Detection with a SWNT Gas Sensor and Diffusion of SF6 Decomposition Products by Corona Discharges

The detection methods are required to monitor and diagnose the abnormality on the insulation condition inside a gas-insulated switchgear (GIS). Due to a good sensitivity to the products decomposed by partial discharges (PDs) in $SF_6$ gas, the development of a SWNT gas sensor is actively in progress. However, a few numerical studies on the diffusion mechanism of the $SF_6$ decomposition products by PD have been reported. In this study, we modeled $SF_6$ decomposition process in a chamber by calculating temperature, pressure and concentration of the decomposition products by using a commercial CFD program in conjunction with experimental data. It was assumed that the mass production rate and the generation temperature of the decomposition products were $5.04{\times}10^{-10}$ [g/s] and over 773 K respectively. To calculate the concentration equation, the Schmidt number was specified to get the diffusion coefficient functioned by viscosity and density of $SF_6$ gas instead rather than setting it directly. The results showed that the drive potential is governed mainly by the gradient of the decomposition concentration. A lower concentration of the decomposition products was observed as the sensors were placed more away from the discharge region. Also, the concentration increased by increasing the discharge time. By installing multiple sensors the location of PD is expected to be identified by monitoring the response time of the sensors, and the information should be very useful for the diagnosis and maintenance of GIS.

탄소나노튜브 가스센서의 SF6 분해생성물 검출 및 확산현상에 관한 연구

가스절연개폐장치 (Gas-insulated switchgear, GIS)의 내부에는 절연에 관한 이상 여부를 감시하고 판단할 수 있는 시스템이 요구된다. 부분방전에 의해 발생되는 $SF_6$ 분해생성물에 관한 단일벽 탄소나노튜브 (Single-walled carbon nanotube, SWNT)가 지닌 우수한 검출기능 때문에 SWNT를 이용한 가스센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 아직까지 부분방전에 의해 발생된 분해생성물의 확산현상에 관한 해석적 연구는 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 실험 데이터 및 상용 CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램을 이용하여 SWNT 가스센서에 포획되는 분해생성물의 코로나 방전에 의한 발생 과정과 챔버 내부에서의 확산과정을 모델링하여 부분방전 발생 시 챔버 내부의 온도, 압력, 그리고 분해생성물의 농도 등을 수치계산하였다. 분해생성물의 시간당 질량생성율과 발생온도는 각각 $5.04{\times}10^{-10}$ [g/s]와 773 K이라 가정하였다. 농도방정식을 계산함에 있어 미지의 확산계수를 임의의 값으로 가정하여 직접 부여하는 방법을 사용하지 않고, 확산계수를 정의하는데 사용되는 Schmidt수의 값을 지정하여 확산계수가 $SF_6$ 가스의 물성치인 점성계수와 밀도의 함수로 계산되도록 하였다. 수치결과로부터 분해생성물의 농도구배가 확산을 일으키는데 주요 구동포텐셜 (Drive potential)이 됨을 확인하였다. 센서 설치위치가 부분방전 발생영역에서 멀리 떨어질수록 분해생성물 농도가 낮음을 알 수 있었고, 부분방전이 지속될수록 분해생성물의 농도가 증가함을 확인하였다. 다수의 센서를 챔버 내부에 설치하면 각 센서의 응답시간을 확인하여 PD 발생위치를 판단할 수 있을 것이고, 이를 통해 GIS 진단 및 유지보수에 관한 유용한 정보로 사용될 수 있을 것이다.