저 시-비 리-동 조건 경허락 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

l 차적 저 물 성할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 허락조건 확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 러한 조건들 적 지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

비 리. 하는 저 물 리 적 할 수 없습니다.

동 조건 경허락. 하가 저 물 개 , 형 또는 가공했 경에는, 저 물과 동 한 허락조건하에서만 포할 수 습니다.

- iv -

워 고 는 고 어 는

그 심 계 는 에 에 지 다가 어느

도 짧 시간에 는 다. 들어 1.0 J 에 지 1

동 에 워가 1 W에 과 지만 1 μsec 짧 시간

동 에 그 에 지 그 워는 1 MW가 다. 산업 고도 에 라

같 큰 워 는 가 가 므 워

들 나 리 고 다. 워 , 폭

같 워 체 는 에 과 , , 료

, 경 비, 업 , 산업 비 등 다 에 고 다.

Marx Generator 본 원리는 본 동 다. 시 병

시 가 시 직 어 게 다. 각 단에

시 과 같다.

본 문에 는 연 가 에 Marx Generator 특 연 다.

Marx Generator는 2단 었 각 단 나 시 개

극 그리고 다. 상승 시간 상시키

다. 내 연 가 는 가 가 사

여 각각 가 에 에 미 는 보 다.

Marx Generator 내 연 내 SF6 가 연 내 가 N2

연 내 가 낮 다. SF6-N2 가 경우 N2 가 보다 연 내

다. 동 게 시 경우 신 상승시간 SF6 가 사

보다 N2 가 사 빠 상승시간 었다. 각각 연

가 에 라 다 특 나타나는 것 다. Marx Generator에

생 는 PFL(Pulse Forming Line) 여 원 는

다.

- v -

Abstract

Electrical-energy based pulse-power generation is to control high-voltage

and large-current using fast switching-devices such as semiconductor

switches, vacuum switches, and magnetic power compression. Most of the

pulse-power generators consist of a prime electrical energy-source, a

storage equipment, a fast switching device or pulse forming network, and

load. The system performance of the generator is strongly dependent on the

switching capability of the rated voltage, current, recovery-time and

switching speed. For instant, 1 MW pulse-power with pulse-width of 1 μsec

is obtained if 1 J of electrical energy is switched on/off in 1 μsec,

whereas that 1 J of energy can generate only 1 W if it is dissipated in 1

second.

The application field of the pulse-power is very wide. It includes

electric rock-fragmentation, electric blast, material manufacturing,

science and military equipment, medical equipment, and power sources for

environmental facility.

The fundamental principle is to charge several capacitors in parallel,

then switch them into a series configuration commonly referred to as

erecting the Marx Generator. The output voltage then becomes equal to the

sum of the voltages across each capacitor.

The marx generator has 2 stages in this study. Each stage was constructed

one charging capacitor, two electrodes and one charging resistor. A

inductance structure is used in order to improve the switching performances

of the whole generator. The experiments of rise time in pure gas and

mixtures of gases were described. The Marx generator has been tested at

different insulation gas. The results show that the dielectric strength of

- vi -

the N2-SF6 mixture was significantly increased compared with pure N2 gas.

The experimental results show that the rise time characteristics of the

Marx generator can be controlled through varying insulation gas. Marx

Generator that also occurs in the output waveform using the PFL(Pulse

Forming Line) was formed with the desired output waveform.

- vii -

차

1 1

1.1 연 경 1

2 3

2.1 Marx generator 3

2.1.1 고 생 원리 4

2.1.2 Marx generator 계산 9

2.1.3 계 14

2.2 Pulse Forming Line 16

2.3 고 20

3 실험 26

3.1 직 고 원 26

3.2 Marx Generator 계 원 28

3.3 Marx Generator 신 32

3.4 실험 36

4 실험결과 고찰 39

4.1 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 에 Marx generator 특 39

4.2 42

4.3 PFL 특 48

5 결 51

참고문헌 53

- viii -

그 림 차

그림 2.1 워 개 3

그림 2.2 Marx Generator / 도 4

그림 2.3 고 생 등가 5

그림 2.4 생 시 포 Marx Generator 8

그림 2.5 a, b, c, d 생 시 8

그림 2.6. Marx Generator 등가 9

그림 2.7 RLC 답 13

그림 2.8 고 시 다 어그램 17

그림 2.9 Peaking gap에 미 변 18

그림 2.10 21

그림 2.11 생 만 포 22

그림 2.12 생 시 만 포 23

그림 2.13 24

그림 3.1 High Voltage power Supply 26

그림 3.2 High Voltage power supply 도 27

그림 3.3 시 29

그림 3.4 2단 Marx Generator 원 30

그림 3.5 Peaking Gap 연결 도 31

그림 3.6 Peaking Gap 32

그림 3.7 35

그림 3.8 과 I-400 비 35

그림 3.9 실험 계략도 37

그림 4.1 N2가 , SF6가 , SF6-N2 가 40

그림 4.2 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 상승시간 41

그림 4.3 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 3dB Frequency 42

- ix -

그림 4.4 N2 가 에 43

그림 4.5 SF6 가 에 44

그림 4.6 SF6-N2 = 1 : 9 가 에 45

그림 4.7 SF6-N2 = 2 : 8 가 에 46

그림 4.8 SF6-N2 = 3 : 7 가 에 47

그림 4.9 Peaking Gap에 48

그림 4.10 Peaking Gap에 상승시간 49

그림 4.11 Peaking Gap에 3dB Frequency 50

- x -

차

3.1 High Voltage power supply 사 27

3.2 시 특 28

3.3 고 Marx generator 특 30

3.4 특징 33

- 1 -

1

1.1 연 경

워(Pulsed power)란 에 지 단 시간당 에 지

변 량 나타내는 물리량(dE/dt) 그 크 는 주어진 에 지 어느

도 시간 내에 느냐에 결 다. 워

에 지 보 원리에 것 에 지 통 여

변 에 지 는 다.

지 지 워 들 에 지 생 , 사

, 고 시 연시험 비 타 특 여

어 나, 근에는 미사 는 우주 사체 개 고

는 건 건 등과 같 산업 에 도 많 고 다.

처럼 산업 고도 에 라 욱 다 에 워

에 가 가 고 심 리 고 다.

워 생시키는 생 는 Marx Generator, 슬라

변 , 등 다. 20 Marx에 고 고

Marx Generator 는 에 μs 폭에

MV 에 연내 시험 등에 많 고 다.

Marx Generator는 동 본 동원리 갖지만 각각

과 능 특 , 능, 도에 라 크게 4가지 , ,

, 그리고 도체 Marx Generator 나눈다.

Marx Generator는 큰 규 Z-machine 나 HPM 시 과 같

고가 고 에 지 시 에 사 러 Marx Generator

는 Mega-volt Mega-Joule 상 생시킨다.

- 2 -

Marx Generator는 나 큰 크 탑 컴퓨 크 100 kV ~

MV 생시킨다. 상승시간 십 ns 폭

10 ns ~ 10 μs 에 지는 Mega-Joule 다.

Marx Generator는 는 크 크탑 컴퓨 도

크 도 다. 러 Marx Generator는 10 J ~ 1 kJ

도 Marx Generator 보다 낮 에 지 갖지만 100 kV ~

MV 생 다. ps 도 빠 상승시간 가능

1 kHz 상 빠 복 도 가능 다. 도체 Marx Generator는

보드 크 kV 1 Joule보다

에 지 다. 상승시간 100 ps 도 복 10 ~ 100

kHz 다[2,5].

본 연 Marx generator 동 원통 여 Marx

Generator 연 가 N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가 가 Marx

generator 내 극 간 특 에 어 미 는가

보고 다. Pulse Forming Line 여 Marx Generator에

는 신 원 는 신 실시 다.

- 3 -

2

2.1 Marx Generator

워는 에 지 상 낮 여

시 간 고 생시킬 다. , 상 에

지 실 재 지 는다 에 지 에 지

동 다[1].

그림 2.1 워 개

Fig. 2.1 Conception of pulse power

Marx Generator는 량 에 지 주어진

어 빠 도 는 다. 그림 2는 Marx

Generator · 시 동에 그림 다. Marx

Generator는 과 V N개 시 가 병

는 는 그림 2.2(a) 같다. 트리거 에 1단 극

갭 트리거 었 , 첫 째 에 강 가 생 고

- 4 -

나 지 들 상승 게 다. 라 연쇄 에

체 Marx Generator가 트리거 다.

(a)

(b)

그림 2.2 Marx Generator / 도

Fig. 2.2 Charging/Discharging circuit of Marx Generator

시 들 간 직 연결 고 그림 2.2(b)에 보 것

과 같 N×V kV 에 달 다. Marx

Generator가 DC 생 Marx Generator 격리

여 DC 생 보 는 역 다[4-5].

2.1.1 고 생 원리

고 생원리는 시 에 후,

폐 통 여 얻는다. 고

- 5 -

생 등가 는 그림 2.3과 같다.

그림 2.3 고 생 등가

Fig. 2.3 Equivalent circuit of high voltage impulse supply

고 DC 생 공 RC 통 여

시 C에 다. C E가 었 에 극 G 통

여 RS+L+R0 에 C 시키 에 라 R0단 에 격

생 다. 그림 2.3 에 극 G 시 무

시 다 식 립 다.

(2.1)

식 (2.1)에 고, 건 t=0에 극 트리거

다고 , R 3가지 건에 여 식 (2.1)

(a)

, 는 과 동 생 는 에 는

- 6 -

⦁

(2.2)

상승 후 감쇄 는 태 다.

(b)

, 경우는 계 동 생 는

⦁⦁ (2.3)

(c)

, 동 , 진동 포 는 지

생시키 , 진동에 과 는 래 같다.

⦁

⦁ (2.4)

여 ,

다.

지 식 (2.3) 그리고 감쇄진동 생에는 식

(2.4) 만 도 다.

고 생시키 는 에 지

시킨 후 단시간에 시키게 다. 에 지 는

는 량 체 거나, 는 가 시

사 게 다. 빠 상승과 천천 감쇄 는 므

개 지 는 지 다.

1단 생 고 얻 는 크

- 7 -

가 무 커지고, 시 C1에 어 ,

어날 는 단 다. 그러나 여러

개 시 여 갭들 직 연달 시킬 경

우에는 낮 도 고 얻 다.

그림 2.4는 Marx Generator가 3단 경우 , 3개 C0가 Rc

통 각각 Z 통 다. 그림 2.4 동 상

태 량 무시 경우 량 고 경우 나눌

다.

량 무시 경우 만 동 상태 고 경우

시에 a, c, e는 Rc 통 각 시 C0가

어 직 원 지에 -V 다. , b, d,

f는 지 연결 어 므 지 가 다. 시에는 단

갭 S1 뜨리게 어 개시 다. 에 라 결 다

갭들도 동시에 진다. , S1 시 a VA는 -V에 0

다.

량 고 경우에는 갭 S1 진 후 갭 S2가 지도

갭 거리는 S1 < S2 DG2가 간 어 다. 여 , 들 개

(open circuit)라고 생각 b 는 어느 도는 량

상 크 나타내는 것 라고 고 다[6].

- 8 -

Rc : Charging resistor C0 : Charging capacitor

S1, S2 : Spark gap Z : Load resistor

C1, C2, C3, C4, Cg : Stray capacitor

그림 2.4 생 시 포 Marx Generator

Fig. 2.4 Marx Generator circuit with stray capacitor included

그림 2.5 a, b, c, d 생 시

Fig. 2.5 Stray capacitance of the portion a, b, c, d

- 9 -

C에

≈

그리고

(2.5)

다. 식(2.5) ≪ , 다. 다시 말

다. 지만 도 다[2].

2.1.2 Marx Generator 계산

Marx Generator 등 는 본 RLC 가지고 그림

2.6 Marx Generator 등가 다. Marx Generator는

, , 시 다.

그림 2.6. Marx Generator 등가

Fig. 2.6 Equivalent circuit of Marx Generator

Marx Generator 특 시

- 10 -

다. 지만 Marx Generator

는 지가 다.

그림 2.6에 주어진 RLC 직 에 2계 미 식

다. 루 에 키 (KVL)

(2.6)

얻 다. 여 는 시 니다. 식 다시 쓰

(2.7)

가 다.

(2.8)

므 식(2.8) 식 (2.7)에 원 는 2계 미 식 얻

다.

(2.9)

식 (2.9) 다시 쓰 다 과 같다.

(2.10)

- 11 -

2계 미 식 만 는 가 다 과 같 지 라고 가 다.

(2.11)

여 A s는 결 상 다. 식 (2.11) 식 (2.10)에

미

(2.12)

얻는다. 여 므 식 (2.12) 다시쓰 다 과 같다.

(2.13)

그런 , 무 미 므

(2.14)

어 다. 식 루어 , 특 식

(characterstic equation) 라 다.

식 (2.14) 2차 식 는 다 과 같 근 과 갖는다.

- 12 -

과제동(Over damping)

계제동(Critical damping)

족제동(Under damping)

,

(2.15)

특 식 근 다 과 같 다시 쓸 다.

,

여

는 동 계 (damping coefficient)

는 공

진 주 (resonant frequency)라 다.

특 식 근 다 가지 건 가능 다.

근 실 다 는 과 동(over damping), 근 실

같 는 계 동(critical damping), 근 공 복

는 동(under damping) 라고 다. 그림 2.7 RCL

답 나타낸다.

- 13 -

그림 2.7 RLC 답

Fig. 2.7 Response of RLC circuit

직 RLC 특 식 공 복 근 갖는다.

건

(2.16)

다. ,

± (2.17)

다. 여

다.

복 근 진동 태 답과 연 다. 여 동 공

- 14 -

진 주 (damped resonant frequency) 라 다. 동 계 ()는 진

동 얼마나 빨리 감 는가 나타낸다. 그러므 근

±

다.

동 진동 주 (period of the damped oscillation)는 시간 간격

쓰고 다 과 같 시 다.

(2.18)

식 (2.18) 리 Marx Generator 다 과 같다

[7].

(2.19)

2.1.3 계

· Marx Generator는 보통 원 량과 열

평 고 여 짧 복 가진다. Marx Generator 변 는

동 후 재 고 다시 동 는 걸리는 시간 다.

나 도체 Marx Generator는 동 시 에 지 므

가 고 폭

- 15 -

문에 열 특 에 큰 문 는 없다. 복 원

계 복시간 변 게 다.

Marx Generator 시간 동 에 략 시간 므

낮다. 라 고 Marx Generator에 는 신에

여 빠 고 다.

Marx Generator 단 는 개 상 커 링

복 가질 , 개별 가 간에는 고,

에는 크므 매우 빠 게 시에는 연 과 가진다.

R 싱 루 RLC Marx Generator 등가 리 Leq,

등가 시 Ceq라 , 감쇄진동 에 진동주 는 식(2.20)과

같고, Marx Generator 는 식 (2.21) 나타낼 다.

(2.20)

(2.21)

계진동 식 (2.22) ~ (2.24) 같 고 트

에 가능 다. 폭 감쇄진동 주

80 % , n Marx Generator 단 Vcharge가

식 식 (2.23) 식 (2.24) 같다.

(2.22)

(2.23)

- 16 -

(2.24)

그러므 Marx Generator 계는 다 과 같 다.

1. 실험계 에 Tpulse, Vout, R 택 다.

2. 식 (2.24) 여 Marx Generator 단 Vcharge 결

다.

각 단 는 시

다[5,8].

2.2 Pulse Forming Line

고 생 는 낮 에 1차 에 지

다가 간 에 지 다. 본 고

에 동원리는 그림 2.8 다 어그램과 같다. 그림 2.8

과 같 1차 에 지는 , , 계 에 지

다. 에 지는 계 링, 가 , 시 , ,

리 등에 다[2].

- 17 -

그림 2.8 고 시 다 어그램

Fig. 2.8 Block diagram of a typical high power pulse system

Marx Generator 십 ns 상승시간 지만 역 Marx

Generator 는 ps 상승 시간 다. 처럼

역 역 지 Marx Generator 에

Pulse Forming Line(PFL) 다.

그림 2.9는 Peaking Gap에 에 그림 다.

상승시간()는 지연시간() 상승 시간()에

다. ≪ , 갭 커지고 상승 시간 는

짧 진다. 지연 시간 는 갭 거리 통계 특 에 는 여

통계 특 생략 다. 만 극 끝 에

어난다 상승시간() 다. 그림 2.9에 n지

에 어난다 계 크 는 에 결 것 다.

갭거리()가 갭거리()보다 어진다 상승시간()는 어지

고 계값 감 것 다. 갭거리()보다 갭거리()가 짧 진

다고 도 ″ 시간 가 문에 상승시간() 늘어난다. 갭거

리가 0 는 다. 라 , 갭거리가 상승 시

간 가 짧다.

- 18 -

그림 2.9 Peaking gap에 미 변

Fig. 2.9 Transformation of the front of a wave by a peaking gap

Peaking Gap에 갭 거리()는 가 (p) 계(E)는

시간 변 에 다. 식 (2.25) 갭거

리 다.

(2.25)

여 ≈ 고, ≈라 × , 다.

상승시간 그림 2.10에 처럼 식 (2.26) 나타낼 다.

′ (2.26)

여 는

- 19 -

(2.27)

다. 는

≈

(2.28)

다. ′ 략 크 갭 에 시간 비슷

다. atm , 는 상 고 ≈ 다. 여 는

에 시간 다. 식(2.27) 식 (2.28)에

≈

(2.29)

다. 만 식(2.28) 에 pd가 계 가 다 0

고 ≈

다.

Marx Generator 는 Peaking Gap

는 다 과 같 다. Peaking Gap L

(2.30)

같다. 여 는 도체 내경과 경 지 (mm) 다. 만 주

가 다 식 (2.30)

는 무시 다. Peaking

- 20 -

Gap 시 는 식 (2.31)

(2.31)

다. 여 ε 다. Peaking Gap 특 는

다. 다시 식 (2.32)처럼

(2.32)

나타낼 다[2,15]. 여 진공(air) 는 =1 고,

경우에는 ≈ 다.

2.3 고

고 직 없 므 나 시 직

연결시 나타나는 과 여 는 경우가 많다.

라 , , 직 , 는 나

시 는 들 다. 고 크 는 공

에 라 달라진다.

계에 가 문 는 것 생 시 (stray

capacitance) 생 (stray inductance) 다. 계 상

등에 라 생 시 달라지므 비

얻 계는 어 다. , 가 커짐에 라

- 21 -

는 포 문에, 등가 나타내 란 상당

어 다.

는 는 리 고 다.

그림 2.10과 같 실 ′ 생

′ 병 는 생 시 , 고 여 다.

들 ′ 시 , 는 각각 생 (stray

inductance) 생 시 (stray capacitance) , 생

는 는 에 계에 라 변 , 병 생

시 는 어떻게 는가에 라 달라진다.

(a) 상적 저항 전압 압 (b) 실제적 저항 전압 압

그림 2.10

Fig. 2.10 Resistive voltage

상 실 본 는

그림 2.10에 나타났다. 고 과 에

가 다. , 그리고 에 식

- 22 -

(2.33)에 다.

(2.33)

생 시 무시 고

생 고 경우 생 무시 고 생 시

만 고 2가지 나눌 다. 첫째 , 생 시 무시 고

생 고 경우 식 (2.34) 같 나타난다.

(2.34)

여 Lg는 등가 체 다.

(a) 포

등가(b) 실

그림 2.11 생 만 포

Fig. 2.11 Equivalent circuit with stray inductance included

- 23 -

그림 2.11 값 큰 것 볼 다. 문

에 V1 크게 곡 다. 라

값 가능 여 다. 계는

값 식 (2.30) 계 만 다.

(2.30)

여 상승시간 다. 그림 2.13 째 생

무시 고 생 시 에 만 고 경우 다.

그림 2.12 생 시 만 포

Fig. 2.12 Equivalent circuit with stray inductance included

생 시 만 고 경우, 에 는

는 식 (2.36) 같다.

- 24 -

∞

(2.36)

여 C는 에 체 생 시 다. 식 (2.36)에

는 식 (2.33) 같다. 그러나 에 나타나는 생

시 는 라 상승시간 상

상승시간보다 크다. 상승시간 변 는 값에

결 다. 그림 2.14 경우에 식(2.37)과 같 나타난다.

(2.37)

다. 여 상 상승시간 다.

(a) 병 연결

정합 저항 전압 압

(b) 직 연결

정합 저항 전압 압

그림 2.13

Fig. 2.13 Type of Resistive voltage

- 25 -

에도 상 에러 생시키는 원 단과 단 블

끝 에 에 도 생 다. 블

는 50 ~ 100 Ω 사 , 단 당 시

량 57 ~ 115 μF/m 다. 블 는 ~ 십 미

에 사 다. 시 블 끝 에 지 는다

, 는 끝 에 사가 어나게 다. 사 는 실

곡시킬 다. 문 결 그림

2.13(a) 는 (b)처럼 각각 실 에 병 ()

는 끝에 직 () 연결 다.

그림 2.13(a)에 값 블 특 동 값

다. 그림 2.13(b) 값 만 는 값 결

다. ≥ 경우 , 직 연결 가 없다. 병 연결 ,

계는

(2.38)

나타난다. 직 연결 , 사 계는

(2.39)

다. 병 연결 게 가능 사

문에 실 많 다[2,9].

- 26 -

3 실험

3.1 직 고 원

Marx generator 고 고 · , 복

, 어가 가능 식 고 원 가

다. 그런 에 맞춰 High Voltage Power Supply는 rack size

계 었 과 계· 어 지 보 가

다.

그림 3.1 High Voltage power Supply

Fig.3.1 High Voltage power Supply

- 27 -

3.1 High Voltage power supply 사

Table. 3.1 Characteristics of the high voltage power supply

사

AC220 V 50~60 Hz

0 ~ 60 kV 가변

0 ~ 5 mA

PIPPLE 0.1 % RMS 시

LOAD REGULATION 0.01 %

LINE REGULATION 0.01 %

Efficiency 80 % 상 시

보 Over volt, Over current

Marx generator는 복 고 크 얻 는

특 우 에 시 나

막 어 다. 원

시 지 2 MΩ

고, 원 도 내 고 여 40 kV 다. High

Voltage power supply 체 도는 그림 3.2 같다.

그림 3.2 High Voltage power supply 도

Fig. 3.2 Set-up of high voltage power supply

- 28 -

3.2 Marx Generator 계 원

본 실험에 사 Marx Generator는 2단 었 , 에 라

단 가나 거가 도 계 었다.

Marx Generator 에 지 시 는 크 가 고

실 , - 시 특 가진다. 시 에 낮

도특 가진 시 나 라믹 시 가 많 사 고

다.

각 단 원 라믹 시 량 250 pF, 내 40 kV TDK

사 다. 3.2는 라믹 시 특 나타낸다.

3.2 시 특

Table 3.2 Characteristics of the charging capacitor

항 사 양

Operating temperature range -35 ~ 85 °C

Rated voltage DC 40 kV

Insulation resistance 100,000 MΩmin

capacitance 250 pF

Capacitance tolerance ± 10 %

Capacitance temperaturecharacteristics

Z5T : +22, –33%[+10 ~ +85°C, 25°C ]

AC Corona starting voltage 3P Cmax at 50% of VR

Withstanding voltage No 전 at 1.5 * VR

Size(ΦD * T * L) 38 * 28 * 32

실 Marx Generator 운 에 는 여러 에 재 는 각 단

과 지 간 생 시 , 각 갭 극사 생 시

, 그리고 각 단 사 생 시 여

동 원리 보다 훨 복 상 생 다.

- 29 -

라믹 시

그림 3.3 시

Fig. 3.3 Capacitor and charging resister

Marx Generator가 시간 동 단과 단 사 에 주 공간에

계가 고 립 동 는 간에 매우 계가 듈에

어 어나므 철 연 책 다. 각 단 탈

라 틱 여 께 26 mm, 경 180 mm, 내경 74 mm 원 크

었다.

Marx generator 원통 크릴 께 10 mm, 내경 210 mm 연

가 0.5 MPa 지 견 도 다. 크릴 원통 내 극

과 리 재질 곡 경 14.66 mm

극 에 실 지 과 리 7

3 비 다. 갭 극 거리 가능 평등

계가 도 계 , 리는 계집

게 가공 다. 갭 거리는 생 과

첫 째 크 갭 거리는 1.2 mm

차 도 째 간격 첫 째 갭 거리보다 1/4

가시킨 1.5 mm 다.

2 MΩ 는

- 30 -

시 보 Marx generator가 DC power

supply Marx generator 격리 여 DC power supply 보 는 역

다. 110 Ω 계 비 44 : 1

다.

Number of stages 2단

Maximum charging voltage per stage 35 kV

Capacitance per stage 250 pF

Erected capacitance 125 pF

Load resistance 110 Ω

Pulse rise time > 7 ns

Gas type N2, SF6, SF6-N2 합가스

3.3 고 Marx generator 특

Table 3.3 Parameters of Ultra fast Marx generator

연체 지지 각 단 연체 Marx 챔 내 2단 극

Marx Generator 2단 Marx Generator

그림 3.4 2단 Marx Generator 원

Fig. 3.4 Parts of the 2 stage Marx Generator

Marx Generator에 는 신 원 는 신

- 31 -

PFL 다. PFL Peaking Gap 다. Peaking Gap

상승 시간 원 는 신 다. Peaking Gap

그림 3.5에 같 블 과 사 에 직 연결 다. 상승시

간 가진 는 블 통 블 에 도착

Peaking Gap에 상승시간 다.

그림 3.5 Peaking Gap 연결 도

Fig. 3.5 Circuit of the connection of the a Peaking Gap

그림 3.6 Peaking Gap 계 원 다. 내 극 는 50

mm 끝 에는 과 리에 7 3 다. 과

극 사 에는 지지 48 mm, 경 44 mm, 내경

14.8 mm 계 다. 고 가 에 는 것

지 틸 질 께 8 mm, 경 60 mm 다

[17-20].

- 32 -

연체 극

Peaking Gap 내

그림 3.6 Peaking Gap

Fig.3.6 Peaking Gap

3.3 Marx Generator 신

Marx Generator 상승시간 매우 짧고 Marx 립 동 시 생

는 지나 ,

는 매우 어 다.

나 에 는 D-Dot 챔 에 내 지만,

나 도체 Marx Generator는 공간도 없 뿐만 니라

상승시간 무 빨라 어 우므 미 역

담 는 많 사 다.

에는 , 량 , 동 량 가 다. 그

에 는 크게 고체식 나눌

다.

- 33 -

고체식 는 에폭시 지에 연 말 어 만든 solid ,

막 등 다. 가 간단 나 답 지 고 고

에 여 가 변 는 등 결 다.

3.4 특징

Table. 3.4 Characteristics of the pulse voltage measurement divider

압 종특징

점 단점

량 압

·전 비가 없다

· 압비가 크 문에 2차 압

가 필 없다

· 조가 간단하고 다.

· 들어 쉽다

·저 스 시

가 필 하다

· 압 크 문에 정

어 다

저항 압

고

체

식

· 조가 간단하다

·직 단 스 지 정가능

· 전압전 에 하여 저

항 뀐다

· 하 쉽다

· 답특 좋지 않다

액

체

식

·내전압,전 특 우수하다

· 스 답 좋다

· 적다

· 조가 복 하다

·저주 에 는 전 해

문에 정 가하다

·저항 가 경 변 한다

저항. 량 압· 정주 수가 다

·저항 크게 할 수 다· 조가 복 하다.

는 리등 연통에 CuSO4 Na2S2O3·5H2O

등 여 것 다. 진공 에 사

어 단시간 문에 1 MV당 20 cm 도 다.

는 에 여진 원 극 어 것과

지 극간 간격에 다. 도에 변

나 비는 보상 어 다. 는 0.25 ns 상승시

- 34 -

간도 가능 나 비가 1/50 ~ 1/1000 도 문에 다

단에 2차 다[9].

본 실험에 사 Marx generator 110 Ω 다.

Marx generator CuSO4 사 에 생

는 곡 다.

R1과 R2 나 원 브 여 비

상 게 지시 다. 는 76.5 mm R1

는 75 mm, R2 는 1.5 mm 다. R1과 R2사

극 께는 3 mm 다. 그림 6는 Prodyn사 I-400

실 식 능 여 비 비

그림 다. 는 원통 브에 채우고

끝에 극 연결 여 다. 값 110 Ω

식 (3.6)에 직경 38 mm, 70 mm, 도 6.01 mS/cm

다. 여 는 브 단 , 는 , 는

도 다.

(3.6)

- 35 -

(a) 좌 전극 (b) 우 전극

(c)

그림 3.7

Fig. 3.7 Aqueous electrolyte resistor divider

전해액저항 전압 압

I-400 전

그림 3.8 과 I-400 비

Fig. 3.8 Aqueous electrolyte resistor divider and I-400 current sensor

- 36 -

3.4 실험

N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가 에 Marx generator 특

보 여 그림 3.9(a) 같 실험 다. Marx

generator 단 에는 Marx generator 내 시 (250 pF / 40

kV) 시키 DC 60 kV 5 mA 사 DC power

supply 다. 연가 N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가

다. 연가 Marx generator 내 주 에

연가 도 지시 주 Marx generator 내 진공

여 진공상태 지시 다. 내 극 거 동

게 주 연 가 체 주는 과 에 주 Marx

generator 내 극도 체 주었다.

N2 가 경우 0 MPa에 Marx generator 가 지 는

0.5 MPa 지 가 에 실험 다. 가 간격 0.05

MPa 간격 11 간 실험 각 간에 5 복 실험 다.

SF6 가 경우에 는 0 MPa에 0.4 MPa 지 가 에 실험

다. SF6 가 0.4 MPa 과 에 트리거

는 40 kV 상 다. 지만 시 사

사 내 40 kV 문에 0.4 MPa 지만 실험 다. 가

는 비 SF6 : N2 = 1 : 9, SF6 : N2 = 2 : 8, SF6 : N2 = 3 : 7

실험 다. SF6 가 가 가 간격 0.04 MPa 간격

11 간에 5 복 실험 다. 가 역시 SF6

동 실험 다. Marx generator 트리거 식 동

극 갭거리, 각각 가 에 고 DC 여

지 는 트리거 식 다.

- 37 -

(a) 절연가스에 한 특 실험 (b) PFL에 한 특 실험

그림 3.9 실험 계략도

Fig. 3.9 Test set-up

그림 3.9(b)는 게 는 Marx Generator 신 원 는

신 여 에 Peaking Gap 실험계

략도 다.

극 사 갭 거리는 0.5 mm, 0.8 mm 여 실험 다. 연

가 는 N2 사 갭 거리 0.5 mm에 는 0.5 MPa에 2.5

MPa 지 0.5 MPa 간격 실험 다. 그리고 갭거리 0.8 mm에

는 0.5 MPa에 2 MPa 지 실험 0.5 MPa 간격 동

게 실험 다.

Marx generator 감쇄

여 다. 1차 여

R1과 R2 비 에 여 44 : 1 비 감쇄 다. 그리

고 2차 20 W, 20 dB 사 감쇄 2개 여 100 : 1 비

- 38 -

감쇄시 게 감쇄 신 는 Tektronics TDS 7404B 실

여 다.

- 39 -

4 실험결과 고찰

본 문에 Marx Generator 여 N2 가 , SF6 가 ,

SF6-N2 가 에 특 PFL 여 Marx

Generator에 는 원 는 신 다.

본 에 는 연가 에 라 간에 라 , 상

승시간 그리고 3dB 주 역에 실험 고 Peaking Gap에

변 특 에 연 다.

4.1 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 에 특

Marx Generator 특 실험에 는 여

Tektronics TDS 7404B 실 고

고 에 지

여 다.

그림 4.1 N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가 에

그래 다. 연 가 가 연내 가 여

가 다. N2 가 경우 가 낮 나

SF6 가 경우 N2 가 보다 2.5 나타났다.

가 경우 N2 가 SF6 가 사 나타났

SF6 가 비 가 다[10,11].

- 40 -

그림 4.1 N2가 , SF6가 , SF6-N2 가

Fig. 4.1 The peak voltage of the N2 gas, SF6 gas, SF6-N2 mixture gas

그림 4.2는 N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가 에 상

승시간 그래 다. 각각 연가 는 질

상승시간 짧 다. SF6 가 경우 14.6 ns에 9.5 ns 지 상승

시간 짧 N2 가 경우 12.8 ns에 8.7 ns 지 상승시간

짧 다. 평균 연가 경우 5 ns 도 상승시간

어들었다. 가 는 상승시간 9 ns에 8 ns 지 어들었

연가 보다 상승시간 변 폭 낮 다. Marx

generator 는 상승시간에 비 다. 그림 4.3 N2 가 , SF6

가 , SF6-N2 가 상승시간 주 역 변 3 dB

frequency 그래 다. SF6 가 는 27 MHz에 37 MHz 지 주 역

나타났 N2 가 경우 27 MHz에 40 MHz 지 주 역

- 41 -

나타났다. 가 는 주 역 36 MHz에 44 MHz 지

나타났 그 SF6 : N2 = 3 : 7 가 경우에 는 주

역 변 폭 가 낮 다.

그림 4.2 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 상승시간

Fig. 4.2 Therise time of the N2 gas, SF6 gas, SF6-N2 mixture gas

그림 4.3는 N2 가 , SF6 가 , SF6-N2 가 상승시간 주

역 변 3 dB 주 그래 다. SF6 가 는 27 MHz에 37 MHz

지 주 역 나타났 N2 가 경우 27 MHz에 40 MHz 지

주 역 나타났다. 가 는 주 역 36 MHz에

44 MHz 지 나타났 그 SF6 : N2 = 3 : 9 가 경우에

는 주 역 변 폭 가 낮 다.

- 42 -

그림 4.3 N2 가 , SF6가 , SF6-N2 가 3dB 주

Fig. 4.3 The 3dB frequency of the N2 gas, SF6 gas, SF6-N2 mixture gas

4.2

TDK 250 pF/ 40 kV 라믹 시 2단 여 상승시간

ns Marx generator 특 그림 4.4 ~ 4.8과 같다.

55 kV 70 % 우 특 나타내었

다.

- 43 -

0.0 MPa

(Vout : 9.24 kV, tr : 11.99 ns)

0.15 MPa

(Vout : 11.35 kV, tr : 11.43 ns)

0.25 MPa

(Vout : 15.58 kV, tr : 10.08 ns)

0.4 MPa

(Vout : 19.45 kV, tr : 9.224 ns)

그림 4.4 N2 가 에

Fig. 4.4 Output waveform of the N2 Gas

- 44 -

0.0 MPa

(Vout : 10.03 kV, tr : 14.92 ns)

0.16 MPa

(Vout : 23.06 kV, tr : 11.73 ns)

0.24 MPa

(Vout : 30.62 kV, tr : 11.39 ns)

0.4 MPa

(Vout : 43.39 kV, tr : 9.408 ns)

그림 4.5 SF6 가 에

Fig. 4.5 Output waveform of the SF6 Gas

- 45 -

0.0 MPa

(Vout : 7.488 kV, tr : 9.82 ns)

0.16 MPa

(Vout : 16.32 kV, tr : 8.694 ns)

0.24 MPa

(Vout : 19.97 kV, tr : 8.273 ns)

0.4 MPa

(Vout : 30.53 kV, tr : 7.737 ns)

그림 4.6 SF6-N2 = 1 : 9 가 에

Fig. 4.6 Output waveform of the SF6-N2 = 1 : 9 mixture Gas

- 46 -

0.0 MPa

(Vout : 7.565 kV, tr : 9.775 ns)

0.16 MPa

(Vout : 16.99 kV, tr : 8.865 ns)

0.24 MPa

(Vout : 21.22 kV, tr : 8.929 ns)

0.4 MPa

(Vout : 30.91 kV, tr : 8.513 ns)

그림 4.7 SF6-N2 = 2 : 8 가 에

Fig. 4.7 Output waveform of the SF6-N2 = 2 : 8 mixture Gas

- 47 -

0.0 MPa

(Vout : 7.642 kV, tr : 9.599 ns)

0.16 MPa

(Vout : 17.47 kV, tr : 9.159 ns)

0.24 MPa

(Vout : 21.31 kV, tr : 8.894 ns)

0.4 MPa

(Vout : 31.3 kV, tr : 8.798 ns)

그림 4.8 SF6-N2 = 3 : 7 가 에

Fig. 4.8 Output waveform of the SF6-N2 = 3 : 7 mixture Gas

- 48 -

4.3 PFL 특

그림 4.9는 Marx Generator Peaking Gap에

그림 다. 35.28 kV, 상승 시간 9.859 ns 신

32.93 kV, 상승시간 2.434 ns 다. 3.35 kV 도

실 생 다. 지만 상승시간 7.425 ns 도 빠 게 었

다.

( ) Vout : 35.28 kV, tr : 9.859 ns (후) Vout : 32.93 kV, tr : 2.434 ns

그림 4.9 Peaking Gap에

Fig. 4.9 Peaking Gap formed by the output waveform

그림 4.10는 Peaking Gap 과 갭거리에 상승시간 변 그래

다. Peaking Gap 갭 거리가 0.5 mm 경우 0.5 MPa 간격

가 다. 가 가 에 라 상승시간도 7 ns 도에 2

ns 도 상승시간 짧 다. Peaking Gap 내 가 2.5 MPa

과 에 는 Marx Generator 보다 연내 신

가 없었다. 갭 거리 0.8 mm 경우 Peaking Gap 내

- 49 -

0.5 MPa에 2 MPa 사 에 0.5 MPa 간격

다. 내 가 0.5 MPa 경우 4 ns 상승시간

었다. 2 MPa 경우 2 n 상승시간 었다

[12-16]. Peaking Gap 내 0.2 MPa 과 에 는 Marx

Generator 보다 연 내 가 없었다. 그

림 4.11 신 시간 역에 주 역 변 그

림 다. Marx Generator 신 주 역 십 MHz 역에

100 MHz 상 역 지 역 지 가 다.

그림 4.10 Peaking Gap에 상승시간

Fig. 4.10 Rise time of Peaking Gap

- 50 -

그림 4.11 Peaking Gap에 3dB Frequency

Fig. 4.11 3dB Frequency of Peaking Gap

- 51 -

제 5 결

문에 는 적 식 저항 전식 Marx Generator 동

원리 해 하고 계 제조 립하 다. Marx generator

하여 절연가스가 Marx generator 특 에 미 는 향

하여 실험하 다. N2 가스, SF6 가스, SF6-N2 합가스 절연가스

사 하여 Marx generator에 생 전압, 스 상승시간, 3dB 주

수에 하여 다 과 같 결 얻었다.

1. Marx Generator 각종 에 한 가공 조립 술, 특히 고전계

에 한 절연 책과 많 실험 통해 취득한 절연가스 상태에 PFL

계 술 보하 다.

2. SF6 가스는 N2 가스보다 절연 내 아 동 한 가스 압 에

전압 얻었다. 또한 SF6 가스는 낮 에 지에 도 매우

착단 적 가지고 어 순수 N2 가스에 량 SF6 가스 합했

순수 N2 가스보다 전압 얻었다.

3. 순수 절연 가스 경우 전 전압 가할수 상승시간 짧아져

정한 주 수 역 신 할 수 없었다. 하지만 합가스 경우

전 전압 아지 라도 상승시간 크게 짧아지지 않았다. 특히 SF6 :

N2 = 3 : 7 경우에는 상승시간 변 폭 낮았다. 같 경우

전 전압에 계없 동 한 주 수 역 신 얻 수 다.

4. Marx Generator 전압 정하 해 전해액 압 에 한

- 52 -

연 수행하여 수십 kV 전압, 수 ns 상승시간 스신

정 술 보하 다.

본 연 통해 개 Marx Generator는 고전압 스 워 야는

물 전 물리, 살균처리 경산업 전 무 같 산업

에도 히 할 수 것 한다. 또한 다양한 합가스

한다 짧 상승시간과 역 주 수 역 얻

수 것 사료 다.

- 53 -

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