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< 논문 or 기술논문 >

스프링조작기를 가진 초고압 개폐장치의 동적 해석 및 검증

김승오† · 임동수* · 한동영* · 최원호*

Dynamic Analysis and Validation of High Voltage Switchgear with Spring Operating Mechanism

Seung O Kim, Dong Soo Lim, Dong Young Han and Won Ho Choi

Key Words : GIS(Gas Insulated Switchgear 가스주입 개폐장치), Spring Operating Mechanism(SOM 스프링조작기), High Speed Camera(초고속 카메라),

Abstract

Spring Operating Mechanism(SOM) is a dynamic system for opening and closing of high voltage switchgear such as GIS, GCB. Also for correct characteristic of opening and closing, SOM consists of many links, joints and chain, cam, so variety of dynamic characteristics is occurred, especially huge contact forces between with CAM and ROLLER, LINK and STOPPER. Analysis and test technique is required to predict, estimate and validate forces acting to parts in the level of developing and designing because of those failure by contact forces. In this paper, multi-body dynamic analysis is conducted for 145kV high voltage switchgear with SOM using ADAMS. And the reliability of analysis is validated through the comparison with test data of opening and closing.

기호설명

Fp, Pp, Ap : Puffer 반력, Puffer 실린더 내부압력·면적 σh, Eh, εh : Damper 힌지 응력, 탄성계수, 스트레인 Fd, Ah : Damper 반력, Damper 힌지 단면적

1. 서 론

1.1 연구 배경 근래 전력사용의 증가로 인하여 기존 송전계통의 증설, 전력기기의 복합화 및 대용량화가 요구되는 실정이다. 전력기기의 복합화, 대용량화, 기종의 다양화에 대한 고객의 요구와 보다 신뢰성 있는 GIS(Gas Insulated Switchgear)에 대한 고객의 기대에

즉각적으로 대응하고자 구조해석 등의 Computer Simulation 의 활용도가 증가하고 있다. 현재 효성 중공업 PG 에서 생산하고 있는 스프링조작기를 가진 초고압 GIS 차단기의 경우 조작력에 대한 구동 Link 들의 조인트 등에 작용하는 하중 이력 파악

이 어려워 동적하중을 고려한 정확한 강도평가가 어렵다. GIS 차단기는 수십 톤에 이르는 조작하중

을 받으면서 수십 ms(Millie Second) 내에서 고속 동작하며, 차단과 투입 동작을 위하여 반복적으로 작동하므로 구동 Lever 의 피로수명 검토가 필수

적이다. 따라서 정확한 하중이력 산출을 위하여 우선적으로 동역학해석 결과의 검증이 필요하다.

1.2 연구 목표 본 논문에서는 초고압 GIS 차단기 시스템에 대해 ADAMS 를 이용하여 다물체 동역학 해석을 수행하게 된다. 그리고 스트로크 센서, Strain gage, 압력센서 등의 센서 측정 시험과 초고속카메라 시험

을 통해 측정된 데이터와의 해석 결과의 비교를 통해 동적 해석 결과에 대한 신뢰성을 검증한다.

† 책임저자, ㈜효성 중공업연구소 E-mail : mechart@hyosung.com TEL : (055)268-9864 FAX : (055)268-9926

* ㈜효성 중공업연구소

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2. GIS 차단기의 시스템 동적 해석

2.1 해석 모델의 구성

2.1.1 구성 모듈 초고압 GIS 차단기는 Fig.1 과 같이 차단부, 구동

Link 계, 스프링조작기의 3 부분으로 구성된다. 차단부란 고정자와 가동자로 구성되며 이곳에서 통전 및 차단이 되도록 한다. 구동 Link 계는 조작

기의 힘이 전달되어 차단이 가능하도록 스프링조

작기와 가동자를 연결하는 링크들이다. 스프링조

작기는 차단부 개폐 동작의 구동력을 금속 스프링

의 축적된 에너지를 이용하는 방식으로, 스프링과 연결된 다양한 조인트와 링크, 체인으로 구동 에너지를 전달하는 다물체 시스템이다.

2.1.2 개폐 동작원리 동작은 초기상태, Open 동작, Close 동작 세 가지로

구분된다. 모든 스프링이 팽창되어 있는 상태에서 구동 모터에 의해 기어를 회전시켜 Close 스프링

을 압축시킨 후 Close 동작을 지시하여 Open 스프

링을 압축시킨다. 다시 같은 방법으로 Close 스프

링을 압축시켜 개폐동작 초기상태를 설정한 후 통전을 시킨다. 그 후 차단 동작신호에 따라 미리 압축되어 있는 Open 스프링이 작동하면서, 차단 동작을 위한 조작력을 전달한다. 전달된 조작력은 Link, Lever 로 구성된 스프링 조작기 및 구동 Link계를 통하여 최종적으로 가동접점이 고정접점에서 이탈되어 차단동작을 완료하게 된다. 한편 차단동

작이 진행되는 동안 Dashpot 에 의해 차단속도가 감쇠되어 기계적 충격을 완화시키게 된다. 차단동

작이 일어난 후에는 미리 압축되어 있는 Close 스프링이 작동하여 가동접점부를 원위치로 복귀시킨 후 다음 동작을 대비하여 Open Spring 을 Charging시킨다.

Fig. 1 High voltage switchgear

Fig. 2 Schematic diagram of SOM

2.2 동적 해석 모델링 본 연구에서는 초고압 GIS 차단기에 대하여

Solid Edge 를 이용하여 3D CAD 모델링을 하였고 parasolid 모델로의 변환과정을 거쳐 MSC 사의 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS 에서 시스

템 동적 모델을 구성하였다. 이 때 Open, Close 동작을 할 수 있도록 초기상태에 맞도록 모델링 하였으며, Fig.2 의 스프링조작기 개략도와 같이 개폐

동작을 하는 데 필요한 구성부품만으로 간략히 모델링 하였다. 스프링조작기의 Latch 부는 모델링 하지 않고

Latch 부 마지막 Lever 만을 모델링에 포함시켜 Motion 을 부여하였다. 스프링의 양쪽지지 가이드 사이의 운동은 Inline 조인트로 구속하며, Dashpot 로드와 Dashpot 실린더 사이에는 병진운동 구속을 주었다. 그리고 3 장에서 측정한 Dashpot 반력을 Dashpot 힌지의 CM 에 적용하였다. 차단부의 고정자와 가동자 사이에 Contact 은 고려하지 않고 병진운동 구속만 부여하였다. 또한 3장에서 측정한 Puffer 반력을 Puffer 실린더의 CM에 적용하였다. 이렇게 다양한 구속조건, 힘 요소 등을 이용하여 모델링한 시스템을 Open 은 0.05s, Close 는 0.153s에 Latch Lever 에 Motion 을 부여하여 End Time 0.25s, Time Steps 250 으로 시뮬레이션 한다.

3. GIS 차단기의 특성 시험

3.1 시험 구성도 초고압 GIS 차단기의 시험장치 구성도는 Fig.3 과 같이 시험품 및 센서, 계측기로 크게 7 개의 부분

으로 나뉜다. 그리고 각종 센서를 다채널계측기에 연결 후 시간 동기화하여, 스트로크, Dashpot 반력, Puffer 압력 및 부품의 Strain 값을 동시에 측정하

였다.

SOM 구동 Link 계

차단부

3

3

Fig. 3 Schematic of high voltage switchgear test

3.2 측정 데이터의 가공

3.2.1 Puffer 반력 스프링조작기가 작동하여 개폐 동작이 발생할

때 고정자와 가동자 사이의 전기 아크를 끄기 위하여 Puffer 실린더 내부의 가스를 이용하게 된다. 따라서 이 때 Puffer 실린더 내부에 압력 변화가 발생하게 되어 차단 속도에 영향을 미치게 된다.

Fig.4 와 같이 Puffer 실린더 내부에 압력센서를 부착하여 압력을 측정한 후 식(1)에 따라 Puffer 반력을 구하게 된다.

Fp = PpAp (1)

3.2.2 Dashpot 반력 Dashpot 반력은 Fig.5 와 같이 Strain gage 를 부착

하여 측정하였다. 이 때 Dashpot 로드는 다른 부품과의 간섭이 발생하여 로드가 고정되는 Dashpot 힌지 상하에 게이지를 부착하여 스트레인을 측정

한 후 식(2), (3)에 따라 Dashpot 반력을 구하였다.

Fig. 4 Puffer reaction force measurment

Fig. 5 Dashpot reaction force measurement

σh = Ehεh (2) Fd =σhAh (3)

3.2.3 초고속카메라 측정 초고압 GIS 차단기는 개폐 동작이 수 ms 내에

완료되므로 가시적으로 거동을 확인할 수 없다. 따라서 초고속카메라를 이용하여 스프링조작기 링크와 스프링의 구동 및 탄성 거동을 촬영하고 촬영된 결과를 Tracking 기법을 이용하여 분석, 확인

하였다. 본 논문에서는 스트로크 센서가 부착된 회전 축에 연결된 링크의 회전운동을 측정하여 해석결과와 비교한다. 사용한 카메라는 Redlake 사의 MotionScope 이며 1000fps 로 촬영하였고, Tracking 프로그램은 Redlake Imaging Studio 을 이용하였다.

4. 해석결과와 시험의 비교

4.1 스트로크 속도 비교 스트로크는 개폐 동작 시 가동자의 작동 거리로

서 직접적인 측정이 불가능하여 연결 링크 중 회전 축에 부착한 Rotary 센서를 통해 측정하였다. 해석결과와 비교한 결과 Table 1, Fig.6 과 같이 일치함을 알 수 있다.

Table 1 Comparison with analysis and test

구분 해석결과 시험결과 비고

차단속도(m/s) 5.64 5.6 100%

투입속도(m/s 3.59 3.5 102%

Fig. 6 Stroke graph with analysis and test

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Fig. 7 Position for high speed camera measurement

Fig. 8 Comparison with analysis and test

4.2 스트로크 거동 비교 스프링조작기의 구동력이 구동 Link 계로 전달되

는 곳이 Fig.7 의 Lever 로 그 거동의 검증이 필요

하여 3.2.3 과 같이 초고속카메라로 측정한 후 해석결과와 비교하였다. Fig.8 은 비교 결과로 수평 운동 대비 수직 운동을 나타내며 거의 일치함을 알 수 있다..

5. 결 론

본 논문에서는 초고압 GIS 차단기에 대하여 실제 동작 메커니즘과 같이 동적 해석한 후 차단 및 투입 속도와 Lever 의 거동을 시험과 비교, 검증하

여 스프링조작기를 가진 초고압 개폐장치의 신뢰

성있는 해석 모델을 구현할 수 있었다.. 이러한 동적 해석 신뢰성 검증 과정은 향후 개

발 설계 시간 및 시험 비용의 절감 효과를 얻을 수 있고, 초고압 GIS 차단기 특히 스프링 조작기

의 구조적 건전성 향상과 신제품 개발을 위한 기술력을 확보하게 되어 경쟁력 강화에 도움을 줄 것이라 생각한다.

후 기

본 논문은 부산대학교 기계공학 연구센터와의 용역을 통해 초고속카메라 촬영 및 트랙킹 분석을 수행하였다. 이에 관계자 여러분께 감사를 드립니

다.

참고문헌

(1) S. O. Kim, H. I. Seok, D. Y. Han, D. S. Lim, and W. H. Choi, 2005, “A study on the reliability improvement of part analysis in a spring operating mechanism for 145kV GIS”, the KIEE EMECS autumn annual conference, pp.6~8

(2) MSC Software, 2005, “ADAMS(Automated Dynamic Analysis of Mechanism system) User Manual”

(3) Fraik, S. and Wittman, H., 2000, “Modeling of Impact Dynamics : A Literature Survey”, ADAMS North American User Conference

(4) National Instruments Corp., 2005, “Measuring Strain with Strain Gauges(Application Note 078)”, pp5-6

(5) C. U. Lee, 1999, “Digital Signal Process”, pp423-450