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문제 정의
- 이 연구 성과를 근간으로 2003년도에는 전력설비의 운용 주체인 한국전력공사에서 송변전설비의 내진설계를 위한 실무지침서(5)를 발간하였다. s, 최근에는 건설 당시에 내진설계가 고려되지 않고 상업 운전 중이던 송변전설비에 대한 내진 성능평가기술을 개발하기 위한 연구(1)도 수행되었다.
- 이 연구는 국내 최초로 송변전설비의 진동특성과 내진 성능을 분석하기 위하여 계획되었다. 국내의 여러 송변전설비중에서도 가장 중요도가 높고, 대표적인 설비이면서 수량이 가장 많은 설비는 154kV 변압기라 할 수 있다.
- 이 사실을감안하여 이 연구에서는 다른 전력설비보다 변압기를 우선 분석 대상으로 선정하고, 그동안 국내 변전소에 설치되어 실제 운용 중이던 154kV 변압기의 부싱을 대상으로 진동대 (shaking table)를 이용한 진동시험을 실시하였다. 이 논문은 이 연구에서 수행한 시험의 종류와 방법에 대하여 설명하고, 시험으로부터 얻어진 부싱의 주요 위치에서 계측된 가속도 응답 신호와 입력진동 신호에 대하여 논의한다. 또, 이 논문은 계측신호의 분석방법 및 분석결과를 설명한 후, 국내 변압기 부싱의 동특성과 내진성능수준을 분석한다.
가설 설정
- 자료임. ( ) 안의 수치는 스위치야드 현황임.
제안 방법
- 국내의 여러 송변전설비중에서도 가장 중요도가 높고, 대표적인 설비이면서 수량이 가장 많은 설비는 154kV 변압기라 할 수 있다. 이 사실을감안하여 이 연구에서는 다른 전력설비보다 변압기를 우선 분석 대상으로 선정하고, 그동안 국내 변전소에 설치되어 실제 운용 중이던 154kV 변압기의 부싱을 대상으로 진동대 (shaking table)를 이용한 진동시험을 실시하였다. 이 논문은 이 연구에서 수행한 시험의 종류와 방법에 대하여 설명하고, 시험으로부터 얻어진 부싱의 주요 위치에서 계측된 가속도 응답 신호와 입력진동 신호에 대하여 논의한다.
- 이 논문은 이 연구에서 수행한 시험의 종류와 방법에 대하여 설명하고, 시험으로부터 얻어진 부싱의 주요 위치에서 계측된 가속도 응답 신호와 입력진동 신호에 대하여 논의한다. 또, 이 논문은 계측신호의 분석방법 및 분석결과를 설명한 후, 국내 변압기 부싱의 동특성과 내진성능수준을 분석한다.
- 이 진동대의 최대 변위와 속도는 각각 100mm 와 50cm/sec이며, 가진 진동수 성능은 약 50Hz이다. 진동시험을 위하여 부싱은 강재 고정구에 실제와 동일한 볼트로 고정하였고, 강재 고정구는 다시 진동대에 16개의 M25 고장력 볼트로 고정하였다. 강재 고정구는 고유진동수가 50Hz이상이 되도록 부재 치수와 두께를 설계하고, 시험 전에 예비시험을 통하여 고정구 자체의 동적 증폭이 없음을 확인하였다.
- 이 연구에서 계측한 부싱의 진동응답은 가속도 신호로서 부싱의 상단, 중단 및 하단에서 계측하였다. 그리고 강재 고정구의 하단에도 가속도계를 설치하고, 실제 부싱에 입력되는 진동운동을 기록하였다.
- 상단, 중단 및 하단에서 계측하였다. 그리고 강재 고정구의 하단에도 가속도계를 설치하고, 실제 부싱에 입력되는 진동운동을 기록하였다. 시험체에 부착한 가속도계의 위치와 강재 고정구의 치수는 그림 5에서 확인할 수 있다.
- 1g인 정현소인파(sine sweep wave)를 입력운동으로 사용하였다. 이어진 내진 성능시험에서는 국내의 변압기 부싱이 국내 내진설계기준에서 요구하는 내진성능을 보유하고 있는 지의 여부를 판별하기 위한 시험으로서 설계응답스펙트럼의 5% 감쇠곡선에 부합하는 인공지진을 생성한 후, 이를 진동대운동으로 사용하였다. 그리고 파괴한도시험은 시편의 고유진동수와 동일한 진동수의 정 현파를 연속적으로 반복하는 연속공진정 현파(continuous resonant sine wave)를 입력운동으로 사용하였다.
- 이어진 내진 성능시험에서는 국내의 변압기 부싱이 국내 내진설계기준에서 요구하는 내진성능을 보유하고 있는 지의 여부를 판별하기 위한 시험으로서 설계응답스펙트럼의 5% 감쇠곡선에 부합하는 인공지진을 생성한 후, 이를 진동대운동으로 사용하였다. 그리고 파괴한도시험은 시편의 고유진동수와 동일한 진동수의 정 현파를 연속적으로 반복하는 연속공진정 현파(continuous resonant sine wave)를 입력운동으로 사용하였다.
- 0g로 정규화된 인공지진의 가속도 시간이력과 그의 응답스펙트럼 형태로서 내진성능시험의 진동대 운동이다. 파괴한도시험에 사용된 연속공진정현파의 가진진동수는 앞선 동특성 분석시험에서 분석된 결과를 바탕으로 부싱의 고유진동수와 일치하는 21.8Hz로 정하였으며, 진폭은 최초 0.2g에서부터 1.0g까지 0.2g씩 단계별로 증가시켰다. 그림 8은 파괴한도시험에 사용된 연속공진정현파의 시간이력 형태와 그의 진동수함수로서 대표적으로 0.
- 그리고 부싱 재료의 역학적 특성상 수직 방향으로는 매우 큰 진동성능을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이 연구에서는 부싱의 수평방향 거동 분석에 중점을 두고, 부싱의 최상단과 중간 높이의 수평 응답의 가속도신호와 진동 대 운동의 가속도신호를 분석하였다.
- 또, 계측신호로부터 구조물의 동특성을 추출하기 위해서 가장 일반적으로 적용하는 방법은 진동수응답함수(frequency response function)를 분석하는 방법이다. 이 연구에서는 부싱의 진동응답을 추출하기 위해서 그림 9에 보인 과정을 거쳐 계측신호의 진동수 응답 함수를 분석하였다.
- 연결된 모습이다. 시험 여건의 제약으로 인하여, 이 연구에서는 실제와 동일한 규격과 길이 및 연결방식을 대신하여 단지 현장과 동일한 규격의 전선으로 시험 대상 부싱의 상단과 진동대 밖의 고정구에 현수선 형태로 전선을 연결하였다. 그럼에도 불구하고, 전선의 연결 전후에 부싱의 고유진동수 변화는 무시할 정도이므로 전선의 연결 방식이 부싱의 고유진동수에 미치는 영향은 작다고 판단된다.
- 이 연구에서는 국내의 전형적인 154kV 변압기의 주 부품인 애자형 부싱을 대상으로 진동시험을 수행하고 부싱의 동특성과 내진성능을 분석하였다. 이 연구는 국내의 전력 설비를 대상으로 수행한 최초의 동특성분석시험과 내진 성능시험이라는 점에서 큰 의미가 있다.
- 이 연구에서 수행한 진동시험은 동특성분석시험, 내진 성능시험, 파괴한도시험의 세 가지로 구분된다. 각 시험에 사용된 입력운동의 종류와 특성을 표 3에 정리하였다.
대상 데이터
- 또 변압기는 송변전설비 중에서도 가장 큰 중량물로서 변압기 전체를 시험하기 위해서는 l, 200kN 이상의 중량물을 가진할 수 있는 대형 진동설비가 필요하다. 이런 사실을 감안하여, 이 연구에서 분석대상으로 선정한 시험체는 그동안 국내 서산변전소에서 실제 운용 중이던 154kV 변압기의 상단에 탑재된 애자형 부싱(porcelain bushing)이다. 그림 1과 그림 2는 154kV 변압기의 전체 형상으로서 부싱 상단에 연결되는 전선을 제거한 모습이다.
- 그림 1과 그림 2는 154kV 변압기의 전체 형상으로서 부싱 상단에 연결되는 전선을 제거한 모습이다. 그림에서 변압기 상단에 보이는 주름진 실린더 형태의 기등이 애자 형 부싱으로서 이 연구의 대상 시험체이다.
- 변압기 외함의 재질은 KSD 3503의 제2종 SS41 강재이며, 부싱의 주요 재질은 세라믹(ceramic)이다.。) 변압기와 부싱의 크기와 중량은 표 2에 보인 바와 같다.
- 시험에 사용된 진동설비는 현대기술연구소가 보유한 수평 1축 방향으로 진동운동이 가능한 진동대로서 약 295kN (약 30tonf)의 시편이 장착되었을 때, LOg의 가속도로 가진할 수 있다. 이 진동대의 최대 변위와 속도는 각각 100mm 와 50cm/sec이며, 가진 진동수 성능은 약 50Hz이다.
- (5) 이 연구는 국내의 애자형기기 중에서 설계수명 동안 사용된 구형 154kV 변압기 부싱만을 대상으로 하였다. 따라서 향후에 설비의 용량과 종류별로 다양한 시험을 실시하여 국내 송변전설비에 대한 동특성과 내진 성능을 체계적으로 정리할 필요가 있다.
데이터처리
- 그리고 A0, A1, 山2는 회귀분석과정에서 구해지는 유수 함수 상수(residue function constant)이匸]*. 이 연구에서 전달함수를 이용한 동특성분석은 상용 전산프로그램 star(12) 를 이용하여 수행하였다.
이론/모형
- 이 연구를 위한 시험에서는 실제 현장상태와 유사하게 상단에 전선을 연결한 부싱을 '기본모델'(전선연결모델)로 사용하였으며, 전선 연결 상태의 영향을 파악하기 위하여 상부의 전선을 제거한 부싱을 '비교모델, (전선제거모델)로 사용하였다.
- 이 연구에서 적용한 대역통과필터의 진동수 대역은 2Hz~ 30Hz이고, 디지털 필터는 6차 Butterworth Filter"。이다. 동특성분석에 이용한 전달함수는 진동수 간격의 10배에 해당하는 구간에서 이동평균법에 의해 평활화(smoothing) 하였다.
성능/효과
- 진동시험을 위하여 부싱은 강재 고정구에 실제와 동일한 볼트로 고정하였고, 강재 고정구는 다시 진동대에 16개의 M25 고장력 볼트로 고정하였다. 강재 고정구는 고유진동수가 50Hz이상이 되도록 부재 치수와 두께를 설계하고, 시험 전에 예비시험을 통하여 고정구 자체의 동적 증폭이 없음을 확인하였다.
- 3%이다. 따라서 국내에서 운용 중인 154kV 변압기 부싱의 고유진동수는 지진의 주진동수 범위(2~ 10Hz)를 벗어나고, 이 부싱의 감쇠비는 현행 설계기준에서 제시하고 있는 감쇠비의 범위(2~8%) 이내에 존재한다는 사실이 규명되었다.
- 전달함수는 그림 12에 보인 바와 같다. 이 비교모델의 전달함수로부터 계산된 기본고유진동수는 21.5Hz로서 전선이 부착된 상태와 비교하여 큰 차이가 없으나 감쇠비는 1.0%로 감소하고, 진동모드가 2개로 분리뵌다. 이로써 상부의 전선 연결 여부에 따라 부싱의 진동모主나 동특성이 달라질 수 있음을 알 수 있다.
- 있다. 그러므로 이 연구결과를 토대로 국내 154kV 변압기의 부싱에 대해서는 감쇠비를 3.0%로 제한할 필요가 있음을 확인하였다. 단, 이 연구는 국내의 애자형기기 중에서 설계수명 이상 사용된 구형 154kV 변압기 부싱만을 대상으로 하였으며, 전선의 연결조건 등의 구현이 제한적이므로 향후에 설비의 용량과 종류별로 보다 다양한 동적 시험을 실시하여 국내 송변전기기의 고유진동수와 감쇠비의 값을 정확하게 제시할 필요가 있다.
- 그림에서 부싱 상단과 중단의 응답 특성은 약간 다르다. 즉, 0.53g 이하의 지진 운동에서 부싱 상단의 응답가속도와 입 력운동가속도의관계는 선형적이고, 그 이후에는 비선형관계를 보인다. 반면에 부싱 중단의 응답은 LOg의 입력운동 수준까지 그 관계가 선형적이다.
- 374g보다 높은 수준이다. 따라서 시험된 154kV 변압기 부싱은 국내의 설계기준이 요구하는 내진성능을 충분히 확보하고 있는 것으로 확인되었다.
- (1) 국내에서 운용 중인 전형적인 154kV 변압기 부싱의 동특성 분석결과, 이 부싱은 지진의 주진동수 구간을 벗어난 20Hz 이상의 고유진동수를 가지며, 감쇠비는 3.3% 로 분석되었다. 그러므로 국내 154kV 변압기 부싱에 대해서는 국내의 설계기준에서 명시하고 있는 2-8% 를 대신하여 4% 미만의 단일 감쇠비를 적용할 필요가 있다.
- (2) 국내 154kV 변압기 부싱은 변압기 본체와 지반의 증폭 비를 고려하더라도 국내 설계기준에서 요구하는 붕괴방지 수준에 해당하는 내진성능을 충분히 발휘할 수 있다. ]
- (3) 국내 154kV 변압기 부싱의 1차 파괴모드는 부싱의 하단 개스킷 파손에 의한 절연유 유출과 기능상실이다. 그러나 1차 파괴모드 이전에서 부싱의 연결 볼트는 풀림이 발생할 수 있으므로 정기적으로 볼트의 조임 상태를 점검할 필요가 있다.
후속연구
- 0%로 제한할 필요가 있음을 확인하였다. 단, 이 연구는 국내의 애자형기기 중에서 설계수명 이상 사용된 구형 154kV 변압기 부싱만을 대상으로 하였으며, 전선의 연결조건 등의 구현이 제한적이므로 향후에 설비의 용량과 종류별로 보다 다양한 동적 시험을 실시하여 국내 송변전기기의 고유진동수와 감쇠비의 값을 정확하게 제시할 필요가 있다.
- 하였다. 따라서 향후에 설비의 용량과 종류별로 다양한 시험을 실시하여 국내 송변전설비에 대한 동특성과 내진 성능을 체계적으로 정리할 필요가 있다.
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