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[국내논문] 되메움재 특성을 고려한 전력구 열환경 변화 예측 수치해석모델 개발
Development of numerical model for estimating thermal environment of underground power conduit considering characteristics of backfill materials 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.2, 2017년, pp.121 - 141  

김경훈 (동부화재) ,  박상우 (세종대학교 건설환경공학과) ,  김민주 (한국전력공사 전력연구원) ,  이대수 (한국전력공사 전력연구원) ,  최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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최근 전력구 지중 송전선의 허용 전류용량에 대한 정부규제로 인해 전력구 공사에 현장 되메움재의 열적 거동에 대한 연구가 중요해졌다. 점차 증대되는 고용량 전력공급에 대한 수요와 더불어, 허용 전류용량을 산정하기 위해, 전력 케이블 주변 온도 증가를 유발하는 요인을 예측하고 분석하는 것이 시급하다. 전력구 내부의 과도한 열확산으로 인한 지중 송전선로 주변의 온도 증가는 지중 송전선 자체의 열저항을 증가시켜 절연 파괴열 폭주 현상을 야기한다. 따라서 전력구 설계 및 시공시, 되메움재에 따른 전력구 현장 열거동 메커니즘을 규명하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 현장 시험시공을 기반으로, 전력구내부와 주변지반의 온도 변화 및 열저항을 산정하기 위한 수치해석 모델을 개발하였다. 전력구 열거동 파악을 위한 수치해석은 현장시험 시공시 획득한 4개의 다른 종류의 되메움재의 열적 그리고 물리적 물성치를 기반으로 수행되었다. 또한, 실내 시험을 통해 산정한 각 되메움재의 열저항을 수치해석 모델에 입력변수로 적용했다. 전력구 내부에 일정한 열량이 공급될 때, 되메움재의 단위중량, 함수비, 열적 특성 등 여러 변수를 고려한 열거동 메카니즘을 모사할 수 있도록 열거동 수치해석 모델을 구성하고 1년 동안의 수행된 현장계측값과 비교를 통하여 개발된 수치해석 모델을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The thermal analysis of an underground power conduit for electrical cables is essential to determine their current capacity with an increasing number of demands for high-voltage underground cables. The temperature rises around a buried cable, caused by excessive heat dissipation, may increase consid...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 COMSOL Multiphysics에 내재된 열전달 해석 모듈을 이용하여 현장 시험체의 경계조건과 동일하게 수치 모델을 구성하였으며, 전력구 내부에서 발생한 열이 주변 지반으로 전달되는 현상을 모사했다. 개발된 수치해석 모델을 통해 현장 시험체의 1년간 열전달 현상을 모사하고, 현장 시험결과(전력구 내부 및 주변 지반의 온도변화)와 비교하여 수치해석 모델의 적합성을 판단하였다.
  • 본 논문에서는 전력 케이블(열원)로부터 발생한 열이 전력구 내부 및 되메움재를 통해 전달되는 현상을 모사할 수 있는 열전달 수치해석 모델을 개발했다. 개발된 열전달 수치해석 모델은 전력구 내부 및 되메움재의 열거동을 정확하게 모사할 수 있는 것으로 확인되었다.
  • 본 논문에서는 전력구 되메움재의 열적 안정성 향상과 열저항을 감소시키는 되메움재를 선정하기 위하여 토양의 입도특성 및 함수변화에 따른 열저항 특성 등을 고려해 전력구 열거동 변화를 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발하였다. 되메움재에 따라 총 2종류의 모델이 구성되었으며, 열환경 변화에 영향을 주는 요인으로 외기온도와 대류 열전달계수, 그리고 되메움재를 포함한 토양의 특성인 열저항, 단위중량, 함수비 등을 고려하였다.

가설 설정

  • 전력구 PC박스 내부 공기는 유체에서의 열전달 모델을 적용했으며, 유체의 이동이 없다고 가정하고 일반적인 공기의 물성치(참조 Table 1)를 적용하였다(Fig. 7). 유체에서의 열전달 모델의 지배 방정식은 Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전력 케이블 주변 온도 증가를 유발하는 요인을 예측하고 분석이 시급한 이유는 무엇인가? 최근 전력구 지중 송전선의 허용 전류용량에 대한 정부규제로 인해 전력구 공사에 현장 되메움재의 열적 거동에 대한 연구가 중요해졌다. 점차 증대되는 고용량 전력공급에 대한 수요와 더불어, 허용 전류용량을 산정하기 위해, 전력 케이블 주변 온도 증가를 유발하는 요인을 예측하고 분석하는 것이 시급하다. 전력구 내부의 과도한 열확산으로 인한 지중 송전선로 주변의 온도 증가는 지중 송전선 자체의 열저항을 증가시켜 절연 파괴 및 열 폭주 현상을 야기한다.
전력구 공사에 현장 되메움재의 열적 거동에 대한 연구가 중요해진 이유는 무엇인가? 최근 전력구 지중 송전선의 허용 전류용량에 대한 정부규제로 인해 전력구 공사에 현장 되메움재의 열적 거동에 대한 연구가 중요해졌다. 점차 증대되는 고용량 전력공급에 대한 수요와 더불어, 허용 전류용량을 산정하기 위해, 전력 케이블 주변 온도 증가를 유발하는 요인을 예측하고 분석하는 것이 시급하다.
송배전선로의 효율적 지중화 추진에 대한 연구 및 사업이 활성화되는 이유는 무엇인가? 최근 도심지역 및 주택가내 무질서하게 서 있는 각종 전력, 통신용 전주가 도시 미관을 해치고, 가공 전선으로 인한 빈번한 사고 발생, 신설 지상 전주 설치의 제한, 태풍, 홍수 등 자연재해 시 사고 발생 등으로 도심지역 가공선로의 지중화 필요성은 날이 갈수록 더욱 높아지고 있는 실정이다. 이에, 국내 송배전선로의 효율적 지중화 추진에 대한 연구 및 사업이 활성화되고 있다.
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참고문헌 (21)

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  7. Jeong, S.H., Kim, D.K., Choi, S.B., Nam, K.Y., Ryoo, H.S., Kang, J.W., Jang, T.I. (2003), "A study on the conductor temperature estimation of underground power cables considering the load current change", Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers (Korean), 2003.7, pp. 247-249. 

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  10. Kimura, K. (1997), Scientific basis of air conditioning, London Applied Science Publishers Ltd. 

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  12. Tanaka, T., Adachi, T., Takeda, H., Tsuchiya, T., (1997), The latest architectural environmental engineering. pp. 164-165. 

  13. Wi, J., Hong, S-Y, Lee, D-S, Park, S., Choi, H. (2011), "Evaluation of compaction and thermal characteristics of recycled aggregates for backfilling power transmission pipeline", Journal of the Korean Geotechnical Society (Korean), Vol. 27, No. 7, pp. 17-33. 

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  18. Churchill, S.W. Bernstein, M. (1997), "A correlating equation for forced convection from gases and liquids to a circular cylinder in crossflow", Journal of Heat Transfer, Vol. 99, No. 2, pp. 300-307. 

  19. Clauser, C., Hugenges, E. (1995), "Thermal conductivity of rocks and minerals", Rock physics & phase relations: A handbook of physical constants, pp. 105-126. 

  20. COMSOL Multiphysics (2012), "COMSOL multiphysics user guide (Version 4.3 a)", COMSOL, AB. 

  21. Patankar, S.V. (1980), "Numerical heat transfer and fluid flow", CRC press. 

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