[논문]자력팽창 및 아크회전 원리를 조합한 배전급 복합소호부 개발

손종만; 강종성; 이방욱; 오일성; 최종웅

자력팽창 및 아크회전 원리를 조합한 배전급 복합소호부 개발
Development of $SF_6$ Hybrid Interrupter Using Thermal Expansion and Arc Rotation Principle 원문보기

손종만 (LG 산전 전력연구소) , 강종성 (LG 산전 전력연구소) , 이방욱 (LG 산전 전력연구소) , 오일성 (LG 산전 전력연구소) , 최종웅 (LG 산전 전력연구소)

The RMU is a power apparatus which is used in loop network distribution system. This paper considers the development of the hybrid interrupter in RMU which adopts both rotating arc and thermal expansion technology. Because of the operating principle of this device, it has some merit, compared with other interrupter. In this research, the geometric construction of the interrupting techniques are given and experimental results of hybrid interrupter which is developed by new technology is introduced.

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문제 정의

본 논문에서는 자체 개발된 복합소호부에 관한 실험 및 계측결과와 그 차단특성에 관해 소개한다.
또한 복합소호부 개발을 위해 소호부의 코일 구조, 팽창실 면적. 아크 전압, 전류에 따른 아크의 안정도 파악. 아크에너지에 의한 팽창실 압력상승 등에 대한 실험적 연구를 위해 복합소호부 실험용 챔버를 제작하여 개발된 소호부를 챔버 내부에 장착하여 차단성능을 테스트 하였다.

제안 방법

개발된 소호부를 기 제작된 실험챔버에 삽입하고 대전류원 실험장치를 이용하여 차단실험을 하였고, 그때 아크의 거동을 고속카메라로 시각화하였다.
복합소호부 개발을 위해 소호부 핵심기술인 아크회전기술, 자력팽창 기술에 관한 해석연구를 바탕으로 새로운 소호부를 개발하였다
본 실험장치는 합성설비의 전류원만 갖추고 있으므로 실제 합성설비와는 차이가 있지만 소호부 차단특성 검증에는 유효하게 사용할 수 있었으며 고속카메라를 이용하여 복합소호부내에서 아크의 거동을 관측하였다.
본 연구에서는 배전급 가스차단부의 필요성 몇 세계화 기술동향에 적극 대응하기 위해 대기압 수준의 가스압을 사용하며, 아크회전 및 자력팽창 방식의 장점을 보유한 정격 24kV, 25kA 소호부 개발을 시작하게 되었으며, 구동코일의 설계 및 제작, 팽창실에 관한 설계가 진행되었고, 복합소호 현상을 계측 및 관측할 수 있는 아크발 생장치 및 모의 소호부 챔버를 제작하여 개발된 소호부의 차단성능을 실험하였다.
아크 전압, 전류에 따른 아크의 안정도 파악. 아크에너지에 의한 팽창실 압력상승 등에 대한 실험적 연구를 위해 복합소호부 실험용 챔버를 제작하여 개발된 소호부를 챔버 내부에 장착하여 차단성능을 테스트 하였다.
아크전류, 아크전압 등을 측정할 필요가 있다. 이러한 실험을 하기 위해서 LC공진회로를 이용한 아크발생 실험장치를 구축하였으며 그 구성은 아래 그림과 같다.

성능/효과

복합소호부에 대한 고속카메라를 이용한 계측을 실시한 결과 아크접점 사이에서 발생한 아크는 설치된 구동코일에 의해 발생한 자계구동력에 의해 매우 빠른 속도로 갭 간에서 회전하는 현상을 나타내었고. 아크는 접점밖으로 이탈하지 않았으며, 이 아크회전에 의해 전달된 에너지에 의해 소호부내에서 압력상승이 일어나 결국에는 전류 영점 부근에서 아크가 접점 사이에서 일직선으로 위치하여 소호되는 전형적인 복합소호 특성을 잘 보여줌을 알 수 있었다.
실험 결과 복합소호부내의 아크회전현상 및 소호현상을 확인하였으며 정격 25kA 고장전류에 대한 차단성능이 확인되었다.
복합소호부에 대한 고속카메라를 이용한 계측을 실시한 결과 아크접점 사이에서 발생한 아크는 설치된 구동코일에 의해 발생한 자계구동력에 의해 매우 빠른 속도로 갭 간에서 회전하는 현상을 나타내었고. 아크는 접점밖으로 이탈하지 않았으며, 이 아크회전에 의해 전달된 에너지에 의해 소호부내에서 압력상승이 일어나 결국에는 전류 영점 부근에서 아크가 접점 사이에서 일직선으로 위치하여 소호되는 전형적인 복합소호 특성을 잘 보여줌을 알 수 있었다. 이 현상은 인가 전류가 커질수록 더욱 확실하게 계측이 가능하였다.
아크 소호과정 중 가장 중요한 시점은 전류 영점부근으로 전류 영점부근에서의 절연회복 특성이 아크 소호특성을 결정한다. 이번에 새로이 개발된 복합소호부는 전류 영점 부근에서 아크를 빠르게 고정전극 중심부로 정렬(align)시킬 수 있도록 arc align 장치를 삽입하여 전 류영점부근에서 가스유동에 의한 자력팽창(Auto Expansion) 소호원리를 이용하여 아크소호가 용이하게 하였다. 또한 arc align 장치는 재질이 도전율을 가지는 자성체로 만들어 전류영점 부근에서 아크가 arc align 장치로 이동하였을 경우 arc align 장치에 유도된 와전류에 의한 자속에 의해서 아크는 arc align 장 치 위에서 계속 회전하게 되므로 아크 소호에 도움을 준 다.

후속연구

또한 빠른 시일 내에 팽창실에 대한 최적화를 이루어 세계 시장에서 가격 경쟁력 및 제품 경쟁력을 갖춘 가스 차단기 개발을 할 수 있으리라 사료된다.
현재 본 실험장치는 전류원만 갖추고 있으므로 실제 합성설비와는 차이가 있지만 소호부 차단특성 검증에는 유효하게 사용될 수 있다고 사료되고 향후 사내의 단락시 험설비를 이용하여 n- 차단성능을 검증할 계획이다.

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