[논문]154kV 전력용 변압기의 온도분포에 관한 연구

우정욱; 구교선; 곽주식; 김경탁; 권동진

doi:10.5207/jieie.2011.25.9.056

154kV 전력용 변압기의 온도분포에 관한 연구
The Study on the Temperature Distribution for 154kV Power Transformers 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.25 no.9, 2011년, pp.56 - 61

우정욱 (한국전력공사 전력연구원) , 구교선 (한국전력공사 전력연구원) , 곽주식 (한국전력공사 전력연구원) , 김경탁 (한국전력공사 전력연구원) , 권동진 (한국전력공사 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The temperature of power transformers is very important factor for power system operation in substation because load capacity and limited lifetime of power transformers are determined by winding temperature. Also, The temperature of power transformers varies with the structure, capacity, operation condition and manufacturers. Thus, it is necessary for temperature distribution to be exactly investigated because of efficient load management and prediction of limited lifetime. Nevertheless, there was no case of analysis as well as measurement of the temperature of power transformers. In this paper, we manufactured the 154kV standard power transformer for the test. And we measured the temperature by the heat run test and analyzed the temperature distribution of transformer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 154kV 전력용 변압기 내부의 온도를 직접 측정하고 분석한 결과에 대해서 기술하였다. 변압기 내부의 온도분포를 직접 측정하기 위하여 시험용 변압기를 제작하고[4], 온도측정용 센서를 내부에 삽입하였으며, 정격용량의 30～120[%]까지 5단계로 온도상승시험을 실시하여 측정된 온도값과 그 결과에 대해 분석하였다.

제안 방법

서머커플러는 방열기의 냉각성능을 파악하고 변압기 내부를 기준으로 인입 및 인출되는 지점에서의 온도를 확인하기 위해 인입구과 인출구에 각각 1개씩을 설치를 하고, 오일의 상부온도를 측정하기 위하여 변압기 상부에 1개를 설치하였다. 또한 본 시험에서는 권선에서의 온도분포를 확인하기 위하여 변압기의 상부, 중부, 하부로 나뉘어 14개소에 광섬유 온도센서를 배치하였다. 광섬유 온도센서는 저압권선에 7개, 고압권선에 6개를 설치하였다.
광섬유 온도센서는 저압권선에 7개, 고압권선에 6개를 설치하였다. 또한 철심의 발열을 확인하기 위하여 중앙철심 상부에 광섬유 온도센서를 삽입하였다.
본 논문에서는 154kV 전력용 변압기 내부의 온도를 직접 측정하고 분석한 결과에 대해서 기술하였다. 변압기 내부의 온도분포를 직접 측정하기 위하여 시험용 변압기를 제작하고[4], 온도측정용 센서를 내부에 삽입하였으며, 정격용량의 30～120[%]까지 5단계로 온도상승시험을 실시하여 측정된 온도값과 그 결과에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 154kV 표준 전력용 변압기를 제작하고, 온도상승 시험을 통해 온도를 측정하고, 변압기 내부의 저압권선, 고압권선 및 상하부 오일에서의 온도분포를 분석하였다.
실제 운전중인 변압기와 동일한 조건에서의 온도분포를 확인하기 위하여, 국내에서 사용되고 있는 표준형 154/22.9kV, 15/20MVA 변압기를 그림 2와 같이 제작하고 각 부하별 온도를 측정하였다. 표 1은 사용된 광섬유 온도센서의 제원으로 온도 측정 범위는 20～275[℃]이다.
주변온도 20[℃]에서 전류를 인가하기 시작하여 정격용량의 30[%]에서 120[%]까지 부하를 변화시켰을 때의 온도를 측정하였다. 오일온도 상승은 변압기 상부에 설치된 서머커플러를 이용하여 상부오일 온도를 측정하고, 데이터 로거로 기록하였다.
본 시험에서는 단락법을 이용한 온도상승시험을 실시하였다. 주변온도 20[℃]에서 전류를 인가하기 시작하여 정격용량의 30[%]에서 120[%]까지 부하를 변화시켰을 때의 온도를 측정하였다. 오일온도 상승은 변압기 상부에 설치된 서머커플러를 이용하여 상부오일 온도를 측정하고, 데이터 로거로 기록하였다.

이론/모형

본 시험에서는 단락법을 이용한 온도상승시험을 실시하였다. 주변온도 20[℃]에서 전류를 인가하기 시작하여 정격용량의 30[%]에서 120[%]까지 부하를 변화시켰을 때의 온도를 측정하였다.

성능/효과

100[%] 부하를 기준으로 방열기에서는 약 23[℃] 방열효과가 있었으며, 변압기 상부에서 측정된 온도가 약 69[℃], 온도상승치로는 49[℃]로써 온도상승치 기준인 60[℃] 범위내로 만족함을 확인하였다.
100[%] 부하일 때를 기준으로, 변압기 내부에서 오일의 온도가 상승되어 방열기쪽으로 인출되어 나가는 지점에서의 온도는 69[℃]로, 방열기를 거쳐서 다시 변압기로 들어오는 온도가 46[℃]로, 방열기에서는 약 23[℃]의 방열효과가 있음을 확인하였다. 변압기 상부에서 측정된 온도는, 역시 100[%] 부하의 경우 약 69[℃]로, 온도상승치가 49[℃]로써 기준치인 60[℃]를 만족하고 있다.
상부에서도 부하증가에 따라 온도상승이 선형적이다. 하지만 고압권선과 저압권선간의 온도를 비교할 때 부하가 증가할수록 두 권선간의 온도차가 크고, 저압권선에서 온도가 더 높았다.

후속연구

지금까지 변압기의 온도는 저압 및 고압권선 구별없이 평균권선온도를 산정하고 있다. 그러나 절연물은 온도가 높을수록 열화가 빨리 진행되는 특성이 있으므로, 변압기 내부에서 온도분포를 파악하고, 각 위치에서의 부하별 온도데이터를 확보할 수 있으면 특정부위의 열화 상태를 추정할 수 있는 기초자료로 사용가능하다.
지금까지 변압기의 온도는 저압 및 고압권선 구별없이 평균권선온도가 기록되어 관리되고 있다. 그러나 절연물은 온도가 높을수록 열화가 빨리 진행되므로 변압기 내부의 온도를 파악하고 각 위치에서의 부하별 온도데이터를 확보함에 따라 부하에 따른 온도를 평가하고, 최고점 온도를 예측하여 한계수명을 평가하기 위한 연구에 활용할 수 있다.
현재 평균권선온도의 측정은 저항측정 및 외삽법을 통해 권선온도를 추정하는 방법을 사용하고 있어, 추정치는 오차를 가질 수 밖에 없다. 따라서 본 논문에서 측정된 권선 상중하부의 온도 데이터와 외기온도, 부하정보 등을 종합하면 추정치의 오차를 줄일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 전력용 변압기의 온도를 확인할 수 있는 방법은 무엇인가?	그러나 현재 전력용 변압기의 온도를 확인할 수 있는 방법은 아날로그 권선온도계를 통해 확인하는 방법이 유일하며, 이들에 대한 데이터도 체계적으로 관리되지 않고 있다. 특히 권선온도계가 지시하는 온도는 아날로그로 표시되어 그 분해능이 떨어지며, 변압기 손실분에 비례하는 전류를 흘려 온도를 예측하는 방법으로 실제 온도와는 오차가 존재한다.
	변압기의 온도상승을 시험하는 방법은 실부하법, 반환부하법, 단락법 등 크게 3가지로 구분할 수 있다, 각각의 방법은 무엇인가?	실부하법은 변압기에 정격용량에 해당하는 실제 부하를 연결하여 온도상승시험을 하는 방법으로, 정확도는 우수하지만 대용량 전원설비가 필요하기 때문에 전력용 변압기와 같이 대용량 설비의 시험은 어렵다. 반환부하법은 특성이 같은 변압기의 고압측은 고압측끼리, 저압측은 저압측끼리 연결하여, 정격전압을 인가하고 회로 중간에 동손 전류를 공급할 수 있도록 회로를 구성하는 방법으로, 시험하고자 하는 변압기와 특성이 같은 변압기가 있어야 한다. 단락법은 주로 공장에서 검수시험을 목적으로 사용하고 있으며, 권선을 단락시켜 변압기 전손실(무부하손과 부하손)에 해당하는 전류를 흘려 오일온도 상승을 시험하고, 정격전류를 흘려 권선 온도상승을 시험하는 방법을 사용한다. 간단히 시험이 가능하여 대용량 변압기 시험으로 가장 일반적으로 사용된다.
	절연물은 어떤 특성이 있는가?	지금까지 변압기의 온도는 저압 및 고압권선 구별없이 평균권선온도를 산정하고 있다. 그러나 절연물은 온도가 높을수록 열화가 빨리 진행되는 특성이 있으므로, 변압기 내부에서 온도분포를 파악하고, 각 위치에서의 부하별 온도데이터를 확보할 수 있으면 특정부위의 열화 상태를 추정할 수 있는 기초자료로 사용가능하다.

참고문헌 (7)

권동진 외, "전력용 변압기 사용수명 판정기준 수립을 위한 사전조사 연구," KEPCO 연구보고서, 2008. 10.
JEC 2200, "Power Transformers," The japanese electrotechnical committee, 1995.
IEEE Std. C57.92, "IEEE guide for loading mineral-oil-immersed transformers,", 1995.
구교선 외, "154kV 전력용 변압기 부하별 온도특성", 한국조명？전기설비학회 2011 춘계학술대회 논문집, pp.341-342, 2011.
John J. Winders, Jr, "Power Transformers Principles and Applications", Marcel Dekker, 2002.
Bharat Heavy Electricals Limited, "Transformers", McGraw-Hill, 2003.
IEC 60076-2, "Power transformers - Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers", 2011.

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