[논문]고온초전도 기기응용을 위한 모의 ?치 환경에서 액체질소의 절연파괴 특성

백승명; 정종만; 이정원; 곽동순; 김상현

문제 정의

특히, pancake coil형으로 웅용이 기대되는 고온초전도 변압기, 한류기 둥의 전기적 절연설계를 위한 LN₂ 절연파괴륵성 연구는 거의 이루어지지 않고 있기 때문에 이 분야의 연구가 절실히 요구되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 Pancake coil형 고온초전도 기기의 수명과 안정성확보를 위하여 모의 퀜치 전극을 이용하여 LN₂내에 기포를 만들어 IN와기포 복합계의 절연파괴 특성을 고찰하였다. 그리고 변압기와 한류기 등의 절연, 기계적 지지 및 냉각 통로 사용이 기대되는 FRP가 LN₂의 절연특성에미치는 영향을 고찰하였으며, 기포가 전극계 내에존재하는 위치에 따른 전계분포를 해석하였다[6].
본 연구에서는 퀜치 현상을 모의하여 기포 발생 용모의 전극계를 이용하여 기포발생시 LN?의 절연 특성을 고찰하였으며, 컴퓨터를 이용한 전계분포를 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

AC 고전압 장치는 BAUR Dieltest(Type DTS E, AC 100 kV, 60 Hz)를 사용하였으며 IkV/sec로 중가시키면서 10회의 절연파괴전압을 구하여 평균값을 나타내었다.
그림 1에 실험 개략도를 나타낸다. LN₂의 절연파괴 특성과 절연파괴 현상을 고찰하기 위해 관측장이 부착된 극저온 용기를 사용하였다. 퀜치시 발생하는 기포를 모의하여 외부에서 기포발생 평판전극에 기체질소(GN₂)를 주입하여 모의 기포를 발생시켰다.
spacer가 존재하지 않는 경우와 spacer가 존재하는 두 가지 경우를 고찰하였다. spacer가 존재하는 경우 double pancake coil형 변압기를 제작할경우를 고려하여 spacer를 A와 B 둘로 나누어서 실험하였다. spacer의 두께를 t 라하고, spacer A와 spacer B의 사이 간격을 g라고 하였다.
그림 2에 실험에 사용한 기포발생용평판전극과 spacer를 끼운 실험용 샘플을 나타낸다. spacer가 존재하지 않는 경우와 spacer가 존재하는 두 가지 경우를 고찰하였다. spacer가 존재하는 경우 double pancake coil형 변압기를 제작할경우를 고려하여 spacer를 A와 B 둘로 나누어서 실험하였다.
따라서, 본 연구에서는 Pancake coil형 고온초전도 기기의 수명과 안정성확보를 위하여 모의 퀜치 전극을 이용하여 LN₂내에 기포를 만들어 IN와기포 복합계의 절연파괴 특성을 고찰하였다. 그리고 변압기와 한류기 등의 절연, 기계적 지지 및 냉각 통로 사용이 기대되는 FRP가 LN₂의 절연특성에미치는 영향을 고찰하였으며, 기포가 전극계 내에존재하는 위치에 따른 전계분포를 해석하였다[6].
기포의 위치를 기포가 발생되는 지점, 전극 간 중앙과 기포가 포집되는 위치 세 가지 경우를 해석하였다. 전계분포 해석은 DC 30 kV로 하였으며 기포의 직경은 1 mm로 하였다.
사용이 불가피하卜다. 따라서 실제 응용을고려하여 본 실험에서는 기포발생용 평판전극에 spacer를 끼운 후 FRP를 이용하여 전극과 spacer를고정시켰다. 그림 2에 실험에 사용한 기포발생용평판전극과 spacer를 끼운 실험용 샘플을 나타낸다.
기포의 위치를 기포가 발생되는 지점, 전극 간 중앙과 기포가 포집되는 위치 세 가지 경우를 해석하였다. 전계분포 해석은 DC 30 kV로 하였으며 기포의 직경은 1 mm로 하였다. FRP의 유전율 勺는 4.
그림 3, 4와 5는 spacer가 없는 경우를 나타낸 것이다. 전극은 수평으로 배치하였으며 GNz를위전극, 아래전극, 위와 아래 두 전극 동시에 주입하면서 절연파괴전압을 구하였다. 절연파괴 전압은 평균값을 나타낸다.
LN₂의 절연파괴 특성과 절연파괴 현상을 고찰하기 위해 관측장이 부착된 극저온 용기를 사용하였다. 퀜치시 발생하는 기포를 모의하여 외부에서 기포발생 평판전극에 기체질소(GN₂)를 주입하여 모의 기포를 발생시켰다. 기포량은 GN₂ 용기에 부착된 압력계를 이용하여 제어하였으며 Flower meter를 이용하여 관측하였다.

대상 데이터

평판전극의 직경 60 皿이고 기포를 발생시키기 위해 반경 15 I血에 직경 1 血의 구멍을 뚫었다. 기포 발생용 구멍은 중심부에 1개를 포함하여 총 18 개이다. 구멍은 21° 의 간격을 두고 있다.

성능/효과

기포가 존재하는 경우 诫2의 절연내력은 약화 되었으며 spacer가 존재하지 않는 경우 전극간 거리가 멀어지고 기포량이 중가할수록 절연파괴전압은 완만히 감소하여 포화하는 경향을 나타내었다. 하지만 spacer 존재하는 경우 절연파괴전압이 급속히 감소한 후 기포량이 중가하여도 절연파괴전압은 일정하게 나타났다.
그림 8에 기포가 존재하는 경우 spacer 두께에따른 LN₂의 절연파괴전압을 나타내고 그림 9에 기포가 존재하는 경우 기포량과 spacer 간 간격g의변화에 따른 LN₂의 절연파괴전압을 나타낸다. 기포를 주입하면 LN₂의 절연파괴전압은 급히 감소하지만 기포량이 중가하여도 절연파괴전압은 더 이상감소하지 않고 일정하게 나타났다. spacer가 존재하지 않는 경우 전극간 거리가 멀어짐에 따라 절연파괴 전압은 완만하게 감소하는 경향을 나타내었지만 spacer가 존재하는 경우 spacer 두께가 커져도절연파괴전압은 완만히 감소하지 않고 급격히 감소하는 경향을 나타내었다.
그림 5에 전극 배치에 따른 절연파괴 전압을 나타낸다. 수평, 수직 배치 모두 기포량이 증가하면서 감소하였지만, 수직배치의 경우 수평배치보다 파괴전압이 약간 높게 나타났다. 이것은 수평배치의 경우 전극으로부터 나온 기포가 부력에 의해 상숭하다가 상부전극에 부딪쳐 순간적으로 멈추게 되고 멈춘 기포는 전극과 전극을 GN₂로 연결하는 채널을 형성하게 되어 LN₂의 절연파괴전압이 낮게 나타나지만 수직배치의 경우 전극에서 나온 기포가 아무런 장애가 없이 부력에 의해 외부로 배출되어 전극과 전극에 채널을 형성하지 못하므로 LN?의 절연파괴전압이 수평배치보다 약간 높게 나타나는 것으로 사료된다.
전극간격이 짧을수록 기포량이 증가할수록 급격하게 파괴전압이 감소하였으며 이후에는 일정하게 포화되었다. 전극간격이 증가할수록 기포량이 증가할수록 완만하게 감소하는 경향을 나타내었다. 그림 5에 전극 배치에 따른 절연파괴 전압을 나타낸다.

후속연구

이러한 관점에서 LN?는 사용 비용이 저렴하고 냉매로서의 역할과 함께 절연물로도 사용할 수 있다. 향후 고온초전도 기기의 냉매로 많이 사용될 것으로 기대되기때문에 극저온 분야 연구자들에 의해 고온초전도기기의 전기절연설계 및 운용상 안정성을 확보하기위해 전기적 특성연구가 활발히 이루어지고 있다. [1-5].

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