[논문]축자계형 진공인터럽터의 전자계 현상 해석

하성철; 서상현

doi:10.4313/jkem.2003.16.10.952

[국내논문] 축자계형 진공인터럽터의 전자계 현상 해석
Analysis of the Electromagnetic Phenomena in Vacuum Interrupter with Axial Magnetic Field Type 원문보기

The purpose of this paper is analyses about in 12kV/50kA vacuum interrupter with an axial magnetic field type electrode system through the studies of electromagnetic phenomena. Vacuum interrupter is important in electric safety part. In this paper, we performed analysis of electric field, magnetic field, current density in AMF electrode using the Maxwell 3D simulation. The current distribution and magnetic field in simple models are analyzed to verify its efficiency and accuracy. In addition the validity of FEM is confirmed by performing the analyses of distribution in current density and magnetic flux density.

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문제 정의

따라서 외국 제품과 같은 전기적 안전 성능을 가진 VI를 개발하기 위해서는 더욱 더 많은 연구와 실험 및 지원이 필요하다. 본 연구에서는 이 축자계형 VI의 전자계해석을 맥스웰 3D시뮬레이션으로 분석하려고 한다[1].

가설 설정

다음 표 1은 각 전극부의 재질과 도전율을 나타낸 것으로 전극부와 접점은 CuCr(Cr25%)로 구성 되었고 아크는 도전율이 균일한 원통으로 가정하여 해석하였다. 아크주의 재질은 도전율이 상당히 적은 값인 2.

제안 방법

고압 진공차단기의 전기안전확보에 가장 핵심이 되눈 진공인터 럽터를 정격 전압 12 kV, 입력 전두f吨: 50 kA, 접점직경이 80 mm, 전극이 100 mm, 두께 눈 4 mm, 접점간 갭은 10 mm로 설계하여 맥스웰 3D 전자계 시뮬레이션에 의해 전계, 자계, 전류밀 도를 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

그림 3은 접점간의 간격이 10 mm인 진공차단기 접점의 모델링으로 아크주의 지름은 4mm이다. 그리고 접점의 성분은 현재 진공차단기에서 많이 사용이 되는 CuCr을 사용하였고 Cr이 25%로 함유된 것으로 결정하였다.
진공아크에 평행한 자계를 인가하는 축자계 방식은 아크전압을 감소시켜 양극으로 입력되는 아크에너 지를 최소화시킨 방법으로 보통- 30 V 전, 후의 적은 전압이다. 본 연구에서 시뮬레이션한 모델은 정격전압 12 kV이고 접점은 직경이 80 mm, 전극은 100 mm, 두께는 4 mm이고 전극간 갭은 10 mm로 설정하였다. 입력전류는 60 Hz, 50 kA로 하였다.

데이터처리

맥스웰 방정식으로부터 전계해석은 식(2.3)을 이용하여 맥스웰 3D시뮬레이션에서 계산하였다. 여기서, D는 전속밀도이며, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

성능/효과

1. 전계분포는 접점 접촉부에서는 균등하게 나타났지만 와전류 감소를 위해 생성한 슬릿 주위의 전계는 6E5 V/m로 접점의 접촉면보다 적게 나타났다.
2. 상부접점과 하부접점사이의 축자계가 생성이 됨을 확인함으로써 본- 전극이 강한 축자계를 형성 하여 아크 플라즈마를 전弓 표면에 고르게 퍼지게 하여 소호시킨다고 예상된다.
3. 전류밀도의 분포는 대체적으로 슬롯부근에서 집중되는 현상을 확인하였다. 이로 인해 슬롯부在 에서 강한 축자계가 발생이 되었다.
4. 전극의 연결부분과 접점의 접촉면 부#은 대체로 강한 죽자계가 형성되었지만 전득의 중심부 분쪽은 자속밀도가 낮으므로 전극설계시 전극중 심에서 아크가 발생하지 않게 하여야 한다.
그림 5는 접 점간 간격이 10 mm인 전汗의 전계 해석을 앞쪽에서 본 모습으로 전극의 표면에 나타난 전계만을 나타내었다. 상부전W■에서 전극봉 부분의 전계는 1.9E4 V/m이고 코일 전극을 통해 접 점으로 갈수록 전계의 분포가 더욱 더 증가함을 확인할 수 있었다. 접점부분의 전계는 1.
그림 9는 자계의 서)기를 벡터도를 이용해서 나타낸 것으로 로드부쪽은 횡자계가 나타났지만 코 일 전극을 통해서 주전극, 그리고 접점 쪽으로 축 자계가 나타났다. 특히 상부접점과 하부접점사이의 축자계가 생성이 됨을 확인함으로써 본 전극이 강한 축자계를 형성하여 아크 플라즈마를 전극 표면 에 고르게 퍼지게 하여 소호 시킨다는 예상을 할 수 있다. 하지만 접점 중앙 쪽으로는 강한 축자계 가 생성이 되었지만 접점의 외부로 가면 횡자계도 조금 나타났는데 이는 복잡한 전류경로에 의해 전 류의 방향이 수직인 부분이 있기 때문이다.
아크를 가두는 효과를 내는 중앙의 홀 부분에는 이보다 적은 값인 1E6 V/m정도의 전계가 나타났다. 하지만 와전류 감소를 위해 생성한 슬릿부의 전계는 6E5 V/m으로 접 점의 접촉면보다 전계가 적게 나타나는 현상이 있음을 확인하였다.

후속연구

■그래서 열역학적인 분야의 연구 또한 상당히 필요한 실정이다. 따라서 외국 제품과 같은 전기적 안전 성능을 가진 VI를 개발하기 위해서는 더욱 더 많은 연구와 실험 및 지원이 필요하다. 본 연구에서는 이 축자계형 VI의 전자계해석을 맥스웰 3D시뮬레이션으로 분석하려고 한다[1].

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