[논문]안전차단을 위한 축자계형 진공인터럽터의 전자계 현상 해석

서상현

가설 설정

매쉬가 많을수록 해석결과는 자세히 나오지만 계산속도가 매우 느려지므로 매쉬량을 적절히 선택하여 계산하여야 한다. 다음 표 1은 각 전극부의 재질과 도전율을 나타낸 것으로 전극부와 접점은 CuCr(Cr25%)로 구성되었고 아크는 도전율이 균일한 원통으로 가정하여 해석하였다. 아크주의 재질은 도전율이 상당히 적은 값인 2.
두께는 4mm이고 전극간 갭을 2mm로 설정하였다. 이는 차단 신호시 접점이 초기 개극과 더불어 발생하는 아크의 형성이 시작된다고 가정하였다. 입력전류는 60Hz, 50kA로 하였다.

제안 방법

유한요소법은 초기에는 복잡한 구조물의 응력해석을 위해 개발되었으나, 그 후 발전을 거듭하여 연속체 역학 분야 등 광범위한 분야에서 사용되고 있다. 구조물에 대해 요소의 공통되는 점, 선 및 면 등에서 여러 가지 경계조건을 사용하여 수식을 만들고, 이를 이용해 구조물 전체에 대한 연립 대수 방정식을 만들어 해를 구한다. 공통되는 점이나, 선, 면이 많아질수록 연립방정식이 커지게 되어 해를 구하는데 많은 계산이 필요하게 되었고, 이러한 특징으로 인하여 유한요소법은 컴퓨터의 발전속도와 비 례하여 발전하였다.
본 연구에서는 먼저 전극샘플을 설계, 제작하고 축자계형 진공인터럽터의 특성을 분석하기 위한 기본적인 전자계 해석과 그 설계의 유효함을 확인하기 위해 맥스웰 3차원 시뮬레이션으로 축자계 분포를 확인한다. 또한 설계된 전극을 실험장치에 장착하여 자속밀도, 전류 및 아크전압을 측정하므로써 축자계 진공 인터럽터의 특성을 해석한다.
따라서 외국 제품과 같은 전기적 안전 성능을 가진 Ⅵ를 개발하기 위해서는 더욱 더 많은 연구와 실험 및 지원이 필요하다. 본 연구에서는 먼저 전극샘플을 설계, 제작하고 축자계형 진공인터럽터의 특성을 분석하기 위한 기본적인 전자계 해석과 그 설계의 유효함을 확인하기 위해 맥스웰 3차원 시뮬레이션으로 축자계 분포를 확인한다. 또한 설계된 전극을 실험장치에 장착하여 자속밀도, 전류 및 아크전압을 측정하므로써 축자계 진공 인터럽터의 특성을 해석한다.
이러한 복잡한 구조물은 직접 절점과 요소를 찾는 것 보다 선, 면, 입방체로 이루어진 기하학적 모델을 먼저 구현한 후에 절점과 요소를 생성시키는 식으로 모델링하고 유한요소해석을 위한 요소와 절점 생성이 끝나면 요소의 물성치, 구속조건, 하중조건과 같은 해석조건을 입력한다. 위의 과정을 거쳐 완성된 유한요소 모델은 수치해석과정을 통해 해석이 수행되며 해석 결과를 후 처리과정을 통해 구조물의 변위, 응력 및 안정성 등을 평가한다.
전기안전확보에 가장 핵심이 되는 진공차단기내의 진공인터럽터를 정격전압 12kV, 입력전류는 50kA, 접점직경이 80mm, 전극이 100mm, 두께는' 4mm, 접점간 갭은 2mm, 아크주는 지름이 2mm로 설계하여 맥스웰 3D 전자계 시뮬레이션에 의해 전계, 자계, 전류밀도를 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
상부접점과 하부접점사이의 축자계가 생성됨을 확인함으로써 본 전극이 강한 축자계를 형성하여 아크 플라즈마를 전극 표면에 고르게 퍼지게 하여 소호시킨다고 예상된다. 전류밀도의 분포는 대체적으로 슬롯부근에서 집중되는 현상을 확인하였다. 이로인해 슬롯부근에서 강한 축자계가 발생이 되었다.

대상 데이터

그림 3은 접점간의 간격이 2mm인 진공차단기 접점의 모델링으로 아크주의 지름은 2mm이다. 그리고 접점의 성분은 현재 진공차단기에서 많이 사용이 되는 CuCr을 사용하였고 Cr이 25%로 함유된 것으로 결정하였다. 유한요소 해석을 위한 매쉬의 값은 2500Q개의 사각매쉬이고 주로 슬릿부근과 아크주 부근에서 더 많은 매쉬가 이루어 졌다.
본 연구에서 시뮬레이션한 모델은 정격전압 12kV이고 접점은 직경이 80mm, 전극은 100mm, 두께는 4mm이고 전극간 갭을 2mm로 설정하였다. 이는 차단 신호시 접점이 초기 개극과 더불어 발생하는 아크의 형성이 시작된다고 가정하였다.

데이터처리

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

성능/효과

1. 접점 전체에서의 전계 분포는 균등하게 나타났지만 아크쪽에서의 국부적인 전계집중화로 인해 전극용융이 발생할 가능성이 있다.
2. 상부접점과 하부접점사이의 축자계가 생성됨을 확인함으로써 본 전극이 강한 축자계를 형성하여 아크 플라즈마를 전극 표면에 고르게 퍼지게 하여 소호시킨다고 예상된다. 전류밀도의 분포는 대체적으로 슬롯부근에서 집중되는 현상을 확인하였다.
3. 전극의 연결부분과 접점의 접촉면 부근은 대체로 강한 축자계가 형성되었지만 전극의 중심부분쪽은 자속밀도가 낮으므로 전극설계시 전극중심에서 아크가 발생하지 않게 하여야만 안전 차단이 성공된다고 사료된다.
그 기본 구조는 다음의 그림 1에 나타내었다. Ⅵ는 그 구조가 가동접점, 고정접점, 로드, 아크실드, 코일형태 전극, 벨로우즈로 구성되는 Ⅵ에서 핵심이 되는 전극부분의 구성은 접점, 주전극, 코일전극, 그리고 로드로 구성되었고 그림 2에서 전류가 코일전극을 따라 돌면서 축방향 자계가 생성되어 아크 에너지를 효과적으로 제어하는 것을 알 수 있다.
나타난 전계만을 나타내었다. 상부전극에서 코일 전극을 통해 접점으로 갈수록 전계의 분포가 더욱 더 증가함을 확인 할 수 있었다. 특히나 아크쪽에서는 많은 전계의 집중으로 이로 인해 접점의 국부적인 용융현상이 발생하는 것을 확인하였다.
2E8[A/m2]이다. 전류밀도가 수평방향으로 진행되면서 많은 집중화현상이 나타났고 이로 인해 축자계의 증가가 이루어짐을 확인하였다.
코일 전극을 통해서 주전극, 그리고 접점 쪽으로 축자계가 나타났다. 특히 상부접점과 하부접점사이의 축자계가 생성이 됨을 확인함으로써 본 전극이 강한 축자계를 형성하여 아크 플라즈마를 전극 표면에 고르게 퍼지게 하여 소호 시킨다는 예상을 할 수 있다. 하지만 접점 중앙 쪽으로는 강한 축자계가 생성이 되었지만 접점의 외부로 가면 횡자계도 조금 나타났는데 이는 복잡한 전류경로에 의해 전류의 방향이 수직인 부분이 있기 때문이다.

후속연구

일반적으로 유한요소법의 장점은 기하학적 형상, 하중 및 경계조건 등에 제한이 없고 여러 가지 복합재료로 이루어진 연속체에도 적용이 가능하다. 또한 물성치 및 거동의 비선형도 적용이 가능하고 응력해석, 진동, 열, 유동해석 등 공학의 모든 분야에서 활용이 가능하다. 하지만 결과의 신뢰성 평가는 경험이 필요하고 국부 응력 해석 시에는 일반적으로 모델링이 어렵다.

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