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문제 정의
- "향후 구축된 간이합성설비와 계측 기법으로서 다양한 모델 차단기에 대하여 실험을 실시하고자 한다. CZM을통하여서 전류영점에서의 차단 성공/실패에 관련한 정확한 기준치를 도출하고, dl/dt와 dV/dt를 가변하여 차단 성공/실패와 압력상승과의 관계식의 상수를 LS산전에 맞는 값을 도출하고자 한다.
- 차단현상은 수십 ms의 매우 짧은시간에 이루어지므로 정확한 압력 측정을 위해서는 응답속도가 매우 빠른 압력센서가 필요하다. 이러한 목적으로는 압전성 압력센서가 가장 적합하며, 본 연구에서는 압전성 압력센서 (601A, Kistler) 와 전하 증폭기(5011, Kistler)를 사용하여 압력을 측정하였고 만족할만한 결과를 얻었다. 이러한 압전성 압력센서에서 발생되는 전압은 매우 작으므로 차단 시험시의 고전압, 대전류 환경에서 좋은 측정결과를 얻으려면, 전자기 차폐와 접지간에폐루프가 형성되어 전류가 흐르는 것을 막아야 한다.
제안 방법
- CZM을통하여서 전류영점에서의 차단 성공/실패에 관련한 정확한 기준치를 도출하고, dl/dt와 dV/dt를 가변하여 차단 성공/실패와 압력상승과의 관계식의 상수를 LS산전에 맞는 값을 도출하고자 한다.
- 실험을 위하여 145kV 40kA 단상 복합소호식모델 가스차단기를 설계, 제작하였고 이 차단기를 가지고 기초적인 차단성능 평가 실험을 수행하였다. 강한 전자기적 노이즈 환경에서 정확한 계측을 위해서 여러 가지를 고려한 방법이 필요하였고, 아크 온도를 계측하는 시도를 통하여 여러 참고문헌에서 제시하는 Cu 전극 아크의 온도와 근사한 값을 측정할 수 있었다.
- 조작기의 이동을 측정하기 위하여 직선형 변위센서를(PZ34-A, Gefran) 유압 조작기 하단에 조작봉과 직렬이 되게 연결하였다. 고전압, 대전류 부근에서 전자기적으로 간섭되는 것을 최소화하고 시간 지연이 없도록 하기위하여 가변저항형 센서를 적용하였다. 센서를 가동부에 연결시 진동이 전달되어 센서 접촉자에 의한 노이즈가 발생하지 않도록 지그를 설계하여야 하며, 유압조작기에 직결시는 오일의 누유 방지도 중요하다.
- 우리는 이러한 차단성능 평가를 쉽게 수행할 수 있는 간이합성시험설비를 구축하였고, 다양한 실험 및 측정에 필요한 모델 SF6 가스 차단기를 제작하였다. 그리고 변위, 압력, 전압, 전류, 아크 온도 등을 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발하였다. 이러한 기술은 대전류, 고전압, 고속 운동의 전자기적 및 기계적으로 심한 노이즈 환경에서 작은 센서 신호를 정확하게 측정해야 하며, 수십 ms 동안에 이루어지는 차단현상에 대해서 충분한시간 분해능율 가지고 측정해야 하므로 매우 어렵고, 많은 시행착오를 거쳤다.
- 본 연구에서 초고압 가스 차단기의 차단성능평가를 실험적으로 수행할 수 있는 간이합성시험설비를 구축하고, 각 차단성능평가 인자를 도출할 수 있는 계측기법을 확립하였다. 실험을 위하여 145kV 40kA 단상 복합소호식모델 가스차단기를 설계, 제작하였고 이 차단기를 가지고 기초적인 차단성능 평가 실험을 수행하였다.
- 왜냐하면 전류 영점 부근 수백 us에서, 전류의 크기는 최대치의 1/100, 000 정도이고 전압의 크기는 최대치의 1/100 정도이며, 여기에 stray 커패시턴스에 의한 값이 측정값을 변화시킨다. 본 연구에서는 KEMA에서 도입한 전류영점 측정시스템(CZM)을 사용하였으며, 시스템의 사양은 40MHz, 12bit의 시간 및 수직 분해능을 가지고 있고 측정을 위해서 특별하게 고안된 로고우스키 코일과 광케이블 연결구조를 가진다.
- 본 연구에서는 단상 145kV 40kA 복합소호방식 모델차단기에 대하여 dl/dt, dV/dt, 압력 등을 측정하며 차단실험을 실시하였다. 그림.
- 아크가 노즐과 금속제 탱크에 둘러싸여 있고, 높은 압력의 SF6 가스로 충진되어 있으므로 아크의 빛을 획득하는 것이 어려워서 노즐에 작은 구멍을 뚫어서 그 구멍을 통해서 나오는 빛을 강화유리 가시창을 통해서 획득하여 아크 온도를 측정하였다. 이렇게 노즐에 구멍을 뚫은 조건과 실제 차단기의 조건은 다르지만 이런 시도 자체에도 의미는 있다.
- 그러므로 새로운 차단기 개발 시 차단성능 평가는 설계에 매우 유용하다. 우리는 이러한 차단성능 평가를 쉽게 수행할 수 있는 간이합성시험설비를 구축하였고, 다양한 실험 및 측정에 필요한 모델 SF6 가스 차단기를 제작하였다. 그리고 변위, 압력, 전압, 전류, 아크 온도 등을 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발하였다.
- 이러한 과정을 통해서 GCB 차단부의 아크 온도를 측정하였다. 아크가 노즐과 금속제 탱크에 둘러싸여 있고, 높은 압력의 SF6 가스로 충진되어 있으므로 아크의 빛을 획득하는 것이 어려워서 노즐에 작은 구멍을 뚫어서 그 구멍을 통해서 나오는 빛을 강화유리 가시창을 통해서 획득하여 아크 온도를 측정하였다.
- 이론적으로는 전류영점인 순간의 G가 가장 좋은 지표가 되겠지만, 매우 작은 신호에 노이즈의 영향을고려하여 전류영점 전 200ns의 G를 GCB의 차단 성공 및 실패 및 SLF 차단성능의 지표로 채택하였다. 일부제조사에서는 전류영점 전 400 또는 500ns의 G값을 채택하고 있다.
- 이러한 측정을 통한 데이터는 실험적 차단성능 평가의 database로 축적될 뿐 아니라 아크 유동해석의 보정을 위한 데이터로 활용되어 아크 유동해석의 신뢰성을 향상시켜 설계 시 실험 횟수를 줄이고 최적설계에 도움을 주었다. 이외에 우리는 초고압 차단기의 열적 차단성능의 중요한 지표가 될 수 있는 전류영점 (Current Zero)에서의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 시스템을 도입, 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 축적된 결과로서 향후 차단성능 평가에 대한 기준을 자체적으로 제시할 수 있게 될 것이다.
- 전류원 커패시터 뱅크의 용량은 30, 000uF이며, 보조차단기는 362kV 2점절 GCB를 사용하였다. 전압원 커패시터 뱅크는 2배압 방식으로 제작되었으며, 2-para BTF 회로로써 4-para BTF 파형을 근사화하여 실험할 수 있도록 설계하였다. 차단성능 평가 실험은 주로 SLF 실험을 중심으로 실시하였으며, BTF회로로써 SLF 실험 파형의 첫 번째 파형의 기울기만(dV/dt) 수us 동안 모의하여 실험을 실시하였다.
- 차단기 내부를 볼 수 있도록 강화유리로 된 가시창을 접점 높이에 90° 간격으로 장착하여 아크 온도 계측시 활용하였다. 조작기의 이동을 측정하기 위하여 직선형 변위센서를(PZ34-A, Gefran) 유압 조작기 하단에 조작봉과 직렬이 되게 연결하였다. 고전압, 대전류 부근에서 전자기적으로 간섭되는 것을 최소화하고 시간 지연이 없도록 하기위하여 가변저항형 센서를 적용하였다.
- 연결하여 구성하였다. 차단기 내부를 볼 수 있도록 강화유리로 된 가시창을 접점 높이에 90° 간격으로 장착하여 아크 온도 계측시 활용하였다. 조작기의 이동을 측정하기 위하여 직선형 변위센서를(PZ34-A, Gefran) 유압 조작기 하단에 조작봉과 직렬이 되게 연결하였다.
- 유동해석의 검증에 좋은 정보가 된다. 차단기내 아크의 온도는 매우 고온이며 탐침등을 쓰기에 곤란하여 분광학적 방법으로 측정하였다. Local Thermodynamic Equilibrium(LTE) 라는 가정하에서 아크내에 존재하는 접점에서 증발된 Cu원소의 스펙트럼 선의 강도를 비교하여 Boltzmann Plot 방법으로 아크의 온도를 측정하였다.
- 차단기의 성능을 사내에서 평가할 수 았도록 간이합성설비를 구축하였다. 245kV 50kA GCB를 IEC 62271-100 에 의하여 BTF 100s 실험을 수행할 수 있도록 설계하여 제작하였다.
- 전압원 커패시터 뱅크는 2배압 방식으로 제작되었으며, 2-para BTF 회로로써 4-para BTF 파형을 근사화하여 실험할 수 있도록 설계하였다. 차단성능 평가 실험은 주로 SLF 실험을 중심으로 실시하였으며, BTF회로로써 SLF 실험 파형의 첫 번째 파형의 기울기만(dV/dt) 수us 동안 모의하여 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 구축하였다. 245kV 50kA GCB를 IEC 62271-100 에 의하여 BTF 100s 실험을 수행할 수 있도록 설계하여 제작하였다. 전류원 커패시터 뱅크의 용량은 30, 000uF이며, 보조차단기는 362kV 2점절 GCB를 사용하였다.
- 표. 2에 제시한 데이터는 145kV 모델 차단기의 차단시험에서 전류영점 현상을 측정한 일부 데이터이다. SLF TRV의 첫 번째 파형만을 간이합성설비에서 모의하여 인가하였다.
- 모델 차단기로 단상 145kV 40kA 소호부와 유압 조작기를 연결하여 구성하였다. 차단기 내부를 볼 수 있도록 강화유리로 된 가시창을 접점 높이에 90° 간격으로 장착하여 아크 온도 계측시 활용하였다.
- 실험을 위하여 145kV 40kA 단상 복합소호식모델 가스차단기를 설계, 제작하였고 이 차단기를 가지고 기초적인 차단성능 평가 실험을 수행하였다. 강한 전자기적 노이즈 환경에서 정확한 계측을 위해서 여러 가지를 고려한 방법이 필요하였고, 아크 온도를 계측하는 시도를 통하여 여러 참고문헌에서 제시하는 Cu 전극 아크의 온도와 근사한 값을 측정할 수 있었다.
이론/모형
- 차단기내 아크의 온도는 매우 고온이며 탐침등을 쓰기에 곤란하여 분광학적 방법으로 측정하였다. Local Thermodynamic Equilibrium(LTE) 라는 가정하에서 아크내에 존재하는 접점에서 증발된 Cu원소의 스펙트럼 선의 강도를 비교하여 Boltzmann Plot 방법으로 아크의 온도를 측정하였다. 온도는 스펙트럼 선의 upper level energy(Eu)와 그강도의 차이에 의해서 주로 결정된다.
- 전류영점에서의 차단성능을 나타내는 지표로 저항(R)이나 도전률(G)를 많이 사용하는데 본 연구에서는 G를 사용하였다. 이론적으로는 전류영점인 순간의 G가 가장 좋은 지표가 되겠지만, 매우 작은 신호에 노이즈의 영향을고려하여 전류영점 전 200ns의 G를 GCB의 차단 성공 및 실패 및 SLF 차단성능의 지표로 채택하였다.
성능/효과
- dl/dt와 dV/dt를 바꾸어 가면서 모델 차단기의 차단실험을 실시한 결과 압력에 따른 차단 성공/실패의 경향을 확인할 수 있었으며, 복합소호방식 차단기의 특성을 실험적으로 확인할 수 있었다. 압력이 또한 SLF 차단성능에 중요한 영향을 미침을 확인할 수 있었고 타 제조회사와 같이 자체적인 관계식의 상수 도출이 필요함을 알 수 있었다
- 본연구■에서 압력센서 및 증폭기와 연결된 모든 부분의 접지를 모델 차단기의 접지와 분리하여 floating시켰으며, 전하 증폭기와 OSC 사이에는 optical isolator(Isobe 3000)를 사용하여 전기적으로 분리시켜서 좋은 결과를얻을 수 있었다. 본 연구를 진행하면서 팽창실, 압축실, 냉각통의 압력을 측정하였는데, 팽창실, 압축실은 비교적 깨끗한 파형울 얻을 수 있었으나, 냉각통은 열에의한 압전소자의 노이즈가 커서 의미있는 파형을 얻을 수 없었다.
- 이렇게 노즐에 구멍을 뚫은 조건과 실제 차단기의 조건은 다르지만 이런 시도 자체에도 의미는 있다. 본 연구에서 측정한 GCB 내 아크의 온도는 전형적으로 약 20, 000K으로써 기타 참고문 허들에서 제시하는 온도와 유사한 수준을 나타내었다. 향후 좀더 정확한 위치와 시간에 아크의 빛을 획득할 수 있는 지그를 제작하여 정확한 온도 측정을 하고자 한다.
- 이러한 압전성 압력센서에서 발생되는 전압은 매우 작으므로 차단 시험시의 고전압, 대전류 환경에서 좋은 측정결과를 얻으려면, 전자기 차폐와 접지간에폐루프가 형성되어 전류가 흐르는 것을 막아야 한다. 본연구■에서 압력센서 및 증폭기와 연결된 모든 부분의 접지를 모델 차단기의 접지와 분리하여 floating시켰으며, 전하 증폭기와 OSC 사이에는 optical isolator(Isobe 3000)를 사용하여 전기적으로 분리시켜서 좋은 결과를얻을 수 있었다. 본 연구를 진행하면서 팽창실, 압축실, 냉각통의 압력을 측정하였는데, 팽창실, 압축실은 비교적 깨끗한 파형울 얻을 수 있었으나, 냉각통은 열에의한 압전소자의 노이즈가 커서 의미있는 파형을 얻을 수 없었다.
- 이러한 기술은 대전류, 고전압, 고속 운동의 전자기적 및 기계적으로 심한 노이즈 환경에서 작은 센서 신호를 정확하게 측정해야 하며, 수십 ms 동안에 이루어지는 차단현상에 대해서 충분한시간 분해능율 가지고 측정해야 하므로 매우 어렵고, 많은 시행착오를 거쳤다. 이러한 측정을 통한 데이터는 실험적 차단성능 평가의 database로 축적될 뿐 아니라 아크 유동해석의 보정을 위한 데이터로 활용되어 아크 유동해석의 신뢰성을 향상시켜 설계 시 실험 횟수를 줄이고 최적설계에 도움을 주었다. 이외에 우리는 초고압 차단기의 열적 차단성능의 중요한 지표가 될 수 있는 전류영점 (Current Zero)에서의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 시스템을 도입, 측정하였다.
후속연구
- 확인할 수 있었다. 압력이 또한 SLF 차단성능에 중요한 영향을 미침을 확인할 수 있었고 타 제조회사와 같이 자체적인 관계식의 상수 도출이 필요함을 알 수 있었다
- 이외에 우리는 초고압 차단기의 열적 차단성능의 중요한 지표가 될 수 있는 전류영점 (Current Zero)에서의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 시스템을 도입, 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 축적된 결과로서 향후 차단성능 평가에 대한 기준을 자체적으로 제시할 수 있게 될 것이다.
- 전류영점 측정을 통하여 차단기 성능평가의 좋은 지표가 되는 G(-200)값을 측정할 수 있었고, 좀 더 정확한 측정을 위하여 많은 횟수의 전류영점 측정과 분석이 필요할 것이다.
- 7[bar]의 압력이 필요하다. 향후 성능평가 실험의 반복을 통하여 LS산전에 맞는 상수값을 도출하고자 한다.
- 본 연구에서 측정한 GCB 내 아크의 온도는 전형적으로 약 20, 000K으로써 기타 참고문 허들에서 제시하는 온도와 유사한 수준을 나타내었다. 향후 좀더 정확한 위치와 시간에 아크의 빛을 획득할 수 있는 지그를 제작하여 정확한 온도 측정을 하고자 한다.
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