[논문]초고속 Marx Generator의 N2, SF6, N2-SF6 혼합가스에 따른 출력 특성 연구

두진석; 한승문; 허창수; 최진수

doi:10.5370/kiee.2010.59.10.1850

초고속 Marx Generator의 N2, SF6, N2-SF6 혼합가스에 따른 출력 특성 연구
Ultra fast Marx Generator of N2, SF6, N2-SF6 Mixture Gas based on Research Output Characteristics 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.10, 2010년, pp.1850 - 1855

두진석 (인하대학교 전기공학과) , 한승문 (인하대학교 전기공학과) , 허창수 (국방과학연구소) , 최진수 (인하대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The application field of the pulse power is very wide. Recently, Pulse power technologies take a large place in several applications. Then, many civil and military applications proceed. Marx generator is widely used in high voltage applications. Marx generator is widely used in high voltage applications, such as eletromagnetic wave and power lasers. This paper, we described about the high voltage pulse generator. A compact size high voltage pulse generator with nanosecnd rise time has been fabricated and investigated experimentally. The marx generator has 2 stages. Each stage was constructed one charging capacitor, two electrodes and one charging resistor. A inductance structure is used in order to improve the switching performances fo the whole generator. The experiments of rise time in pure gas and mixtures of gases were described. We tested the Marx generator at different insulation gas. the results show that the dielectric strength of the $N_2-SF_6$ mixture was significantly increased compared with pure nitrogen gas. The experimental results show that the rise time characteristics of the Marx generator can be controlled through varying insulation gas.

주제어

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문제 정의

본 논문은 초고속 Marx generator를 이용하여 절연가스가 초고속 Marx generator의 출력특성에 미치는 영향을 분석 위하여 실험하였다. N₂ 가스, SF₆ 가스, SF₆-N₂ 혼합가스의 절연가스를 사용하여 Marx generator에서 발생된 출력 전압, 펄스 상승시간, 3dB frequency에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
수저항 전압분압기는 권선저항, 카본저항 등에 비하여 열이나 고전압 펄스에 의한 임피던스값의 변화가 적어서 대용량 에너지를 전달하는데 사용한다[6][7]. 본 논문의 내용은 수십 kV 출력 전압, 수 ns 상승시간을 발생하는 임펄스발생장치의 설계 제작 과정과 실험한 결과에 대해 서술하였다.
본 연구에서는 Marx generator를 동축 원통형으로 제작하여 구조적으로 캐패시터와 인덕턴스를 최소화하였다. 이렇게 제작된 Marx generator에서 발생된 출력전압의 상승시간과 절연 가스 N₂가스, SF₆가스, SF₆-N₂ 혼합가스가 Marx generator 내부의 전극 간의 방전 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다. 측정장치로써 수저항 전압 분압기를 이용하였다.

제안 방법

Marx generator의 부하저항은 110 Ω으로 설계하였으며 분압비율은 44 : 1로 설정하였다.
Marx generator는 충전저항, 캐패시터, 인덕터로 구성되어 있다. Marx generator의 상승시간은 인덕턴스에 의해 많은 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 상승시간을 최대한 줄이기 위해서 인덕터를 제외한 충전저항과 캐패시터로 구성했다. 그림 2(a)은 실험에 사용된 기생캐패시터를 포함한 Marx generator 의 기본 회로 그림이다.
Marx generator의 출력 전압 측정은 수저항 전압분압기와 감쇄기를 이용하여 측정하였다. 1차적으로 수저항 전압 분압기를 이용하여 저항 R₁과 저항 R₂ 길이의 비율에 의하여 44 : 1 의 비율로 감쇄하였다.
본 논문은 초고속 Marx generator를 이용하여 절연가스가 초고속 Marx generator의 출력특성에 미치는 영향을 분석 위하여 실험하였다. N₂ 가스, SF₆ 가스, SF₆-N₂ 혼합가스의 절연가스를 사용하여 Marx generator에서 발생된 출력 전압, 펄스 상승시간, 3dB frequency에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
혼합가스는 혼합비율 SF₆ : N₂ = 1 : 9, SF₆ : N₂ = 2 : 8, SF₆ : N₂ = 3 : 7 로 실험하였다. SF 6 가스와 혼합가스의 가스 압력 간격은 0.04 MPa 간격으로 설정하였으며 총 11구간에서 5회 반복 실험하였다. 혼합가스 역시 SF 6와 동일한 방법으로 실험하였다.
5 MPa 까지 가스 압력 범위에서 실험하였다. 가스 압력 간격은 0.05 MPa 간격으로 총 11구간 실험하였으며 각 구간에서 5회 반복 실험하였다. SF₆ 가스의 경우에서는 0 MPa에서 0.
1차적으로 수저항 전압 분압기를 이용하여 저항 R₁과 저항 R₂ 길이의 비율에 의하여 44 : 1 의 비율로 감쇄하였다. 그리고 2차적으로 20 W, 20 dB 사양의 감쇄기 2개를 이용하여 100 : 1 의 비율로 감쇄시켰으며 이렇게 감쇄된 신호는 Tektronics TDS 7404B 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.
절연가스를 Marx generator의 내부로 주입하기 전에 절연가스의 순도를 유지시켜주기 위해서 Marx generator 내부를 진공펌프를 이용하여 진공상태로 유지시켰다. 또한 내부 전극 표면 거칠기를 동일하게 해주기 위해서 절연 가스를 교체해 주는 과정에서 주기적으로 Marx generator의 내부 전극도 교체해주었다.
Marx generator와 CuSO₄ 수용액의 수저항 전압분압기 사이에서 발생할 수 있는 출력파형의 왜곡을 최소화하였다. 또한 수저항 전압분압기 저항 R₁과 저항 R₂를 하나의 원형 튜브로 제작하여 전압 분압비율을 항상 일정하게 유지시켰다. 수저항의 총길이는 76.
본 연구에서는 Marx generator를 동축 원통형으로 제작하여 구조적으로 캐패시터와 인덕턴스를 최소화하였다. 이렇게 제작된 Marx generator에서 발생된 출력전압의 상승시간과 절연 가스 N₂가스, SF₆가스, SF₆-N₂ 혼합가스가 Marx generator 내부의 전극 간의 방전 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다.
또한 절연가스로 N₂ 가스, SF₆ 가스, SF₆-N₂ 혼합가스관을 설치하였다. 절연가스를 Marx generator의 내부로 주입하기 전에 절연가스의 순도를 유지시켜주기 위해서 Marx generator 내부를 진공펌프를 이용하여 진공상태로 유지시켰다. 또한 내부 전극 표면 거칠기를 동일하게 해주기 위해서 절연 가스를 교체해 주는 과정에서 주기적으로 Marx generator의 내부 전극도 교체해주었다.
이렇게 제작된 Marx generator에서 발생된 출력전압의 상승시간과 절연 가스 N₂가스, SF₆가스, SF₆-N₂ 혼합가스가 Marx generator 내부의 전극 간의 방전 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다. 측정장치로써 수저항 전압 분압기를 이용하였다. 수저항 전압분압기는 권선저항, 카본저항 등에 비하여 열이나 고전압 펄스에 의한 임피던스값의 변화가 적어서 대용량 에너지를 전달하는데 사용한다[6][7].

대상 데이터

Marx generator의 총 단수는 2단으로 구성하여 각 단에는 충전저항 2 MΩ과 캐패시터의 용량 250 pF, 내압 40 kV 의 TDK 제품을 사용하였다.
Marx generator의 하단부에는 Marx generator 내부의 캐패시터(250 pF / 40 kV)를 충전시키기 위해서 전압 DC 60 kV 전류 5 mA 사양의 DC power supply를 설치하였다. 또한 절연가스로 N₂ 가스, SF₆ 가스, SF₆-N₂ 혼합가스관을 설치하였다. 절연가스를 Marx generator의 내부로 주입하기 전에 절연가스의 순도를 유지시켜주기 위해서 Marx generator 내부를 진공펌프를 이용하여 진공상태로 유지시켰다.
또한 수저항 전압분압기 저항 R₁과 저항 R₂를 하나의 원형 튜브로 제작하여 전압 분압비율을 항상 일정하게 유지시켰다. 수저항의 총길이는 76.5 mm이며 저항 R₁의 길이는 75 mm, 저항 R₂의 길이는 1.5 mm 이다. 저항 R₁과 저항 R₂사이의 전극의 두께는 3 mm 이다.
5 MPa 까지 견딜 수 있도록 하였다. 아크릴 원통 내부 전극은 반구형의 텅스텐과 구리의 합금 재질로 곡률반경 14.66 mm로 하였으며 전극 앞부분은 방전에 의한 손실을 방지하기 위해서 텅스텐과 구리를 7 : 3 비율로 합금 하였 다. 내부 전극의 갭거리는 기생 인덕턴스를 줄이기 위한 목적과 부분 방전을 최소화하기 위해서 첫 번째 스파크 갭의 거리는 1.
4 MPa 까지만 실험하였다. 혼합가스는 혼합비율 SF₆ : N₂ = 1 : 9, SF₆ : N₂ = 2 : 8, SF₆ : N₂ = 3 : 7 로 실험하였다. SF 6 가스와 혼합가스의 가스 압력 간격은 0.

성능/효과

혼합가스에 의한 최대 출력전압 그래프이다. 절연 가스의 압력이 증가함으로써 절연내력이 증가하여 최대 출력전압이 증가하였다. N₂가스의 경우 가장 낮은 출력 전압이 나왔으며 SF₆ 가스의 경우 N₂ 가스보다 약 2.
절연가스의 압력과 전극 갭 사이의 전계값은 상승시간에 반비례하여 절연가스 압력이 증가할수록 상승시간이 짧아졌다. 순수 SF₆ 가스 보다는 순수 N₂ 가스가 상승시간이 더 짧았으며 SF₆ : N₂ = 1 : 9 의 혼합가스의 경우 가장 짧은 상승시간을 얻었다.

후속연구

이상과 같은 실험 결과로부터 다양한 혼합가스를 이용한 다면 짧은 상승시간과 더 넓은 광대역 범위의 주파수 영역을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄스파워 기술이란?	최근 고 에너지 발생장치가 산업계에서 다양한 분야에 적용되고 앞으로 더욱더 다양한 펄스 발생장치가 요구된다. 전자에너지를 시·공간적으로 압축하여 단시간 내에 대전력을 발생하는 기술을 펄스파워 기술이라 한다. 일반적으로 펄스파워는 마이크로초(μsec)에서 나노초(nsec)영역의 짧은 시간의 펄스 고전압(수십 kV ~ 수 MV), 대전류(수 kA ~ 수 MA)를 부하에 공급함으로써 얻어진다.
	펄스파워 시스템의 응용분야에는 무엇이 있는가?	과거의 펄스파워 발생의 주된 목적은 Flash X선 발생이었지만, 최근에 와서는 전력용 스위치 발달과 함께 펄스파워 적용분야가 매우 넓어졌다. 대표적인 펄스파워 시스템의 응용분야로는 산업 및 화학공정에서 발생하는 폐기물처리, 화력발전소나 보일러와 같은 산업설비에서 배출되는 배연가스처리 장치, 먼지 및 냄새제거를 위한 공기청정장치, 식품 살균처리장치로 쓰인다. 이뿐 아니라 군사적으로 레일건, 레이저빔의 전원장치 등에 이용되고 있다[1].
	펄스 파워를 발생시키는 대표적인 발생장치인 Marx generator의 장점은?	펄스 파워를 발생시키는 대표적인 발생장치로는 Marx generator, 테슬라변압기, 자장압축 발전기 등이 있다[2]. 그중에서도 Marx generator는 다른 펄스발생장치에 비해 간단한 수동소자만으로 구성할 수 있는 장점이 있다. 또한 특별한 장치 없이 다단화 함으로써 더 높은 전압을 얻을 수 있다.

참고문헌 (14)

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Ming Chang Wang, Gun-Sik Park, "An Improvement of High Voltage Power Supply for Pseudospark Discharge", Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 18(6), 1187(1997)

상세보기
L. K. Heffernan, R. D. Curry, K. F. McDonald, ""A Fast, 3 MV Marx Generator for Megavolt Oil Switch Testing with an Integrated Abramyan Network Design"", 15th IEEE Pulsed Power Conf., pp.596-599, 2005.
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상세보기
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M M Kekez, J Liu, " A 60 Joule, 600 kV, 500 ps risetime, 60 ns pulse width Marx generator", Nat. Res. Council of Canada, Ottawa, Ont., Canada
Gennady A.Mesyats, "Pulsed power", Springer, 2005, ch. 12.
J. Mankowski, J. Dickens, M. Kristiansen, "High Voltage Subnanosecond Breakdown," IEEE Transactions on Plasma Science 26, 1998, pp 874-880.

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저자의 다른 논문 :

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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