[논문]전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계에 관한 유한요소해석

전준영; 노태우; 조성만; 김상민; 오종석; 최정완; 서재학

전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계에 관한 유한요소해석
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전준영 ((주)다원시스) , 노태우 ((주)다원시스) , 조성만 ((주)다원시스) , 김상민 ((주)다원시스) , 오종석 (국가핵융합연구소) , 최정완 (국가핵융합연구소) , 서재학 (국가핵융합연구소)

케이블 및 버스바는 전원을 공급하는 부대 장치로 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 대부분의 경우 일정 주기로 점검 및 교체 등의 유지 보수를 진행하나 ITER IVC 버스바 및 지중케이블 등의 특수한 경우에서는 접근성 및 작업성의 이유로 유지 보수를 진행 할 수 없다. 이러한 경우, 절연물 내부에 전기 트리가 발생했을 때에는 대책이 없다. 전기 트리는 부분적인 고전계에 의한 진성파괴, 전하의 주입 또는 추출에 의한 파괴 및 전기-기계적 응력(맥스웰 응력)에 의한 파괴, 미소 부분 방전에 의한 파괴의 가장 큰 고장요인이 되는 현상이며, 다양한 사고 사례가 알려져 있다. 본 연구에서는 유한요소해석법을 이용하여 전기 트리를 가지는 사각 버스바에 대한 전계해석을 진행하였고, 전기 트리를 방지 할 수 있는 사각 버스바의 절연 설계에 대한 방안을 제시한다. 이 설계 방안은 향후 전기 트리를 고려한 사각 버스바의 절연 설계 기초 데이터로 활용 될 것이다.

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문제 정의

현재에도 많은 절연 설계가 경험적인 방법들에 의존하고 있어 불확실한 잠재적인 문제들을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계 방안을 소개한다. 연구 결과는 향후 다양한 조건을 가지는 절연 설계에 있어 기초 자료로 사용될 수 있으리라 기대한다.
본 연구를 통해, 시뮬레이션을 이용한 사각 버스바의 절연설계 방안을 제시하였다. 이와 같은 설계 과정은 다른 다양한 경우에서 결함을 가지는 절연 설계에 응용할 수 있다.

제안 방법

경계조건 적용을 바탕으로 전계강도 해석을 진행하였으며, 무결함 모델의 결과로부터 전계 집중 구간에 방전흔적모델을 생성하였다. 무결함 모델의 해석 결과가 그림 3에 나타나 있다.
또한 채널로 연결된 방전흔적모델의 경우를 계속해서 진행 했다. 그림 5는 채널로 연결된 수트리 결함을 가진 해석모델의 전계강도 값 결과를 나타내며, 표 2에 무결함 모델, 단순기공과 채널모델을 사용한 경우의 결과 값들이 정리되어 있다.
전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계 방안을 시뮬레이션을 통해 관찰하였다. 방전흔적모델을 이용하여 결함이 예상되는 경우의 전계강도 값을 산출하였으며 무결함모델에 비해 약 5.

대상 데이터

해석에 사용된 재료 물성치는 다음 표 1과 같으며 방전흔적은 단일 타원 모델로부터 채널 모델이 동시에 적용 된 두 가지의 경우로 구성하였다. 도체는 구리이며 양단의 전위차는 10kV로 정의하였다.
그림 2는 해석에 사용된 모델, 재료 그리고 방전흔적 모델의 적용을 나타낸다. 방전흔적모델은 단일 타원형 결함모델과 이에 채널이 적용된 결함 모델이며 Mica 절연 층에 적용되었다.
사용된 시뮬레이션 프로그램은 MAXWELL이며, 그 중 electrostatic 모듈을 사용하였다. 나뭇가지 형태의 관형 공동을 그대로 모델링하는 것은 불가능하며 나뭇가지 형태의 진전 방향을 예측하여 구현하는 것 또한 불가능 하다.
해석에 사용된 재료 물성치는 다음 표 1과 같으며 방전흔적은 단일 타원 모델로부터 채널 모델이 동시에 적용 된 두 가지의 경우로 구성하였다. 도체는 구리이며 양단의 전위차는 10kV로 정의하였다.

성능/효과

Aluminum 분리판 주변으로 전계강도 값이 가장 높게 나타났으며 나머지 절연 층에 2.4 kV/mm 이하의 값이 관찰되었다. 다음 그림 4는 단일 타원형 결함모델을 적용한 결과를 보여준다.
전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계 방안을 시뮬레이션을 통해 관찰하였다. 방전흔적모델을 이용하여 결함이 예상되는 경우의 전계강도 값을 산출하였으며 무결함모델에 비해 약 5.4배 증가 된 값을 최대 전계강도 값으로 설정해야 한다는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

따라서 본 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 전기 트리를 가지는 사각 버스바의 절연 설계 방안을 소개한다. 연구 결과는 향후 다양한 조건을 가지는 절연 설계에 있어 기초 자료로 사용될 수 있으리라 기대한다.

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