철도차량용 직류 고속도 차단기(HSCB)는 주 회로에 흐르고 있는 전류를 정상 차단시 아크슈트 내부에서 발생아크를 소호하여 접지사고를 방지하는 기능으로 사용되고 있다. 선로에 사용되는 접촉기의 개방시에 발생하는 아크를 연구하기 위하여 아크 구현, 외부자계 등에 의한 효과적인 아크 소호의 방식 정립 및 아크 자기 구동력의 해석이 필요하다. 본 논문은 전자접촉기의 정상 차단시 발생하는 아크를 자속밀도 차와 로렌츠력을 통하여 소호능력을 예측하였다. 아크 슈트 내부의 그리드 개수와 형상은 내부 자계 형성에 영향을 미치므로, 유한 요소법을 이용하여 그리드의 변화에 따른 아크 소호능력을 연구하였으며 정격전압에 따른 그리드의 소호능력 평가와 그리드 형상 특성을 해석하였다.
철도차량용 직류 고속도 차단기(HSCB)는 주 회로에 흐르고 있는 전류를 정상 차단시 아크 슈트 내부에서 발생아크를 소호하여 접지사고를 방지하는 기능으로 사용되고 있다. 선로에 사용되는 접촉기의 개방시에 발생하는 아크를 연구하기 위하여 아크 구현, 외부자계 등에 의한 효과적인 아크 소호의 방식 정립 및 아크 자기 구동력의 해석이 필요하다. 본 논문은 전자접촉기의 정상 차단시 발생하는 아크를 자속밀도 차와 로렌츠력을 통하여 소호능력을 예측하였다. 아크 슈트 내부의 그리드 개수와 형상은 내부 자계 형성에 영향을 미치므로, 유한 요소법을 이용하여 그리드의 변화에 따른 아크 소호능력을 연구하였으며 정격전압에 따른 그리드의 소호능력 평가와 그리드 형상 특성을 해석하였다.
High speed circuit breakers(HSCB) interrupt the generated arc within the arc chute to turn off the electricity flowing through the main circuit to prevent ground faults. In order to explore the arc generated from the contactor operation, arc definition, establishment of arc interruption method, and ...
High speed circuit breakers(HSCB) interrupt the generated arc within the arc chute to turn off the electricity flowing through the main circuit to prevent ground faults. In order to explore the arc generated from the contactor operation, arc definition, establishment of arc interruption method, and analysis of magnetic driving force are required. In this paper, arc interruption capability has been estimated by exploring the difference in magnetic flux density of Lorenz forces using finite element analysis. In addition, since the number of grids and changes in the grid shape within the arc chute influence the formation of the inner magnetic field, its effects have been explored to enhance arc interruption capability. Assessment of interruption capability and analysis of grid shape, with rated operating current, are reported.
High speed circuit breakers(HSCB) interrupt the generated arc within the arc chute to turn off the electricity flowing through the main circuit to prevent ground faults. In order to explore the arc generated from the contactor operation, arc definition, establishment of arc interruption method, and analysis of magnetic driving force are required. In this paper, arc interruption capability has been estimated by exploring the difference in magnetic flux density of Lorenz forces using finite element analysis. In addition, since the number of grids and changes in the grid shape within the arc chute influence the formation of the inner magnetic field, its effects have been explored to enhance arc interruption capability. Assessment of interruption capability and analysis of grid shape, with rated operating current, are reported.
이를 위하여 접촉기의 접점 개방시에 발생하는 아크 형성에 대한 효과적인 소호방식 정립 및 자기구동력 해석의 필요성이 증대되고 있다[6]. 따라서 본 연구에서는 구동력간에 자속밀도 차를 통해 소호능력을 예측하는 방법으로 다양한 재질에 따른 아크 모델을 구현 및 검증하였으며, DC 1.5kV와 DC 4.0kV급 아크슈트의 그리드 개수 및 형상에 따른 소호력 특성을 연구하였다.
제안 방법
또한, 두 모델의 비교를 통해 그리드와 아크의 거리를 동일하게 두어 균일한 영향을 줄 수 있는 설계가 소호력을 높일 수 있는 것을 확인하였다. 그리드의 형상은 아크슈트에서 아크를 소호하는 역할을 하기 때문에 각 사양에 따른 그리드 내부의 자속 밀도를 해석하였으며, 그리드 특성 해석을 위해 일정간격 교차로 적층되어 있는 그리드의 형상 해석을 하였다. 비대칭 특성으로 아크 소호능력을 높일 수 있을 것으로 확인하였으며, 이와 같은 특성이 증가할수록 향상될 것으로 판단된다.
자속밀도와 자기구동력의 해석을 통해 아크슈트 내부에 소호능력 평가를 시행하였다. 재질에 따른 소호능력 평가해석을 위해 여러 강자성체 간에 구동력 차이를 확인 하였으며 로렌츠력 비교 해석을 진행하였다.
자속밀도와 자기구동력의 해석을 통해 아크슈트 내부에 소호능력 평가를 시행하였다. 재질에 따른 소호능력 평가해석을 위해 여러 강자성체 간에 구동력 차이를 확인 하였으며 로렌츠력 비교 해석을 진행하였다. 아크 소호능력 향상을 위한 그리드 개수에 대한 해석 결과, 그리드의 수가 늘어남에 따라 소호능력은 향상되지만 그리드간 간극이 일정 길이 이상 줄어들었을 때에는 로렌츠력의 증가율이 감소하는 것을 확인하였다.
대상 데이터
높은 가선 전압의 선로에 적용 가능한 아크슈트 설계를 위하여 아크 소호력에 대한 최적화 연구가 필요하다. 이론 검증을 위해서 Fig. 2에서 보인 것과 같이 가선 전압 DC 1.5kV급으로 사용되는 Model A와 DC 4.0kV급으로 사용되는 Model B를 통해서 해석을 진행하였다. Model A는 다른 두개의 그리드가 일정 간격을 두어 적층되어 있으며 Model B는 같은 모양의 그리드가 서로 대칭으로 적층되어 있다.
성능/효과
비대칭 특성으로 아크 소호능력을 높일 수 있을 것으로 확인하였으며, 이와 같은 특성이 증가할수록 향상될 것으로 판단된다. 그리드의 재질, 개수, 형상 해석 결과를 통해 아크 소호에 영향을 끼치는 내부 그리드 특성연구를 하였으며, 아크슈트 차단성능 향상을 위한 설계 과정에의 적용가능성을 확인하였다.
하지만 그리드의 적층개수는 자기포화에 영향을 미치므로 필요 설계에 맞추어 자기 포화에 의해 더 이상 자성체로써의 능력이 떨어지지 않는 수준에서 적층해야 할 것으로 판단된다. 또한, 두 모델의 비교를 통해 그리드와 아크의 거리를 동일하게 두어 균일한 영향을 줄 수 있는 설계가 소호력을 높일 수 있는 것을 확인하였다. 그리드의 형상은 아크슈트에서 아크를 소호하는 역할을 하기 때문에 각 사양에 따른 그리드 내부의 자속 밀도를 해석하였으며, 그리드 특성 해석을 위해 일정간격 교차로 적층되어 있는 그리드의 형상 해석을 하였다.
재질에 따른 소호능력 평가해석을 위해 여러 강자성체 간에 구동력 차이를 확인 하였으며 로렌츠력 비교 해석을 진행하였다. 아크 소호능력 향상을 위한 그리드 개수에 대한 해석 결과, 그리드의 수가 늘어남에 따라 소호능력은 향상되지만 그리드간 간극이 일정 길이 이상 줄어들었을 때에는 로렌츠력의 증가율이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 그리드의 적층개수는 자기포화에 영향을 미치므로 필요 설계에 맞추어 자기 포화에 의해 더 이상 자성체로써의 능력이 떨어지지 않는 수준에서 적층해야 할 것으로 판단된다.
후속연구
아크 소호능력 향상을 위한 그리드 개수에 대한 해석 결과, 그리드의 수가 늘어남에 따라 소호능력은 향상되지만 그리드간 간극이 일정 길이 이상 줄어들었을 때에는 로렌츠력의 증가율이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 그리드의 적층개수는 자기포화에 영향을 미치므로 필요 설계에 맞추어 자기 포화에 의해 더 이상 자성체로써의 능력이 떨어지지 않는 수준에서 적층해야 할 것으로 판단된다. 또한, 두 모델의 비교를 통해 그리드와 아크의 거리를 동일하게 두어 균일한 영향을 줄 수 있는 설계가 소호력을 높일 수 있는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해외 철도 차량 가선 직류전압은?
통상적으로 해외 철도 차량 가선 직류전압은 3kV이며 국내 도시철도에서는 DC 750V, 1.5kV를 표준으로 사용하고 있다[1].
철도차량용 직류 고속도 차단기는 어떤 기능으로 사용되고 있는가?
철도차량용 직류 고속도 차단기(HSCB)는 주 회로에 흐르고 있는 전류를 정상 차단시 아크 슈트 내부에서 발생아크를 소호하여 접지사고를 방지하는 기능으로 사용되고 있다. 선로에 사용되는 접촉기의 개방시에 발생하는 아크를 연구하기 위하여 아크 구현, 외부자계 등에 의한 효과적인 아크 소호의 방식 정립 및 아크 자기 구동력의 해석이 필요하다.
아크슈트 내부에 사용하는 그리드에는 상자성체가 아닌, 강자성체 재질이 많이 사용되고 있는데, 그 이유는?
강자성체는 자기 포화능력이 높아 그리드로 사용되고 있다. 그러나 상자성체는 자속에 대한 일정한 자속분포를 형성하지 않기 때문에 그리드의 사용은 적합하지 않다. 따라서 아크슈트 내부에 사용하는 그리드는 강자성체 재질이 많이 사용되고 있어 세라믹과 코발트, 니켈, 철 등의 여러 강자성체의 자속분포를 확인하였다.
참고문헌 (13)
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www.wjem.co.kr (Accessed 1 October 2015).
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