[논문]자기적 아크소호 기법을 이용한 직류 차단기 개발

이성민; 김효성

doi:10.6113/tkpe.2012.17.1.21

자기적 아크소호 기법을 이용한 직류 차단기 개발
Development of DC Circuit Breaker using Magnet Arc Extinguisher 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.1, 2012년, pp.21 - 26

이성민 (Dept. of Electrical, Electronic and Control Eng., Konju University) , 김효성 (Div. of Electrical, Electronic and Control Eng., Konju University)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, DC distribution systems are becoming hot issue due to the increase in digital loads and DC generation systems according to the expansion of renewable energy technologies. However, removing the fault current in DC grids is comparably difficult since the current in DC grids has no zero-crossing point like in AC grids. Thus, developing dedicated DC circuit breakers for DC grids is necessary to get safety for people and electrical facilities. This paper proposes magnet arc extinguishing method to develop a 300[$V_{DC}$]/10[A] DC circuit breaker. The performance of the proposed DC circuit breaker was verified by an experimental circuit breaker test system built in this research.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 여유를 고려하여 300[V_DC]/10[A]의 정격부하전류에 대한 차단기의 설계를 한다. 먼저 순수한 차단극 구조에 대하여 다양한 차단극 이송속도에 대한 차단특성을 파악하고, 새로운 차단극 구조를 제안하여 차단특성을 개선하도록 한다.
본 논문에서 제안한 자기적 아크소호 차단극의 우수성을 실험적으로 검증 하였다.
본 논문에서는 네 가지 구조의 직류 차단기에 대한 차단극 이송속도의 차단 특성과 자석의 이격거리에 따른 차단 특성을 파악 하였다. 그에 따른 특성은 그림 8에서 보이는 바와 같다.
본 논문에서는 전용 직류 회로 차단기로써 자기적 아크소호 기법을 이용한 차단기 구조를 제안한다. 제안한 차단기는 자석의 자기력을 이용한 차단기로써 기존의 차단기에 비하여 매우 빠른 차단시간 특성을 갖는다.

제안 방법

IT설비의 부하는 저항부하로 간주할 수 있기 때문에, 본 실험에서도 저항부하를 사용하여 실험을 진행 하였다.
그림 4의 차단극 구조에서 보이는 바와 같이 첫 번째로 순수한 차단극만 사용하여 실험을 진행 하였고, 두 번째로 스너버회로를 사용하여 그에 따른 특성을 알아보았다. 세 번째로, 본 논문에서 제안한 자기적 아크소호 기법을 이용한 차단 실험을 진행하여 제안한 차단기의 성능을 확인하였다.
약 150[ms] 이상의 더 빠른 차단 시간을 갖는 것을 확인함으로써, 제안한 차단극 구조의 성능을 실험적으로 입증하였다. 또한 스너버 차단극과 자기적 아크소호 차단극을 결합한 하이브리드형 차단극 구조에 대한 실험을 진행하여 차단시간과 아크전압을 동시에 개선하였다.
]/10[A]의 정격부하전류에 대한 차단기의 설계를 한다. 먼저 순수한 차단극 구조에 대하여 다양한 차단극 이송속도에 대한 차단특성을 파악하고, 새로운 차단극 구조를 제안하여 차단특성을 개선하도록 한다.
본 논문에서 제안한 자기적 아크소호 기법은 자석에서 형성되는 자력선을 아크전류 흐름방향과 직각으로 배치한다. 그러면 아크전류에는 플레밍의 왼손 법칙에 따른 자기력이 가해지게 되어 아크가 공간으로 분산됨으로써 아크 저항 값이 증가하게 된다.
본 실험에서 차단극 접점과 자석과의 이격거리에 따른 특성을 알아보기 위하여, 차단극 접점과의 이격거리를 25[mm]∼10[mm]의 범위에서 5[mm]씩 변경하며 실험을 진행하였다.
그림 4의 차단극 구조에서 보이는 바와 같이 첫 번째로 순수한 차단극만 사용하여 실험을 진행 하였고, 두 번째로 스너버회로를 사용하여 그에 따른 특성을 알아보았다. 세 번째로, 본 논문에서 제안한 자기적 아크소호 기법을 이용한 차단 실험을 진행하여 제안한 차단기의 성능을 확인하였다.
앞 절의 실험을 통하여 각각 차단 방법에 따른 차단특성과의 관계를 확인 하였다. 실험 결과를 토대로 스너버회로와 자기적 아크소호 기법을 결합시키면서 차단시간 개선과 아크전압 개선의 효과가 있을 것으로 예상한다.
본 논문에서는 전용 직류 회로 차단기로써 자기적 아크소호 기법을 이용한 차단기 구조를 제안한다. 제안한 차단기는 자석의 자기력을 이용한 차단기로써 기존의 차단기에 비하여 매우 빠른 차단시간 특성을 갖는다. 제안한 차단기의 성능을 검증하기 위하여 실험 장치를 구축하고, 네 가지로 구성된 차단극에 대하여 비교실험 및 분석을 한다.
직류 차단기 실험용 직류전원은 외부환경요인을 최소화 하고, 회로 차단 시 발생하는 서지전압과 서지 전류 등의 악조건에서도 안정된 전원전압을 유지하기 위하여 납산 배터리를 사용 하였다. 12[V_DC]의 공칭전압과 40[Ah]의 공칭용량을 갖는 납산 배터리 25대를 직렬로 연결하여 300[V_DC]/40[Ah]의 배터리뱅크를 구성 하였다.
차단극의 이송속도에 따른 차단 특성을 알아보기 위하여 5상 스텝모터를 사용하여 차단속도를 제어한다.

대상 데이터

직류 차단기 실험용 직류전원은 외부환경요인을 최소화 하고, 회로 차단 시 발생하는 서지전압과 서지 전류 등의 악조건에서도 안정된 전원전압을 유지하기 위하여 납산 배터리를 사용 하였다. 12[V_DC]의 공칭전압과 40[Ah]의 공칭용량을 갖는 납산 배터리 25대를 직렬로 연결하여 300[V_DC]/40[Ah]의 배터리뱅크를 구성 하였다.
그림 2는 직류 회로 차단의 외관이다. 본 연구의 대상은 인터넷 데이터센터(IDC)를 위한 300[V_DC] 배전계통에 적용할 수 있는 직류전용차단기이다. 전형적인 IDC의 부하는 서버로서 5[A]이하의 부하전류를 요구한다.

데이터처리

제안한 차단기는 자석의 자기력을 이용한 차단기로써 기존의 차단기에 비하여 매우 빠른 차단시간 특성을 갖는다. 제안한 차단기의 성능을 검증하기 위하여 실험 장치를 구축하고, 네 가지로 구성된 차단극에 대하여 비교실험 및 분석을 한다.

성능/효과

다만 순간적인 최대 아크전압은 순수 차단극만 사용하였을 경우의 평균 331.2[V] 보다 약간 개선 된 310.6[V]인 것을 확인 할 수 있었다. 이 실험에서도 차단극 이송속도를 증가함에 따라 차단시간이 선형적으로 줄어들었지만, 100[mm/sec]이상에서는 차단시간이 줄어들지 않고 오히려 더 늘어나는 것을 확인 할 수 있었다.
48[ms]로 자기적 아크소호기법 차단극보다 차단시간이 개선되는 효과를 보았고 아크전압도 평균 312[V]로 일정하게 측정되는 것을 확인하였다. 따라서 하이브리드형으로 직류차단기를 구성하였을 때, 차단시간과 최대 아크전압이 개선되는 것을 실험적으로 검증하였다.
4[ms]이고, 아크전압은 평균 322[V]이다. 순수 차단극 차단 실험에 비하여 차단 시간이 약 150[ms]이상 개선된 것을 확인 하였고, 자기적 아크소호 기법 차단실험의 우수성을 실험적으로 입증하였다.
스너버회로를 사용한 직류 차단 실험에서는 순수 차단극 실험에 비해 차단 시간을 개선하지 못하였지만, 최대 아크전압을 일정한 값을 가지도록 개선하는 효과가 있었다.
실험 결과 차단 시간은 평균 20.4[ms]이고, 아크전압은 평균 322[V]이다. 순수 차단극 차단 실험에 비하여 차단 시간이 약 150[ms]이상 개선된 것을 확인 하였고, 자기적 아크소호 기법 차단실험의 우수성을 실험적으로 입증하였다.
약 150[ms] 이상의 더 빠른 차단 시간을 갖는 것을 확인함으로써, 제안한 차단극 구조의 성능을 실험적으로 입증하였다. 또한 스너버 차단극과 자기적 아크소호 차단극을 결합한 하이브리드형 차단극 구조에 대한 실험을 진행하여 차단시간과 아크전압을 동시에 개선하였다.
6[V]인 것을 확인 할 수 있었다. 이 실험에서도 차단극 이송속도를 증가함에 따라 차단시간이 선형적으로 줄어들었지만, 100[mm/sec]이상에서는 차단시간이 줄어들지 않고 오히려 더 늘어나는 것을 확인 할 수 있었다.
하이브리드형 차단극을 사용한 실험 결과, 표 6에 보이는 바와 같이 차단 시간은 평균 15.48[ms]로 자기적 아크소호기법 차단극보다 차단시간이 개선되는 효과를 보았고 아크전압도 평균 312[V]로 일정하게 측정되는 것을 확인하였다. 따라서 하이브리드형으로 직류차단기를 구성하였을 때, 차단시간과 최대 아크전압이 개선되는 것을 실험적으로 검증하였다.

후속연구

앞 절의 실험을 통하여 각각 차단 방법에 따른 차단특성과의 관계를 확인 하였다. 실험 결과를 토대로 스너버회로와 자기적 아크소호 기법을 결합시키면서 차단시간 개선과 아크전압 개선의 효과가 있을 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저압 배전망에서 기존에 사용되던 대표적인 보호 차단기술은?	저압 배전망에서 기존에 사용되던 대표적인 보호 차단기술은 퓨즈(Fuse)와 회로차단기(Circuit breaker)이다. 퓨즈는 전류의 실효값(RMS)에 따른 열에너지에 의해 용융되어 동작 하므로 교류전류와 직류전류에서 특성에 큰 차이가 없다.
	직류배전에 대한 관심이 고조되괴 있는 가운데 직류 배전망의 안정성에 관해서 확보가 이루어져야 하는 두 가지 측면은?	안전성은 두 가지 측면에서 확보가 이루어져야 한다. 첫째로 인체 안전성이고, 둘째로 전력설비 및 기기의 안전성이다. 전력설비 및 기기의 안전성을 확보하고, 고장전류로부터 계통을 보호하기 위한 차단기술, 낙뢰, 절연고장 등으로부터 계통을 보호하기 위한 접지기술 등이 필요하다.
	교류배전은 직류배전에 비해 어떤 문제점이 있는 것으로 나타났는가?	⋅ 표피효과 및 코로나손실 발생(손실, 실효저항 및 절연비용의 증가를 초래) ⋅ 직류전송에 비해 계통의 안정도 저하 ⋅ 페란티 현상에 따른 배전선 말단 전압의 변동 발생 ⋅ 주파수가 다른 계통끼리는 연결 불가 ⋅ 통신선 유도장애 발생

참고문헌 (10)

김효성, "직류(DC)배전과 회로 차단기술", 전력전자학회 학회지, 제15권, 제5호, pp. 40-46, 2010. 10.
T. Babasaki, "Developing of Higher Voltage Direct -Current Power-feeding Prototype System", Intelec'09, pp. 1-5, 2009.
Giovanna Postiglione, DC Distribution System for Home and Office, Master thesis on Department of Electric Power Engineering, Chalmers, Glothenburg, Sweden, 2001.
Seungseok BAEK, "Development of plug and socket -outlet for 400 volts direct current distribution system", Conference record on ICPE-2011, pp. 218-222, 2011, June.
이경호, "직류(DC)배전 동향 및 안전대책", 전력전자학회학회지, 제14권, 제2호, pp. 21-26, 2009. 4.

원문보기 상세보기
박영훈, 백은미, "광양제철소 DC 배전시스템 적용 사례,"전력전자학술대회, pp. 216, 2009. 7.
C37.14-2002, IEEE Standard for Low-Voltage DC Power Circuit Breakers Used in Enclosures, 2002.
IEC 60947-2 Ed.40, Low-voltage switchgear and controlgear - Part 2: Circuit-breakers.
IEC 60898-1, Electrical Accessories-Circuit-Breakers for Overcurrent Protection for Household and similar Installations-Part 1: Circuit-Breakers for A.C. Operation.
C37.16-2000-IEEE standard for preferred ratings, related requirements, and application recommendations for low-voltage AC (635 V and below) and DC (3200 V and below) power circuit breakers.

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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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