[논문]고온초전도코일 모의전극계에서 기포거동 및 부분방전개시전압의 추정

석복렬; 최명준; 김용한; 김진수; 김종구

문제 정의

본 연구에서는, 부분방전개시전압의 추정법을 규명하는데 연구의 목적이 있으므로 실험결과에 대한 설명이 부족한 점이 있으나, 부분방전개시전압의 실험결과 및 이론적 추정법에 의한 추정치와의 자세한 비교는 향후 본 논문지를 통하여 보고하기로 한다.
본 연구에서는, 전극계가 상당히 복잡하기 때문에 계산을 간단히 하기 위하여, 그림 2에서 볼 수 있는바와 같이 ITO-코일 전극계의 대칭성을 고려하여 Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ의 영역을 2차원적으로 도출하였으며 전하중첩법을 이용하여 전계계산을 하였다. 또한, 그림에 나타나 있는 바와 같이 코일전극의 중심을 좌표계의 원점으로 하였다.

가설 설정

1) 기포는 코일전극 표면에서 발생하고 초기속도 0으로 출발한다.
2) 액체 및 기포는 대전되어 있지 않고 액체는 정지하고 있다.
3) 기포는 반경 0.5mm의 구형이다.
4) 기포가 전극에 충돌할 경우. 충돌 전·후의 속도는,
본 연구에서는 기포의 반경을 0.5mm로 가정하였으므로 기포거동의 궤적은 전극계 및 FRP, 유리벽으로부터 0.5mm이상의 거리를 갖는다.

제안 방법

6mm)에 투명전극(ITO)막을 증착한 ITO 막전극(이하에서는 ITO전극)으로 모의하여 전극의 외부로부터 기포거동을 관측하였다. 그리고 코일의 선단으로부터 ITO전극의 내부표면까지의 거리를 냉각통로의 폭(I_c)으로 정의하였으며, 수회에 걸친 예비실험에 의한 기포직경(약 1mm)을 고려하여 I_c= 0.25~4mm로 변화하면서 실험 및 계산결과를 비교하였다.
본 연구에서는 그림 1에서 볼 수 있는바와 같이 FRP로 만들어진 원통형의 표면에 패인 홈을 따라 동 파이프를 고정한 코일전극으로 초전도 코일을 모의하였다. 그리고, 초전도 권선에서 퀜치 시에 발생되는 기포를 모의하기 위하여 동 파이프 내부에는 망가닌선(저항 0.106Ω/cm)을 내장하여 에폭시 수지로 고정시켰다. 별층의 초전도 코일을 코일전극과 유리원통(두께 1.
첨자(1),(2)는 각각 충돌 전·후의 값을 나타낸다. 또한 기포의 반경과 충돌계수는 수회에 걸친 예비실험에 의해 결정하였다.
106Ω/cm)을 내장하여 에폭시 수지로 고정시켰다. 별층의 초전도 코일을 코일전극과 유리원통(두께 1.6mm)에 투명전극(ITO)막을 증착한 ITO 막전극(이하에서는 ITO전극)으로 모의하여 전극의 외부로부터 기포거동을 관측하였다. 그리고 코일의 선단으로부터 ITO전극의 내부표면까지의 거리를 냉각통로의 폭(I_c)으로 정의하였으며, 수회에 걸친 예비실험에 의한 기포직경(약 1mm)을 고려하여 I_c= 0.
본 연구에서는 고온초전도코일을 모의한 전극계에서 기포의 거동메커니즘과 PD개시전압특성에 대하여 전계계산을 기본으로 한 수치적 방법을 통하여 추정하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
. 본 연구에서는 그림 1에서 볼 수 있는바와 같이 FRP로 만들어진 원통형의 표면에 패인 홈을 따라 동 파이프를 고정한 코일전극으로 초전도 코일을 모의하였다. 그리고, 초전도 권선에서 퀜치 시에 발생되는 기포를 모의하기 위하여 동 파이프 내부에는 망가닌선(저항 0.
본 연구에서는 지금까지의 고온초전도 변압기 및 한류기용 고온초전도코일에 대한 고전압 절연연구의 경험을 바탕으로, 동심원통형 고온초전도 코일을 모의한전극계 내부의 액체질소 중에 발생한 기포거동의 메커니즘 및 유기된 기포내부에서 발생하는 부분방전(PD)의 개시전압(V_PD)을 전계계산을 바탕으로 한 수치적 방법을 이용하여 추정하였다.
한다. 본 전극계에서는 전계를 해석적으로 도출하는 것이 불가능하기 때문에 수치적 방법(전하중첩법 )을 이용하여 전계분포를 구하고, 그 결과를 바탕으로 불평등 전계 하에서 기포거동의 계산(식 (4-1)참조)에 필요한 그래디엔트력의 분포를 계산하였다.

대상 데이터

그 외의 d, l_i, p는 각각 8mm. 2mm, 6mm로 하였다. 또한, 원점에서 x축으로부터 시계방향으로 θ를 표시하여 기포의 출발위치를 표시하였다.
또한, 그림에 나타나 있는 바와 같이 코일전극의 중심을 좌표계의 원점으로 하였다. 본 연구에서는, 전극계와 같이 코일전극의 반경은 1.5mm로 하고. 그 외의 d, l_i, p는 각각 8mm.

성능/효과

1) 전계계산을 바탕으로 한 기포의 운동방정식에 따른 기포의 거동특성 및 트랩개시전압의 추정결과가 실험결과와 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 이것으로 본 연구에서 사용한 기포거동의 추정법을 이용한 기포의 거동특성 규명이 가능할 것으로 생각된다.
2) 극저온 액체질소 내부에 유기된 기포로 인하여 부분방전이 발생하는 경우에는 기존의 스트리머 이론을 이용하여 부분방전개시전압의 추정이 가능하다는 것을 확인하였다.
3) 기포의 트랩개시전압은 기포내부의 부분방전개시 전압보다 훨씬 낮은 전압에서 전계가 약한 곳으로 트랩된다는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 고온초전도코일형 전력기기의 설계시에는 트랩된 기포의 흐름을 방해하지 않고 기기 외부로 배출할 수 있는 구조가 되도록 설계초기부터 고려하여야 한다.
그리고. 기포내부의 부분방전개시전압보다 훨씬 낮은 전압에서부터 기포는 전계가 약한 곳으로 트랩된다는 것을 알 수 있었다. 위의 결과로부터, 초전도 전력기기의 설계 시에는 기포의 발생으로 인한 전력기기의 절연저하를 방지하기 위해서는, 발생된 기포가 인가된 전압으로 인하여 트랩된 후 기기의 외부로 배출될 수 있도록 설계상의 주의가 요구된다.
위의 결과로부터 본 연구에서 도입한 기포의 운동방정식을 이용한 기포거동 및 트랩개시전압의 추정 방법이 유효하다는 것을 알 수 있다.
기포내부의 부분방전개시전압보다 훨씬 낮은 전압에서부터 기포는 전계가 약한 곳으로 트랩된다는 것을 알 수 있었다. 위의 결과로부터, 초전도 전력기기의 설계 시에는 기포의 발생으로 인한 전력기기의 절연저하를 방지하기 위해서는, 발생된 기포가 인가된 전압으로 인하여 트랩된 후 기기의 외부로 배출될 수 있도록 설계상의 주의가 요구된다.

후속연구

본 연구에서 사용된 전극계와 같이, 불평등 전계에 있어서 트랩된 기포내부에 발생하는 부분방전 개시전압은 스트리머 이론을 이용한 다음의 식으로 계산이 가능할 것으로 사료된다^[7].
이것으로 본 연구에서 사용한 기포거동의 추정법을 이용한 기포의 거동특성 규명이 가능할 것으로 생각된다.

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