[논문]변압기용 절연유의 특성에 관한 실험적 연구

김성대; 박일수

doi:10.5762/kais.2011.12.11.5188

변압기용 절연유의 특성에 관한 실험적 연구
A study on an experimental basis a special character of insulating oil the use of a transformers 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.11, 2011년, pp.5188 - 5193

초록
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본 연구는 변압기 내부에 있는 절연유의 온도제어를 목적으로 열전소자인 펠티어 소자와 무전력 냉각장치인 Heat pipe를 이용한 다양한 시스템을 설계 제작하여, 절연유의 용량별 온도제어에 적용함으로써 최적의 시스템을 구현할 수 있었다. 실험을 통하여 $60^{\circ}C$ 이내의 상태에서는 Heat pipe 100 W + 펠티어 100 W의 조합형이 순수 Heat pipe 300 W보다 탁월한 성능을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 조합형의 적정설계 방식이 우수하다는 것을 증명하고, 조합형을 사용함으로써 전기절약 효과와 수배전반의 보다 더 효율적인 관리에 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research is for temperature control of insulating oil inside the transformer. After I designed and manufactured various systems using Peltier element, which was thermal element, and Heat pipe, which was a cooling system, without electric power. The optimum system could be made by applying them to the temperature control for the insulating oil. I could verify that the combination type of Heat pipe 100 W+ Peltier 100W has a more outstanding capacity than pure Heat pipe 300 W within 60 degrees Celsius through experiments. Through this, I verify that the method of a proper design is prominent, and make an attempt at contribution to power saving effect and more effective control of Distributing board by using this combination type.

주제어

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문제 정의

따라서 수배전반의 노후화 문제를 개선함과 동시에 수배전반 내부의 온·습도를 최적화하여 수배전반의 전기적 효율을 극대화함을 목적으로 하였다.
본 논문은 변압기 내부의 절연유를 온도제어를 통하여 열전소자인 펠티어 소자와 무전력 냉각장치인 Heat pipe를 이용하여 각 온도영역대별로 온도변화를 고찰하여 수배전반의 보다 더 효율적인 관리에 기여하고자 한다. 그림 1은 수배전반에서 적용될 펠티어 소자와 Heat pipe가 설치된 모델링이다.
이러한 시스템을 구상하기 위하여 기존의 수배전반의 온·습도 효율을 개선하기 위하여 열전소자인 펠티어 소자와 무전력 냉각장치인 Heat pipe를 적용하여 수배전반의 내부온도를 상승시키는 가장 큰 원인을 제공하는 변압기의 온도를 저하시킴으로써 수배전반 내부기기의 수명연장 및 기기의 전기적 효율을 극대화하고자 한다.

제안 방법

히트파이프는 관의 양 끝에 열을 흡수하는 증발부와 열을 방출하는 응축부로 이루어졌으며 관의 중간은 단열부와 관의 내부에는 끓는점이 낮은 액체를 사용하여 증발부에서 열을 흡수하면 관 속의 액체가 기화되어 단열부를 지나 방열판이 있는 응축부로 전달되어 열을 방출하면서 기체가 액화되어 다시 증발부로 돌아가는 방식으로 전력의 사용이 필요 없다는 장점을 착안하였으며 변압기 내부의 절연유를 직접 접촉 냉각시킴으로써 냉각효과의 향상을 도모할 수 있다. 그리고 본 연구에서는 히트파이프의 증발부와 응축부에 각각 방열판을 설치하여 냉각성능을 향상시켰다.
기존에 있는 제어장치는 온도의 편차가 크기 때문에 사용에 어려움이 히터를 실험 목적에 알맞게 설계하였으며, 변압기의 내부 환경과 동일하게 설계하기 위해서는 히터의 열량제어도 필요하다. 히터의 열용량 Q(cal)는,
변압기 내부의 절연유를 냉각시키기 위하여 Heat의 용량을 100 W, 200 W, 300 W, 500 W의 4가지 조건과 절연유 10 ℓ, 15 ℓ, 20 ℓ의 3가지 조건으로 2시간동안 각각 5회 반복하여 정적보정과 동적보정을 위하여 반복 측정하여 온도의 변화를 고찰하였다.
이다. 변압기 온도 저감 고려사항과 온도 제어기설계의 이론적 근거를 토대로 히터용량과 펠티어 소자 용량을 산정하는데 참고하여 설계하였다.
실험의 조건은 5가지 종류 Heat pipe 없는 경우, 100 W(Heat pipe), 200 W(펠티어 100 W+ Heat pipe 100 W), 300 W(Heat pipe), 500 W(Heat pipe)의 조건을 같이한 상태에서 실험을 수행하였으며 그림 7부터 그림 12까지 동일 조건을 비교 분석하였다. 표 1은 실험조건을 간단하게 나타내었다.

성능/효과

1. 위 실험조건에서 확인한 결과 절연유의 온도가 60 ℃를 초과하면 Heat pipe의 성능이 크게 저하한다.
2. 60 ℃이내의 상태에서는 Heat pipe 100 W+펠티어 100 W의 조합형이 순수 Heat pipe 300 W보다 탁월한 성능을 보였다.
3. 온도절기를 부착한 상태에서는 더욱더 조합형이 성능 발휘가 우수하다는 것을 확인하였다.
그림 9는 절연유 10 ℓ와 Heat 100 W를 투입한 상태에서 동일조건으로 실험을 수행하여 비교 측정한 값들을 나타낸 것이다. 실험 결과 Heat 용량이 증가함에 더욱더 확연히 온도의 비례적 현상을 나타내고 있다. 이상과 같이 절연유 10 ℓ에 히터의 용량을 50 W씩 단계적으로 상승 시켜 본 결과 변압기의 온도가 60℃이상 상승이 되면 Heat pipe 100 W+펠티어 100 W의 조합형이 별 효과가 없다는 것을 확인 할 수 있었다.
그림 7은 절연유 10 ℓ와 Heat 100 W를 투입한 상태에서 동일조건으로 실험을 수행하여 비교 측정한 값들을 나타낸 것이다. 실험결과 전체적으로 온도계수의 영향에 따라 비례적인 상태를 나타내고 있으나 Heat pipe 300 W와 Heat pipe 100 W+펠티어 100 W의 조합형이 100분 이후부터는 같은 온도분포를 보여 효과적인 온도제어력과 절전효과를 보여주고 있다.
그림 12는 절연유 10 ℓ와 Heat 100 W를 투입한 상태에서 2시간동안 자동 온도 조절기 38∼43 ℃를 사용하여 동일조건으로 실험을 수행하여 비교 측정한 값들을 나타낸 것이다. 실험결과에서 보듯이 Heat pipe 100 W+펠티어 100 W의 조합형이 온도의 변화에 따른 제어 능력이 안정적이라는 것을 볼 수 있다.
실험 결과 Heat 용량이 증가함에 더욱더 확연히 온도의 비례적 현상을 나타내고 있다. 이상과 같이 절연유 10 ℓ에 히터의 용량을 50 W씩 단계적으로 상승 시켜 본 결과 변압기의 온도가 60℃이상 상승이 되면 Heat pipe 100 W+펠티어 100 W의 조합형이 별 효과가 없다는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

4. 이상과 같은 실험에서 조합형의 적정설계 방식이 우수하다는 것을 증명하고, 조합형을 사용함으로써 전기절약 효과와 수배전반의 보다 더 효율적인 관리에 기여하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수배전반의 내부 온도를 상승시키는 가장 큰 원인은?	따라서 수배전반의 노후화 문제를 개선함과 동시에 수배전반 내부의 온·습도를 최적화하여 수배전반의 전기적 효율을 극대화함을 목적으로 하였다. 이러한 시스템을 구상하기 위하여 기존의 수배전반의 온·습도 효율을 개선하기 위하여 열전소자인 펠티어 소자와 무전력 냉각장치인 Heat pipe를 적용하여 수배전반의 내부온도를 상승시키는 가장 큰 원인을 제공하는 변압기의 온도를 저하시킴으로써 수배전반 내부기기의 수명연장 및 기기의 전기적 효율을 극대화하고자 한다.
	각 수용가의 정전원인은 무엇인가?	9 kV급에서 사용되는 수배전반 시스템은 주로 각 건축현장의 가장 외진지역이나 지하실 혹은 외곽에 설치되었던 관계로 수배전반 기기자체의 효율성, 안전성, 노후화로 인한 전력낭비 및 대형 사고에 노출되는 등불합리한 점이 많았다. 각 수용가의 정전원인이 수배전반 내부기기의 노후화로 인한 내부기기 부식과 단락사고, 결로현상으로 정전 및 2차적으로 대형화재가 발생하여 인명피해와 더불어 경제적 손실이 매우 크다. 또한 사고발생시 복구에 시간이 많이 걸리며 이로 인한 유지관리 인원이 많이 소요된다.
	22.9 kV급에서 사용되는 수배전반 시스템이 수배전반 기기자체의 효율성, 안전성, 노후화로 인한 전력낭비 및 대형 사고에 노출되는 등 불합리한 점이 많았던 이유는?	현재 22.9 kV급에서 사용되는 수배전반 시스템은 주로 각 건축현장의 가장 외진지역이나 지하실 혹은 외곽에 설치되었던 관계로 수배전반 기기자체의 효율성, 안전성, 노후화로 인한 전력낭비 및 대형 사고에 노출되는 등불합리한 점이 많았다. 각 수용가의 정전원인이 수배전반 내부기기의 노후화로 인한 내부기기 부식과 단락사고, 결로현상으로 정전 및 2차적으로 대형화재가 발생하여 인명피해와 더불어 경제적 손실이 매우 크다.

참고문헌 (6)

Sadik, K. and Hongtan, L., "Heat Exchangers selection, rating and thermal design, 2ed.," CRC press, 2002.
Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., "Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4ed.," John Wiley & Sons, 1996.
Lee, Y. S., Park, K. H., Ra, H. s. and Kang, H. K., " A Study on the Operating Characteristics of the Naphthalene Heat Pipe," Proceedings of the KSME Spring Annual Conference, pp. 2100-2104, 2005.
Vogel, M., Xu, G., " Low Profile Heat Sink Cooling Technologies for Next Generation CPU Thermal Designs," ElectronicsCooling, Vol. 11, No. 1, pp. 20-26, 2005.

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N. J. Lamfon, M. Akyurt. and Y. S. H. Najjar, " Waste Heat Recovery Using Looped Heat Pipers for Air Cooling," Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 4, pp. 365-376, 1994.
S. Chengming, X. Mingdal and C. Yuanguo, "Analysis of Three-Fluid Separate Type Heat Pipe Exchanger," Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 12, No. 4, pp. 317-322, 1992

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