본 연구에서는 자기장차폐를 위하여 3상 전력 케이블을 얇은 자성 판재로 둘러싸는 방법을 제안한다. 두꺼운 상용 뮤-메탈, 방향성 및 무방향성 규소 강판을 출발 재료로 하여 두께 0.1 mm의 차폐재 3종류를 제조하였다. 3상 전류일 때, 차폐재 위치의 자기장이 100 ${\mu}T$ 정도이면 뮤-메탈이 (SF<0.1) 가장 효과적이었고, 500 ${\mu}T$ 이상 이면 규소 강판이 (SF 0.3${\sim}$0.4) 더 효과적이었다. 또한, 안쪽에 방향성 규소 강판, 바깥쪽에 뮤-메탈을 함께 둘러쌀 경우 500 ${\mu}T$까지도 SF 를 0.1 이하로 할 수 있었다. 한편, 단상 전류에서는 고 투자율 소재의 적용은 오히려 자기장을 증가시키는 결과를 보였다. 이상의 결과는 자기장 강도 H의 크기에 따라 각 소재의 투자율 우열이 서로 다른 점과 이로 인해 차폐재 내에 유도되는 자기장 벡터와 원래의 자기장 벡터의 상호 상쇄 및 중첩 작용으로 설명할 수 있었다.
본 연구에서는 자기장 차폐를 위하여 3상 전력 케이블을 얇은 자성 판재로 둘러싸는 방법을 제안한다. 두꺼운 상용 뮤-메탈, 방향성 및 무방향성 규소 강판을 출발 재료로 하여 두께 0.1 mm의 차폐재 3종류를 제조하였다. 3상 전류일 때, 차폐재 위치의 자기장이 100 ${\mu}T$ 정도이면 뮤-메탈이 (SF<0.1) 가장 효과적이었고, 500 ${\mu}T$ 이상 이면 규소 강판이 (SF 0.3${\sim}$0.4) 더 효과적이었다. 또한, 안쪽에 방향성 규소 강판, 바깥쪽에 뮤-메탈을 함께 둘러쌀 경우 500 ${\mu}T$까지도 SF 를 0.1 이하로 할 수 있었다. 한편, 단상 전류에서는 고 투자율 소재의 적용은 오히려 자기장을 증가시키는 결과를 보였다. 이상의 결과는 자기장 강도 H의 크기에 따라 각 소재의 투자율 우열이 서로 다른 점과 이로 인해 차폐재 내에 유도되는 자기장 벡터와 원래의 자기장 벡터의 상호 상쇄 및 중첩 작용으로 설명할 수 있었다.
In this work, wrapping conductors with thin magnetic materials is proposed as a magnetic shielding method. The 0.1 mm thick metal sheets of mu-metal, grain-oriented electrical steel, and non-oriented electrical steel were produced from commercial alloy sheets through cold rolling and followed high t...
In this work, wrapping conductors with thin magnetic materials is proposed as a magnetic shielding method. The 0.1 mm thick metal sheets of mu-metal, grain-oriented electrical steel, and non-oriented electrical steel were produced from commercial alloy sheets through cold rolling and followed high temperature annealing. In case of 3-phase electric currents, mu-metal was the best in shielding performance at a B-field magnitude of about 100 ${\mu}T$, whereas silicon steels were better than mu-metal at a B-magnitude over 500 ${\mu}T$. In addition, wrapping with silicon steel(inner) together with mu-metal(outer) resulted in a shielding factor less than 0.1 even at 500 ${\mu}T$. These results are due to changes in hierarchy of magnetic permeabilities of the materials with increasing magnetic field strength. In case of single-phase electric current, B-magnitude outside the magnetic shell was rather increased compared to the unshielded case. This result is explained by vector composition of B-fields near magnetic shielding materials.
In this work, wrapping conductors with thin magnetic materials is proposed as a magnetic shielding method. The 0.1 mm thick metal sheets of mu-metal, grain-oriented electrical steel, and non-oriented electrical steel were produced from commercial alloy sheets through cold rolling and followed high temperature annealing. In case of 3-phase electric currents, mu-metal was the best in shielding performance at a B-field magnitude of about 100 ${\mu}T$, whereas silicon steels were better than mu-metal at a B-magnitude over 500 ${\mu}T$. In addition, wrapping with silicon steel(inner) together with mu-metal(outer) resulted in a shielding factor less than 0.1 even at 500 ${\mu}T$. These results are due to changes in hierarchy of magnetic permeabilities of the materials with increasing magnetic field strength. In case of single-phase electric current, B-magnitude outside the magnetic shell was rather increased compared to the unshielded case. This result is explained by vector composition of B-fields near magnetic shielding materials.
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문제 정의
더욱이 자기장 크기가 매우 큰 전력 케이블 근처에서는 최대투자율이 발현되는 자기장 강도//가 큰 규소 강판이 더 적격일 것으로 예상된다. 또한, 배전급 케이블 배관의 경우 직경 20 cm 정도로 좁기 때문에 통상 0.3~0.5 mm 정도의 두꺼운 상용 강판으로는 원활하게 감기 어려운 점이 있어서 본 연구에서는 차폐재의 두께를 0.1 mm까지 얇게 하여 이를 해결하고자 하였다.
본 연구의 근본적인 목적은 고투자율 재료를 사용하여 전력 케이블을 둘러쌈으로써 자기장을 효과적으로 차폐하는 기법을 확립함에 있다. 차폐 재의차폐 효과는 재료의 투자율이 높을수록, 전기전도도가 클수록 커지므로, 본 연구에서는 현재 상용화된 금속 판재 중투자율이 높은 니켈 계 유-메탈과 철계 규소 강판에 대한 차폐 효과를 비교하고, 자기 장 저감 목표치에 따라 경제적인 저감방법을 구현할 수 있도록 하는데 부가적인 목적을 둔다.
차폐 재의차폐 효과는 재료의 투자율이 높을수록, 전기전도도가 클수록 커지므로, 본 연구에서는 현재 상용화된 금속 판재 중투자율이 높은 니켈 계 유-메탈과 철계 규소 강판에 대한 차폐 효과를 비교하고, 자기 장 저감 목표치에 따라 경제적인 저감방법을 구현할 수 있도록 하는데 부가적인 목적을 둔다. 이미 잘 알려진 차폐재인 뮤-메탈은 규소강판에 비해 최대투자율이 2배 이상 크지만 가격이 10배 정도 비싸기 때문에 좀 더 경제적인 차폐 재 개발이 필요하다.
가설 설정
표 1에 시험조건을 요약하였다. 이때 차폐재가 위치한 곳의 계산자기장 크기는 각도체가 무한직선임을 가정하고 가해준 전류 크기를 기준으로 관의 중심에서 측정 방향으로 10 cm 되는 점의 자기장을 계산한 값이다.
제안 방법
08 mm에 도달하였다.고온에서 강판끼리의 붙음을 방지하기 위하여 산화물 분말을 도포하고, 1, 200 ℃ 의 온도에서 batch 식 열처리를 수행하였다. 열처리 분위기로서 비환 원성 기체를 사용하였고, 승온, 유지, 냉각과정은 총 4일이 소요되었다.
두께 0.1 mm의 자성금속 판재로 전력 케이블을 둘러싸는 방법을 통하여 자기장 차폐 효과를 조사하였다. 3상 전류일 때 자기장의 크기가 작을 경우에는 뮤-메탈의 차폐 효과가 가장 좋았으나, 자기장이 커질수록 규소강판의 차폐 효과가 더 좋은 것으로 나타났다.
열처리 분위기로서 비환 원성 기체를 사용하였고, 승온, 유지, 냉각과정은 총 4일이 소요되었다. 열처리가 완료되면 도포된 열처리 분리제를 다시 제거하였고, 필요에 따라 두께 2~ 3 mm 정도의 절연코팅을 마지막으로 수행하였다.
차폐재 적용 전과 후의 자기장을 측정하여 SF를 산출하였으며, PVC 관의 가운데 6 m 부분을 차폐재로 감았다. 이때 PVC 관의 중심에서 36 cm 떨어진 지면을 기준점으로 삼고, 지면을 따라 거리별로 자기장의 크기를 측정하였다. 자기장 측정기는 미국 Enertech사의 모델명 EMDEX II를 사용하였다.
차폐재의 차폐 효과 확인을 위하여 그림 4에 보인 바와 같이 간이 실증시험설비를 구축하였다. 폭과 깊이가 각각 1 m인 콘크리트 지중 공간을 만들고 길이 10 m, 직경 20 cm 인 PVC 관 속에 3가닥의 케 이블을 배치하였다.
표면 코팅층이 없는 폭 20 cm, 두께 0.3 mm의 Ni 이 78 % 포함된 상용뮤-메탈 판재를 구입하여, 0.1 mm 두께까지 바로 냉간 압연을 수행하고, 열처리 분리제 도포 후 고온열처리를 수행하였다. 열처리 笆/h의 속도로 냉각시켜 제조하였다.
대상 데이터
두께 0.5 mm 무 방향성 상용강판을 출발 재료로 하여 8회 내외의 압연 과정을 거쳐 0.1 mm까지 압연한 후 1, 100 ℃에서 2시간 비환원 성 분위기에서 열처리한 후 사용하였다.
고온에서 강판끼리의 붙음을 방지하기 위하여 산화물 분말을 도포하고, 1, 200 ℃ 의 온도에서 batch 식 열처리를 수행하였다. 열처리 분위기로서 비환 원성 기체를 사용하였고, 승온, 유지, 냉각과정은 총 4일이 소요되었다. 열처리가 완료되면 도포된 열처리 분리제를 다시 제거하였고, 필요에 따라 두께 2~ 3 mm 정도의 절연코팅을 마지막으로 수행하였다.
우선 시중에 판매되고 있는 두께 0.3 mm, 규소 함량이 3 % 인 방향성 규소강판을 약 200 kg 코일 형태로 구입하여, 표면절연 코팅층을 제거하였다. 냉간압연은 압연 전문업체 위탁으로 수행하였으며, 5회의 압연과정을 거쳐 최종 두께 0.
폭 20 cm 인 상용금속 판재를 출발 재료로 하여 압연 및 고온열처리 과정을 거쳐 두께가 0.1 mm 내외인 뮤-메탈, 방향성 규소강판, 무방향성규소 강판 등 3가지 종류의 차폐재를 제조하였다. 그 과정은 그림 3에 보였다.
폭과 깊이가 각각 1 m인 콘크리트 지중 공간을 만들고 길이 10 m, 직경 20 cm 인 PVC 관 속에 3가닥의 케 이블을 배치하였다. 발생자기장의 크기는 3상 도체에 흐르는 전류의 크기를 변화시킴으로써 조절하였다.
이론/모형
본고에서는 차폐 효과의 척도로써 다음식 (1)과같이 차폐 재 적용 전과 후의 자기장비로 정의하는 SF(Shielding Factor)를 사용한다. SF가 1일 때 차폐 효과는 전혀 없고, 0일 때 완벽하게 차폐한다는 의미가 된다.
이때 PVC 관의 중심에서 36 cm 떨어진 지면을 기준점으로 삼고, 지면을 따라 거리별로 자기장의 크기를 측정하였다. 자기장 측정기는 미국 Enertech사의 모델명 EMDEX II를 사용하였다.
성능/효과
1 mm의 자성금속 판재로 전력 케이블을 둘러싸는 방법을 통하여 자기장 차폐 효과를 조사하였다. 3상 전류일 때 자기장의 크기가 작을 경우에는 뮤-메탈의 차폐 효과가 가장 좋았으나, 자기장이 커질수록 규소강판의 차폐 효과가 더 좋은 것으로 나타났다. 이는 H가 작은 영역에서는 유-메탈의 투자율이 크지만, 큰//에서는 규소강판의 투자율이 더 크기 때문이다.
I 영역에서는 PC의 투자율이 셋 중 가장 높게 나타나며, 최대투자율도 40, 000 정도로 매우 크다. Ⅱ, Ⅲ 영역은 GO, NGO 등 규소강판이 PC보다 투자율이 더 높은 영 역이며, GO의 경우 최대 투자율이 20, 000을 상회하는 값을 보이고 있다.
이러한 점을 이용하여 안쪽에 규소 강판, 바깥쪽에 유-메탈을 함께 둘러쌈으로써 강한 자기장에 효과적인 규소강판과 약한 자기장에 효과적인 뮤-메탈의 차폐 특성을 동시에 기대할 수 있어 높은 H 값에서도 우수한 차폐 효과를 거둘 수 있었다. 단상 전류에 의한 자기장에 대해서는 동판의 경우 차폐 효과가 미미하였고, 고투자율 소재의 경우 자기장의 크기가 오히려 증가하는 결과를 얻었다. 이상의 결과는 와전류에 의해 발생된 자기장과 원래의 자기장 벡터의 상호작용으로 설명할 수 있었다.
이상의 결과는 와전류에 의해 발생된 자기장과 원래의 자기장 벡터의 상호작용으로 설명할 수 있었다. 따라서 통상의 배전급 전력 케이블 부하 조건에서는 규소강판이 저렴하면서도 더욱 효과적인 차폐재임을 확인할 수 있 었다.
하지만, 50 “T 이상으로 자기장이 커지면 GO와 NG0의 차폐 효과가 PC보다 좋아지며, 이 둘은 서로 비슷한 차폐 효과를 보인다. 또한 GO를 안쪽에, PC를 바깥쪽에 2중으로 차폐재를 둘러쌌을 경우에는 50 “T에서도 SF가 0.1 정도로 매우 효과적인 차폐가 가능하였다.
이는 H가 작은 영역에서는 유-메탈의 투자율이 크지만, 큰//에서는 규소강판의 투자율이 더 크기 때문이다. 이러한 점을 이용하여 안쪽에 규소 강판, 바깥쪽에 유-메탈을 함께 둘러쌈으로써 강한 자기장에 효과적인 규소강판과 약한 자기장에 효과적인 뮤-메탈의 차폐 특성을 동시에 기대할 수 있어 높은 H 값에서도 우수한 차폐 효과를 거둘 수 있었다. 단상 전류에 의한 자기장에 대해서는 동판의 경우 차폐 효과가 미미하였고, 고투자율 소재의 경우 자기장의 크기가 오히려 증가하는 결과를 얻었다.
단상 전류에 의한 자기장에 대해서는 동판의 경우 차폐 효과가 미미하였고, 고투자율 소재의 경우 자기장의 크기가 오히려 증가하는 결과를 얻었다. 이상의 결과는 와전류에 의해 발생된 자기장과 원래의 자기장 벡터의 상호작용으로 설명할 수 있었다. 따라서 통상의 배전급 전력 케이블 부하 조건에서는 규소강판이 저렴하면서도 더욱 효과적인 차폐재임을 확인할 수 있 었다.
발생자기장의 크기는 3상 도체에 흐르는 전류의 크기를 변화시킴으로써 조절하였다. 차폐재 적용 전과 후의 자기장을 측정하여 SF를 산출하였으며, PVC 관의 가운데 6 m 부분을 차폐재로 감았다. 이때 PVC 관의 중심에서 36 cm 떨어진 지면을 기준점으로 삼고, 지면을 따라 거리별로 자기장의 크기를 측정하였다.
참고문헌 (8)
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