6 장 고전압 및 대전류의 발생

6장 고전압 및 대전류의 발생 2004.3.2 김석재

목 차 1.교류 전압의 발생- 시험용 변압기 - 직렬 공진법 - 조저주파전압의 발생 2.직류 전압의 발생–교류고전압의 정류 - 정전발생기 3.임펄스 전압의 발생- 뇌임펄스 전압의 발생 - 개폐임펄스 전압의 발생 4.교류 대전류의 발생- 교류계통 - 단락발생기 - 플라이휠차식 발생기 5.직류 대전류의 발생- 정류기 - 전지 - 직류기 6.펄스 대전류의 발생- 콘덴서 - 선로펄스발생기 - 인덕턴스

시험용 변압기1 전력용 변압기와 비교하면… (1)1~10A정도로 요구되므로 소용량, 거의 자냉식, 대개 30분~1시간 단시간정격. (2)외부에서 침입하는 써지(과전압)에 대하여 배려되어 있지 않으므로 절연유도가 적다. (3)단상(특수한 용도 제외)이며, 2차측의 한쪽 단자를 접지하여 사용 유도전압조정기: 1차측의 여자전압을 변화시켜 2차측에 고전압을 발생 보호저항:변압기 2차측의 과대한 단락전류나 과전압의 발생을 방지하기 위해 설치 분압기: 파형(波形)을 바꾸지 않고 전압의 크기를 분할하여 적당한 값으로 끌어내는 장치 Ls:1차측의 전류가 과대하게 커지지 않도록 보상, 소용량의 발전기를 사용할때 진상전류가 크게 되면 발전기가 자기여자를 일으켜 자동적으로 전압이 상승하여 대단히 위험 시험용 변압기의 기본회로 유도전압조정기 유도전압조정기 여러가지 대전류의 발생방법과 이용분야

시험용 변압기2 등가회로와 전압 전류의 관계 공시물에 유기되는 전압 Vo는 회로저항 R(=Rs+Rp)<<wLs일때 Vt:공시물의 포함하여 2차측의 정전용량 V0는 Vt보다 높아지며, 공시물의 정전용량에 의해서 변화하기 때문에 인가전압을 교정하지 않고 1차측 전압으로부터 측정하는 것은 불가능하다.또한 가 0으로 되는 주파수는 수100Hz이므로 전원에 고주파성분이 포함되어 있으면 그 성분의 전압이 예상외로 높아지게 된다 Rs+jwLs: 단락임피던스(w=2 pi f) C:2차측 정전용량 Rp: 보호저항

시험용 변압기3 -원통권선은 전압이 낮은 부분부터 순차적으로 철심에 가까이에 배치하고 고전압 코일일 수록 철심으로부터 멀리 떨어지게 하는 것이 유리.용기는 접지탱크식(소용량)과 절연통식 -시험용 변압기로서 필요한 용량 W[kVA] V:시험전압 I:충전전류 C:고시물의 정전용량 시험용 변압기의 종속접속(500kV이상) 시험용 변압기의 권선배치

직렬공진법및 초저주파전압의 발생 직렬공진법:케이블,콘덴서,GIS등 정전용량이 대단히 크고 손실이 적은 공시물에 대하여 직렬로 연결한 L 와 Co의 직렬 공진하여 고전압 발생 -인가전압의 파형왜곡이 적다 -공시물이 절연파괴되면 공진조건에서 벗어나 자동적으로 전압 저하 공시물의 손상이 적음 -발생장치가 간단하고 운반이 용이하므로 현장 시험들에 편리 초저주파전압의 발생: 보이드나 부분방전시험에는 전압이 정,부로 변화하는 교류가 바람직하여 주파수 0.1Hz정도,전압25~100kV 사용. 파형을 문제로 하지 않을때는 콘덴 서의 충방전회로를 사용하면 좋으나 파고점에서 방전회로로 전환된 후 파형변화가 심함 정현파 전압 발생 -회전접촉자를 사용하여 50Hz에서 1/500씩 늦은의 전압을 취하는 방법 -0.1Hz로 동작하는 습동전압조정기와 시험용 변압기,정류기,방전저항을 조합하는 방법 -고전압(300kV정도)에서는 2차측에 습동저항을 사용하는 방법

교류고전압의 정류1 -시험용 변압기의 2차전압을 정류하기 위해 정류기 및 평활용 캐패시터로 구성하므로 직류고전압 발생회로로 자주 사용되는 반파 정류회로 -정류기로는 진공정류기가 많이 사용되어 왔으나 최근에는 대개 반도체 정류기사용 -파동률(ripple vector) Vm Vc Cs Co C(Cs+Co)=0

교류고전압의 정류2 -교류전압 파고치의 2배,3배인 직류전압을 발생 -C1충전부의 반파에서 C1과 우측정류기를 통하여C2충전 :점선부분의 전압v1를 고려하면 정상상태에서는 C1의 충전에 의해 Vm만큼 직류적으로 상승된 교류전압으로 됨 -3배전압 정류회호에서는 점선부분의 전압이 v2=2Vm+Vmsin(2pift)로 되믐로 출력 전압이 3Vm으로 됨 v1 C1 C2 v2

교류고전압의 정류3 -Schenkel회로와 Crockcroft-Walton회로 :n개의 정류기와 캐패시터를 사용하여 n배의 직류고전압을 얻을수 있는 것 -C2가 2Vm충전,C3도 2Vm-Vm+Vmsin(2pift)의 전압으로부터 2Vm으로 충전 -2n개의 C 사용 -전압강하∆V와 맥동률을 작게하기 위하여는 C와 f를 크게 따라서 500Hz~10kHz 사용 -2MV까지의 직류고전압이 얻어짐…. C:각 캐패시터의 정전용량, I:부하전류

정전발생기 -전하가 작용하는 전계의 힘에 대항하여 전하를 이동시키면 그 전하의 전위가 높아지는 원리 이용 -전하를 기계적 수단으로 고전압전극에 운반하여 직류고전압을 얻음 -기계적으로 한일이 전극의 전기적(충전)에너지와 같다 -운반되는 전하는 보통 코로나 방전에 의하여 생기는 이온이며,운반에는 절연성 벨트나 절연된 금속편으로 만든 체인 등이 사용. 대지부근의 직류전압의 침-평판갭 N1에서 생 긴 이온이 밸트표면에 부착하여 운반되고,상부전극의 전압이 낮을때에는 내부의 침갭 로 집전,벨트차B2의 전위를 상부전극보다 높게 하면 N4에서 부극성 코로나가 발생하여 부전하가 하강벨트에 부착되므로 충전전류는 2배로 된다. -소전류 고전압인 것이 특징,수MV~최고20MV까지 제작,고에너지 물리,전자현미경, x선조사장치의 전원 사용 정전발전기 Van de Graaff발전기

뇌임펄스전압의 발생1 -콘덴서에 충전된 전하를 방전갭으로 적당한 회로에 방전시켜 얻음 -콘덴서 C의 충전전하를 갭 G를 통하여 Rs,Ro,Co에 방전시키는 RC회로 널리 사용. -LRC회로의 경우 (Rs+Ro)>2 L/C인 비진동조건에서 단일 임펄스 파형이 발생 T1:피두장 ,T2파미장 T1<<T2, RoC>>RsCo 이기 때문에

뇌임펄스전압의 발생2 -파두장의 조정은 주로 Rs와 Co로 파미장의 조정은 Ro로 한다. -이용율=v의 파고치 vm과 충전전압 V의 비. Rs/Ro,Co/C가 적을수록 크다,약90%(그림) -뇌임펄스발생기는 수백~수천kV의 높은 전압을 발생시키기 위하여 충전된 여러 개의 콘덴서를 순시적으로 직렬로 접속하 여 고전압을 가산하는 다단방식이 사용 -불꽃연락:직렬접속방법으로 갭의 불꽃방전을 사용함 -Marx회로:발생기가 동작할 때 각 단의 충전저항과 콘덴서는 각 단의 전압에 견디게 되므로 제작이 용이.직렬충전방식 -병렬충전방식,직렬충전방식,직병렬충전방식 -충전전원:전압50~200kV,전류10~100mA,각 콘덴서:0.1 ~2.0uF,정격전압 50~200kV정도 -충격전압 발생기의 시동은 최하단의 방전간극Gs를 방전 시키면 그 상단의 간극G가 순차적으로 방전하여 Ro의 양 단에 높은 충격전압이 발생

뇌임펄스전압의 발생3 -트리거 갭 Gs는 -고전압 임펄스 발생기의 시일드 트리거펄스 절연물 전계 왜곡형갭 (구명이 뚫린 원반형 트리거 전극) 3점갭 유공구갭 원환 시일드 전압 90% 100% 90% 가장 높은 부분의 시일드의 발생전압을 최고전압 (출력전압)보다 낮게 하여 상부의 전계완화를 도 모하는 방법도 채용 임펄스발생기

개폐임펄스전압의 발생 -전자의 방법은 뇌임펄스전압의 발생과 본질적으로 같으나 파두장, 파미장이 길기 때문에 콘덴서용량,저항등이 이에 상응하여 커져야만 된다. -시험용변압기를 사용하는 경우는 1차측에 적당한 과도적 전압을 인가하여 여자시켜, 실제의 계통에서 발생하는 개폐과전압에 가까운 파형이 발생되는 것 (1)사이리스터를 사용하여 교류전원의 반주기 동안만 여자시킨다. (2)직류전류를 흘린 후 차단한다. (3)콘덴서의 전하를 1차권선에 방전시킨다.

교류계통 -교류대전류는 전력계통(초고압계통을 이용하는 경우가 많다)으로부터 직접 얻음 -부하의 임피던스가 적기 때문에 변압기를 사용하여 전압을 저감시켜 대전류 를 얻음 -변압기에 대전류를 빈번히 흘리므로 권선의 기계적 강도를 향상시키며, 임피 던스 를 가능한 적게 설계한 단락용 변압기 사용 -대용량의 전력을 계통으로부터 취하면 계통전압이 순시적으로 저하하여 요란 이 발생하므로 그다지 사용하지 않는다.

단락발생기1 -기계적으로 축적된 회전에너지를 순간적으로 커다란 전기적 에너지로 변환시키는 장치 -전기자권선이 전기적으로 120도 벗어난 위치에 감기어 있으며, 그의 내부공간에서 직 류로 여자된 회전자가 쇄교되며 기전력을 발생 -단락발전기는 송배전 계통에 접속되는 일반적인 발전기와는 달라, 다음과 같은 특별한 구조로 되어 있음 (1)가능한 한 큰 단락전류를 얻을 수 있도록 reactance가 작게 되어 있다. (2)단락시 전류의 감쇠가 적도록 전기자나 계자권선의 시정수를 크게 되어 있다. (3)빈번히 작용하는 큰 전자력에 견딜 수 있도록 권선의 기계적 강도를 보강시킨 구조

단락발생기2 -전기자권선에 직렬로 투입기가 접속되어 있으며, 소정의 전압위상에 단락이 발생하도 록 되어 있다. 단락발전기의 발생기전력은 모극의 자속수 ∅[Wb](계자권선에 흐르는 직 류전류에 의하여 변화한다)와 주파수f로 결정된다.주파수fsms 발전기의 극수 P와 회전 자의 매초당의 회전수n으로 나타내어진다.1쌍의 N,S극이 각전기자권선을 통과하면 1 주파의 기전력이 발생하므로 f=(P*n)/2 [Hz] N 회의 권선의 단락발전기의기전력은 -3상단락시 각상에 흐르는 전류는 단락이 발생한 때의 위상에 따라 다르며 과도 리액턴 스에 의하 결정된다. 단락개시(초기과도기간): 단락직후(~100ms,과도기간) 정상단락전류(~s) Va:유기전압의 실효치 Xd``:직류초기과도리액턴스 Xd`:직류과도리액턴스 Xd:직유동기리액턴스

플라이휠 발전기 -단락발전기로부터 큰 단락용량을 얻도록 하려면 기계에너지가 부족하여 회전이 늦 어지고 출력이 저하되므로 이와 같은 경우 사용 -플라이휠 발전기:단락발전기와 마찬가지로 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로 큰 중량을 갖는 회전구조체이며, 단락발전기와 마찬가지로 통상 전동기로 구 동하여 에너지를 서서히 축척하고 필요할 때 에너지를 전기에너지로 변환.특징으로 (1)소용량의 에너지로 많은 회전에너지를 저장할 수 있다. (2)사용하는 용도와 용량에 따라 자유로이 설계할 수 있다. (3)단락시 교류계통에 동요를 주지 않는다. -JT-60토로이달자장 코일 전원용 플라이 휠차식 발전기의 예 -215MVA,18kV,600~420rpm,80~56Hz,16000tm^2)

직류대전류의 발생 1.정류기:고내전압 대전류인 si정류소자를 사용하여 변압기의 출력단자에 정류기를 접속하면 용이하게 직류 대전류를 발생시 킬 수 있다. 2.납축전지와 알칼리전지를 대전류 발생장치 로 하여 사용하기도 한다. 납축전지는 가격이 싸고 발생전압이 높고,알칼리 전지는 가격이 비싸고 발생전압 이 낮지만 충방전수명이 긴 장점이 있다. 3.직류기 -직류발전기:전기자에 발생하는 교류전압을 정류자와 부러쉬를 통하여 정류하므로써 직류전류 얻음 -단극발전기:자계중에서 원판형 또는 원통형 도체를 고속으로 회전시켜 순직류를 발생

콘덴서(capacitor) -캐패시터:스위치나 기동갭등을 손쉽게 제작 가능, 범용의 대전류장치로 많이 이용 -C0에 에너지를 축적시키고 swith or trigger gap등을 통하여 에너지를 부하에 방출 -부하가 저항이면 지수 함수적으로 감쇠하는 파형이고 인덕턴스이면 진동하는 파형 이 된다.파미장을 길게 할 필요가 있을 경우 crowbar 회로 많이 사용 -C의 에너지를 부하 inductance에 방출하고 inductance의 전류가 최대로 된때 ,즉 Capacitor의 에너지가 거의 방출될 때 crowbar switch를 동작시켜 부하 coil의 양단 에 접속된 gap을 단락한다. 전류파형은 inductance와 저항의 의해 정해지는 시정수 에 의해 결정

선로펄스발생기 1 -라인펄스: 충전된 선로의 방전파형이 사용되며,그 회로.(직각파 발생) -집중정수인 L을 직렬로 C를 병렬로 여러 개 접속한 회로를 직각파 전류의 발생 -L와 C가 일정하며 손실이 없는 선로이면 파형의 감쇠나 왜곡이 없는 펄스 발생 -이 선로를 전압V로 충전시킨 후 스위치 S를 닫으면 등가 회로로 나타내며,부하저항 R에 발생되는 전압은 주로 깨끗한 물(=80)사용 :물의 도전성 때문에 선로자체를 펄스적으로 충전시킬 필요가 있기 때문 (선로의 특성 임피던스)

선로펄스발생기 2 -펄스성형회로의 예 :Marx회로의 출력은 펄스선형선로를 충전 시킨 후 전송선로 및 부하에 인가됨. 펄스폭 은 펄스성형선로의 길이로 결정 -브룸라인 회로의 예 선로펄스 발생기로서 2중원통이나 평행평판 구조로 중간의 전극을 충전시킨고 b전극을 전 압V로 충전하여 주스위치 S를 닫으면 t=0에서 S에 V에 직각파를 인가한 것과 같다 e=2RV/(Zab+Zbc+R) 동축선로에 비해 2배의 전압 발생 펄스폭은 2T로 동일, 발생파형은 S의 동작 후 t=T에서 나타난다.

인덕턴스 -인덕턴스에 저장할 수 있는 에너지는 콘덴서 (0.5~1MJ/㎥)에 비하면 에너지 밀도가 높고 (100~250 MJ/㎥),가격의 저렴 -인덕턴스전원의 기본회로 -Ls는 에너지를 저장하는 인덕턴스이며, 직류 전원으로 필요한 전류까지 천천히 에너지를 저 장한다. 스위치를 A에서B로 절환시키면 흐르고 있던 전류는 부하LL로 전류된다. -가포화 리액터:포화되면 인덕턴스가 급격히 작아진다. 스취치를 투입하면 C1에 에너지가 축적되고, 그것이 파고치에 도달된 시점에 L1이 포화되면 C1의 에너지는 급속히 C2로 전이된다. 따라서 L1>L2>L3로 하면 펄스가 순차적으로 압 축되어 펄스 속도를 높일수 있다

6 장 고전압 및 대전류의 발생

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