A Study on the Insulation Diagnosis of Vacuum Interrupter by the analysis of Partial Discharge

Personal injuries and property damages are significantly being increased due to electrical accidents related to vacuum circuit breakers (VCB) in switchgear. Therefore, researches on a diagnostic technique for vacuum interrupters (VI) which is a core part of the VCB and quenching an arc generated during opening and closing has been actively conducted both domestic and abroad. In order to the insulation performance of the VI in the open state, partial discharge (PD) signals of each defect according to the applied voltage were measured using the KS C IEC 60270 method. The main defects that weaken the dielectric strength of the VI were classified into three types: leakage of vacuum, incomplete opening of the contact, and damage to the contact surface. The measurement system consists of a maximum voltage 50 ㎸ mold transformer, a 10,000: 1 voltage divider, an oscilloscope, and an MPD 600. A VI for the rated voltage 25.8 ㎸ and an electrode system made of internal contacts from the same VI were used in th experiment. A 50Ω non-inductive resistance (Oscilloscope) and an 1㎋ coupling capacitor (MPD 600) were used to detect PD signal. The phase-resolved partial discharge (PRPD) method was used to analyze the PD characteristics such as discharge inception voltage (DIV), apparent discharge (), the number of pulses (), phase distribution (), and polarity ratio. Based on the PD characteristics of the open stated normal VI, the changes of the PD characteristics for each defect were analyzed and the effects of each defect on the deterioration of dielectric strength were derived. Through the diagnostic methods and techniques proposed in this paper, it is possible to diagnose insulation of the VI in an open state in operation. Accordingly, it is expected that the safety of the VCB, which is most often used in the switchgear of high-voltage customers, can be secured to improve the reliability of power facilities.수배전반 내 진공 차단기와 관련된 사고 증가로 인명피해와 재산피해가 늘어나고 있다. 이에 진공 차단기의 핵심 부품으로써 개폐 시 발생되는 아크를 소호하는 진공 인터럽터에 대한 진단기술(Diagnostic technique) 연구가 국·내외에서 활발히 진행되고 있다. 진공 인터럽터의 개방 상태에서 절연성능 건전여부를 진단하기 위해 KS C IEC 60270 부분방전 검출법을 이용하여 인가전압에 따른 결함 별 부분방전을 측정하였다. 진공 인터럽터의 절연내력을 약화시키는 주요 결함을 진공누설 및 접점의 불완전한 개방, 접점표면의 손상의 3가지로 분류하였다. 측정 시스템은 최대 출력전압 50㎸ 몰드 변압기, 10,000:1 분압기, 오실로스코프 및 MPD 600 등으로 구성하였다. 실험에는 정격전압 25.8㎸ 진공 인터럽터와 동일 제품의 내부 접점으로 제작한 전극계를 사용하였다. 부분방전 검출에는 50Ω 비유도성저항(Oscilloscope)과 1㎋ 커플링 커패시터(MPD 600)를 사용하였다. 방전개시전압(DIV), 방전전하량(), 펄스개수(), 위상분포() 및 극성비와 같은 부분방전 특성을 PRPD(Phase-resolved partial discharge) 법으로 분석하였다. 정상 진공 인터럽터에서 검출되는 신호를 기준으로, 결함 별 부분방전 검출특성 변화를 분석하여 각 결함의 절연성능 영향 정도를 도출하였다. 본 논문에서 제안된 진단 방법 및 기술을 통해 운용 중인 개방 상태의 진공 인터럽터의 절연 진단이 가능하다. 이를 통해 고압 수용가의 수배전반에 가장 많이 사용되는 진공 차단기의 안전성을 확보하여 전력 설비의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.제 1 장 서 론 1 제 2 장 이 론 4 2.1 수배전반 4 2.2 부분방전 11 제 3 장 실험 및 방법 18 3.1 실험계 18 3.2 부분방전 측정 23 제 4 장 결과 및 분석 25 4.1 정상 상태 25 4.2 결함별 특성 29 4.3 결과 고찰 50 제 5 장 결 론 55 참 고 문 헌 57Maste

Charge Transport Propeties of Nano-Structured Ceria Based Materials

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2012. 8. 류한일.세리아계 재료는 희토류 산화물 중 가장 매장량이 많고 촉매재료에서부터 전해질, 전극, 센서등 다양한 응용분야에서 우수한 성능을 보이며 다양한 분야에서 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 최근 들어 응용 소자 분야의 소형화와 성능개선을 위해 나노크기 혹은 나노 구조 세리아의 특성에 관한 연구의 필요성이 요구되고 있으며 실제로 나노 세리아 물질에 대한 많은 연구들이 많이 보고되고 있고 나노 효과를 통하여 기존의 세리아의 특성의 한계를 넘고자 하는 노력도 이뤄지고 있다. 그동안 세리아계 재료에서의 나노효과는 공간전하층 효과에 집중되어 보고되어 왔으며 다양한 원인에 대한 체계적 접근이 부족한 실정이었다. 본 연구에서는 세리아계의 나노 크기효과에 영향을 주는 주요한 원인으로 알려진 결정립계, 격자 변형, 공간전하층효과를 체계적으로 분리하여 각각의 원인들이 독립적으로 나노구조 세리아에 어떠한 영향을 주는지에 관하여 연구하였다. 고순도 나노분말로부터 나노결정립 바대 시편을 제조하여 결정립계의 효과를 관찰한 결과를 바탕으로 이온전도도의 경우 결정립크기가 5마이크론에서 50nm로 감소할 때 이온전도도는 500℃에서 최대 log값으로 0.15만큼 감소하였으며 응용소자들의 사용온도인 700℃에서는 0.07차이를 보일 수 있음을 찾았으며 또한 이온차단전극을 사용하여 측정한 부분 전자 전도도 역시 결정립계의 영향이 심각하지 않은 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 많은 경우의 세라믹 재료에서 결정립계가 심각한 저항요인으로 작용하는 것과 달리 Gd 들임 세리아의 경우 결정립 증가에 따른 전기적 특성 감소가 매우 작음을 확인한 것이다. 특히 세리아의 두가지 전하 나르게에 의한 산소 이온 전도와 전자 전도도에서 각각 결정립계의 효과를 확인하였다. 다음으로 재료내의 격자 변형과 전기적 특성의 상관관계를 알고자 ab-initio법을 이용한 이방성 격자 변형 상태에서 세리아 격자내의 산소이온 이동 활성화 에너지 변화를 계산한 결과 세리아 박막이 두께 방향으로 인장 변형 상태의 경우 변형율이 5%로 증가할 때 활성화 에너지는 0.4eV∼1.4eV로 증가하였다. 이러한 결과는 실제 실험에서 (0001) 알루미나 단결정 위에 에피층으로 자란 Gd 들임 세리아 박막의 두께를 403nm∼52nm로 변화하여 박막의 평균 격자 변형율이 증가하였을 때 전기 전도도 측정을 통해 계산한 활성화 에너지 가 0.69eV에서 1.06eV로 증가한 것에 대응하는 결과이며 이를 효과적으로 설명하기 위하여 기존의 등방성 격자 변형에 대한 해석과 달리 이방성 격자 변형 상태에서 격자 변형과 활성화 에너지의 이를 설명하는 세리아 격자내의 산소이온 이동 모델을 제안하였다. 마지막으로 나노구조 세리아에서 공간전하층 효과를 확인하고 해석하기 위해 상온에서 PLD법으로 결정립 크기 7nm인 다결정 세리아 나노결정립 시편을 제조하고 전기전도도를 관찰할 결과 750℃에서 바대 시편의 전기 전도도에 비해 30배가량 증가하고 활성화 에너지는 보고된 바대 시편의 경우에 40% 수준에 불과 하였다. 전기 전도도의 산소분압 의존성으로부터 증가된 전기 전도도는 전자 전도도에 의한 것임을 알 수 있었으나 낮은 산소분압 영역에서 전기 전도도의 산소 분압 의존성은 바대의 것과 달랐다. 기존에는 이러한 현상에 관한 적절한 해석을 하지 못하였으나 본 연구에서는 Debye length의 산소 분압 의존성에 대해 착안하고 그에 따라 해석한 결과 환원에 의한 전하 농도 증가로 인해 Debye length가 감소하여 공간 전하층 효과가 사라져가는 현상임을 최초로 제안하고 문헌에 보고된 결정립계 정전퍼텐셜 값을 참고하여 계산한 결과와 실제 실험 결과를 비교하여 제안된 모델이 실제 실험의 거동을 잘 설명함을 보였다Ceria is the most abundant material among the rare-earth oxide and shows superior properties in various kinds of applications like catalyst, electrolyte, electrode and sensor. Recently for the miniaturization of device and enhanced properties investigations about nano-structured ceria has been high-lighted. Up to date nano-size effect in ceria has been so space charge layer effect oriented that systematic researches about another origins have been insufficient. Therefore in this study separated effects of grain-boundary, lattice distortion and space charge layer on the electrical properties of nano-structured ceria based materials have been investigated. Bulk nano-crystalline samples with different grain sizes were fabricated from high purity nano-sized powder and we found that while grain size changed form 5 microns to 50nm the electrical conductivity decreased as much as 0.15 in log scale at 500℃ and 0.07 at 700℃ which is typical operation temperature in the application field. Also the partial electronic conductivities measured from polarization experiment with ion-blocking electrode were not significantly changed from different grain-sizes. From these experimental results we could conclude that grain-boundary in Gd doped ceria do not exhibit as significantly resistive layer. And this is true to both of electron and ion transports. And to find the correlation between lattice distortion and electrical property in ceria based system we calculated oxygen ion migraion activation energy changes as a function of lattice strain via ab-initio calculation method. While tensile strain to increase from 0% to 5% the oxygen ion migration activation energy also incrase from 0.4eV to 1.4eV. And same tendency has been observed in experiment. We deposited epitaxial GDC film on the (0001) sapphire varying the thickness from 403nm to 52nm. Their average strain was increased as film thickness decreased and also activation energy calculated from temperature dependance of electrical conductivity increased from 0.69eV to 1.06eV. To explain this phenomena we suggested oxygen ion migration model in GDC lattice under anisotropic strain state. At the last to confirm the space charge layer effect and explore the possibility to control space charge layer related nano size effect we successfully deposited poly-crystalline ceria thin film at the room temperature via PLD　with grain size of 7nm. We found that at 750℃ the electrical conductivity of nano-crystalline ceria thin-film was 20 times higher than that of bulk ceria and the activation energy was only 40% of reported value of bulk ceria, which is in good agreement with reported space charge layer effect. Furthermore, after post-annealing at 1273K grain size of thin-film increased to 400nm, electrical conductivity and activation energy values has been changed to similar values of bulk which reveals that the unique properties of nano-crystalline thin-film has resulted from grain size effect in other words, space charge layer effect. In far reduced atmosphere the electrical conductivity of thin film and bulk became similar due to the unprecedented oxygen partial pressure dependence of nano-crystalline thin-film. Those phenomena can be theoretically predicted from the calculation based on SCL model by the oxygen partial pressure dependence of space charge layer (SCL) thickness. From all these theoretical and experimental results, we can conclude that SCL related nano-size effect in ceria can be reasonably tunable with the alteration of oxygen partial pressure.목 차 초 록 ⅰ 목 차 ⅲ List of Figures ⅵ List of Tables ⅹⅲ 1. 서 론 1 1.1. 연구의 목적 및 배경 1 2. 문헌연구 5 2.1. 세리아의 일반적 특성 5 2.1.1. 세리아의 전기적 특성 10 2.1.2. 세리아의 결함구조 12 2.2. 다양한 세라믹재료에서의 나노 크기 효과 15 2.3. 나노결정립 물질에서의 입계의 역할 25 2.4. 격자변형과 재료의 전기적 물성의 상관관계 31 2.5. 세리아계 나노구조 재료에서 공간전하층 효과 38 3. 이론적 배경 45 3.1. 교류 임피던스 분광법 45 3.2. 이온 차단전극을 이용한 Hebb-Wagner 분극법 54 3.3. 격자변형과 전기적 물성에 관한 열역학적 해석 62 3.4. PLD(Pulsed Laser Depostion)를 이용한 박막 증착 원리 65 3.5. 공간전하층의 생성 원인에 관한 고찰 70 3.6. 공간전하층에서 세리아계 물질의 전기 전도도 87 4 . 실험방법 96 4.1 바대 나노 결정립 시편의 제조 96 4.2. 교류 임피던스 분광법을 이용한 전체 전기전도도 측정 102 4.3 Hebb-Wagner 분극법을 이용한 부분전자 전도도 측정 106 4.4. PLD를 이용한 GDC 박막 제조 109 4.5. GDC 박막의 전기전도도 측정 111 4.6. Ab-initio법을 이용한 격자변형과 전기적 특성 변화 계산 113 4.7. 나노결정립 세리아계 박막의 제조 116 4.8 세리아계 나노 구조 박막의 전기적 특성분석 118 4.8.1 기체 혼합을 통한 산소 분압 조절 118 5. 실험결과 122 5.1. 바대 나노결정립 GDC의 전기적 특성 분석 122 5.2. Hebb-Wagner 분극법을 이용한 부분전자 전도도 측정 136 5.2. 나노크기 박막의 전기적 물성 평가에 관한 고찰 143 5.2.1. 박막 전기 전도도 측정에서 발생하는 오류 143 5.2.2. 박막 전기전도도 측정에서 외부효과의 예시 149 5.2.3. 박막 전기전도도 측정에서 외부효과 영향의 확인 165 5.3 나노크기 GDC 박막에서의 격자변형 효과 169 5.3.1. GDC 박막의 미세구조 분석 169 5.3.2. GDC 박막의 전기전도도 175 5.3.3. Ab-initio 계산 결과와 산소이온 이동 모델 185 5.4. 나노결정립 세리아 박막에서의 공간전하층 효과 192 5.4.1 세리아계 나노결정립 박막의 구조 분석 192 5.4.2 나노결정립 세리아 박막의 전기적 특성 198 5.4.3 산소분압 변화에 따른 나노구조 박막의 전기전도도 변화에 대한 고찰 203 6. 결론 및 요약 209 7. 참고문헌 212Docto

양재천 자연형하천 복원 계획

학위논문(석사)--서울대학교 환경대학원 :환경조경학과,1998.Maste