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문제 정의
- 본 논문에서는 지하나 반지하에 설치된 분전반 모선에서 발생하는 극저주파 자기장을 억제하기 위하여 진화 알고리즘과 정밀 3차원 유한요소 해석또구를 이용하여 차폐판을 설계하였다. 차폐판 구조 설계의 모든 요소를 고려하기 위하여 2단계로 나누어 치수 최적설계가 수행되었다, 1, 2단계 설계 결과를 바탕으로 차폐판의 무게, 제작의 용이성 등의 경제적인 요인과 차폐효과를 함께 고려하여 최적 차폐판 구조를 제시하였다.
- 이런 연구의 일환으로 본 논문에서는 3상 모선으로부터 발생하는 극저주파 자기장을 최소화할 수 있는 최적의 차폐판 구조를 제안한다. 우선 그림 1과 같이 지하 분전반이 설치된 주거지를 연구모델로 선정하였다.
제안 방법
- 1 단계에서 도출된 차폐판의 최적 치수를 바탕으로 2단계에서는 설계변수로 측판에 슬릿(가로, 세로 치수 2개) 추가, 상판과 측판 사이 연결 부위에 라운딩(라운딩 중심좌표 2 개) 적용 및 상판의 이동 등을 각각 설계변수로 지정하였다. 이러한 설계변수의 변화는 차폐판에 생성되는 와전류 흐름에 변화를 주어 차폐효과가 보다 개선된 차폐판 구조를 찾기 위한 것으로 1단계 결과를 토대로 그림 8와 같이 4개의 기본 구조를 설정하였다.
- 이러한 설계변수의 변화는 차폐판에 생성되는 와전류 흐름에 변화를 주어 차폐효과가 보다 개선된 차폐판 구조를 찾기 위한 것으로 1단계 결과를 토대로 그림 8와 같이 4개의 기본 구조를 설정하였다. 고려된 4가지 기본구조를 바탕으로 각 경우에 따라 진화알고리즘을 적용하여 치수 최적화 작업을 추가적으로 진행하였다. 2단계 설계에 사용된 기본 차폐판 구조의 특징은 표 3에 정리하였고 이로부터 도출된 치수 최적화 결과는 표 4에 제시하였다.
- 차폐판 재질로는 높은 전도율을 가지고 있어 넓은 범위 차폐에 적합한 알루미늄으로 선택하였다[6]. 고려된 모델은 845,000여개의 사면체 요소로 분할되었으며 유한요소 해석결과의 정밀도를 높이기 위하여 2차 보간함수를 이용하였다. 해석에 소요된 시간은 요소 분할 과정을 포함하여 Xeon 3.
- 모선 중심으로부터 4 m 높이에 위치한 1층 침실 바닥 면에서 자기장의 크기가 가장 높게 나타나는 위치(x=0, y=5, z=0, 그림 5 참조)의 식 (1)에서 정의한 SE 값을 목적함수로 설정하고 이를 최대화하기 위한 차폐판 구조를 진화알고리즘을 사용하여 탐색하였다. 또한 설계 과정에서 차폐판의 무게를 최대 28 kg으로 제한하는 구속조건을 설정하여 최적화 과정에서 변경되는 차폐판의 크기 및 재료 사용을 제한하였다
- 분전반 모선으로부터 발생 '되는 자기장은 1층 침실 바닥면에서 그림 2와 같은 자속밀도 분포를 나타내며 모선 바로 위쪽에서 가장 큰 자속밀도 분포 특성을 갖는다. 모선으로부터 1층 침실에 야기되는 자기장을 효과적으로 줄이기 위하여 알루미늄 재질의 상판, 측판으로 j1 성된 차폐판을 초기 설계모델로 설정하였다(그림 4 참조). 모선에서 발생하는 공간 자기장을 최소화하기 위한 최적의 차폐판 치수를 도줄하기 위하여 확률론적 최적화기법인 진화알고리즘(eMolutionary strategy)을 정밀 3차원 유한요소 해석이 가능한 상용 전자장 해석도구인 MagNet과 연계하였다[3].
- 모선으로부터 생성되는 공간 자기장 분포를 정확히 예측하기 위해 차폐판, 모선, 인입선으로 구성된 3차원 유한요소 모델을 그림 4와 같이 구축하였다. 3차원 모델의 유한요소해석은 2차원 모델에 비해 해석시간이 중가하지 만, 차폐판의 3차원 구조 및 이에 대한 누설 자속의 영향을 함께 고려할 수 있어 해석 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다[10].
- 모선에서 발생하는 공간 자기장을 최소화하기 위한 최적의 차폐판 치수를 도줄하기 위하여 확률론적 최적화기법인 진화알고리즘(eMolutionary strategy)을 정밀 3차원 유한요소 해석이 가능한 상용 전자장 해석도구인 MagNet과 연계하였다[3]. 진화알고리즘의 특성 상 동시에 많은 설계변수를 설정하여 최적화 과정을 수행하기가 어렵기 때문에 본 연구에서는 그림 3에서 제시한 바와 같이 순차적인 2단계 설계과정을 통해, 차폐판의 최적 치수를 도출하였다[4], [5] 1단계 설계 과정에서는 모선으로부터 차폐판의 위치 및 차폐판 구조를 결정하는 6개의 설계변수에 대한 최적 치수를 결정하였다. 이를 바탕으로 2단계 설계 과정에서는 차폐판에 도입한 슬릿구조와상/측 판의 연결 부분에 적용된 라운딩(rounding) 형상에 대한 치수 최적화가 진행되었다.
- 차폐판 구조 설계의 모든 요소를 고려하기 위하여 2단계로 나누어 치수 최적설계가 수행되었다, 1, 2단계 설계 결과를 바탕으로 차폐판의 무게, 제작의 용이성 등의 경제적인 요인과 차폐효과를 함께 고려하여 최적 차폐판 구조를 제시하였다. 본 연구를 통해 제시된 최종 차폐판은 초기모델에 비해 3 dB 이상 차폐효과가 향상되었으며 구조가 단순하여 기존 분전반에 추가 설치가 용이한 장점을 지니고 있다.
- 차폐판 최적 치수 도출을 위한 1단계 설계과정에서는 그림 5에서와 같이 차폐판 구조를 결정하는 주요치수인 Shiedll, ShieldW, ShieldZ, CoverL와 더불어 차페판과 모선과의 상대 위치를 결정하는 FlyH와 Dis 등의 총 6개의 변수를 설계변수로 정의하였다. 표 1은 설계변수에 지정한 초기 치수를 나타내며 진화알고리즘에 의한 반복설계 과정에서 설계변수는 정수 값만 할당되도록 제약조건을 부여하였다.
- 이를 바탕으로 2단계 설계 과정에서는 차폐판에 도입한 슬릿구조와상/측 판의 연결 부분에 적용된 라운딩(rounding) 형상에 대한 치수 최적화가 진행되었다. 최종적으로 사용한 재료량 및 가공성 등의 현실적인 제한 조건을 고려하여 모선으로부터 발생하는 극저주파 자기장 저감을 위한 최적의 차폐판 구조를 제시하였다.
대상 데이터
- 제안한다. 우선 그림 1과 같이 지하 분전반이 설치된 주거지를 연구모델로 선정하였다. 분전반 모선으로부터 발생 '되는 자기장은 1층 침실 바닥면에서 그림 2와 같은 자속밀도 분포를 나타내며 모선 바로 위쪽에서 가장 큰 자속밀도 분포 특성을 갖는다.
- 그림 4(b)의 모선에 3상 전류원을 인가하였으며 이때 전류의 최대치는 100 A로 설정하였다. 차폐판 재질로는 높은 전도율을 가지고 있어 넓은 범위 차폐에 적합한 알루미늄으로 선택하였다[6]. 고려된 모델은 845,000여개의 사면체 요소로 분할되었으며 유한요소 해석결과의 정밀도를 높이기 위하여 2차 보간함수를 이용하였다.
이론/모형
- 모선으로부터 1층 침실에 야기되는 자기장을 효과적으로 줄이기 위하여 알루미늄 재질의 상판, 측판으로 j1 성된 차폐판을 초기 설계모델로 설정하였다(그림 4 참조). 모선에서 발생하는 공간 자기장을 최소화하기 위한 최적의 차폐판 치수를 도줄하기 위하여 확률론적 최적화기법인 진화알고리즘(eMolutionary strategy)을 정밀 3차원 유한요소 해석이 가능한 상용 전자장 해석도구인 MagNet과 연계하였다[3]. 진화알고리즘의 특성 상 동시에 많은 설계변수를 설정하여 최적화 과정을 수행하기가 어렵기 때문에 본 연구에서는 그림 3에서 제시한 바와 같이 순차적인 2단계 설계과정을 통해, 차폐판의 최적 치수를 도출하였다[4], [5] 1단계 설계 과정에서는 모선으로부터 차폐판의 위치 및 차폐판 구조를 결정하는 6개의 설계변수에 대한 최적 치수를 결정하였다.
성능/효과
- 라운딩"과 "G 상판이동"은 1단계 설계와 비교해 볼 때 차폐효과는 비슷하지만 차폐판 무게가 증가하여 효용성이 떨이진다. "B. 슬릿&상판고정"은 1단계 설계보다 차폐판의 무게가 0.15 kg 감소하여 다른 최적화 결과에 비해 무게 면에서 가장 우수하며 또한 차폐효과도 0.14 dB로 다소 개선되었다. 마지막으로 "D.
- 14 dB로 다소 개선되었다. 마지막으로 "D. 슬릿&상판이동"은 차폐효과가 14.30 dB로 1단계 설계에 비해 033 dB 개선되어 가장 우수한 차폐효과를 나타내지만 무게는 0.51 kg 증가하였다. 2단계 설계에서 도출된 결과 중에서 llB.
- 각 그림에서 모선 모텔 표기는 첫 번째 숫자가 설계단계를, 두 번째 영문자는 2단계에서 고려된 차폐판 추가 구조를 의미한다. 기서술한 바와 같이 2단계 설계에서 고려한 추가 차폐푠 구조설계는 다소 복잡한 구조에 따른 제작비 상승예 비해 차폐 특성 개선 효과는 미비하므로 최적 차폐판 구조로는 1단계 설계 결과가 가장 적합하다고 판단된다.
- 첫째, 상판이 모선 쪽에 가까워지면서 상판에 발생된 와전류 차폐효과가 기존 구조에 비해 향상 되었다. 둘째, 초기 차폐판이 높게 위치되어있어 측판 하단부에서 인입선에 대한 와전류 차폐현상이 적게 나타났는데 최적설계 후 측판 하단부의 길이가 증가하여 차폐 효과가 증대되었다. 이러한 현상은 최적설계 전-후 측 판에서 발생하는 와전류 분포특성 비교를 나타내는 그림 7에서 확인할 수 있다.
- 97 dB로 초기 차폐판의 차폐 효과 보다 약 3dB 정도 개선되었다. 또한 차폐판 무게도 2.42 kg 감소하여 초기 차폐판에 비해 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다. 최적설계 후 설계변수 및 차폐판의 주요 성능 변화에 대한 상세한 수치는 표 2에 제시하였다.
- 차폐판 구조 설계의 모든 요소를 고려하기 위하여 2단계로 나누어 치수 최적설계가 수행되었다, 1, 2단계 설계 결과를 바탕으로 차폐판의 무게, 제작의 용이성 등의 경제적인 요인과 차폐효과를 함께 고려하여 최적 차폐판 구조를 제시하였다. 본 연구를 통해 제시된 최종 차폐판은 초기모델에 비해 3 dB 이상 차폐효과가 향상되었으며 구조가 단순하여 기존 분전반에 추가 설치가 용이한 장점을 지니고 있다. 따라서 본 연구결과는 날로 극저주파 전자기장에 대한 규제와 관심이 증대되고 있는 상황에서 이에 대한 기초연구자료를 유익하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 상판 및 측판의 길이 변화는 다음 두 가지 요인에서 비롯된 것으로 판단된다. 첫째, 상판이 모선 쪽에 가까워지면서 상판에 발생된 와전류 차폐효과가 기존 구조에 비해 향상 되었다. 둘째, 초기 차폐판이 높게 위치되어있어 측판 하단부에서 인입선에 대한 와전류 차폐현상이 적게 나타났는데 최적설계 후 측판 하단부의 길이가 증가하여 차폐 효과가 증대되었다.
- 그림 6에서 초기 차폐판 구조와 최적설계 후 차폐판 구조 변화를 비교 나타내었다. 최적화 된 차폐판의 차폐효과는 13.97 dB로 초기 차폐판의 차폐 효과 보다 약 3dB 정도 개선되었다. 또한 차폐판 무게도 2.
후속연구
- 본 연구를 통해 제시된 최종 차폐판은 초기모델에 비해 3 dB 이상 차폐효과가 향상되었으며 구조가 단순하여 기존 분전반에 추가 설치가 용이한 장점을 지니고 있다. 따라서 본 연구결과는 날로 극저주파 전자기장에 대한 규제와 관심이 증대되고 있는 상황에서 이에 대한 기초연구자료를 유익하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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