게 나타나고 있다. 이것은 계산과정에서 실제 일어날 수 있는 누설량을 고려하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
2) 가스 차단기의 소전류 차단성능을 평가하기 위해 냉가스 유동해석과 전계해석이 스트로크에 따라 수행되었으며, 그 해석결과들을 스트리머 이론에서 유도된 식에 대입하여 실제 차단기의 소전류 차단성능을 예측하였다. 또한, 차단기의 소 전류 차단성능은 고정아크 접점이 노즐 목과 하류장 시작점 사이에 위치해 있을 때의 전계의 세기와 충격파의 형성에 따라 결정된다는 사실을 시험과 해석결과로부터 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 연구의 결과로 차단기의 소전류 차단성능을 설계단계에서 사전에 미리 평가할 수 있게 되었다.

후속연구

3) 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 예측된 결과는 시험에서 나타난 취약지점을 포함하고 있으나 다소 과도하게 평가된 결과를 보이고 있어 향후 신뢰성에 대한 연구가 필요한 것으로 나타났다. 하지만, 여러가지 변수의 실제상황을 고려할 때 다소 과도하게 평가되는 것이 오히려 충분한 여유를 확보하는 데 유리한 것으로 판단된다.

참고문헌 (13)

Michel Landry, Robert Jeanjean, 'Dielectric withstand and breaking capacity of SF6 circuit breakers at low temperatures', IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 3, pp1029-1035, 1988

상세보기
E. Schade, K. Ragaller, 'Dielectric Recovery of an Axially Blown SF6-Arc After current zero: Part I -Experimental Investigations', IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS-10, No. 3, pp141-153, 1982
K. Ragaller, W. Egli, K. P. Brand, 'Dielectric Recovery of Axially Blown SF6-Arc After current zero: Part II-Theoretical Investigations', IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS-10, No. 3, pp154-162, 1982
K. P. Brand, W. Egli et al., 'Dielectric Recovery of Axially Blown SF6-Arc After current zero: Part III-Comparison of Experiment and Theory', IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS-10, No. 3, pp162-172, 1982
F. Endo, M. Sato, et al., 'Analytical Prediction of Transient Breakdown Characteristics of SF6 Gas Circuit Breakers', IEEE Transactions on Power Delivery, 89 WM 075-3, pp1731-1737, 1989

상세보기
Allan Greenwood, Electrical Transients in Power Systems, John & Sons, Inc., pp92-122, 1991
A. Pedersen, 'Criteria for Spark Breakdown in Sulfur Hexa-fluoride', pp2043-2048, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, 1970

상세보기
J. M. Meek and J. D. Craggs, Electrical breakdown of gases. Wiley, 1978
A. Pedersen, 'On the electrical breakdown of gaseous dielectrics', pp721-739, IEEE Trans. on Electrical Insulation, 24(5), 1989

상세보기
R. Morrow, 'A survey of the electron and ion transport properties of $SF_6$ ', pp234-239, IEEE, Plasma Science, PS-14(3), 1986
International Electrotechnical Commission, International Standard IEC 56 pp191-203, 1998
Kunio Nakanishi, Switching Phenomena in High-Voltage Circuit Breakers, Marcel Dekker, Inc., pp15-21, 1991
송기동, 박경엽, 송원표, '초고압 가스차단부내의 냉가스 유동해석', 대한전기학회 논문지 49권 6호, pp387-394, 2000년

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