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문제 정의
- 본 논문에서는 변압기에서 각 진동의 원인에 따른 진동크기의 상관관계를 분석하였고 몰드변압기의 철심과 권선의 구조적 변형을 진단할 수 있는 방법을 제시하였다. 하지만 이와 같은 진단방법은 실제환경에서 사용되어지고 있는 몰드변압기의 환경과는 많은 차이가 있다.
제안 방법
- 권선에 의한 진동을 측정하기 위해서 IVR에 80%, 90%, 100% 정격전압을 인가하고 VVVF를 이용하여 2차 측에 순환전류가 발생하도록 하여 실험을 실시하였으며 그때 발생되는 고압 측 외벽의 진동을 측정하여 진동주파수를 FFT분석을 실시하였다.
- 인가전압은 정격전압의 80%, 90%, 100%, 110%, 120%를 인가하면서 그때의 진동신호를 주파수분석을 실시하여 각각의 특성을 파악하였다. 또한 변압기의 권선에 전류가 흐를 때에 진동특성을 파악하기 위해서는 단락시험 방법을 이용하여 전류의 변화에 따른 변압기의 권선에 의한 진동특성을 측정 분석하였다.
- 레이저를 이용한 비접촉 진동측정장비를 이용하여 몰드변압기의 진동을 측정하고 진동신호를 주파수 영역에서 분석하기 위하여 측정된 신호를 FFT방법을 사용해서 스팩트럼을 구했다. 변압기 철심과 권선은 자왜현상과 전자력에 의해 진동을 발생시키며 120㎐ 를 기본으로 하는 주파수 성분을 갖는 진동파형을 발생시킨다.
- 변압기에서 진동을 발생시키는 철심진동과 권선진동의 각각의 특성을 파악하기 위해 먼저 철심에 의한 진동특성을 시험할 때에는 변압기의 2차 단자를 개방시켜 부하전류가 흐르지 않도록 하는 개방시험을 실시하였다. 인가전압은 정격전압의 80%, 90%, 100%, 110%, 120%를 인가하면서 그때의 진동신호를 주파수분석을 실시하여 각각의 특성을 파악하였다.
- 본 논문에서는 레이저를 이용한 비접촉 진동측정장비를 이용하여 몰드변압기의 진동을 인가전압과 부하량 변동에 따라 측정하였다.
- 실험장치는 표 1과 같은 시험용 몰드변압기 단상 30kVA (22,900/220V) 2대(Mold TR1, Mold TR2)와 변압기 전원공급을 위해 단상 30kVA(입력 : 220V, 출력 : 0∼300V) 유도전압 조정기(IVR) 1대, 동손 공급을 위한 단상 30kVA(입력 : 220V, 출력 : 0∼10V) 전압주파수 조정기(VVVF) 1대, 건식 변압기(TRc) 단상 30kVA(입력 : 10V, 출력 : 0∼1,500V)로 구성하였다.
- 철심에 의한 진동만을 측정하기 위해서 권선에 의한 진동이 발생되지 않도록 TRc에 전압이 인가되지 않도록 하여 변압기 개방시험을 실시하였다. 인가전압은 유도전압조정기(IVR)을 이용하여 정격전압의 80%, 90%, 100%, 110%, 120%를 인가하였으며, 그 때 발생되는 고압 측 외벽의 진동을 측정하여 진동주파 수를 FFT(Fast Fourier Transform)분석을 실시하였다. 철심에 의한 진동의 크기는 인가전압에 비례하여 진동이 증가하며 고체절연물인 에폭시를 통해 외벽으로 진동이 그대로 전달되어지고 있음을 알 수 있다.
- 변압기에서 진동을 발생시키는 철심진동과 권선진동의 각각의 특성을 파악하기 위해 먼저 철심에 의한 진동특성을 시험할 때에는 변압기의 2차 단자를 개방시켜 부하전류가 흐르지 않도록 하는 개방시험을 실시하였다. 인가전압은 정격전압의 80%, 90%, 100%, 110%, 120%를 인가하면서 그때의 진동신호를 주파수분석을 실시하여 각각의 특성을 파악하였다. 또한 변압기의 권선에 전류가 흐를 때에 진동특성을 파악하기 위해서는 단락시험 방법을 이용하여 전류의 변화에 따른 변압기의 권선에 의한 진동특성을 측정 분석하였다.
- 철심에 의한 진동만을 측정하기 위해서 권선에 의한 진동이 발생되지 않도록 TRc에 전압이 인가되지 않도록 하여 변압기 개방시험을 실시하였다. 인가전압은 유도전압조정기(IVR)을 이용하여 정격전압의 80%, 90%, 100%, 110%, 120%를 인가하였으며, 그 때 발생되는 고압 측 외벽의 진동을 측정하여 진동주파 수를 FFT(Fast Fourier Transform)분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 측정된 진동 주파수는 120㎐, 240㎐, 360㎐, 480㎐로 120㎐의 배수 조합 고조파로 측정되었다. 진동고조파성분은 주파수가 1㎑에 가까워지면서 거의 0에 가깝게 작아진다.
이론/모형
- 몰드변압기의 진동을 측정하기 위한 레이저를 이용한 비접촉 진동측정 장치로는 Velocity output sensitivity 15㎜/s/v, 측정범위 0.1㎐∼40㎑인 비접촉식 진동속도계(LV110D, EM4SYS사)를 이용하였다.
- 본 연구에서는 몰드변압기의 운전시의 진동을 측정하기 위하여 그림 1과 같은 반환부하법을 이용하였다. 실험장치는 표 1과 같은 시험용 몰드변압기 단상 30kVA (22,900/220V) 2대(Mold TR1, Mold TR2)와 변압기 전원공급을 위해 단상 30kVA(입력 : 220V, 출력 : 0∼300V) 유도전압 조정기(IVR) 1대, 동손 공급을 위한 단상 30kVA(입력 : 220V, 출력 : 0∼10V) 전압주파수 조정기(VVVF) 1대, 건식 변압기(TRc) 단상 30kVA(입력 : 10V, 출력 : 0∼1,500V)로 구성하였다.
성능/효과
- 시험용 변압기는 100% 정격전압에서의 운전조건에서의 설계 조건으로 설계 제작되어진 변압기이므로 정격전압에서는 상대적으로 480㎐ 성분의 고조파 진동이 작아지는 것으로 판단된다. 120㎐, 480㎐ 주파수 성분의 진동은 부하율이 100%에 가까워지면서 그 진동값이 줄어들면 240㎐, 360㎐성분의 진동은 그 크기의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 또한 앞선 실험과 달리 480㎐ 성분의 진동크기가 작음을 알 수 있다.
- 이는 철심의 진동 측정시 사용되어진 동일한 시험용 변압기이므로 변압기가 가지는 고유진동주파수 성분이 동일하여 480㎐ 대역에서의 공진이 발생되어 그 크기가 증가되는 것으로 판단된다. 80% 정격전압에서의 부하전류가 증가할수록 누설자속과 권선전류에 의한 전자력이 증가되어 권선의 진동은 증가되고 있음을 보여준다. 시험결과 일정 부하율 미만에서는 부하전류가 증가할수록 진동값의 증가폭은 커지지만 그 이상에서는 그 진동값의 증가폭이 둔해지는 것을 알 수 있다.
- 본 연구결과를 이용하면 변압기 철심에 구조적 변형이 생겨 잠재적 사고의 원인이 된다면 이와 같은 철심의 구조적 변형을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 역으로 변압기 철심에 문제가 없고, 변압기의 인가전압이 일정한데 부하전류에 의한 증가폭 변화가 매우 심하면 변압기 권선에 잠재적 사고원인이 발생하였다는 것을 판단할 수 있을 것으로 사료된다.
- 부하전류 70%까지는 120㎐, 성분과 480㎐성분의 크기는 증가하지만 부하전류가 증가하면 선형부하에 의한 권선진동에 의해 상대적으로 철심에 의한 자왜진동 현상이 줄어 전체적으로 변압기 진동값이 일정해지는 것을 알 수 있다. 120㎐의 진동주파수 성분은 부하전류크기변화와 진동의 크기변화는 식 (2)와 같은 상관 함수관계를 가지면 상관계수는 0.
- 80% 정격전압에서의 부하전류가 증가할수록 누설자속과 권선전류에 의한 전자력이 증가되어 권선의 진동은 증가되고 있음을 보여준다. 시험결과 일정 부하율 미만에서는 부하전류가 증가할수록 진동값의 증가폭은 커지지만 그 이상에서는 그 진동값의 증가폭이 둔해지는 것을 알 수 있다. 부하전류가 증가할수록 변압기의 권선진동이 증가하여 철심진동 시 발생되는 고조파 진동성분을 상대적으로 작아진다.
- 변압기 철심과 권선은 자왜현상과 전자력에 의해 진동을 발생시키며 120㎐ 를 기본으로 하는 주파수 성분을 갖는 진동파형을 발생시킨다. 철심에 의한 진동은 인가전압에 선형적으로 증가하며, 권선에 의한 진동은 부하전류의 크기에 선형적으로 증가하지만 일정 부하율 이상에서는 안정화 되는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 실제 현장에서 사용되어지고 있는 변압기 진동은 제작방법에 따라 철심의 성분, 설치방법, 부하종류, 온도변화 등에 의해 다양하게 변화될 것이다. 따라서 이에 따른 추가적인 연구가 보완되어지면 몰드변압기의 철심과 권선의 구조적 변형을 진단하여 변압기의 잠재적 사고를 방지할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- [8-9]의 연구결과에 따르면 건전한 변압기 철심의 기본진동값에 대해 20% 이상의 변동이 발생되었을 경우에는 변압기의 철심에 심각한 문제가 발생한 가능성이 높다고 연구되어져 있다. 본 연구결과를 이용하면 변압기 철심에 구조적 변형이 생겨 잠재적 사고의 원인이 된다면 이와 같은 철심의 구조적 변형을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 역으로 변압기 철심에 문제가 없고, 변압기의 인가전압이 일정한데 부하전류에 의한 증가폭 변화가 매우 심하면 변압기 권선에 잠재적 사고원인이 발생하였다는 것을 판단할 수 있을 것으로 사료된다.
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