1/41

2부 : 초고압 전력기기 개발(가스차단기 부분)

2/41

1. 2003년 8월 14일-15일 미국-캐나다 대정전20시간 전 7시간 후

뉴욕 주를 포함한 미국의 8개 주 그리고 캐나다 온타리오, 퀘벡 등 지역에서 6,180만kW의 부하가 정전( 우리 나라의 2003년도 최대수요 4,739만kW-8월 22일-의 약 1.3배)되어 약 5,500만 여명이 정전에 의한 피해를 받음

전력계통의 보호를 위하여 설치된 차단기가 정상적인 동작을 수행하지 않아 발생한 사고 임

3/41

2. 차단기의 요구성능

통전성능

폐로(closed) 상태에서는 양호한 도체이어서 부하전류는 물론 고장전류에 대

해서도 열적, 기계적으로 견딜 수 있어야 함

절연성능

개로(open) 상태에서는 양호한 절연성을 가져서 대지간 및 동상 극간의 전압

에 견딜 수 있어야 함

차단성능

폐로상태의 임의의 시점에서 정격차단전류까지의 고장전류를 과도한 이상전

압을 발생시키지 않고 가능한 한 단시간에 차단할 수 있어야 함

투입성능

개로상태의 임의의 시점에서 단락상태인 회로를 접점의 용착 등을 발생시키

지 않고 단시간에 안전하게 투입할 수 있어야 함

4/41

3. 차단기의 종류

800kV 50kA GCB362kV 50kA GCB

AC 240V-600V MCCB

AC 7.2kV – 38kV VCB

170kV 50kA GCB

5/41

4. 초고압 가스차단기의 동작원리

참조그림: www.energy-portal.siemens.com

SF6 가스

6/41

5. 초고압 가스차단기의 개발 - UHV 1100kV

차단부 관련

절연성능 검증 [ 전계해석 ]

압력상승 검증 [ 유동해석 ]

소전류 차단성능 검증 [ 전계해석 + 유동해석 ]

대전류 차단성능 검증

[ 전계해석 + 유동해석 + 아크해석 ]

온도상승 검증 [ 열해석 ]

조작장치 관련

동작성능 검증 [ 동역학 해석 ]

내구성 검증 [ 구조해석 ]

수치해석을 이용한 기초설계 부품 및 제작설계

성능평가시험

부품제작 및 조립

개발완료

7/41

하드웨어

소프트웨어

6. 수치해석을 위한 전산설비

http://www.ansys.com/ANSYS전자장,유체,열,구조11Ansys

http://www.fluent.com/Fluent2D,3D 유체6.3Fluent

http://www.cham.co.uk/Cham2D,3D 유체2006Phoenics

http://www.functionbay.co.kr/FunctionBay3D 동역학5Recurdyn

http://www.integratedsoft.com/IES3D 전기장6Coulomb

http://www.ansoft.com/Ansoft2D,3D 전자장10Maxwell

http://www.magsoft-flux.com/Magsoft2D 전자장7.5Flux2D

홈페이지개발회사용도버젼프로그램

http:// www.sun.com/

http:// www.hp.com/

http:// www.ibm.com/

`

unix system

Windows system

8/41

냉가스 유동장 해석

Stroke Curve

Pressure-Rise of

Puffer Cylinder

145kV

7. 수치해석프로그램 개발 및 해석결과

9/41

열가스 유동장 해석

Pressure

Temperature

Current

Pressure

Thermal-puffer (245kV)

10/41

Real Geometry of GCB

Pressure

March contour

무요소법에 의한 유동장 해석기술 개발 및 아크가시화

11/41

전계해석 결과 냉가스 유동해석 결과

절연내력 계산

절연내력 > 인가전압 ?

소전류 차단 성공소전류 차단 실패

(절연파괴)

Y N

소전류 차단 성능 예측

12/41

접점의 단락통전 설계 및 성능평가

단락전류가 흐르는 경우 도체에서 발생하는 온도상승 현상을 수치해석(구조/열전달)을 통해 분석

단로기의 단락전류 통전성능 평가 프로그램

구조해석

열전달 해석

온도상승 시험

해석 및 시험결과 비교

접점의 단락통전 용융여부 제시

13/41

입력 Lens

High Speed Camera

텅스텐할로겐 램프

(150W)Pinhole(φ1mm)

Plane Mirror

Plane Mirror

Concave Mirrorφ300

초점거리:3000mm

유동 현상

Concave Mirrorφ300

초점거리:3000mm

Pinhole -> Plane Mirror -> Concave Mirror까지의 거리 : 3000mm

차단부내의 아크가시화 [Schlieren + High speed camera]

8. 수치해석 결과를 비교하기 위한 특성시험

14/41

노즐형태 - A

노즐형태 - B

차단부내 아크의 가시화

15/41

전 류 크 기 :11.6kA(차단시점에서의 최대전류)

아 크 시 간 : 5.6ms

아 크 전 압 : 65.0V(평균치)

프 레 임 수 : 1000 pps

프레임 간격 : 1ms

촬 영 방 식 : 직접촬영

아크발생 시 유동장 가시화

16/41

소형갭의 설치위치

차단기내부에 설치된 소형갭의 형상

시험조건전류 22[rms]주파수 55[Hz]아킹시간 9[ms]

열가스의 이동속도 측정

17/41

0 0.01 0.02 0.03 0.04

Time [sec]

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Current[kA]

0

10

20

30

Gap1[kV]

0

10

20

30

Gap2 [kV]

dT=2[msec]

dT=8.3[msec]

Contact Open

시험결과

열가스 속도측정을 위한 시험장치 열가스 속도측정 결과

가스속도 = 50[m/sec]

18/41

고장전류 차단 시 20,000K이상인 고온의 아크가 발생

고온의 아크는 대류, 전도, 방사작용으로 주의의 냉가스를 가열하고 노즐벽면과 아크접점을 용삭(ablation)시킴

내아크 성능이 우수한 소재개발

19/41

절연체(기본물 ‘PTFE’+첨가물)

20/41

전류원(63kArms) [150 // 11kVdc 300개 ]

- 션트 [ 0.63[mΩ], 65kArms 450kJ ]

전압원(150kVpeak) [11 // 40kVdc // 8개 + 4단 ]

- 분압기 [ 600kV] 비율[ 500:1, 2,000:1 ]

9. 간이합성 성능평가 시험설비

21/41

10. 시제품차단기에 대한 성능평가

전류원 회로정수 계산

전압원 회로정수 계산

22/41

245kV 40kA SLF90% 차단성능 평가수행

23/41

* 3초의 여유 *

• 엘리베이트를 탔을 때 "닫기"를 누르기 전 3초만 기다리세요- 정말 누군가 급하게 오고 있을지도 모르니까요

• 출발신호가 떨어져 앞차가 서 있어도 경적을 울리지 말고 3초만 기다려 주세요- 그 사람은 인생의 중요한 기로에서 갈등하고 있었는지 모릅니다

• 내 차 앞으로 끼어드는 차가 있으면 3초만 서서 기다려요- 그 사람 아내가 정말 아플지도 모르니까요

• 친구와 헤어질 때 그의 뒷모습을 3초만 보고 있어 주세요- 혹시 그 친구가 가다가 뒤돌아 봤을 때 웃어줄 수 있도록

• 길을 가다가 아니면 뉴스에서 불행을 맞은 사람을 보면 잠시 눈을 감고 3초만 그들을 위해 기도 하세요 - 언젠가는 그들이 나를 위해 기꺼이 그리할 것이니까요

• 정말 화가 나서 참을 수 없을 때라도 3초만 고개를 들어 하늘을 보세요- 내가 화낼 일이 보잘 것 없는 일이 아닌지

• 차창으로 고개를 내밀다 한 아이와 눈이 마주 쳤을 때 3초만 그 아이에게 손을 흔들어 주세요 - 그 아이가 크면 분명 내 아이에게도 그리 할 것이니까요

출처:좋은편지 중에서