온실가스 저감을 위한 SF6/N2 혼합가스의 AC, 뇌 임펄스 절연내력 및 전계해석을 통한 절연파괴전압 시뮬레이션

Title
온실가스 저감을 위한 SF6/N2 혼합가스의 AC, 뇌 임펄스 절연내력 및 전계해석을 통한 절연파괴전압 시뮬레이션
Authors
이병택
Keywords
온실가스저감을위한sf6n2혼합가스의ac뇌임펄스절연내력및전계해석을통한절연파괴전압시뮬레이션
Issue Date
2011
Publisher
인하대학교
Abstract
이 논문에서는 대체가스로서 많은 연구가 되어 왔던 SF6/N2 가스의 절연 내력 특성에 관하여 조사하였다. 그 중에서 절연 파괴 전압에 대한 예측은 전력기기들의 절연 설계를 하는데 있어 도움이 될 것이다. 그 동안 많은 논문에서 절연 파괴 전압에 대한 고찰이 있었지만 그에 대한 검증은 쉽지 않았다. 고압력 챔버에서 수백 kV의 고전압의 절연파괴전압을 측정하기란 쉽지 않았기 때문이다. 이 논문에서는 그 동안 연구되어 왔던 절연파괴전압의 예측식과 실험데이터를 비교하였다. 실험은 봉 대 평판의 불평등 전계구조에서 SF6/N2 혼합비 20:80에서 압력과 갭간격의 변화에 따른 절연파괴전압을 측정하였다. 압력범위는 0.4 MPa - 0.7 MPa에서 0.1 MPa단위로 변화하였고 갭간격은 10 - 70 mm 사이로 10 mm 단위로 변화하면서 절연파괴전압을 측정하였다. 하지만 최근 실험 데이터와 많은 오차가 발생하였고 보정이 필요하다는 것을 발견하였다. 처음 보정할 내용은 전계이용률 부분이다. 전계이용률은 최대전계에 대한 평균전계에 대한 비율로 절연 파괴를 일으키는 시점을 예측하는데 큰 영향을 끼친다. 기존에 Azer이 제시한 유한요소법을 이용하여 봉-평판 구조의 전계이용률을 수식으로 구하였지만 그 값을 절연파괴전압 예측식에 적용한 결과 많은 오차가 발생하였다. 그리하여 CST EM Studio™라는 전계해석 프로그램을 이용하여 정확한 전계 이용률을 구하여 절연파괴전압을 예측하는데 적용하였다. CST(computer simulation Technology) EM Studio™ 는 FI(finite Integration) 알고니즘과 PBA 메쉬 기법을 이용한 프로그램으로써 3D 저주파 전자기장 해석분야에서 많이 사용되고 있다. 하지만 압력에 증가함에 따라 시뮬레이션값과 실험값의 상대적 오차는 여전히 발생하였다. 그 영향을 실험시 발생하는 아크에 의한 표면이 거칠어 짐으로써 오차가 발생된 것으로 보았다. 그래서 마지막으로 표면 거칠기의 영향에 의한 절연파괴전압의 저하를 보정하였다.
Description
1. 서론 1 1.1 연구의 배경 및 필요성. 1 1.2 연구의 목적 3 2. 이 론 5 2.1 기체의 절연파괴 5 2.1.1 타운젠트 이론 5 2.1.1.1 α작용 5 2.1.1.2 β작용 6 2.1.1.3 γ작용 7 2.1.1.4 광전리 8 2.1.2 스트리머 방전이론 9 2.2 불평등전계에서 절연파괴 11 2.2.1 정극성 코로나. 11 2.2.2 부극성 코로나. 12 2.3 공간전하효과. 13 2.3.1 정극성에서의 공간전하효과 13 2.3.2 부극성에서의 공간전하효과 14 3. 절연파괴 예측 전압 시뮬레이션 15 3.1 Townsend 방전 이론의 한계 15 3.2 스트리머 메카니즘(Streamer mechanism). 18 3.3 전리 계수, 부착 계수, 실효 전리 계수, 임계 전계 강도. 19 3.4 스트리머 식을 이용한 절연파괴 전압 유도. 21 3.4.1 평등전계에서의 절연전압 파괴식 21 3.4.2 불평등 전계에서의 절연전압 파괴식. 22 3.5 전계이용률(Field utilization factor). 25 4. 실험 장치 및 구성 26 4.1 실험 구성. 26 4.2 실험 장치. 27 4.2.1 AC전압 발생장치 27 4.2.2 뇌 임펄스 발생장치 및 실험챔버 28 4.2.3 전극 구성 29 4.2.4 가스 혼합기와 진공펌프 30 5. 실험 결과 및 고찰 32 5.1 AC 내압 절연파괴 전압 32 5.2 뇌 임펄스 절연파괴 전압 33 6. 시뮬레이션 값과 실험값의 비교. 34 6.1 CST EM STUDIO를 이용한 전계 이용률의 계산 34 6.2 MATLAB을 이용한 절연파괴전압 시뮬레이션 프로그램. 37 6.3 CST EM STUDIO를 이용하여 계산한 전계 이용률 적용한 시뮬레이션 값과 실험값과의 비교 38 6.4 표면 거칠기 factor를 적용한 시뮬레이션 값과 실험값과의 비교. 40 7. 결론 46 Reference 47 표 3.3 SF6/N2 혼합가스의 값. 20 표 6.1 300kV 인가시 최대전계와 평균전계 및 전계 이용률 값. 36 표 6.4.1 봉전극과 평판 전극의 거칠기 측정 42 표 6.4.2 압력에 따른 실험값와 시뮬레이션 값과의 상대오차. 45 그림 2.1.2 전자사태에 의한 공간전하 형성 9 그림 2.2.1 정극성 임펄스 전압에 따른 코로나 발생 11 그림 2.3.1 침이 정극성일 때 공간전하형성(a)과 전계왜곡(b) 13 그림 2.3.2 침이 부극성일 때 공간전하형성(a)과 전계왜곡(b)14 그림 3.3.1 SF6 및 공기의 와 E/P의 관계. 21 그림 3.3.2 전극 표면 근방의 전계강도. 22 그림 4.1 실험 장치의 개락도 26 그림 4.2.1 400kV급 AC전압 발생장치 27 그림 4.2.2 뇌임펄스 발생장치 및 실험 챔버 28 그림 4.2.3 사용된 봉 전극과 평판 전극. 29 그림 4.2.4 가스 혼합기. 30 그림 4.2.5 진공 펌프 및 진공 측정기. 30 그림 5.1 불평등 전계에서 SF6/N2(20:80)혼합가스의 압력 및 갭간격에 따른 AC 절연파괴전압 32 그림 5.2 압력과 거리에 따른 정극성 뇌 충격절연파괴 전압 33 그림 5.2 압력과 거리에 따른 부극성 뇌 충격절연파괴 전압 33 그림 6.1.1 300 kV인가시 갭거리 30mm에 대한 전계분포 34 그림 6.1.2 300 kV 인가시 갭거리 30mm 봉 전극에서 평판전극까지 전계 강도 35 그림 6.3.1 0.4 MPa에서 시뮬레이션 값과 실험값 비교. 38 그림 6.3.2 0.5 MPa에서 시뮬레이션 값와 실험값 비교. 38 그림 6.3.3 0.6 MPa에서 시뮬레이션 값와 실험값 비교. 39 그림 6.3.4 0.7 MPa에서 시뮬레이션 값와 실험값 비교. 39 그림 6.4.1 실험 후 봉 전극 표면. 40 그림 6.4.2 표면 거칠기 상수 D에 관한 모델. 41 그림 6.4.3 표면 거칠기 D에 따른 표면거칠기 상수. 42 그림 6.4.4 표면 거칠기 상수를 적용한
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/22626
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College of Engineering(공과대학) > Electrical Engineering (전기공학) > Theses(전기공학 석박사 학위논문)
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