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문제 정의
- 조립형은 복잡한 구조로 인해 시공자의 작업능력에 따라 성능이 좌우되는 단점을 가지는 반면, 슬립온형은 이러한 단점을 보완하기 위해 구조를 간단히 하여 시공자의 작업능력에 의해 크게 영향을 받지 않도록 하였다. 두가지 구조를 대상으로 전계해석 및 관련연구를 수행하였지만, 본 논문에서는 상대적으로 DC전계 특성이 우수한슬립 온형 모델에 대해 연구 결과를 제시하고자 한다.
- 전계해석 결과, 열해석 반영 시 최대 전계강도가 크게 증가하였으며 이로 인해 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함을 DC에 곧바로 적용할 수 없다고 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함의 DC 적용을 위해 전계집중을 완화시킬 수 있는 형상변화를 통해 최대 전계강도를 낮추는 방안을 제시하고자 하였다.
- DC 전계해석 결과를 살펴보면, 반도전층을 지나 삼중점을 기점으로 스트레스 콘 쪽으로 크게 쏠린 등전위선이 스트레스 콘 연면에 전체적으로 골고루 펼쳐져 진행하지 못하고 일부 지역으로만 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 스트레스 콘 스케일과 등전위선 분포 간 관계를 파악하기 위해 본 항의 요소설계를 수행하였다. 스트레스 콘 스케일을 80%, 90%, 110%, 120%로 가변시켜 최대 전계강도 En.
- 본 논문에서는 슬립 온형 기중 종단접속함의 AC/DC 전계해석 수행과 더불어 열 해석 반영 여부에 따른 DC 전계분포를 비교하였다. 열 해석을 반영한 DC전계해석 결과, 최대 전계강도가 크게 상승함을 확인할수 있었다.
제안 방법
- 1항부터 4항까지 수행한 슬립 온형 기중 종단접속함 요소설계를 기반으로 개선모델 형상을 도출하였다. 4가지의 요소설계를 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도를 최소화할 수 있는 도면을 종합하여 개선모델 형상을 도출하였으며, 개선모델 형상에 대한 DC 전계해석 결과를 Fig.
- 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단 접속함 초기모델을 기준모델로 설정하여 총 4 가지의 요소설계를 수행하였다. 4 가지 요소설계는 반도전층 각도 조절, 반도전층 스케일 조절, 스트레스 콘 스케일 조절, 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절을 통해 수행하였으며 Fig. 6에 나타내었다. 각 요소 설계에 대한 과정과 전계해석결과는 해당 항에 제시하였다.
- 1항부터 4항까지 수행한 슬립 온형 기중 종단접속함 요소설계를 기반으로 개선모델 형상을 도출하였다. 4가지의 요소설계를 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도를 최소화할 수 있는 도면을 종합하여 개선모델 형상을 도출하였으며, 개선모델 형상에 대한 DC 전계해석 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 정상상태 시 개선모델의 삼중점 최대 전계강도는 기준모델 대비 2.
- 우선적으로, DC 기중 종단접속함 연구를 위해서 기존 교류형으로 개발된 기중 종단접속함을 대상으로 AC와 DC 정상상태 및 극성반전 전계해석을 수행하여 어떤 운전상태에서 가장 가혹한 전계강도가 나타나는지 분석하였다. 그 다음으로 슬립 온형 기중 종단접속함 내부의 온도편차을 고려하여 DC 전계해석 시 열 해석 반영 여부에 따른 전계분포를 비교하였다. 전계해석 결과, 열해석 반영 시 최대 전계강도가 크게 증가하였으며 이로 인해 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함을 DC에 곧바로 적용할 수 없다고 판단하였다.
- 또한 전술한 바와 같이, 정상상태 시 최대 전계강도 값이 극성반전 시 전계강도보다 더욱 높았기 때문에 DC 정상상태 최대 전계강도 값을 낮추는 방향으로 연구를 수행하였다. 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단 접속함 초기모델을 기준모델로 설정하여 총 4 가지의 요소설계를 수행하였다. 4 가지 요소설계는 반도전층 각도 조절, 반도전층 스케일 조절, 스트레스 콘 스케일 조절, 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절을 통해 수행하였으며 Fig.
- 두 번째로는 반도전층 스케일 조절을 통해 삼중점및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. AC 전계해석 결과, 반도전층은 스트레스 콘을 기점으로 등전위선을 넓게 분포시키는 역할을 수행하였다.
- 열 해석을 반영한 DC전계해석 결과, 최대 전계강도가 크게 상승함을 확인할수 있었다. 따라서 DC 환경에 적용하기 위해서는 최대 전계강도를 낮출 수 있는 형상 변환이 필요하다고 판단되어 4 가지 요소설계를 수행하였으며 이 통해 전계집중을 감소시킬 수 있는 개선된 형상을 도출하였다. 그 결과 En.
- 따라서 삼중점을 통과하는 등전위선 분포의 변화를 주고자 기준모델 대비 반도전층의 각도를 -17°, -8.5°, +8.5°, +17°로 가변시켜 최대 전계강도 En.max, Et.max를 측정하였으며 전계해석 결과는 Fig. 7에 나타내었다.
- max를 크게 증가하였다. 따라서 삼중점을 통과하는 등전위선 분포의 변화를 주고자 기준모델 대비 반도전층의 스케일을 80, 90, 110, 120%로 가변시켜 최대 전계강도En.max, Et.max를 측정하였으며 전계해석 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 전계해석 결과, 삼중점 최대 전계강도의 큰개선은 없었다.
- 또한, DC 전압은 정상상태 외에도 극성반전 상황이 존재하므로 정상상태와 극성반전 시 전계해석을 모두 수행하여 전계강도를 비교하여 어느 구간이 더욱 극심한 지 확인해야 한다. 따라서 슬립 온형 기중 종단접속함은 어느 구간에서 전계집중이 더욱 극심한지 알아보기 위해 DC 정상상태, 스위칭 오프, 극성반전 시의 전계 및 등전위선 분포를 비교하였으며 Fig. 5에 제시하였다. 정량적으로 비교했을 때, 정상상태 시 En.
- 요소 III의 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절은 기준모델 적용 시 가장 전계집중이 덜했으며 요소 IV의 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 기준모델 대비 120%로 설정한 요소설계 시 가장 우수한 양상을 띠었다. 따라서 요소설계를 통해 도출한 개선된 도면을 종합하여 개선모델 형상 설계를 수행하였으며, 개선모델 형상을 적용한 DC 전계해석을 다음 항에서 수행하였다.
- 따라서 DC 환경에 실제 적용하여 사용하기 위해서는 최적 형상 설계를 위한 요소 설계를 수행함으로써 최대 전계강도를 낮출 필요가 있다. 또한 전술한 바와 같이, 정상상태 시 최대 전계강도 값이 극성반전 시 전계강도보다 더욱 높았기 때문에 DC 정상상태 최대 전계강도 값을 낮추는 방향으로 연구를 수행하였다. 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단 접속함 초기모델을 기준모델로 설정하여 총 4 가지의 요소설계를 수행하였다.
- max의 측정지점으로써 케이블 절연체 XLPE와 스트레스 콘, 반도전층이 동시에 만나는 삼중점을 선정하였다. 또한, 도체와 접지역할의 반도전층 사이에 등전위선의 왜곡 정도를 확인하기 위해 도체와 반도전층 사이에 존재하는 스트레스 콘의 계면을 선택하여 연면 최대 전계강도 Et.max를 측정하였다. Et.
- 마지막으로는 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. DC 전계해석 결과를 살펴보면, 반도전층을 지나 삼중점을 기점으로 스트레스 콘 쪽으로 크게 쏠린 등전위선이 스트레스 콘 연면에 전체적으로 골고루 펼쳐져 진행하지 못하고 일부 지역으로만 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저 슬립 온형 기중 종단접속함 초기모델의 AC와 DC 전계해석을 시뮬레이션을 통해 수행하였다. 추가적으로 온도변화를 고려한 열 해석 반영 여부에 따른 정상상태 시와 극성반전 후의 DC 전계분포를 비교하였으며 시뮬레이션 툴로는 Comsol Multiphysics를 활용하였다.
- 모든 AC/DC 전계해석에서 고압부에는 AC 선간전압 154 kV를, DC는 AC 선간전압 154 kV에 상응하는 상전압 DC 89 kV를 케이블 도체 측에 입력하였고, 접지는 반도전층에 지정하였다. 전계해석 시 극심한 전계집중이 발생할 수 있는 부분을 선정하여 최대 전계강도 값을 측정하였다.
- 세 번째로는 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치조절을 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. 본 항에서는 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절을 기준모델 대비 -240, -120, +120, +240 mm로 가변시켜 최대 전계강도 En.max, Et.max를 측정하였으며 전계해석 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 전계해석 결과, 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치조절은 최대 전계강도의 완화에 아무런 영향을 미치지 못하였으며 모든 도면에서 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값의 변화가 나타나지 않았다.
- 세 번째로는 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치조절을 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. 본 항에서는 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절을 기준모델 대비 -240, -120, +120, +240 mm로 가변시켜 최대 전계강도 En.
- 따라서 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 스트레스 콘 스케일과 등전위선 분포 간 관계를 파악하기 위해 본 항의 요소설계를 수행하였다. 스트레스 콘 스케일을 80%, 90%, 110%, 120%로 가변시켜 최대 전계강도 En.max, Et.max를 측정하였으며 전계해석 결과는 Fig. 10에 나타내었다.
- 슬립 온형 접속함의 4 가지 요소설계 항목 중 최대전계강도 값을 가장 큰 폭으로 감소시킨 도면을 각각 하나씩 선정하였으며, 선정된 도면과 각 도면의 최대 전계강도 및 감소폭은 Table 2에 제시되었다. 요소 I의 반도전층 각도 조절을 통해 En.
- 슬립온형 기중 종단접속함의 DC 적용을 위해서는 절연 형상수정을 위한 요소설계를 수행하여 AC 정상상태와 비슷한 전계강도를 보일 수 있도록 해야 한다. 요소설계 시에는 최대 전계강도 En.max와 Et.max가 상대적으로 극성반전 시 보다 높은 정상상태를 기준으로 최대 전계강도를 낮추는 방향으로 진행하였다.
- 우선적으로, DC 기중 종단접속함 연구를 위해서 기존 교류형으로 개발된 기중 종단접속함을 대상으로 AC와 DC 정상상태 및 극성반전 전계해석을 수행하여 어떤 운전상태에서 가장 가혹한 전계강도가 나타나는지 분석하였다. 그 다음으로 슬립 온형 기중 종단접속함 내부의 온도편차을 고려하여 DC 전계해석 시 열 해석 반영 여부에 따른 전계분포를 비교하였다.
- 모든 AC/DC 전계해석에서 고압부에는 AC 선간전압 154 kV를, DC는 AC 선간전압 154 kV에 상응하는 상전압 DC 89 kV를 케이블 도체 측에 입력하였고, 접지는 반도전층에 지정하였다. 전계해석 시 극심한 전계집중이 발생할 수 있는 부분을 선정하여 최대 전계강도 값을 측정하였다. 전계집중이 극심한 부분은 기중 종단접속함이 실제 운전 시 절연파괴로 이어질 수 있기 때문이다.
- 첫 번째로는 반도전층 각도 조절을 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. AC 전계해석 결과, 스트레스 콘을 기점으로 등전위선이 넓게 분포하였다.
데이터처리
- 먼저 슬립 온형 기중 종단접속함 초기모델의 AC와 DC 전계해석을 시뮬레이션을 통해 수행하였다. 추가적으로 온도변화를 고려한 열 해석 반영 여부에 따른 정상상태 시와 극성반전 후의 DC 전계분포를 비교하였으며 시뮬레이션 툴로는 Comsol Multiphysics를 활용하였다. 전계해석을 수행하여 확인하고자 하는 점은 다음과 같다.
성능/효과
- max 값 역시 증가하는 경향을 나타냈다. 80%의 반도전층 스케일 적용 시 En.max와 Et.max의 감소폭이 각각0.40%, 14.97%로써 전계 및 등전위선의 집중을 가장 큰 폭으로 완화시켜주었다. 반도전층 스케일이 작을수록 등전위선이 스트레스 콘에서 넓게 퍼져 분포되므로 Et.
- AC 전계해석 결과, Fig. 4(a)와 같이 SIR의 스트레스콘이 전계완화 역할을 함으로써, 스트레스 콘을 기점으로 등전위선이 넓게 분포함을 확인할 수 있었다. 삼중점에서의 최대 전계강도 En.
- 마지막으로는 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값을 낮추기 위한 요소설계를 수행하였다. DC 전계해석 결과를 살펴보면, 반도전층을 지나 삼중점을 기점으로 스트레스 콘 쪽으로 크게 쏠린 등전위선이 스트레스 콘 연면에 전체적으로 골고루 펼쳐져 진행하지 못하고 일부 지역으로만 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 스트레스 콘 스케일과 등전위선 분포 간 관계를 파악하기 위해 본 항의 요소설계를 수행하였다.
- 결과적으로, 열 해석을 반영한 DC 정상상태 시 전계강도가 AC 정상상태와 비교했을 때 대략 1.4배정도 높음으로써 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함은 곧바로 DC 환경에 적용할 수 없음을 알 수 있었다. 슬립온형 기중 종단접속함의 DC 적용을 위해서는 절연 형상수정을 위한 요소설계를 수행하여 AC 정상상태와 비슷한 전계강도를 보일 수 있도록 해야 한다.
- 따라서 DC 환경에 적용하기 위해서는 최대 전계강도를 낮출 수 있는 형상 변환이 필요하다고 판단되어 4 가지 요소설계를 수행하였으며 이 통해 전계집중을 감소시킬 수 있는 개선된 형상을 도출하였다. 그 결과 En.max와 Et.max는 기준모델 대비 각각 2.01%, 36.68%의 최대 전계강도를 감소시켰다. AC Et.
- AC 전계해석 결과, 스트레스 콘을 기점으로 등전위선이 넓게 분포하였다. 그러나 열 해석을 반영한DC 전계해석 결과에서는 등전위선을 급격하게 스트레스 콘 쪽으로 집중시켰으며 이로 인해 오히려 삼중점의 최대 전계강도 En.max를 크게 증가하였다. 따라서 삼중점을 통과하는 등전위선 분포의 변화를 주고자 기준모델 대비 반도전층의 각도를 -17°, -8.
- AC 전계해석 결과, 스트레스 콘을 기점으로 등전위선이 넓게 분포하였다. 그러나 열 해석을 반영한DC 전계해석 결과에서는 등전위선을 급격하게 스트레스 콘 쪽으로 집중시켰으며 이로 인해 오히려 삼중점의 최대 전계강도 En.max를 크게 증가하였다. 따라서 삼중점을 통과하는 등전위선 분포의 변화를 주고자 기준모델 대비 반도전층의 각도를 -17°, -8.
- 도체에 90℃와 접지에 20℃를 적용한 열 해석을 반영한 DC 전계해석 결과, 전체적인 등전위선은 마치 AC전계해석 결과와 유사하였지만, 스트레스 콘에 등전위선이 AC보다 조밀하게 분포하였다. 이러한 이유는 90℃일 때 XLPE의 도전율이 모든 절연물 중 가장 높기 때문에 전계가 가장 낮아져 등전위선이 분포하지 않고, 70~80℃ 온도 구간에 위치하는 스트레스 콘 SIR의 도전율은 에폭시 다음으로 도전율이 낮아 전계집중을 유발하기 때문에 스트레스 콘 쪽에 등전위선이 밀집하여 분포하였다.
- max의 감소폭이 매우 컸다. 따라서 80%의 반도전층 스케일이 가장 전계집중을 최소화할 수 있는 방법이라고 판단하였다.
- 이러한 이유는 스트레스 콘 스케일이 커짐에 따라 연면 거리가 증가하였기 때문이다. 따라서 개선모델 형상 설계 시 스트레스 콘 스케일 조절은 기준모델 대비 120%로 설정하는 것이 전계집중을 최소화할 수 있는 방법이라고 판단하였다.
- 반도전층 스케일을 80%로 적용한 도면을 제외한 나머지 요소는 오히려 삼중점 최대 전계강도 값이 증가하였다. 또한, 스케일이 상승할수록 연면 최대 전계강도 Et.max 값 역시 증가하는 경향을 나타냈다. 80%의 반도전층 스케일 적용 시 En.
- 4(b), (c)에 제시되었다. 먼저 열 해석을 반영하지 않은 DC 전계해석 결과, En.max는 4.23kV/mm, Et.max는 0.05 kV/mm이었으며 AC 전계분포의 최대 전계강도보다 낮은 값을 가졌다. XLPE 내부에 전계가 모두 집중되어 삼중점이나 연면 경로에는 크게 영향을 주지 않는다고 판단하였다.
- 본 논문에서는 슬립 온형 기중 종단접속함의 AC/DC 전계해석 수행과 더불어 열 해석 반영 여부에 따른 DC 전계분포를 비교하였다. 열 해석을 반영한 DC전계해석 결과, 최대 전계강도가 크게 상승함을 확인할수 있었다. 따라서 DC 환경에 적용하기 위해서는 최대 전계강도를 낮출 수 있는 형상 변환이 필요하다고 판단되어 4 가지 요소설계를 수행하였으며 이 통해 전계집중을 감소시킬 수 있는 개선된 형상을 도출하였다.
- 20% 완화시킬 수 있었으며 요소 II의 반도전층 스케일 조절을 통해 반도전층 스케일이 기준모델 대비 80%일 때 최대 전계강도를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 요소 III의 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절은 기준모델 적용 시 가장 전계집중이 덜했으며 요소 IV의 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 기준모델 대비 120%로 설정한 요소설계 시 가장 우수한 양상을 띠었다. 따라서 요소설계를 통해 도출한 개선된 도면을 종합하여 개선모델 형상 설계를 수행하였으며, 개선모델 형상을 적용한 DC 전계해석을 다음 항에서 수행하였다.
- 슬립 온형 접속함의 4 가지 요소설계 항목 중 최대전계강도 값을 가장 큰 폭으로 감소시킨 도면을 각각 하나씩 선정하였으며, 선정된 도면과 각 도면의 최대 전계강도 및 감소폭은 Table 2에 제시되었다. 요소 I의 반도전층 각도 조절을 통해 En.max와 Et.max를 각각 3.88%,13.20% 완화시킬 수 있었으며 요소 II의 반도전층 스케일 조절을 통해 반도전층 스케일이 기준모델 대비 80%일 때 최대 전계강도를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 요소 III의 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치 조절은 기준모델 적용 시 가장 전계집중이 덜했으며 요소 IV의 스트레스 콘 스케일 조절을 통해 기준모델 대비 120%로 설정한 요소설계 시 가장 우수한 양상을 띠었다.
- 68% 개선되었다. 요소설계를 통해 전계집중을 감소시킬 수 있는 형상을 설계하였으나, AC 전계해석 결과인 연면 전계강도 1.11 kV/mm보다는 33.3% 작았지만 삼중점 최대 전계강도 8.23 kV/mm보다 아직 43.6% 크다는 점에서 부분적인 요소설계가 아닌 DC 환경에 적합한 전혀 다른 형상 설계를 통한 근본적인 대책이 필요할 것으로 사료된다.
- max는 극성반전 시 보다 큰 값을 보였다. 이러한 결과로부터 정상상태 DC 전계가 절연설계 시 우선시 되어야 한다는 사실을 확인할 수 있었다.
- 전계해석 결과, 기준모델 대비 스트레스 콘 스케일이 감소할수록 En.max의 개선이, 스트레스 콘 스케일이 증가할수록 Et.max의 개선되었다. 다만, En.
- 7에 나타내었다. 전계해석 결과, 기준모델 대비반도전층 각도를 양의 방향으로 증가 시킬수록 En.max와 Et.max 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 반대로 각도를 양의 방향으로 증가 시킬수록 Et.
- 9에 나타내었다. 전계해석 결과, 반도전층 및 스트레스 콘 조합 위치조절은 최대 전계강도의 완화에 아무런 영향을 미치지 못하였으며 모든 도면에서 삼중점 및 연면 최대 전계강도 값의 변화가 나타나지 않았다. 모든 요소에서 En.
- 8에 나타내었다. 전계해석 결과, 삼중점 최대 전계강도의 큰개선은 없었다.
- 그 다음으로 슬립 온형 기중 종단접속함 내부의 온도편차을 고려하여 DC 전계해석 시 열 해석 반영 여부에 따른 전계분포를 비교하였다. 전계해석 결과, 열해석 반영 시 최대 전계강도가 크게 증가하였으며 이로 인해 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함을 DC에 곧바로 적용할 수 없다고 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함의 DC 적용을 위해 전계집중을 완화시킬 수 있는 형상변화를 통해 최대 전계강도를 낮추는 방안을 제시하고자 하였다.
- 11에 나타내었다. 정상상태 시 개선모델의 삼중점 최대 전계강도는 기준모델 대비 2.01% 개선되었으며, 연면 최대 전계강도는 기준모델 대비 36.68% 개선되었다. 요소설계를 통해 전계집중을 감소시킬 수 있는 형상을 설계하였으나, AC 전계해석 결과인 연면 전계강도 1.
- 5°인 경우에만 개선되었다. 한편, 반도전층의 각도를 가능한 한 감소시켜 케이블 절연체인 XLPE와 평행을 이룰 때는 오히려 최대 전계강도 En.max가 증가하는 경향을 보였다. 따라서 개선모델 형상 설계시에 반도전층 각도는 -8.
후속연구
- 6% 크다는 점에서 부분적인 형상변환만으로는 한계가 있다고 판단하였다. 따라서 기중 종단접속함 내 베리어 설치, 혹은 케이블 절연물을 기존 XLPE에서 MI로 교체하는 등의 설계가 필요할 것으로 사료된다. 또는 문헌조사를 통해 도출한 XLPE 도전율 값이 온도가 증가함에 따라 다른 절연물에 비해 매우 큰 폭으로 상승하여 지나치게 전계를 집중시키기 때문에 허용범위 내에서 낮추는 것도 대안이 될 수 있다.
- 또한, DC 전압은 정상상태 외에도 극성반전 상황이 존재하므로 정상상태와 극성반전 시 전계해석을 모두 수행하여 전계강도를 비교하여 어느 구간이 더욱 극심한 지 확인해야 한다. 따라서 슬립 온형 기중 종단접속함은 어느 구간에서 전계집중이 더욱 극심한지 알아보기 위해 DC 정상상태, 스위칭 오프, 극성반전 시의 전계 및 등전위선 분포를 비교하였으며 Fig.
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