The object of this research is to suggest a new design of a high voltage circuit breaker contact in order to improve the homogeneity of contact and reduce the waste of material. This study evaluates the mechanically required performance of the new design through numerical simulation analysis, especially for the contact of a circuit breaker.
Contact is a key component of high voltage circuit breaker with an important role to protect an electric power system. It has functions of carrying or breaking an electric current depending on system condition. When two contacts are in contact with each other, contacts undergo tension or compression stress by forced displacement. The previous contact has been manufactured by bulk metal forming, manufacturing by bulk metal forming is not effective in the quality and production points of view.
In this study, the new design of contact is an arc shaped design suitable to manufacture the contact with the aid of sheet metal forming. The proposed new design of contact is evaluated by finite element analysis using ABAQUS/STANDARD and ABAQUS/EXPLICIT. First, a static numerical simulation is conducted to verify the mechanical performance of the contact such as the contact spring force and the effective stress under the static condition. Secondly, a dynamic numerical simulation is conducted to predict the effect of impact under the high speed contact condition. The plastic material properties are applied as piecewise linear data of strain-rate dependent stress-strain relation at the quasi-static and intermediate strain rates.
The result of the static simulation shows that the mechanical performance of the arc shaped contact is influenced by a bending position and the shape of a slit between adjacent two fingers. The result of the dynamic simulation shows that stress is concentrated in two regions of the arc shaped contact and stress oscillation takes place for travelling time. Based on results of the static and the dynamic analyses, the initial design proposed for the contact is revised and improved in order to satisfy the minimum requirement for the contact spring force and the acceptable yield stress. The result of this study has contributions to reduce manufacturing cost and enhance the product quality the current design of the contact. This research result would be a good reference for extended application of the sheet metal forming to manufacture other components of high voltage circuit breakers.
이 연구의 목적은 접촉자의 품질 균질성을 향상시키고 재료의 낭비를 줄이기 위한 새로운 고압 차단기 접촉자 설계를 제안하는 것이다. 또한 차단기 접촉자에 대한 전산 모사 해석을 통해 새로운 설계의 기계적인 요구 성능을 평가한다.
접촉자는 전력 계통을 보호하는 중요한 역할을 하는 고압 차단기의 핵심 구성 부품이다. 그것은 계통 상태에 따라 전류를 통전하거나 차단하는 기능을 가지고 있다. 두 접촉자가 서로 접촉할 때 접촉자는 강제 변위에 의한 인장과 압축 응력을 받으며, 이러한 부하 조건을 견디도록 설계해야 한다. 또한 제작 측면에서 기존의 접촉자는 체적 성형 방법으로 제작되어 왔으나, 품질과 생산성의 관점에서 이 방법은 효과적이지 않아 개선이 필요하다.
이 연구에서 새로운 접촉자 설계 안은 아크 형 접촉자로 이것은 박판 성형 방법으로 제작하는데 적합하다. 제안된 새로운 접촉자 설계 안은 아바쿠스(ABAQUS)를 사용하여 유한 요소 해석으로 성능을 평가한다. 첫째, 접촉 탄성력과 정적 조건하에서의 유효 응력과 같은 접촉자의 기계적 성능을 검증하기 위해 정적 전산 모사 해석을 수행한다. 둘째, 고속도 접촉 조건에서의 충격 영향을 예측하기 위해 동적 전산 모사 해석을 수행한다. 해석에 적용하기 위한 소성 물성은 준정적 및 중 변형률 속도에서의 변형률 속도에 따른 응력-변형률 관계 데이터를 적용한다.
정적 해석의 결과, 아크 형 접촉자의 기계적 성능은 굽힘의 위치와 인접한 손가락 형 구조의 슬릿(slit)의 형상에 영향을 받는다. 동적 해석의 결과, 유효 응력은 아크 형 접촉자의 두 영역에서 집중되어 나타나고, 동적 동작 진행 시간 동안 응력 진동이 발생한다. 정적 및 동적 해석의 결과에 근거하여 처음 제안한 접촉자 설계는 최소 필요 접촉 탄성력과 허용 항복 응력을 만족시키기 위해 수정되고 개선 되었다. 연구의 결과는 기존 접촉자의 제작 비용을 줄이고, 품질을 향상시키는데 기여하며, 고압 차단기의 다른 부품 요소를 제작하는데 박판 성형 방법을 적용할 수 있는 좋은 참고 연구가 될 것이다.
