본 연구에서는 구-구갭을 수평 배치하였을 때, 연소화염에 의한 교류 및 직류 플래시오버전압 특성을 조사하였다. 화염에 의한 플래시오버 극성을 조사하기 위해 전압 및 전류파형을 측정하였으며, 플래시오버가 발생되기 전에 쿨롱력에 의한 화염의 형상 변화를 관찰하였다. 또한 플래시오버 전압의 저하 요인으로서 상대공기밀도의 저하 및 연소화염의 열전리 영향에 대해 고찰하였다. 실험 결과, 구-구갭에서 접지측 전극과 갭길이의 비를 k라고 할 때, 화염위치 k:0(접지측), k=0.5(중앙부) 및 k=1.0(전원측)인 경우 화염에 의한 교류 섬락전압의 평균값은 화염이 없을 때에 비해 각각 79.9, 82.9 및 $87.5[\%]$ 저하되었으며, 또한 화염의 높이 h=0, h=5 및 h=9[cm]일 때 교류 플래시오버 전압의 평균값은 화염이 없는 경우를 기준으로 하였을 때 각각 85.0, 40.8 및 $28.2[\%]$ 저하되었다. 소규모 연소화염에서의 열전리 영향은 크지 않는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 구-구갭을 수평 배치하였을 때, 연소화염에 의한 교류 및 직류 플래시오버전압 특성을 조사하였다. 화염에 의한 플래시오버 극성을 조사하기 위해 전압 및 전류파형을 측정하였으며, 플래시오버가 발생되기 전에 쿨롱력에 의한 화염의 형상 변화를 관찰하였다. 또한 플래시오버 전압의 저하 요인으로서 상대공기밀도의 저하 및 연소화염의 열전리 영향에 대해 고찰하였다. 실험 결과, 구-구갭에서 접지측 전극과 갭길이의 비를 k라고 할 때, 화염위치 k:0(접지측), k=0.5(중앙부) 및 k=1.0(전원측)인 경우 화염에 의한 교류 섬락전압의 평균값은 화염이 없을 때에 비해 각각 79.9, 82.9 및 $87.5[\%]$ 저하되었으며, 또한 화염의 높이 h=0, h=5 및 h=9[cm]일 때 교류 플래시오버 전압의 평균값은 화염이 없는 경우를 기준으로 하였을 때 각각 85.0, 40.8 및 $28.2[\%]$ 저하되었다. 소규모 연소화염에서의 열전리 영향은 크지 않는 것으로 나타났다.
In this paper, reduction characteristics of the AC and DC flashover voltage in the horizontal air gap of sphere-sphere electrode system were investigated when the combustion flame was present near the high voltage electrode. The voltage and current waveforms were measured, when the flashover is occu...
In this paper, reduction characteristics of the AC and DC flashover voltage in the horizontal air gap of sphere-sphere electrode system were investigated when the combustion flame was present near the high voltage electrode. The voltage and current waveforms were measured, when the flashover is occurred, in order to examine the flashover polarity by flame. The reduction characteristics of AC flashover voltage were discussed with the thermal ionization process, the relative air density and the deflection phenomena in the shape of flames that caused by the coulomb's force. As the results of an experimental investigation, It was found that the reduction of flashover voltages in sphere-sphere system, in comparison with the no flame case, are $79.9[\%]$ for k=0, $82.9[\%]$ for k=0.5, $87.5[\%]$ for k=1.0, $85.0[\%]$ for h=0[cm], $40.8[\%]$ for h=5[cm] and $28.2[\%]$ for h=9[cm] when ac voltage is applied. The influence for thermal ionization process of the combustion flame in small scale no particular change is recognized.
In this paper, reduction characteristics of the AC and DC flashover voltage in the horizontal air gap of sphere-sphere electrode system were investigated when the combustion flame was present near the high voltage electrode. The voltage and current waveforms were measured, when the flashover is occurred, in order to examine the flashover polarity by flame. The reduction characteristics of AC flashover voltage were discussed with the thermal ionization process, the relative air density and the deflection phenomena in the shape of flames that caused by the coulomb's force. As the results of an experimental investigation, It was found that the reduction of flashover voltages in sphere-sphere system, in comparison with the no flame case, are $79.9[\%]$ for k=0, $82.9[\%]$ for k=0.5, $87.5[\%]$ for k=1.0, $85.0[\%]$ for h=0[cm], $40.8[\%]$ for h=5[cm] and $28.2[\%]$ for h=9[cm] when ac voltage is applied. The influence for thermal ionization process of the combustion flame in small scale no particular change is recognized.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 구-구 갭을 수평으로 배치하고, 상용주파수의 교류 및 직류전압을 인가하였을 때, 절연파괴 특성에 미치는 연소 화염의 영향에 대해 조사하였으며, 연소 화염의 위치에 따른 플래시오버 특성을 측정하였다. 고전압 도체에 화염이 접근할 경우 절연 내력에 미치는 화염의 영향을 조사하기 위해 전극과 연소 화염의 상호 높이를 변화 시켜 측정하였으며, 인가전압의 크기 및 극성에 따른 연 소 화염의 형상이 섬락 특성에 미치는 영향을 측정하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 구-구 갭을 수평으로 배치하고, 상용주파수의 교류 및 직류전압을 인가하였을 때, 절연파괴 특성에 미치는 연소 화염의 영향에 대해 조사하였으며, 연소 화염의 위치에 따른 플래시오버 특성을 측정하였다. 고전압 도체에 화염이 접근할 경우 절연 내력에 미치는 화염의 영향을 조사하기 위해 전극과 연소 화염의 상호 높이를 변화 시켜 측정하였으며, 인가전압의 크기 및 극성에 따른 연 소 화염의 형상이 섬락 특성에 미치는 영향을 측정하였다. 플래시오버 전압의 저하 요인으로 화염의 형 상변화, 상대 공기 밀도의 저하 및 연소 화염의 열전 리 영향에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 구-구 갭을 수평으로 배치하고, 상용주파수 교류 고전압과 직류 고전압을 인가하였을 때, 섬락전압의 특성에 미치는 화염의 영향을 조사하여 화염이 없는 경우와 화염이 존재하는 경우의 섬락전압을 상호 비교하였다. 또한 구-구갭 사이에 화염이 존재하는 경우 화염의 위치에 따른 섬락특성, 전극과 화염의 상호 높이에 따른 섬락특성 등을 측정하였으며, 플래시오버 전압의 저하 요인으로 화염의 형상 변화, 상대 공기 밀도의 저하 및 연소 화염의 열전리 영향 등을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 그림 1에서 RLe 방전에 의한 전극의 손상을 방지하기 위해 삽입된 보호용 저항이며, RL=50[kQ]이다. 또한 오실로스코프를 이용하여 방전전류를 관측하기 위해 본 실험에서는 측정용 저항 RM=10[kQ]을 연결하였다.
본 실험에서 절연파괴전압의 측정치는 동일한 조건에서 5회 측정하여 그 평균값을 사용하였으며, 화염의 위치는 그림 1과 같이 접지 측 전극으로부터 화염의 거리 / 과 전극 간 갭길이 d의 비, 즉 k=, /d로서 표시하였다. 화염의 위치는 k=0, k=0.
본 실험에서는 교류 및 직류 고전압을 사용하였으며, 교류 고전압 발생 장치는 1차 입력전압 220[V], 6아 Hz], 2차 출력 전압은 90[kV](High Voltage Generator. 일본, Matsunaga Mfg. Co. Ltd) 을 사용 하였으며, 직류 고전압은 상기 교류 고전압 발생장 치에서 발생된 교류 고전압을 정류하여 사용하였다. 정류장 치는 실리콘정류기(일본, Tokyo Transformer Co.
본 연구에서는 구-구 갭을 수평으로 배치하고, 상용주파수 교류 고전압과 직류 고전압을 인가하였을 때, 섬락전압의 특성에 미치는 화염의 영향을 조사하여 화염이 없는 경우와 화염이 존재하는 경우의 섬락전압을 상호 비교하였다. 또한 구-구갭 사이에 화염이 존재하는 경우 화염의 위치에 따른 섬락특성, 전극과 화염의 상호 높이에 따른 섬락특성 등을 측정하였으며, 플래시오버 전압의 저하 요인으로 화염의 형상 변화, 상대 공기 밀도의 저하 및 연소 화염의 열전리 영향 등을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
화염 높이 h는 그림과 같이 전극 중심과 화염 중심 사이의 거리이다. 인가전압에 의해 화염의 형상이 변화하는 것을 정밀하게 관측하기 위해 CCD Color Camera(SAC-410ND, JEM TV LENS P35mm 1 : 1.2)를 사용하였다.
고전압 도체에 화염이 접근할 경우 절연 내력에 미치는 화염의 영향을 조사하기 위해 전극과 연소 화염의 상호 높이를 변화 시켜 측정하였으며, 인가전압의 크기 및 극성에 따른 연 소 화염의 형상이 섬락 특성에 미치는 영향을 측정하였다. 플래시오버 전압의 저하 요인으로 화염의 형 상변화, 상대 공기 밀도의 저하 및 연소 화염의 열전 리 영향에 대해 고찰하였다.
대상 데이터
고전압의 측정은 그림 1에서 R1 및 R2로 나타낸 고전압 프로브(5000 : 1)와 디지털 오실로스코프 (LeCroy Co., type 9350AL)를 사용하였다. 또한 그림 1에서 RLe 방전에 의한 전극의 손상을 방지하기 위해 삽입된 보호용 저항이며, RL=50[kQ]이다.
연소 화염은 파라핀 오일(순도 : 을 연료로 사용하였다. 파라핀 오일은 석유계 연료이며, 주성분은 탄화수소이다.
전극은 그림 1과 같이 구-구 갭을 사용하였으며, 수평으로 배치하였다. 전극 재질은 스테인레스 강이며, 직경 50[顺]인 표준 전극을 사용하였다.
Ltd) 을 사용 하였으며, 직류 고전압은 상기 교류 고전압 발생장 치에서 발생된 교류 고전압을 정류하여 사용하였다. 정류장 치는 실리콘정류기(일본, Tokyo Transformer Co. Ltd.)를 사용하였다.
이론/모형
파라핀오 일은 단위 중량당 발열량이 크기 때문에 연소장치를 소형으로 할 수 있다. 연소의 형태는 여러 가지 방식이 있지만 실내에서 안정된 화염을 발생할 수 있는 심지 연소(wick type combustion)방식을 채택하였다.
성능/효과
사진 1(a)는 전압이 0[kV]일 때 화염의 형상이며, 사진 1(b) 전압 3[kV]일 때의 형상으로서 화염의 높이는 낮아지고, 화염의 폭은 증가하고 있다. 그리고 사진 1(c)은 전압 5[kV]일 때의 형상으로서, 화염의 높이는 더욱 낮고, 화염의 폭은 증대하여 양전극에 접근된 상태를 나타내고 있다.
1) 화염의 위치가 k=0, k=0.5 및 k=1.0일 때, 화염에 의한 교류 섬락전압의 평균값은 화염이 없을 때의 섬락전압에 비해 각각 79.9, 82.9 및 87.5[%] 저하되었다.
2) 화염의 위치가 k=0, k=0.5 및 k=1.0일 때, 화염에 의한 직류 상대 섬락전압의 평균값은 화염이 없을 때의 상대 섬락전압에 비해 정극성인 경우에는 각각 66.3, 85.5 및 77.73[%] 저하되었으며, 부극성인 경우에는 각각 77.4, 83.4 및 71.6[%] 저하되었다.
3) 화염 높이에 따른 교류 및 직류 섬락전압 특성에서 화염 높이 h와 갭길이 d에 비례하여 섬락전압은 상승하였으며, h-0, h=5 및 h=9[cm]일 때, 교류 상대 섬락전압의 평균값은 각각 85.0, 40.8 및 28.2[%] 저하되었다.
4) 교류 및 직류전압을 인가하였을 때, 전압의 크기와 극성에 따라 화염의 형상이 변화되는 현상은 화염 내의 정전하와 인가 전계 사이의 정 전력에 의한 것이다.
5) 화염 폭보다 갭 길이가 작은 범위에서는 섬락이 부극성의 반파에서 일어났으나, 화염 폭보다 긴 갭에 서는 정극성의 반파에서 섬락되는 것으로 나타났다.
6) 화염의 의한 교류 및 직류 섬락전압이 저하되는 원인은 주로 전압에 의한 화염의 형상 변화와 주변의 상대 공기 밀도 저하에 기인하는 것으로 생각된다.
5가 되려면 절대온도 T는 LlXLOtK]가 요구된다. 따라서 화염에 의한 섬락 전압의 저하 요인은 열전리의 영향, 공기 밀도의 저하, 전극의 온도상승 및 연소 생성물의 영향 등을 생각할 수 있으나, 열전리의 영향과 전극의 온도상승은 비교적 그 영향이 적은 것으로 생각된다.
그림 3(a)는 k=0일 때의 섬락 특성이며, 전압에 대한 극성 효과가 나타나고 있다. 화염의 존재에 관계없이 모두 정극성이 부극성보다 높은 것으로 나타났다. 그러나 화염이 없는 경우에는 d=1.
후속연구
이러한 결과는 연소가스 또는 화염을 발생하는 차단기, 전기집진기 등의 방전 현상뿐만 아니라 산불에 의한 선로의 섬락 특성 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
화염에 의한 절연파괴 특성은 특수 환경의 방전 현 상에 대한 연구뿐만 아니라 연소 가스를 사용하는 MHD 발전에서 전극 부근의 방전 현상과 밀접한 관계 가 있으며, 아크 화염을 발생하는 차단기의 절연회복 특성, 연소 가스를 통과시키는 전기집진기의 방 전 현상 등에 대한 기초 자료를 얻을 경우에도 활용될 수 있다.
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A. G. Gaydon, H. G. Wolfhard, 'Flames : Their Structure, Radiation and Temperature,' 4th ed., Chapman and Hall, pp. 340-372, 1979
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E. Kuffel, W. S. Zaengl, 'High Voltage Engineering Fundamentals,' Pergamon Press, pp. 311-335, 1984
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