[논문 리뷰] Method of Controlling Corona Effects and Breakdown Voltage of Small Air Gaps Stressed by Impulse Voltages

Αθανάσιος Μαγλάρας, Triphon G. Kousiouris외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 15.

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 충격 전압을 받는 작은 공기 간극의 코로나 효과와 부하전압을 제어하기 위해 귀환 회로에 직렬 저항을 삽입하는 새로운 방법을 제안한다. 저항은 충전 시간을 연장하고 피크 전압을 감소시켜 국소 방전을 크게 억제하고 절연 조정을 향상시키며, 실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 다양한 간극 기하학적 형상, 극성 및 앵커링 구성에서 이 방법이 검증되었다.

ABSTRACT

This paper investigates the influence of a resistor on the dielectric behavior of an air gap. The resistor is connected in series with the air gap and the latter is stressed by impulse voltage. Air gap arrangements of different geometry with either the rod or the plate grounded are stressed with impulse voltages of both positive and negative polarity. The resistor is connected in series with the air gap in the return circuit connecting the gap with the impulse generator. The method followed involves the investigation of the graphs of the charging time concerning the air gaps capacitances, in connection to the value of the resistor, the geometry of the gap, the effect of grounding and the polarity effect. It is determined that the charging time of the air gap increases, as the value of the resistor increases. It is also determined that the peak voltage value of the fully charged air gap decreases as the value of the resistor increases. The results of the mathematical and simulation analysis are compared with the results of the oscillograms taken from experimental work. In addition and consequently to the above results it is concluded from the experimental work that the in series connection of the resistor in the circuit has significant influence on corona pulses (partial discharges) occurring in the gap and on the breakdown voltage of the gap. A new method of controlling the corona effects and consequently the breakdown voltage of small air gaps stressed by impulse voltage of short duration in connection to the ground effect and the polarity effect has arisen. Furthermore through mathematical analysis of the charging graphs obtained from simulation and experimental oscillograms there was a calculation of the values of the capacitance of the air gaps in relation to their geometry and the results were compared to the values calculated with mathematical analysis.

연구 동기 및 목표

• 충격 전압 하에서 작은 공기 간극의 유전체 거동에 대한 직렬 저항의 영향을 조사하기 위해.
• 저항 값, 간극 기하학적 형상, 극성 및 앵커링이 충전 시간과 피크 전압에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 충격 전압 하에서 공기 간극의 코로나 펄스와 부하전압을 제어하는 방법을 개발하기 위해.
• 시뮬레이션, 실험 오실로그램 및 커패시턴스의 수학적 모델링을 비교하여 제안된 방법을 검증하기 위해.
• 이론적 및 실험적 자료를 사용하여 공기 간극 기하학적 형상과 커패시턴스 간의 관계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 충격 전압 발생기와 공기 간극 사이의 귀환 경로에 직렬 저항을 연결하여 충전 동역학을 제어한다.
• 기하학적 형상이 다른 봉-판 및 봉-봉 공기 간극에 양극성 및 음극성 충격 전압을 적용한다.
• 실험 중 확득한 오실로그램에서 충전 시간과 피크 전압을 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교한다.
• RC 시간 상수를 기반으로 한 수학적 분석을 사용하여 충전 곡선에서 간극의 커패시턴스를 계산한다.
• 기하학적 매개변수에서 유도된 이론적 커패시턴스 값을 실험적 및 시뮬레이션 결과와 비교한다.
• 앵커링 구성 및 극성이 코로나 발생 및 부하에 미치는 영향을 체계적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직렬 저항 값이 충격 전압 하에서 작은 공기 간극의 충전 시간에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 저항이 충격 응력 중 공기 간극이 도달하는 피크 전압에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 저항은 간극 내에서 코로나 펄스(국소 방전)의 발생 및 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 간극 기하학적 형상, 극성 및 앵커링 구성이 저항과 함께 부하전압에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 시뮬레이션 및 실험적 충전 곡선이 이론적 커패시턴스 계산과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 직렬 저항 값이 증가할수록 공기 간극의 충전 시간이 연장되며, 직접 비례 관계가 관찰되었다.
• 높은 저항 값은 간극이 도달하는 피크 전압을 감소시켜 응력 수준을 낮춘다.
• 저항은 코로나 펄스와 국소 방전을 크게 억제하여 절연 조정을 향상시킨다.
• 저항 값이 클수록 전압 응력 감소와 함께 전압 상승 지연로 인해 부하전압이 증가한다.
• 오실로그램에서 측정한 커패시턴스 값이 간극 기하학적 형상과 RC 시간 상수를 기반으로 한 이론적 계산과 밀접하게 일치한다.
• 이 방법은 다양한 극성, 앵커링 유형 및 간극 구성에서 코로나 효과와 부하전압을 효과적으로 제어한다.