전산유체역학을 이용한 차단기의 아크 소호 현상 연구

Abstract

현대사회에서 전기에 대한 수요가 증가함에 따라 전력계통의 신뢰성 향상에 대한 요구가 커지고 있으며 전력계통에서 지락, 단락 등의 사고에 의해 발생하는 사고전류를 차단하여 전력기기를 보호하고 전력계통의 건전성을 유지하는 보호기기인 차단기의 중요성이 높아지고 있다. 신뢰성 높은 차단기의 개발을 위해서는 고장전류 차단시 발생하는 아크 현상에 대한 정확한 분석이 필요하다. 그러나 아크는 Ohmic heating, 로렌츠 힘, 복사, 난류, 노즐용삭, 전자계와 같은 여러 가지 물리적 현상이 복합적으로 작용하며 설계요소와 서로 연관되어 있기 때문에 설계요소가 변경되었을 때 차단기의 성능 변화를 시험을 통해 측정하고 분석하는 것은 제한적이다. 또한 기존의 차단기 개발 과정은 시험을 기반으로 한 시행착오적 방식으로, 차단기 최적설계가 어렵고, 개발 시간과 비용이 과도하게 소요되는 문제점이 발생하고 있다. 따라서 기존의 시험을 기반으로 한 시행착오적인 차단기 설계 및 개발 과정을 최적설계가 가능하도록 변경하기 위해, 차단기가 고장전류를 차단할 때 발생하는 핵심 현상인 아크를 해석하고 분석할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 송전계통에 사용되는 SF6 가스 고압차단기와 배전계통에 사용되는 배선용 저압차단기의 아크 현상을 예측 및 분석할 수 있는 해석기술 개발을 연구의 목적으로 두었다. 전자계 현상과 열유동 현상이 상호작용하는 아크 특성을 해석하기 위해 전산유체역학을 적용하여 고압차단기 아크의 지배방정식을 정립하고 아크 소호시에 발생하는 여러 가지 현상의 모델링 기법을 개발하여, 전자계-열유동 연성해석기술을 구현하였다. 개발된 아크해석기술을 적용하여 설계 인자에 따른 차단성능을 분석하고 차단성능 평가기준을 수립하였다.