선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문은 국내의 빌딩 및 아파트 등에 주류를 이루고 있는 몰드변압기에 대한 수명 예측을 위한 온도분포를 위하여 CFD 해석을 통하여 배전용 몰드변압기의 온도특성 분포 및 최고점 온도를 예측하였다. 해석을 위하여 CFD 해석을 위하여 자연대류 문제로 해석하였고, 각각의 해석을 위한 검증 및 결과 도출은 다음과 같다.
- 본 논문의 몰드변압기의 해석은 자연대류 문제를 해석한다. 자연대류는 흐름의 운동량 방정식과 열전도 방정식의 양자에 속도와 온도가 포함되기 때문에 연성 문제가 되므로 양 방정식을 동시에 풀 필요가 있다.
가설 설정
- 3MVA 몰드변압기를 해석모델로 선정하여 몰드변압기의 온도분포를 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 3차원 열유동 해석을 수행하였다. 사용되는 유체는 비압축성 이상공기로 변압기의 냉각방식인 자연 냉각으로 가정하여 난류 현상으로 해석하였다. 또한 몰드변압기의 구조 영역별 온도분포 및 최고온도 (hot spot temperature) 지점을 예측함으로써, 설계 시 요구되는 냉각설계 및 온도 분포를 예측하였다.
- 또한 열 유동해석의 난류모델로서 k-ε 모델을 사용하였다. 해석 변압기의 외부 유체는 비압축성 이상 공기로 가정하여, 초기 온도는 20℃의 상온이다.
제안 방법
- 표 3은 단락시험시 권선의 지점별 온도 분포를 비교한 것이다. 1 kVA 단상변압기의 열유동해석과 실험을 통하여 결과를 비교하고 검증하였다. 열유동해석의 수렴성과 정확성을 동일 조건으로 해석한 결과는 열화상 카메라와 일치하였으며, 전체적으로 약 91.
- 이와 같이 자연대류에서는 에너지방정식과 Navier-Stokes 방정식은 연성하여 해석을 수행한다. 3MVA 몰드변압기를 해석모델로 선정하여 몰드변압기의 온도분포를 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 3차원 열유동 해석을 수행하였다. 사용되는 유체는 비압축성 이상공기로 변압기의 냉각방식인 자연 냉각으로 가정하여 난류 현상으로 해석하였다.
- ANSYS Workbench의 Meshing Platform을 이용하여 3차원 모델링 후 열 유동 해석 모델의 요소망을 분할하였다. 사용하는 요소망은 사면체 요소망을 사용하였고, 요소망을 구성하는 절점의 수는 4,365,117 개이고, 요소망의 수는 23,143,933 개다.
- CFD를 이용하여 해석하고자 모델링을 위해 요소분할, 경계조건 및 물질상수의 부여 등을 전처리 과정이라 한다. CAD 3차원 모델을 ANSYS Workbench의 Design Modeler를 이용하여 해석 모델의 주요 구성품을 설정하였다. 이때, 해석 모델의 외부 유체는 3∼4 배 크기의 유체 영역으로 설정하였다.
- 변압기 권선의 재질은 실제 몰드변압기에서 사용하고 있는 구리(copper)와 알루미늄(aluminum)으로 구분된다. 권선의 온도분포 해석을 위하여 밀도, 비열, 열전도율을 변화하여 영역별 온도특성 및 최고점 온도분포에 대하여 예측하였다.
- 단락시험을 통하여 단상 변압기의 권선 온도를 측정하였다. 그림 3의 (a)는 단락시험시 열유동해석을 통한 권선의 온도분포를 나타내었고, (b)는 단락시험시 열화상 카메라로 측정한 온도분포를 나타내었다.
- 사용되는 유체는 비압축성 이상공기로 변압기의 냉각방식인 자연 냉각으로 가정하여 난류 현상으로 해석하였다. 또한 몰드변압기의 구조 영역별 온도분포 및 최고온도 (hot spot temperature) 지점을 예측함으로써, 설계 시 요구되는 냉각설계 및 온도 분포를 예측하였다. 또한 에폭시의 열전도도 변화에 따른 온도분포 비교 및 권선의 재질 변화에 따른 온도분포를 비교하였다.
- 또한 몰드변압기의 구조 영역별 온도분포 및 최고온도 (hot spot temperature) 지점을 예측함으로써, 설계 시 요구되는 냉각설계 및 온도 분포를 예측하였다. 또한 에폭시의 열전도도 변화에 따른 온도분포 비교 및 권선의 재질 변화에 따른 온도분포를 비교하였다. 해석결과를 바탕으로 설계시 요구되는 냉각설계 및 온도분포 자료로 활용하였다.
- 이를 통해 해석된 모델은 3MVA 배전용 몰드변압기로 실제의 형상과 유사하게 모델링하기 위하여 몰드변압기의 냉각덕트를 포함시켰으며, 철심은 적층된 형상을 고려하여 전체의 모델은 3차원으로 모델링하였다. 몰드변압기의 열적 특성을 분석하기 위하여 변압기 해석모델의 온도분포를 해석하고, 에폭시 수지의 열전도도에 의한 변화, 권선 재질의 물성값에 의한 변화에 대하여 온도분포를 예측하였다.
- 변압기 온도분포 확인을 위하여 변압기의 무부하시험과 단락시험을 수행하였다. 무부하 시험을 통하여 단상 변압기의 철심 온도를 측정하였다. 그림 2의 (a)는 무부하 시험시 열유동해석을 통한 철심의 온도분포를 나타내었고, (b)는 무부하 시험시 열화상 카메라로 측정한 온도분포를 나타내었다.
- 변압기 온도분포 확인을 위하여 변압기의 무부하시험과 단락시험을 수행하였다. 무부하 시험을 통하여 단상 변압기의 철심 온도를 측정하였다.
- 본 논문에서 사용되는 몰드변압기는 철심, 저압권선, 고압 권선을 모델링하고 이에 따른 열원 산정은 부하손인 동손과 무부하손인 철손만을 고려하였으며, 권선에서의 저항은 온도에 따라 그 크기가 변화하지만 이는 정상상태의 열유동해석에서는 고려하지 않는다. 따라서 저압권선과 고압권선에서 발생하는 전력손실 밀도를 산정하기 위하여 다음의 식 (1)과 (2)를 이용하여 변압기의 열원을 결정하였다[1][6][7].
- 1 W/m․K 씩 변화시켜 변압기의 영역별 온도분포를 나타내었다. 수치해석을 통해 얻어진 온도분포 결과를 바탕으로 변압기의 영역별 온도특성 및 최고점 온도 분포를 예측하였다.
- 이를 위하여 1kVA 단상 변압기를 선정하여 변압기의 무부하시험 및 단락시험을 수행하였다. 실험을 통해 전체적인 변압기의 실제 온도분포를 열화상 카메라를 이용하여 촬영하였다. 표 1은 시험에 사용되는 변압기의 제원을 나타내었다.
- 6%의 정합성을 보였다. 이를 바탕으로 CFD 해석에 대한 정확성을 검증하였다.
- 몰드변압기의 열유동해석 검증을 위해서 실험과 수치해석의 정합성이 선행되어야 한다. 이를 위하여 1kVA 단상 변압기를 선정하여 변압기의 무부하시험 및 단락시험을 수행하였다. 실험을 통해 전체적인 변압기의 실제 온도분포를 열화상 카메라를 이용하여 촬영하였다.
- 6%의 정합성을 보였으며, 이를 바탕으로 본 논문에서 사용된 CFD 해석 기법은 비교적 정확하다고 판단된다. 이를 통해 해석된 모델은 3MVA 배전용 몰드변압기로 실제의 형상과 유사하게 모델링하기 위하여 몰드변압기의 냉각덕트를 포함시켰으며, 철심은 적층된 형상을 고려하여 전체의 모델은 3차원으로 모델링하였다. 몰드변압기의 열적 특성을 분석하기 위하여 변압기 해석모델의 온도분포를 해석하고, 에폭시 수지의 열전도도에 의한 변화, 권선 재질의 물성값에 의한 변화에 대하여 온도분포를 예측하였다.
- 이처럼 변압기의 온도분포 해석 문제는 근본적으로 전자계 해석과 상호 결합되어 있다. 전자계 해석에서 각 물성 값들은 온도에 따라 변화하며, 특정 값으로 가정한 온도 하에서 각각의 물성 값들(저항값, 투자율 등)을 입력하여 계산함으로써 전자기적 특성 값인 전류, 전력손실 등의 결과를 얻어낸다. 권선과 철심에서 얻어지는 손실은 온도분포 해석을 위한 열원으로 직접 입력되는 값이다[3][4].
- 변압기의 사양은 표 4에 나타내었다. 표 5는 해석모델의 구성재료인 철심(규소강판), 저압 및 고압권선, 에폭시 수지 등에 대한 밀도, 비열, 열전도도 등의 열적 파라미터들을 적용하였다.
- 표 6과 같이 총 3가지의 에폭시 수지의 열전도도[W/m․K] 변화에 의한 온도분포 변화에 대하여 수치해석을 수행하였다. 3.
- 표 7과 같이 변압기 권선 재질의 물성치 변화에 의한 온도분포를 비교하기 위한 수치해석을 수행하였다. 변압기 권선의 재질은 실제 몰드변압기에서 사용하고 있는 구리(copper)와 알루미늄(aluminum)으로 구분된다.
- 또한 에폭시의 열전도도 변화에 따른 온도분포 비교 및 권선의 재질 변화에 따른 온도분포를 비교하였다. 해석결과를 바탕으로 설계시 요구되는 냉각설계 및 온도분포 자료로 활용하였다.
- 본 논문은 국내의 빌딩 및 아파트 등에 주류를 이루고 있는 몰드변압기에 대한 수명 예측을 위한 온도분포를 위하여 CFD 해석을 통하여 배전용 몰드변압기의 온도특성 분포 및 최고점 온도를 예측하였다. 해석을 위하여 CFD 해석을 위하여 자연대류 문제로 해석하였고, 각각의 해석을 위한 검증 및 결과 도출은 다음과 같다. 해석결과에 대한 검증을 위하여 1kVA 단상 변압기의 열유동 해석결과와 실험결과를 비교하여 수치해석의 정확성 및 수렴성에 대한 검증을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 열유동해석에 적용되는 모델은 그림 4와 같은 3MVA급 몰드변압기이다. 몰드변압기의 구조는 3상 내철형이며, 냉각방식은 건식 자냉식, 절연물은 절연등급이 F급인 에폭시 수지를 사용하였다.
- ANSYS Workbench의 Meshing Platform을 이용하여 3차원 모델링 후 열 유동 해석 모델의 요소망을 분할하였다. 사용하는 요소망은 사면체 요소망을 사용하였고, 요소망을 구성하는 절점의 수는 4,365,117 개이고, 요소망의 수는 23,143,933 개다. 해석 방법으로 속도가 매우 작고 밀도 차이로 인한 부력 유동이 자연대류를 해석하기 위하여 속도와 압력의 연계(coupling)인 SIMPLE 기법으로 처리하였다.
데이터처리
- 해석을 위하여 CFD 해석을 위하여 자연대류 문제로 해석하였고, 각각의 해석을 위한 검증 및 결과 도출은 다음과 같다. 해석결과에 대한 검증을 위하여 1kVA 단상 변압기의 열유동 해석결과와 실험결과를 비교하여 수치해석의 정확성 및 수렴성에 대한 검증을 수행하였다. 해석결과와 실험결과는 약 91.
이론/모형
- 또한 열 유동 해석의 난류 모델로서 k-ε 모델을 사용하였다.
- 또한 열 유동해석의 난류모델로서 k-ε 모델을 사용하였다.
- 해석 방법으로 속도가 매우 작고 밀도 차이로 인한 부력 유동이 자연대류를 해석하기 위하여 속도와 압력의 연계(coupling)인 SIMPLE 기법으로 처리하였다. 또한 열 유동해석의 난류모델로서 k-ε 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 저압권선에 비해 많은 권선수를 가진 고압권선에서 높은 전력손실밀도가 발생하였다. 그 결과, 고압권선은 12,044 W, 저압권선은 9,785 W의 전력손실이 발생하였으며, 이를 단위체적당으로 환산하면 각각 53,016 W/㎥, 39,117 W/㎥의 전력손실밀도를 가지게 된다. 또한, 철심의 철손은 5,265 W이며, 단위체적당 손실은 11,089 W/㎥이다.
- 그림 8은 에폭시 수지의 열전도도 변화에 의한 권선부 영역의 평균온도를, 그림 9는 에폭시수지의 열전도도 변화에 의한 권선부 영역의 최고 온도분포를 비교한 결과이다. 에폭시수지의 열전도도 변화에 의한 고압권선부의 온도분포보다 저압권선부의 온도분포가 최대 1℃ 이상의 온도변화가 예측되었다. 하지만 해석결과에 대한 오차 범위 내의 변화로 에폭시수지의 열전도도 변화에 대한 권선 및 철심의 온도상승에 대한 영향은 미미한 것을 판단된다.
- 1 kVA 단상변압기의 열유동해석과 실험을 통하여 결과를 비교하고 검증하였다. 열유동해석의 수렴성과 정확성을 동일 조건으로 해석한 결과는 열화상 카메라와 일치하였으며, 전체적으로 약 91.6%의 정합성을 보였다. 이를 바탕으로 CFD 해석에 대한 정확성을 검증하였다.
- 해석결과에 대한 검증을 위하여 1kVA 단상 변압기의 열유동 해석결과와 실험결과를 비교하여 수치해석의 정확성 및 수렴성에 대한 검증을 수행하였다. 해석결과와 실험결과는 약 91.6%의 정합성을 보였으며, 이를 바탕으로 본 논문에서 사용된 CFD 해석 기법은 비교적 정확하다고 판단된다. 이를 통해 해석된 모델은 3MVA 배전용 몰드변압기로 실제의 형상과 유사하게 모델링하기 위하여 몰드변압기의 냉각덕트를 포함시켰으며, 철심은 적층된 형상을 고려하여 전체의 모델은 3차원으로 모델링하였다.
- 해석모델의 온도분포는 하부의 경우는 공기가 유입되는 부분으로 저압권선과 고압권선의 온도가 비교적 비등한 온도분포를 나타났지만, 상부로 올라갈수록 고압권선과 저압권선의 온도는 저압권선에서 온도가 높게 분포된 것으로 예측되었다. 변압기의 수명은 절연물의 수명에 의해 좌우된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.