[논문]초고압 단로기 접점의 단락전류 통전성능 평가기술 개발

오연호; 송기동; 정진교

초고압 단로기 접점의 단락전류 통전성능 평가기술 개발
Development of Evaluating Technology for the Capability of Carrying Short-Circuit Current at Electrical Contacts in EHV Disconnecting Switches 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.57 no.1, 2008년, pp.46 - 51

오연호 (한국전기연구원) , 송기동 (한국전기연구원 전력연구단) , 정진교 (한국전기연구원 전력연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Extra-high voltage(EHV) disconnecting switch(DS) consists of the electrical contacts and mechanical parts which actuate the contacts. When the short-circuit condition occurs, a large amount of current flows through the electrical contact in disconnecting switches and this causes considerable temperature rise due to Joule heating. If the temperature rise is higher than the melting point of contact material, the DS contact becomes melting and cannot be usable anymore. For this reason, the analysis for capability of carrying short-circuit current in DS contacts must be performed at a design stage. Here, we proposed a numerical technique for evaluating the capability of carrying short-circuit current at electrical contacts in EHV DS. In this numerical approach, the mechanical and thermal analyses were simulated to check the capability of carrying short-circuit current. First, the applied pressure at contact parts was analyzed considering the mechanical properties, and then contact resistance was calculated by an empirical equation. Finally, thermal analysis was performed with resistance variation at electrical contacts. To verify these numerical results, the distributions of temperature in DS were experimentally measured and compared with each other. The results from experiments were agreed well with those from the proposed numerical simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전기접점의 단락전류 통전 성능 평가 기술을 개발하기 위해 다음과 같이 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 초고압 단로기의 단락전류 통전 성능 평가기술을 개발하였으며, 다음과 같은 성과를 얻었다.
본 연구에서는 힘에 따른 접촉저항의 변화를 파악하기 위해 시험을 수행하였으며, 간편하게 접촉저항을 구할 수 있는 실험식을 개발하였다.

가설 설정

25kArms 3초의 경우 시험조건과 동일하게 외부에서 300.7 K의 온도를 가진 공기가 1 m/s 의 속도를 가지고 유입되는 것으로 가정하였으며, 해석 모델의 바닥 면은 단열로 설정하였다. 40kArms 3초의 경우 외부 온도는 302 K이다.
2[N]으로서 그 영향은 매우 미미하다. 따라서 본연구에서 전자흡인력의 영향은 무시하였다.

제안 방법

1) 단로기 접점의 전자력과 응력 해석을 통하여 접점의 접촉부에 가해지는 힘을 계산하였다.
2) 힘에 따른 접촉저항의 변화를 측정하여 실험식을 구하였으며, 이를 통해 단로기 접점 간의 접촉저항을 계산하였다.
3) 주울열을 열원으로 입력하여 열전달 해석을 수행하였으며, 접점의 용착 여부를 확인하였다.
가동접점과 고정접점의 열원은 주울열(Joule heat, I2R)을계산하여 입력하였으며, 접촉부에는 접촉저항에 의한 열원을 입력하였다[8]. 접촉저항에 의한 열원은 식 (1)과 식 (2) 를이용하여 얻을 수 있다.
접촉면에 작용하는 힘을 구한 후 힘에 따른 접촉저항을 계산한다. 계산된 접촉저항으로부터 주울열을 구한 후 이를 열전달 해석의 열원으로 입력한 후 해석을 수행한다[9]. 이 때 온도에 따른 저항의 변화를 고려하여 열전달 해석을 수행한다.
제작하였다. 그리고 전기접점의 접촉저항에 의한 주울열을 계산한 후, 전기 접점에 단락전류가 흘렀을 때 발생하는 물리적 현상을 해석하였다. 해석결과를 바탕으로 단로기 접점의 용착 여부를 확인하여 단락전류 통전 성능을 판단하였다.
우편의 항은 접점 내 열원과 전도에 의한 열 유속(heat flux)을 나타낸다. 단로기 접점의 대칭을 고려하여 모델의 반만 해석을 수행하였으며, 3차원 모델링을 하였다. 그림 8에 열전달 해석을 위한 모델을 나타내었다.
또한 연구결과의 신뢰성을 검증하기 위해 단락전류 통전 시험을 수행하여 접점의 온도 상승을 측정하였다. 그 결과해석 및 시험에 의한 온도 상승 값이 잘 일치하였으며, 단락 전류 통전 성능을 파악하기 위한 접점의 용착 여부도 서로 일치함을 확인하였다.
먼저 해석 및 검증 시험을 위한 단로기를 설계 . 제작하였다.
본 연구에서는 전자력 계산을 위해 상용 프로그램을 이용하여 3차원 전자계 해석을 수행하였으며, 스프링이 접촉면에 작용하는 힘을 구하기 위해 응력 해석을 수행하였다. 접촉면에 작용하는 힘을 구한 후 힘에 따른 접촉저항을 계산한다.
전류크기는 25kArms 3초와 40kArms 3초의 두 가지를 설정하였다. 25kArms 3초의 경우 시험조건과 동일하게 외부에서 300.
계산하였다. 접점에 가해지는 힘은 압축기를 이용하였으며, 압축기에서 가해지는 힘을 변경하면서 저항을 측정하였다. 그림 6은 측정 시스템 및 시험.
접촉면에 작용하는 힘을 구한 후 힘에 따른 접촉저항을 계산한다. 계산된 접촉저항으로부터 주울열을 구한 후 이를 열전달 해석의 열원으로 입력한 후 해석을 수행한다[9].
그리고 전기접점의 접촉저항에 의한 주울열을 계산한 후, 전기 접점에 단락전류가 흘렀을 때 발생하는 물리적 현상을 해석하였다. 해석결과를 바탕으로 단로기 접점의 용착 여부를 확인하여 단락전류 통전 성능을 판단하였다.

대상 데이터

힘의 입력 단위가 압력이므로 스프링의 힘을 압력으로 환산하여야 한다. 본 모델에 사용된 스프링의 힘은 255[N]이다. 스프링이 작용하는 면적은 그림 4에서 스프링 부분에 어둡게 표시된 영역으로서 1* 76x10 [nf]이다.
본 연구에서는 해석 및 시험용 모델로서 부스바형 접점을 사용하는 3상 단로기를 제작하였다. 표 1에 본 연구에 사용된 단로기의 정격 사양을 나타내었다.
그림 8에 열전달 해석을 위한 모델을 나타내었다. 해석을 위한 계산 격자수는 약 50만개이다.

데이터처리

해석에 사용된 프로그램은 .상용프로그램인 Maxwell 3D 이며, 3차원 해석을 수행하였다.
응력 해석을 위해 상용 프로그램인 Comsol 3.2를 이용하였다. 힘의 입력 단위가 압력이므로 스프링의 힘을 압력으로 환산하여야 한다.

이론/모형

시험방법은 전기접점에 20[A]의 전류를 흘리고 정전압을 접점에 인가한 후 전압강하법에 의해 저항을 계산하였다. 접점에 가해지는 힘은 압축기를 이용하였으며, 압축기에서 가해지는 힘을 변경하면서 저항을 측정하였다.
따라서 도체의 열전도 해석과 대기 중으로 열이 발산되는 대류 해석을 동시에 수행하여야 한다. 이를 위한 에너지 방정식은 다음 식 (4) 와같으며 상용 유체 해석 프로그램인 Fluent를 이용하여 해석을 수행하였다[11].

성능/효과

4) 연구결과의 신뢰성을 검증하기 위해 단락전류 통전 시험을 수행하였으며, 해석 및 시험에 의한 온도 상승 값이 잘 일치하였음을 확인하였다. 또한 단락전류 통전 성능을 파악하기 위한 접점의 용착 여부도 서로 일치함을 확인하였다.
5) 본 연구의 단로기에 대한 단락전류 통전성능 평가 결과 25kArms 3초에 대해서는 충분한 성능을 갖고 있지만, 40kArms 3초에 대한 성능은 미흡한 것으로 평가되었다.
수행하여 접점의 온도 상승을 측정하였다. 그 결과해석 및 시험에 의한 온도 상승 값이 잘 일치하였으며, 단락 전류 통전 성능을 파악하기 위한 접점의 용착 여부도 서로 일치함을 확인하였다.
이는 그림 13의 시험결과에서도 확인할 수 있다. 따라서 본 연구의 단로기는 25kArms 3초에 대한 단락전류 통전 성능을 갖고 있으며, 40kArms 3초에 대한 성능은 미홉한것으로 평가할 수 있다.
확인하였다. 또한 단락전류 통전 성능을 파악하기 위한 접점의 용착 여부도 서로 일치함을 확인하였다.
한다. 본 연구에서는 단락전류 통전 설계 시 접점의 연화온도를 기준으로 설정하여, 이 값을 초과하면 단로기는단락전류 통전 성능이 미흡한 것으로 판단하였다. 구리의 연화온도는 463K 이므로 본 연구 모델의 접촉부에서의 온도 값은 463K를 초과해서는 안 된다.
해석결과 각 블레이드 접점과 고정접점 간에는 전자 반발력보다는 전자흡인력이 보다 더 크게 작용하였다. 그러나 스프링이 접점 간에 작용하는 힘에 비해 전자흡인력의 크기는 1.

후속연구

본 연구를 통하여 초고압 단로기의 전기접점에 대한 단락 전류 통전성능 평가 기술을 확보할 수 있게 되었으며, 일반 전력기기의 전기접점에도 본 연구결과를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (11)

Ragnar Holm, Electrical Contacts : Theory and Applications 4th Ed., Berlin, Springer Verlag, pp. 1-26, 1979
Stephan Schoft, Josef Kindersberger and Helmut Lobl, Joint Resistance of Busbar-Joints with Randomly Rough Surfaces, Proc. of the 21th Conf. on electrical Contacs, pp230-237, 2002
R. W. Caven, Jr. and J. Jalali, Predicting the contact resistance distribution of electrical contacts by modeling the contact interface, Proc. of the Thirty-seventh IEEE Holm Conf. Electrical Contacts, pp. 83-89, 1991
한국표준협회, KS D 5103 구리 및 구리 합금 선, 2004
Paul G. Slade, Electrical Contacts : Principles and Applications, Marcel Dekker, Inc., pp. 1-83
J. A. Greenwood, A unified theory of surface roughness, Proc. R. Soc. Lond. A 393, pp. 133-157, 1984
Peter Wriggers, Computational Contact Mechanics, Wiley, pp. 55-71, 2002
S. S. Babu, et al., "Empirical model of effects of pressure and temperature on electrical contact resistance of metals," Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 6, No. 3, pp. 126-132, 2001

상세보기
Metals Handbook, 10th edn, Vols. 1 and 2; 1990, Materials Park, OH, ASM International
Metals Handbook, desk ed. 2nded, ASM International, 1998, pp. 506-525
M. Necati Ozisik, Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc., pp. 422-436, 1985

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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