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제안 방법
- 따라서 소전류 차단 성능은 극간의 절연 회복 능력과 밀접한 관계가 있으며, 극간의 절연회복 능력은 극간의 가스 밀도와 전계 세기에 의해 결정된다. 따라서 소전류 차단 시의 차단 성능 해석을 위해서는 아크가 없는 경우의 냉가스 유동 해석에 의해 공간 상의 가스 밀도 분포를 계산하고, 스트로크에 따른 전계 해석에 의해 극간의 전계 세기를 구한 후, 계산 지점에서 구하여진 밀도와 전계세기로부터 절연내력을 계산한다[2-3]. 한편, 소전류 차단성공 여부를 판정하기 위해서 절 연내력과 극간의 인가전압을 비교하여, 절연내력이 극간의 인가전압보다 충분히 높으면 차단기는 충분한 절연회복력을 가져서 소전류 차단에 성공하지만, 절연내력이 인가전압보다 낮아지게 되면 절연파괴에 이르러 차단에 실패하게 된다.
- 본 논문에서는 SF6 가스 차단기의 소전류 차단성능 예측을 위해서 FVFLIC법에 의해 냉가스 유동해석을 수행하고, 유한요소법에 의해 전계 세기를 구한 후, 경험식과 스트리머 이론식에 의한 절연내력 계산식을 적용하였으며, 파퍼식 및 복합소호 방식 차단기에 적용하여 소전류 차단성능 예측의 정확도를 검토하였다. 절연내력을 계산하는 두 방법 모두 10% 오차범위 내에서 소전류 차단성능을 예측할 수 있었으며, 두 방법 모두 차단 실패로 예측되면 실제 시험에서도 재점호가 발생한다는 점을 확인하였다.
- 본 연구에 의한 소전류 차단성능 예측 방법을 145kV급 가스 차단기에 적용하여 그 결과를 검토한다. 소전류 차단 시에도 실제로는 차단 전류가 흐르며, 따라서 극간에 인가되는 전압은 다음 식으로 표현된다.
- 극간에 절연파괴가 발생할 확률이 가장 높은 곳은 고정 아크 접점 표면으로, 이 지점은 노즐목을 지나는 시점에서 빠른 유동에 의해 밀도가 다른 곳보다 현저히 낮아지고, 또한 접점이 노즐 부근을 지나는 시점에 유전체인 노즐의 영향으로 전계가 집중되기 때문이다[2]. 본 연구에서는 그림 5에서와 같이 고정아크 접점 표면에 위치한 점들의 절연내력을 계산한 후, 가장 절연내력이 취약한 점에서의 값과 인가 전압을 비교하여 절연회복 특성을 평가한다.
대상 데이터
- 소전류 차단성능 시험 과정과 결과는 [8]에 상세히 설명되어 있어 여기서는 생략한다. 그림 7은 해석에 사용된 삼각형 격자를 보여주며, 해석 초기에는 약 13, 000개, 그리고 전극이 노즐목을 지나는 시점에는 약 15,000개의 요소가 사용되었으며, 고정아크 접점 선단의 유동특성이 중요하기 때문에 이 부근에는 조밀한 요소를 사용하였다.
데이터처리
- FVFLIC법에 의한 유동해석 방법의 타당성을 검토하기 위해서 실제 차단부 모델의 유동해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다. 그림 2는 해석에 적용된 170kV급 파퍼식 차단부의 형상을 보여주며, 해석에 사용된 삼각형 요소 수는 해석 초기에는 약 17, 000개, 최종 스트로크 위치에서는 약 25,000개이며, 해석 시간은 P-IV 2.
- 7에서 재발호(restrike)가 일어날 때까지 증가시킨다. 즉 시험에서 아크시간 # 와 절연파괴가 발생하는 전압을 구하고, 이 결과를 해석 결과와 비교한다. 소전류 차단성능 시험 과정과 결과는 [8]에 상세히 설명되어 있어 여기서는 생략한다.
이론/모형
- 본 논문에서는 초고압 가스차단기의 소전류 차단성능을 예측하기 위해서 FVFLIC법 (Finite volume fluid in cell) [4-6]에 의해서 유동해석을 수행하고, 유한요소법에 의해 전계 해석을 수행한 후, 경험식[2]과 스트리머 이론[3,7]에 의한 절연내력 계산식을 활용한다. 차단부 내의 유동해석 시 에는 가동부 모의, 충격파 영향 등 전산유체역학 측면에서 상당히 어려운 문제들을 가지고 있으며, 본 연구에서 적용된 FVFLIC법을 실제 차단부 내의 냉가스 유동해석에 적용하여 만족할 만한 결과를 얻었다.
- 차단부 내의 유동 해석 시에는 가동부 이동에 따른 이동 경계 조건, 초음속 유동에 의한 충격파 발생, 노즐 등의 복잡한 형상 고려 등 CFD(computational fluid dynamics) 측면에서 상당히 어려운 점들이 많이 있다. 본 연구에서는 이러한 조건들을 비교적 정확히 고려할 수 있는 FVFLIC법 [4-6]을 적용하여 차단부 내의 유동 해석을 수행한다. 이 방법은 임의 형상의 격자를 사용할 수 있고, 계산량이 유한체적법, 유한차분법 등에 비해 적으며, 충격파에 의한 영향을 비교적 정확히 고려할 수 있는 것으로 알려져 있다.
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