[논문]IEEE Std 693-1997을 적용한 전력용 변압기 내진 해석

양재철; 노효철; 김호영; 박균수

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Because of increasing demand for safety of the power transformer, the seismic qualification process in accordance with the standard of IEEE Std 693-1997 is essentially required by customer. Dynamic analysis method and static analysis method were used to qualify the seismic withstanding of the power ...

Because of increasing demand for safety of the power transformer, the seismic qualification process in accordance with the standard of IEEE Std 693-1997 is essentially required by customer. Dynamic analysis method and static analysis method were used to qualify the seismic withstanding of the power transformer at high seismic level. Maximum stress was detected at the connection between the main structure and appendages, and maximum displacement was detected at the point of appendage's end tip. Load path and substructure system can be considered as important elements to prevent over stress and over displacement.

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문제 정의

이에 본 논문에서는 IEEE Std 693-1997에 의한 해석적용 조건 및 방법을 서술하고, 이를 적용하여 상용 FEM Code인 ANSYS를 이용한 변압기의 내진해석에 대해 연구하였다[5]. 또한, 해석진행 과정과 결과에서 규격이 가지는 특징을 검토하였다.

제안 방법

IEEE Std 693T997에 의해 상기 하중조건으로 정적해석 및 동적해석을 각각 진행시켰으며, 최대 발생 변위 및 응력을 산출하였다.
동적해석은 하중에 영향을 주는 실질 질량의 90% 이상이 유한요소 모델에 반영되어야 하므로, 부속 구조물을 포함한 전체적인 변압기의 모델링이 이루어졌다.[10]
또한, 해석진행 과정과 결과에서 규격이 가지는 특징을 검토하였다.
일차적으로 표 5와 같이 한글(Modal Analysis) 통해 33Hz 이하 범위의 고유 진동수를 산출하였오며, 응답 스펙트럼을 적용하여, 그림 6 및 그림 7과 같이 최종 응력 및 변위 분포를 계산하였다.
정적 해석은 기 제작돤 변압기를 모텔로 하여 상용 FEM Code를 사용하여 잔행하였으며, 구체적인 사양 및 내진해석 조건은 아래와 같다.
제품의 전압이 115kV가 넘으므로 정적 해석을 통하여 내진 해석이 이루어져야 하나, 이해를 위하여 동적해석이 진행되었다. 동적해석은 하중에 영향을 주는 실질 질량의 90% 이상이 유한요소 모델에 반영되어야 하므로, 부속 구조물을 포함한 전체적인 변압기의 모델링이 이루어졌다.
해석은 구조물의 종류에 따라 인가하는 가속도가 다르므로, 외함 (Main assembly part) 과 부속 구조물 (Appendages ; Conservator assembly, Radiator assembly, Bushing assembly)로 나누어 진행하였다.

이론/모형

동적 해석은 기 제작된 변압기를 모델로 하여 상용 FEM Code 를 사용하여 해석하였으며, 구체적인 사양 및 내진해석 조건은 아래와 같다.
본 연구에서는 변압기 내진 해석을 위하여 IEEE Std 693-1997의 내진 보증 방법 중 정적 해석 보증법(Static analysis qualification method) 및 동적 해석 보증법 (Dynamic analysis qualification method)을 이용하였다. 변압기의 내진 해석을 통해 내진 적용 설계시 다음 사항이 고려되어야 함을 알 수이다.
우선, 바람에 의하여 발생한 하중을 내진 해석시 정상 운전 상태의 하중 조건 중 하나로 고려하여야 하며, 사용자 요구 건축 법규(Building Code)를 사용하거나, 구체적인 요구법규(Code)가 없을 경우 ASCE7-95를 이용하여 바람을 계산하고, 이를 해석시 하중으로 적용한다. 미국 동부 지역의 경우 지진대와 벗어나 있으므로 지진의 영향은 적은 반면, 허리케인 영향 지역이어서 바람의 영향이 상대적으로 크므로, 중요한 하중으로 취급된다.

성능/효과

1. 내진 조건 적용시 가장 많은 응력이 발생하는 부위는 주 구조물에서 부속 구조물로 연결되는 부분이다.
2. 하중이 전달되는 연결 구조일 경우, 상대적으로 허용응력을 작게 선정하므로, 강도 면에서 적절한 연결 구조의 설계 반영이 중요하다.
셋째, 비에 의한 하중으로 변압기 상부에 빗물이 고이지 않는 구조일 경우는 무관하나, 그렇지 않은 경우에는 비에 의한 하중도 고려하여야 한다.

후속연구

3. 최대 변형 량은 주로 부속 구조물의 끝단에서 발생하므로 가로 및 세로 축 방향으로 변위를 구속할 수 있는 장치가 마련되어야 한다.

참고문헌 (10)

IEEE Std 693-1997 'IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substation' Annex D 'Transformers and liquid-filled reactors' IEEE Power engineering society. pp. 58-62, 1998
IEEE C57.114-1990 'IEEE Seismic Guide for Power Transformer and Reactors' IEEE Power engineering society
ANSI/IEEE Std 344-1987 'IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations' IEEE Power engineering society
ANSI/ASCE 7-95 'Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures' American Society of Civil Engineers. 1996
ANSYS Release 6.0 ; FEM Solution Program that was used for seismic analysis of transformer. ANSYS, Inc. 2001
'내진 설계 성능기준' 'Chap 1.2 내진 성능 수준' KEERC 지진공학 연구센터. 1997
IEEE Std 693-1997 'IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substation' 'Chap.7 Qualification Method: An overview' IEEE Power engineering society. pp. 21-24, 1998
IEEE Std 693-1997 'IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substation' 'Chap.6 Conductor induced loading' IEEE Power engineering society. pp. 18-20, 1998
'Manual of Steel Construction' 8th edition. 1980. 'Specification for the Design, Fabrication and Erection of Structural Steel for Buildings' American Institute of Steel Construction, Inc. 1978
IEEE Std 693-1997 'IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substation' Annex A 'Standard clauses' IEEE Power engineering society. pp. 36-50, 1998

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