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[국내논문] 초고압 차단부 아크방전 수치해석 및 난류모델에 관한 연구
STUDY ON NUMERICAL ANALYSIS AND TURBULENCE MODELS FOR ARC DISCHARGES IN HIGH-VOLTAGE INTERRUPTERS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.3 = no.50, 2010년, pp.9 - 15  

이종철 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we calculated arc discharges and flow characteristics driven by arcs in a thermal puffer chamber, which is one of most outstanding high-voltage interrupters, for understanding the complex physics and the probability of thermal breakdown. The four main parts of arc model for this virtu...

Keyword

#아크방전   #절연파괴   #초고압 차단부  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 차세대 초고압 소호방식으로 부각된 열파퍼 챔버의 고장전류차단 과정에서 발생하는 아크 플라즈마 현상 및 이에 의한 열유동 특성을 계산하였고, 강한 압력구배에 의하여 가속되며 반경방향으로의 큰 온도구배를 갖는 난류상태가 되는 아크 플라즈마 유동에 보다 적합한 결과를 도출할 수 있는 난류모델을 검토하고자 Prandtl 혼합거리모델과 표준 k-ε모델을 이용한 해석결과를 비교하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 PTFE 분자결합을 깨고, 단위질량의 3,400 [K] 온도를 가진 PTFE 용삭가스를 만드는데 소모되는 총에너지를 1.19×104[kJ/kg]이라 가정하였으며, 이에 사용되는 용삭량 관계식은 다음과 같다.
  • 금속 전극 또한 고온의 아크에너지에 의하여 용손되는데 PTFE 노즐의 용삭현상과는 다르게 고체 전극으로의 에너지 수송은 열전도에 좌우되며, 주울열에 의한 음극 영역(cathode region)의 온도상승은 아크 루트(arc root)에 인접한 매우 작은 영역들(음극점, cathode spots)에서 발생한다. 본 연구에서는 불규칙한 음극점들의 집중효과를 단순화하기 위하여 음극 선단 표면의 원형 영역을 설정하여 아크전류가 이곳에 집중하는 것으로 가정하였다. 구리 전극이 용융점(=1,356 [K])에 도달하면 증기발생이 시작되며 증발량 관계식은 다음과 같다[7].
  • 열파퍼 챔버는 한 쌍의 구리 금속전극(이동전극(MC)과 고정전극(FC)), PTFE 노즐(MN, AN), 피스톤으로 구성되어 있으며, 압축력을 얻기 위한 챔버는 격벽에 의하여 압축실(compression volume, CV)과 팽창실(expansion volume, EV)로 구분된다. 팽창실과 압축실은 가변밸브로 연결되어 있으나 본 연구에서는 해석의 편의를 위하여 이를 고려하지 않으며, 압축실의 피스톤 운동속도와 FC 이동속도를 8 [m/s]로 일정하다고 가정하였다. 계산에 적용된 유동장 및 전기장 경계조건으로는 실린더 좌표에서의 축대칭 조건을 사용하였으며, 챔버의 초기 SF6 가스압력은 실제와 같은 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아크 플라즈마 현상 및 이에 의한 열유동 특성을 계산, 아크 플라즈마 유동에 보다 적합한 결과를 도출할 수 있는 난류모델을 검토하고자 Prandtl 혼합거리모델과 표준 k-ε모델을 이용한 해석결과를 비교한 결과는? (1) 아크이력구간에서의 아크 플라즈마 및 이로 인해 발생되는 열유동특성의 시간적 변화를 분석함으로써 두 접점 사이에 발생된 아크 플라즈마의 물리적 원리를 이해하고, 챔버의 최적 설계에 유용하게 사용될 수 있다. (2) 계산된 최대 전류값 부근에서의 아크전압 크기는 약 800[V]를 나타내었으며, 전류영점 부근에서 아크냉각에 의한 아크전압 급상승 현상을 잘 예측하였다. (3) 적용된 난류모델에 따라 전류영점 부근에서 팽창실 압력 상승 및 아크전압이 대전류 구간과 비교했을 때 상대적으로 큰 차이를 나타낸 것은 전류영점 부근에서 팽창실로부터 접점 영역으로의 유동을 발생시키고 접점 사이의 아크를 냉각 시키는 구간이기 때문으로 사료된다. (4) 표준 k-ε 모델을 사용한 경우에서 Prandtl 혼합거리 모델을 사용한 경우보다 최대전류값 이후 전류영점 부근까지의 압력을 더 높게 예측하였고, 팽창실에서 접점 사이로의 보다 큰 압력구배로 인한 원활한 흐름으로 접점 사이의 아크 플라즈마 직경이 더 얇은 것을 확인하였다. (5) 열파퍼식 가스차단부에서 발생하는 아크 플라즈마에 적합한 난류모델에 관한 연구는 아직까지 체계적으로 연구되어진 바가 없으며, 실험데이터와의 비교를 통한 최적의 난류모델 개발은 추후 지속적인 연구를 통해서 보완하고자 한다.
아크 플라즈마를 수치적으로 모델링한 것은 어떻게 나뉘는가? 아크 플라즈마를 수치적으로 다루기 위해서는 이에 대한 모델링이 필요하며, 유체흐름 및 열역학 법칙에 관련된 방정식을 이용하는 물리적 모델(physical model)과 전기적 관점에서의 에너지 평형식을 이용하는 블랙박스 모델(black-box model)로 나누어진다[1,2]. 고장전류차단 과정에서의 메커니즘 파악과 새로운 아이디어의 발굴에는 물리적 모델이 더 적합하며, 이를 위해서는 아크 플라즈마의 전기적 특성과 이로 인해 발생하는 열, 유동 및 기타 물질전달 특성을 결합하여 해석할 수 있는 고도의 수치기법이 요구된다[3-5].
가스차단기의 주요 책무는 무엇인가? 전력용 개폐장치 중 하나인 가스차단기(Gas Circuit Breaker, GCB)의 주요 책무인 고장전류차단 과정에서 발생하는 25,000[K] 이상의 고온 아크 플라즈마 현상에 관한 연구는 제품 설계 및 개발에 필수적이며 신뢰성 향상에도 커다란 기여가 가능하다[1]. 아크 플라즈마를 포함한 고장전류차단 과정에서 발생하는 복합적인 메커니즘을 파악하기 위한 실험적인 접근법은 차단기술의 발전과 더불어 고도화되고 있지만, 대용량․ 초고압화를 위해서는 대단위 설비투자 및 환경, 안전 문제가 커다란 걸림돌이 되고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. 2002, Garzon, R.D., High Voltage Circuit Breakers: Design and Applications 2nd, Marcel Dekker, New York, pp.18-25. 

  2. 2002, Schavemaker, P., Digital Testing of High-Voltage SF6 Circuit Breakers, Dissertation of Delft University of Technology, Netherlands. 

  3. 2007, Lee, J.C. and Kim, Y.J., "Effects of a Flow Guide on the Arcing History in a Thermal Puffer Plasma Chamber," Transaction of the KSME(B), Vol.31, No.10, pp.832-839. 

  4. 2007, Lee, J.C., Boo, J.H. and Kim, Y.J., "Changes of Electrical Conductivity and Temperature Caused by Electrode Erosion for Atmospheric Plasma Systems," Journal of the Korean Physical Society, Vol.51, No.3, pp.972-977. 

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  5. 2010, Lee, J.C. and Kim, Y.J., "Computational Investigation of Thermal Plasmas in a SF6 Chamber with Different Applied Currents," Modern Physics Letters B, Vol.24, No.13, pp.1341-1344. 

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  6. 1976, Liebermann, R.W. and Lowke, J.J., "Radiation Emission Coefficient for Sulphur HexaFluoride," JQSRT, Vol.17, pp.253-264. 

  7. 1999, Chevrier, P., Fievet, C., Ciobanu, S.S., Fleurier, C. and Scarpa, P., "Study of the arc-electrode interaction in a SF6 self-blast circuit breaker," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.32, pp.1494-1502. 

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  8. 1993, Murphy, A.B., "A Comparison of Treatments of Diffusion in Thermal Plasma," J. Appl. Phys., Vol.29, pp.1922-1932. 

  9. 1999, Yan, J.D., Nuttall, K.I. and Fang, M.T.C., "A Comparative Study of Turbulence Models for SF6 arcs in a Supersonic Nozzle," J. Appl. Phys., Vol.32, pp.1401-1406. 

  10. 2002, Zhang, J.L., Yan, J.D., Murphy, A.B., Hall, W. and Fang, M.T.C., "Computational Investigation of Arc Behavior in an Auto-expansion Circuit Breaker Contaminated by Ablated Nozzle Vapor," IEEE Trans. on Plasma Sci., Vol.30, No.2, pp.706-719. 

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