[논문]가진력 규명을 통한 초고압 변압기의 구조진동 및 방사소음 예측

유석진; 정병규; 정의봉; 홍진숙; 김태용

doi:10.5050/ksnve.2013.23.6.527

[국내논문] 가진력 규명을 통한 초고압 변압기의 구조진동 및 방사소음 예측
Prediction of a Structural Vibration and Radiated Noise of High-voltage Transformer through Force Identification 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.6, 2013년, pp.527 - 536

유석진 (Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 정병규 (Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 정의봉 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 홍진숙 (School of Mechanical Engineering, Ulsan College) , 김태용 (Hyosung P&I System R&D Center)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to predict structural vibration and radiated noise of high-voltage transformer in operation, it is necessary to precisely find the excitation force generated by the coils and core. However, finding the excitation force through experiments of high voltage transformer in operation is not possible. Therefore, this paper deals with identifying the excitation force by using the acceleration data measured through experiments and the transfer function estimated through finite element model. A method to predict structural vibration and radiated noise was also proposed. Three-phase windings and the core are the source of high-voltage transformer. The excitation forces were identified using the acceleration data and the transfer function of the surface of the tank. Structural vibration and radiated noise from the surface of the tank was predicted by using the identified excitation force. As a result of the interpretation of the experimental and computational analysis of structural vibration from the surface of the tank and radiated noise from the field point, the interpretation of the computational analysis showed relatively good accordance with the experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 규명해야 할 가진력벡터 {F(w)}의 수보다 평균화된 위상 기준 스펙트럼 {B_avg(w)}의 수를 많게 선정하여 보다 정확한 하중데이터를 얻고자 했다. 구하고자 하는 가진점은 2.
이 논문에서는 먼저 초고압 변압기의 방사소음에 직접적으로 영향을 미치는 변압기 외함표면의 진동가속도 데이터를 측정하였다. 그리고 유한요소 모델의 구조해석으로 구한 주파수응답함수를 이용하여 변압기에서 발생하는 가진력을 규명하였다.
그리고 유한요소 모델의 구조해석으로 구한 주파수응답함수를 이용하여 변압기에서 발생하는 가진력을 규명하였다. 이렇게 규명된 가진력을 이용하여 방사소음을 예측하고 실험과 비교 및 검증을 수행하고자 한다.

가설 설정

변압기의 모든 구조물은 800 Hz까지의 모드형상을 제대로 표현할 수 있도록 유한요소 모델을 만들었다. 가진력은 Fig. 2와 같이 3개의 권선과 철심의 질량중심에 6개의 자유도를 가지는 가진력이 작용한다고 가정하였다. 질량중심과 권선, 철심 표면은 MPC(multi point constraint)기법 중 하나인 RBE3를 이용하여 Fig.
(w)}의 수를 많게 선정하여 보다 정확한 하중데이터를 얻고자 했다. 구하고자 하는 가진점은 2.1절에서 언급한 것처럼 권선3개와 철심의 질량중심에 3방향의 병진힘과 3방향의 모멘트힘이 작용한다고 가정하였다. 가진점에서의 복소전달함수 [H(w)]는 구조해석 툴인 MSC.
NASTRAN을 사용하였다. 연성해석 조건은 오일러 모델(Eulerian model)로 가정하였으며 구조응답은 변위벡터인 반면 유체응답은 단 하나의 압력으로 표현된다. 구조, 유체의 연성모드 해석을 위한 오일러 구조, 유체의 연성해석 관련식(Eulerian FE/FE model)은 다음과 같이 나타낼 수 있다⁽⁷⁾.

제안 방법

3.1절에서 규명한 가진력을 유한요소 모델의 권선과 철심의 질량중심에 입력하고 MSC.NASTRAN을 사용하여 강제진동응답 해석(forced response analysis)을 수행하였다. 2.
Fig. 12에서 볼 수 있듯이 800 Hz까지의 방사음압을 잘 표현하기 위해 파장(wave length)의 1/6이하가 되도록 적절한 크기로 음향격자(acoustic mesh)를 나누었고, 초고압변압기 base부분에 대칭면(symmetric plane)을 만들어 주었다. Fig.
초고압변압기는 크게 외함(tank), 방열기(radiator), 컨서베이터(conservator), 철심(core), 권선(windings), 단철(frame) 그리고 절연유(oil)로 구성되어있다. 가진력의 근원인 철심, 권선과 이를 지탱하는 단철은 솔리드요소, 외함부는 쉘요소, 외함과 구조적 연성이 적으며 방사소음에 대한 기여도가 낮을 것으로 판단되는 방열기와 컨서베이터는 집중질량으로 모델링 하였다. 그리고 구조물과 절연유는 구조-유체 연성해석을 수행하였으며 이때 절연유는 유체솔리드로 모델링 하였다.
구조물과 절연유의 유한요소 모델을 이용하여 접수진동해석을 수행하였다. 접수진동 해석은 구조와 유체의 연성모드 해석(complex mode analysis)을 수행할 수 있는 MSC.
가진력의 근원인 철심, 권선과 이를 지탱하는 단철은 솔리드요소, 외함부는 쉘요소, 외함과 구조적 연성이 적으며 방사소음에 대한 기여도가 낮을 것으로 판단되는 방열기와 컨서베이터는 집중질량으로 모델링 하였다. 그리고 구조물과 절연유는 구조-유체 연성해석을 수행하였으며 이때 절연유는 유체솔리드로 모델링 하였다. 변압기의 모든 구조물은 800 Hz까지의 모드형상을 제대로 표현할 수 있도록 유한요소 모델을 만들었다.
10과 같이 마이크로 폰을 설치하여 800 Hz까지 측정하였다. 그리고 상대적으로 상관관계가 떨어질 것이라 생각되는 외함표면에서 0.7 m 떨어지고 바닥에서 0.86 m, 1.63 m 떨어진 두 점을 추가로 측정하였다. 3점의 위치는 Fig.
이 논문에서는 먼저 초고압 변압기의 방사소음에 직접적으로 영향을 미치는 변압기 외함표면의 진동가속도 데이터를 측정하였다. 그리고 유한요소 모델의 구조해석으로 구한 주파수응답함수를 이용하여 변압기에서 발생하는 가진력을 규명하였다. 이렇게 규명된 가진력을 이용하여 방사소음을 예측하고 실험과 비교 및 검증을 수행하고자 한다.
3절에서 외함표면의 실험을 통해 얻은 진동데이터를 전산해석이 잘 표현하고 있음을 확인하였다. 따라서 LMS.VIRTUAL.LAB의 SYSNOISE를 이용하여 권선 및 철심의 질량중심에서 발생하는 가진력에 의한 방사소음 해석을 진행하고 실제로 측정한 실험값과 비교해보았다.
방사소음해석은 ACOUSTIC FEM METHOD 모듈중 automatically matched layer를 사용하여 수행하였다. 해석은 먼저 Fig.
그리고 구조물과 절연유는 구조-유체 연성해석을 수행하였으며 이때 절연유는 유체솔리드로 모델링 하였다. 변압기의 모든 구조물은 800 Hz까지의 모드형상을 제대로 표현할 수 있도록 유한요소 모델을 만들었다. 가진력은 Fig.
방사소음 측정은 초고압변압기의 크기와 작동환경을 무향실에서 만들어주기 어려워 정상운행하고 있는 필드에서 진행하였다. 소음측정은 먼저 Fig. 6처럼 외함표면 진동을 측정한 위치에서 0.7 m 떨어지고 바닥에서 0.86 m 떨어진 지점에서 Fig. 10과 같이 마이크로 폰을 설치하여 800 Hz까지 측정하였다. 그리고 상대적으로 상관관계가 떨어질 것이라 생각되는 외함표면에서 0.
이 논문에서는 초고압변압기의 정상운전상태에서 구조기인소음을 발생시키는 가진력을 실험과 전산해석을 결합하여 규명하고 방사소음을 예측하는 방법과 절차를 확립하였다. 또한 초고압변압기의 권선과 철심의 규명된 가진력을 바탕으로 전산을 통해 구한 구조진동해석과 방사소음해석을 실험값과 비교, 분석하였다.
방사소음해석은 ACOUSTIC FEM METHOD 모듈중 automatically matched layer를 사용하여 수행하였다. 해석은 먼저 Fig. 11처럼 방사소음을 흡수하는 PML영역이 고려된 FEM영역까지 음향해석을 진행하였다. 다음으로 Fig.

데이터처리

1절에서 언급한 것처럼 권선3개와 철심의 질량중심에 3방향의 병진힘과 3방향의 모멘트힘이 작용한다고 가정하였다. 가진점에서의 복소전달함수 [H(w)]는 구조해석 툴인 MSC.NASTRAN을 이용하여 구하였다. 여기서 전달함수의 응답점은 Fig.
이 논문에서는 초고압변압기의 정상운전상태에서 구조기인소음을 발생시키는 가진력을 실험과 전산해석을 결합하여 규명하고 방사소음을 예측하는 방법과 절차를 확립하였다. 또한 초고압변압기의 권선과 철심의 규명된 가진력을 바탕으로 전산을 통해 구한 구조진동해석과 방사소음해석을 실험값과 비교, 분석하였다. MSC.

이론/모형

구조물과 절연유의 유한요소 모델을 이용하여 접수진동해석을 수행하였다. 접수진동 해석은 구조와 유체의 연성모드 해석(complex mode analysis)을 수행할 수 있는 MSC.NASTRAN을 사용하였다. 연성해석 조건은 오일러 모델(Eulerian model)로 가정하였으며 구조응답은 변위벡터인 반면 유체응답은 단 하나의 압력으로 표현된다.
2와 같이 3개의 권선과 철심의 질량중심에 6개의 자유도를 가지는 가진력이 작용한다고 가정하였다. 질량중심과 권선, 철심 표면은 MPC(multi point constraint)기법 중 하나인 RBE3를 이용하여 Fig. 3과 같이 연결함으로써 분포하중이 작용하고 권선과 철심의 모드형상을 유지할 수 있도록 하였다. 초고압변압기 외함부 내부에는 권선과 철심의 냉각을 위해 절연유로 가득 차 있다.

성능/효과

3.3절에서 외함표면의 실험을 통해 얻은 진동데이터를 전산해석이 잘 표현하고 있음을 확인하였다. 따라서 LMS.
또한 초고압변압기의 권선과 철심의 규명된 가진력을 바탕으로 전산을 통해 구한 구조진동해석과 방사소음해석을 실험값과 비교, 분석하였다. MSC.NASTRAN을 통해 구한 구조진동 해석과 LMS.SYSNOISE를 통해 구한 방사소음 해석 모두 실험과 비슷하게 작동주파수와 조화성분에서 큰 값을 가지는 현상을 대체적으로 잘 표현하였으나 외함의 크기에 비해 실험으로 측정한 응답벡터 수가 상대적으로 적어 정상상태 가진력의 정확도를 떨어뜨렸다. 이러한 가진력의 오차로 인해 방사소음 해석과 실험 사이에 오차가 발생했다.
Pa이다. 초고압변압기에 인가되는 전류의 작동주파수인 60 Hz이상 영역에서 세 개의 수음점(P5, P6, P7) 모두 실험과 전산이 비슷한 경향이 나타났으며 60 Hz이하 영역에서는 오차가 크게 발생하였다. Table 1은 세 개의 수음점에서 실험과 전산의 음압레벨의 총합(over-all SPL)을 비교해본 결과를 나타낸다.

후속연구

이러한 가진력의 오차로 인해 방사소음 해석과 실험 사이에 오차가 발생했다. 그러나 외함전체를 고르게 표현할 수 있도록 응답벡터 수를 늘려 가진력의 정확도를 높이고 암소음으로 인한 영향을 배제할 수 있는 무향실에서 초고압변압기의 방사 소음을 측정하면 전산해석과 실험 사이의 오차를 줄여 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있으리라 판단된다.
따라서 P6, P7점의 예측정확도를 높이기 위해서는 P6, P7점과 상관관계가 높은 외함표면의 가속도를 측정하여 가진력을 규명하면 P6, P7점의 실험과 전산오차를 줄일 수 있을 것이라 생각한다. 그리고 실험 여건상 전산해석과 동일한 조건을 구현할 수 있는 무향실에서 실험을 하지 못해 암소음의영향이 있을 것이라 생각되며 가진력 추출과정에서 사용하는 응답벡터 수를 늘려 변압기 외함표면 전체의 구조응답을 제대로 표현할 수 있을 정도로 측정하면 좀 더 정확한 방사소음을 예측할 수 있을 것으로 예상된다.
이 연구에서 정립한 초고압변압기 방사소음 프로세스를 사용하여 정상상태뿐만 아니라 부하상태와 무부하 상태에서의 가진력을 규명하여 방사소음의 예측 및 저감에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변압기의 소음원인은?	이에 따라 변압기 소음, 진동저감에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 변압기의 소음원인으로는 철심의 자왜현상, 권선의 누설 자속에 의한 자기력의 영향, 홴 블레이드의 공기마찰 그리고 펌프의 유동소음으로 분류할 수 있다. Koo 등(1)은 변압기의 부하소음(권선소음) 및 냉각홴 소음이 변압기 전체에 미치는 영향을 분석하였다.
	변전소 건설을 기피하는 이유는?	최근 전력기기제품의 소음으로 인한 주거지역의 피해가 발생하여 변전소 건설을 기피하는 현상이 발생하고 있다. 전력기기 제품 중 특히 초고압변압기(high voltage transformer)는 24시간 운전되는 제품으로 최근 유럽, 북미 등 선진국 주거지역에서 산업소음기준이 엄격히 적용되어 소음 및 진동문제가 중요시 되고 있다.
	변압기의 소음원인에 대한 연구는?	변압기의 소음원인으로는 철심의 자왜현상, 권선의 누설 자속에 의한 자기력의 영향, 홴 블레이드의 공기마찰 그리고 펌프의 유동소음으로 분류할 수 있다. Koo 등(1)은 변압기의 부하소음(권선소음) 및 냉각홴 소음이 변압기 전체에 미치는 영향을 분석하였다. 그 밖에도 무부하소음(철심소음)(2), 외함(tank)의 진동저감분석(3) 등 다양한 연구가 현재까지 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (11)

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LMS.Virtual.Lab REV9 NVM Standard Training, LMS International NV, Belgium.
MSC Nastran, 2012 Dynamic Analysis User's Guide.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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