6 장 고전압 및 대전류의 발생

2004.3.2김석재

목 차1. 교류 전압의 발생 - 시험용 변압기 - 직렬 공진법 - 조저주파전압의 발생2. 직류 전압의 발생 – 교류고전압의 정류 - 정전발생기3. 임펄스 전압의 발생 - 뇌임펄스 전압의 발생 - 개폐임펄스 전압의 발생4. 교류 대전류의 발생 - 교류계통 - 단락발생기 - 플라이휠차식 발생기5. 직류 대전류의 발생 - 정류기 - 전지 - 직류기6. 펄스 대전류의 발생 - 콘덴서 - 선로펄스발생기 - 인덕턴스

시험용 변압기 1전력용 변압기와 비교하면…(1)1~10A 정도로 요구되므로 소용량 , 거의 자냉식 , 대개 30 분 ~1 시간 단시간정격 .(2) 외부에서 침입하는 써지 ( 과전압 ) 에 대하여 배려되어 있지 않으므로 절연유도가 적다 .(3) 단상 ( 특수한 용도 제외 ) 이며 , 2 차측의 한쪽 단자를 접지하여 사용

유도전압조정기 : 1 차측의 여자전압을 변화시켜 2 차측에 고전압을 발생보호저항 : 변압기 2 차측의 과대한 단락전류나 과전압의 발생을 방지하기 위해 설치분압기 : 파형 ( 波形 ) 을 바꾸지 않고 전압의 크기를 분할하여 적당한 값으로 끌어내는 장치Ls:1 차측의 전류가 과대하게 커지지 않도록 보상 , 소용량의 발전기를 사용할때 진상전류가 크게 되면 발전기가 자기여자를 일으켜

자동적으로 전압이 상승하여 대단히 위험

전류특성 시간영역 전류값 주요발생방생 이용분야의 예

정상대전류(AC,DC)

~h ~ 직류 교류발전기 ,대전류변압기 (AC),대전류변압기와정류장치

전기화학공업 , 기기의 온도상승시험

준정상대전류 ~s 단락변압기 (AC), 교류전원과 정류장치 (DC)

핵융합용자계코일 ,전력기기시험

저속대전류 ~ms 단락발전기 , 콘텐서 , 인덕턴스 ㅇ릴이저여기 ,플라즈마압축 ,전력기기시험

고속대전류 ~us 저인덕턴스형 콘덴서 ,인덕턴스

CO2 레이저여기 ,강자계물성시험 ,임펄스전류시험 ,방전가공 ,플라즈마집속 ,전력기기시험

초저속대전류 ~ns 콘텐서와 펄스성형선 전자 , 이온 비임발생장치 ,엑시머레이저여기 ,X선원 , 중성자원

A105

A105

A105

A105

A105

시험용 변압기의 기본회로

유도전압조정기유도전압조정기

여러가지 대전류의 발생방법과 이용분야

시험용 변압기 2

공시물에 유기되는 전압 Vo 는 회로저항 R(=Rs+Rp)<<wLs 일때

Vt: 공시물의 포함하여 2 차측의 정전용량V0 는 Vt 보다 높아지며 , 공시물의 정전용량에 의해서 변화하기 때문에 인가전압을 교정하지 않고 1 차측 전압으로부터 측정하는 것은 불가능하다 . 또한 가 0 으로 되는 주파수는 수 100Hz 이므로 전원에 고주파성분이 포함되어 있으면 그 성분의 전압이 예상외로 높아지게 된다

i

tVIjwLs

IR

oV

등가회로와 전압 전류의 관계

Rs+jwLs: 단락임피던스 (w=2 pi f)C:2 차측 정전용량 Rp: 보호저항

)LsC1/(Vt0V 2

)LsC1( 2

시험용 변압기 3- 원통권선은 전압이 낮은 부분부터 순차적으로 철심에 가까이에 배치하고 고전압

코일일수록 철심으로부터 멀리 떨어지게 하는 것이 유리 . 용기는 접지탱크식 ( 소용량 ) 과

절연통식- 시험용 변압기로서 필요한 용량 W[kVA]

시험용 변압기의 종속접속 (500kV 이상 )시험용 변압기의 권선배치

92 10fCV2VIW V: 시험전압I: 충전전류C: 고시물의 정전용량

직렬공진법및 초저주파전압의 발생직렬공진법 : 케이블 , 콘덴서 ,GIS 등 정전용량이 대단히 크고 손실이 적은 공시물에 대하여 직렬로 연결한 L 와 Co 의 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 교류가바람직하여 주파수 0.1Hz 정도 , 전압 25~100kV 사용 . 파형을 문제로 하지 않을때는

콘덴서의 충방전회로를 사용하면 좋으나 파고점에서 방전회로로 전환된 후 파형변화가 심함정현파 전압 발생- 회전접촉자를 사용하여 50Hz 에서 1/500씩 늦은의 전압을 취하는 방법-0.1Hz 로 동작하는 습동전압조정기와 시험용 변압기 , 정류기 , 방전저항을 조합하는 방법- 고전압 (300kV 정도 ) 에서는 2 차측에 습동저항을 사용하는 방법

교류고전압의 정류 1- 시험용 변압기의 2 차전압을 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

C(Cs+Co)=0

Cs Co

1)fCR2(Vc2/V

교류고전압의 정류 2- 교류전압 파고치의 2 배 ,3 배인 직류전압을 발생-C1 충전부의 반파에서 C1 과 우측정류기를 통하여 C2 충전 : 점선부분의 전압 v1 를 고려하면 정상상태에서는 C1 의 충전에 의해 Vm만큼

직류적으로 상승된 교류전압으로 됨 -3 배전압 정류회호에서는 점선부분의 전압이 v2=2Vm+Vmsin(2pift) 로 되믐로 출력 전압이 3Vm으로 됨

C1 v1

C2

v2

교류고전압의 정류 3-Schenkel회로와 Crockcroft-Walton회로 :n개의 정류기와 캐패시터를 사용하여 n배의 직류고전압을 얻을수 있는 것-C2 가 2Vm충전 ,C3 도 2Vm-Vm+Vmsin(2pift) 의 전압으로부터 2Vm으로 충전-2n개의 C 사용

- 전압강하∆ V 와 맥동률을 작게하기 위하여는 C 와 f 를 크게 따라서 500Hz~10kHz 사용

-2MV 까지의 직류고전압이 얻어짐… .

)fC4/(I)1n(nV

fc/I)6/n2/n3/n2(V,VnV2V

R

23mc

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 N1 에서 생 긴 이온이 밸트표면에 부착하여 운반되고 , 상부전극의 전압이 낮을때에는 내부의 침갭 로 집전 ,벨트차 B2 의 전위를 상부전극보다 높게 하면 N4 에서 부극성 코로나가 발생하여부전하가 하강벨트에 부착되므로 충전전류는 2 배로 된다 .- 소전류 고전압인 것이 특징 , 수MV~최고 20MV 까지 제작 , 고에너지 물리 , 전자현미경 , x선조사장치의 전원

사용

C2

)qst(W,qstQ,

C

QV

VdtqsFsdtW,qVqEdxF

2

L

0

T

0

T

0

정전발전기 Van de Graaff 발전기

뇌임펄스전압의 발생 1- 콘덴서에 충전된 전하를 방전갭으로 적당한 회로에 방전시켜 얻음- 콘덴서 C 의 충전전하를 갭 G 를 통하여 Rs,Ro,Co 에 방전시키는 RC 회로 널리 사용 .-LRC 회로의 경우 (Rs+Ro)>2 L/C 인 비진동조건에서 단일 임펄스 파형이 발생

121

21

2

/),)((

)}/exp()/{exp())((

0,4}){(

)2/(),2/(}))({(

)2/()}],(exp{})([exp{

RsRoCCoCoCRoRs

ttCoCRoRs

RoCVv

B단RsRoCCoRsCoRoRsB

RsRoCCoBRsRoCCoRsCoCoCRoRs

RsCoVAtAv

T1: 피두장 ,T2 파미장

T1<<T2, RoC>>RsCo 이기 때문에

뇌임펄스전압의 발생 2- 파두장의 조정은 주로 Rs 와 Co 로 파미장의 조정은 Ro 로 한다 .- 이용율 =v의 파고치 vm과 충전전압 V 의 비 . Rs/Ro,Co/C 가 적을수록 크다 ,약90%( 그림 )

- 뇌임펄스발생기는 수백 ~ 수천 kV 의 높은 전압을 발생시키기위하여 충전된 여러 개의 콘덴서를 순시적으로 직렬로 접속하여 고전압을 가산하는 다단방식이 사용- 불꽃연락 : 직렬접속방법으로 갭의 불꽃방전을 사용함-Marx회로 : 발생기가 동작할 때 각 단의 충전저항과 콘덴서는각 단의 전압에 견디게 되므로 제작이 용이 . 직렬충전방식-병렬충전방식 , 직렬충전방식 , 직병렬충전방식- 충전전원 : 전압 50~200kV, 전류 10~100mA,각 콘덴서 :0.1~2.0uF, 정격전압 50~200kV 정도- 충격전압 발생기의 시동은 최하단의 방전간극 Gs 를 방전시키면 그 상단의 간극 G 가 순차적으로 방전하여 Ro 의 양단에 높은 충격전압이 발생

뇌임펄스전압의 발생 3-트리거 갭 Gs 는

- 고전압 임펄스 발생기의 시일드

트리거펄스

절연물

3 점갭 유공구갭 전계 왜곡형갭( 구명이 뚫린 원반형 트리거 전극 )

원환 시일드전압90%100%90%임펄스발생기

가장 높은 부분의 시일드의 발생전압을 최고전압(출력전압 ) 보다 낮게 하여 상부의 전계완화를 도모하는 방법도 채용

개폐임펄스전압의 발생- 전자의 방법은 뇌임펄스전압의 발생과 본질적으로 같으나 파두장 , 파미장이 길기 때문에 콘덴서용량 , 저항등이 이에 상응하여 커져야만 된다 .

- 시험용변압기를 사용하는 경우는 1 차측에 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 1 차권선에 방전시킨다 .

교류계통

- 교류대전류는 전력계통 ( 초고압계통을 이용하는 경우가 많다 ) 으로부터 직접 얻음

- 부하의 임피던스가 적기 때문에 변압기를 사용하여 전압을 저감시켜 대전류를 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 .

단락발생기 1- 기계적으로 축적된 회전에너지를 순간적으로 커다란 전기적 에너지로 변환시키는 장치- 전기자권선이 전기적으로 120 도 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

단락발생기 2- 전기자권선에 직렬로 투입기가 접속되어 있으며 , 소정의 전압위상에 단락이 발생하도록 되어 있다 . 단락발전기의 발생기전력은 모극의 자속수 ∅ [Wb]( 계자권선에 흐르는

직류전류에 의하여 변화한다 ) 와 주파수 f 로 결정된다 . 주파수 fsms 발전기의 극수 P와

회전자의 매초당의 회전수 n으로 나타내어진다 .1쌍의 N,S극이 각전기자권선을 통과하면

1주파의 기전력이 발생하므로 f=(P*n)/2 [Hz]N 회의 권선의 단락발전기의기전력은-3 상단락시 각상에 흐르는 전류는 단락이 발생한 때의 위상에 따라 다르며 과도 리액턴 스에 의하 결정된다 .

][2sin2 VNftfE

단락개시 ( 초기과도기간 ):단락직후 (~100ms, 과도기간 )정상단락전류 (~s)Va: 유기전압의 실효치Xd``: 직류초기과도리액턴스Xd`: 직류과도리액턴스Xd: 직유동기리액턴스

XdVaia

XdVaia

XdVaia

/

`/

``/

플라이휠 발전기- 단락발전기로부터 큰 단락용량을 얻도록 하려면 기계에너지가 부족하여 회전이 늦어지고 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 휠차식발전기의 예-215MVA,18kV,600~420rpm,80~56Hz,16000tm^2)

직류대전류의 발생1. 정류기 : 고내전압 대전류인 si 정류소자를 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 정류자와부러쉬를 통하여 정류하므로써 직류전류 얻음- 단극발전기 : 자계중에서 원판형 또는 원통형 도체를고속으로 회전시켜 순직류를 발생

콘덴서 (capacitor)-캐패시터 : 스위치나 기동갭등을 손쉽게 제작 가능 , 범용의 대전류장치로 많이 이용-C0 에 에너지를 축적시키고 swith or trigger gap 등을 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-C 의 에너지를 부하 inductance에 방출하고 inductance의 전류가 최대로 된때 ,즉 Capacitor의 에너지가 거의 방출될 때 crowbar switch를 동작시켜 부하 coil의 양단 에 접속된 gap 을 단락한다 . 전류파형은 inductance와 저항의 의해 정해지는

시정수 에 의해 결정

선로펄스발생기 1- 라인펄스 : 충전된 선로의 방전파형이 사용되며 , 그 회로 .( 직각파 발생 )- 집중정수인 L 을 직렬로 C 를 병렬로 여러 개 접속한 회로를 직각파 전류의 발생

-L 와 C 가 일정하며 손실이 없는 선로이면 파형의 감쇠나 왜곡이 없는 펄스 발생

- 이 선로를 전압 V 로 충전시킨 후 스위치 S 를 닫으면 등가 회로로 나타내며 ,부하저항

R 에 발생되는 전압은

( 선로의 특성 임피던스 )

주로 깨끗한 물 (=80) 사용 : 물의 도전성 때문에 선로자체를 펄스적으로 충전시킬 필요가 있기 때문

선로펄스발생기 2- 펄스성형회로의 예 :Marx회로의 출력은 펄스선형선로를 충전시킨 후 전송선로 및 부하에 인가됨 . 펄스폭은 펄스성형선로의 길이로 결정

-브룸라인 회로의 예선로펄스 발생기로서 2 중원통이나 평행평판구조로 중간의 전극을 충전시킨고 b전극을 전압 V 로 충전하여 주스위치 S 를 닫으면 t=0 에서 S 에 V 에 직각파를 인가한 것과 같다 e=2RV/(Zab+Zbc+R)동축선로에 비해 2 배의 전압 발생펄스폭은 2T로 동일 , 발생파형은 S 의 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-Ls 는 에너지를 저장하는 인덕턴스이며 , 직류 전원으로 필요한 전류까지 천천히 에너지를 저 장한다 . 스위치를 A 에서 B로 절환시키면 흐르고 있던 전류는 부하 LL 로 전류된다 . - 가포화 리액터 : 포화되면 인덕턴스가 급격히 작아진다 . 스취치를 투입하면 C1 에 에너지가 축적되고 , 그것이 파고치에 도달된 시점에 L1 이 포화되면 C1 의 에너지는 급속히 C2 로 전이된다 . 따라서 L1>L2>L3 로 하면 펄스가 순차적으로 압축되어 펄스 속도를 높일수 있다