대전류현상

1. 대전류현상 전기재료연구실 전용식

2. 목 차 • 1.서론 • 2.대전류에 의한 손실 • 3.접점 및 접점재료 • 4.대전류에 의한 전자력 • 5.단락사고와 전류차단 • 6.소호매체와 전류차단

3. 서 론 • 도체에 흐르는 전류가 시간적으로 변화하면 발생한 자계때문에 주위의 금속에 맴돌이 전류가 흐르고, 주울손이 발생한다. 금속이 자성재료인 경우는 자화에 의한 히스테리시스손이 발생한다. 이들의 손실은 기기의 수명 또는 효율을 저하시킨다. 또한,대전류에 의하여 발생하는 자계와 전류사이의 상호작용 때문에 전자력이 생긴다. 특히, 대전류에서 고려하여야 할 점은 접점(접촉자)이다. 이 장에서는 대전류에 의해서 발생하는 여러가지 현상과 교류의 대전류를 차단하는 현상에 대하여 기술한다.

4. 대전류에 의한 손실 1. Joule's loss :전기저항, :저항률, :전류, :전류밀도, :체적소 2.표유부하손 ①도체에 시간에 따라 변화하는 자계를 인가하면 맴돌이 전류가 흘러 맴돌이電流損이 발생한다 ② 대전류기기에 부하전류가 흐르면 자속이 유기되며, 이것에 의해 도체 또는 구조물에 맴돌이 전류가 생성되어 맴돌이 전류 손실이 발생 이들 손실을 총칭하여 표유부하손이라 한다.

5. 대전류에 의한 손실 1 ※ 표유부하손의 영향 ⁃ 손실로 인한 기기 효율의 저하 ⁃ 국부적인 발열의 원인 ※ 표유부하손의 방지책 ⁃ 상용주파수에 사용되는 전력기기의 철심에는 절연된 얇은 철판을 쌓은 성층철심 사용 ⁃ 고주파기기에서는 미립자의 자기재료를 사용

6. 철 손 3. 철손 •무부하손 : 철손(iron loss) hysteresis loss(강자성체의 hysteresis 현상에 기인) + eddy current loss(여자전류에 의해 발생하는 자속에 기인) •부하손: 동손(copper loss) Joule's loss(부하전류에 기인) + 표유부하손(부하전류에 의해 발생하는 자속에 기인) ∗강자성체를 자화시키는 경우 자계 H와 자속밀도 B사이에는 그림 1에 나타낸 바와 같이 히스테리시스특성이 나타난다.여기에서 히스테리시스곡선을 따라 일주하도록 자화시키면 다음과 같은 히스테리시스곡선으로 둘러싸인 면적에 상당하는 일 W은

7. 히스테리시스곡선 히스테리시스곡선에 의하여 둘러 싸인 면적을 단위시간 의 손실로 환산한 것을 히스 테리시스손이라 한다. 주파수로에 의존하는 부분 즉 곡선①과 곡선 ②에 의하 여 둘러 싸인 부분의 면적은 자속의 변화에 의해서 자구 가 회전할 때 손실이다. 그림 1

8. 전기기기의 철심재료 철심재료(고투자율) -요구되는 성질 (1) 포화자속밀도가 큰 것. (2) 보자력 가 작고, 비투자율 이 큰 것. (3) 교번자계 중에서 손실(hysteresis loss, eddy current loss, residual loss)이 작을 것. -종류 ① 규소강판(silicon steel plate: 3~4%의 Si을 함유하는 Fe-Si 합금) ② Permalloy(78.5%의 Ni을 함유하는 Fe-Ni 합금) Fe-Al합금(12～16%의 Al을 함유하는 Fe-Al 합금)

9. 비정질 자성체 비정질 자성체(amorphous magnetic material) : 액체상태로 용융된 자성체를 급속히 냉각시킴으로써 구성원자가 불규칙적인 배열을 한 비정질 자성재료. : iron loss가 적어 전력용 철심재료뿐만 아니라 고주파용 재료로 사용.

10. 접 점1 1. 접점현상 전기회로를 개폐하는 부분을 전기접점 (electric contact)이 라고 한다. 전력용 차단기와 같이 대전류를 흘리며 arc를 발생시키는 접점을 접촉자(contactor)라고 한다. 그림(a)의 맞대기접촉은 구조는 간단하나 실효접촉면이 적으므로 대전류를 흘리기는 곤란하나, 그림(b)의 미끄럼 접촉은 구조는 복잡하지만 접촉면적이 크므로 대전류를 흘리거나 arc를 발생시키는 목적으로 사용된다 그림 2

11. 접 점 2 2. 접점재료(contact materials) •요구 조건 ①도전율이 크고, 접촉저항이 적으며 접촉상태가 안정할 것 ② 접촉면이 용착하지 않을 것 ③ 재료의 변형이나 소모가 적을 것 ④ 접점개리시 내arc성이 우수할 것 ⑤ 기계적 성질이 양호할 것

12. 접점재료1 (1) Pt 와 Au등 귀금속계 귀금속은 일반적으로 공기 중에서 침해되지 않으므로 접 촉저항이 대단히 안정되어 있지만 고가이므로 용도에 제약이 있다.

13. 접점재료 2 (2) Ag계 Ag는 모든 금속 중 도전율이 가장 높고 접촉저항이 작으나, 융점이 낮으므로 용착, 소모의 점에서 좋지 않다

14. 접점재료 3 (3) W 계 W은 융점(3382℃)이 높고, 경도가 크므로 접점으로서 소 모, 변형이 적으나, 공기 중에서 산화되고 경도가 커서 접 촉저항이 크고 가공성이 나쁘다. 따라서 W접점을 사용하 는 경우 접촉압을 50～100gr 이상으로 할 필요가 있다

15. 대전류에 의한 전자력 1 1.도체 사이의 전자력 전류 가 흐르는 거리 의 두 도선간에 작용하 는 전자력은 ※ 가 동방향인 경우 흡인력 가 반대방향인 경우 반발력이 되어, 도체를 지지한 애자나 부싱이 파손되는 경우가 있다

16. 대전류에 의한 전자력 2 2. 전기접점의 전자 반발력 전기접점의 전자반발력은 접점을 갖는 대전류기기에서는 중요한 문 제로 <그림 3>과 같은 회전대칭 Model 의 접촉부 구조에 대해서 다 음의 Holm의 식이 알려져 있다. : 접촉면의 등가반경으로 접촉압력, 접점재료의 도전율 및 탄성한계에 의존하며, 통상 1~2mm 정도가 사용된다 그림 3

17. 대전류에 의한 전자력 3 • 3.변압기권선의 전자력 변압기, reactor, 또는 자계발생장치에서는 대 개 권선이 동심 원형으로 감겨져 있어 권선 상 호간에 電磁力이 작용.

18. 단락사고와 전류차단 1 1.단락사고 고전압선로가 대지와 단락되는 것을 지락(ground fault),상과상 의 단락을 상간단락이라 하며 이들 모두를 단락사고라 한다. 단락사고전류는 단상회로로 생각하면 <그림 4>에 나타낸 회로에서 스위치 S를 닫을 때의 과도전류 로 나타내어 진다. 그림 4

19. 단락사고와 전류차단 2 그러나 실제로는 동기발전기나 계통의 임피던스가 과도적 으로 변화하므로 이와 같이 단순하지는 않다. 윗식에서 계 통손실분 은 인덕턴스 에 비해 상당이 작기 때문에 로 보아도 좋으므로 결국 인 경우, 즉 전압 0에서 단락사고가 발생한 경우에 직류성분이 최대가 됨을 알 수 있다.

20. 단락사고와 전류차단 3 차단기에 의해 이와 같은 단락전류를 차단하고, 다시 송전하기 위해 차단기 를 다시 투입하는 경우, 이 시점까지 사고상태가 해소되지 않으면 단락상 태회로로 재차 통전하게 된다. 이와 같이 단락상태에 있는 회로를 차단기로 재투입하면 단락전류가 흘 러 접점이 전자반발력에 의해 이상발 호 (arc발생)하기도 하므로, 전자기계 력에 의해 부품이 파괴되지 않고 투입 할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 그림 5

21. 아크방전 2. 아크 방전 ‣ 아크 방전는 대단히 밝은 빛을 발생하며 양광주가 전자력을 받기 때문에 복잡한 형태를 취하기도 하고, 급속히 이동하기도 한다. ⇛ 대기압 공기 중의 arc voltage 와 arc current 의 관계(소전류 영역): arc current가 증가함에 따라 arc voltage가 감소하 다가 arc voltage가 최소로 되는 점을 넘어서 arc current를 증가시키면 arc voltage는 적은 증가율로 증가한다.

22. 아크방전 1 ※ a,b,c,d: 전극, 기체의 종류에 의해 정해지는 정수 <동전극의 경우, a=21.4V, b=3.0V/mm, c=10.7W, d=15.2W/mm> 아크 방전는 다음에 의해 유지된다. ① 음극으로부터의 전자방출 ⁃ -action ⁃ 전극재료의 가열에 의해 발생하는 열전자방출 작용 ⁃ 음극전면의 고전계에 의한 전자방출작용 ② 양광주에서 분자상호간의 충돌에 의한 열전리작용 ⁃ 열평형상태에 있는 electron, ion과 중성분자 밀도를 각각 라 하면

23. 아크방전 2 ※ :전리전압 :전자의 질량 :플랑크정수 :볼츠만정수 의 통계적인 가중치 ⁃ 양광주는 electron과 ion이 같은 밀도인 plasma상태이며, 온도가 대단히 높고 조건에 따라 대단히 차이가 크며, (수 천℃) ～ (1-2만℃)로 된다.

24. 아크방전 3 차단기로 대전류를 차단할 때 우선 접점이 기계적으로 개리되므로 arc가 발생한다. 그러나 이것만으로 전류가 차단되지 않고, 교류회로에서는 반주기마다 전류영점이 나타나므로 이 전류영점에서 전류 가 차단된다. 차단을 완료하기 위해서는 전류가 일단 영점을 통과한 후 다시 도통상태로 되지 않도록 arc공간의 에너지를 효율적 으로 제거(소호 : arc extinction)할 필요가 있다. 전류영점에서 소호하기 위해서는 (a)arc를 길게 늘려 arc voltage를 높이고, 전류를 적게 하 여 소호하는 방법 (b) arc를 자계로 구동시켜 냉각판내에서 냉각하는 방법

25. 아크방전 4 (c) (a), (b)를 조합하는 방법 (d) 고기압의 gas를 arc에 불어 넣어 냉각하는 방법 (e) 진공 중에서 전류영점에 있어서 plasma의 확산을 이용 하는 방법 직류인 경우 전류영점이 없으므로 소호가 대단히 어렵다. (a)～(e)의 방법이 능력의 차는 있지만 직류전류의 차단능 력이 있고, 특히 (c)방법이 직류차단능력이 양호하므로 실 용 차단기에 이용되고 있다.

26. 소호매체와 전류차단 1 정압 비열 1. 가스 및 공기 가스의 장점은 고온에서의 우수한 열적 특성이다. 분자는 2000~3000⁰K 에서 해리반응이 일어나며,공기는 7000⁰K에서 극대점을 가진다. <그림 6> 그러나 온도가 7000⁰K를 넘어서 면 <그림7> 에 나타낸 바와 같이 공기와 가스 모두 전리반응이 급속히 진행되어 도전율이 급격 히 증가. 및 공기의 비열온도 특성 도전율 및 공기의 도전율의 온도특성

27. 소호매체와 전류차단 2 • 최근의 차단기에는 그다지 사용되고 있지 않지만 종래에는 절연유가 소호매체로서 많이 이용되어 왔으며, 최근의 전력용 차단기의 소호매체로서는 통상 고기압 gas 또는 진공이 사용되는데, 고기압 공기를 이용하는 차단기도 있다.

28. 용어해석 1 맴돌이전류 도체의 내부에서 국부적으로 소용 돌이 모양으로 닫힌 통로를 흐르 는 전류로써 도체 내부를 지나는 자기력선속의 변화로 인하여 생기 는 전류

29. 먼저 자석을 자장중에 놓고 "0"의 위치에서부터 자장을 서서히 증가시키면 자장중의 자속밀도가 급격히 증가하지만 어느 점 이상에서는 외부 자장을 가하여도 자속밀도는 급격히 증가하지 않고 가해준 자장만큼만 증가하게 되는데 이 상태를 포화라 하고 점 "a"가 된다. 이 상태에서 외부 자장을 점차 줄이면 자속밀도는 a→b로 감소하고 외부자장을 0(Zero)으로 하면 "b"점에 오게 되고 0b의 자속밀도가 남게 된다.이 값을 잔류자속밀도(Residual Induction)라 부르고 Br로 표시하며 단위는 G(Gauss)이다.더욱 역방향의 외부자장을 가하면 점점 자속밀도가 감소하여 "c" 점에 오게 되는데,이 "c" 점에 오게 하기 위한 필요한 역방향의 외부자장의 강도를 보자력 또는 항자력(Coercive Force)라 부르고 Hc로 표시하며 단위Oe(Oersted)이다. 계속 역방향의 외부자장을 증가시키면 "d"점에서 다시 포화되고 e→f→a→b→c와 같은 Cycle을 이루며 이 곡선을 자기이력곡선이라 부른다.