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기능성 경사 재료의 적용을 통한 진공 인터럽터의 삼중점 전계 완화
Reduction of the Electric Field Concentration at the Triple Junction of the Vacuum Interrupter by Using the Application of Functionally Graded Material 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.10, 2015년, pp.630 - 635  

최승길 (신안산대학교 전기과) ,  구치욱 (비츠로테크 기술연구소) ,  주흥진 (비츠로테크 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A vacuum Interrupter (VI), a core part that composes the breaking part of medium-voltage vacuum circuit breaker (VCB), has the excellent insulation performance and arc-extinguishing capability. $SF_6$ gas had been used for the external insulation of VIs since the dielectric strength of

주제어

#Vacuum interrupter   #External insulation   #Functionally graded material   #Numerical simulation  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 삼중점 부근의 전계 완화를 통해 차단기의 전기적 절연성능 향상을 도모하기 위해 고정측 세라믹 상단부 외부에 FGM을 도입하였다.
  • 본 연구에서는 FGM 절연물의 유효성 검증을 통해 VI의 외부 절연 성능에 대한 효율적인 개선 가능성을 확인하였다.
  • 이러한 단점을 극복하기 위해 최근 다양한 소재 및 부품 산업에 적용되는 새로운 개념의 설계기술인 경사 기능성 재료(functionally graded material, FGM)의 개념을 도입하고자 한다. FGM은 이종(異種)의 전기/기계적 특성을 가지는 재료를 접합하는 기술로서, 두 가지 또는 그 이상의 구성성분의 농도를 연속적 또는 불연속적으로 제어하여 성질을 경사화한 것이다 [3].

가설 설정

  • 그림 8은 4가지 경우의 FGM 절연물의 유전율 분포를 보인 것이다. 4가지 경우 모두 단방향으로만 유전율 분포가 변한다고 가정하였으며, 각 FGM 절연물에서 계산된 주요 지점에서의 최대 전계 세기를 그림 9에 나타내었다. 그림을 통해 알 수 있듯이 단일 절연물로 성형한 VI 구조에 비해 FGM 절연물이 적용된 구조에서 삼중점 전계가 크게 완화됨을 확인할 수 있다.
  • 세라믹 상단부의 외부 삼중점에 적용된 FGM 절연물의 경우, 그림 4처럼 에폭시 수지 (εr = 3.5)에 충전 제로 이산화티타늄 (TiO2, εr = 114)을 사용하여 절연물 내부의 유전율이 9.0 (삼중점 접촉부)에서 3.5 (외부 공기 접촉부)까지 연속적으로 변화된다고 가정하였다.
  • 5 (외부 공기 접촉부)까지 연속적으로 변화된다고 가정하였다. 특히, 절연물 내부에서 공간적인 유전율의 변화는 단방향(방사방향)으로만 변하는 것으로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
산업의 급격한 발전과 더불어 전력수요의 지속적인 증가로 인한 전력계통 부하의 급증으로 전력기기는 어떻게 되는 추세인가? 산업의 급격한 발전과 더불어 전력수요의 지속적인 증가로 인한 전력계통 부하의 급증으로 전력기기들은 대용량화, 고전압화, 소형화되어 가고 있는 추세이며, 이와 더불어 국제적으로 강화되는 환경규제에 따라 전력기기 분야에서의 친환경화 노력은 필수가 되고 있다.
개폐장치 분야에서 친환경 기술의 핵심은 무엇에 초점이 맞추어져 있는가? 개폐장치 분야에서의 친환경 기술의 핵심은 절연 매질로 사용되고 있는 SF6 가스의 사용 억제에 관한 기술에 초점이 맞추어져 있다. 가스절연 개폐장치에 절연매질로 사용되는 SF6 가스는 절연 및 소호성능이 우수하고, 회복 특성이 빠르기 때문에 초고압기기의 절연매체로 널리 이용되고 있다 [1].
가압 건조 공기 (dry air), 질소 또는 고체 절연물을 이용한 절연 기술의 문제점은? 현재 중전기 업체에서는 SF6 가스의 대체 물질로 가압 건조 공기 (dry air), 질소 또는 고체 절연물을 이용한 절연 기술을 적용하고 있다 [2]. 그러나 건조 공기나 질소의 절연 내력은 SF6가스에 비해 1/3 수준으로 동일한 절연성능을 확보하기 위해서는 압력의 증대로 인한 2차 보호장치가 필요하고, 외함의 크기가 기존 스위치기어에 비해 증대되며, 가스 회수 및 수집장치를 위한 별도의 설비가 요구된다. 또한 높은 절연 내력과 기계적 강도 및 열 저항의 특성을 가지고 있으며, 높은 유동적 특징을 가지고 있으므로 단시간 내 성형이 가능한 에폭시를 이용한 고체절연방식이 많이 연구되고 있으나, 에폭시 내부의 void 및 부분방전에 의한 절연 내력 감소, 절연물의 열적 열화 신뢰성 문제가 아직 해결되지 못해 상용화에 어려움이 있다.
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참고문헌 (8)

  1. T. Shioiri, J. Sato, T. Ozaki, O. Sakaguchi, T. Kamikawaji, M. Miyagawa, M. Homma, and K. Suzuki, Conf. on Electr. Insul. and Dielec. Phen. (Albuquerque, USA, 2003) p. 341. 

  2. T. Rokunohe, Y. Yagihashi, F. Endo, and T. Oomori, IEE Japan, 125, 619 (2005). 

  3. Y. Miyamoto, W. A. Kaysser, B. H. Rabin, A. Kawasaki, and R. G. Ford, Functionally Graded Materials: Design, Processing and Applications (Kluwer Academic Publishers, Norwell, 1999) [DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4615-5301-4] 

  4. K. Kato, M. Kurimoto, H. Shumiya, H. Adachi, S. Sakuma, and H. Okubo, IEEE Trans. on Dielect. and Elect. Insul., 13, 362 (2006). [DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TDEI.2006.1624281] 

    상세보기 crossref

  5. H. J. Ju, K. C. Ko, and S. K. Choi, J. of Korean Phys. Soc., 55, 1803 (2009). [DOI: http://dx.doi.org/10.3938/jkps.55.1803] 

    상세보기 crossref

  6. H. J. Ju, D. K. Kim, and K. C. Ko, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 467 (2012). 

  7. P. G. Slade, The Vacuum Interrupter: Theory, Design, and Application (CRC Press, New York, 2008) 

  8. M. S. Agarwal, Proc. of 26th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (Mumbai, India, 2014) p. 437. 

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