KR20170107114A - 진공 인터럽터 내의 아크 특성 분석 방법 - Google Patents

진공 인터럽터 내의 아크 특성 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 특성 분석 방법은 진공 인터럽터의 전극 및 전극간 공간을 격자 구조로 모델링하고 상기 전극간에 형성되는 아크의 초기 위치로부터 상기 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 단계; 전극 전류 밀도 및 아크 자속 밀도를 이용하여 복합 자기장을 산출하는 단계; 상기 복합 자기장을 이용하여 상기 후보군에 대한 아크 전압을 연산하는 단계; 및 상기 아크 전압을 이용하여 상기 후보군 중 다음 스텝의 아크 위치를 판단하는 단계를 포함한다.

Description

진공 인터럽터 내의 아크 특성 분석 방법{METHOD FOR ARC CHARACTERISTICS ANALYSIS IN VACUUM INTERRUPTER}
본 발명은 진공 인터럽터 내에 발생하는 아크 특성 분석 방법에 관한 것이다.
진공 차단기는 과전류, 단락 및 이상전류 발생시 진공을 소호 매질로 하여 전로를 개폐한다. 또한, 진공 인터럽터는 진공 차단기 내부에서 발생하는 아크를 소호(消弧)하고 차단하는 핵심 부품이다.
진공 인터럽터의 전극이 분리됨과 동시에 발생하는 고온의 아크는 진공 인터럽터의 점접에 손상을 가할 수 있으므로, 진공 인터럽터는 아크 지속시간동안 접점 손상을 최소화하기 위해 아크의 거동을 적절히 제어하여 아크 에너지를 전극 표면상에 골고루 분산시켜야 한다.
아크의 거동을 포함하는 아크 특성을 분석하는데 가장 이상적인 방법은 실험을 통한 직접적인 측정이 될 수 있으나, 실험 장치 제작에 필요한 비용과 시간은 실험을 통한 측정에 제약으로 작용한다.
이에 비해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 수치 해석적 분석은 이러한 제약에서 벗어나 보다 유연한 분석 결과를 얻을 수 있다.
아크 분석 방법에 대한 다양한 시뮬레이션 기법이 연구되고 있으나, 아크 거동 예측을 포함하는 아크 분석 방법에 관한 연구는 미미한 실정이다.
한국 공개특허공보 제2009-0121588호
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 아크 위치를 예측할 수 있고 아크 거동 경로를 출력할 수 있는 아크 분석 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 특성 분석 방법은 진공 인터럽터의 전극 및 전극간 공간을 격자 구조로 모델링하고 상기 전극간에 형성되는 아크의 초기 위치로부터 상기 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 단계; 전극 전류 밀도 및 아크 자속 밀도를 이용하여 복합 자기장을 산출하는 단계; 상기 복합 자기장을 이용하여 상기 후보군에 대한 아크 전압을 연산하는 단계; 및 상기 아크 전압을 이용하여 상기 후보군 중 다음 스텝의 아크 위치를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 분석 방법은 효율적인 아크 위치 예측을 위한 방법을 제공한다.
이에 따라, 제조사의 설계에 있어 비용 및 시간이 절감되고 사용자의 사고 분석시 정밀하고 신속한 진단이 가능하도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 진공 인터럽터의 일 예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 분석 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 격자 구조로 모델링된 진공 인터럽터를 나타내는 도면이다.
도 4는 진공 인터럽터의 전극 표면에 위치하는 아크 근의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 진공 인터럽터의 전극 전류 밀도를 나타내는 모의 실험 결과의 일 예이다.
도 6은 진공 인터럽터의 전극간 형성되는 복합 자기장을 나타내는 산출 결과의 일 예이다.
도 7은 진공 인터럽터의 전극간 형성되는 로렌츠 힘을 나타내는 산출 결과의 일 예이다.
도 8 내지 11은 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 아크의 거동 경로를 출력한 결과의 일 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 진공 인터럽터의 일 예를 나타내는 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 진공 인터럽터는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 포함하고, 진공 차단기의 개방 동작시 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에 전극간 공간(130)이 형성될 수 있다.
또한, 진공 인터럽터는 축자계 방식의 구조 및 축자계 방식을 구조를 가질 수 있다. 도 1에 도시한 진공 인터럽터의 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 횡자계 방식의 구조 중 나선형 전극을 나타낸다.
횡자계 방식은 축자계 방식에 비하여 전극의 구조가 간단하므로 용이한 설명을 위해 이하에서는 횡자계 방식의 구조를 가지는 진공 인터럽터를 예를 들어 설명한다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 분석 방법은 컴퓨팅 디바이스를 포함하는 시스템에서 구현된다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치, 그래픽처리장치, 마이크로프로세서, 주문형 반도체 (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays (FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 상기 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 분석 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 아크 분석 방법은 진공 인터럽터의 전극 및 전극간 공간을 격자 구조로 모델링하고 상기 전극간에 형성되는 아크의 초기 위치로부터 상기 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 데서 시작된다(S210).
상기 진공 인터럽터의 전극을 격자 구조로 모델링한 일 예를 도 3에 도시하였다. 도3 에 도시한 바와 같이, 진공 인터럽터의 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)은 복수의 요소들로 이루어 지는 격자 구조로 모델링 될 수 있다. 또한, 제1 전극(310) 및 제2 전극(320) 사이의 전극간 공간(330) 역시 격자 구조로 모델링될 수 있다.
또한, 상기 격자 구조는 복수의 사면체 요소들을 포함하고 상기 요소들이 접하는 복수의 절점들을 포함할 수 있다.
일 예에 따른 아크 분석 방법에서 아크(340)는 전극간 공간에서만 이동하는 것으로 가정될 수 있다. 따라서, 전극간 공간(330)의 외부 요소는 제외하고 분석될 수 있다.
또한, 아크(340)는 복수의 절점들(341)을 포함하는 선 전류 형태로 표현될 수 있다. 상기 선 전류 형태의 아크는 제1 전극(310) 및 제2 전극(320) 중 하나의 전극으로부터 방전되고 다른 하나로 유입된다.
상기 선 전류 형태의 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 방법은 도8 내지 도11을 참조하여 후술하기로 한다.
다시 도2를 참조하면, 상기 후보군을 마련한 후, 전극 전류 밀도 및 아크 자속 밀도를 이용하여 복합 자기장이 산출될 수 있다(S240).
여기서, 상기 전극 전류 밀도는 진동 인터럽터의 전극 표면에 위치하는 아크 근의 위치를 반영한 모의 실험을 통해 획득될 수 있고(S220), 상기 아크 자속 밀도는 상기 아크의 위치를 반영한 모의 실험을 통해 획득될 수 있다(S230). 상기 모의 실험은 컴퓨팅 디바이스를 이용한 시뮬레이션 실험을 의미한다.
상기 아크 근은 진공 인터럽터의 전극과 상기 아크의 접점으로, 진동 인터럽터의 전극 표면에 위치하는 아크 근을 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 전극(410)의 표면에 제1 아크 근(411)이 위치할 수 있고, 제2 전극(420)의 표면에 제2 아크 근(421)이 위치할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(410)이 양극이라고 가정하는 경우 제1 전극(410)에 전류가 인가되면 제1 전극(410)의 나선형 날개를 거쳐 제1 아크 근(411)을 통해 전극간 공간으로 아크가 방전되고, 제2 아크 근(421)을 통해 제2 전극(420)으로 아크가 유입된다.
즉, 전극 전류 밀도를 획득하기 위한 모의 실험에서 상기 제1 아크 근(411)은 제1 전극(410)의 접지가 되고 상기 제2 아크 근(421)은 제2 전극(420)의 전류 인가점이 될 수 있다.
또한, 전극 전류 밀도를 획득하기 위한 모의 실험에서 전극의 물성치 정보가 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 진공 인터럽터의 전극 전류 밀도를 나타내는 모의 실험 결과의 일 예를 확인할 수 있다.
상기 전극 전류 밀도에 의해 발생된 자기장 및 상기 아크 선 전류의 자기장을 이용하여 진공 인터럽터의 전극간 형성되는 복합 자기장이 산출될 수 있다. 또한, 도 6을 참조하면, 진공 인터럽터의 전극간 형성되는 복합 자기장을 나타내는 산출 결과의 일 예를 확인할 수 있다.
다시 도2를 참조하면, 상기 복합 자기장을 산출한 후, 상기 복합 자기장을 이용하여 상기 후보군에 대한 아크 전압을 연산할 수 있다(S250)
또한, 상기 아크 전압은 다음의 수학식 1을 이용하여 연산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, B는 복합 자기장의 자속 밀도이고, d는 선 전류 형태의 아크 길이이며, d-0는 전극간 간격의 길이이다.
다음으로, 상기 아크 전압을 이용하여 상기 후보군 중 다음 스텝의 아크 위치를 판단할 수 있다(S260). 구체적으로, 상기 후보군에 대한 아크 중 가장 낮은 아크 전압을 가지는 아크의 위치를 다음 스텝의 아크의 위치로 판단할 수 있다.
즉, 후보군에 대한 아크 전압의 연산 결과에 따라 다음 스텝의 아크 위치가 예측될 수 있다.
한편, 상기 아크 위치를 판단하는 단계(S260)에서 로렌츠 힘이 가중치로 이용될 수 있다. 또는, 상기 아크 전압을 연산하는 단계(S250)에서 아크 전압에 로렌츠 힘이 반영될 수 있다.
상기 로렌츠 힘은 전극 전류 밀도 및 상기 아크 자속 밀도를 이용하여 산출될 수 있다. 도 7을 참조하면, 진공 인터럽터의 전극간 형성되는 로렌츠 힘을 나타내는 산출 결과의 일 예를 확인할 수 있다.
다음으로, 아크가 소호되었는지 판단하여(S270) 아크가 소호되지 않은 경우, 다음 스텝의 아크 근 위치를 아크 전류 밀도 획득 단계(220)에 반영할 수 있고(S280), 다음 스텝의 아크 위치를 아크 자속 밀도 획득 단계(S230)에 반영할 수 있다.
즉, 소호 시점까지 다음 스텝의 아크 위치를 판단하기 위한 상술한 단계들이 반복되어 복수의 스텝의 아크 위치가 판단될 수 있고, 예측된 아크 위치들로 이루어진 아크의 거동 경로가 출력될 수 있다.
도 8 내지 11은 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 진공 인터럽트의 전극간 공간을 단순화한 형상을 나타내는 도면이다. 단순화된 전극간 공간(830)내에는 선 전류 형태의 아크(840)가 도시되어 있다. 또한, 아크(840)의 위치는 초기 위치로서 설정되고, 진공 인터럽트의 전극 표면에 위치하는 제1 아크 근(811) 및 제2 아크 근(821)을 하나의 절점으로서 포함한다.
상기 전극간 공간은, 도 9에 도시한 바와 같이, 복수의 요소들과 복수의 절점들을 가지는 격자 구조(830')로 모델링 될 수 있다. 상기 격자 구조(830')는 총 48개의 요소와 23개의 절점을 포함한다.
이후, 격자 구조(830')의 제2 아크 근(821)에 인접한 제1 내지 제4 절점(21 내지 24) 중 하나가 기준 절점으로 설정될 수 있다.
또한, 아크 근은 전극 표면에 위치하므로 제2 아크 근(821)과 동일 레벨상에 위치하고 제2 아크 근(821)에 인접한 절점들 중 하나가 기준 절점으로 설정될 수 있다. 이후, 상기 기준 절점으로부터 연장된 제1 경로들을 선정할 수 있다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 제1 절점(21)이 기준 절점으로 설정되고 상위 레벨로 연장되는 경로에 포함되는 절점은 절점 a, b, 및 c이므로, 선정되는 제1 경로들은 절점 a, b, 및 c를 각각 포함한다.
제1 경로들을 선정한 후, 상기 제1 경로들 중, 상기 제1 경로들 각각이 포함하는 절점들이 초기 위치의 아크가 포함하는 절점들에 인접한 제2 경로들을 찾을 수 있고, 상기 제2 경로들을 상기 후보군에 반영할 수 있다.
예를 들어, 도 11을 참조하면 기준 절점으로 설정된 제1 절점(21)에서 연장되는 제1 경로 중 절점 a를 포함하는 제1 경로(850)만이 절점 a의 상위 레벨에서 상기 초기 위치의 아크(840)가 포함하는 절점인 제1 아크 근(811)과 인접하므로 제2 경로가 될 수 있다. 따라서, 절점 a을 포함하는 제1 경로(850)는 아크가 이동 가능한 위치의 후보군에 반영될 수 있다.
마찬가지로, 제2 내지 제4 절점(22 내지 24)를 기준 절점으로 설정하여 제2 경로들을 찾고 상기 후보군에 반영할 수 있다.
다음으로, 상술한 바와 같이 상기 후보군에 대한 아크 전압을 산출하고 후보군에 대한 아크 중 가장 낮은 아크 전압을 가지는 아크의 위치를 다음 스텝의 아크의 위치로 판단할 수 있고, 다음 스텝의 아크의 위치를 초기 위치로 놓고 변경된 초기 위치의 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 다시 마련할 수 있다.
도 12는 아크의 거동 경로를 출력한 결과의 일 예이다.
도 12의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 아크의 거동 경로는 초기 위치에서 바깥쪽으로 밀려나면서 회전하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
110, 310, 410: 제1 전극
120, 320, 420: 제2 전극
130, 330, 430: 전극간 공간
340: 아크
411: 제1 아크 근
421: 제2 아크 근

Claims (8)

  1. 진공 인터럽터의 전극 및 전극간 공간을 격자 구조로 모델링하고, 상기 전극간에 형성되는 아크의 초기 위치로부터 상기 아크가 이동 가능한 위치의 후보군을 마련하는 단계;
    전극 전류 밀도 및 아크 자속 밀도를 이용하여 복합 자기장을 산출하는 단계;
    상기 복합 자기장을 이용하여 상기 후보군에 대한 아크 전압을 연산하는 단계; 및
    상기 아크 전압을 이용하여 상기 후보군 중 다음 스텝의 아크 위치를 판단하는 단계
    를 포함하는 아크 특성 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 전류 밀도 및 상기 아크 자속 밀도를 이용하여 로렌츠 힘을 산출하는 단계를 더 포함하는 아크 특성 분석 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 아크 위치를 판단하는 단계는
    상기 로렌츠 힘을 상기 아크 위치 판단에 있어 가중치로 이용하는 아크 특성 분석 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    소호 시점까지 상기 단계들을 반복하고, 상기 아크의 거동 경로를 출력하는 단계를 포함하는 아크 특성 분석 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 후보군을 마련하는 단계는
    상기 전극간 공간을 복수의 요소들과 복수의 절점들을 가지는 격자 구조로 모델링하는 단계;
    상기 진공 인터럽터의 전극 표면에 위치하는 아크 근에 인접한 기준 절점을 설정하는 단계;
    상기 기준 절점으로부터 연장된 제1 경로들을 선정하는 단계;
    상기 제1 경로들 중, 상기 제1 경로들 각각이 포함하는 절점들이 상기 초기 위치의 아크가 포함하는 절점들에 인접한 제2 경로들을 찾는 단계; 및
    상기 제2 경로들을 상기 후보군에 반영하는 단계
    를 포함하는 아크 특성 분석 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 격자 구조는 복수의 사면체 요소들로 이루어지는 아크 특성 분석 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 전류 밀도 및 전극 전류 방향은 상기 진공 인터럽터의 전극 표면에 위치하는 아크 근의 위치를 반영한 모의 실험을 통해 획득되고, 상기 아크 자속 밀도는 상기 아크의 위치를 반영한 모의 실험을 통해 획득되는 아크 특성 분석 방법.
  8. 제1항에 있어서 상기 아크 위치를 판단하는 단계는
    상기 후보군 중 상기 아크 전압이 가장 낮은 아크의 위치를 상기 다음 스텝의 아크 위치로 판단하는 아크 특성 분석 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114245557B (zh) * 2021-12-24 2024-03-19 中国航天空气动力技术研究院 等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法

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